(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波変換器のための圧電アセンブリであって、該アセンブリが、以下：
第１の電導性被覆を有する第１の基板を備える第１のピエゾ層であって、該第１の電導性被覆が、該第１の基板の周辺部を覆い、該第１の電導性被覆が、該第１の電導性被覆における第１および第２のカットにより互いに電気的に絶縁された第１の電極および第２の電極を有する、第１のピエゾ層；ならびに
該第１のピエゾ層に隣接して配置される第２のピエゾ層であって、該第２のピエゾ層が、第２の電導性被覆を有する第２の基板を備え、該第２の電導性被覆が、該第２の基板の周辺部を覆い、該第２の電導性被覆が、該第２の電導性被覆における第３および第４のカットにより互いに電気的に絶縁された第３の電極および第４の電極を有する、第２のピエゾ層、
を備え、そして
ここで該第１および第２のピエゾ層は、該第１の電極および該第３の電極が、第１の電気ノードを形成し、かつ該第２および第４の電極が、第２の電気ノードを形成するように、接着剤で一緒に接着され、該第１および第２の電気ノードは、該圧電アセンブリの全インピーダンスが、該第１のピエゾ層のインピーダンスより小さいように、該第１および第２の基板を横切って第１および第２のコンデンサーを規定する、圧電アセンブリ。
【請求項２】
前記第１の基板および前記第２の基板が、焼成セラミックを含む、請求項１に記載の圧電アセンブリ。
【請求項３】
多層圧電変換器アセンブリであって、以下：
第１の電極、第２の電極および該第１の電極と該第２の電極との間に配置された第１の誘電材料を有する第１の圧電層であって、ここで該第１の電極および該第２の電極は、該第１の誘電材料の周辺部を実質的に覆う第１の電導性被覆における第１のカットおよび第２のカットにより互いに電気的に絶縁される、第１の圧電層；
第３の電極、第４の電極および該第３の電極と該第４の電極との間に配置された第２の誘電材料を有する第２の圧電層であって、ここで該第３の電極および該第４の電極は、該第２の誘電材料の周辺部を実質的に覆う第２の電導性被覆における第３のカットおよび第４のカットにより互いに電気的に絶縁される、第２の圧電層；ならびに
該第２のカットが該第３のカットと整列するように、該第１および第３の電極が第１の電気ノードを形成するように、かつ該第２および第４の電極が第２の電気ノードを形成するように、該第１および第２の圧電層を互いに接合する接着剤、
を備える、多層圧電変換器アセンブリ。
【請求項４】
前記第１および第２の誘電層が、焼成セラミックを含む、請求項３に記載の圧電変換器。
【請求項５】
前記変換器が、前記第１および第２の圧電層のキャパシタンスの合計と実質的に等しい全キャパシタンスを有する、請求項３に記載の圧電変換器。
【請求項６】
請求項３に記載の圧電変換器であって、以下：
第３のコンデンサーを形成する第５の電極および第６の電極を有する、第３の圧電層；ならびに
前記第１、第３、および第５の電極が電気接触するように、かつ前記第２、第４および第６の電極が互いに電気接触するように、該第３の圧電層を前記第２の圧電層に接合する第２の接着剤、
をさらに備える、圧電変換器。
【請求項７】
前記変換器が、前記第１、第２および第３の圧電層のキャパシタンスの合計と実質的に等しい全キャパシタンスを有する、請求項６に記載の圧電変換器。
【請求項８】
第３のコンデンサーを形成する第５の電極および第６の電極を有する第３の圧電層；ならびに
前記第１、第３および第５の電極が電気接触するように、かつ前記第２、第４および第６の電極が互いに電気接触するように、該第３の圧電層を、前記第２の圧電層に接合する第２の接着剤、
をさらに備える、請求項４に記載の圧電変換器。
【請求項９】
前記変換器が、前記第１、第２および第３の圧電層のキャパシタンスの合計と実質的に等しい全キャパシタンスを有する、請求項８に記載の圧電変換器。
【請求項１０】
圧電アセンブリであって、該アセンブリは、以下：
第１の被覆により実質的に取り囲まれる第１の圧電基板であって、該第１の被覆は、少なくとも第１の電極および少なくとも第２の電極を上部に形成し、該第１の電極は、該第２の電極と電気的に絶縁される、第１の圧電基板；ならびに
第２の被覆により実質的に取り囲まれる第２の圧電基板であって、該第２の被覆は、少なくとも第３の電極および少なくとも第４の電極を上部に形成し、該第３の電極は、該第４の電極と電気的に絶縁される、第２の圧電基板；
を備え、該第１の圧電基板は、該第２の圧電基板に隣接し、該第２の電極は、該第３の電極により電気的に影響を受ける、圧電アセンブリ。
