特許 6208220 超広帯域幅圧電変換器アレイ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6208220

(24)【登録日】2017年9月15日

(45)【発行日】2017年10月4日

(54)【発明の名称】超広帯域幅圧電変換器アレイ

(51)【国際特許分類】

   H04R 17/00 20060101AFI20170925BHJP

   A61B 8/14 20060101ALI20170925BHJP

【ＦＩ】

   H04R17/00 332B

   A61B8/14

【請求項の数】40

【全頁数】28

(21)【出願番号】特願2015-510311(P2015-510311)

(86)(22)【出願日】2013年4月19日

(65)【公表番号】特表2015-517752(P2015-517752A)

(43)【公表日】2015年6月22日

(86)【国際出願番号】US2013037419

(87)【国際公開番号】WO2013165709

(87)【国際公開日】20131107

【審査請求日】2016年4月15日

(31)【優先権主張番号】61/641,182

(32)【優先日】2012年5月1日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】13/648,225

(32)【優先日】2012年10月9日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】502122794

【氏名又は名称】フジフィルム ディマティックス， インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100092093

【弁理士】

【氏名又は名称】辻居 幸一

(74)【代理人】

【識別番号】100082005

【弁理士】

【氏名又は名称】熊倉 禎男

(74)【代理人】

【識別番号】100067013

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 文昭

(74)【代理人】

【識別番号】100086771

【弁理士】

【氏名又は名称】西島 孝喜

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100109335

【弁理士】

【氏名又は名称】上杉 浩

(74)【代理人】

【識別番号】100120525

【弁理士】

【氏名又は名称】近藤 直樹

(72)【発明者】

【氏名】ハジャティ アルマン

(72)【発明者】

【氏名】オットソン マッツ

【審査官】 大石 剛

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−０５５４７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２９６０５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１３０４７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０３２７６９５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／００１３４０５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００７／００６６８９７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００５−１１７１５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１４２２９４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ａ６１Ｂ ８／１４

Ｈ０４Ｒ １７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板の区域の上に配置され、かつ独立に電気的にアドレス可能な複数の駆動／感知電極レールと、
複数の圧電変換器要素集団であって、要素集団内の駆動／感知電極が、前記駆動／感知電極レールのうちの１つに結合され、異なる変換器要素集団の変換器要素間の電気機械的結合が、同じ要素集団の変換器要素間の電気機械的結合よりも小さく、各変換器要素集団が、複数の別々であるが重なっている周波数応答を提供するためのものである前記複数の圧電変換器要素集団と、
を含むことを特徴とする圧電微小超音波変換器（ｐＭＵＴ）アレイ。

【請求項2】

前記複数の周波数応答は、２つよりも多い異なる周波数ピークを含むことを特徴とする請求項１に記載のｐＭＵＴアレイ。

【請求項3】

同じ要素集団の変換器要素間の前記電気機械的結合は、少なくとも１つの縮退モードを誘起するのに十分であり、該少なくとも１つの縮退モードは、該要素集団内の個々の圧電変換器要素の固有共振周波数から分割された縮退共振周波数を有することを特徴とする請求項１に記載のｐＭＵＴアレイ。

【請求項4】

同じ要素集団の変換器要素間の前記電気機械的結合は、複数の縮退モードを誘起するのに十分であり、該複数の縮退モードは、互いから分割された縮退共振周波数を有することを特徴とする請求項３に記載のｐＭＵＴアレイ。

【請求項5】

同じ要素集団の変換器要素間の距離、材料の弾性係数、又はその第１の領域の断面結合区域のうちの少なくとも１つが、異なる要素集団の変換器要素間の第２の領域の対応するものとは異なることを特徴とする請求項３に記載のｐＭＵＴアレイ。

【請求項6】

前記距離、前記弾性係数、又は前記断面結合区域のうちの２つ又はそれよりも多くが、前記第１及び第２の領域の間で異なることを特徴とする請求項５に記載のｐＭＵＴアレイ。

【請求項7】

同じ要素集団の要素間の前記距離は、相互接続部材料及び断面結合区域が前記第１及び第２の領域内で同じである時に前記少なくとも１つの縮退モードを誘起するのに十分に小さいことを特徴とする請求項５に記載のｐＭＵＴアレイ。

【請求項8】

各圧電変換器要素集団が、中心が直線に沿って位置合わせされた単一縦列に圧電膜が配置された該要素集団によって占められた前記基板の幅よりも少なくとも５倍大きい該基板の長さにわたって配置されることを特徴とする請求項１に記載のｐＭＵＴアレイ。

【請求項9】

各圧電変換器要素集団が、少なくとも２つの隣接圧電膜が前記基板の長さに沿って重なり、かつ該基板の幅に沿って単一縦列からオフセットされた緊密に詰めた構成に前記複数の圧電変換器要素が配置された該要素集団によって占められた該基板の幅よりも少なくとも５倍大きい該基板の該長さにわたって配置されることを特徴とする請求項１に記載のｐＭＵＴアレイ。

【請求項10】

各圧電変換器要素集団が、複数の別々の共振周波数を提供するために異なる膜サイズの複数の圧電膜を含むことを特徴とする請求項１に記載のｐＭＵＴアレイ。

【請求項11】

各圧電変換器要素集団が、各膜サイズの１つよりも多い圧電変換器要素を含むことを特徴とする請求項１０に記載のｐＭＵＴアレイ。

【請求項12】

各圧電変換器要素集団が、該要素集団によって占められた前記基板の幅よりも少なくとも５倍大きい該基板の長さにわたって配置され、
各圧電変換器要素集団が、複数の変換器要素サブグループを更に含み、各サブグループが、各公称膜サイズの１つの圧電変換器要素を含み、
前記要素集団は、異なるサイズの少なくとも１つの介在要素により、かつ１つの要素サブグループよって占められた前記基板の長さよりも大きくなく離間された同じサイズの変換器要素を有する、
ことを特徴とする請求項１１に記載のｐＭＵＴアレイ。

【請求項13】

各圧電変換器要素集団の圧電膜が、第２の次元に沿って単一縦列にあることを特徴とする請求項１０に記載のｐＭＵＴアレイ。

【請求項14】

各圧電変換器要素集団の圧電膜が、前記基板の長さに沿って重なり、かつ該基板の幅に沿って単一縦列からオフセットされた少なくとも２つの隣接圧電膜を有する緊密に詰めた構成にあることを特徴とする請求項１０に記載のｐＭＵＴアレイ。

【請求項15】

前記複数の駆動／感知電極レールは、前記基板の第１及び第２の次元に沿って駆動／感知電極レールの２次元アレイを形成し、
前記複数の変換器要素集団の各々が、同じ数の変換器要素を含み、集団内の該変換器要素の各々が、同じ空間的サブグループ分けを有し、
第１の駆動／感知電極レールに結合された第１の変換器要素集団が、第１の向きに前記空間的にサブグループ分けされた変換器を有し、第２の駆動／感知電極レールに結合された第２の変換器要素集団が、第２の向きに前記空間的にサブグループ分けされた変換器を有する、
ことを特徴とする請求項１０に記載のｐＭＵＴアレイ。

【請求項16】

各変換器要素集団内の変換器要素が、緊密に詰められ、隣接変換器要素集団が、要素集団内のものよりも緊密に詰められないことを特徴とする請求項１に記載のｐＭＵＴアレイ。

【請求項17】

前記要素集団の各々における少なくとも１つの圧電変換器要素が、複数の別々の共振周波数を提供するために異なる長さの少なくとも第１及び第２の半主軸を有する楕円幾何学形状を有する圧電膜を含むことを特徴とする請求項１に記載のｐＭＵＴアレイ。

【請求項18】

前記楕円幾何学形状は、第１、第２、及び第３の半主軸を有する楕円体を含み、
前記第１及び第２の半主軸は、前記基板の平面にある、
ことを特徴とする請求項１７に記載のｐＭＵＴアレイ。

【請求項19】

前記圧電変換器要素集団のうちの１つの集団内の膜に対する前記第１及び第２の半主軸は、平行であることを特徴とする請求項１７に記載のｐＭＵＴアレイ。

【請求項20】

前記第１及び第２の半主軸のうちの短い方が、前記要素集団のうちの１つによって占められた前記基板の最も長い長さに対して平行な方向に位置合わせされることを特徴とする請求項１９に記載のｐＭＵＴアレイ。

【請求項21】

第１の要素集団の第１及び第２の半主軸が、第１の向きを有し、
前記第１の集団に隣接する第２の要素集団の第１及び第２の半主軸が、前記第１の向きに対して直角の第２の向きを有する、
ことを特徴とする請求項１９に記載のｐＭＵＴアレイ。

【請求項22】

前記第１及び第２の半主軸は、前記要素集団の１つによって占められた前記基板の最も長い長さに対して４５°に向けられることを特徴とする請求項２１に記載のｐＭＵＴアレイ。

【請求項23】

媒質に圧力波を発生させ、かつ感知するための装置であって、
請求項１に記載のｐＭＵＴアレイと、
前記ｐＭＵＴアレイに結合されて少なくとも１つの駆動／感知電極上に電気駆動信号を印加する発生手段と、
前記ｐＭＵＴアレイに結合されて少なくとも１つの駆動／感知電極から電気応答信号を受信する受信手段と、
前記受信手段に結合されて前記複数の駆動／感知電極から受信した電気応答信号を処理する信号処理手段と、
を含むことを特徴とする装置。

【請求項24】

前記発生手段は、電気駆動信号を印加して圧電変換器要素集団のうちの少なくとも１つを１ＭＨｚと１５ＭＨｚの間の周波数で共振させるためのものであることを特徴とする請求項２３に記載の装置。

【請求項25】

基板の区域の上に配置され、かつ独立に電気的にアドレス可能である複数の駆動／感知電極レールと、
複数の圧電変換器要素集団であって、要素集団内のどの駆動／感知電極も、前記駆動／感知電極レールのうちの１つに結合され、該要素集団の各々における少なくとも１つの圧電変換器要素が、異なる公称長さの少なくとも第１及び第２の半主軸を有する楕円幾何学形状を有する圧電膜を含む前記複数の圧電変換器要素集団と、
を含むことを特徴とする圧電微小超音波変換器（ｐＭＵＴ）アレイ。

