JPH07298398A

JPH07298398A - 音響変換器およびその製造方法

Info

Publication number: JPH07298398A
Application number: JP7108139A
Authority: JP
Inventors: J Fleming Dias; ジェイ・フレミング・ディアス; Mir S Seyed-Bolorforosh; ミール・セッド・セイド−ボローフォロシュ
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1994-04-08
Filing date: 1995-04-07
Publication date: 1995-11-10
Also published as: US5511296A; EP0676742A3; EP0676742A2

Abstract

(57)【要約】【目的】高い周波数で動作させることのできる音響変換
器およびその製造方法を提供する。【構成】本発明の一実施例によれば、圧電基板の放射表
面上に被着されたインピーダンス整合材を幾何的にパタ
ーン化することを含む音響変換器のインピーダンス整合
層の形成方法が提供される。整合層はフォトリソグラフ
ィー技術を用いて多数の円柱状ポストの配列から成るパ
ターンにパターン化され、音波を送受信する対象媒体と
変換器との間のインピーダンス整合を改良する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧電変換器と、音波の送
受信の対象である媒体との間に形成する音響インピーダ
ンスの整合層に関する。

【０００２】

【従来の技術】音波は、音響インピーダンスが変化して
いる所で少なくとも部分的に反射される。このことは、
圧電変換器を効果的に広帯域で動作させる場合、問題を
引き起こす。なぜなら、圧電変換器の音響インピーダン
スは、音波エネルギーが伝達する媒体の音響インピーダ
ンスとは異なっているからである。例えば、圧電基板の
音響インピーダンスは人体の音響インピーダンスとは、
２０倍以上異なっている。

【０００３】圧電変換器と、音波エネルギーの送受信の
対象である媒体との間の音波伝達を改善するため、音響
インピーダンス整合層を用いている。圧電基板動作周波
数の波長の４分の１の厚さを有し、基板の音響インピー
ダンスと媒体の音響インピーダンスとの積の平方根に等
しい音響インピーダンスを有する前面整合層を用いるこ
とにより、エネルギーの反射を減少させることができ
る。音波エネルギーを伝達する効率は、第１の圧電基板
の音響インピーダンスから、水や組織など、対象の媒体
の音響インピーダンスに徐々に変化する音響インピーダ
ンスを有する前面整合層を装着することにより、一層高
めることができる。

【０００４】従来の変換器と対象とする媒体との間にあ
って、４分の１波長の整合層に適する音響インピーダン
スを有する材料は、しばしば入手可能ではなく、また、
合成するのが困難なことがある。さらに徐々に変化する
音響インピーダンスを有する整合層基板を形成すること
は、しばしば困難である。整合層用に適切な音響インピ
ーダンスを有する候補材料は、通常、電気的には導電性
でなく、圧電材料中に電界を発生しなければならないた
め、別の問題が生じる。さらに、整合層は通常、変換器
に接着しなければならず、選択した接着材料が、特に超
音波周波数で音響圧に干渉する傾向のある層になる場合
がある。

【０００５】圧電セラミックにダイシングを施し、ダイ
シングを施したセラミック間の空間を音響インピーダン
スの低いエポキシで充填するやり方は、変換器の音響イ
ンピーダンスを減少させる他の公知のアプローチであ
る。ダイシングされた素子が、伝達する音波の波長に比
べて小さい間は、変換器の実効的な音響インピーダンス
は、除去する圧電セラミックの体積割合の関数として減
少する。ダイシング技術は、「圧電材料における革新か
ら生じる超音波変換器の新しい可能性」、W.A. Smith,
SPIE(Society of Photo-Optical Instrumentation Engi
neers)、１７３３巻（１９９２年）、３から２４ペー
ジに記載されている。ダイシングは、一般に精巧な円形
の鋸を用いたマイクロ機械加工で実行することができ
る。従ってカット間の中心間距離には限界がある。例え
ば１０ＭＨｚなどの高い周波数においては、距離は極め
て短く、技術の活用には費用がかかる。