【請求項１１】
前記第１の電極が、前記第４の電極と反対に面した関係にある、請求項１０に記載のアセンブリ。
【請求項１２】
前記第１の電極が、前記第１の基板の側面の周りに延びるラップアラウンド端部を備える、請求項１１に記載のアセンブリ。
【請求項１３】
前記第２の電極が、前記第２の基板の側面の周りに延びるラップアラウンド端部を備える、請求項１２に記載のアセンブリ。
【請求項１４】
前記第１の被覆および前記第２の被覆が、電導性材料をさらに備える、請求項１３に記載のアセンブリ。
【請求項１５】
前記第１の基板が、前記第２の基板に結合される、請求項１４に記載のアセンブリ。
【請求項１６】
前記第１の基板が、接着電導性接合材料によって前記第２の基板に結合される、請求項１５に記載のアセンブリ。
【請求項１７】
前記第１の基板と電気接触した、少なくとも第１のリード線、および前記第２の基板と電気接触した、少なくとも第２のリード線をさらに備える、請求項１６に記載のアセンブリ。
【請求項１８】
前記第１のリード線が、前記第２のリード線と同一平面の表面にある、請求項１７に記載のアセンブリ。
【請求項１９】
請求項１２に記載のアセンブリであって、第３の被覆により実質的に取り囲まれる少なくとも第３の圧電基板をさらに備え、該第３の被覆が少なくとも第５の電極および少なくとも第６の電極を上部に形成し、該第５の電極が該第６の電極と電気的に絶縁されており、該第３の基板が前記第２の基板に隣接し、そして前記第４の電極が該第５の電極に面した関係にある、アセンブリ。
【請求項２０】
前記少なくとも第１の電極が、前記少なくとも第６の電極と反対に面した関係にある、請求項１９に記載のアセンブリ。
【請求項２１】
前記少なくとも第５の電極が、前記基板の側面の周りに延びるラップアラウンド端部を備える、請求項２０に記載のアセンブリ。
【請求項２２】
前記少なくとも第６の電極が、前記基板の側面の周りに延びるラップアラウンド端部を備える、請求項２１に記載のアセンブリ。
【請求項２３】
前記第１のリード線が、前記第２のリード線と同一平面の表面にある、請求項２２に記載のアセンブリ。
【請求項２４】
圧電アセンブリであって、以下：
第１の被覆により実質的に取り囲まれる少なくとも第１の基板であって、該第１の被覆が、第１の前方表面電極および第１の後方表面電極を備える、第１の基板；
第２の被覆により実質的に取り囲まれる少なくとも第２の基板であって、該第２の被覆は、第２の前方表面電極および第２の後方表面電極を備え、該第１の後方表面電極は、該第２の前方表面電極と電気接触し、該第１の前方表面電極は、該第２の後方表面電極と電気接触する、第２の基板；
該第１の前方表面電極と電気接触する少なくとも第１のリード線；ならびに
該第１の後方表面電極と電気接触する少なくとも第２のリード線、
を備える、圧電アセンブリ。
【請求項２５】
前記少なくとも第１のリード線が、前記少なくとも第２のリード線と同一平面の表面にある、請求項２４に記載のアセンブリ。  
【請求項２６】
前記第１の前方表面電極と接触したバッキング材料をさらに備える、請求項２５に記載のアセンブリ。
【請求項２７】
前記第２の後方表面電極と面した関係にある少なくとも１つの音響整合層をさらに備える、請求項２６に記載のアセンブリ。
【請求項２８】
圧電アセンブリであって、以下：
第１の電導性頂部被覆および第１の電導性底部被覆を有する少なくとも第１の基板であって、該第１の頂部被覆が、第１の前方表面電極を備え、該第１の底部被覆が第１の後部表面電極を備え、該第１の前方表面電極が該第１の後部表面電極と電気的に絶縁される、少なくとも第１の基板；
該第１の頂部被覆と電気接触する第１のリード線；
第２の電導性頂部被覆および第２の電導性底部被覆を有する少なくとも第２の基板であって、該第２の頂部被覆が第２の前方表面電極および第２の底部被覆を備え、そして該第２の底部被覆が第２の後部表面電極を備え、該第２の前方表面電極が該第２の後部表面電極と電気的に絶縁され、該第２の頂部被覆が該第１の底部被覆と面した関係にある、少なくとも第２の基板；ならびに
該第２の頂部被覆および該第１の底部被覆と電気接触している少なくとも第２のリード線、
を備える、圧電アセンブリ。
【請求項２９】
請求項２８に記載のアセンブリであって、以下：
第３の電導性頂部被覆および第３の電導性底部被覆を有する少なくとも第３の基板であって、該第３の頂部被覆が第３の前方表面電極を備え、そして該第３の底部被覆が第３の後部表面電極を備え、該第３の前方表面電極が該第３の後方表面電極と電気的に絶縁され、該第３の頂部被覆が前記第２の底部被覆と面した関係にある、第３の基板；ならびに
