JP2013066177A - 超音波変換器のための熱移動および音響整合層 - Google Patents

Abstract

【課題】前側および後側を画定する圧電要素を含む超音波変換器を提供する。
【解決手段】超音波変換器９００は、圧電要素９１０の前側９１２に接続されるレンズ９０８と、圧電要素９１０の後側９１４に接続されるヒートシンク９２４と、圧電要素９１０とヒートシンク９２４との間に配置される後側整合層９２０と、を含む。後側整合層９２０は圧電要素９１０およびヒートシンク９２４に熱的に接続されており、圧電要素９１０からヒートシンク９２４に熱を伝導する。
【選択図】図９

Description

本技術の実施形態は、概して、改善された熱的特性を提供するように構成される超音波変換器に関する。

本出願は、２０１０年７月９日に出願された米国特許出願第１２／８３３，１０１号の一部継続出願であってその優先権を主張するものであり、その開示内容は参照により本明細書に組み込まれる。

図１に示されるように、従来の超音波変換器１００は、レンズ１０２と、インピーダンス整合層１０４および１０６と、圧電要素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素子とを含む種々の層から構成され得る。

圧電要素１０８は、電気信号を、ターゲットに向かうように伝達される超音波に変換することができ、また、受信した超音波を電気信号に変換することができる。矢印１１２は、変換器１００から伝達されるおよび変換器１００のところで受信される超音波を描いている。受信された超音波は超音波システムによりターゲットのイメージを生成するのに使用され得る。

変換器１００から出るエネルギーを増大させるために、インピーダンス整合層１０４、１０６が圧電要素１０８とレンズ１０２との間に配置される。従来では、整合層１０４、１０６が共振振動数において伝達される超音波の所望の波長の約１／４から１／２の距離ｘだけ圧電要素１０８とレンズ１０２とを分離する場合に、最適なインピーダンス整合が達成されると考えられている。従来の考え方は、このような構成が、超音波が整合層１０４、１０６から出るときに、整合層１０４、１０６内で反射された超音波を同位相で維持することができるということである。

変換器１００から超音波を伝達することによりレンズ１０２が加熱される可能性がある。しかし、患者に接触する変換器は、患者が不快に感じるのを回避しさらには規定の制限温度に適合するように摂氏約４０度の最高表面温度を有する。したがって、レンズ温度は、波伝達パワー（ｗａｖｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｐｏｗｅｒ）および変換器の性能を制限する因子となる可能性がある。

多くの既知の熱管理技術は、レンズに向かう超音波エネルギーの反射を最小にするために変換器の後側に焦点を当てている。しかし、改善された熱的特性を有する改善された超音波変換器が必要とされている。

本技術の実施形態は、概して、超音波変換器と、超音波変換器を製造する方法とに関する。

一実施形態では、超音波変換器が前側および後側を画定する圧電要素を含み、この圧電要素は、電気信号を、ターゲットに向かうように前側から伝達される超音波に変換するように構成され、また、この圧電要素は、受信した超音波を電気信号に変換するように構成される。超音波変換器は、圧電要素の前側に接続されるレンズと、圧電要素の後側に接続されるヒートシンクと、圧電要素とヒートシンクとの間に配置される後側整合層とを含む。後側整合層は圧電要素およびヒートシンクに熱的に接続される。後側整合層は、圧電要素からヒートシンクに熱を伝導させるように構成される。

一実施形態では、超音波変換器は、前側および後側を画定する圧電要素を含む。圧電要素は、電気信号を、ターゲットに向かうように前側から伝達される超音波に変換するように構成される。圧電要素は、受信した超音波を電気信号に変換するように構成される。超音波変換器は、圧電要素の前側に接続されるレンズと、圧電要素の後側に接続されるヒートシンクと、圧電要素およびヒートシンクの両方に接続される後側整合層とを含む。後側整合層は、圧電要素の端部を越えてヒートシンクまで延在するように構成される翼部を含む。後側整合層は、圧電要素からヒートシンクに熱を伝導するように構成される。

一実施形態では、超音波変換器を製造する方法が、整合層を圧電要素の前側に取り付けることと、後側整合層を圧電要素の後側に取り付けることと、後側整合層をヒートシンクに接続することとを含み、ここでは、ヒートシンクが圧電要素の後側に面する。

従来技術の超音波変換器の層を示す断面図である。 本技術の実施形態に従って使用される超音波変換器の層を示す断面図である。 本技術の実施形態に従って使用される超音波変換器の整合層の性質を表す表である。 本技術の実施形態に従って使用される超音波変換器の層を示す断面図である。 本技術の実施形態に従って使用される超音波変換器の層を示す断面図である。 本技術の実施形態に従って使用される超音波変換器の層を示す断面図である。 本技術の実施形態に従って使用される超音波変換器の層を示す斜視図である。 本技術の実施形態に従って使用される超音波変換器のコンピュータシミュレーションの結果である。 従来の変換器および本技術の実施形態に従って構築される変換器の、レンズ表面のところにおける温度測定値の実験結果を表すグラフである。 本技術の実施形態に従って使用される超音波変換器の層を示す断面図である。 本技術の実施形態に従って使用される超音波変換器を示す斜視図である。 本技術の実施形態に従って使用される超音波変換器の層を示す断面図である。 シミュレーションデータを表すグラフである。 シミュレーションデータを表すグラフである。

