JPH08126094A - 改善された音響及び電気インピーダンスを有する複合型圧電トランスデューサアレイ - Google Patents

改善された音響及び電気インピーダンスを有する複合型圧電トランスデューサアレイ

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JPH08126094A
JPH08126094A JP7210356A JP21035695A JPH08126094A JP H08126094 A JPH08126094 A JP H08126094A JP 7210356 A JP7210356 A JP 7210356A JP 21035695 A JP21035695 A JP 21035695A JP H08126094 A JPH08126094 A JP H08126094A
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wafers
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Turukevere R Gururaja
トゥルケヴェレ・アール・グルラジャ
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波イメージングシステムに対する電気イ
ンピーダンス整合と人体に対する音響インピーダンス整
合とを改善するトランスデューサ素子を提供する 【解決手段】 2-2または1-3複合構造を有しｋ31横モー
ドで駆動される小さな外形寸法のトランスデューサアレ
イ用のトランスデューサ素子230。このトランスデュー
サ素子は、対向する主表面上に電極240,242が設けられ
た複数の薄いピエゾセラミックウェハ235を備えてい
る。その互いに隔置されたウェハは複合構造中の受動ポ
リマー層により分離される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、線形アレイ、フェ
イズドアレイ、及び、２次元アレイ等のトランスデュー
サアレイに使用されるトランスデューサ素子に関し、特
に、人体との良好な音響インピーダンス整合、及び、イ
メージングシステムとの良好な電気インピーダンス整合
を有する複合型圧電トランスデューサ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】医療用超音波イメージング用の音響トラ
ンスデューサは、圧電材料から作製される。圧電セラミ
ックと受動相ポリマー(passive polymer phase)とを組
み合わせることにより様々な複合材料が作製される。そ
れら複合材料は、従来の圧電セラミックおよびポリマー
により得られる材料特性の範囲を拡張するものである。
【０００３】パルス／エコー式医療用超音波イメージン
グでは、1-3複合ジオメトリが最も有望であると認めら
れてきた。W.A.Smithによる「Composite Piezoelectric
Materials For Ultrasonic Imaging Transducers - A
Review」(1986 IEEE, CH2358-0/86/0000/0249, 249〜25
5頁)を参照のこと。例えば、図１に示す1-3ＰＺＴロッ
ド／ポリマー複合構造10は、対向するプレート面13,14
と垂直に配向された圧電セラミックの薄くて互いに平行
なロッド12を１つにまとめて保持するポリマーマトリク
ス11から構成される。プレート面13,14には、金属電極
が取り付けられている。このプレートに電圧パルスが
（ポーリング(poling)方向と同じ方向「ｔ」に）印加さ
れると、その電圧パルスにより、そのプレートの基本厚
さ共振(fundamental thickness resonance)の近くの周
波数帯域でそのプレートに厚さモード発振(thickness-m
ode oscillation)が励起される。その結果として生じる
音響振動15は、人体の軟性組織に投射され、器官の境界
やその器官内の構造によって散乱させられる。送信側の
トランスデューサへと戻るエコーによって、圧電プレー
ト中に厚さ発振が励起され、これにより画像の形成に用
いられる電子信号が生成される。呼掛ビームの方向を走
査し、戻ってくるエコーを適当に解釈することにより、
実質的な診断のための値を有する体内の画像が医師に提
供されることになる。
【０００４】この用途における満足のいく圧電材料に関
する重要なパラメータとしては、感度、音響及び電気イ
ンピーダンス整合、低い電気的及び機械的損失、整形
性、熱安定性、及び構造的強度がある。良好な感度を得
るには、電気機械的結合が強くなるように、電気エネル
ギーと機械エネルギーとの間で効率のよい変換が圧電に
よって行われなければならない。圧電は、トランスデュ
ーサ及び組織中における音波が送信時及び受信時の両方
について良好に結合するように、組織と音響的に整合し
なければならない。各アレイ素子の電気インピーダンス
