JP6548201B2 - Heat transfer and acoustic matching layer for ultrasonic transducers - Google Patents

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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。   Embodiments of the present technology generally relate to ultrasound transducers configured to provide improved thermal properties.

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。   This application is a continuation-in-part and claims the priority of US Patent Application No. 12 / 833,101 filed July 9, 2010, the disclosure of which is incorporated herein by reference. Incorporated into the book.

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。   As shown in FIG. 1, a conventional ultrasound transducer 100 comprises a lens 102, impedance matching layers 104 and 106, a piezoelectric element 108, a backing 110, and electrical elements for connecting to an ultrasound system. It may be composed of the various layers involved.

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。   The piezoelectric element 108 can convert the electrical signal to ultrasound that is transmitted towards the target, and can convert the received ultrasound to an electrical signal. Arrows 112 depict the ultrasound waves transmitted from and received at transducer 100. The received ultrasound may be used by the ultrasound system to generate an image of the target.

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。   Impedance matching layers 104, 106 are disposed between the piezoelectric element 108 and the lens 102 to increase the energy exiting the transducer 100. In the prior art, it is optimal when the matching layers 104, 106 separate the piezoelectric element 108 and the lens 102 by a distance x of about 1/4 to 1/2 of the desired wavelength of the ultrasound wave transmitted at the resonant frequency. It is believed that impedance matching is achieved. The conventional idea is that such an arrangement can maintain the ultrasound waves reflected within the matching layers 104, 106 in phase as they exit the matching layers 104, 106.

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。   Transmitting ultrasound from transducer 100 may heat lens 102. However, the transducer in contact with the patient has a maximum surface temperature of about 40 degrees Celsius to avoid patient discomfort and to meet the defined temperature limit. Thus, lens temperature can be a factor that limits the wave transmission power and the performance of the converter.

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。   Many known thermal management techniques focus on the back of the transducer to minimize reflections of ultrasonic energy towards the lens. However, there is a need for an improved ultrasonic transducer with improved thermal properties.

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。   Embodiments of the present technology generally relate to ultrasonic transducers and methods of manufacturing ultrasonic transducers.

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。   In one embodiment, the ultrasound transducer includes piezoelectric elements defining front and back sides, wherein the piezoelectric elements are configured to convert the electrical signal into ultrasound waves transmitted from the front towards the target. Also, the piezoelectric element is configured to convert the received ultrasound into an electrical signal. The ultrasonic transducer includes a lens connected to the front side of the piezoelectric element, a heat sink connected to the back side of the piezoelectric element, and a rear matching layer disposed between the piezoelectric element and the heat sink. The back matching layer is thermally connected to the piezoelectric element and the heat sink. The back matching layer is configured to conduct heat from the piezoelectric element to the heat sink.

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。   In one embodiment, the ultrasound transducer includes piezoelectric elements defining front and back sides. The piezoelectric element is configured to convert the electrical signal into ultrasound waves transmitted from the front side towards the target. The piezoelectric element is configured to convert the received ultrasound into an electrical signal. The ultrasonic transducer includes a lens connected to the front side of the piezoelectric element, a heat sink connected to the back side of the piezoelectric element, and a back matching layer connected to both the piezoelectric element and the heat sink. The rear matching layer includes wings configured to extend beyond the end of the piezoelectric element to the heat sink. The back matching layer is configured to conduct heat from the piezoelectric element to the heat sink.

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。   In one embodiment, a method of manufacturing an ultrasonic transducer includes attaching a matching layer to the front of the piezoelectric element, attaching a back matching layer to the back of the piezoelectric element, and connecting the back matching layer to a heat sink And where the heat sink faces the back of the piezoelectric element.

従来技術の超音波変換器の層を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing the layers of a prior art ultrasonic transducer. 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。FIG. 2A is a cross-sectional view showing the layers of an ultrasonic transducer used in accordance with an embodiment of the present technology. 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。7 is a table representing the nature of the matching layer of an ultrasonic transducer used in accordance with an embodiment of the present technology. 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。FIG. 2A is a cross-sectional view showing the layers of an ultrasonic transducer used in accordance with an embodiment of the present technology. 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。FIG. 2A is a cross-sectional view showing the layers of an ultrasonic transducer used in accordance with an embodiment of the present technology. 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。FIG. 2A is a cross-sectional view showing the layers of an ultrasonic transducer used in accordance with an embodiment of the present technology. 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。FIG. 1 is a perspective view of the layers of an ultrasonic transducer used in accordance with an embodiment of the present technology. 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。7 is a result of computer simulation of an ultrasound transducer used in accordance with an embodiment of the present technology. 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。FIG. 7 is a graph depicting experimental results of temperature measurements at a lens surface of a conventional transducer and a transducer constructed in accordance with an embodiment of the present technology. 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。FIG. 2A is a cross-sectional view showing the layers of an ultrasonic transducer used in accordance with an embodiment of the present technology. 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。FIG. 1 is a perspective view of an ultrasonic transducer used in accordance with an embodiment of the present technology. 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。FIG. 2A is a cross-sectional view showing the layers of an ultrasonic transducer used in accordance with an embodiment of the present technology. シミュレーションデータを表すグラフである。It is a graph showing simulation data. シミュレーションデータを表すグラフである。It is a graph showing simulation data.

