(57)【要約】  超音波トランスデューサおよびそれを設計および製造するための方法が提供される。超音波トランスデューサは、サンプルと音響的に通信するように構成され、少なくとも部分的に分離された音響インピーダンスおよび電気インピーダンス特性を有する圧電複合層を含む。圧電複合層は、おのおのが圧電材料から作られた、離間された圧電領域のアレイと、隣接する離間された圧電領域間に配置され、ポリママトリクスを備えるフィラ材料と、ポリママトリクスと接触する非圧電材料とを含む。いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは、圧電複合層をサンプルから電気的に絶縁するために圧電複合層の上方に延在する電気絶縁非圧電複合層を含み、電気絶縁非圧電複合層は、圧電複合層およびサンプルに音響的に整合される。
2021533707.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプルと音響的に通信するように構成され、少なくとも部分的に分離された音響インピーダンスおよび電気インピーダンス特性を有する圧電複合層であって、前記圧電複合層は、
離間された圧電領域のアレイであって、各離間された圧電領域が第１の音響インピーダンスおよび第１の比誘電率を有する圧電材料から作られる、離間された圧電領域のアレイと、
隣接する離間された圧電領域間に配置されたフィラ材料であって、前記フィラ材料は、第２の音響インピーダンスおよび第２の誘電率を有するポリママトリクスを備え、前記第２の音響インピーダンスは、前記第１の音響インピーダンスよりも小さく、前記第２の比誘電率は、前記第１の比誘電率よりも小さい、フィラ材料と、
前記ポリママトリクスと接触する非圧電材料であって、前記非圧電材料は、第３の音響インピーダンスおよび第３の比誘電率を有し、前記第３の音響インピーダンスは、前記第２の音響インピーダンスよりも大きく、前記第３の比誘電率は、前記第１の比誘電率よりも小さい、非圧電材料と
を備える、圧電複合層と、
前記圧電複合層と電気的に通信する１つまたは複数の電極と
を備える、超音波トランスデューサ。
【請求項２】
前記圧電複合層は、前記サンプルに向かうプロービング音響信号を生成するように構成され、
前記１つまたは複数の電極は、プロービング電気信号を前記圧電複合層に送信し、それによって、前記プロービング音響信号を生成するように動作可能である、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項３】
前記圧電複合層は、前記サンプルから発するサンプル音響信号を受信し、それによって、前記１つまたは複数の電極に向かうサンプル電気信号を生成するように構成され、前記サンプル電気信号は、前記サンプル音響信号を表す、請求項１または２に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項４】
前記ポリママトリクスは、エポキシから作られる、請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項５】
前記非圧電材料は、酸化ハフニウム粉末である、請求項１から４のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項６】
隣接する離間された圧電領域間に配置された１つまたは複数の電気絶縁領域をさらに備え、前記１つまたは複数の電気絶縁領域は、前記フィラ材料と接触する、請求項１から５のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項７】
前記１つまたは複数の電気絶縁領域は、第４の音響インピーダンスおよび第４の比誘電率を有し、前記第４の音響インピーダンスは、前記第１の音響インピーダンスに近く、前記第４の比誘電率は、前記第１の比誘電率よりも小さい、請求項６に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項８】
前記１つまたは複数の電気絶縁領域は、セラミックから作られる、請求項６または７に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項９】
前記１つまたは複数の電気絶縁領域は、ガラスから作られる、請求項６または７に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１０】
前記１つまたは複数の電気絶縁領域は、細長形状を有する、請求項６から９のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１１】
前記１つまたは複数の電気絶縁領域は、バー形状の電気絶縁領域を画定する、請求項６から９のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１２】
前記１つまたは複数の電気絶縁領域は、ピラー形状の電気絶縁領域を画定する、請求項６から９のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１３】
前記１つまたは複数の電気絶縁領域は、球形状である、請求項６から９のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１４】
前記非圧電材料は、前記ポリママトリクス内に埋め込まれる、請求項１から１３のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１５】
前記圧電材料は、１つの方向に沿って連続し、
前記フィラ材料は、３つの方向に沿って連続している、請求項１から１４のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１６】
前記圧電材料は、２つの方向に沿って連続し、
前記フィラ材料は、２つの方向に沿って連続している、請求項１から１４のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１７】
前記圧電材料は、強誘電体材料、単結晶強誘電体材料、鉛フリー強誘電体材料、および圧電高分子材料からなる群から選択される、請求項１から１６のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１８】
前記圧電材料は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）である、請求項１７に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１９】
前記音響インピーダンス特性は、約１５ＭＲから約３０ＭＲの範囲である、請求項１から１８のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項２０】
前記第１の音響インピーダンスは、約３０ＭＲから約４０ＭＲの範囲である、請求項１から１９のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項２１】
前記第３の音響インピーダンスは、約７ＭＲから約８ＭＲの範囲である、請求項１から２０のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項２２】
前記圧電複合層は、前記サンプルと音響的に整合され、前記サンプルから電気的に絶縁される、請求項１から２１のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項２３】
前記１つまたは複数の電極と電気的に通信するバッキング層をさらに備える、請求項１から２２のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項２４】
前記バッキング層は、不整合層である、請求項２３に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項２５】
接地電極をさらに備える、請求項１から２４のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項２６】
前記接地電極は、ヒートスプレッダとして構成される、請求項２５に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項２７】
前記圧電複合層および前記サンプルは、音響経路を間に画定し、前記超音波トランスデューサは、前記圧電複合層と前記サンプルとの間に、前記音響経路に沿って配置されたほぼ無損失の音響整合層をさらに備える、請求項１から２６のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項２８】
摩耗層をさらに備え、前記摩耗層は、前記圧電複合層と音響的に整合される、請求項１から２７のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項２９】
前記圧電複合層は、ほぼ２４００ミクロンの厚さを有する、請求項１から２８のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項３０】
離間された各圧電領域は、互いに２００ミクロン間隔で配置され、正方形の断面を有し、前記正方形の断面は、１０００ミクロン×１０００ミクロンである、請求項１から２９のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項３１】
前記圧電複合層は、約７０％から約８０％の範囲の圧電体積分率を有する、請求項１から３０のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項３２】
前記圧電複合層を中に含めるための電気絶縁ハウジングをさらに備える、請求項１から３１のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項３３】
ターゲットに向けて音響信号を放射するための超音波トランスデューサであって、
少なくとも部分的に分離された音響インピーダンスおよび電気インピーダンス特性を有する圧電複合層であって、前記圧電複合層は、
各離間された圧電領域が、第１の音響インピーダンスおよび第１の比誘電率を有する圧電材料から作られる、離間された圧電領域のアレイと、
隣接する離間された圧電領域間に配置されたフィラ材料であって、前記フィラ材料は、第２の音響インピーダンスおよび第２の誘電率を有するポリママトリクスを備え、前記第２の音響インピーダンスは、前記第１の音響インピーダンスよりも小さく、前記第２の比誘電率は、前記第１の比誘電率よりも小さい、フィラ材料と、
前記ポリママトリクスと接触する非圧電材料であって、前記非圧電材料は、第３の音響インピーダンスおよび第３の比誘電率を有し、前記第３の音響インピーダンスは、前記第２の音響インピーダンスよりも大きく、前記第３の比誘電率は、前記第１の比誘電率よりも小さい、非圧電材料と
を備える、圧電複合層と、
前記圧電複合層と電気的に通信する１つまたは複数の電極であって、電気信号を前記圧電複合層に送信し、それによって、前記ターゲットに向かう前記音響信号を生成するように動作可能な１つまたは複数の電極と
を備える、超音波トランスデューサ。
【請求項３４】
前記ポリママトリクスは、エポキシから作られる、請求項３３に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項３５】
前記非圧電材料は、酸化ハフニウム粉末である、請求項３３または３４に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項３６】
隣接する離間された圧電領域間に配置された１つまたは複数の電気絶縁領域をさらに備え、前記１つまたは複数の電気絶縁領域は、前記フィラ材料と接触する、請求項３３から３５のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項３７】
前記１つまたは複数の電気絶縁領域は、第４の音響インピーダンスおよび第４の比誘電率を有し、前記第４の音響インピーダンスは、前記第１の音響インピーダンスに近く、前記第４の比誘電率は、前記第１の比誘電率よりも小さい、請求項３６に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項３８】
前記１つまたは複数の電気絶縁領域は、セラミックから作られる、請求項３６または３７に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項３９】
前記１つまたは複数の電気絶縁領域は、ガラスから作られる、請求項３６または３７に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項４０】
前記１つまたは複数の電気絶縁領域は、細長形状を有する、請求項３６から３９のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項４１】
前記１つまたは複数の電気絶縁領域は、バー形状の電気絶縁領域を画定する、請求項３６から３９のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項４２】
