KR102472295B1 - 초음파 변환기 - Google Patents

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노보사운드 엘티디
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Abstract

복수의 압전 초음파 변환기 소자를 제공하는 방법으로서, 압전 재료를 적층 부재를 형성하기 위해 기판의 시트의 표면의 적어도 일부 상에 제공하거나 증착하는 단계; 및 하나 이상의 압전 초음파 변환기 소자를 적층 부재로부터 형성하는 단계를 포함한다.

Description

초음파 변환기
본 발명은 초음파 변환기 장치 및 관련 시스템 및 방법에 관한 것이다.
초음파 파동을 이용한 분석은 특히 의료용 이미징과 같은 이미징뿐 아니라 비-파괴 검사(NDT)와 같은 분야, 특히 산업 NDT 분야에서와 같이 다양한 응용 분야에서 큰 가능성을 보여준다. 초음파 기술을 사용하는 치과 영상은 적절한 응용의 한 예이며, 초음파 영상은 예를 들어, 에나멜, 상아질 및 펄프, 치아의 층의 특성을 결정하는 데 사용될 수 있고 층의 두께와 그 안에 있는 모든 결함, 질 병 또는 기타 문제를 결정한다.
초음파 변환기는 샘플 (치아 또는 경질 재료)에 전달되는 초음파를 생성하고 샘플 층 사이의 계면(예를 들어, 에나멜과 상아질 사이 또는 상아질과 펄프 사이의 계면)에서 반사되는 초음파의 반사를 감지하고 작동할 수 있다. 비행 시간 및 다른 분석과 같은 기술을 사용함으로써, 샘플(예를 들어, 치아)의 층을 이미지화하여 샘플을 특징화할 수 있다. 이 응용 분야에서의 초음파의 적용은, 치아를 영상화하는 전통적인 기술은 방사선을 투여하는 의료 종사자 및 수혜자 모두에게 잠재적으로 해를 끼치고 방사성 물질의 안전하고 값비싸고 시간-소모적인 통제를 요구하는 엑스레이의 사용을 포함하기 때문에, 특히 유리하다.
종래의 초음파 변환기는 일반적으로 벌크 세라믹 재료로부터 형성되며, 이는 많은 비용이 들고, 부피가 크며 제조가 어렵고, 특히 많은 응용 분야에서 요구되는 형상 및 특성을 가지고 있다.
본 발명의 적어도 하나의 실시예의 적어도 하나의 측은 개선된 초음파 변환기 및 관련 시스템 및/또는 개선된 영상 진단 또는 검사 방법, 특히 의료 영상 방법 및 특히 치과 영상 방법 또는 대안적으로 산업적 비-파괴 시험 방법을 제공하는 것이다.
본문 내에 포함되어 있음.
본 발명의 제1측에 따르면, 초음파 변환기 소자와 같은 하나 이상의 (바람직하게는 복수의) 압전 부재 또는 소자를 제조하는 방법이 제공된다. 방법은 적층 부재를 형성하기 위한 예로서, 예를 들어, 기판의 시트, 기판의 적어도 일부 상에 압전 재료를 제공 또는 증착하는 단계를 포함할 수 있다. 압전 재료는 (예를 들어, 기판의 시트) 기판의 표면의 적어도 일부, 대부분 또는 전부를 덮도록 기판의 적어도 일부 상에 배치되거나 증착될 수 있다. 초음파 변환기 부재 또는 소자와 같은 예를 들어, 그 위에 제공되거나 증착된 압전 재료를 가진 기판(예를 들어, 기판의 시트), 적층 부재로부터 하나 이상의 압전 부재 또는 소자는 형성될 수 있다.
상기 방법은 예를 들어, 압전 재료 또는 기판 상에, 유전체 재료의 층을 제공 또는 증착하는 단계를 포함할 수 있다. 유전체 재료는 예를 들어, 기판의 유전체 재료의 다른 또는 대향 면 또는 표면, 표면의 적어도 일부 또는 전부 상에 제공되거나 증착될 수 있다. 유전체 재료는 중합체, 플라스틱 또는 SU8과 같은 에폭시일 수 있다. 유전체 재료는 1mm 미만의 두께를 가질 수 있다. 유전체 재료는 높은 전압 밀도를 가질 수 있다. 유전체 재료는 전기 절연체일 수 있다.
상기 방법은, 예를 들어 그 상에 제공되거나 증착된 압전 재료를 가진 (예를 들어, 기판의 시트) 기판, 적층 부재로부터 하나 또는 바람직하게는 복수의 형상 부분을 절단, 부착(stamp), 해제 및/또는 다르게는 형성하는 단계 중 하나 이상을 포함한다. 형상 부분은 변환기 소자일 수 있거나 형성할 수 있거나 그로부터 변환기 소자를 제조하기 위한 블랭크(blank)일 수 있거하 형성할 수 있다.
형상 부분 (예를 들어, 변환기 소자 또는 블랭크)은 활성 부분 및 활성 부분으로부터 돌출하는 적어도 하나의 탭을 포함할 수 있다. 활성 부분은 사용 중에 초음파 파동을 생성하도록 적응될 수 있다. 탭은 전기 연결기 또는 전극으로서 사용하기에 적합할 수 있다. 활성 부분은 적어도 부분적으로 원형 (탭과의 경계면을 제외하고), 타원형, 정사각형 또는 직사각형과 같은 사변형, 또는 다른 적절한 형상 부분일 수 있다. 탭은, 예를 들어 압전 재료에 의해 형성된 적층 부재의 표면으로부터, 압전 재료에 의해 형성된 적층 부재의 표면을 향해 구부러질 수 있다.
이러한 방식으로, 결과적인 압전 부재 또는 소자는 활성 부분 및 활성 부분에 대해 경사진 탭을 포함할 수 있다.
복수의, 예를 들어 다수의, 이러한 압전 부재 또는 소자는 기판 상에 증착된 압전 재료의 단일 시트로부터 제조될 수 있다. 압전 부재 또는 소자는 변환기 소자일 수 있거나 형성할 수 있고 또는 변환기 소자를 생산하는데 사용될 수 있는 블랭크 또는 구성성분일 수 있거나 형성할 수 있다. 이러한 방식으로, 다수의 압전 부재 또는 요소는, 예를 들어 시트 증착 및 절단 또는 부착 공정으로, 제조될 수 있다. 압전 부재 또는 소자는 순차적으로 변환기로 조립될 수 있다. 이러한 방식으로, 본 방법은 단일 증착 단계를 사용하여 복수 또는 심지어 많은 변환기 부재 또는 소자의 제조를 수반할 수 있다. 이로 인해 변환기를 저렴하고 쉽게 만들 수 있으며 생산 속도를 높일 수 있다. 이것은 압전 재료를 개별적으로 증착하여 개별 변환기를 형성하거나 단결정을 성장시키고 개별 변환기에 사용되는 단결정 방식과 대조를 이룬다. 단결정의 성장은 시간 소모적일 수 있다. 또한, 단결정을 사용하는 개별 변환기의 형성은 단결정이 예를 들어 고주파 변환기의 형성에 필요한 크기 및/또는 각도로 절단하기가 어려워 어려워 보일 수 있다. 개개의 변환기를 형성할 때 단결정을 사용하면 많은 양의 낭비를 초래할 수 있고 일반적으로 제조상 어려움을 초래할 수 있다.
본 발명의 제2측면에 따르면, 초음파 변환기를 조립하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 변환기 소자를 제공하거나 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 변환기 소자는 제1측면의 방법을 이용하여 형성될 수 있다. 상기 방법은, 예를 들어 변환기 소자를 적어도 부분적으로 형성하는, 기판의 적어도 일부 상에 압전 재료를 배치 또는 증착하는 단계를 포함할 수 있다. 기판은 초음파 변환기의 제1전극 또는 전기 연결기를 제공하도록 구성되거나 배치될 수 있다. 상기 방법은, 예를 들어 압전 재료, 변환기 소자에 적어도 하나의 제2전극 또는 전기 연결기를 연결하는 단계를 포함할 수 있다.
기판은 초음파 변환기의 제1전극 또는 전기 연결기를 제공하도록 구성되거나 배치될 수 있다. 상기 방법은 예를 들어 압전재료, 변환기 소자에 적어도 하나의 제2전극 또는 전기 연결기를 연결하는 단계를 포함할 수 있다.
