(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈曲性プレートと、
複数の圧電ディスクであって、当該圧電ディスクは、前記屈曲性プレート上に平面アレイとして配置されて取り付けられ、前記圧電ディスクのそれぞれおよび屈曲性プレートが二重層ユニットを画定する、圧電ディスクと、
複数の孔を画定する複数のレールを有するレール層であって、当該レール層は、前記屈曲性プレートに取り付けられている、レール層と、
を備え、前記複数の圧電ディスクのそれぞれが、前記複数の孔のそれぞれの中で中央に配置されており、前記レールは、複数の二重層電気音響セルの壁を画定する
ことを特徴とするマルチセル電気音響トランスデューサー。
【請求項２】
各二重層ユニットの前記屈曲性プレートおよび圧電ディスクが同じ鉛直方向の高さを有することを特徴とする請求項１のトランスデューサー。
【請求項３】
前記屈曲性プレートが、炭素鋼、ステンレス鋼、アルミナ、シリコン、ガラスからなる群から選択されることを特徴とする請求項１のトランスデューサー。
【請求項４】
前記複数の圧電ディスクのそれぞれがＰＺＴセラミックを含むことを特徴とする請求項１または２のトランスデューサー。
【請求項５】
前記ＰＺＴセラミックが、ＰＺＴ５ＡおよびＰＺＴ５ＨからなるＰＺＴセラミックス群から選択されることを特徴とする請求項４のトランスデューサー。
【請求項６】
前記ＰＺＴセラミックが、ＰＺＴ４、ＰＺＴ７Ａ、ＰＺＴ８からなる群から選択されるＰＴＺセラミックス群から選択されることを特徴とする請求項４のトランスデューサー。
【請求項７】
前記屈曲性プレートに隣接した第１面側に整合層をさらに有する、請求項１〜６のいずれかのトランスデューサー。
【請求項８】
前記レール層に隣接した第２面側にバッキング層をさらに有する、請求項１〜７のいずれかのトランスデューサー。
【請求項９】
前記複数の二重層電気音響セルがそれぞれ同じサイズを有し、六角形、円形、正方形からなる群から選択された形状を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれかのトランスデューサー。
【請求項１０】
前記屈曲性プレートが中実の円形ディスク形状を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項のトランスデューサー。
【請求項１１】
前記屈曲性プレートが中央孔を有するドーナツ形ディスク形状を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項のトランスデューサー。
【請求項１２】
前記屈曲性プレートが約８０ｍｍの直径を有することを特徴とする請求項１０または１１のトランスデューサー。
【請求項１３】
前記屈曲性プレートが約１２０ｍｍの直径を有することを特徴とする請求項１０または１１のトランスデューサー。
【請求項１４】
前記トランスデューサーが多周波トランスデューサーであることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかのトランスデューサー。
【請求項１５】
ａ）平坦な表面上に、複数の均等に離間配置された孔を有する真空保持ベースを配置すること、
ｂ）圧電ディスクのアレイを、当該圧電ディスクのそれぞれを互いに均等に離間配置するように、前記真空保持ベースの孔の上に位置合わせすること、
ｃ）前記真空保持ベースを介して真空を生成すること、
ｄ）第１面と第２面と直径を有するレール層を、前記第１面が前記真空保持ベースに接触するように配置し、前記レール層が前記圧電ディスクのアレイに対応するアレイ状の複数の孔を有し、前記レール層の孔の直径が前記圧電ディスクの直径よりも大きく、前記レール層が、前記複数のレール層の孔に対応する複数のキャビティを画定する鉛直方向の高さを有すること、
ｅ）前記複数のキャビティに硬化性ポリマー充填材を充填すること、
ｆ）前記充填後のキャビティを平板ツールで覆うこと、
ｇ）前記硬化性ポリマーを硬化させること、
ｈ）前記真空を除去すること、
ｉ）前記真空保持ベースを取り外して第１のアセンブリーを形成すること、
ｊ）別途、プレートホルダーを用意し、第１面と第２面と前記レール層の直径に等しい直径を有する屈曲性プレートを、当該プレートホルダー上に配置すること、
ｋ）前記屈曲性プレートの前記第１面に硬化性接着剤を塗布して、前記屈曲性プレートの前記第１面を被覆して第２のアセンブリーを形成すること、
ｌ）前記第１のアセンブリーを、前記レール層の前記第１面が前記屈曲プレートの前記第１面上の前記接着剤に接触するように、前記第２のアセンブリー上に配置すること、
ｍ）前記接着剤を硬化させること、
ｎ）前記平板ツールを取り外すこと、
ｏ）前記硬化後のポリマー充填材を除去すること、そして、
ｐ）前記プレートホルダーを取り外すこと
を有するマルチセル電気音響トランスデューサーを製造する方法。
【請求項１６】
前記位置合わせベースが複数の均等な大きさで均等に離間配置された孔を有する位置合わせツールを前記複数の真空保持ベース上に配置すること、および
前記生成するステップ後に前記位置合わせツールを取り外すこと
をさらに有し、
前記位置合わせするステップが、前記位置合わせツールを用いて前記真空保持ベース上の前記真空保持ベースの孔の上に前記圧電ディスクのアレイをセットすることを含み、前記圧電ディスクがそれぞれ対応する位置合わせツールの孔径よりもやや小さい直径を有することで前記圧電ディスクが前記対応する位置合わせツールの孔内に嵌まることを特徴とする請求項１５の方法。
【請求項１７】
前記屈曲性プレートおよび前記複数の圧電ディスクに電線を取り付けることをさらに有する請求項１５または１６の方法。
【請求項１８】
前記屈曲性プレートの前記第２面に整合層を接着することをさらに有する請求項１７の方法。
【請求項１９】
前記レール層の前記第２面にバッキング層を接着することをさらに有する請求項１７または１８の方法。
【請求項２０】
前記屈曲性プレートが平坦な幾何学形状を有することを特徴とする請求項１〜１４のいずれかのトランスデューサー。
【請求項２１】
前記マルチセル電気音響トランスデューサーの各セルが独立に励起可能であることを特徴とする請求項１〜１４または２０のいずれかのトランスデューサー。
【請求項２２】
前記マルチセル電気音響トランスデューサーの任意の数のセルが互いに連携して励起可能であることを特徴とする請求項１〜１４または２０のいずれかのトランスデューサー。
【請求項２３】
前記屈曲性プレート及び圧電ディスクのそれぞれは、同程度のヤング率を有することを特徴とする請求項１〜１４または２０〜２２のいずれかのトランスデューサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［発明の分野］
本発明は、新規の電気音響トランスデューサーに関し、特に、マルチセル・トランスデューサー、そのマルチセル・トランスデューサーを含む超音波トランスミッター、および、その電気音響トランスデューサーを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
［発明の背景］
電気音響トランスデューサーは、電気エネルギーを、音響領域（たとえば、音波領域または超音波領域）の周波数の機械的な振動に変換するが、それに加えて、または、それに代えて、そのような音波を受波して機械的なエネルギーを電気エネルギーに変換するものもある。そのような変換は、たとえば、圧電デバイスによって達成できる。圧電デバイスは、１枚ないし２枚の圧電層と、振動可能なフレックス層（通常、金属であるが、非金属材料であってもよい）とを備えた積層構造を有するものとすることができる。
【０００３】