【０００６】圧電基板のダイシングに代わる別の方法と
して、４分の１波長の厚さの整合層をマイクロ機械加工
しさらに接着(bond)して望ましい整合層の音響インピー
ダンスを達成するやり方が、１９９１年のＩＥＥＥ、Ul
trasonics Symposium、４０３から４０５ページの「マ
イクロ機械加工された超音波材料」と題する論文の中で
M.I.Haller とB.T.Khuri−Yakubにより開示されてい
る。この技術では、シリコンにエッチングした溝や穴を
使用して整合層にアスペクト比が高いフィンやポストを
作製している。この整合層は次に圧電基板に接着され
る。しかし接着層の厚さが整合層の厚さと同等であるた
め、周波数が高い場合、整合層を圧電基板に装着する接
着材層は潜在的に音波の伝達に干渉する。

【０００７】インピーダンスの整合を達成するいろいろ
な技術は公知であるが、高い周波数で動作させる場合困
難がある。適切な材料を活用できない結果、あるいは動
作周波数において音響透過性を有する非常に薄い接着層
を形成しなければならないという結果、制限が課せられ
る。必要なことは、高い周波数で動作するためのインピ
ーダンス整合層を有する圧電変換器を形成する方法であ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、高い
周波数で動作させることのできる音響変換器およびその
製造方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、集積整合層
を、高い周波数で動作させるのに適した方法で形成する
ことができるよう、変換器を形成する方法を提供する。
整合層は圧電基板上に直接パターン化する。すなわち、
整合層を形成してから圧電基板に装着するのではなく、
本発明は、整合層の本体（bulk）を圧電基板上に被着し
てから整合層材をパターン化する発明である。

【００１０】好適実施例においては、薄膜技術を活用し
て整合層を被着し構成する。例えば、圧電変換器の動作
周波数の4分の1波長の厚さを有する金属層を変換器上に
形成する。適切な金属は圧電変換器にマイクロ電気メッ
キ（micro-electroplated)した銅である。整合層の材料
により、整合層を被着する前に公称（nominal)層を被着
するのが必要なことがある。マイクロ電気メッキした銅
向けに適した公称層は、クロムと金の薄膜を有する層で
ある。公称層は、整合層材料を圧電材料に結合する場合
の粘着特性に関して選択される。しかし従来技術で使用
された接着材料とは異なり、公称層は、大部分あるいは
全ての材料が多孔性の圧電変換器内に定着するものでな
ければならない。

【００１１】フォトリソグラフィーの技術を用いれば、
本実施例によって被着した整合層をパターン化すること
ができる。金属層に被着するフォトレジストのコーティ
ングは露光、現像、およびエッチングができる。重合化
しないフォトレジストを除去すれば、圧電変換器の表面
にポストの列を残すことができる。その後、残留したフ
ォトレジストを除去する。整合層の音響インピーダンス
は、パターン化した整合層内の空間を満たす適切な充填
材料の体積割合(volume fraction)に対する残留する整
合層材料の体積割合を選択することにより制御すること
ができる。一実施例において、パターン化した整合層
は、変換器の動作周波数の波長の４分の１の厚さを有す
る円柱状ポストの配列である。しかし、楕円形などその
他の断面形状のポストの配列を有する整合層が、特定の
用途に好適である。

【００１２】その後、電極層を複合整合層の表面に形成
することができる。例えば、変換器を励起信号源に結合
するため、クロム−金（Ｃｒ−Ａｕ）の第２の公称層を
被着することができる。圧電変換器に整合層を直接パタ
ーン化する他の技術を用いることができる。フォトリソ
グラフィーの技術ではなく、レーザー・エッチングを用
いて整合層をパターン化することができる。

