JPH07170600A - ２次元トランスデューサアレイの多層トランスデューサ要素のための電気的相互接続方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 多層トランスデューサアレイの電極層を電気
的に相互接続するための方法であって、超音波ビームの
対称性が実質的に維持される方法を提供すること 【構成】 各トランスデューサ要素の四隅に４つのバイ
ア区画を備えた、超音波トランスデューサ要素の多層２
次元アレイである。対角方向で対向するバイア区画の第
１対は、各トランスデューサ要素の信号電極層に信号を
供給する。対角方向で対向するバイア区画の第２対は、
接地電極層との相互接続を行う。従って、冗長相互接続
機構が達成される。トランスデューサの放射表面に平行
な矩形断面を有する圧電層をトランスデューサ要素が備
えている場合には、４つのバイア区画が形成されるにも
かかわらず４つ折りの対称性が維持される。本発明はま
た、２次元アレイの形成方法を開示するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は一般に音響トランスデュ
ーサ装置に関し、特に、２次元アレイ要素における個々
の多層トランスデューサ要素との電気的相互接続を達成
するための方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】医療に用いる診断用超音波画像形成シス
テムは、１つの音響トランスデューサ要素または音響ト
ランスデューサ要素アレイを電気的に励起して、人体内
に進入する短い超音波パルスを生成することにより、人
体の組織の画像を形成するのに利用することができる。
組織からのエコーは、１つまたは複数の超音波トランス
デューサ要素により受信されて、電気信号に変換され
る。その電気信号が増幅されて、組織の断面画像を形成
するのに使用される。エコー像による検査は、医療以外
の分野でも採用されている。

【０００３】トランスデューサ要素からなる直線アレイ
はエコグラフ検査に利用可能なものであるが、２次元ア
レイは多くの用途で一層優れたものである。例えば、２
次元アレイは電子的な集束が可能なものであるので、検
査プロセス中に１つの位置にアレイを固定することがで
きる。その電子的集束は、アレイ中の選択されたトラン
スデューサ要素への信号を遅延させることにより達成さ
れる。位相補正により、解像度が改善される。

【０００４】２次元トランスデューサ要素アレイの製作
における重要事項として、アレイの側方に露出していな
いトランスデューサ要素への電気的相互接続を達成する
ための方法が挙げられる。Kawabe等に付与された米国特
許第4,825,115号明細書では、中央列の要素に励起エネ
ルギーを供給する方法が記述されている。ボンディング
ワイヤを中央の要素に取り付け、その後に成形技術によ
り裏打ち層を形成することができる。この特許明細書に
記載されているように、この相互接続機構に伴う難点
は、解像度を向上させるためにトランスデューサ要素間
の距離を短くするにつれて、２本のボンディングワイヤ
が互いに短絡する可能性が高くなる、ということであ
る。Kawabe等は、トランスデューサ要素に接触する第１
の脚を有し且つ隣接列の要素間の隙間に沿って後方に延
びる第２の脚を有するＬ字形プリント配線基板を使用し
たものが好適な相互接続機構であることを教示してい
る。裏打ち層は、Ｌ字形プリント配線基板の第２の脚の
間に成形される。Kawabe等は、従来の相互接続機構を上
回る大幅な改善を提供したが、プリント回路板の第１の
脚は、波動エネルギーの反射面を提供するようにトラン
スデューサ要素と接触したままになっている。

【０００５】各トランスデューサ要素が圧電層からなる
多積層で構成されている場合には、相互接続機構は更に
問題の大きなものとなる。多層トランスデューサ要素の
１つの長所は、その要素の電気インピーダンスを低くす
ることができるということである。層を並列に電気的に
接続して、インピーダンスを層数の２乗分の１に低下さ
せることができる。しかし、層数を増やすには、各トラ
ンスデューサ要素との接続数を増やす必要がある。

