JP2021533707A - 超音波トランスデューサ - Google Patents
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Abstract
Description
この出願は、2018年7月31日に出願された米国特許出願第62/712,595号の優先権を主張し、その明細書は参照により本明細書に組み込まれる。
電気機械式音響トランスデューサを製造するために使用できる多くの方法および材料がある。いくつかの例は、圧電結晶、強誘電性セラミック、強誘電性単結晶、強誘電性ポリマ、容量性微細加工超音波トランスデューサ(CMUT)、圧電微細加工超音波トランスデューサ(PMUT)、および動的コイルベースのシステムを含む。
次に、図面に目を向けると、超音波トランスデューサの異なる実施形態がここで説明される。図1および図2は、圧電複合層102を含む超音波トランスデューサ100の2つの実施形態を示す。
超音波トランスデューサの様々な可能な実施について説明する。
以前に記載された超音波トランスデューサ100の実施形態を製造するための方法も提供される。1つの実施形態では、製造された超音波トランスデューサ100は、約600kHzを中心とする周波数で動作するように設計される。この方法は、約2600μmの厚さを有するPZTのプレートをカーフ切断するステップを含む。カーフは、平行切断から作られる。1つの実施形態では、このステップによって、約1.7mmの中心間700μmのカーフが得られ、カーフの間に約1mmの未切断材料を残す。この方法はまた、カーフにはめ込まれ、アルミナの両側に、カーフ充填エポキシ(たとえば、粉末装填エポキシであり、それを硬化することが可能)の150μmのストリップで、所定の位置に接着されるアルミナのバー(たとえば、約400μmの幅を有する)を提供するステップを含む。この方法はまた、最初の切断のセットに対して90度でプレートを切断し、それによって、(約1.7mmの中心間間隔で、約700μmのカーフを有する)同様のカーフを画定するステップを含む。続いて、切断されたカーフに、同様の幅400μmのアルミナバーと、カーフ充填粉末装填エポキシとを充填できる。得られた圧電複合層は、82%のPZT複合物と同等の音響インピーダンスを有し、たとえば、限定することなく、チタンに音響的に整合され得る。しかしながら、そのような複合物の電気インピーダンスは、59%のPZT複合物において見られるものに近い。
Claims (99)
- サンプルと音響的に通信するように構成され、少なくとも部分的に分離された音響インピーダンスおよび電気インピーダンス特性を有する圧電複合層であって、前記圧電複合層は、
離間された圧電領域のアレイであって、各離間された圧電領域が第1の音響インピーダンスおよび第1の比誘電率を有する圧電材料から作られる、離間された圧電領域のアレイと、
隣接する離間された圧電領域間に配置されたフィラ材料であって、前記フィラ材料は、第2の音響インピーダンスおよび第2の誘電率を有するポリママトリクスを備え、前記第2の音響インピーダンスは、前記第1の音響インピーダンスよりも小さく、前記第2の比誘電率は、前記第1の比誘電率よりも小さい、フィラ材料と、
前記ポリママトリクスと接触する非圧電材料であって、前記非圧電材料は、第3の音響インピーダンスおよび第3の比誘電率を有し、前記第3の音響インピーダンスは、前記第2の音響インピーダンスよりも大きく、前記第3の比誘電率は、前記第1の比誘電率よりも小さい、非圧電材料と
を備える、圧電複合層と、
前記圧電複合層と電気的に通信する1つまたは複数の電極と
を備える、超音波トランスデューサ。 - 前記圧電複合層は、前記サンプルに向かうプロービング音響信号を生成するように構成され、
前記1つまたは複数の電極は、プロービング電気信号を前記圧電複合層に送信し、それによって、前記プロービング音響信号を生成するように動作可能である、請求項1に記載の超音波トランスデューサ。 - 前記圧電複合層は、前記サンプルから発するサンプル音響信号を受信し、それによって、前記1つまたは複数の電極に向かうサンプル電気信号を生成するように構成され、前記サンプル電気信号は、前記サンプル音響信号を表す、請求項1または2に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記ポリママトリクスは、エポキシから作られる、請求項1から3のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記非圧電材料は、酸化ハフニウム粉末である、請求項1から4のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 隣接する離間された圧電領域間に配置された1つまたは複数の電気絶縁領域をさらに備え、前記1つまたは複数の電気絶縁領域は、前記フィラ材料と接触する、請求項1から5のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記1つまたは複数の電気絶縁領域は、第4の音響インピーダンスおよび第4の比誘電率を有し、前記第4の音響インピーダンスは、前記第1の音響インピーダンスに近く、前記第4の比誘電率は、前記第1の比誘電率よりも小さい、請求項6に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記1つまたは複数の電気絶縁領域は、セラミックから作られる、請求項6または7に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記1つまたは複数の電気絶縁領域は、ガラスから作られる、請求項6または7に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記1つまたは複数の電気絶縁領域は、細長形状を有する、請求項6から9のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記1つまたは複数の電気絶縁領域は、バー形状の電気絶縁領域を画定する、請求項6から9のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記1つまたは複数の電気絶縁領域は、ピラー形状の電気絶縁領域を画定する、請求項6から9のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記1つまたは複数の電気絶縁領域は、球形状である、請求項6から9のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記非圧電材料は、前記ポリママトリクス内に埋め込まれる、請求項1から13のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記圧電材料は、1つの方向に沿って連続し、
前記フィラ材料は、3つの方向に沿って連続している、請求項1から14のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。 - 前記圧電材料は、2つの方向に沿って連続し、
