JPH1051041A - Compound piezoelectric material and its manufacture - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、複合圧電材料およ
びその製造方法に関し、特に超音波プローブ等に用いら
れる複合圧電材料およびその製造方法に関する。The present invention relates to a composite piezoelectric material and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a composite piezoelectric material used for an ultrasonic probe and the like and a method of manufacturing the same.
【０００２】[0002]
【従来の技術】図１に示すような構造を有する複合圧電
材料が、超音波医療用診断装置の超音波プローブ等に用
いられてきた。複合圧電材料１００において、多数の四
角柱形状の圧電セラミックス体１０１が、所定の間隔を
空けて樹脂マトリックス１０２中に規則的に配列されて
いる。たとえば超音波探触子を得るため、このような板
状材料の主要面にストリップ電極を含む電極が形成され
る。2. Description of the Related Art A composite piezoelectric material having a structure as shown in FIG. 1 has been used for an ultrasonic probe or the like of an ultrasonic medical diagnostic apparatus. In the composite piezoelectric material 100, a large number of quadrangular prism-shaped piezoelectric ceramic bodies 101 are regularly arranged in a resin matrix 102 at predetermined intervals. For example, in order to obtain an ultrasonic probe, an electrode including a strip electrode is formed on a main surface of such a plate-like material.
【０００３】図１に示す複合材料は、従来たとえば図２
に示すようなプロセスによって製作された。所定の厚み
を有するＰＺＴセラミックス板１１１を樹脂基板１１２
上に接着した後（図２（ａ））、ダイシングソーを用い
てセラミックスを網目状に切断し、多数の角柱状体を形
成する（図２（ｂ））。切断により生じた溝に樹脂材料
を充填し固化させた後、接着剤を溶解して基板１１２か
らセラミックスを分離させると、図２（ｃ）に示すよう
な複合圧電材料が得られる。[0003] The composite material shown in FIG.
It was manufactured by a process as shown in FIG. A PZT ceramic plate 111 having a predetermined thickness is
After bonding on the upper surface (FIG. 2A), the ceramic is cut into a mesh shape using a dicing saw to form a large number of prismatic bodies (FIG. 2B). After the grooves formed by the cutting are filled with a resin material and solidified, the adhesive is dissolved to separate the ceramics from the substrate 112, whereby a composite piezoelectric material as shown in FIG. 2C is obtained.
【０００４】たとえば超音波探触子に関し、分解能の向
上を目的として、使用周波数が高くなっていく傾向にあ
る。使用周波数を高くしたい場合、複合圧電材料上に形
成される電極の幅とともに、複合圧電材料中の圧電セラ
ミックス体の寸法も小さくする必要がある。ダイシング
ソーを用いる従来の製造方法では、この要求に応えてよ
り小さな圧電セラミックスを形成することは困難であ
る。圧電セラミックス板に溝を形成する際、溝同士の間
隔をより小さくしようとすれば、機械的および熱的な影
響により、圧電セラミックスが損傷しやすくなるからで
ある。また、ダイシングソーを用いるプロセスは、溝加
工のために時間がかかる。For example, with respect to an ultrasonic probe, the frequency used tends to increase in order to improve the resolution. When it is desired to increase the operating frequency, it is necessary to reduce the width of the electrodes formed on the composite piezoelectric material and the size of the piezoelectric ceramic body in the composite piezoelectric material. According to the conventional manufacturing method using a dicing saw, it is difficult to form smaller piezoelectric ceramics in response to this demand. This is because, when grooves are formed in the piezoelectric ceramic plate, if the distance between the grooves is made smaller, the piezoelectric ceramics are easily damaged due to mechanical and thermal influences. Further, a process using a dicing saw takes time for groove processing.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、より
寸法の小さな圧電セラミックス体を有する複合圧電材料
を提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a composite piezoelectric material having a smaller size piezoelectric ceramic body.
【０００６】本発明のさらなる目的は、より高い分解能
を達成することができる複合圧電材料を提供することに
ある。It is a further object of the present invention to provide a composite piezoelectric material that can achieve higher resolution.
【０００７】本発明のさらなる目的は、より寸法の小さ
な圧電セラミックス体を有する複合圧電材料を、比較的
高い歩留りで製造することのできる方法を提供すること
にある。It is a further object of the present invention to provide a method by which a composite piezoelectric material having a smaller size piezoelectric ceramic body can be manufactured with a relatively high yield.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明は、圧電セラミッ
クスからなる複数の柱状体が、それぞれの長手方向が互
いに平行になるよう間隔を空けて有機ポリマー材料から
なるマトリックス中に配列された構造を有する複合圧電
材料であって、柱状体の長手方向にほぼ垂直な断面が、
１辺が７５μｍ以下の正方形、またはそれと同等の面積
となる円もしくは多角形であることを特徴とする。According to the present invention, there is provided a structure in which a plurality of pillars made of piezoelectric ceramics are arranged in a matrix made of an organic polymer material at intervals so that their longitudinal directions are parallel to each other. A composite piezoelectric material having a cross section substantially perpendicular to the longitudinal direction of the columnar body,
It is characterized by a square having a side of 75 μm or less, or a circle or polygon having an area equivalent thereto.
【０００９】本発明による複合圧電材料において、柱状
体の長手方向にほぼ垂直な断面における最大幅に対する
柱状体の長さの比は、２以上、または３．３以上とする
ことができる。In the composite piezoelectric material according to the present invention, the ratio of the length of the column to the maximum width in a cross section substantially perpendicular to the longitudinal direction of the column can be 2 or more, or 3.3 or more.
【００１０】本発明による複合圧電材料において圧電セ
ラミックスの体積百分率は１０〜３０％の範囲内が好ま
しい。[0010] In the composite piezoelectric material according to the present invention, the volume percentage of the piezoelectric ceramic is preferably in the range of 10 to 30%.
【００１１】本発明の複合圧電材料において、柱状体の
長手方向に垂直な方向の周波数定数は、５６０ｋＨｚ・
ｍｍ〜９４０ｋＨｚ・ｍｍの範囲の外であることが望ま
しい。[0011] In the composite piezoelectric material of the present invention, the frequency constant in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the columnar body is 560 kHz ·
It is desirably outside the range of mm to 940 kHz · mm.
【００１２】本発明の複合圧電材料において、柱状体の
形状は円錐台または角錐台とすることができ、円錐台ま
たは角錐台のテーパ角度を０．１°〜２０°の範囲内と
することができる。In the composite piezoelectric material of the present invention, the shape of the column may be a truncated cone or a truncated pyramid, and the taper angle of the truncated cone or the truncated pyramid may be in the range of 0.1 ° to 20 °. it can.
【００１３】また本発明は、圧電セラミックスからなる
複数の柱状体が、それぞれの長手方向が互いに平行にな
るよう間隔を空けて有機ポリマー材料からなるマトリッ
クス中に配列された構造を有する複合圧電材料の製造方
法を提供する。この方法では、まず基板上にリソグラフ
ィのための樹脂材料からなる層を形成する。樹脂材料か
らなる層には、１辺が８８μｍ以下の正方形またはそれ
と同等の面積となる円もしくは多角形が複数、間隔を空
けて配列されたパターンを有するレジストパターン形成
のためのマスクを介して、シンクロトロン放射によるＸ
線が照射される。次いで、樹脂材料からなる層を現像し
て、パターン形成された樹脂を得る。パターン形成され
た樹脂材料上に金属材料を堆積させた後、樹脂材料を除
去してパターン形成された樹脂材料の形状が転写された
金属材料からなる型を得る。得られた金型に樹脂材料を
充填する。金型から樹脂材料を抜取り、金型の形状が転
写された樹脂型を得る。得られた樹脂型にセラミックス
を生成させるための材料を充填し固化させる。次いで、
樹脂型を、樹脂を溶融状態にすることなく気化または昇
華させるか、または溶剤に溶解させることにより、除去
する。残った固化物を加熱し、断面が１辺が７５μｍ以
下の正方形またはそれと同等の面積となる円もしくは多
角形である複数の柱状体が間隔を空けて台座部から延び
た構造を有するセラミックス構造体を得る。得られたセ
ラミックス構造体上に有機ポリマー材料を付着させる。
有機ポリマー材料が付着したセラミックス構造体から、
台座部を除去して、複数の柱状体が有機ポリマー材料中
に間隔を空けて配列された複合材料を得る。Further, the present invention provides a composite piezoelectric material having a structure in which a plurality of columnar bodies made of piezoelectric ceramics are arranged in a matrix made of an organic polymer material at intervals so that their respective longitudinal directions are parallel to each other. A manufacturing method is provided. In this method, first, a layer made of a resin material for lithography is formed on a substrate. In the layer made of the resin material, a plurality of circles or polygons each having a square of 88 μm or less on one side or an area equivalent to the square are formed through a mask for forming a resist pattern having a pattern arranged at intervals. X by synchrotron radiation
A line is illuminated. Next, the layer made of the resin material is developed to obtain a patterned resin. After depositing the metal material on the patterned resin material, the resin material is removed to obtain a mold made of the metal material to which the shape of the patterned resin material is transferred. The obtained mold is filled with a resin material. The resin material is extracted from the mold to obtain a resin mold on which the shape of the mold has been transferred. The obtained resin mold is filled with a material for forming ceramics and solidified. Then
The resin mold is removed by vaporizing or sublimating the resin without melting the resin, or by dissolving the resin in a solvent. A ceramic structure having a structure in which the remaining solidified material is heated, and a plurality of columnar bodies having a cross section of a square having a side of 75 μm or less or a circle or polygon having an area equivalent thereto extend from the pedestal portion at intervals. Get. An organic polymer material is adhered on the obtained ceramic structure.
From the ceramic structure with the organic polymer material attached,
The pedestal is removed to obtain a composite material having a plurality of columns arranged in the organic polymer material at intervals.
【００１４】本発明による製造方法において、シンクロ
トロン放射によるＸ線を照射する工程は、シンクロトロ
ン放射光のマスクを介する回折光が樹脂材料からなる層
に十分照射されるよう、マスクと樹脂材料からなる層と
の間に所定の間隔を設ける工程を備えることができる。
この回折光を伴う露光により樹脂材料において基板から
遠ざかるに従い開口面積が大きくなった孔を得ることが
できる。In the manufacturing method according to the present invention, the step of irradiating X-rays with synchrotron radiation includes the step of irradiating the layer of the resin material with the diffracted light from the mask and the resin material so that the diffracted light of the synchrotron radiation through the mask is sufficiently irradiated. A step of providing a predetermined interval between the layers.
By the exposure accompanied by the diffracted light, it is possible to obtain a hole in the resin material, the opening area of which increases with distance from the substrate.