적어도 하나의 제2전극의 측면 범위 또는 표면 영역(또는 결합된 측면 변위 또는 표면 영역)은 압전 재료의 측면 범위 또는 표면 영역보다 작을 수 있다. 변환기 소자와 접촉, 커플링(couple) 또는 본딩(bond) 또는 지지하는 하나 이상의 제2전극의 연결 영역 또는 연결 영역의 표면적 (예를 들어, 총 표면적 또는 전체 표면적)은 변환기의 표면적(또는 그의 압전 재료의)보다 적거나 실질적으로 작을 수 있다.
변환기 소자는 분리된 또는 이격된 접촉 영역 또는 그 표면의 부분 (예를 들어, 압전 재료의 표면)에서 지지, 커플링, 본딩 또는 접촉될 수 있다. 변환기 소자는 변환기 소자의 표면 전체 (예를 들어, 압전 재료의 표면)의 일부만에 걸쳐서 초음파 변환기의 하나 이상의 지지 구조에 의해 지지, 커플링, 본딩 또는 접촉될 수 있다.
상기 방법은 예를 들어, 압전 재료에, 변환기 소자에 복수의 제2전극 또는 전기 접촉부를 연결하는 단계를 포함할 수 있다. 각각의 제 2 전극의 측면 범위 또는 표면 영역 또는 복수의 제2전극의 전체의 또는 조합된 또는 측면 범위 또는 표면 영역은 예를 들어, 압전 재료의, 변환기 소자의 측면 범위 또는 표면 영역보다 작을 수 있다.
상기 방법은, 예를 들어 압전 재료에, 변환기 소자에 제2전극 또는 전기 연결기를 연결하기에 앞서, 예를 들어 기판 및/또는 압전 재료, 변환기 소자를 형성 또는 성형하는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 변환기 소자는 압전 재료 및/또는 기판의 시트의 부분으로부터 형성되거나 포함하거나 그 자체일 수 있다. 상기 방법은 압전 재료 및/또는 기판의 시트로부터 압전 재료 및/또는 기판의 부분을 해제 및/또는 절단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은 압전 재료 상에 추가의 배킹(backing) 소자를 배치하는 단계를 포함한다.
상기 방법은 기판, 압전 재료, 상기/각각의 제 2전극 또는 복수의 제2전극 및 추가의 배킹 소자 중 적어도 하나를 하우징 내에 배치하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은 하우징 내에 지연 재료의 적어도 일부를 배치하는 단계를 포함할 수 있다. 지연 재료의 적어도 일부는 하우징의 결합 소자와 기판 사이에 배치될 수 있다. 지연 재료는 장치에 의해 수신된 초음파 파동과 장치에 의해 생성된 초음파 사이의 시간 지연을 도입하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 제3측에 따르면, 초음파 변환기를 조립하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 기판을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 기판을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 압전 재료는 기판의 적어도 일부 상에 배치되거나 증착될 수 있다. 기판은 초음파 변환기의 제1전극 또는 전기 연결기를 형성하도록 구성되거나 배치될 수 있다. 상기 방법은 제2전극 또는 전기 연결기를 압전 재료에 연결하는 단계를 포함할 수 있다. 제2전극 또는 전기 연결기의 측면 범위 또는 표면 영역은 압전 재료의 측면 범위 또는 표면 영역보다 작을 수 있다.
본 발명의 제4측에 따르면, 물체를 영상화하는 초음파 변환기가 제공된다. 초음파 변환기는 물체의 생물의학적 영상화에 적합할 수 있다. 초음파 변환기는 치과용 응용분야에서 유용성을 발견할 수 있다. 예를 들어, 초음파 변환기는, 예를 들어 치아 구조, 치과 구조물의 영상 진단에 적합할 수 있다. 초음파 변환기는 비-파괴 검사에 사용하도록 구성될 수 있다.
초음파 변환기는 평편한, 박막 또는 적층된 변환기 소자일 수 있거나 포함할 수 있는 변환기 소자를 포함할 수 있다. 변환기 소자는 비-압전 기판과 같은 기판을 포함할 수 있다. 기판은 유연한 기판일 수 있다. 기판은 얇은 및/또는 단독으로 서있는 기판일 수 있다. 기판은 선택적으로는 필수적으로 필름 또는 호일일 수 있거나 포함할 수 있다. 기판은 전기 전도성 기판일 수 있다. 기판은 초음파 변환기의 제1전극 또는 전기 연결기를 형성하도록 구성되거나 배치될 수 있거나, 제1 전극 또는 전기 연결기에 전기적으로 연결될 수 있다.
변환기 소자는 압전 재료를 포함할 수 있다. 압전 재료는 기판의 전체 또는 적어도 일부 상에 배치되거나 증착될 수 있다. 기판 및 압전 재료는 적층된 변환기 소자의 층들에 포함될 수 있거나 포함하거나, 형성하거나 그 자체일 수 있다.
변환기 소자는 유전 재료의 층과 같은 유전 재료를 포함할 수 있다. 압전 재료는 압전 재료 상에 제공되거나 증착될 수 있다. 유전 재료는 예를 들어, 기판으로 유전 재료의 표면 또는 대향 면 또는 다른 면, 유전 재료의 표면 또는 측 또는 전부 또는 적어도 일부 상에 증착되거나 제공될 수 있다. 유전 재료는 변환기의 표면 안쪽 또는 바깥쪽 상에 증착되거나 제공될 수 있다. 유전 재료는 중합체, 플라스틱 또는 SU8과 같은 에폭시일 수 있다. 유전 재료는 1mm미만의 두께를 가질 수 있다. 유전 재료는 높은 전압 밀도를 가질 수 있다. 유전 재료는 전기 절연체일 수 있다.
변환기 소자는 제1측의 방법에 의해 적어도 부분적으로 생산될 수 있다. 초음파 변환기는 제2또는 제3측의 방법을 사용하여 적어도 부분적으로 조립될 수 있다.
초음파 변환기는 하나 이상의 제2전극 또는 전기 연결기를 포함할 수 있다. 하나 이상의 제2전극 또는 전기 연결기는 예를 들어 압전 재료, 변환기 소자에 연결, 커플링 또는 본딩될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 제2전극 또는 전기 연결기는, 예를 들어 전도성 에폭시 또는 다른 전도성 본딩 재료, 본딩 재료에 의해 (예를 들어, 압전 재료) 변환기 소자에 연결, 커플링 또는 본딩될 수 있다. 하나 이상의 제2전극 또는 전기 연결기는 변환기 소자를 적어도 부분적으로 지지하도록 구성될 수 있다.
변환기 소자와 접촉, 커플링 또는 본딩 또는 지지하는 하나 이상의 제2전극의 연결 영역 또는 연결 영역들의 표면적 (예를 들어, 전체 또는 조합된 표면적)은 변환기 소자(또는 그 압전 재료의)보다 작을 수 있다. 다시 말해서, 하나 이상의 제2전극 또는 전기 연결기의 측면 범위 또는 접촉 영역 (예를 들어, 총 측면 범위 또는 접촉 영역)은 변환기 소자의 측면 범위 또는 표면 영역보다 작을 수 있다. 제2전극 또는 전기 접촉부에 의해 지지 또는 접촉 또는 본딩 또는 커플링된 변환기 소자의 표면의 측면 범위 또는 표면적보다 작은 측면 범위 또는 표면적을 가지는 제2전극 또는 전기 접촉부를 제공함으로써, 변환기 소자에 제2전극의 본딩 또는 연결은 용이해질 수 있다. 또한, 변환기 소자에 의한 초음파 생성이 개선될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 이는, 예를 들어, 예로 사용 중인, 초음파 변환기에 의해 방출된 하나 이상의 초음파 파동의 집중을 가능하게 하기 위해, 다수의 제2전극이 변환기 소자에 연결되게 할 수 있다.
변환기 소자는 분리된 또는 이격된 접촉 영역 또는 그 표면의 부분(예를 들어, 압전 재료의 표면)에서만 지지, 커플링, 본딩 또는 접촉될 수 있다. 변환기 소자는 분리된 또는 이격된 접촉 영역 또는 그 표면의 부분(예를 들어, 압전 재료의 표면)에서만 지지, 커플링, 본딩 또는 접촉될 수 있다.
