超音波トランスジューサ用の熱伝達及び音響整合層
【課題】超音波トランスジューサの熱特性を向上させる。
【解決手段】金属の第１の整合層（２０６、３０５、４０１、５０１）は３０Ｗ／ｍＫを超える熱伝導率を有し、第２の整合層（２０５、３０４）は０．５〜３００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する。第１の整合層（２０６、３０５、４０１、５０１）は１０〜２０ＭＲａｙｌの音響インピーダンスを有し、第２の整合層（２０５、３０４）はこれより低い音響インピーダンスを有する。第１の整合層（２０６、３０５、４０１、５０１）は第２の整合層（２０５、３０４）より薄く、超音波トランスジューサ（２００、３００、４００、５００）は、レンズ（１０２）と、圧電素子（１０８、３０８）とレンズ（１０２）の間に配置させ圧電素子（１０８、３０８）からバッキング（１１０、３１０）まで熱を伝導する整合層（２０６、３０５、４０１、５０１）を含む。
【解決手段】金属の第１の整合層（２０６、３０５、４０１、５０１）は３０Ｗ／ｍＫを超える熱伝導率を有し、第２の整合層（２０５、３０４）は０．５〜３００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する。第１の整合層（２０６、３０５、４０１、５０１）は１０〜２０ＭＲａｙｌの音響インピーダンスを有し、第２の整合層（２０５、３０４）はこれより低い音響インピーダンスを有する。第１の整合層（２０６、３０５、４０１、５０１）は第２の整合層（２０５、３０４）より薄く、超音波トランスジューサ（２００、３００、４００、５００）は、レンズ（１０２）と、圧電素子（１０８、３０８）とレンズ（１０２）の間に配置させ圧電素子（１０８、３０８）からバッキング（１１０、３１０）まで熱を伝導する整合層（２０６、３０５、４０１、５０１）を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本テクノロジーの実施形態は全般的には、改善された熱特性を提供するように構成された超音波トランスジューサに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１に示したように従来の超音波トランスジューサ１００は、レンズ１０２と、インピーダンス整合層１０４及び１０６と、圧電素子１０８と、バッキング１１０と、超音波システムへの接続のための電気的要素と、を含む様々な層から成ることがあり得る。
【０００３】
圧電素子１０８は、電気信号を標的に向けて送信される超音波に変換することが可能であり、さらにまた受信した超音波を電気信号に変換することが可能である。矢印１１２は、トランスジューサ１００から送信される超音波及びここで受信される超音波を表している。受信した超音波は標的の画像を作成するために超音波システムにより使用することが可能である。
【０００４】
トランスジューサ１００から出るエネルギーを増大させるために、圧電素子１０８とレンズ１０２の間にインピーダンス整合層１０４、１０６を配置させている。従来では、整合層１０４、１０６により圧電素子１０８とレンズ１０２を共振周波数における送信超音波の所望の波長の約１／４〜１／２の距離ｘだけ分離させる場合に最適なインピーダンス整合が実現されたと考えられていた。こうした構成によれば整合層１０４、１０６内部で反射された超音波をこれが整合層１０４、１０６を出るときに同位相に維持することが可能であるというのが従来の考えであった。
【０００５】
トランスジューサ１００から超音波を送信するとレンズ１０２が熱くなる可能性がある。しかし患者に接触させるトランスジューサには、患者の不快感を回避し規制温度限度を順守するために摂氏約４０度という最大表面温度がある。このためレンズ温度が、超音波送信電力及びトランスジューサ性能に関する限定要因の１つになる可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
周知の多くの温度管理技法は、レンズに向かう超音波エネルギーの反射を最小限にするためにトランスジューサの裏側に注目している。しかしながら、熱特性を向上させた改良型の超音波トランスジューサに対する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本テクノロジーの実施形態は全般的には、超音波トランスジューサ及び超音波トランスジューサの製作方法に関する。
【０００８】
一実施形態では例えば超音波トランスジューサは、バッキングと、該バッキングに取り付けられた圧電素子であって、電気信号を標的に向けて送信される超音波に変換するように構成されており、受信した超音波を電気信号に変換するように構成されている圧電素子と、該圧電素子に取り付けられた第１の整合層であって第１の音響インピーダンス及び概ね３０Ｗ／ｍＫを超える熱伝導率を有する第１の整合層と、該第１の整合層に取り付けられた第２の整合層であって第１の音響インピーダンスより低い第２の音響インピーダンスを有する第２の整合層と、を含むことが可能である。
【０００９】
一実施形態では例えば、第１の音響インピーダンスは約１０〜２０ＭＲａｙｌである。
【００１０】
一実施形態では例えば、第１の整合層は第１の厚さを有しており、かつ第２の整合層は第１の厚さより薄い第２の厚さを有している。
【００１１】
一実施形態では例えば、第２の整合層は約０．５〜３００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する。
【００１２】
一実施形態では例えば、超音波トランスジューサはさらに、第２の整合層に取り付けられた第３の整合層であって第２の音響インピーダンスより低い第３の音響インピーダンスを有する第３の整合層を含むことが可能である。
【００１３】
一実施形態では例えば、超音波トランスジューサはさらにレンズを含むことが可能であり、圧電素子と該レンズの間に第１及び第２の整合層を配置させており、かつ各整合層の厚さは共振周波数における送信超音波の所望の波長の約１／４未満である。
【００１４】
一実施形態では例えば、第１の整合層は金属から成る。
【００１５】
一実施形態では例えば、第１の整合層は、圧電素子の端部を越えてバッキングまで延びるように構成されたウィングであって、圧電素子からバッキングに熱を伝導するように構成されたウィングを含む。
【００１６】
一実施形態では例えば圧電素子は、それらと実質的に直交するようにウィングを配置させた複数のカットを含む。
【００１７】
一実施形態では例えば圧電素子は、それらと実質的に平行にウィングを配置させた複数のカットを含む。
【００１８】
一実施形態では例えば、第１の整合層は圧電素子の端部を越えて延びるように構成された部分を含んでおり、該部分はバッキングまで延びるように構成された熱伝導性シートに接続されており、該部分と該シートは圧電素子からバッキングに熱を伝導するように構成されている。
【００１９】
一実施形態では例えば、バッキングと圧電素子と第１の整合層及び第２の整合層とがエポキシによって取り付けられている。
【００２０】
一実施形態では例えば、超音波トランスジューサを製作する方法は、バッキングを圧電素子に取り付けるステップであって、該圧電素子は電気信号を標的に向けて送信される超音波に変換するように構成されており、該圧電素子は受信した超音波を電気信号に変換するように構成されている取り付けステップと、圧電素子に対して第１の音響インピーダンス及び概ね３０Ｗ／ｍＫを超える熱伝導率を有する第１の整合層を取り付けるステップと、第１の整合層に対して第１の音響インピーダンスより低い第２の音響インピーダンスを有する第２の整合層を取り付けるステップと、を含むことが可能である。
【００２１】
一実施形態では例えば、超音波トランスジューサを製作する方法はさらに、圧電素子並びに第１及び第２の整合層内に複数のカットを製作するステップを含むことが可能である。
【００２２】
一実施形態では例えば、第１の整合層は圧電素子の端部を越えて延びるように構成されたウィングを含むと共に、本方法はさらに、ウィングの表面上に複数のノッチを切削するステップと、ウィングをノッチのところから折り曲げるステップであって、該ウィングが圧電素子の端部を越えてバッキングまで延び、ウィングが圧電素子からバッキングに熱を伝導するように構成されるようにする折り曲げステップと、を含むことが可能である。
【００２３】
一実施形態では例えば、第１の整合層は圧電素子の端部を越えて延びるように構成された部分を含むと共に、本方法はさらに、該部分をバッキングまで延びるように構成された熱伝導性シートに接続させるステップであって、該部分及び該シートは圧電素子からバッキングに熱を伝導するように構成されている接続ステップを含むことが可能である。
