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
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Description
たとえば、整合層104の音響インピーダンスZm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ZPと液体103に対する音響インピーダンスZL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。
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。
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。
(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。
Claims (13)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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