JPH11187492A - 複合超音波変換器 - Google Patents
複合超音波変換器Info
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- JPH11187492A JPH11187492A JP10264548A JP26454898A JPH11187492A JP H11187492 A JPH11187492 A JP H11187492A JP 10264548 A JP10264548 A JP 10264548A JP 26454898 A JP26454898 A JP 26454898A JP H11187492 A JPH11187492 A JP H11187492A
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Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
- B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
- B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
- B06B1/0622—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface
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- Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 不所望な横モード共振が抑制されかつ容易に
作製され得る複合超音波変換器を提供する。 【解決手段】 複合超音波変換器（１ｂ）において、樹
脂板（３ｂ）に含まれる複数の圧電セラミック柱（２
ｂ）の各々は円形形状の横断面を有するとともに樹脂板
（３ｂ）をその厚さ方向に貫通しており、樹脂板（３
ｂ）の一主面において圧電セラミック柱（２ｂ）の中心
軸が正三角形網の結節点に対応する位置に配置されてい
る。
作製され得る複合超音波変換器を提供する。 【解決手段】 複合超音波変換器（１ｂ）において、樹
脂板（３ｂ）に含まれる複数の圧電セラミック柱（２
ｂ）の各々は円形形状の横断面を有するとともに樹脂板
（３ｂ）をその厚さ方向に貫通しており、樹脂板（３
ｂ）の一主面において圧電セラミック柱（２ｂ）の中心
軸が正三角形網の結節点に対応する位置に配置されてい
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、樹脂板中に複数
の圧電セラミック柱が規則的に配列された複合超音波変
換器に関するものである。このような複合超音波変換器
は、医療用の超音波診断装置や工業的な非破壊検査装置
に利用され得るものである。
の圧電セラミック柱が規則的に配列された複合超音波変
換器に関するものである。このような複合超音波変換器
は、医療用の超音波診断装置や工業的な非破壊検査装置
に利用され得るものである。
【０００２】
【従来の技術】超音波変換器として、古くから圧電セラ
ミック板が用いられてきた。しかし、圧電セラミック板
の音響インピーダンスは約３０ＭＲａｙｌであって生物
体における約１．５ＭＲａｙｌに比べてはるかに高く、
圧電セラミック板から生物体内へ超音波が伝達される効
率が低いという問題がある。また、ポリフッ化ビニリデ
ンのような圧電樹脂に比べて、圧電セラミック板におい
ては、電気信号を超音波信号に変換する効率は高いが、
超音波信号を受信して電気信号に変換する効率が低いと
いう問題もある。これらの問題に鑑み、複数の小さな圧
電セラミック柱の配列を含む樹脂板からなる複合超音波
変換器が提案されて検討されてきた（たとえば、IEEE T
rans. Sonics Ultrasonics, Vol.SU-32, 1985, pp.481-
497 参照）。
ミック板が用いられてきた。しかし、圧電セラミック板
の音響インピーダンスは約３０ＭＲａｙｌであって生物
体における約１．５ＭＲａｙｌに比べてはるかに高く、
圧電セラミック板から生物体内へ超音波が伝達される効
率が低いという問題がある。また、ポリフッ化ビニリデ
ンのような圧電樹脂に比べて、圧電セラミック板におい
ては、電気信号を超音波信号に変換する効率は高いが、
超音波信号を受信して電気信号に変換する効率が低いと
いう問題もある。これらの問題に鑑み、複数の小さな圧
電セラミック柱の配列を含む樹脂板からなる複合超音波
変換器が提案されて検討されてきた（たとえば、IEEE T
rans. Sonics Ultrasonics, Vol.SU-32, 1985, pp.481-
497 参照）。
【０００３】初期の複合超音波変換器は、長手方向の軸
に直交する断面において円形形状を有する圧電セラミッ
ク柱を配列し、それらのセラミック柱間を樹脂で充填す
ることによって作製されていた。そして、それらの圧電
セラミック柱は約３００μｍ以上の横断面直径を有して
いた。ところで、複合超音波変換器の種々の特性が圧電
セラミック柱の寸法や超音波の周波数などに依存するこ
とが知られている。たとえば、より高い周波数の領域で
使用される複合超音波変換器においては、その感度特性
の観点から、より小さな横断面積を有する圧電セラミッ
ク柱を用いる必要がある。このような事情から、２．５
ＭＨｚ以上の周波数領域の超音波を利用する医療用超音
波診断技術分野においては、３００μｍ以上の横断面直
径を有する圧電セラミック柱の配列を含む複合超音波変
換器は使用されていない。
