(57)【要約】  ｋ31モードの場合、振動は軸に沿う、あるいは、分極または電界向きに対して直交する。振動方向は超音波変換器アレイ（１０）の面に向かう。アレイ（１０）の各素子（１２）毎に、電極は、アレイ（１０）の面に対して垂直に、例えば素子（１２）の側面に沿って形成される。圧電材料は、変換器の面に対して平行に、かつ、音響エネルギーの伝搬方向に対して垂直に分極される。例えば、多次元変換器アレイ（１０）に対して、小さい素子（１２）サイズが付与される場合に、ｋ31共振モードの動作のために設計された素子（１２）を利用すると、より優れた電気的インピーダンス整合をとることが可能になる。さらなるインピーダンス整合のために、圧電セラミックスの多層（１８）から素子（１２）を製作することが可能である。素子（１２）はｋ31モードで動作するので、層（１８）は、分極方向に沿って、あるいは、音響エネルギーを送信または受信するための変換器アレイ（１０）の面に対して垂直に積層される。
2008530854.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響エネルギーと電気エネルギーとの間で変換を行うための超音波変換器アレイ（１０）において、
第１の素子（１２）と、第２の素子（１２）とを備え、
第１および第２の素子（１２）が、音響エネルギーを送信または受信するための音響表面（１５）を有し、
第２の素子（１２）が少なくとも第１、第２および第３の変換器材料層（１８）を含み、
第１、第２および第３の変換器材料層（１８）が音響表面（１５）に対して平行というよりは垂直であることを特徴とする超音波変換器アレイ。
【請求項２】
第１および第２の層（１８）が音響表面（１５）に対して実質的に垂直であり、さらに、第１の層（１８）の外面上に第１の電極（１４）が設けられ、第２の層（１８）の外面上に第２の電極（１４）が設けられ、第１と第２の層（１８）の間に第３の電極（１６）が設けられことを特徴とする請求項１に記載のアレイ。
【請求項３】
第１および第２の電極（１４）が電気的に接続され、第３の電極（１６）が第１および第２の電極（１４）から電気的に分離され、第１、第２および第３の電極（１４，１６）が音響表面（１５）に対して実質的に垂直であることを特徴とする請求項２に記載のアレイ。
【請求項４】
音響表面（１５）に対して垂直な第２の素子（１２）の高さが、少なくとも第１および第２の変換器材料層（１８）を合わせた幅の少なくとも２倍であり、前記幅が前記高さに対して垂直であり、第２の素子（１２）が、ｋ31動作モードで動作して、音響表面（１５）において音響エネルギーを送信または受信することを特徴とする請求項１に記載のアレイ。
【請求項５】
少なくとも第１、第２および第３の変換器材料層（１８）は４つ以上の変換器材料層（１８）を含むことを特徴とする請求項１に記載のアレイ。
【請求項６】
第２の素子（１２）は４つ以上の部分素子（２１）を含み、４つ以上の部分素子（２１）のうち第１の部分素子が第１および第２の変換器材料層（１８）を有し、部分素子（２１）のうち第２、第３および第４の部分素子が、それぞれ、音響表面（１５）に対して平行というよりも垂直に積層された複数の変換器材料層（１８）を有することを特徴とする請求項１に記載のアレイ。
【請求項７】
さらに、少なくとも１つの第３の素子（１２）が設けられ、第１、第２および第３の素子が１つの多次元アレイ（１０）を形成していることを特徴とする請求項１に記載のアレイ。
【請求項８】
音響エネルギーと電気エネルギーとの間で変換を行うための超音波変換器アレイ（１０）において、
ｋ31共振モードで動作可能であり、縦変位方向（１７）に対して平行というよりも直交する方向に分極された第１の変換器素子（１２）と、
分極方向に対して実質的に直交する第１および第２のメッキ電極（１４，１６）とが設けられていることを特徴とする超音波変換器アレイ。
【請求項９】
第１の変換器素子（１２）が上面（１５）を有し、分極が上面（１５）に対して実質的に平行であり、第１の変換器素子（１２）の縦変位方向（１７）が上面（１５）に対して実質的に直交することを特徴とする請求項８に記載のアレイ。
【請求項１０】
さらに、上面（１５）に対して実質的に平行に隣接する整合層（２２）が設けられていることを特徴とする請求項８に記載のアレイ。
【請求項１１】
第１の変換素子（１２）は分極方向に沿って積層された複数の変換器材料層（１８）を含むことを特徴とする請求項８に記載のアレイ。
【請求項１２】
第１の電極（１６）は第１の変換器素子（１２）内にあり、第２の電極（１４）は第１の変換器素子（１２）の外面上にあることを特徴とする請求項８に記載のアレイ。
【請求項１３】
さらに、ｋ31共振モードで動作可能な少なくとも第２および第３の素子（１２）が設けられ、第１、第２および第３の素子（１２）が５００マイクロメートル以下のピッチを有する１つの多次元変換器アレイ（１０）を形成することを特徴とする請求項８に記載のアレイ。
【請求項１４】
第１の変換器素子（１２）の縦変位方向（１７）に沿った高さは分極方向に沿った幅の少なくとも２倍であることを特徴とする請求項８に記載のアレイ。
【請求項１５】
複数の素子（１２）によるＮ×Ｍ（ここで、ＮおよびＭは両方とも１より大きい）の配列を有し、音響エネルギーと電気エネルギーとの間で変換を行うための多次元超音波変換器アレイ（１０）において、
複数の素子（１２）が、それぞれ、ｋ31共振モードで送信または受信を行うように向けられ、複数の素子（１２）が切溝によって分離され、全ての切溝が同じ電位であることを特徴とする多次元超音波変換器アレイ。
【請求項１６】
超音波エネルギーと電気エネルギーとの間で変換を行う方法において、
