JP2003125494A - イメージング・システムの分解能を高める超音波トランスデューサ - Google Patents
イメージング・システムの分解能を高める超音波トランスデューサInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 超音波撮像について、最適な音響インピーダ
ンスを有し、加工の容易な単純な超広帯域幅プローブ用
の整合層材料を提供する。 【解決手段】 分解能を改善するために、超音波トラン
スデューサにおいて、圧電層（２）に最も近接して設け
られているシリコン音響整合層（２６）を採用する。ト
ランスデューサの構築時に、適当な厚みまで研摩された
シリコン・ウェーハを他の整合層材料（１８、２０）と
共に音響積層体に含める。正確な厚みは設計の細部によ
って決まるが、シリコンにおいてノミナルで四分の一波
長である。
ンスを有し、加工の容易な単純な超広帯域幅プローブ用
の整合層材料を提供する。 【解決手段】 分解能を改善するために、超音波トラン
スデューサにおいて、圧電層（２）に最も近接して設け
られているシリコン音響整合層（２６）を採用する。ト
ランスデューサの構築時に、適当な厚みまで研摩された
シリコン・ウェーハを他の整合層材料（１８、２０）と
共に音響積層体に含める。正確な厚みは設計の細部によ
って決まるが、シリコンにおいてノミナルで四分の一波
長である。
Description
【０００１】
【発明の背景】本発明は一般的には、超音波イメージン
グ・システムに関し、さらに具体的には、超音波イメー
ジング・システムの分解能を高める超音波トランスデュ
ーサ設計に関する。
グ・システムに関し、さらに具体的には、超音波イメー
ジング・システムの分解能を高める超音波トランスデュ
ーサ設計に関する。
【０００２】医用撮像及び非破壊試験に用いられる超音
波トランスデューサは、感度及び帯域幅という二つの主
特性によって特徴付けられており、これらの特性はイメ
ージング・システムの透過力及び分解能に直接的に相関
付けられる。トランスデューサ設計が複雑化するにつれ
て、比帯域幅は単層整合層での３０％〜４０％から二層
整合層での６０％〜８０％まで増大している。医療診断
超音波撮像では、造影剤を利用する場合及び利用しない
場合のハーモニック撮像の近年の発展によって、さらに
帯域幅の広いプローブの利点が注目を浴びている。名称
に含意されているように、ハーモニック撮像には１００
％を上回る比帯域幅での感度が必要とされる。比帯域幅
（ＦＢＷ）は、帯域幅を中心周波数で除したものとして
定義される。
波トランスデューサは、感度及び帯域幅という二つの主
特性によって特徴付けられており、これらの特性はイメ
ージング・システムの透過力及び分解能に直接的に相関
付けられる。トランスデューサ設計が複雑化するにつれ
て、比帯域幅は単層整合層での３０％〜４０％から二層
整合層での６０％〜８０％まで増大している。医療診断
超音波撮像では、造影剤を利用する場合及び利用しない
場合のハーモニック撮像の近年の発展によって、さらに
帯域幅の広いプローブの利点が注目を浴びている。名称
に含意されているように、ハーモニック撮像には１００
％を上回る比帯域幅での感度が必要とされる。比帯域幅
（ＦＢＷ）は、帯域幅を中心周波数で除したものとして
定義される。
【０００３】ＦＢＷ＝（Ｕlim−Ｌlim）／ｆctr
式中、Ｕlimは帯域幅の上限であり、Ｌlimは帯域幅の下
限であり、ｆctrは中心周波数である。
限であり、ｆctrは中心周波数である。
【０００４】超広帯域幅プローブは、診断を実行するの
に必要なプローブの数を減少させることにより走査を単
純化させることができる。従来の状況では、皮膚の近傍
で細部を細かく探索するためには高周波数プローブが必
要とされ、カラー・フロー撮像、ドプラ撮像、及び体内
のさらに深部の撮像には低周波数プローブが用いられ
る。しかしながら、プローブの切り替えには時間及び操
作者の動作が費やされる。これを最小限に抑えることが
できれば、患者の走査を完遂するのに必要な時間及び労
力を減少させることができる。
に必要なプローブの数を減少させることにより走査を単
純化させることができる。従来の状況では、皮膚の近傍
で細部を細かく探索するためには高周波数プローブが必
要とされ、カラー・フロー撮像、ドプラ撮像、及び体内