に直交する断面において円形形状を有する圧電セラミッ
ク柱を配列し、それらのセラミック柱間を樹脂で充填す
ることによって作製されていた。そして、それらの圧電
セラミック柱は約３００μｍ以上の横断面直径を有して
いた。ところで、複合超音波変換器の種々の特性が圧電
セラミック柱の寸法や超音波の周波数などに依存するこ
とが知られている。たとえば、より高い周波数の領域で
使用される複合超音波変換器においては、その感度特性
の観点から、より小さな横断面積を有する圧電セラミッ
ク柱を用いる必要がある。このような事情から、２．５
ＭＨｚ以上の周波数領域の超音波を利用する医療用超音
波診断技術分野においては、３００μｍ以上の横断面直
径を有する圧電セラミック柱の配列を含む複合超音波変
換器は使用されていない。
【０００４】ところで、１９８０年ごろの半導体技術分
野において、シリコン基板を切断するために、ダイヤモ
ンド砥石を用いるダイシング技術が利用され始めた。こ
のダイシング技術は、２．５ＭＨｚ以上の周波数領域に
おいても使用可能な複合超音波変換器を作製するために
も利用された。
野において、シリコン基板を切断するために、ダイヤモ
ンド砥石を用いるダイシング技術が利用され始めた。こ
のダイシング技術は、２．５ＭＨｚ以上の周波数領域に
おいても使用可能な複合超音波変換器を作製するために
も利用された。
【０００５】たとえば、特開昭５８−２２０４６によれ
ば、まず圧電セラミック板がフェライト基板上に接着さ
れ、そのセラミック板はダイシング技術を利用して３０
０μｍのピッチで縦横に切断される。その結果、約１５
０μｍ×１５０μｍの正方形横断面を有する複数の圧電
セラミック柱が、フェライト基板上で正方形網の結節点
に対応する位置に配列（以下「正方形網配列」と称す）
として形成される。そして、圧電セラミック柱間の切断
溝が樹脂層で埋め合わされた後に、その樹脂層とともに
複数の圧電セラミック柱をフェライト基板から分離する
ことによって、図５（Ａ）の模式的な平面図と図５
（Ｂ）の模式的な側面図に示されているような板状の複
合超音波変換器１が得られる。すなわち、この複合超音
波変換器１においては、正方形横断面を有する複数の微
細な圧電セラミック柱２が、樹脂板３内において正方形
網配列されている。
ば、まず圧電セラミック板がフェライト基板上に接着さ
れ、そのセラミック板はダイシング技術を利用して３０
０μｍのピッチで縦横に切断される。その結果、約１５
０μｍ×１５０μｍの正方形横断面を有する複数の圧電
セラミック柱が、フェライト基板上で正方形網の結節点
に対応する位置に配列（以下「正方形網配列」と称す）
として形成される。そして、圧電セラミック柱間の切断
溝が樹脂層で埋め合わされた後に、その樹脂層とともに
複数の圧電セラミック柱をフェライト基板から分離する
ことによって、図５（Ａ）の模式的な平面図と図５
（Ｂ）の模式的な側面図に示されているような板状の複
合超音波変換器１が得られる。すなわち、この複合超音
波変換器１においては、正方形横断面を有する複数の微
細な圧電セラミック柱２が、樹脂板３内において正方形
網配列されている。
【０００６】しかし、このような複合超音波変換器１に
おいては、板状変換器１の厚さ方向における所望の縦モ
ードの超音波振動を生じる他に、その主面に平行な方向
における不所望な横モードの高周波共振をも生じるとい
う問題がある。そして、たとえば超音波診断において用
いられる縦モードの超音波振動の周波数帯に近い周波数
範囲内で横モードの共振が生じる場合、その横モード共
振が縦モード共振による超音波の横方向への広がりを助
長し、超音波像の分解能を低下させる。したがって、こ
のような分解能の低下を避けるためには、診断に用いら
れる中心周波数は横モード共振周波数の１／２以下に制
限される。そして、使用される超音波の周波数の低下に
よっても、超音波像の分解能が低下する。
おいては、板状変換器１の厚さ方向における所望の縦モ
ードの超音波振動を生じる他に、その主面に平行な方向
における不所望な横モードの高周波共振をも生じるとい
う問題がある。そして、たとえば超音波診断において用
いられる縦モードの超音波振動の周波数帯に近い周波数
範囲内で横モードの共振が生じる場合、その横モード共
振が縦モード共振による超音波の横方向への広がりを助
長し、超音波像の分解能を低下させる。したがって、こ
のような分解能の低下を避けるためには、診断に用いら
れる中心周波数は横モード共振周波数の１／２以下に制
限される。そして、使用される超音波の周波数の低下に
よっても、超音波像の分解能が低下する。
【０００７】一般に、複合超音波変換器において、横モ
ード共振の周波数は圧電セラミック柱の配列のピッチと
反比例の関係にあるので、横モード共振の周波数を高め
るにはその配列ピッチを微細化していけばよい。また、
図５（Ａ）と（Ｂ）に示されているような複合超音波変
換器１においては、正方形横断面を有する任意の１つの
圧電セラミック柱２の任意の１つの側面がそのセラミッ
ク柱に最近接に配置されたもう１つのセラミック柱の１
つの側面に対して平行に対面している。そして、このよ
うに近接して互いに平行に対面している側面間の相互作
用によって横モード共振が生じやすくなると考えられて
いる。
ード共振の周波数は圧電セラミック柱の配列のピッチと
反比例の関係にあるので、横モード共振の周波数を高め
るにはその配列ピッチを微細化していけばよい。また、
図５（Ａ）と（Ｂ）に示されているような複合超音波変
換器１においては、正方形横断面を有する任意の１つの
圧電セラミック柱２の任意の１つの側面がそのセラミッ
