KR100299277B1 - 초음파변환기어레이및그제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 결상 평면의 어레이 축(A)을 따라 정렬된 복수개의 변환기 소자(12)들을 갖는 초음파 변환기 어레이(10) 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다. 각 변환기 소자(12)는 압전층(22)과 하나 이상의 음향 결합층(24, 26)을 포함한다. 압전층(22)은 전방 전극(42)에 의해 씌워진 오목 전면과 후방 전극(40)에 의해 씌워진 후면을 갖는다. 각 변환기 소자(12)의 형상은 결상 평면으로 기계식으로 포커싱되도록 선택된다. 후방 지지부(80)는 각 소자(12)가 결상 평면에 기계식으로 포커싱되도록 어레이 축(A)을 따라 소정의 관계로 복수개의 변환기 소자(12)를 유지한다.
Description
[발명의 명칭]
초음파 변환기 어레이 및 그 제조방법
[발명의 배경]
본 발명은 초음파 변환기 어레이의 관한 것으로, 특히 직선, 곡선 또는 이들 양자로 된 축을 따라 균일하게 분포된 복수개의 음향적으로 분리된 개별 소자들을 갖는 어레이에 관한 것이다.
초음파 변환기 어레이는 이 기술분야에 잘 알려져 있으며, 진단의학 결상, 유체 유동검출 및 재료의 비파괴 실험을 포함하는 다양한 용도에 사용된다. 대개, 이러한 용도들에 사용하기 위해서는 높은 감도와 최적 해상력을 위한 넓은 대역 주파수 반응도를 필요로 한다.
대개, 초음파 변환기 어레이는 직선(선형 어레이) 또는 곡선(오목 또는 볼록 어레이)으로 된 축을 따라 균일하게 이격된 복수개의 개별 변환기 소자들을 포함한다. 변환기 소자들은 압전층을 각각 포함한다. 변환기 소자들은 대개는 1/4 파장 두께를 각각 갖는 하나 이상의 중첩 음향 결합층도 포함된다. 이 어레이는 결상 평면에 포커싱된 소리 비임을 생성하도록 인접한 변환기 소자들 사이의 전송 타이밍을 변화시킴으로써 전기적으로 구동된다. 증가된 변환기 성능은 개별 변환기 소자들을 발진기/수신기 회로에 전기적으로 접속하고, 개별 변환기 소자들을 시험될 물체에 음향적으로 결합하고, 개별 소자들을 음향적으로 서로 분리시킴으로써 얻어진다. 음향 결합층들은 압전 소자들로부터 시험될 물체로의 소리 에너지의 전달을 증진시키는 데 공통적으로 사용된다.
결상 평면 내에서의 전자 포커싱 이외에도 평면 외부에 포커싱을 마련할 필요가 있다. 이는 대개 오목 표면을 갖는 압전층들을 사용하거나, 음향 렌즈와 결합된 평면 압전층을 사용함으로써 기계적으로 얻을 수 있다.
기계식 포커싱을 사용하는 공지의 변환기 어레이는 평요(plano-concave) 압전 기판으로 제조된다. 오목 표면에 의해 형성된 공동은 텅스텐 에폭시 혼합물과 같은 중합체 혼합물로 충전되어 평평하게 연마된다. 그 다음에 에폭시층 기판 또는 적절한 1/4파 결합층 기판이 장치로부터의 음향 에너지의 전달을 증진시키도록 충전재층의 평편 표면에 부착된다. 개별 변환기 소자들은 상기 샌드위치식 기판들을 방형 절단 톱으로 절단함으로써 형성된다. 절단 공정에서 1/4파 결합층 기판은 절단되지 않거나 개별 변환기 소자들을 연결된 상태로 남겨두도록 부분적으로만 절단된다. 이러한 구조로 인해서 전방 표면으로서 평편 표면을 가지면서 기계식으로 포커싱된 어레이를 마련할 수 있다. 개별 변환기 소자들과의 전기접속이 이루어지고 필요로 하는 형상(예를 들어 선형, 오목형 또는 볼록형)으로 어레이를 형성한 후에 변환기 소자들을 지지하도록 그리고 압전 기판으로부터 전송된 음향 에너지를 흡수 및 반사하도록 후방 지지층이 부착된다.
이러한 어레이의 한가지 단점은 불필요하게 좁은 대역 주파수 반응도와 낮은 감도를 갖는다는 것이다. 특히, 불균일한 두께를 갖는 충전재층은 음향 에너지가 넓은 주파수 범위에 걸쳐 압전 재료로부터 주사될 물체로 전달되지 못하게 한다. 또한, 좁은 대역 주파수 반응도는 전송된 음파의 펄스 길이를 증가시켜 어레이의 축방향 해상을 제한한다. 또 다른 단점은 인접 음향 결합층이 바람직하지 않은 소자 상호간의 혼선을 일으키게 된다는 것이다.
변환기 어레이를 제조하는 또 다른 통상적인 구성 기술은 Ishiyama의 미국 특허 제4,734,963호에 개시되어 있다. 이 기술에서는 압전 재료로 된 평판이 사용되고 전극 리이드 패턴을 갖는 가요성 인쇄회로기판이 상기 평판의 후방 표면의 일부에 결합된다. 마찬가지로, 균일한 두께를 갖는 평평한 1/4파 결합층들은 평평한 압전판의 전방에 부착된다. 가요성 후방 지지판은 압전판의 후방 표면에 부착되며 이 후방 표면에 부착되어 있는 인쇄회로기판의 일부를 포획한다. 개별 소자들은 평평한 압전판 및 이에 대응하는 평평한 음향 결합층들을 관통해서 방형 절단 톱으로 가요성 후방 지지판까지 절단함으로써 형성된다. 가요성 후방 지지판은 직선형, 오목형 또는 볼록형인 축을 따라 형성되어 후방 기부에 부착된다. 실리콘 탄성중합체 렌즈는 개별 소자들의 바람직한 기계식 포커싱을 수행하도록 1/4파 결합층들의 전방 표면에 부착된다.
이러한 구조의 한가지 단점은 변환기 소자들의 감도가 실리콘 렌즈들의 비효율성에 의해 나쁜 영향을 받는 것이다. 실리콘 렌즈는 결상 어레이에 공통적으로 사용되는 범위(3.5 내지 10 MHz)에서 높은 주파수 의존 손실을 유발한다. 또한, 실리콘 렌즈를 어레이의 개별 소자들에 대하여 정확하게 배열해야 하기 때문에 제조성이 악영향을 받는다.
Dubut의 미국 특허 제5,042,492호에 개시되어 있는 또 다른 구성 기술은 전방 표면들을 따라 연속 변형 가능한 음향 전이 블레이드에 부착된 압전 소자들의 오목 배열을 사용한다. 이 블레이드는 압전 소자들의 전방 표면을 전기적으로 접속하도록 금속층을 포함한다. 압전 소자들의 후방 표면들은 별도의 리이드 선들에 개별적으로 연결된다. 이러한 구성의 단점은 블레이드 금속부 및 이러한 블레이드 자체가 압전 소자들에 걸쳐 연속되므로 변환기의 성능에 악영향을 미치게 된다는 것이다. 또한, 리이드 선들을 압전 소자들에 개별적으로 부착하는 작업이 많은 시간을 필요로 하고 재료에 손상을 입힐 가능성도 있다.
