(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工物を製造する方法であって、
セラミック材プレート（２）の両側の互いにほぼ平行な表面上に、それぞれの金属層（４、６）を付着する第１付着段階と、
前記金属層（４、６）に垂直な平行平面（８）に沿って前記金属付着された前記セラミック材プレート（２）を切断して複数のバーを形成する段階であって、前記複数のバーが、各々のバーの両側に、切断された前記金属層（４、６）のそれぞれの分割区分を有してなる前記複数のバーを形成する段階と、
金属層同士を向かい合わせて接触させた２つの前記金属層の各ペアがそれぞれの電極（１０、１２）を形成するように、前記複数のバーを積重ねる段階と、
前記積重ねられたバーを結合してバースタックを形成する段階であって、前記電極の金属端部を、前記バースタックの周囲に露出させた状態で、前記バースタックを形成する段階と、
第１の誘電材料からなる第1誘電材層（１６）を前記バースタックの第１の面に付着する第２付着段階と、
第２の誘電材料からなる第２誘電材層層（１８）を前記バースタックの第２の面に付着する第３付着段階と、
を備え、
前記第１誘電材層（１6）と第２誘電材層（１８）は、前記バースタックの前記第１と第２の面のそれぞれに付着される前記第２と第３の付着段階に先だってそれぞれ基板として被着されたところの第１の金属パターン（２４）と第２の金属のパターン（２６）が形成され、
第１の金属充填又は金属被覆のバイア（２０）が、前記第１の誘電材層（１６）内に形成されて前記第１の誘電材層上の前記第１の金属パターン（２４）をそれぞれの奇数番号の電極に電気的に接続し、第２の金属充填又は金属被覆のバイア（２２）が前記第２の誘電材層（１８）上の前記第２の金属パターン（２６）をそれぞれの偶数番号の電極に電気的に接続することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記第１と第２の誘電材層を付着する前記第２と第３の付着段階の前に、前記電極の金属端部を露出させたまま、前記結合されたバースタックの前記第１及び第２の面を平坦に研磨する段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記奇数番号の電極の少なくとも幾つかの端部を、前記結合されたスタックの１つの面から陥凹させ、前記陥凹部を電気絶縁材料（１４）で充填する第１陥凹充填段階と、
前記偶数番号の電極の少なくとも幾つかの端部を、前記結合されたバースタックの他の面から陥凹させ、前記陥凹部を電気絶縁材料（１４）で充填する第２の陥凹充填段階と、
を更に含み、
前記第１と第２の陥凹充填段階が、前記第１及び第２の誘電材層（１６，１８）を付着する段階の前に行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の誘電材層（１６）上に電気絶縁性のスペーサ材料の層（２８）を付加する段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記スペーサ材料の層を所望の厚みにまで研磨する段階を更に含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記結合されたバースタックを前記電極に平行な平行平面に沿って切断して、少なくとも２つの奇数番号の電極と少なくとも２つの偶数番号の電極とを備える、複数の個々のスタックを形成する段階と、
前記個々のスタックを、前記個々の電極が実質的に同一平面内にあり、且つ前記スペーサ材料の層が互いに平行で前記個々のスタックの同じ側に配置された状態で、並べて付着する段階と、
前記個々のスタックを結合して横並びアレイを形成する段階と、を更に含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記アレイの両側を研磨して、一方の面に最も近い奇数番号の電極の金属を露出させ、且つ他方の面に最も近い偶数番号の電極の金属を露出させる段階を更に含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記横並びアレイを音響減衰材料の本体を備える音響バッキング層（５４）に結合する段階を更に含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
電気信号コネクタ（５６）のパターン形成されたアレイを、前記電気信号コネクタのそれぞれの端部が前記本体の表面に露出された状態で前記音響減衰材料の本体内に埋め込む段階を更に含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
加工物を製造する方法であって、
セラミック材プレート（２）の両側の互いにほぼ平行な表面上に、それぞれの金属層（４、６）を付着する第１付着段階と、