초음파 변환기는 하우징, 예컨대 변환기 소자, 기판, 압전 재료, 상기/각각의 제2전극 또는 복수의 제2전극 및 추가의 배킹 소자 중 적어도 하나를 수신, 지지, 및/또는 장착하기 위한 하우징을 포함할 수 있다. 하우징 또는 그 부분은 세라믹, 플라스틱 및/도는 폴리머로 제조될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 하우징 또는 기 일부는 금속 또는 금속 합금으로 제조될 수 있다. 하우징은 예를 들어, 하우징의 단부 내, 개구를 정의할 수 있다. 변환기 소자는 예를 들어, 하우징의 단부 또는 개구 둘레의 주변, 하우징에 장착 또는 본딩될 수 있다. 변환기 소자는 예를 들어, 하우징 내의 개구를 덮거나 및/또는 닫을 수 있기 위해 하우징 내의 개구 상에 매달릴 수 있다. 하우징은 상기 개구와 소통하는 공동(cavity), 챔버 또는 보어(bore)를 정의할 수 있다. 하나 이상의 제2전극 또는 전기 연결기는 하우징의 공동, 챔버 또는 보어 내에 부분적으로 배치될 수 있다.
하우징의 공동, 챔버 또는 보어는 겔 또는 수지와 같은 충전제가 제공되거나 충진될 수 있다. 충전제는 압전 재료의 응답에 영향을 미치지 않거나 무시할 정도로 작도록 구성될 수 있다.
초음파 변환기는 변환기 소자가 하우징 및/또는 하나 이상의 제2전극 또는 전기 연결기 및/또는 충전 재료에 의해 지지되도록 배치될 수 있다. 상기에서 언급된 초음파 변환기의 지지 구조는 하우징 및 하나 이상의 제2전극 또는 전기 연결기 중 하나일 수 있거나 또는 이들을 포함할 수 있다.
제2전극 또는 전기 연결기는 핀 또는 연장 전극 또는 전기 연결기일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 제2전극 또는 전기 연결기는 샤프트(shaft)를 포함할 수 있고 샤프트에 대체로 수직으로 또는 각도를 가질 수 있는 헤드를 포함할 수 있다. 제2전극은 배킹 소자를 포함하거나 형성할 수 있다. 제2전극 연결기는 배킹 소자에 연결될 수 있다. 제2전극 또는 전기 연결기 및/또는 배킹 소자는 압전 재료에 의해 생성된 초음파 파동을 감쇠시키도록 구성될 수 있다. 이는 과도한 진동을 감소시키고 공간적 초음파 펄스 길이가 감소되도록 하여 초음파 변환기의 해상도를 향상시킬 수 있다.
하나 이상의 제2 전극 또는 전기 연결기는 제2전극 또는 전기 연결기(예를 들어, 제2전극 또는 전기 연결기의 샤프트)의 적어도 일부가 압전 재료의 표면으로 실질적으로 수직인 방향으로 연장하도록 변환기 소자(예를 들어, 변환기 소자의 압전 재료) 상에 배치될 수 있다. 제2전극 또는 전기 연결기(예를 들어, 헤드)의 적어도 일부는 변환기 소자의 표면을 따라 또는 평행하게 연장될 수 있다. 제2전극 또는 전기 연결기의 헤드는 변환기 소자(예를 들어, 압전 재료 또는 배킹 소자)에 본딩될 수 있다.
초음파 변환기는 복수의 제2전극 또는 전기 연결기를 포함할 수 있다. 복수의 제2전극 또는 전기 연결기, 또는 각각의 제2전극 또는 전기 연결기는 변환기 소자(예를 들어, 압전 재료)에 연결되거나 본딩될 수 있다. 복수의 제2전극 또는 전기 연결기의 전체(예를 들어, 결합된) 측면 범위 도는 표면적은 변환기 소자(예를 들어, 압전 재료)의 측면 범위 또는 표면적보다 작을 수 있다. 복수의 제2전극 또는 전기 연결기는 제2전극 또는 전기 연결기의 어레이를 포함하거나 정의할 수 있다. 변환기 소자 상에 복수의 제2전극 또는 전기 연결기(예를 들어, 그의 압전 재료 상에)를 연결함으로써, 초음파 변환기에 의해 방출된 하나 이상의 초음파의 집중이 개선될 수 있다.
초음파 변환기는 추가의 배킹 소자를 포함할 수 있다. 배킹 소자 또는 추가의 배킹 소자는 변환기 소자의 하나 이상의 층을 형성할 수 있다. 추가의 배킹 소자는 압전 재료에 의해 생성된 초음파의 감쇠를 허용하도록 구성될 수 있다. 추가의 배킹 소자를 제공함으로써, 과도한 진동의 감소가 개선될 수 있으며, 이는 공간 초음파 펄스 길이가 감소되거나 및/또는 초음파 변환기의 개선된 해상도를 유도할 수 있다.
추가의 배킹 소자는 압전 재료상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 추가의 배킹 소자는 추가의 배킹 소자가 기판 및 압전 재료를 지지 하도록 압전 재료 상에 배치될 수 있다. 추가의 배킹 소자는 배킹 소자가 각각의 제2전극 또는 전기 연결기, 또는 복수의 제2전극 또는 전기 연결기를 둘러싸도록 압전 재료 상에 배치될 수 있다. 추가의 배킹 소자는 배팅 소자 및 제2전극 또는 복수의 제2전극이 서로에 대하여 동축으로 배치되도록 압전 재료 상에 배치될 수 있다.
추가의 배킹 소자는 단열재를 포함할 수 있다. 추가의 배킹 소자의 단열 재료는 배킹 소자가 열 차폐물로서 작용하도록 허용할 수 있다.
초음파 변환기는, 예를 들어 영상화되기 위한 물체를 결합하거나 접촉하기 위한 결합, 결합 소자를 포함할 수 있다. 결합 소자는 막을 포함할 수 있다. 결합 소자는 유연하거나 순응할 수 있다. 결합 소자는 중합체성일 수 있다. 예를 들어, 중합체 필름일 수 있거나 포함할 수 있다. 결합 소자는 하나 이상의 초음파(들)에 대해 투명할 수 있다. 결합 소자는 하우징의 단부 또는 제2하우징 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 결합 소자는 하우징 또는 제2하우징의 단부를 가로질러 배치될 수 있다. 예를 들어, 제2하우징은 하우징 상에 이동 가능하거나 미끄럼 가능하게 장착될 수 있고 이동 가능하거나 슬라이딩 가능하도록 구성될 수 있다.
변환기 소자, 상기/각각 제2전극 또는 복수의 제2전극 및 배킹 소자 중 적어도 하나는, 예를 들어 결합 소자 및 변환기 소자 사이의 거리가 변경되거나 조정될 수 있도록, 하우징 내에 또는 제2하우징에 대해 이동 가능하게 또는 슬라이딩 가능하게 배치될 수 있다.
초음파 변환기는 감쇠(damping) 재료를 포함할 수 있다. 감쇠 재료의 적어도 일부는 하우징, 제2하우징, 또는 하우징과 제2하우징 사이에 형성된 챔버 또는 체적 내에 배치될 수 있다. 예를 들어, 감쇠 재료의 적어도 일부분은 결합 소자와 변환기 소자(예를 들어, 변환기 소자의 기판) 사이에 배치될 수 있다. 감쇠 재료는 초음파 변환기에 의해 수신된 하나 이상의 초음파의 속도를 감소시키거나 변화시키도록 구성될 수 있다. 감쇠 재료는 변환기 소자에 의한 초음파의 생성과 초음파 변환기로부터의 초음파의 방출 사이의 시간 지연을 도입하도록 구성될 수 있다. 감쇠 재료는 예를 들어 초음파 변환기에 의해 생성된 하나 이상의 초음파(들)과 초음파 변환기에 의해 수신된 하나 이상의 초음파(들) 사이의 시간 지연을 도입하기 위해, 예를 들어, 영상화될 물체에 의해 반사된 하나 이상의 초음파(들) 사이에서 구별을 허용하도록 구성될 수 있다. 재료는 지연 라인으로 작동하도록 구성되거나 제공될 수 있다. 재료는 예를 들어 에폭시 또는 겔 타입 재료, 순응적 재료일 수 있거나 또는 그 재료를 포함할 수 있다. 이는, 예를 들어 변환기 소자가 결합 소자에 대해 미끄러지거나 움직일 때, 재료의 두께 따라서 지연 라인의 두께가 변하도록 허용할 수 있다.
초음파 변환기는 예를 들어 40 ~ 120 MHz (예를 들어, 치과용) 또는 1~10 MHz (예를 들어, NDT 애플리케이션 용) 0.001 내지 200MHz 범위의 주파수에서 하나 이상의 초음파를 방출하도록 구성될 수 있다. 변환기 소자는 초음파 변환기가 예를 들어 사용 중에 40 내지 120MHz, 0.001 내지 200MHz의 주파수를 포함하는 하나 이상의 초음파(들)을 방출하도록 구성 및/또는 배치될 수 있다. 압전 재료는 약 2 내지 8 μm의 두께를 가질 수 있다. 기판은 약 15 내지 60 μm의 두께를 가질 수 있다.