ク柱に最近接に配置されたもう１つのセラミック柱の１
つの側面に対して平行に対面している。そして、このよ
うに近接して互いに平行に対面している側面間の相互作
用によって横モード共振が生じやすくなると考えられて
いる。
【０００８】このような状況とＸ線リソグラフィ技術の
進歩に伴って、特開平４−２３２４２５（米国特許５，
１６４，９２０）は、Ｘ線リソグラフィを利用して作製
されるべき図７に示されているような複合超音波変換器
を提案している。図７は斜め透視図であり、複合超音波
変換器１ａは、樹脂板３ａ内で規則的に配列された複数
のテーパ付の圧電セラミック柱２ａを含んでいる。すな
わち、テーパ付圧電セラミック柱２ａの各々は、その長
手方向の中心軸を含む縦断面において台形形状を有し、
その中心軸に直交する横断面において正六角形形状を有
している。
進歩に伴って、特開平４−２３２４２５（米国特許５，
１６４，９２０）は、Ｘ線リソグラフィを利用して作製
されるべき図７に示されているような複合超音波変換器
を提案している。図７は斜め透視図であり、複合超音波
変換器１ａは、樹脂板３ａ内で規則的に配列された複数
のテーパ付の圧電セラミック柱２ａを含んでいる。すな
わち、テーパ付圧電セラミック柱２ａの各々は、その長
手方向の中心軸を含む縦断面において台形形状を有し、
その中心軸に直交する横断面において正六角形形状を有
している。
【０００９】各圧電セラミック柱２ａが六角形形状の横
断面を有している理由は、樹脂板３ａ内にセラミック柱
２ａを密に配置するためである。他方、各圧電セラミッ
ク柱２ａがテーパ付けられている理由は、六角形断面を
有する任意の１つのセラミック柱２ａの１つの側面がそ
のセラミック柱に対して最近接に配置されたもう１つの
セラミック柱の１つの側面に対して平行に対面すること
なく、テーパ角の２倍の角度を介して対面するようにす
るためである。すなわち、最近接に対面している側面が
相互に平行でないので、それらの側面間の相互作用が低
減して、不所望な横モード共振が抑制され得ると考えら
れている。
断面を有している理由は、樹脂板３ａ内にセラミック柱
２ａを密に配置するためである。他方、各圧電セラミッ
ク柱２ａがテーパ付けられている理由は、六角形断面を
有する任意の１つのセラミック柱２ａの１つの側面がそ
のセラミック柱に対して最近接に配置されたもう１つの
セラミック柱の１つの側面に対して平行に対面すること
なく、テーパ角の２倍の角度を介して対面するようにす
るためである。すなわち、最近接に対面している側面が
相互に平行でないので、それらの側面間の相互作用が低
減して、不所望な横モード共振が抑制され得ると考えら
れている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】ここで、不所望の横モ
ード共振は、圧電セラミック柱２ａのテーパ角が大きい
ほど、より効果的に抑制され得ると考えられる。しか
し、テーパ角をあまり大きくすれば、圧電セラミック柱
２ａの長手方向における所望の縦振動モードに不均一性
が導入されるおそれがある。また、Ｘ線リソグラフィを
利用しても、正確に制御されたテーパ角や六角形横断面
を有する微細な圧電セラミック柱２ａを形成することは
困難である。
ード共振は、圧電セラミック柱２ａのテーパ角が大きい
ほど、より効果的に抑制され得ると考えられる。しか
し、テーパ角をあまり大きくすれば、圧電セラミック柱
２ａの長手方向における所望の縦振動モードに不均一性
が導入されるおそれがある。また、Ｘ線リソグラフィを
利用しても、正確に制御されたテーパ角や六角形横断面
を有する微細な圧電セラミック柱２ａを形成することは
困難である。
【００１１】そこで、本発明は、不所望な横モード共振
が十分に抑制されかつ比較的容易に作製され得る複合超
音波変換器を提供することを目的としている。
が十分に抑制されかつ比較的容易に作製され得る複合超
音波変換器を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明による複合超音波
変換器は、樹脂板とその中で規則的に配列された複数の
微細な圧電セラミック柱とを含み、それらの圧電セラミ
ック柱の各々はその長手方向の中心軸に直交する断面内
で実質的に円形形状を有するとともに樹脂板をその厚さ
方向に実質的に貫通しており、樹脂板の一主面において
複数の圧電セラミック柱の中心軸が正三角形網の結節点
に実質的に対応する位置に配列されていることを特徴と
している。
変換器は、樹脂板とその中で規則的に配列された複数の
微細な圧電セラミック柱とを含み、それらの圧電セラミ
ック柱の各々はその長手方向の中心軸に直交する断面内
で実質的に円形形状を有するとともに樹脂板をその厚さ
方向に実質的に貫通しており、樹脂板の一主面において
複数の圧電セラミック柱の中心軸が正三角形網の結節点
に実質的に対応する位置に配列されていることを特徴と
している。
【００１３】
【発明の実施の形態】図１（Ａ）の平面図と図１（Ｂ）
の側面図において、本発明の実施の形態による複合超音
波変換器の一例が模式的に図解されている。この複合超
音波変換器１ｂにおいて、樹脂板３ｂ中に複数の圧電セ
ラミック柱２ｂが規則的に配列されている。圧電セラミ
ック柱２ｂの各々は、その長手方向の中心軸を含む縦断
面において長方形形状を有し、その中心軸に直交する横
断面において円形形状を有している。すなわち、各圧電
セラミック柱２ｂはテーパ付けられてはおらず、一定の
横断面直径を有している。これらの圧電セラミック柱２
ｂの中心軸は、樹脂板３ｂの一主面において、正三角形
網の結節点に対応する位置に配置されている（以下「正