前記金属層（４、６）に垂直な平行平面（８）に沿って前記金属付着された前記セラミック材プレート（２）を切断して複数のバーを形成する段階であって、前記複数のバーが、各々のバーの両側に、切断された前記金属層（４、６）のそれぞれの分割区分を有してなる前記複数のバーを形成する段階と、
金属層同士を向かい合わせて接触させた２つの前記金属層の各ペアがそれぞれの電極（１０、１２）を形成するように、前記複数のバーを積重ねる段階と、
前記積重ねられたバーを結合してバースタックを形成する段階であって、前記電極の金属端部を、前記バースタックの周囲に露出させた状態で、前記バースタックを形成する段階と、
第１の誘電材料からなる第1誘電材層（１６）を前記バースタックの第１の面に付着する第２付着段階と、
第２の誘電材料からなる第２誘電材層層（１８）を前記バースタックの第２の面に付着する第３付着段階と、
前記第１の誘電材層内に孔を形成して、奇数番号の電極のそれぞれの端部の部分を露出させる段階と、
前記第２の誘電材層内に孔を形成し、偶数番号の電極のそれぞれの端部の部分を露出させる段階と、
前記孔を金属（２０、２２）で充填又は被覆する段階と、
前記第１及び第２の誘電材層（１６，１８）の表面にそれぞれ金属層（２４、２６）をそれぞれのパターンで付着し、前記第１及び第２の誘電材層のそれぞれのパターン形成された金属層が、前記金属充填又は金属被覆された孔を介して奇数番号の電極と偶数番号の電極のそれぞれの組に電気的に接続されているようにする段階と、
を具備したことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、多層圧電セラミック変換器に関する。詳細には、本発明は、超音波イメージングシステムの感度を改善するための超音波変換器の設計に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波イメージングに使用される音響変換器は、その両面が金属被覆され且つ電圧（信号）源と接地源にそれぞれ接続される圧電材料から構成される。この圧電材料は、典型的には、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）セラミックの組成物からなる。作動中、高周波電気波形がＰＺＴ電極に印加されることにより、セラミックの寸法変化が生じて音圧波又は音圧パルスが発生する。逆に、圧電材料の表面に音響反射が接触すると、該圧電材料は両電極間に電位差を発生させ、この電位差が受信信号として検出される。
【０００３】
電気波形を発生させ且つ検出するのに使用されるシステムに音響変換器を接続する同軸ケーブルは、通常、５０ないし１００オームの電気インピーダンスを有する。音響変換器の素子もまた、ケーブルと同じ電気インピーダンスを有することが望ましい。しかしながら、変換器素子の電気インピーダンスは、圧電材料の誘電率、幾何学的面積、及び厚みの関数である。圧電素子の音響応答及び周波数は、幾何学的面積及び厚みに関する特定の関係に対して最適化されるので、これらのパラメータは、ケーブルの電気インピーダンスに整合するように最適化することができない。
【０００４】
インピーダンス整合は、２次元変換器アレイで見られる素子などの小型の変換器素子において特に重要である。典型的なリニアフェーズドアレイ変換器素子は、形状が矩形であり、すなわち、これらは水平方位方向よりも仰角方向で長い。しかしながら、２次元アレイの素子は、仰角方向形状が水平方位形状に一致するように短縮された正方形の幾何形状に近い場合がある。従って、より小型の２次元アレイ素子は、場合によっては１０００オームを越える、有意に高い電気インピーダンスを有する。一方、超音波システムのケーブルは通常、５０ないし１００オームのインピーダンスを有する。このインピーダンス不整合は、電気効率を大きく低下させ、従って、素子感度が大きく低下する。多層変換器スタックを使用することにより、２次元アレイの素子インピーダンスは、ケーブルのインピーダンスにかなり近づけることができる。
【０００５】
医用イメージング及び非破壊検査に使用される超音波変換器は、感度と帯域幅の２つの主要特性によって特徴付けられ、これらは、イメージングシステムの透過率及び分解能に直接関係する。多層圧電構造体が従来型の単層デバイスに比較して感度の向上をもたらすことは当該技術分野において公知である。このことは、多層構造体により、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）である圧電セラミック素子のインピーダンスが低下することに起因して生じる。各素子は、電気的に並列に接続されるが音響的には直列に接続される複数の個々のセラミック層として作製される。この方式においては、素子は、依然として音響的には固体セラミックであるように機能しながら、セラミック層の個数の平方分の１に低減された電気インピーダンスを有する。