【請求項26】

前記楕円幾何学形状は、第１、第２、及び第３の半主軸を有する楕円体を含み、
前記第１及び第２の半主軸は、前記基板の平面にある、
ことを特徴とする請求項２５に記載のｐＭＵＴアレイ。

【請求項27】

前記圧電変換器要素集団のうちの１つの集団内のどの膜に対する前記第１及び第２の半主軸も全て平行であることを特徴とする請求項２５に記載のｐＭＵＴアレイ。

【請求項28】

前記複数の駆動／感知電極レールは、前記基板の第１の次元に沿って駆動／感知電極レールの１次元アレイを形成し、
各圧電変換器要素集団が、前記第１の次元に対して直角の前記基板の第２の次元に沿って該基板の幅よりも少なくとも５倍大きい該基板の長さにわたって配置され、
前記基板の平面における前記半主軸のうちの短い方が、該基板の前記第２の次元と平行に位置合わせされる、
ことを特徴とする請求項２７に記載のｐＭＵＴアレイ。

【請求項29】

前記複数の駆動／感知電極レールは、前記基板の第１の次元に沿って駆動／感知電極レールの１次元アレイを形成し、
各圧電変換器要素集団が、前記第１の次元に対して直角の前記基板の第２の次元に沿って該基板の幅よりも少なくとも５倍大きい該基板の長さにわたって配置され、
前記基板の前記平面における前記半主軸は、該基板の前記第２の次元に対して全て非平行である、
ことを特徴とする請求項２８に記載のｐＭＵＴアレイ。

【請求項30】

第１の圧電変換器要素集団における膜に対する前記基板の前記平面における２つの半主軸が、前記第１の要素集団に隣接する第２の圧電変換器要素集団における膜軸に対して全て実質的に直角であることを特徴とする請求項２９に記載のｐＭＵＴアレイ。

【請求項31】

基板の区域の上に配置され、かつ独立に電気的にアドレス可能である複数の駆動／感知電極レールと、
複数の圧電変換器要素集団であって、要素集団内のどの駆動／感知電極も、前記駆動／感知電極レールのうちの１つに結合され、各圧電変換器要素集団が、漸変的な膜サイズの複数の圧電膜を含む前記複数の圧電変換器要素集団と、
を含むことを特徴とする圧電微小超音波変換器（ｐＭＵＴ）アレイ。

【請求項32】

各圧電変換器要素集団の膜が、異なる膜サイズの２つよりも多くない最も近い隣接する膜を有することを特徴とする請求項３１に記載のｐＭＵＴアレイ。

【請求項33】

前記要素集団は、膜の１つよりも多い横列及び１つよりも多い縦列を含むことを特徴とする請求項３２に記載のｐＭＵＴアレイ。

【請求項34】

異なる電極に結合された隣接変換器要素集団の最も近い隣接する膜が、異なるサイズのものであることを特徴とする請求項３１に記載のｐＭＵＴアレイ。

【請求項35】

前記複数の駆動／感知電極レールは、前記基板の第１の次元に沿って駆動／感知電極レールの１次元アレイを形成し、各圧電変換器要素集団が、該第１の次元に対して直角の該基板の第２の次元に沿って該基板の幅よりも少なくとも５倍大きい該基板の長さにわたって配置され、
各圧電変換器要素集団が、複数の変換器要素サブグループを更に含み、各サブグループが、各公称膜サイズの１つの圧電変換器要素を含み、
前記要素サブグループは、異なるサイズの少なくとも１つの介在膜によるが、１つの要素サブグループよって占められた前記基板の長さよりも大きくなく離間された同じサイズの変換器要素を有するように、前記要素集団によって占められた該基板の長さ全体に沿って繰り返す、
ことを特徴とする請求項３３に記載のｐＭＵＴアレイ。

【請求項36】

前記複数の駆動／感知電極レールは、前記基板の第１及び第２の次元に沿って駆動／感知電極レールの２次元アレイを形成し、
前記複数の変換器要素集団の各々が、同じ数の変換器要素を含み、集団内の該変換器要素の各々が、同じ空間的サブグループ分けを有し、
第１の駆動／感知電極レールに結合された第１の変換器要素集団が、第１の向きに前記空間的にサブグループ分けされた変換器を有し、第２の駆動／感知電極レールに結合された第２の変換器要素集団が、第２の向きに前記空間的にサブグループ分けされた変換器を有する、
ことを特徴とする請求項３５に記載のｐＭＵＴアレイ。

【請求項37】

基板の区域の上に配置され、かつ独立に電気的にアドレス可能である複数の駆動／感知電極レールと、
複数の圧電変換器要素集団であって、要素集団内のどの駆動／感知電極も、前記駆動／感知電極レールのうちの１つに結合され、各変換器要素集団内の変換器要素が、緊密に詰められ、異なる電極に結合された隣接変換器要素集団が、要素集団内のものよりも緊密に詰められない前記複数の圧電変換器要素集団と、
を含むことを特徴とする圧電微小超音波変換器（ｐＭＵＴ）アレイ。

【請求項38】

前記複数の駆動／感知電極レールは、前記基板の第１の次元に沿って駆動／感知電極レールの１次元アレイを形成し、各圧電変換器要素集団が、該第１の次元に対して直角の該基板の第２の次元に沿って該基板の幅よりも少なくとも５倍大きい該基板の長さにわたって配置され、
各圧電変換器要素集団の圧電膜が、前記基板の前記長さに沿って重なって該基板の幅に沿って単一縦列からのオフセットされた少なくとも２つの隣接圧電膜を有する緊密に詰められた構成にある、
ことを特徴とする請求項３７に記載のｐＭＵＴアレイ。

【請求項39】

各圧電変換器要素集団が、複数の別々の共振周波数を提供するために異なる公称膜サイズの複数の圧電膜を含むことを特徴とする請求項３７に記載のｐＭＵＴアレイ。

【請求項40】

各圧電変換器要素集団が、各公称膜サイズの１つよりも多い圧電変換器要素を含むことを特徴とする請求項３９に記載のｐＭＵＴアレイ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

〔関連出願への相互参照〕
本出願は、「超広帯域幅圧電変換器アレイ」という名称の２０１２年５月１日出願の米国特許仮出願第６１／６４１，１８２号及び「超広帯域幅圧電変換器アレイ」という名称の２０１２年１０月９日出願の米国特許出願第１３／６４８，２２５号の利益を主張するものであり、これらの内容全体は、これによりその全体が全ての目的に対して引用により組み込まれる。

【0002】

本発明の実施形態は、一般的に圧電変換器に関し、より具体的には、圧電微小超音波変換器（ｐＭＵＴ）アレイに関する。

【背景技術】

【0003】

超音波圧電変換器デバイスは、典型的には、時変駆動電圧に応答して振動して変換器要素の露出外面に接触した伝播媒質（例えば、空気、水、又は身体組織）に高周波圧力波を発生させることができる圧電膜を含む。この高周波圧力波は、他の媒質の中に伝播することができる。同じ圧電膜はまた、伝播媒質から反射圧力波を受け入れ、受け入れた圧力波を電気信号に変換することもできる。電気信号は、駆動電圧信号と共に処理されて伝播媒質内の密度又は弾性係数の変動に関する情報を得ることができる。

【0004】

圧電膜を使用する多くの超音波変換器デバイスは、バルク圧電材料を機械的にダイスカットすることにより、又は圧電セラミック結晶が注入されたキャリア材料を射出成形することによって形成されるが、デバイスは、有利な態様において、様々なマイクロマシニング技術（例えば、材料堆積、リソグラフィパターン化、エッチングによる特徴部形成、その他）を使用して超高寸法公差に対して廉価に製作することができる。従って、変換器要素の大きいアレイを使用することができ、アレイの個々のものは、ビーム形成アルゴリズムを通じて駆動される。そのようなアレイ式デバイスは、ｐＭＵＴアレイとして公知である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従来のｐＭＵＴアレイに関する１つの問題は、伝達媒質から作用される実音圧の関数である帯域幅が制限される場合あるということである。胎児心臓モニタリング及び動脈モニタリングのような超音波変換器用途は、広範囲の周波数（例えば、比較的より深い撮像機能を提供するより低い周波数及びより浅い撮像機能を提供するより高い周波数）に及ぶので、軸方向分解能（すなわち、超音波ビームに平行の方向の分解能）は、与えられた周波数に対してｐＭＵＴアレイの帯域幅の強化を通じてパルス長を短くすることによって有利に改善されるであろう。

【0006】

従来のｐＭＵＴアレイに関する別の問題は、基板の振動を通じた機械的結合及びｐＭＵＴアレイに見出される近い要素間の音響結合が変換器要素間の望ましくないクロストークを導く可能性があるということである。超音波変換器用途における信号対ノイズ比は、このようなｐＭＵＴアレイ内の望ましくない形態のクロストークを低下させることによって有利に改善されるであろう。

【課題を解決するための手段】

【0007】

広帯域幅圧電微小超音波変換器（ｐＭＵＴ）アレイ及び広帯域幅ｐＭＵＴアレイを含むシステムを本明細書に説明する。実施形態において、圧電微小超音波変換器（ｐＭＵＴ）アレイは、基板の区域の上に配置された複数の独立にアドレス可能な駆動／感知電極レールと複数の圧電変換器要素集団とを含む。要素集団内の各駆動／感知電極は、駆動／感知電極レールのうちの１つに結合される。アレイ内において、異なる変換器要素集団の変換器要素間の電気機械的結合は、同じ要素集団の変換器要素間の電気機械的結合よりも小さく、各変換器要素集団は、累積広帯域幅作動のための複数の別々であるが重なっている周波数応答を提供するためのものである。

【0008】

実施形態において、同じ要素集団の変換器要素間の電気機械的結合は、１つ又はそれよりも多くの縮退モードを誘起するのに十分であり、少なくとも１つの縮退モードは、要素集団の帯域幅を増大させるように要素集団内の個々の圧電変換器要素の固有共振周波数から分割された縮退共振周波数を有する。

【0009】

実施形態において、ｐＭＵＴアレイの各圧電変換器要素集団は、広帯域幅に及ぶ複数の別々の共振周波数を提供するために異なる公称膜サイズの複数の圧電膜を含む。実施形態において、要素集団は、互いに対して異なる共振周波数（すなわち、オフ共振）での最も近い隣接要素を有することによってクロストークを低下させるために、異なるサイズの少なくとも１つの介在要素によって離間された同じサイズの変換器要素を有する。

