KR100966194B1 - 초음파 탐촉자 - Google Patents

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다카시 다케우치
히로유키 시카타
미노루 아오키
신이치 사토
마사아키 스도
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가부시끼가이샤 도시바
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Abstract

본 발명은 초음파 탐촉자에 관한 것으로서, 제 1 방향을 따라서 배열된 복수의 홈을 각각 갖고, 상기 제 1 방향에 직교하는 제 2 방향을 따라서 배열된 복수의 압전 소자와, 상기 복수의 홈에 충전되고, 비도전성 수지부재에 대략 10-5k-1 이하의 열팽창 계수를 가진 비도전성 입상체가 혼합되어 이루어진 혼합부재를 구비하는 것을특징으로 한다

Description

초음파 탐촉자{ULTRASONIC PROBE}
본 발명은 초음파 탐촉자에 관한 것이다.
초음파 탐촉자에 있어서, 렌즈 방향 음장(音場)의 사이드로브 저감, 균일 음장을 목적으로 한 송신 음압 강도나 수신 감도를 늘리는 기술이 있다. 그 방법 중 하나로서 렌즈 방향에 대해 압전 소자의 중앙부에서 단부에 걸쳐 압전 소자의 면적이 빽빽함에서 성기게 되도록 압전 소자의 홈을 형성하는 방법이 있다. 이 경우에 이들 홈에 의해 완전히 압전 소자를 분단해도 좋고, 완전히 분단하지 않아도 좋다. 이 방법에서는 압전 소자의 홈에 에폭시 수지 등의 수지부재만을 충전했다. 그러나, 이들 구조에서는 수지로 충전한 홈과 압전 소자의 열팽창 계수가 다른 복합 구조가 된다. 이 때문에 압전 소자의 보관 시와 발열 시의 온도 변화에 따라서 수지로 충전한 홈과 압전 소자의 팽창되는 정도가 다르고, 압전 소자로의 압력이나 변형이 생겨 기계적인 신뢰성이 악화된다. 또한, 수지의 끈기 때문에 압전 소자를 어레이 방향으로 절삭할 때의 절삭 부하가 증가하여 압전 소자가 파괴되기 쉽다. 그 결과, 압전 소자의 수율이 악화된다.
본 발명의 목적은 가공 시나 사용 시의 압전 소자의 파괴를 방지하는 것을 가능하게 하는 초음파 탐촉자를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 어느 국면에 따른 초음파 탐촉자는 제 1 방향을 따라서 배열된 복수의 홈을 각각 갖고, 상기 제 1 방향에 직교하는 제 2 방향을 따라서 배열된 복수의 압전 소자와, 상기 복수의 홈에 충전되고, 비도전성 수지부재에 대략 10-5k-1 이하의 열팽창 계수를 가진 비도전성 입상체(粒狀體)가 혼합되어 이루어진 혼합부재를 구비한다.
본 발명의 어느 국면에 따른 압전 진동자는 복수의 홈을 구비한 압전 소자와, 상기 복수의 홈에 충전되고, 비도전성 수지부재에 대략 10-5k-1 이하의 열팽창 계수를 가진 비도전성 입상체가 혼합되어 이루어진 혼합부재를 구비한다.
본 발명의 추가적인 목적과 이점은 다음의 구체적인 내용에서 설명되며, 일부는 구체적인 내용에 의해 명확해지거나 본 발명의 실시예에 의해 설명될 수 있다. 본 발명의 목적과 이점은 특히 이하에서 지시된 조합 및 수단에 의해서 이해되고 획득될 수 있다.
본 발명은 가공 시나 사용 시의 압전 소자의 파괴를 방지하는 것을 가능하게 하는 초음파 탐촉자이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태를 설명한다.
도 1은 본 실시형태의 초음파 탐촉자(10)의 구성을 도시한 사시도이다. 도 1에 도시한 바와 같이 초음파 탐촉자(10)는 초음파의 배면재(배킹재)(20)를 구비하고 있다. 배면재(20)는 직사각형 블록 형상으로 형성된다. 배면재(20)의 상부에는 플렉시블 배선판(FPC)(30)을 통해 복수의 압전 진동자(40)가 접합되어 있다.
