JP2012235524A - 超音波整合層および振動子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】超音波振動子スタック100は、圧電層102と、複数の整合層(108、110、112)とを含む。整合層108のインピーダンスは整合層110のインピーダンスより高い。整合層は、複数のミクロンサイズおよびナノサイズの、複数の重粒子および軽粒子が投入されたマトリクス材料を含む。整合層112は、シアノアクリレートを含む。整合層は、1/4音響波長整合層を含む。
【選択図】図1
Description
本明細書に組み入れられてその一部を成す添付の図面は、本発明の特定の態様を示し、説明と併せて、制限することなく本発明の原理を解説する役目を果たす。図面で使用される同様の参照文字は、いくつかの図面にわたり同様の部分を示す。
例えば、本発明は以下の項目を提供する。
(項目1)
複数の層を有する超音波振動子スタックの整合層であって、複数のミクロンサイズおよびナノサイズ粒子が投入されたマトリクス材料を含む複合材料を含み、該複合材料が該超音波振動子スタックの整合層を形成する、整合層。
(項目2)
前記整合層は、1/4音波長整合層である、項目1に記載の整合層。
(項目3)
前記投入された粒子は、前記整合層の厚さ未満の最長寸法を有する、項目1に記載の整合層。
(項目4)
前記ナノサイズ粒子は、約800nm以下の最長寸法を有する、項目1に記載の整合層。
(項目5)
前記ミクロンサイズおよびナノサイズ粒子は、高密度金属を含む、項目1に記載の整合層。
(項目6)
前記高密度金属は、タングステン、金、または白金より成る群から選択される、項目5に記載の整合層。
(項目7)
前記ミクロンサイズおよびナノサイズ粒子は、タングステン、金、白金、またはそれらの混合物を含む、項目1に記載の整合層。
(項目8)
前記ミクロンサイズおよびナノサイズ粒子は、高密度セラミックを含む、項目1に記載の整合層。
(項目9)
前記マトリクスはポリマーである、項目1に記載の整合層。
(項目10)
前記ポリマーはエポキシである、項目9に記載の整合層。
(項目11)
前記エポキシは、Tgが前記振動子の最高使用温度を超える低粘度の室温硬化エポキシである、項目10に記載の整合層。
(項目12)
前記ミクロンサイズおよびナノサイズ粒子は、ミクロンサイズ粒子対ナノサイズ粒子の重量部換算で約5:1から約1:5の数値比率でマトリクス材料に投入される、項目1に記載の整合層。
(項目13)
前記ミクロンサイズおよびナノサイズ粒子は、ミクロンサイズ粒子対ナノサイズ粒子の重量換算で約1:1の数値比率でマトリクス材料に投入される、項目12に記載の整合層。
(項目14)
前記ナノサイズおよびミクロンサイズ粒子は、体積換算で複合材料の約10%から約35%を構成する、項目1に記載の整合層。
(項目15)
前記ナノサイズおよびミクロンサイズ粒子は、体積換算で複合材料の約25%から約30%を構成する、項目14に記載の整合層。
(項目16)
前記ナノサイズおよびミクロンサイズ粒子は、体積換算で複合材料の約25%を構成する、項目14に記載の整合層。
(項目17)
前記整合層の音響インピーダンスは、約7.0メガレイルから約14.0メガレイルの間である、項目1に記載の整合層。
(項目18)
前記整合層の音響インピーダンスは約10メガレイルである、項目17に記載の整合層。
(項目19)
前記整合層の厚さは、前記超音波振動子スタックの高さ寸法において、約4ミクロンから30ミクロンの間である、項目1に記載の整合層。
(項目20)
前記整合層における音速は、約1000メートル/秒から約3000メートル/秒の間である、項目1に記載の整合層。
(項目21)
前記整合層における音速は、約1200メートル/秒から約2100メートル/秒の間である、項目20に記載の整合層。
(項目22)
前記整合層の音速は約1600メートル/秒である、項目20に記載の整合層。
(項目23)