기판은, 예를 들어 금속 호일, 금속 기판 일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 기판은 유연한 및/또는 전도성 기판일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 유연한 기판은 변환기 소자, 예를 들어 기판 및/또는 압전재료는 비-평면 또는 곡면으로 성형되도록, 예를 들어 하나 이상의 초음파(들)의 집중을 맞출 수 있도록, 할 수 있다. 기판은 알루미늄 또는 구리 기판일 수 있거나 이를 포함할 수 있다.
압전 재료는 무기 재료일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 압전 재료는 결정질 또는 다결정 재료일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 압전 재료는 비-중합체일 수 있다. 압전 재료는 압전 특정을 가지는 재료의 연속 층일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 압전 재료는 비-압전 재료의 매트릭스 내에 압전 특성을 갖는 압전 재료의 이산 도메인을 포함하지 않을 수 있다. 압전 재료는 산화 아연(ZnO) 또는 질화 알루미늄(AIN)일 수 있거나 이를 포함할 수 있다.
본 발명의 제5측에 따르면, 제4측의 초음파 변환기와 같은 초음파 변환기와 인터페이싱하기 위한 장치가 제공된다. 장치는 초음파 변환기에 연결되거나, 커플링되거나 연결 가능하거나 커플링 가능할 수 있다. 장치는 초음파 변환기의 여기(excitation)를 위한 소스 및 초음파 변환기로부터 신호를 수신하기 위한 수신기에 연결되거나 커플링되거나 연결가능하거나 커플링가능할 수 있다. 장치는 초음파 송수신기와 소스 및 수신기 사이에 연결, 커플링되거나 연결가능하거나 커플링가능할 수 있다.
장치는 초음파 변환기의 상응하는 전기적 특성(예를 들어, 임피던스)이 초음파 변환기의 여기 또는 초음파 변환기로부터의 신호를 수신하기 위한 소스의 상응하는 전기적 특성과 일치하거나 상응하도록 장치의 전기적 특성(예를 들어, 임피던스)를 조정 또는 선택하도록 구성될 수 있다. 전기적 특성은 임피던스이거나 임피던스를 포함할 수 있다.
장치는 제1구성을 포함할 수 있다. 제1구성에서, 장치는 변환기의 임피던스와 수신기의 임피던스 사이의 임피던스 정합을 제공하기 위해 장치의 임피던스를 조정 또는 선택하도록 구성될 수 있다.
장치는 제2구성을 포함할 수 있다. 제2구성에서, 장치는 변환기의 임피던스와 수신기의 임피던스 사이의 임피던스 정합을 제공하기 위해 장치의 임피던스를 조정 또는 선택하도록 구성될 수 있다.
장치는 제1구성과 제2구성 사이에서 스위칭 가능하거나 작동 가능하도록 구성될 수 있다. 장치는 스위치 부재 예를 들어 게이트(gate) 또는 게이트 회로를 포함할 수 있다. 스위치 부재는 제1구성 및 제2구성 사이에서 장치를 작동 또는 스위치하도록 구성될 수 있다.
장치는 제1 조정 시스템을 포함할 수 있다. 제1 조정 시스템은 임피던스 또는 임피던스 네트워크일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 제1 조정 시스템은 스위치 부재에 포함될 수 있거나, 이에 연결 가능하거나 연결될 수 있다. 제1 조정 시스템은 소스 및/또는 초음파 변환기의 전기적 특성을 대응시키거나 일치시키도록 예를 들어 초음파 변환기 및 소스에 임피던스 정합시키기 위해, 예를 들어 장치가 제1구성에 있을 때, 장치의 전기적 특성을 제공하기위해 구성될 수 있다. 제1구성에서, 제1 조정 시스템은 소스와 초음파 변환기 사이의 전기 전도 경로에 제공되거나 스위칭될 수 있다.
장치는 제2 조정 시스템을 포함할 수 있다. 제2 조정 시스템은 제1 조정 시스템과 상이한 임피던스를 가질 수 있는 임피던스 또는 임피던스 네트워크일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 제2 조정 시스템은 스위치 부재에 포함되거나, 연결가능하거나 연결될 수 있다. 제2 조정 부재는, 예를 들어 장치가 제2구성에 있을 때, 예를 들어 초음파 변환기와 수신기를 임피던스 정합시키기 위해, 수신기 및/또는 초음파 변환기의 전기적 특성에 상응하거나 일치하도록 장치의 전기적 특성을 제공하도록 구성될 수 있다. 제2구성에서, 제2조정 시스템은 초음파 변환기 및 수신기 사이의 전기 전도 경로에 제공되거나, 이로 스위칭될 수 있다.
본 발명의 제6측에 따르면, 초음파 변환기 장치와 함께 사용하기 위한 시스템이 제공된다. 시스템은 초음파 변환기와 인터페이싱하기 위한 장치를 포함할 수 있다. 장치는 제5측에 따른 장치일 수 있거나 이를 포함할 수 있다.
배치는 소스, 예를 들어 초음파 변환기의 여기를 위한 소스를 포함할 수 있다. 소스는 장치에 연결되거나 이에 연결될 수 있다.
장치는 수신하기 위한 수신기, 예를 들어 초음파 변환기로부터 신호를 수신하기 위한 수신기를 포함할 수 있다. 수신기는 장치에 연결 가능하거나 연결될 수 있다.
소스 및 수신기는 초음파 변환기와 인터페이싱하기 위한 장치를 통해 초음파 송수신기에 연결되거나 연결 가능할 수 있다.
본 발명의 제7측에 따르면, 초음파 변환기 시스템이 제공된다. 시스템은 제4측에 따른 초음파 변환기 장치를 포함할 수 있다. 시스템은 제5측에 따른 초음파 변환기 장치와 함께 사용하기 위한 시스템을 포함할 수 있다. 초음파 변환기 장치와 함께 사용하기 위한 시스템은 초음파 변환기에 연결되거나 연결 가능할 수 있다.
본 발명의 제8측에 따르면, 물체를 영상화하는 방법이 제공된다. 물체는 예를 들어 치아, 치과 구조물일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 방법은, 예를 들어 물체를 영상화 하기 위해, 물체에 대해 초음파 변환기를 위치시키는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 비-파괴 검사를 포함하거나 포함할 수 있다. 초음파 변환기 장치는 제4측에 따른 초음파 변환기일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 방법은 초음파 변환기를 사용하여 물체를 영상화하는 단계를 포함할 수 있다.
사용의 단계는 초음파 변환기로부터 하나 이상의 초음파(들)를 물체로 향하게 하는 단계를 포함할 수 있다. 사용의 단계는 초음파 변환기에 의해 대상 또는 그 일부분에 의해 반사된 하나 이상의 초음파(들)을 수신하는 단계를 포함할 수 있다.
방법은 물체로부터 수신된 하나 이상의 초음파에 기초하여 물체의 이미지를 구성 및/또는 기록하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은, 예를 들어 에나멜 및 상아질 사이 및/또는 상아질과 치아 사이의 경계면으로부터, 물체의 층들 사이의 하나 이상의 층들 또는 인터페이스로부터 수신된 하나 이상의 초음파들에 기초하여 물체의 이미지를 구성 및/또는 기록하는 단계를 포함할 수 있다.
방법은, 예를 들어 오목한 변환기 소자, 예를 들어 선택된 제2전극 또는 전기 접촉부에 구동 전류 또는 전위를 적용하거나 상이한 제2전극 또는 전기 접촉부에 상이한 구동 전류 또는 전위를 선택적으로 적용함에 의해 및/또는 곡선형 또는 비-평면형 변환기 소자를 제공함에 의해, 초음파 변환기로부터 지향된 초음파를 집중하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 임의의 측에 따라 위에 또는 본 발명의 임의의 특정의 실시예와 관련하여 아래에 정의된 특징은, 단독으로 또는 다른 정의된 특징과의 조합으로 또는 본 발명의 다른 측 또는 실시예에서 이용될 수 있음이 이해되어야 한다.
본문 내에 포함되어 있음.