【００１３】さらに周波数が低い場合には、整合層は材
料を変換器上にシルクスクリーン印刷（silkscreening)
あるいは、射出成形して形成することにより、望ましい
パターンを形成することができる。電気的導電面は、公
称金属被覆を有する圧電基板の表面にシルクスクリーン
印刷することができる。その後、パターン化した導電面
を有する装置の上にクロム−金の第２の公称被覆を形成
することができる。また誘電材料を整合層形成において
使用することができる。誘電整合材料は本発明のいかな
る技術によってもパターン化することができる。その
後、電極層を、誘電整合層の上面や側面に被着すること
ができる。さらに整合層は、水晶あるいは圧電共重合体
から作ることができる。

【００１４】一実施例においては、整合層は圧電基板の
前面に被着されパターン化される。この場合、整合層
は、例えば水あるいは人間の組織など、対象の媒体との
間で効果的に送信できるよう整合設計されている。代わ
りに、整合層を圧電変換器の裏面に被着しパターン化し
て、音波をバッキング媒体に効果的に伝達して裏面に進
む音波を吸収することができる。

【００１５】本発明の利点は、フォトリソグラフィー技
術やレーザ・ビーム・エッチング技術のもたらすパター
ン化の解像度を生かした整合層のパターン化により、音
響インピーダンスを調整し、望ましい結果を出すことに
ある。整合層を圧電基板に接着するのに接着層が必要と
されないため、接着層の影響を受けずに、整合層の効果
的な４分の１波長動作が達成される。この技術を用いる
他の利点は、音響エネルギーの伝達を最適化するために
複数の整合層を形成することができるということであ
る。

【００１６】

【実施例】図１に関連して、圧電基板１０は、基板上に
形成された多数の層を有するものとして示される。圧電
基板は従来の圧電材料である。圧電基板を形成して望ま
しい結果を達成する材料の選択は、変換器装置の設計に
精通する当業者にはよく理解されており、また発明には
重要ではない。圧電基板１０を形成するための、許容で
きる材料は、鉛ジルコン酸チタン酸塩（ＰＺＴ）であ
る。圧電層の厚さは、変換器の動作周波数を決定する。
ここで定義するように、「変換器」とは、電気励起信号
を音波に変換し、さらに音波を電気信号に変換する、あ
るいはそのいずれかをなす構造である。圧電基板１０の
設計は発明には重要なことではない。図１に示す構造
は、医療用画像形成に用いる装置の圧電要素の２次元配
列の１要素である。

【００１７】圧電基板１０の上表面は、音波を対象の媒
体に伝達する放射面である。公称層１２が放射面に被着
される。公称層はその導電性と粘着性とに関して選択さ
れる。許容できる層１２は約１００Åの厚さを有するク
ロムの第１の薄膜であり、約２０００Åの厚さを有する
金の第２の薄膜である。圧電基板の表面は平らであるこ
とが示されているが、ＰＺＴが大部分の公称層を受け入
れる多孔材料であるため、球形状の変換器も使用するこ
とができる。

【００１８】整合材料の層１４が公称層１２の上に形成
される。重要ではないが、その層は、公称層の金の薄膜
上にマイクロ電気メッキされた高純度の銅であっても良
い。整合層の厚さは、圧電変換器の動作周波数の４分の
１の波長であることが好ましい。

【００１９】その後、フォトレジスト１６が整合材の層
１４に被着される。例えばフォトレジストは、従来のフ
ォトネガティブのレジストであって良い。標準の技術
が、所望の整合層の形状をフォトレジストに転移するの
に用いられる。例えば、マスクを位置決めしてフォトレ
ジストの一部を紫外線に選択的に露光させることができ
る。フォトレジストを現像し、エッチング液を用いてフ
ォトレジスト１６の一部と、整合材料の層１４を除去す
る。エッチング液は公称層１２をエッチングするのに選
択的であってもなくても良いが、圧電基板１０を容易に
エッチングできる物であってはいけない。

【００２０】図２において、公称層１２をエッチングし
て電極層１８をパターン化した構造にブランケット（bl
anket)被着する。図示しないが、第２の電極層は圧電基
板の裏面に形成する。励起信号の信号源は２つの電極層
に接合し、基板に電気信号を伝達し、基板から電気信号
を受信する。

