JPH08242500A

JPH08242500A - トランスデューサ

Info

Publication number: JPH08242500A
Application number: JP7312167A
Authority: JP
Inventors: Paul Lum; ポール・ラム; Michael Greenstein; マイケル・グリーンスタイン; Belinda Kendle; ベリンダ・ケンドル
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1994-12-19
Filing date: 1995-11-30
Publication date: 1996-09-17
Also published as: US5479377A; EP0718817A3; EP0718817A2

Abstract

(57)【要約】【課題】プリアンプなどの電子回路が圧電メンブレン
によって完全に機構的に支持される音響装置を提供する
こと。【解決手段】メンブレン１４がメンブレン１４の活性
領域で電子回路２８を完全に支持する。メンブレン１４
は信号線１８、２６により電子回路２８に接続される少
なくとも１つの圧電活性領域２０を有する。好ましく
は、信号線１８、２６は集積回路製造技術を使用するメ
ンブレン上に形成される。好適な実施例では、圧電活性
領域２０は直径１００μｍ未満であり、メンブレン１４
は厚さ１０μｍ未満である。充填用樹脂はメンブレンの
支持構造を付与し、メンブレン回路上を絶縁する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、圧電メン
ブレンに関し、より詳細には、メンブレンの圧電活性領
域への電子信号または圧電活性領域からの電子信号を処
理するための回路の配置に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波装置は、様々な用途に使用され
る。たとえば、聴流器は、医療診断および治療において
使用されるタイプの超音波変換器の較正用音圧センサの
１種である。超音波変換器の較正は、変換器から聴流器
に電波を送ることによって行うことができる。聴流器
は、水などの液体中で変換器によって生成される超音波
フィールドの特性の定量評価をもたらすように動作す
る。

【０００３】聴流器のタイプの１つは、メンブレン聴流
器と呼ばれ、通常固定フープにより緊張状態に保たれる
薄膜を備えている。ハリス（Harris）らの米国特許第
４，６５３，０３６号には、厚さ約２５μｍのポリフッ
化ビニリデン（ＰＶＤＦ）製円形シートを有するメンブ
レン式聴流器が記載されている。ＰＶＤＦシートの中心
には、圧電活性点がある。極細線は、一端が活性点に接
続され、他端が同軸コネクタに接続される。同軸コネク
タは、シートを支持するフープに固定される。活性点と
の間を往復する電気信号は、同軸コネクタおよび接続ケ
ーブルを通過して、外部電子機器回路により処理され
る。

【０００４】活性点の直径が聴流器の性能に影響を及ぼ
すことは当業界では周知である。活性点の面積が減少す
ると、何らかの所望の効果がもたらされるが、聴流器の
電気的インピーダンスを増加させてしまう。メンブレン
の厚さもまた、性能に影響を与える。メンブレンを薄く
すると、聴流器の最大周波数が増加する。しかしメンブ
レンの厚さが減少すると、聴流器は、特に製造工程で、
より損傷を受けやすい状態になる。

【０００５】プリアンプを内蔵することによる利点が認
められている。ハイマン（Heiman）の米国特許第５，０
３５，２４７号には、短いケーブルで圧電センサに接続
されたプリアンプが記載されている。プリアンプはより
長いケーブルで処理ユニットに接続された出力を有して
いる。前置増幅についてはまた、ディレッギ（DeRegg）
らの米国特許第４，４３３，４００号、および１９８１
年３月に刊行された「超音波使用圧電ポリマプルーブ
（Piezoelectric Polymer Probe for UltrasonicApplic
ations 」J. Acoust. Soc. Am.,の第３号、第６９巻の
ｐｐ８５３−８５９に記載がある。ディレッギらは、プ
リアンプが、圧電メンブレンを支持するフープの内径に
機構的に接続できることを教示している。フープに支持
されたプリアンプは、導電エポキシ材により、メンブレ
ン上の金属被膜に電気的に接続されている。金属被膜
は、プリアンプから聴流器の活性点上の電極まで延びて
いる。プリアンプから同軸コネクタなどへの接続が行わ
れる。

