JP2009517966A - 超音波トランスデューサ・モジュール - Google Patents

Abstract

超音波トランスデューサ・モジュールは、少なくとも１つのトランスミッタ層（１５）、少なくとも１つのレシーバ層（１１）および少なくとも１つの接地面（１２、１４）を含む。トランスミッタ層（１５）およびレシーバ層（１１）は多くの細長いトランスミッタおよびレシーバ電極（１６、１７）を含み、電極は各々の層内で並列に配置され、トランスミッタ層（１５）およびレシーバ層（１１）は並列であり、レシーバ層の電極（１６、１７）は、少なくとも１つのトランスミッタの電極とゼロより大きい角度を作成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波信号の送信および検出のための超音波トランスデューサ・モジュールに関する。

超音波トランスデューサは、医療、無破壊試験などの多くの用途において用いられる。

そのような多くの用途において、ある程度の位置的精度および信号ノイズ比率で超音波信号を送受信する必要性が存在する。生成が容易で、材料の費用が安く、したがって費用効率が高いトランスデューサの必要性もまた存在する。

ＵＳ ４ ４４８ ０７５は、トランスデューサ・プレートの１つの表面に配置される多くの細長い並列した駆動用線電極、および、トランスデューサ・プレートの反対側の表面に配置される複数の並列した接地線電極を利用する超音波スキャン装置を記載する。駆動用線電極および接地線電極は、超音波ビームを放射するおよび受信することができる個々のトランスデューサエレメントのマトリクスを効果的に形成するために交差する。超音波ビームの放射および受信は、駆動用電極を伝達状態および受信状態の間で切替えることによって、別々の作業において実行されなければならない。

ＵＳ ５ ２０９ １２６は、力が適用される接触面を有する変形可能な媒体を含み、適用された力に起因して変形する媒体の厚みの変化を測定するため、超音波信号の放射および受信を使用する力センサを記載する。センサは信号発生器および信号受信器の両方を含み、概して同時に超音波信号の生成および受信の両方が可能である。
米国特許 ＵＳ ４ ４４８ ０７５ 米国特許 ＵＳ ５ ２０９ １２６

本発明の目的は、小型で、単純かつ生成が容易であり、少ない数の接点を有する高い解像度を提供する超音波トランスデューサ・モジュールを提供することである。

本発明の目的は、特許請求の範囲の特徴によって達成される。

本発明の超音波トランスデューサ・モジュールは、少なくとも１つのトランスミッタ層、少なくとも１つのレシーバ層、および、接地面として作用する手段を含み、そこで、トランスミッタ層およびレシーバ層は多くの細長い電極を含み、電極は、各々の層内で並列に配置され、トランスミッタ層およびレシーバ層は並列であり、レシーバ層の電極は、少なくとも１つのトランスミッタ層の電極とゼロを超える角度を作成する。

トランスミッタ層は、超音波信号を生成するトランスデューサの信号生成層である。トランスミッタ層は、トランスデューサの大部分または全長で引伸する多くの細長いトランスミッタ電極を含む。電極は並列に配置される、すなわち、電極の縦方向は、各々の層内で並列である。この開示において「並列」という語が使用される場合、アイテムが完全にまたはほとんど並列であることを意味する。

最も単純な実施態様において、電極は矩形の形状である。電極は、しかしながら様々な幅で延長されるように他の適切な形状を有してもよい。そのような実施態様のより広い区分／部分は例えば、円形、六角形、四角形またはあらゆる他の適切な形状であってもよい。電極の異なる形状の選択によりトランスミッタ層からの異なる音響分布につながってもよく、電極の形状は特定の用途によって選択されてもよい。広い部分の適切な形状および分離距離を選択することによって、層の電極の密集が提供されてもよい、および／または、トランスデューサの能動素子の間でより少ない隙間が存在する。

電極は単一の片において一実施態様では設計され、各々の単一の電極は、信号生成手段に連結するための電気的な接続手段を含む。他の実施態様では、電極は、多くの電極部分を含んでもよく、各々の部分は、それ自体の電気的な接続手段を有している。

トランスミッタ層は、さらに圧電材を含む。この材料は、交互に外での印加電圧に露出させた場合音波を生成する。圧電材は、セラミック材料、結晶、ポリマーなどのあらゆる適切な種類であってもよい。ポリマー・ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）は、トランスデューサにおいて一般に使われる圧電材である。

