JP6552644B2 - 金属性保護構造を有する超音波トランスデューサのためのインピーダンス整合層 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、超音波センサに関し、より詳細には、超音波トランスデューサ内で保護および音響インピーダンス整合を提供するシステムおよび方法に関する。

超音波トランスデューサ、特に産業の適用分野で使用されるものは、一般に、特定の最小限の安全要件および規格を満たさなければならない。そのような要件には、飛散粒子および不注意もしくは不慮の衝撃からの保護、接触する液体に対する耐腐食性、測定すべき液体を汚染しないための化学的不活性、静的もしくは動的な圧力変動に対する広い範囲の許容度、ならびに／または広い範囲の動作もしくは保管温度が含まれる。

超音波トランスデューサを保護するための現在の解決策には、金属性保護層などの保護層を追加することが含まれ、そのような保護層は概して、トランスデューサの圧電素子の前面に取り付けられる。これらの構造では、２つの位置で音波反射が生じる。第１の反射は、概して、保護層と接着層との間の境界で生じる。第２の反射はまた、保護層と放射媒体との間の境界で生じる。これらの反射が２つの別個の位置で生じる結果、急な共鳴ピーク、感度の低下、および受信信号のリンギング（ringing）が生じる。

さらに、超音波トランスデューサは、様々な形態の音響インピーダンス整合の解決策または音響インピーダンス変換器を利用することが多い。これらは、ポリマー材料および／または金属材料からなる単一または複数の層構造を含むことができる。特に、音響インピーダンス変換器は、所望の音響インピーダンス変換を提供するために、１つまたは複数の４分の１（１／４または「クオータ」）波長の厚さの層を利用することができる。さらに、音響インピーダンス変換器は、音響インピーダンス変換を達成するために、たとえば、それぞれ厚さが波長の３７分の１（１／３７）および１６分の１（１／１６）程度の比較的薄い金属層およびポリマー層を利用することができる。これらの変換器は、金属層の厚さが極めて小さいため、保護構造としての好適性を欠く。さらに、金属層およびポリマー層は、狙いを定めた特徴を有するインピーダンス変換器としてまとまって機能するように構成（たとえば、サイズ設定）されるため、保護を改善するために金属層の厚さを変えると、意図される性能の劣化につながるはずである。

好適な保護、化学的不活性、ならびに耐熱劣化性および／または耐疲労性を提供する改善された構造、ならびにトランスデューサの改善された感度および広帯域の動作が望まれている。

本開示の一実施形態では、超音波トランスデューサが提供される。トランスデューサは、圧電素子と、音響整合層と、前面の金属または保護層とを含む。音響整合層は、圧電素子の表面上に配置されており、トランスデューサの中心共鳴周波数の波長の少なくとも４分の１の厚さを有する。前面金属層は、圧電素子の表面とは反対側に位置する音響整合層の表面上に配置されており、中心共鳴周波数の波長の２分の１（１／２または「ハーフ」）にほぼ等しい厚さを有する。

本開示の別の実施形態による超音波トランスデューサは、圧電素子と、圧電素子の表面上に形成された音響整合層と、前面保護構造とを含む。音響整合層は、トランスデューサの所定の中心共鳴周波数の波長の少なくとも４分の１の厚さを含む。前面保護構造は、圧電素子の表面とは反対側に位置する音響整合層の表面上に形成されており、第１の金属層と、第２の金属層と、第１の金属層と第２の金属層との間に配置されたポリマー層とを含む。

本開示のさらなる実施形態は、超音波トランスデューサを形成する方法を含む。この方法は、圧電素子、整合層、および金属または保護層を提供するステップを含む。整合層は、圧電素子に結合されており、トランスデューサの所定の中心共鳴周波数の波長の少なくとも４分の１の厚さを有する。金属層は、圧電素子の表面とは反対側に位置する音響整合層の表面上に配置されており、所定の中心共鳴周波数の波長の２分の１に等しい厚さを有する。