【０００６】従来のメンブレン式聴流器は、通常、直径
約１００ｍｍである。聴流器の直径を減少させると、聴
流器によって起こされる摂動を増加させることになる。
一方、直径を減少させることは、フープに支持されたプ
リアンプを活性領域により近づけることになり、プリア
ンプの効果を高める。本発明の譲受人に譲渡された、グ
リーンスタイン（Greenstein）の米国特許第５，３３
９，２９０号には、聴流器の圧電活性領域を含む内部変
換器メンブレンを支持する外部メンブレンを有するメン
ブレン式聴流器が記載されている。外部メンブレンの構
造は、目的とする機械的特性に基づき選択することがで
きるが、変換器メンブレンの構造は、最大音響的特性お
よび電気的特性に合わせて選択することができる。グリ
ーンステインは、外部サスペンション・メンブレンを形
成するために許容できる材質として、ポリイミドを挙げ
ている。これは機械的特性のために選択されるので、プ
リアンプを外部サスペンション・メンブレン上に形成す
ることができると、グリーンスタインは教示している。
したがって、プリアンプは、活性領域のより近くに配設
される。

【０００７】グリーンスタインによる二重メンブレン聴
流器は、アンプを活性領域に近づけて配設することによ
り、信号損失を減少させるが、製造上の複雑さを増すと
いう犠牲を払うことになる。しかし、最大周波数の増加
などの目標を達成するためには、製造上の複雑さまたは
信号損失に関わる犠牲を払うべきであるとするのが変換
装置業界の基本原理である。

【０００８】必要とされるのは、聴流器のような音響装
置であり、また製造上の複雑さを大幅に増すことなく性
能が高められる、音響装置を形成する方法である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、プリアンプ
などの電子回路が圧電メンブレンによって完全に機構的
に支持される音響装置を提供する。好ましい実施例にお
いて、圧電メンブレンは、厚さ１０ミクロン未満で、直
径１００ミクロン未満の成極された圧電活性領域を有す
る。上記寸法の範囲内で、音響装置は、高周波数、高性
能用途に使用することができる。

【００１０】圧電メンブレンは、緊張状態で固定され、
少なくともメンブレンの１つの表面にプリントされた信
号線を備えている。信号線は、集積回路製造技術を使用
して形成することができる。メンブレン表面上にはま
た、圧電活性領域に位置を合わせた電極も形成される。
入／出力信号は電極から非活性領域へ延びている。電子
回路は電極から入／出力信号線に電気的に接続される。
回路と信号線の間の電気的接続は、導電エポキシ樹脂に
よって形成することができる。

【００１１】回路は非活性領域で直接メンブレンに接着
されるため、増幅とインピーダンス整合をもたらす回路
は、活性領域に近接して配設することができる。好まし
い実施例において、回路は、活性領域から２５．４ｍｍ
未満の範囲にあり、このため小径の活性領域からの信号
損失を、許容レベルまで減少させることができる。

【００１２】回路は、メンブレン上に直接に製造するこ
ともできるが、好ましい実施例においては、前もって製
造されたプリアンプをメンブレン表面上にボンディング
する。

【００１３】音響装置は、メンブレン表面上に金属被膜
層をパターン成形して、信号線を画定することにより形
成される。オプションとして、信号線をメンブレンの両
表面上に形成することができる。メンブレンの選択領域
は、強誘電性双極子に位置合わせするために成極され
て、電気信号と音響信号の間のエネルギを変換するため
の活性領域をもたらすことができるようになっている。
単独型および一体型部品は、電気的かつ構造的にメンブ
レンに直接ボンディングされる。メンブレン上の回路を
保護し、変換器装置の構造的安定性を高めるために、充
填材が使用される。

【００１４】本発明の利点は、メンブレン上の回路によ
り、通常サイズの聴流器が直径１００μｍ未満の活性領
域を有することができるようになることである。活性領
域に関してメンブレン上の回路を配設することにより、
さもなければ生成信号が十分な信頼性を示せない可能性
がある、減衰前の増幅が可能になる。もう１つの利点
は、活性領域の直径を１００μｍ未満、好ましくは５０
μｍに減少させることができるので、変換装置を血管内
に使用することも可能なことである。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１および図２を参照すると、変
換器メンブレン１０が、円形変換器メンブレン１４を支
持するフープ構造１２を有することが示されている。変
換器メンブレンは、圧電素材から形成され、フープ構造
によって緊張状態に支持されている。これは、メンブレ
ンの外径における圧縮力により実現される。

【００１６】好ましい実施例においては、変換装置１０
は聴流器である。メンブレン１４を形成するために許容
できる材質は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）であ
るが、ＰＶＤＦ／トリフルオルエチレン・コポリマ（Ｐ
ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）が好ましい。圧電素材の強誘電性双
極子を位置合わせするための成極工程において可撓性を
示すので、コポリマが好ましい。しかし、ＰＶＤＦ−Ｔ
ｒＦＥは、以下に述べるようなサイズに縮小すると、脆
い材質である。