前記１つまたは複数の電気絶縁領域は、ピラー形状の電気絶縁領域を画定する、請求項３６から３９のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項４３】
前記１つまたは複数の電気絶縁領域は、球形状である、請求項３６から３９のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項４４】
前記非圧電材料は、前記ポリママトリクス内に埋め込まれる、請求項３３から４３のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項４５】
前記圧電材料は、１つの方向に沿って連続し、
前記フィラ材料は、３つの方向に沿って連続している、請求項３３から４４のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項４６】
前記圧電材料は、２つの方向に沿って連続し、
前記フィラ材料は、２つの方向に沿って連続している、請求項３３から４４のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項４７】
前記圧電材料は、強誘電体材料、単結晶強誘電体材料、鉛フリー強誘電体材料、および圧電高分子材料からなる群から選択される、請求項３３から４６のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項４８】
前記圧電材料は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）である、請求項４７に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項４９】
前記音響インピーダンス特性は、約１５ＭＲから約３０ＭＲの範囲である、請求項３３から４８のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項５０】
前記第１の音響インピーダンスは、約３０ＭＲから約４０ＭＲの範囲である、請求項３３から４９のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項５１】
前記第３の音響インピーダンスは、約７ＭＲから約８ＭＲの範囲である、請求項３３から５０のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項５２】
前記圧電複合層は、前記サンプルと音響的に整合され、前記サンプルから電気的に絶縁される、請求項３３から５１のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項５３】
前記１つまたは複数の電極と電気的に通信するバッキング層をさらに備える、請求項３３から５２のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項５４】
前記バッキング層は、不整合層である、請求項５３に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項５５】
接地電極をさらに備える、請求項３３から５４のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項５６】
前記接地電極は、ヒートスプレッダとして構成される、請求項５５に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項５７】
前記圧電複合層および前記サンプルは、音響経路を間に画定し、前記超音波トランスデューサは、前記圧電複合層と前記サンプルとの間に、前記音響経路に沿って配置されたほぼ無損失の音響整合層をさらに備える、請求項３３から５６のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項５８】
摩耗層をさらに備え、前記摩耗層は、前記圧電複合層と音響的に整合される、請求項３３から５７のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項５９】
前記圧電複合層は、ほぼ２４００ミクロンの厚さを有する、請求項３３から５８のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項６０】
離間された各圧電領域は、互いに２００ミクロン間隔で配置され、正方形の断面を有し、前記正方形の断面は、１０００ミクロン×１０００ミクロンである、請求項３３から５９のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項６１】
前記圧電複合層は、約７０％から約８０％の範囲の圧電体積分率を有する、請求項３３から６０のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項６２】
前記圧電複合層を中に含めるための電気絶縁ハウジングをさらに備える、請求項３３から６１のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項６３】
サンプルと音響的に通信するように構成され、少なくとも部分的に分離された音響インピーダンスおよび電気インピーダンス特性を有する圧電複合層であって、前記圧電複合層は、
各離間された圧電領域が圧電材料から作られる、離間された圧電領域のアレイと、
隣接する離間された圧電領域間に配置され、ポリママトリクスを備えるフィラ材料と、
前記ポリママトリクスと接触する非圧電材料と
備える、圧電複合層と、
前記圧電複合層を前記サンプルから電気的に絶縁するために前記圧電複合層の上方に延在する電気絶縁非圧電複合層であって、前記圧電複合層および前記サンプルに音響的に整合された、電気絶縁非圧電複合層と、
前記圧電複合層と電気的に通信する１つまたは複数の電極と
を備える、超音波トランスデューサ。
【請求項６４】
前記電気絶縁非圧電複合層は、第２のポリママトリクスと接触する高音響インピーダンス電気絶縁材料領域を備え、前記第２のポリママトリクスは、高密度電気絶縁粉末で充填される、請求項６３に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項６５】
前記電気絶縁非圧電複合層は、第２のポリママトリクスと接触する電気絶縁セラミック領域を備え、前記第２のポリママトリクスは、高密度電気絶縁セラミック粉末で充填される、請求項６３に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項６６】
前記電気絶縁非圧電複合層は、第２のポリママトリクスと接触する電気絶縁ガラス領域を備え、前記第２のポリママトリクスは、高密度電気絶縁セラミック粉末で充填される、請求項６３に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項６７】
前記電気絶縁非圧電複合層は、１  ３構成である、請求項６３から６６のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項６８】
前記電気絶縁非圧電複合層は、２  ２構成である、請求項６３から６６のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項６９】
前記圧電複合層は、前記サンプルに向かうプロービング音響信号を生成するように構成され、
前記１つまたは複数の電極は、プロービング電気信号を前記圧電複合層に送信し、それによって、前記プロービング音響信号を生成するように動作可能である、請求項６３から６８のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項７０】
前記圧電複合層は、前記サンプルから発するサンプル音響信号を受信し、それによって、前記１つまたは複数の電極に向かうサンプル電気信号を生成するように構成され、前記サンプル電気信号は、前記サンプル音響信号を表す、請求項６３から６９のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項７１】
前記ポリママトリクスは、エポキシから作られる、請求項６３から７０のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項７２】
前記非圧電材料は、酸化ハフニウム粉末である、請求項６３から７１のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項７３】
隣接する離間された圧電領域間に配置された１つまたは複数の電気絶縁領域をさらに備え、前記１つまたは複数の電気絶縁領域は、前記フィラ材料と接触する、請求項６３から７２のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項７４】
前記１つまたは複数の電気絶縁領域は、第４の音響インピーダンスおよび第４の比誘電率を有し、前記第４の音響インピーダンスは、前記第１の音響インピーダンスに近く、前記第４の比誘電率は、前記第１の比誘電率よりも小さい、請求項７３に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項７５】
前記１つまたは複数の電気絶縁領域は、セラミックから作られる、請求項７３または７４に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項７６】
前記１つまたは複数の電気絶縁領域は、ガラスから作られる、請求項７３または７４に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項７７】
前記１つまたは複数の電気絶縁領域は、細長形状を有する、請求項７３から７６のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項７８】
前記１つまたは複数の電気絶縁領域は、バー形状の電気絶縁領域を画定する、請求項７３から７６のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項７９】
前記１つまたは複数の電気絶縁領域は、ピラー形状の電気絶縁領域を画定する、請求項７３から７６のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項８０】
前記１つまたは複数の電気絶縁領域は、球形状である、請求項７３から７６のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項８１】
前記非圧電材料は、前記ポリママトリクス内に埋め込まれる、請求項６３から８０のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項８２】
前記圧電材料は、１つの方向に沿って連続し、
前記フィラ材料は、３つの方向に沿って連続している、請求項６３から８１のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項８３】
前記圧電材料は、２つの方向に沿って連続し、
前記フィラ材料は、２つの方向に沿って連続している、請求項６３から８１のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項８４】
前記圧電材料は、強誘電体材料、単結晶強誘電体材料、鉛フリー強誘電体材料、および圧電高分子材料からなる群から選択される、請求項６３から８３のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項８５】
前記圧電材料は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）である、請求項８４に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項８６】
前記音響インピーダンス特性は、約１５ＭＲから約３０ＭＲの範囲である、請求項６３から８５のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項８７】
前記第１の音響インピーダンスは、約３０ＭＲから約４０ＭＲの範囲である、請求項６３から８６のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項８８】
前記第３の音響インピーダンスは、約７ＭＲから約８ＭＲの範囲である、請求項６３から８７のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項８９】
前記圧電複合層は、前記サンプルと音響的に整合され、前記サンプルから電気的に絶縁される、請求項６３から８８のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項９０】
前記１つまたは複数の電極と電気的に通信するバッキング層をさらに備える、請求項６３から８９のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項９１】