【００２４】
一実施形態では例えば、バッキングと圧電素子と第１の整合層及び第２の整合層とがエポキシを用いて取り付けられている。
【００２５】
一実施形態では例えば、超音波トランスジューサは、バッキングと、該バッキングに取り付けられた圧電素子であって、電気信号を標的に向けて送信される超音波に変換するように構成されており、受信した超音波を電気信号に変換するように構成されている圧電素子と、レンズと、圧電素子とレンズの間に配置させて圧電素子からバッキングに熱を伝導するように構成された整合層と、を含むことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来技術の超音波トランスジューサの層の断面を表した図である。
【図２Ａ】本テクノロジーの実施形態に従って使用される超音波トランスジューサの層の断面を表した図である。
【図２Ｂ】本テクノロジーの実施形態に従って使用される超音波トランスジューサに関する整合層特性の表である。
【図３】本テクノロジーの実施形態に従って使用される超音波トランスジューサの層の断面を表した図である。
【図４】本テクノロジーの実施形態に従って使用される超音波トランスジューサの層の断面を表した図である。
【図５】本テクノロジーの実施形態に従って使用される超音波トランスジューサの層の断面を表した図である。
【図６】本テクノロジーの実施形態に従って使用される超音波トランスジューサの層の斜視図である。
【図７】本テクノロジーの実施形態に従って使用される超音波トランスジューサに関するコンピュータシミュレーション結果を表した図である。
【図８】従来のトランスジューサと本テクノロジーの一実施形態に従って構築したトランスジューサとに関してレンズ表面の位置の温度計測の実験結果を表したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
上述した要約、並びにある種の実施形態に関する以下の詳細な説明は、添付の図面と共に読むことによってさらに十分な理解が得られよう。本発明の例証を目的として、図面ではある特定の実施形態を示している。しかし本発明は、添付の図面に示した配置や手段に限定するものではないことを理解すべきである。
【００２８】
本テクノロジーの実施形態は全般的には、改善された熱特性を提供するように構成された超音波トランスジューサに関する。図面では、同じ構成要素を同じ識別子を用いて特定している。
【００２９】
図１は、従来技術の超音波トランスジューサ１００の層の断面を表している。トランスジューサ１００をバックグラウンドで記述しており、これにはレンズ１０２と圧電素子１０８の間に配置させた２つの整合層１０４、１０６を含んでいる。整合層１０４、１０６は、レンズ１０２と圧電素子１０８の間に合成距離ｘを提供しており、この距離ｘは共振周波数における送信超音波の所望の波長の約１／４〜１／２である。
【００３０】
図２Ａは、本テクノロジーの実施形態に従って使用される超音波トランスジューサ２００の層の断面を表している。トランスジューサ２００は、レンズ１０２と、インピーダンス整合層２０３〜２０６と、圧電素子１０８と、バッキング１１０と、超音波システムに接続するための電気的要素と、を含む。バッキング１１０はヒートシンク及び温度管理を含む。ある種の実施形態では整合層２０３〜２０６、圧電素子１０８及びレンズ１０２を、例えば型押し及び／またはプレス機械により提供される圧力下において硬化するエポキシまたは接着材料を用いて一体に結合させることが可能である。
【００３１】
従来の超音波トランスジューサの場合と同様に圧電素子１０８は、電気信号を標的に向けて送信される超音波に変換することが可能であり、さらにまた受信した超音波を電気信号に変換することが可能である。矢印１１２は、トランスジューサ２００から送信される超音波及びここで受信される超音波を表している。受信した超音波は、標的の画像を作成するために超音波システムにより使用することが可能である。
【００３２】
トランスジューサ１００から出るエネルギーを増大させるために、圧電素子１０８とレンズ１０２の間にインピーダンス整合層２０３〜２０６を配置させている。整合層２０３〜２０６は、圧電素子１０８とレンズ１０２を（共振周波数における送信超音波の所望の波長の約１／４〜１／２の距離である）距離ｘと比べて短くすることも長くすることも可能であるような距離ｙだけ分離している。
【００３３】
図１に示したように、従来のトランスジューサは２つの整合層１０４、１０６を含むのが一般的である。こうした整合層は一般に、エポキシ及び充填材を備える。圧電素子の近傍に比較的高い音響インピーダンス及び比較的高い熱伝導率を有する整合層を含めることによって熱特性及び／または音響特性を改善することが可能となることが知られている。本明細書に示した実施形態は、３層または４層の整合層を有する発明考案のトランスジューサを表している。しかしながら実施形態によっては含める整合層を２層だけとすることや、４層を超えるようにする（例えば、整合層を５層や６層とする）ことが可能である。
【００３４】
図２Ｂは、発明考案の超音波トランスジューサの実施形態に関する整合層２０３〜２０６の特性の表である。圧電素子１０８と整合層２０５の間に配置させた整合層２０６は、音響インピーダンスが約１０〜２０ＭＲａｙｌかつ熱伝導率が約３０Ｗ／ｍＫを超える材料から成ることが可能である。整合層２０６は約０．２２λ未満（ここでλは共振周波数における送信超音波の所望の波長）の厚さを有することが可能である。ある種の実施形態では整合層２０６は、例えば銅、銅合金、その内部にグラファイトパターンが埋め込まれた銅、マグネシウム、マグネシウム合金、シリコンなどの半導体材料、アルミニウム（面状または棒状）及び／またはアルミニウム合金といった金属（複数のこともある）から成ることが可能である。金属は、超音波が層中をより大きい速度で伝播し、これにより所望の音響特性の達成により薄い整合層で済むような比較的高い音響インピーダンスを有することが可能である。
【００３５】
整合層２０６と整合層２０４の間に配置させた整合層２０５は、音響インピーダンスが約５〜１５ＭＲａｙｌでありかつ熱伝導率が約１〜３００Ｗ／ｍＫの材料から成ることが可能である。整合層２０５は約０．２５λ未満の厚さを有することが可能である。ある種の実施形態では整合層２０５は、例えば銅、銅合金、その内部にグラファイトパターンが埋め込まれた銅、マグネシウム、マグネシウム合金、アルミニウム（面状または棒状）、アルミニウム合金、充填型エポキシ、ガラスセラミック、複合セラミック、及び／またはｍａｃｏｒといった金属（複数のこともある）から成ることが可能である。
【００３６】
整合層２０５と整合層２０３の間に配置させた整合層２０４は、音響インピーダンスが約２〜８ＭＲａｙｌでありかつ熱伝導率が約０．５〜５０Ｗ／ｍＫの材料から成ることが可能である。整合層２０４は約０．２５λ未満の厚さを有することが可能である。ある種の実施形態では整合層２０４は、例えばシリカ充填材などの充填材を伴ったエポキシといった非金属から成ることが可能である。ある種の実施形態では整合層２０４は、例えばグラファイトタイプの材料から成ることが可能である。充填材を伴ったエポキシなどの非金属は、超音波が層中をより低い速度で伝播しこれにより所望の音響特性の達成により薄い整合層で済むような比較的低い音響インピーダンスを有することが可能である。
【００３７】
整合層２０４とレンズ１０２の間に配置させた整合層２０３は、音響インピーダンスが約１．５〜３ＭＲａｙｌでありかつ熱伝導率が約０．５〜５０Ｗ／ｍＫの材料から成ることが可能である。整合層２０３は約０．２５λ未満の厚さを有することが可能である。ある種の実施形態では整合層２０３は、例えばシリカ充填材などの充填材を伴ったプラスチック及び／またはエポキシといった非金属から成ることが可能である。
【００３８】
一実施形態では整合層２０３〜２０６の音響インピーダンスは、整合層２０３〜２０６の圧電素子１０８からの距離が増大するに連れて低下する。すなわち整合層２０６は整合層２０５と比べてより高い音響インピーダンスを有することが可能であり、整合層２０５は整合層２０４と比べてより高い音響インピーダンスを有することが可能であり、かつ整合層２０４は整合層２０３と比べてより高い音響インピーダンスを有することが可能である。この方式により音響インピーダンスを低下させた３つ以上の整合層を提供することによれば例えば感度の上昇及び／または境界バンド幅の増大など音響特性を改善することが可能となることが知られている。こうした音響特性の改善によって、例えば人体などの標的内の構造の検出を向上させることが可能である。