上記の概要さらには特定の実施形態の以下の詳細な説明は添付図面と併せて読むことにより、より良く理解される。本発明を説明することを目的として、図面には特定の実施形態が示される。しかし、本発明が添付図面に示される構成および手段のみに限定されないことを理解されたい。

本技術の実施形態は、概して、改善された熱的特性を提供するように構成される超音波変換器に関する。図面では、同様の要素は同様の参照符号を付されて示される。

図１は、従来技術の超音波変換器１００の層の断面図である。変換器１００は背景技術で説明されており、レンズ１０２と圧電要素１０８との間に配置される２つの整合層１０４、１０６を含む。整合層１０４、１０６はレンズ１０２と圧電要素１０８との間に組み合わせの距離ｘを形成し、この距離ｘは、共振振動数において伝達される超音波の所望の波長の約１／４から１／２の距離である。

図２Ａは、本技術の実施形態に従って使用される超音波変換器２００の層の断面図を描いている。変換器２００は、レンズ１０２と、インピーダンス整合層２０３〜２０６と、圧電要素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素子とを含む。バッキング１１０はヒートシンクおよび熱管理部分を含む。特定の実施形態では、整合層２０３〜２０６、圧電要素１０８およびレンズ１０２は、例えば工具類および／またはプレス機械によって加えられる圧力下で硬化するエポキシ材料または接着材料を使用して一体に接着され得る。

従来の超音波変換器を用いる場合と同様に、圧電要素１０８は、電気信号を、ターゲットに向かうように伝達される超音波に変換することができ、また、受信した超音波を電気信号に変換することができる。矢印１１２は変換器２００から伝達されるおよび変換器２００のところで受信される超音波を描いている。受信された超音波は超音波システムによりターゲットのイメージを生成するのに使用され得る。

変換器１００から出るエネルギーを増大させるために、インピーダンス整合層２０３〜２０６が圧電要素１０８とレンズ１０２との間に配置される。整合層２０３〜２０６が、距離ｘ（共振振動数において伝達される超音波の所望の波長の約１／４から１／２の距離）未満またはそれより大きくてよい距離ｙだけ圧電要素１０８とレンズ１０２とを分離する。

図１に示されるように、従来の変換器は一般に２つの整合層１０４、１０６を含む。このような整合層は一般にエポキシおよび充填材を含む。比較的高い音響インピーダンスおよび比較的高い熱伝導率を有する圧電要素の近くに整合層を有することで、熱的特性および／または音響性質を改善することができることが分かっている。本明細書に示される実施形態は、３つまたは４つの整合層を備える発明性のある変換器を示している。しかし、実施形態はわずかに２つの整合層を含んでもよく、また、例えば５つまたは６つの整合層といったように４つを超える整合層を含むこともできる。

図２Ｂは、発明性のある超音波変換器の実施形態の整合層２０３〜２０６の性質の表である。圧電要素１０８と整合層２０５との間に配置される整合層２０６は、約１０〜２０ＭＲａｙｌの音響インピーダンスおよび約３０Ｗ／ｍＫを超える熱伝導率を有する材料を含んでよい。整合層２０６は約０．２２λ未満の厚さを有してよく、ここではλは共振振動数において伝達される超音波の所望の波長である。特定の実施形態では、整合層２０６は、例えば、銅、銅合金、中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、マグネシウム合金などの、金属（複数可）、シリコンなどの半導体材料、アルミニウム（プレートまたはバー）、および／あるいは、アルミニウム合金を含んでよい。金属は、超音波が高速で層を通って移動することができるように比較的高い音響インピーダンスを有していてよく、したがって、所望の音響特性を得るためにより厚い整合層が必要となる。

整合層２０６と整合層２０４との間に配置される整合層２０５は、約５〜１５ＭＲａｙｌの音響インピーダンスおよび約１〜３００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する材料を含んでよい。整合層２０５は約０．２５λ未満の厚さを有してよい。特定の実施形態では、整合層２０５は、例えば、銅、銅合金、中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（プレートまたはバー）、アルミニウム合金などの金属（複数可）、充填されたエポキシ（ｆｉｌｌｅｄ ｅｐｏｘｙ）、ガラスセラミック、複合材セラミック、および／またはマコール（ｍａｃｏｒ）を含んでよい。

整合層２０５と整合層２０３との間に配置される整合層２０４は、約２〜８ＭＲａｙｌの音響インピーダンスおよび約０．５〜５０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する材料を含んでよい。整合層２０４は約０．２５λ未満の厚さを有してよい。特定の実施形態では、整合層２０４、例えば、シリカ充填材などの充填材を有するエポキシなどの非金属を含むことができる。特定の実施形態では、整合層２０４は例えばグラファイトタイプの材料を含むことができる。充填材を有するエポキシなどの非金属は、超音波が低速で層を通って移動することができるように比較的低い音響インピーダンスを有していてよく、したがって、所望の音響特性を得るためにより薄い整合層が必要となる。

整合層２０４とレンズ１０２との間に配置される整合層２０３は、約１．５〜３ＭＲａｙｌの音響インピーダンスおよび約０．５〜５０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する材料を含んでよい。整合層２０３は０．２５λ未満の厚さを有してよい。特定の実施形態では、整合層２０３は、例えば、プラスチックなどの非金属、および／または、シリカ充填材などの充填材を有するエポキシを含んでよい。

