(57)【要約】  本発明は、少なくとも１つの下方電極および上方電極を備えた少なくとも１つの圧電体と、前記下方電極へ接続される少なくとも１つの回路板を備えた結合層とを含む超音波変換器に関する。本発明の課題は、簡単に製造でき、寸法が維持され、小さい許容範囲を有する結合層の品質の改善された超音波変換器を提供することである。この課題は、回路板上で圧電体の下方、すなわち圧電体と下方電極とが接触している部分の下方の一定の導体路高さに導体路構造体が設けられており、回路板と圧電体とのあいだに導体路構造体と並んで存在する中空室が結合剤によって完全に充填されている構成により解決される。
2007536079.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）少なくとも１つの下方電極および上方電極を備えた少なくとも１つの圧電体（１，１１）と、
ｂ）前記下方電極へ接続される少なくとも１つの回路板（７）を備えた結合層とを含む超音波変換器において、
ｃ）回路板上で圧電体の下方、すなわち圧電体と下方電極とが接触している部分の下方の一定の導体路高さに導体路構造体（９，１２）が設けられており、
ｄ）回路板と圧電体とのあいだに導体路構造体と並んで存在する中空室（１０）が結合剤によって完全に充填されている
ことを特徴とする超音波変換器。
【請求項２】
導体路構造体は圧電体下方の音響的に低活性の領域または不活性の領域にのみ延在している、請求項１記載の超音波変換器。
【請求項３】
前記領域は圧電体の縁領域によって形成される、請求項２記載の超音波変換器。
【請求項４】
回路板は圧電体の音響インピーダンスと水の音響インピーダンスとのあいだの音響インピーダンスを有する、請求項１から３までのいずれか１項記載の超音波変換器。
【請求項５】
結合剤は接着剤である、請求項１から４までのいずれか１項記載の超音波変換器。
【請求項６】
接着剤に、接着剤の音響インピーダンスおよび減衰特性を制御するための充填材料の粒子が混入されている、請求項５記載の超音波変換器。
【請求項７】
圧電体内に上方電極から出発する凹部としてのパターニングが設けられているが、該凹部は下方電極までは延在していない、請求項１から６までのいずれか１項記載の超音波変換器。
【請求項８】
前記凹部は専ら上方電極から下方電極までの距離の少なくとも８０％にわたって延在している、請求項７記載の超音波変換器。
【請求項９】
前記凹部は柱状構造体または条片状構造体によって画されたソーカット部分である、請求項７または８記載の超音波変換器。
【請求項１０】
ａ）少なくとも１つの下方電極および上方電極を備えた少なくとも１つの圧電体、および、結合層としての少なくとも１つの回路板を用意するステップと、
ｂ）結合剤を回路版上に被着するステップと、
ｃ）圧電体の下方電極側を結合剤上へ載置し、結合剤が圧電体の一方側の下方電極全体にわたって広がるようにプレスを行うステップと、
ｄ）回路板上、圧電体下方の一定の導体路高さに導体路構造体を被着するステップと、
ｅ）結合剤が回路板と圧電体とのあいだの導体路構造体に並んで存在する中空室を完全に充填するようにプレスを行うことにより、導体路構造体と下方電極との電気コンタクトを生じさせるステップと
を有する
ことを特徴とする超音波変換器の製造方法。
【請求項１１】
接着剤を含む結合剤を滴として導体路構造体間の領域の中央に塗布する、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
圧電体のプレスを行うステップを接着剤の硬化工程によって終了する、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
さらに、相互に分離され下方電極によってブリッジされている２つの導体路構造体間の抵抗を測定することにより電気コンタクトを検査するステップを有する、請求項１０から１２までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１４】
さらに、回路板上に固定された圧電体を第２の電極側から機械的にパターニングするステップを有するが、当該のパターニングは下方電極までは達しない、請求項１０から１３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１５】