【0010】

実施形態において、同じ駆動／感知電極レール（すなわち、同じチャネルのもの）に結合された要素集団は、変換器要素を与えられた変換器要素の最の近くの隣接するものが膜サイズの漸変的な空間的変動及びより良好な共振位相制御に対して密接に適合するが異なる膜サイズのものであるように配置させる。実施形態において、各圧電変換器要素集団の圧電膜は、伝達媒質減衰を低下させるために要素集団内の異なるサイズの最の近くの隣接するものの数を低減するために非対称要素レイアウトを有する。

【0011】

実施形態において、各圧電変換器要素集団の圧電膜は、ｐＭＵＴアレイの感度を増大させるように緊密に詰まった構成にある。実施形態において、別々の要素集団は、集団内の緊密に詰まった間隔よりも大きい間隔を提供して集団間のクロストークを低下させるために互いに緊密に詰まっていない。

【0012】

実施形態において、要素集団の各々における少なくとも１つの圧電変換器要素は、広帯域幅応答のための複数の別々の共振周波数を提供するために、異なる公称長さの少なくとも第１及び第２の半主軸を有する非円形幾何学形状を有する圧電膜を含む。実施形態において、圧電変換器要素集団のうちの１つの中の楕円形膜に対する第１及び第２の半主軸は平行である。実施形態において、第１の要素集団の第１及び第２の半主軸は、第１の向きを有するが、第１の集団に隣接する第２の要素集団の第１及び第２の半主軸は、第１の向きに対して直角の第２の向きを有する。

【0013】

本発明の実施形態は、限定ではなく一例として示されており、かつ図と共に考慮すると以下の詳細説明を参照してより完全に理解することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】実施形態による変換器要素を有するｐＭＵＴアレイの平面図である。

【図2A】実施形態による図１のｐＭＵＴアレイに利用される変換器要素の断面図である。

【図2B】実施形態による図１のｐＭＵＴアレイに利用される変換器要素の断面図である。

【図2C】実施形態による図１のｐＭＵＴアレイに利用される変換器要素の断面図である。

【図3A】実施形態による図１に示すｐＭＵＴアレイ内の変換器間の相対電気機械的結合を示した概略図である。

【図3B】実施形態による図１に示すｐＭＵＴアレイ内の変換器間の音響結合を示した概略図である。

【図4A】図１に示すｐＭＵＴアレイ内の変換器要素間の第１の量の結合に対する変換器性能メトリックのグラフである。

【図4B】図１に示すｐＭＵＴアレイ内の変換器要素間の第１の量の結合に対する変換器性能メトリックのグラフである。

【図5】実施形態による図１に示すｐＭＵＴアレイ内の変換器要素間の第２の量の結合に対する変換器性能メトリックのグラフである。

【図6A】実施形態による図１のｐＭＵＴアレイの変換器間領域の断面図である。

【図6B】実施形態による図１のｐＭＵＴアレイの変換器間領域の断面図である。

【図6C】実施形態による図１のｐＭＵＴアレイの変換器間領域の断面図である。

【図6D】実施形態による図１に示すｐＭＵＴに対して示す図６Ａ〜図６Ｃの変換器間領域の平面図である。

【図6E】実施形態による図１に示すｐＭＵＴに対して示す図６Ａ〜図６Ｃの変換器間領域の平面図である。

【図6F】実施形態による図１に示すｐＭＵＴに対して示す図６Ａ〜図６Ｃの変換器間領域の平面図である。

【図6G】実施形態によるｐＭＵＴアレイを形成する方法を示す流れ図である。

【図7A】実施形態による異なるサイズの変換器要素を有するｐＭＵＴアレイの平面図である。

【図7B】図７Ａに示すｐＭＵＴアレイに対する性能メトリックのプロットの図である。

【図7C】図７Ａに示すｐＭＵＴアレイに対する性能メトリックのプロットの図である。

【図7D】実施形態による異なるサイズの変換器要素を有するｐＭＵＴアレイの平面図である。

【図7E】実施形態による異なるサイズの変換器要素を有するｐＭＵＴアレイの平面図である。

【図8A】実施形態による異なるサイズの変換器要素を有するｐＭＵＴアレイの平面図である。

【図8B】実施形態による異なるサイズの変換器要素を有するｐＭＵＴアレイの平面図である。

【図9A】実施形態による楕円幾何学形状を有する変換器要素の等角概略図である。

【図9B】実施形態による楕円幾何学形状を有する変換器要素の半主軸に対して異なるモード関数を示したグラフである。

【図9C】実施形態による楕円幾何学形状を有する変換器要素の帯域幅のグラフである。

【図10A】実施形態による楕円幾何学形状を有する変換器要素を有するｐＭＵＴアレイの平面図である。

【図10B】実施形態による楕円幾何学形状を有する変換器要素を有するｐＭＵＴアレイの平面図である。

【図10C】実施形態による楕円幾何学形状を有する変換器要素を有するｐＭＵＴアレイの平面図である。

【図11A】緊密に詰まった変換器要素を有するｐＭＵＴアレイの平面図である。

【図11B】緊密に詰まった変換器要素を有するｐＭＵＴアレイの平面図である。

【図11C】緊密に詰まった変換器要素を有するｐＭＵＴアレイの平面図である。

【図12】本発明の実施形態によるｐＭＵＴアレイを使用する超音波変換器装置の機能ブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下の説明において、多くの詳細を説明するが、本発明をこれらの具体的詳細なしに実施することができることは、当業者には明らかであろう。一部の事例において、公知の方法及びデバイスは、本発明を曖昧にすることを回避するために詳細ではなくブロック図の形態で示される。本明細書全体を通じて「実施形態」への参照は、その実施形態に関連して説明する特定の特徴、構造、機能、又は特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書全体を通じて様々な箇所における用語「実施形態において」の出現は、必ずしも本発明の同じ実施形態を参照しているとは限らない。更に、特定の特徴、構造、機能、又は特性は、１つ又はそれよりも多くの実施形態にあらゆる適切な方式で組み合わせることができる。例えば、第１の実施形態は、２つの実施形態が相互に排他的であると具体的に表示されていないどこにでも第２の実施形態と組み合わせることができる。

【0016】

用語「結合された」は、構成要素間の機能又は構造関係を説明するために本明細書に使用される。「結合された」は、互いに直接又は間接（これらの間の他の介在要素により又は媒質により）のいずれかで機械的、音響的、光学的、又は電気的に接触すること、及び／又は２つ又はそれよりも多くの要素が互いに協働するか又は相互作用すること（例えば、因果関係におけるような）を示すことができる。

【0017】

本明細書に使用する時の用語「の上に」、「の下に」、「の間に」、及び「上に」は、１つの構成要素又は材料層の他の構成要素又は層に対する相対位置を意味し、このような物理的関係は、アセンブリの関連で又は微小機械加工されたスタックの材料層の関連で機械的構成要素に関して注目すべきものである。別の層（構成要素）の上又は下に配置された１つの層（構成要素）は、他の層（構成要素）と直接に接触することができ、又は１つ又はそれよりも多くの介在層（構成要素）を有することができる。更に、２つの層（構成要素）の間に配置された１つの層（構成要素）は、２つの層（構成要素）と直接に接触することができ、又は１つ又はそれよりも多くの介在層（構成要素）を有することができる。対照的に、第２の層（構成要素）「上」の第１の層（構成要素）は、その第２の層（構成要素）と直接に接触する。

【0018】

本明細書に説明する様々な実施形態は、ｐＭＵＴとの関連で全て提示されているが、開示する構造又は技術のうちの１つ又はそれよりも多くは、他のタイプの超音波変換器アレイに、実際に、更に一般的に例えばインクジェット技術におけるような様々な他のＭＥＭ変換器アレイに適用することができることは理解されるものとする。従って、ｐＭＵＴアレイは、ある一定の相乗効果及び属性を最も明確に説明することができるモデル実施形態として示されるが、本明細書の開示は、遥かに広範な適用を有する。

【0019】

図１は、実施形態によるｐＭＵＴアレイ１００の平面図である。図２Ａ、図２Ｂ、及び図２Ｃは、そのいずれも実施形態によるｐＭＵＴアレイ１００に利用することができる変換器要素の実施形態の断面図である。

【0020】

アレイ１００は、基板１０１の第１の次元ｘ及び第２の次元ｙによって定められた区域の上に配置された複数の電極レール１１０、１２０、１３０、１４０を含む。駆動／感知電極レール（図１１０）の各々は、いずれかの他の駆動／感知電極レール（例えば、１２０又は１３０）とは独立に電気的にアドレス可能である。駆動／感知電極レール及び基準（例えば、接地）電極レールの両方は、図２Ａ〜図２Ｃの断面図に描かれている。図１において、駆動／感知電極レール１１０及び駆動／感知電極レール１２０は、アレイ内の反復セルを表している。例えば、第１の駆動／感知電極レール１１０は、第１のバス１２７に結合され、隣接する駆動／感知電極レール１２０は、第２のバス１２８に結合され、互いに噛み合った指構造を形成する。駆動／感知電極レール１３０及び駆動／感知電極レール１４０は、追加のセルを用いて互いに噛み合った構造を繰り返し、任意的なサイズの１Ｄ電極アレイを形成する（例えば、１２８レール、２５６レール、その他）。

【0021】

実施形態において、ｐＭＵＴアレイは、複数の圧電変換器要素集団を含む。各圧電変換器要素集団は、各要素集団内の個々の変換器要素の複合体である周波数応答を有する集合体要素として作動する。実施形態において、与えられた要素集団内で、変換器要素の駆動／感知電極は、全ての要素の駆動／感知電極が同じ電位にあるように１つの駆動／感知電極レールに並列に電気的に結合される。例えば、図１において、変換器要素１１０Ａ、１１０Ｂ…１１０Ｌは、駆動／感知電極レール１１０に結合された駆動／感知電極を有する。同様に、変換器要素１２０Ａ−１２０Ｌは、駆動／感知電極レール１２０に並列に全て結合される。一般的に、いずれの数の圧電変換器要素も、第２の（ｙ）寸法のアレイサイズ及び要素ピッチの関数として互いに集合体にすることができる。図１に示す実施形態において、各圧電変換器要素集団（例えば、１１０Ａ−１１０Ｌ）は、基板の幅Ｗ₁よりも少なくとも５倍、好ましくは、少なくとも１桁大きい基板の長さＬ₁にわたって配置される。