【０００６】相互接続機構の１つが、Goldberg等による
「Multi-Layer PZT Transducer Arrays for Improved S
ensitivity（感度向上のための多層ＰＺＴトランスデュ
ーサアレイ）」(IEEE Ultrasonics Symposium, 1051-01
17/92/0000-0551, pp.551-554, 1992)で説明されてい
る。各要素は、その要素の１つの縁の幅に沿って中間に
ある接地バイアと、その接地バイアと反対側の縁に沿っ
て中間にある信号バイアとを備えている。絶縁ギャップ
により、信号バイアが接地電極からシールドされ、また
接地バイアが信号電極からシールドされている。Goldbe
rg等が取った方法は、相互接続方法の改善を提供するも
のであるが、その改善は、性能を犠牲にして得られたも
のである。一般的意味では、３次元超音波ビームプロフ
ィル、即ち、方向の関数としてのビーム強度は、要素ア
パーチャの２次元フーリエ変換となる。Goldberg等の砂
時計形状のトランスデューサ要素によれば、ビーム強度
は、トランスデューサ要素をその元来の矩形構成のまま
とした場合よりも実質的に一層非対称なものとなる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、多層
トランスデューサアレイの電極層を電気的に相互接続す
るための方法であって、超音波ビームの対称性が実質的
に維持される方法を提供することである。また本発明の
別の目的は、２次元トランスデューサアレイの形成方法
を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、多層２次
元超音波アレイの個々のトランスデューサ要素が４つ折
りの対称性を達成しおよび高周波で動作することを可能
にする、相互接続方法により満たされた。４つ折りの対
称性は、実質的に同一の側壁を有するトランスデューサ
要素の四隅の各々にバイア区画を形成することにより達
成される。他の要因により、不等側壁を有するトランス
デューサ要素（例えば全般的に矩形の要素）を製作する
ことになる場合もあり得るが、バイア区画を側壁に沿っ
てではなく隅に形成することにより、一層対称的な超音
波ビーム強度へと変換する一層高い対称性が提供され
る。

【０００９】多層２次元アレイ中の各トランスデューサ
要素は、複数の圧電層を備えており、その圧電層の対向
面に電極層を備えている。２つの隅のバイア区画は接地
電極層を接続し、残りの２つのバイア区画は信号電極層
を接続する。励起信号は、バイア区画を通して信号を伝
えることにより圧電層を介して加えられる。

【００１０】トランスデューサ要素の多層２次元アレイ
は、圧電層および電極層のスタックにバイアを形成する
ことにより製作される。一実施例では、各圧電層は、個
々の層を介して所望のバイア形成を得るために、関連す
る電極層のうちの少なくとも１つで個別に動作する。必
要な孔は、レーザ式の孔あけまたは機械式の孔あけによ
り形成することができる。環状絶縁体は、接地電極層を
通って信号バイアの各通路毎に形成され、および、信号
電極層を通って接地バイアの各通路毎に形成される。次
いで、それらの各層を位置合わせして結合させて、それ
らを通って延びるバイアを有する圧電層および電極層の
スタックを形成する。

【００１１】圧電スタックを通る方位角方向切り込み(a
zimuthal cut)が、バイアの各１つを二等分する。ま
た、仰角方向切り込み(elevation cut)がスタックを区
画化して、バイア区画が各隅に位置する街路状構造が生
成される。

【００１２】本発明の長所は、隅バイア区画が各トラン
スデューサ要素毎に対称性を維持し、結果的に得られる
超音波装置の性能が実質的に影響を受けないようになっ
ている、ということである。トランスデューサ要素の各
々が放射表面に平行な断面に関して矩形であれば、４つ
折りの対称性が達成される。他の長所は、対角方向で対
向するバイア区画が同じ電極層を連結し、これにより、
製造歩留りの向上につながる冗長相互接続機構が提供さ
れる、ということである。バイアは、近接して隔置され
および他のトランスデューサ要素により取り囲まれるト
ランスデューサ要素のための層を高信頼性をもって相互
接続する手段を提供するものである。

【００１３】

【実施例】図１は、トランスデューサ要素アレイのうち
の１つのトランスデューサ要素10を示すものである。こ
のトランスデューサ要素は、３つの圧電層12,14,16から
なるスタックを備えている。各圧電層は厚さが等しく、
電気的に並列に結線されている。「圧電」とは、印加さ
れた電界に応じて機械的波動を効率よく生成する能力と
規定されるものである。既知の圧電セラミックスおよび
圧電重合体を用いて圧電層12〜16を形成することが可能
であるが、ＰＺＴが特に適したものであることが分かっ
ている。

