(57)【要約】【課題】超音波センサの構造と関係なしに、個別的に超音波センサ用音響整合層を簡便かつ低コストで製造し得る方法を提供する。【解決手段】超音波センサ用音響整合層の製造方法は、樹脂層（１１）の表面に複数の凹部（１１ａ）を形成し、それらの凹部（１１ａ）を埋めるようにセラミックまたは金属からなる硬質層（１２）をエアロゾルデポジション法で形成する工程を含むことを特徴としている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂層の表面に複数の凹部を形成し、
前記複数の凹部を埋めるようにセラミックまたは金属からなる硬質層をエアロゾルデポジション法で形成する工程を含むことを特徴とする超音波センサ用音響整合層の製造方法。
【請求項２】
前記凹部の横断面積は前記樹脂層の厚さ方向において連続的に変化していることを特徴とする請求項１に記載の超音波センサ用音響整合層の製造方法。
【請求項３】
前記凹部は、円錐、三角錐、多角錐、またはＶ字溝の形状を有することを特徴とする請求項２に記載の超音波センサ用音響整合層の製造方法。
【請求項４】
前記樹脂層の前記凹部は、ホットエンボス、紫外線硬化モールド、熱硬化モールド、マイクロドリル、レーザアブレーション、またはシンクロトロン放射アブレーションのいずれかによって形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の超音波センサ用音響整合層の製造方法。
【請求項５】
前記硬質層をエアロゾルデポジション法で形成する際に用いられる微粉末原料として、１００ｎｍ以下の粒径を有するナノ粒子が用いられることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の超音波センサ用音響整合層の製造方法。
【請求項６】
前記硬質層の材料として、アルミナ、ジルコニア、タングステン、またはモリブデンが選択されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の超音波センサ用音響整合層の製造方法。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかの方法によって製造されていることを特徴とする超音波センサ用音響整合層。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波センサに用いられる音響整合層の製造方法の改善に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波センサには、圧電素子を含む送受信兼用のものがある。ここでいう「圧電素子」とは、厚み方向に分極された圧電体の両面に薄膜状の電極を形成したものである。送信を行なう場合には、両電極間に信号電圧を印加することによって、圧電体を振動させる。その結果、圧電体の表面から超音波が放射される。逆に受信の際には、圧電体の表面に超音波が当たることによって圧電体が振動し、その結果として両電極間から電気信号が出力される。そのような圧電体の典型例として、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）がしばしば利用されている。
【０００３】
一般に、物質はその固有の音響インピーダンスを有し、したがって圧電体もその固有の音響インピーダンスを有し、超音波が伝播する媒体である気体や液体もそれらに固有の音響インピーダンスを有している。ここで、音響インピーダンスの大きさが顕著に異なる物質同士の間では、効率良く超音波（または、音響エネルギ）を伝えることが困難である。そこで、圧電体と超音波伝播媒体との両者の中間の大きさの音響インピーダンスを有する音響整合層をそれら両者の間に設けることによって、圧電体と媒体との間での超音波の伝達が効率よく行なえるようになる。
【０００４】
図４から図６において、非特許文献１のＩＥＥＥ  ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＳ  ＳＹＭＰＯＳＩＵＭ，２００１，ｐｐ．１０３１−１０３４に開示された音響整合層を含む超音波センサの製造方法が模式的な斜視図で図解されている。
【０００５】
図４において、たとえば直径３０ｍｍで厚さ１ｍｍの圧電セラミック基板１がダイシングされて、マトリックス状に配置された複数の圧電材料四角柱１ａが形成される。これらの圧電材料四角柱１ａのピッチ、間隔、および高さは、たとえば、それぞれ２１０μｍ、６０μｍ、および５００μｍである。
【０００６】
図４に比べて拡大された部分斜視図である図５において、たとえば３０度のテーパ角を有するブレードを用いて、互いに直交する複数のＶ字状溝を形成する第２のダイシングを行うことによって、圧電材料四角柱１ａの上部に圧電材料四角錐部１ｂが形成される。その後、互いに隣り合う圧電材料四角柱１ａ間に存在する幅６０μｍの溝が、絶縁性ポリマ材料２によって充填される。
【０００７】