【００１７】メンブレン１４の中心には、電極１６があ
る。電極は、円形で、図２に示される圧電活性領域２０
に対応する大きさになっている。熱と電気的バイアスの
組合せは、活性領域２０の強誘電性双極子を位置合わせ
するために使用される。双極子がほぼ位置合わせを終え
ると、この位置関係を維持するために、温度を低下させ
る。その後活性領域２０は、電気エネルギから音響エネ
ルギへの変換および音響エネルギから電気エネルギへの
変換を効率的に行うことができる。

【００１８】活性領域２０の底部には、第２の電極２２
があり、これはグラウンド層の一部になっている。電極
１６および２２を使用して、活性領域２０を横切る信号
を印加し、活性領域で生成された電気エネルギーを受け
取る。

【００１９】第１の信号線１８は、電極の上面１６か
ら、メンブレン１４を突き抜けるバイア２４まで延びて
いる。電極の底面２２は第２の信号線２６に接続されて
いる。バイア２４および第２の信号線２６はともに、電
気信号を処理する回路を有する表面実装可能装置２８に
接合されている。好ましい実施例において、表面実装可
能装置は、信号を増幅し、インピーダンスを外部回路に
整合させるためのプリアンプを備えている。オプション
として、表面実装可能プリアンプは、集積回路製造技術
を使用してメンブレン１４上に直接形成する回路に交換
することもできる。信号線１８および２６、また電極１
６および２２については、以下により詳しく説明され
る。

【００２０】出力線３０は、表面実装可能プリアンプ２
８から、信号コネクタ３２への接続を行う領域まで延び
ている。５０オーム・ケーブルなどのケーブルは、図に
は示されていないが、信号コネクタ３２に接続して、外
部処理装置へ信号を送ることができる。

【００２１】図１にはまた、直流電源３８および４０に
接続される電力線３４および３６が示されている。図３
において、プリアンプ回路４２が、第１の信号線１８、
第２の信号線２６、出力線３０、２つの電力線３４およ
び３６を有することが示されている。プリアンプ回路
は、アナログデバイス社社から部品番号ＡＤ９６３０、
で市販されている。このような回路は、歪みの少ない、
７５０ＭＨｚの広域帯クロース・ループ・バッファ増幅
器であり、高い入力インピーダンスと低い出力インピー
ダンスを有する。図に示されていないが、電力線３４お
よび３６を、グラウンド・トレースまたはグラウンド層
にデカップリングしなければならない。容量０．１ｐｆ
の表面実装可能コンデンサを使用することによって、デ
カップリングを行うことができる。

【００２２】図１および図２の表面実装可能装置２８
は、メンブレン１４上に直接実装されるため、変換装置
１０は、従来技術の変換装置に比べ、変換器の性能がよ
り重要視され、機構的安定性はむしろ軽視されて形成さ
れている。好ましい実施例において、メンブレン１４の
厚さは、１０μｍ未満である。たとえば、高周波数聴流
器は、厚さ４μｍとメンブレン支持式プリアンプ２８を
備えるメンブレン１４を使用して形成することができ
る。活性領域の直径は、１００μｍ未満であり、好まし
くは５０μｍ未満である。薄いメンブレンの小径領域か
らの信号損失が許容レベルの範囲に収まるように、プリ
アンプ２８は、活性領域２０から２５．４ｍｍ以内にな
ければならない。

【００２３】変換装置１０を形成する製造工程は、図４
に示されている。第１のステップにおいて、メンブレン
・フィルム４４は、続くステップでの処理のために調製
される。この調製は、薄い金属フィルムを圧電素材に接
着しやすくするため行われる。

【００２４】メンブレン・フィルムは、クリーニング前
に所望のサイズに切り、形状を整えておくことが望まし
い。実際には、フィルムは、わずかに大きめに切ってお
いてもよい。

【００２５】ＰＶＤＦがメンブレン素材である場合は、
洗浄にほとんどの非油性溶剤を使用することができ、ポ
リマ劣化のおそれもない。しかし、ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ
を使用する場合は、洗浄溶剤の選択には注意を要する。
ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥは、アセトンのような特定の種類の
溶剤に影響を受けやすい。強力洗剤すなわち石鹸液を使
用してメンブレン・フィルムからグリースまたは油性化
合物を取り除くこともできる。この場合フィルムは、完
全に乾燥させなければならない。室温で数時間空気乾燥
することが好ましい。ｎ−プロパノールのような溶剤を
使用する場合、メンブレンを金属被膜蒸着システムにロ
ードする前に、３０分の待ち時間を要する。３０分と
は、メンブレンをフープ・リングに取り付けるために要
する時間にほぼ等しく、この待機中に時間を無駄にする
ことはない。