前記フィラ材料は、2つの方向に沿って連続している、請求項1から14のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。 - 前記圧電材料は、強誘電体材料、単結晶強誘電体材料、鉛フリー強誘電体材料、および圧電高分子材料からなる群から選択される、請求項1から16のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記圧電材料は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)である、請求項17に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記音響インピーダンス特性は、約15MRから約30MRの範囲である、請求項1から18のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記第1の音響インピーダンスは、約30MRから約40MRの範囲である、請求項1から19のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記第3の音響インピーダンスは、約7MRから約8MRの範囲である、請求項1から20のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記圧電複合層は、前記サンプルと音響的に整合され、前記サンプルから電気的に絶縁される、請求項1から21のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記1つまたは複数の電極と電気的に通信するバッキング層をさらに備える、請求項1から22のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記バッキング層は、不整合層である、請求項23に記載の超音波トランスデューサ。
- 接地電極をさらに備える、請求項1から24のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記接地電極は、ヒートスプレッダとして構成される、請求項25に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記圧電複合層および前記サンプルは、音響経路を間に画定し、前記超音波トランスデューサは、前記圧電複合層と前記サンプルとの間に、前記音響経路に沿って配置されたほぼ無損失の音響整合層をさらに備える、請求項1から26のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 摩耗層をさらに備え、前記摩耗層は、前記圧電複合層と音響的に整合される、請求項1から27のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記圧電複合層は、ほぼ2400ミクロンの厚さを有する、請求項1から28のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 離間された各圧電領域は、互いに200ミクロン間隔で配置され、正方形の断面を有し、前記正方形の断面は、1000ミクロン×1000ミクロンである、請求項1から29のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記圧電複合層は、約70%から約80%の範囲の圧電体積分率を有する、請求項1から30のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記圧電複合層を中に含めるための電気絶縁ハウジングをさらに備える、請求項1から31のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- ターゲットに向けて音響信号を放射するための超音波トランスデューサであって、
少なくとも部分的に分離された音響インピーダンスおよび電気インピーダンス特性を有する圧電複合層であって、前記圧電複合層は、
各離間された圧電領域が、第1の音響インピーダンスおよび第1の比誘電率を有する圧電材料から作られる、離間された圧電領域のアレイと、
隣接する離間された圧電領域間に配置されたフィラ材料であって、前記フィラ材料は、第2の音響インピーダンスおよび第2の誘電率を有するポリママトリクスを備え、前記第2の音響インピーダンスは、前記第1の音響インピーダンスよりも小さく、前記第2の比誘電率は、前記第1の比誘電率よりも小さい、フィラ材料と、
前記ポリママトリクスと接触する非圧電材料であって、前記非圧電材料は、第3の音響インピーダンスおよび第3の比誘電率を有し、前記第3の音響インピーダンスは、前記第2の音響インピーダンスよりも大きく、前記第3の比誘電率は、前記第1の比誘電率よりも小さい、非圧電材料と
を備える、圧電複合層と、
前記圧電複合層と電気的に通信する1つまたは複数の電極であって、電気信号を前記圧電複合層に送信し、それによって、前記ターゲットに向かう前記音響信号を生成するように動作可能な1つまたは複数の電極と
を備える、超音波トランスデューサ。 - 前記ポリママトリクスは、エポキシから作られる、請求項33に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記非圧電材料は、酸化ハフニウム粉末である、請求項33または34に記載の超音波トランスデューサ。
- 隣接する離間された圧電領域間に配置された1つまたは複数の電気絶縁領域をさらに備え、前記1つまたは複数の電気絶縁領域は、前記フィラ材料と接触する、請求項33から35のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記1つまたは複数の電気絶縁領域は、第4の音響インピーダンスおよび第4の比誘電率を有し、前記第4の音響インピーダンスは、前記第1の音響インピーダンスに近く、前記第4の比誘電率は、前記第1の比誘電率よりも小さい、請求項36に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記1つまたは複数の電気絶縁領域は、セラミックから作られる、請求項36または37に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記1つまたは複数の電気絶縁領域は、ガラスから作られる、請求項36または37に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記1つまたは複数の電気絶縁領域は、細長形状を有する、請求項36から39のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記1つまたは複数の電気絶縁領域は、バー形状の電気絶縁領域を画定する、請求項36から39のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記1つまたは複数の電気絶縁領域は、ピラー形状の電気絶縁領域を画定する、請求項36から39のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記1つまたは複数の電気絶縁領域は、球形状である、請求項36から39のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記非圧電材料は、前記ポリママトリクス内に埋め込まれる、請求項33から43のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記圧電材料は、1つの方向に沿って連続し、