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。   The foregoing summary, as well as the following detailed description of certain embodiments, will be better understood when read in conjunction with the appended drawings. For the purpose of illustrating the invention, specific embodiments are shown in the drawings. However, it should be understood that the invention is not limited to only the arrangements and instrumentality shown in the attached drawings.

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。   Embodiments of the present technology generally relate to ultrasound transducers configured to provide improved thermal properties. In the drawings, like elements are indicated with like reference numerals.

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。   FIG. 1 is a cross-sectional view of the layers of a prior art ultrasonic transducer 100. Transducer 100 is described in the background and includes two matching layers 104, 106 disposed between lens 102 and piezoelectric element 108. The matching layers 104, 106 form a combined distance x between the lens 102 and the piezoelectric element 108, this distance x being about 1/4 to 1/1 of the desired wavelength of the ultrasound wave transmitted at the resonant frequency. It is a distance of 2.

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。   FIG. 2A depicts a cross-sectional view of the layers of ultrasonic transducer 200 used in accordance with an embodiment of the present technology. Transducer 200 includes a lens 102, impedance matching layers 203-206, a piezoelectric element 108, a backing 110, and electrical elements for connection to an ultrasound system. The backing 110 includes a heat sink and a thermal management portion. In certain embodiments, matching layers 203-206, piezoelectric element 108 and lens 102 may be bonded together using an epoxy or adhesive material that cures under pressure applied by, for example, tools and / or a press machine .

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。   As with conventional ultrasound transducers, the piezoelectric element 108 can convert the electrical signal into ultrasound that is transmitted towards the target, and also converts the received ultrasound into an electrical signal. can do. Arrows 112 depict the ultrasound waves transmitted from and received at transducer 200. The received ultrasound may be used by the ultrasound system to generate an image of the target.

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。   Impedance matching layers 203-206 are disposed between the piezoelectric element 108 and the lens 102 to increase the energy exiting the transducer 100. The piezoelectric element 108 and the lens by a distance y which the matching layers 203-206 may be less than or greater than the distance x (a distance of about 1/4 to 1/2 of the desired wavelength of the ultrasound wave transmitted at the resonant frequency) Separate from 102.

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。   As shown in FIG. 1, conventional transducers generally include two matching layers 104,106. Such matching layers generally comprise an epoxy and a filler. It has been found that having a matching layer near the piezoelectric element having a relatively high acoustic impedance and a relatively high thermal conductivity can improve the thermal and / or acoustic properties. The embodiments presented herein illustrate inventive transducers with three or four matching layers. However, embodiments may include only two matching layers, and may also include more than four matching layers, such as five or six matching layers.

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。   FIG. 2B is a table of the nature of matching layers 203-206 of the inventive ultrasonic transducer embodiment. The matching layer 206 disposed between the piezoelectric element 108 and the matching layer 205 may comprise a material having an acoustic impedance of about 10-20 MRayl and a thermal conductivity greater than about 30 W / mK. Matching layer 206 may have a thickness of less than about 0.22 λ, where λ is the desired wavelength of the ultrasound wave transmitted at the resonant frequency. In certain embodiments, matching layer 206 may be, for example, copper, copper alloy, copper (s), such as copper, magnesium, magnesium alloy, etc. with embedded graphite pattern, semiconductor material such as silicon, aluminum (plate Or bar) and / or an aluminum alloy may be included. The metal may have a relatively high acoustic impedance so that ultrasound can travel through the layer at high speeds, thus requiring a thicker matching layer to obtain the desired acoustical properties.

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。   The matching layer 205 disposed between the matching layer 206 and the matching layer 204 may comprise a material having an acoustic impedance of about 5-15 MRayl and a thermal conductivity of about 1-300 W / mK. Matching layer 205 may have a thickness of less than about 0.25 λ. In certain embodiments, matching layer 205 may be, for example, copper, copper alloy, copper, magnesium, magnesium alloy, aluminum (plate or bar), metal such as aluminum alloy, etc., having a graphite pattern embedded therein. It may include filled epoxy, glass ceramic, composite ceramic, and / or macor.