さらに、超音波ワイヤボンディングプロセスにより上方電極上に少なくとも１つの電気端子を形成するステップを有する、請求項１０から１４までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念記載の超音波変換器、特に複数の変換器素子から成る超音波変換器アレイ、および、請求項１０の上位概念記載の超音波変換器の製造方法に関する。
【０００２】
電子回路およびセンサシステムの多数の分野と同様に、超音波技術の分野においても、機器および装置のための部品はますます小型化、省エネルギー化を志向するようになっている。こうした装置の重要な要素に超音波センサがあり、これはたいていの場合、測定対象に合わせて専用に製造されている。部品のコストおよび品質は超音波装置の開発においても前述のケースと同様に重要である。また、超音波変換器ができるかぎり均等な音響特性および電気特性を有するようにすることは不可欠である。
【０００３】
超音波検査技術の高度な段階の開発の例として、超音波変換器アレイまたはアレイアンテナが挙げられる。変換器アレイは複数の個別変換器素子、有利には柱状または条片状の個別変換器素子から成る。これらは物理的な理由から、例えば個々の変換器素子または素子アレイの位相シフト制御により音響信号を所望の方向へ偏向できるようにするために、きわめて小さく構成され、密に配置される。こうした個別変換器素子の寸法および配置間隔は５ＭＨｚの周波数で０．５ｍｍ以下である。このような配置より、超音波測定ヘッドの位置を変更することなく、検査すべき媒体を通った音波を偏向することができる。この場合、構造はリニア状にもマトリクス状にも構成可能である。このタイプの超音波センサは材料検査および医療の分野においてしばしば見出される。
【０００４】
文献［２］には、最も早い世代の前述の専用の超音波変換器を使用した乳ガン早期診断のための超音波コンピュータトモグラフィシステムＵＳＣＴの例が示されている。この種のシステムには、小さな寸法、例えば１ｍｍ×１ｍｍでそれぞれ点光源のようにふるまう超音波変換器が多数必要である。これらの超音波変換器は検体の周囲にマトリクス構造体として円筒状または半球状に配置され、これにより検体の空間情報（３Ｄ情報）が超音波変換器の機械的運動なしに取得される。当該の測定システムは同時に行われる信号処理と結びついて、測定時間０．０５ｓ以下での患者の身体部分の完全なトモグラフィ検出に適している。これにより個々の撮影のクロノロジーはほとんど無視可能となる。小さい寸法の超音波変換器を、多数、例えば数千個用いる構成は、基本的には、個々の超音波変換器を変換器素子として用いた円筒状または半球状の超音波変換器アレイに相応する。
【０００５】
音響特性は、超音波変換器、特に結合層およびたいていは圧電体である変換器素子から成る変換器のジオメトリデータに物理的に直接に関連している。したがって超音波変換器の製造誤差や許容範囲は超音波変換器の組み立てラインでの音響特性の精度または許容範囲に影響する。音響特性の偏差が小さく所定の帯域幅内にあり、電磁的に補償可能または続く品質管理の工程で制限可能であっても、経済的観点からすれば、超音波変換器があらかじめ定められた音響特性および電気特性を小さな許容範囲内で有するようにすることが必須である。
【０００６】
結合層または適合化層とは、変換器素子を媒体へできるだけ小さい損失で結合させるために用いられる層のことである。この層は変換器および水の種々の音響インピーダンスを補償する。ここで当該の層の厚さは理想的には変換器または圧電体の厚さに関する共振周波数の波長λの１／４である。この種の層は通常は相応の成形材料から製造され、製造工程において、コンタクトを介して電気的に接続された変換器素子上に被着される。続いて通常は、結合層の機械的で煩雑な後処理により、結合層の厚さが変換器素子の周波数の波長へ適合化される。したがって超音波変換器の組み立ては、所定の変換器素子から開始され、内側から外側へと行われることが多い。
【０００７】
文献［１］には簡単に製造できる超音波変換器およびその製造方法が記載されている。放射方向で見て、変換器素子の圧電体は結合層の被着された平面状のコンタクト部を有している。これに対して、圧電体の対向側の電極面でのコンタクト接続は接着または圧着された導体路シートを介して行われる。ここでの圧着は例えば減衰体の機械的プレスにより行われる。導体路を導体路シート上に配置することにより、変換器または圧電体の個々の領域を選択的に駆動することができる。電極の放射側にはもちろん導体路構造体は存在しない。
【０００８】