該第３の頂部被覆と電気接触している少なくとも第３のリード線、
をさらに備える、アセンブリ。
【請求項３０】
前記第３の後方表面電極と面した関係にある少なくとも１つの音響整合層をさらに備える、請求項２９に記載のアセンブリ。
【請求項３１】
前記第３の後方表面電極と電気接触している少なくとも第３のリード線をさらに備える、請求項３０に記載のアセンブリ。
【請求項３２】
圧電アセンブリであって、該アセンブリは、以下：
第１のインピーダンスを有する第１の圧電基板であって、該第１の圧電基板が電導性の第１の被覆により実質的に取り囲まれ、該第１の被覆が第１の電極および第２の電極を上部に形成し、該第１の電極が該第２の電極と電気的に絶縁され、該第１の電極が該第１の基板の周りに伸びるラップアラウンド端部をさらに備える、第１の圧電基板；ならびに
第２のインピーダンスを有する第２の圧電基板であって、該第２の基板が第２の電導性被覆により実質的に取り囲まれ、該第２の被覆が第３の電極および第４の電極を上部に形成し、該第３の電極が該第４の電極と電気的に絶縁され、該第２の基板が該第２の基板の周りに延びるラップアラウンド端部をさらに備える、第２の圧電基板；
を備え、そして該第１の圧電基板は、該第２の圧電基板に結合され、該第２の電極は、該第３の電極により電気的に影響され、その結果該第１のインピーダンスおよび該第２のインピーダンスの合計インピーダンスが該第１のインピーダンス未満である、圧電アセンブリ。
【請求項３３】
前記第１の基板が、接着電導性接合材料により前記第２の基板に結合される、請求項３２に記載のアセンブリ。
【請求項３４】
前記第１の基板と電気接触している少なくとも第１のリード線、および前記第２の基板と電気接触している少なくとも第２のリード線をさらに備える、請求項３３のアセンブリ。
【請求項３５】
前記第１のリード線が、前記第２のリード線と同一平面の表面にある、請求項３４に記載のアセンブリ。
【請求項３６】
請求項３５に記載のアセンブリであって、第３のインピーダンスを有する第３の圧電基板をさらに備え、該第３の基板が第３の電導性被覆により実質的に取り囲まれ、該第３の被覆は第５の電極および第６の電極を上部に形成し、該第５の電極が該第６の電極と電気的に絶縁され、該第３の基板が、該第３の基板の周りに延びるラップアラウンド端部をさらに備え、前記第２の圧電基板が該第３の圧電基板に結合され、前記第４の電極が該第５の電極により電気的に影響され、前記第１のインピーダンス、第２のインピーダンスおよび第３のインピーダンスの合計のインピーダンスが、該第１のインピーダンス未満である、アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の技術分野）
本発明は、概して、医療画像において用いられる超音波変換器に関する。より詳細には、本発明は、複数の圧電基板を有する圧電アセンブリを有する変換器に関する。
【０００２】
（発明の背景）
変換器は、電気エネルギーを機械的エネルギーに（また逆も成り立つ）変換するデバイスである。例えば、オーディオ拡声器における変換器は、電気的シグナルを機械的振動に変換し、次に可聴の音波を生成する。同様に、変換器は、しばしば、種々の適用（例えば、医療画像、非破壊検査（ＮＤＥ）、非侵襲手術、歯科など）のための高周波超音波を生成するのに用いられる。
【０００３】
変換器は、一般に特定の形態の結晶（例えば、水晶）またはセラミックポリマーのような圧電性材料の使用により超音波振動を生成する。圧電性材料は、この材料を横切ってアプライされた特定の周波数の交流電圧に反応して振動する。例えば、米国特許第５，６３７，８００号（Ｆｉｎｓｔｅｒｗａｌｄらに１９９７年６月１０日に発行され、そして参考として本明細書において援用される）は、圧電素子のアレイを備える医療使用に適切な変換器を開示している。このような変換器は、代表的に、同軸ケーブルなどを介して変換器を駆動するエレクトロニクスに接続される。
【０００４】
圧電素子は、ピエゾ素子が概して、誘電体として機能する圧電性材料により分離された２つの電極を備える点において、通常のアナログコンデンサーに類似である。変換器の全キャパシタンスは、ピエゾ材料の面積および厚さに依存する。多くの型の変換器におけるピエゾ素子（例えば、整相列、高密度直線アレイおよび曲線アレイ、高周波直線アレイ、多次元アレイなど）は、一般的に非常に小さいので、このような変換器は、一般に相対的に低いキャパシタンスを示す。この低いキャパシタンスは、代表的には５０〜７５オーム程度のインピーダンスを有する駆動エレクトロニクスのインピーダンスに比較して比較的高いインピーダンスに相当する。当該分野で公知のとおり、この変換器とエレクトロニクスとの間のインピーダンスの不適合は、電気エネルギーの不十分な移行、望ましくない高いリングダウン（ｒｉｎｇｄｏｗｎ）、過剰な熱産生（変換器がヒト皮膚と接触する場合、安全性の問題を示し得る）などを生じる。従って、一般に、変換器のインピーダンスを駆動エレクトロニクスのインピーダンスに適合させることが所望される。しかしこの状況で適合するインピーダンスは、代表的に、実施することがかなり困難であり得る。