は、駆動用電子装置及び受信用電子装置に適合しなけれ
ばならない（通常は50Ω）。所与のジオメトリのアレイ
素子の場合、電気インピーダンスは、圧電材料の誘電率
に反比例する。従って、誘電率は比較的大きくなければ
ならない。要するに、医療用超音波イメージングのため
の良好な圧電材料は、高い電気機械的結合（１に近いｋ
t）と、組織の音響インピーダンスに近い音響インピー
ダンス（1.5Mraylに近いＺ）と、適度に大きい誘電率
（εs≧100）と、小さな電気的損失（tanδ≦0.10）及
び機械的損失（Ｑm≧10）とを有しているべきである。
【０００５】複合型ピエゾセラミックの性能は、所与の
セラミック及びポリマーについてのピエゾセラミックの
体積比率によって変動する。一般には、体積比率が減少
する際の音響インピーダンスの低下と結合の強化との間
でトレードオフが行われる。それにもかかわらず、純粋
なピエゾセラミック成分と比較して複合ピエゾセラミッ
クの結合係数が一層高くなると共に音響インピーダンス
が一層低くなる比率が広範囲にわたり存在する。Smith
の文献の253頁を参照のこと。
【０００６】トランスデューサアレイは、例えば図２に
示すように複合体から作製されてきた。複合型線形アレ
イ20は、矩形のセラミックロッド21がポリマーマトリク
ス22中に埋設され、複合体27の対向する主表面上には金
属電極23,24が設けられ、身体に隣接して配置するため
に整合層25が主表面の一方に設けられ、アレイ素子26が
もう一方の主表面上の電極パターンによって規定されて
いる。代替的には、複合体に切削加工を施してアレイ素
子を隔離させることによりアレイを形成することも可能
である。複合体を極めて可撓性に富んだものにすること
により、ビームの集束及び操向のために湾曲形状に形成
できるようにすることも可能である。
【０００７】W.A.Smithによるもう１つの論文「New Opp
ortunities In Ultrasonic Transducers Emerging From
Innovations In Piezoelectric Materials」(1992 SPI
E International Ultrasonics Symposium(1992年7月21
〜22日))には、様々なピエゾセラミック（表Ｉ）及びピ
エゾポリマー（表II）材料に関する材料パラメータが要
約されている。Smithはまた、独立した材料パラメータ
を規定するために、３軸座標系とセラミックの極軸との
関係も規定した（２〜３頁）。これらの関係により、電
気機械結合因子、即ちｋ31,ｋ33,……が決まる。これら
電気機械結合因子は、媒体の弾性応答及び誘電応答が正
規化されれば、圧電相互作用の真の強度を測定するもの
となる。チタン酸バリウム、ジルコン酸チタン酸鉛、及
び改質チタン酸鉛等の主な圧電セラミック材料、並びに
ポリビニリデンジフルオライド及びそのトリフルオロエ
チレンとのコポリマー等のピエゾポリマーのいくつかに
ついて、結合係数に関する既知の値やその他の重要な材
料パラメータが列挙されている。
【０００８】図３は、様々なタイプの複合型圧電材料の
うちの３つについて概略を示すものである。複合形式
は、個々の相の結合パターンによって表される。例え
ば、1-3結合とは、圧電相が１次元で連続または自己結
合しポリマー相が３次元で自己結合している複合体のこ
とをいう。図３(a)は、図１及び図２に関して上述した
ようなポリマー構造30における1-3ＰＺＴロッドを示し
ている。図３(b)は、ピエゾセラミック及びポリマーの
交互の層から構成され互いに対向する上面及び下面に電
極が配置された層状2-2構造40を示している。図３(c)
は、ピエゾセラミック及びポリマーの混合物から構成さ
れる3-3複合構造50を示している。これらの各構造は、
様々な用途で利点を有するものである。一般に、低いＱ
を有するデバイス構造が望ましく、これは、トランスデ
ューサを、媒体に対して音響的に、および、励振及びイ
メージング用の電子装置に対して電気的に、効率よく結
合させることにより、最も良好に達成される。
【０００９】図３の複合構造の各々におけるポリマー
は、媒体との整合を一層良好にするように音響インピー
ダンスを低下させるのに役立つ。しかし、電気インピー
ダンスの良好な整合を得るには依然として問題がある。
これに関し、図４(b)に示すように、金属電極と交錯さ
せたピエゾセラミックストリップ構造を形成することが
提案されており、これは、R.Goldberg及びS.Smithによ
る「Performance of Multi-Layer 2-D Transducer Arra
ys」(1993 Ultrasonic Symposium,1051-10117-93-0000-
1103, IEEE(1963), 1103〜1106頁)から引用したもので
ある。比較のため、図４(a)に単層のセラミック素子60
を示し、それと全寸法が同じである多層セラミック素子
70を図４(b)に示す。なお、それらの図における矢印61,