상기 설명으로부터, 각 소자가 음향 렌즈들을 필요로 하지 않으면서 기계식으로 포커싱되고 이와 유사하게 포커싱된 하나 이상의 균일한 두께를 갖는 1/4파 결합층에 부착된 압전층을 갖도록 된 개선된 초음파 변환기 소자 어레이가 여전히 필요한 것을 알 수 있다. 각각의 압전층 및 결합층을 포함하는 개별 변환기 소자들은 선형 또는 곡선형 통로를 따라 형성되는 개별 변환기 소자들을 형성하도록 어레이 축을 따라 서로로부터 기계적으로 이격되어야 한다. 감소된 측방 공명 모드 및 감소된 크기의 압전층 음향 임피던스를 제공하는 어레이도 필요하다. 또한, 개별 리이드를 및/또는 접지 와이어들을 변환기 소자들에 접속하는 데 소요되는 시간을 줄이고 전기적인 상호접속 작업 중에 변환기 어레이에 일어나는 손상을 최소화 할 필요도 있다. 본 발명은 이들 필요성을 만족시켜 준다.
[발명의 요약]
본 발명은 결상 평면에 기계식으로 포커싱되고 조사 대상 매체에 음향적으로 결합되고 경상 평면에서 어레이 축을 따라 서로로부터 음향적으로 분리되어 개선된 음향 성능과 개선된 감도와 증가된 대역 폭 및 개선된 포커싱 특성을 제공하는 개별 변환기 소자들을 갖는 초음파 변환기 어레이로 실시된다. 또한, 본 발명은 상술한 어레이를 제조하고 리이드 및 접지 와이어를 비교적 용이하고 손상이 없는 단일 작업에 의해 개별 변환기 소자들에 전기 접속하는 개선된 방법으로 실시된다. 또한, 상기 개선된 방법은 변환기 소자들이 어레이 축을 따라 특히 정확하고 균일하게 되어 있는 어레이를 마련하게 한다.
본 발명의 초음파 변환기 어레이는 초음파장치에 사용하는 탐침의 형태이다. 이 어레이는 오목한 전방 표면 및 후방 표면을 갖는 압전층과, 오목한 전방 표면 및 후방 표면을 갖는 두께가 균일한 음향 결합층을 각각 갖춘 복수개의 개별 변환기 소자들을 포함한다. "오목"의 의미는 만곡 세그먼트, 직선 세그먼트 또는 이들의 조합된 형태로 된 오목부를 포함한다. 음향 결합층의 후방 표면은 압전층의 오목 전방 표면에 장착된다. 압전층의 전방 표면과 음향 결합층의 전방 표면 및 후방 표면의 형상은 각각의 변환기 소자들을 이격된 관계로 지지하고 변환기 소자들을 결상 평면에 기계식으로 포커싱하는 데 적합하다. 이 어레이는 변환기 소자들을 이격된 관계로 지지하고 변환기 소자들을 결상 평면에 위치한 어레이 축을 따라 정렬시키는 후방 지지부도 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징으로, 압전층의 전방 표면은 어레이 축 방향으로 배열된 일련의 슬롯을 포함하기도 한다. 이들 슬롯들은 측방 공명 모드를 최소화하고 압전층의 음향 임피던스를 감소시키기 위해 작용한다. 또한, 오목 형상이 기계식 포커싱에 적합하면, 슬롯들은 압전층이 오목 형상으로 쉽게 형성되게 해준다.
본 발명의 또 다른 특징은 어레이의 개별 변환기 소자들의 전기적 상호접속에 있다. 특히, 제조 공정 중에 (음향 결합층 기판에 최종적으로 장착되어 개별 변환기 소자들을 형성하도록 절단되는) 압전 기판은 금속화되고, 그 후방 표면은 둘러싸는 전방 표면 전극 및 절연된 후방 표면 전극을 형성하도록 절연재를 구비한다. 결합된 압전/음향 결합층 기판을 개별 변환기 소자들로 절단하기 전에 전극 리이드 패턴을 갖는 가요성 인쇄회로기판은 절연된 후방 표면 전극에 납땜된다. 둘러싸는 전방 표면 전극에는 접지 포일이 납땜된다. 이때에 압전 기판이 절단됨으로써 각 변환기 소자가 자체의 리이드 및 접지 접속부를 갖게 된다. 오목한 전방 표면들이 상술한 것처럼 슬롯이 형성되어 (둘러싸는 전방 표면 전극을 단속되게 하는) 경우에 구리와 같은 적절한 도전성 재료의 층은 슬롯들을 거쳐 접지 접속부로의 전기 접속을 이루도록 압전 기판과 음향 결합층 기판 사이에 삽입된다.
본 발명의 또 다른 특징은 개별 변환기 소자들 자체가 상호접속 상태로 유지되면서 미세하게 분할된다는 것이다. 이러한 구조는 의사 측방 공명 모드 및 소자 상호간의 혼선을 더욱 감소시켜 준다.
상술한 초음파 변환기 어레이를 제조하는 개선된 방법은 전방 오목 표면 및 후방 표면을 갖는 압전 기판을 마련하고, 중간 조립체를 만들도록 압전 기판의 오목한 전방 표면에 거의 균일한 두께를 갖는 하나 이상의 음향 결합층을 도포하는 단계를 포함한다. 중간 조립체는 가요성 전방 유지판에 부착되고, 일련의 거의 평행한 절단부들은 중간 조립체를 통해서 가요성 전방 유지판으로 완전하게 제조된다. 절단부들은 각각 압전층 및 음향 결합층(들)을 가지고 어레이 축을 따라 정렬된 일련의 개별 변환기 소자들을 형성하다. 다음으로, 평행 절단부 중간 조립체는 결상 평면에서 가요성 전방 유지판이 어레이 축을 중심으로 편향되는 것에 대하여 상기 층들을 구부림으로써 필요로 하는 형상으로 형성된다. 이렇게 형성된 중간 조립체는 압전 기판의 후방 표면에 인접한 후방 지지부에 부착되고, 일시적인 전방 유지판은 초음파 변환기 어레이를 만들면서 제거된다.
압전 기판의 오목한 전방 표면에 상술한 슬롯을 형성하도록 압전 기판을 관통해서 일련의 평행 절단부를 만드는 양호한 단계를 상기 방법에 부가할 수 있다. 또 다른 양호한 단계로는 가요성 전방 유지판과 음향 결합층(들) 사이에 열가소성 접착제를 사용하는 단계가 있는데, 여기에서 열가소성 접착제는 소정 온도 이상에서는 그 점착력을 잃게 되어 유지판을 해제하게 된다.
상기 방법은 어레이의 공명 품질을 더 개선하기 위하여 절단부 및 슬롯을 낮은 임피던스 음향 감쇠 재료로 충전함으로써 더욱 개선된다. 또한, 가요성 전방 유지판이 제거된 후에 탄성중합체 충전재층을 음향 경합층(들)의 노출된 오목 표면에 부착함으로써 개별 변환기 소자들을 전기적으로 절연하여 음향 결합을 개선하는 장점도 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 본 발명의 원리를 예시로서 도시한 첨부도면을 참조한 양호한 실시예에 대한 이후의 상세한 설명으로부터 명확하게 이해할 수 있다.