のさらに深部の撮像には低周波数プローブが用いられ
る。しかしながら、プローブの切り替えには時間及び操
作者の動作が費やされる。これを最小限に抑えることが
できれば、患者の走査を完遂するのに必要な時間及び労
力を減少させることができる。
【０００５】効率的な超音波トランスデューサは、殆ど
の被検体とは大幅に異なる音響インピーダンスを有す
る。このことから、これら二つの物質の間で超音波をカ
ップリングさせることが困難になる。周知のように、音
響整合層が、圧電セラミックスのような一つの特定の音
響インピーダンスを有する物質から、水浴又は人体のよ
うな別の特定の音響インピーダンスを有する物質へ音響
エネルギをさらに効率的に伝達することにより、超音波
トランスデューサの感度及び帯域幅を改善する。
の被検体とは大幅に異なる音響インピーダンスを有す
る。このことから、これら二つの物質の間で超音波をカ
ップリングさせることが困難になる。周知のように、音
響整合層が、圧電セラミックスのような一つの特定の音
響インピーダンスを有する物質から、水浴又は人体のよ
うな別の特定の音響インピーダンスを有する物質へ音響
エネルギをさらに効率的に伝達することにより、超音波
トランスデューサの感度及び帯域幅を改善する。
【０００６】音響整合層の理論は十分に理解されてお
り、IEEE Trans. Ultrasonics, Ferroelectrics, and F
requency Control、第４３巻、第６号、第１１３６頁〜
第１１４９頁（１９９６年１１月）のT. Rhyneによる
“Computer Optimization of Transducer Transfer Fun
ctions Using Constraints on Bandwidth, Ripple, and
Loss”に開示されているように、電子フィルタ設計方
法と非常によく似ている。Rhyneに対する米国特許第
５，７０６，５６４号に開示されているように、整合層
の音響インピーダンス及び厚みを調節することにより、
様々な標準的帯域通過特性を達成することができる。Rh
yneの特許に示されているように、Thompson帯域形状とB
utterworth帯域形状との間には好都合な連続性が存在し
ている。超音波トランスデューサについての実用上の問
題点は、多層の整合層について最適音響インピーダンス
が単純な物質では達成できないことである。例えば、二
層設計では、内側の整合層のインピーダンスは約７Ｍｒ
ａｙｌ〜１０Ｍｒａｙｌである必要がある。このような
値は、プラスチック（２Ｍｒａｙｌ〜４Ｍｒａｙｌ）よ
りも高く、ガラス及び金属（１０Ｍｒａｙｌ〜１００Ｍ
ｒａｙｌ）よりも低く、不都合である。
り、IEEE Trans. Ultrasonics, Ferroelectrics, and F
requency Control、第４３巻、第６号、第１１３６頁〜
第１１４９頁（１９９６年１１月）のT. Rhyneによる
“Computer Optimization of Transducer Transfer Fun
ctions Using Constraints on Bandwidth, Ripple, and
Loss”に開示されているように、電子フィルタ設計方
法と非常によく似ている。Rhyneに対する米国特許第
５，７０６，５６４号に開示されているように、整合層
の音響インピーダンス及び厚みを調節することにより、
様々な標準的帯域通過特性を達成することができる。Rh
yneの特許に示されているように、Thompson帯域形状とB
utterworth帯域形状との間には好都合な連続性が存在し
ている。超音波トランスデューサについての実用上の問
題点は、多層の整合層について最適音響インピーダンス
が単純な物質では達成できないことである。例えば、二
層設計では、内側の整合層のインピーダンスは約７Ｍｒ
ａｙｌ〜１０Ｍｒａｙｌである必要がある。このような
値は、プラスチック（２Ｍｒａｙｌ〜４Ｍｒａｙｌ）よ
りも高く、ガラス及び金属（１０Ｍｒａｙｌ〜１００Ｍ
ｒａｙｌ）よりも低く、不都合である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】超音波トランスデュー
サの帯域幅の拡大を試みる場合には様々なアプローチが
可能である。しかしながら、多くのアプローチは、大径