本開示の一実施形態による整合層を介してトランスデューサに結合された前面保護層を有するトランスデューサの断面図である。 ２分の１波長の厚さのステンレス鋼層を含む前面保護層および様々な厚さの複数の整合層のシミュレーション結果を示す図である。 本開示の一実施形態による２分の１波長の厚さのステンレス鋼の保護層と整合層を画定する導電性エポキシとを有するトランスデューサについて水中の深さ１０センチメートル（ｃｍ）のターゲットから受信信号の実験結果を示す図である。 音波が伝搬するときの２分の１波長の厚さの保護材料層における応力の分布および変位を示す図である。 本開示の別の実施形態による２分の１波長の金属層に類似している応力および変位を有する金属−ポリマー−金属の構造を含む保護層を示す図である。 図４ｂの保護層を利用する超音波トランスデューサ構造を示す図である。 本開示の実施形態による金属−ポリマー−金属の保護層およびエポキシ整合層を含むトランスデューサについて水中の深さ１０ｃｍのターゲットから受信信号の実験結果を示す図である。

本開示の図および説明は、開示する主題の明確な理解にとって重要な要素を例示しながら、見やすくするために典型的な超音波トランスデューサに基づく測定システム内で見られる多くの他の要素を省くために簡略化されていることを理解されたい。しかし、そのような要素は当技術分野ではよく知られており、または主題のさらなる理解を容易にするものではないため、本明細書では、そのような要素に関する議論は提供しない。本明細書の開示は、当業者には知られているすべてのそのような変形形態および修正形態を対象とする。

以下の詳細な説明では、本発明を実施することができる実施形態を例として示す添付の図面を参照する。本発明の様々な実施形態は、異なっているが、必ずしも相互に排他的ではないことを理解されたい。さらに、一実施形態に関連して本明細書に記載する特定の特徴、構造、または、特性は、本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態でも実施することができる。加えて、開示する各実施形態における個々の要素の位置または配置は、本発明の範囲から逸脱することなく修正することができることを理解されたい。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味で解釈されるべきではなく、本発明の範囲は、適当に解釈された添付の特許請求の範囲と、特許請求の範囲に与えられる均等物の完全な範囲とによってのみ定義される。図面では、いくつかの図にわたって同様の数字は、同じまたは類似の機能を指す。

概して、トランスデューサの圧電素子の前面に保護層（たとえば、金属層）が配置され、この保護層が放射媒体に直接接触されるとき（たとえば、化学的不活性および清浄度のため）、保護層のインピーダンスは、トランスデューサまたは圧電層のインピーダンスより著しく高くなる。保護層を利用するトランスデューサの性能を最大にするため、好適な整合層を形成するための改善された設計原理が必要である。たとえば、２分の１波長の厚さの層はインピーダンスを変換しないため、最大の音波伝搬および共鳴を達成するために、２分の１波長の保護層（すなわち、金属層）を利用することができる。これらの２分の１波長の厚さの金属層は、圧電体に直接接着することができ、または薄い結合ゲルもしくはエポキシによって圧電体に接着することができる。この接着層の厚さを非常に薄くすると、結合効率が高くなり、それと同様に感度も上昇し、それによってトランスデューサの性能が高まる。

しかし、薄い接着層は、熱の問題を伴うことが多い。たとえば、ステンレス鋼の熱膨張係数は、典型的な圧電セラミック（ＰＺＴ）材料の熱膨張係数より約１桁大きい。したがって、幅広い温度変動／温度範囲に対して開かれた環境内で動作または保管されている間に、内部の歪み、疲労、または剥離のため、センサ特性の劣化が生じることがある。したがって、トランスデューサ層と保護層との間で利用される接着材料は、あらゆる熱膨張差を吸収するのに十分なほど厚くするべきであるが、トランスデューサ性能を最大にするようにサイズ設定する必要もある。

本開示の一実施形態は、圧電素子の前端に取り付けられた２分の１波長の厚さの保護金属層を利用する高感度で広帯域の超音波トランスデューサに関する。別の実施形態では、２分の１波長の金属層に対する代替として、金属−ポリマー−金属の構造を実施することができ、この金属−ポリマー−金属の構造は、帯域幅が著しく広いことを特徴とすることができる。保護層（または保護構造）と圧電素子との間には、整合層または結合層が設けられる。整合層は、好ましくは、信号帯域幅を増大させかつ接地への接続を形成する手段を提供するように構成された導電性エポキシ材料として実施される。