【０００５】
このエレクトロニクスのインピーダンスに対して変換器のインピーダンスを低下させる方法の１つは、外部の並列のコンデンサーまたはインダクターの追加を通じてこの変換器のキャパシタンスを増大させることである。しかし、別々の素子の追加は、代表的には、変換器のコスト、複雑さおよび可変性を増大する。用いられる基板の総量が増大するように、ピエゾ素子の間の間隔（通常、「切り口幅（ｋｅｒｆ  ｗｉｄｔｈ）」と呼ばれる）を減少することによりインピーダンスを低下するように、他の変換器は、追究されてきた。しかし、切り口幅を減少させることは、ピエゾ素子をお互いに接近させることになり、これにより、変換器のピエゾ素子の間の所望されない漏話および共振を増大する。従って、このような変換器の全体的能力は低下させられる。
【０００６】
変換器インピーダンスを減少させる別のストラテジーは、並列コンデンサーの論理的等価量を生成することを包含する。このような方法の１つはＲｉｃｈａｒｄ  Ｌ．ＧｏｌｄｂｅｒｇおよびＳｔｅｐｈｅｎ  Ｗ．Ｓｍｉｔｈ，「Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ  Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ  ｆｏｒ  Ｔｗｏ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ａｒｒａｙ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ」ＩＥＥＥ  ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ  ＯＮ  ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＳ、ＦＥＲＲＯＥＬＥＣＴＲＩＣＳ，ＡＮＤ  ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ  ＣＯＮＴＲＯＬ，第４１巻、第５号、１９９４年９月、第７６１〜７７１頁（本明細書において参考として援用される）に開示されている。この参考文献は、さらなるキャパシタンスを生成する「フィンガー」を備える２つの電極の間の未焼結（すなわち、焼かれていない）セラミックを配置することにより形成された圧電素子を開示する。しかし、このような素子は、一般に製造が困難であるという点で、および焼き入れプロセスの間の、未焼結セラミックと電極材料との間の異なる収縮（すなわち、温度収縮）が、頻繁にこのピエゾ素子に亀裂を生じるという点で、実施の際、いくつかの不利な点を有する。さらに電極中の電導性材料は、焼き入れプロセスの間、セラミック中に拡散し、従ってこの変換器の能力を低下する。従って、駆動エレクトロニクスのインピーダンスに適合し得るインピーダンスを有する十分かつ容易に製造可能な変換器を製作することが所望される。
【０００７】
（発明の要旨）
変換器は、各層が平行コンデンサ（ｐａｒａｌｌｅｌ  ｃａｐａｃｉｔｏｒ）として作用する、複数層の圧電アセンブリを構築することによって所望のインピーダンスに合わされる。圧電層は好ましくは、圧電基板の周りに電導性外辺部をプレーティングまたは他の方法で配置することによって構築される。ギャップは、別個の電気伝導性領域を各層上に形成するように、賽の目に切ることによって、または他の方法で、電導層において適切に形成される。次いで、圧電層は、各層上の正および負の電導性領域が、他の層上の正の領域および負の領域と接触するように配置され得る。層は、エポキシまたは任意の他の連結技術によって適切に連結され得る。
【０００８】
（発明の説明）
本明細書中に開示される本発明の好ましい実施形態は主に、医学的画像化変換器のための圧電アセンブリに関して考察されるが、多数の他の実施形態は、本発明の範囲内に入る。例えば、本明細書中に記載されるデバイスおよび技術は、他の型の変換器系（例えば、オーディオスピーカ）、非破壊的評価、非侵襲的手術、歯科学などと関連して用いられ得る。さらに、本明細書および図面に記載される空間的関係は、単に例示の目的のためであり、そして実際に多くの空間的配置が、本発明の範囲内で作製され得る。