の単結晶圧電体の成長のような複雑な材料開発又は複雑
な複合材構造を必要とする。例えば、1996 IEEEUlrason
ics Symposium、第９３５頁〜第９４２頁（１９９６
年）のPark等による“Characteristics of Relaxor-Bas
ed Piezoelectric Single Crystals for Ultrasonic Tr
ansducers”、及び1989 IEEE Ultrasonics Symposium、
第７５５頁〜第７６６頁（１９８９年）のW. A. Smith
の“The Role of Piezocomposites inUltrasound Trans
ducers”を参照されたい。従って、最適な音響インピー
ダンスを有し、加工の容易な単純な整合層材料が必要と
されている。
サの帯域幅の拡大を試みる場合には様々なアプローチが
可能である。しかしながら、多くのアプローチは、大径
の単結晶圧電体の成長のような複雑な材料開発又は複雑
な複合材構造を必要とする。例えば、1996 IEEEUlrason
ics Symposium、第９３５頁〜第９４２頁（１９９６
年）のPark等による“Characteristics of Relaxor-Bas
ed Piezoelectric Single Crystals for Ultrasonic Tr
ansducers”、及び1989 IEEE Ultrasonics Symposium、
第７５５頁〜第７６６頁（１９８９年）のW. A. Smith
の“The Role of Piezocomposites inUltrasound Trans
ducers”を参照されたい。従って、最適な音響インピー
ダンスを有し、加工の容易な単純な整合層材料が必要と
されている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】圧電層に最も近接した音
響整合層をシリコンで製造することにより、超音波トラ
ンスデューサの分解能が格段によくなる。シリコンは、
単純で、広く普及しており、入手の容易な材料であり、
広範な研究が成されており、安価で、比較的加工し易
い。シリコンは実質的にすべての半導体電子回路の基礎
材料であるので、径が何インチものウェーハを容易に入
手することができる。
響整合層をシリコンで製造することにより、超音波トラ
ンスデューサの分解能が格段によくなる。シリコンは、
単純で、広く普及しており、入手の容易な材料であり、
広範な研究が成されており、安価で、比較的加工し易
い。シリコンは実質的にすべての半導体電子回路の基礎
材料であるので、径が何インチものウェーハを容易に入
手することができる。
【０００９】最も単純な実施形態では、半導体加工用に
得られるシリコン・ウェーハが、トランスデューサの構
築時に適当な厚みに研摩されて、他の整合層材料と共に
音響積層体に含められる。正確な厚みは設計の細部によ
って決まるが、材料においてノミナルで四分の一波長で
ある。
得られるシリコン・ウェーハが、トランスデューサの構
築時に適当な厚みに研摩されて、他の整合層材料と共に
音響積層体に含められる。正確な厚みは設計の細部によ
って決まるが、材料においてノミナルで四分の一波長で
ある。
【００１０】一好適実施形態によれば、トランスデュー
サ整合層構造は、チェビシェフ（Chebyshev）帯域形状
を形成するように設計される（計算機最適化を用い
て）。この帯域形状では、第三の層について理想的な音
響インピーダンスは約１８．６Ｍｒａｙｌであるので、
音響インピーダンスが１９．６Ｍｒａｙｌである標準的
なシリコン・ウェーハは最適に近いが全く最適という訳
ではない。しかしながら、形状を変えると音響インピー
ダンスの値が修正される。ケイ素の形状を、例えばトラ
ンスデューサ・アレイ素子に適当な形状である細いビー
ム（梁構造）に変更すると、所望のインピーダンスへの
よりよい整合が得られる。
サ整合層構造は、チェビシェフ（Chebyshev）帯域形状
を形成するように設計される（計算機最適化を用い
て）。この帯域形状では、第三の層について理想的な音
響インピーダンスは約１８．６Ｍｒａｙｌであるので、
音響インピーダンスが１９．６Ｍｒａｙｌである標準的
なシリコン・ウェーハは最適に近いが全く最適という訳
ではない。しかしながら、形状を変えると音響インピー