動作の際、超音波トランスデューサの圧電材料の振動は、整合層または結合層および保護層を通って伝送され、保護層の表面から付随する伝搬媒体（典型的には、液体）内で音波を励起する。伝送された音波は物体に反射され、次に同じトランスデューサによって受け取ることができる。受信信号を処理するための従来の回路も設けることができる。別の動作モードでは、励起された音波は、類似の構造および受信信号を処理するための回路を有する別の個別トランスデューサによって受け取られる。いずれの場合も、受信信号および／またはその信号の判定された伝搬時間に基づいて、媒体（たとえば、液体）の特定の物理特性を測定および分析することができる。加えて、受信信号および／またはその信号の判定された伝搬時間に基づいて、所与のトランスデューサまたは他の構造からの物体の距離を含む特定の物理特性を測定および分析することができる。

金属層を通る音波の伝送効率は、金属層が他の異種材料（たとえば、ポリマーまたは水）の間に配置されているとき、材料の境界における反射が強い結果、概して非常に低くなる。外側が放射媒体に接触する金属層の場合、金属層の厚さが２分の１波長に等しいとき、トランスデューサ側から見た金属層の機械インピーダンスは、外側の材料（たとえば、水または他の液体）の機械インピーダンスに等しくまたは実質的に等しくなる。等しいまたは実質的に等しいという用語は、損失のない金属の理想化された状態という文脈で理解することができるが、実際には、金属の非常にわずかな損失がわずかな差をもたらすことがある。しかしそのような差は、機械インピーダンスを判定する上で、無視できるほどである。したがって、外側が放射媒体に接触する金属層の場合、金属層の厚さが２分の１波長に等しいまたは実質的に等しいとき、トランスデューサ側から見た金属層の機械インピーダンスは、外側の材料（たとえば、水または他の液体）の機械インピーダンスに等しくまたは実質的に等しくなる。

伝送効率を改善し、トランスデューサの帯域幅を増大させるために、トランスデューサ材料と２分の１波長の厚さの保護金属層との間に整合層が挿入される。一実施形態では、整合層の設計は、（１）厚さが、波長の４分の１〜波長の１０分の４、言い換えれば波長の（１−１．７）×１／４であること、（２）インピーダンスが、トランスデューサ材料のインピーダンスと放射材料のインピーダンスとの間であること、（３）材料が、エポキシまたは粉末が添加されたエポキシまたは導電性エポキシなど、エポキシベースの材料または同様の材料であること、（４）導電性エポキシまたは同様の材料が、トランスデューサ電極と基準（接地）電位との間の電気接続として使用されること、（５）整合層として設計された弾性的に柔軟な導電性エポキシまたは同様の材料が、保護金属層とトランスデューサ層（たとえば、圧電セラミック材料層）との間の熱膨張差を吸収する適当な厚さを備えることを含む。帯域幅をさらに改善するために、２分の１波長の金属保護層は、金属−ポリマー−金属の構造に交換することができ、その一例は、それぞれ波長の約１／１７の厚さを有するステンレス鋼−ポリイミド−ステンレス鋼層と、波長の約１／２０の厚さを有するポリイミド層とを含む。整合層は、トランスデューサまたは圧電素子層と保護層との間に挿入されて、２分の１波長の保護金属層の設計より数倍広い帯域幅を提供する。