【0022】

実施形態において、各圧電変換器要素は、圧電膜を含む。圧電膜は、一般的に、当業技術で通常のあらゆる形状のものとすることができるが、例示的な実施形態において、圧電膜は回転対称性を有する。例えば、ｐＭＵＴアレイ１００において、各変換器要素は、円形幾何学形状を有する圧電膜を含む。圧電膜は、更に、ドーム（図２Ａによって更に示すように）又はディンプル（図２Ｂに更に示すように）を形成するように第３の（ｚ）寸法の曲率を有する回転楕円体とすることができる。平面膜も、図２Ｃに更に示すように可能である。

【0023】

図２Ａ〜図２Ｃとの関連において、個々の変換器要素の例示的な微小機械加工された（すなわち、微小電気機械的）態様をここで簡単に以下に説明する。図２Ａ〜図２Ｃに示す構造は、本発明の特定の態様との関連でかつ圧電変換器要素構造に対する本発明の広範な適用性を更に示すように主として含まれることは認められるものとする。

【0024】

図２Ａにおいて、凸面変換器要素２０２は、作動中にｐＭＵＴアレイ１００の振動外面の一部分を形成する上面２０４を含む。変換器要素２０２はまた、基板１０１の上面に取りつけられた底面２０６を含む。変換器要素２０２は、基準電極２１２と駆動／感知電極２１４の間に配置された凸面又はドーム形圧電膜２１０を含む。一実施形態において、圧電膜２１０は、例えば、平面上部面上に形成されたドームを有するプロファイル転写基板（例えば、フォトレジスト）上の均一層に圧電材料粒子を堆積させること（例えば、スパッタリング）によって形成することができる。例示的な圧電材料は、「チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）」であるが、以下に限定されることなく、二フッ化ポリビニリデン（ＰＶＤＦ）ポリマー粒子、ＢａＴｉＯ３、単結晶ＰＭＮ−ＰＴ、及び窒化アルミニウム（ＡＩＮ）のような従来のマイクロマシン処理を受け入れる当業技術で公知のあらゆるものを利用することができる。駆動／感知電極及び基準電極２１４、２１２は、各々プロファイル−プロファイル転写基板上に堆積した（例えば、ＰＶＤ、ＡＬＤ、ＣＶＤ、その他により）導電材料の薄膜層とすることができる。駆動電極層の導電材料は、以下に限定されるものではないが、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｉｒ、その他のうちの１つ又はそれよりも多く、これらの合金（例えば、ＡｄＳｎ、ＩｒＴｉＷ、ＡｄＴｉＷ、ＡｕＮｉ、その他）、これらの酸化物（例えば、ＩｒＯ₂、ＮｉＯ₂、ＰｔＯ₂、その他）、又は２つ又はそれよりも多くのこのような材料の複合スタックのようなこのような機能に対して当業技術で公知のあらゆるものとすることができる。

【0025】

図２Ａに更に示すように、一部の実施において、変換器要素２０２は、製作中の支持体及び／又はエッチストップとして機能することができる二酸化珪素のような薄膜層２２２を任意的に含むことができる。誘電材料膜２２４は、駆動／感知電極２１４を基準電極２１２から更に隔離するように機能することができる。垂直に向けられた電気的相互接続部２２６は、駆動／感知電極レール１１０を通じて駆動／感知電極２１４を駆動／感知回路に接続する。類似の相互接続部２３２は、基準電極２１２を基準電極レール２３４に接続する。変換器要素２０２の中心を定める対称線を有する孔２４１を有する環状支持体２３６は、圧電膜２１０を基板１０１に機械的に結合する。支持体２３６は、以下に限定されるものではないが、二酸化珪素、多結晶シリコン、多結晶ゲルマニウム、ＳｉＧｅなどのようなあらゆる従来の材料のものとすることができる。支持体２３６の例示的な厚みは１０〜５０μｍ、及び膜２２４の例示的な厚みは２〜２０μｍに及んでいる。

【0026】

図２Ｂは、変換器要素２０２の構造に機能的に類似する構造を同様の参照番号で識別する変換器要素２４２の別の例の構成を示している。変換器要素２４２は、静止状態で凹面である凹面圧電膜２５０を示している。ここで、駆動／感知電極２１４は、凹面圧電膜２５０の底面の下に配置されるが、基準電極２１２は、上面の上に配置される。上部保護不動態化層２６３も示している。

【0027】

図２Ｃは、変換器要素２０２の構造に機能的に類似する構造を同様の参照番号で識別する変換器要素２８２の別の例の構成を示している。変換器要素２８２は、静止状態で平面である平面圧電膜２９０を示している。ここで、駆動／感知電極２１４は、平面圧電膜２９０の底面の下に配置されるが、基準電極２１２は、上面の上に配置される。図２Ａ〜図２Ｃの各々に描かれたものと反対の電極構成も可能である。

【0028】

実施形態において、ｐＭＵＴアレイ内では、異なる変換器要素集団の変換器要素間の電気機械的結合は、同じ要素集団の変換器要素間の電気機械的結合よりも小さい。このような関係は、隣接する集団間（例えば、例示的な１Ｄアレイの線の間）のクロストークを低下させることになる。図３Ａは、実施形態による図１に示すｐＭＵＴアレイ１００内の変換器間の相対電気機械的結合の図表的表示である。図示のように、第１の要素集団３１０と第２の隣接するか又は最の近くの隣接要素集団３２０との間には、集団（例えば、集団３２０）内の個々の要素間の第２の結合係数Ｃ₂（例えば、短い結合バネ）よりも比較的小さい第１の結合係数Ｃ₁（例えば、長い結合バネ）が存在する。更に図２Ａ〜図２Ｃを参照して、少なくとも基板１０１及び典型的には同じく支持体２３６は、隣接する変換器要素の間にｘ及びｙ次元で横方向に延び、それによって隣接する変換器要素の間に電気機械的隔離を提供する。従って、変換器要素間の電気機械的結合は、一般的に、基板１０１及び支持体２３６に対して選択された材料に依存する。弾性係数のような内因性材料特性は、支持体２３６のフィルム厚み（ｚ高さ）及び支持体の特徴幅（ｘ−ｙ平面の）を含むことができる隣接する変換器と有効断面結合区域の間の距離（ｘ−ｙ平面の）を含む寸法属性のような外因性特性及び基板１０１に対する同様の特性が与えるような変換器要素間の電気機械的結合に影響を与える。

【0029】

図３Ｂは、実施形態による図１に示すｐＭＵＴアレイ内の変換器間の音響結合を示した概略図である。図示のように、伝達媒質自体による変換器間の結合（すなわち、「音響結合」）は、図３Ａに示す電気機械的結合効果よりも大きい距離にわたって依然として有意である。例えば、最も近い隣接変換器がクロストーク源をもたらすだけでなく、２つ又はそれよりも多くの変換器幅の距離だけ犠牲変換器から離れて配置された変換器もそうする。図３Ｂにおいて、与えられた犠牲変換器３３０に対して、多数の加害変換器からの音響結合表示「ＡＣ」（例えば、変換器集団３１０、３２０Ａ、及び３２０Ｂの横列／縦列に対してＡＣ_1,1、ＡＣ_1,2、ＡＣ_1,3、ＡＣ_2,1、ＡＣ_2,2、ＡＣ_2,3，．．ＡＣ_n,m）は、変換器の空間配置の関数として各変換器の媒質、作動周波数範囲、及び位相の少なくとも特性に依存して有意である場合がある。伝達媒質自体（例えば、水）を通じた第１の「犠牲」膜（例えば、３３０）と隣接膜（例えば、第１の膜から２つ又はそれよりも多くの膜の距離で配置された隣接する膜と隣接しない膜）との間の結合は、近位要素があまりに大きく変動し過ぎる直径の膜を有する膜の有効質量を逆効果に変調する可能性があると現在理解されている。

【0030】

広帯域幅がｐＭＵＴアレイ１００によって提供されることになる実施形態において、各変換器要素集団は、複数の別々であるが重なっている周波数応答を提供するためのものである。１つのこのような実施形態において、１つの集団内の類似の共振周波数の変換器要素間の電気機械的結合（又は音響結合）は、要素集団において個々の圧電変換器要素の固有共振周波数から分割された縮退共振周波数を有する少なくとも１つの縮退モード形状をもたらす。縮退共振モードは、類似の第１のバネ定数を有する第１のバネに結合され、類似の第２のバネ定数を有するバネによって互いに更に結合された複数の実質的に等しい質量として成形することができる。同じ要素集団の変換器要素間の結合が複数の縮退モードを誘起するのに十分である場合、縮退共振周波数を有する複数の縮退モードは、互いに分けられ、個々の変換器要素の固有共振周波数よりも広い帯域幅応答を同様に提供する。

【0031】

図４Ａ及び図４Ｂは、全ての変換器要素間の結合が任意に小さく、従って、複数の十分に隔離された個々の変換器要素の累積周波数応答を表すと仮定した図１のｐＭＵＴアレイ１００内の変換器要素の変換器性能メトリックのグラフである。図４Ａに示すように、中心周波数Ｆ_nは、７５μｍの公称直径を有するドーム形の圧電膜を有する変換器要素の固有周波数特性に対応するピーク電力利得約５．５ＭＨｚを有する。３ｄＢコーナー周波数に対する対応するスペクトル帯域幅は、約１ＭＨｚである。

【0032】

図５は、図４Ａのものと同じ変換器要素集団（例えば、同じ固有共振を有する同じ数の要素）のスペクトル電力利得のグラフである。しかし、要素集団内の変換器要素間の結合の量は、実施形態による共振モード分割を誘起するのに十分である。図示のように、基本共振周波数Ｆ_n1に加えて、追加の中心周波数Ｆ_n2、Ｆ_n3、その他は、基本共振モードから分けられ、個々のスペクトル応答のいずれよりも広いスペクトル帯域に及ぶ複数の別々であるが重なっている周波数応答を提供する。図５に示す例示的な応答グラフにおいて、７つの重なり周波数応答を含むが、分割の量は、適切なアレイ設計によって制御することができる（例えば、２つよりも多い異なる周波数ピーク、又はいずれか１つのモードの少なくとも１．５倍の３ｄＢコーナー間の帯域幅、その他を有するために）。

