(57)【要約】【課題】  音響整合層における音響ロスを低減させ、良好な超音波の発信強度および受信感度を有する複合圧電材料およびその製造方法を提供する。【解決手段】  圧電材料と、高分子材料および／またはセラミック材料からなる音響整合層とを含み、該音響整合層が、第１の材料からなる第１の層と、第２の材料からなり、第１の層より小さい音響インピーダンスを有する第２の層とを少なくとも含み、かつ該第１の層は該第２の層と圧電材料との間に設けられてなる複合圧電材料の製造方法であって、表面に円錐状または角錐状のパターンが形成された金型を形成する工程と、第１の材料および第２の材料のうち一方からなり、該パターンが転写された転写層を形成する工程と、該転写層の上に、第１の材料および第２の材料のうち該転写層の構成材料とは異なる材料を塗布して塗布層を形成する工程と、を含む複合圧電材料の製造方法に関する。【選択図】        図２
2006313977.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材料と、高分子材料および／またはセラミック材料からなる音響整合層とを含み、前記音響整合層が、第１の材料からなる第１の層と、第２の材料からなり前記第１の層より小さい音響インピーダンスを有する第２の層と、を少なくとも含み、かつ、前記第１の層が前記第２の層と前記圧電材料との間に設けられてなる複合圧電材料の製造方法であって、
表面に円錐状または角錐状のパターンが形成された金型を形成する工程と、
前記第１の材料および前記第２の材料のうち一方からなり、前記パターンが転写された転写層を形成する工程と、
前記転写層の上に、前記第１の材料および前記第２の材料のうち前記転写層の構成材料とは異なる材料を塗布して塗布層を形成する工程と、
を含む、複合圧電材料の製造方法。
【請求項２】
前記音響整合層が前記第１の層および前記第２の層からなり、
前記金型の前記パターン上に前記第２の材料を塗布し、前記パターンが転写された前記転写層としての前記第２の層を形成する工程と、
前記第２の層の上に前記第１の材料を塗布して前記塗布層としての前記第１の層を形成し、前記第１の層と前記第２の層とからなる前記音響整合層を形成する工程と、
前記音響整合層を前記圧電材料と複合化する工程と、
を含む、請求項１に記載の複合圧電材料の製造方法。
【請求項３】
前記圧電材料上に、直接または他の層を介して前記第１の材料を塗布する工程と、
前記第１の材料に前記金型を押し付けることにより前記パターンを前記第１の材料に転写し、前記転写層としての前記第１の層を形成する工程と、
前記第１の層の上に前記第２の材料を塗布して前記塗布層としての前記第２の層を形成する工程と、
を含む、請求項１に記載の複合圧電材料の製造方法。
【請求項４】
前記音響整合層が前記第１の層および前記第２の層からなる２層構造を有する、請求項３に記載の複合圧電材料の製造方法。
【請求項５】
前記パターンが円錐状または角錐状の凸パターンであり、前記凸パターンが、Ｘ線、紫外線、電子線、レーザーのうち少なくともいずれかの照射により形成される、請求項１〜４のいずれかに記載の複合圧電材料の製造方法。
【請求項６】
前記パターンが円錐状または角錐状の凹パターンであり、前記凹パターンが、サンドブラスト、ガスプラズマエッチング、レーザーアブレーションの少なくともいずれかを用いたエッチングにより形成される、請求項１〜４のいずれかに記載の複合圧電材料の製造方法。
【請求項７】
前記第１の材料が高分子材料中に導電性物質を含有させてなる導電性高分子材料であり、前記第２の材料が高分子材料である、請求項１〜６のいずれかに記載の複合圧電材料の製造方法。
【請求項８】
前記パターンとしての円錐または角錐において、底面における直径または仮想外接円の直径が５μｍ以上２００μｍ以下に設定される、請求項１〜７のいずれかに記載の複合圧電材料の製造方法。
【請求項９】
前記パターンとしての円錐または角錐において、高さ（Ａ）と底面における直径または仮想外接円の直径（Ｂ）との比（Ａ）／（Ｂ）で定義されるアスペクト比が０．５以上１０以下に設定される、請求項１〜８のいずれかに記載の複合圧電材料の製造方法。