本開示の例示的な実施形態を次に詳細に参照する。それらの例は、添付の図面に示されている。図１は、前面保護金属層１０１を有する超音波トランスデューサ１００の構造を示す。一実施形態では、保護層１０１は、好ましくは３．２メガヘルツ（ＭＨｚ）〜３．３ＭＨｚでステンレス鋼材料の場合、２分の１波長の厚さ（たとえば、９００マイクロメートル（μｍ））になるように設計され、したがってステンレス鋼の厚さは、トランスデューサの設計された共鳴周波数に反比例する。設計される周波数は、厚さが圧電材料内の波長の２分の１に等しいという条件によって決定される。トランスデューサ側１０２から液体１０３の方を見た保護層１０１の機械インピーダンスは、２分の１波長の条件で、外側の媒体（すなわち、液体１０３）の機械インピーダンスに等しい。インピーダンス整合層または結合層１０４は、金属保護層のないトランスデューサ構造にとって好適なものと同様に構成することができる。
たとえば、整合層１０４の音響インピーダンスＺ_ｍは、トランスデューサ材料（たとえば、圧電材料）１０５の音響インピーダンスＺ_Ｐと液体１０３に対する音響インピーダンスＺ_Ｌとの間の値を含むことができる。整合層１０４の厚さは、約４分の１波長以上の値であり、保護層１０１とトランスデューサ材料１０５との間に位置決めされ、保護層１０１およびトランスデューサ材料１０５に接着される。整合層１０４は、好ましくは、トランスデューサの電極と基準電位（たとえば、接地）との間の接続として利用することができるように、導電性エポキシまたは金属粉末が添加されたポリマーを含む。しかし、ポリマーベースの材料を含む非導電性の整合層を使用し、１つまたは複数のワイヤを介して圧電層の電極から接地への接続を提供することも可能である。

トランスデューサ１００は、広い温度範囲にわたって動作するように構成することができ、保管温度も広い範囲に及ぶ。ステンレス鋼（または他の典型的な金属）の熱膨張が１５〜１７×１０^−６／℃であり、圧電セラミックがこの大きさの約１／１０を有するため、整合層１０４は、その結果生じる熱膨張差を吸収するのに十分なほど厚くするべきである。整合層１０４が、金属性保護層の２分の１波長設計から生じる比較的高い感度を得るように薄く設計されている場合、極端な温度で生じる内部の歪みが、少なくとも部分的に疲労、剥離、内部亀裂などの材料性能の変化のため、性能の劣化をもたらすはずである。したがって、整合層１０４は比較的柔軟または変形可能にするべきであるが、薄すぎてもいけない。

図２は、Ｍａｓｏｎモデルを使用したシミュレーション結果を示し、導電性エポキシの整合層の厚さの影響の詳細について説明している。例示的な保護層は、３．２〜３．３ＭＨｚのトランスデューサ動作周波数の２分の１波長の条件にある厚さ９００μｍのステンレス鋼を含む。縦軸は、水中のターゲットからの反射信号である受け取った電圧を表し、伝送モードおよび受信モードに対して同じトランスデューサを使うと仮定する。図示のように、受信信号は、３．２ＭＨｚで最大になる。整合層（たとえば、導電性エポキシ）の厚さが比較的薄い（たとえば、２５μｍ〜７５μｍ）場合、帯域幅はより狭くなる（Δｆ＝０．２ＭＨｚ、−６ｄＢポイント）。整合層をより厚くしたとき（たとえば、波長の４分の１（０．２５）〜波長の０．４（１４０μｍ〜２２５μｍ））、帯域幅はより広くなる（Δｆ＝０．３〜０．５ＭＨｚ）。整合層をさらに厚くすると（たとえば、２分の１波長（２８０μｍ））、帯域幅はより狭くなり、感度はより低くなる。したがって、このシミュレーションは、本開示の実施形態による整合層が、波長の約０．２５〜０．４の厚さを有するように構成されるべきであることを示す。

図３は、トランスデューサ帯域幅を広くする整合層の効果の実験観察を示す。図示のように、整合層が薄いとき（たとえば、２５μｍ）、観察された帯域幅は０．１３ＭＨｚである。厚さを１１０μｍに増大させると、帯域幅は０．２７ＭＨｚになる。整合層をさらに厚くすると（たとえば、２５０μｍを上回る）、その結果、帯域幅は再び狭くなり、受信信号はより弱くなる。例示的なトランスデューサ構造を、２３〜１５５℃の範囲の４０回の熱サイクルにかけて試験した。それらの結果は、熱サイクル後に性能にほとんど差がないことを示している。