71はポーリング方向を表すものである。Goldberg等の文
献に記載の目的は、多層セラミックを利用して２次元ア
レイ素子の送信感度及び受信感度の両方を高めることに
ある。送信モードでの目的は、所定の電源電圧に関する
人体組織中への音響出力を増大させることにある。この
目的は、最大電力が伝送されるように電源とトランスデ
ューサとの電気インピーダンスを整合させることにより
達成される。また、受信モードでの目的は、超音波イメ
ージングシステムにより増幅及び処理される受信電圧を
高くすることにある。その受信電圧は、同軸ケーブル及
びイメージング回路に対してトランスデューサのインピ
ーダンスを整合させることにより高くなる。Goldberg等
の多層構造70の場合、(交錯された電極73の間の）セラ
ミック層72は電気的に並列に接続され、全静電容量は各
層の静電容量の和となる。従って、電極面積がＡ、層厚
さがｔ／Ｎ、誘電率がεであるＮ層トランスデューサの
静電容量ＣNは、次式の通りである。
【００１０】ＣN＝ＮεＡ／（ｔ／Ｎ）＝Ｎ2Ｃsingle ここで、Ｃsingleは、(電極63,64間に単一のセラミック
層62を有する図４(a)の素子60等の）単層トランスデュ
ーサの静電容量である。Goldberg等の文献に解説のよう
に、開回路の受信感度は、層厚さｔ／Ｎに正比例し、そ
の結果、層の数を増やすと開回路の感度が低下すること
になる。しかし、その著者によれば、多層セラミック構
造の電気的負荷駆動能力により開回路の感度低下が補償
される、ということである。
【００１１】Goldberg等の多層セラミック構造によれ
ば、アレイ素子の電気インピーダンスが低下してイメー
ジングシステムとの電力伝達が向上するが、音響的な整
合に関する問題は解決しない。更に、２次元アレイは、
超音波ビームの動的制御を双方向で提供するために方位
角平面及び仰角平面に沿って素子を設ける際には望まし
いものであるが、そのアレイ素子のサイズが小さくなる
ほど電気インピーダンスが高くなり、このため、トラン
スデューサの感度が不十分であるという問題が悪化する
ことになる。したがって、特に、フェイズドアレイ及び
２次元マトリクスアレイで必要とされるような極めて小
さなトランスデューサについて、観察されるべき媒体に
対する音響インピーダンスの良好な整合とイメージング
システムの電気インピーダンスの良好な整合との両者を
有効に提供するものは、従来技術によるシステムには存
在しない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】２次元アレイは、正方
形格子に２次元で分配された小さなトランスデューサ素
子からなる。２次元アレイにおける主な問題の１つとし
て、素子サイズが極めて小さいが故に電気インピーダン
スが極めて大きくなる、ということがある。現在のフェ
イズドアレイ素子でさえ、電気インピーダンスは、素子
の周波数及びアパーチャに依存して200Ωから１kΩを超
える範囲のものとなる。２次元アレイでは、それら素子
の各々は、仰角方向で64以上の素子に細分される。従っ
て、各２次元アレイ素子のインピーダンスは、少なくと
も64倍大きいものとなり、このため、一般に50Ωのイメ
ージングシステムからトランスデューサへと電気エネル
ギーを結合するのが困難になる。本発明は、この電気イ
ンピーダンスの問題を解決すると共に、人体に対する音
響インピーダンス整合を最適化するものである。
【００１３】本発明の目的は、互いに対向する第１およ
び第２の主表面上に電極が設けられ、それら電極間の厚
さに沿って分極された、ピエゾセラミックの薄いウェハ
を提供する新規の複合構造を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明におけるウェハ
は、受動ポリマー層により離隔されている。１つの素子
は、少なくとも２つの電極付きセラミックウェハと中間
の受動ポリマー層とを備えている。その圧電ウェハは、
ウェハ厚さに沿って電気的に駆動されて、垂直方向に音
響振動を生成する（図７参照）。この振動モードは、
「31」横モードと呼ばれる。セラミックウェハの主表面
における電極面積を大きくし、ウェハ厚さを比較的薄く
することにより、各素子毎の静電容量が結果的に増大
し、それに対応して電気インピーダンスが低下すること
になる。それらの素子は、2-2または3-1複合構造で提供
することも可能である。所与の素子におけるウェハの数
は、所望のインピーダンス整合が得られるように選択す
ることができる。線形アレイまたはフェイズドアレイの
場合、１つのストリップ中に数百のウェハを設けること
が可能である。２次元アレイの場合には、複数のそのよ
うな素子を２次元の正方形格子中に設けることが可能で
ある。ポリマー層にセラミックウェハを点在させること
により、低音響インピーダンスの複合構造が生じる。し
たがって、小さなアレイ素子について電気インピーダン
スおよび音響インピーダンスの両者が最適化されること
になる。
【００１５】本発明のもう１つの態様は、複合構造の様