도 2는 도 1의 초음파 탐촉자(10)의 2-2 단면을 도시한 도면이다. 도 2에 도시한 바와 같이 압전 진동자(40)는 압전 소자(41)와, 압전 소자(41)의 상부에 설치된 어스 전극(32)과, 압전 소자(41)의 하부에 설치된 신호 전극(31)으로 구성되어 있다. 압전 소자(41)는 짧은 책 형상으로 형성되어 있다. 복수의 압전소자(41) 각각은 어레이 방향으로 복수의 틈(71)을 두고 배열된다. 압전 소자(41)는 초음파를 송수신한다. 압전 소자(41)의 소재는 압전 세라믹이나 압전 단결정이다. 신호 전극(31)과 어스 전극(32)은 구리박 등의 금속박으로 형성된다. 신호 전극(31)과 어스 전극(32)은 압전 소자(41)에 구동 전압을 인가한다.
도 3a는 도 1의 초음파 탐촉자(10)의 3A-3A 단면을 도시한 도면이다. 도 3b는 도 2 및 도 3a의 초음파 탐촉자의 3B-3B 단면을 도시한 도면이다. 도 3a 및 도 3b 에 도시한 바와 같이 압전 소자(41)의 상부에는 렌즈 방향을 따라서 배열되는 복수의 홈이 형성되어 있다. 각 홈의 방향은 어레이 방향으로 평행하다. 이들 복 수의 홈의 피치 간격은 등간격 또는 사인함수에 기초하여 정해진다. 여기서 피치 간격이라는 것은 도 3a의 "d"로 나타내는 거리이다. 또한, 사인함수에 기초하여 피치 간격을 결정하기로 했지만 이에 한정되지 않고, 예를 들면 가우시안 함수 등의 다른 함수를 사용해도 좋다.
도 3a 및 도 3b에 도시한 렌즈 방향을 따라서 배열되는 복수의 홈에는 혼합부재(70)가 충전된다. 혼합부재(70)는 에폭시 수지 등의 비도전성 수지부재에 알루미나 분말 등의 비도전성 입상체(이하, "비도전성 필러"라고 함)가 혼합되어 이루어진다. 수지부재에 비도전성 필러를 혼입시킴으로써 혼합부재(70)는 수지부재에 비해 연마, 절삭, 다이싱 등의 가공을 하기 쉬워진다. 즉, 혼합부재(70)는 수지부재에 비해 쾌삭성을 갖는다. 음향 임피던스를 고려하면 혼합부재(70)중에 수지부재와 비도전성 필러가 각각 차지하는 비율은 압전 소자(41)의 사용 시의 온도 및 압전소자(41)가 견딜 수 있는 최대 주 응력값, 혼합부재(70)의 비중, 혼합부재(70)의 선 열팽창 계수의 1 개 이상에 기초하여 결정된다. 구체적으로는 중량비로 수지부재가 4 할 정도, 입상체가 6 할 정도가 바람직하다. 비도전성 필러에는 알루미나 분말 외에, 예를 들면 산화규소 분말, 산화이트륨 분말, 질화알루미 분말 등이 이용된다. 비도전성 필러의 선열팽창 계수는 10×10-6k-1=10-5k-1 이하이다. 또한, k-1 은 선열팽창 계수의 단위이고, 섭씨 온도의 역수를 나타낸다. 혼합부재(70)의 초음파 빔의 음장 강도 분포 및 음장 강도의 감쇠, 신호전압과, 시간과의 관계는 비도전성 필러의 종류에 따르지 않고 거의 일정하다. 이들 분말의 입자직경은 초음파 빔의 반사를 고려하면 송수신하는 초음파의 파장의 대략 8분의 1 이하인 것이 바람직하다.
복수의 신호 전극(31)은 플렉시블 배선판(30)의 복수의 신호용 배선(33)에 각각 전기적으로 접속된다. 이와 같은 구성에 의해 각 압전 소자(41)는 독립으로 구동 신호가 인가될 수 있다.