三角形網配列」と称す）。
の側面図において、本発明の実施の形態による複合超音
波変換器の一例が模式的に図解されている。この複合超
音波変換器１ｂにおいて、樹脂板３ｂ中に複数の圧電セ
ラミック柱２ｂが規則的に配列されている。圧電セラミ
ック柱２ｂの各々は、その長手方向の中心軸を含む縦断
面において長方形形状を有し、その中心軸に直交する横
断面において円形形状を有している。すなわち、各圧電
セラミック柱２ｂはテーパ付けられてはおらず、一定の
横断面直径を有している。これらの圧電セラミック柱２
ｂの中心軸は、樹脂板３ｂの一主面において、正三角形
網の結節点に対応する位置に配置されている（以下「正
三角形網配列」と称す）。
【００１４】図２と図３の模式的な断面図において、図
１に示されているような複合超音波変換器の製造工程の
一例が示されている。
１に示されているような複合超音波変換器の製造工程の
一例が示されている。
【００１５】まず図２（Ａ）において、導電性基板１０
上にＸ線感受性レジスト層１１が形成される。このレジ
スト層１１にはＸ線マスク１２を介してシンクロトロン
放射光（ＳＲ）が照射される。Ｘ線マスク１２は、窒化
シリコンからなる厚さ２μｍの支持膜１２ａと、厚さ５
μｍのタングステン膜からなるＸ線吸収体パターン１２
ｂとを含んでいる。Ｘ線吸収体パターン１２ｂは、正三
角形網配列された複数の円形の開口を含んでいる。な
お、Ｘ線マスクとしては、フォトリソグラフィとめっき
によって作製されたステンシルマスク（支持膜を含まな
い金属メッシュ）が用いられてもよい。
上にＸ線感受性レジスト層１１が形成される。このレジ
スト層１１にはＸ線マスク１２を介してシンクロトロン
放射光（ＳＲ）が照射される。Ｘ線マスク１２は、窒化
シリコンからなる厚さ２μｍの支持膜１２ａと、厚さ５
μｍのタングステン膜からなるＸ線吸収体パターン１２
ｂとを含んでいる。Ｘ線吸収体パターン１２ｂは、正三
角形網配列された複数の円形の開口を含んでいる。な
お、Ｘ線マスクとしては、フォトリソグラフィとめっき
によって作製されたステンシルマスク（支持膜を含まな
い金属メッシュ）が用いられてもよい。
【００１６】図２（Ｂ）においては、ＳＲ照射されたレ
ジスト層１１が現像され、レジスト構造体１１ａが形成
される。
ジスト層１１が現像され、レジスト構造体１１ａが形成
される。
【００１７】図２（Ｃ）において、導電性基板１０をめ
っき用電極として用いて、レジスト構造体１１ａをニッ
ケルめっきで覆うことによって、ニッケル金型１３が形
成される。このニッケル金型１３は、正三角形網配列さ
れた複数の微細な円柱を含んでいる。たとえば、それら
の円柱の中心軸は４６μｍの間隔で配列され、各円柱は
３０μｍの横断面直径と３００μｍの高さを有し得る。
っき用電極として用いて、レジスト構造体１１ａをニッ
ケルめっきで覆うことによって、ニッケル金型１３が形
成される。このニッケル金型１３は、正三角形網配列さ
れた複数の微細な円柱を含んでいる。たとえば、それら
の円柱の中心軸は４６μｍの間隔で配列され、各円柱は
３０μｍの横断面直径と３００μｍの高さを有し得る。
【００１８】図２（Ｄ）においては、ニッケル金型１３
を用いて樹脂モールディングを行ない、樹脂型１４が形
成される。金型１３から分離された樹脂型１４は、金型
１３の構造を反映したネガティブ構造を有し、正三角形
網配列された複数の微細な孔を含んでいる。たとえば、
それらの孔の中心軸は４６μｍの間隔で配列され、各孔
は３０μｍの横断直径と３００μｍの深さを有し得る。
を用いて樹脂モールディングを行ない、樹脂型１４が形
成される。金型１３から分離された樹脂型１４は、金型
１３の構造を反映したネガティブ構造を有し、正三角形
網配列された複数の微細な孔を含んでいる。たとえば、
それらの孔の中心軸は４６μｍの間隔で配列され、各孔
は３０μｍの横断直径と３００μｍの深さを有し得る。
【００１９】図２（Ｅ）において、樹脂型１４上に圧電
セラミックのスラリーが充填され、そのスラリーを乾燥
させることによって、圧電セラミックの乾燥ケーキ１５
が形成される。
セラミックのスラリーが充填され、そのスラリーを乾燥
させることによって、圧電セラミックの乾燥ケーキ１５
が形成される。
【００２０】図３（Ａ）において、酸素プラズマ１６を
用いて、セラミックケーキ１５から樹脂型１４が除去さ
れる。
用いて、セラミックケーキ１５から樹脂型１４が除去さ
れる。
【００２１】図３（Ｂ）において、圧電セラミックケー
キ１５をたとえば５００℃で脱バインダした後に１２０
０℃で焼結することによって、少し収縮した焼結圧電セ
ラミック構造体１５ａが得られる。このような焼結圧電
セラミック構造体１５ａに含まれる微細なセラミック柱
の軸の間隔はたとえば約３８μｍであり、各セラミック
柱は約２５μｍの横断面直径と約２５０μｍの高さを有
し得る。
キ１５をたとえば５００℃で脱バインダした後に１２０
０℃で焼結することによって、少し収縮した焼結圧電セ
ラミック構造体１５ａが得られる。このような焼結圧電
セラミック構造体１５ａに含まれる微細なセラミック柱
の軸の間隔はたとえば約３８μｍであり、各セラミック
柱は約２５μｍの横断面直径と約２５０μｍの高さを有
し得る。
【００２２】図３（Ｃ）において、圧電セラミック構造
体１５ａがたとえばエポキシ樹脂１７によって覆われ、
微細なセラミック柱間の空間がその樹脂１７によって充
填される。
体１５ａがたとえばエポキシ樹脂１７によって覆われ、
微細なセラミック柱間の空間がその樹脂１７によって充
填される。
【００２３】図３（Ｄ）においては、複数の微細な圧電