々な製造方法である。第１の方法では、圧電セラミック
のウェハは、その主表面に沿って電極が設けられ、その
厚さに沿って分極される。そのウェハは、所望の用途に
依存して１つの縁部に沿ってスペーサと共に積み重ねら
れ、数十または数百のウェハからなるスタックが形成さ
れる。次いで、そのスタックにエポキシポリマーマトリ
クスが注入される。スペーサを含む領域が除去されて複
合構造が提供される。元の表面電極が素子の縁部まで延
びている場合には、複合構造の両縁部に沿って等間隔に
チャネルが切削加工され、次いでそのチャネルにポリマ
ーが充填される。素子の上面および下面に端部電極がそ
れぞれ設けられ、その各電極は、２組の表面電極の異な
る一方に接続される。代替的には、（例えばマスキング
を施すことにより）最初に表面電極を設けてそれら表面
電極が両縁部まで延びないようにすることが可能であ
り、この場合にはチャネルは不要となる。
【００１６】もう１つの代替的な製造方法としては、ピ
エゾセラミックブロックから開始し、ダイヤモンドのこ
歯を用いて溝を形成して、互いに隔置された一連の平行
なピエゾセラミックウェハを形成する、という方法があ
る。次いで、そのウェハに電極が設けられ、その溝がエ
ポキシで充填される。下部のピエゾセラミック層を切り
離して複合構造が形成される。この場合も、対向表面上
にチャネルが切削加工されて２組の対向表面電極が形成
され、そのチャネルにポリマーが充填されて、端部電極
が取り付けられる。
【００１７】本発明の上述その他の利点については、以
下の詳細な説明及び図面で一層詳細に説明することとす
る。
【００１８】
【発明の実施の形態】フェイズドアレイ型パルスエコー
超音波イメージングシステム100のブロック図を図５(a)
に示す。このシステムは、トランスデューサアレイ101
にパルス化電気励振(stimulus)を供給し、これにより、
トランスデューサが超音波103を送出する。その超音波
は、人体等の媒体に送出され、その媒体中の物体（例え
ば心臓115）によって少なくとも部分的に反射されるこ
とになる。その反射波（エコー）がトランスデューサ10
1により受信され、そのエコーを表す電気信号104がトラ
ンスデューサ101により生成される。次いで、エコーに
よって生じる電気信号の様々な特性（振幅および位相
等）がイメージングシステムの信号処理部によって分析
されて、媒体中の物体に関する情報（大きさ、場所、速
度等）が決定される。このイメージングシステムは、当
業界で既知のビーム操向、フェイズドアレイその他の技
術を用いてトランスデューサを励振し、エコーから生じ
る電気信号を分析する。例えば、「Ultrasonic Diagnos
tic Apparatus」と題する米国特許第5,060,651号を参照
されたい。
【００１９】より特定的に説明すれば、図５(a)には、
送信器107、前置増幅器109、ビーム形成器106、および
デジタル走査変換器111の各々を制御するマイクロプロ
セッサ108が示されている。トランスデューサアレイ101
からのエコー信号104は、前置増幅器109に送られて増幅
され、次いで、ビーム形成器106、信号プロセッサ105、
ＡＤ変換器110、およびデジタル走査変換器111に直列に
送られる。そのｚ成分がポストプロセッサ112に送ら
れ、その結果として得られるｚ強度がＣＲＴ画面114上
に表示される。また、ｘ-ｙ成分は、ｘ-ｙラスタ113を
介して送られてＣＲＴ画面114上に表示される。任意の
数の異なる送信及びイメージ処理システムを用いること
が可能である。
【００２０】図５(b)は、トランスデューサ120の片側が
イメージングシステム121に電気的に結合され、もう片
側が媒体（患者122）に音響的に結合される態様を簡略
化して示したものである。イメージングシステムは、例
えば、50Ωのインピーダンスを有するケーブル124と直
列をなす約50Ωの電気インピーダンスを有する電源123
を備えることができる。電源およびケーブルのインピー
ダンスおよびトランスデューサのインピーダンスが実質
的に同じである場合に、負荷（患者122）に対する最大
電力伝達条件が生じる。
【００２１】受信モード（図示せず）では、入射音圧は
電圧源としてモデル化することができる一方、トランス
デューサのインピーダンスは電源インピーダンスとな
る。電気的負荷は、ケーブルの分路インピーダンスと前
置増幅器の入力インピーダンスとから構成される。トラ
ンスデューサは、そのトランスデューサの静電容量がケ
ーブルの静電容量よりも大幅に大きい場合には、ケーブ
ル負荷を有効に駆動することができる。本発明の複合素
子は、これら要件を満たすものである。
【００２２】所与の構造の静電容量は、その構成によっ
て決定される。例えば、並列プレートコンデンサの静電
容量「Ｃ」は、次の通りである： Ｃ＝εoＫＡ／ｄ ここで、Ｋは相対誘電率、εoは自由空間の絶対誘電率
（8.85×10-12F／ｍ）、Ａは並列プレートに面する面
積、ｄはプレート間の距離である。図６に示すような、