ダンスの値が修正される。ケイ素の形状を、例えばトラ
ンスデューサ・アレイ素子に適当な形状である細いビー
ム（梁構造）に変更すると、所望のインピーダンスへの
よりよい整合が得られる。
【００１１】もう一つの実施形態では、シリコンの音響
インピーダンスを特定の帯域形状設計に必要とされる音
響インピーダンスにさらに正確に整合させるようにシリ
コーン・ウェーハの配向を選択することができる。シリ
コンは立方晶系物質であるので、ミラー指数（１０
０）、（１１０）及び（１１１）によって表わされる三
つの標準的な配向又は「切断面」を利用することができ
る。これらの指数は、結晶軸に対するウェーハ平面の配
向に関係付けられる。より複雑な好適実施形態では、代
替的な切断面を採用すれば音響インピーダンスに一層の
柔軟性を与えることが可能になる。
インピーダンスを特定の帯域形状設計に必要とされる音
響インピーダンスにさらに正確に整合させるようにシリ
コーン・ウェーハの配向を選択することができる。シリ
コンは立方晶系物質であるので、ミラー指数（１０
０）、（１１０）及び（１１１）によって表わされる三
つの標準的な配向又は「切断面」を利用することができ
る。これらの指数は、結晶軸に対するウェーハ平面の配
向に関係付けられる。より複雑な好適実施形態では、代
替的な切断面を採用すれば音響インピーダンスに一層の
柔軟性を与えることが可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】従来の超音波プローブはトランス
デューサ・パレットを含んでおり、パレットはプローブ
筐体内に支持されていなければならない。図１に示すよ
うに、従来のトランスデューサ・パレットは、細幅のト
ランスデューサ素子から成るリニア・アレイを含んでい
る。各々のトランスデューサ素子が圧電セラミックス材
料の層２を含んでいる。圧電材料は典型的には、ジルコ
ン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）のようなセラミックス、二フ
ッ化樹脂（difluoride）又はＰＺＴセラミックス／ポリ
マー複合材料である。
デューサ・パレットを含んでおり、パレットはプローブ
筐体内に支持されていなければならない。図１に示すよ
うに、従来のトランスデューサ・パレットは、細幅のト
ランスデューサ素子から成るリニア・アレイを含んでい
る。各々のトランスデューサ素子が圧電セラミックス材
料の層２を含んでいる。圧電材料は典型的には、ジルコ
ン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）のようなセラミックス、二フ
ッ化樹脂（difluoride）又はＰＺＴセラミックス／ポリ
マー複合材料である。
【００１３】典型的には、各々のトランスデューサ素子
の圧電材料２は、後面に信号電極４を、また前面に接地
電極６を有している。各々の信号電極４は、信号用可撓
性プリント回路基板（ＰＣＢ）１０上のそれぞれの導電
性トレース８を介して、プローブが接続されている超音
波イメージング・システムの送信器（図示されていな
い）の信号供給源、例えばそれぞれのパルサ１２に接続
することができる。各々の信号電極は典型的にはまた、
それぞれの受信器チャネル（図示されていない）にも選
択的に接続可能である。パルサによって印加される送信
パルスの振幅、タイミング及び送信系列は、システムの
送信器に組み入れられている様々な制御手段によって決
定される。各々の接地電極６は、接地用可撓性ＰＣＢ１
４上のそれぞれのトレース（図示されていない）を介し
て共通の接地（図示されていない）に接続されている。
図１では、各可撓性ＰＣＢは図示を単純化する目的のみ
でパレットの両側に示されているが、好ましくは、両方
の可撓性ＰＣＢとも、パレットの同じ側に設けられる。
の圧電材料２は、後面に信号電極４を、また前面に接地
電極６を有している。各々の信号電極４は、信号用可撓
性プリント回路基板（ＰＣＢ）１０上のそれぞれの導電
性トレース８を介して、プローブが接続されている超音
波イメージング・システムの送信器（図示されていな
い）の信号供給源、例えばそれぞれのパルサ１２に接続
することができる。各々の信号電極は典型的にはまた、
それぞれの受信器チャネル（図示されていない）にも選
択的に接続可能である。パルサによって印加される送信