【０００６】
多層ＰＺＴ変換器アレイにおいて、N（N＞1）個の層は音響的に直列に結合され、そのためλ／２共振厚みがスタック厚みｔである。印加電圧の極性が分極方向に一致するときには、圧電材料は厚みの方向に拡大される。各層について電気的極性は分極方向と同じであるので、これらの層は共に拡大又は縮小する。所定の印加電圧に対して、各層（厚みｔ／Ｎ）に及ぶ電界は単層変換器（厚みｔ）よりも大きく、結果としてより大きい音響出力が得られる。逆に言えば、低い印加電圧で単層変換器の音響出力に等しくすることができる。電気的には、各層は並列に接続される。単層デバイスと比較すると、Ｎ層のデバイスは本質的に並列状態でのＮ個の薄いコンデンサの合計である。構造体の全体の厚みは所定の動作周波数に対して一定であるので、デバイスのキャパシタンスはＮ２の関数として増大する。これに対応して、インピーダンスはＮ２の逆数の関数として低下する。
【０００７】
米国特許第６，２６０，２４８号には、未加工の圧電基板上に電極を配置し、次いで共焼成して固体の多層構造体を形成することによる、多層モノリシック圧電アクチュエータの形成方法が開示されている。しかしながら、この方法によって形成された構造体に関しては、圧電材料と電極材料との共焼成は、層の起伏又は非平面性につながる場合があるので、超音波変換器が必要とする許容誤差を維持することは困難である。また、医用超音波用途に要求される高い電気機械結合を有する圧電セラミックの形成は、高圧焼結条件のもとで最も良好に行われるが、これはこの種類の層状構造体に対して導電性ではない。従って、共焼成された未加工セラミック基板からではなく、平坦な高品質の圧電シートから多層構造体を形成することが最良である。
【０００８】
米国特許第５，３８１，３８５号で開示された第２の手法は、薄い圧電層の層状構造体を形成することであり、圧電層の各々はその表面上に金属電極を有する。アレイは、圧電材料のスタック内にホール（又はバイア）を形成することによって作製される。該バイアは、レーザ又は機械的穿孔によって形成することができる。しかしながら、セラミックの穿孔は困難な作業であり、より厚いセラミック基板を貫通する小さいホールの場合には特に困難である。低周波数の音響変換器のセラミックは、厚すぎてバイアを容易に形成することができない可能性があり、高周波数変換器用の小型の素子は高密度のバイアを必要とし、これはセラミック構造体を脆弱にする。加えて、バイアが形成された後、埋設されたセラミック層内の組込まれた電極に電気接点を作製する必要がある。これは、バイアが大きな面積でない限り、ホールのアスペクト比に起因して実行することが困難な場合がある。
【特許文献１】米国特許第６，２６０，２４８号公報
【特許文献２】米国特許第５，３８１，３８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
多層圧電セラミック構造体を作製するためのより簡単な方法に対する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、全体の電気インピーダンスが低い多層音響変換器を作製するための簡単な方法に関する。該方法は、金属化された表面を有する個々の圧電層を積重ねて、金属層が櫛形電極を形成するように電気的に接続されプレートを形成することに基づく。この方法で接続された圧電層からなる多層スタックの全体の電気インピーダンスは、該スタック内の圧電層の個数の平方に反比例する。このことは、電気ケーブルのインピーダンスに対する音響スタックインピーダンスの整合をより良好にし、改良された音響素子感度を提供する。
【００１１】
本発明の１つの態様は、加工物を製造する方法であって、（ａ）セラミック材料のプレートの両側の互いにほぼ平行な表面上にそれぞれの金属の層を付加する段階と、（ｂ）金属層に垂直な平行面に沿って金属化されたセラミック材料を切断して、各両側に配置された切断金属層のそれぞれの区分を備えて複数のバーを形成する段階と、（ｃ）金属層を向かい合わせて接触する金属層の各ペアがそれぞれの電極を形成するようにバーを積重ねる段階と、（ｄ）積重ねられたバーを結合して、電極の金属端部が周囲に露出した状態でスタックを形成する段階と、（ｅ）スタックの第１の面に第１の誘電材料の層を付加する段階と、（ｆ）スタックの第２の面に第２の誘電材料の層を付加する段階とを含む。第１及び第２の誘電層の各々は、スタックのそれぞれの面への誘電層の付加の前又は後の何れかで、誘電層に施された金属のそれぞれのパターンを支持するそれぞれの基板を備える。金属充填又は金属被覆されたバイアは、第１の誘電層内に形成されて第１の誘電層上の金属パターンをそれぞれの奇数番号の電極に電気的に接続し、第２の誘電層内に形成されて第２の誘電層上の金属パターンをそれぞれの偶数番号の電極に電気的に接続する。