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。   The matching layer 204 disposed between the matching layer 205 and the matching layer 203 may comprise a material having an acoustic impedance of about 2-8 MRayl and a thermal conductivity of about 0.5-50 W / mK. Matching layer 204 may have a thickness of less than about 0.25 λ. In certain embodiments, the matching layer 204 can include non-metals such as epoxy with a filler such as a silica filler. In certain embodiments, matching layer 204 can include, for example, a material of graphite type. Non-metals, such as epoxy with filler, may have relatively low acoustic impedance so that ultrasound can travel through the layer at low speeds, and thus thinner to obtain the desired acoustical properties A matching layer is required.

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。   The matching layer 203 disposed between the matching layer 204 and the lens 102 may comprise a material having an acoustic impedance of about 1.5 to 3 MRayl and a thermal conductivity of about 0.5 to 50 W / mK. The matching layer 203 may have a thickness of less than 0.25λ. In certain embodiments, matching layer 203 may include, for example, a non-metal such as a plastic and / or an epoxy having a filler such as a silica filler.

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。   In one embodiment, the acoustic impedance of the matching layers 203-206 decreases as the distance from the piezoelectric element 108 of the matching layers 203-206 increases. That is, matching layer 206 can have a higher acoustic impedance than matching layer 205, matching layer 205 can have a higher acoustic impedance than matching layer 204, and matching layer 204 has a higher acoustic impedance than matching layer 203. Can. Improve the acoustic properties, for example by increasing the sensitivity and / or the border bandwidth, by providing three or more matching layers with decreasing acoustic impedance in this way Is possible. By improving the acoustic properties in this way, the sensing of structures in the target, such as the human body, is improved.

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。   In one embodiment, the thermal conductivity of the matching layers 205, 206 is higher than the thermal conductivity of the matching layers 203, 204. Thermal properties can be improved by placing matching layers (eg, matching layers 205 and / or 206, etc.) having relatively high thermal conductivity close to the piezoelectric element 108. For example, these matching layers can more easily dissipate the heat generated by the piezoelectric element 108 than matching layers with lower thermal conductivity, such as matching layers 203 and 204, for example.

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。   FIG. 3 depicts a cross-sectional view of layers of an ultrasonic transducer 300 used in accordance with an embodiment of the present technology. Transducer 300 includes a first impedance matching layer 303, a second impedance matching layer 304, a third impedance matching layer 305, a piezoelectric element 308 and a backing 310. The layers shown include large notches 312 and small notches 314. The large notches 312 extend through the matching layers 303-305 and further through the piezoelectric element 308 into the backing 310. Large cutouts 312 can form electrical isolation between portions of piezoelectric element 308. The small notches 314 extend through the matching layers 303-305 and also partially through the piezoelectric element 308. The small notches do not extend completely past the piezoelectric element 308 and thus do not extend into the backing 310. The small notches 314 do not form an electrical isolation between the portions of the piezoelectric element 308. The small notches 314 can improve acoustic performance, for example by damping horizontal vibrations between adjacent portions of the layer. In certain embodiments, the notches may be provided such that the ratio of notch depth to notch width is about 30: 1. In certain embodiments, large notches may be provided to have a notch depth of about 1.282 mm and small notches are provided to have a notch depth of about 1.085 mm. Well, both types of notches are also provided, for example with a notch width of 0.045 mm. In certain embodiments, the notch may be provided to have a notch width of, for example, about 0.02 millimeters to 0.045 millimeters. By minimizing the thickness of matching layers 203-206, it has been found that it is possible to dice the layers of the transducer shown in FIG. 3 and to improve acoustic performance. It has also been found that by minimizing the thickness of the matching layers 203-206, it is possible to perform dicing with a ratio of notch depth to notch width of less than 30: 1. When using current dicing techniques, such as dicing using dicing saws, it is difficult to obtain a ratio of notch depth to notch width greater than 30 to 1. For example, a notch can be made in the layers of the transducer using a laser or another known technique.

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。   FIG. 4 depicts a cross-sectional view of layers of an ultrasonic transducer 400 used in accordance with an embodiment of the present technology. Transducer 400 is configured similar to transducer 200 shown in FIG. 2A. However, transducer 400 includes matching layer 401 instead of matching layer 206. The matching layer 401 is disposed between the piezoelectric element 108 and the matching layer 205 and can have the same material and thickness as the matching layer 206 shown in FIG. 2A. Matching layer 401 includes wings 402 that extend beyond the end of piezoelectric element 108 to backing 110.