パルスの振幅、タイミング及び送信系列は、システムの
送信器に組み入れられている様々な制御手段によって決
定される。各々の接地電極６は、接地用可撓性ＰＣＢ１
４上のそれぞれのトレース（図示されていない）を介し
て共通の接地（図示されていない）に接続されている。
図１では、各可撓性ＰＣＢは図示を単純化する目的のみ
でパレットの両側に示されているが、好ましくは、両方
の可撓性ＰＣＢとも、パレットの同じ側に設けられる。
【００１４】トランスデューサ・パレットはまた、例え
ば金属配合エポキシ等の音響損失の高い適当な音響減衰
材の集塊体１６を含んでおり、集塊体１６はトランスデ
ューサ素子アレイの背面に配置されている。このバッキ
ング層１６はトランスデューサ素子の後面にカップリン
グされており、各々の素子の裏側から発生する超音波を
吸収して、これらの超音波が部分的に反射したり前方に
伝播する超音波と干渉したりしないようにしている。
ば金属配合エポキシ等の音響損失の高い適当な音響減衰
材の集塊体１６を含んでおり、集塊体１６はトランスデ
ューサ素子アレイの背面に配置されている。このバッキ
ング層１６はトランスデューサ素子の後面にカップリン
グされており、各々の素子の裏側から発生する超音波を
吸収して、これらの超音波が部分的に反射したり前方に
伝播する超音波と干渉したりしないようにしている。
【００１５】典型的には、各々のトランスデューサ・ア
レイ素子はまた、図１に示すように、圧電層２の金属化
された前面（接地電極を形成している）に接合されてい
る第一の音響インピーダンス整合層１８を含んでいる。
また、第一の音響インピーダンス整合層１８には、第二
の音響インピーダンス整合層２０が接合されている。ト
ランスデューサ・パレットの層２、１８及び２０は、音
響的に透明な接着剤の薄層を用いて接合されている。第
二の整合層２０の音響インピーダンスは、第一の整合層
１８の音響インピーダンスよりも小さく、且つトランス
デューサ・アレイに音響的にカップリングされる媒体の
音響インピーダンスよりも大きくなければならない。例
えば、第二の整合層２０は、音響伝達特性の優れたポリ
スルホン又はRexoliteのようなプラスチック材料から成
っていてよい。Rexoliteはニュージャージ州、Beverly
のC-LEC Plastics, Inc.から入手可能なジビニルベンゼ
ンとの橋架けポリスチレンによって生成される熱硬化性
材料の商標である。
レイ素子はまた、図１に示すように、圧電層２の金属化
された前面（接地電極を形成している）に接合されてい
る第一の音響インピーダンス整合層１８を含んでいる。
また、第一の音響インピーダンス整合層１８には、第二
の音響インピーダンス整合層２０が接合されている。ト
ランスデューサ・パレットの層２、１８及び２０は、音
響的に透明な接着剤の薄層を用いて接合されている。第
二の整合層２０の音響インピーダンスは、第一の整合層
１８の音響インピーダンスよりも小さく、且つトランス
デューサ・アレイに音響的にカップリングされる媒体の
音響インピーダンスよりも大きくなければならない。例
えば、第二の整合層２０は、音響伝達特性の優れたポリ
スルホン又はRexoliteのようなプラスチック材料から成
っていてよい。Rexoliteはニュージャージ州、Beverly
のC-LEC Plastics, Inc.から入手可能なジビニルベンゼ
ンとの橋架けポリスチレンによって生成される熱硬化性
材料の商標である。
【００１６】図１は、独立したトランスデューサ素子と
してダイス加工されたパレットを示しており、各々の素
子が積層した層２、４、６、１８及び２０を含んでい
る。ダイス加工前のパレットは、積層体を形成するよう
にシート又はプレートを積層することにより構築され
る。次いで、パレットを十分な深さまでダイス切断し
て、それぞれのトランスデューサ素子を形成する。ダイ
ス鋸を用いて、平行な素子分断切断部又は切り溝２４を
形成する。各々の切断部は音響整合層１８及び２０並び
に圧電層２を完全に貫通し、音響吸収層１６には部分的
にのみ延在している。切り溝２４は後に、エラストマー
又はゴム材料で充填される。
してダイス加工されたパレットを示しており、各々の素
子が積層した層２、４、６、１８及び２０を含んでい
る。ダイス加工前のパレットは、積層体を形成するよう
にシート又はプレートを積層することにより構築され