この種の超音波変換器は依然として個別に電極の放射側に被着される結合層を必要とする。さらに２つの電極に通じる端子は個々のワイヤボンディングを介して製造されるので、高い製造コストがかかる。
【０００９】
文献［３］には、それぞれ電極面を有する複数のセラミック圧電体が回路板に直接に接着された超音波変換器システムが記載されている。ここで隣り合う回路板の送受信電子回路への電極の接続はワイヤボンディングにより行われている。
【００１０】
こうした従来技術から出発して、本発明の課題は、簡単に製造でき、寸法が維持され、小さい許容範囲を有する結合層の品質の改善された超音波変換器を提案することである。
【００１１】
この課題は請求項１記載の特徴を有する超音波変換器、および、請求項１０記載の特徴を有する超音波変換器の製造方法により解決される。従属請求項は有利な実施態様を表している。
【００１２】
本発明の基本的着想は、相互に面平行に配置された２つの電極面を備えた圧電体をスペーサに対して簡単に配向し、電気的にコンタクト接続し、回路板に対して面平行となるように位置決めおよび固定し、かつこのことを再現可能にするということにある。このために回路板には面状の回路板コーティングからエッチングされた導体路構造体または厚膜技術、例えば圧着により被着された導体路構造体が設けられる。この導体路構造体は、一方では電極面への電気的なコンタクト接続に用いられ、他方では電極面全体にわたって正確かつ一定に延在する導体路高さにおいて、回路板と圧電体とのあいだのスペーサとして用いられる。圧電体を回路板へ固定するにははんだまたは接着剤が適している。このはんだまたは接着剤は、圧電体および回路板をともにプレスする際に、回路板と超音波変換器とのあいだ、導体路構造体に並んで残った中空室において局所的に延展し、これを完全に充填する。圧電体の被着はこれを導体路構造体へ圧着することにより行われる。その際に接着剤またははんだを介して少なくとも1つの位置で導体路と電極面とを突き合わせることによりスルーコンタクトが形成される。これにより導体路構造体は同時に電極面の放射側の電気端子としても用いられる。
【００１３】
結合層の厚さは理想的にはλ／４であり、ここで結合層は回路板を含む。
【００１４】
有利には、導体路構造体は圧電体下方の音響的に低活性または不活性の領域、例えば圧電体の直接の縁領域または圧電体のうち超音波インパルスの形成または受信に利用されない領域のみに延在する。この明細書における低活性とは、超音波変換器の超音波放射特性を測定可能であるが、実際にはこれを超音波検査の制御または実行に用いることができないという程度の活性である。有利には、圧電体の低活性領域は送受信電子回路によっては駆動されず、上方電極の延在している領域から排除されている。当該の低活性領域の全面積は最大でも圧電体のカバー領域の１０％である。有利には、導体路構造体は、振動効果を回避するために、圧電体の下方電極に対して統計的に定められた位置で例えば３つの載置点によって載置されるように構成される。小さな載置点により圧電体のプレスの際に高い面圧すなわちピーク応力が作用し、また有利には電極のコンタクト接続の際にも載置点を介して高い確実性が得られる。
【００１５】
コンタクト接続の品質は例えばスペーサとして用いられ下方電極によってブリッジされた２つの導体路間のオーミック抵抗を測定することにより検査することができる。
【００１６】
回路板の材料の必要な特性プロフィルは特に圧電体から超音波インパルスの入力される結合媒体へ良好に音波が伝搬するように設定される。さらに回路板の材料は結合媒体、有利には水溶液または医療分野で使用される超音波結合ジェルに対して不活性でなくてはならず、吸収または結合などが起こってはならない。材料における音波の伝搬にとって重要な特性量は音響インピーダンス比Ｚであり、これは音速ｃと材料密度ρとの積によって定義される。界面で完全に損失なく音波を伝搬または送信させるには、界面両側で媒体どうしが等しい音響インピーダンスを有する必要がある。逆に云えば、インピーダンス差が増大するにつれて、界面での反射成分のために、超音波信号の送信量も増大する。したがって２つの材料または２つの媒体の音響インピーダンス差は一方の材料または媒体から他方の材料または媒体への伝搬における伝送損失の尺度として用いられる。
【００１７】