【００１２】
本発明の別の態様は、加工物を製造する方法であって、（ａ）セラミック材料のプレートの両側の互いにほぼ平行な表面上にそれぞれの金属の層を付加する段階と、（ｂ）金属層に垂直な平行平面に沿って金属化されたセラミックプレートを切断して、各両側に配置された切断金属層のそれぞれの区分を備えて複数のバーを形成する段階と、（ｃ）金属層を向かい合わせて接触する金属層の各ペアがそれぞれの電極を形成するようにバーを積重ねる段階と、（ｄ）積重ねられたバーを結合して、電極の金属端部が周囲に露出した状態で結合されたスタックを形成する段階と、（ｅ）結合されたスタックの一方の面に誘電材料の第１の層を付加する段階と、（ｆ）結合されたスタックの他方の面に誘電材料の第２の層を付加する段階と、（ｇ）第１の誘電層内に孔を形成して奇数番号の電極のそれぞれの端部の部分を露出させる段階と、（ｈ）第２の誘電層内に孔を形成して偶数番号の電極のそれぞれの端部の部分を露出させる段階と、（ｉ）該孔を金属で充填又は被覆する段階と、（ｊ）第１及び第２の誘電層の表面にそれぞれの金属層をそれぞれのパターンで付加し、第１及び第２の誘電層のそれぞれのパターン形成された金属層が、金属充填又は金属被覆された孔を介して奇数番号又は偶数番号の電極のそれぞれの組に電気的に接続されているようにする段階とを含む。
【００１３】
本発明の更なる態様は、（ａ）複数の実質的に同一のセラミック材料のプレートの各々の両側の表面上に金属のそれぞれの層を付加し、各プレートの金属化された表面が互いにほぼ平行であるようにする段階と、（ｂ）金属化された表面を突き合わせた状態で金属化プレートを積層してブロックを形成する段階と、（ｃ）該ブロックを金属層に垂直な平行面に沿って切断して複数のスタックを形成し、各スタックが交互のセラミック層とスタックの周囲に露出した金属端部を有する電極とを備えるようにする段階とを含む製造方法である。
【００１４】
本発明の別の態様は、超音波変換器アレイの前駆体であって、該前駆体は、交互配列で積重ねられた複数のセラミック材料及び複数の電極を含むスタックであって該複数の電極は交互配列で配列された奇数番号の電極と偶数番号の電極とを含み且つ各奇数番号の電極の１つの金属端部がスタックの第１の面に露出されると共に各偶数番号の電極の１つの金属端部がスタックの第２の面に露出している状態にあるスタックと、スタックの第１の面に結合された第１の誘電材料の層と、スタックの第２の面に結合された第２の誘電材料の層と、第１の誘電層上又は該誘電層内に形成された第１の金属パターンと、第２の誘電層上又は該誘電層内に形成された第２の金属パターンと、第１の金属パターンを奇数番号の電極に電気的に接続するために第１の誘電層内に形成された金属充填又は金属被覆されたバイア又はチャネルの第１のセットと、第２の金属パターンを偶数番号の電極に電気的に接続するために第２の誘電層内に形成された金属充填又は金属被覆されたバイア又はチャネルの第２のセットとを備える。
【００１５】
本発明の更に別の態様は、音響的に互いに絶縁された積層変換器素子の第１の列を備える超音波変換器アレイであって、該積層変換器素子の各々は、実質的に等しい厚みを有する、セラミック材料の第１、第２及び第３の層を含むスタックと、第１のセラミック層の上部に配置された第１の電極と、第１及び第２のセラミック層の間に配置された第２の電極と、第２及び第３のセラミック層の間に配置された第３の電極と、第３のセラミック層の底部に配置された第４の電極と、スタックの一方の側部に配置され第１及び第３の電極を電気的に接続する第１の電気コネクタと、スタックの他方の側部に配置され第２及び第４の電極を電気的に接続する第２の電気コネクタと、第１の電気コネクタと第３の電極の端部との間でスタックの一方の側部上に配置された第１の誘電材料の層と、第２の電気コネクタと第２の電極の端部との間でスタックの他方の側部に配置された第２の誘電材料の層とを備える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は、３層だけを有する多層スタックの製造に限定されるものではない。
【００１７】
本発明の他の態様は、以下で開示され且つ請求項で特許請求される。次に、異なる図面の同じ要素に同じ参照符号が付けられた図面を参照する。
【００１８】
本明細書で開示される方法は、両面に金属電極を有する個々の圧電層を積層することに基づく多層音響スタックの作製段階と、その後これらの電極を櫛形電極接続が得られるような方法で接続する段階とを含む。これらの方法は、リニア音響アレイにおける素子及び２次元音響アレイ用の小型素子の双方の作製に有用である。このような２次元音響アレイは医用イメージング用途に有用である。