【００３９】
一実施形態では整合層２０５、２０６の熱伝導率は整合層２０３、２０４の熱伝導率と比べてより大きい。圧電素子１０８の近傍に熱伝導率が比較的高い整合層（例えば、整合層２０５及び／または２０６）を配置することによって熱特性の改善を提供可能であることが知られている。例えばこうした整合層は、圧電素子１０８が発生させた熱を例えば整合層２０３及び２０４など熱伝導率がより低い整合層と比べてより容易に放散させることが可能である。
【００４０】
図３は、本テクノロジーの実施形態に従って使用される超音波トランスジューサ３００の層の断面を表している。トランスジューサ３００は、第１のインピーダンス整合層３０３、第２のインピーダンス整合層３０４、第３のインピーダンス整合層３０５、圧電素子３０８及びバッキング３１０を含む。図示した層は、大カット３１２及び小カット３１４を含む。大カット３１２は、整合層３０３〜３０５を通過し、圧電素子３０８を通過し、さらにバッキング３１０内まで延びている。大カット３１２は、圧電素子３０８の各部の間に電気的分離を提供することが可能である。小カット３１４は、整合層３０３〜３０５を通過しかつ部分的に圧電素子３０８を通過して延びる。小カットは圧電素子３０８中を最後まで延びておらず、またバッキング３１０内まで延びていない。小カット３１４は、圧電素子３０８の各部の間に電気的分離を提供することが不可能である。小カット３１４は、例えば層の隣接する部分間の水平振動を減衰させることによって音響性能を向上させることが可能である。ある種の実施形態では、カット深度対カット幅比を約３０対１としたカットを設けることが可能である。ある種の実施形態では、カット深度を約１．２８２ミリメートルとした大カットを設けることが可能であり、かつカット深度を約１．０８５ミリメートルとした小カットを設けることが可能であり、この両方のタイプのカットは例えば約０．０４５ミリメートルのカット幅で設けられる。ある種の実施形態では、例えばカット幅を約０．０２〜０．０４５ミリメートルとしたカットを設けることが可能である。整合層２０３〜２０６の厚さを最小化すると、図３に示したようなトランスジューサ層のダイス切断（ｄｉｃｉｎｇ）が可能となることによって音響性能を向上させることが可能となることが知られている。さらに、整合層２０３〜２０６の厚さを最小化すると、カット深度対カット幅比を３０対１未満としたダイス切断を可能とし得ることが知られている。ダイス切断ノコを使用したダイス切断などの目下のダイス切断テクノロジーを用いるのでは、３０対１を越えるカット深度対カット幅比を得ることは困難である。例えばレーザーや別の周知の方法を用いてトランスジューサ層内にカットを製作することが可能である。
【００４１】
図４は、本テクノロジーの実施形態に従って使用される超音波トランスジューサ４００の層の断面を表している。トランスジューサ４００は、図２Ａに示したトランスジューサ２００と同様に構成させている。しかしトランスジューサ４００は、整合層２０６に代えて整合層４０１を含む。整合層４０１は圧電素子１０８と整合層２０５の間に配置されていると共に、図２Ａに示した整合層２０６と同じ材料及び厚さを備えることが可能である。整合層４０１は、圧電素子１０８の端部を越えてバッキング１１０まで延びるウィング４０２を含む。
【００４２】
ウィング４０２は、圧電素子１０８の端部を越えて延びるように整合層４０１を設けることによって形成することが可能である。整合層４０１の表面内には複数のノッチ４０３を設けることが可能であり、また整合層４０１のうち圧電素子１０８の端部を越えて延びる部分はノッチ４０３のところから圧電素子１０８及びバッキング１１０の方向に折り曲げ、これによりノッチ４０３が図４に示すような折り曲げの外側ひじ状屈曲の位置及び／またはその周りに配置させるようにしている。この折り曲げ操作は圧電素子１０８及びバッキング１１０の端部の周りにウィング４０２を設け終えたときに完成させることが可能である。
【００４３】
ウィング４０２は、圧電素子１０８からの熱をバッキング１１０の位置にあるヒートシンク及び／または温度管理に伝導するように構成されている。整合層４０１及びウィング４０２の熱伝導率は比較的高いため、トランスジューサ４００のバッキング１１０に向かいかつレンズ１０２から逃がすような所望の熱伝達を支援することが可能である。ウィング４０２はさらに、通常は圧電素子１０８とバッキング１１０の間に配置される柔軟な回路などの適当な接地回路に接続することによってトランスジューサ４００に関する接地を形成することが可能である。ウィング４０２はさらに、トランスジューサ４００に対する電気的遮蔽の役割もすることが可能である。
【００４４】
図５は、本テクノロジーの実施形態に従って使用される超音波トランスジューサ５００の層の断面を表している。トランスジューサ５００は、図２Ａに示したトランスジューサ２００と同様に構成されている。しかしトランスジューサ５００は整合層２０６に代えて整合層５０１を含む。整合層５０１は、圧電素子１０８と整合層２０５の間に配置されると共に、図２Ａに示した整合層２０６と同様の材料及び厚さを備えることが可能である。整合層５０１は、圧電素子１０８の端部を越えて延びている。例えば一実施形態では整合層５０１は、約１ミリメートル以下だけ圧電素子１０８の端部を越えて延びることが可能である。整合層５０１の延長部分には、圧電素子１０８の端部を覆ってバッキング１１０まで延びるシート５０２が取り付けることが可能である。シート５０２は熱伝導性エポキシを用いて整合層５０１に取り付けられている。シート５０２は例えば、比較的高い熱伝導率の材料（整合層５０１と同じ材料など）、グラファイト及び／または熱伝導性エポキシを含む。シート５０２は、圧電素子１０８からの熱をバッキング１１０の位置にあるヒートシンク及び／または温度管理に伝導するように構成されている。整合層５０１及びシート５０２の熱伝導率は比較的高いため、トランスジューサ５００のバッキング１１０に向かいかつレンズ１０２から逃がすような所望の熱伝達を支援することが可能である。
【００４５】
図６は、本テクノロジーの実施形態に従って使用される超音波トランスジューサ６００の斜視図を表している。トランスジューサ６００は、ウィング４０２を有するインピーダンス整合層４０１、圧電素子３０８及びバッキング３１０を含む。図６にはその他のインピーダンス整合層及びレンズは図示していない。図示した層は、アジマス方向（ａ）と実質的に直交しかつ上下方向（ｅ）と実質的に平行となった大カット３１２及び小カット３１４を含む。大カット３１２は、整合層を通過し、圧電素子３０８を通過し、さらにバッキング３１０内まで延びている。小カット３１４は、整合層を通過しかつ部分的に圧電素子３０８を通過して延びる。小カットは、圧電素子３０８中を最後まで延びておらず、またバッキング３１０内まで延びていない。ウィング４０２は、トランスジューサ６００の４つの面の周りに配置されており、また圧電素子３０８及びバッキング３１０の方向にウィング４０２を折り曲げると圧電素子３０８からの熱をバッキング１１０の位置にあるヒートシンク及び／または温度管理まで伝導させることが可能となる。別の実施形態ではウィング４０２は、トランスジューサの１つ、２つ、３つまたは４つの面の周りに設けることができる。例えばある種の実施形態ではウィング４０２は、ウィングがカット３１２及び３１４と実質的に直交して配置されるようにトランスジューサの相対する２つの面に沿ってだけ設けることがある。こうした実施形態では、ウィング４０２はアジマス方向（ａ）に沿って延びるが上下方向（ｅ）には延びていない。
【００４６】
図７は、本テクノロジーの実施形態に従って使用される超音波トランスジューサに関するコンピュータシミュレーション結果を表している。図７に示したのは、３つの整合層を有する３．５ＭＨｚの１次元線形アレイトランスジューサに関するシミュレーション研究の結果である。圧電素子の最も近くにある整合層（第１の整合層）は、音響インピーダンスが１３．９ＭＲａｙｌのアルミニウム棒から成る。第２の整合層は、音響インピーダンスが６．１２７ＭＲａｙｌの充填型エポキシから成る。第３の整合層は、音響インピーダンスが２．４９９ＭＲａｙｌの未規定の物質（プラスチック及び／または例えばシリカ充填材などの充填材を伴ったエポキシとすることが可能）から成る。音響インピーダンスをこのようにしたシミュレーションによれば、各層はそれぞれ０．２５４０ミリメートル（アルミニウム棒）、０．１４００ミリメートル（充填型エポキシ）、０．１１４５ミリメートル（未規定材料）の厚さとすることが可能であることが示された。コンピュータシミュレーションによって、内側の整合層から外側の整合層までの距離（図２に示したような整合層２０６から２０３までの距離ｙなど）を、共振周波数における送信超音波の所望の波長の約１／４の整合層厚さを有することが可能な図１に示したような従来のトランスジューサの整合層と比べてより薄くすることが可能である。こうしたシミュレーションは所望の特性を決定するために、例えばＫＬＭモデル、Ｍａｓｏｎモデル、及び／または有限要素シミュレーションを用いることがある。