複数の層を備える超音波振動子スタックであって、各層が頂面および反対側の底面を有し、該複数の層は、
圧電層と、
複数のミクロンサイズおよびナノサイズ粒子が投入されたマトリクス材料を含む複合材料を含む整合層と
を備えており、
該整合層の底面は、該圧電層の頂面を覆う、超音波振動子スタック。
(項目24)
前記圧電層は、前記整合層を透過するために、少なくとも約20メガヘルツ(MHz)の中心周波数の超音波を生成するように構成される、項目23に記載の超音波振動子スタック。
(項目25)
前記圧電層は、前記整合層を透過するために、少なくとも約25MHz、30MHz、35MHz、40MHz、45MHz、50MHz、55MHz、60MHz、65MHz、70MHzまたはそれ以上の中心周波数の超音波を生成するように構成される、項目24に記載の超音波振動子スタック。
(項目26)
前記整合層は、1/4音波長整合層である、項目23に記載の超音波振動子スタック。
(項目27)
前記整合層における音速は、約1000メートル/秒から約3000メートル/秒の間である、項目23に記載の超音波振動子スタック。
(項目28)
前記圧電層はニオブ酸リチウムを含む、項目23に記載の超音波振動子スタック。
(項目29)
前記圧電層はPZTを含む、項目23に記載の超音波振動子スタック。
(項目30)
前記圧電層は、少なくとも20メガレイルの音響インピーダンスを有する、項目23に記載の超音波振動子スタック。
(項目31)
複数の層を有する超音波振動子スタックの整合層であって、複数の第1の重粒子および複数の第2の軽粒子が投入されたマトリクス材料を含む複合材料を含む整合層。
(項目32)
前記整合層は、1/4音波長整合層である、項目31に記載の整合層。
(項目33)
前記整合層における音速は、約1500メートル/秒から約4500メートル/秒の間である、項目32に記載の整合層。
(項目34)
前記整合層における音速は、約1800メートル/秒から約2500メートル/秒の間である、項目33に記載の整合層。
(項目35)
前記第1の重粒子は、タングステン粒子およびチタン酸ジルコン酸鉛粒子、またはそれらの混合物より成る群から選択される粒子を含み、前記第2の軽粒子は、炭化ケイ素粒子およびアルミナ粒子、またはそれらの混合物より成る群から選択される粒子を含む、項目31に記載の整合層。
(項目36)
前記第1の重粒子は、少なくとも約10.0グラム/立方センチメートルの密度を有し、前記第2の軽粒子は、約4.0グラム/立方センチメートル未満の密度を有する、項目31に記載の整合層。
(項目37)
前記第2の軽粒子は、約4.0グラム/立方センチメートル以下の密度を有する、項目31に記載の整合層。
(項目38)
前記第2の軽粒子は、約2.5グラム/立方センチメートルから約4.0グラム/立方センチメートルの間の密度を有する、項目31に記載の整合層。
(項目39)
前記第1の重粒子は、約10.0グラム/立方センチメートル以上の密度を有する、項目31に記載の整合層。
(項目40)
前記第1の重粒子は、約4.0グラム/立方センチメートル以上の密度を有する、項目31に記載の整合層。
(項目41)
前記投入された粒子は、前記整合層の幅未満の最長寸法を有する、項目31に記載の整合層。
(項目42)
前記マトリクス材料はポリマーである、項目31に記載の整合層。
(項目43)
前記ポリマーはエポキシである、項目42に記載の整合層。
(項目44)
前記複数の粒子は、前記複合材料の少なくとも約11体積%を構成する、項目31に記載の整合層。
(項目45)
前記複数の粒子は、前記複合材料の約11体積%から約20体積%を構成する、項目44に記載の整合層。
(項目46)
前記複合材料の約5.5体積%は、複数のナノサイズの第1の重粒子を含み、前記複合材料の約5.5体積%は、複数のナノサイズの第2の軽粒子を含む、項目44に記載の整合層。
(項目47)