【００１９】
多層圧電音響変換器を形成するための本明細書で開示される方法は、セラミック素子の一部分を除去することによる圧電素子の構造の完全性の低下を伴わない。その上該方法は、複雑さを付加することなく、幾つかの層を有する多層スタックを作製することができる。該方法は、個別の層の面から構成された内部金属線を有する積層セラミックプレートを形成するような方法で金属化圧電セラミックの個別のバーを共に積層することに基づいている。
【００２０】
個別のバーを積層するのではなく、金属化圧電セラミックのプレートを積層することができる点に留意されたい。これは、内部金属電極を有するセラミックのブロックを形成する。次いでこのブロックから内部電極に垂直にプレートを切り出して、内部金属線を有する積層セラミックプレートを形成する。次に、これらのプレートは、櫛形電極構造が得られるように電気接点を交互の金属線に形成される。
【００２１】
各電極プレートは、ダイスカットしてリニア音響変換器アレイ用の多層素子が得られるように再構成することができ、或いは２次元変換器アレイ構成用に電極に垂直な方向で同様にダイスカットすることができる。
【００２２】
固体圧電セラミックと比較すると、多層圧電スタックを用いて作製された音響変換器には２つの主要な利点があり、すなわち、変換器素子の電気インピーダンスが低いこと、及び医用診断イメージングのために十分な超音波エネルギを発生させるのに必要な電圧が低減されることである。本明細書で開示される方法は、多層圧電スタックを製造するためのこれまでの試みで見出された種々の問題を克服する。
【００２３】
図１を参照すると、製造方法の第１の段階は、圧電セラミック材料２のプレート形平行６面体を形成又は切り出すことである。次いで、金属４及び６のそれぞれの層が、圧電セラミック層２の互いに平行な大きな面積の面に堆積される。金属の厚みは、一般的には５ミクロン未満であり、最も一般的には２ミクロン未満である。次いで、この金属化プレートは、セラミック層の金属化された面に垂直な、複数の互いに平行な切断面８（図１で点線によって示される）に沿ってダイスカットされる。このダイスカット作業は、両側の２つの面が金属化された実質的に同一な複数のバーを形成する。
【００２４】
製造の次のステージにおいて、バーは、９０度回転され、隣接するバーの金属層が互いに突き合わされた状態でスタックの状態に配列され（図２でスタックがその側面上にある）、次いで積層されて、図２に見られるような材料の固体プレートを形成する。元のプレート上に堆積された金属層は、図２に示される多層スタック内の内部電極１０及び１２となる。元のプレートの厚み（図１を参照）は、最終の多層スタック内の各層の厚みに等しいことになる。隣接するバーは、突き合わされる金属化表面間に配置されたエポキシの薄層によって共に結合される。エポキシ接着剤の厚みは音響的に透明であるように十分に薄くなければならず、好ましくは、連続している金属表面間の電気的接続を可能とするよう十分に薄くなければならない。便宜上、連続する金属層は、図２では他から独立した電極として表してある。電極を図２の左側から始めて右側に続けて数えた場合、電極１０は奇数番号の電極（第１、第３、第５など）を表し、電極１２は偶数番号の電極（第２、第４、第６など）を表す。形成後、結合されたスタックは両方の大きな面積の面を平坦に研磨して、内部に収容された金属電極１０、１２が研磨面に垂直となるようにする。
【００２５】
任意選択的に、奇数番号電極１０の端部は、例えば、チャネルを切り出して、エポキシなどの電気誘電材料でチャネルを充填することによって、結合されたスタックの一方の面から陥凹される。１つのこのような充填されたチャネル１４は、図３において点線で示される。このことは、各々の奇数番号電極１０についても行われることになる。（他の充填されたチャネルは、図面の混乱を避けるために区分されていない）逆に、偶数番号電極１２は結合されたスタックの他方の面から陥凹される。
【００２６】
製造プロセスの次のステージは、例えば、積層プレートの一方の側面上で第１及び第３の電極の間に第２の電極に接触せずに金属ブリッジを形成し、次いでプレートの反対の側面上で第２及び第４の電極の間に第３の電極に接触せずに金属ブリッジを形成することによって、１つおきの内部電極を接続することである。電極接続部は、印加される電界の歪み及び圧電セラミック内部の剪断波の発生を回避するために、誘電材料によって圧電セラミックから優先的に分離されなければならない。これは、研磨面の各々を誘電材料で被覆又は覆うことによって実現される。最初に、結合されたスタックの上側研磨面に誘電材料の連続層１６が付着され、底側研磨面に誘電材料の別の連続層１８が付着され、層１６及び層１８は後続の製造ステージで図３に示される。図３に見られるように、続いて不連続部が誘電材料の連続層１６及び１８内に形成され、これは以下に詳細に説明する。