【０００９】
変換器のインピーダンスは、種々の圧電アセンブリのインピーダンスに依存する。ピエゾアセンブリの全体的な容量を増加させることにより、変換器のインピーダンスは減少する。各圧電アセンブリの容量を増加させるための１つの技術は、平行コンデンサとして作用する、容量性素子「層」を作製することである。固定された面積および厚さの圧電アセンブリに対して、このアセンブリ総容量は、このアセンブリを構成するピエゾ層の数の平方に伴って増加することが容易に示され得る。例えば、３層のアセンブリは一般に、同様の大きさの単一層アセンブリの容量の９倍である容量を示す。それゆえ、圧電アセンブリにおいて用いられる層の数を調整することにより、このアセンブリの容量は調整され、そしてこの変換器の全体的なインピーダンスは、所望の値に適切に合わされ得る。
【００１０】
図１および図２を参照すると、代表的な圧電素子（圧電層とも呼ばれる）は、適切には、基板１０４および電導性被覆１０２を備える。基板１０４は、結晶質（例えば、石英）か、あるいは任意の種々の形態のセラミックまたはポリマーのような任意の適切な圧電基板材料から作製される。特に適切な圧電セラミック材料は、Ｍｏｔｏｒｏｌａ  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ  ｏｆ  Ａｌｂｕｑｕｅｒｑｕｅ，Ｎｅｗ  Ｍｅｘｉｃｏにより製造される型３２０３ＨＤであって、この材料は、切削工程（以下に述べる）が個々の素子の欠損なしに為されることを可能にする、高密度および高強度の特性を示す。基板１０４は好適には、概して矩形で形成されるが、他の幾何学的形状の基板が策定され得る。図１を参照すると、矩形基板１０４は、頂部１１０、底部１１２、左端１０６、および右端１０８を有する。例示的基板１０４は、約１３ｍｍ×３８ｍｍ×０．１７５ｍｍの寸法を有するが、もちろん、任意の大きさの基板が、代替の実施形態で使用され得る。
【００１１】
基板１０４は、電導性被覆１０２を塗布する前に、焼成され（ｆｉｒｅｄ）（すなわち、焼結されるか、または焼きしまりされ）得る。焼成されたセラミックを（いわゆる、焼成されない「未焼成」セラミックとは対照的に）使用することによって、基板への電極材料の拡散を回避させ、それにより、電気特性および音響効果を保護する。さらに、焼成の間の基板の分化縮み（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎ  ｓｈｒｉｎｋａｇｅ）、および熱収縮に起因する、「未焼成」素子上で観測されるクラッキングを回避し得る。
【００１２】
電導性被覆１０２は適切に、少なくとも基板１０４の一部を覆い、圧電材料に電気的励起を提供する。被覆１０２は金属であるか、または電気伝導体である。適切な被覆材には、クロム、金、銀、ニッケル、銅、アルミニウム、スズ、種々の形態のハンダ等が挙げられ得る。あるいは、種々の電導または非電導材料が、適切に混合され、すあわち基板１０４上で混合して形成され、電導被覆１０２を生成する。種々の実施形態において、ギャップ２０２および２０４は、被覆１０２で作られ、２つの電気的に遮断されたコンダクタ（電極とも呼ばれる）２０６および２０８を形成する。
【００１３】
図１を参照すると、個々の超音波圧電素子は、以下の方法で作られ得る。選択された基板材料は、平坦（例えば、研削により）にされ、適切に矩形形状に切られ、基板１０４を形成する。電導層１０２は、任意の方法（例えば、メッキ、スプレイコーティング、真空蒸着、または任意の他の金属被膜加工技術）により基板１０４に塗布され得る。電導性被膜１０２を塗布する例示的方法は、まず基板１０４の表面を、酸性溶液（例えば、５％のフルオロホウ酸溶液）でエッチングし、次いで、基板１０４を従来のメッキ技術を使用して、無電解のニッケルでメッキする工程を包含する。メッキ材料は、基板１０４の４つの近接表面の周りで、完全に延長するように作製され、それによって、基板の周辺は電導材料により適切に被覆され、基板１０４の２つの面（図１および図２に示される平面と平行な前面および後面に対応する）は被覆されないままである。あるいは、基板１０４は、基板領域の全てか、またはほぼ全て上で被覆される。例示的な実施形態において、約２ミクロンの厚さを有する銅の層が第１の（約１ミクロンの厚さの）ニッケル層上に適切に電気メッキされるか、または、さもなければ配置され、続いて腐食を妨げるために、電気メッキされた金の薄膜（好適には、わずか０．１ミクロン未満の厚さを有する）が配置される。他の電導性被覆１０２および電導性被覆材を塗布する方法は、本発明の範囲内で策定され得る。