【請求項１０】
前記第１の層の音響インピーダンスが２〜１５ＭＲａｙｌの範囲内、かつ前記第２の層の音響インピーダンスが１．５〜８ＭＲａｙｌの範囲内に設定される、請求項１〜９のいずれかに記載の複合圧電材料の製造方法。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載の製造方法により得られる複合圧電材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に医療用超音波診断機等に対して好適に適用される複合圧電材料およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療用の超音波診断機等において、超音波の発信強度および受信感度を向上させた圧電性材料として、高分子材料と圧電材料とからなる複合圧電材料が種々提案されている。しかし複合圧電材料においては、測定対象となる音響インピーダンスの異なる材料との界面における超音波の反射により音響ロスが生じるという問題があるため、超音波の発信強度および受信感度には未だ改善の余地があり、さらに音響ロスを低減させることが要求されている。音響ロスを低減させるためには、複合圧電材料の界面における音響インピーダンスの差をできる限り小さくすることが好ましい。
【０００３】
たとえば非特許文献１では、ダイシング装置を用いてＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）柱先端を針状に加工し、該ＰＺＴ柱の間隙にタングステン粉を混ぜた導電性樹脂を埋め込むことにより、厚さ方向において音響インピーダンスを変化させた音響整合層を形成する方法が開示されている。非特許文献１ではＰＺＴ柱幅が１５０μｍの場合について検討されているが、良好な超音波の発信強度および受信感度を付与する音響整合層を得るためには、微細なＰＺＴ柱を形成することが好ましく、理想的にはＰＺＴ柱幅を５０μｍ以下とすることが必要である。しかし非特許文献１の方法はダイシング加工によるため、ＰＺＴ柱が微細になると傾斜加工精度が悪くなる傾向がある。よって、この方法では複合圧電材料としての音響ロスを十分に低減させることが困難である。またダイシング加工においては、５０μｍ程度のＰＺＴ柱を加工しようとするとＰＺＴ柱が欠けてしまう恐れがあるという問題もある。
【非特許文献１】２００１  ＩＥＥＥ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ  ｓｙｍｐ．１０３１−１０３４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は上記の課題を解決し、音響整合層における音響ロスを低減させ、良好な超音波の発信強度および受信感度を有する複合圧電材料およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、圧電材料と、高分子材料および／またはセラミック材料からなる音響整合層とを含み、該音響整合層が、第１の材料からなる第１の層と、第２の材料からなり第１の層より小さい音響インピーダンスを有する第２の層と、を少なくとも含み、かつ、該第１の層が第２の層と圧電材料との間に設けられてなる複合圧電材料の製造方法であって、表面に円錐状または角錐状のパターンが形成された金型を形成する工程と、第１の材料および第２の材料のうち一方からなり、該パターンが転写された転写層を形成する工程と、該転写層の上に、第１の材料および第２の材料のうち該転写層の構成材料とは異なる材料を塗布して塗布層を形成する工程と、を含む複合圧電材料の製造方法に関する。
【０００６】
本発明はまた、音響整合層が第１の層および第２の層からなり、該金型のパターン上に第２の材料を塗布し、該パターンが転写された転写層としての第２の層を形成する工程と、第２の層の上に第１の材料を塗布して塗布層としての第１の層を形成し、第１の層と第２の層とからなる音響整合層を形成する工程と、音響整合層を圧電材料と複合化する工程と、を含む複合圧電材料の製造方法に関する。