トランスミッタ電極は、例えばリソグラフィでの刷り込みにより、圧電材の表面に直接提供されてもよい。本発明の好ましい実施態様において、少なくとも１つのトランスミッタ層および／またはレシーバ層の電極は、フレキシブル回路に提供される。フレキシブル回路はそれから、例えば接着剤により圧電材に連結／接着される。粘着層が使用される場合、電場の減少を最小化するため、それは好ましくはきわめて薄く（例えば０．５から５ミクロンのサイズ）適用される。層はまた好ましくは同質であり、あらゆる空気の空洞を含まない。

フレキシブル回路上の例は、カプトン（登録商標）膜でできている。フレキシブル回路は、電極がボード上に容易に生成され、ボードによく連結されるという利点を有する。プリント回路基板の柔軟性のため、製造の後に電極線を遮断するリスクは非常に減少される。フレキシブル回路の電極の連結部分は、ボードにおいて一体化されて生成されてもよく、アセンブリを単純化し、より脆くない連結点を作成する標準のコネクタとして提供されてもよい。連結は、また小さいサイズで作成されることができる。これは、フレキシブル回路を使用する場合、圧電材上へ直接電極に付ける場合に比べてより多い数の接続を提供することが可能であり、したがって、同じ領域上により多い数の電極、すなわちトランスデューサ上により高密度の電極が可能になることを意味する。電極が多くの電極部分を含む実施態様において、フレキシブルボードの端に面しない電極部分を連結するための内部導体を有するフレキシブル回路を端における接続手段に提供することが可能である。

フレキシブル回路は、誘電体ベースフィルム一方の側にエッチングされた伝導体パターン（通常銅の）を有する。ハンダマスクのような誘電体カバーまたはカバー層は、伝導体を保護し、構成要素配置領域を定義するために通常適用される。

本発明のための最高のトランスデューサ性能を提供するため、フレキシブル回路の使用は、例えばハンダマスクまたはカバー層の注文設計のような特別設計、または、フレキシブル回路の全部または一部のカバー層の除去を含んでもよい。

レシーバ層は、トランスデューサの信号受信層である。信号受信層は入って来る超音波波を感じ、これに従って電気的な信号を生成する。レシーバ層は、トランスデューサのほとんどまたは全長で引伸する多くの細長いレシーバ電極を含む。トランスミッタ層に関しては、レシーバ層の電極は、各々の層内で並列に配置される。レシーバ層内のレシーバ電極の形状および配置は、トランスミッタ電極に類似していて、トランスミッタ電極の説明もまたレシーバ電極にも有効である。

レシーバ電極は、単一の片において一実施態様で設計され、単一の電極の各々は、信号処理手段に連結するための電気的な接続手段を含む。他の実施態様では、電極は、多くの電極部分を含んでもよく、各々の部分は、それ自体の電気的な接続手段を有している。

レシーバ層はまた、トランスミッタ層に類似した圧電材を含む。超音波信号の音波に起因する変形を感じる場合、圧電材は電圧を生成する。この電圧信号は、トランスデューサからの所望の情報を得るために処理される。

レシーバ電極は、トランスミッタ電極のための上記と同じ方法で圧電材に直接提供されるまたはフレキシブル回路に提供されてもよい。一実施態様において、トランスミッタ電極およびレシーバ電極は、フレキシブル回路の各々の側面に提供される。この実施態様は、製造の間の電極の配列に関して都合が良く、上記したもののように純粋に矩形でない電極を整列配置する場合、特に有用である。

トランスミッタおよびレシーバ層は、共通の圧電材を有してもよい。

接地面として作用する手段は、トランスミッタおよびレシーバ層の各々の接地面であってもよい、または、いくつかのまたは全部のトランスミッタおよびレシーバ層は１つの共通の接地面を共有してもよい、または、トランスミッタおよびレシーバ層は、互いに接地面として作用してもよい。接地面として作用する手段は、接地した、または、あらゆる固定した電位の電気的な伝導材料である。一実施態様において、トランスミッタおよびレシーバ電極は、それ自体で接地面を構成してもよい。これは、トランスミッタ電極が作動中の場合、レシーバ電極を接地することによって提供されることができ、その逆も同じである。接地面は金属でできていてもよいが、合成物または伝導接着剤のような他の材料が、あらゆる所望の音響および電気性質を提供するために選ばれてもよい。接地面はまた、圧電材の１つの表面上にメタル層を適用することによって提供されてもよい。

一実施態様において、接地面はフレキシブル回路において含まれる。フレキシブル回路の各々の側面に配置されるトランスミッタおよびレシーバ電極の前述の実施態様において、フレキシブル回路は、トランスミッタおよびレシーバ電極から電気的に分離される接地面を含んでもよい。