【００４７】
シミュレーション研究は、所望の音響インピーダンス及び熱伝導率を有する整合層を厚さを最小にして設け、これにより切削操作をより効果的に実施可能とするような整合層特性の最適化のために使用することが可能である。
【００４８】
図８は、従来のトランスジューサと本テクノロジーの一実施形態に従って構築したトランスジューサとに関するレンズの表面位置での温度計測の実験結果を表したグラフ８００である。このグラフは、レンズ表面位置の温度対時間をプロットしたものである。従来のトランスジューサに関する温度計測を線８０２で示しており、本テクノロジーの一実施形態に従って構築したトランスジューサに関する温度計測を線８０４で示している。実験中にこの２つのトランスジューサは、同じ条件及び設定の下で超音波システムに接続させた。本テクノロジーの一実施形態に従って構築したトランスジューサは、従来のトランスジューサと比べて摂氏約３〜４度低いレンズ表面温度を４０分間にわたって維持した。
【００４９】
ある種の実施形態では本明細書に記載した技法を、１次元線形アレイトランスジューサ、２次元トランスジューサ及び／または環状アレイトランスジューサと連携して利用することが可能である。ある種の実施形態では本明細書に記載した技法を、任意の幾何学形状のトランスジューサと連携して利用することが可能である。
【００５０】
本明細書の技法の適用によって、音響特性及び／または熱特性の向上という技術的効果を提供することが可能である。例えばトランスジューサレンズから熱を逃がすことによって、より高いパワーレベルでトランスジューサを使用することが可能となり、これにより信号品質及び画質を向上させることが可能である。
【００５１】
本明細書に記載した本発明は、本明細書に記載したトランスジューサまでの展開だけではなく、こうしたトランスジューサの製作方法までも展開される。
【００５２】
本発明に関して実施形態を参照しながら記載してきたが、本発明の趣旨を逸脱することなく様々な変更が可能であると共に等価物による置換が可能であることは当業者であれば理解するであろう。さらに多くの修正形態により、本発明の趣旨を逸脱することなく具体的な状況や材料を本発明の教示に適応させることができる。したがって、開示した特定の実施形態に本発明を限定しようという意図ではなく、本発明は添付の特許請求の範囲の域内に入るすべての実施形態を包含するように意図している。
【符号の説明】
【００５３】
１００ 超音波トランスジューサ
１０２ レンズ
１０４ インピーダンス整合層
１０６ インピーダンス整合層
１０８ 圧電素子
１１０ バッキング
１１２ トランスジューサから送信される超音波及びここで受信される超音波
２００ 超音波トランスジューサ
２０３ インピーダンス整合層
２０４ インピーダンス整合層
２０５ インピーダンス整合層
２０６ インピーダンス整合層
３００ 超音波トランスジューサ
３０３ インピーダンス整合層
３０４ インピーダンス整合層
３０５ インピーダンス整合層
３０８ 圧電素子
３１０ バッキング
３１２ 大カット
３１４ 小カット
４００ 超音波トランスジューサ
４０１ インピーダンス整合層
４０２ ウィング
４０３ ノッチ
５００ 超音波トランスジューサ
５０１ インピーダンス整合層
５０２ シート
図２Ｂ 整合層の特性に関する表
図７ 超音波トランスジューサのコンピュータシミュレーション結果
図８ レンズ表面における温度計測に関する実験結果を表したグラフ
【技術分野】
【０００１】
本テクノロジーの実施形態は全般的には、改善された熱特性を提供するように構成された超音波トランスジューサに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１に示したように従来の超音波トランスジューサ１００は、レンズ１０２と、インピーダンス整合層１０４及び１０６と、圧電素子１０８と、バッキング１１０と、超音波システムへの接続のための電気的要素と、を含む様々な層から成ることがあり得る。
【０００３】
圧電素子１０８は、電気信号を標的に向けて送信される超音波に変換することが可能であり、さらにまた受信した超音波を電気信号に変換することが可能である。矢印１１２は、トランスジューサ１００から送信される超音波及びここで受信される超音波を表している。受信した超音波は標的の画像を作成するために超音波システムにより使用することが可能である。
【０００４】
トランスジューサ１００から出るエネルギーを増大させるために、圧電素子１０８とレンズ１０２の間にインピーダンス整合層１０４、１０６を配置させている。従来では、整合層１０４、１０６により圧電素子１０８とレンズ１０２を共振周波数における送信超音波の所望の波長の約１／４〜１／２の距離ｘだけ分離させる場合に最適なインピーダンス整合が実現されたと考えられていた。こうした構成によれば整合層１０４、１０６内部で反射された超音波をこれが整合層１０４、１０６を出るときに同位相に維持することが可能であるというのが従来の考えであった。
【０００５】
トランスジューサ１００から超音波を送信するとレンズ１０２が熱くなる可能性がある。しかし患者に接触させるトランスジューサには、患者の不快感を回避し規制温度限度を順守するために摂氏約４０度という最大表面温度がある。このためレンズ温度が、超音波送信電力及びトランスジューサ性能に関する限定要因の１つになる可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
周知の多くの温度管理技法は、レンズに向かう超音波エネルギーの反射を最小限にするためにトランスジューサの裏側に注目している。しかしながら、熱特性を向上させた改良型の超音波トランスジューサに対する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本テクノロジーの実施形態は全般的には、超音波トランスジューサ及び超音波トランスジューサの製作方法に関する。
【０００８】
一実施形態では例えば超音波トランスジューサは、バッキングと、該バッキングに取り付けられた圧電素子であって、電気信号を標的に向けて送信される超音波に変換するように構成されており、受信した超音波を電気信号に変換するように構成されている圧電素子と、該圧電素子に取り付けられた第１の整合層であって第１の音響インピーダンス及び概ね３０Ｗ／ｍＫを超える熱伝導率を有する第１の整合層と、該第１の整合層に取り付けられた第２の整合層であって第１の音響インピーダンスより低い第２の音響インピーダンスを有する第２の整合層と、を含むことが可能である。
【０００９】
一実施形態では例えば、第１の音響インピーダンスは約１０〜２０ＭＲａｙｌである。
【００１０】
一実施形態では例えば、第１の整合層は第１の厚さを有しており、かつ第２の整合層は第１の厚さより薄い第２の厚さを有している。
【００１１】
一実施形態では例えば、第２の整合層は約０．５〜３００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する。
【００１２】
一実施形態では例えば、超音波トランスジューサはさらに、第２の整合層に取り付けられた第３の整合層であって第２の音響インピーダンスより低い第３の音響インピーダンスを有する第３の整合層を含むことが可能である。
【００１３】
一実施形態では例えば、超音波トランスジューサはさらにレンズを含むことが可能であり、圧電素子と該レンズの間に第１及び第２の整合層を配置させており、かつ各整合層の厚さは共振周波数における送信超音波の所望の波長の約１／４未満である。
【００１４】
一実施形態では例えば、第１の整合層は金属から成る。
【００１５】
一実施形態では例えば、第１の整合層は、圧電素子の端部を越えてバッキングまで延びるように構成されたウィングであって、圧電素子からバッキングに熱を伝導するように構成されたウィングを含む。
【００１６】
一実施形態では例えば圧電素子は、それらと実質的に直交するようにウィングを配置させた複数のカットを含む。
【００１７】
一実施形態では例えば圧電素子は、それらと実質的に平行にウィングを配置させた複数のカットを含む。
【００１８】