【００１４】トランスデューサ要素10は、２つの接地電
極18,20と２つの信号電極22,24とを備えている。その信
号電極は、対角方向で対向する信号バイア区画26,28に
より電気的に相互接続されている。図１は、２つの接地
電極18,20を電気的に連結する接地バイア区画30を示し
ている。図示していないが、第２の接地バイア区画が、
第１の接地バイア区画30と対角方向で対向するトランス
デューサ要素の一隅に配設されている。

【００１５】信号バイア区画26,28は、誘電部材32,34に
より接地電極20から電気的に絶縁されている。以下で一
層完全に説明するように、各バイア区画26,28,30は扇形
構成を有している。誘電部材32,34は、扇形バイア区画
の曲率に追従するものである。同様に、第３の誘電部材
36がバイア区画30の湾曲側面に追従して、信号電極22が
接地バイア区画30から電気的に絶縁されている。

【００１６】電極18〜24およびバイア区画26〜30は同一
材料から作成可能なものである。選択される材料は、高
い導電性を有するものであるべきであり、圧電層12,14,
16に近い熱膨張係数を有しているべきである。更に、選
択される材料は、高融点の厚膜インクへと作成可能なも
のであるべきである。白金およびパラジウム等の有機金
属化合物を利用することができる。

【００１７】先に記したように、誘電部材32〜36は、選
択された電極20,22からバイア区画26〜30を電気的に絶
縁するものである。この誘電部材はまた、バイア区画が
トランスデューサ要素10の垂直方向の側面に電位差を生
じさせることのないようにする働きもする。適切な誘電
材料としては、アルミナおよびシリカがある。

【００１８】送信モードでは、励起信号がバイア区画26
〜30でトランスデューサ要素に加えられる。超音波を吸
収する材料から作られた裏打ち層38を必要に応じて使用
することにより、最下層の圧電層12の下面からの反射を
最小限にすることができる。この裏打ち層は、重合体ま
たはセラミックス等の軽いマトリックス中にタングステ
ン等の重金属を配設したものとすることができる。圧電
層12〜16の反対側には前面整合層40があり、この前面整
合層40は、トランスデューサ要素10の音響インピーダン
スを、音波42の送受信を行うことになる媒体と整合させ
るためのものである。前面整合層に適した材料は、音波
を伝達させることになる媒体によって決まるものであ
る。

【００１９】受信モードでは、反射波が前面整合層40で
受信され、圧電層12〜16を介して伝搬する。圧電層にお
ける機械的応力により、それに対応する電荷が電極18〜
24に生じる。

【００２０】図２は、トランスデューサ要素10からなる
２次元アレイ44を通る平面断面図であり、その断面は図
１の中心圧電層14を通るものである。図１のトランスデ
ューサ要素は、図２のアレイ44の右下隅に示されてい
る。扇形バイア区画26,28は、誘電部材32,34により圧電
層14から電気的に絶縁されている。接地バイア区域30,4
6は、圧電層を通って延び、接地電極（図示せず）を電
気的に連結する。16のトランスデューサ要素10の各々
は、対角方向で対向する接地バイア区画と誘電部材でシ
ールドされている対角方向で対向する信号バイア区画と
を有する中心圧電層を備えている。必要に応じ、圧電層
の電気的構成を１つのトランスデューサ要素10と次のト
ランスデューサ要素10とで異ならせることができる。例
えば、図１のトランスデューサ要素10を、電気的に直列
に接続された圧電層からなるスタックを有するトランス
デューサ要素に隣接させることができる。また一層類似
的には、隣接するトランスデューサ要素を電気的には等
価なものとし、電極の電気的接続を交互にする、という
ことが可能である。即ち、１つのトランスデューサ要素
の電極を接地電極とする一方、それに隣接するトランス
デューサ要素の位置的に等価な電極を信号電極とするこ
とができる。いずれの場合でも、誘電部材32,34の位置
をトランスデューサ要素毎に変えることができる。