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。   Wings 402 may be formed by providing matching layer 401 such that wings 402 extend beyond the end of piezoelectric element 108. A plurality of notches 403 may be provided in the surface of the matching layer 401, and the portion of the matching layer 401 beyond the end of the piezoelectric element 108 folds away from the notches 403 towards the piezoelectric element 108 and the backing 110. It may be curved so that the notches 403 are arranged at the outer elbow of the bend and / or around the outer elbow as shown in FIG. Once the wing 402 is positioned around the end of the piezoelectric element 108 and the end of the backing 110, the bending process is complete.

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。   Wings 402 are configured to conduct heat from piezoelectric element 108 to a heat sink and / or thermal management portion at backing 110. The relatively high thermal conductivity of the matching layer 401 and the wings 402 can assist in the desired heat transfer to the backing 110 of the transducer 400 and the desired heat transfer away from the lens 102. Wings 402 can also form a ground for transducer 400 by connecting to a suitable ground circuit, such as a flexible circuit typically disposed between piezoelectric element 108 and backing 110. Wings 402 may also function as an electrical shield for transducer 400.

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。   FIG. 5 depicts a cross-sectional view of layers of an ultrasonic transducer 500 used in accordance with an embodiment of the present technology. Transducer 500 is configured similar to transducer 200 shown in FIG. 2A. However, transducer 500 includes matching layer 501 instead of matching layer 206. The matching layer 501 is disposed between the piezoelectric element 108 and the matching layer 205, and can have the same material and thickness as the matching layer 206 shown in FIG. 2A. However, the matching layer 501 extends beyond the end of the piezoelectric element 108. For example, in one embodiment, matching layer 501 may extend beyond the end of piezoelectric element 108 by about one millimeter or less. Attached to the extension of the matching layer 510 is a sheet 502 which extends over the end of the piezoelectric element 108 to the backing 110. The sheet 502 may be attached to the matching layer 501 using a thermally conductive epoxy. The sheet 502 comprises a material having a relatively high thermal conductivity, such as the same material as the matching layer 501, such as, for example, graphite and / or thermally conductive epoxy. The sheet 502 is configured to conduct heat from the piezoelectric element 108 to a heat sink and / or thermal management portion at the backing 110. The relatively high thermal conductivity of matching layer 501 and sheet 502 can assist in the desired heat transfer to the backing 110 of the transducer 500 and the desired heat transfer away from the lens 102.

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。   FIG. 6 depicts a perspective view of an ultrasonic transducer 600 used in accordance with an embodiment of the present technology. Transducer 600 includes an impedance matching layer 401 with wings 402, a piezoelectric element 308 and a backing 310. Other impedance matching layers and lenses are not depicted in FIG. The layer being drawn includes large notches 312 and small notches 314, which are substantially perpendicular to the azimuthal direction (a) and substantially parallel to the elevational direction (e). It is. The large notch 312 extends through the matching layer and further through the piezoelectric element 308 into the backing 310. Small notches 314 extend through the matching layer and also partially through the piezoelectric element 308. The small notches do not extend completely past the piezoelectric element 308 and thus do not extend into the backing 310. Wings 402 are disposed around the four sides of transducer 600 and bent towards piezoelectric element 308 and backing 310 so that wing 402 is from piezoelectric element 308 at backing 110 Heat can be conducted to the heat sink and / or the thermal management part. In another embodiment, wings 402 may be provided around one, two, three or four sides of the transducer. For example, in certain embodiments, wings 402 may be provided along only two opposite sides of the transducer, where the wings are substantially perpendicular to the notches 312 and 314 Be placed. In such an embodiment, wings 402 extend along the azimuth direction (a) and not along the elevation direction (e).

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。   FIG. 7 depicts the results of computer simulation of an ultrasound transducer used in accordance with an embodiment of the present technology. FIG. 7 represents the results of a simulation study of a 3.5 MHz one-dimensional linear array converter with three matching layers. The matching layer (first matching layer) closest to the piezoelectric element comprises an aluminum bar having an acoustic impedance of 13.9 MRayl. The second matching layer comprises filled epoxy with an acoustic impedance of 6.127 MRayl. The third matching layer comprises an undefined material with an acoustic impedance of 2.499 MRayl (which may be, for example, plastic and / or epoxy with a filler such as a silica filler). In the case of these acoustic impedances, the layers have respectively a thickness of 0.2540 mm (aluminum bar), 0.1400 mm (filled epoxy), 0.1145 mm (material not defined) according to the simulation It is shown that it can do. This computer simulation shows that the distance from the inner matching layer to the outer matching layer (such as the distance y from matching layer 206 to 203 shown in FIG. 2) is the desired wavelength of the ultrasound wave transmitted at the resonant frequency. It has been demonstrated that it can be thinner than the matching layer of a conventional transducer as shown in FIG. 1 which may have a matching layer of about 1/4 thickness. For such simulations, for example, KLM models, Mason models and / or finite element method simulations may be used to determine the desired properties.

