JPH0267099A - 複合圧電変換器を製作する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 足業上辺末−用分Ｍ− 本発明は、前面と背面とをもつ圧電素材による被加工部
材を供給する段階を含む複合圧電変換器を製作する方法
に関するものである。更に特定していえば、本発明は弯
曲した複合超音声帯域変換器を製作する方法に関する。

この製作方法によれば大形の弯曲した超音波変換器を製
造することができる。かような変換器は特に医学的超音
声帯域診断用機器に用いて有用である。

超音波診断装置用の変換器は、通常チタン酸ジルコニウ
ム酸鉛（ＰＺＴ）の圧電セラミックの単一ブロックから
作られるが、チタン酸鉛やメタニオブ酸鉛のような他の
セラミックやＰＶＤνのような重合体を用いることもで
きる。最近では、重合体内に配置する棒状ＰＺＴのマト
リクスから構築された複合圧電素材が開発されている。

このような複合変換器は変換器の設計上に多大な自由度
をもたらした。なお、ここで用いた「複合変換器」とい
う用語は、電気的に能動的な素材（すなわち圧電素材）
の領域が第２の素材のマトリクスの中に埋め込まれて含
まれている変換器をいうものであって、第２の素材とし
ては電気的に受動的な素材（すなわち絶縁物）が優先す
る。第２の素材は能動的な素材の音響的特性とは異なる
音響的特性をもつことができる。

、従し水の　′ネー　びその。　占 多数の複合変換器が平坦な円板の形状で作られている。

けれども、ある種の医学的診断用超音声帯域の応用分野
では、弯曲した焦点を有する変換器が望ましい。しかし
、弯曲した複合変換器の製作は困難な点がある。これら
の困難を克服する１つの試みとして極めて可撓性のある
、例えばポリウレタンのような重合体から複合変換器が
作られたことがある。例えばｒｉＥＥＥＵｌｔｒａｓｏ
ｎｉｃ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ１９８５　Ｊ文献集第６３
４−６３６頁所載’ＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＰｒｏｂｅ　
Ｕｓｉｎｇ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃ
ｔｒｉｃ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」という文献や、１９８
４年１１月４−７日開催の第２回ｒＵ、ｓ、／Ｊａｐａ
ｎ　Ｓｅｍ１ｎａｒ　ｏｎ　Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ａ
ｎｄＰｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｃｅｒａｍｉｃｓ」
発表論文集第３巻所載ｒＭｅｄｉｃａｌ　Ｕｌｔｒａｓ
ｏｎｔｃ　Ｐｒｏｂｅ　Ｕｓｉｎｇ　ＰＺＴ／Ｐｏｌｙ
ｍｅｒＣｏｍｐｏｓｔｔｅ　」という文献に記載のポリ
ウレタン複合変換器を参照されたい。しかしながら、可
撓性のあるポリウレタン素材から作られた超音波変換器
は十分完全に満足すべきものではないことが判明してい
る。

弯曲した複合変換器を形成するまた別の方法が次の文献
すなわち「１９８５　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｔｏ
ｎｓ　ｏｎＳｏｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉ
ｃｓ」誌第ＳＯ−３２巻第４９９５１３頁所載ｒＰｉｅ
ｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｍａｔｅ
ｒｉａｌｓｆｏｒ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｔｒａｎｓ
ｄｕｃｅｒ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ、　ＰａｒｔＩ
Ｉ　：　Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｕｌｔｒａｓｏ
ｎｉｃ　Ｍｅｄｉｃａｌ静ρ１ｉｃａｔｉｏｎｓ、　」
と題する論文で論じられている。

この文献においては、既に硬化したエポキシをガラス転
位温度以上に加熱して軟化し曲げられるに至ったものを
、弯曲した形状ヘモールドした低粘性エポキシから複合
変換器を製造している。しかしこのやり方は、低粘性エ
ポキシ樹脂の高い収縮性のために大直径の変換器を作り
得ないという理由で、完全に満足すべきものからは程遠
いことが判明している。収縮の影響は変換器のサイズに
比例するものだから、収縮によって大直径変換器は使い
物にならなくなってしまう。高い粘性のエポキシは、熱
硬化性があり加熱しても変形しないので、この方法では
用いることができない。