【００１５】[0015]
【発明の実施の形態】たとえば医療用超音波画像診断装
置の超音波探触子を一具体例に挙げて、本発明をより詳
細に説明する。図１に示すような複合圧電材料に電極を
形成して超音波探触子を得る場合、形成すべき電極の幅
は、使用する超音波の体内における波長と密接な関係が
ある。たとえば文献T.R.Gururaja, “Piezoelectrics f
or medical ultrasonic imaging ”, American Ceramic
Society Bulletin vol. 73, No. 5, （1994）による
と、この探触子をフェーズドアレイ電子セクタスキャン
方式で使用する場合、電極の幅は体内における波長の１
／２、リニアスキャン方式で使用する場合、電極の幅は
体内波長の３／２が好ましい。一方、現在は分解能の向
上を目的として使用周波数が高くなる傾向にあり、５〜
１０ＭＨｚでの検査に対する要求が高い。この傾向は、
心臓病に対する検査や血管内の検査に使用される探触子
において顕著である。このことを考慮して、形成すべき
電極の幅を計算すると、表１のようになる。なお、ここ
で体内での音速を１５００ｍ／ｓとして計算を行なっ
た。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described in more detail by taking an ultrasonic probe of a medical ultrasonic diagnostic imaging apparatus as an example. When an electrode is formed on a composite piezoelectric material as shown in FIG. 1 to obtain an ultrasonic probe, the width of the electrode to be formed has a close relationship with the wavelength of the ultrasonic wave used in the body. For example, reference TRGururaja, “Piezoelectrics f
or medical ultrasonic imaging ”, American Ceramic
According to Society Bulletin vol. 73, No. 5, (1994), when this probe is used in the phased array electron sector scan method, the width of the electrode is one of the wavelength in the body.
/ 2, when using the linear scan method, the width of the electrode is preferably 3/2 of the body wavelength. On the other hand, at present, the frequency used tends to increase for the purpose of improving the resolution.
There is a high demand for inspection at 10 MHz. This trend is
This is remarkable in a probe used for a test for heart disease or a test for an intravascular test. Considering this, the width of the electrode to be formed is calculated as shown in Table 1. Here, the calculation was performed assuming that the sound speed in the body was 1500 m / s.
【００１６】[0016]
【表１】 [Table 1]
【００１７】医療用超音波診断装置の探触子材料として
図１に示すような複合圧電材料が用いられる主な理由は
次のとおりである。The main reason why a composite piezoelectric material as shown in FIG. 1 is used as a probe material in a medical ultrasonic diagnostic apparatus is as follows.
【００１８】（ａ） 複合圧電材料では、音響インピー
ダンスが圧電セラミックス単体より低い。そのため、音
響インピーダンスマッチング層を設けずとも、体内に効
率よく音波を伝播させることができる。(A) In the composite piezoelectric material, the acoustic impedance is lower than that of the piezoelectric ceramic alone. Therefore, sound waves can be efficiently propagated in the body without providing an acoustic impedance matching layer.
【００１９】（ｂ） 複合圧電材料では、画像劣化の原
因となる電極面に平行な方向（横方向）の振動が抑制さ
れ、必要とされる垂直な方向（縦方向）の振動は圧電セ
ラミックス単体と比較して大差がない。(B) In the composite piezoelectric material, the vibration in the direction (lateral direction) parallel to the electrode surface, which causes image deterioration, is suppressed, and the required vibration in the vertical direction (longitudinal direction) is reduced to a single piezoelectric ceramic. There is no big difference compared with.
【００２０】（ｃ） 複合圧電材料では、電極面に垂直
な方向の電圧圧電定数が圧電セラミックス単体と比べて
高く、超音波の感度が高い。(C) In the composite piezoelectric material, the voltage piezoelectric constant in the direction perpendicular to the electrode surface is higher than that of the piezoelectric ceramic alone, and the sensitivity of ultrasonic waves is high.
【００２１】これらのメリットを十分に発揮させること
ができる複合圧電材料の設計において、圧電セラミック
スの占積率が非常に重要となる。音響インピーダンス
は、構成材料の加重平均になるので、なるべく圧電セラ
ミックスの占積率を減らすことが望まれる。電極面に平
行な方向の振動の強さ（横振動の歪み圧電定数）は、お
およそ圧電セラミックス占積率に比例するので、この点
からも圧電セラミックス占積率は低い方がよい。一方、
電極面に垂直な方向の振動（縦方向の歪み圧電定数）
は、典型的には圧電セラミックス占積率が０〜１０％の
範囲で急激に増加し、その後１０〜３０％の範囲で緩や
かに増加し、３０〜１００％の範囲ではほとんど変化し
ない。電圧圧電定数は、縦方向の歪圧電定数を誘電率で
割った値に比例する。誘電率は圧電セラミックス占積率
に比例するため、電圧圧電定数の点からは、圧電セラミ
ックス占積率は１０％前後がよい。以上を総合すると、
複合圧電材料における圧電セラミックスの体積百分率は
１０〜３０％の範囲がより好ましい。In designing a composite piezoelectric material capable of fully exhibiting these advantages, the space factor of the piezoelectric ceramic is very important. Since the acoustic impedance is a weighted average of the constituent materials, it is desired to reduce the space factor of the piezoelectric ceramic as much as possible. Since the strength of vibration in the direction parallel to the electrode surface (distortion piezoelectric constant of transverse vibration) is approximately proportional to the piezoelectric ceramic space factor, the lower the piezoelectric ceramic space factor, the better. on the other hand,
Vibration in the direction perpendicular to the electrode surface (vertical strain piezoelectric constant)
Typically, the space factor of the piezoelectric ceramic increases sharply in the range of 0 to 10%, gradually increases in the range of 10 to 30%, and hardly changes in the range of 30 to 100%. The voltage piezoelectric constant is proportional to a value obtained by dividing a vertical strain piezoelectric constant by a dielectric constant. Since the dielectric constant is proportional to the space factor of the piezoelectric ceramic, the space factor of the piezoelectric ceramic is preferably about 10% in terms of the voltage piezoelectric constant. Taken together,
The volume percentage of the piezoelectric ceramic in the composite piezoelectric material is more preferably in the range of 10 to 30%.
【００２２】以上に述べてきたような電極幅と圧電セラ
ミックス占積率に対する要求から、複合圧電材料におい
て配列される各圧電セラミックスの好ましい寸法を次に
求める。電極で分割された各素子において圧電セラミッ
クスの占積率は１０〜３０％の範囲にあることが望まし
いため、各圧電セラミックス体の断面を正方形とする
と、その一辺の長さは電極幅の１／４以下にすることが
望ましい。そこで、望まれる圧電セラミックス断面の寸
法を表２にまとめる。また、複合圧電材料の厚さ方向の
周波数定数（共振周波数と厚さの積）は１８００ｋＨｚ
・ｍｍ程度であることから、この定数を使用周波数で割
れば必要な探触子の厚さが表２に示すように求められ
る。なお探触子の厚さは周波数定数から算出した厚さの
１／２にすることもあるので、表２には２通りの値を示
した。さらに、「圧電セラミックス断面の最大幅（正方
形の対角線の長さ）」に対する「探触子の厚さ（これは
圧電セラミックスの高さに相当する）」の比（縦横比）
を計算した結果を表２に併せて示す。From the requirements for the electrode width and the space factor of the piezoelectric ceramic as described above, preferred dimensions of each piezoelectric ceramic arranged in the composite piezoelectric material are next determined. Since the space factor of the piezoelectric ceramic in each element divided by the electrode is desirably in the range of 10 to 30%, when the cross section of each piezoelectric ceramic body is a square, the length of one side is 1/1 / the width of the electrode. It is desirable to set it to 4 or less. Table 2 summarizes the desired dimensions of the cross section of the piezoelectric ceramic. The frequency constant (the product of the resonance frequency and the thickness) in the thickness direction of the composite piezoelectric material is 1800 kHz.
Since it is about mm, the required probe thickness can be obtained as shown in Table 2 by dividing this constant by the operating frequency. Since the thickness of the probe may be に す る of the thickness calculated from the frequency constant, Table 2 shows two values. Furthermore, the ratio (aspect ratio) of the "thickness of the probe (this corresponds to the height of the piezoelectric ceramic)" to the "maximum width of the piezoelectric ceramic cross section (the length of the diagonal of the square)"
Are also shown in Table 2.
【００２３】[0023]
【表２】 [Table 2]
【００２４】表２から明らかなように、使用周波数７．
５ＭＨｚ以上のフェーズドアレイ電子セクタスキャン方
式に望まれる複合圧電材料において、正方形の各圧電セ
ラミックスの１辺の長さは２５μｍ以下である。すなわ
ち断面は１辺が２５μｍ以下の正方形、またはそれと同
等の面積となる円や多角形であることが望まれる。ま
た、使用周波数７．５ＭＨｚ以上のリニアスキャン方式
に望まれる複合圧電材料において、正方形の各圧電セラ
ミックスの１辺の長さは７５μｍ以下である。すなわち
断面は１辺が７５μｍ以下の正方形、またはそれと同等
の面積となる円や多角形であることが望まれる。縦横比
はいずれの場合も２以上が望ましく、特にフェーズドア
レイ電子セクタスキャン方式では３．３以上がより望ま
しい。As is clear from Table 2, the operating frequency 7.
In the composite piezoelectric material desired for the phased array electronic sector scan method of 5 MHz or more, the length of one side of each square piezoelectric ceramic is 25 μm or less. That is, the cross section is desirably a square having a side of 25 μm or less, or a circle or polygon having an area equivalent thereto. Further, in a composite piezoelectric material desired for a linear scan method with a working frequency of 7.5 MHz or more, the length of one side of each square piezoelectric ceramic is 75 μm or less. That is, the cross section is desirably a square having a side of 75 μm or less, or a circle or polygon having an area equivalent thereto. The aspect ratio is preferably 2 or more in each case, and more preferably 3.3 or more in the phased array electronic sector scan system.
【００２５】超音波プローブに複合圧電材料を使用する
ことで、横方向の振動が抑制されるが、さらに横方向の
共振周波数が使用する帯域からずれているならば好都合
である。生体内での音速を１５００ｍ／ｓとした場合、
使用する周波数ｆと電極幅ｗとの間には次の関係が成立
する。The use of a composite piezoelectric material for the ultrasonic probe suppresses lateral vibration, but it is advantageous if the lateral resonance frequency deviates from the used band. When the speed of sound in a living body is 1500 m / s,
The following relationship is established between the used frequency f and the electrode width w.
【００２６】（フェーズドアレイ電子セクタスキャン方
式） ｆ・ｗ＝７５０（ｋＨｚ・ｍｍ）または（ＭＨｚ
・μｍ） （リニアスキャン方式） ｆ・ｗ＝２２５０（ｋＨｚ・
ｍｍ）または（ＭＨｚ・μｍ） 使用する周波数にはある程度の帯域が存在する。この幅
は、中心値の約５０％程度であるので、これを加味する
と次のようになる。(Phased Array Electronic Sector Scan Method) fw = 750 (kHz · mm) or (MHz)
・ Μm) (Linear scan method) fw = 2250 (kHz ・
mm) or (MHz · μm) There is a certain band in the frequency used. Since this width is about 50% of the center value, the following is obtained by taking this into account.
