(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の音響入力機器のパラメータを直感的にそうさ手段に対応づけて制御することができる電子音響システムを提供する。【解決手段】トランスデューサアレイが、導電性裏面プレート３２と、開口部を有する導電性前面プレート３３と、プレート間のアレイ内に配置される複数の圧電振動素子３１とを備える。振動素子は、各層が金属部３１１とＰＺＴ素子３１２とを備える２層の素子である。これらの素子はそれぞれのプレートに電気接触している。振動素子は、裏面プレートの一部として支持要素に直立して付されている。振動素子が一斉に形成され、次に支持要素へ一斉に付されるというバッチ処理のように、トランスデューサアレイは形成可能である。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）導電性裏面プレートと、
（ｂ）開口部を有する導電性前面プレートと、
（ｃ）前記プレート間のアレイ内に設置される複数の圧電振動素子と
を備え、
前記振動素子は各々圧電素子を備え、各前記振動素子は、それぞれの前記プレートに電気接触する２部分を有する、トランスデューサアレイ。
【請求項２】
前記振動素子の各々は、前記プレートにそれぞれ電気接触する導電性素子と圧電素子とを備える、請求項１に記載のトランスデューサアレイ。
【請求項３】
前記裏面プレートは突出支持要素を備え、前記振動素子は前記支持要素のうち対応するものに取り付けられる、請求項１または請求項２に記載のトランスデューサアレイ。
【請求項４】
前記裏面プレートは、前記振動素子上の節位置において前記振動素子に接続される、請求項１〜３のいずれかに記載のトランスデューサアレイ。
【請求項５】
前記振動素子は前記前面プレートに押し付けられる、請求項１〜４に記載のトランスデューサアレイ。
【請求項６】
トランスデューサごとに共振素子をさらに含み、前記共振素子は、前記裏面プレートから離れる方向に開口端を有する円錐または円錐台体である、請求項１〜５に記載のトランスデューサアレイ。
【請求項７】
トランスデューサアレイを製造する方法であって、
（ａ）アレイ内に設置される複数の圧電振動素子に導電性裏面プレートを結合させることと、前記振動素子は各々圧電素子を備えることと、前記圧電素子は、前記裏面プレートに電気接触する第１の部分を有することと、
（ｂ）導電性前面プレートを前記導電性裏面プレートに付することと、各前記振動素子は、前記導電性前面プレートに電気接触する第２の部分を有することと
を含む方法。
【請求項８】
ステップ（ａ）は、アレイ構成において複数の金属素子を支えることと、第２のアレイ構成において支えられる複数の圧電素子のそれぞれに前記金属素子を接触させることと、前記金属素子を前記振動素子に結合させることとにより前記振動素子を形成するステップに、先行される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
ステップ（ａ）は、アレイ内に保持され前記裏面プレートに関連する前記振動素子を移動させて、前記振動素子を前記裏面プレートに電気接触させ、前記振動素子を前記裏面プレートに結合させることにより、行われる、請求項７または請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
複数の共振素子をそれぞれの前記振動素子に関連させて設置するステップ（ｃ）をさらに含み、前記共振素子は、上記のように設置された場合に前記裏面プレートから離れる方を向いた円錐または円錐台形状を有する、請求項７〜９のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波の周波数帯域の音響を生成するのに適したトランスデューサアレイ（「超音波トランスデューサアレイ（Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ  Ａｒｒａｙ）」）と、かかる超音波トランスデューサアレイの製造方法とに関する。このトランスデューサアレイは、ＰＺＴなどの圧電材料を含むトランスデューサ素子を備える。
【背景技術】
【０００２】
圧電デバイスを超音波トランスデューサとして使用することは、当技術分野においてはよく知られている。例えばセラミック主体の圧電性チタン酸ジルコン酸鉛（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｌｅａｄ  ｚｉｒｃｏｎａｔｅ  ｔｉｔａｎａｔｅ：ＰＺＴ）が、商業的に入手可能な超音波トランスデューサに使用されている。図１は、典型的な従来技術の、２層のトランスデューサ素子１０を含むＰＺＴ超音波トランスデューサを説明しており、柱で支えられたＰＺＴシート１１が金属シート１２と結合している。