トランスミッタ層およびレシーバ層は互いに上に配置され、各々の層のそれぞれの電極を含む平面は並列である。

トランスミッタ層およびレシーバ層の電極の縦の方向／軸は、それらが並列でないように互いに関して回転する。これは、トランスミッタ電極の縦軸およびレシーバ電極の縦軸間の角度はゼロではなく、したがって、共通の平面に対する電極の突起は交差する／重なることを意味する。このことは、順番に異なるトランスミッタおよびレシーバ電極を作動させることによって１つずつ読み込まれてもよい、以後「画素」と表される、多くの定義された交差ポイントを生じさせる。

トランスミッタ電極およびレシーバ電極間の角度は、一実施態様において９０°である。トランスミッタおよびレシーバ電極間のあらゆる他の角度は、トランスデューサ・モジュールのための特定の用途または要求次第で製造されてもよい。

本発明の超音波トランスデューサは、異なる構造を有する多くのトランスミッタおよびレシーバ層を含んでもよい。すべての層は、互いに上に積み重ねられた方法で配置される。

一実施態様において、トランスデューサ・モジュールは、多くのトランスミッタおよびレシーバ層の対を含み、レシーバ電極およびトランスミッタ電極の間の角度はすべての対でゼロより大きく、トランスミッタおよびレシーバ層の少なくとも２つの対の間で異なる。

他の一実施態様において、トランスデューサ・モジュールは、１つのトランスミッタ層および少なくとも２つのレシーバ層を含み、レシーバ層およびトランスミッタ層の電極間の角度は、少なくとも２つのレシーバ層のために異なる。

層および電極角度の他の数および配置は、特定の用途の特定の必要性によって選択されることができる。

超音波トランスデューサ・モジュールは多くの用途に使われてもよい。用途の例は、以下の通りである：
●コードの読み取り。例は、１から約２，０００の文字を記憶することができる二次元のバーコードであるデータマトリクス・コードである。記号は、四角または矩形であり、側面あたり０．００１インチから最大１４インチにわたる。データマトリクスは、ダイレクトマーキング・タイプである、または、穿孔工程によってタグ／ラベルにマークされる。コードは目に見える、または、塗料、ほこり、汚染などによって被覆される可能性がある。
●無破壊試験。無破壊試験は、材料の欠陥を検出および評価するすべての方法に関する工業技術の分岐である。欠陥は、溶着部および成型における亀裂または異物、または、強度の損失またはサービスの障害につながる構造上の性質の変化である。
●塗料の厚みの測定。
●皮膚病診断／人間の皮膚・組織の分析。他の医療の目的。

添付の図によって、本発明はここでさらに詳細に記載される。

図１は、本発明の一実施例の原理の図面を示す。トランスデューサ・モジュール１０は、１つのトランスミッタ層１１、１つのレシーバ層１５、および、２つの接地面１２、１４を含む。

レシーバ層１１は、トランスミッタ電極１６および圧電材１８を含む。トランスミッタ電極１６は、例えばリソグラフィによって圧電材１８に直接提供される。圧電材１８は、例えばＰＶＤＦ膜である。トランスミッタ電極の縦軸は、並列に配置される。

トランスミッタ層１５は、フレキシブル回路（ＰＣＢ）上にレシーバ電極１７および圧電材１９を含む。フレキシブル回路上のレシーバ電極１７は、粘着層２０によって圧電材１９に連結される。レシーバ電極の縦軸は並列に配置され、トランスミッタ電極の方向に対して垂直である。これは、トランスデューサの信号点を構成する多くの重なり合う交点／画素を提供する。

接地面１２、１４は、各々の圧電材１８、１９に例えば金属揮散によって直接提供される。粘着層１３は、接地面１３、１４を連結するために提供され、したがってトランスミッタ層およびレシーバ層はトランスデューサ・モジュールを形成する。

そのようなモジュールは、様々な数の電極を有することができる。典型的な例では１６０００の画素を含む。

図２は、１つのみの接地面を有する図１の実施態様に類似した実施態様を図示する。レシーバ層２１およびトランスミッタ層２５はしたがって、レシーバ層２１の圧電材２８に直接提供されてもよい共通の接地面２２を共有する。本実施態様におけるトランスミッタ電極１７はまた、フレキシブル回路に生成され、一方で、レシーバ電極２６は圧電材に直接生成される。トランスミッタ電極およびレシーバ電極は、互いに対して垂直に配置される。