セラミック柱２ｂが所望の高さを有して残るように、セ
ラミック構造体１５ａのベース部分と充填樹脂１７のベ
ース部分とが研磨によって除去される。こうして、樹脂
板３ｂ中に複数の微細な圧電セラミック柱２ｂが規則的
に配列された複合超音波変換器１ｂが得られる。なお、
一般に各圧電セラミック柱の長さが短くなれば、すなわ
ち複合超音波変換器が薄くなれば、縦モード共振による
超音波の周波数が高くなる傾向にある。
セラミック柱２ｂが所望の高さを有して残るように、セ
ラミック構造体１５ａのベース部分と充填樹脂１７のベ
ース部分とが研磨によって除去される。こうして、樹脂
板３ｂ中に複数の微細な圧電セラミック柱２ｂが規則的
に配列された複合超音波変換器１ｂが得られる。なお、
一般に各圧電セラミック柱の長さが短くなれば、すなわ
ち複合超音波変換器が薄くなれば、縦モード共振による
超音波の周波数が高くなる傾向にある。
【００２４】その後、図３（Ｅ）において、複合超音波
変換器１ｂへ電気信号を入力し、またはそこから電気信
号を出力するために、上面電極１８ａと下面電極１８ｂ
が形成される。これらの電極１８ａ，１８ｂの各々は、
たとえば０．１μｍ厚さのクロム層と０．４μｍ厚さの
金層をスパッタリングで積層することによって形成され
得る。
変換器１ｂへ電気信号を入力し、またはそこから電気信
号を出力するために、上面電極１８ａと下面電極１８ｂ
が形成される。これらの電極１８ａ，１８ｂの各々は、
たとえば０．１μｍ厚さのクロム層と０．４μｍ厚さの
金層をスパッタリングで積層することによって形成され
得る。
【００２５】実際に、圧電材料としてのチタンジルコン
酸鉛（ＰＺＴ）と樹脂材料としてのエポキシ樹脂を用い
て、図２と図３に示された工程に従って、図１に示され
ているような複合超音波変換器１ｂが本発明による例１
として作製された。この例１の複合変換器１ｂにおい
て、複数の微細な圧電セラミック柱２ｂの中心軸の間隔
は３８μｍであり、各セラミック柱２ｂは２５μｍの横
断面直径と１１０μｍの高さを有していた。他方、例１
の場合と同様に、ＰＺＴとエポキシ樹脂を用いて図２と
図３に示された工程に従って、図５に示されているよう
な複合超音波変換器１が比較例として実際に作製され
た。この比較例においては、複数の微細な圧電セラミッ
ク柱２の中心軸の間隔は３８μｍであり、各セラミック
柱２は２５μｍ×２５μｍの正方形横断面と１１０μｍ
の高さを有していた。
酸鉛（ＰＺＴ）と樹脂材料としてのエポキシ樹脂を用い
て、図２と図３に示された工程に従って、図１に示され
ているような複合超音波変換器１ｂが本発明による例１
として作製された。この例１の複合変換器１ｂにおい
て、複数の微細な圧電セラミック柱２ｂの中心軸の間隔
は３８μｍであり、各セラミック柱２ｂは２５μｍの横
断面直径と１１０μｍの高さを有していた。他方、例１
の場合と同様に、ＰＺＴとエポキシ樹脂を用いて図２と
図３に示された工程に従って、図５に示されているよう
な複合超音波変換器１が比較例として実際に作製され
た。この比較例においては、複数の微細な圧電セラミッ
ク柱２の中心軸の間隔は３８μｍであり、各セラミック
柱２は２５μｍ×２５μｍの正方形横断面と１１０μｍ
の高さを有していた。
【００２６】これらの例１と比較例とについてテストし
たところ、例１と比較例のいずれにおいても縦モード共
振による超音波周波数として約１２ＭＨｚが観測され
た。しかし、本発明の例１においては、不所望な横モー
ドの共振が観測されなかったが、比較例においては約２
０ＭＨｚの周波数と約２０％の電気機械結合係数を有す
る横モード共振の発生が観測された。
たところ、例１と比較例のいずれにおいても縦モード共
振による超音波周波数として約１２ＭＨｚが観測され
た。しかし、本発明の例１においては、不所望な横モー
ドの共振が観測されなかったが、比較例においては約２
０ＭＨｚの周波数と約２０％の電気機械結合係数を有す
る横モード共振の発生が観測された。
【００２７】ここで、前述のように、複合超音波変換器
において不所望な横モード共振の影響を十分に避けるた
めには、縦モード共振の周波数が横モード共振周波数の
１／２以下であることが必要である。しかし、比較例の
複合超音波変換器において、縦モード共振による超音波
が不所望な横モード共振の周波数である約２０ＭＨｚの
１／２を超える約１２ＭＨｚの周波数を有しているの
で、縦モード共振による超音波が不所望な横モード共振
の影響を受けることが避けられない。
において不所望な横モード共振の影響を十分に避けるた
めには、縦モード共振の周波数が横モード共振周波数の
１／２以下であることが必要である。しかし、比較例の
複合超音波変換器において、縦モード共振による超音波
が不所望な横モード共振の周波数である約２０ＭＨｚの
１／２を超える約１２ＭＨｚの周波数を有しているの
で、縦モード共振による超音波が不所望な横モード共振
の影響を受けることが避けられない。
【００２８】さらに本発明の例２として、例１の複合超
音波変換器における寸法関係のみが変更された複合超音
波変換器が実際に作製された。すなわち、この例２にお
いては、複数の圧電セラミック柱２ｂの中心軸の間隔が
６９μｍであり、各セラミック柱２ｂは４６μｍの横断
面直径と２３０μｍの高さを有していた。そして、この
例２の複合超音波変換器についてテストしたところ、
５．８ＭＨｚの縦モード共振による超音波が観測された
が、２〜１８ＭＨｚの範囲内において横モード共振は観
測されなかった。
音波変換器における寸法関係のみが変更された複合超音
波変換器が実際に作製された。すなわち、この例２にお
いては、複数の圧電セラミック柱２ｂの中心軸の間隔が