ｋ31共振モードに関して独立した接地電極部分をそれぞれ有し多次元アレイ（１０）を形成する複数の超音波変換器素子（１２）を、第１の方向に沿って送信または受信を行うように向け、
ｋ31共振モードで複数の超音波変換器素子（１２）を動作させ、ｋ31共振モードが動作時に他の共振モードに対して優勢であることを特徴とする超音波エネルギーと電気エネルギーとの変換方法。
【請求項１７】
複数の超音波変換器素子（１２）を動作させることは、第１の方向に対して直交というよりは平行な表面上にある複数の各変換器素子（１２）の電極に電気信号を加えるか、または、電極において電気信号を受信することを含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
さらに、第１の方向に対して実質的に垂直な分極方向において、複数の各超音波変換器素子（１２）の分極が行われることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
さらに、少なくとも２つの変換器材料層（１８）によって複数の各変換器素子（１２）を形成し、少なくとも２つの変換器材料層（１８）が第１の方向に対して実質的に垂直な積層方向に積層されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
複数の超音波変換器素子（１２）の向きは、複数の各素子（１２）について、第１の方向に沿った高さが第１の方向に直交する平面における幅の少なくとも２倍になるように向けられることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
超音波変換器素子（１２）の形成方法において、
複数の変換器材料層（１８）を第１の次元に沿って積層し、
第１および第２の電極（１４，１６）が第１の次元に対して平行というよりは垂直になるように、積層された層（１８）上に第１および第２の電極（１４，１６）を配置し、
第１の次元に対して実質的に平行に整合層（２２）を配置する
ことを特徴とする超音波変換器素子の形成方法。
【請求項２２】
さらに、超音波変換器素子（１２）をｋ31共振モードで動作させ、積層された層（１８）が第１の次元に沿って音響エネルギーを発生または受信することを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
さらに、超音波変換器素子（１２）を、素子（１２）の多次元アレイ（１０）を形成するように配置することを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
第１および第２の電極（１６）を配置することは、積層前に、変換器材料層（１８）に第１および第２の電極（１４，１６）のパターンを形成することを含み
積層後、第１の次元に直交するように、複数の変換器材料層（１８）からなるスラブにダイシングを施し、
第１の次元と実質的に平行にスラブにダイシングを施して、実質的に平行なダイシングによって超音波変換器素子（１２）が形成されることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
第１および第２の電極（１４，１６）を配置することは複数の各変換器材料層（１８）に導体を堆積させることを含み、
積層後、第１および第２の電極（１４，１６）に対して実質的に垂直に信号パッドのパターンを形成し、このパターンの形成は、第１の電極（１６）と接触し、第２の電極（１４）との接触を回避するように位置決めされることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
さらに、第１および第２の電極（１４，１６）を配置することは、超音波変換器素子（１２）内に第１の電極（１６）を形成し、超音波変換器素子（１２）の外面上に第２の電極（１４）を堆積させることを含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
さらに、
積層後に、層（１８）を横切るダイシングが行われ、このダイシングは第１の次元に対して非垂直角をなしかつ第１の電極（１６）を避け、
導体を堆積させることはダイシング後に実施されることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
さらに、
積層後に、層（１８）を横切るダイシングが行われ、このダイシングは第１の次元に対して実質的に垂直角をなしかつ第１の電極（１６）を避け、
導体を堆積させることはダイシング後に実施されることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
音響エネルギーと電気エネルギーとの間で変換を行うための超音波変換器アレイ（１０）において、
ｋ31共振モードで動作可能な第１の変換器素子（１２）と、
第１の変換器素子（１２）に関連した少なくとも２つの切溝と、
それぞれ少なくとも２つの切溝内にある少なくとも２つの電極（１４）とを備え、
第１の変換器素子（１２）に関連した全ての切溝に関する電極（１４）の電位はｋ31共振モードによる動作中に実質的に同じであることを特徴とする超音波変換器アレイ。
【請求項３０】
音響エネルギーと電気エネルギーとの間で変換を行うための超音波変換器アレイ（１０）において、
縦変位方向（１７）に沿ってｋ31共振モードで動作可能な第１の変換器素子（１２）と、
縦変位方向（１７）に対して実質的に平行な第１および第２の電極（１４，１６）とを備え、
第１の電極（１４）は音響表面（１５）に関連した第１の変換素子（１２）の底面にある第１の導体と接続され、第２の電極（１６）は音響表面（１５）に関連した第１の変換素子（１２）の上面にある第２の導体と接続されることを特徴とする超音波変換器アレイ。