回路板として例えば市販のマイクロ波用または高周波数用の均質なプラスティック‐セラミック結合体（補強材なしの部材）から成る回路板が適している。これは前述の結合層への材料要求を満足するばかりでなく、有利には工業製品として均等かつ一定の材料品質および正確なジオメトリを有し、再現性が高く、低コストで入手可能である。当該の回路板は、種々の厚さのものが市販されており、また必要な機械的特性および化学的特性を有するので、きわめて有利である。
【００１８】
導体路高さにより回路板と下方電極とのあいだの間隔、ひいては接着剤厚さまたははんだ厚さが定められる。当該の中間層の厚さ、例えば２０μｍ〜７０μｍすなわち１０ＭＨｚの回路板のλ／４に応じて、これが変換器または圧電体の金属電極の厚さと同様であれば無視できるが、或る程度の厚さからは結合層の計算の際にこれを考慮しなければならない。
【００１９】
本発明においては、使用される材料の材料特性、特に回路板および接着剤の音響インピーダンスなどが適切な手段、例えば混合により基体またはその粉末に適合化される。はんだの音響インピーダンス値は高いため、この場合には不可能である。このため有利には、はんだは導体路高さが低いときにしか適さない。
【００２０】
圧電体として、パターニングされていないモノリシック体および複数の個別変換器素子をまとめて１つの変換器とした変換器の双方が適している。特に後者によれば本発明の製造時の利点がいっそう強く発揮される。なぜならパターニングされていない圧電体をまず回路板に接合し、続いてパターニングする、つまり、ソーカットまたは超音波加工などの適切なプロセスにより個々の変換器素子へセグメント化することになるからである。回路板は有利には前述の製造プロセスに対する適切な応力手段となるだけでなく、セグメント化の際に個別変換器素子を回路板上に安定化することにも寄与する。
【００２１】
セグメント化またはパターニングに続いて、変換器または圧電体の所定の領域に生じている中空室が適切な物質、例えばプラスティックにより再び充填される。ここで別の実施形態として、当該の物質を、載置された減衰体などの部品の接着剤接合のために利用することもできる。
【００２２】
前述したように、従来技術の項で言及した第２の電極面すなわち上方電極面の減衰体は設定された高さに導体路構造体を備えた回路板により置換される。
【００２３】
これに代えて、前述の中空室を変換器または圧電体の所定の領域に充填しないまま残すこともできる。これは特に、前述の物質によって超音波変換器の減衰量が増大することが望ましくない場合に有利である。その場合、選択的手段として、セグメント化された変換器またはパターニングされた変換器上の減衰体を、個々の変換器素子が２つの電極面に固定されるさように固定してもよい。
【００２４】
以下に本発明を実施例に則して詳細に説明する。ここで、図１には従来技術による部品を備えた超音波変換器の基本的構造が示されている。図２にはモノリシック圧電体を備えた超音波変換器の基本的構造が示されている。図３には複数の変換器素子から成る超音波変換器の基本構造が示されている。図４には回路板の構造の例が平面図で示されている。図５，図６には変換器の載置された回路板の構造の別の例が示されている。図７，図８には医療分野に適用される変換器の載置された回路板の構造の別の例が示されている。
【００２５】
図１には、通常の構造を有する超音波変換器の基本的な部品、すなわち、圧電体から成る変換器１が示されている。この変換器は結合層２に固定に接続されている。結合層はその厚さが理想的には波長λの１／４であり、ケーシング４の端部を閉鎖している。ケーシングの裏側には、有利には成形材料としてケーシング内に形成された減衰体３が設けられている。変換器１の２つの電極５はケーブル状の電気端子６を介して図示されていない制御測定ユニットへ接続されている。従来技術の項で説明したように、結合層の厚さは煩雑な後処理によらないと調整できない。
【００２６】
この問題を回避するために、前述の形式のＨＦ回路板は適合化層および他の構造に対する支持体として用いられる。当該の回路板には圧電体から成る変換器が接着される。この実施例において使用される回路板は周波数約１０ＭＨｚまで、音響インピーダンス約６ＭＲａｙｌ〜約８ＭＲａｙｌの超音波変換器システムに適している。ここでの音響インピーダンスはちょうど、通常のＰＺＴ材料の音響インピーダンス約２０ＭＲａｙｌ〜約３５ＭＲａｙｌと水または水溶液の音響インピーダンス約１．５ＭＲａｙｌとのあいだに位置する。回路板の厚さは約０．１ｍｍ〜１．５ｍｍであり、市販で入手可能である。前述の結合層の厚さλ／４に基づいて、市販の回路板は物体検査および医療の分野で重要なＭＨｚ領域の検査周波数を有する超音波変換器の製造に適している。