一実施形態では例えば、第１の整合層は圧電素子の端部を越えて延びるように構成された部分を含んでおり、該部分はバッキングまで延びるように構成された熱伝導性シートに接続されており、該部分と該シートは圧電素子からバッキングに熱を伝導するように構成されている。
【００１９】
一実施形態では例えば、バッキングと圧電素子と第１の整合層及び第２の整合層とがエポキシによって取り付けられている。
【００２０】
一実施形態では例えば、超音波トランスジューサを製作する方法は、バッキングを圧電素子に取り付けるステップであって、該圧電素子は電気信号を標的に向けて送信される超音波に変換するように構成されており、該圧電素子は受信した超音波を電気信号に変換するように構成されている取り付けステップと、圧電素子に対して第１の音響インピーダンス及び概ね３０Ｗ／ｍＫを超える熱伝導率を有する第１の整合層を取り付けるステップと、第１の整合層に対して第１の音響インピーダンスより低い第２の音響インピーダンスを有する第２の整合層を取り付けるステップと、を含むことが可能である。
【００２１】
一実施形態では例えば、超音波トランスジューサを製作する方法はさらに、圧電素子並びに第１及び第２の整合層内に複数のカットを製作するステップを含むことが可能である。
【００２２】
一実施形態では例えば、第１の整合層は圧電素子の端部を越えて延びるように構成されたウィングを含むと共に、本方法はさらに、ウィングの表面上に複数のノッチを切削するステップと、ウィングをノッチのところから折り曲げるステップであって、該ウィングが圧電素子の端部を越えてバッキングまで延び、ウィングが圧電素子からバッキングに熱を伝導するように構成されるようにする折り曲げステップと、を含むことが可能である。
【００２３】
一実施形態では例えば、第１の整合層は圧電素子の端部を越えて延びるように構成された部分を含むと共に、本方法はさらに、該部分をバッキングまで延びるように構成された熱伝導性シートに接続させるステップであって、該部分及び該シートは圧電素子からバッキングに熱を伝導するように構成されている接続ステップを含むことが可能である。
【００２４】
一実施形態では例えば、バッキングと圧電素子と第１の整合層及び第２の整合層とがエポキシを用いて取り付けられている。
【００２５】
一実施形態では例えば、超音波トランスジューサは、バッキングと、該バッキングに取り付けられた圧電素子であって、電気信号を標的に向けて送信される超音波に変換するように構成されており、受信した超音波を電気信号に変換するように構成されている圧電素子と、レンズと、圧電素子とレンズの間に配置させて圧電素子からバッキングに熱を伝導するように構成された整合層と、を含むことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来技術の超音波トランスジューサの層の断面を表した図である。
【図２Ａ】本テクノロジーの実施形態に従って使用される超音波トランスジューサの層の断面を表した図である。
【図２Ｂ】本テクノロジーの実施形態に従って使用される超音波トランスジューサに関する整合層特性の表である。
【図３】本テクノロジーの実施形態に従って使用される超音波トランスジューサの層の断面を表した図である。
【図４】本テクノロジーの実施形態に従って使用される超音波トランスジューサの層の断面を表した図である。
【図５】本テクノロジーの実施形態に従って使用される超音波トランスジューサの層の断面を表した図である。
【図６】本テクノロジーの実施形態に従って使用される超音波トランスジューサの層の斜視図である。
【図７】本テクノロジーの実施形態に従って使用される超音波トランスジューサに関するコンピュータシミュレーション結果を表した図である。
【図８】従来のトランスジューサと本テクノロジーの一実施形態に従って構築したトランスジューサとに関してレンズ表面の位置の温度計測の実験結果を表したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
上述した要約、並びにある種の実施形態に関する以下の詳細な説明は、添付の図面と共に読むことによってさらに十分な理解が得られよう。本発明の例証を目的として、図面ではある特定の実施形態を示している。しかし本発明は、添付の図面に示した配置や手段に限定するものではないことを理解すべきである。
【００２８】
本テクノロジーの実施形態は全般的には、改善された熱特性を提供するように構成された超音波トランスジューサに関する。図面では、同じ構成要素を同じ識別子を用いて特定している。
【００２９】
図１は、従来技術の超音波トランスジューサ１００の層の断面を表している。トランスジューサ１００をバックグラウンドで記述しており、これにはレンズ１０２と圧電素子１０８の間に配置させた２つの整合層１０４、１０６を含んでいる。整合層１０４、１０６は、レンズ１０２と圧電素子１０８の間に合成距離ｘを提供しており、この距離ｘは共振周波数における送信超音波の所望の波長の約１／４〜１／２である。
【００３０】
図２Ａは、本テクノロジーの実施形態に従って使用される超音波トランスジューサ２００の層の断面を表している。トランスジューサ２００は、レンズ１０２と、インピーダンス整合層２０３〜２０６と、圧電素子１０８と、バッキング１１０と、超音波システムに接続するための電気的要素と、を含む。バッキング１１０はヒートシンク及び温度管理を含む。ある種の実施形態では整合層２０３〜２０６、圧電素子１０８及びレンズ１０２を、例えば型押し及び／またはプレス機械により提供される圧力下において硬化するエポキシまたは接着材料を用いて一体に結合させることが可能である。
【００３１】
従来の超音波トランスジューサの場合と同様に圧電素子１０８は、電気信号を標的に向けて送信される超音波に変換することが可能であり、さらにまた受信した超音波を電気信号に変換することが可能である。矢印１１２は、トランスジューサ２００から送信される超音波及びここで受信される超音波を表している。受信した超音波は、標的の画像を作成するために超音波システムにより使用することが可能である。
【００３２】
トランスジューサ１００から出るエネルギーを増大させるために、圧電素子１０８とレンズ１０２の間にインピーダンス整合層２０３〜２０６を配置させている。整合層２０３〜２０６は、圧電素子１０８とレンズ１０２を（共振周波数における送信超音波の所望の波長の約１／４〜１／２の距離である）距離ｘと比べて短くすることも長くすることも可能であるような距離ｙだけ分離している。
【００３３】
図１に示したように、従来のトランスジューサは２つの整合層１０４、１０６を含むのが一般的である。こうした整合層は一般に、エポキシ及び充填材を備える。圧電素子の近傍に比較的高い音響インピーダンス及び比較的高い熱伝導率を有する整合層を含めることによって熱特性及び／または音響特性を改善することが可能となることが知られている。本明細書に示した実施形態は、３層または４層の整合層を有する発明考案のトランスジューサを表している。しかしながら実施形態によっては含める整合層を２層だけとすることや、４層を超えるようにする（例えば、整合層を５層や６層とする）ことが可能である。
【００３４】
図２Ｂは、発明考案の超音波トランスジューサの実施形態に関する整合層２０３〜２０６の特性の表である。圧電素子１０８と整合層２０５の間に配置させた整合層２０６は、音響インピーダンスが約１０〜２０ＭＲａｙｌかつ熱伝導率が約３０Ｗ／ｍＫを超える材料から成ることが可能である。整合層２０６は約０．２２λ未満（ここでλは共振周波数における送信超音波の所望の波長）の厚さを有することが可能である。ある種の実施形態では整合層２０６は、例えば銅、銅合金、その内部にグラファイトパターンが埋め込まれた銅、マグネシウム、マグネシウム合金、シリコンなどの半導体材料、アルミニウム（面状または棒状）及び／またはアルミニウム合金といった金属（複数のこともある）から成ることが可能である。金属は、超音波が層中をより大きい速度で伝播し、これにより所望の音響特性の達成により薄い整合層で済むような比較的高い音響インピーダンスを有することが可能である。
【００３５】
整合層２０６と整合層２０４の間に配置させた整合層２０５は、音響インピーダンスが約５〜１５ＭＲａｙｌでありかつ熱伝導率が約１〜３００Ｗ／ｍＫの材料から成ることが可能である。整合層２０５は約０．２５λ未満の厚さを有することが可能である。ある種の実施形態では整合層２０５は、例えば銅、銅合金、その内部にグラファイトパターンが埋め込まれた銅、マグネシウム、マグネシウム合金、アルミニウム（面状または棒状）、アルミニウム合金、充填型エポキシ、ガラスセラミック、複合セラミック、及び／またはｍａｃｏｒといった金属（複数のこともある）から成ることが可能である。