【００２６】メンブレン・フィルムを準備するステップ
４４には、クリーンルーム用拭き取り布と指定の一種ま
たは数種の洗浄液を使用して、数回表面を拭き取る作業
も含まれている。グリースおよび油の汚れは、完全に拭
き取らなければならない。同様に、毛髪、埃、または金
属屑も完全に取り除かなければならない。清浄度を確認
するために、倍率２０倍以上の顕微鏡下でフィルムの表
面を調べることが望ましい。

【００２７】その後、金属パターンが、メンブレン・フ
ィルムの少なくとも１つの面上に形成される。金属パタ
ーンを形成する方法は、重要ではない。一実施例におい
て、ネガパターン・マスクを使用する熱蒸着が使用され
る。代替例として、ネガ・パターン・マスクを使用する
プラズマ・スパッタリングを行うこともできる。第３の
代替例として、レジストのリフト・オフおよび熱蒸着技
術を使用して、金属をリトグラフ状にパターン形成する
ことができる。

【００２８】好ましい方法は、ネガ・パターン・マスク
を使用した熱蒸着に基づくものである。リトグラフ状に
パターンを形成する方法では、薄さ４μｍのＰＶＤＦお
よびＰＶＤＦ−ＴｒＦＥフィルムに問題を生じたり、そ
の安定性を失う可能性がある。プラズマ・スパッタリン
グを行う代替例に関してもまた、この選択では問題があ
る。たとえば、強力な蒸着力が、蒸着プロセス中にメン
ブレン・フィルムの劣化を引き起こす可能性もある。一
方、ネガ・パターン・マスクを使用する熱蒸着は、これ
らの方法の中で最も簡単明瞭で、かつ最も直接的であ
る。

【００２９】ネガ・パターン・マスクを使用する熱蒸着
プロセスでは、マスクされたメンブレン・パターンを熱
源上に浮かせる一時固定治具を使用する。固定治具は、
くぼみを刻んだ平らなプレートでもよく、パターン・マ
スクがメンブレン・フィルムの表面に直接載るようにな
っている。一時固定具の反対側になるメンブレンの下に
大型マグネットを取付けて、メンブレン表面に直接に載
った金属マスクを磁気的に引きつけ、保持するようにな
っている。オプションとして、マスクがメンブレン表面
に直接載ることを確実にするため、クランプを使用する
こともできる。

【００３０】メンブレン・フィルムに対して、マスクを
適切に配置するステップ４６は、信号線の寸法および成
極領域を許容範囲内に抑えるうえで重要である。線幅
が、選択シャドウ・マスクの厚さに等しいかまたは薄く
なるので、線幅の制御は、より困難になる。本明細書に
おいて、「ネガ・シャドウ・マスク」は、金属マスク内
の開口部に対応してメンブレン表面上に、金属が熱蒸着
されるマスクとして定義される。したがって、金属マス
クは故意に、所望の金属パターンのネガ・パターンとな
っている。

【００３１】電気溶着技術のために、多くのタイプのマ
スクが開発されてきた。マスクは、フィルム上に形成さ
れる信号線と電極の両方のパターンを含んでいること
が、好ましい。

【００３２】図１を参照すると、メンブレン１４は、上
部表面上に、電極１６および第１の信号線１８を有する
ことが示されている。下部表面上には、マスクが、線３
０、３４、３６に対応する開口部、および下部電極と下
部電極からの信号線用の開口部を有することが示されて
いる。下部表面はまた、通常グラウンド層も含んでい
る。

【００３３】金属熱蒸着に先立つマスキングの工程に
は、メンブレン・フィルムおよびパターン・マスクにと
もに消イオン窒素を吹き付けてクリーン状態にしておく
ことが必要である。フィルムおよびマスクを、顕微鏡で
調べることが好ましい。透過および背面照光の両方で、
倍率５０から２０倍の範囲が推奨される。メンブレン・
フィルムは、磁気固定治具上に取り付けられ、またフレ
ームは、メンブレン・フィルムの縁に沿って据えられ、
熱蒸着固定プレートに対して緊張状態に保てるようにし
なければならない。

【００３４】メンブレンおよびマスキング安定剤が、金
属熱蒸着システムにロードされる。このステップ４８
は、図４に示されている。オプションとして、真空チャ
ンバを閉じた後、マスクおよびメンブレン・フィルム
に、消イオン窒素を再び吹き付けることもできる。