図３は、前の２つの図と異なる構造を有する本発明の実施態様を示す。レシーバ層３１およびトランスミッタ層３５は、同じフレキシブル回路３８の各々の側面に生じられるそれぞれのレシーバおよびトランスミッタ電極３６、３７を含む。フレキシブル回路はまた、トランスミッタおよびレシーバ電極間の遮蔽のために使われフレキシブル基板材料内で内部の接地面３２を含んでもよい。２つの圧電材、例えばＰＶＤＦ膜は電極３６、３７に接着される。電極に面しない圧電材の表面に連結される２つの接地面３３、３４もまた存在する。

図４は、発明のトランスデューサ・モジュールの電極の異なる形状の例を示す。図４ａは、２つの異なる電極のタイプを示し、片方４１は円形の広がる部分４２を有し、もう一方４３は六角形の広がる部分４４を有する。図４ｂは、六角形の広がる部分を有する電極タイプ４３の使用が密接状態および可能な拡大された交点／画素領域を提供する方法を示す。

本発明の一実施態様の原理の図面を示す。

１つのみの接地面を有する実施態様に類似した実施態様を図示する。

本発明の可能な他の実施態様を図示する。

発明のトランスデューサ・モジュールの電極の異なる形状の例を示す。

Claims (14)

1. 少なくとも１つのトランスミッタ層、少なくとも１つのレシーバ層、および、接地面として作用する手段を含む超音波トランスデューサ・モジュールであって、
   −前記トランスミッタ層および前記レシーバ層は、多くの細長いトランスミッタおよびレシーバ電極を含み、該電極は各々の層内で並列に配置されていて、
   −前記トランスミッタ層および前記レシーバ層は並列であり、
   および−前記レシーバ層の前記電極が、少なくとも１つの前記トランスミッタの前記電極とゼロより大きい角度を作成することにおいて特徴付けられる超音波トランスデューサ・モジュール。
2. 少なくとも１つの前記トランスミッタ層または前記レシーバ層の前記電極がフレキシブル回路上に提供されることにおいて特徴付けられる請求項１に記載の超音波トランスデューサ・モジュール。
3. トランスミッタ電極およびレシーバ電極が前記フレキシブル回路の各々の側面上に提供されることにおいて特徴付けられる請求項１に記載の超音波トランスデューサ・モジュール。
4. 前記フレキシブル基板が前記トランスミッタおよび前記レシーバ電極から電気的に分離される接地面を含むことにおいて特徴付けられる請求項３に記載の超音波トランスデューサ・モジュール。
5. 前記トランスミッタ層の前記電極が前記フレキシブル回路上に提供されることにおいて特徴付けられる請求項１に記載の超音波トランスデューサ・モジュール。
6. 前記レシーバ層の前記電極が前記フレキシブル回路に提供されることにおいて特徴付けられる請求項１に記載の超音波トランスデューサ・モジュール。
7. 前記トランスミッタ層および前記レシーバ層の前記電極が２つの別々のフレキシブル回路に提供されることにおいて特徴付けられる請求項１に記載の超音波トランスデューサ・モジュール。
8. 前記レシーバ電極の縦軸および前記トランスミッタ電極の間の角度が９０°であることにおいて特徴付けられる請求項１に記載の超音波トランスデューサ・モジュール。
9. 前記レシーバおよび前記トランスミッタ電極が矩形の形状を有することにおいて特徴付けられる請求項１に記載の超音波トランスデューサ・モジュール。
10. 前記トランスミッタおよび前記レシーバ層の少なくとも１つの前記電極が、互いに規則正しく間隔を置いて配置されるより広い部分を有して細長い形状を有することにおいて特徴付けられる請求項１に記載の超音波トランスデューサ・モジュール。
11. 少なくとも１つの前記トランスミッタおよび／または前記レシーバ層の前記電極が少なくとも２つの部分を含み、各々の部分がそれ自体の電気的な接続手段を有することにおいて特徴付けられる請求項１に記載の超音波トランスデューサ・モジュール。
12. 前記トランスミッタおよび／または前記レシーバ電極が前記接地面を構成することにおいて特徴付けられる請求項１に記載の超音波トランスデューサ・モジュール。
13. それが多くのトランスミッタおよびレシーバ層の対を含み、前記レシーバ電極および前記トランスミッタ電極間の前記角度が前記トランスミッタおよび前記レシーバ層の少なくとも２つの対の間で異なることにおいて特徴付けられる請求項１に記載の超音波トランスデューサ・モジュール。
14. それが１つのトランスミッタ層および少なくとも２つのレシーバ層を含み、前記トランスミッタ層に対する前記レシーバ層の前記電極の前記角度が、少なくとも２つのレシーバ層において異なることにおいて特徴付けられる請求項１に記載の超音波トランスデューサ・モジュール。

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