본 발명의 적어도 하나의 실시예는 첨부 도면을 참조하여, 예로서만 설명되지 않을 것이다:
도 1은 초음파 변환기의 사시도를 도시한다;
도 2는 도 1의 초음파 변환기의 측면도를 도시한다;
도 3은 도 1 및 도 2의 초음파 변환기의 다른 측면도를 도시한다;
도 4는 도1 내지 도3의 초음파 변환기의 상부 단면도를 도시한다;
도 5는 도 3의 A-A로 표시된 평면을 통한 단면도를 도시한다;
도 6a 내지 도 6d는 도1 내지 도5의 초음파 변환기의 초음파 소자를 형성하기 위한 블랭크의 제조를 도시한다;
도 7은 도6의 블랭크로부터 초음파 소자의 형성을 도시한다;
도 8은 도6의 블랭크로부터 형성된 변환기 소자의 사시도를 도시한다;
도 9는 도 8의 변환기 소자의 측면도를 도시한다;
도 10은 도 1 내지 도5의 초음파 변환기에 사용하기 위한 도 8 및 도 9의 변환기 소자 및 핀을 포함하는 어셈블리를 도시한다;
도 11은 도 8 및 도 9의 변환기 소자와 복수의 핀을 포함하는 대안적인 어셈블리를 도시한다;
도 12(a)는 도 1 내지 도 5의 초음파 변환기의 사시도를 도시한다;
도 12(b)는 대안적인 초음파 변환기의 정면 사시도를 도시한다;
도 12(c)는 도 1 내지 도 5의 초음파 변환기의 정면 사시도를 도시한다;
도 13은 도 1 내지 도 5의 초음파 변환기에 대한 주파수에 따른 손실의 변화를 도시한다;
도 14는 도 1 내지 도 5의 초음파 변환기에 대한 주파수에 따른 임피던스 변화를 도시한다;
도 15는 변환기 소자의 압전 코팅의 두께와 관련된 공진 주파수에서 작동될 때 도 1 내지 도 5의 초음파 변환기에 대한 등가 회로를 도시한다;
도 16은 변환기 소자의 압전 코팅의 두께와 관련된 공진 진동수 이외의 주파수에서 "오프 공진"으로 작동될 때 도 1 내지 도 5의 초음파 변환기에 대한 등가 회로를 도시한다;
도 17은 도 1 내지 도 5의 초음파 변환기와 같은 초음파 변환기를 작동시키기 위한 작동 회로의 개략도를 도시한다; 및
도 18은 도 1 내지 도 5의 초음파 변환기의 변환기 소자를 형성하는데 사용하기 위한 대안적인 블랭크를 도시한다.
이하의 설명 전체에 걸쳐, 동일한 참조 번호는 동일한 부분을 식별하는데 사용될 것이다.
도 1 내지 도 5는 공동 (15)을 정의하는 중공형 부재 형태 내 지지부(10)를 포함하는 초음파 변환기(5)를 도시하며, 지지부(10)가 변환기 소자(20)를 지지한다. 변환기 소자(20)는 지지부(10)의 일 단부 상에 장착되고 일 단부에서 공동(15)을 폐쇄하도록 공동(15)의 개구 위로 연장되는 활성 부분(25)을 포함한다. 변환기 소자(20)는 활성 부분(25)와 함께 제공되는 지지부(10)의 단부로부터 말단에 있는 지지부(10)의 단부까지 지지부(10)의 외면을 따라 활성 부분(25)로부터 연장하는 연결 부분(30)을 더 포함한다.
도 1 내지 도 5에 도시된 특정 예에서, 지지부(10)는 세라믹 재료로 형성된 중공 원통형 튜브의 형태이고 변환기 소자(20)의 활성 부분(25)은 일반적으로 원형이고 지지부(10)의 단부와 정합하는 크기이다. 연결 부분(30)은 활성 부분(25)로부터 연장되고, 이에 대체로 수직인 탭 형태이다. 연결 부분(30)은 전극으로서 기능하고, 변환기 소자(20)의 접지 전극에 연결된다. 그러나, 다른 배치, 예를 들어, 지지부(10)의 형상, 크기, 및/또는 구성 및 변환기 소자(20)가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 지지부(10)는 직사각형 또는 박스 섹션 또는 다각형 프리즘 또는 타원형 프리즘의 형태일 수 있고 변환기 소자(20)의 활성 부분(25)은 지지부(10)의 단부 또는 그 내부의 공동, 예를 들어 정사각형, 직사각형 또는 기타 다각형 또는 타원형에 대응하는 임의의 다른 적절한 형상 또는 형상일 수 있다.
초음파 변환기(5)는 공동(15) 내에 제공되는 하나 이상의 핀(31)을 구비한다. 도 1 내지 도 5의 예에서, 단지 하나의 핀(31)만 제공되지만, 복수의 핀(31), 예를 들어 핀(31)의 어레이가 제공될 수 있음이 이해될 것이다. 핀(31)은 길게 늘어지고, 핀(31)의 긴 방향은 대체로 지지부(10) 내의 공동(15)의 종 방향으로 연장된다. 핀(31)은 바람직하게는 금속성(반드시 그럴 필요는 없다)이다. 본 예에서, 핀(31)은 샤프트(32) 및 헤드(33)를 포함한다. 예를 들어, 평평한 헤드를 포함하고, 헤드(33)는 샤프트(32)에 대체로 수직으로 연장한다. 핀(31)의 헤드(33)는 예를 들어 전도성 에폭시 또는 다른 적절한 접착제 또는 결합제에 의해 형성된 전기 전도성 본드(34)를 통해 변환기 소자(20)의 활성 부분(25)에 본딩된다. 핀(31)은 변환기 소자(20)에 대한 전극으로서 작용하고 연결 부분(30)에 의해 형성된 전극과 함께 변환기 소자(20) 양단에 전위차를 제공/수신하기 위한 전극 쌍으로서 작용한다.
변환기 소자(20)의 활성 부분(25)의 이산된 부분만이 직접적으로 지지되고, 변환기 소자(20)의 활성 부분(25)의 전체 아니라 일부 영역만 지지부(10)의 단부 또는 하나 이상의 핀(31), 및 적어도 부분과 같은 니니 부재에 의해 접촉된다. 예를 들어, 압전 소자(20)의 활성 부분(25)의 10%, 30%, 55% 이상이 지지부(10) 또는 핀(31)에 의해 접촉되지 않은 채 남겨진다(공동(15)내에 제공된 젤 또는 수지, 바람직하게는 초음파적으로 투명한 겔 또는 수지와 같은 적절한 지지 부재에 의해 지지됨에도 불구하고).
변환기 소자(20)의 활성 부분(25)은 압전 재료(36)와 함께 제공된다. 특히, 변환기 소자(20)는 전기 전도성 지지층(37)의 표면 상에 제공된 압전 재료(36)의 층으로부터 형성된 복합 평면의 층형 박막 변환기 소자(20)이다. 특히 바람직한 실시예에서, 압전 재료(36)의 층은 산화 아연(ZnO)의 층을 포함하고, 지지층(37)은 전기 전도성 필름 또는 호일, 바람직하게는 알루미늄 호일과 같은 금속 필름 또는 호일을 포함한다. 압전 재료(36)의 층은 압전 특성을 제공하는 반면, 지지층(37)은 압전 재료(36)의 얇은 층을 지지하고 변환기 소자(20)의 공진 특성을 변경시킨다. 압전 재료(36)의 얇은 층은 일반적으로 지지층(37)보다 훨씬 얇다. 예를 들어, 압전 재료(36)의 얇은 층은 2 내지 20 μm 두께 사이, 바람직하게는 2 내지 8 μm 두께 사이, 예를 들어 4 내지 6 μm 두께일 수 있다. 예를 들어, 지지층(37)은 30 내지 200 μm 두께 및 바람직하게는 40 내지 80 μm 두께일 수 있다. 예로서, 지지층(37)은 압전 재료(36)의 층보다 2 내지 20배, 예를 들어 8 내지 12배, 더 두꺼울 수 있다. 층형 박막 변환기 소자(20)는 층형 박막 구조를 형성하기 위한 임의의 적합한 방법에 의해 형성될 수 있지만, 압전 재료(36)의 층을 지지층(37) 상에 코팅 및 특히 스퍼터(sputter) 코팅하는 것이 바람직하다. 일부 실시예에서, ZnO는 선택적으로 결정질이며, 주상 구조 및 바람직한 (002) 배향이다.