【０００７】
本発明はまた、圧電材料上に、直接または他の層を介して第１の材料を塗布する工程と、第１の材料に金型を押し付けることにより該パターンを第１の材料に転写し、転写層としての第１の層を形成する工程と、該第１の層の上に第２の材料を塗布して塗布層としての第２の層を形成する工程と、を含む複合圧電材料の製造方法に関する。この場合、該音響整合層が第１の層および第２の層からなる２層構造を有することが好ましい。
【０００８】
本発明においては、金型に形成されるパターンが円錐状または角錐状の凸パターンであり、該凸パターンが、Ｘ線、紫外線、電子線、レーザーのうち少なくともいずれかの照射により形成されることが好ましい。
【０００９】
また、金型に形成されるパターンが円錐状または角錐状の凹パターンであり、該凹パターンが、サンドブラスト、ガスプラズマエッチング、レーザーアブレーションの少なくともいずれかを用いたエッチングにより形成されることも好ましい。
【００１０】
本発明に使用される第１の材料が高分子材料中に導電性物質を含有させてなる導電性高分子材料であり、第２の材料が高分子材料である組合せは好ましく採用され得る。
【００１１】
本発明で使用される金型に形成されるパターンとしての円錐または角錐において、底面における直径または仮想外接円の直径は５μｍ以上２００μｍ以下に設定されることが好ましい。すなわち、円錐状のパターンが形成される場合には、該円錐の底面をなす円の直径が５μｍ以上２００μｍ以下に設定されることが好ましく、角錐状のパターンが形成される場合には、該角錐の底面をなす多角形の外接円を仮想した場合の該外接円の直径が５μｍ以上２００μｍ以下に設定されることが好ましい。本発明においては上記のように仮想される外接円を「仮想外接円」と称する。
【００１２】
また、該パターンとしての円錐または角錐において、高さ（Ａ）と底面における直径または仮想外接円の直径（Ｂ）との比（Ａ）／（Ｂ）で定義されるアスペクト比が０．５以上１０以下に設定されることが好ましい。
【００１３】
また、本発明における第１の層の音響インピーダンスが２〜１５ＭＲａｙｌの範囲内、かつ第２の層の音響インピーダンスが１．５〜８ＭＲａｙｌの範囲内に設定されることが好ましい。
【００１４】
本発明はさらに、上記の製造方法により得られる複合圧電材料に関する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、音響インピーダンスの異なる少なくとも２層からなる音響整合層における各層の界面が微細な凹凸形状を有し、厚み方向に音響インピーダンスの分布を設けた音響整合層を精度良く形成させることが可能となる。これにより、音響ロスを低減させ、良好な超音波の発信強度および受信感度を有する複合圧電材料の提供が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に本発明の典型的な実施の形態について説明するが、本発明は以下に限定されるものではない。
【００１７】
＜実施の形態１＞
実施の形態１においては、音響整合層を形成する工程の後、圧電材料と該音響整合層とを複合化する場合について説明する。図１は、実施の形態１において使用される金型の製造工程について説明する断面図である。本発明における金型の材質としては、たとえばＮｉ等の金属が好ましく用いられるが、これに限定されない。まず、マスク１１等を用い、好ましくはＸ線、紫外線、電子線、レーザーのうち少なくともいずれかを照射してエッチングを行ない、レジスト１２に円錐状または角錐状の凹パターンを形成する（図１（Ａ））。これらのエッチング方法はいずれも精度良いパターン形成が可能な方法であるため好ましい。またこの場合特にＳＲ（シンクロトロン照射）を用いることが好ましい。なおマスク１１はムービングマスクとされても良い。レジスト１２を現像した後、該レジスト１２の表面に無電界めっき、さらに電界めっきを施し、円錐状または角錐状の凸パターンを有する金型１３を形成し（図１（Ｂ））、レジスト１２を除去する（図１（Ｃ））。
【００１８】
