(57)【要約】流体不透過性トランスデューサは、トランスデューサヘッドおよびケーシングのアセンブリと、トランスデューサヘッドの後部のケーシング後方に配設されており、かつトランスデューサヘッドを通して音響エネルギーを伝達するように動作可能なアクチュエータと、を含む。トランスデューサヘッドおよびケーシングは、流体不透過性であるトランスデューサの作業部分を画定する。一実施形態では、ケーシングは、流体不透過性の接合部を介して金属集束レンズに接続された金属ケーシングを含む。
2021519543.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランスデューサであって、
ケーシングと、
金属集束レンズを含む流体不透過性トランスデューサヘッドであって、前記トランスデューサヘッドが、後面および前面を有し、前記金属集束レンズが、前記前面上に配設されており、かつ焦点に向かって超音波を集束させるように構成されている、流体不透過性トランスデューサヘッドと、
前記トランスデューサヘッドの前記後面に接着されており、かつ超音波が前記金属集束レンズから前記焦点に向かって放出されるように、前記金属集束レンズの発振的機械的振動を発生させるように動作可能なアクチュエータと、を備え、前記ケーシング内への液体の侵入を防止するために、前記ケーシングおよび前記トランスデューサヘッドが、流体不透過性の様式で接続されている、トランスデューサ。
【請求項２】
前記ケーシングが、流体不透過性の接合部を介して前記金属集束レンズに接続された金属ケーシングを含む、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項３】
前記流体不透過性の接合部が、溶接接合部を含む、請求項２に記載のトランスデューサ。
【請求項４】
前記ケーシング内へのガスの侵入を防止するために、前記ケーシングおよび前記トランスデューサヘッドが、流体不透過性の様式で接続されている、先行する請求項のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項５】
前記ケーシングおよび前記金属集束レンズが、一体的に形成されている、先行する請求項のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項６】
前記集束レンズが、球状の凹状面を含む、先行する請求項のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項７】
前記集束レンズが、円筒形の凹状面を含む、先行する請求項のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項８】
前記アクチュエータが、圧電トランスデューサである、先行する請求項のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項９】
前記トランスデューサヘッドの前記前面が、前記集束レンズを囲む周辺部分を含み、
前記周辺部分とインターフェース接続されており、かつ前記アクチュエータから前記周辺部分を通って放出される超音波エネルギーを吸収するように構成されている、減弱層をさらに備える、先行する請求項のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項１０】
前記集束レンズから媒体に超音波を伝達するために前記集束レンズに結合された整合層をさらに備え、前記整合層が、前記集束レンズから前記媒体への超音波の伝達を、前記集束レンズから前記媒体への超音波の直接伝達と比較して、強化するように構成されている、先行する請求項のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項１１】
前記集束レンズが、第１の音響インピーダンスを有し、前記媒体が、前記第１の音響インピーダンスとは異なる第２の音響インピーダンスを有し、前記整合層が、前記第１の音響インピーダンスと前記第２の音響インピーダンスとの間に整合する音響インピーダンスを有する、請求項１０に記載のトランスデューサ。
【請求項１２】
前記整合する音響インピーダンスが、式
【数１】
2021519543.tif 000005
に従って、Ｚｍとほぼ等しく、式中、Ｚｌが、前記第１の音響インピーダンスであり、Ｚｃが、前記第２の音響インピーダンスである、請求項１１に記載のトランスデューサ。
【請求項１３】
前記整合する音響インピーダンスが、Ｚｍの１０％以内である、請求項１２に記載のトランスデューサ。
【請求項１４】
前記整合する音響インピーダンスが、Ｚｍの５％以内である、請求項１２に記載のトランスデューサ。
【請求項１５】
前記整合する音響インピーダンスが、約４〜１０Ｍｒａｙｌの範囲内である、請求項１１〜１４のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項１６】
前記整合する音響インピーダンスが、約６〜８Ｍｒａｙｌの範囲内である、請求項１１〜１４のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項１７】
前記整合層が、グラファイトを含む、請求項１１〜１４のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項１８】
前記整合層が、フルオロポリマー層を含む、請求項１１〜１４のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項１９】
前記整合層が、ポリビニリデンジフルオリドを含む、請求項１１〜１４のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項２０】
前記整合層が、前記整合層を通過する公称周波数での音響信号の１／４波長の奇数倍に対応する厚さを有する、請求項１１〜１９のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項２１】
前記整合層の前記厚さが、前記１／４波長の前記奇数倍によって定義される公称厚さの２０％以内である、請求項２０に記載のトランスデューサ。
【請求項２２】
前記整合層の前記厚さが、前記１／４波長の前記奇数倍によって定義される公称厚さの１０％以内である、請求項２０に記載のトランスデューサ。
【請求項２３】
前記公称周波数が、２〜１５ＭＨｚの範囲である、請求項２０〜２２のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項２４】
前記整合層が、３０〜８０μｍの範囲の厚さを有する、請求項１０〜２３のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項２５】
前記前面上に配設された第１の整合層と、前記第１の整合層上に配設された第２の整合層と、をさらに備え、前記第１および第２の整合層が、前記集束レンズから媒体への超音波の伝達を、前記集束レンズから前記媒体への超音波の直接伝達と比較して、強化するように構成されている、先行する請求項のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項２６】
前記集束レンズが、第１の音響インピーダンスを有し、
前記媒体が、前記第１の音響インピーダンスとは異なる第２の音響インピーダンスを有し、
前記第１の整合層が、前記第１の音響インピーダンスと前記第２の音響インピーダンスとの間に第１の整合する音響インピーダンスを有し、
前記第２の整合層が、前記第１の整合する音響インピーダンスと前記第２の音響インピーダンスとの間に第２の整合する音響インピーダンスを有する、請求項２５に記載のトランスデューサ。
【請求項２７】
前記第１および第２の整合する音響インピーダンスが、
【数２】
2021519543.tif 000006
の場合に、それぞれＺｍ１およびＺｍ２とほぼ等しく、式中、Ｚｌが、前記金属の前記音響インピーダンスに対応し、集束レンズおよびＺｃが、前記媒体の前記音響インピーダンスに対応する、請求項２６に記載のトランスデューサ。
【請求項２８】
前記集束レンズが、前記アクチュエータよりも直径が大きい、先行する請求項のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項２９】
前記トランスデューサヘッドが、金属または金属合金で形成されている、先行する請求項のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項３０】
前記トランスデューサヘッドが、アルミニウム（Ａｌ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カドミウム（Ｃｄ）、炭素（Ｃ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、金（Ａｕ）、鉄（Ｆｅ）、鉛（Ｐｂ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、リン（Ｐ）、白金（Ｐｔ）、セレン（Ｓｅ）、シリコン（Ｓｉ）、銀（Ａｇ）、スズ（Ｓｎ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、バナジウム（Ｖ）、亜鉛（Ｚｎ）、またはジルコニウム（Ｚｒ）のうちの１つ以上を含む、先行する請求項のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項３１】
前記トランスデューサヘッドおよび前記ケーシングが、液体中に浸漬されたときに、液体浸透深さおよび誘導された材料損失がゼロであることを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項３２】
前記トランスデューサヘッドおよび前記ケーシングが、液体との接触による材料の重量損失が年間０．１％未満であることを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項３３】
前記アクチュエータが、前記トランスデューサによって発生した公称周波数での音響信号の公称音響波長のほぼ半分に等しい厚さを有する、先行する請求項のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項３４】
前記アクチュエータが、およそ２７５μｍに等しい厚さを有する、先行する請求項のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項３５】
前記アクチュエータによって伝達される音響エネルギーを減弱させるように構成されている、バッキング材料をさらに備え、前記アクチュエータが、前記バッキング材料と前記金属集束レンズとの間に位置付けられている、先行する請求項のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項３６】
前記バッキング材料が、音響減衰材料中に均一に懸濁された音響散乱材料の粒子を含む、請求項３５に記載のトランスデューサ。
【請求項３７】
前記バッキング材料が、減衰ポリマーマトリックスを含む、請求項３５に記載のトランスデューサ。
【請求項３８】
前記バッキング材料が、シリコンカーバイドの粒子を含浸させた減衰ポリマーマトリックスを含む、請求項３５に記載のトランスデューサ。
【請求項３９】
前記バッキング材料が、タングステンの粒子を含浸させた減衰ポリマーマトリックスを含む、請求項３５に記載のトランスデューサ。
【請求項４０】
前記バッキング材料が、１３．５〜１６．５Ｍｒａｙｌの範囲の音響インピーダンスを有する、請求項３５〜３９のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項４１】
前記ケーシングの内部空間を実質的に充填する密閉材をさらに備え、前記バッキング材料が、前記アクチュエータと前記密閉材との間に配設されている、請求項３５〜４０のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項４２】
前記トランスデューサによって発生した音響ビームの焦点長さが、十分に安定しており、前記焦点長さが、液体との接触によって年間０．１％未満の割合で変化する、先行する請求項のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項４３】
前記トランスデューサによって発生した音響ビームの偏心度が、十分に安定しており、前記偏心度が、液体との接触によって年間０．１％未満の割合で変化する、先行する請求項のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項４４】
前記トランスデューサが、流体不透過性であり、かつ２大気圧超で１３０℃を超える温度に曝露されたときの性能の変化に対して弾力性がある、先行する請求項のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項４５】
流体不透過性超音波トランスデューサを形成する方法であって、前記方法が、
流体不透過性材料から実質的に中空のケーシングを形成することであって、前記実質的に中空のケーシングが、内部空洞および開いた第１の端部を有する、形成することと、
前記流体不透過性材料からトランスデューサヘッド要素を形成することであって、前記トランスデューサヘッド要素が、前記ケーシングの前記開いた第１の端部と接続するようにサイズ決めされる、形成することと、
前記ヘッド要素の前面上に集束レンズを形成することであって、前記集束レンズが、焦点に向かって超音波を集束させるように構成されている、形成することと、
前記ヘッド要素を前記ケーシングの前記第１の端部と接合して、流体不透過性の接合部を形成することであって、前記ヘッド要素が、前記集束レンズが前記ケーシングから離れる方向を指すように位置付けられる、形成することと、
前記前面とは反対の前記トランスデューサヘッドの後面にアクチュエータを接着することであって、前記アクチュエータが、超音波が前記集束レンズから前記焦点に向かって放出されるように、前記集束レンズの発振的機械的振動を発生させるように動作可能である、接着することと、を含む、方法。
【請求項４６】
前記ヘッド要素を前記ケーシングの前記第１の端部と接合することが、前記ヘッド要素を前記ケーシングと溶接することを含む、請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記集束レンズを形成することが、精密機械加工プロセスを介して前記ヘッド要素の前記前面から材料を除去することを含む、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項４８】
前記ケーシング内に前記アクチュエータに隣接して、かつ前記アクチュエータの後方にバッキング材料を挿入することと、
密閉材で前記ケーシングの前記内部空洞の残りの部分を実質的に充填することと、をさらに含む、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項４９】
前記集束レンズに整合層を適用することをさらに含み、前記整合層が、式
【数３】
2021519543.tif 000007
に従って、Ｚｍに対応する整合する音響インピーダンスを有する材料を含み、式中、Ｚｌが、前記ヘッド要素に対応する第１の音響インピーダンスであり、Ｚｃが、媒体に対応する第２の音響インピーダンスである、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項５０】
前記整合層の厚さを減少させて、前記厚さを、前記整合層を通過する公称周波数での音響信号の１／４波長の奇数倍に一致させることをさらに含む、請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記整合層を通過する公称周波数での音響信号の１／４波長の奇数倍に対応する厚さで前記整合層を適用することをさらに含む、請求項４９に記載の方法。
【請求項５２】
前記ケーシング内に前記アクチュエータに隣接して、かつ前記アクチュエータの後方にバッキング材料を挿入することと、
前記ケーシング内に前記アクチュエータに当接し、かつ前記バッキング材料の周辺を中心として導電性リング要素を挿入することであって、前記導電性リングが、内側導電性部分および外側導電性部分を有する、挿入することと、
前記アクチュエータの第１の電極を前記導電性リング要素の前記内側導電性部分と接触させることと、
前記アクチュエータの第２の電極を前記導電性リング要素の前記外側導電性部分と接触させることと、をさらに含む、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項５３】
前記集束レンズに隣接する前記ヘッド要素の周辺に減弱層を適用することをさらに含む、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項５４】
前記集束レンズに整合層を適用することをさらに含み、前記整合層が、前記トランスデューサヘッドの第１の音響インピーダンスよりも小さい整合する音響インピーダンスを有する、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項５５】
流体不透過性超音波トランスデューサを形成する方法であって、前記方法が、
流体不透過性材料から実質的に中空のケーシングを形成することであって、前記実質的に中空のケーシングが、内部空洞、およびトランスデューサヘッド要素を画定する閉じた第１の端部を有する、形成することと、
前記ヘッド要素の前面上に集束レンズを形成することであって、前記集束レンズが、焦点に向かって超音波を集束させるように構成されている、形成することと、
前記前面とは反対の前記トランスデューサヘッドの後面にアクチュエータを接着することであって、前記アクチュエータが、超音波が前記集束レンズから前記焦点に向かって放出されるように、前記集束レンズの発振的機械的振動を発生させるように動作可能である、接着することと、を含む、方法。
【請求項５６】
前記集束レンズを形成することが、前記ヘッド要素の前記前面から材料を除去することを含む、請求項５５に記載の方法。
【請求項５７】
前記ケーシング内に前記アクチュエータに隣接して、かつ前記アクチュエータの後方にバッキング材料を挿入することと、
密閉材で前記ケーシングの前記内部空洞の残りの部分を実質的に充填することと、をさらに含む、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項５８】
前記ケーシング内に前記アクチュエータに当接し、かつ前記バッキング材料の周辺を中心として導電性リング要素を挿入することであって、前記導電性リングが、内側導電性部分および外側導電性部分を有する、挿入することと、
前記アクチュエータの第１の電極を前記導電性リング要素の前記内側導電性部分と接触させることと、
前記アクチュエータの第２の電極を前記導電性リング要素の前記外側導電性部分と接触させることと、をさらに含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
前記集束レンズに整合層を適用することをさらに含み、前記整合層が、式
【数４】
2021519543.tif 000008
に従って、Ｚｍに対応する整合する音響インピーダンスを有する材料を含み、式中、Ｚｌが、前記ヘッド要素に対応する第１の音響インピーダンスであり、Ｚｃが、媒体に対応する第２の音響インピーダンスである、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項６０】
前記整合層の厚さを減少させて、前記厚さを、前記整合層を通過する公称周波数での音響信号の１／４波長の奇数倍に一致させることをさらに含む、請求項５９に記載の方法。
【請求項６１】
前記整合層を通過する公称周波数での音響信号の１／４波長の奇数倍に対応する厚さで前記整合層を適用することをさらに含む、請求項５９に記載の方法。
【請求項６２】
前記集束レンズに隣接する前記ヘッド要素の周辺に減弱層を適用することをさらに含む、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項６３】
前記集束レンズに整合層を適用することをさらに含み、前記整合層が、前記トランスデューサヘッドの第１の音響インピーダンスよりも小さい整合する音響インピーダンスを有する、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項６４】
流体のリザーバから液滴を排出する方法であって、前記方法が、
請求項１〜４４のいずれかに記載のトランスデューサを含む流体不透過性トランスデューサを用いて、
前記トランスデューサから前記リザーバへ音響エネルギーを結合するように位置付けられた音響媒体中に前記集束レンズを浸漬することと、
前記リザーバの流体表面から液滴排出を引き起こすように構成された周波数で、前記アクチュエータによって音響パルスを発生させることと、
前記集束レンズを介して、前記アクチュエータから前記流体リザーバまで前記音響パルスを通過させることと、を含む、方法。
【請求項６５】
構造の超音波試験を実施する方法であって、前記方法が、
請求項１〜４４のいずれかに記載のトランスデューサを含む流体不透過性トランスデューサを用いて、
前記構造と流体接触する音響媒体中に前記集束レンズを浸漬することと、
前記アクチュエータによって音響パルスを発生させ、前記構造のスキャン領域に向けることと、
前記スキャン領域に対応する前記音響パルスのエコーを受信することと、
前記エコーの特性に基づいて、前記構造の前記スキャン領域の物理的パラメータを決定することと、を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