前記フィラ材料は、3つの方向に沿って連続している、請求項33から44のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。 - 前記圧電材料は、2つの方向に沿って連続し、
前記フィラ材料は、2つの方向に沿って連続している、請求項33から44のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。 - 前記圧電材料は、強誘電体材料、単結晶強誘電体材料、鉛フリー強誘電体材料、および圧電高分子材料からなる群から選択される、請求項33から46のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記圧電材料は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)である、請求項47に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記音響インピーダンス特性は、約15MRから約30MRの範囲である、請求項33から48のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記第1の音響インピーダンスは、約30MRから約40MRの範囲である、請求項33から49のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記第3の音響インピーダンスは、約7MRから約8MRの範囲である、請求項33から50のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記圧電複合層は、前記サンプルと音響的に整合され、前記サンプルから電気的に絶縁される、請求項33から51のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記1つまたは複数の電極と電気的に通信するバッキング層をさらに備える、請求項33から52のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記バッキング層は、不整合層である、請求項53に記載の超音波トランスデューサ。
- 接地電極をさらに備える、請求項33から54のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記接地電極は、ヒートスプレッダとして構成される、請求項55に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記圧電複合層および前記サンプルは、音響経路を間に画定し、前記超音波トランスデューサは、前記圧電複合層と前記サンプルとの間に、前記音響経路に沿って配置されたほぼ無損失の音響整合層をさらに備える、請求項33から56のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 摩耗層をさらに備え、前記摩耗層は、前記圧電複合層と音響的に整合される、請求項33から57のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記圧電複合層は、ほぼ2400ミクロンの厚さを有する、請求項33から58のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 離間された各圧電領域は、互いに200ミクロン間隔で配置され、正方形の断面を有し、前記正方形の断面は、1000ミクロン×1000ミクロンである、請求項33から59のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記圧電複合層は、約70%から約80%の範囲の圧電体積分率を有する、請求項33から60のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記圧電複合層を中に含めるための電気絶縁ハウジングをさらに備える、請求項33から61のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- サンプルと音響的に通信するように構成され、少なくとも部分的に分離された音響インピーダンスおよび電気インピーダンス特性を有する圧電複合層であって、前記圧電複合層は、
各離間された圧電領域が圧電材料から作られる、離間された圧電領域のアレイと、
隣接する離間された圧電領域間に配置され、ポリママトリクスを備えるフィラ材料と、
前記ポリママトリクスと接触する非圧電材料と
備える、圧電複合層と、
前記圧電複合層を前記サンプルから電気的に絶縁するために前記圧電複合層の上方に延在する電気絶縁非圧電複合層であって、前記圧電複合層および前記サンプルに音響的に整合された、電気絶縁非圧電複合層と、
前記圧電複合層と電気的に通信する1つまたは複数の電極と
を備える、超音波トランスデューサ。 - 前記電気絶縁非圧電複合層は、第2のポリママトリクスと接触する高音響インピーダンス電気絶縁材料領域を備え、前記第2のポリママトリクスは、高密度電気絶縁粉末で充填される、請求項63に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記電気絶縁非圧電複合層は、第2のポリママトリクスと接触する電気絶縁セラミック領域を備え、前記第2のポリママトリクスは、高密度電気絶縁セラミック粉末で充填される、請求項63に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記電気絶縁非圧電複合層は、第2のポリママトリクスと接触する電気絶縁ガラス領域を備え、前記第2のポリママトリクスは、高密度電気絶縁セラミック粉末で充填される、請求項63に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記電気絶縁非圧電複合層は、1 3構成である、請求項63から66のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記電気絶縁非圧電複合層は、2 2構成である、請求項63から66のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記圧電複合層は、前記サンプルに向かうプロービング音響信号を生成するように構成され、