２次元アレイに用いられる典型的な従来のトランスデュ
ーサ素子200の場合には、並列プレートコンデンサが適
当なモデルである。トランスデューサ素子200は、２つ
の側部201,202がそれぞれ250μｍである正方形の断面を
有し、互いに対向する電極203,204間の高さが約500μｍ
のものである。こうした素子が、相対誘電率＝3000のＰ
ＺＴセラミックから形成される場合には、Ａ＝250×250
μｍ2、ｄ＝500μｍとなり、トランスデューサの静電容
量は約3.3pFになる。従って、この従来技術によるトラ
ンスデューサは、200pFというケーブル静電容量（即
ち、前置増幅器にトランスデューサを接続するケーブ
ル）に対する電気的整合が不十分なものとなる。
【００２３】これに対し、本発明の第１の実施例は2-2
複合構造を用いたものであり、複数のウェハ素子210
（図７参照）がポリマー層の間に挟まれて、複合素子23
0（図８参照）が形成される。図７には、（ｘ方向の）
厚さがｔである比較的薄いＰＺＴウェハ211と、比較的
大きい面積Ａを各々が有する（ｙ-ｚ面内の）対向する
主表面212,213とが示されている。対向する主表面212,2
13には、それらの大きな表面の面積の大部分にわたり電
極214,215が形成され、ウェハには、その厚さにわたっ
て(矢印216で示すｘ方向に)分極が施される。結果的に
生じる音響出力信号217はｚ方向を有するものとなる。
その結果、このウェハ素子の静電容量が比較的大きくな
る。これは、その電極面積が広く、厚さｔが比較的薄い
からである。更に、複数のこれらのウェハが電気的に並
列に接続されると、それらの静電容量が合計されるの
で、大きな静電容量とそれに対応する小さな電気インピ
ーダンスとが生じて、イメージングシステムとの整合が
改善される。ウェハ素子の相対的な大きさ及び数は変更
可能であり、各素子毎に約50Ωのインピーダンスが得ら
れるように素子の厚さ、面積、及び数を選択することが
望ましい。
【００２４】図８(a)は本発明の複合2-2トランスデュー
サ230の斜視図、(b)はその断面図を示すものである。Ｐ
ＺＴ等の圧電セラミックの平坦なウェハまたはストリッ
プ235が、片側における第１の電極層240と、もう片側に
おける第２の電極層242との間に挟まれている。それら
電極は、ウェハの主表面に沿ってｘ-ｙ平面内に延びて
いる。各組の電極240,242は、複合トランスデューサの
互いに対向する上面および下面にある端部電極241,243
の異なる一方に接続されている。従って、図８(a)に示
すように、上方から垂れ下がる電極240は上面の端部電
極241に接続されており、その終端は下面の端部電極243
に達さないようになっている。同様に、下方から延びる
電極242は下面の端部電極243に接続されており、その終
端は上面の端部電極241に達さないようになっている。
人体との音響的な整合を改善するための受動ポリマー層
238は、隣接する電極付きウェハ240/235/242の各組の間
に挿入される。
【００２５】ウェハ235は、厚さに沿ってｘ方向に分極
されており、それと同じ方向に沿って電気パルスで励振
される。このようにして、ＰＺＴ材料のｋ31結合を利用
してウェハ235が駆動されて、ｚ方向に沿って共振が生
じることになる。
【００２６】電極240とウェハ235と電極242とからなる
各組み合わせ体250は、並列プレートコンデンサとして
モデル化することが可能なものである。更に、図８(a),
(b)の構成は、複数のかかるコンデンサを並列に接続し
たものを規定するものである。従って、複合トランスデ
ューサ230の全静電容量は、各組み合わせ体250毎の個々
の静電容量を合計したものとなる。各組合わせ体250
は、比較的大きな電極面積と比較的小さな電極間距離ｔ
とを提供するものであるので、各組合わせ体250の静電
容量は比較的大きくなる。
【００２７】前述のように、図６の従来のトランスデュ
ーサは、約3.3pFの静電容量を有している。これに対
し、電極240,242間に挟まれた幅50μｍのＰＺＴウェハ2
35を備える本発明の複合トランスデューサ230は、各組
み合わせ体250毎に約66pFの静電容量を示すものとな
る。更に、厚さ25μｍのポリマー層238により組み合わ
せ体250が分離されれば、並列に接続された３つのかか
る組み合わせ体は、従来のトランスデューサ素子と同じ
容積中に納まる。最終的に、トランスデューサ230は約1
98pFの全静電容量を示すものとなる。
【００２８】図９および図１０は、複合トランスデュー
サ素子230を形成するための方法の１つを示すものであ
る。ＰＺＴ材料のウェハ235は、その互いに対向する主
表面236,237（図９(a)を参照）に電気メッキが施されて
いる（または別の手段により電極が付与されている）。
各ウェハは、例えば50μｍの厚さにすることが可能であ
る。ウェハ235は、厚さｔに沿って分極（即ちポーリン
グ）されているので、ＰＺＴは圧電特性を示す。次い
で、その電極付きウェハが、下方縁部260にスペーサ261