超音波トランスデューサは、超音波エネルギーを加えて生物内の組織を加熱または破壊する手順、および流体液滴を排出するプロセスのために、医用画像処理などの多種多様な用途で使用されている。上の事例のいずれかまたはすべては、超音波トランスデューサが音響エネルギーを小さな焦点に集束させることができることを必要とし得る。例として、音響手段を使用して流体液滴を生成するいくつかの方法としては、Ｅｌｌｓｏｎに対する米国特許第８，５４４，９７６号、およびＳｔｅａｒｎｓらに対する米国特許第６，４１６，１６４号に記載されるものが挙げられ、これらは両方とも、すべての目的のために参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
超音波音響放射を様々な手段によって集束させることができる。例えば、曲面を使用して、音響放射を焦点に向けるか、または焦点からそらすことができる。流体液滴を生成するプロセスでは、焦点を流体表面の近くに設置することができる。かかる技術の１つは、Ｌｏｖｅｌａｄｙらに対する米国特許第４，３０８，５４７号に記載されている。曲面によって音響エネルギーを集束させる一部の市販の音響トランスデューサには、Ｃａｍａｓｏｎｉｃｓ（Ｗｉｌｔｓｈｉｒｅ、ＵＫ）、ＧＥ／Ｋｒａｕｔｋｒａｍｅｒ、Ｓｏｎｉｃ  Ｃｏｎｃｅｐｔｓ，Ｉｎｃ．，（Ｂｏｔｈｅｌｌ、Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ、ＵＳＡ）、およびＳｏｎｏｔｅｃ（Ｈａｌｌｅ、Ｇｅｒｍａｎｙ）、Ｕｌｔｒａｎ  Ｇｒｏｕｐ（Ｓｔａｔｅ  Ｃｏｌｌｅｇｅ、ＰＡ、ＵＳＡ）製の一部の集束型浸漬トランスデューサが含まれる。音響エネルギーを集束させる他の方法としては、例えば、Ｑｕａｔｅらに対する米国特許第５，０４１，８４９号に記載される、フレネルレンズの使用が挙げられる。様々な汎用の曲面および球面トランスデューサが、非破壊試験（ＮＤＴ）産業、医療産業などに使用されている。本明細書で使用される場合、「浸漬」という用語は、ＮＤＴの浸漬の従来の定義（トランスデューサが液体結合流体中に部分的または完全に浸漬される）を示すだけでなく、より一般的な意味で、トランスデューサの任意の部分が液体に曝露される、すなわち、トランスデューサの一部分が流体と結合接触する用途を含むように使用され得る。
【０００３】
超音波トランスデューサは通常、アクチュエータと、アクチュエータが生成した音響エネルギーを凝縮する集束要素と、を含む。アクチュエータのいくつかの例としては、圧電要素および磁歪要素が挙げられる。動作中、アクチュエータは、超音波駆動周波数で信号によって駆動され、能動的な物理的要素で超音波振動を生成する。これらの振動は、液体またはゲル（例えば、水）などの周辺媒体内に放出され、そこから対象となる構造または媒体に放出される。例えば、液滴排出を伴う用途では、音響エネルギーは、トランスデューサから、水のような音響導電性流体または結合流体を通って、かつそこから、液滴が排出されるリザーバ内へと超音波振動の形態で伝達され得る。液体媒体中に浸漬されている間に音響エネルギーを一次的にまたは主に集束させるように設計されたトランスデューサは概して、浸漬トランスデューサと称される。
【０００４】
集束浸漬トランスデューサは、例えば、曲面を含み得るか、またはフレネルレンズもしくは同様の構造を用い得る、形状決めされた能動的な物理的要素を用いる。かかる事例では、面は、集束形状に正確に形成することができ、かつ液体媒体中に音響エネルギーを容易に伝達することができる材料から構成される必要がある。この目的のために、従来の集束浸漬超音波トランスデューサは、硬化されたエポキシ樹脂、セラミック、複合体、または同等の材料を用いて、集束レンズの集束形状を形成する。かかる集束レンズ材料は、成形または別のネット形状製造方法によって形成されてもよく、限定された期間まで概して防水であるが、かかる材料は劣化しやすく、長い期間にわたって水に曝露されると、徐々に水を吸う傾向があり、変形、音響性質の変化、および最終的にはトランスデューサの故障につながる場合があることがわかっている。かかるトランスデューサは、短期浸漬用途に適している場合があるが、長期浸漬を必要とする用途には、より高い精度と耐久性が必要である。従来のＮＤＴの手順に使用されるものなどの典型的な浸漬トランスデューサは、液滴排出トランスデューサと比較して、液体中で比較的低いデューティサイクルを有し、時間と共に一定の焦点長さを有する必要はない。しかしながら、音響液滴排出用途では、デバイスの性能は、焦点の一貫性、特に、長い浸漬時間にわたる一貫性にはるかに依存する。したがって、集束挙動の狭い範囲内で実施され、トランスデューサが長い期間にわたって浸漬されているにもかかわらず、その狭い範囲内に留まる、トランスデューサの集合体を有することが望ましい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書に記載される実施形態は、トランスデューサヘッドおよびケーシングのアセンブリを含むトランスデューサを含み、トランスデューサヘッドは、前方方向に面する集束レンズ、および後方方向に面するトランスデューサヘッドの後部を有する。ケーシングは、トランスデューサヘッドと接続されており、かつ後方方向に延在し、アクチュエータは、トランスデューサヘッドの後部のケーシング後方に配設されており、かつトランスデューサヘッドを通って前方方向に音響エネルギーを伝達するように動作可能である。流体不透過性は、本明細書に記載されるように、トランスデューサが使用される場合、作業流体中にやむを得ず浸漬されるトランスデューサの部分に少なくとも適用され得る。例えば、様々な実施形態によると、トランスデューサヘッドおよびケーシングは、流体不透過性であるトランスデューサの作業部分を画定し得る。流体不透過性とは、例えば、水もしくは同様に粘性反応性および非反応性の溶媒に対して不透過性、または非極性、極性プロトン性、および極性非プロトン性溶媒、特に、水／水性溶液（塩水を含む）、ＤＭＳＯ、アルコール、アルカン、油、界面活性剤などを含む一般的な液体および／もしくは溶媒系による浸透に対して不透過性であることも含み得る。いくつかの実施形態では、流体不透過性とは、従来の動作条件および滅菌手順中に使用されるものなどの高温／高圧の両方で、蒸気、例えば、溶媒蒸気、水蒸気、空気、または他の同等のガスに対して不透過性であることも含む。いくつかの追加の実施形態によれば、トランスデューサの作業部分以外は流体不透過性であり得、例えば、いくつかの実施形態では、ケーシングは液体貫入に対して完全に密閉され得る。
【０００６】
様々な実施形態によれば、ケーシングおよびトランスデューサヘッドは、１つ以上の流体不透過性の非吸収性固体材料、例えば、金属元素、金属合金、セラミック、または同等の材料で形成されている。トランスデューサヘッドおよびケーシングのいずれかまたは両方は、適切な音響性能を有する任意の好適な水不透過性材料で形成され得る。材料（単一部品の場合）またはアセンブリ（複数の部品の場合）は、好ましくは、気密性および流体（水を含むが、これに限定されない）不透過性を提供し、トランスデューサヘッドは、好ましくは、過度ではない、すなわち、以下に考察されるような高い音響損失および／または「リンギング」の増加を引き起こさない、音響インピーダンスを有する。好適な材料としては、例えば、アルミニウム、ベリリウム、カドミウム、ゲルマニウム、鉛、銀、スズ、チタン、亜鉛、ジルコニウム、上記のいずれかの合金、あるいは密閉材、ドーパント、または腐食、毒性、もしくは構造上の弱みを緩和するための同等の手段の有無にかかわらず上記の材料のいずれかを含有する複合体を挙げることができる。トランスデューサヘッド（またはレンズ）の材料選択は、流体不透過性だけでなく、機械的性質において比較的均質でもある従来のエポキシレンズとは対照的である。したがって、トランスデューサヘッド（またはレンズ）は、浸漬されたときに機械的に均質に保たれ、結果として、トランスデューサの耐用期間にわたって持続する良好なビーム対称性をもたらす。
【０００７】
ケーシングおよびトランスデューサヘッドは、好ましくは、水不透過性で非吸収性の接合部を生成する方法で接合さており、例えば、一緒に溶接もしくはろう付けされているか、共通の部品で形成されているか、または別様に恒久的に水不透過性接合されている。トランスデューサヘッドは、好ましくは、高精度用途のために再現可能な音の速度を伝達することができる材料から形成され、したがって、高い音響速度を有する材料が好ましい。代替的に、ケーシングおよびトランスデューサヘッドの一部の部分は、金属と組み合わせたセラミックまたはプラスチックなどの複数の材料で作製され得るが、アセンブリが長期の気密性に影響を与えないことを条件とする。例えば、プラスチックもしくはセラミックスリーブを金属ケーシングの周りに設置することができるか、あるいは金属を、トランスデューサヘッドおよび／もしくはトランスデューサヘッド構成要素を含むアセンブリの内側もしくは外側のいずれか、または内側および外側の両方にプレーティングすることができる。
【０００８】
様々な実施形態によれば、ケーシングおよびトランスデューサヘッドは、作業部分を画定する連続的な要素から形成されてもよく、集束レンズは連続的な要素のトランスデューサヘッド部分の上に直接形成されており、アクチュエータはケーシング内の集束レンズの後方に位置付けられている。
【０００９】
いくつかの実施形態によれば、集束レンズは、音響エネルギーを集束させるように構成されている、トランスデューサヘッドの凹状部分で形成される。この凹状部分は、球状音響レンズ、円筒状音響レンズ、または他の好適な音響集束形状から形成され得る。いくつかの実施形態では、集束レンズは、音響エネルギーを集束させるように構成されている、回折音響レンズを含み得る。集束レンズを取り囲む周辺部分は、トランスデューサヘッド周縁部を画定することができ、いくつかの実施形態では、トランスデューサヘッド周縁部上に減弱層が位置付けられ、減弱層は、音響エネルギーを吸収するように動作可能である。いくつかの実施形態では、補助トランスデューサを減弱層上に位置付け、減弱層によってトランスデューサから分離することができる。
【００１０】
トランスデューサヘッドは、集束レンズから整合層を通って媒体へと伝達される音響信号の損失を減少させるために、集束レンズ上に配設された整合層をさらに含み得る。したがって、整合層は、一緒にトランスデューサが機能することを意図した媒体の音響性質に部分的に基づいて選択され得る。典型的な音響媒体としては、水、水溶液、または水と同様の粘度を有する他の流体、ならびにＳＯＮＯＧＬＩＤＥ（Ｓｏｎｏｔｅｃｈ，Ｉｎｃ．，Ｂｅｌｌｉｎｇｈａｍ  ＷＡ）もしくはＳＯＮＯＧＥＬ（Ｓｏｎｏｇｅｌ  Ｖｅｒｔｒｉｅｂｓ  ＧｍｂＨ，Ｂａｄ  Ｃａｍｂｅｒｇ，Ｇｅｒｍａｎｙ）のような水／プロピレングリコール系ゲルカプラント、またはＡＱＵＡＬＥＮＥ（カナダ特許出願ＣＡ２１２７０３９  Ａ１）のような固体の乾燥したカプラントなどであるが、これらに限定されない、様々な低音響損失ゲルが挙げられる。整合層は、トランスデューサヘッドおよび媒体の音響インピーダンス間の音響インピーダンスを有し、典型的には、式１を参照して以下に定義される整合値に近い。整合層は、整合層を通過する公称周波数での音響信号の１／４波長の奇数倍に対応する厚さを有する。
【００１１】
本明細書に記載される実施形態はまた、流体不透過性トランスデューサを形成する方法を含む。例えば、様々な実施形態によれば、流体不透過性トランスデューサは、流体不透過性材料から実質的に中空のケーシングを形成することであって、実質的に中空のケーシングが、内部空洞および開いた第１の端部を有する、形成することと、流体不透過性材料から形成されたヘッド要素から材料を除去して、ヘッド要素上に集束レンズを形成することと、ヘッド要素をケーシングの第１の端部と接合して、流体不透過性の接合部を形成することと、によって作製され得る。ヘッド要素は、集束レンズがケーシングから離れる方向を指すように位置付けられ、ケーシング内にトランスデューサヘッドに隣接してアクチュエータを挿入することができる。集束レンズに隣接するヘッド要素の周辺に減弱層を適用することができる。
【００１２】
流体不透過性トランスデューサを形成する方法はまた、流体不透過性材料から実質的に中空のケーシングを形成することであって、実質的に中空のケーシングが、内部空洞、およびトランスデューサヘッドを画定する閉じた第１の端部を有する、形成することと、閉じた第１の端部の外側表面から材料を除去して、閉じた第１の端部上に集束レンズを形成することと、ケーシング内にトランスデューサヘッドに隣接してアクチュエータを挿入することと、を含み得る。ヘッド要素は、精密機械加工プロセスを介してヘッド要素内に形成された凹状音響レンズを含むことができ、整合層を集束レンズに適用することができ、整合層は、トランスデューサヘッドの第１の音響インピーダンス未満の整合する音響インピーダンスを有する。
【００１３】
本明細書に記載される実施形態はまた、本明細書に記載される流体不透過性トランスデューサの実施形態のいずれかによる流体不透過性トランスデューサを使用して、リザーバから流体の液滴を排出する方法を含む。具体的には、かかる実施形態は、トランスデューサからリザーバへ音響エネルギーを結合するように位置付けられた音響媒体または結合媒体中に流体不透過性トランスデューサの集束レンズを浸漬し、流体の液滴排出を続けることを含む。いくつかの実施形態では、流体リザーバおよび音響媒体は、同じ流体であっても、連続的なリザーバであってもよい。しかしながら、概して、音響媒体は、トランスデューサとリザーバとの間に位置付けられた流体またはゲル媒体であり、リザーバは結合媒体から分離された異なる流体を含む。トランスデューサは、リザーバの流体表面から液滴排出を引き起こすように構成された周波数で、アクチュエータによって音響パルスを発生させ、集束レンズを介し、かつ音響媒体を通って、アクチュエータから流体リザーバまで音響パルスを通過させる。
【００１４】
本明細書に記載される実施形態はまた、本明細書に記載される流体不透過性トランスデューサの実施形態のいずれかによる流体不透過性トランスデューサを用いた、構造の非破壊音響試験（ＮＤＴ）を実施する方法を含む。具体的には、かかる実施形態は、構造と流体接触する音響媒体中に流体不透過性トランスデューサの集束レンズを浸漬することと、アクチュエータによって音響パルスを発生させ、構造のスキャン領域に向けることと、を含む。スキャン領域に対応する音響パルスのエコーは、「リスニング」モードで同じトランスデューサによって、または第２のトランスデューサによって、およびエコーの特性に基づいて、構造のスキャン領域の物理的パラメータによって受信される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
本開示による様々な実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１６】
【図１】従来の先行技術の超音波トランスデューサの簡略化された断面図を示している。
【図２】本開示のいくつかの実施形態による、第１の流体不透過性超音波トランスデューサの側面図を示している。
【図３】図２の流体不透過性超音波トランスデューサの断面図を示している。
【図４】図２および図３の流体不透過性超音波トランスデューサの端面図を示している。
【図５】アクチュエータおよび集束レンズに注目した、図２〜図４の流体不透過性超音波トランスデューサの別の断面の斜視図を示している。
【図６】アクチュエータに注目した、図５の斜視図のより詳細な部分を示している。
【図７】本開示のいくつかの実施形態による、第２の流体不透過性超音波トランスデューサの側面図を示している。
【図８】図７の流体不透過性超音波トランスデューサの断面図を示している。
【図９】アクチュエータおよび集束レンズに注目した、図７および図８の流体不透過性超音波トランスデューサの断面図を示している。
【図１０】本開示のいくつかの実施形態による、第３の流体不透過性超音波トランスデューサの側面図を示している。
【図１１】図１０の流体不透過性超音波トランスデューサの断面図を示している。
【図１２】本開示のいくつかの実施形態による、整合層を用いる浸漬トランスデューサの作業構成要素の簡略化された模式図を示している。
【図１３】本開示のいくつかの実施形態による、複数の整合層を用いる浸漬トランスデューサの作業構成要素の簡略化された模式図を示している。
【図１４】本開示のいくつかの実施形態による、回折集束レンズを用いた浸漬トランスデューサの作業構成要素の簡略化された模式図を示している。
【図１５】いくつかの実施形態による、集束レンズの比較的大きな集束領域を有する湾曲した集束レンズの簡略化された側面概略図を示している。
【図１６】図１５に示される湾曲した集束レンズと同様の湾曲した集束レンズによって引き起こされたエコー信号のグラフィカルな図解を示している。
【図１７】いくつかの実施形態による、集束レンズの外側吸収層および比較的小さな集束領域を有する湾曲した集束レンズの簡略化された側面概略図を示している。
【図１８】図１７に示される湾曲した集束レンズと同様の湾曲した集束レンズによって引き起こされたエコー信号のグラフィカルな図解を示している。
【図１９】様々な実施形態による、様々な開口サイズを有するトランスデューサのエコー信号のグラフィカルな図解を示している。
【図２０】様々な実施形態による、様々な開口サイズを有するトランスデューサに関連付けられたビームサイズのグラフィカルな図解を示している。
【図２１】実施形態による、流体不透過性超音波トランスデューサで使用するための集束レンズを発生させるための例示的なシステムを示している。
【図２２】実施形態による、流体不透過性超音波トランスデューサを生成するための第１の例示的なプロセスを示している。
【図２３】実施形態による、流体不透過性超音波トランスデューサを生成するための第２の例示的なプロセスを示している。
【図２４】実施形態による、流体不透過性超音波トランスデューサを生成するための第３の例示的なプロセスを示している。
【図２５】トランスデューサの焦点長さに対応する特徴的な飛行時間（ＴｏＦ）を推定するための、流体不透過性トランスデューサのエコー遅延の関数としてのエコー振幅を図解するチャートである。
【図２６】焦点面における音響ビームの形状および対称性を推定するための、流体不透過性トランスデューサの焦点面を横切るエコー振幅を示す輪郭プロットである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下の説明では、様々な実施形態について説明する。説明の目的で、実施形態の完全な理解を提供するために、特定の構成および詳細を明記する。しかしながら、実施形態が他の構成で、または特定の詳細なしに実践され得ることも当業者には明らかであろう。さらに、記載される実施形態を不明瞭にしないために、周知の特徴は省略または簡略化され得る。
【００１８】
本明細書に記載の超音波トランスデューサの実施形態は、流体不透過性トランスデューサヘッドを用いる浸漬超音波トランスデューサを含む。流体不透過性超音波トランスデューサは、流体不透過性シェルをさらに含むことができ、流体不透過性シェルは、シェルおよび集束レンズの両方を形成し、かつその中にアクチュエータおよび関連する電気構成要素も包含する一体型部品であってもよい。かかる事例では、流体不透過性シェルおよび集束レンズは、同じ流体不透過性部分から形成され得る。集束レンズは、その上に整合層をさらに含むことができ、整合層は、集束レンズから液体媒体への音響エネルギーの伝達を改善する。
【００１９】
いくつかの実施形態によれば、超音波トランスデューサケースは、例えば、溶接、焼結、または同等の水密性取り付け手段によって流体不透過性ケースに永久的に固定されている、上に集束手段を含む集束レンズを備える流体不透過性トランスデューサヘッドを含み得る。アクチュエータは、アクチュエータが駆動信号によって起動されたときに振動をトランスデューサヘッドの中へ、およびトランスデューサヘッドを通して駆動することができるように、ケースの内側および集束レンズとは反対のトランスデューサヘッドの後部に隣接して配設される。アクチュエータは、例えば、圧電アクチュエータなどであるがこれに限定されない、任意の好適な電気機械アクチュエータを含み得る。
【００２０】
本明細書に記載される流体不透過性とは、例えば、水もしくは同様に粘性反応性および非反応性の溶媒に対して不透過性、または非極性、極性プロトン性、および極性非プロトン性溶媒、特に、水／水性溶液（塩水を含む）、ＤＭＳＯ、アルコール、アルカン、油、界面活性剤などを含む一般的な液体および／もしくは溶媒系による浸透に対して不透過性であることも含み得る。いくつかの実施形態では、流体不透過性とは、従来の動作条件および滅菌手順中に使用されるものなどの高温／高圧の両方で、蒸気、例えば、溶媒蒸気、水蒸気、空気、または他の同等のガスに対して不透過性であることも含む。
【００２１】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載される流体不透過性トランスデューサは、本開示から別段に仮定され得る通常の大気圧条件を超える広範囲の状態で流体不透過性のままである。流体（蒸気を含む）不透過性は、通常の実験室の圧力および温度、ならびに高圧および高温の両方で望ましく、これは、これらが、別様に浸透剤をトランスデューサ内に駆動し得る要因であるためである。例えば、トランスデューサを滅菌し易くすること、ひいては、少なくともいくつかの実施形態は、いずれの検出可能な性能の変化を誘導することなく、少なくともオートクレーブ滅菌条件下（例えば、２大気圧超、好ましくは３大気圧超で約１３０℃）で液体および／または蒸気に対して不透過性であることには相当な有用性がある。トランスデューサの性能基準としては、焦点長さ、効率、音響ビームの形状もしくは偏心度、貫入もしくは他の環境要因に対する耐性、経時的な動作の一貫性、および／または信号対雑音要件を挙げることができるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態によれば、ＲＦコネクタなどのトランスデューサに関連付けられた任意のコネクタは、キャップ内の極端な条件への曝露中に密閉され得るか、または標準的な高圧／高温気密ＲＦコネクタ設計およびレーザ溶接技術を使用して、そのコネクタをトランスデューサケーシングに接合することによって、極端な圧力および高温での流体中の水浸のために設計され得る。