本発明においては、第１の層と、該第１の層より小さい音響インピーダンスを有する第２の層とを含む音響整合層を形成することにより、音響整合層の厚み方向に対して音響インピーダンスの分布を設ける。また、第１の層と第２の層との界面が錐状、すなわち円錐状または角錐状の凹凸形状を有することにより、該分布がより連続的となって該界面における音響ロスが低減される。特に該界面が円錐状である場合、音響整合層の厚み方向における音響インピーダンスの変化がより連続的となるとともに、金型加工の精度および転写層へのパターン転写の精度が良好となる点で好ましい。
【００１９】
本発明において使用される金型は、少なくとも第１の層と第２の層との界面に円錐状または角錐状の凹凸形状を付与できるものであることが必要である。たとえば図１に示す金型１３においては、円錐状または角錐状の凸パタ−ンの底面における直径Ｗ１が５μｍ以上２００μｍ以下、特に１００μｍ以下とされることが好ましい。なお該凸パターンが角錐状のパターンとして形成される場合、直径Ｗ１は角錐の底面における仮想外接円の直径として定義されるものとする。直径Ｗ１が５μｍ以上であれば金型加工の精度が確保でき、２００μｍ以下であれば、第１の層と第２の層とが微細な凹凸形状を有する界面を形成するため、該界面における音響ロスの低減効果が良好である。また、凸パターンのピッチＷ２は１０〜２００μｍ程度、さらに１０〜１００μｍ程度に設定されることが好ましい。ピッチＷ２が１０μｍ以上であれば、金型加工の精度および転写層へのパターン転写の精度が良好であり、２００μｍ以下、特に１００μｍ以下であれば、音響整合層の厚み方向における音響インピーダンスの変化を十分連続的なものとすることができる。
【００２０】
また、金型１３における凸パターンの高さＨ１は１０〜２００μｍ程度に設定されることが好ましい。高さＨ１が１０μｍ以上であれば、音響整合層の厚み方向における音響インピーダンスの分布が十分付与でき、２００μｍ以下であれば、音響整合層の厚みが大きくなり過ぎることがなく音響ロスを低減できる。
【００２１】
金型１３の凸パターンにおいて高さＨ１と直径Ｗ１との比で表される、円錐または角錐の高さ（Ａ）と底面における直径または仮想外接円の直径（Ｂ）との比（Ａ）／（Ｂ）、すなわちアスペクト比は、０．５〜１０の範囲内に設定されることが好ましい。アスペクト比が０．５以上であれば、音響整合層の厚み方向における音響インピーダンスの分布を十分設けることができ、１０以下であれば、凸パターン先端の欠損等が生じる危険性が少ない他、金型加工の精度および転写層へのパターン転写の精度が良好である。
【００２２】
金型１３の凸パターンにおける円錐または角錐の底面積の合計は、金型１３の表面の凸パターンが形成されない部位の面積と該底面積の合計との和の５〜６０％の範囲内、特に５０％とされることが好ましい。この場合、第１の層と第２の層との間の音響ロスがより低減されるため好ましい。
【００２３】
図２は、実施の形態１に係る複合圧電材料の製造工程について説明する断面図である。
円錐状または角錐状の凸パターンを形成した金型１３の表面に、高分子材料またはセラミック材料からなる第２の材料を塗布し、該第２の材料を熱硬化等によって硬化させることにより、金型１３の表面に形成された円錐状または角錐状のパターンが転写された転写層としての第２の層２１を形成する（図２（Ａ））。すなわち、第２の層２１の表面には、金型１３の凸パターンに対応する円錐状または角錐状の凹パターンが形成される。
【００２４】
次に、金型１３を除去し、該除去面に、第２の材料より大きい音響インピーダンスを有する高分子材料またはセラミック材料からなる第１の材料を塗布する。第１の材料を熱硬化等によって硬化させ、さらに研磨等により厚さ１００μｍ程度に調整して、塗布層としての第１の層２２を形成し、第１の層２２と第２の層２１とからなる音響整合層２３とする（図２（Ｂ））。
【００２５】
圧電材料２５の両表面に電極２４および２６を形成し、電極２４の表面に、好ましくは接着剤を介して上記で作製した音響整合層の第１の層２２を接着し、本発明の複合圧電材料を完成させる（図２（Ｃ））。該複合圧電材料の音響インピーダンスはたとえば１２ＭＲａｙｌとされることができる。