【００２７】（フェーズドアレイ電子セクタスキャン方
式） ｆ・ｗ＝５６０〜９４０（ｋＨｚ・ｍｍ） （リニアスキャン方式） ｆ・ｗ＝１６９０〜２８１０
（ｋＨｚ・ｍｍ） 仮に、複合圧電材料の横方向モードの周波数定数がこれ
らの帯域にある値であれば、使用する周波数帯域に横方
向の共振周波数が存在することになる。この場合、その
周波数あたりで、画像素子間のクロストークが大きくな
り支障をきたすことが考えられる。一方、縦方向モード
の周波数定数が上記の範囲内の場合、超音波の送受信に
おける周波数特性がフラットでなくなってしまうので好
ましくないが、クロストークなどによって画質が劣化す
ることはない。通常、探触子材料として使用されるＰＺ
Ｔでは、必要とされる縦方向の振動モードの周波数定数
は２２００ｋＨｚ・ｍｍ、支障となる横方向の振動モー
ドの周波数定数は１４００ｋＨｚ・ｍｍ程度である。一
方、複合圧電材料の周波数定数は、圧電セラミックスの
周波数定数と複合化すべき樹脂のヤング率によって決ま
る。複合圧電材料の縦方向の振動モードにおける周波数
定数は１６００〜１８００ｋＨｚ・ｍｍ程度、横方向の
振動モードにおける周波数定数は５００〜１１００ｋＨ
ｚ・ｍｍ程度である。横方向の方が樹脂のヤング率の影
響を強く受ける。以上を考慮すれば、横方向の振動モー
ドにおける周波数定数が５６０〜９４０ｋＨｚ・ｍｍの
範囲外であることが望ましい。このような周波数定数
は、たとえばＰＺＴの占積率や複合化する樹脂のヤング
率により制御することができる。(Phased array electronic sector scan system) fw = 560-940 (kHz.mm) (Linear scan system) fw = 1690-2810
(KHz · mm) If the frequency constant of the transverse mode of the composite piezoelectric material is a value in these bands, the transverse resonance frequency exists in the used frequency band. In this case, it is conceivable that the crosstalk between the image elements increases around the frequency, which causes a problem. On the other hand, when the frequency constant of the longitudinal mode is within the above range, the frequency characteristics in transmission and reception of the ultrasonic wave become not flat, which is not preferable. However, the image quality is not deteriorated by crosstalk or the like. PZ usually used as a probe material
At T, the required frequency constant of the longitudinal vibration mode is 2200 kHz · mm, and the required frequency constant of the obstructive transverse vibration mode is about 1400 kHz · mm. On the other hand, the frequency constant of the composite piezoelectric material is determined by the frequency constant of the piezoelectric ceramic and the Young's modulus of the resin to be composited. The frequency constant of the composite piezoelectric material in the longitudinal vibration mode is about 1600 to 1800 kHz · mm, and the frequency constant in the transverse vibration mode is 500 to 1100 kHz.
It is about z · mm. The lateral direction is more affected by the Young's modulus of the resin. In consideration of the above, it is desirable that the frequency constant in the lateral vibration mode is out of the range of 560 to 940 kHz · mm. Such a frequency constant can be controlled by, for example, the space factor of PZT or the Young's modulus of the composite resin.
【００２８】本明細書において、「圧電セラミックス」
という用語は圧電効果を示すセラミックス材料を示す。
圧電セラミックスには、たとえば、チタン酸バリウムや
ジルコン酸鉛−チタン酸鉛系固溶体などの灰チタン石型
構造の結晶が含まれ、たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛
（ＰＺＴ）およびチタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬ
ＺＴ）などのチタン酸ジルコン酸塩が好ましく用いられ
る。さらに圧電セラミックスとして、チタン酸鉛等を用
いることもできる。In this specification, "piezoelectric ceramics"
The term refers to a ceramic material that exhibits a piezoelectric effect.
Piezoelectric ceramics include perovskite-type crystals such as barium titanate and lead zirconate-lead titanate solid solution, for example, lead zirconate titanate (PZT) and lanthanum lead zirconate titanate (PL
Zirconium titanate such as ZT) is preferably used. Further, lead titanate or the like can be used as the piezoelectric ceramic.
【００２９】本発明において、有機ポリマー材料には、
エポキシ樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリウレタン樹脂等
の樹脂、または、シリコンゴム、ウレタンゴム、ブタジ
エンゴム等のゴムを使用することができる。In the present invention, the organic polymer material includes
A resin such as an epoxy resin, a polyethylene resin, a polyurethane resin, or a rubber such as a silicone rubber, a urethane rubber, or a butadiene rubber can be used.
【００３０】有機ポリマー材料中に配列される柱状体の
高さは、たとえば９０〜３６０μｍ、使用周波数によっ
て好ましくは９０〜２４０μｍとすることができる。柱
状体の断面は円または多角形とすることができるが、多
角形として、正三角形、正方形、正六角形等の正多角形
の他、長方形等を用いることもできる。また、後述する
ように、圧電セラミックスからなる柱状体を、円錐台ま
たは角錐台の形状とすることができる。円錐台または角
錐台のテーパ角度は、たとえば０．１°〜２０°の範囲
内とすることができ、好ましくは１〜５°の範囲とする
ことができる。このような形状は、後述するようにマス
クを介する回折光をリソグラフィ工程において用いるこ
とにより容易に形成することができる。The height of the columnar bodies arranged in the organic polymer material can be, for example, 90 to 360 μm, and preferably 90 to 240 μm depending on the frequency used. The cross section of the columnar body may be a circle or a polygon, but a polygon may be a regular polygon such as a regular triangle, a square, a regular hexagon, or a rectangle. Further, as described later, the columnar body made of the piezoelectric ceramic can have a truncated cone or truncated pyramid shape. The taper angle of the truncated cone or truncated pyramid can be, for example, in the range of 0.1 ° to 20 °, and preferably in the range of 1 to 5 °. Such a shape can be easily formed by using diffracted light passing through a mask in a lithography step as described later.
【００３１】上述したように寸法の小さい圧電セラミッ
クス体を有する複合材料は、次のプロセスにより調製す
ることができる。以下、図を参照して本発明による製造
方法を詳細に説明する。図３（ａ）に示すように、本発
明のプロセスにおいて基板１上にはリソグラフィのため
の樹脂層２が形成される。基板として、たとえば、銅、
ニッケル、ステンレス鋼などの金属基板、チタン、クロ
ムなどの金属をスパッタ蒸着したシリコン基板等からな
る基板を用いることができる。樹脂層を形成するための
材料として、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）等の
ポリメタクリル酸エステルを主成分とするレジスト材
料、Ｘ線に感受性を有する化学増幅型レジスト材料等を
挙げることができる。樹脂層の厚みは、目的に応じて任
意に選ぶことができ、通常０．１〜０．５ｍｍが用いら
れる。A composite material having a piezoelectric ceramic body having a small size as described above can be prepared by the following process. Hereinafter, the manufacturing method according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. As shown in FIG. 3A, a resin layer 2 for lithography is formed on a substrate 1 in the process of the present invention. As a substrate, for example, copper,
A substrate formed of a metal substrate such as nickel or stainless steel, a silicon substrate on which a metal such as titanium or chromium is sputter-deposited, or the like can be used. Examples of the material for forming the resin layer include a resist material mainly containing a polymethacrylate such as polymethyl methacrylate (PMMA), a chemically amplified resist material sensitive to X-rays, and the like. The thickness of the resin layer can be arbitrarily selected depending on the purpose, and usually 0.1 to 0.5 mm is used.
【００３２】次いで、図３（ｂ）に示すように基板１上
にマスク３を配置し、マスク３を介してシンクロトロン
放射のＸ線（以下ＳＲ光と略す）１０が樹脂層２に照射
される。マスク３は、所定のパターンで形成されたＸ線
吸収層３ａを有している。所定のパターンは、複数の１
辺が８８μｍ以下の正方形、または複数のそれと同等の
面積となる円もしくは多角形が間隔をあけて配列された
パターンを含む。マスクを構成する透光性基材には、た
とえば窒化シリコン、シリコン、ダイヤモンド、チタン
等を用いることができ、Ｘ線吸収層には、たとえば金、
タングステン、タンタルなどの重金属あるいはその化合
物等を用いることができる。Ｘ線吸収層の厚みは、所望
のレジストパターンの厚みによって任意に選ぶことがで
きるが、たとえば３〜１０μｍとすることができる。ま
た、場合によっては透光性基材のないマスクの使用も可
能である。Next, as shown in FIG. 3B, a mask 3 is arranged on the substrate 1, and the resin layer 2 is irradiated with X-rays (hereinafter abbreviated as SR light) 10 of synchrotron radiation through the mask 3. You. The mask 3 has an X-ray absorption layer 3a formed in a predetermined pattern. The predetermined pattern is a plurality of 1
It includes a square having sides of 88 μm or less, or a pattern in which a plurality of circles or polygons having the same area as those are arranged at intervals. For example, silicon nitride, silicon, diamond, titanium, or the like can be used for the light-transmitting substrate that forms the mask, and for the X-ray absorption layer, for example, gold,
A heavy metal such as tungsten or tantalum or a compound thereof can be used. The thickness of the X-ray absorbing layer can be arbitrarily selected depending on the desired thickness of the resist pattern, but can be, for example, 3 to 10 μm. In some cases, a mask without a light-transmitting substrate can be used.
【００３３】樹脂層に照射すべきＳＲ光の波長は、たと
えば１〜１０Åとすることができ、そのエネルギは、１
〜１０ｋｅＶとすることができる。ＳＲ光の光源は、た
とえば産業用小型ＳＲ装置（蓄積電子エネルギ０．６〜
１．５ＧｅＶ）、中型ＳＲ装置（蓄積電子エネルギ１．
５〜３ＧｅＶ）等とすることができる。The wavelength of the SR light to be applied to the resin layer can be, for example, 1 to 10 °, and its energy is 1 °.
To 10 keV. The light source of the SR light is, for example, a small industrial SR device (with a stored electron energy of 0.6 to
1.5GeV), medium SR device (storage electron energy 1.
5 to 3 GeV).
【００３４】露光された樹脂層を現像してたとえばＳＲ
光により変質した部分を除去すると、図３（ｃ）に示す
ような樹脂パターン２′が得られる。樹脂パターン２′
は、複数の孔２′ａを有する。この孔の形状は、最終的
に得られる複合圧電材料の圧電セラミックスの形状に相
当する。ただし、圧電セラミックスは、焼成時に線収縮
率約８５％で縮むため、寸法は変化する。したがって、
孔の断面は、１辺が８８μｍ以下の正方形、またはそれ
と同等の面積となる円もしくは多角形である。孔の断面
における最大幅に対する孔の深さの比は、２以上が好ま
しく、３．３以上がより好ましい。The exposed resin layer is developed to form, for example, SR
When the portion altered by light is removed, a resin pattern 2 'as shown in FIG. 3C is obtained. Resin pattern 2 '
Has a plurality of holes 2'a. The shape of the hole corresponds to the shape of the piezoelectric ceramic of the composite piezoelectric material finally obtained. However, the size of the piezoelectric ceramic changes because it shrinks at a linear shrinkage rate of about 85% during firing. Therefore,
The cross section of the hole is a square having a side of 88 μm or less, or a circle or polygon having an area equivalent thereto. The ratio of the depth of the hole to the maximum width in the cross section of the hole is preferably 2 or more, and more preferably 3.3 or more.
【００３５】次いで、図３（ｄ）に示すように、樹脂パ
ターン２′上に金属５を堆積する。金属５は、たとえば
樹脂パターン２′の厚みを超えて０．５〜１ｍｍの範囲
の厚みで堆積する。基板１をめっき電極としてめっきを
行なえば、樹脂パターン２′上に容易に金属を堆積させ
ることができる。金属として、たとえばニッケル、銅、
金およびそれらの合金、パーマロイ等を用いることがで
きるが、金属５を後で金型として用いるため、ニッケル
がより好ましい。Next, as shown in FIG. 3D, a metal 5 is deposited on the resin pattern 2 '. The metal 5 is deposited with a thickness in the range of 0.5 to 1 mm, for example, exceeding the thickness of the resin pattern 2 '. When plating is performed using the substrate 1 as a plating electrode, a metal can be easily deposited on the resin pattern 2 '. Metals such as nickel, copper,
Although gold and their alloys, permalloy, and the like can be used, nickel is more preferable because the metal 5 is used later as a mold.