【請求項３１】
第１の導体が信号導体であり、第２の導体が接地導体であることを特徴とする請求項３０に記載のアレイ。
【請求項３２】
音響エネルギーと電気エネルギーとの間で変換を行うための超音波変換器アレイ（１０）において、
縦変位方向（１７）に沿ってｋ31共振モードで動作可能であり、上面と、底面と、縦変位方向（１７）に関連した少なくとも３つの側面とを有する第１の変換器素子（１２）と、
第１の変換器素子（１２）内にある第１の電極（１６）と、
少なくとも３つの各側面に位置する第２の電極（１４）とを備え、
第１および第２の電極（１４，１６）が互いに電気的に分離されていることを特徴とする超音波変換器アレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波変換器に関する。とりわけ、撮像システムと電気通信を行う超音波変換器が提供される。
【背景技術】
【０００２】
従来の超音波変換器アレイは縦広がりまたはｋ33共振モードで動作する。アレイの各素子は、素子の上面に１つの電極を備え、素子の底面に別の電極を備えている。素子は、電極に直交するように、または、電極間に延びる方向に分極されている。電極間にかかる電位差に応答して、分極と同じ方向に振動が発生する。音響エネルギーが、１つの電極によって覆われた素子の面から延びる方向に沿って伝搬する。
【０００３】
多次元変換器アレイ内では素子サイズが制約されるので、ケーブルおよび／または撮像システムの電子部品とのインピーダンス整合を改善するため、多層圧電セラミックスが提案されている。圧電セラミックス層は、分極と同じ次元に沿ってすなわち振動または厚さの次元に沿って積層される。電極の交互層は、電気的に並列接続され、層数の二乗に比例したキャパシタンスをもたらす。しかし、これらの素子に複数の接続部を形成するのは困難である。接続部を形成するためのバイアが提案されているが、この方法は困難でありコストがかかる。バイアによって、変換のための作用面積も縮小される。パターニング（パターンの形成）および部分ダイシングが利用される場合、ダイスカットされないセラミックスによって、望ましくない音響モードが発生する可能性がある。ｋ33モードの動作のために小さい多次元素子の側面の電極を利用すると、変位方向に対して横方向の電界による望ましくない影響のため、性能が悪くなる可能性がある。数百または数千個の個別多層圧電アクチュエータ・ポストが設けられる場合、アレイに対するワイヤのボンディングおよび再組み立ては困難であり、コストがかかる可能性がある。
【０００４】
多次元超音波アレイの小さい単層素子は、電気的に接続されると、キャパシタンスが極めて小さい。例えば、５メガヘルツで動作させるための２５０×２５０×３００マイクロメートルの単層圧電素子は、キャパシタンスがｋ33共振モードで約２ピコファラッド（ｐＦ）である。こうしたキャパシタンスでは、インピーダンス整合をとらなければ、５０〜１００ｐＦのケーブル電気負荷を有効に駆動することができない。素子におけるインピーダンス整合によって、患者の体内に用いることを意図したアレイのようにアレイに望ましくないサイズが付加され、Ｓ／Ｎ比が劣化する可能性がある。
【０００５】
電気的インピーダンスを整合させるため、ｋ31モードで動作する複合ＰＺＴが提案されている。銀エポキシのようなダイシング切溝充填剤および導電性充填剤が電極として用いられる。しかし、導電性エポキシによって、素子間に強い音響クロスカップリングが生じる可能性がある。さらに、電極として切溝充填剤を利用すると、活性圧電材料が大幅に減少し、装置の効率が低下することになる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前置きとして、後述の望ましい実施形態には、超音波変換器アレイ、アレイの形成方法、および、横広がりモードまたはｋ31共振を利用した変換方法が含まれる。ｋ31モードの場合、振動は分極および電界の向きに対して直交する軸に沿っている。振動方向は変換器アレイの面に向かう。各素子毎に、電極は、アレイの面に対して垂直に、例えば素子の側面に沿って形成される。圧電材料は、変換器の面に対して平行でかつ音響エネルギーの伝搬方向に対して垂直な次元に沿って分極される。ｋ31共振モード動作に合わせて設計された素子を利用すると、多次元変換器アレイのために小さい素子サイズが規定される場合と同様に、電気的インピーダンス整合を改善することが可能になる。さらなるインピーダンス整合のために、素子は圧電材料の多層を備えることが可能である。素子がｋ31モードで動作するので、層は、分極方向に沿って、または、変換器アレイの音響エネルギーを送信または受信するための面に対して垂直に積層される。上述の特徴は単独または組み合わせて利用することが可能である。
【０００７】
第１の態様では、音響エネルギーと電気エネルギーとの間で変換を行うための超音波変換器アレイが提供される。少なくとも２つの素子が設けられる。両素子とも、音響エネルギーを送信または受信するための音響表面を備えている。一方の素子は少なくとも第１および第２の変換器材料層を備えている。これらの層は音響表面に対して平行というよりは垂直である。
【０００８】
第２の態様では、音響エネルギーと電気エネルギーとの間で変換を行うための超音波変換器アレイが提供される。少なくと別の素子がｋ31共振モードで動作可能である。この素子は、縦変位方向（longitudinal displacement direction）に対して平行というよりは垂直な方向に分極される。電極は分極方向に対して実質的に直交するように配置される。