복수의 압전 진동자(40)의 상부에는 복수의 음향 정합층(50)이 각각 설치되어 있다. 즉, 도 2에 도시한 바와 같이 각 음향 정합층(50)과 각 압전 소자(41)는 쌍이 되어 배치되어 있다. 음향 정합층(50)은 피검체와 압전 소자(41)의 음향 임피던스의 차이에 의한 초음파의 반사를 억제하는 역할을 한다.
음향 정합층(50)은 제 1 음향 정합층(52)과 제 2 음향 정합층(53)을 구비한다. 다층의 음향 정합층에 의해 음향 임피던스가 압전 소자(41)로부터 피검체를 향해 단계적으로 변화된다.
제 1 음향 정합층(52)은 도전성 재료에 의해 형성된다. 제 1 음향 정합층(52)의 하부는 어스 전극(32)을 통해 압전 소자(41)와 전기적으로 접속된다. 제 1 음향 정합층(52)의 상부는 제 2 음향 정합층(53)과 접합된다. 제 2 음향 정합층(53)은 절연성 재료에 의해 형성된다. 복수의 제 2 음향 정합층(53)의 상부에는 음향 렌즈(60)가 설치된다.
음향 렌즈(60)는 생체에 가까운 음향 임피던스를 가진 실리콘 고무 등을 소재로 한 렌즈이며, 초음파 빔을 집속시켜 렌즈 방향의 분해능을 향상시킨다.
도 2에 도시한 어레이 방향으로 병렬로 형성된 복수의 틈(71)에는 에폭시 수지 등의 수지부재(비도전성 접착제)가 충전된다.
도 3a 및 도 3b에 도시한 바와 같이, 플렉시블 배선판(30)은 2 층 구조를 이루고 있다. 제 1 층의 플렉시블 배선판(제 1 층의 FPC)에는 어스용 배선(34)이 설치되어 있다. 제 1 층의 플렉시블 배선판의 선단부는 어스 취출 전극(35)의 하단부 측쪽에 일체 형성된다. 어스용 배선(34)과 어스 취출 전극(35)은 전기적으로 접속된다. 어스 취출 전극(35)은 도전성 재료로 이루어진 제 1 음향 정합층(52)의 측면에 설치되고, 전기적으로 접속되어 있다. 제 2 층의 플렉시블 배선판(제 2 층의 FPC)에는 어레이 방향에 관해 소정 간격으로 나열된 복수의 신호용 배선(33)이 설치되어 있다. 제 2 층의 플렉시블 배선판의 선단부는 상기한 바와 같이 배면재(20)와 압전 소자(41) 사이에 배치된다. 신호 전극(31)과 신호용 배선(33)은 전기적으로 접속되어 있다. 어스 전극(32)과 신호 전극(31)에는 소정 전압이 인가된다.
또한, 제 2 음향 정합층(53)은 비도전성 재료로 형성하기로 했지만, 제 2 음향 정합층(53)을 도전 재료로 형성하고, 제 2 음향 정합층(53)과 어스 취출 전극(35)을 전기적으로 접속해도 좋다.
계속해서 상기와 같이 구성된 초음파 탐촉자(10)의 제조 공정을 설명한다.
도 4a~도 4k는 본 실시형태의 초음파 탐촉자(10)의 제조 공정을 설명하기 위한 도면이다. 우선, 도 4a에 도시한 바와 같이 압전체 블록(압전 재료)(42)을 준비한다. 계속해서, 도 4b에 도시한 바와 같이 압전체 블록(42)에 대해 어레이 방향을 따라서 평행하게 복수의 홈을 형성한다. 이 홈 가공은 상기 초음파 빔을 늘리기 위한 가공이다. 복수의 홈은 원하는 함수에 기초한 폭 및 피치 간격으로 형성된다. 복수의 홈은 압전체 블록(42)을 관통하지 않고 중도까지 형성된다. 이 홈이 가공된 압전체 블럭(43)은 압전 소자(41)가 된다. 계속해서, 도 4c에 도시한 바와 같이, 압전 소자(41)의 복수의 홈에 혼합부재(70)를 주입한다. 계속해서, 도 4d에 도시한 바와 같이 원하는 주파수 특성을 얻을 수 있도록 압전 소자(41)의 볼록부의 상표면을 노출시킨다. 이 노출을 할 때, 결과적으로 복합제(70)는 연마되지만, 혼합부재(70)는 비도전성 필러를 포함하기 때문에 수지부재 특유의 끈기가 억제되어 연마하기 쉽다. 계속해서 도 4e에 도시한 바와 같이 금 등의 도금 또는 스패터를 압전 소자(41)에 실시함으로써 제 1 전극(36)을 압전 소자(41)의 하부 전체에, 제 2 전극(37)을 압전 소자(41)의 상부 전체에 형성한다. 그 후, 제 1 전극(36)과 제 2 전극(37)에 소정의 전압을 인가한다. 이와 같이 하여 압전 진동자(40)가 얻어진다.