音響トランスミッターの効率は、放射とデバイスの機械的変換効率の関数であり、トランスデューサーを１つ有する単一素子トランスミッターは、機械的変換率が高いときでも、全体効率が低くなることがある。トランスデューサーをいくつかあわせてアレイにすることで、単一素子トランスミッターの弱みの一部（利用可能な音響パワーが集中してビームになることでソースレベルの上昇を来すことを含む）を克服可能である。Decarpigny, J.N. et al., “The design of low-frequency underwater acoustic projectors: Present status and future trends,” IEEE J. Oceanic Eng., vol. 16, no. 1, pp. 107-122, January, 1991; Wilson, O.B., “Introduction to Theory and Design of Sonar Transducers”, at 159, Peninsula Publishing, Los Altos, CA, 1988.参照。また、アレイは、ＳＮ比と感度の向上をもたらすかもしれない。所与の音響信号に対して、アレイは、ユニットが直列接続されている場合は高い電圧を生成可能であり、ユニットが並列接続されている場合は高い電流を生成可能である。Abbott, W.L., “Performance testing of sonar transducers”, Sound and Vibration, vol. 19, no. 12, p. 8, 1985.参照。しかしながら、稠密に集積させたアレイの個々の素子間の相互作用が、各トランスデューサー素子に、そのアレイ中の位置により、異なる音響負荷を与えることになりかねず、アレイ中の各素子の体積速度をばらつかせる可能性がある。Sherman, C.H., “Analysis of acoustic interactions in transducer arrays,” IEEE Trans. Sonics and Ultrasonics, SU-13, no. 1, p. 9-15, 1966.参照。これによって、各アレイ素子の体積強度に大幅なばらつきを生ずる可能性がある。したがって、トランスデューサーアレイが提供するパワーとＳＮ比の向上にもかかわらず、アレイの素子間の相互作用が、実際には音響出力パワーを低下させてしまう可能性があり、極端な場合、アレイの個々の素子が負の放射抵抗を持ち、実際に音響パワーを吸収してしまうかもしれない。このような相互作用は、トランスデューサー素子が放射場の波長に比べて小さいとき、およびそれらが高い効率をもつとき、特に問題となる可能性がある。
【０００４】
電気音響トランスデューサーは、スピーカーやマイクロフォンや超音波トランシーバーに用いることができる。医療機器分野においては、そのようなトランスデューサーは、植込型共振センサー（たとえば、Girmonskyの米国特許第７，１３４，３４１号、Kaplanの米国特許第５，６１９，９９７号、およびKaplanの米国特許第５，９８９，１９０号に記載されているような受動共振超音波励起センサー）とともに用いることができる。このようなシステムにおいて、電気音響トランスデューサーは、超音波を植込型センサーへの入力として生成し、センサーにより検出された測定量の情報を表す超音波信号を植込型センサーから受信可能で、その信号をユーザー可読形式に処理するために電気信号に変換する外部ユニットである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
市販されている電気音響トランスデューサーを備えた超音波放射デバイスは、一般に、大きくてかさばり、送波感度と帯域幅が植込型センサーに最適な態様で使用するのに充分ではない。高い送波感度と広い帯域幅は、外部ユニットと植込型センサーとの間の通信をより正確かつ効率的にするものなので、望ましい特性である。そのような適用分野においては、トランスデューサーは人体に取り付けられたり着用されたりすることがあるので、薄型、軽量等、他の物理的特性も、望ましい特性である。したがって、そのような物理的特性を備えた電気音響トランスデューサーに対する技術的ニーズが存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
［発明の概要］
本発明は、電気音響トランスデューサーデバイスおよび製造方法に関する。本発明の電気音響トランスデューサーデバイスは、実質的に平面状のパネルアレイに配置された複数の電気音響セルを備える音響トランスミッターである。デバイスの各トランスデューサーコンポーネントは、能動素子と不活性ベースとを備える「二重層（bilayer）」を含むセルである。能動素子は、好ましくは、圧電ディスクである。不活性ベースは、屈曲性プレートであり、好ましくは導電性で、一方の面を金属被覆したものでもよい。特に、本発明のトランスデューサーデバイスの各セルは、屈曲性プレートに取り付けられ、電線に接続された圧電ディスクを含み、圧電二重層ユニットを形成するものであってもよい。
【０００７】
レール層は、複数の孔を形成する材料の層を備え、その位置と形状と直径は、セルに対応する。レール層の高さは、セルキャビティの深さを規定する。レールは、本明細書では、壁とも呼ばれ、隣接するセルの間を仕切る。
【０００８】
本発明のトランスデューサーデバイスは、超音波が送波される身体または環境に対面する第１面（これをデバイスの「前」とも呼んでもよい）を有する。第１面は、オプションとして、整合層を含み、整合層は、たとえば身体と接触する面を有する。トランスデューサーデバイスは、第２面を有する。第２面は、一部の実施形態においては、レール層に取り付けられるバッキング層を有する。バッキング層は、機械的な支持とプレートの拘束を提供することができる。理論に縛られずにいえば、バッキング層の質量は、トランスデューサーの裏側に向かって放射されるエネルギーの吸収を促進するかもしれない。裏側に放出される放射エネルギーを低減することで、超音波エネルギーが指向性を持つものであることが意図され、デバイスの前に向かうので、より効率的なデバイスとなる。バッキング層の質量は、デバイスの前に向かって伝送される圧力応答の周波数帯域を大きくするのに役立つかもしれない。
【０００９】
トランスデューサーデバイスの材料および設計によって、音響トランスミッターは、可聴周波数の広い帯域にわたり高い送波感度を達成することができるとともに、同じ表面積をもつ従来型電気音響トランスデューサーよりも、薄型かつ軽量に維持することができるというメリットがある。
【００１０】
トランスデューサーデバイスは、適用範囲が広い。電気音響トランスデューサーデバイスは、比較的小さく、平面剛性が低いので、超音波が身体内に効果的に伝送されるようにするため、皮膚に密着させることが望ましい場合に特に有用である。医療診断デバイスのような用途に加え、本発明のトランスデューサーデバイスは、民生用もしくは軍事用のアンダーウェアへの応用がありうる。たとえば、合成開口ソナー（ＳＡＲ）水中ナビゲーションや、音響測深や、海洋マッピングや、水中通信などである。
【００１１】
本発明のトランスデューサーの非限定的例示的な一つの応用例に、植込型超音波センサー、特に、超音波励起受動共振センサーがある。そのような超音波励起受動共振センサーは、膜などの共振素子を含み、直接電気入力なしで動作する。植込型センサーの共振素子は、身体の外部からの超音波エネルギーにより励振され、測定環境の生理的変数の関数として変動する周波数で共振し、超音波信号を返す。この超音波信号から共振周波数が算出可能である。本発明が適用可能な超音波励起受動共振センサーの例としては、Kaplanの米国特許第５，６１９，９９７号、第５，９８９，１９０号、第６，０８３，１６５号、第６，３３１，１６３号、７，４１５，８８３号、第８，１６２，８３９号や、Girmonsky et al.の米国特許第７，１３４，３４１号が挙げられる（これらの文献は、ここにその全体を引用により補充するものとする）。そのセンサーの作動周波数の帯域全体を通じて高い送波感度で動作可能なので、本発明の電気音響トランスデューサーデバイスは、植込型超音波励起受動共振センサーに問い合わせしてデータを取得するのに特に適している。
【００１２】
本願の音響トランスミッターは、電気信号から遠隔配置された（たとえば植込まれた）共振センサーと通信する超音波（たとえば振動膜などのセンサーの共振素子を励起超音波ビームで励起するための低周波超音波信号を含む）を生成するために使用可能である。また、トランスデューサーデバイスは、高周波搬送波のセンサーへの送波、および／または、センサーからの超音波信号（たとえば、反射信号または被変調信号）の受信とセンサー出力読み取りのための電気信号への変換も可能である。音響デバイスは、広帯域音場を有するものであっても、狭帯域音場を有するものであってもよい。トランスデューサーを、広帯域音場を有するものとして設計すれば、広域の超音波励起が可能となる。たとえば、ドップラー偏移法を用いて、共振するものと共振しないものとを区別し、超音波励起共振センサーの共振周波数を測定するような場合（たとえば、Girmonskyの米国特許第７，１３４，３４１号に詳述されている）に望ましい。特定の方向に励起場を操作したい場合には、トランスデューサーを、低域音場を有するものとして設計することが有用である。