【０００３】
トランスデューサ素子１０は、容器１８内部において、シリコーン接着剤１４によりセラミック支持部１３上に固定されている。一対のピン１５が、ＰＺＴ層１１へ電気的に接続され、セラミック支持部１３を貫通し所定の位置に接着剤１６により固定されている。ピン１５を通して外部電圧が供給されると、トランスデューサ素子１０は反る。この結果、素子の中心付近において大きな変位がおこる。
【０００４】
トランスデューサ対大気のカップリング効率を増強するため、軽量コーン１７がトランスデューサ素子１０の中心に付されている。多くの音響放出孔１９が、容器１８において、コーン１７の正面に備えられている。この装置は多くの用途に適するものであるが、そのパラメトリック能力および最大音圧レベルが、装置のサイズのため制限される。
【０００５】
パラメトリックオーディオシステムに応用される場合、このような素子は、多くの素子を効果的なパラメトリック変換に使用するアレイフォームに用いられることもある。図２は、この型の商業用ＰＺＴトランスデューサ素子をパラメトリックスピーカに使用する超音波トランスデューサアレイの例である。４つの素子を図示しており、それらは全部ピン１５により１つの支持枠２１に付されている。全部のトランスデューサ１０が直列に接続されるように、電気配線が備えられており、そのため印加電圧に対しトランスデューサ１０は全部均等かつ同時に反応する。そのような方法で超音波トランスデューサアレイを組み立てることは簡単ではあるが、あいにく重要な技術的問題がいくつか存在する。
【０００６】
第１に、全部のトランスデューサ素子を一直線に並べることが困難である。理想的には、各素子における中心軸（図２では直線ｃ‐ｃ’）は支持枠２１に対し完全に垂直となるものであり、全部の素子は同じ高さとなるものである。しかしながら、トランスデューサのセラミックプレート１３と支持枠２１との間に挟まれた不均一な接着点１６があるために、かかる理想的条件を達成することは実践的には非常に困難である。結果として、各トランスデューサ素子は僅かに異なる位相を有し、このため全体の性能が制限される。
【０００７】
第２に、各トランスデューサの容器１８、またはセラミックプレート１３でさえも、実質的な空間を占め、そのため、薄くコンパクトなアレイ口径を移動体装置の用途に提供することがより困難になっている。さらに、容器１８は、隣接するトランスデューサ素子間の中心間距離を増大させる傾向があり、この傾向は伝送超音波のサイドローブを抑えることに貢献するものではない。
【０００８】
第３に、商業用トランスデューサを支持枠上にひとつひとつ配置してアレイを形成すること、および商業用トランスデューサをひとつひとつ電気的に接続することは、生産性を制限し、均一性および再現性の両方を低減させる。
【発明の開示】
【０００９】
本発明は、新規かつ有用な超音波トランスデューサアレイと、この超音波トランスデューサアレイの製造方法とを提供することを目的とする。
【００１０】
本発明の第１の顕現においては、
（ａ）導電性裏面プレートと、
（ｂ）開口部を有する導電性前面プレートと、
（ｃ）プレート間のアレイ内に設置される複数の圧電振動素子と
を備えるトランスデューサアレイが提供され、
振動素子は各々圧電素子を備え、各振動素子は、それぞれのプレートに電気接触する２部分を有する。
【００１１】
このように、各振動器は２枚のプレートへの電気接触が与えられるため、プレートはトランスデューサアレイのそれぞれの端末として機能してもよく、振動器に接触するように電極を形成する追加ステップを各トランスデューサ個々に実行することは必要とならない。
【００１２】
各振動器は、一方の層が金属膜からなり、ＰＺＴウエハのような圧電層に結合されているところの、２層の振動器として提供されてもよい。
【００１３】
各振動器は、その節線の位置において、裏面プレート上に結合されていてもよい。
【００１４】
好都合なことに、裏面プレートは一連のリング状突出支持部を有してもよい。各支持部の中心は、対応する２層の振動器の軸と同じ軸に沿って一直線に並べられる。振動器の下にあるのは裏面空洞である。
【００１５】
前面シートは、一連の放出孔および突出部を有していてもよい。前面シートは、裏面金属シートに付されてもよく、全部の振動器にそれらの節線の位置において接触していてもよい。
【００１６】