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の圧電要素１０８からの距離が増すにつれて減少する。すなわち、整合層２０６は整合層２０５より高い音響インピーダンスを有することができ、整合層２０５は整合層２０４より高い音響インピーダンスを有することができ、整合層２０４は整合層２０３より高い音響インピーダンスを有することができる。このようにして減少していく音響インピーダンスを有する３つ以上の整合層を提供することにより、例えば感度および／または境界の帯域幅（ｂｏｒｄｅｒ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）を増大させるといったように、音響性質を改善することが可能となる。このように音響性質を改善することにより、例えば人体などの、ターゲット内の構造の感知することが改善される。

一実施形態では、整合層２０５、２０６の熱伝導率は整合層２０３、２０４の熱伝導率より高い。比較的高い熱伝導率を有する整合層（例えば、整合層２０５および／または２０６など）を圧電要素１０８の近くに配置することにより、熱的特性を改善することができる。例えば、これらの整合層は、圧電要素１０８によって発生された熱を、例えば整合層２０３および２０４などの低い熱伝導率を有する整合層よりも容易に放散することができる。

図３は、本技術の実施形態に従って使用される超音波変換器３００の層の断面図を描いている。変換器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、圧電要素３０８およびバッキング３１０を含む。示される層は大きい切欠き３１２および小さい切欠き３１４を含む。大きい切欠き３１２は、整合層３０３〜３０５を通過しさらに圧電要素３０８を通過してバッキング３１０内まで延在する。大きい切欠き３１２は圧電要素３０８の複数の部分の間に電気的分離を形成することができる。小さい切欠き３１４は整合層３０３〜３０５を通過してさらに圧電要素３０８を部分的に通過するように延在する。小さい切欠きは圧電要素３０８を完全には通過して延在せず、したがってバッキング３１０内までは延在しない。小さい切欠き３１４は圧電要素３０８の複数の部分の間に電気的分離を形成しない。小さい切欠き３１４は、例えば層の隣接する部分の間の水平方向の振動を減衰することにより、音響性能を改善することができる。特定の実施形態では、切欠きは、切欠き深さと切欠き幅との比が約３０対１になるように設けられてよい。特定の実施形態では、大きい切欠きは約１．２８２ミリメートルの切欠き深さを有するように設けられてよく、小さい切欠きは約１．０８５ミリメートルの切欠き深さを有するように設けられてよく、両方のタイプの切欠きも例えば０．０４５ミリメートルの切欠き幅を有するように設けられる。特定の実施形態では、切欠きは例えば約０．０２ミリメートルから０．０４５ミリメートルの切欠き幅を有するように設けられてよい。整合層２０３〜２０６の厚さを最小にすることにより、図３に示される変換器の層をダイシングすることが可能となり、音響性能を改善することが可能となることが分かっている。また、整合層２０３〜２０６の厚さを最小にすることにより、切欠き幅に対する切欠き深さの比を３０対１未満にしてダイシングを行うことが可能となることが分かっている。ダイシングソーを使用するダイシングなどの現在のダイシング技術を使用する場合、３０対１を超える切欠き幅に対する切欠き深さの比を得ることは困難である。例えば、レーザーまたは既知の別の手法を使用して変換器の層内に切欠きを作ることができる。

図４は、本技術の実施形態に従って使用される超音波変換器４００の層の断面図を描いている。変換器４００は図２Ａに示される変換器２００と同様に構成される。しかし、変換器４００は整合層２０６の代わりに整合層４０１を含む。整合層４０１は圧電要素１０８と整合層２０５との間に配置され、図２Ａに示される整合層２０６と同様の材料および厚さを有することができる。整合層４０１は、圧電要素１０８の端部を越えてバッキング１１０まで延在する翼部４０２を含む。

翼部４０２は、翼部４０２が圧電要素１０８の端部を越えて延在するように整合層４０１を設けることにより形成され得る。複数のノッチ４０３が整合層４０１の表面内に設けられてよく、また、圧電要素１０８の端部を越える整合層４０１の部分は、ノッチ４０３から離れて圧電要素１０８およびバッキング１１０に向かうように折曲していてよく、その結果、ノッチ４０３が図４に示されるように折曲部の外側エルボーのところおよび／またはその外側エルボーの周りに配置されるようになる。翼部４０２が圧電要素１０８の端部およびバッキング１１０の端部の周りに配置されると、この折曲処理は完了する。

翼部４０２は、圧電要素１０８から、バッキング１１０のところにあるヒートシンクおよび／または熱管理部分に熱を伝導するように構成される。整合層４０１および翼部４０２の比較的高い熱伝導率は、変換器４００のバッキング１１０への所望の熱移動およびレンズ１０２から離れる所望の熱移動を補助することができる。翼部４０２はまた、圧電要素１０８とバッキング１１０との間に通常配置されるフレキシブル回路などの適切な接地回路へと接続することにより、変換器４００のためのアースを形成することができる。翼部４０２はさらに変換器４００のための電気シールドとしても機能することができる。