【００１３】
したがって、本発明は、薄型だが、高い感度と広い周波数帯域と広い音場とを備えた、軽量な電気音響トランスデューサーを提供することを目的とする。
【００１４】
また、トランスデューサーは、励起場を、より集束させることで、より操作可能となるよう設計してもよい。したがって、薄型で、高い感度と広い周波数帯域と狭い音場とを備えた、軽量な電気音響トランスデューサーを提供することも本発明の目的である。
【００１５】
また、複数の動作範囲を有する多素子トランスデューサー、特に、多周波数トランスデューサーを提供することも本発明の目的である。異なる周波数範囲は、独立に、もしくは、同時に作動させることができる。
【００１６】
また、本発明は、屈曲性プレートのアセンブリーと、それとは別の複数のセルのための圧電ディスクのアセンブリーとを作成してから、両アセンブリーを一つに結合させることを含む電気音響トランスデューサーの製造方法に関するものでもある。
【００１７】
薄型で、高い感度と広い音場を備えた電気音響トランスデューサーを製造する方法を提供することも、本発明の別の目的である。
【００１８】
薄型で、高い感度と狭い音場を備えた電気音響トランスデューサーを製造する方法を提供することも、本発明のさらに別の目的である。
【００１９】
本発明によるセルの平面アレイの集合的効果は、トランスデューサーデバイスに、単一セルのトランスデューサーに比べ、広い帯域にわたって動作し、感度が高いという利点を提供する。このトランスデューサーの構成は、プロトタイプに対して比較的安価なフレキシブルな設計を有する薄型で軽量なデバイスを提供するものでもある。本発明のトランスデューサーは、適切な、場の強度（field strength）と場の振幅（field width）と周波数（もしくは、様々な用途に対応する周波数の組み合わせ）とを提供するよう設計することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
本発明は、次の図面を参照して以下に記載する詳細な説明から、より完全に理解されるだろう。
【００２１】
【図１】図１Ａ〜１Ｃは、本発明によるマルチセル化したトランスデューサーの実施形態の各層を、上から見た斜視図で示す。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明による１つの圧電セルを断面図で示す模式図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明による他の圧電セルを断面図で示す模式図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明による他の圧電セルを断面図で示す模式図である。
【図３】図３は、本発明による２つの隣接した圧電セルを本発明にしたがって断面図で示す模式図である。
【図４】図４は、単一の圧電セルの送波感度を、様々なＰＺＴ材料に対する周波数の関数として示す。
【図５】図５は、単一の圧電セルの送波感度を、ディスク対プレートの直径比の関数として示す。
【図６Ａ】図６Ａは、単一の圧電セルの送波感度を、ピッチの関数として示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、単一の圧電セルのピッチと送波感度との相関を示す。
【図７】本発明によるマルチセル・トランスデューサーのセルレイアウトデザインの実施形態である中実ディスクを示す。
【図８】図８Ａおよび８Ｂは、本発明によるマルチセル・トランスデューサーのセルレイアウトデザインの実施形態として、中央に穴（開口）を有するディスクを示すものであり、図８Ｂの実施形態は、図８Ａの実施形態より、ディスクの径が大きく、したがって、セル数が多い。
【図９】図９は、電気音響デザインの図７に示すような実施形態の、異なる周波数でのビームパターンを示す。
【図１０】図１０は、電気音響デザインの図８Ａに示すような実施形態の、異なる周波数でのビームパターンを示す。
【図１１】図１１は、電気音響デザインの図８Ｂに示すような他の実施形態の、異なる周波数でのビームパターンを示す。
【図１２】図１２は、本発明によるトランスデューサーデバイスに使用される真鍮製の背の高いレールを有するセルの実施形態に対する送波感度チャートである。
【図１３Ａ】図１３Ａは、本発明によるトランスデューサーデバイスに使用されるレール層よりも厚いバッキング層を有するセルの実施形態であって、レール層とバッキング層とが、ともに同じ材料すなわち真鍮からなる実施形態に対する送波感度チャートである。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、本発明によるトランスデューサーデバイスに使用されるレール層よりも厚いバッキング層を有するセルの実施形態であって、レール層とバッキング層とが、異なる材料すなわち真鍮とタングステン−エポキシとからなる実施形態に対する送波感度チャートである。
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、本発明によるトランスデューサーデバイスに使用されるレール層よりも厚いバッキング層を有するセルの実施形態であって、レール層とバッキング層とが、ともに同じ材料すなわちタングステン−エポキシからなる実施形態に対する送波感度チャートである。
【図１３Ｄ】図１３Ｄは、本発明によるトランスデューサーデバイスに使用されるレール層よりも厚いバッキング層を有するセルの実施形態であって、レール層とバッキング層とが、異なる材料すなわちタングステン−エポキシ複合材料と真鍮複合材料とからなる実施形態に対する送波感度チャートである。
【図１４】図１４Ａ〜Ｐは、本発明によるマルチセル・トランスデューサーの製造方法の実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
［発明の詳細な説明］
本発明は、マルチセル電気音響トランスデューサーおよびそのようなトランスデューサーの製造方法を提供する。本発明の電気音響トランスデューサーデバイスは、実質的に平坦で、一平面内に複数のセルを有する。トランスデューサーコンポーネントは、セルを有し、各セルは、二重層ユニットを有するものであってもよい。具体的に、圧電ディスクのアレイを、屈曲性プレートに取り付け、平面内にタイリングして二重層ユニット（セル）のマトリックスを提供してもよい。圧電ディスクへの電気入力は、電線を通じて供給される。電気音響セルは、電気信号を超音波音響信号に変換するが、この信号は、デバイスの設計のため、エネルギーロスを最小限に抑えつつ指向性をもって送信することができる。複数のセルの集合的効果を通じて、トランスデューサーデバイスは、広帯域をカバーする高い送波感度を達成し、広い音場を提供することができる。また、アレイは、指向性を強化することで音響パワーの集束ビームを可能にするデザインとすることもできる。
【００２３】
本発明のマルチセル・トランスデューサーのための二重層トランスデューサーコンポーネントの平面アレイを用いる利点としては、高い感度、個々の用途に対する広帯域で薄型で軽量で低価格なプロトタイピングの可能性、そして、柔軟性のあるトランスデューサーのデザインが挙げられる。本発明の有利な広帯域のおかげで、広域の周波数をカバーする効率的な音響伝送を提供する伝送振幅応答が提供される。
【００２４】
特に、本発明のトランスデューサーの二重層トランスデューサーコンポーネントは、不活性ベースおよび圧電素子を有するものとしてもよい。二重層アレイは、複数の孔を画定するレールを有するレール層によって複数のセルに分割され、各孔は、セルキャビティを画定する。本明細書において、レールは壁ともいう。各セルは、それぞれの直径が、レールによって規定され、各セルが、独立して作動するが、複数のセルは、並行して駆動されるようにしてもよい。また、レール層は、鉛直方向の高さを有し、トランスデューサーコンポーネント二重層からの音響エネルギーの直接伝送を助けるものとしてもよい。
【００２５】