【００３５】その後、少なくとも１つの金属フィルム
が、ステップ５０において、使用される。たとえば、チ
タンと金は、適宜の真空圧において所望の厚さに熱蒸着
することができる。代替例として、クロムと金を熱蒸着
することもできる。許容可能な金属の厚さは、１０Ｅ−
６トルで熱蒸着した場合、チタンまたはクロムでは３０
０オングストローム、金では、７００オングストローム
から３０００オングストロームである。チタンまたはク
ロムの通常の熱蒸着速度は、毎秒１．５オングストロー
ムであるが、金の通常の熱蒸着速度は、毎秒５．５オン
グストロームである。

【００３６】実際には、聴流器の製作においては、メン
ブレン・フィルムの両面に金属を熱蒸着することが必要
である。したがって、もう一方の面に金属パターンを成
形するために、上記の工程をステップ５２で繰り返す。

【００３７】ステップ５４で、当技術分野において周知
の方法で、メンブレン・フィルムをフープ・リングに装
着する。メンブレンは、緊張されている。メンブレン表
面は平面であり、しわがすべて取り除かれていることが
理想的である。しかし、中心活性領域およびフィルム上
に形成された信号線以外においては、ある程度までの非
平面性およびしわは許容できる。一旦、メンブレン・フ
ィルムを、フープ・リング上に張った後に、緩めて再び
張ることは、メンブレンの材質に取り返しのつかない損
傷を起こす可能性がある。

【００３８】ここで図１および図５を参照すると、平坦
でしわのない状態のメンブレン・フィルム１４が、上部
メンバ５６および下部メンバ５８を有することが示され
ている。上部メンバには、下部メンバの溝６２で受ける
ウェッジ歯６０が設けられている。ウェッジ歯と溝の仕
組みは、メンブレン１４上に摩擦固定グリップをもたら
すために設計されている。この仕組みは、圧電メンブレ
ン・フィルムを延ばし、メンブレン・フィルムを所定の
位置に固定するために材質の十分なズレを生じさせる。
図には示されていないが、締付けネジを上部メンバの穴
６４に挿入し、下部メンバの内側にネジ山を刻んだ開口
部６６内にしっかりとねじ込む。フープ構造１２には、
図５に示されるようなタイプの穴が、多くあいている。
ネジ締め手順の結果、メンブレン１４のしわを最小に抑
えることになるのが好ましい。この手順の次には通常、
時計方向または反時計方向に回る、「アクロス・ザ・リ
ング」パターンが続く。

【００３９】真空グレードの小粒のエポキシ樹脂を、下
部メンバ５８の溝６２に使用して、フープ構造が互いに
固定された後、メンブレン１４が、永久に固定できるよ
うにする。このようなエポキシ樹脂を使用した場合、乾
燥および硬化する十分な時間をエポキシ樹脂に与えるこ
とが重要である。通常は、２４時間の乾燥および硬化で
十分である。エポキシ樹脂使用中は、リング溝６２内に
置く小粒のエポキシ樹脂は最小量にとどめ、エポキシ樹
脂がフープ構造１２の内径から内側に押し出されること
のないようにしなければならない。余分な素材が内径の
内側に及ぶ場合は、余分な素材を取り除かなければなら
ない。たとえば、少量のｎ−プロパノールは、余分なエ
ポキシ樹脂を取り除くために使用することができる。

【００４０】図４に戻って、製造工程における次のステ
ップ６８は、圧電メンブレン・フィルム１４の活性領域
を成極することである。すなわち、図２の電極１６と２
２との間の活性領域２０は、素材の強誘電導ドメインが
位置合わせされる工程にかけられる。活性領域を超える
と、一般に分域が不規則な方向の圧電的に非活性領域が
ある。ＰＶＤＦの成極とＰＶＤＦ−ＴｒＦＥの成極の工
程は、異なっている。本明細書においては、ＰＶＤＦ−
ＴｒＦＥの成極工程についてのみ説明されるが、当業者
には、ＰＶＤＦの成極に必要な工程は、難なく理解され
ることであろう。