【００２１】図２と図３とにおいて、パターン化した整
合層は円柱状ポスト２２の配列２０として図示されてい
る。重要ではないが、ポストは好ましくは変換器の動作
周波数の波長の４分の１の厚さを有する。円柱状ポスト
の設計は、整合すべき媒体により左右される。ポストの
全体積に対する、ポスト間の充填材料の体積割合とポス
ト間の間隔とが、整合層の音響インピーダンスを決定す
る。ＳＰＩＥ１７３３巻（１９９２年）に掲載された
Ｗ．Ａ．Smithの上記の引例において、バルク圧電セラ
ミックから圧電材料を除去することにより、バルク圧電
セラミックの音響インピーダンスを残留セラミックの体
積割合への変化とともに減少させることができることが
示されている。例えば、ＰＺＴ−５のバルク速度は、残
留ＰＺＴ−５の３０％体積割合に対し、元の数値の約８
０％にまで減少する。この結果から推測して、３０％体
積割合に分割された銅の整合層における音波の速度は、
銅のバルク速度の約８０％である。すなわち、５０４０
ｍ／ｓ×８０％＝４０３２ｍ／ｓである。１０MHzの中
心周波数を有する圧電変換器用の整合層の最適な厚さ
は、従って、４０３２／（４×１０×１０⁶）、すなわ
ち、約０．１ｍｍである。

【００２２】本発明はＰＺＴ基板について記載したが、
集積化はニオブ酸リチウム、酸化亜鉛、テトラフルオロ
エチレンを備えた共重合体フッ化ビニリデンＰ（ＶＤ
Ｆ−ＴｒＦＥ）、および結晶水晶変換器を用いても行え
る。とりわけ、ニオブ酸リチウムの場合、望ましい整合
層パターンを集積回路技術を用いて、４分の１波長の深
さまでエッチングすることにより技術を直接実施するこ
とができる。

【００２３】他の例では、約１７ＭＲａｙｌｓの音響イ
ンピーダンスを有する鉛メタニオブ酸塩変換器は、パタ
ーン化されたアルミニウムの整合層を備えた放射面を有
する。バルク・アルミニウムの整合層は約１７ＭＲａｙ
ｌｓのインピーダンスと６４００ｍ／ｓのバルク速度と
を有する。水に対して改良されたインピーダンス整合
は、約５.０ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを提供
するような態様でバルク整合層をパターン化することに
よって得られる。これは約５％のアルミニウムの低体積
割合で達成することができる。前述した推測を用いて、
５％においては、パターン化された整合層を通る速度
は、アルミニウムのバルク速度の約６０％である。すな
わち、速度は約３８４０ｍ/ｓである。２０ＭＨｚの動
作周波数を有する変換器用の整合層の厚さは、約３８４
０/(４×２０×１０⁶）＝１.９ミルである。この厚さの
層は、基板の表面を陽極処理することにより達成でき
る。

【００２４】１００ＭＨｚなどの高い周波数では、Ｘ−
カットの水晶を使用することができる。バルク速度は５
７４０ｍ/ｓであり、バルク音響インピーダンスは１５.
２ＭＲａｙｌｓである。分割された表面を形成すること
により、水に対するインピーダンス整合を達成すること
ができる。約４.８ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンス
を達成するために分割された表面の速度は、約５７４０
×６０％＝３４４４ｍ/ｓである。整合層の厚さは、約
０.３４ミルになる。

【００２５】他の用途は、テトラフルオロエチレンを有
する共重合体のフッ化ビニリデンＰ（ＶＤＦーＴｒＦ
Ｅ）を使用して、パルスを水に伝達する用途である。共
重合体のバルク速度は、２４００ｍ／ｓであり、音響イ
ンピーダンスは４.５ＭＲａｙｌｓである。許容可能な
整合層のインピーダンスは２.６ＭＲａｙｌｓであり、
共重合体シートの一表面に沿って、スパッタ・エッチン
グおよびプラズマ・エッチング処理を施すことにより得
られる。１００ＭＨｚの周波数で、体積割合が５０％で
あるとすれば、整合層の厚さは約（０.５×２４００×
１０³）/（４×１００×１０⁶）＝０.１２ミルになる。
これらの計算の全て、および前述した計算は見積もりで
あると考えるべきである。