本発明のマルチセル・トランスデューサーの圧電セルは、何らかの回転対称形状（セルの中心により規定される軸線に沿って対称）を有するものであってもよい。一実施形態において、セルは同一の形状と大きさを有する。一実施形態において、セルは円形である。他の実施形態において、セルは六角形である。さらに他の実施形態においては、セルは正方形である。各セルのレール間の直径は、所望の周波数を得るための寸法を有するものとすることができる。一部の実施形態においては、各セルの直径は、約４〜１０ｍｍの間、たとえば、６ｍｍまたは７ｍｍ、とすることができる。セルは、任意のセルの中心から任意の隣接するセルの中心までの距離が等しくなるように、タイリングしてもよい（たとえば、六角形のタイリング）。一実施形態において、セルの分布は、トランスデューサーディスク上の複数のセルの最大集積密度となるようなもの、すなわち、セル間の距離が最小となるものであってもよい。ピッチ（隣接するセルの中心間の距離）を小さくするためにレールの幅を最小化することで、所与の直径を有するトランスデューサーデバイスに対する作動周波数の帯域を大きくすることができる。セルが六角形の場合、各レールは、等しい幅を有するものであってもよい。したがって、理論に縛られずにいえば、本発明のトランスデューサーは、単位面積当たりのパワーもしくはパワー密度が所望の値となるセル密度を有するよう設計することができる。
【００２６】
トランスデューサーデバイスは、さらに、アレイの第１の側に整合層を、アレイの第２の側にバッキング層を有するものとしてもよい。
【００２７】
トランスデューサーデバイスは、好ましくは、整合層を有する。整合層は、トランスデューサーデバイスの第１の側−特に、トランスデューサーの「表」側（超音波がデバイスから出射され環境から入射する側）−に配置され、一方で、バッキング層は、トランスデューサーデバイスの第２の側に配置される。整合層は、超音波に対し透明であり、好ましくは、音波が環境と整合層と屈曲性プレートとの間の界面を横切るときの音響インピーダンスの不整合を最小化する材料から構成される。換言すれば、音波の反射または屈折を最小化し、同時に、強度（たとえば、音響エネルギー、音波の周波数）への悪影響を最小化するために、整合層の音響インピーダンスは、環境および屈曲性プレートとほぼ同等でなければならない。トランスデューサーデバイスが、植込型センサーとともに、たとえば、センサーを励起するため（そして、任意選択的に、センサーから信号を受信するため、あるいは、センサーの位置を特定するため）の外付け部品として用いられる場合、整合層の材料は、身体の軟組織とほぼ同じ音響インピーダンスを有するものとするのが望ましい。したがって、たとえば、この用途では、整合層は、水、組織、または血液、のうちの一つ以上にほぼ同等の、たとえば、１．５〜１．５４ＭＲａｙｌｓの範囲の、音響インピーダンスを有するものとすることができる。トランスデューサーを使用する環境の音響インピーダンスの決定は、当業者の技能の範疇にある。医療診断用途において、整合層は、皮膚に直接接触してもよい。したがって、整合層は、軟質高分子材料を含むものとしてもよく、それが接触する身体表面と生体適合性を有するものとしてもよい。
【００２８】
バッキング層は、キャビティを有効に封止して閉じたセルを形成するために、レール層に−デバイスの第２の側に−取り付けられてもよい。バッキング層を有するものとする利点は、効率が低く、デバイスの帯域幅を変えるかもしれない、デバイスの裏側からの−意図する方向とは逆方向からの−音響エネルギー伝送を制限することである。バッキング層の適切な材料は、使用される音響エネルギーの周波数およびトランスデューサーの全体構造にある程度は依存する。
【００２９】
トランスデューサーは、低周波数の超音波を、もしくは、医療用途以外の場合、音波を、生成および受波するよう設計してもよい。低周波数波は、たとえば、約３０〜２００ｋＨｚ、約２０〜１６０ｋＨｚ、約３０〜１００ｋＨｚ、約５０〜１００ｋＨｚまたは約２０〜８０ｋＨｚの範囲とすることができ、あるいは、１０ｋＨｚまで下げた周波数ないし個々の用途が要求する程度まで低くした周波数を含むものでもよい。
【００３０】
本発明のマルチセル設計は、同じ表面積の従来型電気音響トランスデューサーよりも、実現される送波感度が高いことが分かっている。たとえば、マルチセル設計は、約３０〜２００ｋＨｚの周波数範囲内で使用されるとき、特に、受動的に超音波励起可能な共振センサーと一緒に使用するのに適している。
【００３１】
本発明の装置／方法について、添付の図面を参照して、以下に検討し説明する。図面は、本発明の代表例の理解として、かつ、本発明の個別の諸実施形態を模式的に例示するために提供されていることに留意されたい。当業者であれば、他のほぼ同等の例が等しく本発明の範囲に含まれるものであることを認識するであろう。図面は、添付の特許請求の範囲において定義された本発明の範囲を限定することを意図するものではない。
【００３２】
図１Ａ〜１Ｃに示すように、下から見た斜視図において、トランスデューサーデバイスは、その必須要素として、屈曲性プレート１１と、当該屈曲性プレート１１上に平面アレイとして配置された複数の圧電素子、圧電ディスク１２ａ〜１２ｃと、レール層１３とを備える。二重層素子のアレイ−不活性な屈曲性プレートに結合された能動圧電ディスク１２ａ〜１２ｃ−は、デバイスのトランスデューサーコンポーネントを有する。
【００３３】
図１Ａに示すように、屈曲性プレート１１は、トランスデューサーの全領域に広がっている。特に、図１Ａに示す屈曲性プレート１１は、圧電ディスク１２ａ〜１２ｃのアレイが取り付けられている不活性ベースである。図１Ｂ。
【００３４】
一般に、二重層２０の不活性な屈曲性プレート１１，１１１および圧電ディスク１２，１１２の層１２０（図２）は、ほぼ同等の機械的特性を有するだけでなく、ほぼ同等の厚み（鉛直方向の高さ）を有するものでもある。したがって、たとえば、０．２ｍｍの圧電ディスクを、０．２ｍｍの屈曲性プレートとペアにしてもよい。ここで使用しているように、「高い」もしくは「鉛直方向の高さ」という用語は、「厚い」もしくは「厚さ／厚み」と交換可能に用いられる。一実施形態において、屈曲性プレート１１，１１１および圧電ディスク１２，１１２の機械的特性は、トランスデューサーデバイスの屈曲変形中において界面での低い応力を実現するために屈曲性プレートおよび圧電ディスクの材料のヤング率が同程度の大きさであるという点で、ほぼ同等である。ヤング率の差は、２層の厚み（本明細書では、鉛直方向高さともいう）に操作を加えることによって、補償可能である。たとえば、屈曲性プレートがステンレス鋼で形成され、圧電ディスクがＰＺＴ−５Ｈで形成されるとすると、ヤング率は、それぞれ、１９０ＧＰａ、６１ＧＰａである。完全に均衡の取れた構造をもつようにするために、一実施形態において、各二重層の屈曲性プレートと圧電ディスクは、ほぼ同等の機械的特性と鉛直方向の高さをもつ。たとえば、屈曲性プレートは、１４０μｍまたはそれに近い厚みで形成してもよく、圧電ディスクは、２００μｍに等しいまたはそれに近い厚みで形成してもよい。この実施形態において、屈曲性プレートおよび圧電ディスクは、ともに、全く同じ（identical）ヤング率を有する。屈曲性プレートおよび圧電ディスクは、一ないし複数の機械的特性において全く同じ特性を有するものであってもよい。他の実施形態において、屈曲性プレートおよび圧電ディスクをともに、２００μｍという全く同じ厚み（すなわち鉛直方向高さ）で形成してもよい。屈曲性プレートおよび圧電ディスクは、ヤング率が１対４の比に保たれるのであれば、屈曲性プレートおよび圧電ディスクを複数の代替寸法で形成することができると想定される。ここで用いているほぼ同等（similar）という用語は、ヤング率が１対４の比に保たれる限りにおいて、屈曲性プレートおよび圧電ディスクの任意の寸法を包含する。
【００３５】
屈曲性プレート１１は、導電性プレート（たとえば、少なくとも一方の側を金属被覆したもの）であってもよく、圧電材料と関連して一般に用いられている任意の材料から製造することができる。屈曲性プレートの材料を選択するにあたり以下の基準を考慮すべきである：導電性、圧電材料への接着性能、厚み調整、コスト、入手しやすさ。したがって、たとえば、屈曲性プレート材料は、圧電ディスクの材料に（たとえば、圧電ディスクが二重層に用いられる場合、セラミックスに）確実に接着可能でなければならない。また、精確な厚みの調整を可能にする材料が好ましい。本発明による屈曲性プレートに有用な例示的・非制限的材料としては、炭素鋼（たとえば、グレード１．１２７４炭素鋼）、ステンレス鋼（たとえば、グレード１．４３１０ステンレス鋼）、アルミナ（たとえば、金属被覆したアルミナ）、ガラス（たとえば、金属被覆したガラス）、シリコンが挙げられる。
【００３６】
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【００３７】