６９μｍであり、各セラミック柱２ｂは４６μｍの横断
面直径と２３０μｍの高さを有していた。そして、この
例２の複合超音波変換器についてテストしたところ、
５．８ＭＨｚの縦モード共振による超音波が観測された
が、２〜１８ＭＨｚの範囲内において横モード共振は観
測されなかった。
【００２９】以上のように、正方形横断面を有する圧電
セラミック柱２が正方形網配列されている複合超音波変
換器１においては不所望な横モード共振が生じたのに対
して、円形横断面の圧電セラミック柱２ｂが三角形網配
列された複合超音波変換器１ｂにおいて不所望な横モー
ド共振か観測されなかった理由として、次のような２つ
の理由が考えられる。
セラミック柱２が正方形網配列されている複合超音波変
換器１においては不所望な横モード共振が生じたのに対
して、円形横断面の圧電セラミック柱２ｂが三角形網配
列された複合超音波変換器１ｂにおいて不所望な横モー
ド共振か観測されなかった理由として、次のような２つ
の理由が考えられる。
【００３０】その第１の理由として、図４に示されてい
るように圧電セラミック柱２ｂが円形横断面を有してい
る場合には、それらのセラミック柱２ｂの側面はフラッ
トな面ではなくて曲面で構成されている。すなわち、不
所望な横モード共振が１つの圧電セラミック柱からそれ
に隣接するセラミック柱へそれらの側壁の相互作用を介
して伝播するとき、それらの側壁の間に存在する樹脂層
３ｂの厚さが局所的に変化している。したがって、互い
に隣接するセラミック柱２ｂの側壁間に介在する樹脂層
の厚さの不均一性に起因して、特定の周波数を有する横
方向共振モードが発達して伝播することが抑制されると
考えられる。
るように圧電セラミック柱２ｂが円形横断面を有してい
る場合には、それらのセラミック柱２ｂの側面はフラッ
トな面ではなくて曲面で構成されている。すなわち、不
所望な横モード共振が１つの圧電セラミック柱からそれ
に隣接するセラミック柱へそれらの側壁の相互作用を介
して伝播するとき、それらの側壁の間に存在する樹脂層
３ｂの厚さが局所的に変化している。したがって、互い
に隣接するセラミック柱２ｂの側壁間に介在する樹脂層
の厚さの不均一性に起因して、特定の周波数を有する横
方向共振モードが発達して伝播することが抑制されると
考えられる。
【００３１】第２の理由に関しては、図６に示されてい
るように圧電セラミック柱２が正方形網配列されている
場合には、不所望な横モード共振における定在波の腹の
位置が破線４で示されているように直線になる。他方、
圧電セラミック柱２ｂが三角形網配列されている場合に
は、図４中の破線４ｂで示されているように、不所望な
横モード共振における定在波の腹の位置が正六角網の配
置となる。したがって、図６に示されているように圧電
セラミック柱２が正方形網配列されている場合には定在
波の腹の位置が直線的に連続しているので横モード共振
が生じやすいが、図４に示されているように圧電セラミ
ック柱２ｂが三角網配置されている場合には一方向の定
在波の腹の位置が連続し得ないので横モード共振が抑制
されると考えられる。
るように圧電セラミック柱２が正方形網配列されている
場合には、不所望な横モード共振における定在波の腹の
位置が破線４で示されているように直線になる。他方、
圧電セラミック柱２ｂが三角形網配列されている場合に
は、図４中の破線４ｂで示されているように、不所望な
横モード共振における定在波の腹の位置が正六角網の配
置となる。したがって、図６に示されているように圧電
セラミック柱２が正方形網配列されている場合には定在
波の腹の位置が直線的に連続しているので横モード共振
が生じやすいが、図４に示されているように圧電セラミ
ック柱２ｂが三角網配置されている場合には一方向の定
在波の腹の位置が連続し得ないので横モード共振が抑制
されると考えられる。
【００３２】このように、本発明による複合超音波変換
器１ｂにおいては、各圧電セラミック柱２ｂの円形横断
面の効果とそれらのセラミック柱２ｂの正三角網配列に
よる効果とが相まって、不所望な横モード共振が抑制さ
れて観察され得なかったものと考えられる。
器１ｂにおいては、各圧電セラミック柱２ｂの円形横断
面の効果とそれらのセラミック柱２ｂの正三角網配列に
よる効果とが相まって、不所望な横モード共振が抑制さ
れて観察され得なかったものと考えられる。
【００３３】なお、円形横断面を有する圧電セラミック
柱２ｂは、図７に示されているような六角形横断面を有
する圧電セラミック柱２ａに比べて樹脂板中において密
に配列することに関して不利であると考えられる。しか
し、特開昭６０−９７８００（米国特許４，６８３，３
９６）において述べられているように、複合超音波変換
器はその感度の観点からは樹脂板中で約４０％の体積率
で圧電セラミック柱を含むことが好ましい。実際に、上
述の本発明による例１による複合超音波変換器において
樹脂板中に含まれる圧電セラミック柱の体積率は３９％
である。このように、圧電セラミック柱２ｂが円形横断
面を有していても約４０％の体積率は容易に達成するこ
とができ、六角形横断面の代わりに円形横断面を有する
圧電セラミック柱２ｂを用いることによって何ら不利益
を生じることはない。
柱２ｂは、図７に示されているような六角形横断面を有
する圧電セラミック柱２ａに比べて樹脂板中において密
に配列することに関して不利であると考えられる。しか
し、特開昭６０−９７８００（米国特許４，６８３，３
９６）において述べられているように、複合超音波変換
器はその感度の観点からは樹脂板中で約４０％の体積率
で圧電セラミック柱を含むことが好ましい。実際に、上