【００２６】他の実施例において、ポスト２２の配列２
０が形成されている放射面は、図３の圧電基板１０の裏
面である。すなわち、対象の媒体との間で音波伝達を効
果的にやりとりするために整合層をパターン化するので
はなく、整合層は、音波エネルギーをバッキング媒体に
効果的に伝達して音波エネルギーを吸収するよう設計す
ることができる。

【００２７】円柱状ポスト２２を単一のパターン化され
た層として示すが、異なった材料で連続薄膜を形成する
ことにより、選択的にインピーダンス整合を達成するこ
とができる。

【００２８】低い周波数では、図３の分割された整合層
２０が、ＰＺＴ−４あるいはＰＺＴ−５Ｈなどから作ら
れた圧電基板上に導電ペーストをシルクスクリーン印刷
することにより得られる。望ましくは、金属層を、シル
クスクリーン印刷工程の前に圧電基板上に被着する。導
電ペーストを被着した後、第２の金属被覆を形成する。
好適な金属被覆はクロム−金の公称コーティングであ
る。射出成形は他の代替法であるが、シルクスクリーン
印刷と同じように、射出成形は低い周波数で動作する変
換器の製造に制限される。

【００２９】一つの面では圧電変換器のインピーダンス
に、反対側の面では対象媒体のインピーダンスに、より
良く整合する傾斜的なインピーダンスを有する整合層を
形成することができる。これは、高インピーダンス材料
の体積割合を、変換器から離れて媒体に接近するにつれ
て徐々に傾斜させることで達成することができる。例え
ば、円錐状の突起あるいはピラミッドを形成することが
できる。

【００３０】再び図２において、隣接するポスト２２の
間の空間は、エポキシなどの材料で選択的に充填するこ
とができる。エポキシの充填は、整合材料の体積割合に
影響しないが、ポストに対する支持をさらに加える。

【００３１】さて図４において、楕円形状のポスト２４
の分布構成を有する整合層を示す。楕円形状のポスト
は、ＰＺＴなどの圧電基板２６上に形成される。整合材
料は銅であっても良く、クロム−金の金属被覆を含むこ
とが好ましい。楕円形状のポストは、圧電基板２６の基
底面では非対称である。このタイプの整合層を形成する
ことは、問題があるが、このような整合層の形成は、音
響インピーダンスの調整および振動の横モードの制御に
利点がある。

【００３２】図５において、高い体積割合を有する整合
層の他の分布を示す。４面を有するポスト２８の圧電基
板３０上の分布は、基板の中心からの距離に従ってピッ
チが変化する分布である。分布は基板の長手方向の側面
に平行な方向でガウス分布をなし、基板の短手方向の側
面に平行な方向では半コサインをなすことができる。図
５の実施例の利点は、整合材料の体積割合を変えること
で達成されるインピーダンス整合の空間的なずれによっ
て、圧電基板から発信される音波の中心部の強度がより
大きくなるということにある。しかし空間の解像度が若
干犠牲となる。

【００３３】図６は他の実施例を示す。本実施例おい
て、整合層は圧電基板３４上の円形セグメント３２の配
列を含む。セグメントは半径方向に所定の変化を有する
ことが好適である。セグメントは半径方向の規定された
変動を有するのが望ましい。音波結合は、超音波装置の
中空でない中心セグメント３６において最大であると考
えられている。結合は外側周辺部に近づくにつれて減少
する。