図５は、本技術の実施形態に従って使用される超音波変換器５００の層の断面図を描いている。変換器５００は図２Ａに示される変換器２００と同様に構成される。しかし、変換器５００は整合層２０６の代わりに整合層５０１を含む。整合層５０１は圧電要素１０８と整合層２０５との間に配置され、図２Ａに示される整合層２０６と同様の材料および厚さを有することができる。しかし、整合層５０１は圧電要素１０８の端部を越えて延在する。例えば、一実施形態では、整合層５０１は、圧電要素１０８の端部を約１ミリメートル以下だけ越えて延在してよい。整合層５１０の延長部分には、圧電要素１０８の端部上をバッキング１１０まで延在するシート５０２が取り付けられる。シート５０２は、熱伝導性エポキシを使用して整合層５０１に取り付けられてよい。シート５０２は、例えば、グラファイトおよび／または熱伝導性エポキシといったような整合層５０１と同じ材料などの、比較的高い熱伝導率を有する材料を含む。シート５０２は、圧電要素１０８から、バッキング１１０のところにあるヒートシンクおよび／または熱管理部分に熱を伝導するように構成される。整合層５０１およびシート５０２の比較的高い熱伝導率は、変換器５００のバッキング１１０への所望の熱移動およびレンズ１０２から離れる所望の熱移動を補助することができる。

図６は、本技術の実施形態に従って使用される超音波変換器６００の斜視図を描いている。変換器６００は、翼部４０２を備えるインピーダンス整合層４０１、圧電要素３０８およびバッキング３１０を含む。他のインピーダンス整合層およびレンズは図６には描かれていない。描かれている層は大きい切欠き３１２および小さい切欠き３１４を含み、これらの切欠きは、アジマス方向（ａ）に対して実質的に垂直であり、エレベーション方向（ｅ）に実質的に平行である。大きい切欠き３１２は、整合層を通過してさらに圧電要素３０８を通過してバッキング３１０内まで延在する。小さい切欠き３１４は整合層を通過してさらに圧電要素３０８を部分的に通過するように延在する。小さい切欠きは圧電要素３０８を完全には通過して延在せず、したがってバッキング３１０内までは延在しない。翼部４０２が変換器６００の４つの側面の周りに配置され、圧電要素３０８およびバッキング３１０に向かうように折曲され、その結果、翼部４０２が、圧電要素３０８から、バッキング１１０のところにあるヒートシンクおよび／または熱管理部分に熱を伝導することができるようになる。別の実施形態では、翼部４０２は、変換器の１つ、２つ、３つまたは４つの側面の周りに設けられてよい。例えば、特定の実施形態では、翼部４０２は変換器の対向する２つの側面のみに沿って設けられてよく、この場合、これらの翼部は切欠き３１２および３１４に対して実質的に垂直に配置される。このような実施形態では、翼部４０２はアジマス方向（ａ）に沿って延在し、エレベーション方向（ｅ）に沿って延在しない。

図７は、本技術の実施形態に従って使用される超音波変換器のコンピュータシミュレーションの結果を表している。図７は、３つの整合層を備える３．５ＭＨｚの一次元リニアアレイ変換器のシミュレーション研究の結果を表している。圧電要素に最も近い整合層（第１の整合層）は、１３．９ＭＲａｙｌの音響インピーダンスを有するアルミニウムバーを含む。第２の整合層は、６．１２７ＭＲａｙｌの音響インピーダンスを有する充填されたエポキシを含む。第３の整合層は、２．４９９ＭＲａｙｌの音響インピーダンスを有する定義されない物質を含む（これは、例えば、プラスチック、および／または、シリカ充填材などの充填材を有するエポキシであってよい）。これらの音響インピーダンスの場合、シミュレーションにより、層が、それぞれ、０．２５４０ミリメートル（アルミニウムバー）、０．１４００ミリメートル（充填されたエポキシ）、０．１１４５ミリメートル（定義されない材料）の厚さを有することができることが示される。このコンピュータシミュレーションは、内側の整合層から外側の整合層までの距離（図２に示される整合層２０６から２０３までの距離ｙなど）を、共振振動数において伝達される超音波の所望の波長の約１／４の厚さの整合層を有してよい図１に示されるような従来の変換器の整合層より薄くすることができることを実証している。このようなシミュレーションには、所望の特性を決定するために、例えば、ＫＬＭモデル、Ｍａｓｏｎモデルおよび／または有限要素法シミュレーションが使用されてよい。

音響性能の研究のためのシミュレーションは、所望の音響インピーダンスおよび所望の熱伝導率を有する整合層の厚さを最小にしてそれにより切断処理をより効果的に実施することを可能にするために、整合層の特性を最適化するのに使用され得る。

図８は、従来の変換器および本技術の実施形態に従って構築される変換器の、レンズ表面のところにおける温度測定値の実験結果を表すグラフ８００である。このグラフは、時間に対するレンズ表面のところの温度をプロットしている。従来の変換器の温度測定値は線８０２で示されており、本技術の実施形態に従って構築される変換器の温度測定値は線８０４で示されている。実験中、同じ条件下および同じ設定で両方の変換器を超音波システムに接続した。本技術の実施形態に従って構築される変換器は、４０分以上、レンズ表面温度を従来の変換器より摂氏約３度から４度低く維持した。