レール層１３は、屈曲性プレート１１に取り付けられ、図１Ｃに示したマルチセル・トランスデューサーの複数のセルに対応する複数の孔を備えている。レール層１３の孔周りの材料が、セルの間にレールすなわち壁を形成し、それによって、二重層電気音響セルの境界を画定する。最も効率的な実施形態において、孔は、全く同じサイズで、均等間隔に配置されている。図２および３により詳しく示されているように、各孔は、屈曲性プレート１１１およびレール１１３により境界を区切られたキャビティ１１５ａ，１１５ｂを画定し、レールはセル１０，１０ａ，１０ｂの壁を画定する。各圧電ディスク１２ａ〜１２ｃは、屈曲性プレート１１に取り付けられており（図１Ｂ）、レール層１３の孔内の、すなわち、各キャビティ内の中央に配置されている（図１Ｃ）。各圧電ディスク１２ａ〜１２ｃ，１１２，１１２ａ，１１２ｂは、図２および３に示すように、それを収容しているセル１０，１０ａ，１０ｂの境界と形状は同じだが直径が小さいものであってもよい。電線が接続されると、圧電ユニット−セル−は、電気信号を超音波に、そして超音波を電気信号に変換することができる。
【００３８】
圧電素子は、屈曲性プレートを作動させ、屈曲させる。一実施形態において、圧電ディスクは、電話の受話器およびブザーに使用されるものとほぼ同等の圧電プレートであってもよい。現在の技術では、そのような圧電プレートの製造は、約０．１ｍｍの厚さにすることができる。複合二重層プレートの全体の厚みは、約０．２ｍｍ程度とすることができる。したがって、複合プレートは、電圧が印加されるときに、大きなひずみと低い曲げ剛性を有するものであってもよい。屈曲性プレートの存在が、ＡＣ電流を通電させたときに、圧電セラミックがラジアル方向に振動するのを防ぐ。それによって生成される非対称応力は、二重層プレートに伝わりそれを屈曲させる。
【００３９】
理論に縛られずにいえば、セルの屈曲性プレートの共振周波数の第１の近似値が、下式により与えられる。
【００４０】
0006693941.tif 000003
【００４１】
0006693941.tif 000004
【００４２】
一実施形態において、マルチ素子トランスデューサーの素子は、動作範囲が異なっていてもよく、それぞれ別々のケーブルおよび電子機器により動作されるものであってもよい。このような構成にすれば、各共振周波数範囲のセルを独立に動作させることも互いに関連付けて動作させることもできるようなマルチ周波数トランスデューサーとなる。この実施形態は、たとえば、２つの周波数（たとえば励起には低い周波数、ドップラー問い合わせには高い周波数）が不可欠な音響振動測定のような特定の用途には有利となるかもしれない。２つの別の周波数範囲を同じソースから媒体を同軸伝播するように操作することができるので、問い合わせがなされている環境の体積が励起されている環境の体積の上に最適に配置されることが保証される。
【００４３】
このマルチ周波数-マルチトランスデューサーの実施形態において、セルのグループは、異なる周波数で振動するよう設計されていてもよい。一部の用途に対しては、同じ周波数範囲をもつセルを、異なる周波数範囲をもつセルの間で、トランスデューサーの隅々まで均等に分布させてもよい。他の用途に対しては、同じ動作周波数範囲をもつセルを、トランスデューサーの特定のエリア群にまとまるように配置してもよい。
【００４４】
図２Ａに、本発明のトランスデューサーデバイスの実施形態の一つのセル１０の断面図を模式的に示す。この実施形態においては、セル１０は、屈曲性プレート１１１および圧電ディスク１１２の二重層１２０と、セルの境界を画定するレール１１３と、レール１１３、屈曲性プレート１１１、バッキング層１１４の各層間に画定されたキャビティ１１５を閉鎖するバッキング層１１４とを備える。
【００４５】
図２Ｂに、背の高いレール層を備え、バッキング層を備えない実施形態のセル１０を模式的に示す。
【００４６】
図２Ｃに、レール層とバッキング層が同じ材料でつくられているセル１０を模式的に示す。
【００４７】
図３に、本発明のトランスデューサーデバイスの実施形態の２つの隣接するセルの境界をレール１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃがどのように画定されるかを断面図で模式的に示す。この実施形態は、図２Ａに示した形態と同様、屈曲性プレート１１１と、圧電ディスク１１２ａ，１１２ｂと、各セルのキャビティ１１５ａおよび１１５ｂを閉鎖するバッキング層１１４とを備える。また、図３には、各圧電ディスク１１２ａ，１１２ｂの直径がそれを収容するセル１０ａ，１０ｂの直径より小さいことが示されている。
【００４８】
この実施形態において、圧電ディスク１２ａおよび１２ｂは、全く同じで、それぞれ直径がｄ１である。セル１０ａおよび１０ｂの、そして、レール１３ａ，１３ｂ，１３ｃ間の屈曲性プレートの直径は、ｄ２である。ｄ１：ｄ２の比（ディスク：プレート）は、０．５から１の範囲とすることができる。ｄ１がたとえば５ｍｍの場合、ｄ２は、６ｍｍとすることができる。そのようなｄ１：ｄ２の比が５：６（すなわち０．８３）のセルは、図５に示すように約８５％という高い送波感度を達成した。レールの幅（ｄ３）は、セル１０ａの中心から隣接するセル１０ｂの中心までの距離として測定されるセル間距離（ｄ４）に影響を与える。したがって、レール層をｄ３が小さくなるように設計すれば、セルの平面アレイにおけるｄ４を小さくすることができる。一実施形態において、たとえば、ｄ３は１ｍｍでよい。
【００４９】
図４に示すように、本発明の圧電ディスクに対して評価したさまざまな材料（ＰＺＴ４，ＰＺＴ５Ａ，ＰＺＴ５Ｈ，ＰＺＴ７Ａ，ＰＺＴ８）のうちで、単一セルの実施形態については、ＰＺＴ５Ｈが、最も高いｄ３１（横圧電係数、圧電ひずみとも呼ばれる）を示した。図４のデータおよび本明細書で提示している他のデータを生成するためのトランスデューサーセルの諸実施形態として、グレード１．１２７４炭素鋼から製造される屈曲性プレート（たとえば、ドイツ、ベルナウのHasberg Schneider GmbH社から入手可能）を含む二重層を備えたものを使用した。
【００５０】
図５、６Ａ、６Ｂ、９〜１１、１２、１３Ａ〜Ｄのデータを生成するためのトランスデューサーの諸実施形態として、ＰＺＴ５Ｈから製造された圧電セラミックおよびグレード１．１２７４炭素鋼から製造された屈曲性プレートを含む二重層を備えたものを使用した。
【００５１】
上述のように、圧電ディスクは、直径（ｄ１）が、プレートが収容されるセルの直径（ｄ２）よりも小さいものとすることができる。セル、またはプレート、の直径（ｄ２）は、図５に示されている本発明による単一セルに対してｄ１：ｄ２の比の範囲に対して得られた送波感度の二重層ユニットに対する屈曲性プレートの領域の直径である。ＰＺＴ５Ｈから製造された圧電ディスクプレートを有する実施形態において、ｄ１：ｄ２の比が５：６のとき、約１６０ｋＨｚ以下の良好な音響周波数が提供された。
【００５２】
隣接するセルの中心の間の距離（セル間距離）を、「ピッチ」と呼ぶ。ピッチの範囲に対する送波感度を、単一のセルに対して評価した結果を、図６Ａに示す。図６Ｂに示すように、周波数帯域幅およびピッチ値は、反比例している。円形のセルを六角形のタイリングパターンに配置することができる。代替的に、六角形のセル形状を採用してもよい。円形または六角形のセル形状は、たとえば正方形よりも、セル間の隙間を詰めることができる。８０ｍｍ直径のディスクは、１２０〜１５０個の六角形または円形のセルを有するものとすることができる。円形セルを六角形アレイに配置した一実施形態において、７ｍｍのピッチが８５％の比帯域幅を提供可能であると判定された。セルの形状を考慮に入れて、できるだけ１００％に近い比帯域幅を達成するために、他のピッチを採用してもよい。ピッチ値を小さくすれば、帯域幅の向上が見込めるが、セル数が多くなってしまい、より多くの圧電材料が必要になって、コスト高を招くだろう。
【００５３】
本発明のトランスデューサーは、特定の直径や形状またはその組み合わせに限定されないので、音響パワーおよび周波数範囲の最適な組み合わせを得ることができるという点で有利である。したがって、たとえば、トランスデューサーを、用途により、たとえば組織内に特定の深さまで貫入し、特定のフィールド幅をもち、特定の作動周波数範囲を有するよう設計することができる。
【００５４】