이와 같이 압전 진동자(40)가 얻어지면 도 4f에 도시한 바와 같이, 압전 진동자(40)의 상부에 제 1 음향 정합 재료(54) 등을 에폭시 접착제 등으로 접착하고, 제 2 전극(37)상에 제 1 음향 정합 재료(54)를 전기적으로 접합한다. 계속해서, 도 4g에 도시한 바와 같이, 제 1 음향 정합 재료(54)의 상부에 제 2 음향 정합 재료(55)를 접합한다. 계속해서, 도 4h에 도시한 바와 같이 제 1 전극(36)에 플렉시블 배선판(30)을 접합하고, 신호용 배선(33)과 제 1 전극(36)을 전기적으로 접합한다.
계속해서, 도 4i에 도시한 바와 같이 압전 진동자(40)에 접합된 플렉시블 배선판(30)의 하부에 배면재(20)를 접합한다. 계속해서, 도 4j에 도시한 바와 같이 어레이 방향을 따라서 압전 진동자(40), 제 1 음향 접합 재료(54), 제 2 음향 정합 재료(55), 제 1 전극(36), 제 2 전극(37) 및 플렉시블 배선판(30)을 제 2 음향 정합 재료(55)로 다이싱 가공한다. 다이싱 가공에 의해 압전 진동자(41), 제 1 음향 정합 재료(54), 제 2 음향 정합 재료(55), 제 1 전극(36), 제 2 전극(37) 및 플렉시블 배선판(30)이 어레이 방향을 따라서 일정한 간격으로 각각 복수의 압전 소자(41), 제 1 음향 정합층(52), 제 2 음향 정합층(53), 신호 전극(31) 및 어스 전극(32)으로 완전히 분리되고, 이들 사이에는 틈(71)이 형성된다. 이 다이싱 가공 시에 압전 소자(41)에 충전되어 있는 혼합부재(70)도 분단되게 되지만, 혼합부재(70)의 쾌삭성 때문에 압전 소자(41)는 파괴되기 어렵다. 이 단계에서 생긴 각 압전 진동자(40) 및 각 음향 정합층(50) 사이에 있는 복수의 틈(71)에는 비도전성 수지부재가 충전된다.
계속해서, 도 4k에 도시한 바와 같이 제 2 음향 정합층(53)의 상부에 음향 렌즈(60)를 접합하고, 제 1 음향 정합층(52)의 측쪽에 도전성 접착제로 어스 취출 전극(35)을 접합하고, 어스 취출 전극(35)과 플렉시블 배선판(30)상의 어스용 배선(34)을 전기적으로 접속한다. 이에 의해 초음파 탐촉자(10)가 완성된다.
또한, 초음파 탐촉자(10)의 제조 공정은 도 4a~도 4k에 도시한 제조 공정에만 한정되지 않는다. 이하, 도 5a~도 5b를 참조하면서 일례로서 압전체 블록(42)의 상부와 하부에 전극을 형성한 후에 압전체 블록(42)에 복수의 홈을 형성하는 방법에 의한 초음파 탐촉자의 제조 공정을 설명한다.