【０００９】
第３の態様では、音響エネルギーと電気エネルギーとの間で変換を行うための多次元超音波変換器アレイが改良される。多次元超音波変換器アレイは複数の素子によるＮ×Ｍの配列を備えているが、ここでＮおよびＭは両方とも１より大きい。複数の各素子はｋ31共振モードで送信または受信するように向けられている。
【００１０】
第４の態様では、音響エネルギーと電気エネルギーとの間で変換を行う方法が提供される。複数の超音波変換器素子は多次元アレイ内において第１の方向に沿って送信および受信するように向けられる。複数の超音波変換器素子はｋ31共振モードで動作する。動作中、ｋ31共振モードが他のモードに対し優位に立つ。
【００１１】
第５の態様では、超音波変換器素子の形成方法が提供される。複数の変換器材料層が第１の次元に沿って積層される。積層された層の上に電極が配置される。電極は第１の次元に対して平行というよりは直交している。整合層が第１の次元に対して実質的に平行に配置される。
【００１２】
本発明は付属の請求項によって規定され、この明細書はそれら請求項に対する制限とみなされるべきものはない。本発明のさらなる態様、特徴、および、利点については、望ましい実施形態に関連して後述し、別個に、または、組み合わせて、請求するものとする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
コンポーネントおよび図は、必ずしも一定の比率で描かれているわけではなく、それよりも、本発明の原理の例証に重点がおかれている。さらに、図中における同様の参照番号は、異なる図全体にわたって、対応する部品を表示している。
【００１４】
ｋ31共振モードで動作可能な素子が多次元アレイのような超音波変換器アレイを形成している。ｋ31共振モードにおいて、電界および分極方向は縦変位方向に対して垂直である。１つ又は複数の圧電材料層および関連する電極は、縦変位方向に対して垂直な方向に沿って向けられるかまたは積層される。あるいはまた、音響面に対して垂直でかつ縦変位方向に対して平行な方向に沿って、各素子内に導電性バイアが形成されている。ｋ31モードで動作させ、素子の側面に沿って電極を配置すると、電極の表面積が増すために、従来のｋ33モードの動作に比べて、キャパシタンスが増大する。また、圧電材料の複数層が並列に接続されることによって、層数の２乗倍だけキャパシタンスが増大し、その結果、素子にインピーダンス整合電子部品を設けなくても、ケーブル負荷を効率よく駆動することが可能になる。従来のｋ33共振モードと比べると、設ける層数を少なくして、同じキャパシタンスを得ることが可能になる。特定の変換器アレイに、上述の任意の１つ又は複数の特徴を利用することが可能である。
【００１５】
図１には、音響エネルギーと電気エネルギーとの間で変換を行うための超音波変換器アレイ１０の１つの実施形態が示されている。アレイ１０は複数の素子１２を含んでいる。各素子１２は、ＰＺＴ−５Ｈ、ＨＤ３２０３、電歪すなわち圧電単結晶（例えば、ＰＭＮ−ＰＴおよびＰＺＮ−ＰＴ［１１０］カット）のような圧電変換器材料を含んでいる。他の現在知られているかまたは今後開発される変換器材料を利用することが可能である。各素子１２は、変換器材料間に印加された電位に応答し、音響表面１５から縦変位方向１７に沿って音響エネルギーを送信または発生する。縦変位方向１７は音響表面１５に直交する。音響エネルギーは、音響表面からいくつかの方向に沿って放射する傾向があるが、縦変位方向１７に沿ったエネルギー度がより強くなるか、あるいは、実質的に縦変位方向１７に沿って伝搬するので、この方向１７は単純化したものである。受信の場合、音響表面１５で受信される音響エネルギーは各素子１２によって電位に変換される。
【００１６】
アレイ１０の１つ又は複数の素子１２は送信または受信プロセス中にｋ31共振モードで動作可能である。他の動作モードが生じる場合もあるが、それらは所望の周波数帯外になるように設計されているので、ｋ31モードが支配的である。ｋ31共振モードによる動作のために、縦変位方向１７に沿った素子１２の高さは、直交面において、例えば分極方向に沿って、幅の少なくとも２倍になる。１つの実施形態では、例えば、５ＭＨｚで動作するように、多次元変換器アレイ１０のピッチを２５０マイクロメートルにする場合、高さは幅の約３倍になる。奥行寸法は、高さ寸法の約１／３であるように、幅寸法と同じか、類似かまたは異なる。他の高さ、幅、および、奥行関係を規定することも可能である。
【００１７】
圧電材料は、縦変位方向１７と平行であるよりは垂直な方向に分極される。図１に示すように、分極方向は水平である。分極は、同じ素子における異なる層に関して、同じ軸に沿って方向が異なっているが、方向が同じか、または、軸が異なる場合もある、ただし、縦変位方向に対してはやはり直交する。
【００１８】
音響面１５は各素子１２の上面として示されている。分極は上面１５と実質的に平行である。分極方向は、一般に、素子１２の両端間、または、素子１２の形成に用いられる変換器材料の両端間にかかる初期高電位によって生じる。その後、分極方向は永久的または半永久的に定まる。
【００１９】
１つの実施形態において、各素子１２は変換器材料の単一層１８から形成される。例えば、圧電セラミックスの単一スラブを利用して、各素子１２が形成される。素子１２は縦変位方向に対して平行な方向に沿った導電性バイア１６を含むことが可能である。代替実施形態において、２つ、３つまたはそれ以上の層１８のような多層１８を設けることによって、各素子１２におけるキャパシタンスが変更される。１つの実施形態では、完成した構造または動作可能な構造をなす各素子１２は、４つの変換器材料層１８を備えるが、もっと多いかまたは少ない数の層１８を設けることも可能である。