トランスデューサ対大気カップリング効率を増強するために、軽量コーンが共振器として振動器の中心に付される。このコーンは、円錐または円錐台状の形状を有していてもよい。ここでは「円錐状（ｃｏｎｉｃａｌ）」という言葉は、コーンの直径が軸方向距離とともに軸方向に沿って線形増加しないところのトランペット状の形状も含むことに留意されたい。さらに、「円錐状」という言葉は、各軸方向位置においてコーンが楕円であるところの形状など、円形軸対称性をもたない形状を含むように使用している。
【００１７】
第２の顕現においては、本発明は、トランスデューサアレイを製造する方法を提供し、上記方法は、
（ａ）アレイ内に設置される複数の圧電振動素子に導電性裏面プレートを結合させることと、振動素子は各々圧電素子を備えることと、圧電素子は、裏面プレートに電気接触する第１の部分を有することと、
（ｂ）導電性前面プレートを導電性裏面プレートに付することと、各振動素子は、導電性前面プレートに電気接触する第２の部分を有することと
を含む。
【００１８】
これらのステップの第１のステップは、振動素子が裏面プレートにほぼ一斉に付されるという単一のステップとして行われてもよいことに留意されたい。このように、組立処理はバッチ処理としてより単純に実行可能である。これは、個々のトランスデューサの生産耐性を低減するため、低生産コストおよび高性能を実現する利点を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の実施形態を、例示のみを目的として、ここで添付図面を参照しながら説明することとする。
【００２０】
図３は、本発明の一実施形態であるＰＺＴ超音波トランスデューサアレイ３を示している。図３（ａ）に平面図で、図３（ｂ）に斜視図で、かかるアレイ３を示す。図３（ｃ）は、図３（ａ）の直線Ａ‐Ａに示される平面における断面図である。アレイ３は、トランスデューサ素子４の５×５アレイを備えている（他の実施形態においては他の型のアレイも可能である）。
【００２１】
各素子４は、２層の振動器ユニット３１と、軽量コーンの形態の共振器３４とを備える。振動器ユニット３１の構造を図４に示す。振動器ユニット３１は、金属膜３１１である１層の平面円形層と、ＰＺＴウエハ３１２であるもう１層の平面円形層とを備える。２５個の共振器３４（その各々は２５個のトランスデューサそれぞれの部分である）の組は集合的に層４１として見なされ得る。同様に、２５枚の金属膜３１１の組も集合的に不連続層４２を形成し、２５枚のＰＺＴウエハ３１２も集合的に不連続層４３を形成する。
【００２２】
このアレイは、図５に示すように、一連のリング状突出支持部５１を備える裏面金属シート３２をさらに備える。図５（ａ）は、図３（ｃ）において下方向である方を向く裏面金属シート３２を示しており、一方図５（ｂ）は、図３（ｃ）において上方向である方を向く裏面金属シート３２を示している。図３（ｃ）の垂直方向において、各支持部５１のリングの中心は、対応する２層の振動器３１の中心と、対応する共振器３４の中心と一直線上に並べられる。振動器３１の下には裏面空洞がある。この空洞は高さ１ｍｍ未満であることが好ましい。
【００２３】
各支持部５１の直径は、振動器３１の円形節線の直径とおよそ同サイズである。各振動器３１は、その節線の位置における導電性エポキシ（図示せず）により裏面金属シート３２上に固定されている。これにより、支持部５１の円形上部エッジが振動器３１の下部表面に結合される。振動器における節線の位置は、数量的シミュレーションまたは実験により決定してもよい。振動器３１は概して支持部５１から外側へ放射状に広がっている。
【００２４】
このアレイは、図６に示すように、一連の放出孔６１と突出部６２とを有する前面金属シート３３をさらに備える。図６（ａ）は、図３（ｃ）において上方向である方を向く裏面金属シート３３を示しており、一方図６（ｂ）は、図３（ｃ）において下方向である方を向く裏面金属シート３２を示している。前面金属シートは、全部の振動器３１にそれらの節線で接触している。
【００２５】
ＰＺＴは２つの表面電極を有する。その１つは、全部のＰＺＴウエハ４１の１つの電極表面に結合される裏面金属シート３２であり、そのため裏面金属シートは１つの電極端末としても機能する。前面金属シート３３は、全部の振動器３１にそれらの節線で接触しており、他の電極端末として機能する。この配列は２つの利点に結びつく。すなわち、（ｉ）電極をトランスデューサに接続する作業が単純化されることを意味し、かかる作業は以下に説明するバッチ処理（ｂａｔｃｈ‐ｐｒｏｃｅｓｓ）として実行可能であることと、（ｉｉ）２枚のシート３２および３３（例えばＡｌなど、金属であってもよい）は、トランスデューサが長時間動作している場合に、放熱を行うことと、である。上述の構造においては、各トランスデューサ素子にカバー容器が与えられておらず、全部の２層の振動器３１は単一の基板３２上に設置されており、それによりコンパクトで薄いトランスデューサアレイ構造が得られる。