述の本発明による例１による複合超音波変換器において
樹脂板中に含まれる圧電セラミック柱の体積率は３９％
である。このように、圧電セラミック柱２ｂが円形横断
面を有していても約４０％の体積率は容易に達成するこ
とができ、六角形横断面の代わりに円形横断面を有する
圧電セラミック柱２ｂを用いることによって何ら不利益
を生じることはない。
【００３４】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、不所望
な横モード共振が十分に抑制されかつ比較的容易に作製
され得る複合超音波変換器を提供することができる。
な横モード共振が十分に抑制されかつ比較的容易に作製
され得る複合超音波変換器を提供することができる。
【図１】（Ａ）は本発明の実施の形態による複合超音波
変換器の一例を示す模式的な平面図であり、（Ｂ）はそ
の側面図である。
変換器の一例を示す模式的な平面図であり、（Ｂ）はそ
の側面図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｅ）は、図１に示された複合超音波
変換器を製造する工程の一部を模式的に示す断面図であ
る。
変換器を製造する工程の一部を模式的に示す断面図であ
る。
【図３】（Ａ）〜（Ｅ）は、図２（Ａ）〜（Ｅ）に続く
工程を示す模式的な断面図である。
工程を示す模式的な断面図である。
【図４】本発明による複合超音波変換器において横モー
ド共振が生じるとすればその定在波の腹が生ずべき位置
を示す模式的な平面図である。
ド共振が生じるとすればその定在波の腹が生ずべき位置
を示す模式的な平面図である。
【図５】（Ａ）は先行技術による複合超音波変換器の模
式的な平面図であり、（Ｂ）はその側面図である。
式的な平面図であり、（Ｂ）はその側面図である。
【図６】図５に示された複合超音波変換器において生ず
る横モード振動における定在波の腹の位置を示す模式的
な平面図である。
る横モード振動における定在波の腹の位置を示す模式的
な平面図である。
【図７】先行技術による複合超音波変換器のもう１つの
例を示す模式的な斜め透視図である。
例を示す模式的な斜め透視図である。
１，１ａ，１ｂ 複合超音波変換器 ２，２ａ，２ｂ 圧電セラミック柱 ３，３ａ，３ｂ 樹脂板 ４，４ｂ 横モード共振における定在波の腹の位置 １０ 導電性基板 １１ Ｘ線感受性レジスト １２ Ｘ線マスク ＳＲ シンクロトロン放射光 １３ ニッケル金型 １４ 樹脂型 １５ 圧電セラミックケーキ １６ 酸素プラズマ １５ａ 焼結圧電セラミック構造体 １７ 充填樹脂 １８ａ，１８ｂ 電極
Claims (1)
- 【請求項１】 樹脂板と前記樹脂板中で規則的に配列さ
れた複数の微細な圧電セラミック柱とを含み、 前記セラミック柱の各々は、その長手方向の中心軸に直
交する断面内で実質的に円形形状を有するとともに、前
記樹脂板をその厚さ方向に実質的に貫通しており、 前記樹脂板の一主面において、前記複数の圧電セラミッ
ク柱の前記中心軸は、正三角形網の結節点に実質的に対
応する位置に配列されていることを特徴とする複合超音
波変換器。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10264548A JPH11187492A (ja) | 1997-10-06 | 1998-09-18 | 複合超音波変換器 |
| US09/165,617 US5995453A (en) | 1997-10-06 | 1998-10-02 | Composite ultrasonic transducer |
| EP98118801A EP0908241B1 (en) | 1997-10-06 | 1998-10-05 | Composite ultrasonic transducer |
| DE69821074T DE69821074T2 (de) | 1997-10-06 | 1998-10-05 | Composite ultrasound transducer |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9-272423 | 1997-10-06 | ||
| JP27242397 | 1997-10-06 | ||
| JP10264548A JPH11187492A (ja) | 1997-10-06 | 1998-09-18 | 複合超音波変換器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11187492A true JPH11187492A (ja) | 1999-07-09 |
Family
ID=26546560
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10264548A Pending JPH11187492A (ja) | 1997-10-06 | 1998-09-18 | 複合超音波変換器 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5995453A (ja) |
| EP (1) | EP0908241B1 (ja) |
| JP (1) | JPH11187492A (ja) |
| DE (1) | DE69821074T2 (ja) |
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| JP2017032476A (ja) * | 2015-08-05 | 2017-02-09 | コニカミノルタ株式会社 | 高アスペクト比構造物の製造方法及び超音波ブローブの製造方法 |