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。   The simulation for the study of acoustic performance is to minimize the thickness of the matching layer with the desired acoustic impedance and the desired thermal conductivity, thereby enabling the cutting process to be performed more effectively. It can be used to optimize the properties of the matching layer.

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。   FIG. 8 is a graph 800 depicting experimental results of temperature measurements at the lens surface of a conventional transducer and a transducer constructed in accordance with an embodiment of the present technology. This graph plots the temperature at the lens surface against time. A conventional transducer temperature measurement is shown at line 802 and a transducer temperature measurement constructed in accordance with an embodiment of the present technology is shown at line 804. During the experiment, both transducers were connected to the ultrasound system under the same conditions and the same settings. Transducers constructed in accordance with embodiments of the present technology have maintained lens surface temperatures about 3 to 4 degrees Celsius lower than conventional transducers for 40 minutes or more.

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。   FIG. 9 depicts a cross-sectional view of the layers of ultrasonic transducer 900. Transducer 900 includes three matching layers 902, 904 and 906 disposed between lens 908 and piezoelectric element 910. Alternate embodiments can include different numbers of matching layers. For example, some embodiments may include only two matching layers, and another embodiment may include four or more matching layers. The piezoelectric element 910 can convert the electrical signal to ultrasound that is induced at the target, and can convert the received ultrasound to an electrical signal. Piezoelectric element 910 is shaped to define a front side 912 and a back side 914. In the present disclosure, the front side 912 is defined to include the side of the piezoelectric element 910 where the ultrasound is emitted towards the lens 908. The back side 914 is defined to include the side of the piezoelectric element 910 that faces away from the lens 908 opposite the front side 912. The ultrasound transducer 900 includes a dematching layer 916 connected to the back side 914 of the piezoelectric element 910 and a flex 918 attached to the mismatch layer 916. The piezoelectric element 910 may be a piezoelectric material such as lead zirconate titanate (PZT) or a PZT composite. According to another embodiment, the piezoelectric material may further include a single crystal such as PMN-PT. The ultrasonic transducer 900 also includes a back matching layer 920, a thermal backing 922 and a heat sink 924.

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。   In some embodiments, matching layers 902, 904 and 906, piezoelectric element 910, and lens 908 are an epoxy or other adhesive material that cures under pressure such as that supplied by tools including a press machine. It can be glued together using. Arrows 927 depict the ultrasound waves transmitted from and received at ultrasound transducer 900. The received ultrasound may be used by the ultrasound system to generate an image of the target.

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。   Matching layers 902, 904 and 906 are disposed between piezoelectric element 910 and lens 908 to increase the energy of the waves transmitted from ultrasonic transducer 900. Each of matching layers 902, 904 and 906 may be made of epoxy and one or more different fillers. Fillers may be used to adjust the acoustic impedance of each of the matching layers 902, 904 and 906 in accordance with one embodiment. Although the embodiment shown in FIG. 10 includes three matching layers, alternative embodiments may have fewer matching layers or additional matching layers. For example, another embodiment may have one matching layer, two matching layers, or four or more matching layers instead of the matching layers 902, 904 and 906 shown in FIG.

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。   As described above, the thickness of each of the three matching layers 902, 904 and 906 may be less than or equal to 1⁄4 of the wavelength at the resonant frequency of the ultrasonic transducer 900. However, in another embodiment, the matching layers 902, 904 and 906 may be greater than 1⁄4 of the wavelength at the resonant frequency of the ultrasonic wave changer 900. For example, one or more of the matching layers may be about half the wavelength at the resonant frequency in one embodiment. The acoustic impedance of each matching layer 902, 904 and 906 may be selected to reduce the acoustic impedance mismatch between the piezoelectric element 910 and the lens 908. Matching layers 902, 904 and 906 reduce the reflection and / or refraction of ultrasound between piezoelectric element 910 and lens 908. The lens 908 can have an acoustic impedance of about 1.5 MRayl, and the piezoelectric element 910 can have an acoustic impedance of 30 MRayl. In another embodiment, the lens 908 may have an acoustic impedance in the range of 1.2 MRayl to 1.6 MRayl, and the piezoelectric element 910 has an acoustic impedance in the range of 20 MRayl to 40 MRayl. Can. The first matching layer 902 can have an acoustic impedance of 10 to 20 MRayl, the second matching layer 904 can have an acoustic impedance of 5 to 15 MRayl, and the third matching layer 906 has an acoustic impedance of 2 to 8 MRayl. It can have an impedance.