【００２７】
図２〜図８には種々の方向から見た本発明の実施例が示されている。
【００２８】
図２，図３には、圧電体１（図２）または変換器アレイ１１（図３）を載置した回路板７を含む超音波変換器が側面図で示されている。回路板には導体路構造体が被着されている。図４には回路板７上の導体路構造体のデザインの平面図が示されている。回路板上の導体路構造体はカバー領域１５または変換器アレイ１１の外側に複数のコンタクトパッド８を有し、またカバー領域１５の内側に電気的な機能を有さない複数のスペーサ９と変換器または変換器アレイの下方電極に対する電気的なコンタクト接続のための２つのアースコンタクト１２とを有する。超音波変換器はケーシング４の減衰体３内に収容されている。
【００２９】
圧電体または変換器は相互に面平行に配置された２つの電極面すなわち上方電極および下方電極を有する。これらの電極は図２の実施例では六面体として構成されている。こうした圧電体は電気的に励振されると六面体の寸法によって定まる３つの基本周波数で振動する。振動の重畳を回避するために、当該の効果を圧電体の設計の際に考慮しなければならない。
【００３０】
これに対して、図３に示されている変換器は多数の小さな柱または条片から成っている。これらの柱または条片は１つの圧電体からワイヤソーによって切り出されたものであり、注型成形材料とともにプレートまたはディスクに成形されている。この実施例では、柱の最大厚さは、変換器の圧電体材料の波長の１／２すなわちλ／２より格段に小さく選定されている。このような変換器は主として唯一の振動モードすなわち厚さ振動モードのみを有する。このとき注型成形材料による高いラジアル共振周波数を減衰により効果的に抑圧することができる。
【００３１】
導体路は、回路板の未加工部材上に被着された銅層から導体路構造体としてエッチングにより切り出される。ここではフォトレジストおよびマスクによる通常のエッチング技術が用いられる。したがって導体路高さは本来の銅層の高さに相応し、これにより導体路構造体全体にわたって均等な高さが補償される。高さの製造精度の許容範囲は小さく、被着された銅層の１０％である。圧電体１または変換器アレイ１１と回路板７とのあいだには、図３に示されているように、カバー領域１５の内側で正確に均等な厚さの接着用ギャップ１０が延在している。この接着用ギャップの厚さは導体路高さに相応する。アースコンタクト１２への電気的接続部すなわち導体路を有するコンタクトパッド８は下方電極のコンタクト接続に用いられ、アースコンタクトへの電気的接続部を有さない他のコンタクトパッドは上方電極へ通じるワイヤ、例えば超音波ボンディングまたは点溶接などによるボンディングワイヤに対して設けられている。これについては図２，図３を参照されたい。このときコンタクトパッド８は小さなボンディング面１３とこれに電気的に接続された大きなはんだ面１４とを有する。これについては図５を参照されたい。
【００３２】
図４にはカバー領域１５の下方のスペーサ９の位置が示されている。４つのスペーサが縁領域に、さらに１つのスペーサが中央に配置されている。中央のスペーサ９は付加的な支持に用いられる。ただし接着によって載置される圧電体が機械的に、例えばワイヤソーにより図３の変換器アレイとなるように処理されている場合、または、圧電体の横方向の長さと厚さとの比が所定の値を超える場合には、特に必要となる。また、結合層を通して伝搬する超音波信号があまり影響を受けないように配置しなければならない。この実施例では、中央のスペーサは音波領域の中央に配置される。つまり音波信号が特定の優位な方向なしに制御される。
【００３３】
条片状にパターニングされ、共通の回路板７上に配置された２つの変換器アレイ１１の平面図が図５に示されている。これに対して図６〜図８には柱状にパターニングされ、共通の回路板７上に配置された変換器アレイ１１の平面図が示されている。ここではそれぞれ所定数の個別素子が相互に接続されて個別素子群を形成している。複数の変換器アレイを共通の回路板上に配置することにより、横方向に大きな広がりを有する超音波変換器または湾曲部を有する変換器を実現することができる。これらは適切な電子回路を備え、超音波フェーズアレイを形成する。これについては図７，図８を参照されたい。所定の厚さおよびラテラル方向の大きさを超えると圧電体の破壊の危険が増大するので、圧電体を適用する際の破壊の危険を低減するため、またはカバー領域の中央に配置されたスペーサを省略するために、複数の圧電体または変換器アレイが共通の回路板上に並べられ、ここで圧電体が電気的に共通に１つの超音波変換器となるように接続される。