【００４１】好ましい実施例において、下部電極２２
は、実際には、グラウンド層の一部であってもよい。Ｐ
ＶＤＦフィルムは、フィルムの機構的ないし電気的特性
を改善して、１つの結晶フォームから他の結晶フォーム
に変換するために、一軸延伸または二軸延伸されたり、
アニーリングされることがしばしばである。しかし、Ｐ
ＶＤＦ−ＴｒＦＥは、所望の変換を行うためには、成極
プロセス中に加熱するだけでよい。成極は真空チャンバ
内で行われ、大気中で得られるよりも大きな電圧で、成
極が行われるようになっている。真空チャンバは、１０
Ｅ−７トルまで下げる容量を備えるＮＲＣ熱蒸着システ
ムでもよい。このようなシステムは、摂氏２０度から２
００度以上の温度範囲内で加熱することができる、２つ
のハロゲン・クウォーツ・ランプによって加熱される装
備を有している。装備は、電極がメンブレン・フィルム
の裏側で加熱および接地されるようにする、高くなった
プラットフォームを含んでいる。メンブレン上面上の高
電圧電極クリップによって、先に熱蒸着された上部電極
１６上の高電圧電位の配置が可能になる。

【００４２】成極工程は、高電圧電源を１００ボルトに
セットし、クウォーツ加熱ランプ・コントローラを摂氏
１００度にセットすることによって、開始することがで
きる。接地チャックの実際温度が摂氏９０度から１００
度の間であることを、温度計が示す場合、真空システム
は密閉される。高電圧電源設定が１００ボルト以上に増
加する前に、真空圧は、１０Ｅ−６トルまで増加されな
ければならない。

【００４３】その後、クウォーツ加熱ランプ・コントロ
ーラを、摂氏約１３０度まで上昇させなければならな
い。温度摂氏１３６度から１４０度の間で、ＰＶＤＦ−
ＴｒＦＥ素材が分解して、接地チャック上に付着するか
または溶解するかのいずれかであることに留意された
い。この処理中の問題は、通常は、高電圧電源電流にお
ける、急速な直線的上昇により、顕著になる。この現象
が起こった場合は、材質の損傷は取り返しのつかないも
のであり、プロセスを停止しなければならない。

【００４４】接地チャックが１３０℃で安定しているこ
とを温度計が示すと、高電圧は、毎分１０ボルトまたは
１０ボルト以下刻みで次第に増加する。最適電圧は、ミ
クロン単位のメンブレン・フィルムの厚さに、ミクロン
あたり７０ボルトを乗じて計算することができる。たと
えば、１０ミクロンの厚さを有するフィルムは、７００
ボルトの最適成極電圧を要することになる。高電圧の緩
慢で段階的な上昇は、メンブレン・フィルム全体にわた
る温度ポテンシャルの急激な一時的上昇を防ぐ役割りを
果たす。場合によっては、あまりに急激な上昇は、メン
ブレン・フィルムの絶縁破壊または永久短絡をまねくこ
とになる。

【００４５】高圧電源が、メンブレンの厚さに基づいて
算出された最適電圧に設定された後、温度および高電圧
値は、約１時間にわたり維持されなければならない。そ
して接地チャックが急激に冷却される間、電圧は維持さ
れなければならない。これは、クウォーツ加熱ランプを
「オフ」にし、接地チャックを水で冷却することにより
行うことができる。接地チャックが２０℃であること
を、温度計が示すと、高電圧電源および冷却水のフロー
は、共に「オフ」にすることができる。その後真空シス
テムは、大気に排出して換気を行う。温度アニーリング
のために、薄いＰＶＤＦ−ＴｒＦＥフィルムは多少脆く
なっているので、メンブレン・フィルムを成極固定治具
からはずす場合には、注意を要する。

【００４６】メンブレン・フィルム表面上に金属被膜の
パターン形成を行う方法を、信号線を形成するステップ
として説明したが、オプションとして、集積回路製造技
術を、プリアンプないし他の電子回路の製造に応用する
こともできる。しかし、好ましい実施例においては、メ
ンブレン上の電子機器回路はメンブレン・フィルムにし
っかりと固着されている。

【００４７】上記のように、図３の回路は、アナログデ
ィバイス社製のバッファ増幅器である。図１を参照する
と、表面実装可能増幅器２８は、バイア２４の入力（ピ
ン４）と、信号コネクタ３２に至る出力トレース３０に
接続された出力（ピン８）を有している。電力接点（ピ
ン１および５）は、電源プラグ３８および４０に至る電
力線３４および３６に接続されている。各電力接点の増
幅器への接続は、図示されていない０．１ｐｆ表面実装
コンデンサでグラウンド・トレースまたはグラウンド層
にデカップリングされなければならない。デカップリン
グ・コンデンサからのグラウンド・トレースが、グラウ
ンド層と反対側のメンブレン１４上にある場合、メンブ
レンへのバイアによって、グラウンド層に接続すること
ができる。メンブレン・バイアは、針（３０ゲージ以
下）を使用してグラウンド・パッド部分でメンブレンに
穴をあけて形成する。その後、少量の銀エポキシ樹脂を
バイアに押し込み、反対側のグラウンド層に相互接続を
形成する。銀エポキシ樹脂は、完全にバイアを充填しな
ければならない。バイア形成作業中にメンブレンを破る
ことのないよう、注意を要する。代替例として、バイア
は、ドライ・プラズマ・エッチングまたはＵＶ−レーザ
研磨によって形成することができる。