【００３６】
整合層２０５と整合層２０３の間に配置させた整合層２０４は、音響インピーダンスが約２〜８ＭＲａｙｌでありかつ熱伝導率が約０．５〜５０Ｗ／ｍＫの材料から成ることが可能である。整合層２０４は約０．２５λ未満の厚さを有することが可能である。ある種の実施形態では整合層２０４は、例えばシリカ充填材などの充填材を伴ったエポキシといった非金属から成ることが可能である。ある種の実施形態では整合層２０４は、例えばグラファイトタイプの材料から成ることが可能である。充填材を伴ったエポキシなどの非金属は、超音波が層中をより低い速度で伝播しこれにより所望の音響特性の達成により薄い整合層で済むような比較的低い音響インピーダンスを有することが可能である。
【００３７】
整合層２０４とレンズ１０２の間に配置させた整合層２０３は、音響インピーダンスが約１．５〜３ＭＲａｙｌでありかつ熱伝導率が約０．５〜５０Ｗ／ｍＫの材料から成ることが可能である。整合層２０３は約０．２５λ未満の厚さを有することが可能である。ある種の実施形態では整合層２０３は、例えばシリカ充填材などの充填材を伴ったプラスチック及び／またはエポキシといった非金属から成ることが可能である。
【００３８】
一実施形態では整合層２０３〜２０６の音響インピーダンスは、整合層２０３〜２０６の圧電素子１０８からの距離が増大するに連れて低下する。すなわち整合層２０６は整合層２０５と比べてより高い音響インピーダンスを有することが可能であり、整合層２０５は整合層２０４と比べてより高い音響インピーダンスを有することが可能であり、かつ整合層２０４は整合層２０３と比べてより高い音響インピーダンスを有することが可能である。この方式により音響インピーダンスを低下させた３つ以上の整合層を提供することによれば例えば感度の上昇及び／または境界バンド幅の増大など音響特性を改善することが可能となることが知られている。こうした音響特性の改善によって、例えば人体などの標的内の構造の検出を向上させることが可能である。
【００３９】
一実施形態では整合層２０５、２０６の熱伝導率は整合層２０３、２０４の熱伝導率と比べてより大きい。圧電素子１０８の近傍に熱伝導率が比較的高い整合層（例えば、整合層２０５及び／または２０６）を配置することによって熱特性の改善を提供可能であることが知られている。例えばこうした整合層は、圧電素子１０８が発生させた熱を例えば整合層２０３及び２０４など熱伝導率がより低い整合層と比べてより容易に放散させることが可能である。
【００４０】
図３は、本テクノロジーの実施形態に従って使用される超音波トランスジューサ３００の層の断面を表している。トランスジューサ３００は、第１のインピーダンス整合層３０３、第２のインピーダンス整合層３０４、第３のインピーダンス整合層３０５、圧電素子３０８及びバッキング３１０を含む。図示した層は、大カット３１２及び小カット３１４を含む。大カット３１２は、整合層３０３〜３０５を通過し、圧電素子３０８を通過し、さらにバッキング３１０内まで延びている。大カット３１２は、圧電素子３０８の各部の間に電気的分離を提供することが可能である。小カット３１４は、整合層３０３〜３０５を通過しかつ部分的に圧電素子３０８を通過して延びる。小カットは圧電素子３０８中を最後まで延びておらず、またバッキング３１０内まで延びていない。小カット３１４は、圧電素子３０８の各部の間に電気的分離を提供することが不可能である。小カット３１４は、例えば層の隣接する部分間の水平振動を減衰させることによって音響性能を向上させることが可能である。ある種の実施形態では、カット深度対カット幅比を約３０対１としたカットを設けることが可能である。ある種の実施形態では、カット深度を約１．２８２ミリメートルとした大カットを設けることが可能であり、かつカット深度を約１．０８５ミリメートルとした小カットを設けることが可能であり、この両方のタイプのカットは例えば約０．０４５ミリメートルのカット幅で設けられる。ある種の実施形態では、例えばカット幅を約０．０２〜０．０４５ミリメートルとしたカットを設けることが可能である。整合層２０３〜２０６の厚さを最小化すると、図３に示したようなトランスジューサ層のダイス切断（ｄｉｃｉｎｇ）が可能となることによって音響性能を向上させることが可能となることが知られている。さらに、整合層２０３〜２０６の厚さを最小化すると、カット深度対カット幅比を３０対１未満としたダイス切断を可能とし得ることが知られている。ダイス切断ノコを使用したダイス切断などの目下のダイス切断テクノロジーを用いるのでは、３０対１を越えるカット深度対カット幅比を得ることは困難である。例えばレーザーや別の周知の方法を用いてトランスジューサ層内にカットを製作することが可能である。
【００４１】
図４は、本テクノロジーの実施形態に従って使用される超音波トランスジューサ４００の層の断面を表している。トランスジューサ４００は、図２Ａに示したトランスジューサ２００と同様に構成させている。しかしトランスジューサ４００は、整合層２０６に代えて整合層４０１を含む。整合層４０１は圧電素子１０８と整合層２０５の間に配置されていると共に、図２Ａに示した整合層２０６と同じ材料及び厚さを備えることが可能である。整合層４０１は、圧電素子１０８の端部を越えてバッキング１１０まで延びるウィング４０２を含む。
【００４２】
ウィング４０２は、圧電素子１０８の端部を越えて延びるように整合層４０１を設けることによって形成することが可能である。整合層４０１の表面内には複数のノッチ４０３を設けることが可能であり、また整合層４０１のうち圧電素子１０８の端部を越えて延びる部分はノッチ４０３のところから圧電素子１０８及びバッキング１１０の方向に折り曲げ、これによりノッチ４０３が図４に示すような折り曲げの外側ひじ状屈曲の位置及び／またはその周りに配置させるようにしている。この折り曲げ操作は圧電素子１０８及びバッキング１１０の端部の周りにウィング４０２を設け終えたときに完成させることが可能である。
【００４３】
ウィング４０２は、圧電素子１０８からの熱をバッキング１１０の位置にあるヒートシンク及び／または温度管理に伝導するように構成されている。整合層４０１及びウィング４０２の熱伝導率は比較的高いため、トランスジューサ４００のバッキング１１０に向かいかつレンズ１０２から逃がすような所望の熱伝達を支援することが可能である。ウィング４０２はさらに、通常は圧電素子１０８とバッキング１１０の間に配置される柔軟な回路などの適当な接地回路に接続することによってトランスジューサ４００に関する接地を形成することが可能である。ウィング４０２はさらに、トランスジューサ４００に対する電気的遮蔽の役割もすることが可能である。
【００４４】
図５は、本テクノロジーの実施形態に従って使用される超音波トランスジューサ５００の層の断面を表している。トランスジューサ５００は、図２Ａに示したトランスジューサ２００と同様に構成されている。しかしトランスジューサ５００は整合層２０６に代えて整合層５０１を含む。整合層５０１は、圧電素子１０８と整合層２０５の間に配置されると共に、図２Ａに示した整合層２０６と同様の材料及び厚さを備えることが可能である。整合層５０１は、圧電素子１０８の端部を越えて延びている。例えば一実施形態では整合層５０１は、約１ミリメートル以下だけ圧電素子１０８の端部を越えて延びることが可能である。整合層５０１の延長部分には、圧電素子１０８の端部を覆ってバッキング１１０まで延びるシート５０２が取り付けることが可能である。シート５０２は熱伝導性エポキシを用いて整合層５０１に取り付けられている。シート５０２は例えば、比較的高い熱伝導率の材料（整合層５０１と同じ材料など）、グラファイト及び／または熱伝導性エポキシを含む。シート５０２は、圧電素子１０８からの熱をバッキング１１０の位置にあるヒートシンク及び／または温度管理に伝導するように構成されている。整合層５０１及びシート５０２の熱伝導率は比較的高いため、トランスジューサ５００のバッキング１１０に向かいかつレンズ１０２から逃がすような所望の熱伝達を支援することが可能である。
【００４５】