【００２２】
超音波トランスデューサの集束レンズは、音響エネルギーを集束させるように形状決めされ得る。いくつかの特定の実施形態では、集束レンズは、凹状の球状、放物線状、円筒状、または他の集束形状を有し得る。集束レンズは、成形、鋳造、精密機械加工、三次元印刷、フロー形成、コーティング、エッチング、または他の好適な形状決めもしくは形成手段、あるいはそれらの組み合わせによって形状決めすることができる。いくつかの実施形態によれば、集束レンズは、その上に整合層をさらに含む。整合層は、集束レンズおよび液体媒体の音響インピーダンス間に入る音響インピーダンスを有する材料の薄い層から形成され、全体的な遷移損失を減少させるために、集束レンズ、整合層、および液体媒体の材料間の段階的な遷移に従って音響エネルギーを伝達するように構成されている。
【００２３】
トランスデューサヘッドの後部は、エポキシもしくはアルコキシシランまたは他の好適に堅牢な永久接着剤によってアクチュエータに接合することができ、それにより、アクチュエータによって誘導された振動は、トランスデューサヘッドに確実に伝達され、集束レンズから隣接する材料、典型的にはその焦点に向かって音響エネルギーを伝達するためのカプラントへと通過する。
【００２４】
いくつかの実施形態によれば、アクチュエータを、トランスデューサヘッドの後部とバッキング材料との間に挟むことができ、バッキング材料は、アクチュエータからトランスデューサヘッドを通って液体媒体へと音響エネルギーを前方に向けること、ならびにアクチュエータ層の後部に向かって進む音響エネルギーを吸収し、それに伴って、アクチュエータの反響を減衰させ、エコーを減少させ、かつよりクリーンな信号をもたらすことを助ける。例えば、いくつかの実施形態では、バッキング材料は、銅、インジウム−鉛、二酸化チタン、タングステン、またはこれらのもしくは同様の材料の組み合わせなどの音響散乱材料を含み得る。また、いくつかの実施形態では、バッキング材料中の音響吸収材料は、エポキシ、ポリウレタン、シリコーン、または同様の材料の組み合わせであってもよい。散乱材料および吸収材料の両方が粒子として存在し、音響吸収材料のマトリックス内に分散され得る。アクチュエータは、熱硬化性エポキシ樹脂などのような永久接着剤の薄い層によって、トランスデューサヘッドおよびバッキング材料のうちの一方または両方に接合され得る。
【００２５】
バッキング層、および特にその均一性は、トランスデューサの全体的な性能に影響を与える可能性がある。特に、２つ以上の構成要素を含むバッキング層組成物については、構成要素の空間分布が重要な考慮事項であり得る。例えば、音響吸収材料中に懸濁された音響散乱材料を含むバッキング層では、その２つの間の密度に著しい差異がある場合、例えば、形成中に生じ得る架橋、冷却、ゲル化、重合、または他のプロセスに起因して、構成要素のうちの一方が他方の移動に対してより抵抗するようになるため、定着を回避するために製作中の均一性を保つように注意する必要がある。バッキング層材料の均一性は、様々な製造方法によって達成され得る。例えば、不均一な分布をもたらし得る浮揚力は、バッキング層材料内の密度差が構成要素間の相対的な動きを作り出すのに十分なほど大きい場合に、製作中に転回させるなどの方法によって軽減され得る。
【００２６】
アクチュエータは、圧電アクチュエータなどの任意の好適な電気機械アクチュエータであってもよい。特定の実施形態では、アクチュエータは、限定されるものではないが、薄いセラミック圧電要素などの圧電ディスクである。かかる要素は、アノードおよびカソードが接着された薄い圧電セラミック要素を含み、アノードおよびカソードのうちの一方は、中心を被覆する薄い導電性ディスクから形成され、ディスク表面の一部またはほとんどがセラミック要素の一方の側のものであり、アノードおよびカソードのうちのもう一方は、アクチュエータディスクの後側にアクチュエータの側面を包み込む別の薄い導電性ディスクから形成され、アノードおよびカソードへの電気接続は、アクチュエータの後側に位置付けられた円筒形リングの形状の絶縁材料から作製された導電体リングによって提供される。導電体リングは、内側および外側の表面をコーティングする導電性トレース、例えば、銅を有する。導電体リングは、セラミック要素の縁の上またはその周りに位置付けられており、かつ任意の好適な方法、例えば、導電性エポキシ、はんだ付け、または同等の方法によって、アノードおよびカソードの導電性ディスクと電気接続されている。したがって、アノードおよびカソードが、短いインパルスまたはトーンバースト波形などの電気駆動信号を用いて導電体リングを介して供給される場合、セラミック要素は、駆動信号に従ってダイヤフラムとして作用し、振動する。好適な圧電セラミック要素としては、バリウムチタネート、ポリビニリデンジフルオリド、鉛ジルコネートチタネート組成物、リチウムニオベート、亜鉛オキシド、アルミニウムニトリド、および同等の材料が挙げられるが、これらに限定されない。
【００２７】
特定の実施形態を、図を参照して以下に詳細に説明する。
【００２８】
図１は、ケース１０２、およびケース内にアクチュエータ１１６に隣接して挿入されているトランスデューサヘッド１０４を含む、従来の超音波トランスデューサ１００の簡略化された断面図を示している。トランスデューサヘッド１０４は、例えば、成形されたエポキシ樹脂、シリコーン、または他の同等の材料から形成され得る。トランスデューサヘッド１０４は、トランスデューサヘッドとケース１０２との間のインターフェース１０８を有し、トランスデューサヘッドは、トランスデューサヘッドとケースとの間の液体の貫入を防止するように理論的にサイズ決めされるが、時間と共に、トランスデューサヘッド１０４は、液体を吸収および劣化し得るか、または液体がインターフェースを通過することができるように変形し得る。かかる吸収または劣化により、最終的に、液体をアクチュエータ１１６に貫入させ得るか、またはアクチュエータからのトランスデューサヘッド１０４の層間剥離を引き起こし得る。トランスデューサヘッド１０４の変形は、経時的な焦点長さのドリフト、またはトランスデューサヘッドが生成したビームパターンのドリフトに現れる。同様に、層間剥離は、アクチュエータ１１６からトランスデューサヘッド１０４への音響伝達の出力効率および／または均一性の経時的な著しい損失をもたらし得る。
【００２９】
図１の従来の超音波トランスデューサ１００とは対照的に、図２は、液体の取り込みによる経時的な劣化が生じにくい液体不透過性超音波トランスデューサ２００の例を示している。液体不透過性超音波トランスデューサ２００は、ケーシング２０２、およびトランスデューサヘッド２０４を含む。ケーシング２０２は、トランスデューサヘッドセクション２０２ａおよび本体セクション２０２ｂを含み、これらは、永久的に接合されている。ケーシング２０２を密閉するための好適な接合技術としては、例えば、溶接（レーザ溶接、摩擦溶接など）または類似の方法を挙げることができ、流体不透過性の接合部２４２をもたらす（図３）。場合によっては、ケーシング２０２は、他の実施形態を参照して以下で考察されるように、単一の一体型部品であり得る。ケーシング２０２およびトランスデューサヘッド２０４は、完全に流体不透過性であり、ケーシングの内容物を水の貫入から保護する、トランスデューサの作業部分を形成する。
【００３０】
トランスデューサヘッド２０４は、ケーシング２０２の前方に面する部分から形成されている（前方に面するとは、意図された音響エネルギー伝達の方向にあることを意味する）。外部から見えるトランスデューサ２００の他の構成要素は、トランスデューサを信号供給源（図示せず）に電気接続するためのコネクタ２０８を含み、コネクタ２０８は、例えば、ユーザがトランスデューサの位置を調節するための取り扱い手段を提供するために、ケーシング２０２およびコネクタ２０８の周りに永久的に取り付けられたナット２１０でケーシング２０２と接続され得る。電子構成要素を含むケーシング２０２は、ケーシング内の空隙２０６を介して挿入され得る、エポキシなどのポッティング材料で再充填することもできる。基準面（３）および（４）は、それぞれ図３および図４に示される断面図を指す。
【００３１】
図３は、内部により注目した、図２の流体不透過性超音波トランスデューサ２００の断面図を示している。ケーシング２０２は、トランスデューサヘッド２０４を含み、トランスデューサヘッド２０４は、狭いトランスデューサヘッド周縁部２１４によって区切られた凹状集束レンズ２１２を含む。集束レンズ２１２は、レンズ表面のすべてまたは大部分を横切って配設された薄い音響整合層を含む。整合層は、図９および図１２および図１３を参照して以下により詳細に考察され、例えば、整合層３７０（図９）である。
【００３２】
凹状集束レンズ２１２の反対側では、トランスデューサヘッド後部２１６は、圧電ディスクであるアクチュエータ２２２と接続されている。アクチュエータ２２２は、正の電極２２６および負の電極２２８を含み、図６を参照して以下にさらに考察されるように、正の電極は、内側の空洞２１８に向かってアクチュエータの中心を横切って配置されており、負の電極は、アクチュエータの外周の周りのリング内に、トランスデューサヘッド２０４に向かってアクチュエータを横切って配置されている。この電極の配置は、あるクラスのアクチュエータに特有であること、および本開示は、電極の異なる配置を有し得る電気機械アクチュエータを包含することを理解されよう。さらに、代替的な実施形態では、アクチュエータ２２２は、磁気拘束性アクチュエータ（ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｔｒｉｃｔｉｖｅ  ａｃｔｕａｔｏｒ）、ボイスコイルアクチュエータ、または他の同等の電気機械アクチュエータなどの圧電アクチュエータとは異なるタイプのアクチュエータであってもよい。
【００３３】
アクチュエータ２２２は、アクチュエータがトランスデューサヘッド２０４を通して振動を与え得るように、トランスデューサヘッド後部２１６に接合または接着されている。いくつかの実施形態によれば、アクチュエータ２２２は、高強度エポキシまたは同等の材料の層などの接着剤によってトランスデューサヘッド後部２１６に接着されている。接着は、好ましくは、アクチュエータからトランスデューサヘッドへの音響エネルギーの結合を最大化しながら、層間剥離の可能性を最小化するように、接着剤の薄く実質的に均一な層によって達成される。アクチュエータ２２２はまた、装填されたマトリックスを含むバッキング材料２２４と接続されている。バッキング材料２２４は、アクチュエータが動作しているときに、アクチュエータ２２２をトランスデューサヘッド後部２１６に対してしっかりと所定位置に保持するための好適な質量を有する１つ以上の材料、およびエコー効果がアクチュエータで発生した音響信号を妨害することを最小化または防止するように、ケーシング２０２を通って戻って進む反響を効果的に弱めるための好適な音響インピーダンスから構成される。いくつかの実施形態によれば、バッキング材料２２４の音響インピーダンスは、およそ１５Ｍｒａｙｌである。様々な実施形態において、バッキング材料２２４の音響インピーダンスは、例えば、約１３．５〜約１６．５Ｍｒａｙｌ、または約８〜約２８Ｍｒａｙｌで変化し得る。バッキング材料２２４は、エポキシマトリックスなどの任意の好適な音響吸収物質から構成され得る。特定の実施形態では、バッキング材料２２４は、銅、シリコンカーバイド、チタンジオキシド、タングステンなどを含浸させたエポキシマトリックスなどの、１つ以上のセラミックおよび／または金属性材料もしくは粒子を含浸させた減衰ポリマーマトリックスから形成された複合材料である。
【００３４】
バッキング材料中の粒子の特定の濃度および組成は、音響インピーダンスを調節するために変化させることができる。バッキング材料の望ましい音響インピーダンスは、概して、ピエゾ材料の音響インピーダンスにおける最大値と、最大値の約１／３の最小値との間に入る。音響インピーダンスをより密接に整合させると、より明白な反響はあるものの、効率がより高くなる一方、インピーダンスのギャップが増加すると、効率を犠牲にして反響が減少する。したがって、バッキング材料の特定の音響インピーダンスは、トランスデューサが意図される特定の用途に部分的に基づいて選択することができ、反響が容認できる高出力用途から、反響が最小化される必要がある高精度用途にまで及ぶ。いくつかの実施形態によれば、バッキング層は、２つ以上の材料から形成されてもよく、音響吸収材料中に懸濁される音響散乱材料の粒子を含み得る。かかるバッキング層は、好ましくは、音響的に均質である。この均質性は、粒子分布もまたバッキング層全体にわたって均質であるようにバッキング層を製作することによって達成され得る。
【００３５】
バッキング材料２２４は、アクチュエータ２２２のすぐ後方の空間を、アクチュエータ２２２との電気接続に適応するためのチャネルおよびその中の空隙で実質的に充填する。いくつかの実施形態によれば、導電性リング２２０は、アクチュエータ２２２の外側部分に接触するために、バッキング材料２２４の周りに位置付けられている。図４〜図６を参照して以下でより詳細に示されるように、正の回路２２６および負の回路２２８は、アクチュエータ２２２の正の電極部分２３０および負の電極部分２３２に電気信号を伝達するために中で接続されている。いくつかの実施形態によれば、導電性リング２２０の外側部分２２０ｂは、負の電極２３２の接触要素として使用されてもよく、導電性リングの内側部分２２０ａは、正の電極２３０の接触要素として使用されてもよく、導電性リングの残部は、外側部分から内側部分を絶縁する。しかしながら、この配置を逆にすることができることを理解されよう。正の回路２２６および負の回路２２８によって搬送される電気信号は、信号基板２３６内の電子機器によって制御すること、条件付けること、および回路に向けることができる。信号基板２３６は、電気ピン２３８およびソケット２４０によってコネクタ２０８に動作可能に接続されている。信号基板２３６の動作の具体的な詳細を、図４を参照して以下に説明する。
【００３６】
ケーシング２０２の内部の空洞２１８内の残りの空間は、ケーシング２０２の内側の内部構成要素を固設するように動作可能である、エポキシ樹脂などの不活性な密閉材材料で充填され得る。この密閉材は、トランスデューサ２００のコネクタ端部が液体中に曝露または浸漬された場合に、空洞２１８への水の貫入を防止することもできる。空洞２１８は、空隙２０６（図２）を介して充填することができ、空隙２０６は、集束レンズ２１２から遠位に位置付けられ、ひいては、使用時に中にトランスデューサが浸漬される作業流体から遠くに位置付けられる。
【００３７】
図４は、図２および図３の流体不透過性超音波トランスデューサ２００の端面図、具体的には、信号基板２３６を示す部分を示している。示されるように、信号基板２３６は、インダクタ（図示せず）を含み得る電気整合ネットワーク２４６を含み、正の回路２２６の配列を一緒に接続する。この方法で正の回路２２６を一緒に配置して、トランスデューサ２００が動作しているときに、アクチュエータ２２２の正の電極２３０の全体を横切って信頼できる信号転送を提供する。信号基板２３６はまた、負の（または接地）回路２２８の配列を通過するための空隙２５２を含む（図２）。負の（または接地）回路２２８は同様に配列されて、アクチュエータ２２２の負の電極２３２に均等に接触する。ネットワーク２４６は、着信電気信号をより効率的にトランスデューサに結合するために、正の回路２２６の配列に動作可能に接続されている。ネットワーク２４６は、好ましくは、受動的な回路である。いくつかの実施形態によれば、ネットワーク２４６は、誘導性の能動的な回路であり得る。
【００３８】
図５は、いくつかの実施形態による、アクチュエータ２２２および集束レンズ２１２に注目した、図２〜図４の流体不透過性超音波トランスデューサ２００の別の断面の斜視図を示している。トランスデューサヘッド２０４とバッキング材料２２４との間に挟まれたアクチュエータ２２２は、正の回路２２６の配列、およびケーシング２０２の内部でもある導電性の外側リング２２０を介して負の（または接地）回路２２８の配列と電気的に接触している。アクチュエータ２２２は、集束レンズ２１２と同軸に整列されており、かつトランスデューサヘッド周縁部２１４によって画定された領域内にある。図６に関してさらに詳細に示されるように、負の電極２３２はアクチュエータ２２２の外側の縁の近くでアクチュエータ２２２を包み込み、正の電極２３０はアクチュエータ２２２の内部部分に接続されている。
【００３９】
図６は、いくつかの実施形態による、アクチュエータ２２２、正の電極２３０、および負の電極２３２に注目した、図５の斜視図の一部分をより詳細に示している。正の電極２３０および負の電極２３２の厚さは、非常に小さい、すなわち、ミクロンまたはナノメートルほどであり得、したがって、図６の特徴は、縮尺して示されず、電極の目に見える厚さは、例示目的のみである。電極２３０、２３２は、３００ナノメートルほどの厚さで、導電性材料（例えば、金、銀、銅、アルミニウム、または同様の材料）から形成され得る。アクチュエータ２２２は、圧電材料（例えば、リチウムニオベート、バリウムチタネート、ポリビニリデンジフルオリド、鉛ジルコネートチタネート組成物、亜鉛オキシド、アルミニウムニトリド、または類似物）から形成された薄い圧電ディスクから構成され得る。効率を最大化するため、アクチュエータ２２２の厚さは、所望の中心周波数の振動および圧電ディスクの音の速度によって決定される場合に、音響波長の半分に近いように選択されるが、様々な実施形態において、厚さは、波長の半分の任意の好適な奇数倍に近い場合がある。１００ＭＨｚ超の所望の周波数については、最適な厚さは１０ミクロン未満であり得る。１ＭＨｚ未満の所望の周波数については、厚さは１ミリメートルを超える場合がある。１０ＭＨｚ周辺では、典型的な圧電ディスク材料の場合、最適な厚さは数百ミクロンの範囲にある。いくつかの特定の実施形態では、例えば、１２ＭＨｚほどの設計中心周波数については、最適な厚さは、好ましくは約２７５ミクロン（または２７５ミクロンの奇数倍）である。正の電極２３０および負の電極２３２は互いに電気的に隔離されており、負の電極２３２はアクチュエータ２２２の周囲を包み込み、正の電極２３０はその周囲内の空間を占有する。アクチュエータとケーシング２０２との間にはアクチュエータ２２２の外周の周りに位置付けられたクリアランスまたはギャップ２５０が存在してもよく、導電性の外側リング２２０およびバッキング材料２２４が互いに、導電リングのクリアランス２４８によって電気的に隔離されていてもよい。クリアランス２５０、２４８は両方とも、エポキシ樹脂などの電気絶縁材料で充填され得る。
【００４０】
トランスデューサの様々な他の実施形態は、図１〜図６を参照して上に記載されるように、ケーシングおよびトランスデューサヘッド−面構成要素の代替的なアセンブリを含む、トランスデューサ２００のものと同様の特徴を含み得る。可能な場合、同様の機能を有する様々なトランスデューサの構成要素を説明するために、全体を通して同様の番号付けが使用される。明確に禁忌である場合を除き、１つのトランスデューサアセンブリの構成要素は、本開示の趣旨から逸脱することなく、本明細書に開示される別のトランスデューサアセンブリの構成要素と組み合わされ得ることが理解されよう。
【００４１】
図７は、本開示のいくつかの実施形態による、第２の流体不透過性超音波トランスデューサ３００の側面図を示している。トランスデューサ３００は、図２〜図６のトランスデューサ２００に関して上に記載されるものと同様の外部特徴を備えるケース３０２と、トランスデューサを信号供給源と動作可能に接続するためのインターフェース３０８と、を含む。トランスデューサ３００は、トランスデューサヘッド３０４の外周の周りにケーシング３０２上に位置付けられた減弱層３５０と、取り囲む開口レンズ３１２と、をさらに含む（図８）。様々な実施形態において、減弱層３５０は省略され得ることに留意されたい。ケーシング２０２およびトランスデューサヘッド２０４が接合された図２〜図６のトランスデューサ２００とは対照的に、トランスデューサ３００は、トランスデューサヘッド３０４がケーシング３００の一体型部品であることに起因して、水不透過性である。
【００４２】
図８は、実施形態に従って、図７の流体不透過性超音波トランスデューサ３００の断面図を示している。図２〜図６のトランスデューサ２００と同様に、トランスデューサ３００は、上に記載されるトランスデューサヘッド２０４およびバッキング材料２２４と同様の組成および構成を有し得る、トランスデューサヘッド３０４とバッキング材料３２４との間に位置付けられたアクチュエータ３２２を含む。ケーシング３０２の内部空洞３１８は、エポキシ樹脂などの絶縁および防水充填材料によって同様に充填され得る。アクチュエータ３２２は、上に記載されるアクチュエータ２２２および信号基板２３６と同様の方法で、信号基板３３６と動作可能に接続され得る。アクチュエータ３２２は、トランスデューサヘッド３０４とバッキング層３２４との間に挟まれ、アクチュエータ３２２に電気接続を提供する導電性リング３２０によって囲まれている。トランスデューサ２００および３００について示されているレンズ形状（すなわち、図３に示されるより大きな開口レンズ２１２、および図７に示されるより小さな開口レンズ３１２）は、これらのそれぞれのケーシングタイプ（図３に示される接続されたトランスデューサヘッド／ケーシング、図７に示される一体型のトランスデューサヘッド／ケーシング）での使用に制限されない。別様に明示的に述べられていない限り、記載される各トランスデューサの構造的特徴は、互換的に使用され得る。必要に応じて、レンズ形状、およびレンズと結合されたトランスデューサ電極のサイズを調節して、トランスデューサの音響ビームサイズを制御することができる。