【００４８】銀エポキシ樹脂はまた、増幅器、コンデン
サなどの配線をメンブレン１４の反対側のパターン形成
された金属に接続するためにも使用される。銀エポキシ
は、１２時間から２４時間の間にわたり室温に置くこと
で硬化する。

【００４９】好ましい実施例においては、メンブレン１
４は、上面の接地されていない電極１６と共に配設され
るが、これは重要ではない。メンブレン聴流器のフープ
構造１２は、信号コネクタ３２が取り付けられるよう
に、前もってあけられ、皿もみされた穴を含まなければ
ならない。信号コネクタの中央導電体は、電導体が、微
かに出力トレース３０に接触できるように曲げるか、ま
たは切り込むこともできる。出力トレースが、コネクタ
３２の中央導電体を出力トレースに接続しやすくする広
範な金属被膜地点を含むことが好ましい。少量の銀エポ
キシを、中央導電体と信号コネクタのグラウンド・リー
ド線をメンブレン１４の適宜な領域に電気的に接続する
ために使用する。

【００５０】銀エポキシが十分に硬化した後、変換装置
１０は、目視的かつ電気的にテストする。図４のテスト
・ステップ７２には、すべての電気的接続の導通チェッ
ク、金属構造とポーリングの確実性を検証するためのイ
ンピーダンスおよび共振テスト、ないし量的かつ質的に
装置の動作上の限界を決定するための波形および水タン
クのテストが含まれる。

【００５１】次のステップ７４においては、装置全体の
構造的サポートおよびメンブレン電子機器回路２８の絶
縁のために、充填用樹脂を変換装置１０に使用する。構
造の支持が、薄いメンブレン装置の長い耐用寿命のため
に重要である。充填によって、メンブレン１４が破損を
受けにくくなる。

【００５２】充填用樹脂は、音響インピーダンスに合わ
せて選択しなければならない。音響インピーダンスは、
装置が動作する媒体の音響インピーダンスに近似してい
る。たとえば、水中で使用されるメンブレン聴流器は、
音響インピーダンスが水に近い充填用樹脂を使用しなけ
ればならない。許容可能な充填用樹脂は、商標ＳＹＬＧ
ＡＲＤ１８２、１８４、１８６でドウコーニング社から
販売されている。このような充填用樹脂は、所望の音響
インピーダンスを有するが、メンブレン・フィルムまた
は入り音圧波形を変形させることはない。ＳＹＬＧＡＲ
Ｄ１８２、ＳＹＬＧＡＲＤ１８４およびＳＹＬＧＡＲＤ
１８６は、それぞれ２部構成の化合物である。第１部分
はベースであり、第２部分は硬化剤である。ベースと硬
化剤は、１０：１の重量比で完全に混合する。使用総量
は、コーティングまたはカバーされる領域容量に基づい
ている。通常は、厚さ５ｍｍの音響フィールドおよびメ
ンブレン電子機器回路２８上に厚さ１ｍｍが適切であ
る。

【００５３】充填用樹脂の２つの構成剤を重量計測し完
全に混合した後、混合剤を、最大圧力２×１０Ｅ−２ト
ルの真空状態で、３０分間のガス抜き工程にかける。真
空状態で観察される最終的な混合剤は、透明で全く泡が
認められないものでなければならない。その後、充填用
樹脂は、電極とメンブレン上電子機器回路を備える変換
装置の穴に直接注入する。混合剤に泡が生じることのな
いように擾乱または撹拌は最小限にとどめるべきであ
る。泡が認められた場合は、上記のパラメータの真空状
態において、全変換装置のガス抜きを行わなければなら
ない。

【００５４】その後、変換装置および使用される充填用
樹脂は、約７日から１０日間室温において硬化させる。
充填用樹脂は硬化し、その粘着性を失う。熱を加えると
メンブレンに変形を生じるので、充填用樹脂を加熱する
ことは避けるべきである。