弯曲した複合超音波変換器を形成するまた別の方法とし
て、平坦な複合変換器上に凹形及び凸形の表面を研磨に
よって研ぎ出すというのがある。

しかし、この方法で作製可能なのは比較的浅い（曲率半
径の大きい）変換器のみである、その理由は、複合ブロ
ックの厚さが、賽の目にして充填する方法でブロックを
生成するために切込むことのできる溝の深さによって限
定されてしまうからである。棒状ＰＺＴは比較的短い長
さにしか切ることができず、従って弯曲した表面を研磨
することにより到達できる曲率の程度は全く限定されて
しまう。のみならず、ＰＺＴと重合体との複合は比較的
薄い切片しか作ることができない。

■皿点克邂決工ｊ犬差全王段 本発明においてはこれらの課題の克服を指向し、電気機
械的特性の勝れた大形のエポキシ／ＰＺＴ複合弯曲変換
器を提供しようとするものである。

本発明の目的は、弯曲した複合超音声帯域変換器の相対
的に大形のものを提供することにある。

本発明による方法はさらに、前出の被加工部材の背面に
一連の溝を網目状に切込む段階と、前面において該被加
工部材の素材に相対的に深い一連の溝を網目状に切込ん
で、圧電性の棒状突起が立並ぶマトリクスを設ける段階
と、上記被加工部材の前面の圧電性の棒状突起部の間の
空間に硬化性重合体樹脂を充填する段階と、上記被加工
部材の前面の上記棒状突起部の間の空間を埋めた上記樹
脂を部分的に硬化する段階と、上記被加工部材を、その
前面が凹形に、背面が凸形になるよう、弯曲して圧縮モ
ールドする段階と、 上記樹脂が硬化するまで上記モールドされた被加工部材
を上記弯曲した押し型中に保持して、該樹脂を硬化させ
る段階と、 硬化重合体樹脂のマトリクス中に多数の個別棒状圧電素
子を配置してある球面形に弯曲した変換器をもたらすた
めに、上記被加工部材の上記背面を除去する段階とを有
することを特徴とする。前面は、研磨して棒状素子の先
端の余分のエポキシを除去し、曲率の小さい誤差を修正
することができる。

夫施貰 第１図は完全な圧電変換器を形成するのに用いる、Ｐ７
．Ｔ素材の被加工部材１０を示す。被加工部材１０の形
状は円筒形円板で、前面１２と背面１４と側壁１６とを
有する。被加工部材１０は、例えばセラミ・ンクのよう
な、いかなる適切な圧電素材であってもよい。小粒高密
度素材は、完成した変換器が必要とする微細複合構造を
作るのに特に適している。

被加工部材１０の前面１２は、セラミックを破損する可
能性のあるいかなる顕微鏡的表面クラックをも除去する
ためにラップ研磨することが好適である。

被加工部材１０は圧縮モールド成型工程で最終的には複
合曲面形にモールド成型されるので、該部材の一部分に
はモールド時にクラックが生じる。

従って、被加工部材１０に均一のクラックが生じること
を保証するため、その背面１４は一連の溝１８で網目状
に覆われる。溝１８は、微細ダイアモンド鋸で背面１４
に切込まれる。そのやり方は、まず初めに一連の平行な
切込みが被加工部材１０の背面１４に刻まれる。それか
ら被加工部材１０を９０°回転して、更に一連の平行な
切込みが該部材１０の背面１４に刻まれる。かくして被
加工部材１０の背面１４には直交する溝１８で「賽の目
」が作られる。背面１４の賽の目は、被加工部材１０の
前面１２に作られる切込みに比べれば相対的に浅いもの
である。単なる一例であるが、背面１４上の溝は、２ｍ
ｍ間隔で深さ０．２ｍｍ、幅０．０７５　ｍｍで十分で
ある。背面１４上の溝１８の深さや間隔や位置は、前面
１２の溝とは何ら特別の関係をもたせる必要はない、そ
の理由は背面の溝１８はモールド時に被加工部材１０に
正しくクラックを生じさせるようにするためのものに過
ぎず、被加工部材１０の背面１４は最終的には全部研磨
して完全に除去されてしまうからである。