【００３６】次に、ウエットエッチング等によって基板
を除去し、ウエットエッチングあるいはプラズマエッチ
ングにより樹脂を除去すれば、図３（ｅ）に示すような
金型５′が得られる。金型５′には、樹脂パターン２′
の形が転写されている。したがって、樹脂パターンの孔
に対応する凸部５′ａは、断面が１辺が８８μｍ以下の
正方形、またはそれと同等の面積となる円もしくは多角
形である。Next, if the substrate is removed by wet etching or the like, and the resin is removed by wet etching or plasma etching, a mold 5 'as shown in FIG. 3E is obtained. The mold 5 'has a resin pattern 2'
The shape has been transcribed. Therefore, the convex portion 5'a corresponding to the hole of the resin pattern is a square having a cross section of 88 μm or less, or a circle or polygon having an area equivalent thereto.
【００３７】次に、図４（ａ）に示すとおり、以上のプ
ロセスにより得られた金型５′に樹脂７を注入する。樹
脂には、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）等のアク
リル樹脂（メタクリル樹脂）、ポリウレタン樹脂（ＰＵ
Ｒ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）等のポリアセター
ルなどの熱可塑性樹脂、エポキシ、シロップ状アクリル
などの熱硬化性樹脂等を用いることができる。樹脂を硬
化させた後、冷却して樹脂を金型５′から離して樹脂型
７′を得る。Next, as shown in FIG. 4A, the resin 7 is injected into the mold 5 'obtained by the above process. Acrylic resin (methacrylic resin) such as polymethyl methacrylate (PMMA), polyurethane resin (PU
R), a thermoplastic resin such as polyacetal such as polyoxymethylene (POM), or a thermosetting resin such as epoxy or syrup-like acrylic. After the resin is cured, it is cooled to separate the resin from the mold 5 'to obtain a resin mold 7'.
【００３８】樹脂型を形成した後、図４（ｃ）に示すよ
うに、樹脂型７′に微細構造体を構成すべき材料を充填
する。本発明の場合、セラミックスを生成させるための
材料が充填される。材料は、樹脂型からあふれる程度ま
で充填される。このような材料として、たとえばセラミ
ックス粒子を含有するスラリーを用いることができる。
スラリーには、低粘度のものより高粘度のものを用いる
ことが好ましい。低粘度のスラリーを注入する場合、真
空下での注入が必要になってくる。一方高粘度のスラリ
ーは、大気中で樹脂型に圧入することが可能となる。圧
入のための圧力は、たとえば１００ｋｇｆ／ｃｍ2 以
上、より好ましくは１００〜１５０ｋｇｆ／ｃｍ2 の範
囲とすることができる。また低粘度のスラリーは水を多
く含むので、その後の乾燥工程において精密なコントロ
ールを必要とする。高粘度のスラリーの場合、そのよう
な精密なコントロールを必要としない。After forming the resin mold, as shown in FIG. 4 (c), the resin mold 7 'is filled with a material for forming a fine structure. In the case of the present invention, a material for forming a ceramic is filled. The material is filled to the extent that it overflows the resin mold. As such a material, for example, a slurry containing ceramic particles can be used.
It is preferable to use a slurry having a higher viscosity than a slurry having a low viscosity. When a low-viscosity slurry is injected, injection under a vacuum is required. On the other hand, a high viscosity slurry can be pressed into a resin mold in the atmosphere. Pressure for press-fitting, for example, 100 kgf / cm 2 or more, more preferably in the range of 100~150kgf / cm 2. In addition, since the low-viscosity slurry contains a large amount of water, precise control is required in the subsequent drying step. High viscosity slurries do not require such precise control.
【００３９】次に図４（ｄ）に示すように、樹脂型を除
去する。除去のため、樹脂を溶融状態にすることなく気
化もしくは昇華させるか、または適当な溶剤に溶解させ
る。樹脂を気化させる場合、たとえば真空中で加熱する
ことにより樹脂成分を蒸発させることができる。この場
合、たとえば５００℃の温度において１０-4Ｔｏｒｒ以
下の圧力下で樹脂を分解および蒸発させることができ
る。またレーザアブレーションにより樹脂成分を気化さ
せることもできる。レーザにはたとえばＡｒＦエキシマ
レーザを用いることができ、３５０ｍＪ／ｃｍ3 以下の
エネルギ密度にてレーザを照射することにより、セラミ
ックスに影響を及ぼすことくなく樹脂のみを除去するこ
とができる。さらに樹脂を酸素プラズマ等のプラズマに
よりエッチングしてもよい。たとえば、酸素とフレオン
のプラズマによるエッチングを行なうと、樹脂の分解速
度は速いが、セラミックスのエッチング速度は極端に遅
い。このようなセラミックスと樹脂のエッチング耐性の
差を利用することにより、樹脂のみを速やかに除去する
ことができる。より具体的には、たとえば５０Ｗのプラ
ズマパワー、０．５Ｔｏｒｒの反応ガス圧において、ア
クリルからなる樹脂型は約３μｍ／分でエッチングする
ことができる。プラズマの条件は、樹脂の厚みや材質等
によって適宜選択することができる。また、溶剤に樹脂
型を溶解することによって、セラミックスの構造体を傷
つけることなく樹脂型のみを除去することができる。た
とえばアクリル樹脂型の場合、溶剤としてアセトンを用
いることができる。樹脂型の材質によって、適宜好まし
い溶剤を選択することができる。これらの方法はいずれ
もセラミックス構造体を傷つけたり破壊することなく、
樹脂型のみを速やかに除去できる方法である。これらの
方法を用いれば、非常に微細な構造物を樹脂型で形成す
ることができる。一方、樹脂を溶融状態にするような条
件下で樹脂型を除去すると、溶融した樹脂によって微細
な柱状体が倒されたりするおそれがある。Next, as shown in FIG. 4D, the resin mold is removed. For removal, the resin is vaporized or sublimated without melting, or dissolved in a suitable solvent. When the resin is vaporized, the resin component can be evaporated, for example, by heating in a vacuum. In this case, for example, the resin can be decomposed and evaporated at a temperature of 500 ° C. under a pressure of 10 −4 Torr or less. Further, the resin component can be vaporized by laser ablation. For example, an ArF excimer laser can be used as the laser. By irradiating the laser with an energy density of 350 mJ / cm 3 or less, only the resin can be removed without affecting the ceramics. Further, the resin may be etched by plasma such as oxygen plasma. For example, when etching is performed using oxygen and freon plasma, the decomposition rate of the resin is high, but the etching rate of the ceramic is extremely low. By utilizing such a difference in etching resistance between the ceramic and the resin, only the resin can be quickly removed. More specifically, for example, at a plasma power of 50 W and a reaction gas pressure of 0.5 Torr, a resin mold made of acrylic can be etched at about 3 μm / min. The conditions for the plasma can be appropriately selected depending on the thickness and the material of the resin. In addition, by dissolving the resin mold in the solvent, only the resin mold can be removed without damaging the ceramic structure. For example, in the case of an acrylic resin type, acetone can be used as a solvent. A suitable solvent can be appropriately selected depending on the material of the resin mold. All of these methods do not damage or destroy the ceramic structure,
This is a method that can quickly remove only the resin mold. By using these methods, a very fine structure can be formed in a resin mold. On the other hand, if the resin mold is removed under a condition that causes the resin to be in a molten state, there is a possibility that the fine columnar body may be collapsed by the molten resin.
【００４０】樹脂を除去することにより、図４（ｅ）に
示すような微細構造体が得られる。セラミックス粒子の
スラリーを用いる場合、スラリーの乾燥固化物を焼成す
ることにより、セラミックス焼結体からなる微細構造体
８′が得られる。この微細構造体は、台座部８′ａから
所定の間隔をあけて圧電セラミックスからなる複数の柱
状体８′ｂが延びた構造を有する。柱状体８′ｂの長手
方向に垂直な断面は、１辺が７５μｍ以下の正方形、ま
たはそれと同等の面積となる円もしくは多角形である。
柱状体の高さは、使用周波数とスキャン方式によって、
たとえば９０〜３６０μｍの範囲であり、好ましくは９
０〜２４０μｍの範囲である。柱状体の縦横比は２以
上、好ましくは３〜７である。また柱状体は、４０〜７
００個／ｍｍ2 の密度で配置させることができる。By removing the resin, a fine structure as shown in FIG. 4E is obtained. When a slurry of ceramic particles is used, the dried and solidified product of the slurry is fired to obtain a fine structure 8 'made of a ceramic sintered body. This microstructure has a structure in which a plurality of columnar bodies 8'b made of piezoelectric ceramics extend at a predetermined interval from the base 8'a. The cross section perpendicular to the longitudinal direction of the columnar body 8'b is a square having a side of 75 μm or less, or a circle or polygon having an area equivalent thereto.
The height of the column depends on the frequency used and the scanning method.
For example, it is in the range of 90 to 360 μm, preferably 9
The range is from 0 to 240 μm. The aspect ratio of the columnar body is 2 or more, preferably 3 to 7. The columnar body is 40 to 7
It can be arranged at a density of 00 pieces / mm 2 .
【００４１】このようにして作製した圧電セラミックス
構造体に樹脂を含浸することで複合圧電材料を調製する
ことができる。たとえば図５（ａ）に示すように、カッ
プ１２０に圧電セラミックス構造体１２１を入れ、上か
ら有機ポリマー材料１２２を含浸させる。これを硬化さ
せ、固めたものをカップ１２０から取出す（図５
（ｂ））。次いで、図５（ｃ）および（ｄ）に示すよう
に圧電セラミックス構造体の高さや幅を超えた樹脂部分
および台座部分を研削や研摩によって除去すると、複合
圧電材料を１２３を得ることができる。A composite piezoelectric material can be prepared by impregnating the thus-prepared piezoelectric ceramic structure with a resin. For example, as shown in FIG. 5A, a piezoelectric ceramic structure 121 is put in a cup 120 and impregnated with an organic polymer material 122 from above. This is cured, and the solidified product is removed from the cup 120 (FIG. 5).
(B)). Next, as shown in FIGS. 5C and 5D, the resin portion and the pedestal portion exceeding the height and width of the piezoelectric ceramic structure are removed by grinding or polishing, whereby a composite piezoelectric material 123 can be obtained.