【００２６】
本発明における音響整合層の構成材料としては高分子材料および／またはセラミック材料が用いられる。高分子材料としては、たとえばエポキシ樹脂等の樹脂材料を単独で用いる他、高分子材料中に金属粉等の導電性物質を含有させた導電性高分子材料を用いることができる。この場合、高分子材料および導電性物質の種類および量比により所望の音響インピーダンスを有する材料が得られる。またセラミック材料としては、たとえばＰＺＴ系の圧電セラミックスや、ジルコニア、アルミナ、酸化シリコン、ＳｉＣ等が好ましく用いられる。
【００２７】
本発明においては、第１の層の音響インピーダンスが２〜１５ＭＲａｙｌの範囲内に設定されることが好ましい。第１の層の音響インピーダンスが２ＭＲａｙｌ以上であれば、第１の層と圧電材料との間の音響インピーダンスの差による音響ロスを低減させることができ、１５ＭＲａｙｌ以下であれば、第１の層と第２の層との間の音響インピーダンスの差による音響ロスを低減させることができる。また、本発明においては、第２の層の音響インピーダンスが１．５〜８ＭＲａｙｌの範囲内に設定されることが好ましい。第２の層の音響インピーダンスが１．５ＭＲａｙｌ以上であれば、第２の層と、第１の層および圧電材料との間の音響インピーダンスの差による音響ロスを低減でき、８ＭＲａｙｌ以下であれば、第２の層と測定対象との間の音響インピーダンスの差による音響ロスを低減できる。特に、第１の層の音響インピーダンスが２〜１５ＭＲａｙｌの範囲内で、かつ第２の層の音響インピーダンスが１．５〜８ＭＲａｙｌの範囲内となるように設定されることが好ましい。
【００２８】
また、圧電材料として音響インピーダンスが３０ＭＲａｙｌ程度のＰＺＴ系の圧電セラミックスを用い、たとえば音響整合層が第１の層および第２の層の２層構造を有する場合、第１の層の音響インピーダンスが８〜１４ＭＲａｙｌの範囲内とされ、第２の層の音響インピーダンスが２〜３ＭＲａｙｌの範囲内とされることが好ましい。この場合、複合圧電材料における第２の層と圧電材料との音響インピーダンスの差を第１の層により連続的に整合させることができる。
【００２９】
本発明においては、複合圧電材料における各々の構成材料の音響インピーダンスを、材料に応じて以下の方法で算出することができる。ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）等の発振素子の音響インピーダンスについては、たとえば以下の方法で算出できる。素子厚さｔをマイクロメータ等で測定し、下記の式、
密度ρ＝（質量）／（体積）
に従い、密度ρを算出する。またインピーダンスアナライザーを用い、電気周波数に対する素子の電気抵抗を測定し、下記の式、
ν＝ｆｒ×２ｔ
Ζ＝ρν
（ただし、νは音速、ｆｒは中心周波数、ｔは素子厚さ、Ζは音響インピーダンスである）
に従い、音響インピーダンスを算出する。ここで、中心周波数ｆｒとは発振素子の共振周波数である。
【００３０】
一方、音波発振源とならない材料の音響インピーダンスは、たとえば以下の方法により測定できる。まず、ヤング率の測定値から算出する方法としては、材料の密度ρ、および該材料の引張時における伸び力ｆと変形量ｘとの関係から、以下の式、
Ｙ＝ｆ／ｘ
ν＝（Ｙ／ρ）1/2
Ζ＝ρν
（ただし、Ｙはヤング率、ｆは伸び力、ｘは変形量、νは音速、ρは密度、Ζは音響インピーダンスである）
に従い、音響インピーダンスを算出することができる。
【００３１】
また、音速の測定値から算出する方法としては、上記と同様に、材料の密度ρを求め、超音波測定器を用い、一方のセンサーから発振された音波を他方のセンサーが受振するまでの伝播時間ｔと、両センサーの距離Ｈとから、下記の式、
ν＝Ｈ／ｔ
Ζ＝ρν
（ただし、νは音速、Ｈは両センサーの距離、ｔは伝播時間、Ζは音響インピーダンス、ρは密度である）
に従い、音響インピーダンスを算出することができる。
【００３２】
上記のような音響インピーダンスの測定方法については、たとえば、「医用超音波機器ハンドブック」（コロナ社、日本電子機械工業会編、１９９７年改訂）に記載がある。
【００３３】