【００２１】図２のトランスデューサ要素10からなる２
次元アレイ44の形成ステップを図３ないし図７に示す。
図３では、従来技術を用いて単一の圧電層が形成されて
いる。例えば、ＰＺＴのスラリーを使用して、一般に
「グリーンセラミック」または「グリーンシート」と呼
ばれる薄いシートを形成することができる。次いでその
グリーンシート上に、パラジウムまたは白金の電極層を
形成する。図３の層は、バイアの形成を容易にするため
に、その幅も長さも図２の構成より大きいものとなって
いる。

【００２２】形成されることになる信号バイアの場所に
対応する位置で、圧電層48に12の孔50を形成する。その
孔50の直径により、誘電部材を形成することになる環状
絶縁体の外径が決まる。

【００２３】図４において、前記の12の孔は、アルミナ
系材料またはシリカ系材料等の誘電体で充填される。次
いで、それらの誘電体が充填された孔の各々に小孔52を
孔あけして環状絶縁体54を形成する。その孔52の直径に
より、形成すべき信号バイアの直径が決まる。孔52の直
径と等しい13の孔56が、信号バイアの所望位置に対応す
る位置で孔あけされる。一層大きい直径を有する図３の
孔50、および一層小さい直径を有する図４の孔52,56
は、レーザ式孔あけ技術により形成することができる。
代替的には、機械式孔あけを採用することができる。

【００２４】図５において、導電材料が堆積されて、信
号バイア58および接地バイア60が形成される。バイアの
数(Ｎ_VIAS)は、次の公式 Ｎ_VIAS＝(Ｎ_ELEMENTS＋１)² により、Ｎ×Ｎアレイの１行中のトランスデューサ要素
の数(Ｎ_ELEMENTS)に直接関係するものである。従って、
Ｎ_LAYERS＝４である図２の実施例の場合には、 Ｎ_VIAS＝(４＋１)²＝25 となる。一層典型的なアレイの場合には、50×50の要素
が存在し得る。本発明と比較して、アレイが、その各要
素毎に１つの接地バイア区画および１つの信号バイア区
画に限定される場合には、 バイアの総数＝(Ｎ_ELEMENTS＋１)×Ｎ_ELEMENTS＝2,550 という要件が存在することになる。他方、図２の４つの
バイア区画による構成では、2,601のバイアの孔あけを
必要とするが、51のバイアが増加するだけである。本発
明の１つの長所は、バイア数をわずかに増やすだけで信
号送受信回路に対する各トランスデューサ要素の接続が
２倍になるという点である。各トランスデューサ要素の
対角方向で対向するバイア区画により、相互接続の冗長
性が達成される。

【００２５】次いで、図５の圧電層48を、それに対応す
る信号バイア58および接地バイア60を有する他の圧電層
に接合させる。偶数番目の各層は、信号バイア58を囲む
環状絶縁体54を備えている。層数が３を越える場合に
は、最初と最後の層を除く奇数番目の各層は、信号バイ
ア58ではなく接地バイア60を囲む環状絶縁体を備えるこ
とになる。図１に示したように、最初の圧電層12は接地
バイア区画を備えておらず、最後の圧電層16は信号バイ
ア区画を備えていない。このため、最初と最後の圧電層
になるグリーンシートを通る孔をあける際には、孔の一
部のみを孔あけすればよい。図６において、グリーンシ
ート62は、実線で示す13の孔64を備えている。これらの
孔は、最後の圧電層16を通るバイアを示している。接地
バイア区画となる孔64を囲む環状絶縁体は図示していな
い。図６はまた、図１の最初の圧電層12を形成するため
にグリーンシートを通して孔あけされることになる信号
バイアを示す孔66（破線）を含んでいる。

【００２６】別々に処理したグリーンシートを積層して
トランスデューサスタックを形成した後に、そのスタッ
クを周知技術を用いて焼成する。次いで、そのスタック
を図１の裏打ち層38に接合することができる。ここで図
７を参照する。仰角方向のスタックを通して一連の仰角
方向切り込み68を形成して各信号バイアおよび各接地バ
イアを二等分する。方位角方向切り込み70もまた、各信
号バイアおよび各接地バイアを二等分して上述の信号バ
イア区画26,28および接地バイア区画30,46を形成する。
必要に応じて、スタックを支持する裏打ち層内へと、切
り込み68,70を部分的に延長させる。