前記バッキング層は、不整合層である、請求項９０に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項９２】
接地電極をさらに備える、請求項６３から９１のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項９３】
前記接地電極は、ヒートスプレッダとして構成される、請求項９２に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項９４】
前記圧電複合層および前記サンプルは、音響経路を間に画定し、前記超音波トランスデューサは、前記圧電複合層と前記サンプルとの間に、前記音響経路に沿って配置されたほぼ無損失の音響整合層をさらに備える、請求項６３から９３のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項９５】
摩耗層をさらに備え、前記摩耗層は、前記圧電複合層と音響的に整合される、請求項６３から９４のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項９６】
前記圧電複合層は、ほぼ２４００ミクロンの厚さを有する、請求項６３から９５のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項９７】
離間された各圧電領域は、互いに２００ミクロン間隔で配置され、正方形の断面を有し、前記正方形の断面は、１０００ミクロン×１０００ミクロンである、請求項６３から９６のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項９８】
前記圧電複合層は、約７０％から約８０％の範囲の圧電体積分率を有する、請求項６３から９７のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項９９】
前記圧電複合層を中に含めるための電気絶縁ハウジングをさらに備える、請求項６３から９８のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連特許出願
この出願は、２０１８年７月３１日に出願された米国特許出願第６２／７１２，５９５号の優先権を主張し、その明細書は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
技術分野は、一般に、音響エネルギの分野に関連し、より具体的には、超音波トランスデューサ、関連するデバイス、装置方法、および技法に関する。
【背景技術】
【０００３】
超音波トランスデューサとの間の音響エネルギの伝達は、音響インピーダンスの不整合、たとえば、超音波トランスデューサに含まれる材料（たとえば、圧電セラミック）と、超音波トランスデューサに音響的に結合された材料との間の音響インピーダンスの差によって少なくとも部分的に影響を受ける。一般に、超音波トランスデューサと材料との間の音響インピーダンスが整合されると、互いの間のエネルギ伝達が改善される。
【０００４】
異なる材料にわたる音響波の伝達効率を改善するためにインピーダンス整合技法(impedance matching technique)が存在することは、当業者によって一般に知られている。このようなインピーダンス整合技法は、一般に帯域幅と効率との間のトレードオフを伴い、ある程度の複雑さをもたらす。広い帯域幅が必要とされる場合、整合システムを含む超音波トランスデューサの設計は、より複雑になる。そのような複雑さは、超音波トランスデューサに特にコストを追加する。広い帯域幅を有する超音波トランスデューサを設計および実施することは依然として難題であり、したがって、当技術分野で知られているソリューションは、依然として基本的に帯域幅が制限される。
【０００５】
超音波トランスデューサと音響的に結合されるために、多種多様な材料が必要とされる場合がある。そのような材料は、多くの産業および医療用途において使用できる。一般的な例は、生体組織（たとえば、人体および動物体）、有機材料（たとえば、木材およびポリマ）、無機材料（たとえば、金属）、複合材料（たとえば、炭素複合材料）、およびセラミックを含むが、これらに限定されない。上記の材料は、ほぼ１メガレイル（ＭＲ）から６０ＭＲ超の範囲の音響インピーダンスを有する。
【０００６】
超音波トランスデューサと音響的に結合される材料は、４つのカテゴリ、すなわち、圧電材料よりも高い音響インピーダンスを有する材料（本明細書では「第１のカテゴリ」と呼ばれる）と、圧電材料に近い音響インピーダンスを有する材料（本明細書では「第２のカテゴリ」と呼ばれる）と、圧電材料よりも低い音響インピーダンスを有する材料（本明細書では「第３のカテゴリ」と呼ばれる）と、ほとんどの圧電材料よりもはるかに低い音響インピーダンスを有する生物学的材料（本明細書では「第４のカテゴリ」と呼ばれる）とに分類される。
【０００７】
第１のカテゴリの材料の例は、たとえば、限定することなく、タングステン、モリブデン、ニッケル、および金である。これらの材料は、約４５ＭＲ超の音響インピーダンスを有する。第２のカテゴリの材料の例は、たとえば、限定することなく、真鍮、銀、ジルコニウム、および鋳鉄である。これらの材料は、約３０ＭＲから約４０ＭＲの音響インピーダンスを有する。第３のカテゴリの材料の例は、たとえば、限定することなく、マグネシウム、アルミニウム、インジウム、チタン、およびスズである。これらの材料は、約１０ＭＲから約３０ＭＲの範囲の音響インピーダンスを有する。第４のカテゴリの材料の例は、たとえば、限定することなく、脂肪、筋肉、または臓器である。これらの材料は通常、約１．２ＭＲから約１．８ＭＲの音響インピーダンスを有する。骨は、第４のカテゴリの材料の別の例であり、約５ＭＲから約８ＭＲの音響インピーダンスを有することができる。しかしながら、この値は大きく変化し得ることに留意されたい。
【０００８】
従来技術の問題を軽減または緩和する技法、装置、デバイス、および方法が依然として必要とされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
１つの態様によれば、サンプルと音響的に通信するように構成され、少なくとも部分的に分離された音響インピーダンスおよび電気インピーダンス特性を有する圧電複合層であって、圧電複合層は、離間された圧電領域のアレイであって、各離間された圧電領域が第１の音響インピーダンスおよび第１の比誘電率（electrical relative permittivity）を有する圧電材料から作られる、離間された圧電領域のアレイと、隣接する離間された圧電領域間に配置されたフィラ材料であって、フィラ材料は、第２の音響インピーダンスおよび第２の誘電率を有するポリママトリクス(polymer matrix)を含み、第２の音響インピーダンスは、第１の音響インピーダンスよりも小さく、第２の比誘電率は、第１の比誘電率よりも小さい、フィラ材料と、ポリママトリクスと接触する非圧電材料であって、非圧電材料は、第３の音響インピーダンスおよび第３の比誘電率を有し、第３の音響インピーダンスは、第２の音響インピーダンスよりも大きく、第３の比誘電率は、第１の比誘電率よりも小さい、非圧電材料とを含む圧電複合層と、圧電複合層と電気的に通信する１つまたは複数の電極とを含む超音波トランスデューサが提供される。
【００１０】
いくつかの実施形態では、圧電複合層は、サンプルに向かうプロービング音響信号(probing acoustic signal)を生成するように構成され、１つまたは複数の電極は、プロービング電気信号を圧電複合層に送信し、それによって、プロービング音響信号を生成するように動作可能である。
【００１１】
いくつかの実施形態では、圧電複合層は、サンプルから発するサンプル音響信号を受信し、それによって、１つまたは複数の電極に向かうサンプル電気信号を生成するように構成され、サンプル電気信号は、サンプル音響信号を表す。
【００１２】
いくつかの実施形態では、ポリママトリクスは、エポキシから作られる。
【００１３】
いくつかの実施形態では、非圧電材料は、酸化ハフニウム粉末である。
【００１４】
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは、隣接する離間された圧電領域間に配置された１つまたは複数の電気絶縁領域をさらに含み、１つまたは複数の電気絶縁領域は、フィラ材料と接触する。
【００１５】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の電気絶縁領域は、第４の音響インピーダンスおよび第４の比誘電率を有し、第４の音響インピーダンスは、第１の音響インピーダンスに近く、第４の比誘電率は、第１の比誘電率よりも小さい。
【００１６】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の電気絶縁領域は、セラミックから作られる。
【００１７】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の電気絶縁領域は、ガラスから作られる。
【００１８】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の電気絶縁領域は、細長形状を有する。
【００１９】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の電気絶縁領域は、バー形状の電気絶縁領域を画定する。
【００２０】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の電気絶縁領域は、ピラー形状の電気絶縁領域を画定する。
【００２１】
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは、１つまたは複数の電気絶縁領域が球形状であることをさらに含む。
【００２２】
いくつかの実施形態では、非圧電材料は、ポリママトリクス内に埋め込まれる。
【００２３】
いくつかの実施形態では、圧電材料は、１つの方向に沿って連続し、フィラ材料は、３つの方向に沿って連続している。
【００２４】
いくつかの実施形態では、圧電材料は、２つの方向に沿って連続し、フィラ材料は、２つの方向に沿って連続している。
【００２５】
いくつかの実施形態では、圧電材料は、強誘電体材料、単結晶強誘電体材料、鉛フリー強誘電体材料、および圧電高分子材料からなる群から選択される。
【００２６】
いくつかの実施形態では、圧電材料は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）である。
【００２７】
いくつかの実施形態では、音響インピーダンス特性は、約１５ＭＲから約３０ＭＲの範囲である。
【００２８】
いくつかの実施形態では、第１の音響インピーダンスは、約３０ＭＲから約４０ＭＲの範囲である。
【００２９】
いくつかの実施形態では、第３の音響インピーダンスは、約７ＭＲから約８ＭＲの範囲である。
【００３０】
いくつかの実施形態では、圧電複合層は、サンプルと音響的に整合され、サンプルから電気的に絶縁される。
【００３１】
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは、１つまたは複数の電極と電気的に通信するバッキング層(backing layer)をさらに含む。
【００３２】
いくつかの実施形態では、バッキング層は、不整合層(de-matching layer)である。
【００３３】
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは、接地電極をさらに含む。
【００３４】
いくつかの実施形態では、接地電極は、ヒートスプレッダとして構成される。
【００３５】
いくつかの実施形態では、圧電複合層およびサンプルは、音響経路を間に画定し、超音波トランスデューサは、圧電複合層とサンプルとの間に、音響経路に沿って配置されたほぼ無損失の音響整合層をさらに含む。
【００３６】
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは、摩耗層(wear layer)をさらに含み、摩耗層は、圧電複合層と音響的に整合される。
【００３７】
いくつかの実施形態では、圧電複合層は、ほぼ２４００ミクロンの厚さを有する。
【００３８】
いくつかの実施形態では、離間された各圧電領域は、互いに２００ミクロン間隔で配置され、正方形の断面を有し、正方形の断面は、１０００ミクロン×１０００ミクロンである。
【００３９】
いくつかの実施形態では、圧電複合層は、約７０％から約８０％の範囲の圧電体積分率を有する。
【００４０】
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは、圧電複合層を中に含めるための電気絶縁ハウジングをさらに含む。
【００４１】