우선, 도 5a에 도시한 바와 같이 금 등의 도금 또는 스패터에 의해 압전체 블록(42)의 하부에 형성된 제 1 전극(36)과 상부에 형성된 제 2 전극(37)에 소정의 전압을 인가한다. 계속해서 도 5b에 도시한 바와 같이 어레이 방향을 따라서 제 2 전극(37)측으로부터 압전체 블록(42)에 원하는 함수에 기초한 폭 및 피치 간격(d)으로 복수의 홈을 형성한다. 이 홈 가공은 도 4b와 동일하고 초음파 빔을 늘리기 위해 실시된다. 이에 의해 제 2 전극(37)은 어레이 방향을 따라서 분단되어 압전 진동자(40)를 얻는다.
도 5b의 이후는 도 4f~도 4k와 동일한 공정으로 초음파 탐촉자(10)는 제조된다. 따라서, 이후의 설명은 생략한다. 도 4j에서 어레이 방향을 따라서 다이싱 가공할 때, 압전 소자(41)에 충전되어 있는 혼합부재(70)도 분단되지만, 혼합부재(70)의 쾌삭성 때문에 수지 특유의 끈기가 억제되어 다이싱 가공하기 쉽다.
또한, 도 6은 압전 소자(41)의 다른 형상을 도시한 도면이지만, 도 6과 같이 복수의 홈을 형성하는 것이 아니라 압전 소자(41)를 복수의 소자로 분단해도 좋다. 또한, 도 4j의 공정에서 틈(71)에는 수지부재가 아니라 혼합부재(70)를 충전해도 관계없다.
혼합부재(70)의 열팽창 계수는 수지부재의 열팽창 계수의 약 1/3 정도이다. 이 때문에 초음파 탐촉자(10)의 사용 시의 혼합부재(70)의 열팽창에 의한 압전 소자(41)로의 응력은 수지부재의 열팽창에 의한 압전 소자(41)로의 응력에 비해 작아진다. 초음파 탐촉자(10)의 사용 시나 가공 시에는 압전 진동자(40)가 발열한다. 압전 진동자(40)가 발열함으로써 압전 소자(41)와 혼합부재(70)는 열을 갖지만, 압전 소자(41)와 혼합부재(70)는 열에 의한 팽창의 정도가 가까우므로 혼합부재(70)의 열팽창에 의한 압전 소자(41)로의 응력이나 변형이 발생하기 어렵다.
도 7은 초음파 탐촉자(10)의 사용 시의 압전 소자(41)의 온도[℃]와, 수지부재의 선열팽창 계수를 100으로 한 경우의 혼합부재(70)의 선열팽창 계수(이하, "열팽창 계수율[%]"이라고 함)와, 압전 소자(41)의 최대 주 응력(인장 최대 주 응력과 압축 최대 주 응력)[MPa]을 도시한 도면이다. 도 7에 도시한 데이터는 FEM(유한 요소법) 해석에 의해 얻어졌다. FEM 해석에서는 압전 소자(41)의 상하 방향의 두께를 200㎛, 압전 소자(41)에 형성된 상하 방향의 홈의 깊이를 100㎛로 했다. 본 실시형태에 따른 압전 소자(41)가 파괴되지 않고 견딜 수 있는 최대 주 응력값의 상한값은 대략 80MPa이다. 안전성 때문에 사용 시의 온도는 60℃ 이하로 하도록 요청되어 있다. 따라서, 사용 시의 온도의 상한값은 60℃로 한다. 도 7에 도시한 바와 같이, 온도가 60℃일 때, 열팽창 계수율 70%의 혼합부재(70)가 충전된 압전 소자(41)에 가해지는 인장 최대 주 응력은 81.9MPa가 된다. 이 경우, 압전 소자(41)는 파괴된다. 마찬가지로 온도가 60℃일 때, 열팽창 계수 30%의 혼합부재가 충전된 압전 소자(41)에 가해지는 인장 최대 주 응력은 46.1MPa가 된다. 이 경우, 압전 소자(41)는 파괴되지 않는다. 도 7의 데이터는 열팽창 계수율이 낮을수록 최대 주 응력은 작은 것을 나타낸다. 또한, 80MPa을 초과하는 부분은 사선으로 나타낸다. 도 7의 데이터는 온도가 낮을수록 최대 주 응력은 작은 것을 나타낸다. 또한, 인장 최대 주 응력값이 압축 최대 주 응력값 보다도 크므로, 이하, 인장 최대 주 응력값만 고려한다.