背面１４を網目状の溝で覆った後、今度は前面１２に対
して、直角に深く、細かい間隔の一連の切込み２０を■
４目状に入れる。単に例示であるが、切込み２０は間隔
のピッチが０．１５ｍｍで、切込み幅０．０７５ｍｍ、
ｉｌさ０．９ｍｍとする。背面１４のときと同様に、前
面１２も先ず初めに微細ダイアモンド鋸で一連の平行切
込みを刻み、次に被加工部材１０を９０°回転して、前
の一連の切込みとは直角にもう１つ一連の切込みを入れ
る。これにより被加工部材１０には一連のセラミック棒
状突起が立ち並ぶことになり、各棒状突起は大略縦、横
各７５μｍ、高さ９００μｍである。これらの棒状突起
は、変換器が完成したときＩ’ＺＴ素材のまま残るすべ
てである。

この方法の次のステップは、切込み２０を硬化可能な重
合体樹脂（エポキシ）で充填し、遠心機を用いて完成す
ることである。これに用いるのに適したエポキシとは高
粘性低収縮性エポキシである。

エポキシの粘性は、収縮性と逆比例することが分ってい
る。すなわち高粘性エポキシは低収縮性をもち、このこ
とは、比較的直径の大きい曲面をもつ変換器を形成する
のに重要な要因である。併しエポキシが高い粘性を持つ
故に、それ自身では切込み２０に充填されない。従って
切込みにエポキシを充填するために遠心機が用いられる
。被加工部材ＩＯの前面１２にエポキシを塗ってから、
これを遠心機に背面１４が外側を向くように載せる。遠
心機を回転させるとエポキシは切込み２０内に引込まれ
る。樹脂は棒状突起部２２の頭部を覆うようにしなけれ
ばならない。エポキシが切込み２０の内部に入ったなら
ば、そのエポキシが充填された被加工部材１０を室温に
放置してエポキシを部分硬化させる。

部分的にしか硬化していないとき、エポキシ樹脂は圧縮
モールド過程中流動するであろう。

第２図は被加工部材１０の圧縮モールド成型用装置を示
す。該部材１０は凹球面形の（ぼみ２８をもつ押し型２
４上に置かれる。押し型２４は下部押し型ホールダ３０
に支えられ、下部ホールダ３０は締め具３７によって上
部押し型ホールダ３４と結合している。

押し型２４は空気入路３６をもち、該入路３６は下部押
し型ホーシダ３０内の圧力入路３８と液体連絡のために
結合している。上部押し型ホールダ３４は上部圧力入路
４０を持つ。第２図に示される通り、エポキシを充填し
た変換器１０（この段階まで来れば被加工部材１０をこ
う呼んでもよいであろう。）は押し型２４上に置かれ、
薄いゴムの隔膜４２で覆われている。

上部圧力入路４０は約８０　ｐｓｉ　（ポンド／平方イ
ンチ）の圧力を許容する空気（又はその他の流体）ライ
ンに接続している。隔膜４２上の圧力は変換器用被加工
部材ＩＯを押し型２４の曲面に沿って弯曲させる。変換
器用被加工部材１０は２４時間この圧力下でモールドさ
れ続け、エポキシはこの間に完全に硬化する。エポキシ
樹脂中に捕獲されていた気泡は８０　ｐｓｉの吸引力で
上部圧力入路３８の方に移って除去され、同時に上部押
し型入路４０の圧力は１６０ｐｓｉに上げられる。押し
型２４中に２４時間置かれた後、エポキシは完全に硬化
して、変換器は圧力を除いても弯曲したままでいる。押
し型２４から取り出した後、変換器は高温中で硬化後の
後処理がなされ、エポキシ樹脂の全特性が発揮される。