【００３４】
複数の柱を相互に電気的に接続することにより、基本的には、柱によって定められるパターンで実際にはほぼ任意のセンサ形状の能動変換器群を形成することができる。図６，図７には、それぞれ４つずつまたは９つずつの柱が１つの柱群として接続され、チェスボード状の広がり約５×５ｍｍを有する圧電体または変換器アレイが示されている。図７では、複数の変換器アレイを配列することにより、任意の大きさのセンサフィールドが形成される。個々の柱群が位相シフト制御される場合、超音波インパルスの伝搬または超音波センサの音波ローブの伝搬を制御することができる。
【００３５】
図８には、図７の素子の実施例に相応する柱群を線状に接続した実施例が示されている。個々の柱をパターニングおよび接続することにより、条片状の素子のジオメトリに比べてセンサ特性が格段に改善される。
【００３６】
柱群はワイヤまたは電気端子５を介して上方電極にコンタクト接続されている。ワイヤ接続によれば音響特性への影響が僅かしか生じないか、または全く生じない。はんだまたは導電性接着剤によるコンタクト接続は柱のラテラル方向の広がりを小さくしてしまうし、また圧電材料に熱負荷が発生してしまうため、問題にならない。本発明の新しい技術によれば、導電性シートに対して圧着により電気的なコンタクト接続を形成できるので有利である。
【００３７】
本発明の実施例においては、上方電極を柱へ接続するコンタクト接続は超音波ワイヤボンディングプロセスにより行われる。熱影響はローカルに制限されきわめて小さくなる。なぜならワイヤ厚さは３０μｍ〜７０μｍであり、柱の約３００μｍ×３００μｍの電極面に比べてさらに小さくなっているからである。ボンディングプロセスは冷間で行うことができ、実際には圧電セラミックに対して熱負荷がかからない。コンタクト接続は、圧電体の柱から直接に導体路すなわちボンディング面へ行われるか、図６〜図８に示されているように、柱ごとに１つずつ導体路へ行われる。後続の電子回路への端子は格段に厚い適切な電気線路を介して導体路すなわちはんだ面から行われる。
【００３８】
超音波変換器の製造は以下のステップを含む：この実施例においては、所定の作業ステップで、圧電体１が迅速に硬化する低粘性の接着剤、例えばシアンクリレートをベースとした瞬間接着剤により回路板７へ接着される。このときスペーサ９およびアースコンタクト１２により接着用ギャップ１０の厚さが定められる（図２〜図４を参照）。重要なのは、気泡なしに接着剤が硬化されて回路板７と圧電体１との音響的結合を保証できるということである。このためにカバー領域１５すなわち載置面の中央に前述の接着剤の滴を被着し、圧電体を載置する際に接着剤を側方へ均等かつ気泡なしに分布させる。スペーサ９は当該の接着剤の延展過程を阻害しない。つまりスペーサは接着剤の流れを中断して気泡を形成することがないように構成されている。図３，図４のスペーサは外縁領域または前述した音響的に低活性または不活性の領域に存在する。接着用ギャップ１０の厚さはこの実施例では３０μｍであり、３ＭＨｚの超音波の波長よりも著しく小さいので、接着層が変換器特性に与える音響的影響は無視できる程度でしかない。
【００３９】
圧電体または変換器をスペーサ９およびアースコンタクト１２へプレスすると、圧電体または変換器の下方電極とアースコンタクト１２との導電接続が生じる。導電接続は特に有利には、製造プロセス全体にわたって、下方電極を介して短絡されている２つのアースコンタクト間のコンタクト抵抗の測定により検査することができる。抵抗値が小さければ良好なコンタクト接続を表しており、製造プロセス中も容易に制御可能であるということになる。このプロセスの利点は必要な力が低くおさえられるということであり、このため圧電体の破壊の危険が低減される。また、必要な力が小さいので、接着剤の硬化後に接合体から負荷が除去されたときに生じる内部応力も小さくなる。例えば温度変化の負荷があっても接着剤接合の剥離の危険が低減され、したがって続く機械的処理ステップにおいてコンタクト損失ひいては超音波変換器の故障も生じない。従来の欠点および制限は前述した本発明のスペーサおよびアースコンタクトを用いる方法により回避される。さらに超音波変換器の音響特性および電気特性について高い再現性が達成される。