변환기 소자(20)는 압전 재료(36)가 지지층(37)에 대해 변환기 소자(20)의 내측 또는 공동측에 있고 지지층(37)이 압전 재료(36)의 바깥쪽에 있도록 배치된다. 예시적인 배치에서, 압전 재료(37)는 후방 전극을 형성하기 위해 크롬 층 및/또는 금 층과 같은 전도성 코팅을 구비한다. 이러한 방식으로, 전위는 핀(31) 및 전기 전도성 본드(34)를 통해 변환기 소자(20) / 압전 재료(36)에 적용되거나 변환기 소자(20)로부터 수신될 수 있다. 대안적인 배치에서, 변환기 소자는 연결 부분(30)을 포함할 필요가 없고 다른 형태의 연결 부분, 예를 들어, 전도성 지지층(37)과 접지 또는 기준 전압 사이에 전도성 경로를 제공하기 위해 와이어 또는 전도성 페인트가 사용될 수 있다.
지지부(10) 및 변환기 소자(20)는 선택적으로 중공 지연 라인 하우징(35) 내부에 제공된다. 중공 지연 라인 하우징(35)은 유연한 막(40)의 한 단부에 폐쇄된다. 지연 라인 챔버(45)는 막(40), 중공 지연 라인 하우징(35)의 내벽의 일부 및 변환기 소자(20)의 활성 부분(25)에 의해 정의되도록 막(40)은 변환기 소자(20)의 활성 부분(25)으로부터 이격되고 직면한다. 지연 라인 챔버(45)는 지연 라인으로서 기능하도록 초음파의 전파를 지연시키거나 느리게 하는 겔 또는 다른 적절한 재료로 채워질 수 있다. 지연 라인의 지연 특성은, 예를 들어 지연 라인 챔버(45)의 치수들을, 특히 변화기 소자(20)의 활성 부분(25)과 막(40) 사이의 간격 및/또는 지연 라인 챔버(45) 내에 제공되는 겔 또는 다른 물질의 유형, 밀도, 압력 또는 다른 특성을, 변화시킴으로써, 선택 가능하거나 선택적으로 사용시 가변적일 수 있다. 지지부(10) 및 변환기 소자(20)는 중공 지연 라인 하우징(35) 내에 선택적으로 활주 가능하게, 이동 가능하게 및/또는 제거 가능하게 장착되거나, 다른 실시예에서는 중공 지연 라인 하우징(35) 내에 고정될 수 있다. 전술한 지연 라인 배치는 유리하게도 송신 및 수신 신호의 분리를 용이하게 하지만, 필수적이지는 않다는 것을 이해할 것이다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 변환기 소자(20)는 예를 들어 적층된 시트 또는 롤(38)을 형성하기 위한 스퍼터 코팅 또는 다른 적합한 코팅 기술에 의해 전도성의 지지층(37) (예를 들어 알루미늄 호일)의 표면 상에 압전 재료(36) (예를 들어, ZnO)를 코팅함으로써 형성될 수 있다. 압전 재료(36)는 적층된 시트 또는 롤(38)의 측면 프로파일을 도시하는 도 6b에 도시된 바와 같이, 기판(37) 상에 박막을 형성한다. 그 후에, 도 6c와 도 6d에 도시된 바와 같이, 압전 재료(36)로 코팅된 지지층(37)의 블랭크(50)가 절단되거나 펀칭(punched out)될 수 있으며, 도 6c는 시트 또는 롤(38)에서 절단된 블랭크(50)를 도시하는 반면, 도 6d는 일단 시트 또는 롤(38)로부터 분리된 개별 블랭크(50)를 도시한다. 블랭크(50)는 활성 부분(25)이 될 부분(55) 및 연결 부분(30)이 될 탭 부분(60)을 포함한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 탭 부분(60)은, 예를 들어 도 8 및 도9에도시된 바와 같이, 활성 부분(25)이 될 부분(55)에 대해 구부러지거나 대체로 직각을 이룰 수 있다.
이러한 방식으로, 복수의 블랭크(50)가 단지 하나의 압전 재료(36) 증착 프로세스 또는 단계를 사용하여 제조될 수 있음을 이해할 것이다. 블랭크(50)는 변환기 소자(20)로 형성될 수 있기 때문에, 단일 압전 재료(36) 증착 프로세스 또는 단계를 사용하여 단일 시트 또는 롤(38)로부터 많은 변환기 소자(20)들이 형성될 수 있다. 또한, 시트 또는 롤을 사용한느 상기 방법은 저가의 대량 제조 기술이 사용될 수 있게 한다. 이로써 변환기(5)를 보다 저렴하고 신속하며 대량 생산이 가능하다.
도 10에 도시된 바와 같이, 핀(31)의 헤드(33)는 본드(bond)(34) (예를 들어, 전도성 에폭시)를 사용하여 활성 부분(25)이 될 부분(55)에 본딩된다. 도 1 내지 도10에 도시된 초음파 변환기(5)의 실시예가 단일 핀(31)만을 가지지만, 대안적인 실시예에서는 다수의 핀(31)이 제공될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 이 경우에, 도 11에 도시된 바와 같이, 각각의 핀(31)은 다른 핀들(31)로부터 이격되어 전도성 본드(34)를 통해 변환기 소자(20)의 활성 부분(25)의 압전 재료(36)에 본딩된다. 활성 부분(25)의 일부 영역은 핀(31) 또는 지지부(10)에 접촉되거나 직접 지지되며, 핀(31)과 지지부(10) 사이의 활성 부분(25)의 일부 영역은 부유하거나 자유롭게 남는다. 선택적 실시예에서, 압전 재료(36)에 의해 경계가 정해지고 핀(31)의 부분 둘레의 체적은 선택적으로 유연하고, 변형 가능하고 및/또는 잘 휘어지는 재료 (예를 들어, 유전체)를 구비한다.
변환기 소자(20)의 활성 부분(25)은 세라믹 지지부(10)의 단부 상에 위치되고 지지부에 본딩된다. 예를 들어, 압전 재료(36) 또는 그 위에 제공된 코팅이 지지부(10)의 단부에 본딩되고, 연결 부분(30)은 지지부(10)의 외 측면에 인접하여 상방으로 연장되도록 배치된다.
막(40)은 지연 라인 하우징(35)의 단부에 본딩되고, 겔은 지연 라인 챔버(45) 내에 제공된다. 지지부(10) 및 변환기 소자(20) 어셈블리의 적어도 일부 또는 전부는 변환기 소자(20)의 활성 부분(25)이 막(40)과 대면하지만 변환기 소자(20)를 형성하도록 막(40)으로부터 이격되도록 지연 라인 하우징(35) 내의 지연 라인 챔버(45) 내로 제공된다.
변환기(5,5')의 변환기 소자(20,20')의 추가적인 변형이 가능하다. 예를 들어, 평탄한 활성 부분(25)을 갖는 변환기 소자(20)가 도 12(a) 및 12(c)에 도시되어 있다. 그러나, 도 12(b)에 도시된 바와 같이, 곡선형 또는 오목형 활성 부분(25')을 갖는 변환기 소자(20')가 대신 제공될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 이 경우의 활성 부분(25')의 만곡부는, 치아 또는 다른 치과 영상의 층 또는 구조를 분석하는 것과 같은 깊이 영상 및 다른 그러한 분석에 유용한 변환기(5)에 의해 생성된 초음파를 집중한다. 핀(31)의 어레이는 곡선 형태로 활성 부분(25')을 유지하는 것을 돕기 위해 추가적인 지지를 제공할 수 있다. 선택적으로, 일부 에폭시 또는 전도성 에폭시 또는 다른 적합한 재료는 곡선 형상 또는 오목 형상의 활성 부분(25')을 유지하기 위해 활성 부분(25') 상에 제공될 수 있다.
곡선 형상 또는 오목 형상은, 예를 들어, 공동(15) 내에 에폭시와 같은 지지체 재료를 제공함으로써 선택적으로 유지될 수 있고, 그 후 제거되어 곡선 형상 또는 오목 형상의 활성 부분(25')을 남기는, 곡선 형상을 형성하기 위해 볼 또는 베어링과 같은 곡선된 포머(former)를 사용함으로써, 제조 중에 형성될 수 있다. 이러한 배치가 유리하게는 집중된 빔을 제공하지만, 활성 부분(25')의, 예를 들어, 고 분산 또는 발산 초음파가 필요한 적용을 위해 볼록한, 다른 형상 또는 기하학적 구조가 고려된다.