モールド成型された変換器は次の研磨工程にかける用意
が整ったものである。

押し型２４から取出した後、変換器は凹球面の前側表面
１２と凸形の後側表面１４をもっていよう。後側表面１
４は溝１８に沿ってクラックが生じており、かつ垂直方
向の溝１８間に圧電素材の直角ブロックが多数できてい
よう。ブロックからは棒状突起２２が伸びており、それ
らは今や変換器１０の焦点に向けて指向するよう配置さ
れている。変換器として完成するためには、変換器１０
の後側１４は研磨除去し、また凹形の前面１２上の棒状
突起部２２の上にまで拡がっている余分なエポキシも研
磨除去しなければならない。

変換器１０の研磨は弯曲ラップに依って、又はレンズ生
成機械中で、平研磨により遂行される。凸形背面１４は
垂直方向の溝１８に沿ったクシツクにより形成されたブ
ロックがすべて除去されるまで適当な半径に研磨され、
エポキシのマトリクス中に棒状突起２２のみが立並ぶよ
うにする。同様に前側表面１２も棒状突起部２２の先端
が表面と同じ高さになるまで研磨される。従って、完成
した変換器は第３図に示す通りであるが、各棒２２は相
互に隔離されており、球面状に弯曲したエポキシのマト
リクス中に分散しているのである。その次に、変換３１
０の縁は適当な円筒形に、例えばロータリ・エツジ・グ
ラインダによって研磨される。

研磨工程が終ったら、変換器１０の両側に、適当な方法
、例えば熱蒸着によって、電極が設けられる。電極はス
パッタリングその他既知の金属沈積方法で設けることも
できる。凹形の後側電極は環状電極を形成するように切
り抜く。その作業は小形旋盤上で切削工具を用いて行わ
れる。電極の数は、要求される変換器のタイプに依って
変るもので、切り抜いた後では各電極は凸背面１４上で
相互に孤立している。最後に、音響整合層が凹形前面１
２に搭載されることもある。音響整合層は適切な音響イ
ンピーダンスをもつ適切な素材ならなんでもよく、例え
ば前面１０に用いられたエポキシを適当に硬化したもの
でよい。

〔具体例〕

球面状に弯曲した複合圧電変換器が、直径２２胴、厚さ
１　、５　ｍｍのｒｔ（ｏｎｅｙｗｅｌｌ　２７８Ｊセ
ラミック円板から製造された。円板はカッティングの前
にラップ研磨で１．２柵厚とされた。背面には２ｍｍ間
隔で幅０．０７５　ｍｍ深さ０．２ｍｍの一連の溝が刻
まれ、次にこの部材を回転して前と同じ別の一連の溝を
直交するように刻んで背面を網目状とした。該部材の前
面も０．０７５　ｍｍ幅、０．９　ｍｍ深の溝を０．１
５０　ｎｕｎ間隔で縦横に切って賽の目とした。以上の
溝は回転ダイアモンド刃で切った。

前側表面の溝を充填するのに用いたエポキシは、３５０
０　ｃｐｓの粘度をもつｒＳｔｙｃａｓｔ　Ｎｏ、２０
５７Ｊエポキシであった。このエポキシは重量比でｒｓ
ｔｙｃａｓｔＮα２０５７Ｊ樹脂１００に対しＮα９触
媒７の割合で混合した。遠心機を用いて溝に充填し、そ
の後４時間室温でエポキシを部分硬化させた。部分硬化
した変換器は半径７０ｍの曲率で８０　ｐｓｉの圧力を
かけて圧縮モールドした。エポキシは２４時間に亘りモ
ールド内に放置し硬化させた。押し型から取出した後、
４時間に亘り８０°Ｃで後硬化させた。その後で変換器
の背面及び前面は適切な寸法に研磨された。