【0033】

実施形態において、同じ要素集団の変換器要素間の距離、相互接続部材料の弾性係数、又はその第１の領域の断面結合区域のうちの少なくとも１つは、異なる要素集団の変換器要素間の第２の領域の対応するものとは異なる。再度一例示的実施形態のための図３を参照して、与えられたサイズの圧電膜（例えば、例示的な円形／球形実施形態の同じ直径）に対して、集団３２０の要素間の距離は、ｙ次元のピッチ（Ｐ_y）で設定され、長さＬ₁に沿って要素集団３２０の隣接するものの間の間隔の制御により分割した縮退モードの周波数応答を達成することができる。例えば、図５の応答を有する例示的な実施形態のＰ_yは、図４Ａに示す応答を有するものに対して縮小する。電気機械的結合は、隣接する集団（例示的な１Ｄアレイの線）の間のクロストークが最小になり、更に別の実施形態において、線ピッチＰ_xが線寸法Ｐ_yに沿って変換器ピッチよりも有意に大きい（例えば、２倍も大きいか又はそれよりも大きい）ように、変換器要素集団間（例えば、図３Ａの集団３１０と３２０の間）で最小にすることが好ましいということに更に注意しなければならない。

【0034】

変換器要素間の間隔又は距離に加えて、変換器要素間の機械的結合の材料差異又はパターン形成のうちの１つ又はそれよりも多くを変調して、要素集団間のクロストークを低下又は最小に維持しながら要素集団内の縮退モード結合に影響を与えることができる。図６Ａ、図６Ｂ、及び図６Ｃは、実施形態による図１のｐＭＵＴアレイ１００の変換器間領域の断面図である。図６Ａは、別々の電極レール１１０、１２０上の隣接する変換器要素１１０Ｃ及び１２０Ｊの間のピッチＰ_x（すなわち、線ピッチ）に及ぶ図１に表示したａ−ａ’線に沿った断面図である。ａ−ａ’線に沿って、領域６８０は、隣接する変換器開口部２４１の間で距離Ｗ₂に及んでいる。領域６８０内には、支持体２３６及び基板１０１のような１つ又はそれよりも多くの材料がある。図６Ｂ及び図６Ｃは、同じ電極レール１１０、１２０に結合された隣接する変換器要素１１０Ｃ及び１１０Ｃの間のピッチＰ_y（すなわち、線ピッチ）に及ぶ図１に示すｂ−ｂ’線に沿った断面図である。ｂ−ｂ’線に沿って、領域６９０は、隣接する変換器開口部２４１の間で距離Ｌ₂に及んでいる。

【0035】

図６Ｂに示す実施形態において、領域６８０の対応する寸法に対して、領域６９０は、より大きい電気機械的結合を有するようにパターン形成される。１つのこのような実施形態において、支持体２３６をエッチングして、１つの支持構造２３６の変位が、Ｔ₃の厚みを有する膜ブリッジ６８４Ａにわたって送られるように、長さＬ₃に沿って基板１０１に対する係止を低下させる。別の実施形態において、基板１０１をエッチングして、領域６９０の厚みＴ₂を縮小する。断面結合区域のあらゆるこのような修正は、ｘ−ｙ平面において更に可能な同様のパターン形成で領域６８０又は６９０のいずれかに選択的に行うことができる。従って、支持体２３６の図示の修正は、単に一例であり、多くの他の形態は、変換器要素を製作するのに使用する処理に依存して可能である。

【0036】

図６Ｃに示す実施形態において、領域６８０の対応する材料に対して、領域６９０は、より大きい電気機械的結合を有するように異なる弾性係数を有する。図示のように、領域６９０に使用する材料６８５は、領域６８０に使用する材料とは明確に異なる。このようにして、支持構造２３６の一部分又は基板１０１の一部分のいずれかの弾性係数を区別して、１つの要素集団内の分割した縮退モード及び集団間の低下又は最小にされたクロストークに対して電磁気結合を調節する。

【0037】

注意すべきことに、本明細書に説明する技術のうちの１つ又はそれよりも多くは、異なる集団の隣接する変換器間のものと同じ集団の隣接する変換器間の結合の量を区別するために利用することができる。例えば、一実施形態において、同じ要素集団の要素間の距離は、相互接続部材料及び断面結合区域が領域６８０及び６９０において同じである時に、少なくとも１つの縮退モードを誘起するほど十分に小さくなる。別の実施形態において、距離、材料特性、又は断面結合区域のうちの２つ又はそれよりも多くは、領域６８０及び６９０の間で異なる。

【0038】

図６Ｄ、６Ｅ、及び６Ｆは、実施形態によるｐＭＵＴ１００に対して示す図６Ａ〜図６Ｃの変換器間領域の平面図である。例示的な１Ｄアレイ実施形態に対して、図６Ｄは、領域６９０（より大きい結合を提供する）が、変換器要素集団（すなわち、変換器要素の１つの線）によって占められた基板長さに沿って並列に延び、１つの要素集団の各要素（１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、その他）を相互接続する基板の長さにわたって配置された一実施形態を示している。第２の領域６８０（より小さい結合を提供する）は、領域６９０の長さに沿って第１の領域６８０の両側に配置される。１つの図示の実施形態において、領域６８０は、例えば、領域６９０の材料とは明確に異なる材料、要素１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ、その他を配置する領域６９０の特徴とは明確に異なる特徴（例えば、ブリッジ結合器、その他）の連続ストライプを形成する。

【0039】

図６Ｅは、領域６９０が、変換器要素集団によって占められた基板長さＬ₁に対して直角に延び、１つの要素集団以上の２つの隣接する要素の間で連続的である基板の長さにわたって配置された別の例示的な１Ｄ実施形態を示している。領域６８０は、次に、領域６９０の長さに沿って領域６９０の両側に更に配置される。

【0040】

図６Ｆは、本明細書の他の箇所で更に説明するように、電極レールがｘ及びｙ次元の両方に配置された２Ｄアレイの例示的な実施形態を示している。この実施形態において、領域６８０は、領域６９０の連続グリッド分離アイランドを形成する。各領域６９０は、縮退モード分割のために強力に結合することになるが、各集団が領域６８０によって隔離される与えられた変換器要素集団１１０Ａ、１１１Ａ、及び１１２Ａを電気機械的に結合するように機能する。

【0041】

図６Ｇは、実施形態によるｐＭＵＴアレイを形成する方法６９２を示す流れ図である。一般的に、領域６８０及び／又は６９０の１Ｄ及び２Ｄストライプは、縮退モード分割のために強力に結合することになる変換器要素の製作において有利である場合がある。例えば、方法６９２は、複数の第１の領域６８０及び６９０が、その間に配置された第２の領域６８０及び６９０と共に基板の区域にわたって配置される作動６９５である。一例示的実施形態において、第１の領域６８０及び６９０の形成は、基板１０１（例えば、図６Ａ〜図６Ｃに示す支持体２３６）又はその上に配置されたフィルムの中へのエッチングトレンチを更に含む。そのようなトレンチのエッチングに代えて又はそれに加えて、薄膜材料層が、基板１０１の上に堆積され、その後に、領域６８０及び６９０の一方から領域６８０及び６９０の他方に選択的に除去される。平坦化は、当業技術で公知のように実施され、異なるレベルの結合が可能な領域の平面基板表面に達することができる。作動６９７において、複数の圧電変換器要素集団は、各集団が領域６９０のうちの１つにわたって配置されるように、あらゆる従来の技術を使用して形成される。作動６９９において、複数の駆動／感知電極レールは、領域６９０によって機械的に結合された変換器要素集団のうちの１つの駆動電極を有するように結合され、領域６８０は、第１の変換器要素集団を第２の変換器要素集団に機械的に結合する。

【0042】

実施形態において、圧電変換器要素集団は、複数の別々の共振周波数を提供する異なる公称サイズの複数の圧電膜を含む。スペクトル応答は、広帯域幅を提供するようにｎの異なるサイズ（例えば、本明細書の他の箇所に説明する例示的な円形又は球形膜の膜直径）を積分することによって成形することができる。バルクＰＺＴ変換器とは異なり、ｐＭＵＴの共振周波数は、リソグラフィによる幾何学形状によって容易に調整することができる。従って、異なるサイズの高Ｑ膜は、異なる周波数応答を用いて統合され、与えられた要素集団から高い全帯域幅応答に達することができる。更に別の実施形態において、各変換器要素集団は、各集団からのスペクトル応答がほぼ同じであるように同一のセットの変換器要素サイズを含む。

【0043】

図７Ａは、実施形態による異なるサイズの変換器要素を有するｐＭＵＴアレイ７００の平面図である。ｐＭＵＴアレイ７００は、ｐＭＵＴアレイ１００と類似のレイアウトを有し、駆動／感知電極レール１１０及び１２０は、ｘ次元（すなわち、１Ｄアレイ）に沿って互いに噛み合うように平行であるが反対方向に延びる（例えば、別々のバス又はインタフェースから）。１つの駆動／感知電極（例えば、１１０）に電気的に結合されるのは、２〜２０の異なる膜サイズ（例えば、直径）又はそれよりも多くを有する変換器要素である。直径の範囲は、一般的に、膜剛性及び質量の関数として望ましい周波数範囲に依存することになる。徐々に大きくなる膜の間の増分は、大きいサイズの増分に対して起こるより小さい周波数重なりと共に異なるサイズの膜の範囲及び数の関数とすることができる。増分量を選択して、３ｄＢ帯域幅を維持する応答曲線に寄与する全ての変換器要素を保証することができる。一例として、２０〜１５０μｍの範囲は、図２Ａ〜図２Ｃとの関連に説明する全体構造を有する変換器からのＭＨｚ周波数応答に典型的であると考えられ、１〜１０μｍの増分は、典型的に、十分な応答重なりを提供すると考えられる。