る。次いで、パレットを十分な深さまでダイス切断し
て、それぞれのトランスデューサ素子を形成する。ダイ
ス鋸を用いて、平行な素子分断切断部又は切り溝２４を
形成する。各々の切断部は音響整合層１８及び２０並び
に圧電層２を完全に貫通し、音響吸収層１６には部分的
にのみ延在している。切り溝２４は後に、エラストマー
又はゴム材料で充填される。
【００１７】ダイス加工の後に、音響的に透明なシリコ
ーン接着剤の薄層を用いてトランスデューサ素子の第二
の音響インピーダンス整合層２０の前面を凸面円筒レン
ズ２２の平面状の後面に従来の方式で接合する。レンズ
２２は次の三つの目的を果たす。（１）音響的集束（レ
ンズ２２のレンズ形状の断面及び低音速という材料特性
による）、（２）ゲル、体液、及び洗浄剤等による侵蝕
からトランスデューサ素子を保護する化学的障壁を設け
る、並びに（３）電気的作用性のあるトランスデューサ
素子から患者を保護する電気的障壁を設ける。レンズは
従来、シリコーン・ゴムから製造されている。
ーン接着剤の薄層を用いてトランスデューサ素子の第二
の音響インピーダンス整合層２０の前面を凸面円筒レン
ズ２２の平面状の後面に従来の方式で接合する。レンズ
２２は次の三つの目的を果たす。（１）音響的集束（レ
ンズ２２のレンズ形状の断面及び低音速という材料特性
による）、（２）ゲル、体液、及び洗浄剤等による侵蝕
からトランスデューサ素子を保護する化学的障壁を設け
る、並びに（３）電気的作用性のあるトランスデューサ
素子から患者を保護する電気的障壁を設ける。レンズは
従来、シリコーン・ゴムから製造されている。
【００１８】本発明の好適実施形態によれば、各々のト
ランスデューサ素子は三つの音響整合層を含んでいる。
図２に示すように、各々のトランスデューサ素子は、圧
電材料層２の金属化された前面に接合されている単結晶
シリコン製の第一の音響整合層２６と、第一の音響整合
層２６に接合されている金属（例えば、銅、アンチモン
又は類似の金属）包接物を含浸させたグラファイト製の
第二の音響整合層１８と、第二の音響整合層１８に接合
されているRexolite製の第三の音響整合層２０とを含ん
でいる。シリコンは、単純で、容易に入手可能であり、
広く普及した材料であるという利点を有しており、加工
が容易で広範に研究されている。シリコンは殆どの半導
体電子回路の基礎材料であるので、径が何インチものウ
ェーハを容易に入手することができる。
ランスデューサ素子は三つの音響整合層を含んでいる。
図２に示すように、各々のトランスデューサ素子は、圧
電材料層２の金属化された前面に接合されている単結晶
シリコン製の第一の音響整合層２６と、第一の音響整合
層２６に接合されている金属（例えば、銅、アンチモン
又は類似の金属）包接物を含浸させたグラファイト製の
第二の音響整合層１８と、第二の音響整合層１８に接合
されているRexolite製の第三の音響整合層２０とを含ん
でいる。シリコンは、単純で、容易に入手可能であり、
広く普及した材料であるという利点を有しており、加工
が容易で広範に研究されている。シリコンは殆どの半導
体電子回路の基礎材料であるので、径が何インチものウ
ェーハを容易に入手することができる。
【００１９】最も単純な実施形態では、半導体加工用に
得られるシリコン・ウェーハが、トランスデューサの構
築時に適当な厚みに研摩されて、他の整合層材料と共に
音響積層体に含められる。正確な厚みは設計の細部によ
って決まるが、材料においてノミナルで四分の一波長で
ある。
得られるシリコン・ウェーハが、トランスデューサの構
築時に適当な厚みに研摩されて、他の整合層材料と共に
音響積層体に含められる。正確な厚みは設計の細部によ
って決まるが、材料においてノミナルで四分の一波長で
ある。
【００２０】チェビシェフ帯域形状を有するトランスデ
ューサ整合層構造を形成するためには、第三の整合層に
ついて理想的な音響インピーダンスは約１８．６Ｍｒａ
ｙｌであるので、音響インピーダンスが１９．６Ｍｒａ
ｙｌである標準的なシリコン・ウェーハは最適に近いが
全く最適という訳ではない。しかしながら、形状を変え
ると、音響インピーダンスの値が修正される。ケイ素の
形状を、例えばトランスデューサ・アレイ素子に適当な
形状である細いビームに変更すると、所望のインピーダ
ンスへのよりよい整合が得られる。
ューサ整合層構造を形成するためには、第三の整合層に