【００２０】
各層１８は、分極方向に沿って積層されるかまたは図１に示すように水平方向に積層されたスラブ、プレート、または、他の構造物を含む。層１８の各スラブは縦変位方向１７に沿っており、その結果積層体（スタック）または層状構造物は縦変位方向１７に対して垂直に延びる。図１に示す各素子１２は、同じ次元に沿って積層されているが、いくつかの素子１２は、やはり、縦変位方向に対して垂直な奥行次元のような、垂直次元に沿って積層することが可能である。層１８の厚さおよび数を利用して、音響面１５は、積層された変換材料層１８の幅の少なくとも２倍の垂直な高さ（すなわち、縦変位方向の高さ）が付与される。
【００２１】
図１に示すように、各素子１２は、積層された層１８の単一構造によって形成されている。図４に示す代替実施形態の場合、各素子１２は、素子１２として正方形パターンに形成された４つの部分素子２１のような、２つ以上の部分素子２１から形成されている。各部分素子２１は変換器材料の複数層１８を備えているが、１つ又は複数の部分素子のために単一層１８を設けることも可能である。各部分素子２１は、縦変位方向１７に対して垂直に積層された層１８を備えている。同様に、各部分素子２１は、他の部分素子２１から独立し、高さが３００ミクロンであり奥行および幅が８０ミクロンであるような効率の良いｋ31動作モードの高さおよび幅基準を満たす。各部分素子２１は、音響分離のために、空気、ＲＴＶ（Room Temperature Vulcanization;室温加硫）シリコーン、または、他の低弾性率切溝充填材のような材料によって、同じ素子１２内の他の部分素子２１から分離される。変換器材料のブリッジ２８によって、部分素子２１をつなぐことが可能である。代替実施形態では、部分素子２１間には、ブリッジ２８が他の場所に設けられるか、あるいは、ブリッジ２８が設けられない。ブリッジ２８は、接地電極に信号電極をさらす恐れがないように、製造公差内でできるだけ薄くする。
【００２２】
図１および４に示すように、各素子１２上または内には電極１４，１６が形成されている。各電極１４，１６は薄いメッキされた電極のような金属導体である。圧電材料のテープ成形または積層層の場合、蒸着法または他の方法を利用して、電極にメッキを施すことが可能である。１つの電極１４は各素子１２または部分素子２１の外面上に示されるような接地電極である。別の電極１４は外面上の２つの電極１４間に部分素子２１または素子１２を挟み込むように別の外面上にある。素子１２または部分素子２１を分離する切溝は同じ接地電位である。部分素子２１または素子１２が単一または奇数の層１８から形成される場合、２つの外面上の信号電極１６および接地電極１４は電気的に互いに分離されている。多層１８が設けられている場合、１つ又は複数の信号電極１６が、例えば、２つの変換器材料層１８間に挟まれるように、部分素子２１または素子１２内に形成される。多層１８の実施形態の場合、同じ素子１２内において、例えば、ワイヤボンディング、部分素子２１または素子１２の上面または底面上の電極、バイア、または、他の電気コネクタによって、電極１４，１６が１つおきに電気的に接続される。電極１４，１６は素子１２または部分素子２１に電位差を加えるために２つの異なる電極を形成している。２つの電極１４，１６は互いに電気的に分離されている。例えば、外面上の電極１４のギャップ２６によって、接地電極１４と、各部分素子２１または素子１２の底面に沿って形成された信号電極との接続が防止される。
【００２３】
ｋ31動作モードの場合、電極１４，１６は、例えば、直線状の、フラットな、不規則な、または、他の形状およびサイズの導電性材料が縦変位方向１７と平行に延びる形で、分極方向に対して実質的に直交している。
【００２４】
素子１２は多次元変換器アレイとして構成されている。例えば、３２×３２個の素子１２からなる多次元アレイ１０が設けられる。多次元アレイ１０は、方位角方向および仰角方向に沿った個別電子ステアリングのための２次元アレイとして機能する。さらに別の実施形態では、素子１２は、１．２５、１．５、または、１．７５次元アレイ１０として機能するように配分される。多次元アレイの場合、複数の素子がＮ×Ｍの配列をなすように配分される。ここで、ＮおよびＭは両方とも１より大きい。素子１２の一部または全ては、音響面１５において、ｋ31動作モードで、音響エネルギーを送信または受信する働きが可能である。各素子１２の構造は、例えば、層１８の数、部分素子２１の数、幅および奥行寸法に対する高さ、電極１４，１６の配置、ブリッジ２８の配置、または、他の構造の配置の点で同じかまたは異なっている。各素子１２は１つ又は複数の独立した接地電極１４を備えている。ｋ31動作モードの場合、異なる素子１２は同じ接地電極１４全体を共用することはない。接地電極１４は、他の素子１２と共通の電気接続部を備えることが可能であるが、ｋ31モードに利用するために、物理的に分離または独立している。切溝によって、各独立素子に横電界を発生するために用いられる接地電極１４の部分が分離される。素子は非導電性切溝によって分離される。
【００２５】
多次元変換器アレイ１０は、ハンドヘルド式変換器アレイに利用するために相対的に大きいアレイを提供するように、求められる用途に合わせたサイズになっている。他の実施形態において、アレイ１０は、例えば、８ミリメートル×８ミリメートルの３２×３２の素子アレイに関しては、２５０マイクロメートルのピッチのように、５００マイクロメートル以下のピッチを有する。こうした小さいアレイは、経食道カテーテル、小児心臓カテーテル、内視鏡、ラポスコープ、心臓カテーテル、または、他の腔内プローブに利用することが可能である。