【0044】

変換器要素（すなわち、膜）サイズの数が増加する時に、特定の中心周波数での分解能は、同じサイズの要素間の距離が減少する時に下がると予想することができる。例えば、各圧電変換器要素集団の圧電膜が単一の縦列の中にあるところで（すなわち、中心が直線に沿って位置合わせされたもの）、長さＬ₁に沿った同じサイズの変換器の有効ピッチは、集団の各追加の変換器サイズと共に縮小する。従って、更に別の実施形態において、各圧電変換器要素集団は、各公称膜のサイズの１つよりも多い圧電変換器要素を含む。図７Ａに示す例示的な実施形態に対して、駆動／感知電極レール１１０に電気的に結合されるのは、第１のサイズ（例えば、最小直径膜）の圧電変換器要素７１１Ａ及び７１１Ｂ、第２のサイズ（例えば、次の最小直径膜）の要素７１２Ａ、７１２Ｂ、６つの異なるサイズの膜に対する要素７１３Ａ、７１３Ｂ、要素７１４Ａ、７１４Ｂ、要素７１５Ａ、７１５Ｂ、及び要素７１６Ａ、７１６Ｂである。図示のように、同じサイズの膜（例えば、７１１Ａ及び７１１Ｂ）は、異なるサイズの膜を有する少なくとも１つの介在要素によって離間される。これは、一般的にほとんどのクロストークを誘起する最も近い隣接要素が互いに対してオフ共振になるのでクロストークを低下させる利点を有する。共振が周波数応答帯域にわたって同等であるように、同じ量によって同じサイズの要素を並べることも有利である。

【0045】

図７Ａに示すように、変換器要素サブグループ７１８Ａは、要素集団を配置する基板の長さに沿って７１８Ｂとして繰り返される。各変換器要素サブグループ７１８Ａ、７１８Ｂは、各公称膜サイズの１つの圧電変換器要素を含む。この例示的な実施形態において、発見的レイアウトは、駆動／感知レール１１０に結合された要素集団が、異なるサイズの少なくとも１つの介在要素だけ離間するが、１つの要素サブグループよって占められた基板の長さよりも大きくなく離間した同じサイズの変換器要素を有するようなものである。これは、信号の均一性を改善する効果を有する。図７Ａに更に示すように、類似の要素サブグループ７２８Ａは、様々な要素サイズをより均一に広げるように、要素サブグループ７１８Ａに対して駆動感知電極レール１２０の長さをシフトダウンする。この位置オフセットはまた、同じサイズの要素が最も近くにないことを保証することによって隣接する要素集団間のクロストークを低下させるのを補助する（例えば、７２６Ａは、要素７１６Ａ及び７１６Ｂの間のほぼほぼ中間にある）。図示のように、異なるサイズの変換器要素の反復セットを含む要素サブグループの位置オフセットは、１つのレール又はチャネル内の分割サブグループの間を交互にする完全サブグループ（例えば、７２８Ａ）によって少なくとも１つのサブグループを２つ（例えば、７２８Ｂ₁と７２８Ｂ₂）に分割することによって得られる。レール１１０及び１２０の変換器要素集団は、次に、レール１３０（例えば、変換器１３０Ａ、その他を有する）及び１４０（例えば、変換器１４０Ａ−１４０Ｌを有する）に対して繰り返されるセルを含む。

【0046】

図７Ｂ及び図７Ｃは、例えば、６０、６３、６６、６９、７２、及び７５μｍの直径の回転楕円体圧電膜を有する図７Ａに示すｐＭＵＴアレイに対する性能メトリックのプロットの図である。図７Ｂに示すように、スペクトル応答は、約９ＭＨｚの帯域幅（３ｄＢコーナー周波数に対して）を有する６つの対応する中心周波数ピークＦ_P1、Ｆ_P2、…Ｆ_P6を含む。変換器要素のｎサイズに可能なＦ_Pnピークにより、サイズの数の制限は、不十分な数が不十分な利得をもたらすことと共に、いくつの変換器が集合体にするのに利用可能であるかの関数である。ｐＭＵＴアレイ７００のより広い帯域幅は、図４Ａに示すものと比較すると明らかである（単一サイズの要素を有し、縮退モードを欠くｐＭＵＴアレイ７００に対して）。帯域幅の増大と共に、それに対応して、リングダウンの少ない短いパルス持続時間は、単一サイズの要素を有し、縮退モードを欠くｐＭＵＴアレイ１００の図ＥＢに対してｐＭＵＴアレイ７００の目に見える図７Ｃとして励起されたパルス列に対する応答をもたらす。

【0047】

別の有利な実施形態において、同じ駆動／感知レール（すなわち、同じチャネルのもの）に結合された要素集団は、膜サイズの漸変的な空間的変動に対して密接に適合するが異なる膜サイズのものである与えられた変換器要素の最の近くに配置された変換器要素を有する。アレイ７００（図７Ａ）に対して、隣接する膜の間の位相関係がそうでなければチャネルの信号出力／感度を有意に低下させる作用をする可能性があるので、与えられた距離にわたる膜直径（例えば、２、３、又はそれよりも多くの膜直径）の変動が、特定の閾値を超えないように、類似のサイズの膜を有する最も近い隣接要素を有する要素集団にわたって共振位相を最も良く維持することができることが見出されている。例えば、攻撃／加害膜の作用は、犠牲膜にわたって（例えば、加害物の最も近い隣接するもの又はそうでなければその近位の）伝達媒質を局所的に押し上げ又は積み重ねて犠牲膜の位相に対して都合の悪い時に第２の膜の有効膜質量を増加させる可能性があり、それによって犠牲要素の性能を抑制又は遅らせる。このような音響減衰（又は伝達媒質減衰）が激しい場合に、望ましくないゼロ交差が起こる可能性がある。

【0048】

図７Ｄは、１つのこのような実施形態による漸変的なサイズの変換器要素を有するｐＭＵＴアレイ７０１の平面図である。図７Ｄに示す例示的な実施形態に対して、第１のサイズ（例えば、最小直径膜）の圧電変換器要素７１１Ａは、より大きい膜サイズの要素（例えば、７１４Ａ、７１５Ａ、７１６Ａ）による段階的方式において漸変的に増大する膜サイズを有する第２のサイズ（例えば、次のより大きい直径膜）の要素７１２Ａに隣接している。要素７１１Ａ−７１５Ａの各々は、異なるサイズの要素の集団にわたって膜サイズの単調的、段階的、漸変的、及び／又は区分的な増大に対して単に僅かにより小さいかつ僅かにより大きい最も近い隣接するものを有する。図７Ｄのアレイ７０１は、次に、最大直径膜を有する要素７１６Ａが次のより小さい膜直径の２つの要素（例えば、７１５Ｂ）に隣接するように変換器要素集団を複製する。膜サイズは、次に、全ての要素が更にこれらのサイズ（直径）において最も近い隣接するものを有するように、更に段階的かつ区分的方式で減少する（例えば、７１４Ｂ、７１３Ｂ、７１２Ｂ、７１１Ｂ）。

【0049】

別々の要素集団は、実施形態に応じて、ほとんどの類似のサイズの膜が最も近くにあるように又はほとんどの異なるサイズの膜が最も近くにあるように互いに対して配置することができる。図７Ｄに示すように、同じサイズであるが異なる集団（例えば、別々の電極レール１１０及び１２０に関連付けられたもの）の要素（例えば、７１１Ａ及び７２１Ａ）は、互いの近くにある。勿論、電極レール１１０及び１２０を収容するチャネルの間のより大きい間隔によって互いに隣接する異なるサイズの膜を有して最も近い隣接するものの距離を増大させてより大きい膜サイズ変動から生じる潜在的な減衰効果を軽減するように、各チャネルは、図７Ａに示す実施形態と同様にシフトされた要素集団を有することができる。

【0050】

集団内（例えば、チャネル内）の変換器要素にわたる位相変動に加えて、与えられた要素の共振周波数はまた、異なるサイズの近隣の数がより大きい時に、より大きい伝達媒質減衰（すなわち、音響クロストーク）を有する異なる膜サイズの近隣の数に依存する。実施形態において、非対称要素レイアウトを使用して、要素集団内の異なるサイズの近隣の数を低減する。図７Ｅは、実施形態による異なるサイズの変換器要素を有するｐＭＵＴアレイ７０２の平面図である。図示のように、各チャネル（例えば、電極レール１１０）は、第２のサイズの膜を有する要素（例えば、最大膜サイズである７１４Ａ）の縦列及び第３のサイズの膜を有する要素（例えば、最小膜サイズである７１２Ａ）の縦列に隣接する第１のサイズの膜を有する要素（例えば、７１３Ａ）の縦列を含む。図７Ｄとの関連で上述したように、アレイ７０２は、例えば、８５μｍ、９０μｍ、及び９５μｍから区分的に増大する膜サイズの漸変的な空間分布を維持する。電極レール１１０に結合された１５の要素を含む図示の集団に対して（及び電極レール１２０に結合されたものに対して同様に）、４つのコーナー要素Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤは、２の調整番号を有し、８つのエッジ要素Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、及びＬは、３の調整番号を有し、かつ３つの内部要素Ｍ、Ｎ、及びＯは、４の調整番号を有する。これらの部分集合に対して、コーナー及びエッジ要素（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ）は、異なるサイズの（調整番号の＜５０％）唯１つの最も近い隣接するものを有するが、３つの内部要素Ｍ、Ｎ、Ｏは、異なるサイズ（調整番号の５０％）の２つの最も近い隣接するものを有する。従って、漸変的な膜サイズは、唯１つの次元（縦列又は横列）に沿って起こる。次に、第２のチャネル（例えば、１２０）に対して、このパターンは、変換器（例えば、７２４Ａ、７２３Ａ、７２２Ａ）に対して繰り返される。従って、エッジ及びコーナー要素によって提供される追加の非対称性は、図７Ｄに示す単一縦列実施形態に対して低下した伝達媒質減衰を表示することができる。

【0051】

ｐＭＵＴアレイ７００、７０１、及び７０２は、変換器要素集団が、要素集団によって占められた基板の幅よりも大きい（例えば、≧５ｘ）基板の長さにわたって配置される例示的な１Ｄアレイであるが、２Ｄアレイも、与えられた要素集団内で複数の変換器要素を使用することができ、こうして１Ｄアレイとの関連で既に説明した経験則を更に利用することができる。図８は、実施形態による異なるサイズの変換器要素Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを有する２ＤｐＭＵＴアレイ８００の平面図である。図示のように、基板１０１の上にタイル張りされているのは、複数の要素集団であり、同じ駆動／感知電極（例えば、８１０Ａ、８２０Ａ、８３０Ａ、８４０Ａ及び８５０Ａ）に電気的に結合された各々は、横列Ｒ₁の要素集団を含む。同様に、複数の要素集団であって同じ駆動／感知電極（例えば、８１０Ａ、８１０Ｂ、８１０Ｃ、８１０Ｄ及び８１０Ｅ）に電気的に結合された各々は、縦列Ｃ₁の要素集団を含む。２つの横列Ｒ１−Ｒ５及びＣ１−Ｃ５は、従って、要素集団の５ｘ５アレイを提供する。各要素集団内に、複数の変換器要素サイズ（例えば、Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤ）があり、実質的に１ＤｐＭＵＴアレイ７００との関連で上述したように、より広い帯域幅スペクトル応答に複数の共振を提供する。