トランスデューサーは、任意の平面形状をもつものであってよいが、ほぼ丸すなわち円形のディスクが、セルの効率的なタイリングを実現するものであることが分かっている。ディスクは、図７に示すような中実のものであってもよく、あるいは、図８Ａおよび８Ｂに示すように、ドーナツの穴のような中央孔を有するものであってもよい。複合ディスクの直径の非限定的な例としては、約３０〜９０ｍｍ、約５０〜１００ｍｍ、約６０〜９０ｍｍ、たとえば、直径８０ｍｍや直径９２ｍｍ、とすることができる。中央孔は、約１０〜３０ｍｍ、たとえば、２５ｍｍの直径を有するものとすることができる。ディスクの厚みは、約５〜４０ｍｍ、たとえば、レール層とバッキング層と整合層とを含み１５ｍｍ厚とすることができる。バッキング層を除き、ディスクの厚みは、約１．５〜４０ｍｍとすることができる。二重層は、０．２〜１ｍｍ、たとえば、０．４ｍｍの厚みを有するものとすることができる。特定の用途によっては、ディスクの直径が１００ｍｍを超えるものが充分に本発明の範囲に含まれる。適切な直径（横方向寸法）および他の構造の相対的な寸法は、本開示に基づく技術の範囲内にある。
【００５５】
本発明によるセルアレイのプロトタイプに対する電気インピーダンスおよび放射圧力場を評価するために、２つのモデリング法を採用することができる。たとえば、有限要素法（ＦＥＭ）を用いて、インパルス応答、すなわち、電圧インパルス励起に対するトランスデューサーの時間領域加速応答、を評価してもよい。FIELD IIモデル（http://field-ii.dk/?./downloading_7_12.html参照。また、J. A. Jensen. “Field: A program for simulating ultrasound systems.” Med. Biol. Eng. Comp., 10th Nordic-Baltic Conference on Biomedical Imaging, Vol. 4, Supplement 1, Part 1:351-353, 1996bも参照されたい。）によれば、正弦波や持続波やパルス波のための媒体中に、有限サイズの任意の形状のトランスデューサーによって生成する放射圧力場の算出が可能である。
【００５６】
一実施形態において、本発明による低周波電気音響トランスデューサーは、１００％に近い６ｄＢの比帯域幅と、対象となる長さ約１６０ｍｍ、直径約４０ｍｍの円筒形容積の中で、所望の周波数範囲（たとえば、３０〜１００ｋＨｚ）内で、数十ボルトの大きさ（amplitude）の駆動信号を用いて１００ｋＰａを確保できる十分な高さの感度とをもつだろう。
【００５７】
形状の異なるトランスデューサーディスク上の平面セルアレイの例示的レイアウトは、図７、８Ａ、８Ｂに示すように設計し、トランスデューサー実施形態の浸漬中電気インピーダンス（ＦＥＭ）を評価した。これらの非限定的実施形態において、各セルの最小直径は６ｍｍであり、各レールの最小幅は１ｍｍである。
【００５８】
図７に、中実ディスク形状を有するトランスデューサー１３０の一実施形態と、セル１０ａ〜１０ｃの平面アレイをどのように配置可能かを示す。この非制限的例において、トランスデューサーディスク１３０は、約８０ｍｍの外径を有し、直径がそれぞれ６ｍｍの円形セル約１２１個の平面アレイが配置可能となっている。図７の実施形態の１ｋＨｚでのキャパシタンス（Ｃ）は２４５．７ｎＦ、インピーダンス（Ｚ）は、３０ｋＨｚで１．８２〜２１．２ｉΩ、６０ｋＨｚで２．７９〜１２．４８ｉΩ、１００ｋＨｚでは、０．３３〜８．０６ｉΩであった。電気インピーダンス角は、−９０度近くであると測定された。損失は、主として音響エネルギー放射によるものであった。他の実施形態において、トランスデューサーディスクは、１２０ｍｍまたはそれに近い外径を有する。
【００５９】
図８Ａに、トランスデューサー１３５のドーナッツ形状を有する実施形態におけるセル１０ａ〜１０ｃの平面アレイの他の実施形態を模式的に示す。この非制限的な例においては、トランスデューサーディスク１３５は、外径が約８０ｍｍ、内径（中央孔の径）が約２５ｍｍであり、直径が６ｍｍの円形セルが約９０個配置可能となっている。図８Ａの実施形態については、次のキャパシタンスおよびインピーダンスが測定された：Ｃ＝１８２．８ｎＦ（１ｋＨｚ）、Ｚ＝２．４６〜２８．５７ｉΩ（３０ｋＨｚ）、３．７５〜１６．７９ｉΩ（６０ｋＨｚ）、０．４４〜１０．８４ｉΩ（１００ｋＨｚ）。
【００６０】
図８Ｂに、中央孔を有するトランスデューサー２３５の他の実施形態においてセル１０ａ〜１０ｃの平面アレイをどのように配置し得るか模式的に示す。この非制限的な例においては、トランスデューサーディスク２３５は、外径が大きく約９２ｍｍ、内径が約３０ｍｍである。このデザインによれば、直径が６ｍｍの円形セルが約１３２個配置可能である。図８Ｂの実施形態については、次のキャパシタンスおよびインピーダンスが測定された：Ｃ＝２６８．１ｎＦ（１ｋＨｚ）、Ｚ＝１．６７〜１９．４８ｉΩ（３０ｋＨｚ）、２．５６〜１１．４４ｉΩ（６０ｋＨｚ）、０．３０〜７．３９ｉΩ（１００ｋＨｚ）。
【００６１】
図７、８Ａ、８Ｂの実施形態について、１Ｖ正弦持続波の放射圧力場（FIELD II）モデルにおいてテストし、異なる３周波数（３０ｋＨｚ、６０ｋＨｚ、１００ｋＨｚ）で対象容積３００に対して場の大きさを算出した。結果を、それぞれ、図９、１０、１１に示す。図９、１０、１１のそれぞれに、対象音響容積３００を、右端のパネルに長方形で示している。これらのテストに対する対象音響容積３００は、直径約４０ｍｍの実質的に円柱形の空間であり、トランスデューサーデバイスの表面から約４０ｍｍ〜１６０ｍｍの範囲を延びている。そのような対象容積は、植込型超音波励起センサーとともに使用される外部音響トランスミッターに適したものとなり得る超音波放射の範囲を提供することが期待される。図９、１０、１１のデータは、テストされた周波数における各実施形態のトランスデューサーにより生成された超音波場を示している。３周波数それぞれの超音波の大きさは、各図の右側のバーにより色で示されている。３周波数それぞれの超音波の直径は、ｘ軸上に示されている。
【００６２】
図９は、図７のトランスデューサーデバイス１３０から放出されたそれぞれ３０ｋＨｚ、６０ｋＨｚ、１００ｋＨｚの超音波の空間場分布（ビームパターン）を示している。図９は、３つすべての周波数で、有意の大きさ（約５ｄＢ）の超音波が対象音響場に到達することを示している。
【００６３】
図１０は、図８Ａのトランスデューサーデバイス１３５から放出されたそれぞれ３０ｋＨｚ、６０ｋＨｚ、１００ｋＨｚの超音波の空間場分布（ビームパターン）を示している。図１０は、３つすべての周波数で、有意の大きさ（約５ｄＢ）の超音波が対象音響場に到達することを示している。
【００６４】
図１１は、図８Ｂのトランスデューサーデバイス２３５から放出されたそれぞれ３０ｋＨｚ、６０ｋＨｚ、１００ｋＨｚの超音波の空間場分布（ビームパターン）を示している。図１１は、３つすべての周波数で、有意の大きさ（約５ｄＢ）の超音波が対象音響場に到達することを示している。図１１および図１０の比較により、平面アレイ中のセルの数が大きな直径のディスクを横切る場合であっても、音響場伝送にどのように影響をあたえるかが実証される。
【００６５】
デバイスの効率は、レール層とバッキング層と整合層の特定の設計により強化することができる。
【００６６】
整合層は、患者の身体との電気的な接触を防ぐためだけに使用されているわけでなく、測定環境（たとえば、体組織）に、トランスミッターを音響的に整合させてエネルギー伝送を最大化するように設計されている。したがって、図示されていない整合層として、超音波が伝送される何らかの媒体とほぼ同等の音響インピーダンスを有するものを備えるのが好ましい。このように音響インピーダンスを整合させることで、トランスデューサーデバイスから送受波される超音波の反射、屈折、散逸を最小化することができる。したがって、たとえば、トランスミッターが身体の軟組織を介して超音波を送波および／または受波する適用例においては、整合層は、水、組織、または血液のうちの一つまたはそれ以上とほぼ同等の音響インピーダンス（たとえば、１．５〜１．５４Ｍｒａｙｌｓの範囲、もしくは、約１．２〜１．７２Ｍｒａｙｌｓまたは約０．１８〜１．７２Ｍｒａｙｌｓの範囲）を有するものとすることができる。トランスデューサーが使用される環境の音響インピーダンスの判定は、当業者の技能の範囲内にある。整合層は、必要ではないが、セル間の音響相互作用から生じる可能性のある共振を徐々に減少させるのに役立つ。
【００６７】