図９は超音波変換器９００の層の断面図を描いている。変換器９００は、レンズ９０８と圧電要素９１０との間に配置される３つの整合層９０２、９０４および９０６を含む。別の実施形態は異なる数の整合層を含むことができる。例えば、一部の実施形態は整合層を２つのみ含んでよく、また、別の実施形態は４つ以上の整合層を含んでもよい。圧電要素９１０は、電気信号を、ターゲットのところに誘導される超音波に変換することができ、また、受信した超音波を電気信号に変換することができる。圧電要素９１０は前側９１２および後側９１４を画定するような形状である。本開示では、前側９１２は、レンズ９０８に向かって超音波が発せられる圧電要素９１０の側を含むように画定される。後側９１４は、前側９１２の反対側でレンズ９０８から離れる方を向く圧電要素９１０の側を含むように画定される。超音波変換器９００は、圧電要素９１０の後側９１４に接続される不整合層（ｄｅｍａｔｃｈｉｎｇ ｌａｙｅｒ）９１６と、不整合層９１６に取り付けられるフレックス（ｆｌｅｘ）９１８とを含む。圧電要素９１０は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）またはＰＺＴ複合材料のような圧電材料であってよい。別の実施形態によると、圧電材料には、ＰＭＮ−ＰＴなどの単結晶がさらに含まれてよい。超音波変換器９００はまた、後側整合層９２０、熱バッキング（ｔｈｅｒｍａｌ ｂａｃｋｉｎｇ）９２２およびヒートシンク９２４を含む。

一部の実施形態では、整合層９０２、９０４および９０６、圧電要素９１０、ならびに、レンズ９０８は、プレス機械を含む工具類によって供給される圧力などの圧力下で硬化するエポキシまたは別の接着材料を使用して一体に接着され得る。矢印９２７は、超音波変換器９００から伝達されるおよび超音波変換器９００で受信される超音波を描いている。受信された超音波は、ターゲットのイメージを生成するために超音波システムによって使用され得る。

整合層９０２、９０４および９０６は、超音波変換器９００から伝達される波のエネルギーを増大させるために圧電要素９１０とレンズ９０８との間に配置される。整合層９０２、９０４および９０６の各々はエポキシおよび１つまたは複数の異なる充填材で作られ得る。充填材は、一実施形態に従って整合層９０２、９０４および９０６の各々の音響インピーダンスを調整するのに使用され得る。図１０に示される実施形態は３つの整合層を含むが、別の実施形態はより少ない整合層または追加の整合層を有することもできる。例えば、別の実施形態は、図９に示される整合層９０２、９０４および９０６の代わりに、１つの整合層、２つの整合層、または、４つ以上の整合層を有することができる。

上で説明したように、３つの整合層９０２、９０４および９０６の各々の厚さは、超音波変換器９００の共振振動数における波長の１／４以下であってよい。しかし、別の実施形態では、整合層９０２、９０４および９０６は超音波変化器９００の共振振動数における波長の１／４より大きくてよい。例えば、整合層のうちの１つまたは複数は一実施形態では共振振動数における波長の約１／２であってよい。各整合層９０２、９０４および９０６の音響インピーダンスは、圧電要素９１０とレンズ９０８との間の音響インピーダンスの不整合を軽減するように選択され得る。整合層９０２、９０４および９０６により、圧電要素９１０とレンズ９０８との間での超音波の反射および／または屈折が減少する。レンズ９０８は約１．５ＭＲａｙｌの音響インピーダンスを有することができ、圧電要素９１０は３０ＭＲａｙｌの音響インピーダンスを有することができる。別の実施形態では、レンズ９０８は１．２ＭＲａｙｌから１．６ＭＲａｙｌまでの範囲のいずれかの音響インピーダンスを有することができ、圧電要素９１０は２０ＭＲａｙｌから４０ＭＲａｙｌまでの範囲のいずれかの音響インピーダンスを有することができる。第１の整合層９０２は１０〜２０ＭＲａｙｌの音響インピーダンスを有することができ、第２の整合層９０４は５〜１５ＭＲａｙｌの音響インピーダンスを有することができ、第３の整合層９０６は２〜８ＭＲａｙｌの音響インピーダンスを有することができる。

整合層９０２、９０４および９０６の各々は、整合層９０２、９０４および９０６の各々の間の境界で反射する波によって生じる弱めあう干渉を最小化するために所望の波長の約１／４以下であってよい。整合層９０２、９０４および９０６の各々は、例えば、銅、銅合金、中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、アルミニウム合金などの金属、充填されたエポキシ、ガラスセラミック、複合材セラミック、および／またはマコールを含んでよい。

一実施形態では、整合層９０２、９０４および９０６の音響インピーダンスは、整合層９０２、９０４および９０６の圧電要素９１０からの距離が増すにつれて減少していく。すなわち、第１の整合層９０２は第２の整合層９０４より高い音響インピーダンスを有することができ、第２の整合層９０４は第３の整合層９０６より高い音響インピーダンスを有することができる。１つの実施形態では、整合層９０２、９０４および９０６の各々は３０Ｗ／ｍＫを超えるような比較的高い熱伝導率を有することができる。