빈도에 따른 손실의 변화는 도 13에 도시된다. 변환기 소자(20)의 활성 부분(25)의 공진 주파수에서 최소 손실이 얻어지는 것을 볼 수 있다. 그러나, 변환기 소자(20)의 활성 부분(25)이 매우 얇은 필름이기 때문에, 이 공진 주파수는 치과 및 기타 의료 영상과 같은 많은 응용 분야에서 요구되는 것보다 높은 경향이 있다. 예를 들어, 압전 재료(36)의 두께로 인한 공진 주파수는 200MHz 내지 GHz 레벨일 수 있는 반면, 더 낮은 주파수, 예컨대 0.001 내지 200MHz, 예컨대 20 내지 100MHz, 예를 들어 40 내지 120 MHz는 많은 의료 영상 응용분야, 특히 치아 영상을 위한 치과 영상 분야에서 선호된다. 예를 들어 비파괴 검사(NDT)에서 1~10 MHz 범위의 주파수가 선호될 수 있다. 도 14에서 알 수 있는 바와 같이, 이러한 유용한 "오프-공진" 주파수에서 박막 변환기(5)의 임피던스는 공진 주파수보다 상당히 높을 수 있다.
이것은 도 15에 도시된 바와 같이, 공진 주파수 (소위 두께 모드)에서 동작될 때 초음파 변환기(5)에 대한 등가 회로에 의해 설명될 수 있으며, 도 16에 도시된 바와 같이, 오프-공진 동작을 위한 등가 회로와 비교된다. 오프-공진인 경우, 초음파 변환기(5)는 일반적으로 오프-공진 저항(ROR)과 일련의 커패시턴스(Cp)와 대체적으로 등가적이다. 그러나, 변환기 소자(20)의 공진 주파수에서 사용될 때, 초음파 변환기(5)는 도 15에 도시된 바와 같이, 두께 모드 저항 RTM 및 인덕턴스 L와 차례로 일련에 있는 다른 커패시턴스 CS와 평행한 "오프-공진"의 경우로부터의 커패시턴스 Cp 와 더 동일하게 작동한다. 도 13 및 도 14에 알 수 있는 바와 같이, 변환기 소자(20)의 공진 주파수에서의 동작은 보다 낮은 손실을 초래한다. 치과 영상화에 가장 유익한 주파수에서의 작동, 예를 들어 40 내지 120 MHz,은 공진 주파수에서의 동작에 비해 매우 높은 임피던스를 초래한다. 공진시 초음파 변환기(5)에 대한 기계적 및 전기적 전달은 작동이 오프 공진인 경우보다 훨씬 효율적이다. 이를 해결하는 한 가지 방법은 높은 슬루(slew)율 회로를 사용하여 변환기(5)를 작동시키는 것일 수 있다.
전술한 변환기 소자(20)의 구성에 따라, 지지층(37) (예를 들어, 알루미늄 호일)의 n
Figure 112019058598841-pct00001
/2 공진이 우세한 효과를 가지며, 동작 주파수는 지지층(37)에서 n
Figure 112019058598841-pct00002
/2 공진에 기여되는 제1 및 제2 배음에 대응한다. 따라서 변환기 조사의 공진 주파수는 지지층(37)의 두께와 같은 요인들에 의해 및 지지층(37) 상에 코팅된 압전 재료(36)의 두께에 의해 어느 정도 영향을 받는다. 그러나 내구성, 가공성 및 건설 용이성과 같은 다른 고려 사항도 이러한 구성 요소의 두께 선태에 영향을 미치므로, 종종 변환기 소자(20)를 "오프 공진", 즉 변환기 소자(20)의 공진 주파수의 영역이 아니라, 특히 특정 의료 영상 응용 분야, 바람직하게는 치과 영상 분야에 사용하는 것이 필요하다. 이상적인 동작 주파수는 일반적으로 40 내지 120MHz의 범위 내에 있는 반면, 변환기 소자(20)의 공진 주파수는 일반적으로 400MHz 내지 1GHz의 범위 내에 있다 (도 14 참조).
특정 의학적 응용분야 및 특히 “오프-공진” 동작을 필요로 하는 치과용 응용분야와 같은 많은 응용 분야에서 초음파 변환기(5)의 동작을 개선하기 위해, 초음파 변환기는 도 17에 도시된 바와 같은 제어 시스템(65)과 함께 사용된다. 제어 시스템(65)은 초음파 펄스를 송신하기 위해 초음파 변환기(5)를 작동시키기 위한 펄서 신호를 제공하는 펄서 유닛(70)을 포함한다. 제어 시스템(65)은 초음파 변환기(5)에 의해 생성된 신호를 처리하고 초음파 변환기(5)에 의해 수신된 초음파 신호를 대표적으로 반응하는 수신기(75)를 더 포함한다.
최적의 임피던스 정합으로 신호를 송신하고 수신하는 것이 유익하다. 그러나, 펄서(70)에 대한 최적의 임피던스 정합 요건은 일반적으로 수신기(75)에 의해 요구되는 것과 매우 다르므로, 종래의 임피던스 매칭 접근법은 현재의 경우 비효율적일 수 있다. 이와 같이, 계면에서의 임피던스를 초음파 변환기(5)에 간단하게 정합시키는 것은 송신 및/또는 수신동안 준-최적 매칭을 초래할 것이다.
제어 시스템(65)은 2개의 상이한 임피던스 시스템(80,85)을 포함하며, 제1 임피던스 시스템(80)은 펄서(70)에 대해 최적으로 임피던스 매칭되며, 제2 임피던스 시스템(85)은 수신기(75)에 대해 최적으로 임피던스 정합된다. 펄서(70) 및 수신기(75)에 대한 임피던스 요구가 상이하기 때문에, 임피던스 시스템(80,85)은 서로에 대해 상이한 총 임피던스를 갖는다는 것을 알 수 있다. 임피던스 시스템(80,85)은 모두 게이트 회로(90)에 커플링되고, 게이트 회로(90)는 펄서(70), 수신기(75) 및 초음파 변환기(5)에 커플링된다. 게이트 회로(90)는 제1 임피던스 시스템(80)이 게이트 회로(90)를 통해 초음파 변환기(5)와 펄서(70) 사이의 전기 경로로 스위칭되는 제1 구성과 제2 임피던스 시스템(85)이 게이트 회로(90)를 통해 초음파 변환기(5)와 수신기(75) 사이의 전기 경로로 스위칭되는 제2 구성 사이에 초음파 변환기(5)가 각각 송신 또는 수신 중인지 여부에 따라 스위칭하도록 동작 가능하다.
게이트 회로(90)는 수동인 것이 바람직하고, 신호의 방향, 즉 전술한 바와 같이 적절한 임피던스 시스템(80, 85)에서 송신 또는 수신 및 스위치를 결정하는 역할을 한다. 이러한 방식으로, 초음파 변환기(5)의 현재 동작에 관계없이 적절한 임피던스 정합이 제공된다. 이는 오프-공진 동작이 선호될 수 있는 치과 영상과 같은 응용분야에서 매우 중요한 성능 이득을 제공할 수 있다.
여러가지 특히 바람직한 실시예가 상기 설명되었지만, 다른 장치가 사용될 수 있다는 것을 알 수 있다.
일 예에서, 도 18은 도 6a 내지 도 6d에 도시된 구조에 대한 대안을 도시한다. 특히, 도 18에 도시된 배치는 유전체 재료(39)의 부가 층이 지지층(37)에 대향하는 압전 재료(36)의 표면 상에 증착되는 것 외에는 도 6b에 도시된 것과 동일하다. 도 18의 실시예에서, 변환기 소자(20)는 스퍼터 코팅 또는 다른 적절한 코팅 기술에 의해 전도성 지지층(37) (예를 들어 알루미늄 호일)의 표면 상에 압전 재료(36) (예를 들어 ZnO)을 코팅함으로써 형성되고, 그 후 유전체 재료 층(39)이 압전 재료 층의 표면에 적용되어 적층된 시트 또는 롤(38')을 형성한다. 그 후, 적층된 시트 또는 롤 (38')의 블랭크는 도 6c 및 도 6d에 도시된 방식으로 절단되거나 펀칭될 수 있고, 이어서, 예를 들어 도 7 내지 도 11에 관련하여 전술한 바와 같은 초음파 변환기를 형성하는 데 사용될 수 있다. 대안으로, 유전체 재료(39)는, 전극(들) (31)과 압전 재료(26)를 전기적으로 접촉시키기 위해 유전체 재료(39)를 통해 개구부를 형성하는 것을 절약할 수 있는, 압전 재료(36)에 전극(들) (31)을 본딩한 후에 적용될 수 있다.