【００４２】本発明において、円錐台または角錐台の形
状の柱状体を有する複合圧電材料は、次のようなプロセ
スによって調製することができる。まず図６（ａ）に示
すように、基板１上にリソグラフィのための樹脂層２を
形成する。次に、図１（ｂ）に示すように基板１の上方
にマスク３を配置し、マスク３を介してＳＲ光１０を樹
脂層２に照射する。マスク３は、所定のパターンで形成
されたＸ線吸収層３ａを有している。この場合、マスク
３と樹脂層２との間の間隔ｄは顕著に大きくとられる。
このようにマスクを樹脂からかなり離れたところに配置
することによって、ＳＲ光１０の直進光１０ａに加えて
マスク３によるＳＲ光の回折光１０ｂも樹脂層２の変質
に寄与するようになる。回折光１０ｂは、図に示すよう
にマスクのＸ線吸収層の真下（点線で示す）から少し外
側にずれた樹脂層の部分に到達する。たとえば、図７に
示すような直進光１０ａに対する回折光１０ｂの角度θ
は、０．０５〜１０°、好ましくは０．５〜２．５°の
範囲とすることができる。角度θが適当な範囲となるよ
う、間隔ｄを設定することができる。回折光１０ｂは、
直進光１０ａよりも長い波長を有し、強度も低いため、
直進光よりも浅い部分を変質させる。したがって、露光
により変質された樹脂層の部分２ａは、表面に行くに従
って幅が広くなっている。樹脂層に照射すべきＳＲ光の
波長は、たとえば１〜１０Åとすることができ、そのエ
ネルギは、１〜１０ｋｅＶとすることができる。この場
合、特に５〜１０Åの長波長成分を除去せずに用いるこ
とが好ましい。これらの長波長成分は適当な回折光をも
たらす。ＳＲ光の光源は、上述したものを用いることが
できる。マスクと樹脂層との間の間隔ｄは、必要とされ
るテーパ角度および照射するＳＲ光の波長に応じて任意
に選ぶことができる。In the present invention, a composite piezoelectric material having a truncated cone or truncated pyramid-shaped column can be prepared by the following process. First, as shown in FIG. 6A, a resin layer 2 for lithography is formed on a substrate 1. Next, as shown in FIG. 1B, a mask 3 is arranged above the substrate 1, and the SR layer 10 is irradiated on the resin layer 2 via the mask 3. The mask 3 has an X-ray absorption layer 3a formed in a predetermined pattern. In this case, the distance d between the mask 3 and the resin layer 2 is significantly large.
By arranging the mask at a considerable distance from the resin, the diffracted light 10b of the SR light by the mask 3 in addition to the straight light 10a of the SR light 10 also contributes to the deterioration of the resin layer 2. As shown in the figure, the diffracted light 10b reaches a portion of the resin layer slightly deviated from directly below (shown by a dotted line) the X-ray absorption layer of the mask. For example, the angle θ of the diffracted light 10b with respect to the straight light 10a as shown in FIG.
Can be in the range of 0.05 to 10 °, preferably 0.5 to 2.5 °. The interval d can be set so that the angle θ is in an appropriate range. The diffracted light 10b is
Since it has a longer wavelength than the straight light 10a and has a low intensity,
Transforms shallower parts than straight light. Therefore, the width of the portion 2a of the resin layer that has been altered by the exposure increases toward the surface. The wavelength of the SR light to be irradiated on the resin layer can be, for example, 1 to 10 °, and the energy can be 1 to 10 keV. In this case, it is particularly preferable to use without removing the long wavelength component of 5 to 10 °. These long wavelength components provide the appropriate diffracted light. As the light source of the SR light, those described above can be used. The distance d between the mask and the resin layer can be arbitrarily selected according to the required taper angle and the wavelength of the SR light to be irradiated.
【００４３】露光された樹脂層を現像してＳＲ光により
変質した部分を除去すると、図６（ｃ）に示すような樹
脂パターン２′が得られる。樹脂パターン２′におい
て、孔２′ａの開口幅Ｗは、基板１から遠ざかるに従っ
て大きくなっている。したがって、孔の開口面積は基板
１から遠ざかるに従って大きくなる。孔２′ａを構成す
る側壁２′ｂは、樹脂層の厚み方向（矢印で示す）に対
して傾いている。孔は、たとえば円錐台または角錐台の
形状とすることができる。孔の断面は、１辺が８８μｍ
以下の正方形、またはそれと同等の面積となる円もしく
は多角形とされる。孔の側壁の傾きは、図８に示すよう
な断面における相い交わるべき２本の直線６および６′
のなす角度（テーパ角度）αとして表わすことができ
る。テーパ角度αは、０．１〜２０°の範囲、好ましく
は１〜５°の範囲とすることができる。When the exposed resin layer is developed to remove a portion altered by SR light, a resin pattern 2 'as shown in FIG. 6C is obtained. In the resin pattern 2 ′, the opening width W of the hole 2 ′ a increases as the distance from the substrate 1 increases. Therefore, the opening area of the hole increases as the distance from the substrate 1 increases. The side wall 2'b constituting the hole 2'a is inclined with respect to the thickness direction of the resin layer (indicated by an arrow). The holes can be in the shape of, for example, a truncated cone or a truncated pyramid. The cross section of the hole is 88 μm on one side
The following squares or circles or polygons having an area equivalent to the squares are used. The inclination of the side wall of the hole is determined by the two straight lines 6 and 6 'to intersect in the cross section as shown in FIG.
(Taper angle) α. The taper angle α can be in the range of 0.1 to 20 °, preferably in the range of 1 to 5 °.
【００４４】次いで、図６（ｄ）に示すように樹脂パタ
ーン２′上に金属５を堆積する。次に、ウエットエッチ
ングなどによって基板を除去し、ウエットエッチングあ
るいはプラズマエッチングにより樹脂を除去すれば、図
６（ｅ）に示すような金型５′が得られる。金型５′に
は、樹脂パターン２′の形が転写されている。したがっ
て、樹脂パターンの孔に対応する凸部５′ａは、樹脂パ
ターンにほぼ等しいテーパ角度α′を有しており、凸部
５′ａの幅は、先端にいくほど狭くなっている。テーパ
角度α′は、０．１〜２０°の範囲、好ましくは１〜５
°の範囲である。Next, as shown in FIG. 6D, a metal 5 is deposited on the resin pattern 2 '. Next, if the substrate is removed by wet etching or the like, and the resin is removed by wet etching or plasma etching, a mold 5 'as shown in FIG. 6E is obtained. The shape of the resin pattern 2 'is transferred to the mold 5'. Therefore, the convex portion 5'a corresponding to the hole of the resin pattern has a taper angle α 'substantially equal to that of the resin pattern, and the width of the convex portion 5'a becomes narrower toward the tip. The taper angle α 'is in the range of 0.1 to 20 °, preferably 1 to 5
° range.
【００４５】次に図９（ａ）に示すとおり、得られた金
型５′に樹脂７を注入する。樹脂を硬化させた後、冷却
して樹脂を金型５′から離して樹脂型７′を得る。この
とき、金型５′の凸部は、上述したように所定のテーパ
角度で先端にいくほど細くなっているので、樹脂型７′
は金型５′から容易に抜取ることができる。抜取る際、
樹脂と金型の間に働くのは初期の接着力であり、摩擦力
はほとんど働かない。また、接着力において金型凸部を
破壊する方向に働く成分は小さく、金型凸部が抜取りの
際に破壊されることはない。このように回折光を用いて
所定のテーパ角度を有する構造体を得ることで、樹脂型
の形成において金型の破壊をより効果的に防止すること
ができ、金型の寿命を長くすることができる。Next, as shown in FIG. 9A, the resin 7 is injected into the obtained mold 5 '. After the resin is cured, it is cooled to separate the resin from the mold 5 'to obtain a resin mold 7'. At this time, since the convex portion of the mold 5 'becomes thinner toward the tip at a predetermined taper angle as described above, the resin mold 7'
Can be easily removed from the mold 5 '. When removing
It is the initial adhesive force that works between the resin and the mold, and little frictional force works. Further, a component acting in the direction of breaking the mold convex portion in the adhesive force is small, and the mold convex portion is not destroyed at the time of removal. By obtaining a structure having a predetermined taper angle using the diffracted light in this manner, it is possible to more effectively prevent the destruction of the mold in the formation of the resin mold, and to prolong the life of the mold. it can.
【００４６】樹脂型を形成した後、図９（ｃ）に示すよ
うに、樹脂型７′にセラミックスを生成させるための材
料８を充填する。次に図９（ｄ）に示すように樹脂型を
除去する。樹脂は、溶融状態にすることなく気化または
昇華させるか、適当な溶剤に溶解させる。樹脂を除去す
ることにより、図９（ｅ）に示すような微細構造体が得
られる。セラミックススラリーの乾燥固化物を焼成する
ことにより、圧電セラミックス焼結体からなる微細構造
体８′が得られる。微細構造体８′は、台座部８′ａ
と、台座部８′ａ上に形成される複数の柱状体８′ｂを
有する。柱状体８′ｂの断面は、１辺が７５μｍ以下の
正方形、またはそれと同等の面積となる円もしくは多角
形である。柱状体の高さは、使用周波数とスキャン方式
によって、たとえば９０〜３６０μｍの範囲であり、好
ましくは９０〜２４０μｍの範囲である。柱状体の縦横
比は２以上、好ましくは３〜７である。また柱状体は、
４０〜７００個／ｍｍ2 の密度で配置させることができ
る。円錐台または角錐台の形状を有する柱状体のテーパ
角度は、０．１〜２０°の範囲、好ましくは１〜５°の
範囲である。得られた圧電セラミックス体から、図１０
に示すように複合圧電材料が調製される。プロセスは上
述のとおりである。After forming the resin mold, as shown in FIG. 9C, the resin mold 7 'is filled with a material 8 for forming ceramics. Next, as shown in FIG. 9D, the resin mold is removed. The resin is vaporized or sublimated without melting, or dissolved in a suitable solvent. By removing the resin, a fine structure as shown in FIG. 9E is obtained. By firing the dried and solidified ceramic slurry, a microstructure 8 'made of a piezoelectric ceramic sintered body is obtained. The microstructure 8 'includes a pedestal portion 8'a
And a plurality of columnar bodies 8'b formed on the pedestal portion 8'a. The cross section of the columnar body 8'b is a square having a side of 75 μm or less, or a circle or polygon having an area equivalent thereto. The height of the columnar body is, for example, in the range of 90 to 360 μm, and preferably in the range of 90 to 240 μm, depending on the frequency used and the scanning method. The aspect ratio of the columnar body is 2 or more, preferably 3 to 7. The pillars are
They can be arranged at a density of 40 to 700 pieces / mm 2 . The taper angle of the columnar body having the shape of a truncated cone or a truncated pyramid is in the range of 0.1 to 20 °, preferably in the range of 1 to 5 °. From the obtained piezoelectric ceramic body, FIG.
A composite piezoelectric material is prepared as shown in FIG. The process is as described above.
【００４７】この方法では、Ｘ線マスクと基板との間隔
を制御して回折光を積極的にリソグラフィーに用いるこ
とにより、所定のテーパ角度を有する構造体を容易に製
作することができる。この方法では、基本的に１回の露
光工程により厚み方向に対して傾斜した壁を有する構造
体を得ることができる。製作に要する時間も比較的短
く、露光のため複雑な工程を必要としない。基板に垂直
な方向にＳＲ光を照射するリソグラフィー工程によって
も、傾斜した壁を有する構造体を得ることができる。回
折光を用いるプロセスにおいて、解像度は直進光のみを
用いる場合よりも若干低下する。しかしながら、回折光
の照射は、再現性よく制御することができるため、高い
精度で必要な金型および微細構造体を得ることができ
る。In this method, a structure having a predetermined taper angle can be easily manufactured by controlling the distance between the X-ray mask and the substrate and positively using the diffracted light for lithography. According to this method, a structure having walls inclined with respect to the thickness direction can be basically obtained by one exposure step. The time required for fabrication is relatively short, and no complicated steps are required for exposure. A structure having inclined walls can also be obtained by a lithography step of irradiating SR light in a direction perpendicular to the substrate. In a process using diffracted light, the resolution is slightly lower than when only straight light is used. However, since the irradiation of the diffracted light can be controlled with good reproducibility, the required mold and microstructure can be obtained with high accuracy.