【００４３】
トランスデューサ３００は、図２〜図６を参照して上に記載されるトランスデューサヘッド２０４と比較して、トランスデューサヘッド３０４の異なる構成を提供する。トランスデューサヘッド３０４は、アクチュエータ３２２よりも小さい直径を有する集束形状を画定する集束レンズ３１２を含む。この構成は、集束レンズ２１２がアクチュエータ２２２よりも直径が大きかったトランスデューサヘッド２０４（図２〜図６）とは対照的である。集束レンズ３１２のより小さな幾何学的形状は、図１５〜図１８を参照して図解され、かつ以下で考察されるように、トランスデューサヘッド３０４の材料中の内部音響反射の影響を減少させるように動作する。集束レンズ３１２は、図２〜図６のレンズ表面２１２と同様の整合層でコーティングされている。整合層についての詳細を、図９ならびに図１２および図１３を参照して以下で考察する。減弱層３５０または外側吸収性層は、集束レンズ３１２を取り囲んで、別様により大きなトランスデューサヘッド周縁部３１４から生じ得る非集束状態の振動を減少させるか、または除去する。
【００４４】
減弱層３５０は、トランスデューサヘッド３０４の上、具体的にはトランスデューサヘッド周縁部３１４の上に、トランスデューサ端部面３１２の外周に隣接して、その周りに位置付けられている。減弱層３５０は、トランスデューサヘッド周縁部３１４からの、非集束状態の振動または反射された振動の偶発的な伝達を防止するように構成されている。減弱層３５０の中心の空隙３５２により、振動は、集束された様式で減弱層を越えて集束レンズ３１２から妨害されずに通過することができる。中心の空隙の直径３５４は、好ましくは、トランスデューサ端部面３１２と同じサイズである。減弱層３５０の幅３５８は、好ましくは、アクチュエータ２２２よりも広く、そのため、非集束状態の振動または反射された振動は、トランスデューサヘッド周縁部３１４から外にアクチュエータからほとんどまたは全く渡されない。いくつかの実施形態では、減弱層３５０は、ケーシング３０２の縁まで延在し得る。減弱層３５０の深さ３５６は、トランスデューサヘッド周縁部３１４から実質的にすべての伝達可能な振動を吸収するのに適当な減弱を提供するのに十分なものである。いくつかの実施形態では、減弱層３５０は、減弱層を通過するごとの音のエネルギーの少なくとも９０％を十分に吸収する（すなわち、音のエネルギーを１０ｄＢだけ減少させる）のに十分な厚さである（すなわち、最小の厚さを有する）。特定の実施形態では、減弱層３５０の深さ３５６は、約０．５ｍｍ〜５ｍｍの範囲であり得る。アクチュエータ３２２から減弱層３５０の端部までの全深さ３６０は、約０．６ｍｍ〜約１０ｍｍの範囲であり得る。しかしながら、吸収層の厚さは、好ましくは、少なくとも１０ｄＢ減衰させる最小の厚さであるように選択される。
【００４５】
図９は、アクチュエータおよび集束レンズに注目した、図７および図８の流体不透過性超音波トランスデューサ３００の断面図を示している。示されるように、ケース３０２は、トランスデューサヘッド３０４で終端し、トランスデューサ端部周縁部３１４を画定する周辺部分と、集束レンズ３１２を画定する中心部分と、を含む。減弱層３５０は、ヘッド面３１２に隣接する、トランスデューサヘッド周縁部３１４上の位置である。減弱層３５０の幅３５８は、トランスデューサヘッド周縁部３１４の幅３６０の大部分を占有する。トランスデューサケース３０２内で、空洞３１８は、アクチュエータ３２２を含み、トランスデューサヘッド３０４に対して押し上げられ、トランスデューサヘッドとバッキング層３２４との間に挟まれる。負の電極または接地電極３３２は、アクチュエータ３２２上にトランスデューサヘッド３０４に隣接して位置付けられており、かつアクチュエータ３２２の周縁部の周りで導電性リング３２０に接続されている。正のリード線は、アクチュエータ３２２とバッキング層３２４との間に位置付けられた正の電極３３０に接触するように、導電性リング３２０に隣接して配線されている。整合層３７０は、ヘッド面からの音響伝達を改善するために、ヘッド面３１２上に位置付けられている。整合層３７０を、図１２および図１３を参照してさらに詳細に考察する。
【００４６】
いくつかの代替的な実施形態によれば、さらなるトランスデューサ要素を、図２〜図９を参照して上に記載されるトランスデューサのうちの１つ以上と組み合わせて提供することができる。例えば、図１０は、本開示のいくつかの実施形態による、二次トランスデューサ要素４６２を有する第３の流体不透過性超音波トランスデューサ４００の側面図を示している。トランスデューサ４００は、上に記載されるトランスデューサ２００、３００のケース２０２、３０２と同様の特徴を備えるケース４０２を含み、トランスデューサを信号供給源と動作可能に接続するためのインターフェース４０８を備える。トランスデューサ４００は、ケーシング４０２上に位置付けられた二重目的のバッキングおよび減弱層４５０と、バッキング／減弱層上に位置付けられた二次トランスデューサ要素４６２と、をさらに含む。
【００４７】
図１１は、図１０の流体不透過性超音波トランスデューサ４００の断面図を示し、図７〜図９に示されるトランスデューサ３００のものと同様のトランスデューサの特徴および構成要素を示し、同様の部品が同様の番号付けを有する。注目すべきことに、二次トランスデューサ要素４６２は、それ自体の作動および集束手段（図示せず）を含むことができ、バッキング／減弱層が二次トランスデューサ要素のためのバッキング層、および一次アクチュエータ４２２によって放出される音のエネルギーのための減弱層の両方として作用するように、トランスデューサヘッド４０４と接続されたバッキング／減弱層４５０に接続されている。二次トランスデューサ要素４６２は、トランスデューサ４００の一次集束レンズ４１２の周りのリング内に配置されてもよく、一次アクチュエータ４２２と組み合わせて、または独立して動作することができ、かつ同じまたは好ましくは異なる音響周波数範囲で動作することができる。本明細書に示されるように、一次アクチュエータ４２２およびヘッド面４１２は、図７〜図９に示されるトランスデューサ３００のアクチュエータ３２２およびヘッド面３１２と類似している。いくつかの実施形態によれば、二次トランスデューサ要素４６２は、減弱層４５０の内径４５２と実質的に整合する、開いた内径４６４を有する。バッキング／減弱層４５０の厚さ４５６は、ここでは、一次アクチュエータ４２２によって引き起こされた一次トランスデューサヘッド周縁部４１４を通る振動を減衰させるだけでなく、二次トランスデューサ要素４６２から戻されたエコーを弱めるためにも十分である。
【００４８】
上で考察されるトランスデューサの実施形態は、それらの中のアクチュエータに提供される電気信号に基づいて、音響波を媒体中に伝播させるのに適している。しかしながら、実施形態は、アクチュエータから媒体への音響エネルギーの転送を強化するためのさらなる特徴を含み得る。主に、エネルギー伝達を改善するために、１つ以上の整合層が集束レンズ（例えば、ヘッド面２１２、３１２、４１２）上に用いられる場合がある。
【００４９】
図１２は、本開示のいくつかの実施形態による、整合層または整合層５１４を用いる浸漬トランスデューサ５００の作業構成要素の簡略化された模式図を示している。トランスデューサ５００の態様は、図２〜図１１を参照して上に論じられるトランスデューサ２００、３００、４００の各々の特徴と組み合わせて用いられ得る。
【００５０】
トランスデューサ５００は、トランスデューサヘッド要素５１０、作動要素５３０、バッキング要素５４０、バッキング空洞５４４、および電気整合ネットワークまたは制御要素５５０を含む。動作中、所望の音響出力を定義し得る電気信号は、入力回路５５４を通って電気整合ネットワーク要素５５０に渡される。この電気整合ネットワーク要素５５０は、入力信号（例えば、駆動信号）を、トランスデューサ作動要素５３０などの電気負荷に効率的に接続するように、電気信号をフィルタ、減弱、増幅、または別様に補正するための好適な電子機器を含み得る。いくつかの実施形態によれば、整合ネットワーク要素５５０は、誘導性ハイパス回路５５２、または入力信号を条件付けるための他の好適なフィルタリング回路を含み得る。動作中、整合ネットワーク要素５５０は、単純なハイパスフィルタを含むことができ、これにより、高周波数電気信号（音響信号に対応する高周波数駆動信号など）が十分な減弱を伴わずに通過する一方で、低周波数信号をフィルタリングして低周波数現象を遮断することができる。様々な他の実施形態によれば、制御要素５５０は、入力回路５５４からの信号を減弱させるための任意の好適なフィルタまたはフィルタの組み合わせを含み得る。
【００５１】
制御要素５５０は、相互接続部５３８によって作動要素５３０に動作可能に接続されている。作動要素５３０は、圧電ディスクまたは同等のアクチュエータであり得るアクチュエータ５３６を含む。アクチュエータ５３６は、両側において、（ここでは相互接続部５３８と接続して示される）正の電極５３４、および（接地回路または負の回路に接続されているが、示されていない）負の電極または接地電極５３２に接続されている。アクチュエータ５３６は、駆動信号の周波数に従って物理的振動を生成することによって駆動信号に応答する。作動要素５３０は、一方の側ではトランスデューサヘッド要素５１０によって、もう一方の側ではバッキング空洞５４４内のバッキング要素５４０によって区切られている。バッキング要素５４０は、作動要素５３０と接触している間、および作動要素５３０をトランスデューサヘッド要素５１０に向かって付勢している間、振動を吸収するのに適した組成物および／または微細構造を有するバッキング材料５４２から構成される。バッキング空洞５４４は、開いていてもよいし、アクチュエータ要素５３０を水分または他の外部混入物から絶縁するための絶縁材料および／または防水材料で充填されてもよい。
【００５２】
トランスデューサヘッド要素５１０は、中にトランスデューサ５００が音響エネルギーを向けるように構成されている、媒体５０２に面する。トランスデューサヘッド要素５１０は、トランスデューサヘッド５１２の本体、集束レンズ５１８、およびアクチュエータ要素５３０に隣接して位置付けられたトランスデューサヘッド後部５２０を含む。集束レンズ５１８は、トランスデューサヘッド本体５１２の表面５１６上に位置付けられた整合層５１４から構成されている。トランスデューサヘッド本体５１２は、好ましくは、水を吸わない剛性、軽量、および非多孔性材料から構成される。例えば、いくつかの実施形態によれば、トランスデューサヘッド本体５１２は、好ましくは耐腐食性の金属または金属合金であり得る。様々な実施形態において、トランスデューサヘッドの材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カドミウム（Ｃｄ）、炭素（Ｃ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、金（Ａｕ）、鉄（Ｆｅ）、鉛（Ｐｂ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、リン（Ｐ）、白金（Ｐｔ）、セレン（Ｓｅ）、シリコン（Ｓｉ）、銀（Ａｇ）、スズ（Ｓｎ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、バナジウム（Ｖ）、亜鉛（Ｚｎ）、またはジルコニウム（Ｚｒ）、および一部の非金属もしくは非半金属の成分を含有することもできる、ステンレス鋼などの複雑な合金を含む前述のいずれか２つ以上の合金もしくは複合体を挙げることができるが、これらに限定されない。好適な非金属または非半金属の成分としては、例えば、シリコン、ガラス、石英、または様々なセラミックを挙げることができる。トランスデューサヘッドは、好ましくは、トランスデューサヘッド表面およびケーシングが液体を除外するだけでなく、長い期間にわって液体に曝露されたときに劣化または形状の変化に対しても耐性があるように、耐腐食性かつ液体不透過性、特に流体不透過性である。いくつかの実施形態では、トランスデューサヘッドの材料は、水などの流体カプラントに対して完全に不活性であり得、長期間の浸透深さはゼロであり、腐食による重量損失はゼロである。トランスデューサヘッド本体５１２は、トランスデューサ５００の内部構成要素を包み込むケーシングと一体的に接続され得るか、またはケーシングを含み得る。完全に不活性の材料については、浸透深さおよび重量損失がゼロであると仮定することができる（または浸透／損失は測定不可能であり得る）。低反応性材料の場合、許容可能な浸透深さおよび重量損失は、トランスデューサの目標寿命と、その寿命にわたるレンズ焦点性質の容認できる変化とに依存する。いくつかの実施形態では、材料の重量損失の最大許容値は、年間０．１％以下ほどである。
【００５３】
整合層５１４は、トランスデューサヘッド本体５１２と媒体５０２との間のインピーダンスである音響、すなわち、機械的インピーダンスを有する材料から構成されている。この整合層５１４は、特にトランスデューサヘッド本体５１２が高インピーダンスの材料から構成される場合、媒体５０２への音響エネルギーの伝達を大幅に改善することができる。有利な腐食性質を有する流体不透過性金属および金属合金は、幅広い音響インピーダンスを網羅し、典型的には１０〜１００ＭＲａｙｌの値を有する。好ましくは、トランスデューサヘッドおよびケーシングの材料は、アクチュエータ５３６の選択された圧電材料の音響インピーダンスに可能な限り近いものと整合するように選択する必要がある。およそ１５〜４３ＭＲａｙｌの範囲の音響インピーダンスを有するセラミックである典型的な圧電材料については、音響エネルギー転送効率を促進するために、１０〜１００ＭＲａｙｌのより低い範囲の音響インピーダンスを有する流体不透過性金属および金属合金が好ましい。例えば、トランスデューサヘッド本体５１２がバナジウムから構成される特定の実施形態では、トランスデューサヘッド本体の期待される音響インピーダンスは、およそ３６．２ＭＲａｙｌである。
【００５４】
音響整合層５１４は、トランスデューサヘッド本体５１２から媒体５０２への音響エネルギー転送を促進するように選択され、媒体５０２は通常、水、ゲル、または別の水溶液などのカプラントである。例えば、水の音響インピーダンスは、約１．５ＭＲａｙｌである。音響エネルギー転送損失は、音波が段階的な音響インピーダンスを横切って１つの媒体から別の媒体へと直接伝播され、最適な結合が次の式１に従って単一の中間層によって達成されたときに生じ、式中、Ｚｍは、中間層インピーダンスであり、ＺｌおよびＺｃはそれぞれ、トランスデューサヘッド本体５１２および媒体５０２のインピーダンスである。
【化１】
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【００５５】
実施形態によれば、整合層５１４は、トランスデューサヘッド本体５１２と媒体５０２との間の音響エネルギー転送を最大化するように選択された材料から構成されており、材料はまた、トランスデューサヘッド本体の表面５１６との永久接着に耐えられる一方で、媒体による貫入または劣化に対して弾力性がある。トランスデューサヘッド本体５１２が、およそ３６．２Ｍｒａｙｌの音響インピーダンスを有するバナジウムであり、媒体が水、または約１．５Ｍｒａｙｌの音響インピーダンスを有する同等の水溶液である特定の実施形態によれば、単一の中間層に対する最適な音響インピーダンスは、およそ７．３Ｍｒａｙｌである。様々な実施形態によれば、整合層５１４は、７．３Ｍｒａｙｌほどの音響インピーダンスを有する材料から構成される。いくつかの特定の実施形態によれば、整合層５１４は、ポリビニリデンジフルオリド（ＰＶＤＦ）などのフルオロポリマー、または約４〜１０Ｍｒａｙｌ、または場合によっては、約４〜５Ｍｒａｙｌの音響インピーダンスを有する同様のポリマーコーティングから構成される。いくつかの他の実施形態によれば、整合層５１４は、約６〜８Ｍｒａｙｌの音響インピーダンスを有するグラファイトコーティングから構成され得る。様々な実施形態によれば、整合層５１４は、約５〜１０Ｍｒａｙｌ、約４〜１０Ｍｒａｙｌ、または約６〜８Ｍｒａｙｌの範囲の音響インピーダンスを有する。いくつかの特定の実施形態では、整合層５１４は、約４Ｍｒａｙｌのインピーダンスを有する。様々な実施形態によれば、整合層は、ＰＶＤＦ、グラファイト、無定形炭素、またはポリマーマトリックス（例えば、エポキシもしくは類似物）およびアルミナ、タングステン、ガラス、もしくは他の同等の粒子状物質を含むが、これに限定されない、ポリマー／粒子の複合体のいずれかから構成される。
【００５６】
いくつかの実施形態では、集束レンズ本体５１２と媒体５０２との間の音響エネルギーの転送効率は、整合層５１４の厚さを調整することによって改善される。整合層５１４は、好ましくは、スプレーコーティング、スピンコーティング、スパッタリング、拡散接着などのようなコーティング技術を使用して適用され、その後、全体を通して一定の厚さにされる。整合層５１４の厚さは、例えば、機械加工、プレス、スピニング、または上記もしくは同様のプロセスの任意の好適な組み合わせによって調節され得る。好ましくは、整合層５１４の厚さは、トランスデューサ５００が中間層の選択された材料を通る音の速度で使用されることを意図した目標とされる周波数に対応する１／４波長と整合するように調節される。あるいは、整合層５１４は、３／４波長とほぼ等しい厚さ、または１／４波長の任意の他の奇数倍を有することができ、それにより、反射または破壊的干渉が最小化される。例えば、約１２ＭＨｚの目標周波数（または公称周波数）を有する超音波トランスデューサについては、好適な整合層５１４は、およそ６０μｍの厚さを有し得る（グラファイトの例）。所与の中間層については、トランスデューサは、目標周波数に対応する公称波長値から約−２５％から、公称波長から最大約＋２５％まで変化する波長で集束音響エネルギーを発生させ得る。したがって、いくつかの実施形態によれば、１２ＭＨｚ用に調整された厚さを有する単一の中間層を有するトランスデューサは、高い効率（通常、１０％〜２０％ほど）では約９ＭＨｚ〜約１５ＭＨｚの範囲の信号に適応することができ、より低い効率では当該範囲の外側で使用することができる。例えば、流体不透過性トランスデューサはまた、２〜１５ＭＨｚの範囲の公称周波数を有し得る。様々な実施形態によれば、整合層５１４は、約３０〜８０μｍの厚さで変化し得る。いくつかの実施形態では、整合層５１４の厚さは、およそ１４％以下だけ公称厚さから変化し得る。しかしながら、材料選択、効率、および目標周波数におけるさらなる柔軟性は、２つ以上の中間層を使用して得ることができる。様々な代替的な実施形態では、整合層の厚さは、目標周波数の１／４波長に対応する公称値の奇数倍とほぼ等しくなり得る。
【００５７】
図１３は、本開示のいくつかの実施形態による、複数の整合層６１４、６２０を用いる浸漬トランスデューサ６００の作業構成要素の簡略化された模式図を示している。示されるように、トランスデューサ６００は、図１２を参照して上に記載されるトランスデューサ５００のものと同様の特徴を有し、同様の部品には同様の番号付けが与えられている。１７〜４２Ｍｒａｙｌの音響インピーダンスを有する流体不透過性金属または金属合金、および約１．５Ｍｒａｙｌの音響インピーダンスを有する水または任意の同等の水性物質の媒体６０２から形成されるトランスデューサヘッド本体６１２については、単一の中間層に対する最適な音響インピーダンスは、それぞれ約５〜８Ｍｒａｙｌであることになる。しかしながら、音響エネルギーは、トランスデューサヘッド本体６１２から、第１の音響インピーダンスを有する第１の中間層６１４を通り、続いて、第２の音響インピーダンスを有する第２の中間層６２０を通って媒体６０２へと転送されてもよく、第１の中間層は第２の中間層よりも高い音響インピーダンスを有し、第１および第２の中間層は、互いに対して最適化された音響エネルギー転送について上の式１を満たす。例えば、第１の中間層６１４の音響インピーダンス（すなわち、Ｚｍ１）は、以下の式２の連立方程式が満たされるように、Ｚｌと第２の中間層６２０の音響インピーダンス（すなわち、Ｚｍ２）との間に入る。組み立てられると、音響エネルギーは、トランスデューサヘッド本体６１２から、第１の中間層６１４を通り、そして第１の中間層インターフェース６１８から第２の中間層６２０へと転送される。その後、音響エネルギーは、第２の中間層６２０を通り、そして集束レンズ６２２から媒体６０２へと転送される。各それぞれの中間層６１４、６２０は、単一の中間層５１４（図５）に関して上で考察されるように、各それぞれの中間層の選択された材料を通って、トランスデューサ６００の公称周波数の１／４波長に対応するそれぞれの厚さに形成される。
【化２】
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【００５８】
図１４は、本開示のいくつかの実施形態による、回折集束レンズ７１４を用いた浸漬トランスデューサ７００の作業構成要素の簡略化された模式図を示している。示されるように、トランスデューサ７００は、図１２および図１３を参照して上に記載されるトランスデューサ５００、６００のものと同様の特徴を有し、同様の部品には同様の番号付けが与えられている。トランスデューサヘッド要素７１０は、要素がトランスデューサヘッド後部７１６とは反対の回折ヘッド面７１４を画定するトランスデューサヘッド本体７１２を含む限り、上に記載されるトランスデューサヘッド要素５１０、６１０とは異なる。回折ヘッド面７１４は、実施形態に従って、音響エネルギーを所定の焦点長さに向けるように動作可能な回折エシェレットのセットを含む。