【００１４】
被覆１０２中の２つのギャップ２０２および２０４は、圧電基板１０４の表面に延長し、２つの電極２０６および２０８に電導層１０２の種々の領域を電気的に遮断する。任意の型のソー（ｓａｗ）機構または他のギャップ形成機構は、ギャップ２０２および２０４を形成するために使用される。例えば、、ギャップ２０２および２０４は、ギャップ２０２および２０４が所望される位置において、基板１０４上の任意の他の材料のテープまたは層をメッキすることにより生成され得、これによって、電導性材料はメッキの後に容易に除去されるか、または電導性材料は、特定の位置において基板１０４に付着しない。しかしながら、好適な実施形態において、ウェハダイシングソーは、電導層１０２を通って基板１０４への２つのカットを作製する。
【００１５】
ギャップ２０２および２０４は、後方表面電極２０８および分割前方表面電極２０６を適切に形成する。各電極２０６および２０８は、基板１０４の側面の周りで、逆側に延長するラップアラウンド端部を備え得る。他の方法では、後方表面電極２０８は、端部１０６周りで、基板１０４の前面表面１１０の位置まで延長し得る。同様に、前方表面電極２０６は、側面１０８周りで延長し、基板１０４の後方面１１２を重ね合わせる。種々の実施形態において、ラップアラウンド端部は、各反対側の表面の各側面に沿って約１ｍｍ延長するか、または適切に延長する。
【００１６】
ピエゾ素子２００における電極２０６および２０８を、圧電基板１０４によって、電気的に分離し、この圧電基板は、好ましくは、１ｋＨｚで約４００ｐＦの電気容量を有する。特定の基板材料に対して適切な周波数特性を有する電位が、電極２０６および２０８を横切って適用される場合、ピエゾ基板材料１０４が振動し、従って、比較可能な周波数の音波を発生する。例えば、３２０３ＨＤセラミックを使用する例示的な実施形態は、３．５ＭＨＺの搬送周波数で超音波を発生する。２つの電極の面積に比例し、かつ電極間の距離に逆比例する電気容量もまた発生する。従って、ピエゾ素子２００は、論理的に、モデリング図におけるコンデンサとして表され得る。
【００１７】
図３を参照して、例示的な圧電アセンブリ３００は、適切に、２以上の圧電層２００（例えば、上記の方法に従って作製される圧電層）から形成される。図３から容易に認められ得るように、素子３０４の前面電極３０６は、適切に、素子３０２の後面電極３０８に接触し、共通の電気ノード（図３において、「−」記号で示される）を形成する。同様に、素子３０４の後面電極３１２の重複部分は、適切に、素子３０２の表面電極３１０の重複部分に接触し、従って、第二の電気ノード（図３において、「＋」記号で示される）を形成する。種々の実施形態において、第一の電極ノードを第二の電極ノードから単離するトレンチ３２４は、適切に、ギャップ３１８および３２０によって形成される。
【００１８】
ピエゾアセンブリ３００の種々のピエゾ層が、適切に、機械的手段または任意の他の結合方法によって、接着剤に結合される。例示的な実施形態において、エポキシ接着剤が層を結合する。適切なエポキシは、Ｅｐｏｔｅｋ  Ｉｎｃ．から入手可能なＥｐｏｔｅｋ  Ｍｏｄｅｌ  ３３０であり得るが、もちろん、任意の適切なエポキシ、結合材料などが、種々の実施形態において使用され得る。エポキシの被覆（例えば、約３ミクロンの比較的薄い被膜）が、適切に、ピエゾ層間に適用され得、そして定着され得、従って、層間の結合を形成する。好ましい実施形態において、トレンチ３２４はまた、エポキシで満たされる。
【００１９】
次いで、圧電アセンブリ３００が、適切に、任意の様式（例えば、米国特許第５，６３７，８００号（以前に参考として援用された）に開示される様式に従うような）で変換器素子に組み込まれる。あるいは、圧電アセンブリ３００は、適切にさいの目形に切られ、マルチフィンガーピエゾアセンブリを作成し得る。このような実施形態において、ダイシングソーまたは他の切断デバイスが使用されて、ピエゾアセンブリ３００の上面または底面から基板１０４を通る切断を作成する。例示的な実施形態において、このカットは、反対面に対して、約５０ミクロンの材料を残す。ダイスされたアセンブリは、適切に、変換器の湾曲を可能にし、従って、以下に記載のような超音波集束を容易にする。
【００２０】