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。   Each of matching layers 902, 904 and 906 is less than or equal to about one-quarter of the desired wavelength to minimize destructive interference caused by waves reflected at the interface between each of matching layers 902, 904 and 906. You may Matching layers 902, 904 and 906 are each made of, for example, copper, copper alloy, copper with embedded graphite pattern, magnesium, magnesium alloy, metal such as aluminum, aluminum alloy, filled epoxy, glass ceramic, composite The material may include ceramic and / or macor.

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。   In one embodiment, the acoustic impedance of matching layers 902, 904 and 906 decreases as the distance from matching element 902, 904 and 906 to piezoelectric element 910 increases. That is, the first matching layer 902 can have a higher acoustic impedance than the second matching layer 904, and the second matching layer 904 can have a higher acoustic impedance than the third matching layer 906. In one embodiment, each of the matching layers 902, 904 and 906 can have a relatively high thermal conductivity, such as greater than 30 W / mK.

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。   Mismatch layer 916 has a higher acoustic impedance than piezoelectric element 910 to increase the force of the ultrasonic waves transmitted to lens 908. In one embodiment, the mismatched layer 916 may be made of a metal such as, for example, a carbide alloy, and in an exemplary embodiment has an acoustic impedance of 40 MRayl to 120 MRayl. The acoustic impedance of the mismatched layer 916 acoustically "clamps" the piezoelectric element such that relatively high amounts of acoustic energy are transferred from the front side 912 of the piezoelectric element 910. There is. It should be appreciated that alternative embodiments may also use mismatched layers made of different materials and / or have acoustic impedances selected from different ranges. In another embodiment, the ultrasonic transducer may have no mismatched layer.

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。   The back matching layer 920 is attached to the flex 918. The back matching layer 920 may be aluminum in one embodiment, but thermally conductive materials including aluminum alloys, copper, copper alloys and other metals may also be used.

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。   The back matching layer 920 is indirectly connected to the piezoelectric element 910 via the flex 918 and the mismatched layer 916. In the present disclosure, the expression "connected indirectly" is defined as including two structures connected to one another via one or more additional structures or components. In one embodiment, the piezoelectric element 910, the mismatched layer 916 and the flex 918 can be bonded together using a thermally conductive material such as an epoxy with a conductive additive. Heat is conducted from the piezoelectric element 910 through the mismatched layer 916 and the flex 918 to the back matching layer 920. In one embodiment, the flex 918 may be relatively thin, such as less than about 100 μm. Although the flex 918 may include copper traces with the insulating polyimide layer, heat is effectively transferred from the mismatched layer 916 through the flex 918 to the back matching layer 920 because the flex 918 is thin. Further details of the back matching layer 920 will be described below.

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。   While the mismatched layer 916 eliminates most of the acoustic energy emitted from the back side of the piezoelectric element 910, some acoustic energy may be transmitted through the mismatched layer 916, the flex 918 and the back matching layer 920 is there. The ultrasound transducer 900 includes a thermal backing 922 to attenuate this acoustic energy. The thermal backing 922 is made of a material that has relatively high acoustic attenuation so that the ultrasound from the piezoelectric element 910 can be attenuated. For example, the thermal backing 922 can be made of an epoxy with a filler such as titanium dioxide. The thermal backing 922 may be about 2 mm thick. In another embodiment, the thermal backing 922 may be between 1 mm and 2 mm thick. However, the thermal backing 922, when made of filled epoxy, tends to have a relatively low thermal conductivity, eg, the thermal conductivity of an epoxy with titanium dioxide is generally 10 W / m.sup.2. It is less than K.

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。   Heat sink 924 is attached to thermal backing 922 and comprises a material having a high specific heat capacity, such as aluminum or an aluminum alloy. Because heat is not effectively conducted through the thermal backing 922, the back matching layer 920 includes wings 926 that extend beyond the edge of the piezoelectric element 910. Wings 926 may be bent to contact heat sink 924. Wings 926 may be connected to heat sink 924 by a thermally conductive epoxy, solder, or any other technique that creates a thermally conductive joint. In the present disclosure, the term "heat conduction" is at least 10 W / m. Defined as including a conductive connection that transfers heat at a rate of K. However, the conductive connection is preferably 20 W / m. Transfer heat at a rate above K. In the illustrated embodiment, the back matching layer 920 is in the front surface of the back matching layer 920 to facilitate folding the back matching layer 920 to reach a position to contact the heat sink 924. Multiple notches 928 can be included.