도 8은 사용 시의 온도가 60℃인 경우의 인장 최대 주 응력[MPa]과 열팽창 계수율[%]의 관계를 도시한 도면이다. 도 8에 도시한 바와 같이, 60℃ 가열 시에 압전 소자(41)가 파괴되지 않기 위해서는 열팽창 계수가 대략 70% 이하이지 않으면 안된다.
도 9는 비도전성 필러의 종류별 비중[kg/㎥], 선열팽창 계수[k-1], 및 필요 혼합 비율[wt%]을 도시한 도면이다. 여기서는 비도전성 필러로서 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 산화규소(SiO2), 산화이트륨(Y22O3)이 예시되어 있다. 도 9에 도시한 바와 같이, 각 비도전성 필러는 10×10-6k-1 이하의 선열팽창 계수를 가진다. 필요 혼합 비율[wt%]이라는 것은 열팽창 계수율을 70%로 하기 위한 혼합부재(70)에 대한 비도전성 필러의 중량비[wt%]이다. 각 비도전성 필러의 필요 혼합율은 30wt% 이상이다. 즉, 도 8과 도 9의 관계 때문에 비도전성 필러의 종류에 관계없이 비도전성 필러의 중량비가 30wt% 이상의 혼합부재(70)를 홈에 충전시키면 사용 시의 혼합부재(70)의 열팽창에 의해 압전 소자(41)가 파괴되지 않는다. 중량비가 30wt% 이하이면 사용 시에 압전 소자(41)가 파괴될 위험성이 있다. 즉, 중량비 30wt%는 비도전성 필러의 중량비의 하한이다.
중량비가 높으면 높을수록 음장의 강도 분포는 이상에서 벗어난다. 음장의 강도 분포는 비도전성 필러의 입자직경이나 혼합부재의 비중에 의해 변화되는 것이며, 비도전성 필러의 종류에 따라서는 변화되지 않는다. 또한, 수지부재에 혼입할 수 있는 비도전성 필러의 양에는 상한값이 있다. 알루미나의 상한값은 중량비로서 60수wt%이다.
수지부재에 알루미나를 중량비로 4:6으로 혼입시킨 혼합부재(이하, "알루미나 혼합부재"라고 함)로부터 발생되는 초음파 빔의 특성에 대해 설명한다. 이하에 예로 든 도 10, 도 11, 도 12의 데이터는 시뮬레이션 결과 얻어진 것이다. 도 10은 초음파 탐촉자로부터 발생되는 초음파 빔의 슬라이스 방향의 음장의 강도와 홈에 충전시키는 부재와의 종류의 관계를 도시한 도면이며, 세로축은 음장의 강도, 가로축은 슬라이스 방향 거리이다. 또한, 각각의 충전재에서의 음압의 피크 위치는 갖추어져 있다.
도 10에 도시한 실선은 알루미나 혼합부재, 점선은 수지부재, 일점쇄선은 공기(홈에 아무것도 충전시키지 않음)의 초음파 탐촉자(10)로부터 발생되는 초음파 빔의 음장의 강도를 나타낸다. 이점쇄선은 음장 강도의 이상적인 함수(중량 함수)를 나타낸다. 알루미나 혼합부재를 충전한 초음파 탐촉자(10)로부터 발생되는 초음파 빔은 수지부재만을 충전한 초음파 탐촉자(10)와 전혀 충전하지 않은 초음파 탐촉자(10)로부터 발생되는 초음파 빔의 음장의 강도 분포와 거의 변하지 않는다.
도 11은 초음파 탐촉자(10)로부터 발생되는 초음파 빔의 음장의 강도[데시벨, dB]와 진동수[MHz]의 관계를 충전재의 종류별로 도시한 도면이다.