別の態様によれば、ターゲットに向けて音響信号を放射するための超音波トランスデューサが提供され、超音波トランスデューサは、少なくとも部分的に分離された音響インピーダンスおよび電気インピーダンス特性を有する圧電複合層であって、圧電複合層は、各圧電領域が、第１の音響インピーダンスおよび第１の比誘電率を有する圧電材料から作られる、離間された圧電領域のアレイと、隣接する離間された圧電領域間に配置されたフィラ材料であって、フィラ材料は、第２の音響インピーダンスおよび第２の誘電率を有するポリママトリクスを含み、第２の音響インピーダンスは、第１の音響インピーダンスよりも小さく、第２の比誘電率は、第１の比誘電率よりも小さい、フィラ材料と、ポリママトリクスと接触する非圧電材料であって、非圧電材料は、第３の音響インピーダンスおよび第３の比誘電率を有し、第３の音響インピーダンスは、第２の音響インピーダンスよりも大きく、第３の比誘電率は、第１の比誘電率よりも小さい、非圧電材料とを含む、圧電複合層と、圧電複合層と電気的に通信する１つまたは複数の電極であって、電気信号を圧電複合層に送信し、それによって、ターゲットに向かう音響信号を生成するように動作可能な１つまたは複数の電極とを含む。
【００４２】
いくつかの実施形態では、ポリママトリクスは、エポキシから作られる。
【００４３】
いくつかの実施形態では、非圧電材料は、酸化ハフニウム粉末である。
【００４４】
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは、隣接する離間された圧電領域間に配置された１つまたは複数の電気絶縁領域をさらに含み、１つまたは複数の電気絶縁領域は、フィラ材料と接触する。
【００４５】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の電気絶縁領域は、第４の音響インピーダンスおよび第４の比誘電率を有し、第４の音響インピーダンスは、第１の音響インピーダンスに近く、第４の比誘電率は、第１の比誘電率よりも小さい。
【００４６】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の電気絶縁領域は、セラミックから作られる。
【００４７】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の電気絶縁領域は、ガラスから作られる。
【００４８】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の電気絶縁領域は、細長形状を有する。
【００４９】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の電気絶縁領域は、バー形状の電気絶縁領域を画定する。
【００５０】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の電気絶縁領域は、ピラー形状の電気絶縁領域を画定する。
【００５１】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の電気絶縁領域は、球形状である。
【００５２】
いくつかの実施形態では、非圧電材料は、ポリママトリクス内に埋め込まれる。
【００５３】
いくつかの実施形態では、圧電材料は、１つの方向に沿って連続し、フィラ材料は、３つの方向に沿って連続している。
【００５４】
いくつかの実施形態では、圧電材料は、２つの方向に沿って連続し、フィラ材料は、２つの方向に沿って連続している。
【００５５】
いくつかの実施形態では、圧電材料は、強誘電体材料、単結晶強誘電体材料、鉛フリー強誘電体材料、および圧電高分子材料からなる群から選択される。
【００５６】
いくつかの実施形態では、圧電材料は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）である。
【００５７】
いくつかの実施形態では、音響インピーダンス特性は、約１５ＭＲから約３０ＭＲの範囲である。
【００５８】
いくつかの実施形態では、第１の音響インピーダンスは、約３０ＭＲから約４０ＭＲの範囲である。
【００５９】
いくつかの実施形態では、第３の音響インピーダンスは、約７ＭＲから約８ＭＲの範囲である。
【００６０】
いくつかの実施形態では、圧電複合層は、サンプルと音響的に整合され、サンプルから電気的に絶縁される。
【００６１】
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは、１つまたは複数の電極と電気的に通信するバッキング層をさらに含む。
【００６２】
いくつかの実施形態では、バッキング層は、不整合層である。
【００６３】
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは、接地電極をさらに含む。
【００６４】
いくつかの実施形態では、接地電極は、ヒートスプレッダとして構成される。
【００６５】
いくつかの実施形態では、圧電複合層およびサンプルは、音響経路を間に画定し、超音波トランスデューサは、圧電複合層とサンプルとの間に、音響経路に沿って配置されたほぼ無損失の音響整合層をさらに含む。
【００６６】
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは、摩耗層をさらに含み、摩耗層は、圧電複合層と音響的に整合される。
【００６７】
いくつかの実施形態では、圧電複合層は、ほぼ２４００ミクロンの厚さを有する。
【００６８】
いくつかの実施形態では、離間された各圧電領域は、互いに２００ミクロン間隔で配置され、正方形の断面を有し、正方形の断面は、１０００ミクロン×１０００ミクロンである。
【００６９】
いくつかの実施形態では、圧電複合層は、約７０％から約８０％の範囲の圧電体積分率を有する。
【００７０】
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは、圧電複合層を中に含めるための電気絶縁ハウジングをさらに含む。
【００７１】
別の態様によれば、サンプルと音響的に通信するように構成され、少なくとも部分的に分離された音響インピーダンスおよび電気インピーダンス特性を有する圧電複合層であって、圧電複合層は、各離間された圧電領域が圧電材料から作られる、離間された圧電領域のアレイと、隣接する離間された圧電領域間に配置され、ポリママトリクスを含むフィラ材料と、ポリママトリクスと接触する非圧電材料とを含む、圧電複合層と、圧電複合層をサンプルから電気的に絶縁するために圧電複合層の上方に延在する電気絶縁非圧電複合層であって、圧電複合層およびサンプルに音響的に整合された、電気絶縁非圧電複合層と、圧電複合層と電気的に通信する１つまたは複数の電極とを含む、超音波トランスデューサが提供される。
【００７２】
いくつかの実施形態では、電気絶縁非圧電複合層は、第２のポリママトリクスと接触する高音響インピーダンス電気絶縁材料領域を含み、第２のポリママトリクスは、高密度電気絶縁粉末で充填される。
【００７３】
いくつかの実施形態では、電気絶縁非圧電複合層は、第２のポリママトリクスと接触する電気絶縁セラミック領域を含み、第２のポリママトリクスは、高密度電気絶縁セラミック粉末で充填される。
【００７４】
いくつかの実施形態では、電気絶縁非圧電複合層は、第２のポリママトリクスと接触する電気絶縁ガラス領域を含み、第２のポリママトリクスは、高密度電気絶縁セラミック粉末で充填される。
【００７５】
いくつかの実施形態では、電気絶縁非圧電複合層は、１  ３構成である。
【００７６】
いくつかの実施形態では、電気絶縁非圧電複合層は、２  ２構成である。
【００７７】
いくつかの実施形態では、圧電複合層は、サンプルに向かうプロービング音響信号を生成するように構成され、１つまたは複数の電極は、プロービング電気信号を圧電複合層に送信し、それによって、プロービング音響信号を生成するように動作可能である。
【００７８】
いくつかの実施形態では、圧電複合層は、サンプルから発するサンプル音響信号を受信し、それによって、１つまたは複数の電極に向かうサンプル電気信号を生成するように構成され、サンプル電気信号は、サンプル音響信号を表す。
【００７９】
いくつかの実施形態では、ポリママトリクスは、エポキシから作られる。
【００８０】
いくつかの実施形態では、非圧電材料は、酸化ハフニウム粉末である。
【００８１】
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは、隣接する離間された圧電領域間に配置された１つまたは複数の電気絶縁領域をさらに含み、１つまたは複数の電気絶縁領域は、フィラ材料と接触する。
【００８２】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の電気絶縁領域は、第４の音響インピーダンスおよび第４の比誘電率を有し、第４の音響インピーダンスは、第１の音響インピーダンスに近く、第４の比誘電率は、第１の比誘電率よりも小さい。
【００８３】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の電気絶縁領域は、セラミックから作られる。
【００８４】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の電気絶縁領域は、ガラスから作られる。
【００８５】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の電気絶縁領域は、細長形状を有する。
【００８６】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の電気絶縁領域は、バー形状の電気絶縁領域を画定する。
【００８７】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の電気絶縁領域は、ピラー形状の電気絶縁領域を画定する。
【００８８】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の電気絶縁領域は、球形状である。
【００８９】
いくつかの実施形態では、非圧電材料は、ポリママトリクス内に埋め込まれる。
【００９０】
いくつかの実施形態では、圧電材料は、１つの方向に沿って連続し、フィラ材料は、３つの方向に沿って連続している。
【００９１】
いくつかの実施形態では、圧電材料は、２つの方向に沿って連続し、フィラ材料は、２つの方向に沿って連続している。
【００９２】
いくつかの実施形態では、圧電材料は、強誘電体材料、単結晶強誘電体材料、鉛フリー強誘電体材料、および圧電高分子材料からなる群から選択される。
【００９３】
いくつかの実施形態では、圧電材料は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）である。
【００９４】
いくつかの実施形態では、音響インピーダンス特性は、約１５ＭＲから約３０ＭＲの範囲である。
【００９５】
いくつかの実施形態では、第１の音響インピーダンスは、約３０ＭＲから約４０ＭＲの範囲である。
【００９６】
いくつかの実施形態では、第３の音響インピーダンスは、約７ＭＲから約８ＭＲの範囲である。
【００９７】
いくつかの実施形態では、圧電複合層は、サンプルと音響的に整合され、サンプルから電気的に絶縁される。
【００９８】
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは、１つまたは複数の電極と電気的に通信するバッキング層をさらに含む。
【００９９】
いくつかの実施形態では、バッキング層は、不整合層である。
【０１００】
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは、接地電極をさらに含む。
【０１０１】
いくつかの実施形態では、接地電極は、ヒートスプレッダとして構成される。
【０１０２】
いくつかの実施形態では、圧電複合層およびサンプルは、音響経路を間に画定し、超音波トランスデューサは、圧電複合層とサンプルとの間に、音響経路に沿って配置されたほぼ無損失の音響整合層をさらに含む。
【０１０３】
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは、摩耗層をさらに含み、摩耗層は、圧電複合層と音響的に整合される。
【０１０４】
いくつかの実施形態では、圧電複合層は、ほぼ２４００ミクロンの厚さを有する。
【０１０５】
いくつかの実施形態では、離間された各圧電領域は、互いに２００ミクロン間隔で配置され、正方形の断面を有し、正方形の断面は、１０００ミクロン×１０００ミクロンである。
【０１０６】
いくつかの実施形態では、圧電複合層は、約７０％から約８０％の範囲の圧電体積分率を有する。
【０１０７】
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは、圧電複合層を中に含めるための電気絶縁ハウジングをさらに含む。
【０１０８】
他の実施形態が以下に提供される。
【０１０９】
別の態様によれば、圧電複合材料の電気インピーダンスと音響インピーダンスとを独立して調整するための技法、デバイス、装置、および方法が提供される。圧電複合デバイスの電気インピーダンスと音響インピーダンスとを分離できるデバイスおよび方法は、従来の２つの材料ではなく、３つの材料を組み込んだ圧電複合によって具体化され得る。電気インピーダンスとは別に複合物の音響インピーダンスの操作を分離することは、通常、比較的低い音響インピーダンスのカーフフィラ(kerf filler)および圧電材料に加えて、非圧電セラミックなどの高音響インピーダンス材料の使用によって提供される。いくつかの実施形態では、非圧電セラミックは、アルミナである。