前記1つまたは複数の電極は、プロービング電気信号を前記圧電複合層に送信し、それによって、前記プロービング音響信号を生成するように動作可能である、請求項63から68のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。 - 前記圧電複合層は、前記サンプルから発するサンプル音響信号を受信し、それによって、前記1つまたは複数の電極に向かうサンプル電気信号を生成するように構成され、前記サンプル電気信号は、前記サンプル音響信号を表す、請求項63から69のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記ポリママトリクスは、エポキシから作られる、請求項63から70のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記非圧電材料は、酸化ハフニウム粉末である、請求項63から71のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 隣接する離間された圧電領域間に配置された1つまたは複数の電気絶縁領域をさらに備え、前記1つまたは複数の電気絶縁領域は、前記フィラ材料と接触する、請求項63から72のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記1つまたは複数の電気絶縁領域は、第4の音響インピーダンスおよび第4の比誘電率を有し、前記第4の音響インピーダンスは、前記第1の音響インピーダンスに近く、前記第4の比誘電率は、前記第1の比誘電率よりも小さい、請求項73に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記1つまたは複数の電気絶縁領域は、セラミックから作られる、請求項73または74に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記1つまたは複数の電気絶縁領域は、ガラスから作られる、請求項73または74に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記1つまたは複数の電気絶縁領域は、細長形状を有する、請求項73から76のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記1つまたは複数の電気絶縁領域は、バー形状の電気絶縁領域を画定する、請求項73から76のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記1つまたは複数の電気絶縁領域は、ピラー形状の電気絶縁領域を画定する、請求項73から76のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記1つまたは複数の電気絶縁領域は、球形状である、請求項73から76のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記非圧電材料は、前記ポリママトリクス内に埋め込まれる、請求項63から80のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記圧電材料は、1つの方向に沿って連続し、
前記フィラ材料は、3つの方向に沿って連続している、請求項63から81のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。 - 前記圧電材料は、2つの方向に沿って連続し、
前記フィラ材料は、2つの方向に沿って連続している、請求項63から81のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。 - 前記圧電材料は、強誘電体材料、単結晶強誘電体材料、鉛フリー強誘電体材料、および圧電高分子材料からなる群から選択される、請求項63から83のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記圧電材料は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)である、請求項84に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記音響インピーダンス特性は、約15MRから約30MRの範囲である、請求項63から85のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記第1の音響インピーダンスは、約30MRから約40MRの範囲である、請求項63から86のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記第3の音響インピーダンスは、約7MRから約8MRの範囲である、請求項63から87のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記圧電複合層は、前記サンプルと音響的に整合され、前記サンプルから電気的に絶縁される、請求項63から88のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記1つまたは複数の電極と電気的に通信するバッキング層をさらに備える、請求項63から89のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記バッキング層は、不整合層である、請求項90に記載の超音波トランスデューサ。
- 接地電極をさらに備える、請求項63から91のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記接地電極は、ヒートスプレッダとして構成される、請求項92に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記圧電複合層および前記サンプルは、音響経路を間に画定し、前記超音波トランスデューサは、前記圧電複合層と前記サンプルとの間に、前記音響経路に沿って配置されたほぼ無損失の音響整合層をさらに備える、請求項63から93のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 摩耗層をさらに備え、前記摩耗層は、前記圧電複合層と音響的に整合される、請求項63から94のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記圧電複合層は、ほぼ2400ミクロンの厚さを有する、請求項63から95のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 離間された各圧電領域は、互いに200ミクロン間隔で配置され、正方形の断面を有し、前記正方形の断面は、1000ミクロン×1000ミクロンである、請求項63から96のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記圧電複合層は、約70%から約80%の範囲の圧電体積分率を有する、請求項63から97のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
- 前記圧電複合層を中に含めるための電気絶縁ハウジングをさらに備える、請求項63から98のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
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