【００５５】最終ステップとして、変換装置は、再びテ
ストされ、評価される。

【００５６】以下、本発明を要約して列挙する。（１）圧電活性領域（２０）および非活性領域を備
え、前記活性領域が、電気信号と音響信号間でエネルギ
を変換するための双極子のアライメントを有し、かつ第
１のプレーナ表面を有する圧電メンブレン（１４）と、
前記第１プレーナ表面に沿って、前記活性領域から前記
非活性領域まで延びる信号線（１８、２６）と、前記メ
ンブレンによって機構的に完全に支持され、前記活性領
域で生成された電気信号を処理するために、前記メンブ
レンに実装され、前記信号線に電気的に接続された電子
回路（２８）とから成るトランスデューサ（１０）。

【００５７】（２）前記信号線（１８、２６）が、前
記メンブレン（１４）上のパターン成形された金属層で
ある上記１に記載のトランスデューサ。

【００５８】（３）前記電子回路（２８）が、プリア
ンプである上記１及び２の何れか１項に記載のトランス
デューサ。

【００５９】（４）前記メンブレン（１４）が、ポリ
フッ化ビニリデンのコポリマから形成される上記１乃至
３の何れか１項に記載のトランスデューサ。

【００６０】（５）前記メンブレン（１４）が、厚さ
１０μｍ未満である上記４に記載のトランスデューサ。

【００６１】（６）前記活性領域が、直径５０μｍ未
満である上記１乃至５の何れか１項に記載のトランスデ
ューサ。

【００６２】（７）前記電子回路（２８）が、前記メ
ンブレン（１４）の前記第１プレーナの表面に接着され
る上記１乃至６の何れか１項に記載のトランスデュー
サ。

【００６３】（８）圧電メンブレン（１４）のプレー
ナ表面に沿って延びる、少なくとも１つの第１の信号線
（１８、２６、３４、３６）を形成するために、前記圧
電メンブレン上に金属被膜層をパターン形成し、第１の
領域内で磁気双極子を整列させるために、前記圧電メン
ブレンの第１の領域（２０）を成極し、該成極が、前記
圧電メンブレンの圧電非活性領域を残すように局部化さ
れることを含む圧電メンブレン（１４）を形成するステ
ップと、前記圧電非活性領域から前記圧電メンブレンの
前記第１の領域まで延びる前記第１の信号線に電気的に
接続するために、電子回路を配設することを含み、前記
電子回路が前記圧電メンブレンによって支持されるよう
に、前記圧電メンブレンの表面に電子回路（２８）を固
定するステップとを含むトランスデューサ装置（１０）
を形成する方法。

【００６４】（９）前記電子回路（２８）を固定する
ステップが、前記電子回路を前記圧電メンブレン（１
４）にボンディングすることを含む上記８に記載の方
法。

【００６５】（１０）前記金属被膜層をパターン形成
することが、前記第１の領域（２０）に電極（１６、２
２）を形成することを含む上記８に記載の方法。

【００６６】

【発明の効果】本発明によれば、メンブレン上の回路に
より、通常サイズの聴流器が直径１００μｍ未満の活性
領域を有することができるる。活性領域に関してメンブ
レン上の回路を配設することにより、さもなければ生成
信号が十分な信頼性を示せない可能性がある、減衰前の
増幅が可能になる。さらに、活性領域の直径を１００μ
ｍ未満、好ましくは５０μｍに減少させることができる
ので、変換装置を血管内に使用することも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるトランスデューサを示す上面図で
ある。

【図２】図１のトランスデューサの一部を、２−２線に
沿って示した側断面図である。

【図３】図１のトランスデューサと共に使用するプリア
ンプの電気系統を示す概略図である。

【図４】図１のトランスデューサを製造する工程を示す
流れ図である。

【図５】図１のメンブレンを緊張状態に維持するフープ
構造を示す側断面図である。

【符号の説明】

１０トランスデューサ１４圧電メンブレン２０圧電活性領域１８、２６信号線２８電子回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電活性領域（２０）および非活性領域
を備え、前記活性領域が、電気信号と音響信号間でエネ
ルギを変換するための双極子のアライメントを有し、か
つ第１のプレーナ表面を有する圧電メンブレン（１４）
と、前記第１プレーナ表面に沿って、前記活性領域から前記
非活性領域まで延びる信号線（１８、２６）と、前記メンブレンによって機構的に完全に支持され、前記
活性領域で生成された電気信号を処理するために、前記
メンブレンに実装され、前記信号線に電気的に接続され
た電子回路（２８）とから成るトランスデューサ（１
０）。