本発明において好ましく使用される第１の材料および第２の材料の組合せとしては、第１の材料としてエポキシ樹脂に導電性物質としてタングステン粉を含有させた導電性樹脂を用い、第２の材料としてエポキシ樹脂を用いる組合せ等が例示できる。この場合、第１の材料および第２の材料が同様の樹脂をベースとしているため、第１の層と第２の層との界面の密着性に優れ、音響ロスがより良好に低減される。なお、第１の材料におけるエポキシ樹脂中のタングステン粉含有量は１０〜６０ｗｔ％の範囲内、特に、４０ｗｔ％程度に設定されることができる。この場合、音響整合層としての効果が十分得られるとともに、第１の層と第２の層との音響インピーダンスの差が過度に大きくならないために音響ロスが生じ難いという利点を有する。
【００３４】
本発明の音響整合層においては、第１の層と第２の層とが互いを貫通しないように形成されることが好ましい。すなわち、たとえば図２に示す第２の層２１の表面、すなわち第１の層との界面と反対側の面には、第１の層２２が露出しないことが好ましい。また第１の層２２と電極２４との界面には第２の層２１が露出しないことが好ましい。この場合、音響インピーダンスに分布を設けることによる音響ロスの低減効果が最大限発揮される。特に、第１の層と第２の層とが互いを貫通しないように形成され、かつ、第１の層のパターンの円錐または角錐の底面積の合計が、パターン形成されていない部位における第１の層と第２の層との界面の面積と該底面積の合計との和の５〜６０％、特に５０％となるように、第１の層および第２の層が形成される場合、第１の層と第２の層との間の音響ロスがより低減されるため好ましい。
【００３５】
本発明においては、あらかじめ所望のパターンを形成した金型を用いて音響整合層を形成することにより、たとえばダイシング加工を用いる場合と比べて、円錐状または角錐状の微細な凹凸形状を有する界面を精度良く形成することができる。特に転写層に凸パターンを形成する場合には、ダイシング加工等と比べ、該凸パターンの先端が加工時に欠損する危険性を低減することができる。
【００３６】
実施の形態１においては、音響整合層が第１の層と第２の層との２層構造を有する場合について説明したが、本発明においては、音響インピーダンスを段階的に変化させた３以上の層からなる音響整合層が設けられても良い。しかし本発明によって形成される音響整合層は２層構造でも十分な音響整合性能を確保できるため、第１の層と第２の層とからなる２層構造の音響整合層が設けられることが好ましい。音響整合層の層数は少ないほど音響ロスの低減が容易である。
【００３７】
音響整合層が３以上の材料からなる３以上の層で構成される場合、該３以上の材料の組合せとしては、たとえば同種の高分子材料を用い、導電性物質の有無または含有量によって音響インピーダンスに差を設けた３以上の材料の組合せが好ましく採用される。この場合、各層の界面の密着性が良好であり音響ロスをより低減させることができる。
【００３８】
＜実施の形態２＞
本実施の形態においては、あらかじめ圧電材料の両表面に電極を形成した後、音響整合層を構成する層を順次形成する場合について説明する。なお特に説明されない部分については実施の形態１と同様の条件が好ましく採用されるが、これに限定されるものではない。図３は、実施の形態２において使用される金型の形状を示す断面図である。本実施の形態においては、好ましくはサンドブラスト、ガスプラズマエッチング、レーザーアブレーションの少なくともいずれかを用いたエッチングにより、表面に円錐状または角錐状の凹パターンを形成した金型３１が使用される。金型の材質としてはＮｉ等の金属が好ましく用いられる。上記のエッチング方法はいずれも精度良いパターン形成が可能な方法であるため好ましい。
【００３９】
図４は、実施の形態２に係る複合圧電材料の製造工程について説明する断面図である。