【００３４】以上、本発明の実施例について詳述した
が、以下、本発明の各実施例毎に列挙する。 [例１]媒体との音波の通信を高めるための変換器の製造
方法であって、放射面を有する圧電部材（１０；２６；
３０；３４）を準備し、材料（１４）を選択し、該材料
を前記放射面上に装着し、幾何的にパターン化して、前
記放射面上に幾何的に選択されたパターン化された整合
層（１０；２４；２８；３２）を形成し、これにより、
前記媒体と前記圧電部材との間で音波を伝達させるのに
望ましい音響インピーダンスを達成することを特徴とす
る方法。 [例２]前記パターン化した整合層（２０；２４；２８；
３２）の形成が、前記材料（１４）を前記放射面（１
０；２６；３０；３４）上に、パターン化しない状態で
被着することを含む例１記載の方法。 [例３]前記材料（１４）の幾何的パターン化が、フォト
リソグラフィー技術を利用して、前記放射面（１０；２
６；３０；３４）上に被着された少なくとも一つの層を
パターン化することを含む例１あるいは２記載の方法。 [例４]金属層（１２）を、前記パターン化した整合層
（２０；２４；２８；３２）を形成する前に、前記放射
面（１０；２６；３０；３４）上に形成することをさら
に含み、前記放射面が音波を対象媒体に伝達するための
前記圧電部材の前面であることを特徴とする例１乃至３
のいずれかに記載の方法。 [例５]前記パターン化した整合層（２０；２４；２８；
３２）を圧電部材（１０；２６；３０；３４）の裏面に
形成し、バッキング媒体に対するインピーダンス整合を
施して音波を吸収することを特徴とする例１乃至３のい
ずれかに記載の方法。 [例６]前記放射面に対向する前記圧電部材（１０；２
６；３０；３４）の面上に、第２のパターン化した整合
層（２６；３０；３４）を形成することをさらに含み、
音波伝達を前記圧電部材の前面および裏面のそれぞれで
高めることを特徴とする例１乃至３のいずれかに記載の
方法。 [例７]前記パターン化した整合層（２０；２４；２８；
３２）の形成が、材料を幾何的にパターン化して、前記
放射面（１０；２６；３０；３４）から延在するポスト
（２２）を形成するステップであることを特徴とする例
１乃至５のいずれかに記載の方法。 [例８]前記パターン化した整合層（２０；２４；２８；
３２）の形成がレーザー・ビーム・エッチング、シルク
スクリーン印刷、および射出成形のうちの一つを含むこ
とを特徴とする例１記載の方法。 [例９] インピーダンスを第１のインピーダンスを有す
る媒体に音波を伝達する音響装置であって、放射面およ
び第２の音響インピーダンスを有する圧電変換器（１
０；２６；３０；３４）と、前記変換器と前記媒体との
間に配置され、前記放射面に直接接触し、前記第１の音
響インピーダンスと前記第２の音響インピーダンスとの
間の実効インピーダンスをもたらす少なくとも一つの第
３の音響インピーダンスを有し、前記放射面に対して概
して垂直に延在するポスト（２２；２４；２８；３２）
を含むパターン化した整合層構造（２０）と、を備えて
成る装置。 [例１０]前記パターン化した整合層構造（２０）が、金
属整合層を含むことを特徴とする例９記載の装置。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明を用いるこ
とにより、高周波で動作することのできる音響変換器を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明により上面にさまざまな層を形成した圧
電基板の側断面図である。

【図２】パターン化された整合層を有する図１の圧電基
板の側断面図である。

【図３】図２の基板の斜視図である。

【図４】本発明の他の実施例の立面図である。

【図５】本発明の他の実施例の立面図である。

【図６】本発明の他の実施例の立面図である。

【符号の説明】

１０：圧電基板１２：公称層１４：整合材料の層１６：フォトレジスト１８：電極層２２：円柱状ポスト

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】放射面を有する圧電部材を用意するステッ
プと、材料を選択し、該材料を前記放射面上に装着し幾何的に
パターン化して、前記放射面上に幾何的に選択されたパ
ターン化された整合層を形成するステップと、を備えて成り、媒体と圧電部材との間で音波を伝達させ
るのに適した音響インピーダンスを達成することを特徴
とする音響変換器の製造方法。