ついて理想的な音響インピーダンスは約１８．６Ｍｒａ
ｙｌであるので、音響インピーダンスが１９．６Ｍｒａ
ｙｌである標準的なシリコン・ウェーハは最適に近いが
全く最適という訳ではない。しかしながら、形状を変え
ると、音響インピーダンスの値が修正される。ケイ素の
形状を、例えばトランスデューサ・アレイ素子に適当な
形状である細いビームに変更すると、所望のインピーダ
ンスへのよりよい整合が得られる。
【００２１】もう一つの好適実施形態では、シリコンの
音響インピーダンスを特定の帯域形状設計に必要とされ
る音響インピーダンスにさらに正確に整合させるように
シリコーン・ウェーハの配向を選択することができる。
シリコンは立方晶系物質であるので、ミラー指数（１０
０）、（１１０）及び（１１１）によって表わされる三
つの標準的な配向又は「切断面」を利用することができ
る。これらの指数は、結晶軸に対するウェーハ平面の配
向に関係付けられる。三つの切断面のそれぞれの音響イ
ンピーダンスは下記のとおりである。
音響インピーダンスを特定の帯域形状設計に必要とされ
る音響インピーダンスにさらに正確に整合させるように
シリコーン・ウェーハの配向を選択することができる。
シリコンは立方晶系物質であるので、ミラー指数（１０
０）、（１１０）及び（１１１）によって表わされる三
つの標準的な配向又は「切断面」を利用することができ
る。これらの指数は、結晶軸に対するウェーハ平面の配
向に関係付けられる。三つの切断面のそれぞれの音響イ
ンピーダンスは下記のとおりである。
【００２２】
切断面 Ｚlong Ｚshear Ｚbeam
（１００） １９．６ １３．６ １８．１
（１１０） １９．６ １０．９ １８．３
（１１１） １９．６ １３．５ １８．１
【００２３】上の表では、Ｚlong及びＺshearはそれぞ
れバルク材料での縦波及び剪断波についての音響インピ
ーダンスを示す。音響インピーダンスは、二つの材料の
間の境界での音波の透過及び反射を記述するのに有用な
概念であって、密度及び剛性のような材料特性、並びに
音波の種類及び材料の形状に依存する。加えて、殆どの
超音波トランスデューサ・アレイでは、整合層は連続で
はなく独立したビームとして切断されており、従って厚
み方向に走行する音波に、ビームの両面によるさらなる
制約が加わる。これにより、Ｚbeamが、超音波アレイに
広く用いられている細長い棒での厚みモード振動につい
ての音響インピーダンスを表わす。
れバルク材料での縦波及び剪断波についての音響インピ
ーダンスを示す。音響インピーダンスは、二つの材料の
間の境界での音波の透過及び反射を記述するのに有用な
概念であって、密度及び剛性のような材料特性、並びに
音波の種類及び材料の形状に依存する。加えて、殆どの
超音波トランスデューサ・アレイでは、整合層は連続で
はなく独立したビームとして切断されており、従って厚
み方向に走行する音波に、ビームの両面によるさらなる
制約が加わる。これにより、Ｚbeamが、超音波アレイに
広く用いられている細長い棒での厚みモード振動につい
ての音響インピーダンスを表わす。
【００２４】上の表に示すように、僅かに異なる音響イ
ンピーダンスを達成することが可能であり、従って音響
的設計を最適化することが可能である。最終的な最も複
雑な好適実施形態では、代替的な切断面を採用すれば音
響インピーダンスに一層の柔軟性を与えることが可能に
なる。標準的な結晶物理学の教科書（例えば、B. A.Aul
d著、Acoustic Fields and Waves in Solids、第３．Ｄ
節、J. W. Wiley、ニューヨーク、１９７３年）に示さ
れているように、シリコンの弾性定数は結晶配向の関数
であって、容易に計算される。具体的には、コンピュー
タ・プログラムを利用して、Bond行列を用いてオイラー
角の任意集合についてシリコン結晶の弾性行列を算出す
ることができる。
ンピーダンスを達成することが可能であり、従って音響
的設計を最適化することが可能である。最終的な最も複
雑な好適実施形態では、代替的な切断面を採用すれば音
響インピーダンスに一層の柔軟性を与えることが可能に
なる。標準的な結晶物理学の教科書（例えば、B. A.Aul
d著、Acoustic Fields and Waves in Solids、第３．Ｄ
節、J. W. Wiley、ニューヨーク、１９７３年）に示さ