[도면의 간단한 설명]
제1도는 본 발명에 따라 제조된 양호한 실시예의 초음파 변환기 어레이를 도시의 편의를 위하여 일부를 제거한 상태로 부분적으로는 단면으로 도시한 등각도이다.
제2a도는 변환기 소자들을 상세하게 도시한 것으로 제1도의 어레이의 일부를 제거한 상태로 도시한 확대 단면도이고, 제2b도는 변환기 부소자들을 도시한 것으로 제2a도의 어레이 일부의 변경된 형태를 도시한 단면도이다.
제3도는 본 발명의 압전 기판을 도시한 단면 단부도이다.
제4도는 일련의 톱 절단부를 갖는 제3도의 압전 기판을 도시한 단면 단부도이다.
제5도는 본 발명의 음향 결합층(들) 기판을 도시한 단면 단부도이다.
제6a도 및 제6b도는 본 발명의 가압 작동을 도시한 단부도들이다.
제7도는 본 발명에 따라 가요성 전방 유지판에 장착된 압전층 및 음향 결합층 기판들을 도시한 단면 단부도이다.
제8도는 본 발명에 따른 전방 유지판과 이에 대응하여 볼록형 공구에 장착되고 인쇄회로기판을 갖춘 대응 변환기 소자들을 도시한 단면 정면도이다.
제9도는 본 발명에 따른 변환기 소자와 이에 대응하여 유전면층 및 후방 지지 재료에 의해 둘러싸인 리이드 부착부를 도시한 단면 단부도이다.
[양호한 실시예의 상세한 설명]
본 발명에 따라 제조된 초음파 변환기 어레이(10)가 제1도에 도시되어 있다. 상기 어레이는 하우징(14) 내에 수납된 복수개의 개별 초음파 변환기 소자(12)들을 포함한다. 개별 소자들은 중합체 후방 지지 재료(80)에 의해 제위치에 고정된 가요성 인쇄회로기판 및 접지 포일(18)의 리이드(16)에 전기적으로 접속된다. 어레이와 하우징 주위에는 유전면층(20)이 형성된다.
각각의 개별 변환기 소자(12)는 압전층(22)과 제1 음향 경합층(24)과 제2 음향 결합층(26)으로 구성되어 있다(제2a도 참조). 개별 소자들은 압전층 및 이에 결합된 음향 결합층들의 오목 형상에 의해 필요로 하는 결상 평면(x-y축으로 형성)으로 기계식으로 포커싱된다. 개별 소자들은 (각 변환기 소자의 단부들 사이에서 연장되는 익현(chord)들의 중간 점들에 의해 형성될 수 있는) 결상 평면에 위치한 어레이 축(A)을 따라 서로 기계적으로 격리되어 있다. 압전층(22) 및 음향 결합층(24, 26)의 전방 표면들은 어레이 축(A)에 수직한 축(B) 방향으로 오목하다.
양호한 실시예에서 어레이 축(A)은 구역별 주사를 가능하게 하는 볼록 형상을 갖는다. 그러나, 이후의 설명으로부터 알 수 있는 것처럼 어레이 축은 직선 또는 곡선을 취하거나 직선부와 곡선부가 조합된 형상을 취할 수도 있다.
개별 초음파 변환기 소자들의 어레이는 다음과 같은 양호한 방식으로 제조할 수 있다. 제3도에서, 압전 세라믹 재료의 조각이 납작하게 연마되며, 전방 표면(32)과 후방 표면(34)을 갖는 기판(30)을 형성하도록 장방형으로 절단된다. 특히 적합한 압전 세라믹 재료로는 Motorola Ceramic Products에서 제조한 3203HD가 있다. 이 재료는 개별 소자들의 파손을 일으키지 않고 절단 공정을 용이하게 수행할 수 있게 해주는 높은 밀도 및 강도를 갖는다.
압전 기판(30)은 먼저 5% 붕산 용액으로 표면을 에칭한 후에 상용으로 입수 가능한 도금 재료 및 수단을 사용하여 무전해 니켈 도금하는 등의 방법에 의해 금속층(36)을 도포함으로써 마련된다. 크롬, 니켈, 금 또는 다른 금속의 진공 증착과 같은 다른 방법이 압전부를 도금하기 위하여 사용될 수도 있다. 도금 재료는 압전 기판의 모든 표면들 주위에서 완전하게 연장되도록 제조된다. 양호한 실시예에서, 연속 구리층(약 2미크론)은 제1 니켈층(약 1미크론) 상에 전기 도금된 후에 부식에 대하여 보호되도록 금(1미크론 미만)으로 박층으로 전기 도금된다.
금속층(36)은 압전 기판의 후방 표면(34)을 관통해서 두 개의 톱 절단부(38)를 형성함으로써 두 개의 전극을 형성하도록 분리된다. 이를 위하여 웨이퍼 방형 절단 톱을 사용할 수 있다. 두 개의 톱 절단부는 후방 표면 전극(40)과 별도의 전방 표면 전극(42)을 형성한다. 전방 표면 전극은 전방 표면(32)으로부터 압전 기판의 후방 표면(34) 주위로 연장되는 둘러싸는 단부(44)를 포함한다. 상기 둘러싸는 단부(44)는 후방 표면의 각 측면을 따라 약 1mm 연장되는 것이 바람직하다.
제4도에서, 금속화되고 절연된 압전 기판(30)은 거꾸로 회전되어 절연 폴리 에스터 필름과 같은 후방 표면 전극(34)을 장착함으로써 절단되도록 마련된다. 열가소성 접착제를 사용하여 압전 기판을 유지 필름에 부착할 수 있다. 웨이퍼 방형 절단 톱을 사용함으로써 톱 절단부들의 내측 단부(49)와 기판의 후방 표면(34) 사이에 예를 들어 50미크론인 적은 양의 기판 재료 비절단부만 남겨두고 일련의 톱 절단부(48)들이 압전 기판(30)을 통해서 형성된다. 이와 달리, 톱 절단부들은 기판(30)을 통해서 후방 표면 전극 안으로 그러나 전부 관통하지는 않으면서 형성되기도 한다. 충분한 개수의 절단부가 이들 사이에 작은 간격을 갖고 상기 조각에 걸쳐서 형성되면 기판은 그후에 필요로 하는 만큼 만곡되거나 볼록해지도록 가요성을 갖게 된다. 이와 달리, 기판은 평면으로 유지될 수도 있다.
톱 절단부(48)들의 또 다른 목적은 완제품 장치에서의 측방 공명 모드를 최소화하는 것이다. 이러한 관점에서, 톱 절단부들은 낮은 경도 및 손실률을 갖는 에폭시 재료로 충전된다. 또한, 절단부들은 이들 사이에 일정한 간격, 다른 크기의 간격 또는 변환기 어레이의 작동 주파수 근처에서 불필요한 공명 모드를 억제하도록 균일한 간격을 갖도록 형성된다.