【００２６】
図３に示すように、アレイ１０は、支持ブロック２４と整合層２２との間における変換器層２０の積層体（スタック）である。支持ブロック２４および整合層２２は一般に素子１２の音響面１５と平行である。整合層２２は、使用目的に合わせて、変換器層２０と患者の皮膚のような構造または組織との音響インピーダンスを整合させるために、上面または音響面１５に隣接している。１つ又は複数の整合層２２が設けられており、いずれかを非導電性または導電性にすることが可能である。
【００２７】
積層体内には、電極１４，１６と電気信号を授受するための導体も設けられている。例えば、支持ブロック２４の下方のフレキシブル回路との接続のために、支持ブロック２４内には、Ｚ軸支持導体が設けられている。代わりに、片面または両面フレキシブル回路材料によって、各素子１２との個別電気接続のために、支持ブロック２４と変換器層２０とが接続される。別の実施形態では、複数の一次元素子モジュールまたは多次元素子モジュールと関連フレキシブル回路とが互いに隣接して実装される。接地面または他の導体と第２の電極１４とを接続するために、独立したフレキシブル回路または導電性整合層が利用される。例えば、独立したフレキシブル回路または導電性整合層は整合層２２の上方または下方、および、変換器層２０の上方で接続される。
【００２８】
図２〜８には、超音波変換器素子１２の形成方法の種々の実施形態が示されている。下記以外の、または、図２〜８に示す以外の方法を利用することも可能である。例えば、ダイシングおよびメッキを利用して、ｋ31共振モード動作のために、各素子１２毎に変換器材料の単一層１８を用いる素子アレイを設けることも可能である。
【００２９】
変換器材料の多層１８から形成された素子１２の場合、多層１８は、第１の次元に沿って積層される。例えば、図２には、水平次元に沿って積層された複数の層１８が示されている。別の例として、図６および８には、上方から水平次元に沿って積層された複数の層１８が示されている。
【００３０】
電極１４，１６は積層された層１８の上に配置されている。積層次元に対して平行になるように、電極１４，１６を形成するためのさまざまな実施形態が提示される。電極のアライメントによって、ｋ31モードで動作するための実質的に横方向の電界が可能になる。異なる層１８に関連した電極１４，１６の相互接続のために、あるいは、接地面または信号路への接続のために、上部または底部に電極１４，１６の他の部分を形成することが可能である。
【００３１】
図２〜４には電極１４，１６の位置決め方法の１つの実施形態が示されている。図５には別の実施形態が示されている。図６および７にはさらに別の実施形態が提示されている。図８には別の実施形態が提示されている。
【００３２】
図２を参照すると、積層前に、変換器材料層１８に電極１４，１６のパターンが形成される。例えば、図２には信号電極１６の反復パターンが示されている。接地電極１４は、同様であるが、対をなす反復パターンを有している。電極１４，１６のパターンはギャップ２６またはギャップ２７を設けることによって変化する。例えば、図２に示す層１８の積層体（スタック）の上面、および、ライン１９に沿った切断を利用して、変換器素子が形成される。信号電極１６は、ライン１９に沿った切断後、接続または露出されるが、上面への露出を回避するようにパターン形成される。同様に、接地電極１４は、上面が露出されるが、切断ライン１９に沿った底面への露出を回避するようにパターン形成される。各層１８はセラミックテープ成形または積層およびボンディングによって形成される。電極１４，１６は各層１８に堆積させるかまたは他の方法で形成される。１つの実施形態では、各層は、層１８の両面に同じかまたは異なる電極１４，１６が形成される。
【００３３】
層１８が積層される。例えば、１９２個の４０ミクロン層が積層される。それより多いか又は少ない数の層１８および／またはそれより厚いか又は薄い層１８を利用することも可能である。例えば、ライン１９並びに積層の高さに沿った他のラインに沿ってダイシング（ｄｉｃｉｎｇ）およびラップ研磨を施すことによって、同じ積層から複数のアレイ１０を形成することが可能である。ダイシングおよびラップ研磨は、例えば、変換器の上面に対して平行な面におけるダイシングライン１９に沿うように、積層次元に対して直交するように実施される。
【００３４】
変換器材料のスラブ２０が、３００ミクロンのような所望の厚さまでラップ研磨または研削される。次に、例えば、ウェーハに金属導体を堆積させるように、変換器材料のスラブ２０の上面および底面に、電極がメッキされる。支持ブロック２４においてＺ軸接続が施される場合、変換器材料のスラブ２０とＺ軸コネクタとが位置合わせされる。素子１２のダイシング前に、整合層２２が設けられる場合、整合層２２はグラファイトのような導電性整合層である。
【００３５】
図３に示すように、ラップ研磨または研削を施された多層１８の構造は、整合層２２を備えるかまたは備えない支持ブロック２４上に配置するために、変換器材料のスラブ２０を形成する。１つの実施形態では、変換器材料のスラブ２０は素子１２の形成前に支持ブロック２４上に配置される。代替実施形態では、素子１２は、支持ブロック２４とのボンディングまたは積層の前に、変換器材料２０に形成される。
【００３６】