【０１１０】
別の態様によれば、約１５ＭＲから約３０ＭＲの範囲の音響インピーダンスを有するターゲット材料とともに使用するための超音波トランスデューサが提供される。超音波トランスデューサは、圧電素子からターゲット材料または被試験デバイス（ＤＵＴ）へ延在する完全な音響経路を含む。超音波トランスデューサは、圧電素子を組み込んだ圧電層、接地電極、熱管理層、電気絶縁層、および超音波処理されるターゲット材料の音響インピーダンスに適合できる外側の摩耗面を含む。提供される超音波トランスデューサは、音響インピーダンス整合層を使用する必要がないため、上限カットオフ周波数より低いすべての周波数でソリューションを同等に効率的にする。上限カットオフ周波数は、複合材料の要素の効果的な振舞いを達成するために必要な複合設計パラメータによってのみ制限され、デバイスの設計された中心周波数の少なくとも数倍の上限カットオフ周波数までのＤＣ付近の実用的な帯域幅形態となる。
【０１１１】
別の態様によれば、約１５ＭＲから約３０ＭＲの範囲の音響インピーダンスを有する材料で使用するための超音波トランスデューサが提供される。この超音波トランスデューサは、音響的に整合された複合物を含む。超音波トランスデューサは整合層を使用しないため、超音波トランスデューサ帯域幅は、圧電素子を構成する材料の設計および選択によって課せられる固有の帯域幅によってのみ制限される。
【０１１２】
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは、圧電層の近位側のヒートスプレッダとしても構成され得る熱的にロバストなバッキング層を含む。いくつかの実施形態では、バッキング層はまた、不整合層として機能し得る。
【０１１３】
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは、高音響インピーダンスのカーフフィル設計を含む。高音響インピーダンスのカーフフィル設計により、１５から３０ＭＲの範囲の音響インピーダンスを有する様々な材料に圧電素子を適合できる。約１５ＭＲから約３０ＭＲの音響インピーダンス範囲を有する材料は、チタン、アルミニウム、スズ、鉛、ジルコニウム、いくつかのセラミック、および複合材料を含むが、これらに限定されない。約１５ＭＲから約３０ＭＲのインピーダンスの音響を有する材料のグループの場合、超音波トランスデューサは、非常に広帯域の超音波を、これらの材料に効率的に結合する手段を提供する。
【０１１４】
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは、ＤＵＴの音響インピーダンスに整合するように設計された圧電複合層、ならびにＤＵＴの音響インピーダンスに整合するように設計された非圧電電気絶縁複合層を含む。非圧電層は、圧電複合層とＤＵＴとの間に挿入される。この非圧電複合層は、ＤＵＴの圧電複合トランスデューサ素子からの効率的な広帯域幅の音響経路を提供すると同時に、トランスデューサとＤＵＴとの間に電気的絶縁を提供する。
【０１１５】
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサの電気インピーダンスおよび音響インピーダンスは、独立して構成可能であるか、または少なくとも部分的に分離される。電気インピーダンス、音響インピーダンス、またはその両方は、ハイブリッド非圧電／圧電複合構造を使用して構成され得る。
【０１１６】
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは、単一素子、カーフレス(kerfless)環状アレイ、カーフド(kerfed)環状アレイ、カーフド線形アレイ、カーフレス線形アレイ、カーフレス２Ｄマトリクスアレイ、またはカーフド２Ｄマトリクスアレイとして構成され得る。
【０１１７】
別の態様によれば、適合された音響インピーダンスを有する圧電層を製造する方法が提供される。
【０１１８】
本説明の他の特徴および利点は、添付の図面のみを参照して例として与えられた、その特定の実施形態の以下の非限定的な説明を読むことでより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０１１９】
【図１】１つの実施形態による、超音波トランスデューサの断面図である。
【図２】別の実施形態による、超音波トランスデューサの断面図である。
【図３】１つの実施形態による、超音波トランスデューサ用の圧電複合層の上面図である。
【図４】別の実施形態による、超音波トランスデューサ用の圧電複合層の上面図である。
【図５Ａ】１つの実施形態による、超音波トランスデューサの斜視図である。
【図５Ｂ】図５Ａの超音波トランスデューサの分解断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０１２０】
以下の説明では、図面内の同様の特徴に、同様の参照番号が付され、図を過度に煩雑にしないように、一部の要素は、前の図面で既に特定されている場合、図面で示されない場合がある。また、本実施形態の要素および構造を明確に示すことに重点が置かれているため、図面の要素は必ずしも一定の縮尺で描かれている訳ではないことも理解されたい。「ａ」、「ａｎ」、および「１つ」という用語は、本明細書では「少なくとも１つ」を意味するように定義される。すなわち、これらの用語は、特に明記しない限り、複数の要素を除外しない。例示的な実施形態の特徴の値、条件、または特性を変更する「実質的に」、「一般に」、および「約」などの用語は、値、条件、または特性が、その意図された用途のためのこの例示的な実施形態の適切な動作のために許容される許容範囲内で定義されることを意味すると理解されるべきであることにも留意されたい。
【０１２１】
本説明において、「接続された」、「結合された」、およびそれらの変形および派生である用語は、２つ以上の要素間の直接的または間接的な任意の接続または結合を指す。要素間の接続または結合は、音響的、機械的、物理的、光学的、動作的、電気的、ワイヤレス、またはそれらの組合せであり得る。
【０１２２】
ある要素の別の要素に対する位置または方位を示す位置記述子は、説明を容易かつ明確にするために本明細書で使用され、特に明記しない限り、図の文脈で解釈されるべきであり、限定的であると見なされるべきではないことが理解されよう。空間的に相対的な用語（たとえば、「外側」と「内側」、「外部」と「内部」、「周辺」と「中央」、および「上」と「下」）は、図に例証された位置および方位に加えて、本実施形態の使用または動作における異なる位置および方位を包含することが意図されていると理解されよう。
【０１２３】
一般的な理論的概要
電気機械式音響トランスデューサを製造するために使用できる多くの方法および材料がある。いくつかの例は、圧電結晶、強誘電性セラミック、強誘電性単結晶、強誘電性ポリマ、容量性微細加工超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）、圧電微細加工超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ）、および動的コイルベースのシステムを含む。
【０１２４】
比較的高性能な圧電材料の幅広いカテゴリが、強誘電体材料と呼ばれる。強誘電体材料は、超音波トランスデューサなどの音響トランスデューサにおいて最も一般的に使用される圧電材料の一部である。強誘電体材料は、通常、約３０ＭＲから約４０ＭＲの範囲の音響インピーダンス特性を有する。たとえば、最も一般的な強誘電性セラミックの１つであり、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）として一般に知られている配合物の系統は、通常、約３３ＭＲから約３５ＭＲの範囲の音響インピーダンスを有する。比較的高性能の圧電材料の別のカテゴリは、単結晶強誘電体材料であり、これは、たとえば、限定することなく、ニオブ酸リチウム（ＰＭＮ−ＰＴまたはＰＩＮ−ＰＭＮ−ＰＴ）を含む。これらの単結晶強誘電体材料は、約３０ＭＲから約３５ＭＲの範囲の音響インピーダンスを有する。さらに別のカテゴリは、たとえば、限定することなく、（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３（ＫＮＮ）および（Ｋ０．４８Ｎａ０．５２）０．９６Ｌｉ０．０４Ｎｂ０．８５Ｔａ０．１５Ｏ３（ＫＮＬＮＴ）などの新しい鉛フリー強誘電体材料を含む。これらの材料の音響インピーダンスは約３１ＭＲであり、ＰＺＴのほとんどのバリエーションよりもわずかに低い。圧電材料のさらに別の例示的なカテゴリは、ＰＶＤＦなどの圧電ポリマおよびＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）などのコポリマを含む。これらのポリマベースの強誘電体材料は、リラクサベース(relaxor-based)の単結晶およびセラミックよりも、電気機械効率がはるかに低くなるが、音響インピーダンスが非常に低く、液浸ベース(immersion-based)のシステムで受容体として機能するのに適した独自の特性を有する。
【０１２５】
多種多様な潜在的な圧電材料にも関わらず、他の圧電材料をニッチな用途に委ねるのに十分なマージンで他のほとんどの材料よりも優れているＰＺＴおよび関連するリラクサベースの強誘電体材料の支配的なカテゴリが残る。その結果、ほとんどのトランスデューサは、約３３ＭＲから約３８ＭＲまでの小さな範囲に収まる非常に類似した音響インピーダンスを有する圧電材料に依存する。超音波処理される材料と厳密に整合する音響インピーダンスを有する圧電材料に基づく超音波トランスデューサは、整合要件を減らすか、または全体的な伝達効率および帯域幅を増やすことによって、システムの効率を向上させる。一部の圧電材料は、一部の材料と音響的に良好に整合される。しかしながら、適切な音響的に整合されたトランスデューサ材料がない多くの材料を超音波処理し、超音波検査し、かつ／または試験する必要がある。
【０１２６】
圧電材料の音響インピーダンスは、圧電材料と、フィラとして機能し、多くの手段のうちの１つによって圧電材料を取り囲む支持マトリクスを形成する別の一般に低い音響インピーダンス材料との複合体を作成することによって、圧電材料の電気機械効率を潜在的に高めることに関連して低減され得る。しかしながら、圧電複合物を作成する場合、音響効率、電気インピーダンス、および音響インピーダンスの間にトレードオフがあることが理解される。
【０１２７】
超音波トランスデューサで一般的に使用される複合物は、一般に、１  ３または２  ２構成であり、１番目の数字は、圧電材料が構造全体で連続している方向の数を示し、２番目の数字は、フィラ材料が構造全体で連続している方向の数を示す。複合圧電材料を作成する方法のいくつかの例は、圧電材料のダイシング、エッチング、成形、またはランダムパッキング、および圧電ピラーまたはビームの間に散在するエラストマ、エポキシ、ポリマ、またはガスなどの他の材料を充填または結合して、複合物を形成することを含む。
【０１２８】
１  ３構成の複合材料の例は、より低い音響インピーダンスを有する材料で充填された正方形の断面のピラーおよびカーフを有する、ダイスおよび充填された複合物を含む。そのような複合物は、圧電ピラーのバーモード共振(bar mode resonance)を利用して、単純な縦方向ディスクまたはプレートベースのトランスデューサでより典型的であるプレートモード振動の性能を制限する効率の低いｋｔ（通常、ＰＺＴの場合、０．５）よりも、圧電のｋ３３特性によって制限される、より効率的な電気機械結合係数（通常、ＰＺＴの場合、０．７）を可能にする。複合物の音響インピーダンスは、複合物形状のいくつかの設計パラメータと、圧電およびフィラ材料の両方の材料特性とに基づいて、圧電材料とマトリクスフィラとの間のどこかの純粋な圧電材料と比較して低減できることに留意されたい。したがって、より低い音響インピーダンスの材料の整合が、さほど困難ではなくなり、信号対雑音比が高くなる。
【０１２９】
複合トランスデューサ開発の分野における多くの研究が、生物医学分野で行われ、生体組織と互換性があるように設計された効率的な複合物の開発に焦点が当てられてきた。そのため、多くの市販の複合材料およびトランスデューサは、生体組織に対する用途、および／または、水浸用途のために可能な最高の電気機械効率を達成しながら、可能な限り低い音響インピーダンスの組合せを有するように最適化された。そのような複合材料は、通常、８ＭＲから１６ＭＲの範囲の音響インピーダンスを有する。しかしながら、多くの実用的な用途では、これらの圧電材料と十分に整合しない音響インピーダンスを有する材料に結合された超音波トランスデューサとの間で、音響エネルギを効率的に伝達する必要がある。すなわち、上記の圧電材料は、超音波処理される他のクラスの材料には適していない可能性がある。たとえば、約１５ＭＲから３０ＭＲの音響インピーダンスを有する材料は、従来の音響スタック設計に理想的な材料が不足しているため、圧電複合物との整合が特に困難である。
【０１３０】