【００４０】
また前述のアースコンタクトに代えて、特にラテラル方向寸法約２ｍｍ以下および厚さ約０．４ｍｍ以下の超音波変換器において前述の寸法の下方電極へのワイヤ接続を行うと、付加的な振動モードが発生してしまう。これは超音波変換器の使用に影響を与える。
【００４１】
圧着過程は接着剤の硬化により終了される。圧電体の前述のタイプのパターニングは硬化後に行われる。ここで、高品質で信頼性高くかつ低コストな圧電体のパターニングは有利にはパターニング装置内に安定に固定された支持体としての回路板により行われる。
【００４２】
圧電素子は有利にはワイヤソー（ウェハソー）によってパターニングされる。ここでは切断深さは圧電体の全厚さにはわたらず、有利にはλ／８より小さい厚さの部分が残り、下方電極はパターニングされないままとなる。パターニングされていない残りの領域の影響は、インパルス‐エコープロセスにとってはほとんど無視できるものである。
【００４３】
コンタクト接続または前述のように上方電極を形成するステップが続く。続いて完成した超音波変換器が電子回路とともにケーシング内へ成形される。これにより超音波センサの音響減衰体３が調整され、ボンディングワイヤ１３は機械的負荷から保護され、システム全体が外部影響に対して不感となる。
【００４４】
上述した全てのステップはこんにちのＳＭＴ技術および厚膜製造技術により、確実かつ低コストな超音波変換器の製造方法として自動的に行うことができる。このようにして製造された超音波変換器はその電気特性および音響特性に関して特に良好な再現性を有している。このことは多数のセンサから構成されるシステムにとって特に重要である。
【００４５】
当該のプロセスは完全にオートメーション化可能である。また、回路板上では、プリアンプおよび送信段などの必要な電子回路群を同時に集積および実装することもできる。超音波変換器から電子回路までの距離が短いため、電気的障害の影響はきわめて小さくなる。したがって超音波信号の品質も著しく改善される。超音波変換器と電子回路とを簡単に集積できることにより、システムをきわめて小さく構成でき、コストを低減することができる。
【００４６】
文献
［１］欧州公開第１１４５７７２号明細書
［２］独国公開第１００５０２３２号明細書
［３］R. Stotzka, H. Widmann, T. Mueller, & K. Schlote-Holubek, "Prototype of a new 3D ultrasound computer tomography system: transducer design and data recording", 18.Feb. 2004, in: SPIE's Internl. Symposium Medical Imaging 2004 (14.-19.Feb. 2004, San Diego USA)
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】従来技術による部品を備えた超音波変換器の基本的構造を示す図である。
【図２】モノリシック圧電体を備えた超音波変換器の基本的構造を示す図である。
【図３】複数の変換器素子から成る超音波変換器の基本構造を示す図である。
【図４】回路板の構造の例を示す平面図である。
【図５】変換器の載置された回路板の構造の例を示す平面図である。
【図６】変換器の載置された回路板の構造の例を示す平面図である。
【図７】医療分野に適用される変換器の載置された回路板の構造の例を示す図である。
【図８】医療分野に適用される変換器の載置された回路板の構造の例を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  変換器（圧電体）、  ２  適合化層、  ３  減衰体、  ４  ケーシング、  ５  電極、  ６  電気端子、  ７  回路板、  ８  コンタクトパッド、  ９  スペーサ、  １０  接着用ギャップ、  １１  変換器アレイ、  １２  アースコンタクト、  １３  ボンディング面、  １４  はんだ面、  １５  カバー領域、  １６  ボンディングワイヤ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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