양호한 실시예에서, 톱 절단부들의 주기수는 대략 (전방 표면으로부터 후방 표면까지 측정한) 기판 두께의 2분의 1이다. 그러나, 기판이 너무 두꺼워서 이를 허용하지 못하면 톱 절단부들은 기판 두께의 약 2배인 소정의 최대치로부터 상기 두께의 약 1/2인 최소치까지 길이가 변화하는, 인접한 톱 절단부들 사이의 간격으로 임의로 위치할 수 있다. 약 0.0025 내지 0.0051 cm(0.001 내지 0.002 inch)인 두께를 갖는 블레이드가 사용된다.
이 기술분야에 숙련된 자는 상술한 양호한 실시예가 압전 기판을 형성하여 마련하는 특정의 양호한 방법에 대한 것이지만 상기 기판은 기계가공, 열성형 또는 다른 공지의 방법에 의해 오목 형상으로 형성될 수 있다는 것을 알 수 있다. "오목"이란 용어는 만곡된 세그먼트들, 직선 세그먼트들 또는 이들 양자를 조합하여 형성된 오목부도 포함된다. 또한, 세라믹(예를 들어 지르콘산 납, 티탄산 바륨, 메탄이오베이트 납 및 티탄산 납)과, 압전 플라스틱(예를 들어 PVDF중합체 및 PVDF-TrFe 공중합체)과, 혼합재료(예를 들어 1-3 PZT/중합체 혼합물, 0-3 혼합 상태로 중합체 매트릭스에 산포한 PZT분말 및 PZT와 PVDF 또는 PVDF-TrFe의 합성물) 또는 릴렉서 강유전체(예를 들어 PMN : PT)를 포함하는 다양한 압전 재료를 본 발명에 사용할 수 있다는 것을 알 수 있다.
음향 결합층을 마련하는 방법에 대하여 제5도를 참조하여 설명한다. 특히, 이 도면에는 제1 및 제2 음향 결합층(24, 26)이 도시되어 있다. 음향 결합층들은 압전 기판(30)에 부착되었을 때 각 재료에서의 음속에 의해 결정된 1/4파장과 거의 같은 균일한 두께를 갖는 중합체 또는 중합체 혼합물로 각기 이루어진다. 이들 1/4파 층의 음향 임피던스는 압전 기판의 임피던스와 시험대상 물체 또는 매체의 임피던스의 중간 값으로 선택된다. 예를 들어, 본 발명의 양호한 실시예에서 압전 재료의 큰 음향 임피던스는 약 29 MRayls이다. 제1 1/4파 결합층(24)의 음향 임피던스는 약 6.5 MRayls이다. 이 음향 임피던스는 알루미늄 리듐 규산염으로 충전된 에폭시에 의해 얻을 수 있다. 제2 1/4파 결합층(26)의 임피던스는 약 2.5 MRayls이며 비충전 에폭시층으로 형성될 수 있다.
양호한 실시예에서, 티탄늄으로 제조된 연마 평면의 공구판(도시 생략)이 음향 결합층을 제조하는 데 지지부로서 사용된다. 제1 단계로서, 약 1미크론의 두께를 갖는 구리층(52) 또는 다른 도전성 재료를 티탄늄 공구판의 평편 표면 상에 전기 도금한다. 그 다음에, 에폭시 재료로 된 제1 음향 결합층을 경화 중에 이에 결합될 구리층 상에 주조한다. 그 다음에, 에폭시층을 (재료의 음속에 의해 측정된) 필요로 하는 작동 주파수에서 약 1/4파장에 해당하는 두께로 연마한다. 제2 음향 결합층도 상기와 유사하게 주조하여 (재료의 음속에 의해 측정된) 두께로 약 1/4파장으로 연마한다. 구리층과 제1 결합층 사이의 결합을 증진시키기 위하여 구리층 상에 주석층을 전기 도금할 수도 있다.
제2 음향 결합층의 연마를 완료한 후에 상기 결합층들과 이에 결합된 구리층을 티탄늄 판으로부터 해제하여 두 개의 음향 결합층과 구리층의 박층을 생성하게 된다. 이 방식에서, 음향 결합층 기판(54)은 그 표면들 중 적어도 하나에 도전성 표면을 갖고 형성된다.
양호한 실시예에서, 두 개의 음향 결합층들과 구리층은 상술한 것처럼 사용된다. 그러나, 셋 이상의 결합층을 사용할 수 있으며 1/4파 층들이 형성될 수 있게 해주는 수개의 수단이 마련된 것을 알아야 한다. 이와 달리, 그래파이트, 은 충전 에폭시 또는 유리 탄소와 같은 적합한 음향 임피던스를 함유하는 도전성 재료를 제1 결합층에 사용하고 구리층을 생략할 수도 있다. 또한, 예를 들어 다중 결합층들 대신에 약 4 Mrayls의 음향 임피던스를 갖는 단일 결합층을 사용할 수도 있다. 1/4파 재료는 압전 기판의 표면 상에 주조함으로써 또는 캐스팅 및 연마법에 의해서 형성할 수 있다.
다음으로, 압전 기판(30)과 음향 결합층(54)을 오목하게 형성하는 양호한 방법에 대하여 설명한다. 제6a도에는 오목 기부(56)와 프레스 바아(58)를 갖는 프레스가 도시되어 있다. 음향 결합층 기판(54)은 기부와 기부(56)에 대면하는 구리층(52)을 갖춘 프레스 바아 사이에 삽입된다. 압전 기판(30)이 연속 프레스 공정에서 구리층에 결합되게 되므로, 구리층과 기부 사이에 플라스틱 심(shim : 62)이 위치되어 어떠한 이탈도 보상하게 된다.
이때에, 음향 결합층 기판이 오목 기부 안으로 가압됨으로써 가요성 전방 유지판(64)이 제2 음향 결합층(26)의 전방에 일시적으로 장착된다. 유지판(64)은 제2 음향 결합층에 면하는 볼록 표면(66)을 갖는다. 이 볼록 표면의 곡률은 음향 결합층 기판 안으로 가압될 곡률과 유사하다. 예를 들어 120℃ 미만의 온도에서 유지판이 결합층들에 고정된 상태로 유지되도록 유지판(64)과 기판(54) 사이의 결합을 유지하기 위하여 열가소성 접착제 층(67)이 사용되기도 한다. 또한, 유지판은 방형 바아(70)에 일시적으로 장착되기 위한 평편 표면(68)을 갖는다. 유지판을 프레스 바아(58)에 탈착식으로 장착가능한 방형 바아에 장착하는 데 분무 접착제를 사용할 수 있다.
음향 결합층 기판(54)이 오목하게 형성되어 가요성 전방 유지판(64)에 일시적으로 결합되어 있는 제1 가압 작동 후에 프레스는 (아직까지 유지 필름(46)에 장착되어 있는) 압전 기판(30)을 가압된 음향 결합층 기판과 기부(56) 사이에 위치시킴으로써 제2 가압 작동을 준비하게 된다(제6b도). 얇은 플라스틱 심(60)을 압전 기판과 기부 사이에 위치시켜서 기부의 곡률 변화를 보상할 수 있다.
이때에, 압전 기판(30)이 오목하게 형성됨으로써 가요성 전방 지지부를 갖춘 음향 결합층 기판(54)이 적절한 접착제(71)를 사용하여 압전 기판에 영구 결합된다. 필요한 경우에는 결합 강도를 높이기 위하여 구리층에 주석층(도시 생략)을 전기 도금할 수 있다. 양호한 실시예에서는 예를 들어 오븐 내에 프레스를 위치시킴으로써 상승된 온도에서 두 가지의 가압 작업을 수행할 수 있다.