【００４８】一方、従来の技術によって同様の構造を得
ようとすると、以下に述べるように種々の困難が伴う。
たとえば、図１１（ａ）に示すように斜めの方向からＳ
Ｒ光３０をマスク２３を介して基板２１上のレジスト層
２２に照射した後、さらに図１１（ｂ）に示すように、
傾斜角度を変えてＳＲ光３０を照射することができる。
しかしながら、このような場合、得られる構造体は図１
１（ｃ）に示すとおりであり、開口の幅が表面にいくに
従って狭くなった孔を有するレジストパターン２２′が
得られる。このようなレジストパターンは、本発明が必
要とする形状の反対である。また図１２に示すように、
ＳＲ光４０に対して、レジスト３２が塗布された基板３
３を所定の角度で傾け、回転させる方法も考えられる。
この場合、露光領域３２′は円錐台の形状を有する。し
かしながら、この方法では、露光領域の中心部と周辺部
との移動速度が異なるため、全体的に均一な照射量を実
現することが困難である。この方法は、精度の高い微細
構造体を得る方法として実際的ではない。ＳＲ光を斜め
に照射する方法では、図１３に示す方法がより実際的で
あると考えられる。図１３に示す方法では、まず図１３
（ａ）に示すようにＳＲ光５０を基板４１上のレジスト
４２に斜めに照射した後、図１３（ｂ）に示すようにマ
スク４３の位置をずらし、基板４１の角度を変えてＳＲ
光５０を照射する。このような工程によれば、図１３
（ｃ）に示すような構造体が得られる。しかしながらこ
の方法では、マスクを精度よくずらす必要があるが、そ
れにはマスクと基板との位置関係を合わせる（整合させ
る）必要がある。このような工程を１枚のマスクで行な
うことは不可能であり、複数枚の異なるマスクが必要と
なる。この方法では、マスクの位置合わせのために作業
時間が長くなり、製造における精度も低下する。また得
ようとする形状によってＳＲ光の照射を何度も行なう必
要があるため、ある領域では必要以上に露光時間が長く
なる。吸収エネルギ密度が上限値を超える場合、レジス
トにおいてポジ−ネガの反転が起こってしまい、所望の
レジストパターンが得られない。またこの方法において
単波長の光を使用することが望ましいが、ＳＲ光におい
て単波長の光は相対的に強度が低いため、さらに露光時
間が長くなる。また、角錐台のレジストパターンを得る
ことができるが、円錐台を得ることができないなど、形
状も制限される。この方法は、作業時間、コスト、精度
および効率の点において多くの問題を抱えている。これ
らの方法と本発明の方法とを比べると、本発明の方法
が、如何にシンプルであり、精度が高く、効率でありか
つ低コストであるかが容易に理解されるはずである。On the other hand, trying to obtain a similar structure by the conventional technique involves various difficulties as described below.
For example, as shown in FIG.
After irradiating the resist layer 22 on the substrate 21 with the R light 30 through the mask 23, as shown in FIG.
The SR light 30 can be emitted while changing the tilt angle.
However, in such a case, the resulting structure is shown in FIG.
As shown in FIG. 1 (c), a resist pattern 22 'having holes in which the width of the opening becomes narrower toward the surface is obtained. Such a resist pattern is the opposite of the shape required by the present invention. Also, as shown in FIG.
Substrate 3 coated with resist 32 with respect to SR light 40
A method of inclining and rotating 3 at a predetermined angle is also conceivable.
In this case, the exposure area 32 'has the shape of a truncated cone. However, in this method, it is difficult to realize a uniform irradiation amount as a whole because the moving speeds of the central portion and the peripheral portion of the exposure region are different. This method is not practical as a method for obtaining a highly accurate microstructure. In the method of irradiating the SR light obliquely, the method shown in FIG. 13 is considered to be more practical. In the method shown in FIG.
After irradiating the resist 42 on the substrate 41 obliquely with the SR light 50 as shown in (a), the position of the mask 43 is shifted and the angle of the substrate 41 is changed as shown in FIG.
Light 50 is applied. According to such a process, FIG.
A structure as shown in (c) is obtained. However, in this method, it is necessary to shift the mask with high accuracy, but to do so, it is necessary to match (align) the positional relationship between the mask and the substrate. It is impossible to perform such a process using one mask, and a plurality of different masks are required. In this method, the work time is lengthened due to the mask alignment, and the accuracy in manufacturing is reduced. Further, since it is necessary to perform SR light irradiation many times depending on the shape to be obtained, the exposure time becomes longer than necessary in a certain region. If the absorbed energy density exceeds the upper limit value, the positive / negative inversion occurs in the resist, and a desired resist pattern cannot be obtained. In this method, it is desirable to use light of a single wavelength. However, in the SR light, the light of a single wavelength has relatively low intensity, so that the exposure time is further increased. In addition, although a truncated pyramid resist pattern can be obtained, the shape is limited such that a truncated cone cannot be obtained. This method has many problems in terms of working time, cost, accuracy and efficiency. Comparing these methods with the method of the present invention, it should be easy to see how simple, accurate, efficient and low cost the method of the present invention is.
【００４９】[0049]
【実施例】チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる多
数の柱状体が樹脂に分散された複合圧電材料を以下に示
すようにして調製した。EXAMPLE A composite piezoelectric material in which a number of pillars made of lead zirconate titanate (PZT) were dispersed in a resin was prepared as follows.
【００５０】（１） 金型の製作 図３および図６に示すようなプロセスに従ってＰＺＴア
レイ構造体用の金型を作製した。まず、Ｘ線に感受性が
あるレジスト、メタクリル酸メチルとメタクリル酸の共
重合体（Ｐ（ＭＭＡ＋ＭＡＡ））を１８０μｍの厚みで
チタンをスパッタ蒸着したシリコン基板からなる導電性
基板に塗布した。次に、窒化シリコンからなる透光性基
板上に窒化タングステンからなる吸収層パターンを形成
したマスクを、レジスト層の上方に配置した。マスクを
介してシンクロトロン放射光（ＳＲ光）をレジストに照
射した。ＳＲ装置はＮＩＪＩ−３（偏向部の磁場４テス
ラー、蓄積電子エネルギ０．６ＧｅＶ）であった。ＳＲ
照射において、通常はカプトンなどをフィルタに用いて
３Å以上の超波長光をなるべくカットするが、本実施例
の場合は超波長光のカットを行なわなかった。ＳＲ装置
自体から放射される光のピーク波長は約６Åであった
が、１００μｍの厚さのベリリウム窓を通過する光を使
用したためレジストに実際に照射されるＳＲ光のピーク
波長は約４Åであった。マスクとレジスト層の間隔ｄ
を、５０μｍ以下、５ｍｍ、１４ｍｍおよび２８ｍｍに
それぞれ設定し、ＳＲ光の照射をそれぞれ行なった。マ
スクには、直径３０μｍの円が、相対角６０°、ピッチ
５７μｍで規則的に配列したもの、または１辺が３０μ
ｍの正方形のパターンが３０μｍの間隔で規則的に配列
したものを用いた。円または正方形のパターンの部分
は、Ｘ線を透過させるようになっている。ＳＲ光の照射
の後、メチルイソブチルケトン（ＭｉＢＫ）により現像
を行ない、レジストパターンを得た。円形のパターンを
有するマスクを用いた場合、マスクとレジスト層の間隔
ｄが５０μｍ以下のときは、直径３０μｍの円柱形状の
孔が多数形成されていた。円形のパターンを有するマス
クとレジスト層の間隔ｄが５ｍｍ、１４ｍｍおよび２８
ｍｍである場合、テーパ角度がそれぞれ２°、６°、１
４°の円錐台の形状を有する孔が多数レジストパターン
に形成されていた。円錐台における基板側の直径は３０
μｍであった。このように、マスクとレジスト層の間隔
を顕著に大きくすることで、ＳＲ光の回折効果を利用し
て、適当な範囲のテーパ角度を得ることができた。また
３０μｍ角の正方形のパターンを有するマスクを用いた
場合、角柱形状または角錐台形状の孔が多数形成された
レジストパターンを得ることができた。角錐台のテーパ
角度は、間隔ｄが５ｍｍのとき２°、間隔ｄが１４ｍｍ
のとき６°、間隔ｄが２８ｍｍのとき１４°であった。(1) Manufacture of a mold A mold for a PZT array structure was manufactured according to the processes shown in FIGS. First, an X-ray sensitive resist, a copolymer of methyl methacrylate and methacrylic acid (P (MMA + MAA)) was applied to a conductive substrate made of a silicon substrate on which titanium was sputter-deposited to a thickness of 180 μm. Next, a mask in which an absorption layer pattern made of tungsten nitride was formed on a light-transmitting substrate made of silicon nitride was arranged above the resist layer. The resist was irradiated with synchrotron radiation (SR light) through a mask. The SR apparatus was NIJI-3 (magnetic field of the deflection unit 4 Tesla, stored electron energy 0.6 GeV). SR
In the irradiation, usually, Kapton or the like is used as a filter to cut the super-wavelength light of 3 ° or more as much as possible, but in the case of this embodiment, the super-wavelength light was not cut. Although the peak wavelength of the light emitted from the SR apparatus itself was about 6 °, the peak wavelength of the SR light actually applied to the resist was about 4 ° because light passing through a 100 μm thick beryllium window was used. Was. Distance d between mask and resist layer
Was set to 50 μm or less, 5 mm, 14 mm, and 28 mm, respectively, and irradiation with SR light was performed. On the mask, circles having a diameter of 30 μm are regularly arranged at a relative angle of 60 ° and a pitch of 57 μm, or each side is 30 μm.
A pattern in which m square patterns were regularly arranged at intervals of 30 μm was used. The portion of the circle or square pattern is adapted to transmit X-rays. After irradiation with SR light, development was performed with methyl isobutyl ketone (MiBK) to obtain a resist pattern. When a mask having a circular pattern was used, when the distance d between the mask and the resist layer was 50 μm or less, many cylindrical holes having a diameter of 30 μm were formed. The distance d between the mask having a circular pattern and the resist layer is 5 mm, 14 mm and 28 mm.
mm, the taper angles are 2 °, 6 °, 1
A large number of holes having a 4 ° truncated cone shape were formed in the resist pattern. The diameter of the truncated cone on the substrate side is 30
μm. As described above, by remarkably increasing the distance between the mask and the resist layer, a taper angle in an appropriate range could be obtained by utilizing the diffraction effect of SR light. When a mask having a square pattern of 30 μm square was used, it was possible to obtain a resist pattern in which a large number of prism-shaped or truncated pyramid-shaped holes were formed. The taper angle of the truncated pyramid is 2 ° when the interval d is 5 mm, and the interval d is 14 mm
At 6 °, and 14 ° at an interval d of 28 mm.