これらの場合、圧電材料と媒体との間の固有の音響的不連続性を克服するための様々な技法が知られている。たとえば、圧電材料の音響インピーダンスを、所望の媒体に整合させる一般的な方法は、１／４波整合層を使用することである。別の例は、高周波で適用されるばね質量整合層系を使用することである。さらに別の例は、ホーン構造(horn structure)の設計である。そのような音響インピーダンス整合技法は、圧電トランスデューサの設計に適用され、トランスデューサから、超音波処理される媒体への音響放射の効率的な伝達を容易にし、通常は相互に動作することができる。しかしながら、すべての音響インピーダンス整合アプローチに共通することが１つあり、それは、それらが有効である有限の帯域幅を有することである。この帯域幅の外では、それらの有効性はすぐに低下し、意図した中心周波数から十分に離れて動作される場合、不要なアーティファクトが発生する可能性がある。
【０１３１】
トランスデューサの設計における音響インピーダンス整合は重要であるが、多くの実際の用途では、圧電トランスデューサアセンブリを超音波処理される材料から電気的に絶縁することも必要である。これらのシナリオでは、電気絶縁層もトランスデューサスタックに含める必要がある。たとえば、非破壊試験（ＮＤＴ）などの分野では、超音波トランスデューサを、電気的に敏感なアセンブリ、デバイス、または構造から電気的に絶縁すると同時に、トランスデューサの音響インピーダンスを、スキャン対象の材料または物体と整合させる必要がある場合がある。これは、医療用途で特に重要である。実際、トランスデューサアセンブリを人体（超音波処理される媒体）から電気的に絶縁することは、患者の負傷を防ぐために重要である。たとえば、効率の理由から、医療診断用超音波（およびＨＩＦＵなどの治療用途を含むがこれに限定されない他の医療超音波用途）の場合、トランスデューサの音響インピーダンスは、患者から電気的に絶縁されていると同時に、生体組織に整合される必要がある。たとえば、音響アブレーションまたは手術器具の機械的強化のために音響エネルギを使用する他の医療デバイスでは、効率の理由から、トランスデューサを患者から電気的に絶縁しながら、トランスデューサの音響インピーダンスを、媒体（生体組織、または場合によっては音響医療デバイスの構成要素）と一致させることも望ましい。
【０１３２】
多くの場合、ターゲット材料が、約１０ＭＲ未満の音響インピーダンスを有する場合、トランスデューサをターゲットに音響的に整合させると同時に電気的に絶縁する必要性に対処するために、設計者がすぐに利用できる十分に開発された技術がある。
【０１３３】
超音波トランスデューサに接触する患者の医療診断用超音波に適用される典型的なソリューションは、たとえば、シリコンまたはポリウレタンなど、生体組織に良好に整合するレンズまたはカバー材料を選択することであり、これらは両方とも、効果的なレンズおよび電気絶縁材料として機能しながら、組織の音響インピーダンス（約１．５ＭＲ）と厳密に整合する音響インピーダンスを有するように設計される。別の一般的な実践は、音響的に整合された電気絶縁整合層を使用することである。これらの整合材料は、様々なガラス、ポリマ、エラストマ、パワー装填ポリマ、およびエポキシを含む。たとえば、電気的絶縁に必要な優れた抵抗を維持しながら、様々な整合層を形成できるアルミナ粉末充填エポキシなどのセラミック粉末装填エポキシである。しかしながら、パワー装填エポキシ、シリコン、およびポリマなどの粉末装填複合物は、通常、均質な材料よりも高い減衰を示し、整合層の設計パラメータ（厚さなど）と、デバイスの音響経路における許容可能な損失との間の適切な妥協点と、必要な電気的絶縁とを提供しない場合がある。
【０１３４】
さらに、ポリマに対する粉末の体積分率が高くなると、粉末装填複合材料の製造が制限される。たとえば、音響インピーダンスを上げるための粉末装填エポキシの一般的な実用は、ほぼ１２ＭＲを超えると非実用的である。さらに、エポキシ装填多孔質焼結材料は、設計にコストがかかり、正確に制御するのが困難である。また、完全に充填されていない場合、損失が発生する可能性がある。これは、１５ＭＲ超かつ３０ＭＲ未満の電気絶縁整合層に特に当てはまる。
【０１３５】
超音波トランスデューサの設計において整合層を使用することは、広帯域性能のために複数の整合層ソリューションが必要になるので、広帯域トランスデューサが必要な場合に問題があることに留意されたい。１０ＭＲから３０ＭＲのターゲットに結合するための広帯域超音波トランスデューサを設計することは困難である。トランスデューサをターゲット材料から電気的に絶縁する必要がある場合、これらの課題はさらに複雑になる。
【０１３６】
ターゲット材料が、約１５ＭＲから約３０ＭＲの範囲の音響インピーダンスを有する場合、既存のソリューションを高い効果で適用することはますます困難になる。これは、約１５ＭＲから約３０ＭＲの範囲の音響インピーダンスを有するターゲット材料の音響、熱、および電気的特性を満たす従来の整合層として使用できる電気絶縁材料が比較的少ないためである。
【０１３７】
たとえば、限定することなく、ＮＤＴおよび医療デバイスの開発などの分野では、音響インピーダンスが約１５ＭＲから約３０ＭＲの範囲の材料に、高出力の広帯域音響パルスを伝達できる超音波トランスデューサが必要である。ターゲット材料および圧電層と実質的に同様の（またはほぼ同一の）音響インピーダンスを有する電気絶縁層も必要である。現在、圧電複合物の設計と既存のソリューションは、電気インピーダンスに影響を与えることなく圧電複合物の音響インピーダンスを変更することはできない（その逆も同様である）。
【０１３８】
圧電複合物の製造に使用される従来の材料に加えて、圧電複合材料の設計に高音響インピーダンスの非圧電材料を組み込むことにより、電気インピーダンスと音響インピーダンスとを独立して操作（すなわち、少なくとも部分的に分離）できることがわかっており、これは、従来の圧電複合物の設計で使用される低音響インピーダンスのカーフフィラ材料を一般に組み込む一般的なアプローチとは対照的である。
【０１３９】
超音波トランスデューサ
次に、図面に目を向けると、超音波トランスデューサの異なる実施形態がここで説明される。図１および図２は、圧電複合層１０２を含む超音波トランスデューサ１００の２つの実施形態を示す。
【０１４０】
圧電複合層１０２は、サンプルまたはターゲット材料と音響的に通信するように構成される。圧電複合層１０２は、少なくとも部分的に分離された音響インピーダンスおよび電気インピーダンス特性を有する。すなわち、圧電層１０２に含まれる材料の組合せにより、電気インピーダンスを音響インピーダンスから部分的に分離することができる。圧電複合層１０２は、通常、少なくとも３つの材料から作られる。図３および図４に示されるように、圧電層１０２は、離間された圧電領域１０のアレイ、フィラ材料１２、および非圧電材料１５を含む。離間された各圧電領域１０は、第１の音響インピーダンスおよび第１の比誘電率を有する圧電材料から作られる。フィラ材料１２は、隣接する離間された圧電領域１０の間に配置され、第２の音響インピーダンスおよび第２の誘電率を有するポリママトリクス１３を含む。第２の音響インピーダンスは、第１の音響インピーダンスよりも小さく、第２の比誘電率は、第１の比誘電率よりも小さい。非圧電材料１５は、ポリママトリクスと接触しており、第３の音響インピーダンスおよび第３の比誘電率を有する。第３の音響インピーダンスは、第２の音響インピーダンスよりも大きく、第３の比誘電率は、第１の比誘電率よりも小さい。いくつかの実施形態では、非圧電材料１５は、ポリママトリクス内に埋め込まれる。図１および図２に戻って示すように、超音波トランスデューサ１００は、圧電複合層１０２と電気的に通信する１つまたは複数の電極１１２を含む。
【０１４１】
ここで図１および図２を参照すると、超音波トランスデューサ１００の実施形態の断面図が提供される。例示されるように、超音波トランスデューサ１００は、ターゲット材料１０４に音響的に整合する、ダイスおよび充填された圧電複合素子／層１０２を含む音響スタック設計（すなわち、複数の層）を有する。以下により詳細に説明されるいくつかの実施形態では、超音波トランスデューサ１００は、ターゲット材料１０４から電気的に絶縁され得る。圧電複合素子１０２は、超音波信号源１１０に対して近位面１０６および遠位面１０８を有する。音響経路は、圧電複合層１０２とターゲット材料１０４との間に延在する。
【０１４２】
図３および図４に示されるものなどのいくつかの実施形態では、圧電複合層１０２は、たとえば、限定することなく、ＰＺＴなどの強誘電性圧電材料から作られ得る。例示される変形例では、圧電領域１０は、ピラーまたはビーム１３０を形成し、１  ３または２  ２複合物に典型的な方式で互いに離間され、これは、圧電材料１０が、１つの方向に沿って連続し、フィラ材料１２が、３つの方向に沿って連続していること、または圧電材料１０が、２つの方向に沿って連続し、フィラ材料１２が、２つの方向に沿って連続していることを意味する。
【０１４３】
この実施形態は、特に、所望の音響インピーダンスを維持しながら、圧電複合物の電気インピーダンスを増加させることを可能にする。図４では、隣接する圧電領域１０の間に提供される空間は、カーフ１２８である。カーフ１２８は、エポキシ１２で充填される。いくつかの実施形態では、エポキシ１２は、ＨＦＯ粉末充填マトリクス材料を含む。
【０１４４】
圧電領域１０は正方形として図示されているが、それらは、たとえば、限定することなく、三角形、円筒形、または六角形などの任意の形状であり得ることに留意されたい。
【０１４５】
いくつかの実施形態では、圧電複合層１０２内の圧電材料の体積分率（たとえば、ＰＺＴの割合）を低減して、トランスデューサのより良い、改善された、またはより理想的な電気インピーダンス要件を達成することが望ましい場合がある。しかしながら、超音波トランスデューサ１０の音響インピーダンス要件は、より高くする必要がある場合があり、これは、ＰＺＴのより高い体積分率が望ましいことを示唆している。そのような実施形態では、ＨＦＯ粉末充填マトリクス材料を使用することは、必要な特性を達成するのに十分ではない。たとえば図４に示されているこれらのシナリオでは、ＨＦＯ粉末充填マトリクス材料は、たとえば、限定することなく、アルミナバーなどの非圧電材料で置換されるか、または部分的に置換され得る。そのような材料は、有効な比誘電率を低減しながら、圧電複合層１０２においてより高い音響インピーダンスを可能にする。別の実施形態では、他の比較的高い音響インピーダンス材料が使用され得る。
【０１４６】
いくつかの実施形態では、カーフ１２８は、アルミナ１４のバーで充填される。アルミナは通常、約３５ＭＲの音響インピーダンスと、約１０の誘電率とを有する。図４に例示される実施形態では、バーは、カーフ１２８の幅のほぼ７０％を満たすようにサイズ設定され、残りの３０％は、カーフ充填エポキシ１２で充填される。異なるフィラ材料および異なるエポキシ材料、ならびに他の比率を使用して、特に超音波処理されるターゲット材料に依存する、所望の音響および／または電気インピーダンス特性を達成できることが理解されよう。
【０１４７】
非圧電材料１５は、必ずしもアルミナバーに限定されないことに留意されたい。たとえば、限定することなく、アルミナバーは、ＨＦＯエポキシに混合されたアルミナ球、またはアルミナ球を含むＨＦＯエポキシから作られた複合材料からの切断によって置換され得る。カーフ、フィラ、およびエポキシの比率（すなわち、体積分率）を調整することによって同様の結果を達成でき、これにより、（たとえば、ターゲット材料の）所望の音響的および／または電気的特性に整合させるために、圧電複合層１０２の電気および音響インピーダンスを独立して調整できることにも留意されたい。圧電複合層１０２を形成する材料の比率は、所望の結果に応じて大きく変化し得ることが理解されよう。この設計の結果は、所望の音響インピーダンスを維持しながら、所与のサイズに対してより広い範囲の電気インピーダンスを有するように設計、調整、および適合できる複合圧電物である。追加された第３の材料、すなわち非圧電材料１５は、好ましくは、高い音響インピーダンス、すなわち、（可能であれば）圧電材料と類似または同等の音響インピーダンス、および圧電材料よりもはるかに低い比誘電率を有する。したがって、圧電複合層１０２は、所望の音響インピーダンスおよび所望の誘電率を有するように設計または調整することができ、音響インピーダンス整合技法および電気インピーダンス整合回路の両方を不要にする。
【０１４８】
既に述べたように、超音波トランスデューサ１００は、図１および図２に示されるように、１つまたは複数の電極、たとえば、信号電極１１２を含む。いくつかの実施形態では、圧電複合層１０２は、サンプル１０４に向かうプロービング音響信号を生成するように構成され、電極（たとえば、信号電極１１２）は、プロービング電気信号を圧電複合層１０２に送信し、それによって、プロービング音響信号を生成するように動作可能である。いくつかの実施形態では、圧電複合層１０２は、サンプル１０４から発するサンプル音響信号を受信し、それによって、１つまたは複数の電極（たとえば、信号電極１１２）に向かうサンプル電気信号を生成するように構成され、サンプル電気信号は、サンプル音響信号を表す。したがって、超音波トランスデューサ１００は、超音波を送信および／または受信するために使用され得る。