【００２７】図７の２次元トランスデューサアレイ72
は、活性トランスデューサ要素からなる４×４アレイを
囲む20の不活性要素74を備えている。不活性要素74は、
アレイ72の取り扱いおよび装着に使用可能なものであ
る。必要に応じて、不活性要素を除去して図２に示す構
成を形成することもできる。

【００２８】上述の製作方法は、本発明の好適実施例と
考えることができるものであるが、それに対して修正を
加えることが可能である。例えば、グリーンシートが位
置合わせされ結合されてトランスデューサスタックが形
成された後にのみ、信号バイアおよび接地バイアを形成
する導電材料を堆積させることができる。しかし、これ
は、上側圧電層が、図１の実施例で示したような接地バ
イアだけでなく、信号バイアおよび接地バイアの双方を
備えている必要がある。

【００２９】以下においては、本発明の種々の構成要件
の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。

【００３０】１．圧電層からなるスタックであって、そ
の圧電層に垂直な交差平面に沿って広がる第１の側壁対
を有する、前記スタックと、前記圧電層にわたり励起信
号を加えるための電極手段と、前記交差平面の交差部に
配設された導電性バイア区画であって、これにより前記
スタックの隅を形成し、前記電極手段と電気的に連絡し
ている、前記導電性バイア区画とを備えていることを特
徴とする、超音波トランスデューサ要素。

【００３１】２．前記圧電層間に配設された導電層を前
記電極手段が備えており、前記導電層のうちの選択され
た１つに前記バイア区画が接続されている、前項１記載
の超音波トランスデューサ要素。

【００３２】３．交差平面に沿って広がる第２の側壁対
を前記スタックが備えており、前記トランスデューサ要
素が更に、前記第２の側壁対が沿っている前記交差平面
の交差部に第２の導電性バイア区画を備えており、その
第２のバイア区画が前記電極手段と電気的に連絡してい
る、前項１記載の超音波トランスデューサ要素。

【００３３】４．前記バイア区画が扇形構成を有してい
る、前項１記載の超音波トランスデューサ要素。

【００３４】５．前記圧電層スタックが平行六面体であ
り、前記バイア区画が、前記平行六面体の隅に沿って互
いに平行関係で広がる４つのバイア区画のうちの１つで
ある、前項１記載の超音波トランスデューサ要素。

【００３５】６．前記電極手段が前記スタックの隣接圧
電層間に導電層を備え、その導電層が信号層および接地
層を備え、前記４つのバイア区画のうちの２つが前記接
地層に電気的に接続され、前記４つのバイア区画のうち
の２つが前記信号層に電気的に接続されている、前項５
記載の超音波トランスデューサ要素。

【００３６】７．前記スタックが、２次元アレイをなす
圧電層スタック中の１つのスタックであり、これにより
トランスデューサ要素の２次元アレイが形成され、その
各スタックがそのスタックの隅に少なくとも１つのバイ
ア区画を有している、前項１記載の超音波トランスデュ
ーサ要素。

【００３７】８．各スタックが４つの隅バイア区画を備
え、その各隅バイア区画が扇形の構成を有している、前
項７記載の超音波トランスデューサ要素。

【００３８】９．トランスデューサ要素の２次元アレイ
であって、その各トランスデューサ要素が、複数の圧電
層と、その圧電層の対向面に配設されその圧電層にわた
り励起信号を加える複数の電極層とを有し、更に、隅領
域まで広がる４つの側壁を有している、前記トランスデ
ューサ要素の２次元アレイと、前記隅領域に沿って配設
された４つのバイア区画であって、第１組の前記電極層
に電気的に接続された第１のバイア区画を備え、更に、
第２組の前記電極層に電気的に接続された第２のバイア
区画を備えている、前記４つのバイア区画とを備えてい
ることを特徴とする、トランスデューサ装置。

【００３９】１０．前記４つのバイア区画が、前記第１
組の電極層に電気的に接続された第３のバイア区画を備
え、および、前記第２組の電極層に電気的に接続された
第４のバイア区画を備えている、前項９記載のトランス
デューサ装置。