その結果得られた２分の１波長の保護層４０１（たとえば、金属層）内の応力および変位の分布を図４ａに示す。音波が２分の１波長層４０１を通って伝搬するとき、２分の１波長の条件で、急なピークを有する強い共鳴が励起される。この共鳴条件において、応力分布４０３は、層４０１の中心でその最大を有し、変位４０４は、ゼロを中心として分散し、その方向は、左側および右側で反対である（層４０１の表面４０９が左に動くとき、層４０１の表面４０６は右に動く）。例示の目的で、波長層を３つの仮定の領域４０６、４０７、４０８にセグメント化または分割することによって、中央領域４０７には事実上振動がないが、領域４０６および４０８は逆方向に振動する。

図４ｂおよび図５を概して参照すると、本開示の別の実施形態では、前述の２分の１波長の金属保護層は、金属−ポリマー−金属の構造を含む多層構造に交換することができる。図示のように、金属層５０６、ポリマー層５０７、および金属層５０８を含む３つの層がともに接着されて（たとえば、圧着または粘着性のエポキシ接着層による）、単一の構造を形成する。この多層構造の基本原理は、中央のばねによって接合された２つの外側の質量に等しい。これは、両質量が位相外れで振動する共鳴システムであり、ばねは振動中に伸縮する。動作の際、金属層（質量）５０６および５０８は逆方向に動き、中央のポリマー層（ばね）５０７に応力をかける。このシステムは、応力および変位に関して図４ａに示す２分の１波長の金属層と同様に挙動する。
ポリマー材料は、金属よりはるかに低い弾性定数を有する（すなわち、柔軟である）ため、ポリマー層５０７は、同じまたは類似の共鳴周波数を得るために、比較的薄い層を含まなければならない。具体的には、本明細書に記載する金属−ポリマー−金属の３層設計は、所与の周波数に対して、前述の９００μｍの金属のみの層より著しく薄くなるように構成される。その結果、ポリマー層の弾性損失が大きくなるため、デバイスの共鳴帯域幅が広がる。システムの共鳴帯域幅は、ポリマー層内の弾性損失によって決定される。

単なる例として、例示的な実施形態の計算の際、外側のステンレス鋼層（実施形態では、均一の厚さの同じ金属として示す）は、波長の約０．０５７（すなわち、３．３ＭＨｚ設計の場合、１００μｍ）とするべきであり、内部のポリイミド層は、波長の０．０５３（すなわち、３．３ＭＨｚで３５μｍ、または２５μｍのポリイミドおよび接着のための両側の５μｍのエポキシ）の厚さを含む。したがって、３．２ＭＨｚ〜３．３ＭＨｚで厚さ９００μｍの金属層ステンレス鋼の単層設計は、全体的な厚さがわずか２３５μｍの層（すなわち、３５μｍのポリイミド層が、２つの厚さ１００μｍのステンレス鋼層間に挟まれる）からなるより薄い構造と交換することができる。より低い動作周波数（たとえば、１．０ＭＨｚ）では、これらの層の厚さがより厚くなるように設計するべきである。
たとえば、そのような例示的な実施形態では、外側のステンレス鋼層は、３３０μｍの厚さを含み、内部のポリイミド層は、１１５μｍ（または、１０５μｍのポリイミドおよび両側の５μｍのエポキシ）の厚さを含む。他の周波数の場合、この厚さは、反比例の関係で設計することができる。
図５は、金属層５０６、５０８と、金属層５０６、５０８間に配置されたポリマー層５０７とを含む図４ｂの保護構造を利用する超音波トランスデューサの例示的な構造を示す。この構造は、整合層１０４を介してトランスデューサ層（圧電セラミック）１０３上に配置される。上記では、２つの金属領域に対して同じ材料および同じ厚さが使用される設計の例を示している。しかし、２つの金属領域に対して類似の特徴の異なる金属を使用することもできる。さらに、この設計に応じて、２つの金属層の相対的な厚さを同じにする必要はない。
銅、真鍮、鉄、ニッケル、またはより容易に化学的に浸食される金属など、金属の内側層を使用することが可能であり、これは、層が内部に位置するために許容することができる。さらに、これらの金属材料の密度は、ステンレス鋼とそれほど変わりないが、材料の厚さは、最適の条件を達成するためにわずかに調整することができる。アルミニウム、チタン、タングステン、カドミウム、インジウムなど、いくつかの金属は、密度が低いため、特徴が類似していない（すなわち、ステンレス鋼に対して異種の金属である）ことに留意されたい。したがって、相対的な厚さの調整は可能であるが、本発明の実施形態では無意味であり、役に立たない。しかし、ステンレス鋼の特徴に類似の特徴を有する金属（たとえば、真鍮、銅、鉄、アルミニウム、ニッケル、金、これらの合金など）は、類似の厚さを有する内部層として使用することができる。
ステンレス鋼およびポリイミド以外の材料が使用されるときのより厳密な材料選択の指針には、金属の厚さをその密度に反比例して調整すること（すなわち、同じ重量を達成するために、より軽い金属はより厚くするべきである）、およびポリマーの厚さをその弾性剛性に比例して調整すること（すなわち、同じばね作用を達成するために、より柔軟な材料は概してより薄くするべきである）が含まれる。