【０１４９】
いくつかの実施形態では、図１および図２に示されるように、電極１１２は、圧電複合層１０２の近位面１０６上に配置される。電極１１２は、信号電極１１２の近位面１１６上に配置された導電性バッキング層１１４を有することができる。さらに他の実施形態では、バッキング層は、電気的に絶縁され得る。バッキング層１１４は、信号電極１１２に動作可能または電気的に接続され得る。１つの実施形態では、バッキング層１１４は、チタン製であり、約２００ミクロンの厚さを有することができる。バッキング層１１４は、不整合層としても機能するのに十分に高い音響インピーダンス材料から作られ得る。そのような不整合機能は、一般に、バッキング層が、圧電材料の音響インピーダンスの少なくとも２倍の音響インピーダンスを有し、それによって、向上された帯域幅および感度を提供することを必要とする。たとえば、不整合層１１４は、たとえば、限定することなく、モリブデン、タングステン、または炭化タングステンから作られ得る。
【０１５０】
いくつかの実施形態では、圧電材料は、強誘電体材料、単結晶強誘電体材料、鉛フリー強誘電体材料、および圧電性ポリマ材料からなる群から選択される。たとえば、既に述べたように、圧電材料は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）とすることができる。
【０１５１】
いくつかの実施形態では、ポリママトリクスは、エポキシから作られ、非圧電材料は、酸化ハフニウム粉末である。
【０１５２】
超音波トランスデューサ１００はまた、隣接する離間された圧電領域１０の間に配置され、フィラ材料１２と接触する１つまたは複数の電気絶縁領域を提供され得る。電気絶縁領域は、第４の音響インピーダンスおよび第４の比誘電率を有する。いくつかの実施形態では、第４の音響インピーダンスは、第１の音響インピーダンスに近く、第４の比誘電率は、第１の比誘電率よりも小さい。たとえば、限定することなく、電気絶縁領域は、セラミックまたはガラスから作られ得る。電気絶縁領域の形状は、変化することができる。電気絶縁領域は、たとえば、限定することなく、細長形状を有することができ、バー形状の電気絶縁領域を画定でき、球形状を画定するか、または球形状であることができる。
【０１５３】
ここで、超音波トランスデューサにおいて使用される材料に目を向けると、マトリクス材料に異なる体積分率のフィラ粉末および／または異なるフィラ粉末を使用すると、異なる音響インピーダンスのフィラが可能になることが理解されよう。たとえば、当業者は、エポテック３０１エポキシおよびＨＦＯ粉末を様々な体積分率で混合することにより、ほぼ３から約１０ＭＲの音響インピーダンスを有する粉末装填エポキシ材料を実際に実現できることを理解するであろう。１つの実施形態では、フィラ材料１２は、約７から約８ＭＲの音響インピーダンスを有するように設計される。圧電複合層１０２は、非複合圧電とは異なる特性を示すことも理解されよう。たとえば、非複合圧電素子は、比較的高いＱファクタを有することができるため、本質的に比較的低帯域幅の材料になる。しかしながら、この実施形態では、低インピーダンスのマトリクス材料を使用して１  ３ＰＺＴ圧電複合物を形成すると、単純なＰＺＴプレートベースの素子と比較した場合に、改善された帯域幅および効率を提供する。さらに、１  ３複合ＰＺＴは、純粋なＰＺＴと比較して低い誘電率も示し、大きな単一素子設計からのより実用的な電気インピーダンスを可能にする。現在の説明の範囲から逸脱することなく、他の圧電材料が、他の実施形態で使用され得ることが理解されよう。そのような圧電材料は、限定されないが、ニオブ酸リチウム、様々なＰＺＴベースの材料（たとえば、ＰＺＴ  ８またはＰＺＴ  ５Ｈ）、強誘電性リラクサベースのセラミックおよびリラクサベースの単結晶（たとえば、ＰＭＮ−ＰＴ）、石英、および、より高い帯域幅、より高い感度、またはより低いコストなど、所望の用途に適した特性を有する他の圧電材料を含む。そのため、圧電ピラー間に比較的高い音響インピーダンスの粉末装填カーフフィラを使用すると、たとえば、限定することなく、チタンまたはジルコニウムなどの比較的高い音響インピーダンスを有する材料に、圧電複合トランスデューサを適合させたい場合は、通常、１ＭＲから３ＭＲの範囲のフィラを使って構築される既存の圧電複合物と比較して、高い自由度の音響インピーダンス、電気インピーダンス、およびピラーアスペクト比の間のより適切なトレードオフが可能になる。いくつかのシナリオでは、高い音響インピーダンスカーフフィラにより、ピラー間の音響分離が低下し、複合物の電気機械結合係数が低下する場合がある。しかしながら、提案されたトレードオフは、複合物からターゲット材料またはＤＵＴへの結果として生じる音響経路の改善された音響整合および帯域幅に照らして許容できると見なされ得る。ＨＦＯ粉末充填マトリクス材料を使用すると、圧電材料の比較的低い体積分率（たとえば、７３％ＰＺＴ  ｖｏｌ／ｖｏｌ）を使用して、２７．４ＭＲの平均音響インピーダンスを達成できる。比較として、既存の圧電複合材料は、典型的な３ＭＲの未充填エポキシに対して約７８％を必要とする。圧電複合層１０２内の圧電材料のより低い体積分率は、音響整合を犠牲にすることなく、より高い電気インピーダンスを達成することを可能にする。さらに、７３％の体積分率によりダイシングがより効率的になり、より大きなブレードの使用が可能になり、製造プロセ��が容易になるだけでなく、設計者がピラーのアスペクト比を最適化して、最適なバーモード共振を達成する自由度が高まる。複合物に粉末装填マトリクスを使用する別の利点は、粉末装填エポキシマトリクスを変更して、ピラーの寸法およびダイシングを変更する必要なく、圧電複合物の音響インピーダンスを微調整できることである。ピラーの設計およびピラーの寸法ならびに関連するダイシングにおけるそのような変更は、費用がかかることが知られている。
【０１５４】
ここで、超音波トランスデューサ１００の音響インピーダンスに目を向けると、いくつかの実施形態では、圧電複合層１０２の音響インピーダンス特性は、約１５ＭＲから約３０ＭＲの範囲である。以前に確立されたように、このインピーダンス特性は、圧電複合層１０２を形成する各材料のインピーダンスの組合せである。これに関して、いくつかの実施形態では、第１の音響インピーダンスは、約３０ＭＲから約４０ＭＲの範囲であり、第３の音響インピーダンスは、約７ＭＲから約８ＭＲの範囲である。圧電複合層は、サンプルと音響的に整合され、いくつかの実施形態では、電気絶縁非圧電複合層１２２を含めることによってサンプルから電気的に絶縁され得ることに留意されたい。
【０１５５】
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサ１００は、１つまたは複数の電極１１２と電気的に通信するバッキング層１１４をさらに含む。シナリオによっては、バッキング層は、不整合層として機能する場合がある。
【０１５６】
超音波トランスデューサは、図１および図２に示されるように、接地電極１１８を含むことができる。接地電極１１８は、圧電複合素子１０２の遠位面１０８に配置される。いくつかの実施形態では、接地電極１１８はまた、超音波トランスデューサ１００によって生成された熱を拡散するためのヒートスプレッダとして機能し得る。接地電極１１８は、必ずしもヒートスプレッダとして機能する訳ではないことに留意されたい。
【０１５７】
圧電複合層１０２およびサンプルまたはターゲット材料１０４は、音響経路を間に画定する。いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサ１００は、圧電複合層１０２とサンプル１０４との間に、音響経路に沿って配置されたほぼ無損失の音響整合層１２０をさらに含む。ほぼ無損失の音響整合層１２０は、接地電極１１８の遠位面に隣接して接触して配置される。ほぼ無損失の音響整合層１２０は、導電性であり、実質的に低い熱インピーダンスを有する。超音波トランスデューサを使用してチタンを超音波処理する場合、音響整合層１２０はチタン製であり得る。音響整合層１２０は任意選択であり、いくつかの実施形態では、熱ヒートスプレッダ、ならびに機械的支持層として機能できることに留意されたい。機械的支持は、接地層を補強し、超音波トランスデューサ１００の製造中にも有益であり得る。一般に、音響整合層１２０を有することは可能ではないが、超音波トランスデューサ１００内のすべての層が音響的に整合されているという事実のためである。音響整合層１２０は、圧電素子１０２のすぐ隣の音響設計に通常は含めることができなかった効果的なヒートスプレッダである。通常、音響整合層の材料は、ＤＵＴの材料と同じであることが期待される。すなわち、トランスデューサ１００が整合するように設計されたものと同じ材料である。たとえば、限定することなく、ＤＵＴがチタンである場合、音響整合層１２０材料を、チタンよりも比較的良好な熱伝導率を有するが、チタンとほぼ同等の音響インピーダンスを有する亜鉛のように、望ましい特性を有する別のよく整合された材料を選択することは可能である。これは、層の厚さと音響インピーダンス以外の特性を、設計において簡単に対応できるため、設計上の課題を最小限に抑えた音響的に整合されたスタックで可能である。
【０１５８】
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサ１００は、摩耗層１２４をさらに含む。摩耗層１２４は、圧電複合層１０２と音響的に整合される。摩耗層１２４は、超音波トランスデューサ１００の他の層と音響的に整合され得る。いくつかの実施形態では、摩耗層１２４は、電気絶縁セラミック複合層１２２の遠位面と音響的に接触する。摩耗層１２４は、特にその材料が多くの金属のようにほぼ無損失である場合、ＤＵＴと同じ材料であり得る。たとえば、チタンを超音波処理するように設計された１つの実施形態では、摩耗層１２４は、３ｍｍの厚さのチタン層から作られる。この実施形態では、摩耗層１２４は、トランスデューサ信号および接地から電気的に絶縁されるように構成され、トランスデューサアセンブリをＤＵＴから電気的に絶縁することを可能にする。
【０１５９】
いくつかの実施形態では、圧電複合層１０２の冷却を支援および促進するために、ロバストな熱的および機械的接地構造が提供される。１つの非限定的な実施形態では、圧電複合層１０２は、３ｍｍの厚さのチタンのディスクに接着され、したがって、電気接地導体への熱冷却経路を確立し、接地電極を確立する。ベースは、圧電複合物とスタックとの製造を支援する機械的支持としても機能する。いくつかの実施形態では、導電性ディスクは、約１０ＭＲから３０ＭＲ超の音響インピーダンスの範囲をカバーする超音波トランスデューサ１００の広範囲の用途のためのターゲット材料および／または音響インピーダンスまたはターゲット材料に一致するように選択することができる。いくつかのシナリオでは、ターゲット材料１０４が導電性である場合、たとえば、ターゲット材料が金属である場合、ディスクは、実際には、ターゲット材料と同じ材料であり得る。次に、低損失摩耗プレートを電気絶縁層の遠位面に接着して、絶縁層のために追加の機械的支持を提供し、優れた耐湿性を提供することができる。一般に、摩耗プレートは、ターゲット材料自体から作られ、例示的な実施形態の場合、厚さ３ｍｍのチタンであるように選択される。
【０１６０】
いくつかの実施形態では、圧電複合層１０２は、ほぼ２４００ミクロンの厚さを有する。従来技術の超音波トランスデューサは、通常、提供されるすべての層の厚さに制約があることに留意されたい。超音波トランスデューサ１００は、同じ音響インピーダンスを有するすべての層を有するので、層の厚さに対する制限または制限の低減はない。層は、用途による必要に応じて厚くすることもまたは薄くすることもできる。１つの実施形態では、音響整合層１２０は、ヒートシンクとして機能するのに十分な質量を提供するために、より厚い。したがって、圧電層１０２の遠位にあるトランスデューサの層は、圧電層の遠位の層の音響インピーダンスが整合されるか、またはほぼ整合されることを条件として、任意の厚さであり得る。そのような構成は、層の厚さに関係なく、遠位層の他の特性を最適化する可能性を有効にする。一例では、整合層１２０は、音響性能についての懸念が少ない機械的ロバスト性を達成するために厚くされ得るか、または音響性能に影響を与えることなくコストを低減するために薄くされ得る。また、圧電層１０２に隣接して近位側にある超音波トランスデューサ１００の層は、トランスデューサ１００の出力効率を高めるために適切な厚さおよび材料でなければならない。
【０１６１】
いくつかの実施形態では、離間された各圧電領域１０は、互いに２００ミクロン間隔で配置され、正方形の断面を有し、正方形の断面は、１０００ミクロン×１０００ミクロンである。圧電複合層１０２は、ターゲット材料１０４に応じて、異なる圧電体積分率を有することができる。いくつかの実施形態では、圧電複合層１０２は、約７０％から約８０％の範囲の圧電体積分率を有する。
【０１６２】
超音波トランスデューサ１００またはその構成要素は、電気絶縁ハウジング内に収容され得る。