を配置して積み重ねられて、隣接するウェハの主表面23
6,237が分離される（図９(b)を参照）。各スペーサ261
は、例えば25μｍの厚さにすることが可能である。積み
重ねられるウェハの数は用途によって決まるが、スタッ
ク262は、必要であれば、数十〜数百のこうしたウェハ
を含むことが可能である。次いで、スタック262全体に
エポキシマトリクスが注入されて、セラミックウェハ23
5間の空間を充填するポリマー層238が形成される（図９
(c)を参照）。スペーサを含むスタックの下部264は、図
１０(a)に示すように、ダイヤモンドのこ歯によって切
除される。ポリマーが充填された層263は、適当なサイ
ズのトランスデューサ素子230の横断部分（図１０(b)）
が形成されるように切断される。次いで、トランスデュ
ーサ素子230は、例えばダイシング鋸(dicing saw)で研
削されて、電極236,237の両端部にチャネル265,266がそ
れぞれ形成される。これらのチャネルが必要となるの
は、後述のように端面241,243に電極が設けられた際に
電極236,237が電気的に接続されないようにするためで
ある。かかるチャネルは、図１０(c)に示すように、例
えば25μｍにわたって延びるものとすることができる。
チャネル265,266はポリマー238で充填され、互いに対向
する横断面241,243には電極が設けられる（図１０(d)を
参照）。次いで、トランスデューサ素子230は、当業界
で既知の技法を用いて２次元アレイをなすように構成さ
れる（図１４を参照）。
【００２９】図１１(a)〜(d)は、複合トランスデューサ
素子430を形成するためのもう１つの方法を示すもので
あり、この場合、もとの電極の範囲はウェハの表面全体
には及ばないようになっている。図１１(a)に示すよう
に、ピエゾセラミックウェハ401の互いに対向する表面
電極402,403は、そのウェハの対向表面のほぼ大部分に
わたって延びているが、その終端は、互いに対向する上
端面405及び下端面406には達していない。図１１(b)で
は、複数のかかる素子が、一方の縁部に沿って一連のス
ペーサ412により隔置され、それらのウェハ間の領域に
ポリマーが充填されて、複合ブロック410中にポリマー
層411が形成される。図１１(c)に示すように、スペーサ
を含む下部413が切除され、上部415がラップ研磨されて
(lap off)、中央部分414の互いに対向する組をなす電極
402,403が露出する。図１１(d)では、複合トランスデュ
ーサ素子の上部および下部に上側電極421及び下側電極4
22が取り付けられて、最終的なトランスデューサ素子43
0が形成されている。
【００３０】図１２及び図１３は、複合トランスデュー
サ素子330を製造するための別の代替方法を示すもので
ある。ＰＺＴブロック300は、例えばダイヤモンド鋸に
より切除されて細長い平行なチャネル336（図１２(b)参
照）が形成される。それらのチャネル336により、１つ
の共通縁部339に沿って結合する延長矩形突出部すなわ
ちウェハ337が分離される。各突出部337の側面を含む素
子の上側表面は、例えばスパッタリングまたは真空蒸着
により、電極332,334で被覆される（図１２(c)参照）。
次いで、結果的に得られた構造302がポリマーで被覆及
び充填されてポリマー層338が形成され、下部のＰＺＴ
のみの部分305が除去される（図１３(a)参照）。この場
合も、チャネル365,366の切削加工を行って上部表面及
び下部表面における電極の両端が除去され（図１３(b)
参照）、それらチャネルにポリマーが充填され、結果的
に得られる構造330の上部表面と下部表面とに端部電極3
41,343が取り付けられる（図１３(c)参照）。
【００３１】好適実施例では、トランスデューサ素子23
0(330または430)は、図１４に示すように２次元アレイ2
80に構成される。各アレイ素子251は、ポリマー層253に
よって分離された３つの圧電ウェハ252を備えている。
（スクライビングされた電極254により分離された）個
々の素子251は、４×３の矩形アレイに構成される。
【００３２】更なる代替実施例では、ｋ31横モードで駆
動されるように設計された1-3複合構造が得られる。図
１５(a),(b)は、この代替構造を製造するための方法を
示すものである。図１５(a)は、図１１(b)のブロック41
0と類似した複合ブロック510を示している。このブロッ
ク510は、スペーサ502によって一方の縁部に沿って分離
された薄いピエゾセラミックウェハ501の交互層と、そ
れらピエゾセラミックウェハ501間のポリマー層503とを
備えている。ピエゾセラミックウェハ501の対向表面に
は対向電極504,506が設けられている。図１５(b)に示す
ように、複合ブロックのｘ-ｚ平面に横チャネル511が切
削加工されて、互いに平行に隔置された一連の素子512
が形成される。次いで、それらのチャネル511がエポキ
シで充填され、図１１(c),(d)に示したものと同様のス