同様に、エポキシ、ＰＶＤＦ、ナイロン、延伸ポリエステル、ポリスチレン膜など、図４ｂに示すポリマー層５０７に十分に類似している材料を利用することができる。対照的に、ポリマー層５０７に類似していない異種材料には、それだけに限定されるものではないが、ゴムまたはラテックス、ポリアセテート、ポリウレタンなどが含まれ、これらを利用することはできない。

図６は、１００μｍのステンレス鋼層、２５μｍのポリイミド層（両表面に５μｍのエポキシ接着）、および保護構造として使用される１００μｍのステンレス鋼層の実験結果を示し、様々な厚さの導電性エポキシが、整合層として使用される。図３および図５の実験で使用される整合層材料は、低い弾性定数を有する導電性エポキシを含んだ。その導電性のため、整合層は、有利には、図３および図５のトランスデューサの接地電極への接続として使用される。

したがって、金属性保護層とトランスデューサ層との間にインピーダンス整合層が挿入されるトランスデューサ構造および機能のシステム、デバイス、および方法が、本明細書に開示される。整合層の厚さは、材料内の波長の０．２５〜０．４の範囲内である。整合層の音響インピーダンスは、放射媒体の音響インピーダンスとトランスデューサ材料の音響インピーダンスとの間である。加えて、
（１）本開示の実施形態では、保護層は、２分の１波長の厚さの金属層とするべきである。
（２）本開示の実施形態では、整合層の材料は、エポキシ、導電性エポキシ、ポリマー−粉末の混合物、または他の類似の材料から選択することができる。
（３）本開示の実施形態では、保護層の代替構造は金属−ポリマー−金属であり、本明細書に上述した２分の１波長の厚さの金属層に比べて低減された厚さを有する。この３層構造の一実施形態では、各ステンレス鋼層は、波長の０．０５７の厚さを有し、ポリイミド層は、波長の０．０５３の厚さを有し、整合層は、トランスデューサ材料と保護層との間に挿入される。分数による波長の表現は、類似の材料の異なる周波数に対して使用することができるが、異種材料には使用することができないことを理解されたい。この整合層の厚さは、広帯域の性能を得るために、波長の０．２５〜０．４であり、音響インピーダンスは、トランスデューサ材料の音響インピーダンスと放射媒体の音響インピーダンスとの間である。
（４）整合層は、基準（接地）電位とトランスデューサの電極との間の接続として使用することができ、保護層は、基準（接地）電位に接続される。
（５）整合層材料は、比較的柔軟で曲げやすい。トランスデューサ材料と保護金属との間の熱膨張の差を吸収して、高温（たとえば、約８０℃以上）での性能の劣化（整合層の材料の剥離または疲労による）を回避するために、エポキシまたは導電性エポキシ、金属粉末とポリマーの混合物などの可撓性の材料を利用することができる。