前記第1の重粒子は、タングステン粒子、PZT粒子、またはそれらの混合物より成る群から選択され、前記第2の軽粒子は、炭化ケイ素粒子、アルミナ粒子、またはそれらの混合物より成る群から選択される、項目46に記載の整合層。
(項目48)
前記第1の重粒子および第2の軽粒子のサイズは、1ミクロン未満である、項目31に記載の整合層。
(項目49)
前記整合層の音響インピーダンスは、約3.0メガレイルから約7.0メガレイルの間である、項目31に記載の整合層。
(項目50)
前記整合層の音響インピーダンスは約4.5メガレイルである、項目49に記載の整合層。
(項目51)
前記整合層の厚さは、前記超音波振動子スタックの高さ寸法において、約4ミクロンから約30.0ミクロンの間である、項目31に記載の整合層。
(項目52)
複数の層を備える超音波振動子スタックであって、各層が頂面および反対側の底面を有し、該複数の層は、
圧電層と、
複数の第1の重粒子および複数の第2の軽粒子が投入されたマトリクス材料を含む複合材料を含む第1の整合層と
を備えており、該第1の整合層の底面は、該圧電層の頂面を覆う、超音波振動子スタック。
(項目53)
前記圧電層は、前記第1の整合層を透過するために、少なくとも約20メガヘルツ(MHz)の中心周波数の超音波を生成するように構成される、項目52に記載の超音波振動子スタック。
(項目54)
前記圧電層は、前記第1の整合層を透過するために、少なくとも約25MHz、30MHz、35MHz、40MHz、45MHz、50MHz、55MHz、60MHz、65MHz、70MHzまたはそれ以上の中心周波数の超音波を生成するように構成される、項目53に記載の超音波振動子スタック。
(項目55)
前記圧電層は、ニオブ酸リチウム、PZT、またはそれらの混合物より成る群から選択される、項目52に記載の超音波振動子スタック。
(項目56)
前記スタックは、前記第1の整合層のインピーダンスより高いインピーダンスを有する第2の整合層をさらに備え、該第2の整合層は、前記圧電層の頂面と該第1の整合層の底面との間に位置する、項目52に記載の超音波振動子スタック。
(項目57)
前記圧電層は、前記第2の整合層を透過し、次いで前記第1の整合層を透過するために、少なくとも約20メガヘルツ(MHz)の中心周波数を有する超音波を生成するように構成される、項目56に記載の超音波振動子スタック。
(項目58)
前記第2の整合層は、前記第1の整合層と同一である、項目56に記載の超音波振動子スタック。
(項目59)
前記圧電層は、前記第2の整合層を透過し、次いで前記第1の整合層を透過するために、少なくとも約25MHz、30MHz、35MHz、40MHz、45MHz、50MHz、55MHz、60MHz、65MHz、70MHzまたはそれ以上の中心周波数の超音波を生成することができる、項目58に記載の超音波振動子スタック。
(項目60)
複数の層を有する超音波振動子スタックの裏打ち層であって、
複数のミクロンサイズおよびナノサイズ粒子が投入されたマトリクス材料を含む複合材料であって、該複合材料が該超音波振動子スタックの裏打ち層を形成する、複合材料を含む、裏打ち層。
(項目61)
複数の層を有する超音波振動子スタックの裏打ち層であって、
複数の第1の重粒子および複数の第2の軽粒子が投入されたマトリクス材料を含む複合材料であって、該複合材料が該超音波振動子スタックの裏打ち層を形成する、複合材料を含む、裏打ち層。
(項目62)
複数の層を有する超音波振動子スタックのための整合層を生成する方法であって、
マトリクス材料を提供することと、
複数のミクロンサイズ粒子を提供することと、
複数のナノサイズ粒子を提供することと、
複合材料を形成するために該マトリクス材料に該複数のミクロンサイズ粒子および該複数のナノサイズ粒子を投入することと
を含み、該複合材料は、該超音波振動子スタックの該整合層を生成するために使用される、方法。
(項目63)
前記ミクロンサイズ粒子およびナノサイズ粒子は、同じ基材より成る、項目62に記載の方法。
(項目64)