가압 후에, 결합되어 성형된 압전 기판과 음향 결합층 기판을 프레스로부터 제거한다. 그 다음에, 유지 필름(46)을 제거하고 중간 조립체(72)를 형성하도록 모서리를 트리밍한다.(제7도). 상술한 가압 작업으로 대응 음향 결합층들을 갖춘 기계식으로 포커싱된 압전 기판이 마련된다.
제7도 및 제8도에서, 전기 접속부는 두 개의 구리 "접지 포일" 스트립(18)을 오목하게 형성된 압전 기판(30) 상의 각 절연 절단부(38)에 인접한 둘러싸는 전방 표면 전극(42)에 납땜함으로써 제조된다. 그 다음에, 가요성 인쇄회로기판의 리이드(16)는 각 절연 절단부에 인접하여 오목하게 형성된 압전 기판 상의 접지 포일 스트립들의 반대편에 있는 후방 표면 전극(40)에 납땜된다.
방형 절단 전에, 리이드들 및 접지 포일(18)은 가요성 전방 유지판(64)을 지나 하방으로 연장되도록 굽혀지며, 웨이퍼 방형 절단 톱은 (방형 절단 바아(70)가 여전히 부착되어 있는 상태로) 중간 조립체(72) 위에 장착된다. 어레이의 개별 변환기 소자(12)들은 결상 평면에 수직한 일련의 평행 톱 절단부(82)를 제조하고, 가요성 인쇄회로기판의 리이드(16)와 접지 포일(18)과 압전 기판(30) 및 음향 결합층 기판(54)을 관통해서 그러나 가요성 전방 유지판(64)을 완전히 관통하지 않으면서 방형 절단함으로써 형성된다. 이러한 방식으로 개별 어레이 소자들 및 대응 리이드 부착부들은 서로 절연된다. 양호한 실시예에서, 압전 기판의 톱 절단부(48)들 사이의 공간(제4도)과 중간 조립체(72)의 톱 절단부(82)들 사이의 공간은 어레이에 균일하고 대등한 복수개의 압전 로드(90)를 형성한다(제2a도 참조).
방형 절단하기 전에 리이드들 및 접지 포일들을 하방으로 굽힘으로써 이들 리이드 및 접지 포일은 부분적으로만 절단되며, 따라서 가요성 인쇄회로기판 및 접지 접속부의 일체성을 유지하게 되는 것을 알 수 있다(예를 들어, 제2a도 참조). 제7도에는 두 개의 리이드(16)가 도시되어 있다. 이 경우에 교대식 변환기 소자들은 일측면 상의 리이드들에 접속되며, 그 사이의 변환기 소자들은 다른 측면 상의 리이드들에 접속된다. 추가의 접지 포일은 불필요하다.
제2b도에 도시된 변경 실시예에서, 초음파 변환기 어레이는 병렬로 전기 접속된 두 개의 부소자(12A, 12B)로 각각 이루어진 수개의 변환기 소자들을 갖는다. 이러한 어레이는 톱 절단부들이 가요성 인쇄회로기판의 리이드(16) 상의 신호 도체들 사이에 그리고 이들 신호 도체들을 관통해서 형성되도록 중간 조립체를 방형 절단함으로써 구성된다. 부소자들은 의사 측방 공명 모드 및 소자 상호간의 혼선을 감소시키는 데 조력한다. 이와 달리, 변환기 소자는 셋 이상의 부소자들로 이루어질 수도 있다.
제8도를 참조하면, 방형 절단 후에 방형 바아(70)가 제거되며, 가요성 전방 유지판(64)과 이에 합체된 개별 변환기 소자(12)는 유지판을 구부려서 이를 오목형, 볼록형 또는 직선형 공구(76)에 일시적으로 부착함으로써 필요로 하는 어레이 축을 따라 형성된다. 그 다음에, 적합한 재료(예를 들어 알루미늄)로 제조된 하우징(14)이 상기 유지판 및 이에 대응하는 어레이 소자들 주위에 장착된다. 양호한 실시예에서는 공명 특성을 개선하기 위하여 톱 절단부(82)들이 낮은 경도의 폴리우레탄(도시 생략)과 같은 낮은 임피던스의 음향 감쇠 재료로 충전되어 있다.
제8도를 참조하면, 중합체 후방 지지 재료(80, 제1도 참조)는 변환기 소자들 및 이에 대응하는 전기 리이드 부착부들을 둘러싸도록 하우징(14)과 전방 유지판(64)에 의해 형성된 공동 안으로 주조된다. 이러한 후방 지지 재료는 예를 들어 2 MRayls 미만인 낮은 음향 임피던스를 갖는 것이 바람직하며, 자체의 음향 임피던스를 감소시키도록 플라스틱 또는 유리로 된 미세 공동으로 충전된 중합체로 이루어진다. 이와 달리, 감도가 다소 떨어지기는 하지만 변환기 소자들의 주파수 대역폭을 개선시키기 위하여 높은 음향 임피던스 합성물을 사용할 수도 있다.
최종 제품을 만들기 위하여 변환기 어레이를 120℃ 이상의 온도로 가열하여 제2 결합층(26)의 오목면을 노출시키도록 상기 유지판을 벗겨냄으로써 가요성 전방 유지판(64)를 제거한다. 변환기 소자들은 중합체 후방 지지 재료(80)에 의해 하우징에 고정되어 유지된다. 그 다음에, 제9도에서 보는 것처럼 어레이는 제2 결합층(26)의 오목면을 충전하여 밀봉하고 시험될 물체로서 개선된 음향 결합을 얻도록 선택된 외측 표면(예를 들어, 평면 또는 오목 표면)을 형성하는 유전면층(20)을 형성하도록 폴리우레탄 중합체가 주입되는 주형 내에 위치하게 된다. 표면층의 음속은 디포커싱 효과를 최소화시키기 위해 시험될 매체 안으로 소리가 전파되도록 된 매체의 음속에 근사하게 선택된다. 1.6 MRayls인 음향 임피던스는 1/4파 층과 물 또는 사람의 피부와 같은 매체 사이에 양호한 조화를 제공한다.
상기 설명으로부터 본 발명이 음향 렌즈를 필요로 하지 않고 오목한 압전 소자들과 이에 인접하고 오목하며 균일한 두께를 갖는 음향 결합층을 사용함으로써 기계식으로 포커싱된 개별 변환기 소자들을 갖는 초음파 변환기 어레이를 마련할 수 있는 것을 알 수 있다. 개별 변환기 소자들은 어레이 축을 따라 서로 음향적으로 절연되며 독립적인 소자들을 형성하도록 압전 기판 및 결합층들을 관통해서 절단함으로써 서로 이격되어 있다.
물론, 이 기술분야의 숙련자에게는 상기 실시예들에 대한 다양한 변경도 가능하다. 따라서, 본 발명의 범위는 상술한 특정 실시예에 제한되지 않으며 첨부한 청구범위에 기재된 사항 및 그 균등물에 의해서만 제한된다.