【００２７】
適切な誘電材料は、限定ではないが、パリレン、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリウレタン、及びエポキシ又はシリコーンといった他の材料を含む一般的な電気絶縁体から選択することができ、且つ、被覆、浸漬、積層、或いは蒸着によって付着させることができる。（パリレンは、化学族ポリ−パラキシレンに属するポリマーの商品名である。）例示的で適切な誘電材料は、セラミックに積層された８ミクロンの厚み及び２００ボルト／ミクロンより大きな平均絶縁破壊強度を有するカプトン（商標）ＨＮフィルム、セラミック上に蒸着された３００ボルト／ミクロンより大きな平均絶縁破壊強度を有する、パリレン−Ｎの７ミクロン厚みの層、或いはセラミック上に蒸着された３００ボルト／ミクロンより大きな平均絶縁破壊強度を有する、パリレン−Ｃの７ミクロン厚みの層である。
【００２８】
この誘電材料を通る電気接続を作製するための幾つかの方法が想定される。例えば、１つの実施形態においては、ダイシングソーが誘電材料の１つの層内で平行チャネルを切り出すために使用され、該チャネルは、プレートの一方の側に交互の金属電極（例えば電極１２）を露出するために配置される。次いで、チャネルは金属で充填され、図３に見られるように電気コネクタ２０を形成する。次に、このプロセスが反対の側面上で繰り返され、第１の側では露出されていない電極（例えば電極１０）を露出させ、結果として得られたチャネルを金属で充填して電気コネクタ２２を形成し、次いで、誘電材料の層の露出表面の部分を、例えば、スパッタリング又は無電解めっきを用いて金属化して、プレートの一方の側に短い電極１０を形成し、プレートの他方の側に短い電極１２を形成する。図３に示された実施例においては、金属層２４ａはコネクタ２０を介して２つの電極１２を短絡し、一方、金属層２４ｂは追加のコネクタ２０を介して別の電極１２を短絡する。反対側では、金属層２６ａはコネクタ２２を介して２つの電極１０を短絡し、一方金属層２６ｂは追加のコネクタ２２を介して別の電極１０を短絡する。これらの段階は、結合されたスタック又はプレートの全長に沿って繰り返すことができる。
【００２９】
第２の実施形態によれば、ホール又はバイアはレーザを用いて誘電材料内に形成することができ、該バイアは、プレートの各側部上に交互に埋め込まれた金属電極上に配置される。換言すれば、第１の実施形態のチャネルが、ここではバイアと置き換えられる。次いで、金属層を付着させて、第１の実施形態において上述したように露出された電極の各々を電気的に短絡する。
【００３０】
第３の実施形態によれば、図３に見られる電気接続部２０及び２２の機能を果たす充填バイアを有するフレックス回路を積層することによって電気接続を形成することができる。各フレックス回路は、表面上にプリントされるか、或いは表面下に埋め込まれるメタライゼーション区域（図３の金属層２４ａ、２４ｂ及び２６ａ、２６ｂに対応する）を有する誘電フィルム（図３の層１６及び層１８に対応する）を備える。
【００３１】
感光性誘電層とフォト・パターニング又はレーザ・ライティング技法との使用などの、櫛形接続を形成する内部金属電極接続の他の方法が想定される。
【００３２】
製造の次のステージにおいて、電気絶縁スペーサ材料２８の層が、堆積された電気２４ａ及び２４ｂの上に積層される。スペーサ材料は、任意選択的に変換器アレイの所望のピッチをもたらす厚みまで研磨される。スペーサ材料は、最終アレイから除去されない場合、隣接する変換器素子の間で音響クロストークを引き起こさない材料でなければならない。１つのこのような材料は、ガラスビーズ充填エポキシである。しかしながら、スペーサ材料が容認できない音響クロストークを引き起こす場合には、例えば、ダイスカット又は他の手段によってスペーサ材料を除去する必要がある。或いは、スペーサ材料はウェーハ結合材料としてよく使用されるフタル酸グリコールとすることができる。フタル酸グリコールは液化点まで加熱するか、又は適切な溶媒に溶解させることができ、これによって後続のステージでのスペーサ材料の除去が容易になる。
【００３３】
任意選択的に、スペーサ材料のそれぞれの層は、図３に示される電極が付けられたプレートの両面に積層することができ、２つの層の厚みの合計は、完成した変換器アレイのピッチを決定する。
【００３４】
スペーサ材料が施された後、電極プレートは、多層スタックの最終的な層数が保たれるように、埋め込まれた金属層（すなわち電極１０及び１２）に平行なダイスカットによってバーに切断される。図４に示される実施例において、スタックは線３０に沿って切断されて２つの前駆体バーが形成される。しかしながら、スタックの長さは、２つより多い幾つかの等しい長さの前駆体バーが形成されるように、より長くすることができることは理解されるべきである。各前駆体バーは、２組の櫛形電極を有し、１つは信号電極として機能し、他は接地電極として機能するようになる。