前記ミクロンサイズ粒子および前記ナノサイズ粒子は、異なる基材より成る、項目62に記載の方法。
(項目65)
複数の層を有する超音波振動子スタックのための整合層を生成する方法であって、
マトリクス材料を提供することと、
複数の第1の重粒子を提供することと、
複数の第2の軽粒子を提供することと、
複合材料を形成するために該マトリクス材料に該複数の第1の重粒子および該複数の第2の軽粒子を投入することと
を含み、該複合材料は、該超音波振動子スタックの該整合層を生成するために使用される、方法。
以下の実施例は、本明細書で請求される化合物、組成物、物品、デバイス、および/または方法がどのように評価されるかについての完全な開示および説明を当業者に提供するために提示され、純粋に本発明の例であることを意図し、本発明者らが自らの発明とみなすものの範囲を制限することを意図しない。数字(量、温度等)に関しては正確性を確保するよう努力したが、ある程度の誤差および偏差も考慮されるべきである。別段の指示がない限り、部は重量部、温度は℃表示、または周囲温度であり、圧力は大気圧またはそれに近い圧力である。
図5は、TPXレンズを備えた例示的なLiNbの20〜25MHz振動子の製造方法を示したブロック図である。製造プロセスは、以下の3つの例示的セクションで説明される。まず、スタックを形成するための整合層および圧電層の製造が説明される。次に、レンズ層およびシアノアクリレート整合層の製造が説明される。最後に、レンズとシアノアクリレート層の振動子スタックへの接着が説明される。
ブロック504に示されるように、圧電層のためのLiNb結晶を調製する。質量負荷を相殺するために、36度Y−カットLiNb結晶を所望の中心周波数の0.4ラムダの厚さまでラッピングする。Eビーム蒸着またはスパッタリング等の適した手段を使用して、結晶に3000Aの金をめっきする。当業者には理解されるように、典型的には、金層の接着性を向上させるために、CrまたはNiの薄層を使用することができる。LiNb結晶の金側をアセトンで洗浄する。洗浄後、さらなる操作まで結晶を清浄な場所に置く。
Conf.on Ultrasonic Transducer Engineering、San Diego、California、February 1999、SPIE Vol.3664を参照されたい。粉末を加える前に、エポキシは完全に混合される。
me 3664 Medical Imaging 1999」 Ultrasonic
Transducer Engineering、K.Kirk Shung、Editor、June 1999、pp.67−75を参照されたい。
PR40等のCA接着剤の若干量が、アルミ箔剥離層およびワイヤスペーサを使用してTPXレンズの背面に被覆される。実際には、剥離フィルムは平坦表面上(好ましくは箔が平坦となるよう真空プレート上)に置かれる。一態様では、アルミ箔は清浄で油分および水分が存在しない。ワイヤは剥離フィルム上にあるパターンで配置される。一態様では、ワイヤは、ワイヤが共通の頂点で交わらないように放射パターンに配置される。これらのワイヤは、CAの層のためのスペーサとして使用される。例示的な25MHzスタックでは、約25μm径のワイヤを使用して、得られる厚さが約23μm〜25μmであるCA層を形成する。これは、25MHz設計周波数振動子において約21μmから23μmの間であるCAの望ましい1/4波長の厚さより若干厚い。この点で、CA中での縦波伝播速度は約2100m/sから2200m/sの間と推定される。CA層が接着されたレンズ層をその下のスタックに貼り付けるために使用されたエポキシの接着性を向上させるためにCA層の表面を処理する役割も果たす後の研削プロセス中に、1〜3μmの余剰材料が除去される。
表1は、例示的な振動子スタックを構成する異なる層を示す。このスタック設計は、中心周波数が約20MHzから60MHzを超える振動子に使用することができる。
Claims (31)