적합한 유전체 재료(39)의 예는 중합체 재료, 플라스틱 재료, SU8과 같은 에폭시 재료를 포함한다. 유전체 재료는 압전 재료의 두께보다 예를 들어 1mm 보다 얇다. 유전체 재료는 높은 전압 밀도 (즉, 전기 절연체)를 갖는다. 전술한 방식으로 유전체 재료(39)를 적용하는 것이 유리하다. 예를 들어, 결과 초음파 변환기에 의해 생성된 주파수를 비파괴 검사(NDT)와 같은 특정 어플리케이션에 더 적합한 주파수로, 예를 들어 1 내지 10MHz의 범위에 있는 (하지만 제한되지 않은), 편리하게 낮출 수 있다.
예를 들어, 알루미늄 막 상에 증착된 ZnO를 포함하는 박-막 초음파 변환기가 설명되었지만, 질화 알루미늄(AIN) 및/또는 상이한 기판/지지층, 예컨대 상이한 금속의 필름 또는 전도성 중합체가 사용될 수 있다.
또한, 스퍼터링 코팅과 같은 제조 기술이 유리하게 설명되었지만, 다른 대안 기술이 사용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
또한, 예시적인 두께 및 두께 비율이 상술되었지만, 적용, 사용된 재료, 사용된 제조 공정 등과 같은 고려 사항에 따라 상이한 두께 및 두께 비율이 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
또한, 다양한 구성 요소의 다양한 기하학적 배치, 형상 및 치수가 기술되어 있지만, 본 발명은 이러한 배치, 형상 또는 치수에 한정될 필요는 없다는 것을 이해할 것이다.
이와 같이, 상기 특정 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 비-제한적인 예로서 제공되지만, 보호의 범위는 청구항에 의해 좌우된다.

Claims (48)

  1. 변환기 소자, 적어도 하나의 제1전극 또는 전기 접촉부 및 적어도 하나의 종 방향 제2전극 또는 전기 접촉부를 포함하고, 상기 변환기 소자는
    기판 - 상기 기판은 금속 호일을 포함함 -; 및
    압전 재료를 포함하고,
    상기 압전 재료는 기판의 적어도 일부 상에 증착된 비-중합 무기 재료의 얇은 층이고,
    적어도 하나의 종 방향 제2전극 또는 전기 접촉부는 변환기 소자에 연결되거나, 커플링되거나 본딩되고, 변환기 소자의 표면에 수직인 방향으로 연장되고;
    변환기 소자와 접촉, 커플링 또는 본딩 또는 지지하는 적어도 하나의 제2전극 또는 전기 접촉부의 영역의 전체 또는 조합된 표면적은 변환기 소자의 표면적보다 작은,
    물체를 영상화하기 위한 초음파 변환기.
  2. 제1항에 있어서,
    초음파 변환기는 오프-공진을 작동하도록 구성되는 초음파 변환기.
  3. 제1항에 있어서,
    변환기 소자는 분리되거나 이격된 접촉 영역 또는 그 표면의 일부에서만 지지, 커플링, 본딩 또는 접촉되는 초음파 변환기.
  4. 제1항에 있어서,
    변환기 소자의 적어도 일부는 자유롭거나, 부유하거나 지지되지 않는 초음파 변환기.
  5. 제1항에 있어서,
    변환기 소자는 적층된 박막 변환기 소자이고 압전 재료 및 기판은 변환기 소자의 층을 형성하는 초음파 변환기.
  6. 제1항에 있어서,
    기판은 제1 전극 또는 전기 접촉부를 형성하거나 제1 전극 또는 전기 접촉부에 연결되는 초음파 변환기.
  7. 제1항에 있어서,
    초음파 변환기는 압전 재료 및 기판이 제2전극 또는 전기 연결기에 의해 매달리도록 배치되는 초음파 변환기.
  8. 제1항에 있어서,
    제2전극 또는 전기 연결기는 변환기 소자의 표면에 수직인 방향으로 연장하는 샤프트를 포함하는 초음파 변환기.
  9. 제1항에 있어서,
    복수의 제2전극은 제2전극 또는 전기 연결기의 어레이를 포함하거나 정의하는 초음파 변환기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 변환기는 압전 재료에 의해 생성된 초음파 파동의 감쇠를 허용하도록 구성되는 추가의 배킹 소자를 포함하는 초음파 변환기.
  11. 제10항에 있어서,
    추가의 배킹 소자는 추가의 배킹 소자가 기판 및 압전 재료를 지지하고 및/또는 상기 제2전극, 각각의 제2전극 또는 복수의 제2전극을 둘러싸도록 압전 재료 상에 배치되는 초음파 변환기.
  12. 제10항에 있어서,
    추가의 배킹 소자는 열 절연 재료를 포함하는 초음파 변환기.
  13. 제1항에 있어서,
    초음파 변환기는 적어도 하나의 변환기 소자, 상기 제2전극, 각각의 제2전극 또는 복수의 제2전극 및/또는 추가의 배킹 소자를 수용하기 위한 하우징을 포함하는 초음파 변환기.
  14. 제13항에 있어서,
    초음파 변환기는 물체와 결합 또는 접촉하기 위한 유연한 막과 같은 결합 소자를 포함하고, 상기 결합 소자는 하우징의 단부 상에 배치되는, 초음파 변환기.
  15. 제14항에 있어서,
    변환기 소자 및 결합 소자는 서로에 대해 이동 가능하게 또는 미끄러질 수 있게 배치되어 결합 소자 및 변환기 소자 사이의 거리가 변하거나 조절될 수 있게 하는 초음파 변환기.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    초음파 변환기는 결합 소자 및 기판 사이에 배치된 지연 재료를 포함하는 초음파 변환기.
  17. 제16항에 있어서,
    재료는 초음파 변환기에 의해 생성된 하나 이상의 초음파(들) 과 초음파 변환기에 의해 수신된 하나 이상의 초음파(들) 사이에 시간 지연을 도입하도록 구성된 초음파 변환기.
  18. 제1항에 있어서,
    초음파 변환기는 40 내지 120 MHz 또는 1 내지 10 MHz 범위의 주파수를 포함하는 하나 이상의 초음파를 방출하도록 구성되는 초음파 변환기.
  19. 제1항에 있어서,
    압전 재료는 2 내지 8 μm의 범위의 두께를 포함하는 초음파 변환기.
  20. 제1항에 있어서,
    기판은 15 내지 60 μm 범위의 두께를 포함하는 초음파 변환기.
  21. 제1항에 있어서,
    기판은 유연한 및/또는 전도성 기판이거나 유연한 및/또는 전도성 기판을 포함하는 초음파 변환기.
  22. 제1항에 있어서,
    제2전극 또는 전기 연결기는 핀이거나 핀을 포함하는 초음파 변환기.
  23. 제22항에 있어서,
    핀의 헤드는 전기 전도성 본드를 통해 변환기 소자에 본딩되는 초음파 변환기.
  24. 제23항에 있어서,
    핀의 헤드는 압전 재료에 본딩되는 초음파 변환기.
  25. 변환기 소자를 제공하는 단계; 및
    적어도 하나의 연장 제2전극 또는 전기 연결부를 포함하는 단계를 포함하고
    상기 변환기 소자는 압전 재료를 포함하고, 상기 압전 재료는 기판의 적어도 일부 상에 증착된 비-중합 무기 재료의 얇은 층이고, 상기 기판은 금속 호일을 포함하고,
    적어도 하나의 연장 제 2 전극 또는 전기 연결부는 변환기 소자의 표면에 수직한 방향으로 연장되고 변환기 소자와 접촉, 커플링 또는 본딩 또는 지지하는 하나 이상의 제2전극 또는 전기 연결부의 전체 및 조합된 표면적은 변환기 소자의 표면적보다 작은,
    초음파 변환기 제조 방법.
  26. 기판 및 압전 재료를 제공하는 단계 - 상기 기판은 금속 호일을 포함하고, 상기 압전 재료는 상기 기판의 적어도 일부 상에 증착된 비-중합 무기 재료의 얇은 층임 -; 및
    적어도 하나의 연장 제 2 전극 또는 전기 연결부는 변환기 요소의 표면에 수직인 방향으로 연장되고 변환기 소자와 접촉, 커플링 또는 본딩 또는 지지하는 하나 이상의 제2전극 또는 전기 연결부의 전체 및 조합된 표면적은 변환기 소자의 표면적보다 작도록 적어도 하나의 연장 제2전극을 압전 재료에 연결하는 단계를 포함하고,
    상기 기판은 초음파 변환기의 제1전극을 형성하기위해 선택적으로 구성되거나 배치되는
    초음파 변환기를 조립하는 방법.

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