【００５９】
上で考察されるように、集束レンズ（例えば、ヘッド面２１２、３１２、４１２、図３、図８、および図１１）は、アクチュエータ（例えば、アクチュエータ２２２、３２２、４２２）からの音響エネルギーを受信し、音響エネルギーをトランスデューサから集束レンズの遠位の焦点に向かって向け直すようにサイズ決めされる。しかしながら、集束レンズは（直径の点で）、アクチュエータより大きくても、アクチュエータより小さくても、アクチュエータとほぼ同じサイズであってもよい。音響ヘッド面がアクチュエータよりも小さいか大きいかによって、若干異なる力学が適用される。かかる力学は、トランスデューサがエミッタおよびレシーバの両方として使用される場合、より直接的に観察可能である。トランスデューサのアクチュエータを使用して、トランスデューサにエコーバックとして放出され、反射される音響エネルギーを感知すること、ならびにトランスデューサの構成要素内で反射する音響エネルギーを感知することができる。かかる感知用途についてのトランスデューサヘッドの幾何学的形状の効果を、図１５〜図２０を参照して以下で考察する。
【００６０】
図１５は、いくつかの実施形態による、湾曲した集束レンズ８０６を有するトランスデューサヘッド８０２とアクチュエータ８０４とのアセンブリ８００の簡略化された断面図を示している。トランスデューサヘッド８０２は、いくつかの実施形態に従って、関連付けられたアクチュエータ８０４の直径８１４よりも大きい、集束レンズ８０６の比較的大きな集束領域８１６を画定する。図１５の配置は、集束レンズ２１２（図３）に関して上に示されるものと同様である。本明細書に示される集束レンズ８０６は、集束領域８１６を画定する、トランスデューサヘッド８０２の凹状曲面である。アクチュエータ８１４は、トランスデューサヘッド８０２の後方に位置付けられ、音波をトランスデューサヘッドへと前方に伝達する。音響エネルギー８０８の第１のサブセットは、トランスデューサヘッド８０２を通って直接伝達され、音響エネルギーが集まるように、集束レンズ８０６から低い角度で放出される。しかしながら、第１のサブセットよりも急勾配の角度に遭遇する音響エネルギー８１０の第２のサブセットは、集束レンズ８０６から放出される前に、トランスデューサヘッド８０２の材料に反射８１２され得る。反射８１２は、ある程度のノイズがアクチュエータに逆反射した結果となり得、これは、場合によっては、このノイズがセンサとして使用されている間にトランスデューサに影響を与えるように、時間的に十分に遅延する可能性があるため、同じ用途におけるエミッタおよびセンサの両方としてトランスデューサの使用に影響し得る。参照のために、ウェルの上面８２２およびプレートの底面８２４を含む、試料マイクロプレート８２０の位置が示されている。正確な位置は、ウェル内の流体の高さおよびウェルのサイズに応じて変化し得、アセンブリ８００は、多くのタイプおよびサイズの試料マイクロプレートに適応し得る。音響反射は、材料の境界、例えば、マイクロプレート８２０の上面８２２および底面８２４のいずれか、ならびに流体／空気の境界８２６で生じ得る。感知用途、例えば、ウェル内の流体の高さを検出するために、流体／空気の境界８２６が、トランスデューサヘッド８０２の焦点面の近くにある必要はない。液滴排出用途では、流体／空気の境界８２６の近くに焦点面を設置するために、トランスデューサヘッド８０２またはマイクロプレート８２０が移動される。
【００６１】
図１６は、図１５に示される湾曲した集束レンズ８０６と同様の湾曲した集束レンズによって引き起こされたエコー信号データ９００のグラフィカルな図解を示している。エコー信号データ９００は、プレートの異なる部分、例えば、上面８２２および底面８２４からの音響反射によって引き起こされる２つのエコーに対応し、トランスデューサヘッド内の音響エネルギーを反射すること、および／または向け直すことによって引き起こされるテーリングまたはリンギングを含み得る、第１の信号９０２と、媒体を音響的に調査し、エコー、すなわち、流体／空気の境界８２６からのエコーを受信するトランスデューサに対応する、第２の信号９０４と、を含む。第１の信号９０２で生じる２つのエコーは、約２０〜３０μｓおよび３０．５〜３２μｓで目に見える。第１の信号９０２および第２の信号９０４の両方は、バックグラウンドとは別個であり、したがって、ノイズを容易に識別し、無視することができる。しかしながら、トランスデューサが複数の音響信号を素早く受信している場合、複数のエコー信号を互いに、またはバックグラウンドノイズと区別することは難しくなる場合がある。トランスデューサヘッド８０２内の反射によって引き起こされるリンギング効果および「ダブルエコー」効果は、水不透過性金属または金属合金などの硬い非多孔質材料の使用によって悪化する。
【００６２】
上で考察されるように、レンズ材料に好適な音響／機械的性質には、通常１０〜３０ＭＲａｙｌの範囲の音響インピーダンス、比較的高く一貫した（例えば、４ｋｍ／秒以上）音の速度、ならびに腐食、吸水、曲げ、および音響吸収に対する耐性が含まれる。かかる材料で生じる音響効果は、通常、再現可能であり、ソフトウェアで補正され得る。例えば、音響効果を軽減または補正するための手段としては、従来のオーディオ用途で使用され、信号の初期ピーク後の二次反射を減少させるために適用される、エコーキャンセルソフトウェアを挙げることができる。さらに、かかる材料は、概して、ＮＤＴ用途のための従来のトランスデューサに使用される、より延性のある成形可能な材料よりも効率的に音響エネルギーを伝達し、その結果、従来の材料を用いるシステムと比較して、音響信号を発生させるために必要なエネルギーが大幅に少なくなる。ノイズプロファイルは、アクチュエータに対する集束レンズのサイズを減少させることによって、信号と比較して短縮および減少し、かつトランスデューサヘッドの周辺に音響減衰材料を加えることによってさらに減少し得る。
【００６３】
図１７は、いくつかの実施形態による、湾曲した集束レンズ１００６を有するトランスデューサヘッド１００２とアクチュエータ１００４とのアセンブリ１０００の簡略化された断面図を示している。アセンブリ１０００は、集束レンズの集束領域１０１２を取り囲む外側吸収層１０１４を含む。示されるように、集束領域１０１２は、アクチュエータ１０１０の直径よりもわずかに大きいが、集束レンズ１００６の範囲は、図１５の集束レンズ８０６のものと比較して減少し、その結果、集束レンズの凹面はあまり目立たなくなり、音響エネルギー１００８がヘッド面の境界に遭遇する角度が減少する。この角度の減少により、トランスデューサヘッド１００２の内側に反射する音響エネルギーがはるかに少なくなり、したがって、トランスデューサが音響エネルギーを放出するときのノイズを全体的に減少する。いくつかの実施形態では、外側吸収層１０１４は、集束レンズ１００６の外側でトランスデューサヘッド１００２に追加されてもよく、集束レンズから出ることなく、トランスデューサヘッドの内側に反射する漂流音響エネルギー（ｓｔｒａｙ  ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｅｎｅｒｇｙ）を吸収し得る。図解されるアセンブリ１０００の配置は、図１５のアセンブリ８００と比較して、ノイズおよび信号の両方を十分に密接させることができ、ノイズと比較して信号の分解能が増加することをもたらす。いくつかの実施形態では、アクチュエータ１００４は、集束レンズ１００６の集束領域１０１２と同じサイズであるか、または場合によっては、集束領域よりもわずかに大きい、直径１０１０を有し得る。参照のために、ウェルの上面８２２およびプレートの底面８２４を含む、試料マイクロプレート８２０の位置が再現されている。正確な位置は、ウェル内の流体の高さおよびウェルのサイズに応じて変化し得、アセンブリ１０００は、多くのタイプおよびサイズの試料マイクロプレートに適応し得る。音響反射は、材料の境界、例えば、マイクロプレート８２０の上面８２２および底面８２４のいずれか、または通常、マイクロプレート８２０のウェル内の流体の高さに対応する流体／空気の境界８２６から生じ得る。
【００６４】
図１８は、図１６に示されるエコー信号データ９００との比較のために、図１７に示されるアセンブリ１０００と同様のアセンブリによって引き起こされたエコー信号データ１１００のグラフィカルな図解を示している。信号１１０２は、ウェルプレートの底部および上部から反射する２つのパルスから構成されており、信号１１０４は、ウェル内の流体の表面、すなわち、流体／空気のインターフェース８２６からの反射に起因する。この信号は、図１６の信号９０２と比較することができる。特に、図１８に示される第１の信号１１０２は、図１６に示される対応する第１の信号９０２よりも狭く、かつ互いにより明確に分離されている。さらに、エコー信号データ１１００は、特に初期エコー信号（１１０２、９０２）の各々の後に、エコーデータ信号９００よりも少ないバックグラウンドノイズを有する。この明確さの増加およびバックグラウンドノイズの減少は、トランスデューサヘッドアセンブリ１０００（図１７）の特徴がいかにエコーを減少させ、分解能を改善するかを示している。概して、集束領域（例えば、図１５および図１７に示される集束領域８１６、１０１２）のサイズを低下させると、信号が低下する一方で、同じレートではないが、上記信号に関連付けられたノイズまたはリンギングも低下する。したがって、トランスデューサの集束領域サイズを調整して、エコー信号の分解能を最適化し、ノイズイベントが表面反射として誤って分類される可能性を減少させることができる。
【００６５】
図１９は、様々な実施形態による、様々な開口サイズを有するトランスデューサのエコー信号データ１２００のグラフィカルな図解を示している。トランスデューサのエコー信号データ１２０２、１２０４、１２０６、１２０８、１２１０を一緒に同じチャート上で再現して、各トランスデューサの信号発生面積または開口のそれぞれのサイズに関連付けられたエコー信号データの変化を図解する。各トランスデューサについて、第１の信号１２２０は、トランスデューサ内の音響エネルギーの反射に対応し、ここでは、ウェルプレートの底部からのエコーを示し、第２の信号１２２２は、目標からの音響エネルギーの反射によって引き起こされた信号、この場合は、ウェル内の流体の自由表面に対応する。開口サイズが（例えば、トランスデューサデータ１２０２の１７．５ｍｍの直径からトランスデューサデータ２１１０の１０ｍｍの直径まで）低下するにつれて、両方の信号の振幅の低下が、第１の信号１２２０に関連付けられたリンギング時の減少と共に観察される。したがって、トランスデューサの意図された用途（すなわち、高出力信号のみを発生させることから、信号検出まで）に応じて、適切な出力を提供しながら、ノイズおよび／またはリンギングを軽減する、開口サイズを選択することができる。同様に、開口サイズは、図２０を参照して示されるように、焦点における音響信号のビームサイズに影響を与える。
【００６６】
図２０は、様々な実施形態による、様々な開口サイズを有するトランスデューサ１２０２、１２０４、１２０６、１２０８、１２１０（図１９）に関連付けられたビームサイズデータ１３００のグラフィカルな図解を示している。Ｙ軸は、トランスデューサの焦点距離でとられ、焦点における音響信号の振幅に対して正規化された、音響ビーム経路の中心軸からの距離における音響信号の振幅を示している。曲線が広いほど、ビームの焦点がずれていることを示し、曲線が狭いほど、ビームが集束されていることを示す。示されるように、デフォーカス曲線１３０２〜１３１０の幅は、開口サイズ１２０２〜１２１０（図１９）のサイズが低下するにつれて増加する。したがって、開口サイズの増加は、集束の改善をもたらす一方、信号の明確さに反比例する。しかしながら、焦点開口サイズの増加は、デフォーカス曲線１３０６〜１３１０間の差異と比較して、デフォーカス曲線１３０２〜１３０６間の比較的小さな差異によって示される、音響ビームの集束を改善する際の収穫逓減を提示する。
【００６７】
大きな出力の取り扱い能力を必要とする用途では、出力は開口面積とほぼ比例するため、概して、大きな開口面積を有することが望ましい。したがって、所与の目標Ｆ値または目標ビーム角度について、焦点長さおよび開口サイズを増加させて、出力取り扱い時の望ましい増加に適応することができる。しかしながら、この寸法の増加によって生じるより大きな焦点長さは、媒体内の音響ビーム経路の長さを増加させ、それに伴って、減弱が増加する。したがって、意図した用途に応じて、開口サイズを選択して、集束の必要性とノイズまたはリンギングを軽減する必要性とのバランスをとる。いくつかの実施形態によれば、開口サイズは、約１０ｍｍ〜約１７．５ｍｍの範囲であり得る。いくつかの特定の実施形態では、開口サイズは、約１０ｍｍ〜約１３ｍｍの範囲であり得るか、または約１１．５ｍｍであり得る。高出力用途に適したＦ値は変化し得るが、特定の実施形態では、約０．８〜４、または好ましくは約１．５〜３、もしくは約２〜２．５の範囲であり得る。
【００６８】
上に記載されるように、レンズ開口直径の調節は、焦点におけるビームサイズおよびリンギングレベルに影響し得る。しかしながら、これらのパラメータは、アクチュエータに接続された電極のサイズまたは直径を調節することによって、代替的にまたは好ましくは調整され得る。図３を再び参照すると、例えば、アクチュエータ２２２は圧電ディスクであり、正の電極２２６は、内側の空洞２１８に向かってディスクの中心を横切って配設されており、負の電極２２８は、アクチュエータの外周の周りに円形に配設されている。かかる実施形態では、正の電極２２６のサイズを調節することにより、特にアクチュエータの音響出力発生ゾーンの面積を制御することができ、より広い面積は、より高い振幅およびより広いビーム面積と相関する。電極の直径を調整することは、図１７〜図２０を参照して上に示されるように、反響およびリンギングを減少させるように、ビームサイズを収容するのに役立ち得る。
【００６９】
様々な他の実施形態では、レンズの厚さは、レンズ材料における反響の時間遅延を変更するように調節され得る。例えば、少なくとも１つの特定の実施形態では、レンズの中心の厚さは、トランスデューサの公称周波数に従って１／４波長と整合される。レンズの中心の厚さをこの１／４波の値に設定すると、アクチュエータから媒体への音響結合が改善される。１つの実施形態では、レンズの厚さの公称値は、０．１５ｍｍ（１０〜１２ＭＨｚの範囲で動作するよう設計されたトランスデューサの場合）であるが、約０．１〜０．２ｍｍの範囲で変化し得る。
【００７０】
様々な実施形態によると、集束レンズ（例えば、集束レンズ２１２、３１２、３１２、図４、図８、図１１）は、トランスデューサケーシング（２０２、３０２、４０２）の本体と接続され得るか、またはケーシングと一体的に接続され得、そこから集束レンズが精密な形成プロセスによって形成される。図２１は、実施形態による、集束レンズを発生させるためのシステム２１００を図解する簡略化されたブロック図である。システム２１００は、トランスデューサの開口直径、深さ、および形状の特定の寸法、ならびに／または所望の目標とされる媒体、公称焦点長さ、および／または材料選択に依存しても、しなくてもよい所望の焦点長さ、効率、および／もしくは信号対ノイズ要件などの性能基準を含むユーザ入力を受信するためのユーザ入力モジュール２１０２を含み得る。成形モジュール２１０４は、ユーザ入力に基づいて必要な集束レンズ形状を決定することができる。場合によっては、成形モジュール２１０４は、集束レンズおよび目標とされる媒体の選択された材料に基づいて、集束レンズに追加するための整合層の特性を決定することができる。成形モジュール２１０４を使用して、トランスデューサの性能を試験および／または検証する際に使用するための性能基準２１１０を発生させることもできる。
【００７１】
１つ以上の自動化または半自動化された製作機構（材料を選択的に除去するレーザアブレーションもしくは精密ＣＡＤ機械加工装置、または三次元印刷方法もしくは気相蒸着装置などのような材料を追加するものなど）を含み得る製作モジュール２１０６を使用して、集束レンズを製作することができ、これには、整合層を適用すること、または整合層の厚さを調節すること、ならびにトランスデューサの内部構成要素を集束レンズの後部に組み立てること、任意選択で、集束レンズをトランスデューサシェルと共に（例えば、溶接によって）組み立てることを含む二次アセンブリタスクが含まれ得る。組み立てられたトランスデューサは、試験モジュール２１０８に挿入されてもよく、試験モジュール２１０８は、エミッタとしてトランスデューサの焦点性能もしくは効率を測定するか、またはセンサとして動作しているときのトランスデューサの信号対ノイズ比、ノイズ減弱、および／もしくは感度を決定するために、トランスデューサを介して音響信号を繰り返し発生させ、かつ／または受信することができる。いくつかの実施形態では、試験モジュール２１０８は、長い時間スケールにわたって動作して、長いスケールの浸漬下で性能測定基準を提供することができる。性能基準を繰り返し査定２１１０および使用して、レンズもしくは整合層の材料の追加または除去のいずれかによって成形モジュール２１０４で集束レンズを定義するためのパラメータを調節することができる。
【００７２】
図２２は、実施形態による、水不透過性超音波トランスデューサを作製するための例示的なプロセス２２００を示している。プロセス２２００は、例えば、図２１に示されるシステム２１００と併せて実装され得る。プロセス２１００（あるいは本明細書に記載される任意の他のプロセス、または変形例および／もしくはそれらの組み合わせ）の一部またはすべては、実行可能な命令で構成された１つ以上のコンピュータシステムの制御下で実施されてもよく、ハードウェアもしくはその組み合わせによって、１つ以上のプロセッサ上で集合的に実行されるコード（例えば、実行可能な命令、１つ以上のコンピュータプログラム、または１つ以上のアプリケーション）として実装され得る。コードは、例えば、１つ以上のプロセッサによって実行可能な複数の命令を含むコンピュータプログラムの形態で、コンピュータ可読記憶媒体に記憶され得る。コンピュータ可読記憶媒体は、非一時的であってもよい。
【００７３】
プロセス２２００は、１つ以上のトランスデューサ性能基準（行為２２０２）を示す入力を受信することを含む。入力は、トランスデューサが動作することを意図した公称周波数、材料選択、好ましい焦点長さ、もしくは焦点における音響ビームの所望のプロファイル、または他の特性を含み得る。次に、集束レンズの幾何学的形状は、開口サイズ（すなわち、集束レンズの凹状部分の直径）および集束レンズの形状または深さを含む、入力に基づいて定義され得る（行為２２０４）。水不透過性トランスデューサヘッドは、例えば、精密機械加工または同等の方法によって、定義された集束レンズの幾何学的形状に適合するように形成され得（行為２２０６）、トランスデューサヘッドは、その後、水不透過性の手段（例えば、永久接着、接触、および／もしくはレーザ溶接、または他の同等の方法）を介して水不透過性ケーシングと接続され得る（行為２２０８）。トランスデューサ電子機器は、トランスデューサヘッドおよびケーシングで組み立てられ得（行為２２１０）、トランスデューサ２００〜７００（図２〜図１４）に関して上で考察されるように、例えば、トランスデューサヘッドの後部に接着されたアクチュエータ、ならびにバッキングおよび電子構成要素を含む。図２３に示されるように、トランスデューサヘッドをケーシングと接続するステップは、構成要素が一体的に接続されるように、トランスデューサヘッドおよびケーシングを単一の部品から形成することによって省略され得ることが理解されよう。
【００７４】
図２３は、単一の一体型部品からトランスデューサヘッドおよびケーシングを形成するための例示的なプロセス２３００を示している。プロセス２３００は、上で図２２を参照して考察されるように、超音波トランスデューサの任意の好適な性能基準に従って定義され得る、集束レンズの幾何学的形状を定義する入力を受信すること（行為２３０２）を含む。一方の端部で閉じている水不透過性ケーシングは、非腐食金属または合金シェルなどの水不透過性材料から鋳造、機械加工、または同等の方法の組み合わせによって形成され得（行為２３０４）、閉じた端部は、中の集束レンズに適応するようにサイズ決めされ、適応するのに十分な厚さを有する。次いで、集束レンズは、例えば、精密機械加工または同等の方法によって、ケーシングの閉じた端部から材料を除去することによって形成され得る（行為２３０６）。かかる方法で形成されたケーシングおよびトランスデューサヘッドは、その後、上に記載される様々なトランスデューサ電子機器と共に組み立てられ得る。
【００７５】
目標媒体の音響インピーダンスとは著しく異なる音響インピーダンス（例えば、音響インピーダンスＺ＞１０ＭＲａｙｌを有する典型的な金属対音響インピーダンスＺ＜２ＭＲａｙｌを有する水溶液で生じたときに５超の比）を有する任意のトランスデューサヘッド材料は、集束レンズと媒体との境界で音響エネルギーを放散する傾向があり、インピーダンスの差が大きくなり、より大きな損失をもたらす。従来の浸漬トランスデューサでは、トランスデューサヘッドは通常、転送損失が最小限になるように、低い音響インピーダンスを有する材料から構成されており、かつノイズが減弱されるように、中を通過する音響エネルギーの一部を吸収または減弱する。しかしながら、本明細書に記載される実施形態では、集束レンズは、金属（例えば、ステンレス鋼または白金）のシェルなどの完全水不透過性材料である。かかる材料は、より効率的なエミッタであってもよく、中を通過するエネルギーの吸収がより少ない。しかしながら、かかるトランスデューサは、低インピーダンスの媒体中に直接放出する場合、媒体境界での遷移損失に対して大量の音響エネルギーを損失する可能性があり、高度のノイズおよび内部反射を起こしやすくなる場合がある。かかる欠点は、以下の図２４を参照して考察される方法によって軽減され得る。