- 複数の層を有する超音波振動子スタックの整合層であって、該整合層は、複数の第1の重粒子および複数の第2の軽粒子が投入されたマトリクス材料を含む複合材料を含み、該複数の第1の重粒子は、所望の音響インピーダンスを達成するように、第1の量で該マトリクス材料に投入され、該複数の第2の軽粒子は、該複合材料の粘度およびチクソ性指数を制御するように、かつ、該マトリクス材料における該重粒子の均一な分布を作成するように、第2の量で該マトリクス材料に投入され、該複数の第2の軽粒子は、該複数の第1の重粒子および該マトリクス材料の所望の複合密度の約100%から約200%の間の密度を有する、整合層。
- 前記整合層は、1/4音波長整合層である、請求項1に記載の整合層。
- 前記整合層における音速は、約1500メートル/秒から約4500メートル/秒の間である、請求項2に記載の整合層。
- 前記整合層における音速は、約1800メートル/秒から約2500メートル/秒の間である、請求項3に記載の整合層。
- 前記第1の重粒子は、タングステン粒子およびチタン酸ジルコン酸鉛粒子、またはそれらの混合物より成る群から選択される粒子を含み、前記第2の軽粒子は、炭化ケイ素粒子およびアルミナ粒子、またはそれらの混合物より成る群から選択される粒子を含む、請求項1に記載の整合層。
- 前記第1の重粒子は、少なくとも約10.0グラム/立方センチメートルの密度を有し、前記第2の軽粒子は、約4.0グラム/立方センチメートル未満の密度を有する、請求項1に記載の整合層。
- 前記第2の軽粒子は、約4.0グラム/立方センチメートル以下の密度を有する、請求項1に記載の整合層。
- 前記第2の軽粒子は、約2.5グラム/立方センチメートルから約4.0グラム/立方センチメートルの間の密度を有する、請求項1に記載の整合層。
- 前記第1の重粒子は、約10.0グラム/立方センチメートル以上の密度を有する、請求項1に記載の整合層。
- 前記第1の重粒子は、約4.0グラム/立方センチメートル以上の密度を有する、請求項1に記載の整合層。
- 前記投入された粒子は、前記整合層の幅未満の最長寸法を有する、請求項1に記載の整合層。
- 前記マトリクス材料はポリマーである、請求項1に記載の整合層。
- 前記ポリマーはエポキシである、請求項12に記載の整合層。
- 前記複数の粒子は、前記複合材料の少なくとも約11体積%を構成する、請求項1に記載の整合層。
- 前記複数の粒子は、前記複合材料の約11体積%から約20体積%を構成する、請求項14に記載の整合層。
- 前記複合材料の約5.5体積%は、複数のナノサイズの第1の重粒子を含み、前記複合材料の約5.5体積%は、複数のナノサイズの第2の軽粒子を含む、請求項14に記載の整合層。
- 前記第1の重粒子は、タングステン粒子、PZT粒子、またはそれらの混合物より成る群から選択され、前記第2の軽粒子は、炭化ケイ素粒子、アルミナ粒子、またはそれらの混合物より成る群から選択される、請求項16に記載の整合層。
- 前記第1の重粒子および第2の軽粒子のサイズは、1ミクロン未満である、請求項1に記載の整合層。
- 前記整合層の音響インピーダンスは、約3.0メガレイルから約7.0メガレイルの間である、請求項1に記載の整合層。
- 前記整合層の音響インピーダンスは約4.5メガレイルである、請求項19に記載の整合層。
- 前記整合層の厚さは、前記超音波振動子スタックの高さ寸法において、約4ミクロンから約30.0ミクロンの間である、請求項1に記載の整合層。
- 複数の層を備える超音波振動子スタックであって、各層が頂面および反対側の底面を有し、該複数の層は、
圧電層と、
複数の第1の重粒子および複数の第2の軽粒子が投入されたマトリクス材料を含む複合材料を含む第1の整合層と
を備え、
該複数の第1の重粒子は、所望の音響インピーダンスを達成するように、第1の量で該マトリクス材料に投入され、該複数の第2の軽粒子は、該複合材料の粘度およびチクソ性指数を制御するように、かつ、該マトリクス材料における該重粒子の均一な分布を作成するように、第2の量で該マトリクス材料に投入され、該複数の第2の軽粒子は、該複数の第1の重粒子および該マトリクス材料の所望の複合密度の約100%から約200%の間の密度を有し、