図６は、本テクノロジーの実施形態に従って使用される超音波トランスジューサ６００の斜視図を表している。トランスジューサ６００は、ウィング４０２を有するインピーダンス整合層４０１、圧電素子３０８及びバッキング３１０を含む。図６にはその他のインピーダンス整合層及びレンズは図示していない。図示した層は、アジマス方向（ａ）と実質的に直交しかつ上下方向（ｅ）と実質的に平行となった大カット３１２及び小カット３１４を含む。大カット３１２は、整合層を通過し、圧電素子３０８を通過し、さらにバッキング３１０内まで延びている。小カット３１４は、整合層を通過しかつ部分的に圧電素子３０８を通過して延びる。小カットは、圧電素子３０８中を最後まで延びておらず、またバッキング３１０内まで延びていない。ウィング４０２は、トランスジューサ６００の４つの面の周りに配置されており、また圧電素子３０８及びバッキング３１０の方向にウィング４０２を折り曲げると圧電素子３０８からの熱をバッキング１１０の位置にあるヒートシンク及び／または温度管理まで伝導させることが可能となる。別の実施形態ではウィング４０２は、トランスジューサの１つ、２つ、３つまたは４つの面の周りに設けることができる。例えばある種の実施形態ではウィング４０２は、ウィングがカット３１２及び３１４と実質的に直交して配置されるようにトランスジューサの相対する２つの面に沿ってだけ設けることがある。こうした実施形態では、ウィング４０２はアジマス方向（ａ）に沿って延びるが上下方向（ｅ）には延びていない。
【００４６】
図７は、本テクノロジーの実施形態に従って使用される超音波トランスジューサに関するコンピュータシミュレーション結果を表している。図７に示したのは、３つの整合層を有する３．５ＭＨｚの１次元線形アレイトランスジューサに関するシミュレーション研究の結果である。圧電素子の最も近くにある整合層（第１の整合層）は、音響インピーダンスが１３．９ＭＲａｙｌのアルミニウム棒から成る。第２の整合層は、音響インピーダンスが６．１２７ＭＲａｙｌの充填型エポキシから成る。第３の整合層は、音響インピーダンスが２．４９９ＭＲａｙｌの未規定の物質（プラスチック及び／または例えばシリカ充填材などの充填材を伴ったエポキシとすることが可能）から成る。音響インピーダンスをこのようにしたシミュレーションによれば、各層はそれぞれ０．２５４０ミリメートル（アルミニウム棒）、０．１４００ミリメートル（充填型エポキシ）、０．１１４５ミリメートル（未規定材料）の厚さとすることが可能であることが示された。コンピュータシミュレーションによって、内側の整合層から外側の整合層までの距離（図２に示したような整合層２０６から２０３までの距離ｙなど）を、共振周波数における送信超音波の所望の波長の約１／４の整合層厚さを有することが可能な図１に示したような従来のトランスジューサの整合層と比べてより薄くすることが可能である。こうしたシミュレーションは所望の特性を決定するために、例えばＫＬＭモデル、Ｍａｓｏｎモデル、及び／または有限要素シミュレーションを用いることがある。
【００４７】
シミュレーション研究は、所望の音響インピーダンス及び熱伝導率を有する整合層を厚さを最小にして設け、これにより切削操作をより効果的に実施可能とするような整合層特性の最適化のために使用することが可能である。
【００４８】
図８は、従来のトランスジューサと本テクノロジーの一実施形態に従って構築したトランスジューサとに関するレンズの表面位置での温度計測の実験結果を表したグラフ８００である。このグラフは、レンズ表面位置の温度対時間をプロットしたものである。従来のトランスジューサに関する温度計測を線８０２で示しており、本テクノロジーの一実施形態に従って構築したトランスジューサに関する温度計測を線８０４で示している。実験中にこの２つのトランスジューサは、同じ条件及び設定の下で超音波システムに接続させた。本テクノロジーの一実施形態に従って構築したトランスジューサは、従来のトランスジューサと比べて摂氏約３〜４度低いレンズ表面温度を４０分間にわたって維持した。
【００４９】
ある種の実施形態では本明細書に記載した技法を、１次元線形アレイトランスジューサ、２次元トランスジューサ及び／または環状アレイトランスジューサと連携して利用することが可能である。ある種の実施形態では本明細書に記載した技法を、任意の幾何学形状のトランスジューサと連携して利用することが可能である。
【００５０】
本明細書の技法の適用によって、音響特性及び／または熱特性の向上という技術的効果を提供することが可能である。例えばトランスジューサレンズから熱を逃がすことによって、より高いパワーレベルでトランスジューサを使用することが可能となり、これにより信号品質及び画質を向上させることが可能である。
【００５１】
本明細書に記載した本発明は、本明細書に記載したトランスジューサまでの展開だけではなく、こうしたトランスジューサの製作方法までも展開される。
【００５２】
本発明に関して実施形態を参照しながら記載してきたが、本発明の趣旨を逸脱することなく様々な変更が可能であると共に等価物による置換が可能であることは当業者であれば理解するであろう。さらに多くの修正形態により、本発明の趣旨を逸脱することなく具体的な状況や材料を本発明の教示に適応させることができる。したがって、開示した特定の実施形態に本発明を限定しようという意図ではなく、本発明は添付の特許請求の範囲の域内に入るすべての実施形態を包含するように意図している。
【符号の説明】
【００５３】
１００ 超音波トランスジューサ
１０２ レンズ
１０４ インピーダンス整合層
１０６ インピーダンス整合層
１０８ 圧電素子
１１０ バッキング
１１２ トランスジューサから送信される超音波及びここで受信される超音波
２００ 超音波トランスジューサ
２０３ インピーダンス整合層
２０４ インピーダンス整合層
２０５ インピーダンス整合層
２０６ インピーダンス整合層
３００ 超音波トランスジューサ
３０３ インピーダンス整合層
３０４ インピーダンス整合層
３０５ インピーダンス整合層
３０８ 圧電素子
３１０ バッキング
３１２ 大カット
３１４ 小カット
４００ 超音波トランスジューサ
４０１ インピーダンス整合層
４０２ ウィング
４０３ ノッチ
５００ 超音波トランスジューサ
５０１ インピーダンス整合層
５０２ シート
図２Ｂ 整合層の特性に関する表
図７ 超音波トランスジューサのコンピュータシミュレーション結果
図８ レンズ表面における温度計測に関する実験結果を表したグラフ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッキング（１１０、３１０）と、
前記バッキング（１１０、３１０）に取り付けられた圧電素子（１０８、３０８）であって、電気信号を標的に向けて送信される超音波に変換するように構成されており、受信した超音波を電気信号に変換するように構成されている圧電素子（１０８、３０８）と、
前記圧電素子（１０８、３０８）に取り付けられた第１の整合層（２０６、３０５、４０１、５０１）であって、第１の音響インピーダンス及び概ね３０Ｗ／ｍＫを超える熱伝導率を有する第１の整合層（２０６、３０５、４０１、５０１）と、
前記第１の整合層（２０６、３０５、４０１、５０１）に取り付けられた第２の整合層（２０５、３０４）であって、前記第１の音響インピーダンスより低い第２の音響インピーダンスを有する第２の整合層（２０５、３０４）と、
を備える超音波トランスジューサ。
【請求項２】
前記第１の音響インピーダンスは約１０〜２０ＭＲａｙｌである、請求項１に記載の超音波トランスジューサ。
【請求項３】
前記第２の整合層（２０５、３０４）に取り付けられた第３の整合層（２０４、３０３）であって、前記第２の音響インピーダンスより低い第３の音響インピーダンスを有する第３の整合層（２０４、３０３）をさらに備える請求項１に記載の超音波トランスジューサ。
【請求項４】
前記第１の整合層（２０６、３０５、４０１、５０１）は、圧電素子（１０８、３０８）の端部を越えてバッキング（１１０、３１０）まで延びるように構成されたウィング（４０２）を含んでおり、該ウィング（４０２）は圧電素子（１０８、３０８）からバッキング（１１０、３１０）まで熱を伝導するように構成されている、請求項１に記載の超音波トランスジューサ。
【請求項５】
前記圧電素子（１０８、３０８）は、それらと実質的に平行にウィング（４０２）を配置させた複数のカット（３１２、３１４）を含む、請求項４に記載の超音波トランスジューサ。
【請求項６】
前記第１の整合層（２０６、３０５、４０１、５０１）は圧電素子（１０８、３０８）の端部を越えて延びるように構成された部分を含んでおり、該部分はバッキング（１１０、３１０）まで延びるように構成された熱伝導性シート（５０２）に接続されており、該部分と該シート（５０２）は圧電素子（１０８、３０８）からバッキング（１１０、３１０）まで熱を伝導するように構成されている、請求項１に記載の超音波トランスジューサ。
【請求項７】
超音波トランスジューサを製作する方法であって、
バッキング（１１０、３１０）を圧電素子（１０８、３０８）に取り付けるステップであって、該圧電素子（１０８、３０８）は電気信号を標的に向けて送信される超音波に変換するように構成されており、該圧電素子（１０８、３０８）は受信した超音波を電気信号に変換するように構成されている取り付けステップと、