上記では、本発明について前述の実施形態を参照して説明したが、本発明の精神から逸脱することなく、様々な追加の修正および変更を加えることができる。したがって、すべてのそのような修正および変更は、添付の特許請求の範囲の範囲内であると見なされる。したがって、本明細書および図面は、限定的な意味ではなく例示的に解釈されるべきである。本明細書の一部を形成する添付の図面は、限定ではなく例示を目的として、主題を実施することができる特有の実施形態を示す。図示の実施形態は、当業者が本明細書に開示する教示を実施することが可能になるように、十分に詳細に説明されている。本開示の範囲から逸脱することなく、図示の実施形態から他の実施形態を利用および導出することができ、それにより構造上および論理上の置換えおよび変更を加えることができる。したがって、この詳細な説明は、限定的な意味で解釈されるべきではなく、様々な実施形態の範囲は、添付の特許請求の範囲と、そのような特許請求の範囲に与えられる均等物の完全な範囲とによってのみ定義される。

本発明の主題のそのような実施形態は、本明細書では、単に便宜上、個別および／または集合的に、「本発明」という用語によって参照するが、実際には２つ以上が開示されている場合、本出願の範囲をいかなる単一の発明または発明の概念にも自主的に限定することを意図するものではない。したがって、特有の実施形態について本明細書に図示および説明したが、図示の特有の実施形態を、同じ目的を達成するために計算された任意の配置に置き換えることもできることを理解されたい。本開示は、様々な実施形態の変形のあらゆる適合を包含することが意図される。上記の実施形態の組合せ、および本明細書に具体的に記載されていない他の実施形態は、上記の説明を読めば当業者には明らかである。

Claims (13)

1. 超音波トランスデューサであって、
   圧電素子と、
   前記圧電素子の表面上に直接配置されており、前記トランスデューサの中心共鳴周波数の波長の少なくとも４分の１の厚さを有する音響整合層と、
   前記中心共鳴周波数の前記波長の２分の１に等しい厚さを有する前面金属層と、を備え、
   前記前面金属層は、前記圧電素子の表面とは反対側に位置する前記音響整合層の表面上に配置されているとともに、
   前記音響整合層は、導電性エポキシ、または、金属粉末が添加されたポリマーを含み、かつ、
   前記音響整合層の前記厚さは、１４０μｍ〜２２５μｍである、
   超音波トランスデューサ。
2. 前記音響整合層の前記厚さは、前記中心共鳴周波数の前記波長の０．２５〜０．４である、
   請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
3. 前記前面金属層は、ステンレス鋼を含む、
   請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
4. 前記音響整合層は、導電性エポキシからなる、
   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。
5. 前記音響整合層は、基準電位に電気的に接続されている、
   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。
6. 前記トランスデューサの前記中心共鳴周波数は、約３．２〜３．３ＭＨｚであり、前記前面金属層の前記厚さは、約９００μｍである、
   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。
7. 前記音響整合層の音響インピーダンスは、放射媒体の音響インピーダンスと前記圧電素子の音響インピーダンスとの間である、
   請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
8. 前記前面金属層は、前記圧電素子および前記音響整合層を少なくとも部分的に取り囲んでいる、
   請求項１から７のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
9. 前記前面金属層は、前記圧電素子および前記音響整合層を収容するハウジングの少なくとも一部分を形成している、
   請求項８に記載の超音波トランスデューサ。
10. 超音波トランスデューサを形成する方法であって、
    圧電素子を提供するステップと、
    前記圧電素子に直接結合されており、前記トランスデューサの所定の中心共鳴周波数の波長の少なくとも４分の１の厚さを有する整合層を提供するステップと、
    前記所定の中心共鳴周波数の前記波長の２分の１に等しい厚さを有する金属層を提供するステップと、を含み、
    前記金属層は、前記圧電素子の表面とは反対側にある、前記整合層の表面上に位置しているとともに、
    前記整合層は、導電性エポキシ、または、金属粉末が添加されたポリマーを含み、かつ、
    前記整合層の前記厚さは、１４０μｍ〜２２５μｍである、
    超音波トランスデューサを形成する方法。
11. 前記整合層の前記厚さは、前記所定の中心共鳴周波数の前記波長の０．２５〜０．４である、
    請求項１０に記載の方法。
12. 前記金属層は、ステンレス鋼を含む、
    請求項１０または１１に記載の方法。
13. 前記金属層は、前記圧電素子および前記整合層を収容するハウジングの少なくとも一部分を形成している、
    請求項１０から１２のいずれか一項に記載の方法。
    

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