【００４０】１１．前記４つのバイア区画の各々が扇形
構成を有している、前項９記載のトランスデューサ装
置。

【００４１】１２．前記トランスデューサ要素の前記側
壁の各々が実質的に同一である、前項９記載のトランス
デューサ装置。

【００４２】１３．前記第１組の電極層が信号層であ
り、前記第２組の電極層が接地層である、前項９記載の
トランスデューサ装置。

【００４３】１４．前記トランスデューサ要素が超音波
トランスデューサ要素である、前項９記載のトランスデ
ューサ装置。

【００４４】１５．トランスデューサ要素の２次元アレ
イを製作する方法であって、この方法が、互いに直交す
る方位角方向および仰角方向を有するトランスデューサ
スタックを形成するよう複数の圧電層と第１および第２
の電極層とを接合するステップであって、第１のバイア
が前記第１の電極層に電気的に接続され、第２のバイア
が前記第２の電極層に電気的に接続されるように前記ト
ランスデューサスタック内に複数のバイアを形成するこ
とを含む、前記接合ステップと、前記トランスデューサ
スタック内に方位角方向切り込みと仰角方向切り込みと
を、前記第１および第２のバイアの各々が前記方位角方
向切り込みと前記仰角方向切り込みとの両者により区画
化されるように形成するステップであって、これによ
り、前記電極層に対する前記区画化されたバイアの電気
的接触が前記トランスデューサ要素の隅で行なわれるト
ランスデューサ要素の２次元アレイを形成する、前記切
り込み形成ステップとを備えることを特徴とする、前記
の２次元アレイの製作方法。

【００４５】１６．前記方位角方向切り込みおよび前記
仰角方向切り込みを形成する前記切り込み形成ステップ
により、前記トランスデューサ要素の前記４つの隅の各
々に前記バイアのうちの１つの区画が配設される、前項
１５記載の２次元アレイの製作方法。

【００４６】１７．前記方位角方向切り込みおよび前記
仰角方向切り込みの形成が、少なくとも前記トランスデ
ューサスタックの大きさと同じ深さで行われる、前項１
５記載の２次元アレイの製作方法。

【００４７】１８．前記圧電層と前記電極層とを接合す
るステップが、前記圧電層と前記電極層とを交互配置す
ることを含む、前項１５記載の２次元アレイの製作方
法。

【００４８】１９．前記圧電層と電極層とを接合して前
記トランスデューサスタックを形成する前に各圧電層内
に前記バイアを形成する、前項１５記載の２次元アレイ
の製作方法。

【００４９】

【発明の効果】本発明は上述のように構成したので、多
層２次元超音波アレイの個々のトランスデューサ要素が
４つ折りの対称性を達成しおよび高周波で動作すること
を可能にする相互接続方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による隅バイア区画を有する多層トラン
スデューサ要素を示す斜視図である。

【図２】図１のトランスデューサ要素の多層２次元アレ
イの平面断面図である。

【図３】図２のアレイを形成するための製作ステップを
示す上面図である（1/5）。

【図４】図２のアレイを形成するための製作ステップを
示す上面図である（2/5）。

【図５】図２のアレイを形成するための製作ステップを
示す上面図である（3/5）。

【図６】図２のアレイを形成するための製作ステップを
示す上面図である（4/5）。

【図７】図２のアレイを形成するための製作ステップを
示す上面図である（5/5）。

【符号の説明】

10 トランスデューサ要素 12,14,16 圧電層 18,20 接地電極 22,24 信号電極 26,28 信号バイア区画 30 接地バイア区画 32,34,36 誘電部材 38 裏打ち層 40 前面整合層 42 音波

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電層からなるスタックであって、その圧
   電層に垂直な交差平面に沿って広がる第１の側壁対を有
   する、前記スタックと、 前記圧電層にわたり励起信号を加えるための電極手段
   と、 前記交差平面の交差部に配設された導電性バイア区画で
   あって、これにより前記スタックの隅を形成し、前記電
   極手段と電気的に連絡している、前記導電性バイア区画
   とを備えていることを特徴とする、超音波トランスデュ
   ーサ要素。