【００７６】
図２４は、実施形態に従って、遷移損失および／またはノイズを軽減するために、トランスデューサヘッドおよび／またはケーシングを修正するための例示的なプロセス２４００を示している。プロセス２４００は、トランスデューサヘッド材料の音響インピーダンスに関する情報を含む入力、およびトランスデューサが動作することを意図した目標媒体を受信することを含む（行為２４０４）。集束レンズと目標媒体との間の音響エネルギー転送を容易にするための整合材料（または材料）が、各々の音響インピーダンスに基づいて選択される（行為２４０６）。個別の整合材料が、図１２および式１に関して上で考察されるパラメータの任意の好適な組み合わせに従って選択され得る。場合によっては、複数の整合層が選択されてもよく、その場合、それぞれの材料は、図１３、および式２の連立方程式に関して上で考察されるパラメータの任意の好適な組み合わせに従って選択され得る。
【００７７】
次に、整合層の材料の公称厚さは、選択された材料の音響インピーダンス、およびトランスデューサが動作することを意図した公称周波数に基づいて決定され得る（行為２３０８）。図１２を参照して考察されるように、公称厚さは、好ましくは、整合層の材料を通過する音波の公称周波数に関連付けられた１／４波長、または代替的に、１／４波長の任意の奇数倍（例えば、波長の３／４）を目標とする。整合層は、公称厚さ以上の厚さで集束レンズに適用される（行為２４１０）。場合によっては、材料を均等かつ正確に分布させる方法で整合層が蒸着されているときなどに、整合層を好ましい厚さに直接適用することができる。しかしながら、場合によっては、整合層を（例えば、精密機械加工によって）部分的に除去して、整合層全体を好ましい公称厚さに一致させることができる（行為２４１２）。
【００７８】
ノイズまたはリンギングを軽減するために、トランスデューサヘッド上および集束レンズに隣接してさらなる材料を適用することができる。例えば、音響吸収物質から形成された減弱層を集束レンズの外周の周りに適用することができる（行為２４１４）。場合によっては、減弱層は、その上に次に積み上げることができ、かつトランスデューサ４００（図１０および図１１）を参照して上に記載されるように、バッキング材料として減弱層を使用することによって動作し得る（行為２４１６）、１つ以上の小さな追加のトランスデューサなどのさらなる構成要素のためのバッキング材料として使用され得る。
【００７９】
上に記載される水不透過性トランスデューサは、従来のトランスデューサの設計とは対照的に、時間と共に極めて均一な性能を提供し、流体曝露に応答して劣化することはない。かかるトランスデューサにより、浸漬しても製造時から長期間の使用まで一貫した性能を期待することができる。例えば、同じ音響集束を有する２つの同一のトランスデューサは、交換可能であり、一方が（器具の外側で乾燥したまま）５年使用され、もう一方が５年間浸漬された場合でも、液滴転送用途で使用されるのと同じサイズの液滴を発生させる必要がある。ＮＤＴなどの他の浸漬用途での長期間の使用でも同等の一貫性を期待することができる。
【００８０】
流体不透過性トランスデューサにおける性能の一貫性は、一貫した焦点長さ、偏心度、および対称性を含むが、これに限定されないいくつかの方法で特徴付けられ得る。焦点長さは、レンズの頂点を通る軸に沿った音響ビームの振幅を測定することによって経験的に決定され得る。図２５は、この軸に沿った例示的な焦点掃引を示すチャートであり、エコー遅延の関数としてのエコー振幅、またはレンズからの距離に対応する飛行時間（ＴｏＦ）を示している。同様に、集束の形状（例えば、偏心度、対称性）は、焦点長さ、すなわち、焦点面に対応する二次元平面を横切る音響ビームの振幅を測定することによって経験的に決定され得る。図２６は、流体不透過性トランスデューサによって発生した音響ビームの例示的な焦点面を横切って測定されたエコー振幅を示す輪郭プロットである。
【００８１】
トランスデューサの焦点長さを測定するための手順は、以下のとおりである。平坦な固体のプレートは、プレートがトランスデューサから放射される音響ビームに対して垂直になるように、トランスデューサの前方の機械的並進ステージ上に装着される。並進ステージは、レンズの頂点とプレートとの間の距離がレンズの期待される焦点面の周りで変化し得るように、プレートを移動させるように構成される必要がある。トランスデューサとプレートとの間の空間は、温度制御された環境下において、限定されるものではないが、蒸留水などの好適な結合流体で充填される。ステンレスの平坦で滑らかなプレートを固体部品として使用することができる。トランスデューサは、プレートからの離散空間の範囲に位置付けられ、各空間の短い「ｐｉｎｇ」波形で励起される。各ｐｉｎｇは、トランスデューサからプレートへと進む短い音のバーストを励起し、音のバーストは、レンズに向かって逆反射し、トランスデューサで電気信号に逆変換される。ｐｉｎｇごとに、エコーピーク振幅、ならびに反射エコーと適用されたｐｉｎｇ信号との間の遅延が測定され、プロセスは、連続した各トランスデューサ−プレート空間で繰り返される。それぞれのエコーピーク振幅および遅延は、図２５に示されるようにプロットされ得る。最も高いエコーリターンを与える遅延は、トランスデューサの焦点長さに対応する特徴的な飛行時間（ＴｏＦ）である。必要に応じて、曲線あてはめを用いて、受信したエコーの不可避なノイズを滑らかにして、集束ＴｏＦの一貫した推定を行う。本明細書に開示される流体不透過性トランスデューサは、長期浸漬中ずっとレンズの形状を保持し、それによって、長期浸漬後でも一貫した焦点長さを保持することができる。いくつかの実施形態によれば、本明細書に開示される流体不透過性トランスデューサは、浸漬の１年後に、初期浸漬直後に発生した初期音響ビームの初期焦点長さの０．１％以内の焦点長さを有する音響ビームを発生させ得る。この一貫性は、長期浸漬後のビームの偏心度および対称性にも及び得る。
【００８２】
トランスデューサによって発生した音響ビームの空間的性質を測定し、かつそれによって、その偏心度および対称性を測定するための手順は、以下のとおりである。最初に、鋭利なピンリフレクタが、ピンがトランスデューサから放射される音響ビームと整列し、先端がレンズの焦点面にあるように、トランスデューサの前方のｘ−ｙの二重の機械的並進ステージのセットの上に装着される。並進ステージは、ピンをレンズの期待される焦点の周りに横方向に移動させるように構成される必要がある。トランスデューサとピンとの間の空間は、温度制御された環境下において、好適な結合流体、多くの場合、蒸留水で充填される。一旦組み立てられると、並進ステージは、小さなｘ−ｙステップ漸増を有するラスタパターンでピンを移動させるために使用され、トランスデューサは、音響信号を放出し、記録するために使用される。各ｘ−ｙ位置において、以下のステップが実施される。（ａ）トランスデューサが短い「ｐｉｎｇ」波形で励起されるステップ、（ｂ）ｐｉｎｇが、トランスデューサからプレートへと進む短い音のバーストを励起するステップ、（ｃ）ピンがトランスデューサのレンズに向かって音のビームを逆反射するステップ、（ｄ）トランスデューサ信号がエコーを電気信号に逆変換するステップ、および（ｅ）反射されたエコーの反射されたエコーピーク振幅が記録され、それぞれのｘ−ｙ位置に関連付けられるステップ。ピークエコー信号の記録値は、図２６の輪郭プロットに示されるように、ｘ−ｙ位置に対してプロットされ得る。表面あてはめを使用して、トランスデューサから放出された音響ビームの偏心度または同心性を推定することができる。
【００８３】
本明細書に開示される流体不透過性トランスデューサによって発生する音響ビームの空間的特性は、液体中で徐々に取り込まれるか、劣化するか、または変形する材料を使用するトランスデューサとは対照的に、経時的に、および浸漬後に非常に一貫している。この一貫性は、対称性、偏心度、もしくは同心性、または他の属性の観点から説明され得る。いくつかの実施形態によれば、１年間、液体中にトランスデューサを浸漬した後に流体不透過性トランスデューサによって発生した音響ビームの偏心度は、初期浸漬直後に発生した初期音響ビームの初期偏心度の０．１％以内と一致する。トランスデューサのレンズ、ならびにバッキング層およびアクチュエータについて本明細書に開示される流体不透過性材料はまた、レンズの形状および結果として得られる音響ビームの形状の改善された精度を、前に利用可能なトランスデューサに対して提供し得る。したがって、偏心度が０．１％未満（すなわち、完全に同心またはほぼ同心）の精密な音響ビームの形状が達成可能であり、長期間の浸漬中ずっと保持され得る。
【００８４】
いくつかの代替的な実施形態では、本明細書に記載される水不透過性トランスデューサを、特定の用途（例えば、ＮＤＴおよび分析用途、高出力用途など）のためのトランスデューサ配列で使用することができる。逆に、本明細書に記載される水不透過性トランスデューサを使用して、従来はトランスデューサの配列のために確保されていた用途において、トランスデューサ配列を置き換えることもできる。かかるトランスデューサ配列は、例えば、米国特許第８，５４４，９７６号に詳細に記載されている。当技術分野で公知の手法は、スキャン動作によってかかる構造から返されるエコーの特性に基づいて、スキャンされた構造の物理的パラメータを決定するために使用され得る。ＮＤＴのための様々な物理的パラメータおよびエコー特性、ならびにスキャンパラメータは当技術分野で公知であり、すべての目的のために参照により本明細書に組み込まれる以下の参照文献に開示されている。Ｖ．Ｍ．Ｒｉｓｔｉｃ，“Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ  ｏｆ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅｓ，”Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ａｎｄ  Ｓｏｎｓ（１９８３）、Ｇ．Ｃｒｏｗｅ，“Ａｎ  Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｔｏ  Ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ  Ｔｅｓｔｉｎｇ，”（２００９），ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｎｄｔ．ｏｒｇ／、およびｈｔｔｐｓ：／／ａｓｎｔ．ｏｒｇ／Ｈｏｍｅ。
【００８５】
上で考察される様々な計算方法は、ハードウェア、ソフトウェア、および／もしくはファームウェアを有するコンピュータまたは他のプロセッサと併せて、またはそれらを使用して実施され得る。様々な方法ステップは、モジュールによって実施されてもよく、モジュールは、本明細書に記載される方法ステップを実施するように配置された多種多様なデジタルならびに／またはアナログデータ処理ハードウェアおよび／もしくはソフトウェアのいずれかを含み得る。モジュールは、任意選択で、関連付けられた適切な機械プログラミングコードを有することによって、これらのステップのうちの１つ以上を実施するように適合されたデータ処理ハードウェアを備え、２つ以上のステップ（または２つ以上のステップの一部）のためのモジュールは、単一のプロセッサボードに統合されるか、または多種多様な統合および／もしくは分散処理アーキテクチャのいずれかにおいて異なるプロセッサボードに分離される。これらの方法およびシステムは、多くの場合、上に記載される方法ステップを実施するための命令を有する機械可読コードを具現化する有形媒体を用いる。好適な有形媒体としては、メモリ（揮発性メモリおよび／もしくは不揮発性メモリを含む）、記憶媒体（フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク、テープなどへの磁気記録、ＣＤ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤなどの光学メモリ、または任意の他のデジタルもしくはアナログ記憶媒体など）などを挙げることができる。
【００８６】
本明細書に示される特色は、例としてであり、本発明の好ましい実施形態の例示的な考察の目的のためだけであり、本発明の様々な実施形態の原理および概念的態様の最も有用かつ容易に理解されると考えられる説明を提供する場合に提示されている。この点に関して、本発明の基本的な理解に必要とされるよりも詳細に、本発明の構造の詳細を示すための試みは行われておらず、説明は、本発明のいくつかの形態が実際にどのように具現化され得るかを当業者に明らかにする図面および／または実施例を用いて行われる。
【００８７】
以下の定義および説明は、以下の実施例において明確かつ明白に修正されない限り、または意味の適用により、任意の構成が無意味もしくは本質的に無意味となる場合を除き、任意の将来の構成で制御されることを意味および意図する。用語の構成がそれを無意味または本質的に無意味にする場合、その定義は、Ｗｅｂｓｔｅｒ’ｓ  Ｄｉｃｔｉｏｎａｒｙ，３ｒｄ  Ｅｄｉｔｉｏｎ、またはＯｘｆｏｒｄ  Ｄｉｃｔｉｏｎａｒｙ  ｏｆ  Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ａｎｄ  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｉｏｌｏｇｙ（Ｅｄ．Ａｎｔｈｏｎｙ  Ｓｍｉｔｈ，Ｏｘｆｏｒｄ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ，Ｏｘｆｏｒｄ，２００４）などの当業者に公知の辞書により行われる必要がある。
【００８８】
別様に文脈が明確に要求しない限り、説明および特許請求の範囲全体を通して、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などの語句は、排他的または網羅的な意味とは反対の包括的な意味、つまり、「含むが、それに限定されない」という意味で解釈されるべきである。単数形または複数形の数を使用する語句はまた、それぞれ複数形および単数形の数を含む。さらに、本出願において使用される場合、「本明細書（ｈｅｒｅｉｎ）」、「上記」、および「以下」という語句、ならびに同様の趣旨の語句は、本出願の任意の特定部分ではなく、本出願全体を指すものとする。
【００８９】
本開示の実施形態の説明は、網羅的であること、または開示される正確な形態に本開示を限定することを意図するものではない。本開示の特定の実施形態および実施例が例示目的で本明細書に記載されているが、様々な同等の修正例が、関連技術の当業者が認識するように、本開示の範囲内において可能である。
【００９０】
特許申請書（特許、特許出願、および特許刊行物を含む）、科学雑誌、書籍、論文、技術文献、ならびに本出願で考察される他の刊行物および資料を含むすべての参考文献は、すべての目的に対してそれらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００９１】
本開示のなおもさらなる実施形態を提供するために、必要に応じて、本開示の態様を修正して、上記の参考文献および出願のシステム、機能、および概念を用いることができる。これらおよび他の変更を、詳細な説明を考慮して、本開示に行うことができる。
【００９２】
任意の前述の実施形態の特定の要素は、他の実施形態の要素と組み合わされても、置換されてもよい。さらに、本開示のある特定の実施形態に関連付けられた利点を、これらの実施形態の文脈において説明してきたが、他の実施形態がかかる利点を示す場合もあり、すべての実施形態が必ずしも本開示の範囲内に入るように、かかる利点を示す必要はない。
【００９３】
上記は本発明の例示的な実施形態の完全かつ徹底的な開示を提供するが、様々な修正例、代替構成、および同等物を必要に応じて用いることができる。その結果、実施形態を例として、および理解を明確にするために、一部詳細に説明してきたが、様々な修正例、変更例、および適合例が当業者には明らかであろう。したがって、上記の説明および図解は、本発明を限定するものとして解釈されるべきではなく、添付の特許請求の範囲によって定義され得る。
【００９４】
他の変形例が本開示の趣旨の範囲内である。したがって、開示される技術は、様々な修正例および代替的な構成の影響を受けやすいが、開示される技術のある特定の図解される実施形態は、図面に示されており、詳細に上で説明されている。しかしながら、本開示を開示される特定の形態（複数可）に限定する意図はないが、反対に、意図は、添付の特許請求の範囲に定義されるように、本開示の趣旨および範囲内に入るすべての修正例、代替的な構成、および同等物を網羅することであることを理解されたい。
【００９５】
開示される実施形態を説明する文脈（とりわけ、以下の特許請求の範囲の文脈）における用語「ａ」および「ａｎ」および「ｔｈｅ」、ならびに同様の参照対象の使用は、別様に本明細書に示されない限り、または文脈によって明らかに矛盾しない限り、単数形および複数形の両方を網羅すると解釈されるべきである。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」という用語は、別様に記述されない限り、制限のない用語（ｏｐｅｎ−ｅｎｄｅｄ  ｔｅｒｍ）（すなわち、「含むが、これに限定されない」を意味する）として解釈されるべきである。「接続された」という用語は、介在する何かが存在する場合でも、部分的または全体的に中に含まれるか、取り付けられるか、または一緒に接合されるものとして解釈されるべきである。本明細書の値の範囲の列挙は、別様に本明細書に示されない限り、単に、範囲内に入る各別個の値を個別に参照する略式方法として役立つことを意図するものであり、各別個の値は、本明細書に個別に列挙されたものとして本明細書に組み込まれる。本明細書に記載されるすべての方法は、別様に本明細書に示されない限り、または別様に文脈によって明らかに矛盾しない限り、任意の好適な順序で実施され得る。本明細書に提供される任意のおよびすべての実施例、または例示的な言い回し（例えば、「などの」）の使用は、単に本開示の実施形態をよりよく明らかにすることを意図するものであり、別様に請求されない限り、本開示の範囲に限定を課さない。本明細書のいかなる言い回しも、本開示の実施に不可欠なものとして任意の特許請求されない要素を示すように解釈されるべきではない。
【００９６】
「Ｘ、Ｙ、またはＺのうちの少なくとも１つ」という表現などの離接的な言い回しは、別様に具体的に明記されない限り、項目、用語などが、Ｘ、Ｙ、もしくはＺのいずれか、またはそれらの任意の組み合わせ（例えば、Ｘ、Ｙ、および／またはＺ）であり得ることを提示するように概して使用される文脈内で理解されることを意図する。したがって、かかる離接的な言い回しは、ある特定の実施形態が、各々が存在するために、Ｘの少なくとも１つ、Ｙの少なくとも１つ、またはＺの少なくとも１つを必要とすることを概して意図するものではなく、それを暗示するべきではない。
【００９７】
本発明者らが本開示を行うための最良のモードを含む、本開示の好ましい実施形態が本明細書に記載されている。これらの好ましい実施形態の変形例は、前述の説明を読むことで当業者には明らかになり得る。発明者らは、当業者がかかる変形例を適切に用いることを期待し、かつ発明者らは、本明細書に具体的に記載される以外の方法で本開示を実践することを意図している。したがって、本開示は、適用法によって許可された場合に、本明細書に添付される特許請求の範囲に列挙される主題のすべての修正例および同等物を含む。さらに、それらのすべての可能な変形例における、上に記載される要素の任意の組み合わせは、別様に本明細書に示されない限り、または別様に文脈によって明らかに矛盾しない限り、本開示によって包含される。
【００９８】
本明細書に引用される刊行物、特許出願、および特許を含むすべての参照文献は、各参照文献が参照により組み込まれることが個別かつ具体的に示され、その全体が本明細書に記載される場合と同じ程度まで参照により本明細書に組み込まれる。
【００９９】
以下において、本発明の理解を容易にするために、さらなる実施例を説明する。
【０１００】
実施例Ａ．トランスデューサであって、ケーシングと、金属集束レンズを含む流体不透過性トランスデューサヘッドであって、トランスデューサヘッドが、後面および前面を有し、金属集束レンズが、前面上に配設されており、かつ焦点に向かって超音波を集束させるように構成されている、流体不透過性トランスデューサヘッドと、トランスデューサヘッドの後面に接着されており、かつ超音波が金属集束レンズから焦点に向かって放出されるように、金属集束レンズの発振的機械的振動を発生させるように動作可能なアクチュエータと、を備え、ケーシング内への液体の侵入を防止するために、ケーシングおよびトランスデューサヘッドが、流体不透過性の様式で接続されている、トランスデューサ。
【０１０１】
実施例Ｂ．ケーシングが、流体不透過性の接合部を介して金属集束レンズに接続された金属ケーシングを含む、先行する実施例のいずれかに記載のトランスデューサ。
【０１０２】
実施例Ｃ．流体不透過性の接合部が、溶接接合部を含む、実施例Ｂに記載のトランスデューサ。
【０１０３】
実施例Ｄ．ケーシング内へのガスの侵入を防止するために、ケーシングおよびトランスデューサヘッドが、流体不透過性の様式で接続されている、先行する実施例のいずれかに記載のトランスデューサ。
【０１０４】
実施例Ｅ．ケーシングおよび金属集束レンズが、一体的に形成されている、先行する実施例のいずれかに記載のトランスデューサ。
【０１０５】
実施例Ｆ．集束レンズが、球状の凹状面を含む、先行する実施例のいずれかに記載のトランスデューサ。
【０１０６】
実施例Ｇ．集束レンズが、円筒形の凹状面を含む、先行する実施例のいずれかに記載のトランスデューサ。
【０１０７】