Claims (95)
- 초음파 변환기 어레이(10)를 제조하는 방법에 있어서,압전 기판 및 음향 결합층의 전방 표면들은 어레이 축(A-A)에 수직인 축(B-B)을 따라 오목하며, 전방 전극(42)에 의해 둘러싸인 전방 표면과 후방 전극(40)에 의해 둘러싸인 후방 표면을 갖는 압전 기판(30)과, 압전 기판의 오목한 전방 표면에 장착된 음향 결합층의 후방 표면에 의해 압전 기판과 전방 유지판 사이에 고정되어 전방 표면 및 후방 표면을 갖는 균일한 두께의 음향 결합층(24)과, 전방 유지판(64)을 갖는 중간 조립체를 마련하는 단계와,어레이 축(A-A)을 따라 정렬된 복수개의 개별 변환기 소자(12)들을 형성하도록, 압전 기판의 후방 표면으로부터 압전 기판을 통하여 어레이 축(A-A)에 수직하게 중간 조립체의 음향 결합층 내로 일련의 평행 절단부(82)들을 절단하는 단계와,중간 조립체의 압전 기판의 후방 표면에 후방 지지 재료(80)를 도포하는 단계와,초음파 변환기 어레이(10)를 마련하도록 전방 유지판(64)를 제거하는 단계를 포함하며,압전 기판(30)의 전방 표면과 각 변환기 소자(12)의 음향 결합층(24)의 오목 형상은 어레이 축(A-A)에 수직한 평면 내에서 변환기 소자를 기계식으로 포커싱하도록 선택된 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 중간 조립체를 마련하는 단계는전방 표면을 갖는 압전 재료로 된 기판(30)을 마련하는 단계와,기판의 전방 표면으로부터 압전 재료로 된 기판 내로 일련의 평행 슬롯(48)들을 절단하는 단계와,오목한 전방 표면을 갖는 압전 기판을 형성하도록 압전 재료로 된 슬롯 형성 기판을 구부리는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제2항에 있어서, 중간 조립체를 마련하는 단계는음향 결합층(24)의 저면 상에 얇은 금속 전극층(52)을 형성하는 단계와,압전 기판의 전방 전극(42)과 전기적으로 접속하는 전극층을 갖는 음향 결합층을 압전 기판에 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제2항에 있어서, 음향 결합층(24)은 도전성 재료로 된 것을 특징으로 하는 방법.
- 제2항 내지 제4항 중 한 항에 있어서, 평행 슬롯(48)들이 균일하게 이격된 것을 특징으로 하는 방법.
- 제2항 내지 제4항 중 한 항에 있어서, 평행 슬롯(48)들이 소정의 최소 간격과 소정의 최대 간격 사이에서 임의로 이격된 것을 특징으로 하는 방법.
- 제2항 내지 제4항 중 한 항에 있어서, 중간 조립체를 마련하는 단계는음향 결합층을 압전 재료(30)의 슬롯 형성 기판의 오목한 전방 표면에 고정 시키는 단계를 포함하고,상기 음향 결합층을 고정시키는 단계와 상기 압전 재료로 된 슬롯 형성 기판을 구부리는 단계가 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제2항 내지 제4항 중 한 항에 있어서, 중간 조립체를 마련하는 단계는인접 세그먼트들을 음향적으로 분리시키도록 압전 재료 기판의 슬롯(48)들 내에 탄성중합체를 충전 재료를 위치시키는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제8항에 있어서, 탄성중합체 충전 재료가 에폭시 재료인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 한 항에 있어서, 중간 조립체를 마련하는 단계는압전 기판의 모든 표면을 금속화시키는 단계와,전방 전극이 후방 표면의 일부 상에서 연장되도록 기판의 후방 표면 상에 후방 전극(40)을 그리고 기판의 전방 표면 상에 전방 전극(42)을 형성하도록 압전 기판의 후방 표면 상의 금속부(36)를 통하여 절단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 한 항에 있어서, 전방 전극(42) 및 후방 전극(40)이 니켈로 된 내층과 구리로 된 외층을 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제10항에 있어서,가요성 인쇄회로 신호 도체(16)를 압전 기판 상의 후방 전극(40)에 부착하는 단계와,가요성 접지 도체(18)를 압전 기판 상의 전방 전극(42)에 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제12항에 있어서, 압전 기판을 통하여 중간 조립체의 음향 결합층 내로 일련의 평행 절단부(82)들을 절단하는 단계는 각 변환기 소자의 개별 신호 도체를 전기적으로 절연시키도록 신호 도체(16)들을 절단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1 내지 제4항 중 한 항에 있어서, 중간 조립체를 마련하는 단계는평평하게 연마된 공구판을 마련하는 단계와,공구판 상에 얇은 금속 전극층(52)을 전기 도금하는 단계와,전기 도금된 전극층 상에 에폭시 재료로 된 하나 이상의 음향 결합층(24, 26)을 형성하는 단계와,공구판으로부터 전극층 및 하나 이상의 음향 결합층을 제거하는 단계와,제거된 전극층 및 하나 이상의 결합층을 프레스를 사용해서 소정 형상으로 구부리는 단계와,구부러진 전극층 및 하나 이상의 음향 결합층을 압전 기판(30)의 오목한 전방 표면에 영구적으로 결합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제14항에 있어서, 하나 이상의 음향 결합층을 형성하는 단계가 에폭시 재료를 주조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제14항에 있어서, 제거된 전극층 및 하나 이상의 음향 결합층을 구부리는 단계와 영구적으로 결합시키는 단계가 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 한 항에 있어서, 중간 조립체를 마련하는 단계는 소정 온도 이상이 되면 점착성을 잃어버리는 열가소성 접착제(67)로 음향 결합층을 전방 유지판(64)에 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 한 항에 있어서, 압전 기판을 통하여 중간 조립체의 음향 결합층 내로 일련의 평행 절단부(82)들을 절단하는 단계는 압전 기판(30) 및 음향 결합층(24)을 완전히 관통하여 전방 유지판(64) 내로 절단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 한 항에 있어서, 개별 변환기 소자(12)들을 음향적으로 분리시키도록 평행 절단부들 내에 탄성중합체 충전 재료를 위치시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 한 항에 있어서,전방 유지판(64)은 가요성이고,가요성 전방 유지판의 편향에 대하여 기판과 결합층을 구부림으로써 평행 절단된 중간 조립체를 소정 형상으로 형성하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 한 항에 있어서, 압전 기판이 PZT계 재료로 된 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 한 항에 있어서, 압전 기판이 PVDF계 재료로 된 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 한 항에 있어서, 압전 기판이 PMN계 재료로 된 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 한 항의 방법에 따라 제조된 제품.