該第1の整合層の底面は、該圧電層の頂面を覆う、超音波振動子スタック。 - 前記圧電層は、前記第1の整合層を透過するために、少なくとも約20メガヘルツ(MHz)の中心周波数の超音波を生成するように構成されている、請求項22に記載の超音波振動子スタック。
- 前記圧電層は、前記第1の整合層を透過するために、少なくとも約25MHz、30MHz、35MHz、40MHz、45MHz、50MHz、55MHz、60MHz、65MHz、70MHzまたはそれ以上の中心周波数の超音波を生成するように構成されている、請求項23に記載の超音波振動子スタック。
- 前記圧電層は、ニオブ酸リチウム、PZT、またはそれらの混合物より成る群から選択される、請求項22に記載の超音波振動子スタック。
- 前記スタックは、前記第1の整合層のインピーダンスより高いインピーダンスを有する第2の整合層をさらに備え、該第2の整合層は、前記圧電層の頂面と該第1の整合層の底面との間に位置する、請求項22に記載の超音波振動子スタック。
- 前記圧電層は、前記第2の整合層を透過し、次いで前記第1の整合層を透過するために、少なくとも約20メガヘルツ(MHz)の中心周波数を有する超音波を生成するように構成されている、請求項26に記載の超音波振動子スタック。
- 前記第2の整合層は、前記第1の整合層と同一である、請求項26に記載の超音波振動子スタック。
- 前記圧電層は、前記第2の整合層を透過し、次いで前記第1の整合層を透過するために、少なくとも約25MHz、30MHz、35MHz、40MHz、45MHz、50MHz、55MHz、60MHz、65MHz、70MHzまたはそれ以上の中心周波数の超音波を生成することができる、請求項28に記載の超音波振動子スタック。
- 複数の層を有する超音波振動子スタックの裏打ち層であって、該裏打ち層は、複数の第1の重粒子および複数の第2の軽粒子が投入されたマトリクス材料を含む複合材料を含み、該複数の第1の重粒子は、所望の音響インピーダンスを達成するように、第1の量で該マトリクス材料に投入され、該複数の第2の軽粒子は、該複合材料の粘度およびチクソ性指数を制御するように、かつ、該マトリクス材料における該重粒子の均一な分布を作成するように、第2の量で該マトリクス材料に投入され、該複数の第2の軽粒子は、該複数の第1の重粒子および該マトリクス材料の所望の複合密度の約100%から約200%の間の密度を有し、該複合材料は、該超音波振動子スタックの該裏打ち層を形成する、裏打ち層。
- 複数の層を有する超音波振動子スタックのための整合層を生成する方法であって、該方法は、
マトリクス材料を提供することと、
複数の第1の重粒子を提供することと、
複数の第2の軽粒子を提供することと、
複合材料を形成するために該マトリクス材料に該複数の第1の重粒子および該複数の第2の軽粒子を投入することと
を含み、
該複数の第1の重粒子は、所望の音響インピーダンスを達成するように、第1の量で該マトリクス材料に投入され、該複数の第2の軽粒子は、該複合材料の粘度およびチクソ性指数を制御するように、かつ、該マトリクス材料における該重粒子の均一な分布を作成するように、第2の量で該マトリクス材料に投入され、該複数の第2の軽粒子は、該複数の第1の重粒子および該マトリクス材料の所望の複合密度の約100%から約200%の間の密度を有し、該複合材料は、該超音波振動子スタックの該整合層を生成するために使用される、方法。
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JPS61276500A (ja) | 超音波探触子の製造方法 |
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