前記圧電素子（１０８、３０８）に第１の整合層（２０６、３０５、４０１、５０１）を取り付けるステップであって、該第１の整合層（２０６、３０５、４０１、５０１）は第１の音響インピーダンス及び概ね３０Ｗ／ｍＫを超える熱伝導率を有する取り付けステップと、
前記第１の整合層（２０６、３０５、４０１、５０１）に第２の整合層（２０５、３０４）を取り付けるステップであって、該第２の整合層（２０５、３０４）は前記第１の音響インピーダンスより低い第２の音響インピーダンスを有する取り付けステップと、
を含む方法。
【請求項８】
前記第１の整合層（２０６、３０５、４０１、５０１）は圧電素子（１０８、３０８）の端部を越えて延びるように構成されたウィング（４０２）を含んでおり、該方法はさらに、
前記ウィング（４０２）の表面上に複数のノッチ（４０３）を切削するステップと、
前記ウィング（４０２）が圧電素子（１０８、３０８）の端部を越えてバッキング（１１０、３１０）まで延びるように該ウィング（４０２）をノッチ（４０３）のところから折り曲げるステップであって、該ウィング（４０２）は圧電素子（１０８、３０８）からバッキング（１１０、３１０）まで熱を伝導するように構成されている折り曲げステップと、
を含む請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記第１の整合層（２０６、３０５、４０１、５０１）は圧電素子（１０８、３０８）の端部を越えて延びるように構成された部分を含んでおり、該方法はさらに、
前記部分をバッキング（１１０、３１０）まで延びるように構成された熱伝導性シート（５０２）に接続するステップであって、該部分及び該シート（５０２）は圧電素子（１０８、３０８）からバッキング（１１０、３１０）まで熱を伝導するように構成されている接続ステップ、
を含む請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
バッキング（１１０、３１０）と、
前記バッキング（１１０、３１０）に取り付けられた圧電素子（１０８、３０８）であって、電気信号を標的に向けて送信される超音波に変換するように構成されており、受信した超音波を電気信号に変換するように構成されている圧電素子（１０８、３０８）と、
レンズ（１０２）と、
前記圧電素子（１０８、３０８）とレンズの間に配置させた整合層（２０６、３０５、４０１、５０１）であって、圧電素子（１０８、３０８）からバッキング（１１０、３１０）まで熱を伝導するように構成された整合層（２０６、３０５、４０１、５０１）と、
を備える超音波トランスジューサ。
【請求項１】
バッキング（１１０、３１０）と、
前記バッキング（１１０、３１０）に取り付けられた圧電素子（１０８、３０８）であって、電気信号を標的に向けて送信される超音波に変換するように構成されており、受信した超音波を電気信号に変換するように構成されている圧電素子（１０８、３０８）と、
前記圧電素子（１０８、３０８）に取り付けられた第１の整合層（２０６、３０５、４０１、５０１）であって、第１の音響インピーダンス及び概ね３０Ｗ／ｍＫを超える熱伝導率を有する第１の整合層（２０６、３０５、４０１、５０１）と、
前記第１の整合層（２０６、３０５、４０１、５０１）に取り付けられた第２の整合層（２０５、３０４）であって、前記第１の音響インピーダンスより低い第２の音響インピーダンスを有する第２の整合層（２０５、３０４）と、
を備える超音波トランスジューサ。
【請求項２】
前記第１の音響インピーダンスは約１０〜２０ＭＲａｙｌである、請求項１に記載の超音波トランスジューサ。
【請求項３】
前記第２の整合層（２０５、３０４）に取り付けられた第３の整合層（２０４、３０３）であって、前記第２の音響インピーダンスより低い第３の音響インピーダンスを有する第３の整合層（２０４、３０３）をさらに備える請求項１に記載の超音波トランスジューサ。
【請求項４】
前記第１の整合層（２０６、３０５、４０１、５０１）は、圧電素子（１０８、３０８）の端部を越えてバッキング（１１０、３１０）まで延びるように構成されたウィング（４０２）を含んでおり、該ウィング（４０２）は圧電素子（１０８、３０８）からバッキング（１１０、３１０）まで熱を伝導するように構成されている、請求項１に記載の超音波トランスジューサ。
【請求項５】
前記圧電素子（１０８、３０８）は、それらと実質的に平行にウィング（４０２）を配置させた複数のカット（３１２、３１４）を含む、請求項４に記載の超音波トランスジューサ。
【請求項６】
前記第１の整合層（２０６、３０５、４０１、５０１）は圧電素子（１０８、３０８）の端部を越えて延びるように構成された部分を含んでおり、該部分はバッキング（１１０、３１０）まで延びるように構成された熱伝導性シート（５０２）に接続されており、該部分と該シート（５０２）は圧電素子（１０８、３０８）からバッキング（１１０、３１０）まで熱を伝導するように構成されている、請求項１に記載の超音波トランスジューサ。
【請求項７】
超音波トランスジューサを製作する方法であって、
バッキング（１１０、３１０）を圧電素子（１０８、３０８）に取り付けるステップであって、該圧電素子（１０８、３０８）は電気信号を標的に向けて送信される超音波に変換するように構成されており、該圧電素子（１０８、３０８）は受信した超音波を電気信号に変換するように構成されている取り付けステップと、
前記圧電素子（１０８、３０８）に第１の整合層（２０６、３０５、４０１、５０１）を取り付けるステップであって、該第１の整合層（２０６、３０５、４０１、５０１）は第１の音響インピーダンス及び概ね３０Ｗ／ｍＫを超える熱伝導率を有する取り付けステップと、
前記第１の整合層（２０６、３０５、４０１、５０１）に第２の整合層（２０５、３０４）を取り付けるステップであって、該第２の整合層（２０５、３０４）は前記第１の音響インピーダンスより低い第２の音響インピーダンスを有する取り付けステップと、
を含む方法。
【請求項８】
前記第１の整合層（２０６、３０５、４０１、５０１）は圧電素子（１０８、３０８）の端部を越えて延びるように構成されたウィング（４０２）を含んでおり、該方法はさらに、
前記ウィング（４０２）の表面上に複数のノッチ（４０３）を切削するステップと、
前記ウィング（４０２）が圧電素子（１０８、３０８）の端部を越えてバッキング（１１０、３１０）まで延びるように該ウィング（４０２）をノッチ（４０３）のところから折り曲げるステップであって、該ウィング（４０２）は圧電素子（１０８、３０８）からバッキング（１１０、３１０）まで熱を伝導するように構成されている折り曲げステップと、
を含む請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記第１の整合層（２０６、３０５、４０１、５０１）は圧電素子（１０８、３０８）の端部を越えて延びるように構成された部分を含んでおり、該方法はさらに、
前記部分をバッキング（１１０、３１０）まで延びるように構成された熱伝導性シート（５０２）に接続するステップであって、該部分及び該シート（５０２）は圧電素子（１０８、３０８）からバッキング（１１０、３１０）まで熱を伝導するように構成されている接続ステップ、
を含む請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
バッキング（１１０、３１０）と、
前記バッキング（１１０、３１０）に取り付けられた圧電素子（１０８、３０８）であって、電気信号を標的に向けて送信される超音波に変換するように構成されており、受信した超音波を電気信号に変換するように構成されている圧電素子（１０８、３０８）と、
レンズ（１０２）と、
前記圧電素子（１０８、３０８）とレンズの間に配置させた整合層（２０６、３０５、４０１、５０１）であって、圧電素子（１０８、３０８）からバッキング（１１０、３１０）まで熱を伝導するように構成された整合層（２０６、３０５、４０１、５０１）と、
を備える超音波トランスジューサ。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１９５２０（Ｐ２０１２−１９５２０Ａ）
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５０５１７（Ｐ２０１１−１５０５１７）
【出願日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
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