まず、圧電材料３３の両表面に電極３２および３４を形成し、該電極３４の表面に、本発明における第１の材料を塗布する（図４（Ａ））。続いて該第１の材料の表面に金型３１を押し付けて金型３１の凹パターンを第１の材料に転写した後、第１の材料を硬化させて、転写層としての第１の層３５を形成する（図４（Ｂ））。続いて、金型３１を除去し、該除去面に第２の材料を塗布後硬化させて、塗布層としての第２の層３６を形成し、第１の層３５および第２の層３６からなる音響整合層３７を形成する（図４（Ｃ））。本実施の形態の方法によれば、圧電材料の上に第１の層３５および第２の層３６を順次形成するため、実施の形態１のような圧電材料に対する音響整合層の接着工程を省略でき、製造効率の点で好ましい。
【００４０】
図３に示す金型３１においては、円錐状または角錐状の凹パターンにおける円錐または角錐の底面における直径Ｗ３は５μｍ以上２００μｍ以下、特に１００μｍ以下とされることが好ましい。なお該凹パターンが角錐状のパターンとして形成される場合、直径Ｗ３は角錐の底面における仮想外接円の直径として定義されるものとする。直径Ｗ３が５μｍ以上であれば金型加工の精度が確保でき、２００μｍ以下であれば、第１の層と第２の層とが微細な凹凸形状の界面を形成するため、該界面における音響ロスの低減効果が良好である。また、凹パターンのピッチＷ４は１０〜２００μｍ程度、さらに１０〜１００μｍ程度に設定されることが好ましい。ピッチＷ４が１０μｍ以上であれば、金型加工の精度および第１の材料へのパターン転写の精度が良好であり、２００μｍ以下、特に１００μｍ以下であれば、音響整合層の厚み方向における音響インピーダンスの変化を十分連続的なものとすることができる。また、凹パターンの高さＨ２は、たとえば１０〜２００μｍ程度とされることが好ましい。１０μｍ以上であれば音響複合層の厚み方向における音響インピーダンスの分布を十分付与することができ、２００μｍ以下であれば、転写層としての第１の層を形成した後、該第１の層に形成された凸パターンの先端が破損する危険性が少ない。
【００４１】
金型３１の凹パターンにおいて高さＨ２と直径Ｗ３との比で表される、円錐または角錐の高さ（Ａ）と底面における直径または仮想外接円の直径（Ｂ）との比（Ａ）／（Ｂ）、すなわちアスペクト比は、０．５〜１０の範囲内に設定されることが好ましい。アスペクト比が０．５以上であれば、音響整合層の厚み方向における音響インピーダンスの分布を十分設けることができ、１０以下であれば、凸パターン先端の欠損等が生じる危険性が少ない他、金型加工の精度および転写層へのパターン転写の精度が良好である。
【００４２】
本発明においては、第１の層と第２の層とが互いを貫通しないように形成されることが好ましい。本実施の形態においては、たとえば図４に示す第２の層３６の表面、すなわち第１の層との界面と反対側の面には、第１の層３５が露出しないことが好ましい。また第１の層３５と電極３４との界面には第２の層３６が露出しないことが好ましい。この場合、音響インピーダンスに分布を設けることによる音響ロスの低減効果が最大限発揮される。特に、第１の層と第２の層とが互いを貫通しないように形成され、かつ、第２の層のパターンの円錐または角錐の底面積の合計が、パターン形成されていない部位における第１の層と第２の層との界面の面積と該底面積の合計との和の５〜６０％、特に５０％となるように、第１の層および第２の層が形成される場合、第１の層と第２の層との間の音響ロスがより低減されるため好ましい。
【００４３】
実施の形態２においても、実施の形態１と同様３以上の層からなる音響整合層が設けられても良いが、本発明によって形成される音響整合層は第１の層と第２の層とからなる２層構造で十分な音響整合性能が確保できるため、２層構造を有する音響整合層が設けられることが好ましい。なお３以上の層からなる音響整合層を設ける場合には、図４に示す製造工程によって第２の材料を塗布した後、該第２の材料に金型３１のパターンを転写し、硬化させた後、別の材料を塗布して硬化させる操作を順次繰り返すことにより積層構造を形成する方法等が採用できる。
【００４４】
［実施例］
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００４５】
＜実施例１＞