素子１２は変換器材料２０のダイシングによって形成される。矩形グリッドの素子１２の場合、縦変位方向１７に対して垂直な平面内に切溝が形成される。三角形、六角形、または、他の形状の素子分布パターンを形成することも可能である。ダイシングはパターン形成された電極と位置合わせされる。例えば、ダイシングブレードは、層１８の１つと実質的に同じサイズまたは厚さになるように設定されている。次に、ダイシングによって、変換器材料は除去されるが、電極１４，１６は残される。３つおき、またはその他の頻度で層１８のダイシングを行うことによって、所望の電極構造のままであり続ける。例えば、各切溝が、対をなす隣接する接地電極１４間に形成されて、各素子１２または部分素子２１の外面上の接地電極と、素子１２または部分素子２１内に埋め込まれた信号電極１６とが残される。さらに他の実施形態において、各切溝は層１８の１つの厚さより大きいか又は小さい。ダイシング後、切溝に金属を堆積させることによって、追加電極１４，１６を形成することが可能である。
【００３７】
図４には、各素子１２の４つの変換器材料層１８に関するダイシングの１つの実施形態が示されている。各素子１２を形成するダイシングカットは、整合層２２および変換器材料２０を貫いて延び、支持ブロックに達する。追加切溝が各素子１２内に形成されて、部分素子２１が形成される。各素子内の切溝は、変換器材料２０内に延びるが、変換器材料２０を貫くことはなく、ブリッジ２８が残る。代替実施形態では、切溝は変換器材料２０を完全に貫く。各部分素子２１は、２つの反対側の外面、すなわち、一方は素子１２の外側の面、および、他方は素子１２の内側の面に、接地電極１４を備えている。電極１４は、ダイシング前に、上面１５に形成された電極によって互いに接続される。代替実施形態では、電極１４は、ダイシング後、導電性材料の堆積によって形成される。追加電極１６が各部分素子２１内に配置されるか又は埋め込まれる。追加電極１６は信号路または他のＺ軸コネクタに接続される。１つの実施形態では、素子１２全体のために共通信号路が設けられ、各部分素子２１内の各電極１６は同じ信号路に接続される。代替実施形態では、各部分素子２１のために、独立した信号路が設けられる。
【００３８】
次に、素子を音響的に分離する室温加硫シリコーンのような低弾性率充填材料を用いて、薄い箔のフレキシブル回路、または、第１のまたは追加の導電性でダイシングを施されていない整合層２２を、ダイシングを施された構造物に接合することによって、接地面が形成される。あるいはまた、エポキシ薄層を利用して、空気を充填した切溝を形成することも可能である。追加の非導電性整合層２２を接合して、音響インピーダンス整合を改善することも可能である。
【００３９】
図５には、各素子１２を形成するための別の実施形態が示されている。変換器材料の１つ又は複数の層１８に電極１４，１６のパターンを形成する代わりとして、各層１８が両面全体にまたは少なくとも片面全体に電極材料を堆積させられて、信号電極１６が形成される。層１８の厚さは、２層構造の場合の素子のピッチ、または、４層構造の場合のピッチの１／２に等しい。図２の電極層形成と比較すると、信号電極１６は積層前に層１８に形成され、接地電極１４は形成されない。層１８を積層し、所望の高さにラップ研磨した後、次に、１つ又は複数の整合層２２がスラブの上面に接合される。整合層の表面は電極１６に対して垂直である。素子および部分素子はダイシングによって形成される。電極１４は切溝に金属膜を被着することによって形成される。さらに、室温加硫シリコーンまたは他の低弾性率切溝充填材料または空気で切溝を充填して、素子間の音響エネルギーを分離することが可能である。あるいはまた、導電性の室温加硫シリコーンを充填して、接地接続の形成と音響分離（音響絶縁）との両方を同時に行うことも可能である。接地接続は、薄い金属層を整合層２２の上に取り付けることによって、あるいは、単純に変換器のエッジに接続することによって実現することが可能である。素子１２または部分素子２１を分離する切溝内の電極は同じ接地電位にすることが可能である。図５に示すように、電極１４と電極３４とが接触しないように、電極３４のパターンは底面に形成される。電極３４は、露出電極１６全体を覆うように、または、露出電極１６上に堆積させられる。パターン形成された電極３４は電極１４，１６に対して実質的に垂直な信号路を形成する。各素子１２を形成するダイシングカットは変換器材料を貫通して支持ブロック２４内に延びる。部分素子２１を形成するダイシングでは、信号路３４と電極１４との電気的接続を防止するためにブリッジ２８が残される。変換器材料層２０の上部を整合層２２に接続する１つの代替方法では、電極のパターンを形成して又は形成せずに、電極を堆積させることが可能である。接地面またはフレキシブル回路によって、２つの整合層２２が接続される。代替案では、接地面を形成するために、ダイシングを施されていない整合層２２も導電性である。
【００４０】
図６および７には、変換器材料の多層１８に電極１４，１６を形成するためのさらに別の方法が示されている。信号電極１６のパターンは変換器材料の全ての層１８間に形成される。このパターンによって、各素子または部分素子内で電極１６を分離する対角構造が生じる。複数の対角ダイシングラインまたは切溝３２が形成される。図６は、縦方向が図６の平面から外に延びる電極１６のパターン形成を示す平面図である。電極１６は、変換器材料２０のスラブの上部から底部まで延び、切溝３２によって形成された各素子１２または各部分素子２１の内部に位置する。部分素子２１または素子１２からの切溝３２は、図６に示す積層次元または水平次元に対して非垂直角をなす。切溝３２はパターン形成された電極１６を避け、素子内のパターン形成された電極１６は分離される。分極方向は、積層次元に沿うか、または、例えば切溝３２に関連した対角線に沿っている。図７に示すように、他の電極１４は各素子１２または部分素子２１の外面上に形成される。ダイシング後、電極１４の金属膜形成または電極１４の堆積によって、各素子１２または部分素子２１は、外面全体の周囲に電極１４を有し、素子１２または部分素子２１内に独立した電極１６を有する。図７には、４つの部分素子２１を備えた単一素子１２が示されている。代替案では、図７の４つの部分素子が、個別の（４つの）素子１２として用いられる。追加研削、ラップ研磨、または、ダイシングを利用して、各部分素子２１の２つの反対面上にある電極を除去することが可能である。あるいはまた、各部分素子２１の全ての側面に電極１４を形成することが可能である。動作中、結果として生じる電界の向きは対角をなす。電極１４の面積拡大はキャパシタンスの増大に役立つ。