또한, 도 12는 초음파 탐촉자(10)에 인가하는 신호 전압[Vpp]과 시간[μsec]의 관계를 충전재의 종류별로 도시한 도면이다. 도 10, 도 11, 도 12에 도시한 바와 같이 알루미나 혼합부재를 충전한 초음파 탐촉자(10)로부터 발생되는 초음파 빔은 수지부재만 충전한 초음파 탐촉자(10)나 전혀 충전하지 않는 초음파 탐촉자(10)로부터 발생되는 초음파 빔과 대략 동등한 특성을 가지므로, 혼합부재(70)를 사용한 경우에도 초음파 탐촉자(10)의 초음파 빔의 특성의 변화는 거의 없다.
알루미나를 중량비 60wt%로 수지부재를 혼합하여 이루어진 혼합부재(70)의 비중은 2.82kg/m3이다. 비중 2.82kg/m3는 압전 소자(41)의 비중의 대략 1/3배이다.
도 13은 도 9와 동일한 비도전성 필러의 비중[kg/m3], 선열팽창 계수[k-1], 필요 혼합 비율[wt%], 한계 혼합 비율[wt%]을 도시한 도면이다. 한계 혼합 비율 wt%이라는 것은 혼합부재(70)의 비중이 2.82kg/m3인 경우의 비도전성 필러의 중량비이다. 바꿔 말하면, 수지부재에 혼입 가능한 비도전성 필러의 중량비의 상한값이다. 도 13에 도시한 바와 같이, 예를 들면 알루미나의 경우 중량비 33~60wt% 정도이면 음장의 강도 분포나 사용 시의 압전 소자(41)의 파괴 등에 관한 문제는 없다.
상기와 같이 혼합부재(70)의 비도전성 필러의 중량비는 압전 소자(41)의 사용 시의 온도, 압전 소자(41)가 견딜 수 있는 주 응력값, 및 혼합부재(70)의 비중 등에 기초하여 결정된다. 이와 같이 중량비가 결정되어 초음파 음장의 혼란을 억제하면서 온도 상승에 따른 혼합부재(70)의 팽창에 의한 압전 소자(41)의 파괴 방지가 실현된다.
이와 같이 본 실시형태에 의하면 가공 시나 사용 시의 압전 소자의 파괴를 방지하는 것이 가능해진다.
추가적인 이점과 변형은 본 발명의 기술 분야의 당업자에 의해 쉽게 발생할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 넓은 측면에서 본 발명은 여기에 설명되고 도 시된 특정 상세한 설명 및 대표적인 실시예에 의해 한정되지 않는다. 따라서, 본 발명의 첨부된 청구범위에 의해 한정된 일반적인 고안의 정신 또는 범위를 벗어나지 않고, 다양한 변형이 만들어질 수 있다.
본 명세서에 병합하여 구성한 첨부된 도면은 본 발명의 실시예를 도시하며, 상기된 일반적인 설명 및 실시예의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하도록 제시된다.
도 1은 본 실시형태의 초음파 탐촉자의 구성을 도시한 사시도,
도 2는 도 1의 초음파 탐촉자의 2-2 단면을 도시한 도면,
도 3a는 도 1의 초음파 탐촉자의 3A-3A 단면을 도시한 도면,
도 3b는 도 2 및 도 3a의 초음파 탐촉자의 3B-3B 단면을 도시한 도면,
도 4a는 도 1의 초음파 탐촉자의 제조 공정의 초기 단계를 도시한 도면,
도 4b는 도 1의 초음파 탐촉자의 제조 공정의 홈 가공을 도시한 도면,
도 4c는 도 1의 초음파 탐촉자의 제조 공정의 혼합부재의 충전을 도시한 도면,
도 4d는 도 1의 초음파 탐촉자의 제조 공정의 연마 가공을 도시한 도면,
도 4e는 도 1의 초음파 탐촉자의 제조 공정의 전극 형성을 도시한 도면,
도 4f는 도 1의 초음파 탐촉자의 제조 공정의 제 1 음향 정합층의 접착을 도시한 도면,
도 4g는 도 1의 초음파 탐촉자의 제조 공정의 제 2 음향 정합층의 접착을 도시한 도면,
도 4h는 도 1의 초음파 탐촉자의 제조 공정에서 플렉시블 배선판의 접합을 도시한 도면,
도 4i는 도 1의 초음파 탐촉자의 제조 공정에서 배면재의 접합을 도시한 도 면,
도 4j는 도 1의 초음파 탐촉자의 제조 공정에서 어레이화 가공을 도시한 도면,
도 4k는 도 1의 초음파 탐촉자의 제조 공정에서 음향 렌즈의 접합을 도시한 도면,
도 5a는 도 4a~도 4k와는 다른 초음파 탐촉자의 제조 공정의 초기 단계를 도시한 도면,
도 5b는 도 4a~도 4k와는 다른 초음파 탐촉자의 제조 공정의 홈 가공을 도시한 도면,