【００５１】次に、導電性基板をめっき電極としてめっ
きを行ない、ニッケルを１ｍｍの厚さまで堆積させた。
基板を水酸化カリウム水溶液で溶解した後、レジストを
酸素プラズマにより除去し、金型を得た。金型は、図１
４（ａ）または図１５（ａ）に示すような形状を有して
いる。図１４（ａ）に示す金型５５において、台座部５
５ａから円柱または角柱形状の微細な柱５５ｂが多数延
びている。また図１５（ａ）に示す金型５５′におい
て、台座部５５′ａから円錐台または角錐台形状の微細
な柱５５′ｂが延びている。柱５５′ｂの上面は直径３
０μｍの円であるかまたは１辺が３０μｍの正方形であ
る。柱５５ｂおよび５５′ｂの高さは１８０μｍであ
る。柱５５ｂまたは５５′ｂは、３０μｍの間隔で配列
されている。Next, plating was performed using the conductive substrate as a plating electrode, and nickel was deposited to a thickness of 1 mm.
After dissolving the substrate with an aqueous potassium hydroxide solution, the resist was removed by oxygen plasma to obtain a mold. Fig. 1
4A or FIG. 15A. In the mold 55 shown in FIG.
A large number of cylindrical or prismatic fine columns 55b extend from 5a. In the mold 55 'shown in FIG. 15A, a fine column 55'b having a truncated cone or truncated pyramid shape extends from the pedestal portion 55'a. The upper surface of the pillar 55'b has a diameter of 3
It is a circle of 0 μm or a square of 30 μm on a side. The height of the columns 55b and 55'b is 180 μm. The columns 55b or 55'b are arranged at intervals of 30 μm.
【００５２】（２） セラミックス微細構造体の作製 図４および図９に示すようなプロセスに従ってＰＺＴ焼
結体からなる微細構造体を形成した。まず得られた金型
に樹脂を充填した。樹脂として、ポリメタクリル酸メチ
ル（ＰＭＭＡ）からなるアクリル樹脂を用いた。シロッ
プ状のアクリル樹脂を金型に流し込み、加熱して硬化さ
せた後、室温まで冷却して樹脂を金型から離し、樹脂型
を得た。樹脂型は、所望する微細構造体の形状を反転さ
せたものである。次いで、樹脂型にＰＺＴ粒子を含有す
るスラリーを充填した。スラリーは、水および有機バイ
ンダーを用いて、調製した。次に、乾燥により充填した
スラリーを固化した。続いて酸素プラズマを用いるアッ
シングを行ない、樹脂型を除去した。アッシングの条件
は、反応ガス圧０．５Ｔｏｒｒ、ＲＦパワー５０Ｗであ
った。残ったスラリーの固化物に、５００℃において仮
焼成を施し、さらに１１００℃において本焼成を施し
た。焼成によりＰＺＴ焼結体からなる微細構造体が得ら
れた。得られた構造体の形状を図１４（ｂ）および図１
５（ｂ）に示す。微細ＰＺＴアレイ構造体６８におい
て、板状の台座部６８ａから円柱形状または角柱形状の
微細な柱６８ｂが多数延びている。本焼成によって約８
５％収縮するため、柱６８ｂの断面は直径２５μｍの円
であるか１辺の長さが２５μｍの正方形である。板状の
台座部６８′ａからは円錐台または角錐台形状の微細な
柱６８′ｂが多数延びている。柱６８′ｂの上面は、直
径２５μｍの円であるかまたは１辺が２５μｍの正方形
である。柱６８ｂおよび６８′ｂの高さは１５０μｍで
ある。柱６８ｂおよび６８′ｂは、いずれも２５μｍの
間隔で配列されている。(2) Preparation of Ceramic Microstructure A microstructure made of a PZT sintered body was formed according to the process shown in FIGS. First, a resin was filled in the obtained mold. An acrylic resin composed of polymethyl methacrylate (PMMA) was used as the resin. The syrup-shaped acrylic resin was poured into a mold, heated and cured, and then cooled to room temperature to separate the resin from the mold, thereby obtaining a resin mold. The resin mold is obtained by inverting the shape of a desired fine structure. Next, a slurry containing PZT particles was filled in a resin mold. The slurry was prepared using water and an organic binder. Next, the filled slurry was solidified by drying. Subsequently, ashing using oxygen plasma was performed to remove the resin mold. Ashing conditions were a reaction gas pressure of 0.5 Torr and an RF power of 50 W. The solidified product of the remaining slurry was calcined at 500 ° C., and further calcined at 1100 ° C. By firing, a fine structure made of a PZT sintered body was obtained. FIG. 14 (b) and FIG.
This is shown in FIG. In the fine PZT array structure 68, a large number of column-shaped or prism-shaped fine columns 68b extend from the plate-shaped pedestal portion 68a. Approximately 8
Since the column 68b contracts by 5%, the cross section of the column 68b is a circle having a diameter of 25 μm or a square having a side length of 25 μm. From the plate-shaped pedestal portion 68'a, a large number of fine columns 68'b in the shape of a truncated cone or truncated pyramid extend. The upper surface of the pillar 68'b is a circle having a diameter of 25 μm or a square having a side of 25 μm. The height of columns 68b and 68'b is 150 μm. The columns 68b and 68'b are both arranged at intervals of 25 μm.
【００５３】このようにして作製したＰＺＴアレイに樹
脂を含浸することで、複合圧電材料を作製することがで
きた。作製方法は、たとえば図５および１０に示すとお
りである。樹脂にはエポキシ樹脂を用いた。図５（ａ）
および図１０（ａ）に示すように、カップ１２０にＰＺ
Ｔアレイ１２１を入れ、上からエポキシ樹脂１２２を真
空下で含浸した。これを加熱して樹脂を硬化させ、固め
たものをカップ１２０から取出した（図５（ｂ）および
図１０（ｂ））。続いて、図５および図１０の（ｃ）お
よび（ｄ）に示すように、ＰＺＴアレイの高さや幅を超
えた樹脂部分およびＰＺＴアレイの台座部分を研削や研
磨によって除去すると、複合圧電材料１２３を形成する
ことができた。得られた複合圧電材料の厚みは１００μ
ｍであった。By impregnating the PZT array produced as described above with a resin, a composite piezoelectric material could be produced. The fabrication method is, for example, as shown in FIGS. Epoxy resin was used as the resin. FIG. 5 (a)
As shown in FIG. 10A and FIG.
The T array 121 was put in, and the epoxy resin 122 was impregnated under vacuum from above. This was heated to cure the resin, and the solidified product was taken out of the cup 120 (FIGS. 5B and 10B). Subsequently, as shown in FIGS. 5 and 10C and 10D, when the resin portion exceeding the height and width of the PZT array and the pedestal portion of the PZT array are removed by grinding or polishing, the composite piezoelectric material 123 is removed. Could be formed. The thickness of the obtained composite piezoelectric material is 100 μ
m.
【００５４】このようにして調製した複合圧電材料の両
面に金をスパッタ蒸着して電極を形成した。分極を行な
った後、カッティングを行ない、５ｍｍ×５ｍｍの寸法
の超音波探触子を得た。得られた探触子の特性を測定し
たところ、縦振動モードの電気機械結合係数Ｋｔは６０
〜６５％であり、ＰＺＴ単体において得られる値４３〜
４５％を大きく上回っていた。縦振動の歪み圧電定数ｄ
38はおよそ３００×１０-12 ｍ／Ｖであり、この値はＰ
ＺＴ単体の約８割であった。横振動モードに関しては、
Ｋ31が１５％程度、ｄ31が６０×１０-12 ｍ／Ｖであ
り、これはＰＺＴ単体の１／４〜１／３であった。これ
により、画像診断で支障となる横振動モードが抑制さ
れ、必要な縦振動モードはＰＺＴと大差がないことがわ
かった。また、縦振動の感度を与える電圧圧電定数ｇ33
は、１００〜１２０×１０-3Ｖｍ／Ｎであり、これはＰ
ＺＴ単体の２３×１０-3Ｖｍ／Ｍの４〜５倍程度であ
る。したがって、得られた複合圧電材料はＰＺＴ単体の
ものよりも感度が高い。得られた複合圧電材料の音響イ
ンピーダンスについては、１０Ｍｒａｙｌの計算値が得
られた。これは、ＰＺＴ単体の場合の３０Ｍｒａｙｌよ
りもはるかに生体の場合の１．５Ｍｒａｙｌ（ただし骨
は４〜８Ｍｒａｙｌ）に近い。Gold was sputter-deposited on both surfaces of the composite piezoelectric material thus prepared to form electrodes. After polarization, cutting was performed to obtain an ultrasonic probe having a size of 5 mm × 5 mm. When the characteristics of the obtained probe were measured, the electromechanical coupling coefficient Kt in the longitudinal vibration mode was 60%.
~ 65%, the value obtained from PZT alone 43 ~
That was well over 45%. Distortion piezoelectric constant d of longitudinal vibration
38 is about 300 × 10 −12 m / V, and this value is
It was about 80% of ZT alone. Regarding the lateral vibration mode,
K 31 was about 15% and d 31 was 60 × 10 −12 m / V, which was ４ to の of PZT alone. As a result, it was found that the transverse vibration mode that hinders the image diagnosis was suppressed, and the necessary longitudinal vibration mode was not much different from PZT. Also, a voltage piezoelectric constant g 33 that gives the sensitivity to longitudinal vibration
Is 100 to 120 × 10 −3 Vm / N, which is P
It is about 4 to 5 times of 23 × 10 −3 Vm / M of ZT alone. Therefore, the obtained composite piezoelectric material has higher sensitivity than that of PZT alone. Regarding the acoustic impedance of the obtained composite piezoelectric material, a calculated value of 10 Mrayl was obtained. This is much closer to 1.5 Mrayl in the case of a living body (however, bone is 4 to 8 Mrayl) than 30 Mrayl in the case of PZT alone.
【００５５】横振動の周波数定数については、使用周波
数帯域でのヤング率が５．５×１０ 8 Ｐａ以下であれ
ば、周波数定数５６０ｋＨｚ・ｍｍ以下となり、ヤング
率が２．４×１０9 Ｐａ以上であれば周波数定数９４０
ｋＨｚ・ｍｍ以上となることが実験から示され、横振動
の周波数定数を５６０〜９４０ｋＨｚ・ｍｍの範囲の外
で制御することが可能であることがわかった。その実験
結果を図１６に示す。しかし実際は、製造プロセスの都
合から後者の条件の樹脂を使用する方が望ましい。ま
た、使用する周波数帯域が中心周波数の５０％以上の場
合には、それに応じた周波数定数が得られるよう、樹脂
のヤング率を制御することが必要である。Regarding the frequency constant of the lateral vibration,
5.5 × 10 Young's modulus in several bands 8Pa or less
If the frequency constant is 560 kHz · mm or less,
The rate is 2.4 × 109If Pa or more, frequency constant 940
Experiments show that the frequency is higher than kHz
Out of the range of 560 to 940 kHz · mm
It was found that it was possible to control with. The experiment
FIG. 16 shows the results. In practice, however, the capital of the manufacturing process
It is preferable to use the resin of the latter condition from the case. Ma
If the frequency band used is 50% or more of the center frequency,
In order to obtain the corresponding frequency constant,
It is necessary to control the Young's modulus.