整合層は、当該技術分野で公知の硬質または軟質のポリマー材料でつくられていてもよく、また、電気的な絶縁を含むことでセル間の音響的相互作用の減少をもたらすものであってもよい。このような硬質または軟質のポリマー材料の非限定的な例としては、シリコーンパウダー化合物やエラストマーなど、適切な音響インピーダンスを有する適切な化合物が挙げられる。シリコーンナノパウダーは、約１．４８ＭＲａｙｌの音響インピーダンスを有する。整合層は、医療診断用途において、たとえば、皮膚などに接触する表面としても有用である。適切な生体適合性が、そのような用途には望まれる。当業者であれば、個々の目的に対して適切な材料を選択すること（たとえば、デバイスを腐食性環境で使用するような場合には不活性材料を選択すること）を知っているだろう。
【００６８】
同じ音響特性を有する軟質ポリマー材料と硬質ポリマー材料と（プラスチックとゴムと）を、ＦＥＭモデルを使用して比較したところ、硬質材料の方が、セルの屈曲振動モードに影響を与える傾向があるため、軟質材料よりも望ましくないと考えられることがわかった。音響挙動が流体により近い軟質材料は、より良好な結果をもたらした。生体適合性シリコーンナノパウダー化合物を含み、音響インピーダンスが約１．４８ＭＲａｙｌの整合層は、音響エネルギー損失が非常に低くなることが明らかになった。整合層の厚みは、１〜２０ｍｍの範囲とすることができる。
【００６９】
トランスディーサーデバイスをレール層とバッキング層の構造および材料の適切な組み合わせで設計することにより、音響エネルギー波を誘導し、それによって音響エネルギーの損失を抑えることができる。バッキング層は、トランスデューサーに機械的支持とプレート拘束手段を提供するだけでなく、後方に放射されるエネルギー、すなわち、意図されている方向と反対方向に−デバイスの前方に向かって−進行する音波を吸収し減衰させるよう設計してもよい。バッキング層の特殊設計は、トランスデューサーデバイスの周波数帯の形状に影響することがあり得る。材料と鉛直方向の高さの異なる組み合わせを採用し、利用可能なスペース、広帯域励起の要件、電気的相互接続といったパラメーターを考慮して、バッキング層の所望の特性を実現することができる。レール層およびバッキング層の材料の非制限的な例としては、たとえば、真鍮およびプラスチックが挙げられる。非制限的例示的なプラスチックとしては、エポキシ樹脂およびタングステン入りエポキシ樹脂がある。
【００７０】
レール層およびバッキング層の構造の様々な組み合わせが、本発明にしたがって、所望の結果を得るために、採用可能である。一実施形態において、トランスデューサーデバイスは、背の高いレール層を備え、キャビティは開口している、すなわち、バッキング層は存在しない。他の実施形態において、デバイスは、背の低いレール層と背の高いバッキング層を備えている。そのようなバッキング層を含む実施形態においては、キャビティは隔離、すなわち閉鎖されている。キャビティが閉鎖されたさらに別の実施形態として、デバイスは、背の高いレール層と背の低いバッキング層を備えていてもよい。薄型で軽量のデバイスを維持するため、音響トランスミッター全体の厚みを１５ｍｍ、たとえば、１０ｍｍや１１ｍｍとしてもよい。したがって、背の高い層は、８〜１０ｍｍ程度、背の低い層は、１〜２ｍｍ程度とすることができる。高さと材料の他の組み合わせが、個々の用途にしたがって採用可能であり、本願明細書の説明に基づいて当該技術分野の通常の技能を有する者により決定することができる。
【００７１】
上記構造設計および材料の一部を例示的に組み合わせた単一セルのプロトタイプを作成しテストした。その結果を図１２および１３Ａ〜Ｄに示す。
【００７２】
図１２に、図２Ｂに示したような背の高いレール層を備えバッキング層を設けないシンプルな構造設計のＦＥＭによりシミュレートした送波感度を示す。トランスデューサーデバイスのこの実施形態において、レール層は、真鍮を含み、レール層の高さは、約１０ｍｍである。作動帯域において送波感度は、変化しないが、高周波でピーキングがある。作動中トランスデューサー表面への有効圧力によって励起されるレール構造の放射モードによって、特定の周波数で放射パターンが変化することはありうる。
【００７３】
図１３Ａ〜Ｄに、背の低いレール層と背の高いバッキング層を有する構造設計と様々な材料の組み合わせの実施形態のＦＥＭによりシミュレートした送波感度を示す。
【００７４】
図１３Ａに、図２Ｃに示したような同じ材料からなるレール層およびバッキング層を含むセルの実施形態から採ったデータを示す。レール層の高さは、約１ｍｍであり、バッキング層の高さは約１０ｍｍである。この組み合わせの性能は良好で、送波感度は、変化しない。この実施形態でバッキング放射モードの励起があるので、特定の周波数で放射パターンの変化があるようにすることができる。
【００７５】
図１３Ｂに、異なる材料からなるレール層およびバッキング層を含むセルの実施形態から採ったデータを示す。レール層は、真鍮を含み、バッキング層は、タングステンの入ったエポキシ樹脂を含む。図２Ｃのデバイスと同様、この実施形態においては、レール層の高さは約１ｍｍであり、バッキング層の高さは約１０ｍｍである。この実施形態の送波感度は、大幅に変化する。
【００７６】
図１３Ｃに、同じ材料（タングステン入りエポキシ樹脂）からなるレール層およびバッキング層を含むセルの第２の実施形態から採ったデータを示す。レール層の高さは約１ｍｍであり、バッキング層の高さは約１０ｍｍである。
【００７７】
図１３Ｄに、異なる材料からなるレール層およびバッキング層を含むセルの第２の実施形態から採ったデータを示す。レール層は、タングステン入りエポキシ樹脂を含み、バッキング層は真鍮を含む。この実施形態において、レール層の高さは約１ｍｍであり、バッキング層の高さは、約１０ｍｍである。この実施形態において、送波感度は、変化するが、高周波数でのピークが、帯域幅を大きくすることができるので役に立つ。低損失真鍮バッキングの放射モードにより、特定の周波数での放射パターンの変化が可能となる。
【００７８】
当該技術分野の通常の技能を有する者であれば理解するように、アレイ内の各セルの個々の設計は、使用される個々の周波数によって変わってくるだろう。広範囲の周波数が使用される場合、すべての周波数で動作する特定の設計を得るのは複雑な作業である。同じ材料から製造された背の低いレール層および背の高いバッキング層の組み合わせは、後述するように、広い範囲の周波数に対し良好な（８５％の）効率を実現することがわかった。
【００７９】
本発明の他の態様は、トランスデューサーデバイスを製造するプロセスに関連する。図１４Ａ〜Ｐは、本発明によるトランスデューサーデバイスの製造方法の一実施形態を模式的に示すものであり、２セルの例を用いた構造を断面図で示す。当業者であれば、本明細書の説明を活用して、この方法を、上述のような８０〜１５０の二重層ユニットのアレイを有するマルチセル・デバイスに、スケールアップすることができるだろう。一般的に、圧電ディスクおよびレール層は、レール層の各孔中央に一つの圧電ディスクを置いた一つのアセンブリーとして、形成される。屈曲性プレートは、別体の第２のアセンブリーとして形成される。そして、レール層および圧電ディスクを屈曲性プレートに取り付けることにより、２つのアセンブリーが合体させられる。
【００８０】
図１４Ａに示すように、複数の隣接する真空保持ベース要素４００ａ〜ｃを有する真空保持ベース４００が、平坦な表面にまず載置される。真空保持ベース４００ａ〜ｃは、互いに等間隔に離間配置されている。そして、接触部４０１ａ〜ｃの間に複数の孔を有する位置合わせツール４０１が、各真空保持ベース要素４００ａ〜ｃの上面に載置される。位置合わせツール孔はそれぞれ直径を有する。図１４Ｂに示すように、接触部４０１ａは、真空保持ベース要素４００ａに位置合わせされ中心に位置決めされ、接触部４０１ｂは、真空保持ベース要素４００ｂに位置合わせされ中心に位置決めされ、…等々。位置合わせツール４０１の位置決め後、複数の圧電ディスク４１２ａ〜ｂが、図１４Ｃに示すように、真空保持ベース要素４００ａ〜ｃ上の位置合わせツール４０１の接触部４０１ａ〜ｃの間に配置される。位置合わせツール４０１は、圧電ディスク４１２ａ，４１２ｂのアレイを位置決めするために用いられる。したがって、位置合わせツール接触部４０１ａ〜ｃのエッジ間の距離（孔径）は、図１４Ｃに示すように、おおよそ、圧電ディスク４１２ａ〜ｂの直径と等しく、圧電ディスク４１２ａ〜ｂが、位置合わせツールの孔の直径を差し渡して、真空保持ベース４００ａ〜ｃ間のギャップをカバーするようになっている。圧電ディスク４１２ａ，４１２ｂを真空保持ベース要素４００ａ〜ｃ上に保持するために真空を与えてから、位置合わせツール４０１を取り外す。図１４Ｄに、所望のアレイに位置決めされ、位置合わせツールを取り外した後の真空保持ベース要素４００ａ〜ｃに保持された圧電ディスク４１２ａ〜ｂを示す。そして、第１面と第２面と直径と複数の孔を有するレール層４１３を、図１４Ｅに示すように、圧電ディスク４１２ａ〜ｂがレール４１３ａ〜ｃの間のレール層の孔内で中心に位置合わせされ、レール層４１３の第１面が真空保持ベース４００に接触して、複数のキャビティ４１５ａ，４１５ｂを形成するように配置する。次に、図１４Ｆに示すように、硬化性ポリマー４０２を、キャビティ４１５ａ，４１５ｂを、レール４１３ａ〜ｃの高さまで充填する。硬化性ポリマー４０２の非限定的な例としては、ＲＴＶシリコンなどの金属やプラスチックや圧電セラミックに付着しないポリマーが挙げられる。好ましくは、硬化性ポリマーは、比較的低温で注入可能かつ硬化可能である。その後、充填後のキャビティを、図１４Ｇに示すように平板ツール４０３で覆い、硬化プロセスを開始する。ポリマー４０２が硬化し、真空が解除されると、図１４Ｈに示すように、真空保持ベース４００を取り外すことができる。これで、第１のアセンブリー４０５の製造が完了する。