- 물체를 시험하기 위한 초음파 변환기 어레이(10)에 있어서,어레이 축(A-A)을 따라 정렬된 복수개의 변환기 소자(12)와,복수개의 변환기 소자들을 지지하는 후방 지지부(80)를 포함하며,어레이 내의 복수개의 변환기 소자들 각각은 전방 전극(42)에 의해 둘러싸여서 어레이 축(A-A)에 수직한 축(B-B)을 따라 오목한 전방 표면과 전방 전극(40)에 의해 둘러싸인 후방 표면을 갖는 압전층(30)과, 어레이 축(A-A)에 수직한 축(B-B)을 따라 오목한 전방 표면, 후방 표면, 균일한 두께를 가지며 후방 표면이 압전층의 오목한 전방 표면에 장착되어 있는 제1 음향 결합층(24)을 포함하며,어레이 내의 복수개의 변환기 소자들 각각은 압전층(30)과 어레이의 인접 변환기 소자들로부터 이격된 제1 음향 결합층의 일부를 가지며,각 변환기 소자(12)의 압전 기판의 전방 표면 및 음향 결합층의 오목 형상이 변환기 소자를 어레이 축(A-A)에 수직한 평면 내에 기계식으로 포커싱하도록 선택된 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제25항에 있어서, 복수개의 변환기 소자(12)들 각각은 오목한 전방 표면, 후방 표면, 규일한 두께를 가지며 제1 음향 결합층(24)의 오목한 전방 표면에 장착되어 있는 제2 음향 결합층(26)을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제25항 또는 제26항에 있어서, 가요성 인쇄 회로 신호 도체(16)가 복수개의 변환기 소자들 각각의 후방 전극(40)에 부착되고, 가요성 접지 도체(18)가 복수개의 변환기 소자들 각각의 전방 전극(42)에 부착된 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제27항에 있어서, 복수개의 변환기 소자들 각각은 병렬로 전기 접속된 부소자(12A, 12B)로 분할된 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제25항 또는 제26항에 있어서, 복수개의 변환기 소자들의 외측면 층(20)을 형성하는 유전체 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제25항 또는 제26항에 있어서, 인접 변환기 소자들 사이의 공간이 낮은 임피던스의 음향 감쇠 재료로 충전된 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제25항 또는 제26항에 있어서, 전방 및 후방 전극이 니켈로 된 내층과 구리로 된 외층을 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제25항 또는 제26항에 있어서, 각 변환기 소자에서 압전층의 전방 표면은 어레이 축(A-A)의 방향으로 배열된 일련의 슬롯(48)들에 의해 단속되고, 각 변환기 소자(12)는 일련의 슬롯에 걸쳐 도전성 통로를 마련하는 수단(24, 52)을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제32항에 있어서, 인접 세그먼트들을 음향적으로 분리시키도록 슬롯(48)들 내에 탄성중합체 충전 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제33항에 있어서, 탄성중합체 충전 재료가 에폭시 재료인 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제32항에 있어서, 도전성 통로를 마련하는 수단은 각 변환기 소자의 압전층 및 음향 결합층 사이에 도전성 층(52)을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제32항에 있어서, 도전성 통로를 마련하는 수단은 음향 결합층(24)이며, 상기 음향 결합층은 도전성 재료로 된 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제25항 또는 제26항에 있어서, 어레이 축은 시험될 물체에 대면하는 볼록 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제25항 또는 제26항에 있어서, 어레이 내의 복수개의 변환기 소자(12)들 각각의 제1 음향 결합층(24)은 어레이(10) 내의 인접 변환기 소자(12)들의 제1 음향 결합층(24)으로부터 완전히 이격된 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제25항 또는 제26항에 있어서, 어레이 축(A-A)이 선형인 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제25항 또는 제26항에 있어서, 어레이 축(A-A)이 곡선인 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제25항 또는 제26항에 있어서, 어레이 축(A-A)이 선형 및 곡선 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제32항에 있어서, 각 변환기 소자의 일련의 슬롯(48)들이 균일하게 이격된 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제32항에 있어서, 각 변환기 소자의 일련의 슬롯(48)들이 소정의 최소 간격과 소정의 최대 간격 사이에서 임의로 이격된 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제25항 또는 제26항에 있어서, 각 변환기 소자에서 압전층이 PZT계 재료로 된 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제25항 또는 제26항에 있어서, 각 변환기 소자에서 압전층이 PVDF계 재료로 된 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제25항 또는 제26항에 있어서, 각 변환기 소자에서 압전층이 PMN계 재료로 된 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 초음파 변환기 어레이(10)를 제조하는 방법에 있어서,전방 전극(42)에 의해 둘러싸인 전방 표면과 후방 전극(40)에 의해 둘러싸인 후방 표면을 갖는 평편 압전 기판(30)을 마련하는 단계와,압전 기판을 통하여 기판의 전방 표면으로부터 일련의 평행 슬롯(48)들을 절단하는 단계와,중간 조립체를 마련하도록, 압전층의 일련의 슬롯들에 걸쳐 도전성 통로를 제공하는 수단(24, 52)을 갖는 음향 결합층(24)을 압전 기판(30)의 슬롯 형성 전방 표면에 균일한 두께로 도포하는 단계와,중간 조립체를 전방 유지판(64)에 부착하는 단계와,복수개의 개별 변환기 소자(12)들을 형성하고 압전 기판을 통하여 이미 형성된 일련의 평행 슬롯(48)들에 수직한 평면 내에 중간 조립체의 압전 기판(30) 및 음향 결합층(24)을 통하여 압전 기판의 후방 표면으로부터 일련의 평행 절단부(82)들을 절단하는 단계와,중간 조립체의 압전 기판의 후방 표면에 후방 지지 재료(80)를 도포하는 단계와,초음파 변환기 어레이(10)를 형성하도록 전방 유지판(64)을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제47항에 있어서, 일련의 평행 슬롯(48)들이 균일하게 이격된 것을 특징으로 하는 방법.
- 제47항에 있어서, 일련의 평행 슬롯(48)들이 소정의 최소 간격과 소정의 최대 간격 사이에서 임의로 이격된 것을 특징으로 하는 방법.