実施例Ｈ．アクチュエータが、圧電トランスデューサである、先行する実施例のいずれかに記載のトランスデューサ。
【０１０８】
実施例Ｉ．トランスデューサヘッドの前面が、集束レンズを囲む周辺部分を含み、周辺部分とインターフェース接続されており、かつアクチュエータから周辺部分を通って放出される超音波エネルギーを吸収するように構成されている、減弱層をさらに備える、先行する実施例のいずれかに記載のトランスデューサ。
【０１０９】
実施例Ｊ．集束レンズから媒体に超音波を伝達するために集束レンズに結合された整合層をさらに備え、整合層が、集束レンズから媒体への超音波の伝達を、集束レンズから媒体への超音波の直接伝達と比較して、強化するように構成されている、先行する実施例のいずれかに記載のトランスデューサ。
【０１１０】
実施例Ｋ．集束レンズが、第１の音響インピーダンスを有し、媒体が、第１の音響インピーダンスとは異なる第２の音響インピーダンスを有し、整合層が、第１の音響インピーダンスと第２の音響インピーダンスとの間に整合する音響インピーダンスを有する、実施例Ｊに記載のトランスデューサ。
【０１１１】
実施例Ｌ．整合する音響インピーダンスが、式Ｚｍ＝√（ＺｌＺｃ）に従って、Ｚｍとほぼ等しく、式中、Ｚｌが、第１の音響インピーダンスであり、Ｚｃが、第２の音響インピーダンスである、実施例Ｋに記載のトランスデューサ。
【０１１２】
実施例Ｍ．整合する音響インピーダンスが、Ｚｍの１０％以内である、実施例Ｌに記載のトランスデューサ。
【０１１３】
実施例Ｎ．整合する音響インピーダンスが、Ｚｍの５％以内である、実施例Ｌに記載のトランスデューサ。
【０１１４】
実施例Ｏ．整合する音響インピーダンスが、約４〜１０Ｍｒａｙｌの範囲内である、実施例Ｋに記載のトランスデューサ。
【０１１５】
実施例Ｐ．整合する音響インピーダンスが、約６〜８Ｍｒａｙｌの範囲内である、実施例Ｋに記載のトランスデューサ。
【０１１６】
実施例Ｑ．整合層が、グラファイトを含む、実施例Ｊ〜Ｐのいずれかに記載のトランスデューサ。
【０１１７】
実施例Ｒ．整合層が、フルオロポリマー層を含む、実施例Ｊ〜Ｐのいずれかに記載のトランスデューサ。
【０１１８】
実施例Ｓ．整合層が、ポリビニリデンジフルオリドを含む、実施例Ｊ〜Ｐのいずれかに記載のトランスデューサ。
【０１１９】
実施例Ｔ．整合層が、整合層を通過する公称周波数での音響信号の１／４波長の奇数倍に対応する厚さを有する、実施例Ｊ〜Ｓのいずれかに記載のトランスデューサ。
【０１２０】
実施例Ｕ．整合層の厚さが、１／４波長の奇数倍によって定義される公称厚さの２０％以内である、請求項Ｔに記載のトランスデューサ。
【０１２１】
実施例Ｖ．整合層の厚さが、１／４波長の奇数倍によって定義される公称厚さの１０％以内である、請求項Ｔに記載のトランスデューサ。
【０１２２】
実施例Ｗ．公称周波数が、２〜１５ＭＨｚの範囲である、実施例Ｔ〜Ｖのいずれかに記載のトランスデューサ。
【０１２３】
実施例Ｘ．整合層が、３０〜８０μｍの範囲の厚さを有する、実施例Ｔ〜Ｗのいずれかに記載のトランスデューサ。
【０１２４】
実施例Ｙ．前面上に配設された第１の整合層と、第１の整合層上に配設された第２の整合層と、をさらに備え、第１および第２の整合層が、集束レンズから媒体への超音波の伝達を、集束レンズから媒体への超音波の直接伝達と比較して、強化するように構成されている、先行する実施例のいずれかに記載のトランスデューサ。
【０１２５】
実施例Ｚ．集束レンズが、第１の音響インピーダンスを有し、媒体が、第１の音響インピーダンスとは異なる第２の音響インピーダンスを有し、第１の整合層が、第１の音響インピーダンスと第２の音響インピーダンスとの間に第１の整合する音響インピーダンスを有し、第２の整合層が、第１の整合する音響インピーダンスと第２の音響インピーダンスとの間に第２の整合する音響インピーダンスを有する、実施例Ｙに記載のトランスデューサ。
【０１２６】
実施例ＡＡ．第１および第２の整合する音響インピーダンスが、Ｚｍ１＝√（ＺｌＺｍ２）およびＺｍ２＝√（Ｚｍ１Ｚｃ）の場合に、それぞれＺｍ１およびＺｍ２とほぼ等しく、式中、Ｚｌが、金属の音響インピーダンスに対応し、集束レンズおよびＺｃが、媒体の音響インピーダンスに対応する、請求項Ｚに記載のトランスデューサ。
【０１２７】
実施例ＡＢ．集束レンズが、アクチュエータよりも直径が大きい、先行する実施例のいずれかに記載のトランスデューサ。
【０１２８】
実施例ＡＣ．トランスデューサヘッドが、金属または金属合金で形成されている、先行する実施例のいずれかに記載のトランスデューサ。
【０１２９】
実施例ＡＤ．トランスデューサヘッドが、アルミニウム（Ａｌ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カドミウム（Ｃｄ）、炭素（Ｃ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、金（Ａｕ）、鉄（Ｆｅ）、鉛（Ｐｂ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、リン（Ｐ）、白金（Ｐｔ）、セレン（Ｓｅ）、シリコン（Ｓｉ）、銀（Ａｇ）、スズ（Ｓｎ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、バナジウム（Ｖ）、亜鉛（Ｚｎ）、またはジルコニウム（Ｚｒ）のうちの１つ以上を含む、先行する実施例のいずれかに記載のトランスデューサ。
【０１３０】
実施例ＡＥ．トランスデューサヘッドおよびケーシングが、液体中に浸漬されたときに、液体浸透深さおよび誘導された材料損失がゼロであることを特徴とする、先行する実施例のいずれかに記載のトランスデューサ。
【０１３１】
実施例ＡＦ．トランスデューサヘッドおよびケーシングが、液体との接触による材料の重量損失が年間０．１％未満であることを特徴とする、先行する実施例のいずれかに記載のトランスデューサ。
【０１３２】
実施例ＡＧ．アクチュエータが、トランスデューサによって発生した公称周波数での音響信号の公称音響波長のほぼ半分に等しい厚さを有する、先行する実施例のいずれかに記載のトランスデューサ。
【０１３３】
実施例ＡＨ．アクチュエータが、およそ２７５μｍに等しい厚さを有する、先行する実施例のいずれかに記載のトランスデューサ。
【０１３４】
実施例ＡＩ．アクチュエータによって伝達される音響エネルギーを減弱させるように構成されている、バッキング材料をさらに備え、アクチュエータが、バッキング材料と金属集束レンズとの間に位置付けられている、先行する実施例のいずれかに記載のトランスデューサ。
【０１３５】
実施例ＡＪ．バッキング材料が、音響減衰材料中に均一に懸濁された音響散乱材料の粒子を含む、実施例ＡＩに記載のトランスデューサ。
【０１３６】
実施例ＡＫ．バッキング材料が、減衰ポリマーマトリックスを含む、実施例ＡＩに記載のトランスデューサ。
【０１３７】
実施例ＡＬ．バッキング材料が、シリコンカーバイドの粒子を含浸させた減衰ポリマーマトリックスを含む、実施例ＡＩに記載のトランスデューサ。
【０１３８】
実施例ＡＭ．バッキング材料が、タングステンの粒子を含浸させた減衰ポリマーマトリックスを含む、実施例ＡＩに記載のトランスデューサ。
【０１３９】
実施例ＡＮ．バッキング材料が、１３．５〜１６．５Ｍｒａｙｌに及ぶ音響インピーダンスを有する、実施例ＡＩ〜ＡＭのいずれかに記載のトランスデューサ。
【０１４０】
実施例ＡＯ．ケーシングの内部空間を実質的に充填する密閉材をさらに備え、バッキング材料が、アクチュエータと密閉材との間に配設されている、実施例ＡＩ〜ＡＮのいずれかに記載のトランスデューサ。
【０１４１】
実施例ＡＰ．トランスデューサによって発生した音響ビームの焦点長さが、十分に安定しており、焦点長さが、液体との接触によって年間０．１％未満の割合で変化する、先行する実施例のいずれかに記載のトランスデューサ。
【０１４２】
実施例ＡＱ．トランスデューサによって発生した音響ビームの偏心度が、十分に安定しており、偏心度が、液体との接触によって年間０．１％未満の割合で変化する、先行する実施例のいずれかに記載のトランスデューサ。
【０１４３】
実施例ＡＲ．トランスデューサが、流体不透過性であり、かつ２大気圧超で１３０℃を超える温度に曝露されたときの性能の変化に対して弾力性がある、先行する実施例のいずれかに記載のトランスデューサ。
【０１４４】
実施例ＡＳ．流体不透過性超音波トランスデューサを形成する方法であって、方法が、流体不透過性材料から実質的に中空のケーシングを形成することであって、実質的に中空のケーシングが、内部空洞および開いた第１の端部を有する、形成することと、流体不透過性材料からトランスデューサヘッド要素を形成することであって、トランスデューサヘッド要素が、ケーシングの開いた第１の端部と接続するようにサイズ決めされる、形成することと、ヘッド要素の前面上に集束レンズを形成することであって、集束レンズが、焦点に向かって超音波を集束させるように構成されている、形成することと、ヘッド要素をケーシングの第１の端部と接合して、流体不透過性の接合部を形成することであって、ヘッド要素が、集束レンズがケーシングから離れる方向を指すように位置付けられる、形成することと、前面とは反対のトランスデューサヘッドの後面にアクチュエータを接着することであって、アクチュエータが、超音波が集束レンズから焦点に向かって放出されるように、集束レンズの発振的機械的振動を発生させるように動作可能である、接着することと、を含む、方法。
【０１４５】
実施例ＡＴ．ヘッド要素をケーシングの第１の端部と接合することが、ヘッド要素をケーシングと溶接することを含む、実施例ＡＳに記載の方法。
【０１４６】
実施例ＡＵ．集束レンズを形成することが、精密機械加工プロセスを介してヘッド要素の前面から材料を除去することを含む、先行する実施例のいずれかに記載の方法。
【０１４７】
実施例ＡＶ．ケーシング内にアクチュエータに隣接して、かつアクチュエータの後方にバッキング材料を挿入することと、密閉材でケーシングの内部空洞の残りの部分を実質的に充填することと、をさらに含む、先行する実施例のいずれかに記載の方法。
【０１４８】
実施例ＡＷ．集束レンズに整合層を適用することをさらに含み、整合層が、式Ｚｍ＝√（ＺｌＺｃ）に従って、Ｚｍに対応する整合する音響インピーダンスを有する材料を含み、式中、Ｚｌが、ヘッド要素に対応する第１の音響インピーダンスであり、Ｚｃが、媒体に対応する第２の音響インピーダンスである、先行する実施例のいずれかに記載の方法。
【０１４９】
実施例ＡＸ．整合層の厚さを減少させて、厚さを、整合層を通過する公称周波数での音響信号の１／４波長の奇数倍に一致させることをさらに含む、実施例ＡＷに記載の方法。
【０１５０】
実施例ＡＹ．整合層を通過する公称周波数での音響信号の１／４波長の奇数倍に対応する厚さで整合層を適用することをさらに含む、実施例ＡＷに記載の方法。
【０１５１】
実施例ＡＺ．ケーシング内にアクチュエータに隣接して、かつアクチュエータの後方にバッキング材料を挿入することと、ケーシング内にアクチュエータに当接し、かつバッキング材料の周辺を中心として導電性リング要素を挿入することであって、導電性リングが、内側導電性部分および外側導電性部分を有する、挿入することと、アクチュエータの第１の電極を導電性リング要素の内側導電性部分と接触させることと、アクチュエータの第２の電極を導電性リング要素の外側導電性部分と接触させることと、をさらに含む、先行する実施例のいずれかに記載の方法。
【０１５２】
実施例ＢＡ．集束レンズに隣接するヘッド要素の周辺に減弱層を適用することをさらに含む、先行する実施例のいずれかに記載の方法。
【０１５３】
実施例ＢＢ．集束レンズに整合層を適用することをさらに含み、整合層が、トランスデューサヘッドの第１の音響インピーダンスよりも小さい整合する音響インピーダンスを有する、先行する実施例のいずれかに記載の方法。
【０１５４】
実施例ＢＣ．流体不透過性超音波トランスデューサを形成する方法であって、方法が、流体不透過性材料から実質的に中空のケーシングを形成することであって、実質的に中空のケーシングが、内部空洞、およびトランスデューサヘッド要素を画定する閉じた第１の端部を有する、形成することと、ヘッド要素の前面上に集束レンズを形成することであって、集束レンズが、焦点に向かって超音波を集束させるように構成されている、形成することと、前面とは反対のトランスデューサヘッドの後面にアクチュエータを接着することであって、アクチュエータが、超音波が集束レンズから焦点に向かって放出されるように、集束レンズの発振的機械的振動を発生させるように動作可能である、接着することと、を含む、方法。
【０１５５】
実施例ＢＤ．集束レンズを形成することが、ヘッド要素の前面から材料を除去することを含む、実施例ＢＣに記載の方法。
【０１５６】
実施例ＢＥ．ケーシング内にアクチュエータに隣接して、かつアクチュエータの後方にバッキング材料を挿入することと、密閉材でケーシングの内部空洞の残りの部分を実質的に充填することと、をさらに含む、先行する実施例のいずれかに記載の方法。
【０１５７】
実施例ＢＦ．ケーシング内にアクチュエータに当接し、かつバッキング材料の周辺を中心として導電性リング要素を挿入することであって、導電性リングが、内側導電性部分および外側導電性部分を有する、挿入することと、アクチュエータの第１の電極を導電性リング要素の内側導電性部分と接触させることと、アクチュエータの第２の電極を導電性リング要素の外側導電性部分と接触させることと、をさらに含む、実施例ＢＥに記載の方法。
【０１５８】
実施例ＢＧ．集束レンズに整合層を適用することをさらに含み、整合層が、式Ｚｍ＝√（ＺｌＺｃ）に従って、Ｚｍに対応する整合する音響インピーダンスを有する材料を含み、式中、Ｚｌが、ヘッド要素に対応する第１の音響インピーダンスであり、Ｚｃが、媒体に対応する第２の音響インピーダンスである、先行する実施例のいずれかに記載の方法。
【０１５９】
実施例ＢＨ．整合層の厚さを減少させて、厚さを、整合層を通過する公称周波数での音響信号の１／４波長の奇数倍に一致させることをさらに含む、実施例ＢＧに記載の方法。
【０１６０】
実施例ＢＩ．整合層を通過する公称周波数での音響信号の１／４波長の奇数倍に対応する厚さで整合層を適用することをさらに含む、実施例ＢＧに記載の方法。
【０１６１】
実施例ＢＪ．集束レンズに隣接するヘッド要素の周辺に減弱層を適用することをさらに含む、先行する実施例のいずれか１つに記載の方法。
【０１６２】
実施例ＢＫ．集束レンズに整合層を適用することをさらに含み、整合層が、トランスデューサヘッドの第１の音響インピーダンスよりも小さい整合する音響インピーダンスを有する、先行する実施例のいずれか１つに記載の方法。
【０１６３】
実施例ＢＬ．流体のリザーバから液滴を排出する方法であって、方法が、実施例Ａ〜ＡＲのいずれかに記載のトランスデューサを含む流体不透過性トランスデューサを用いて、トランスデューサからリザーバへ音響エネルギーを結合するように位置付けられた音響媒体中に集束レンズを浸漬することと、リザーバの流体表面から液滴排出を引き起こすように構成された周波数で、アクチュエータによって音響パルスを発生させることと、集束レンズを介して、アクチュエータから流体リザーバまで音響パルスを通過させることと、を含む、方法。
【０１６４】
実施例ＢＭ．構造の超音波試験を実施する方法であって、方法が、実施例Ａ〜ＡＲのいずれか１つに記載のトランスデューサを含む流体不透過性トランスデューサを用いて、構造と流体接触する音響媒体中に集束レンズを浸漬することと、アクチュエータによって音響パルスを発生させ、構造のスキャン領域に向けることと、スキャン領域に対応する音響パルスのエコーを受信することと、エコーの特性に基づいて、構造のスキャン領域の物理的パラメータを決定することと、を含む、方法。
【０１６５】
図面に描かれるか、または上に記載される構成要素の異なる配置、ならびに図示または記載されていない構成要素およびステップが可能である。同様に、いくつかの特徴およびサブ組み合わせが有用であり、他の特徴およびサブ組み合わせを参照することなく用いられてもよい。本発明の実施形態は、制限的な目的ではなく、例示のために記載されており、代替的な実施形態が本特許の読者に明らかになるであろう。したがって、本発明は、上に記載されるか、または図面に描かれる実施形態に限定されず、以下の特許請求の範囲から逸脱することなく、様々な実施形態および修正例を行うことができる。
【図１】
2021519543.tif 000009
【図２】
2021519543.tif 000010
【図３】
2021519543.tif 000011
【図４】
2021519543.tif 000012
【図５】
2021519543.tif 000013
【図６】
2021519543.tif 000014
【図７】
2021519543.tif 000015
【図８】
2021519543.tif 000016
【図９】
2021519543.tif 000017
【図１０】
2021519543.tif 000018
【図１１】
2021519543.tif 000019
【図１２】
2021519543.tif 000020
【図１３】
2021519543.tif 000021
【図１４】
2021519543.tif 000022
【図１５】
2021519543.tif 000023
【図１６】
2021519543.tif 000024
【図１７】
2021519543.tif 000025
【図１８】
2021519543.tif 000026
【図１９】
2021519543.tif 000027
【図２０】
2021519543.tif 000028
【図２１】
2021519543.tif 000029
【図２２】
2021519543.tif 000030
【図２３】
2021519543.tif 000031
【図２４】
2021519543.tif 000032
【図２５】
2021519543.tif 000033
【図２６】
2021519543.tif 000034
【手続補正書】
【提出日】令和2年11月24日(2020.11.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランスデューサであって、
ケーシングと、
金属集束レンズを含む流体不透過性トランスデューサヘッドであって、前記トランスデューサヘッドが、後面および前面を有し、前記金属集束レンズが、前記前面上に配設されており、かつ焦点に向かって超音波を集束させるように構成されている、流体不透過性トランスデューサヘッドと、
前記トランスデューサヘッドの前記後面に接着されており、かつ超音波が前記金属集束レンズから前記焦点に向かって放出されるように、前記金属集束レンズの発振的機械的振動を発生させるように動作可能なアクチュエータと
を備え、
前記ケーシング内への液体の侵入を防止するために、前記ケーシングおよび前記トランスデューサヘッドが、流体不透過性の様式で接続されている、トランスデューサ。
【請求項２】
前記ケーシングが、流体不透過性の接合部を介して前記金属集束レンズに接続された金属ケーシングを含む、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項３】
前記ケーシングおよび前記金属集束レンズが、一体的に形成されている、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項４】
前記トランスデューサヘッドの前記前面が、前記集束レンズを囲む周辺部分を含み、
前記周辺部分とインターフェース接続されており、かつ前記アクチュエータから前記周辺部分を通って放出される超音波エネルギーを吸収するように構成されている、減弱層をさらに備える、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項５】
前記集束レンズから媒体に超音波を伝達するために前記集束レンズに結合された整合層をさらに備え、前記整合層が、前記集束レンズから前記媒体への超音波の伝達を、前記集束レンズから前記媒体への超音波の直接伝達と比較して、強化するように構成されている、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項６】
前記集束レンズが、第１の音響インピーダンスを有し、前記媒体が、前記第１の音響インピーダンスとは異なる第２の音響インピーダンスを有し、前記整合層が、前記第１の音響インピーダンスと前記第２の音響インピーダンスとの間に整合する音響インピーダンスを有する、請求項５に記載のトランスデューサ。
【請求項７】
前記整合する音響インピーダンスが、約４〜１０Ｍｒａｙｌの範囲内である、請求項６に記載のトランスデューサ。
【請求項８】
前記整合層が、前記整合層を通過する公称周波数での音響信号の１／４波長の奇数倍に対応する厚さを有する、請求項５に記載のトランスデューサ。
【請求項９】
前記公称周波数が、２〜１５ＭＨｚの範囲である、請求項８に記載のトランスデューサ。
【請求項１０】
前記前面上に配設された第１の整合層と、前記第１の整合層上に配設された第２の整合層とをさらに備え、前記第１および第２の整合層が、前記集束レンズから媒体への超音波の伝達を、前記集束レンズから前記媒体への超音波の直接伝達と比較して、強化するように構成されており、
前記集束レンズが、第１の音響インピーダンスを有し、
前記媒体が、前記第１の音響インピーダンスとは異なる第２の音響インピーダンスを有し、
前記第１の整合層が、前記第１の音響インピーダンスと前記第２の音響インピーダンスとの間に第１の整合する音響インピーダンスを有し、
前記第２の整合層が、前記第１の整合する音響インピーダンスと前記第２の音響インピーダンスとの間に第２の整合する音響インピーダンスを有する、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項１１】