【０１６３】
ＲＦ電気コネクタ１３８も提供され得る。ＲＦ電気コネクタ１３８は、電気接続（たとえば、ワイヤ）を介して電極１１２に動作可能に接続される。これは、超音波信号源１１０への電気的接続を提供する。
【０１６４】
いくつかの実施形態では、銅（Ｃｕ）接地リターンおよび熱リターン１３２も提供される。Ｃｕ接地リターンおよび熱リターン１３２は、少なくとも部分的に、Ｃｕリド１３２、バッキング層および／または不整合層１１４、電極１１２、圧電複合層１０２、および接地１１８を収容するためのハウジングを提供する。Ｃｕ接地および熱リターン１３２は、前述した項目を収容するための任意の適切な形状であり得ることが理解されよう。図に示される例示された実施形態では、Ｃｕ接地リターンおよび熱リターン１３２は、形状が環状である。Ｃｕリド１３４銅は、熱および／または電気を伝導するのに役立つ。いくつかの実施形態では、Ｃｕリド１３４、Ｃｕ接地リターンおよび熱リターン１３２、不整合／バッキング層１１４、電極１１２、ＰＺＴ複合物１０２、および接地１１８がともに圧入され、単一のユニットが形成される。接地１１８は、任意選択で、Ｃｕ接地リターンおよび熱リターン１３２への良好な熱的および電気的接触を確実にするために、刻み付きエッジ(knurled edge)を含むことができる。
【０１６５】
既に述べたように、現在の説明に記載されている技法、デバイス、装置、および方法は、超音波を生成および送信する（「送信モード」）、超音波を検出および受信する（「検出モード」）、またはその両方を実施できる。いくつかの実施では、本開示による超音波トランスデューサは、たとえば、限定することなく、医療衝撃波治療システムを駆動するように設計されたトランスデューサなど、他の目的のために音響エネルギを送達するために使用され得る。これらの実施では、超音波トランスデューサ１００は、ターゲットに向けて音響信号を放射するように構成される。これらの実施形態では、超音波トランスデューサはまた、少なくとも部分的に分離された音響インピーダンスおよび電気インピーダンス特性を有する圧電複合層１０２を含む。圧電複合層１０２は、離間された圧電領域１０のアレイ、フィラ材料、および非圧電材料１５を含む。離間された各圧電領域１０は、第１の音響インピーダンスおよび第１の比誘電率を有する圧電材料から作られる。フィラ材料１２は、隣接する離間された圧電領域１０の間に配置され、第２の音響インピーダンスおよび第２の誘電率を有するポリママトリクス１３を含む。非圧電材料１５は、ポリママトリクス１３と接触しており、第３の音響インピーダンスおよび第３の比誘電率を有する。第２の音響インピーダンスは、（圧電材料の）第１の音響インピーダンスよりも小さく、第２の比誘電率は、第１の比誘電率よりも小さく、第３の比誘電率は、第２の音響インピーダンスよりも大きく、第３の比誘電率は、第１の比誘電率よりも小さい。この実施による超音波トランスデューサは、圧電複合層１０２と電気的に通信する１つまたは複数の電極１１２をさらに含む。電極１１２は、電気信号を圧電複合層１０２に送信し、それによって、ターゲットに向かう音響信号を生成するように動作可能である。
【０１６６】
既に述べたように、超音波トランスデューサ１００が、超音波処理される材料から電気的に絶縁されることが、たとえば、限定することなく、医療用途の状況において、または超音波処理された材料が電気によって容易に損傷され得る場合に有用であり得る。超音波トランスデューサ１００のそのような実施は、前述した実施形態と同様であり得、サンプル１０４と音響的に通信するように構成され、少なくとも部分的に分離された音響インピーダンスおよび電気インピーダンス特性を有する圧電複合層１０２を含む。この実施による圧電複合層１０２は、離間された圧電領域１０のアレイを含み、離間された各圧電領域１０は、圧電材料と、隣接する離間された圧電領域１０の間に配置されたフィラ材料１２とから作られ、フィラ材料１２は、ポリママトリクス１３と、ポリママトリクス１３と接触する非圧電材料１５とを含む。図１および図２に例証されるように、この実施による超音波トランスデューサ１００は、圧電複合層１０２をサンプル１０４から電気的に絶縁するために、圧電複合層１０２の上方に、または接触して延在する電気絶縁セラミック複合層１２２をさらに含む。電気絶縁セラミック複合層１２２は、圧電複合層１０２およびサンプル１０４に音響的に整合される。これらの実施では、電極１１２は、圧電複合層１０２と電気的に通信する。
【０１６７】
いくつかの実施形態では、電気絶縁セラミック複合層１２２は、音響的に整合されており、ダイスおよび充填された電気絶縁セラミック複合層１２２である。セラミック複合層１２２は、上記で説明された無損失音響層１２０の遠位面上に配置され、かつ／または機械的に接触され得る。絶縁層１２２は一般に無損失ではなく、その厚さは、電気的絶縁と許容可能な音響損失との妥協点であることに留意されたい。１つの非限定的な実施形態では、電気絶縁層１２２の厚さは１．４ｍｍであり、７５０μｍのピラーおよび２００μｍのカーフを備えた９５０μｍのピッチを有する。電気絶縁層１２２のカーフフィラ材料は、ＨＦＯエポキシであり得る。別の非限定的な実施形態では、電気絶縁層１２２は、アルミナから作られたベースセラミックを含む。さらに別の非限定的な実施形態では、ベースセラミックは、約３０ＭＲ超の音響インピーダンスを有する他の任意のセラミックであり得る。この実施形態の文脈において、解決されるべき一般的な問題は、約１５ＭＲから３０ＭＲの音響インピーダンスを有する電気絶縁材料が不足していることであることが理解されよう。分離の程度および許容可能な音響損失が、層の厚さに関する唯一の考慮事項であるため、電気絶縁層１２２を使用することで、この一般的な問題に対処した。
【０１６８】
電気絶縁層１２２に対する厚さの変化によって、デバイスの帯域幅または周波数応答に重大な影響が生じないことに留意されたい。いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサ１００は、超音波トランスデューサを含めるための電気絶縁ハウジング１３６を含む。
【０１６９】
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサ１００は、接地電極層１１８の遠位面に隣接して接触して配置された音響整合絶縁層１２２をさらに含む。層１２２は、固体絶縁材料または複合物から作られ得、所望の音響インピーダンスおよび許容可能な音響損失の両方を示し、ならびにデバイスに必要な電気的絶縁を達成するのに十分な絶縁耐力および誘電率を有するべきである。１つの実施形態では、絶縁層は、アルミナおよびＨＦＯ充填エポキシの１  ３複合層で構成され、約２７ＭＲの音響インピーダンスを達成し、チタンとの音響整合を実現する。この整合絶縁層１２２は、整合層ではなく、それ自体が圧電複合層と同様の方式で適合され、その結果、それがターゲット材料と実質的に同じ音響インピーダンスを有することが理解されるべきである。整合絶縁層１２２は本質的に広帯域であり、音響複合物の通常の場合のように、ピラーのサイズおよびピッチによって決定される上限カットオフ周波数よりも低い平坦な周波数透過係数を有する。電気絶縁層の厚さは周波数に依存せず、許容可能な減衰と許容可能な漏電電流の管理に関連するため、設計要素にすぎない。
【０１７０】
実施の例
超音波トランスデューサの様々な可能な実施について説明する。
【０１７１】
１つの実施では、超音波トランスデューサ１００は、単一素子トランスデューサである。単一素子トランスデューサは、次の特性、すなわち、５０ｍｍの単一素子音響アパチャ、中心周波数で５０オームの大きさの電気インピーダンス、広帯域周波数応答（一方向、約１００％の−６ｄＢの部分帯域幅）、約０．６ＭＨｚの中心周波数、およびチタンに整合された音響インピーダンス（約２７．４ＭＲ＋／−約０．５ＭＲ）を有する。これらの特性に加えて、この実施は、電気的であるが主に熱的との両方で接地電極の有効性を強化する比較的厚い熱伝導層を包含するため、高出力処理能力および熱放散特性を示す。たとえば、ＤＵＴが金属、たとえばチタンの場合、この層はＤＵＴ材料と同じ材料で作られ得る。この包含は、圧電素子の遠位側に隣接し、ＤＵＴ材料と同じ音響インピーダンスを有する圧電複合素子を含む音響スタックの全部分のために可能である。この実施では、圧電複合層１０２は、ＰＺＴの１  ３複合物であり得、フィラ材料１２は、約２７．４ＭＲに非常に近い音響インピーダンスを有するように設計されたＨＦＯ粉末装填エポキシ製であり得、結果として、チタンと音響整合する。これは、ほぼ３４．５ＭＲである非複合ＰＺＴの音響インピーダンスよりも比較的低く、通常、８ＭＲから１６ＭＲの間のＰＺＴの典型的なポリマ充填圧電複合物よりもはるかに高いことを理解されたい。この実施では、効率と熱的なロバスト性のブレンドのためにＰＺＴが選択される。複合物を作成するためにＰＺＴプレートにおけるカーフを充填するために使用されるマトリクス材料として、ＨＦＯ粉末装填エポキシが選択される。ＨＦＯ粉末装填エポキシは、ほぼ７ＭＲから約８ＭＲの比較的高い音響インピーダンスを有し、結果として得られる１  ３複合物に、チタンの音響インピーダンスに厳密に整合された音響インピーダンスを持たせることができる。この実施では、圧電複合層１０２は、１２００ミクロンのピッチで発生し、２００ミクロンのカーフによって規則的に分離された、１０００μｍ×１０００μｍのＰＺＴのピラー（正方形の断面を有する）を有する。複合圧電素子／層１０２の厚さは、２４００μｍである。
【０１７２】
別の実施では、意図された音響負荷媒体への広帯域および低損失結合メカニズムを有する電気的に絶縁されたトランスデューサが提供され、これは、圧電複合層の最適化と、バッキングおよび／または不整合層の設計とによってほぼ排他的に中心周波数および周波数応答について最適化され得る。圧電複合物の遠位側での整合は不要であり、音響スタックのほぼ完全に平坦な周波数応答が、圧電複合物とセラミック複合素子との両方のために選択されたピラーサイズおよび間隔によって決定される有効カットオフ周波数よりも低いすべての周波数で達成される。この実施により、１４０％を超える一方向の部分帯域幅を有する超音波トランスデューサを、指定されたターゲット媒体と連携して使用する限り、遠位面の整合層を必要とせずに設計できる。たとえば、限定することなく、チタンとその合金、スズ、アルミニウム、および多くのアルミニウム合金、亜鉛、ジルコニウム、鉛、および約１５ＭＲから約３０ＭＲの範囲の音響インピーダンスを有する他の合金など、それぞれの音響インピーダンスに適合され得る超音波トランスデューサからの利益を受けることができる多くの異なる金属およびその他の導電性負荷が存在する。さらに、上記の範囲の音響インピーダンスを有する非金属材料も、それぞれの音響インピーダンスに厳密に整合するようにこの実施から利益を得ることができる。
【０１７３】
方法
以前に記載された超音波トランスデューサ１００の実施形態を製造するための方法も提供される。１つの実施形態では、製造された超音波トランスデューサ１００は、約６００ｋＨｚを中心とする周波数で動作するように設計される。この方法は、約２６００μｍの厚さを有するＰＺＴのプレートをカーフ切断するステップを含む。カーフは、平行切断から作られる。１つの実施形態では、このステップによって、約１．７ｍｍの中心間７００μｍのカーフが得られ、カーフの間に約１ｍｍの未切断材料を残す。この方法はまた、カーフにはめ込まれ、アルミナの両側に、カーフ充填エポキシ（たとえば、粉末装填エポキシであり、それを硬化することが可能）の１５０μｍのストリップで、所定の位置に接着されるアルミナのバー（たとえば、約４００μｍの幅を有する）を提供するステップを含む。この方法はまた、最初の切断のセットに対して９０度でプレートを切断し、それによって、（約１．７ｍｍの中心間間隔で、約７００μｍのカーフを有する）同様のカーフを画定するステップを含む。続いて、切断されたカーフに、同様の幅４００μｍのアルミナバーと、カーフ充填粉末装填エポキシとを充填できる。得られた圧電複合層は、８２％のＰＺＴ複合物と同等の音響インピーダンスを有し、たとえば、限定することなく、チタンに音響的に整合され得る。しかしながら、そのような複合物の電気インピーダンスは、５９％のＰＺＴ複合物において見られるものに近い。
【０１７４】
本明細書では、いくつかの代替の実施形態および例が説明および図示される。上記の実施形態は、例示のみを目的としている。当業者は、個々の実施形態の特徴、および構成要素の可能な組合せおよび変形を理解するであろう。当業者は、実施形態のいずれかが、本明細書に開示される他の実施形態と任意の組合せで提供され得ることをさらに理解するであろう。したがって、本実施例および実施形態は、すべての観点において例示的であり、限定的ではないと見なされるべきである。したがって、特定の実施形態が図示および説明されているが、現在の説明で定義されている範囲から大きく逸脱することなく、多くの修正が想起される。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【国際調査報告】
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