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。   In one embodiment, the layers to be drawn have a plurality of large notches (not shown) through the matching layers 902, 904 and 906 and the piezoelectric element 910 to form an electrical isolation between the portions of the piezoelectric element 910. Can be included. Furthermore, the layers to be drawn can include matching layers 902, 904 and 906 and a plurality of small notches passing through a portion of the piezoelectric element 910 to effectively damp horizontal vibrations.

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。   FIG. 10 is a perspective view of the ultrasonic transducer 900 shown in FIG. Common reference numerals are shown to indicate common components between FIGS. 9 and 10. FIG. 10 shows wings 926 in an extended position prior to being bent downward to contact heat sink 924. The cross-sectional view of FIG. 9 shows only two of the four wings 926. In FIG. 10, the aft matching layer 920 clearly includes four wings 926. Coordinate axes 930 are also shown in FIG. The embodiment shown in FIG. 10 extends from the ultrasonic transducer 900 in both the positive and negative x-axis directions, and further extends from the ultrasonic transducer 900 in both the positive and negative y-axis directions. Wing 926 is included.

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。   The rear matching layer of another embodiment may include fewer than four wings. For example, one embodiment (not shown) can have a matching layer with only two wings. If the embodiment has only two wings, it may be advantageous for the wings to be arranged substantially parallel to either notch during the dicing process. That is, if the dicing of the notch is in the y-direction, in the positive and negative directions of the y-axis so that the undiced portion of the piezoelectric element 910 can provide a good thermal path from the piezoelectric element 910 to the wing 926 It may be advantageous to have the wings extend.

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。   In embodiments having four wings 926, such as the embodiment shown in FIG. 10, any gap created during the dicing process may be a thermally conductive but electrically insulating material such as RTV or epoxy. May be filled with Filling the notches made during the dicing process allows heat to flow from the piezoelectric element 910 through the back matching layer 920 to the heat sink 924. Those skilled in the art will recognize that the wings 926 shown in FIG. 10 are thermally connected to the heat sink 924 before the ultrasonic transducer 900 is used. Further, it should be appreciated that alternative embodiments may have one or more wings disposed substantially perpendicular to any notches made during the dicing process .

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。   FIG. 11 depicts a cross-sectional view of the layers of ultrasonic transducer 950. Common reference numerals are used to indicate components that are substantially identical to the components described above in connection with FIG. The components described above will not be described in detail again. Ultrasonic transducer 950 includes a back matching layer 952 that includes two portions 954 that extend beyond end 955 of piezoelectric element 910. A thermally conductive sheet 956 thermally connects each portion 954 to a heat sink 924. Similar to the embodiment shown in FIG. 9, the back matching layer 952 is configured to conduct heat to the heat sink 924. The back matching layer 952 may be aluminum or an aluminum alloy in the illustrated embodiment. The thermally conductive sheet 956 may also be aluminum or an aluminum alloy. The thermally conductive sheet 956 may be directly connected to the back matching layer 952 or may be adhered to the back matching layer 952 using a material such as thermally conductive epoxy or solder.

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。   In particular embodiments, the techniques described herein may be applied in conjunction with one-dimensional linear array transducers, two-dimensional transducers, and / or annular array transducers. In particular embodiments, the techniques described herein may be applied in conjunction with transducers of any geometry.

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。   FIG. 12 shows a graph showing simulation data. Graph 970 shows the transmit and receive functions of both a conventional ultrasonic transducer without a back matching layer and an ultrasonic transducer according to one embodiment with a 200 μm back matching layer on an aluminum backing ( It shows transmit / receive transfer function). A plot of a conventional ultrasound transducer is shown as a line, and a plot of an ultrasound transducer with a back-matching layer is shown as a dotted line. In the portion of the spectrum where the two plots are equal, only the dotted line is shown in the graph 970. The transmission and reception functions are approximately equal over most of the frequencies. The transmission and reception functions are divided into 1.5 MHz to 2.8 MHz and 3.2 MHz to 4.5 MHz. At all other frequencies, the transmit and receive functions of the ultrasonic transducer and the conventional ultrasonic transducer according to one embodiment can not be seen in the graph 970. The similarity of the graphs of the transmission and reception functions of the transducer according to one embodiment and the conventional ultrasonic transducer is such that the acoustic performance of the ultrasonic transducer according to one embodiment is very close to the acoustic performance of the conventional ultrasonic transducer Is shown. This simulation demonstrates that the acoustic performance of the ultrasonic transducer according to one embodiment is not impeded by the presence of the back matching layer.