ここで図４を参照して、変換器４００における使用に適切なピエゾ素子が示される。多重層圧電素子３００は、好ましくは、１以上の音響整合層４０４および４０６に接着する。音響整合層４０４および４０６は、各々適切に、ポリマーまたはポリマー複合材料、あるいは任意の他の適切なダンピング材料から形成される。例示的な実施形態において、音響整合層４０６を構成するエポキシ材料は、エポキシが、セラミック基板３００の音響インピーダンス値と第二の音響整合層４０４の音響インピーダンス値との間の中間の音響インピーダンス値を有するように選択される。材料は、適切にキャストされ得、そして選択された特定の材料における音の速度によって測定されるような、所望の作動周波数の約４分の１の波長に等しい均一な厚さにひかれ（ｇｒｏｕｎｄ）得る。ヒトの体における音の速度は、約１５００ｍ／秒であり、そして、例示的な整合層は、約０．２１０ｍｍの対応する厚さを有する。第一の整合層４０６を形成するための例示的な材料は、Ｂａｃｏｎ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓから入手可能なＣｏｍｐｏｕｎｄ１４２０であるが、他の材料が、代わりの実施形態において使用され得る。
【００２１】
第２の音響整合層４０４は、第１の音響整合層４０６の音響インピーダンス値と、変換器が接触して配置される材料（例えば、ヒト身体）の音響インピーダンス値の間の中間の音響インピーダンス値を示すために同様に選択される。特定の好ましい実施形態において、第２の音響整合層４０４は、第１の整合層４０６に使用されるエポキシと類似のエポキシである。種々の実施形態において、材料は、適切に鋳造され得、そして特定のエポキシまたは選択された他の材料において音速によって測定されるような、所望される操作周波数のおよそ４分の１の波長と等しく均一な厚さまで摩滅され得る。好ましい実施形態は、およそ０．１４１ｍｍの厚さを使用する。
【００２２】
音響整合層４０４および４０６は、エポキシ３２２の薄い層によって、または任意の他の適切な連結メカニズムによって、基板３００に固定され得る。種々の実施形態において、基板３００を整合層４０４および４０６に連結するのに使用されるエポキシは、複数の基板の層を連結するために、層３２２において使用されるエポキシと同一である。
【００２３】
バッキング材料４１１は、基板３００の音響整合層と反対の位置に配置され得る。適切なバッキング材料としては、酸化アルミニウムまたは酸化タングステンを充填されるポリウレタンのようなポリマーが挙げられる。バッキング材料４１１は、変換器要素ならびに対応するシグナルリード線およびアース線をカプセル化するために、鋳造され得、またはその他にセラミック層上に適用され得る。バッキング材料は、所望される特定の変換器のために適切な帯域幅を保存するために、セラミック層から生成される音波を吸収し、そして／または単離し得る。
【００２４】
同様に、表面材料４０２は、好ましくは、音響整合層４０４の隣に変換器の前面に配置される。シリコーンゴムまたはポリウレタンのような任意の適切な表面材料が、使用され得る。表面材料の種々の形態は、音波を特定の焦点に集中させるためのレンズとして機能し得る。表面材料は、さらにまたはあるいは、保護シールとして機能し得る。種々の代替の実施形態では、音響整合層および／またはピエゾ層は、適切に曲げられるか、角度を付けられるかまたはそれ以外に、変換器により生成される音響ビームを集中させるために形作られる。曲げられたピエゾ層を有する変換器の例は、米国特許第５，６３７，８００号において開示され（以前に、参考として援用される）、そしてこの参考文献の技術は、容易に、本明細書中で開示されるデバイスおよび方法と組み合わされ得る。
【００２５】
シグナルリード線４１０はまた、基板３００における電極３１０と接触して配置される。リード線は、電気エネルギーを電極３１０に提供するための制御機構（示されていない）に装着される。同様に、アース線４０８は、２つの電極３１０と３０８との間に電位を提供するために、電極３０８に装着され、従ってコンデンサーを形成する。２つの正のリード線４１０は、図４において示されるが、これらのリード線は、重複しており、そして１つのリード線は、本発明の代替の実施形態において省略され得る。「正」、「負」および「アース」のような用語は、説明を容易にするために本明細書中で使用されるが、代替の実施形態は、上記の極性を逆にする。特定の好ましい実施形態において、ＡＣポテンシャルが、線４０８および４１０を横切って適用される。このリード線は、ピエゾ層の種々の電極を作製する２つの電気ノードに適切に接続され、その結果、電気エネルギーは、圧電アセンブリの各層に好ましく提供される。
【００２６】