不整合層９１６は、レンズ９０８に伝達される超音波の力を増大させるために圧電要素９１０より高い音響インピーダンスを有する。一実施形態では、不整合層９１６は例えば炭化物合金などの金属で作られてよく、例示の一実施形態では４０ＭＲａｙｌから１２０ＭＲａｙｌの音響インピーダンスを有する。不整合層９１６の音響インピーダンスは、圧電要素を音響的に「クランプ」（ａｃｏｕｓｔｉｃａｌｌｙ “ｃｌａｍｐ”）して、ほとんどの音響エネルギーが圧電要素９１０の前側９１２から伝達されるように、比較的高くなっている。別の実施形態が、異なる材料から作られたりおよび／または異なる範囲から選択される音響インピーダンスを有したりする不整合層を使用することもできることを認識されたい。別の実施形態では、超音波変換器は不整合層を有さなくてもよい。

後側整合層９２０はフレックス９１８に取り付けられる。後側整合層９２０は一実施形態ではアルミニウムであってよいが、アルミニウム合金、銅、銅合金および別の金属を含む熱伝導性材料も使用され得る。

後側整合層９２０はフレックス９１８および不整合層９１６を介して圧電要素９１０に間接的に接続される。本開示では、「間接的に接続される」という表現は、１つまたは複数の追加の構造または構成要素を介して互いに接続される２つの構造を含むこととして定義される。一実施形態では、圧電要素９１０、不整合層９１６およびフレックス９１８は、伝導性添加物を有するエポキシなどの熱伝導性材料を用いて一体に接着され得る。熱は圧電要素９１０から不整合層９１６さらにはフレックス９１８を通って後側整合層９２０まで伝導される。一実施形態では、フレックス９１８は約１００μｍ未満のように比較的薄くてよい。フレックス９１８は絶縁性ポリイミド層と共に銅トレースを含む可能性があるが、フレックス９１８が薄いため、熱は不整合層９１６からフレックス９１８を通って後側整合層９２０まで効果的に移動する。以下では後側整合層９２０のさらなる詳細を説明する。

不整合層９１６は圧電要素９１０の後側から発せられる音響エネルギーの大部分を排除するが、一部の音響エネルギーは不整合層９１６、フレックス９１８および後側整合層９２０を通して伝達される可能性がある。この音響エネルギーを減衰させるために、超音波変換器９００は熱バッキング９２２を含む。熱バッキング９２２は、圧電要素９１０からの超音波を弱めることができるように比較的高い音波減衰性（ａｃｏｕｓｔｉｃ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ）を有する材料から作られる。例えば、熱バッキング９２２は二酸化チタンなどの充填材を有するエポキシで作られ得る。熱バッキング９２２は約２ｍｍの厚さであってよい。別の実施形態では、熱バッキング９２２は１ｍｍから２ｍｍの間の厚さであってよい。しかし、熱バッキング９２２は充填材を有するエポキシで作られる場合、比較的低い熱伝導率を有する傾向があり、例えば、二酸化チタンを有するエポキシの熱伝導率は一般に１０Ｗ／ｍ．Ｋ未満である。

ヒートシンク９２４は熱バッキング９２２に取り付けられ、アルミニウムまたはアルミニウム合金などの高い比熱容量を有する材料を含む。熱が熱バッキング９２２を通して効果的には伝導されないことから、後側整合層９２０は、圧電要素９１０の縁部を越えて延在する翼部９２６を含む。翼部９２６はヒートシンク９２４に接触するように折曲され得る。翼部９２６は、熱伝導性ジョイントを作るような熱伝導性エポキシ、はんだ、または任意の別の技術により、ヒートシンク９２４に接続され得る。本開示では、「熱伝導」という用語は、少なくとも１０Ｗ／ｍ．Ｋの率で熱を移動させる伝導性接続部を含むこととして定義される。しかし、伝導性接続部は好適には２０Ｗ／ｍ．Ｋを超える率で熱を移動させる。例示の実施形態では、後側整合層９２０は、ヒートシンク９２４に接触するような位置に達するように後側整合層９２０を折り曲げるのを容易にするために、後側整合層９２０の前側表面内に複数のノッチ９２８を含むことができる。

一実施形態では、描かれる層は、圧電要素９１０の複数の部分の間に電気的分離を形成するために、整合層９０２、９０４および９０６ならびに圧電要素９１０を通る複数の大きい切欠き（図示せず）を含むことができる。さらに、描かれる層は、水平方向の振動を効果的に減衰するために、整合層９０２、９０４および９０６ならびに圧電要素９１０の一部分を通過する複数の小さい切欠きを含むことができる。

図１０は図９に示される超音波変換器９００の斜視図である。図９および１０の間で共通の構成要素を示すのに共通の参照符号が示される。図１０は、ヒートシンク９２４に接触するように下方向に折曲される前の伸長位置にある翼部９２６を示している。図９の断面図は４つの翼部９２６のうちの２つのみを示している。図１０では、後側整合層９２０は明らかに４つの翼部９２６を含んでいる。図１０には座標軸９３０も示されている。図１０に示される実施形態は、超音波変換器９００からｘ軸の正方向および負方向の両方に延在しさらには超音波変換器９００からｙ軸の正方向および負方向の両方に延在する翼部９２６を含む。

別の実施形態の後側整合層は４つより少ない翼部を含んでもよい。例えば、一実施形態（図示せず）は翼部を２つのみ有する整合層を有することができる。実施形態が２つの翼部のみを有する場合、ダイシング処理中に翼部がいずれの切欠きにも実質的に平行になるように配置されることが有利である場合がある。すなわち、切欠きのダイシングがｙ方向である場合、圧電要素９１０のダイシングされない部分が圧電要素９１０から翼部９２６までの良好な熱的経路を提供できるように、ｙ軸の正方向および負方向に延在する翼部を有することが有利である場合がある。