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。   FIG. 13 shows a graph showing simulation data. Graph 975 shows pulse echoes of both a conventional ultrasonic transducer without a back matching layer and an ultrasonic transducer according to one embodiment having a 200 μm back matching layer on an aluminum backing. ing. A plot of a conventional ultrasound transducer is shown as a line, and a plot of an ultrasound transducer with a back-matching layer is shown as a dotted line. In the portion of the spectrum where the two plots are equal, graph 975 shows only the dotted line. The pulse echoes of both the conventional ultrasonic transducer and the ultrasonic transducer according to one embodiment are approximately equal. These pulse echoes differ in time from about 0.9 s to 1.1 s and just 1.2 s to near 1.8 s. At all other times on graph 975, pulse echoes of conventional ultrasound transducers and pulse echoes of ultrasound transducers according to one embodiment can not be distinguished on graph 975. This is because the acoustic performance of the ultrasonic transducer according to one embodiment is very similar to that of the conventional ultrasonic transducer, and the acoustic performance of the ultrasonic transducer according to one embodiment that a back matching layer is interposed It shows that it does not disturb.

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。   The application of the techniques herein produces the technical effect that the acoustic and / or thermal properties are improved. For example, by inducing heat away from the lens of the transducer, it is possible to increase the power level and use the transducer, thereby improving signal quality and image quality.

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。   The invention described herein extends to the converter described herein as well as the method of manufacturing such a converter.

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。   Although the invention has been described with reference to a plurality of embodiments, it will be understood by those skilled in the art that various modifications may be made and equivalents may be substituted without departing from the scope of the invention. . In addition, many modifications may be made to adapt a particular situation and material to the teachings of the present invention without departing from the scope of the present invention. Accordingly, it is intended that the invention not be limited to the specific embodiments disclosed, but the invention includes all embodiments falling within the scope of the appended claims.

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 conventional ultrasonic transducer 102, 908 lens 104, 106 matching layer 108, 308, 910 piezoelectric element 110, 310 backing 112, 927 arrow 200, 300, 400, 500, 600, 900, 950 ultrasonic transducer 203, 204, 205, 206, 303, 304, 305, 401, 501, 902, 904, 906 impedance matching layer 312 large notch 314 small notch 402, 926 wing 403 notch 502 sheet 912 front 914 aft 916 mismatch layer 918 Flex 920, 952 Back Matching Layer 922 Thermal Backing 924 Heat Sink 930 Coordinate Axis 955 End of Piezoelectric Element 954 Two Portions Stretching Beyond End of Piezoelectric Element 956 Thermally Conductive Sheet

Claims (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)、熱バッキング(922)及び不整合層(916)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、
を含み、
前記熱バッキング(922)は、二酸化チタンを有するエポキシで構成され、
前記不整合層(916)は、前記圧電要素(910)と前記後側整合層(920)との間に配置されていて、前記後側整合層(920)が前記不整合層(916)を介して前記圧電要素(910)と接続されており、
熱バッキング(922)は、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、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、超音波変換器(900)。
An ultrasonic transducer (900),
Piezoelectric element (910) defining an anterior side (912) and a posterior side (914), configured to convert electrical signals into ultrasound waves transmitted from said anterior side (912) towards a target A piezoelectric element (910), configured to convert the received ultrasound into an electrical signal,
A lens (908) connected to the front side (912) of the piezoelectric element (910);
A heat sink (924), a thermal backing (922) and a mismatch layer (916) connected to the back side (914) of the piezoelectric element (910);
A back matching layer (920) connected to both the piezoelectric element (910) and the heat sink (924), extending beyond the end of the piezoelectric element (910) to the heat sink (924) A rear matching layer (920) comprising wings (926) configured to conduct heat from the piezoelectric element (910) to the heat sink (924);
Including
The thermal backing (922) is comprised of an epoxy with titanium dioxide,
The mismatch layer (916) is disposed between the piezoelectric element (910) and the back matching layer (920), and the back matching layer (920) corresponds to the mismatch layer (916). Connected to the piezoelectric element (910) via
An ultrasonic transducer disposed between the back matching layer (920) and the heat sink (924) and configured to attenuate ultrasound from the piezoelectric element (910), a thermal backing (922) (900).
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