【0052】

実施形態において、発見的レイアウトは、２Ｄ関連に更に適用され、各最も近い隣接変換器要素が、隣接する要素集団間のクロストークの低下に対して異なるサイズ及びそれに対応して異なる固有周波数を有することを保証することができる。図８Ａに示すように、複数の変換器要素集団の各々は、集団内に同じ相対空間レイアウト（すなわち、互いに対する変換器要素の配置）を有する。具体的には、最小変換器要素Ａ、Ｂは、第２のサブグループ８１８Ｂを形成する最大変換器要素Ｃ、Ｄにわたって下の横列に配置された第１のサブグループ８１８Ａを形成する。各要素集団内の下の横列を形成するサブグループにより、縦列（例えば、Ｃ₂）内の集団は、隣接する縦列（例えば、Ｃ₁及びＣ₃）内の集団に対して垂直に反転される。各要素集団内のサブグループのレイアウトが同じサイズの変換器要素の下の縦列を形成する代替実施形態に対して、横列（例えば、Ｒ₂）内の集団は、隣接する横列（例えば、Ｒ₁及びＲ₃）内の集団に対して垂直に（例えば、１８０°）反転される。

【0053】

図８Ｂに示す代替実施形態において、２ＤｐＭＵＴアレイ８０１は、各要素集団内の下の横列を形成するサブグループを含む。縦列（例えば、Ｃ₂）内の集団は、１つのチャネル（例えば、電極レール８１０Ａ）の空間にわたって区分的に膜サイズを漸変させ、最も近いサイズ（例えば、要素Ｄ）の膜を近くに置くように最も近い隣接するもののチャネル（例えば、８１０Ｂ、８２０Ａ）を配置することによって伝達媒質減衰の効果を低下させることができるように、隣接する縦列（Ｃ₁及びＣ₃）内の集団に対して水平に反転される。アレイ８０１は、次に、対方式で繰り返され、縦列Ｃ₁及びＣ₂を複製する。

【0054】

実施形態において、ｐＭＵＴアレイは、複数の圧電変換器要素集団を含み、要素集団の各々における少なくとも１つの圧電変換器要素は、楕円幾何学形状を有する圧電膜を有する。異なる半主軸寸法を有する圧電膜は、変換器要素の周波数応答を成形するために余分な自由度を提供する。更に別の実施形態において、少なくとも第１及び第２の半主軸は、複数の別々の共振周波数を提供するように十分に異なる公称長さのものである。円形又は球形膜の全ての回転角度から２回対称（１８０°）のみに至るまで回転対称を低減することにより、モード形状は、分離した共振位相を有するより異なるモードに分割するように作ることができる。このようなモード分割は、ｐＭＵＴアレイの実施形態において利用され、各変換器の及び従ってアレイの帯域幅を増大させる。

【0055】

図９Ａは、実施形態による楕円幾何学形状を有する変換器要素の等角概略図である。図２Ａ〜図２Ｃとの関連で説明した平面、ドーム形、及び凹部のある円形圧電膜の楕円形類似物は、それぞれ膜表面９０５、９１０及び９１５として図９Ａに描かれている。膜表面９０５、９１０及び９１５は、基板１０１に平行な平面に軸ｂ及びｃと共に半主軸ａ、ｂ、及びｃによって定められる。

【0056】

図９Ｂは、実施形態による楕円幾何学形状を有する変換器要素の半主軸ｂ及びｃに沿って異なるモード関数をグラフに示している。図示のように、ｂ軸上の位置の関数としてａ軸に沿った変位の振幅は、ｃ軸上の位置の関数として変位とは異なる周波数及び／又は位相を有する。図９Ｃは、実施形態による楕円幾何学形状を有する変換器要素の帯域幅のグラフである。図示のように、周波数応答は、Ｆ_n1の中心周波数での第１の共振及びＦ_n2の中心周波数での第２の共振を含む。このモード分割は、モードのいずれかのものを超えて単独で周波数応答帯域幅を増大させる作用をする。

【0057】

図２Ａ〜図２Ｃで上述したように、リソグラフィックパターン形成を利用して、円形圧電膜を形成する。同様に、リソグラフィックパターン形成を利用して、楕円形又は楕円体圧電膜を形成することができる。フォトリソグラフィプレート又はレチクルは、次に、基板の上に撮像された楕円形の形態を含むことができ、又は非点収差フォーカス技術を使用して、円形形状を有するレチクルから楕円形パターンを結像することができるかのいずれかである。例えば、フォトレジスト上に印刷されたこのような楕円形画像は、楕円体形状を圧電膜に転送するための手段としてリフローすることができる。

【0058】

実施形態において、ｐＭＵＴアレイは、複数の圧電変換器要素集団を含み、要素集団の各々における全ての圧電変換器要素は、楕円幾何学形状を有する圧電膜を有する。図１０Ａ、図１０Ｂ、及び図１０Ｃは、実施形態による楕円幾何学形状を有する変換器要素を有するｐＭＵＴアレイの平面図である。図１０Ａに示すように、ｐＭＵＴアレイ１０００は、基板１０１の区域にわたって配置される。上述の例示的な１Ｄアレイ構造の後に、別々の（給電）電極レール１１０及び１２０の各々は、変換器要素１０１０Ａ−１０１０Ｊ、及び１０２０Ａ−１０２０Ｊのそれぞれの集団を集合体にした要素作動の同じ駆動／感知電位に結合する。図示の例示的な実施形態において、圧電変換器要素集団のうちの１つの集団内の全ての圧電膜の第１及び第２の半主軸は、全て平行である。

【0059】

軸の平行アラインメントは、有利に高曲線因子を提供し、一方の半主軸を増加させることによって他方のものを低減しながら共振周波数をより高く押し上げる中で感度を失われないようにして、表面積を一定に保つ。要素集団の異なる線を有する１Ｄアレイに対して示すように、第１及び第２の半主軸のうちの短い方は、要素集団の１つによって占められた表面の線又は長さのうちの最も長い長さと平行の方向に位置合わせされる（すなわち、より短い半主軸は、ｙ軸と位置合わせされる）。より長い軸（例えば、ｃ₁又はｃ₂）は、次に、ｘ軸に平行であり、できるだけ多くの基板区域を与えられた電極レール線ピッチで満たす。

【0060】

実施形態において、楕円形圧電膜の対応する軸は、隣接する変換器要素集団間で異なって向けられる。互いに対して楕円形膜の向きを変動させることにより、要素間の電気機械的クロストークを低下させることができる。１つのこのような実施形態において、第１の圧電変換器要素集団の膜の基板の平面における２つの半主軸は、第１の要素集団に隣接する第２の圧電変換器要素集団の膜の軸に対して全て実質的に直角である。例えば、図１０Ｂは、駆動／感知レール１１０に結合された第１の要素集団が、基板の長さ又はｙ次元に非平行な第１の向きにおいて半主軸を有する膜１０１０Ａ−１０１０Ｅを有するｐＭＵＴアレイ１０９０を示すが、駆動／感知レール１２０に結合された第２の要素集団（例えば、１０２０Ｅ、その他）の半主軸は、第１の向きに対して直角の第２の向きを有する。この実施形態において、要素１０１０Ａのｃ₁軸に沿った共振モードは、隣接する要素１０２０Ｅのｃ₂軸に沿った共振モードを有する軸外にある。要素集団が、基板の幅にわたってよりも基板のより長い長さにわたって延びる例示的な１Ｄ実施形態に対して、第１及び第２の半主軸は、要素の一貫した曲線因子及び一貫した数を要素集団の固定ピッチ（例えば、駆動／感知レールピッチ）に提供するように、要素集団の長さから４５°それて向けられる。４５°オフセットされた隣接する集団は、２Ｄアレイ実施で同様に利用することができる。

【0061】

実施形態において、楕円形圧電膜のアレイは、アレイの第１の次元に沿って変動する半主軸のうちの少なくとも１つを有する。更に別の実施形態において、半主軸の変動は、軸方向長さが、異なるサイズの要素の集団にわたって単調的、段階的、漸変的、及び／又は区分的な方式（増加及び／又は減少）で増加するように漸変される。図７Ｄ及び図７Ｅとの関連で本明細書の他の箇所に説明するように、要素性能に対する音響結合／クロストーク効果は、区分的に膜直径を変動させることにより改善することができる。実施形態において、楕円形圧電膜のアレイは、アレイの第１の次元に沿って変動する半主軸のうちの１つのみを有する。

【0062】

更に別の実施形態において、楕円形圧電膜の２Ｄアレイは、アレイの両次元に沿って変動する半主軸を有する。１つのこのような実施形態において、図１０Ｃに示すように、楕円形圧電膜の２Ｄアレイは、アレイの第１の次元に沿って変動する第１の軸及びアレイの第２の次元に沿って変動する第２の軸と共に、アレイの両次元に沿って変動する半主軸Ｂ、Ｃを有する。図１０Ｃに更に示すように、各軸は、アレイ寸法のうちの１つにわたって区分的に増加する（及び／又は減少する）。図示のように、Ｂ軸は、アレイの１次元（例えば、基板１０１のｙ軸）に沿ってそれぞれ要素１０１０ＡＡ、１０１０ＡＥ、１０１０ＪＡに対してＢ_1,EからＢ_1,Aまで増加し、次に、減少してＢ_1,Eまで戻る。１０１０ＡＢ−１０１ＪＢを含む縦列又は横列及び１０１０ＡＣ−１０１０ＪＣを含む縦列又は横列は、１０１０ＡＡ−１０１ＪＡ縦列又は横列に関して同じＢ軸増分を有する。Ｃ軸は、次に、１０１０ＡＡ−１０１０ＪＡを含む横列の全ての要素がＣ_1,Aに等しい軸を有するような寸法にされ、１０１０ＡＢ−１０１０ＪＢを含む横列の全ての要素がＣ_1,Bに等しい軸を有するような寸法にされ、かつ１０１０ＡＣ−１０１０ＪＣを含む横列の全ての要素がＣ_1,Cに等しい軸を有するような寸法にされように、アレイの第２の次元に沿って（例えば、基板１０１のｘ軸に沿って）各要素と共に増加する。図１０Ｃに更に示すように、別々のチャネル（例えば、電極レール１１０、１２０）に関連付けられた別々の集団は、膜寸法の類似の区分的変動を有する。例えば、電極レール１２０に対して、１０２０ＡＡの最大軸Ｂの長さから１０２０ＡＥの最小軸Ｂの長さに至るまで横列又は縦列内で変動して、１１０２０ＪＡの最大軸Ｂの長さに戻る１つの半主軸Ｂがある。基板１０１にわたる同様のサイズの膜の均等空間分布のために隣接するチャネル（例えば、電極レール１１０）に対して特定のサイズの膜の位置にシフトがある。