図１０に示される実施形態などの、４つの翼部９２６を有する実施形態では、ダイシング処理中に作られるいずれの隙間も、熱伝導性であるが電気絶縁性であるＲＴＶまたはエポキシのような物質で充填されてよい。ダイシング処理中に作られる切欠きを充填することにより、熱が圧電要素９１０から後側整合層９２０を通ってヒートシンク９２４まで流れることが可能となる。超音波変換器９００が使用される前に図１０に示される翼部９２６がヒートシンク９２４に熱的に接続されることを当業者であれば認識されたい。さらに、別の実施形態が、ダイシング処理中に作られるいずれの切欠きに対しても実質的に垂直になるように配置される１つまたは複数の翼部を有してよいことを認識されたい。

図１１は超音波変換器９５０の層の断面図を描いている。図９に関連して上で説明した構成要素と実質的に同一である構成要素を示すのに共通の参照符号が使用される。上で説明した構成要素を再度詳細には説明しない。超音波変換器９５０は、圧電要素９１０の端部９５５を越えて延在する２つの部分９５４を含む後側整合層９５２を含む。熱伝導性シート９５６が各部分９５４をヒートシンク９２４に熱的に接続する。図９に示される実施形態と同様に、後側整合層９５２はヒートシンク９２４に熱を伝導するように構成される。後側整合層９５２は例示の実施形態ではアルミニウムまたはアルミニウム合金であってよい。熱伝導性シート９５６もアルミニウムまたはアルミニウム合金であってよい。熱伝導性シート９５６は後側整合層９５２に直接的に接続されるか、あるいは、熱伝導性のエポキシまたははんだなどの材料を用いて後側整合層９５２に接着されてよい。

特定の実施形態では、本明細書で説明される技術は、一次元リニアアレイ変換器、二次元変換器および／または環状アレイ変換器と併せて適用され得る。特定の実施形態では、本明細書で説明される技術は任意の幾何形状の変換器と併せて適用され得る。

図１２はシミュレーションデータを示すグラフを表している。グラフ９７０は、後側整合層を有さない従来の超音波変換器と、アルミニウムのバッキング上に２００μｍの後側整合層を有する一実施形態による超音波変換器との両方の、送受伝達機能（ｔｒａｎｓｍｉｔ／ｒｅｃｅｉｖｅ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を示している。従来の超音波変換器のプロットは線で示され、後側整合層を有する超音波変換器のプロットはドット付きの線で示される。２つのプロットが等しいスペクトルの部分は、グラフ９７０ではドット付きの線のみが示される。送受伝達機能は大部分の振動数にわたってほぼ等しい。送受伝達機能は１．５ＭＨｚから２．８ＭＨｚと、３．２ＭＨｚから４．５ＭＨｚとで区切られる。他のすべての振動数では、一実施形態による超音波変換器および従来の超音波変換器の送受伝達機能はグラフ９７０では見ることができない。一実施形態による変換器および従来の超音波変換器の送受伝達機能のグラフの相似性は、一実施形態による超音波変換器の音響性能が従来の超音波変換器の音響性能に非常に近いことを示している。このシミュレーションは、一実施形態による超音波変換器の音響性能が、後側整合層が介在しても妨害されないことを実証する。

図１３はシミュレーションデータを示すグラフを表している。グラフ９７５は、後側整合層を有さない従来の超音波変換器と、アルミニウムのバッキング上に２００μｍの後側整合層を有する一実施形態による超音波変換器との両方の、パルスエコーを示している。従来の超音波変換器のプロットは線で示され、後側整合層を有する超音波変換器のプロットはドット付きの線で示される。２つのプロットが等しいスペクトルの部分では、グラフ９７５ではドット付きの線のみが示される。従来の超音波変換器および一実施形態による超音波変換器の両方のパルスエコーはほぼ等しい。これらのパルスエコーは、約０．９ｓから１．１ｓの時間と、ちょうど１．２ｓから１．８ｓ近くの時間とにおいて異なっている。グラフ９７５上の他のすべての時間においては、従来の超音波変換器のパルスエコーおよび一実施形態による超音波変換器のパルスエコーはグラフ９７５上では区別することができない。これは、一実施形態による超音波変換器の音響性能が従来の超音波変換器に非常に類似すること、および、後側整合層が介在することが一実施形態による超音波変換器の音響性能を妨害しないことを示している。

本明細書の技術を適用することにより、音響性質および／または熱的特性が改善されるという技術的効果が得られる。例えば、変換器のレンズから離れるように熱を誘導することにより、パワーレベルを上げて変換器を使用することが可能となり、それにより信号品質およびイメージ品質が向上する。

本明細書で説明される本発明は、本明細書で説明される変換器に加えて、このような変換器を製造する方法にも及ぶ。

複数の実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更がなされ得また均等物が代用され得ることを当業者であれば理解するであろう。さらに、特定の状況および材料を本発明の教示に適合させるために、本発明の範囲から逸脱することなく多くの修正がなされ得る。したがって、本発明は開示される特定の実施形態のみに限定されないことが意図され、本発明は添付の特許請求の範囲内にあるすべての実施形態を含む。