【００３５】
次いで、前駆体バーは、完成された各バーのスペーサ材料の層２８が、隣接する完成バーの金属化誘電層（スペーサ材料がない）に突き合わせて接触した状態で且つそれぞれの電極が同一平面内にある状態で並んで配列される。配列され整列されたバーは共に積層されて、多層超音波変換器素子のプレートを形成し、図５ではこのような列の２つの素子だけが示されている。積層後、この新たに形成されたプレート（共に積層された多層スタックの列を備える）のセラミック面は、各多層スタックの第１及び第４の電極が露出されるまで研磨して削られ、研磨面は第２及び第３の（埋め込まれた）電極に平行な状態である。各電極が２つの金属層を共に結合することにより形成されたことを想起すると、この研磨作業の目的は、第１の金属層及びエポキシを除去することであり、第２の金属層は所定位置に残されたままである。その後、プレートの研磨された上面及び底面に金属を再堆積させて外側電極の厚みを埋め込まれた電極の厚みと等しくなるまで増加させることができる。
【００３６】
或いは、前駆体バーを共に積層する前に、各個々の前駆体バーに対して研磨及び再メタライゼーション作業を実施することができる。各前駆体バーのセラミック端部は、第１及び第４の電極の金属が露出されるまで研磨して削ることができ、次いでこれらの研磨面上に、第１及び第４の電極の厚みが第２及び第３の電極の厚みと等しくなるまで金属を堆積させる。次に、個別の多層変換器素子を、並べた関係で配列し（それぞれの電極が同一平面内にある状態）、且つ共に積層して上述の様式でプレートを形成する。
【００３７】
各別個の変換器素子は、互いに積重ねられた幾つかの層からなり、各々が表面上に金属層を有する。また、交互の金属層が一方の側に沿って互いに接続されて、櫛形電極構造が形成される。この多層スタックを用いて、リニア音響アレイ又は２次元音響アレイの何れかにおいて固体圧電セラミックを置き換えることができる。
【００３８】
図６には、音響変換器の概略が示され、その中で信号接続部５６（音響バッキング層５４内に埋め込まれた）が各多層スタック４０の底面電極にされ、共通接地接続部５２が各多層スタックの（導電性音響インピーダンス整合層５０を介して）上面電極にされている。更に、各多層スタックの埋め込まれた電極は、側面に沿って櫛形方式で電気的に接続されて接地電極４２及び信号電極４４が形成されている。低誘電率材料の層４６及び層４８は、高誘電率セラミック材料に電界を閉じ込め、ここでは電界は垂直に配向されて保持される。このようにして信号電極と接地電極との間に電圧が印加されると、圧電的に誘起される歪みは、信号電極及び接地電極の埋め込まれた層の端部近傍ではほとんど完全に垂直である。従って、スプリアスモードが実質的に低減される。加えて、誘電層４６は、信号電極４４（すなわちセラミック層２ａ及び２ｂ間に埋め込まれた金属層の端部）を接地電極４２から電気的に絶縁し、一方、誘電層４８は、接地電極４２（すなわちセラミック層２ｂ及び２ｃ間に埋め込まれた金属層の端部）を信号電極４４から電気的に絶縁する。
【００３９】
多層スタックの列を備えるプレート（図５に示されるものと類似の構造であるが、より多くのスタックを有する）が、以下のように処理されて、図６に示される超音波変換器に達する。最初に、プレートが電気信号コネクタのパターン形成されたアレイ上にセットされる。電気コネクタのこのようなアレイの１つの実施例は、音響減衰（すなわち散乱及び／或いは吸収）材料の本体５４内に埋め込まれ、フレックス回路の誘電基材（図６には示されていない）上に付けられたトレース５４の端部がプレートの底面と突き合う音響減衰本体（以後「音響バッキング層」）の表面に露出するようにされた、一連の間隔を空けて配置され且つ相互に平行なフレックス回路である。音響バッキング層５４は、実質的に音響的に透明でありトレース５６と対向する信号電極４４の金属層との間の電気的接触を可能とするエポキシの薄層を用いてプレートに結合することができる。
【００４０】
更に、導電性材料で作られた音響インピーダンス整合層５０（図６にダイスされて示される）は、整合層と各接地層４２とのオーミックコンタクトを可能とする薄い（音響的に透明な）エポキシ層（図示せず）によってセラミックの金属化上面に接合することができる。当初は、導電性音響インピーダンス整合層は全ての変換器素子に対して共通であり、これは該整合層がアレイ全体を覆い、（図６には５つの変換器素子のみが示されている）アレイ内の全ての変換器素子の接地電極と電気的に接触していることを意味する。
【００４１】