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| US6503204B1 (en) * | 2000-03-31 | 2003-01-07 | Acuson Corporation | Two-dimensional ultrasonic transducer array having transducer elements in a non-rectangular or hexagonal grid for medical diagnostic ultrasonic imaging and ultrasound imaging system using same |
| US8326388B2 (en) | 2002-10-31 | 2012-12-04 | Toshiba Medical Systems Corporation | Method and apparatus for non-invasive measurement of living body characteristics by photoacoustics |
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| GB0513253D0 (en) * | 2005-06-29 | 2005-08-03 | Oceanscan Ltd | Improved acoustic sensor and method |
| JP4386109B2 (ja) * | 2007-07-11 | 2009-12-16 | 株式会社デンソー | 超音波センサ及び超音波センサの製造方法 |
| DE102008054533B8 (de) * | 2007-12-26 | 2013-02-14 | Denso Corporation | Ultraschallsensor |
| JP5129004B2 (ja) * | 2008-04-16 | 2013-01-23 | オリンパス株式会社 | 内視鏡装置 |
| JP2010035135A (ja) * | 2008-05-09 | 2010-02-12 | Seiko Epson Corp | 超音波信号送受信装置、通信装置、ダイバー用通信装置、通信システム、および通信方法 |
| JP5330180B2 (ja) * | 2009-10-02 | 2013-10-30 | オリンパス株式会社 | 内視鏡装置 |
| KR20120047599A (ko) * | 2010-11-04 | 2012-05-14 | 삼성전자주식회사 | 초음파 트랜스듀서의 셀, 채널 및 상기 채널을 포함하는 초음파 트랜스듀서 |
| JP6344184B2 (ja) * | 2014-09-30 | 2018-06-20 | 株式会社村田製作所 | セラミック電子部品及びその製造方法 |
| EP3338113B1 (en) | 2015-11-24 | 2021-08-25 | Halliburton Energy Services, Inc. | Ultrasonic transducer with suppressed lateral mode |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2152348A1 (en) * | 1971-09-06 | 1973-04-27 | Commissariat Energie Atomique | Ultra-sonic transducer - for use at high temperature eg in a sodium-cooled nuclear reactor |
| US4412148A (en) * | 1981-04-24 | 1983-10-25 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | PZT Composite and a fabrication method thereof |
| JPS5822046A (ja) * | 1981-08-03 | 1983-02-09 | 株式会社日立メディコ | 超音波探触子 |
| JPS6086999A (ja) * | 1983-10-19 | 1985-05-16 | Hitachi Ltd | 超音波探触子の製造方法 |
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-
1998
- 1998-09-18 JP JP10264548A patent/JPH11187492A/ja active Pending
- 1998-10-02 US US09/165,617 patent/US5995453A/en not_active Expired - Lifetime
- 1998-10-05 DE DE69821074T patent/DE69821074T2/de not_active Expired - Lifetime
- 1998-10-05 EP EP98118801A patent/EP0908241B1/en not_active Expired - Lifetime
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|---|---|---|---|---|
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