【００８１】
第２のアセンブリーを用意するために、図１４Ｉに示すように、平坦な表面にプレートホルダー４０６を配置する。第１面と第２面と直径を有する屈曲性プレート４１１を、図１４Ｊに示すように、プレートホルダー４０６上に配置する。そして、図１４Ｋに示すように、屈曲性プレート４１１の第１面全体に、接着剤４０７を塗布する。これで、第２のアセンブリー４０８の製造が完了する。そして、図１４Ｌに示すように、レール層４１３の第１面が屈曲性プレート４１１の第１面上の接着剤４０７に接触するように、第１のアセンブリー４０５を、第２のアセンブリー４０８上に配置する。そして、接着剤４０７を硬化させることによって、第１のアセンブリー４０５を第２のアセンブリー４０８に取り付ける。すなわち、レール層４１３および圧電ディスク４１２ａ〜ｂのアレイを屈曲性プレート４１１に接着し、マルチセルアレイを形成する。図１４Ｍに示すように、平板ツール４０３を取り外す。図１４Ｎに示すように、硬化性ポリマー４０２を除去する。続けて、図１４Ｏに示すように、プレートホルダー４０６を取り外す。そして、最後に、図１４Ｐに示すように、圧電ディスク４１２のそれぞれのキャビティ側と、屈曲性プレート４１１の第２面とに、たとえば、はんだづけで、電線４２０ａ〜ｃを取り付けてもよい。これで、本発明によるバッキング層を備えない実施形態の圧電セルの平面アレイを備えたマルチセル・トランスデューサー４１０の製造が完了する。
【００８２】
そして、屈曲性プレートに整合層を取り付けて、身体等の環境に超音波エネルギーを放射するのに有用な本発明の新規な超音波トランスミッターを形成することができる。バッキング層を使用する場合は、バッキング層をレール層の直径に合わせて切削し、セルアレイが完成した後（図１４Ｐ）もしくは第１のアセンブリーにレール層を追加する前に、レール層に取り付ければよい。後者の場合、ステップ（図１４Ｅ）の前に、レール層バッキング層アセンブリーによって形成されるキャビティに、ＲＴＶシリコーンを充填してもよい。バッキング層は、整合層を備える実施形態にも整合層を備えない実施形態にも組み込むことができる。バッキング層と整合層をともに組み合わせて使用する場合、整合層は、「表面モード（surface modes）」を減衰させ、浸漬したデバイスの送波周波数応答を変化させてしまう可能性のあるセル間音響クロストークを防ぐのに役立つ。
【００８３】
このように、一実施形態において、本発明の方法は、複数の等間隔に離間配置された孔を有する真空保持ベースを平坦な表面に配置すること、前記複数の真空保持ベース上に位置合わせツールを配置すること（前記位置合わせベースは複数の等しい大きさで等間隔に離間配置された孔を有する）、前記位置合わせツールを使用して、前記真空保持要素上に前記真空保持ベースの孔を覆うように圧電ディスクのアレイをセットし、前記圧電ディスクをそれぞれ互いに等間隔に離間配置すること（前記圧電ディスクのそれぞれが対応する位置合わせツールの孔径よりもやや小さな直径を有することで、前記圧電ディスクを前記対応する位置合わせツールの孔内に嵌め込むことができる）、前記真空保持ベースを介して真空を生成し、前記位置合わせツールを取り外すこと、第１面と第２面と直径を有するレール層を前記真空保持ベース上に、前記第１面が前記真空保持ベースに接触するように配置すること（前記レール層は、前記圧電ディスクのアレイに対応するアレイ状に複数の孔を有し、前記レール層の孔径は、前記圧電ディスクの径よりも大きく、前記レール層は、前記複数のレール層の孔に対応する複数のキャビティを画定する鉛直方向の高さを有する）、前記複数のキャビティに硬化性ポリマー充填材を充填すること、前記充填されたキャビティを平板ツールで覆うこと、前記硬化性ポリマーを硬化させること、前記真空を除くこと、前記真空保持ベースを取り外して第１のアセンブリーを形成すること、別途、プレートホルダーを用意し、当該プレートホルダー上に、第１面と第２面と前記レール層の直径と同等の直径を有する屈曲性プレートを配置すること、前記屈曲性プレートの前記第１面に硬化性接着剤を塗布して、前記屈曲性プレートの第１面を覆って第２のアセンブリーを形成すること、前記レール層の前記第１面が前記屈曲性プレートの前記第１面上の前記接着剤に接触するように前記第２のアセンブリー上に前記第１のアセンブリーを配置すること、前記接着剤を硬化させること、前記平板ツールを取り外すこと、前記硬化させたポリマー充填材を取り除くこと、そして、前記プレートホルダーを取り外すこと、を含む。この方法は、さらに、前記屈曲性プレートの前記第２面に整合層を接着することを含んでもよい。前記方法は、さらに、前記レール層の前記第２面にバッキング層を接着することを含んでもよい。
【００８４】
接着剤に関連するシステムへの二次的な影響（ピーキング効果および、その結果としての感度および／または帯域幅の減少）が観察された。たとえば、屈曲性プレートおよびレール層および圧電ディスクの間の接着剤により生成する弾性拘束がある。さらに、接着剤の厚みは、約１０〜５０μｍの間となり、送波感度に影響するかもしれない。
【００８５】
当該技術分野の通常の技能を有する技術者であれば、実施形態として本明細書に詳細に示され記載された内容に、本発明の趣旨ないし範囲を逸脱することなく、多くの変更や追加や変形および他の適用がなされ得ることが理解されるだろう。したがって、以下の特許請求の範囲により規定された本発明の範囲は、あらゆる予見可能な変更、追加、変形および適用用途を含むことが意図されている。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
0006693941.tif 000007
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１４Ｅ】
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【図１４Ｆ】
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【図１４Ｇ】
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【図１４Ｈ】
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【図１４Ｉ】
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【図１４Ｊ】
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【図１４Ｋ】
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【図１４Ｌ】
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【図１４Ｍ】
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【図１４Ｎ】
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【図１４Ｏ】
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【図１４Ｐ】
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