図６では、圧電材料四角錐部１ｂの表面に、たとえばＣｒ−Ａｕの電極膜３が蒸着によって形成される。その後、電極膜３は、導電性エポキシ樹脂とタングステン粉末とを含む導電性複合樹脂４によって埋め込まれる。すなわち、Ｃｒ−Ａｕ電極膜３と導電性複合樹脂４とは複数の圧電材料四角柱１ａに対する共通電極として作用する。その後、圧電材料四角柱１ａの底部に残存する基板部１が除去され、各圧電材料四角柱１ａが分離される。そして、各圧電材料四角柱１ａの底面に個別の電極膜を形成すれば、超音波センサが得られる。
【０００８】
こうして得られた図６の超音波センサにおいて、圧電体の四角錐部１ｂと複合樹脂４とは、音響整合層として作用する。この音響整合層１ｂ、４において、導電性複合樹脂４は超音波伝播媒体（気体または液体）に近い音響インピーダンスを有している。他方、圧電体の四角錐部１ｂは、圧電体の四角柱１ａに近づくにしたがって水平断面積が増大している。したがって、この音響整合層１ｂ、４においては、その上面から下面に向かって総合的音響インピーダンスが連続的に変化しており、超音波伝播媒体から圧電体の四角柱１ａヘ音響エネルギを効率よく伝えることができる。
【非特許文献１】２００１，ＩＥＥＥ  ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＳ  ＳＹＭＰＯＳＩＵＭ，ｐｐ．１０３１−１０３４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のように、非特許文献１における音響整合層１ｂ、４は、圧電体柱１ａと一体的に形成される。したがって、音響整合層１ｂ、４は超音波センサと個別的に製造することができず、その音響整合層の製造における融通性に欠ける。
【００１０】
また、圧電体柱１ａはダイシングによって形成されるので四角柱に限られ、したがって、その上にさらにダイシングで形成される圧電体の錐体部１ｂも四角錐の形状に限られる。そして、それら圧電体の四角錐部１ｂの間隔も、圧電体柱１ａの間隔と同じ間隔に限定される。
【００１１】
他方、音響整合層は、超音波センサの構造と関係なしに、個別的に設計および作製可能であることが望まれる。そうすれば、音響整合層の設計の自由度が拡大するとともに、作製のプロセスの簡便化やコストの低減を図ることができる。
【００１２】
そこで、本発明は、超音波センサの構造と関係なしに、個別的に音響整合層を簡便かつ低コストで製造し得る方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明による超音波センサ用音響整合層の製造方法は、樹脂層の表面に複数の凹部を形成し、それらの凹部を埋めるようにセラミックまたは金属からなる硬質層をエアロゾルデポジション法で形成する工程を含むことを特徴としている。
【００１４】
なお、樹脂層の凹部の横断面積は、その樹脂層の厚さ方向において連続的に変化していることが好ましい。また、樹脂層の凹部は、好ましくは円錐、三角錐、多角錐、またはＶ字溝の形状で形成され得る。さらに、樹脂層の凹部は、好ましくはホットエンボス、紫外線硬化モールド、熱硬化モールド、マイクロドリル、レーザアブレーション、またはシンクロトロン放射アブレーションのいずれかを利用して形成され得る。
【００１５】
また、硬質層をエアロゾルデポジション法で形成する際に用いられる微粉末原料として、１００ｎｍ以下の粒径を有するナノ粒子が用いられることが好ましい。そして、硬質層の材料としては、アルミナ、ジルコニア、タングステン、またはモリブデンが好ましく選択され得る。
【発明の効果】
【００１６】
このような本発明によれば、超音波センサの構造と関係なしに、個別的に音響整合層を簡便かつ低コストで製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１と図２において、本発明の一実施形態による超音波センサ用音響整合層の製造過程が模式的断面図で図解されている。
【００１８】
図１において、まず、複数の凹部１１ａを有する樹脂層１１が形成される。樹脂層１１におけるそれらの凹部１１ａは、その樹脂層の深さ方向において連続的に変化する横断面積を有している。そのような樹脂層の深さ方向において連続的に変化する横断面積を有する凹部１１ａの形状として、たとえば円錐、三角錐、多角錐、またはＶ字溝などの形状を好ましく採用することができる。
【００１９】
それらの凹部１１ａを有する樹脂層１１は、たとえば機械加工などによって形成された複数の錐体状の凸部を有する金型を用いて、樹脂層に対するホットエンボス加工、またはＵＶ（紫外線）硬化樹脂モールドもしくは熱硬化樹脂モールドを行うことによって、簡便かつ低コストで作製することができる。
【００２０】
また、凹部１１ａを有する樹脂層１１は、平板状樹脂層に対してマイクロドリルによる機械的加工、または所定パターンのマスクとともにレーザアブレーションもしくはシンクロトロン放射アブレーションを施すことによっても、簡便かつ低コストで作製することができる。
【００２１】
次に、図２に示されているように、樹脂層１１における複数の凹部１１ａを埋め込むように、セラミックまたは金属からなる硬質層１２が形成される。このような硬質層１２の材料としては、たとえばアルミナやジルコニアなどのセラミックス、またはタングステンやモリブデンなどの金属が好ましく採用され得る。