次に、積層構造体が、スペーサ材料の各層を通る直交方向で音響インピーダンス整合層及びセラミック層全体にわたって完全にダイスカットされ、一連の間隔を空けて位置する切り口（ｋｅｒｆ）６０が残る。図６に見られるように、切断は音響バッキング層５４にまで延びる。（例証のために、金属層の厚みが誇張されている。実際には、金属層は、表示されたようにはギャップ内に突出してはいない。）この最終のダイスカット作業は、各多層スタック４０の間にそれぞれ間隙６０を形成する。更に、整合層を切断して、各多層スタック４０に対する個別の音響インピーダンス整合層５０を形成する。
【００４２】
次いで、共通接地電極５２を音響インピーダンス整合層５０の前面にわたり配置して、切り口をブリッジする。個別スタックの各接地電極４２は、それぞれの導電性音響インピーダンス整合層５０を介して共通接地電極５２に電気的に接続される。これは、例えばフレックス回路である、誘電基板の底部にプリントされたメタライゼーションによって実現することができる。或いは、スペーサ材料が除去されていない（すなわち、切り口６０が形成されていない）場合においては、共通接地電極は積層構造体の前面に付着されたメタライゼーションの形態をとることができる。その後、付加の音響整合層（非導電性）及びレンズを変換器アレイの前面に従来方式で配置することができる。
【００４３】
図６に見られる、結果として得られた多層超音波変換器アレイにおいて、多層セラミック素子の駆動信号は、音響バッキング層５４を通りトレース５６を介して信号電極４４に達する。音響バッキング層５４に埋め込まれたフレックス回路の誘電基板は、電気接続を明確に示すために図６からは省略されている。加えて、トレース５６を変換器ケーブルに接続するフレックス回路の部分は示されていない。
【００４４】
上述の構造体は、多層セラミック構造体を作製するための以前の方法よりも作製がはるかに簡単である。結果として得られる多層セラミックは、セラミック音響素子の小さな静電容量が超音波イメージングシステムの他の部分のインピーダンスにうまく整合しない２次元アレイ変換器を含めて高周波音響変換器又は多列音響変換器に特に有用である。
【００４５】
本発明を好ましい実施形態を参照して説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変更を行うことができ且つ均等物で本発明の要素と置き換えることができる点は当業者には理解されるであろう。更に、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく本発明の教示に特定の状況を適合させるために多くの変更を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施するために企図される最良の態様として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の請求項の範囲に包含される全ての実施形態を含むことが意図される。
【００４６】
請求項において使用される単語「スタック」は、垂直に積重ねられた素子に限定されず、むしろ「スタック」は、水平又は垂直を含む任意の角度に向けることができる。請求項において使用される用語「奇数番号の電極」及び「偶数番号の電極」は、スタックの一方の端部から続けて数えたときの、第１、第３など、及び第２、第４などの電極を意味する。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の１つの実施形態による製造方法の種々のステージを表す図である。
【図２】本発明の１つの実施形態による製造方法の種々のステージを表す図である。
【図３】本発明の１つの実施形態による製造方法の種々のステージを表す図である。交互の陥凹された電極が示されているが、電極の陥凹は任意選択的である。
【図４】本発明の１つの実施形態による製造方法の種々のステージを表す図である。交互の陥凹された電極が示されているが、電極の陥凹は任意選択的である。
【図５】本発明の１つの実施形態による製造方法の種々のステージを表す図である。交互の陥凹された電極が示されているが、電極の陥凹は任意選択的である。
【図６】本発明の１つの実施形態による製造方法の種々のステージを表す図である。交互の陥凹された電極が示されているが、電極の陥凹は任意選択的である。
【符号の説明】
【００４８】
２ａ、２ｂ、２ｃ  セラミック層
４０  多層スタック
４２  接地電極
４４  信号電極
４６、４８  低誘電率材料の層
５０導電性音響インピーダンス整合層
５２  共通接地接続部
５４  音響バッキング層
５６  信号接続部
６０  切り口
【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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