テップ、即ち、上部表面のラップ研磨、スペーサを有す
る下部の切除、及び上部及び下部電極の配設を含むステ
ップに従うことになる。その結果として得られる1-3複
合ブロック520を図１６(a),(b)に示す。この1-3複合ブ
ロック520は、ポリマー層522により分離され互いに隔置
された複数の素子を含むものとなる。各素子521は、対
向表面上に電極525,526を有すると共にポリマーの細い
矩形ロッド527により分離された複数の細い矩形ロッド5
24を備えている。
【００３３】本発明のいくつかの実施例について説明し
てきたが、当業者であれば、様々な修正及び改良が容易
に思いつくであろう。例えば、用語「ピエゾセラミッ
ク」には、ニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛（ＰＭ
Ｔ−ＰＴ）等のリラクサ(relaxor)強誘電材料または電
歪材料といった他の様々なピエゾセラミックが含まれる
ことを意味している。したがって、上記説明は単なる例
示であり、本発明は、特許請求の範囲の記載のように規
定されるものである。
【００３４】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。
【００３５】１．2-2複合構造または1-3複合構造を有し
ｋ31横モードで駆動されるトランスデューサ素子からな
るトランスデューサであって、前記トランスデューサ素
子が、互いに隔置された比較的薄い複数のピエゾセラミ
ックウェハであって、電極を備えた比較的大きな面積の
対向する主表面を有すると共に、互いに電気的に並列に
接続されている、前記ピエゾセラミックウェハと、隣接
する前記ウェハの前記電極間に設けられた受動ポリマー
層とを備えていることを特徴とする、前記トランスデュ
ーサ。
【００３６】２．前項１記載のトランスデューサ素子の
アレイ。
【００３７】３．前記アレイが２次元アレイである、前
項２記載のトランスデューサアレイ。
【００３８】４．人体の音響インピーダンスと実質的に
整合する音響インピーダンスと、超音波イメージングシ
ステムとの効率のよい電力伝達のための電気インピーダ
ンスとを有する医療用超音波トランスデューサ素子を製
造するための方法であって、ｋ31横モードで駆動するた
めの2-2または1-3複合トランスデューサ素子であって、
比較的面積の大きな対向する主表面を有する互いに隔置
された比較的薄い複数のピエゾセラミックウェハを備え
ている、前記トランスデューサ素子を設け、前記ウェハ
を電気的に並列に接続するための電極を前記主表面に設
け、身体の音響インピーダンスと実質的に同様の音響イ
ンピーダンスが得られるように選択された受動ポリマー
の層を隣接する前記ウェハの前記電極間に設け、イメー
ジングシステムとの電力伝達を改善するよう電気インピ
ーダンスが低下したトランスデューサ素子が得られるよ
うに前記の隔置されたピエゾセラミックウェハの数を選
択する、という各ステップを含むことを特徴とする、前
記製造方法。
【００３９】５．トランスデューサの製造方法であっ
て、互いに隔置された比較的薄い複数のピエゾセラミッ
クウェハであって、比較的面積の大きい対向する主表面
を有しており、対向する組をなす電極が前記主表面に配
設されている、前記ピエゾセラミックウェハを設け、隣
接する前記電極付きのウェハと所定間隔をおいてその電
極付きのウェハを積み重ねることによりスタックを形成
し、そのスタックをポリマーで充填して前記間隔の充填
を行うことにより複合素子を形成し、その複合素子の対
向する端部表面に電極を設け、その端部電極の一方を前
記の対向する組をなす電極の一方に接続し、前記端部電
極の他方を前記の対向する組をなす電極の他方に接続す
る、という各ステップを含むことを特徴とする、トラン
スデューサの製造方法。
【００４０】６．前記積み重ねステップで前記スタック
の一方の縁部に沿って前記ウェハ間にスタック素子を配
設して前記所定間隔を形成し、前記充填ステップ後に前
記複合素子の前記スタック素子を含む部分を除去する、
前項５記載の製造方法。
【００４１】７．前記の対向する組をなす電極が前記の
対向する主表面の全体に設けられ、前記充填ステップの
後、前記の対向する組をなす電極の対向する端部に、対
向する組をなすチャネルが切削加工され、それらチャネ
ルがポリマーで充填され、端部電極が設けられる、前項
５記載の製造方法。
【００４２】８．前記の対向する組をなす電極の一方
が、前記ウェハの前記の対向する端部のうちの第１の端
部から、そのウェハの第２の端部に達しない所定距離だ
け延び、前記の対向する組をなす電極の他方が、前記第
２の端部から、前記第１の端部に達しない所定距離だけ
延びている、前項５記載の製造方法。
【００４３】９．互いに隔置された一連の横方向の細長
いチャネルをスタックに切削加工し、それらチャネルを
ポリマーで充填して1-3複合素子のアレイを形成する、
というステップを更に含む、前項５記載の製造方法。
【００４４】１０．トランスデューサの製造方法であっ