도 6은 도 4의 압전 진동자의 다른 형상을 도시한 도면,
도 7은 초음파 탐촉자의 사용 시의 압전 소자(41)의 온도[℃], 혼합부재의 열팽창 계수율[%], 및 압전 소자(41)의 최대 주 응력[MPa]을 도시한 도면,
도 8은 압전 소자의 사용 시의 온도가 60[℃]인 경우에 있어서 인장 최대 주 응력값[MPa]과 열팽창 계수[%]와의 관계를 도시한 도면,
도 9는 비도전성 필러의 종류별 비중[kg/㎥], 선열팽창 계수[k-1], 및 필요 혼합 비율[wt%]을 도시한 도면,
도 10은 초음파 탐촉자로부터 발생되는 초음파 빔의 슬라이스 방향의 음장의 강도와 충전재의 종류와의 관계를 도시한 도면,
도 11은 초음파 탐촉자로부터 발생된 초음파 빔의 음장의 강도[dB]와 진동 수[MHz]의 관계를 충전재의 종류별로 도시한 도면,
도 12는 초음파 탐촉자에 인가하는 신호 전압[Vpp]과 시간[μsec]과의 관계를 충전재의 종류별로 도시한 도면, 및
도 13은 도 9와 동일한 비도전성 필러의 비중[kg/m3], 선열팽창 계수[k-1], 필요 혼합 비율[wt%], 및 한계 혼합 비율[wt%]을 도시한 도면이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 초음파 탐촉자 20 : 배면재
30 : 플렉시블 배선판 31 : 신호 전극
40 : 압전 진동자 41 : 압전 소자
50 : 음향 정합층 52 : 제 1 음향 정합층
53 : 제 2 음향 정합층 60 : 음향 렌즈

Claims (8)

  1. 제 1 방향을 따라서 배열된 복수의 홈을 각각 갖고, 상기 제 1 방향에 직교하는 제 2 방향을 따라서 배열된 복수의 압전 소자, 및
    상기 복수의 홈에 충전되고, 비도전성 수지부재에 10-5k-1 이하의 열팽창 계수를 가진 비도전성 입상체가 혼합되어 이루어진 혼합부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 초음파 탐촉자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수지부재와 상기 입상체의 혼합 비율은 상기 압전 소자의 온도 및 상기 압전 소자가 견딜 수 있는 응력값, 상기 혼합부재의 비중, 상기 혼합부재의 열팽창 계수의 1 개 이상에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 초음파 탐촉자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합부재의 비중은 상기 압전 소자의 비중의 1/3 이하인 것을 특징으로 하는 초음파 탐촉자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합부재의 열팽창 계수는 사용 시의 상기 혼합부재의 온도에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 초음파 탐촉자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합부재는 열팽창된 경우에도 상기 압전 소자를 파괴할 수 없을 정도의 응력을 발생하는 열팽창 계수를 갖는 것을 특징으로 하는 초음파 탐촉자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 입상체의 입자 직경은 상기 압전 소자가 송수신하는 초음파의 파장의 1/8 이하인 것을 특징으로 하는 초음파 탐촉자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 홈은 상기 제 1 방향의 중앙부에서 단부로 갈수록 송수신되는 초음파 강도가 약해지도록 상기 압전소자 각각에 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 탐촉자.
  8. 복수의 홈을 가진 압전 소자, 및
    상기 복수의 홈에 충전되고, 비도전성 수지부재에 10-5k-1 이하의 열팽창계수를 가진 비도전성 입상체가 혼합되어 이루어진 혼합부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 진동자.
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