【００５６】[0056]
【発明の効果】以上述べてきたように、本発明によれ
ば、より高い周波数で使用することのできる複合圧電材
料を提供することができる。本発明による複合圧電材料
は、高い分解能を必要とする超音波探触子に適してい
る。本発明は、フェーズドアレイ電子セクタスキャン方
式およびリニアスキャン方式で使用される超音波プロー
ブにそれぞれ適した複合圧電材料を提供するものであ
る。本発明は、特に医療用超音波画像診断装置の探触子
に適した複合圧電材料を提供するものであるが、その用
途は特にこれに限定されるものではない。本発明はま
た、上述したような優れた能力を有する複合圧電材料を
高い歩留りで製造できる方法を提供する。As described above, according to the present invention, a composite piezoelectric material which can be used at a higher frequency can be provided. The composite piezoelectric material according to the present invention is suitable for an ultrasonic probe requiring high resolution. The present invention provides a composite piezoelectric material suitable for an ultrasonic probe used in a phased array electronic sector scan system and a linear scan system. The present invention provides a composite piezoelectric material particularly suitable for a probe of a medical ultrasonic diagnostic imaging apparatus, but its use is not particularly limited to this. The present invention also provides a method capable of producing a composite piezoelectric material having excellent performance as described above with high yield.
【図１】複合圧電材料の一般的な構造を示す斜視図であ
る。FIG. 1 is a perspective view showing a general structure of a composite piezoelectric material.
【図２】複合圧電材料を製造するための従来のプロセス
を示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view showing a conventional process for manufacturing a composite piezoelectric material.
【図３】本発明による製造プロセスの一例を説明する概
略断面図である。FIG. 3 is a schematic sectional view illustrating an example of a manufacturing process according to the present invention.
【図４】本発明による製造プロセスの一例を示す概略断
面図である。FIG. 4 is a schematic sectional view showing an example of a manufacturing process according to the present invention.
【図５】本発明による製造プロセスの一例を示す概略断
面図である。FIG. 5 is a schematic sectional view showing an example of a manufacturing process according to the present invention.
【図６】本発明による製造プロセスのもう一つの例を示
す概略断面図である。FIG. 6 is a schematic sectional view showing another example of the manufacturing process according to the present invention.
【図７】ＳＲ光について直進光と回折光とがなす角度を
示す模式図である。FIG. 7 is a schematic diagram illustrating an angle formed between straight-traveling light and diffracted light with respect to SR light.
【図８】本発明によるもう一つの製造プロセスにおいて
Ｘ線リソグラフィーにより得られたレジストパターンの
形状を示す概略断面図である。FIG. 8 is a schematic sectional view showing a shape of a resist pattern obtained by X-ray lithography in another manufacturing process according to the present invention.
【図９】本発明による製造プロセスのもう一つの具体例
を示す概略断面図である。FIG. 9 is a schematic sectional view showing another specific example of the manufacturing process according to the present invention.
【図１０】本発明による製造プロセスのもう一つの具体
例を示す概略断面図である。FIG. 10 is a schematic sectional view showing another embodiment of the manufacturing process according to the present invention.
【図１１】従来法により傾斜した壁を有する構造体を製
造するための方法を示す概略断面図である。FIG. 11 is a schematic sectional view showing a method for manufacturing a structure having inclined walls by a conventional method.
【図１２】もう一つの従来法により、傾斜した壁を有す
る構造体を製造するプロセスを示す概略断面図である。FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing a process for manufacturing a structure having inclined walls according to another conventional method.
【図１３】従来法を用いて本発明と同様の傾斜した壁を
有する構造体を得るための工程を示す概略断面図であ
る。FIG. 13 is a schematic sectional view showing a process for obtaining a structure having inclined walls similar to the present invention using a conventional method.
【図１４】実施例により得られた金型およびＰＺＴアレ
イ構造体の形状を示す部分断面図である。FIG. 14 is a partial cross-sectional view showing the shapes of a mold and a PZT array structure obtained according to an example.
【図１５】実施例により得られた金型およびＰＺＴアレ
イ構造体の他の形状を示す部分断面図である。FIG. 15 is a partial cross-sectional view showing another shape of the mold and the PZT array structure obtained in the example.
【図１６】本発明により得られる複合圧電材料に関し、
樹脂ヤング率と横振動モードの周波数定数との関係を示
す図である。FIG. 16 relates to a composite piezoelectric material obtained by the present invention,
FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship between a resin Young's modulus and a frequency constant of a transverse vibration mode.
１ 基板 ２ 樹脂層 ３ マスク ５ 金属 ５′ 金型 ７ 樹脂 ７′ 樹脂型 ８ セラミックス材料 ８′ セラミックスからなる微細構造体 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Resin layer 3 Mask 5 Metal 5 'Die 7 Resin 7' Resin mold 8 Ceramic material 8 'Fine structure made of ceramics
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 41/22 Ｈ０１Ｌ 41/22 Ｃ Ｈ０４Ｒ 17/00 ３３０ Ｚ Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification number Reference number in the agency FI Technical display location H01L 41/22 H01L 41/22 C H04R 17/00 330 Z
Claims (8)
が、それぞれの長手方向が互いに平行になるよう間隔を
空けて有機ポリマー材料からなるマトリックス中に配列
された構造を有する複合圧電材料であって、 前記柱状体の前記長手方向にほぼ垂直な断面が、１辺が
７５μｍ以下の正方形、またはそれと同等の面積となる
円もしくは多角形であることを特徴とする、複合圧電材
料。1. A composite piezoelectric material having a structure in which a plurality of columnar bodies made of piezoelectric ceramics are arranged in a matrix made of an organic polymer material at intervals so that their respective longitudinal directions are parallel to each other, A composite piezoelectric material, wherein a cross section of the columnar body substantially perpendicular to the longitudinal direction is a square having a side of 75 μm or less, or a circle or polygon having an area equivalent thereto.
断面における最大幅に対する前記柱状体の長さの比が、
２以上であることを特徴とする、請求項１記載の複合圧
電材料。2. A ratio of a length of the columnar body to a maximum width in a cross section of the columnar body substantially perpendicular to the longitudinal direction,
2. The composite piezoelectric material according to claim 1, wherein the number is two or more.
断面における最大幅に対する前記柱状体の長さの比が、
３．３以上であることを特徴とする、請求項１記載の複
合圧電材料。3. A ratio of a length of the columnar body to a maximum width in a cross section of the columnar body substantially perpendicular to the longitudinal direction,
3. The composite piezoelectric material according to claim 1, wherein the composite piezoelectric material has a ratio of 3.3 or more.
ミックスの体積百分率が１０〜３０％の範囲内であるこ
とを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項記載の複
合圧電材料。4. The composite piezoelectric material according to claim 1, wherein a volume percentage of said piezoelectric ceramic in said composite piezoelectric material is in a range of 10 to 30%.
波数定数が、５６０ｋＨｚ・ｍｍ〜９４０ｋＨｚ・ｍｍ
の外にあることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか
１項記載の複合圧電材料。5. A frequency constant in a direction perpendicular to a longitudinal direction of the columnar body is 560 kHz · mm to 940 kHz · mm.
The composite piezoelectric material according to any one of claims 1 to 4, wherein the composite piezoelectric material is outside of the following.
であり、前記円錐台または角錐台のテーパ角度が０．１
°〜２０°の範囲内であることを特徴とする、請求項１
〜５のいずれか１項記載の複合圧電材料。6. The columnar body has a shape of a truncated cone or a truncated pyramid, and a taper angle of the truncated cone or the truncated pyramid is 0.1.
The angle is in the range of 20 ° to 20 °.
6. The composite piezoelectric material according to any one of items 5 to 5.
が、それぞれの長手方向が互いに平行になるよう間隔を
空けて有機ポリマー材料からなるマトリックス中に配列
された構造を有する複合圧電材料の製造方法であって、 基板上にリソグラフィのための樹脂材料からなる層を形
成する工程と、 前記樹脂材料からなる層に、１辺が８８μｍ以下の正方
形またはそれと同等の面積となる円もしくは多角形が複
数、間隔を空けて配列されたパターンを有するレジスト
パターン形成のためのマスクを介して、シンクロトロン
放射によるＸ線を照射する工程と、 前記樹脂材料からなる層を現像する工程と、 現像によりパターン形成された樹脂材料上に金属材料を
堆積させる工程と、 前記樹脂材料を除去して前記パターン形成された樹脂材
料の形状が転写された前記金属材料からなる型を得る工
程と、 得られた金型に樹脂材料を充填する工程と、 前記金型から前記樹脂材料を抜取り、前記金型の形状が
転写された樹脂型を得る工程と、 得られた樹脂型にセラミックスを生成させるための材料
を充填し、固化させる工程と、 前記樹脂型を、樹脂を溶融状態にすることなく気化また
は昇華させるか、または溶剤に溶解させることにより、
除去する工程と、 残った固化物を加熱して、断面が１辺が７５μｍ以下の
正方形またはそれと同等の面積となる円もしくは多角形
である複数の柱状体が間隔を空けて台座部から延びた構
造を有するセラミックス構造体を得る工程と、 得られたセラミックス構造体上に有機ポリマー材料を付
着させる工程と、 有機ポリマー材料が付着したセラミックス構造体から、
前記台座部を除去して、前記複数の柱状体が前記有機ポ
リマー材料中に間隔を空けて配列された複合材料を得る
工程とを備える、複合圧電材料の製造方法。7. A method of manufacturing a composite piezoelectric material having a structure in which a plurality of columnar bodies made of piezoelectric ceramics are arranged in a matrix made of an organic polymer material at intervals so that their longitudinal directions are parallel to each other. A step of forming a layer made of a resin material for lithography on a substrate; and a plurality of circles or polygons each having a square of 88 μm or less or an area equivalent to the square, A step of irradiating X-rays by synchrotron radiation through a mask for forming a resist pattern having a pattern arranged at intervals, a step of developing the layer made of the resin material, and a step of forming a pattern by development. Depositing a metal material on the resin material that has been removed, and removing the resin material to change the shape of the patterned resin material. Obtaining a mold of the copied metal material, filling the obtained mold with a resin material, extracting the resin material from the mold, and transferring the resin mold onto which the shape of the mold has been transferred. Obtaining, filling the obtained resin mold with a material for forming ceramics, and solidifying; and evaporating or sublimating the resin mold without bringing the resin into a molten state, or dissolving it in a solvent. By doing
The step of removing, and heating the remaining solidified material, a plurality of columnar bodies each having a cross section of a square having a side of 75 μm or less or a circle or polygon having an area equivalent thereto extended from the pedestal portion at intervals. A step of obtaining a ceramic structure having a structure; a step of attaching an organic polymer material onto the obtained ceramic structure; and a step of attaching the organic polymer material to the ceramic structure.
Removing the pedestal portion to obtain a composite material in which the plurality of columnar bodies are arranged at intervals in the organic polymer material.
射する工程は、前記シンクロトロン放射光の前記マスク
を介する回折光が前記樹脂材料からなる層に十分照射さ
れるよう、前記マスクと前記樹脂材料からなる層との間
に所定の間隔を設ける工程を備え、 前記回折光を伴う露光により前記樹脂材料において前記
基板から遠ざかるに従い開口面積が大きくなった孔が得
られることを特徴とする、請求項７記載の製造方法。8. The step of irradiating the synchrotron radiation with the X-rays includes the step of irradiating the mask and the resin material such that the diffracted light of the synchrotron radiation through the mask is sufficiently irradiated to the layer made of the resin material. A step of providing a predetermined interval between the resin material and the layer made of, wherein the exposure with the diffracted light provides a hole in the resin material, the opening area of which increases with distance from the substrate. 7. The production method according to 7.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20195996A JP3882231B2 (en) | 1996-07-31 | 1996-07-31 | Manufacturing method of composite piezoelectric material |
Applications Claiming Priority (1)
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