ここで、図５に関して、変換器５００の代替の実施形態は、適切には、複数の圧電層を備え、これらの圧電層は、上記のような２つの電気ノード５２０および５２２を有する圧電アセンブリを創造するように、組み立てられている。ピエゾ素子の３つの「レベル」を図５に示すが、任意の数のレベルが、所望の任意のレベルに変換器５００のキャパシタンスを「調整」するために、代替の実施形態において使用され得る。リード線４０８および４１０が、適切であるように、電気ノード５２０および５２２に取り付けられる得る。任意の数のピエゾ層またはピエゾアセンブリが、以下により完全に記載されるように、変換器５００を形成するように組み合わせられ得る。
【００２７】
図６は、変換器６００の代替の実施形態の断面図である。図６に関して、変換器６００は、適切なように、２つ以上の圧電層６０４、６０６および６０８を備える、圧電アセンブリ６０２を用いて調製され得る。圧電層６０４、６０６および６０８は、例えば、図１〜３と関連して上記のように作られてもよいし、または他の適切な任意の技術を介して作られてもよい。しかし、図６に示されるように、各層６０４、６０６および６０８は、その基板の上面および下面のみを、電導性材料で被覆される。この２つの面は、その基板材料自体によって互いに電気的に絶縁されるので、この実施形態には、電気的絶縁のために上記のノッチは必要でないかもしれない。これらの種々の層は、１つの層（例えば、層６０４）の上面が別の層（例えば、層６０６）の底に接触して配置されて、この２つの層間に共通の電気ノードが作製されるように、配置され得る。リード線４０８および４１０が、各電気ノードに適切なように取り付けられ得る。
【００２８】
上記のような（例えば、図４〜６と関連する）変換器は、先行技術の変換器に対して多数の顕著な利点を示す。最も顕著なことには、多層基板３００によって、その変換器の電気的インピーダンスが、置かれた層の数に従って減少させられる。この変換器のインピーダンスは、層の数の２乗と逆比例して減少することが、実際には観察されている。このように、電子系の伝達特徴および授受特徴による整合の改良は、そのピエゾアセンブリを所望の数の結合したピエゾ層で「調整」することによって容易になる。この整合インピーダンスによって、この変換器のより効率のよい操作が可能になる。なぜなら、変換器の利得は、インピーダンスが適切に整合されている場合に、その変換器／エレクトロニクスインターフェース間で最大であるからである。従って、多層変換器は、所定の送達電圧について、匹敵する単層変換器よりも高い感度を示す。同様に、多層変換器は、単層変換器よりも高いＳＮ比、および音響エネルギーへのより高い電気エネルギー変換効率を有し、それにより、より小さい電気エネルギーがその変換器に入力されて等価な音響エネルギー出力が生じるのを可能にする。必要な電気エネルギーの量を減少させることによって、この変換器においてより少ない熱しか発生せず、それによりこの変換器面の温度の減少が引き起こされる。この変換器面は、代表的には、例えば、患者と接触して配置されるので、そのより少ない熱量によって、この変換器の設計が温度に関連する厳格なＦＤＡ規格と一致するのが可能になる。従って、改良された変換器が、作製される。
【００２９】
上記の特許請求の範囲におけるすべての要素の対応する構造、材料、動作および等価物は、特に特許請求されるように、他の特許請求された要素と組み合わせてその機能を実施するための任意の構造、材料または動作を含むように意図される。本発明の範囲は、上記に与えられた実施例によってではなく、添付の特許請求の範囲およびその法律的等価物によって、決定され得る。さらに、どの方法の請求項に含まれる種々の工程も、なお本発明の範囲下にありつつ、任意の順序で行われ得るし、または任意の様式で組み合わせられ得る。
【００３０】
本発明の好ましい例示的な実施形態は、本明細書中以後、添付の図面に関連して記載され、ここで、同様の数字は、同様の素子を示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、その上に電気伝導層が配置されている、例示的な基板の断面図である。
【図２】図２は、例示的な圧電素子の断面図である。
【図３】図３は、例示的な圧電アセンブリの断面図である。
【図４】図４は、例示的な変換器の断面図である。
【図５】図５は、変換器の第２の例示的な実施形態の断面図である。
【図６】図６は、変換器の第３の例示的な実施形態の断面図である。
【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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