前記トランスデューサヘッドおよび前記ケーシングが、液体中に浸漬されたときに、液体浸透深さおよび誘導された材料損失がゼロであることを特徴とする、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項１２】
前記トランスデューサヘッドおよび前記ケーシングが、液体との接触による材料の重量損失が年間０．１％未満であることを特徴とする、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項１３】
前記アクチュエータによって伝達される音響エネルギーを減弱させるように構成されている、バッキング材料をさらに備え、前記アクチュエータが、前記バッキング材料と前記金属集束レンズとの間に位置付けられている、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項１４】
前記バッキング材料が、１３．５〜１６．５Ｍｒａｙｌの範囲の音響インピーダンスを有する、請求項１３に記載のトランスデューサ。
【請求項１５】
前記トランスデューサによって発生した音響ビームの焦点長さが、十分に安定しており、前記焦点長さが、液体との接触によって年間０．１％未満の割合で変化する、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項１６】
前記トランスデューサによって発生した音響ビームの偏心度が、十分に安定しており、前記偏心度が、液体との接触によって年間０．１％未満の割合で変化する、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項１７】
前記トランスデューサが、流体不透過性であり、かつ２大気圧超で１３０℃を超える温度に曝露されたときの性能の変化に対して弾力性がある、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項１８】
流体不透過性超音波トランスデューサを形成する方法であって、前記方法が、
流体不透過性材料から実質的に中空のケーシングを形成することであって、前記実質的に中空のケーシングが、内部空洞および開いた第１の端部を有する、ことと、
前記流体不透過性材料からトランスデューサヘッド要素を形成することであって、前記トランスデューサヘッド要素が、前記ケーシングの前記開いた第１の端部と接続するようにサイズ決めされる、ことと、
前記ヘッド要素の前面上に集束レンズを形成することであって、前記集束レンズが、焦点に向かって超音波を集束させるように構成されている、ことと、
前記ヘッド要素を前記ケーシングの前記第１の端部と接合して、流体不透過性の接合部を形成することであって、前記ヘッド要素が、前記集束レンズが前記ケーシングから離れる方向を指すように位置付けられる、ことと、
前記前面とは反対の前記トランスデューサヘッドの後面にアクチュエータを接着することであって、前記アクチュエータが、超音波が前記集束レンズから前記焦点に向かって放出されるように、前記集束レンズの発振的機械的振動を発生させるように動作可能である、ことと
を含む、方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
本明細書に記載される実施形態はまた、本明細書に記載される流体不透過性トランスデューサの実施形態のいずれかによる流体不透過性トランスデューサを用いた、構造の非破壊音響試験（ＮＤＴ）を実施する方法を含む。具体的には、かかる実施形態は、構造と流体接触する音響媒体中に流体不透過性トランスデューサの集束レンズを浸漬することと、アクチュエータによって音響パルスを発生させ、構造のスキャン領域に向けることと、を含む。スキャン領域に対応する音響パルスのエコーは、「リスニング」モードで同じトランスデューサによって、または第２のトランスデューサによって、およびエコーの特性に基づいて、構造のスキャン領域の物理的パラメータによって受信される。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
トランスデューサであって、
ケーシングと、
金属集束レンズを含む流体不透過性トランスデューサヘッドであって、前記トランスデューサヘッドが、後面および前面を有し、前記金属集束レンズが、前記前面上に配設されており、かつ焦点に向かって超音波を集束させるように構成されている、流体不透過性トランスデューサヘッドと、
前記トランスデューサヘッドの前記後面に接着されており、かつ超音波が前記金属集束レンズから前記焦点に向かって放出されるように、前記金属集束レンズの発振的機械的振動を発生させるように動作可能なアクチュエータと、を備え、前記ケーシング内への液体の侵入を防止するために、前記ケーシングおよび前記トランスデューサヘッドが、流体不透過性の様式で接続されている、トランスデューサ。
（項目２）
前記ケーシングが、流体不透過性の接合部を介して前記金属集束レンズに接続された金属ケーシングを含む、項目１に記載のトランスデューサ。
（項目３）
前記流体不透過性の接合部が、溶接接合部を含む、項目２に記載のトランスデューサ。
（項目４）
前記ケーシング内へのガスの侵入を防止するために、前記ケーシングおよび前記トランスデューサヘッドが、流体不透過性の様式で接続されている、先行する項目のいずれかに記載のトランスデューサ。
（項目５）
前記ケーシングおよび前記金属集束レンズが、一体的に形成されている、先行する項目のいずれかに記載のトランスデューサ。
（項目６）
前記集束レンズが、球状の凹状面を含む、先行する項目のいずれかに記載のトランスデューサ。
（項目７）
前記集束レンズが、円筒形の凹状面を含む、先行する項目のいずれかに記載のトランスデューサ。
（項目８）
前記アクチュエータが、圧電トランスデューサである、先行する項目のいずれかに記載のトランスデューサ。
（項目９）
前記トランスデューサヘッドの前記前面が、前記集束レンズを囲む周辺部分を含み、
前記周辺部分とインターフェース接続されており、かつ前記アクチュエータから前記周辺部分を通って放出される超音波エネルギーを吸収するように構成されている、減弱層をさらに備える、先行する項目のいずれかに記載のトランスデューサ。
（項目１０）
前記集束レンズから媒体に超音波を伝達するために前記集束レンズに結合された整合層をさらに備え、前記整合層が、前記集束レンズから前記媒体への超音波の伝達を、前記集束レンズから前記媒体への超音波の直接伝達と比較して、強化するように構成されている、先行する項目のいずれかに記載のトランスデューサ。
（項目１１）
前記集束レンズが、第１の音響インピーダンスを有し、前記媒体が、前記第１の音響インピーダンスとは異なる第２の音響インピーダンスを有し、前記整合層が、前記第１の音響インピーダンスと前記第２の音響インピーダンスとの間に整合する音響インピーダンスを有する、項目１０に記載のトランスデューサ。
（項目１２）
前記整合する音響インピーダンスが、式
【数１】
2021519543.tif 000035
に従って、Ｚｍとほぼ等しく、式中、Ｚｌが、前記第１の音響インピーダンスであり、Ｚｃが、前記第２の音響インピーダンスである、項目１１に記載のトランスデューサ。
（項目１３）
前記整合する音響インピーダンスが、Ｚｍの１０％以内である、項目１２に記載のトランスデューサ。
（項目１４）
前記整合する音響インピーダンスが、Ｚｍの５％以内である、項目１２に記載のトランスデューサ。
（項目１５）
前記整合する音響インピーダンスが、約４〜１０Ｍｒａｙｌの範囲内である、項目１１〜１４のいずれかに記載のトランスデューサ。
（項目１６）
前記整合する音響インピーダンスが、約６〜８Ｍｒａｙｌの範囲内である、項目１１〜１４のいずれかに記載のトランスデューサ。
（項目１７）
前記整合層が、グラファイトを含む、項目１１〜１４のいずれかに記載のトランスデューサ。
（項目１８）
前記整合層が、フルオロポリマー層を含む、項目１１〜１４のいずれかに記載のトランスデューサ。
（項目１９）
前記整合層が、ポリビニリデンジフルオリドを含む、項目１１〜１４のいずれかに記載のトランスデューサ。
（項目２０）
前記整合層が、前記整合層を通過する公称周波数での音響信号の１／４波長の奇数倍に対応する厚さを有する、項目１１〜１９のいずれかに記載のトランスデューサ。
（項目２１）
前記整合層の前記厚さが、前記１／４波長の前記奇数倍によって定義される公称厚さの２０％以内である、項目２０に記載のトランスデューサ。
（項目２２）
前記整合層の前記厚さが、前記１／４波長の前記奇数倍によって定義される公称厚さの１０％以内である、項目２０に記載のトランスデューサ。
（項目２３）
前記公称周波数が、２〜１５ＭＨｚの範囲である、項目２０〜２２のいずれかに記載のトランスデューサ。
（項目２４）
前記整合層が、３０〜８０μｍの範囲の厚さを有する、項目１０〜２３のいずれかに記載のトランスデューサ。
（項目２５）
前記前面上に配設された第１の整合層と、前記第１の整合層上に配設された第２の整合層と、をさらに備え、前記第１および第２の整合層が、前記集束レンズから媒体への超音波の伝達を、前記集束レンズから前記媒体への超音波の直接伝達と比較して、強化するように構成されている、先行する項目のいずれかに記載のトランスデューサ。
（項目２６）
前記集束レンズが、第１の音響インピーダンスを有し、
前記媒体が、前記第１の音響インピーダンスとは異なる第２の音響インピーダンスを有し、
前記第１の整合層が、前記第１の音響インピーダンスと前記第２の音響インピーダンスとの間に第１の整合する音響インピーダンスを有し、
前記第２の整合層が、前記第１の整合する音響インピーダンスと前記第２の音響インピーダンスとの間に第２の整合する音響インピーダンスを有する、項目２５に記載のトランスデューサ。
（項目２７）
前記第１および第２の整合する音響インピーダンスが、
【数２】
2021519543.tif 000036
の場合に、それぞれＺｍ１およびＺｍ２とほぼ等しく、式中、Ｚｌが、前記金属の前記音響インピーダンスに対応し、集束レンズおよびＺｃが、前記媒体の前記音響インピーダンスに対応する、項目２６に記載のトランスデューサ。
（項目２８）
前記集束レンズが、前記アクチュエータよりも直径が大きい、先行する項目のいずれかに記載のトランスデューサ。
（項目２９）
前記トランスデューサヘッドが、金属または金属合金で形成されている、先行する項目のいずれかに記載のトランスデューサ。
（項目３０）
前記トランスデューサヘッドが、アルミニウム（Ａｌ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カドミウム（Ｃｄ）、炭素（Ｃ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、金（Ａｕ）、鉄（Ｆｅ）、鉛（Ｐｂ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、リン（Ｐ）、白金（Ｐｔ）、セレン（Ｓｅ）、シリコン（Ｓｉ）、銀（Ａｇ）、スズ（Ｓｎ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、バナジウム（Ｖ）、亜鉛（Ｚｎ）、またはジルコニウム（Ｚｒ）のうちの１つ以上を含む、先行する項目のいずれかに記載のトランスデューサ。
（項目３１）
前記トランスデューサヘッドおよび前記ケーシングが、液体中に浸漬されたときに、液体浸透深さおよび誘導された材料損失がゼロであることを特徴とする、先行する項目のいずれかに記載のトランスデューサ。
（項目３２）
前記トランスデューサヘッドおよび前記ケーシングが、液体との接触による材料の重量損失が年間０．１％未満であることを特徴とする、先行する項目のいずれかに記載のトランスデューサ。
（項目３３）
前記アクチュエータが、前記トランスデューサによって発生した公称周波数での音響信号の公称音響波長のほぼ半分に等しい厚さを有する、先行する項目のいずれかに記載のトランスデューサ。
（項目３４）
前記アクチュエータが、およそ２７５μｍに等しい厚さを有する、先行する項目のいずれかに記載のトランスデューサ。
（項目３５）
前記アクチュエータによって伝達される音響エネルギーを減弱させるように構成されている、バッキング材料をさらに備え、前記アクチュエータが、前記バッキング材料と前記金属集束レンズとの間に位置付けられている、先行する項目のいずれかに記載のトランスデューサ。
（項目３６）
前記バッキング材料が、音響減衰材料中に均一に懸濁された音響散乱材料の粒子を含む、項目３５に記載のトランスデューサ。
（項目３７）
前記バッキング材料が、減衰ポリマーマトリックスを含む、項目３５に記載のトランスデューサ。
（項目３８）
前記バッキング材料が、シリコンカーバイドの粒子を含浸させた減衰ポリマーマトリックスを含む、項目３５に記載のトランスデューサ。
（項目３９）
前記バッキング材料が、タングステンの粒子を含浸させた減衰ポリマーマトリックスを含む、項目３５に記載のトランスデューサ。
（項目４０）
前記バッキング材料が、１３．５〜１６．５Ｍｒａｙｌの範囲の音響インピーダンスを有する、項目３５〜３９のいずれかに記載のトランスデューサ。
（項目４１）
前記ケーシングの内部空間を実質的に充填する密閉材をさらに備え、前記バッキング材料が、前記アクチュエータと前記密閉材との間に配設されている、項目３５〜４０のいずれかに記載のトランスデューサ。
（項目４２）
前記トランスデューサによって発生した音響ビームの焦点長さが、十分に安定しており、前記焦点長さが、液体との接触によって年間０．１％未満の割合で変化する、先行する項目のいずれかに記載のトランスデューサ。
（項目４３）
前記トランスデューサによって発生した音響ビームの偏心度が、十分に安定しており、前記偏心度が、液体との接触によって年間０．１％未満の割合で変化する、先行する項目のいずれかに記載のトランスデューサ。
（項目４４）
前記トランスデューサが、流体不透過性であり、かつ２大気圧超で１３０℃を超える温度に曝露されたときの性能の変化に対して弾力性がある、先行する項目のいずれかに記載のトランスデューサ。
（項目４５）
流体不透過性超音波トランスデューサを形成する方法であって、前記方法が、
流体不透過性材料から実質的に中空のケーシングを形成することであって、前記実質的に中空のケーシングが、内部空洞および開いた第１の端部を有する、形成することと、
前記流体不透過性材料からトランスデューサヘッド要素を形成することであって、前記トランスデューサヘッド要素が、前記ケーシングの前記開いた第１の端部と接続するようにサイズ決めされる、形成することと、
前記ヘッド要素の前面上に集束レンズを形成することであって、前記集束レンズが、焦点に向かって超音波を集束させるように構成されている、形成することと、
前記ヘッド要素を前記ケーシングの前記第１の端部と接合して、流体不透過性の接合部を形成することであって、前記ヘッド要素が、前記集束レンズが前記ケーシングから離れる方向を指すように位置付けられる、形成することと、
前記前面とは反対の前記トランスデューサヘッドの後面にアクチュエータを接着することであって、前記アクチュエータが、超音波が前記集束レンズから前記焦点に向かって放出されるように、前記集束レンズの発振的機械的振動を発生させるように動作可能である、接着することと、を含む、方法。
（項目４６）
前記ヘッド要素を前記ケーシングの前記第１の端部と接合することが、前記ヘッド要素を前記ケーシングと溶接することを含む、項目４５に記載の方法。
（項目４７）
前記集束レンズを形成することが、精密機械加工プロセスを介して前記ヘッド要素の前記前面から材料を除去することを含む、先行する項目のいずれかに記載の方法。
（項目４８）
前記ケーシング内に前記アクチュエータに隣接して、かつ前記アクチュエータの後方にバッキング材料を挿入することと、
密閉材で前記ケーシングの前記内部空洞の残りの部分を実質的に充填することと、をさらに含む、先行する項目のいずれかに記載の方法。
（項目４９）
前記集束レンズに整合層を適用することをさらに含み、前記整合層が、式
【数３】
2021519543.tif 000037
に従って、Ｚｍに対応する整合する音響インピーダンスを有する材料を含み、式中、Ｚｌが、前記ヘッド要素に対応する第１の音響インピーダンスであり、Ｚｃが、媒体に対応する第２の音響インピーダンスである、先行する項目のいずれかに記載の方法。
（項目５０）
前記整合層の厚さを減少させて、前記厚さを、前記整合層を通過する公称周波数での音響信号の１／４波長の奇数倍に一致させることをさらに含む、項目４９に記載の方法。
（項目５１）
前記整合層を通過する公称周波数での音響信号の１／４波長の奇数倍に対応する厚さで前記整合層を適用することをさらに含む、項目４９に記載の方法。
（項目５２）
前記ケーシング内に前記アクチュエータに隣接して、かつ前記アクチュエータの後方にバッキング材料を挿入することと、
前記ケーシング内に前記アクチュエータに当接し、かつ前記バッキング材料の周辺を中心として導電性リング要素を挿入することであって、前記導電性リングが、内側導電性部分および外側導電性部分を有する、挿入することと、
前記アクチュエータの第１の電極を前記導電性リング要素の前記内側導電性部分と接触させることと、
前記アクチュエータの第２の電極を前記導電性リング要素の前記外側導電性部分と接触させることと、をさらに含む、先行する項目のいずれかに記載の方法。
（項目５３）
前記集束レンズに隣接する前記ヘッド要素の周辺に減弱層を適用することをさらに含む、先行する項目のいずれかに記載の方法。
（項目５４）
前記集束レンズに整合層を適用することをさらに含み、前記整合層が、前記トランスデューサヘッドの第１の音響インピーダンスよりも小さい整合する音響インピーダンスを有する、先行する項目のいずれかに記載の方法。
（項目５５）
流体不透過性超音波トランスデューサを形成する方法であって、前記方法が、
流体不透過性材料から実質的に中空のケーシングを形成することであって、前記実質的に中空のケーシングが、内部空洞、およびトランスデューサヘッド要素を画定する閉じた第１の端部を有する、形成することと、
前記ヘッド要素の前面上に集束レンズを形成することであって、前記集束レンズが、焦点に向かって超音波を集束させるように構成されている、形成することと、
前記前面とは反対の前記トランスデューサヘッドの後面にアクチュエータを接着することであって、前記アクチュエータが、超音波が前記集束レンズから前記焦点に向かって放出されるように、前記集束レンズの発振的機械的振動を発生させるように動作可能である、接着することと、を含む、方法。
（項目５６）
前記集束レンズを形成することが、前記ヘッド要素の前記前面から材料を除去することを含む、項目５５に記載の方法。
（項目５７）
前記ケーシング内に前記アクチュエータに隣接して、かつ前記アクチュエータの後方にバッキング材料を挿入することと、
密閉材で前記ケーシングの前記内部空洞の残りの部分を実質的に充填することと、をさらに含む、先行する項目のいずれかに記載の方法。
（項目５８）
前記ケーシング内に前記アクチュエータに当接し、かつ前記バッキング材料の周辺を中心として導電性リング要素を挿入することであって、前記導電性リングが、内側導電性部分および外側導電性部分を有する、挿入することと、
前記アクチュエータの第１の電極を前記導電性リング要素の前記内側導電性部分と接触させることと、
前記アクチュエータの第２の電極を前記導電性リング要素の前記外側導電性部分と接触させることと、をさらに含む、項目５７に記載の方法。
（項目５９）
前記集束レンズに整合層を適用することをさらに含み、前記整合層が、式
【数４】
2021519543.tif 000038
に従って、Ｚｍに対応する整合する音響インピーダンスを有する材料を含み、式中、Ｚｌが、前記ヘッド要素に対応する第１の音響インピーダンスであり、Ｚｃが、媒体に対応する第２の音響インピーダンスである、先行する項目のいずれかに記載の方法。
（項目６０）
前記整合層の厚さを減少させて、前記厚さを、前記整合層を通過する公称周波数での音響信号の１／４波長の奇数倍に一致させることをさらに含む、項目５９に記載の方法。
（項目６１）
前記整合層を通過する公称周波数での音響信号の１／４波長の奇数倍に対応する厚さで前記整合層を適用することをさらに含む、項目５９に記載の方法。
（項目６２）
前記集束レンズに隣接する前記ヘッド要素の周辺に減弱層を適用することをさらに含む、先行する項目のいずれかに記載の方法。
（項目６３）
前記集束レンズに整合層を適用することをさらに含み、前記整合層が、前記トランスデューサヘッドの第１の音響インピーダンスよりも小さい整合する音響インピーダンスを有する、先行する項目のいずれかに記載の方法。
（項目６４）
流体のリザーバから液滴を排出する方法であって、前記方法が、
項目１〜４４のいずれかに記載のトランスデューサを含む流体不透過性トランスデューサを用いて、
前記トランスデューサから前記リザーバへ音響エネルギーを結合するように位置付けられた音響媒体中に前記集束レンズを浸漬することと、
前記リザーバの流体表面から液滴排出を引き起こすように構成された周波数で、前記アクチュエータによって音響パルスを発生させることと、
前記集束レンズを介して、前記アクチュエータから前記流体リザーバまで前記音響パルスを通過させることと、を含む、方法。
（項目６５）
構造の超音波試験を実施する方法であって、前記方法が、
項目１〜４４のいずれかに記載のトランスデューサを含む流体不透過性トランスデューサを用いて、
前記構造と流体接触する音響媒体中に前記集束レンズを浸漬することと、
前記アクチュエータによって音響パルスを発生させ、前記構造のスキャン領域に向けることと、
前記スキャン領域に対応する前記音響パルスのエコーを受信することと、
前記エコーの特性に基づいて、前記構造の前記スキャン領域の物理的パラメータを決定することと、を含む、方法。
【国際調査報告】
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