【0063】

実施形態において、基板の区域の上に配置された複数の独立にアドレス可能な駆動／感知電極レールを有するｐＭＵＴアレイは、緊密に詰まった変換器要素を有する駆動／感知電極レールの各々の１つに結合された要素集団を有する。例示的な実施形態において、隣接する要素集団の充填は、集団内のものよりもあまり緊密に詰まっていない。ｐＭＵＴアレイの感度は、例示的な１Ｄアレイに対して線毎に活性圧電区域の区域に比例している。帯域幅を改善する本明細書に説明する多くの技術のように、何らかの感度の損失が起こる場合があり、従って、より大きい圧電膜充填は、変換器要素の例示的な単一縦列線（例えば、図１におけるように）に対してより大きい圧電膜のための感度損失を完全に回復しない場合にも改善する可能性がある。注意すべきことに、全ｐＭＵＴアレイは、均一に緊密に詰まった変換器要素を有する可能性があるが、このような配置は、要素集団間により高いレベルのクロストークを受ける。各要素集団内では緊密に詰まった変換器形成であるが、要素集団間では緊密に詰まっていない変換器形成の提供は、要素集団間に良好な感度及び低レベルのクロストークの両方を提供することができる。

【0064】

図１１Ａ、図１１Ｂ、及び図１１Ｃは、緊密に詰まった変換器要素を有するｐＭＵＴアレイの平面図である。図１１Ａにおいて、例示的な１Ｄアレイ１１００は、図１などとの関連で本明細書で上述した様々な属性を有する。駆動／感知電極レール１１０及び１２０は、基板１０１の第１の次元（例えば、ｘ次元）に沿って駆動／感知電極レールの１次元アレイを形成する。レール１１０に結合されているのは、第２の次元（例えば、ｙ次元）に沿って基板１０１の長さＬ₁にわたって配置された変換器要素１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｄ、１１０Ｌ、その他である。一般的に、長さＬ₁は、要素集団によって占められた基板の幅よりも少なくとも５倍大きいが、１Ｄ実施のために数桁大きくすることができる。換言すれば、各要素集団は、１Ｄアレイの縦列を形成する。しかし、単一の縦列変換器配置ではなく、少なくとも２つの隣接する圧電膜は、基板Ｌ₁の長さに沿って重なり、基板Ｗ₁の幅に沿って単一縦列からのオフセットを有する。ｐＭＵＴアレイ１１００は、最小数の隣接する圧電膜に対応するが、３つ又はそれよりも多くは、図１１Ｂに示すｐＭＵＴアレイ１１５０のように、ある次元に沿って隣接して作ることができる。一般的に、例示的な最密充填は、各集団内で六角形である。例示的な実施形態において、少なくともクロストーク低下目的のために回転充填対称性（例えば、六角形Ｃ）の損失によって隣接する要素集団間に分離１１０７を備えた集団間では、最密充填（例えば、六角形Ａ及びＢ）は維持されない。

【0065】

一般的に、最密充填技術は、２Ｄアレイ、縮退モード結合を有するアレイ、その他を含む本明細書に説明する様々な変換器要素構成のいずれにも適用することができる。各圧電変換器要素集団が、異なる公称膜サイズ（例えば、複数の別々の共振位相を提供するための）の複数の圧電膜を含む１つの有利な実施形態において、感度は、図７Ａに示す単一縦列の実施形態に対して有意に改善することができる。図１１Ｃは、多直径の緊密に詰まった変換器要素を有するｐＭＵＴアレイ１１８０を示している。図示のように、同じサイズの変換器要素（例えば、１１１１Ａ及び１１１１Ｂ）は、本明細書の他の箇所で上述したようにクロストーク低下のために分離されるが、サブグループ内の膜にわたるサイズ変動を利用して充填密度を増加させる。更に別の実施形態において、最の近くの隣接するもの間のサイズの区分的変動も、充填密度を改善する方式に実施することができる。例えば、要素１１１１Ａ、１１１２Ａ、１１１３Ａ、１１１４Ａは、要素１１１１Ｂ−１１１４Ｂのようにサイズが区分的に増加するが、２つのサブグループは、互いに対して対称に配置され、レール１１０の区域内に緊密に詰められる。緊密に詰めたサブグループ対形成は、次に、レール１１０内で（例えば、要素１１１１Ｃ−１１１４Ｃ及び１１１１Ｄ−１１１４Ｄと共に）繰り返される。レール１１０内の緊密に詰めた配置は、次に、全てのチャネル（例えば、要素１１２４Ａ−１１２４Ｄ、その他を有するレール１２０）に対して繰り返される。

【0066】

図１２は、本発明の実施形態によるｐＭＵＴアレイを使用する超音波変換器装置１２００の機能ブロック図である。例示的な実施形態において、超音波変換器装置１２００は、水、組織物質などのような媒質内の圧力波を発生及び感知するためのものである。超音波変換器装置１２００は、医療診断、製品欠陥検出、その他におけるような１つ又は複数の媒質内の内部構造変動の撮像に関連する多くの用途を有する。装置１２００は、上述の変換器要素及び要素集団属性のいずれかを有する本明細書の他の箇所に説明したｐＭＵＴアレイのいずれかとすることができる少なくとも１つのｐＭＵＴアレイ１２１６を含む。例示的な実施形態において、ｐＭＵＴアレイ１２１６は、必要に応じてｐＭＵＴアレイ１２１６の外面の向く方向及び位置を変えるために（例えば、撮像すべき区域に向ける）機械によって又は装置１２００のユーザによって操作することができるハンドル部分１２１４に収容される。電気コネクタ１２２０は、ｐＭＵＴアレイ１２１６のチャネルをハンドル部分１２１４に対して外部の通信インタフェースに電気的に結合する。

【0067】

実施形態において、装置１２００は、例えば、電気コネクタ１２２０によってｐＭＵＴアレイ１２１６に結合される当業技術で公知のあらゆるものとすることができる信号発生手段を含む。信号発生手段は、様々な駆動／感知電極上に電気駆動信号を提供するためのものである。１つの特定の実施形態において、信号発生手段は、電気駆動信号を印加して圧電変換器要素集団を１ＭＨｚ〜４０ＭＨｚの周波数で共振させるためのものである。実施形態において、信号発生手段は、逆多重化器１２０６によってその後に逆多重化される制御信号を非直列化する非直列化回路１２０４を含む。例示的な信号発生手段は、デジタル／アナログコンバータ（ＤＡＣ）１２０８を更に含み、ｐＭＵＴアレイ１２１６において個々の変換器要素チャネルに対してデジタル制御信号を駆動電圧信号に変換する。それぞれの時間遅延をプログラマブル時間遅延コントローラ１２１０によって個々の駆動電圧信号に追加し、ビームステアリングし、望ましいビーム形状、フォーカス、及び方向、その他を生成することができる。ｐＭＵＴチャネルコネクタ１２２０と信号発生手段の間に結合されるのは、駆動及び感知モード間でｐＭＵＴアレイ１２１６を切り換えるスイッチネットワーク１２１２である。

【0068】

実施形態において、装置１２００は、例えば、電気コネクタ１２２０によってｐＭＵＴアレイ１２１６に結合される当業技術で公知のあらゆるものとすることができる信号収集手段を含む。信号収集手段は、ｐＭＵＴアレイ１２１６において駆動／感知電極チャネルから電気感知信号を収集するためのものである。信号収集手段の一例示的実施形態において、アナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）１２１４は、電圧信号を受信してこれらをデジタル信号に変換するためのものである。デジタル信号は、次に、メモリ（図示しない）に記憶されるか、又は最初に信号処理手段に通すことができる。例示的な信号処理手段は、デジタル信号を圧縮するデータ圧縮ユニット１２２６を含む。マルチプレクサ１２１８及び直列化回路１２０２は、受信信号をメモリ、他のストレージ、又は受信信号に基づいてグラフ表示を発生させるためのものである画像処理プロセッサのような下流プロセッサに中継する前に受信信号を更に処理することができる。

【0069】

上記説明は、限定ではなく例示的であることを理解しなければならない。例えば、図の流れ図は、本発明の実施形態によって実施される作動の特定の順序を示すが、このような順序は必須ではない（例えば、代替実施形態は、異なる順序で作動を実施し、いくつかの作動を組合せ、いくつかの作動を重ねることができる等々）ことを理解しなければならない。更に、多くの他の実施形態は、上記説明を読んで理解すると当業者には明らかであろう。本発明は、特定の例示的な実施形態を参照して説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲の精神及び範囲で修正及び代替形態で実施することができることを認識するであろう。本発明の範囲は、従って、添付の特許請求の範囲を参照してそのような特許請求の範囲が権利を与える均等物の全範囲と共に決定しなければならない。

【符号の説明】

【0070】

１１０ 電極レール
７００ ｐＭＵＴアレイ
７１１Ａ 要素
７１８Ａ 要素サブグループ
Ｌ₁ 基板の長さ

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図6D】

【図6E】

【図6F】

【図6G】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図7D】

【図7E】

【図8A】

【図8B】

【図9A】

【図9B】

【図9C】

【図10A】

【図10B】

【図10C】

【図11A】

【図11B】

【図11C】

【図12】