図１に示す金型１３を用い、図２に示す方法で本発明の複合圧電材料を作製した。なお本実施例においては、第１の材料としてタングステン粉を４０ｗｔ％含有させた音響インピーダンスが５ＭＲａｙｌの導電性エポキシ樹脂を用い、第２の材料として音響インピーダンスが２ＭＲａｙｌのエポキシ樹脂を用いた。また金型の材質はＮｉとした。まず、マスク１１を用いてＳＲによってエッチングを行ない、レジスト１２上に円錐状の凹パターンを形成した。レジスト１２を現像した後、該レジスト１２の表面に無電界めっき、さらに電界めっきを施し、円錐状の凸パターンを有する金型１３を形成し、レジスト１２を除去した。金型１３において、凸パターンの円錐の底面における直径Ｗ１は５０μｍ、円錐のピッチＷ２は７０μｍ、円錐の高さＨ１は１００μｍとされた。
【００４６】
作製した金型１３の表面に第２の材料を塗布し、該第２の材料を熱硬化によって硬化させることにより、金型１３の表面に形成された円錐状の凸パターンが転写された円錐状の凹パターンを有する第２の層２１を形成した。
【００４７】
次に、金型１３を除去し、該除去面に第１の材料を塗布した後、熱硬化によって硬化させ、さらに研磨等により厚さ１００μｍに調整して第１の層２２を形成し、第１の層２２と第２の層２１とからなる音響整合層２３を形成した。
【００４８】
圧電材料２５の両表面に電極２４および２６を形成し、電極２４の表面に、接着剤を介して上記で作製した音響整合層の第１の層２２を接着し、複合圧電材料を完成させた。得られた複合圧電材料の音響インピーダンスは１２ＭＲａｙｌであった。
【００４９】
＜実施例２＞
図３に示す金型を用い、図４に示す方法で本発明の複合圧電材料を作製した。第１の材料としては、４０ｗｔ％のタングステン粉を含有させた音響インピーダンスが５ＭＲａｙｌの導電性エポキシ樹脂を用い、第２の材料としては音響インピーダンスが２ＭＲａｙｌのエポキシ樹脂を用い、金型の材質はＮｉとした。
【００５０】
ＬＩＧＡを用い、円錐状の凹パターンを有する金型３１を作製した。金型３１において、凹パターンの円錐の底面における直径Ｗ３は５０μｍ、円錐のピッチＷ４は７０μｍ、円錐の高さＨ２は１００μｍとされた。圧電材料３３の両面に電極３２および３４を形成し、該電極の上に第１の材料を塗布した。該第１の材料に金型３１を押し付け、離型することで、第１の材料表面に該金型のパターンを転写し、円錐状の凸パターンを有する第１の層３５を形成した。さらに、該第１の材料の上に第２の材料を塗布して硬化させ、研磨等により厚さ１００μｍ程度に調整して第２の層３６を形成し、音響整合層３７を有する複合圧電材料を作製した。得られた複合圧電材料の音響インピーダンスは１２ＭＲａｙｌであった。実施例２の方法においては、あらかじめ電極を形成した圧電材料に対して音響整合層を順次形成していくため、音響整合層と圧電材料との複合化工程を別途設ける必要がない点で有利である。
【００５１】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
厚み方向において音響インピーダンスを連続的に変化させることにより音響整合性能を向上させた音響整合層が設けられた本発明の複合圧電材料は、医療用超音波発振素子やソナー等に対して好適に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】実施の形態１において使用される金型の製造工程について説明する断面図である。
【図２】実施の形態１に係る複合圧電材料の製造工程について説明する断面図である。
【図３】実施の形態２において使用される金型の形状を示す断面図である。
【図４】実施の形態２に係る複合圧電材料の製造工程について説明する断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１１  マスク、１２  レジスト、１３，３１  金型、２１，３６  第２の層、２２，３５  第１の層、２３，３７  音響整合層、２４，２６，３２，３４  電極、２５，３３  圧電材料。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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