- 제47항 내지 제49항 중 한 항에 있어서, 슬롯 형성 압전 기판을 기판의 전방 표면이 오목하도록 프레스 내에서 성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제50항에 있어서, 슬롯 형성 압전 기판을 성형하는 단계와 음향 결합층을 도포하는 단계가 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제47항 내지 제49항 중 한 항에 있어서, 압전 기판을 마련하는 단계는 인접 세그먼트들을 음향적으로 분리시키도록 압전 기판을 통하여 절단된 슬롯(48)들 내에 탄성중합체 충전 재료를 위치시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제52항에 있어서, 탄성중합체 충전 재료가 에폭시 재료인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제47항 내지 제49항 중 한 항에 있어서, 압전 기판을 통하여 일련의 평행 슬롯(48)들을 절단하는 단계는 전방 표면을 통하여 완전히 절단하고,음향 결합층(24) 및 도전성 통로 수단(52)을 도포하는 단계는 음향 결합층의 저면 상에 얇은 금속 전극층(52)을 형성하는 단계와, 전극층을 갖는 압전 기판의 전방 전극과 전기적으로 접속하는 음향 결합층을 압전 기판에 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제47항 내지 제49항 중 한 항에 있어서, 도전성 통로 수단은 음향 결합층(24)인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제47항 내지 제49항 중 한 항에 있어서, 전방 유지판(64)이 가요성인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제56항에 있어서, 일련의 평행 절단부(48)들을 절단하는 단계는 중간 조립체를 완전히 통하여 전방 유지판(64) 내로 절단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제56항에 있어서, 전방 유지판을 제거하는 단계는 개별 변환기 소자(12)들을 음향적으로 분리시키도록 중간 조립체 내에 노출된 일련의 평행 절단부(82)들 내에 탄성중합체 충전 재료를 위치시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제56항에 있어서, 가요성 전방 유지판의 편향에 대하여 기판 및 결합층을 구부림으로써 중간 조립체를 소정의 형상으로 성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제56항에 있어서, 중간 조립체를 마련하는 단계는 소정의 온도 이상에서 점착력을 잃어버리는 열가소성 접착제(67)로 음향 결합층을 전방 유지판에 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제47항 내지 제49항 중 한 항에 있어서, 가요성 인쇄 회로 신호 도체(16)를 압전 기판의 후방 표면 상의 후방 전극(40)에 부착하는 단계와, 가요성 접지 도체(18)를 압전 기판의 전방 표면 상의 전방 전극(40)에 부착하는 단계를 포함하고,일련의 평행 절단부(82)들을 절단하는 단계는 각 변환기 소자에서 개별 신호 도체를 전기적으로 절연시키도록 신호 도체(16)들을 절단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제47항 내지 제49항 중 한 항에 있어서, 어레이 축에 수직한 평면 내에 복수개의 변환기 소자들을 포커싱하는 수단을 마련하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제62항에 있어서, 상기 수단이 음향 렌즈인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제62항에 있어서, 포커싱 수단은 압전 기판(30) 및 각 변환기 소자(12)의 음향 결합층(24)의 전방 표면의 형상인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제47항 내지 제49항 중 한 항에 있어서, 중간 조립체를 마련하는 단계는압전 기판의 모든 표면을 금속화하는 단계와,후방 전극(40)을 기판의 후방 표면 상에 형성하고 기판의 후방 표면의 일부 상으로 연장되는 전방 전극(42)을 기판의 전방 표면 상에 형성하도록 압전 기판의 후방 표면 상의 금속부(36)를 통하여 절단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제47항 내지 제49항 중 한 항에 있어서, 전방 및 후방 전극이 니켈로 된 내층과 구리로 된 외층을 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제47항 내지 제49항 중 한 항에 있어서, 압전 기판이 PZT계 재료로 된 것을 특징으로 하는 방법.
- 제47항 내지 제49항 중 한 항에 있어서, 압전 기판이 PVDF계 재료로 된 것을 특징으로 하는 방법.
- 제47항 내지 제49항 중 한 항에 있어서, 압전 기판이 PMN계 재료로 된 것을 특징으로 하는 방법.
- 제47항 내지 제49항 중 한 항의 방법에 따라 제조된 제품.
- 물체를 시험하기 위한 결상 평면을 갖는 초음파 변환기 어레이(10)에 있어서,결상 평면의 어레이 축(A-A)을 따라 정렬된 복수개의 변환기 소자(12)들과, 어레이 축(A-A)을 따라 정렬되어 이격된 관계로 복수개의 변환기 소자들을 지지하는 후방 지지부(80)를 포함하고,복수개의 변환기 소자들 각각은, 전방 전극(42)에 의해 둘러싸여 어레이 축(A-A)의 방향으로 배열된 일련의 슬롯(48)들에 의해 단속되는 전방 표면과 후방 전극(40)에 의해 둘러싸인 후반 표면을 갖는 압전층(30)과, 압전층(30)의 전방 표면에 장착되어 전방 표면 및 균일한 두께를 갖는 제1 음향 결합층(24)과, 압전층(30)의 일련의 슬롯들에 걸쳐 도전성 통로를 제공하는 수단(24, 52)을 포함하고,압전층과 제1 음향 결합층(24)의 일부는 인접한 변환기 소자(12)들로부터 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제71항에 있어서, 어레이 축에 수직한 평면 내에 복수개의 변환기 소자들 각각을 포커싱하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제72항에 있어서, 상기 수단이 음향 렌즈인 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제72항에 있어서, 포커싱 수단은 압전 기판(30) 및 각 변환기 소자(12)의 음향 결합층(24)의 전방 표면의 형상인 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제71항 또는 제74항에 있어서, 복수개의 변환기 소자들 각각은 제1 음향 결합층의 전방 표면에 장착되어 전방 표면과 후방 표면과 균일한 두께를 갖는 제2 음향 결합층(26)을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제71항 또는 제74항 중 한 항에 있어서, 가요성 신호 도체(16)가 복수개의 변환기 소자들 각각의 후방 전극(40)에 부착되고, 가요성 접지 도체(18)가 복수개의 변환기 소자들 각각의 전방 전극(42)에 부착된 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제76항에 있어서, 복수개의 변환기 소자들 각각이 병렬 상태로 전기 접속된 부소자(12A, 12B)로 분할된 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제71항 또는 제74항 중 한 항에 있어서, 복수개의 변환기 소자들의 외측면층(20)을 형성하는 유전체 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제71항 또는 제74항 중 한 항에 있어서, 인접 변환기 소자들 사이의 공간이 낮은 임피던스의 음향 감쇠 재료로 충전된 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제71항 또는 제74항 중 한 항에 있어서, 전방 및 후방 전극이 니켈로 된 내층과 구리로 된 외층을 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제71항 또는 제74항 중 한 항에 있어서, 도전성 통로를 마련하는 수단은 각 변환기 소자의 압전층 및 음향 결합층 사이에 도전성 층(52)을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제71항 또는 제74항 중 한 항에 있어서, 도전성 통로를 마련하는 수단은 음향 결합층(24)이고, 음향 결합층은 도전성 재료로 된 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제71항 또는 제74항 중 한 항에 있어서, 어레이 축(A-A)이 볼록 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제71항 또는 제74항 중 한 항에 있어서, 인접 세그먼트들을 음향적으로 분리시키도록 슬롯(48)들 내에 탄성중합체 충전 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제84항에 있어서, 탄성중합체 충전 재료가 에폭시 재료인 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제71항 또는 제74항 중 한 항에 있어서, 각 변환기 소자의 압전층이 PZT계 재료로 된 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제71항 또는 제74항 중 한 항에 있어서, 각 변환기 소자의 압전층이 PVDF계 재료로 된 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제71항 또는 제74항 중 한 항에 있어서, 각 변환기 소자의 압전층이 PMN계 재료로 된 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제71항 또는 제74항 중 한 항에 있어서, 어레이의 복수개의 변환기 소자(12)들 각각의 제1 음향 결합층(24)이 어레이(10)의 인접 변환기 소자(12)들의 제1 음향 결합층(24)으로부터 완전히 이격된 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제71항 또는 제74항 중 한 항에 있어서, 어레이 축(A-A)이 선형인 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제71항 또는 제74항 중 한 항에 있어서, 어레이 축(A-A)이 곡선형인 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제71항 또는 제74항 중 한 항에 있어서, 어레이 축(A-A)이 직선과 곡선 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제71항 또는 제74항 중 한 항에 있어서, 각 변환기 소자의 슬롯(48)들이 균일하게 이격된 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제71항 또는 제74항 중 한 항에 있어서, 각 변환기 소자의 슬롯(48)들이 소정의 최소 간격과 소정의 최대 간격 사이에서 임의로 이격된 것을 특징으로 하는 초음파 변환기 어레이.
- 제47항 또는 제49항 중 한 항에 있어서, 중간 조립체를 마련하는 단계는 음향 결합층을 전방 유지판의 오목한 전방 표면에 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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