【００４１】
図８には代替実施形態が示されている。切溝３２は、対角カットではなく、積層次元に対して実質的に垂直なダイシングによって形成される。切溝３２が電極１６との接触を避けるように、電極１６のパターンが形成される。パターン形成の代替案として、浅い切溝、バイア、研削チャネル、または、他の構造によって、各層１８に切込みが入れられ、より体積の大きい電極１６が形成される。例えば、各層１８に、２０〜５０ミクロンのような浅い切溝を形成すると、４０〜５０ミクロンの深い電極１６が形成される。矩形として示されているが、中心電極１６に関して円形の、フラットな、または、他の形状を与えることも可能である。図６および７に関して述べたように外面電極１４が形成される。図８に示すこの方法の１つの実施形態では、各対をなす層１８と関連する中心電極１６とによって、部分素子ではなく、単一素子が形成される。例えば、各変換器材料層１８の厚さは約１００ミクロンである。あるいはまた、部分素子は図７に関して上述のように形成される。
【００４２】
上述のように形成された素子アレイはｋ31共振モードで動作する。積層された層１８は、横方向の電界および分極に応答して、縦変位方向に沿って音響エネルギーを発生し受信する。素子１２は多次元アレイとして用いられる。約５ＭＨｚで動作させるために、ピッチが２５０ミクロンであるような小さい素子による２次元アレイの場合、単一層構造を利用して、ｋ31動作のために４ｐＦ以上のキャパシタンスを与えることが可能である。インピーダンス不整合を回避するため、素子に隣接して電子回路を配置することが可能である。腔内カテーテルまたは心臓カテーテルのように小さい空間に用いることを意図したアレイの場合、電子回路はアレイから間隔をあけることが可能である。ｋ31共振モードで動作する多層によって、インピーダンス整合を向上させることが可能である。高さが素子幅の少なくとも２倍ある場合、ｋ31共振モードによる動作によって、層１８の数が同じであっても、キャパシタンスがｋ33モードの場合の実質的に４倍になる。
【００４３】
ｋ31共振モードによって、超音波エネルギーと電気エネルギーとの変換方法が得られる。多次元アレイ１０を形成する複数の超音波変換素子１２は第１の方向１７に沿って送信または受信を行うように向けられる。第１の方向１７に沿った各素子１２または部分素子２１の高さは、例えば、第１の方向１７に直交する平面において、幅の３倍のように、幅の少なくとも２倍である。各変換器素子１２は縦変位方向１７に対して実質的に垂直な方向に分極される。同様に、各変換器素子１２は少なくとも２つの変換器材料層１８によって形成される。変換器材料層１８は縦変位方向１７に対して実質的に垂直な積層方向に積層される。次に、超音波変換器素子１２がｋ31共振モードで動作させられる。伝送のために、電気信号が縦変位方向１７に対して平行な平面上の各変換器素子１２の電極に加えられる。分極特性および／または高さが幅を超える特性のために、各素子１２の上面および底面にさらに電極が配置される場合でも、ｋ31共振モードは各素子１２内において他のモードに対して優勢である。
【００４４】
さまざまな実施形態を参照して、本発明について上述してきたが、もちろん、本発明の範囲から逸脱することなく、多くの変更および修正を加えることが可能である。従って、以上の詳細な説明は制限ではなく例証のためのものであるとみなされるように意図され、また、本発明の精神および範囲の規定は全ての同等物を含む付属の請求項であることが理解されるように意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】多素子多次元変換器アレイの１つの実施形態に関する部分図
【図２】１つの実施形態における製造中の変換器材料層の積層に関する斜視図
【図３】１つの実施形態における多次元変換器積層を示す斜視図
【図４】１つ又は複数の多層をなすｋ31モードの変換器素子の１つの実施形態に関する斜視図
【図５】他の実施形態におけるｋ31モードで動作可能な１つ又は複数の素子の側面図
【図６】別の実施形態における多次元変換器アレイの１つの実施形態に関する平面図
【図７】図６に示すアレイの１つ又は複数の素子の平面図
【図８】代替実施形態における多次元変換器アレイの１つの実施形態の平面図
【符号の説明】
【００４６】
１０  超音波変換器アレイ
１２  素子
１４  電極
１５  音響表面
１６  導電性バイア
１７  縦変位方向
１８  変換器材料層
２０  変換器層
２１  部分素子
２２  整合層
２４  支持ブロック
２６  ギャップ
２８  ブリッジ
３２  切溝
【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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2008530854.tif 000012
2008530854.tif 000013
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