金の電極が前側表面に載せられ、音響整合層としては「
＾ｒａｌｄｉｔｅ　５０２Ｊエポキシの整合層が用いら
れた。

この変換器は３　ＭＨｚで運用されて、高い電気機械的
カップリング（ｋｔ＝０．５７）及び低い音響インピー
ダンス（１２Ｍｒａｙｌ）が確認された。こうして作ら
れた変換器は効率の高い広帯域変換器で特に医学映像用
に適している。電極のパターンのみにより定まるアレイ
素子は隣接素子間の低いクロスカップリングを示す。電
子的に隈なく焦点合せをするときには広い範囲の深さに
亘って良好な側方分解能が達成できる。上述の製造工程
による変換器はまた正常なインパルス応答をも示す。

なお本発明の方法には、当業者にとって容易な各種の変
化があり得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、圧電素材による被加工部材であって、その前
面及背面に網目状の切込みを入れて、その部材から変換
器を形成すべきものの断面図であり、第２図は、弯曲し
た変換器を形成するための圧縮モールド成型機の断面図
であり、 第３図は、完成した弯曲圧電変換器の断面図である。 １０・・・被加工部材（加工後は変換器）１２・・・１
０の前側表面 １４・・・１０の背面 １６・・・１０の側壁 １８・・・（背面の）溝 ２０・・・（前面の）切込み ２２・・・（圧電素材の）棒状突起部 ２４・・・押し型 ２８・・・２４の凹球面形のくぼみ ３０・・・下部押し型ホールダ ３４・・・上部押し型ホールダ ３７・・・（上部、下部押し型ホールダの）締め具３８
・・・下部圧力入路 ４０・・・下部圧力入路 ４２・・・隔膜

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．前面と背面とを持つ圧電素材による被加工部材を供
   給する段階を含む複合圧電変換器を製作する方法におい
   て更に、 該被加工部材の背面に一連の溝を網目状に 切込む段階と、 前面において該素材に相対的に深い一連の 溝を網目状に切込んで、圧電性の棒状突起が立並ぶマト
   リクスを設ける段階と、 上記被加工部材の前面の圧電性の棒状突起 部の間の空間に硬化性重合体樹脂を充填する段階と、 上記被加工部材の前面の上記棒状突起部の 間の空間を埋めた上記樹脂を部分的に硬化する段階と、 上記被加工部材を、その前面が凹形に、背 面が凸形になるよう、弯曲して圧縮モールドする段階と
   、 上記樹脂が硬化するまで上記モールドされ た被加工部材を上記弯曲した押し型中に保持して、該樹
   脂を硬化させる段階と、 硬化重合体樹脂のマトリクス中に多数の個 別棒状圧電素子を配置してある球面形に弯曲した変換器
   をもたらすために、上記被加工部材の上記背面を除去す
   る段階とを有することを特徴とする複合圧電変換器を製
   作する方法。
2. ２．上記変換器の上記前面と上記背面との少くとも一方
   に、電極を設ける段階をも更に含むことを特徴とする請
   求項１に記載の方法。
3. ３．上記段階を経て仕上げられた変換器の上記前面に音
   響整合層を搭載する段階をも更に含むことを特徴とする
   請求項１に記載の方法。
4. ４．上記被加工部材の、網目状に切込みを入れた上記前
   面は、該前面に一連の直交配置した溝を切ることにより
   生成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. ５．上記被加工部材の上記背面に切込んだ網目状の溝の
   間隔は、上記前面に切込んだ綱目状の溝の間隔より十分
   に大きいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. ６．上記溝を上記樹脂で充填する段階は、上記被加工部
   材の溝が該樹脂で充填されることを保証するために、該
   被加工部材を遠心機に掛ける段階を含むことを特徴とす
   る請求項１に記載の方法。
7. ７．上記前面の上記網目状の溝の深さは、上記背面の網
   目状の溝の深さよりも十分に大きいことを特徴とする請
   求項１に記載の方法。
8. ８．上記硬化性重合体樹脂は高い粘性と低い収縮性をも
   つエポキシを含むことを特徴とする請求項１に記載の方
   法。