【００２２】
ここで、硬質層１２用のこれらの材料は非常に高い融点を有し、焼結して硬質層１２を形成するとしても非常に高い焼結温度を要するので、樹脂層１１はそのような高温に耐えることができない。
【００２３】
図３は、そのような高融点材料からなる硬質層１２を形成するために好ましく利用され得る高速噴射成形（エアロデポジション）装置を模式的ブロック図で図解している。このエアロデポジション装置は減圧室２１を備え、この減圧室２１内は排気口２１ａに接続された真空ポンプ（図示せず）によって排気され得る。  減圧室２１の内部には、可動ステージ２２が設けられている。可動ステージ２２は、水平面内において縦横方向（ＸＹ方向）の移動と回転運動（θ運動）が可能である。この可動ステージ２２上に、複数の凹部１１ａを下に向けて樹脂層１１が装着される。
【００２４】
減圧室２１の外部には、エアロゾル化室２３とそれに接続された高圧ガスボンベ２４が設けられている。エアロゾル化室２３は攪拌用振動台２５上に載置され、エアロゾル化室２３の底部にはセラミックまたは金属の微粉末原料２３ａが装填される。そして、エアロゾル化室２３は、減圧室２１内に設けられらノズル２６に接続されている。
【００２５】
エアロゾル化室２３内の微粉末原料２３ａには、高圧ボンベ２４からバルブ２７およびガス配管２８を介して、高圧ガスが噴射される。そのような高圧ガスとして、たとえば空気、窒素ガス、アルゴンガスなどが好ましく用いられ得る。
【００２６】
微粉末原料２３ａに高圧ガスが噴射されるとき、エアロゾル化室２３は攪拌用振動台２５によって振動させられ、その振動と噴射高圧ガスの作用によって、微粉末原料２３ａがエアロゾル化される。そのエアロゾル化された微粉末原料は、バルブ２９およびエアロゾル輸送管３０を介して、ノズル２６へ送られる。
【００２７】
ノズル２６と可動ステージ２２との間には可動のシャッタまたはマスク３１が設けられ、樹脂層１１に対するエアロゾルの噴射の開始および停止はこのシャッタ３１によって確実に制御され得る。
【００２８】
このような図３のエアロゾルデポジション装置において、エアロゾル化された微粉末原料を高圧のキャリアガスでノズル２６から高速で樹脂層１１に噴射衝突させることによって、硬質層１２を形成することができる。すなわち、高速で樹脂層１１に衝突した微粉末原料は、それらの微粉末同士が衝突破砕し合って緻密な膜に成形され得る。このとき、ポア（気孔）が少なくて緻密な硬質層１２を形成するためには、微粉末原料の粒子径が小さいほど好ましく、粒径が約１００ｎｍ以下のナノ粒子を用いることが好ましい。
【００２９】
また、ナノ粒子を微粉末原料２３ａとして用いれば、エアロゾル化室２３内におけるエアロゾル化も容易かつ完全に行うことができ、バルブ２９およびエアロゾル輸送管３０を通るエアロゾルの輸送、さらにはノズル２６からの噴射がスムーズに行われ得る。
【００３０】
上述のように、図３に示されているようなエアロゾルデポジション装置を用いることによって、樹脂層１１における複数の凹部１１ａを埋め込む硬質層１２を簡易かつ低コストで形成することができ、すなわち超音波センサ用音響整合層を簡易かつ低コストで製造して提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
以上のような本発明によれば、超音波センサの構造と関係なしに、個別的に音響整合層を簡便かつ低コストで製造して提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態による超音波センサ用音響整合層の製造方法を図解する模式的断面図である。
【図２】図１の工程を経て得られる超音波センサ用音響整合層を示す模式的断面図である。
【図３】図２の超音波センサ用音響整合層を製造するために好ましく用いられ得るエアロゾルデポジション装置を図解する模式的ブロック図である。
【図４】先行技術による超音波センサの製造方法を図解する模式的斜視図である。
【図５】図４に続く工程を図解する模式的斜視図である。
【図６】図５に続く工程を図解する模式的斜視図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  圧電体基板、１ａ  圧電体の四角柱、１ｂ  圧電体の四角錐部、２  絶縁性ポリマ、３  Ｃｒ−Ａｕ電極膜、４  導電性複合樹脂、１１  樹脂層、１１ａ  凹部、１２  セラミックまたは金属からなる硬質層、２１  減圧室、２１ａ  排気口、２２  可動ステージ、２３  エアロゾル化室、２３ａ  微粉末原料、２４  高圧ガスボンベ、２５  攪拌用振動台、２６  ノズル、２７  バルブ、２８  高圧ガス輸送管、２９  バルブ、３０  エアロゾル輸送管、３１  シャッタ。
【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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