１００ 従来の超音波変換器
１０２、９０８ レンズ
１０４、１０６ 整合層
１０８、３０８、９１０ 圧電要素
１１０、３１０ バッキング
１１２、９２７ 矢印
２００、３００、４００、５００、６００、９００、９５０ 超音波変換器
２０３、２０４、２０５、２０６、３０３、３０４、３０５、４０１、５０１、９０２、９０４、９０６ インピーダンス整合層
３１２ 大きい切欠き
３１４ 小さい切欠き
４０２、９２６ 翼部
４０３ ノッチ
５０２ シート
９１２ 前側
９１４ 後側
９１６ 不整合層
９１８ フレックス
９２０、９５２ 後側整合層
９２２ 熱バッキング
９２４ ヒートシンク
９３０ 座標軸
９５５ 圧電要素の端部
９５４ 圧電要素の端部を越えて延材する２つの部分
９５６ 熱伝導性シート

Claims (13)

1. 超音波変換器（９００）であって、
   前側（９１２）および後側（９１４）を画定する圧電要素（９１０）であって、電気信号を、ターゲットに向かうように前記前側（９１２）から伝達される超音波に変換するように構成されるとともに、受信した超音波を電気信号に変換するように構成される、圧電要素（９１０）と、
   前記圧電要素（９１０）の前記前側（９１２）に接続されるレンズ（９０８）と、
   前記圧電要素（９１０）の前記後側（９１４）に接続されるヒートシンク（９２４）と、
   前記圧電要素（９１０）と前記ヒートシンク（９２４）との間に配置される後側整合層（９２０）であって、前記圧電要素（９１０）および前記ヒートシンク（９２４）に熱的に接続され、前記後側整合層（９２０）が前記圧電要素（９１０）から前記ヒートシンク（９２４）に熱を伝導させるように構成される、後側整合層（９２０）と
   を含む超音波変換器（９００）。
2. 前記レンズ（９０８）が前記圧電要素（９１０）に間接的に接続される、請求項１記載の超音波変換器（９００）。
3. 前記後側整合層（９２０）が前記圧電要素（９１０）に間接的に接続される、請求項１記載の超音波変換器（９００）。
4. 前記後側整合層（９２０）が前記ヒートシンク（９２４）に間接的に接続される、請求項３記載の超音波変換器（９００）。
5. 前記後側整合層（９２０）が前記ヒートシンク（９２４）に直接的に接続される、請求項１記載の超音波変換器（９００）。
6. 前記レンズ（９０８）と前記圧電要素（９１０）との間に配置される第１の整合層（９０２）をさらに含み、前記第１の整合層（９０２）が第１の音響インピーダンスおよび３０Ｗ／ｍＫを超える熱伝導率を有する、請求項２記載の超音波変換器（９００）。
7. 前記第１の整合層（９０２）に取り付けられて前記第１の整合層（９０２）と前記レンズ（９０８）との間に配置される第２の整合層（９０４）をさらに含み、前記第２の整合層（９０４）が前記第１の音響インピーダンス未満の第２の音響インピーダンスを有する、請求項３記載の超音波変換器（９００）。
8. 前記圧電要素（９１０）と前記ヒートシンク（９２４）との間に配置される熱バッキング（９２２）をさらに含み、前記熱バッキング（９２２）が１０Ｗ／ｍ．Ｋ未満の熱伝導率を有する、請求項１記載の超音波変換器（９００）。
9. 前記圧電要素（９１０）および前記ヒートシンク（９２４）に取り付けられる熱伝導性シート（９５６）をさらに含み、前記熱伝導性シート（９５６）が前記圧電要素（９１０）から前記ヒートシンク（９２４）に熱を伝導するように構成される、請求項１記載の超音波変換器（９００）。
10. 超音波変換器（９００）であって、
    前側（９１２）および後側（９１４）を画定する圧電要素（９１０）であって、電気信号を、ターゲットに向かうように前記前側（９１２）から伝達される超音波に変換するように構成されるとともに、受信した超音波を電気信号に変換するように構成される、圧電要素（９１０）と、
    前記圧電要素（９１０）の前記前側（９１２）に接続されるレンズ（９０８）と、
    前記圧電要素（９１０）の前記後側（９１４）に接続されるヒートシンク（９２４）と、
    前記圧電要素（９１０）と前記ヒートシンク（９２４）との両方に接続される後側整合層（９２０）であって、前記圧電要素（９１０）の端部を越えて前記ヒートシンク（９２４）まで延在するように構成される翼部（９２６）を含み、前記圧電要素（９１０）から前記ヒートシンク（９２４）に熱を伝導するように構成される、後側整合層（９２０）と
    を含む超音波変換器（９００）。
11. 前記後側整合層（９２０）と前記ヒートシンク（９２４）との間に配置される熱バッキング（９２２）をさらに含み、前記熱バッキング（９２２）が前記圧電要素（９１０）からの超音波を弱めるように構成される、請求項１０記載の超音波変換器（９００）。
12. 前記翼部（９２６）および前記ヒートシンク（９２４）に取り付けられる熱伝導性シート（９５６）をさらに含む、請求項１０記載の超音波変換器（９００）。
13. 前記熱伝導性シート（９５６）がエポキシにより前記翼部（９２６）および前記ヒートシンク（９２４）に取り付けられる、請求項１２記載の超音波変換器（９００）。