て、互いに対向する上面および下面と４つの側面とを有
するピエゾセラミック材料のブロックを設け、そのブロ
ックの上面を通って延びる互いに隔置された一連の細長
い矩形チャネルを切削加工して、そのブロックの下面か
ら延びる１組の細長い平行な矩形突出部を形成し、その
各突出部が、比較的薄い横方向厚さと比較的大きい面積
の対向する主表面とを有しており、そのピエゾセラミッ
ク材料の突出部の前記の対向する主表面に、対向する組
をなす電極を設け、前記チャネルをポリマーで充填し、
前記ブロックの下面に隣接するピエゾセラミック部分を
除去して複合素子を形成し、その複合素子の対向する上
面と下面に電極を設け、その端部電極の一方を前記主表
面の対向する組をなす電極の一方と接続し、前記端部電
極の他方を前記主表面の対向する組をなす電極の他方と
接続する、という各ステップを含むことを特徴とする、
トランスデューサの製造方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の1-3ロッド／ポリマー複合構造を示す概
略図である。
【図２】図１の1-3ロッドポリマー複合トランスデュー
サから形成された従来の線形アレイを示す概略図であ
る。
【図３】(a)〜(c)は、従来の３つの異なる複合構造、即
ち、ポリマー構造における1-3ロッドと2-2層複合構造と
3-3ブロック複合構造とをそれぞれ示す概略図である。
【図４】(a)は、従来の単一のピエゾセラミック素子を
示し、(b)は、電極交互配置型のピエゾセラミック素子
を示す概略図である。
【図５】(a)は、フェイズドアレイを用いた超音波イメ
ージングシステムを示すブロック図であり、(b)は、ト
ランスデューサがイメージングシステムと電気的に結合
され患者と音響的に結合される態様を示す概要図であ
る。
【図６】２次元アレイに用いられる従来の正方形の断面
のトランスデューサ素子を示す概略図であり、インピー
ダンス整合が不十分であることを示している。
【図７】インピーダンス整合が大幅に改善された本発明
の複合トランスデューサ素子を示す概要図である。
【図８】(a)は本発明による2-2複合トランスデューサ構
造を示す斜視図であり、(b)はその断面図である。
【図９】(a)〜(c)は、本発明による第１の製造方法を示
す説明図である（1/2）。
【図１０】(a)〜(d)は、本発明による第１の製造方法を
示す説明図である（2/2）。
【図１１】(a)〜(d)は、本発明による第２の製造方法を
示す説明図である。
【図１２】(a)〜(c)は、本発明による第３の製造方法を
示す説明図である（1/2）。
【図１３】(a)〜(c)は、本発明による第３の製造方法を
示す説明図である（2/2）。
【図１４】本発明の複合トランスデューサ素子からなる
３×４の２次元アレイを示す平面図である。
【図１５】(a),(b)は、本発明による代替的な1-3複合ト
ランスデューサ構造を製造するための別の方法を示す説
明図である。
【図１６】(a),(b)は、代替的な1-3複合トランスデュー
サ構造を示す説明図である。
【符号の説明】
230 複合2-2トランスデューサ 235 ウェハ 240 第１の電極層 241,243 端部電極 242 第２の電極層 238 受動ポリマー層 240/235/242 電極付きウェハ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 41/083 41/08

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】2-2複合構造または1-3複合構造を有しｋ31
    横モードで駆動されるトランスデューサ素子からなるト
    ランスデューサであって、前記トランスデューサ素子
    が、 互いに隔置された比較的薄い複数のピエゾセラミックウ
    ェハであって、電極を備えた比較的大きな面積の対向す
    る主表面を有すると共に、互いに電気的に並列に接続さ
    れている、前記ピエゾセラミックウェハと、 隣接する前記ウェハの前記電極間に設けられた受動ポリ
    マー層とを備えていることを特徴とする、前記トランス
    デューサ。
JP7210356A 1994-08-18 1995-08-18 改善された音響及び電気インピーダンスを有する複合型圧電トランスデューサアレイ Pending JPH08126094A (ja)

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US08/292,634 US6225728B1 (en) 1994-08-18 1994-08-18 Composite piezoelectric transducer arrays with improved acoustical and electrical impedance
US292634 1994-08-18

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