【００２６】
この実施形態の組立処理は、複数層結合方法（ｍｕｌｔｉ‐ｌａｙｅｒ  ｂｏｎｄｉｎｇ  ｍｅｔｈｏｄ）を使用し、トランスデューサの素子を１つ１つ組み立てるところの従来の処理に取って代わる。この組立処理は本実施形態に以下の利点を与える。すなわち、（ｉ）組立耐性を軽減し、均一な構造を達成すること、（ｉｉ）バッチ組立に適した、費用面で効果的な処理を提供すること、である。この組立処理は以下のとおりである。
１．複数の共振素子３４を形成する
２．複数の音響放出孔６１および突出部６２を備える前面金属シート３３と、複数の支持部５１を備える背面金属シート３２とを形成する
３．複数層結合によりＰＺＴ超音波トランスデューサアレイを形成する
ステップ３は、図７に示すステップ７００〜７０３から構成される。
【００２７】
ステップ７００において、図８に示す第１のマスク８における貫通孔８１にそれぞれ円形金属素子３１１を設置することで、２５個の円形金属素子３１１が整列される。図８（ａ）は第１のマスクを平面図で示しており、図８（ｂ）は、図８（ａ）にＣ‐Ｃと図示してある平面における断面図で、第１のマスクを示している。この時点では、第１のマスク８は第１の支持機構（図示せず）により支えられている。次に、２５個のＰＺＴ素子３１２が、第１のマスク８と同じ構成を有する第２のマスクの貫通孔の中へ配置され、第２の支持機構により支えられる。このように、２５個の素子３１１はともに層４２（第１のマスク８と共面）を形成し、一方２５個の素子３１２はともに層４３（第２のマスクと共面）を形成する。各膜素子３１１の中心軸が、対応するＰＺＴ素子３１２の軸上に一直線に並べられるように、２つの支持機構は設置される。その後、２つの支持機構は、しっかり接触するまで、互いに向けて動かす。膜素子３１１は次にそれぞれのＰＺＴ素子３１２に接着され、それにより複数の振動素子３１を有する振動層が形成される。
【００２８】
ステップ７０１において、振動素子３１を支持要素５１の円形表面に接触させるために、マスクは除去される。振動素子３１それぞれの支持要素５１に接着される。次にマスクが除去される。
【００２９】
ステップ７０２において、前面金属シート３３は振動層と一直線に並べられ、裏面金属シート３２にねじで固定される。ねじによる仮留めは、全部の振動器３１が前面金属シート３３に十分に電気接触することを確かなものとする。
【００３０】
ステップ７０３において、（例えば、それぞれの共振器３４を支持する孔を有するマスクを使用して）軽量共振器３４のアレイが振動トランスデューサアレイに付される。各共振器３４は、対応する振動器３１へその中心上に結合される。
【００３１】
本発明の実施形態は１つしか詳細に説明しなかったが、特許請求の範囲において定めるとおりの本発明の範疇内で、多くの変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】従来技術の商業用ＰＺＴ超音波トランスデューサ素子を示す。
【図２】図１の商業用ＰＺＴ超音波トランスデューサ素子を使用する従来技術のアレイ構造を示す。
【図３】図３（ａ）、図３（ｂ）、および図３（ｃ）から構成される。本発明の一実施形態である超音波トランスデューサアレイの説明図であり、この超音波トランスデューサアレイが平面図で（図３（ａ））、斜視図で（図３（ｂ））、断面図で（図３（ｃ））示されている。
【図４】図３の実施形態の分解図である。
【図５】図５（ａ）および５（ｂ）から構成される。図３の実施形態の裏面金属シートを示す。
【図６】図６（ａ）および６（ｂ）から構成される。図３の実施形態の前面金属シートの説明図である。
【図７】図３の実施形態を製造するバッチ処理のステップのフローチャートである。
【図８】図８（ａ）および８（ｂ）から構成される。図７の処理において使用される、整列用マスクの説明図である。
【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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【外国語明細書】
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