れているように、シリコンの弾性定数は結晶配向の関数
であって、容易に計算される。具体的には、コンピュー
タ・プログラムを利用して、Bond行列を用いてオイラー
角の任意集合についてシリコン結晶の弾性行列を算出す
ることができる。
【００２５】三層整合層型チェビシェフ設計を計算機モ
デルを用いて合成した。モデルの主な自由パラメータは
整合層の厚みとした。次いで、これらの層を作製してパ
レット構造に用いた。次いで、パレットを試験した。こ
の実験の詳細及び結果について以下に述べる。
デルを用いて合成した。モデルの主な自由パラメータは
整合層の厚みとした。次いで、これらの層を作製してパ
レット構造に用いた。次いで、パレットを試験した。こ
の実験の詳細及び結果について以下に述べる。
【００２６】選択した圧電材料は、音響インピーダンス
が３２．３５Ｍｒａｙｌで音速が４，１４７ｍ／秒のセ
ラミックスであった。計算機シミュレーションの目的の
ために、圧電層の厚みを２１８ミクロンに固定した。三
つの整合層のインピーダンスは、単結晶シリコン（１０
０）、ＳｂＧｒ及びRexoliteにそれぞれ対応して１９．
６Ｍｒａｙｌ、７．４Ｍｒａｙｌ及び２．４４Ｍｒａｙ
ｌに固定した。Rexolite及びＳｂＧｒ（すなわちアンチ
モンで含浸したグラファイト）は、公知の二層整合層広
帯域プローブ設計に用いられているので選択された。し
かしながら、本発明は、これらの材料の利用に限定され
ているのではない。類似の特性を有する他の材料を第二
の整合層及び第三の整合層に用いてよい。単結晶シリコ
ンは、そのインピーダンスがチェビシェフ帯域形状の最
適値１８．６Ｍｒａｙｌに近いため第一の整合層として
選択された。
が３２．３５Ｍｒａｙｌで音速が４，１４７ｍ／秒のセ
ラミックスであった。計算機シミュレーションの目的の
ために、圧電層の厚みを２１８ミクロンに固定した。三
つの整合層のインピーダンスは、単結晶シリコン（１０
０）、ＳｂＧｒ及びRexoliteにそれぞれ対応して１９．
６Ｍｒａｙｌ、７．４Ｍｒａｙｌ及び２．４４Ｍｒａｙ
ｌに固定した。Rexolite及びＳｂＧｒ（すなわちアンチ
モンで含浸したグラファイト）は、公知の二層整合層広
帯域プローブ設計に用いられているので選択された。し
かしながら、本発明は、これらの材料の利用に限定され
ているのではない。類似の特性を有する他の材料を第二
の整合層及び第三の整合層に用いてよい。単結晶シリコ
ンは、そのインピーダンスがチェビシェフ帯域形状の最
適値１８．６Ｍｒａｙｌに近いため第一の整合層として
選択された。
【００２７】一次元モデル（唯一の振動モードを想定し
た）及び有限要素法モデル（ＦＥＭ）の両方を利用し
て、前述の各材料を用いて三層整合層設計の音響応答を
シミュレートした。一次元モデルを用いて整合層の厚み
を最適化した。一次元最適化では、三つの整合層のそれ
ぞれの音響インピーダンス及び速度（音速）は、以下の
値に固定されていた。ＺSi＝１９．６０Ｍｒａｙｌ、ｖ
Si＝８，２７０ｍ／秒；ＺSbGr＝７．４０Ｍｒａｙｌ、
ｖSbGr＝２，８００ｍ／秒；Ｚrexolite＝２．４４Ｍｒ
ａｙｌ、ｖrexolite＝２，３２４ｍ／秒。音響整合層の
厚みのみを変化させた。次いで、アスペクト比並びにＺ
Si及びｖSiの有限寸法効果を考慮しつつ、ＦＥＭに音響
出力エネルギを供給した。次いで、ＦＥＭ（有限要素法
モデル）からのパラメータを再最適化のために一次元モ
デルにフィードバックした。トランスデューサの設計
は、概チェビシェフ形状を有する比帯域幅１０３％のト
ランスデューサであって、四つのピークを有し、二つの
中央ピークが集合して単一のピークを形成しているトラ
ンスデューサについて行なわれた。最適化した設計での
伝達関数の予測形状を図３に示す。最適化した設計での
整合層の算出厚みは、シリコンが３１３．５ミクロン、
ＳｂＧｒが１０４．９ミクロン、及びRexoliteが８５．
８３ミクロンであった。
た）及び有限要素法モデル（ＦＥＭ）の両方を利用し
て、前述の各材料を用いて三層整合層設計の音響応答を
シミュレートした。一次元モデルを用いて整合層の厚み
を最適化した。一次元最適化では、三つの整合層のそれ
ぞれの音響インピーダンス及び速度（音速）は、以下の
値に固定されていた。ＺSi＝１９．６０Ｍｒａｙｌ、ｖ
Si＝８，２７０ｍ／秒；ＺSbGr＝７．４０Ｍｒａｙｌ、
ｖSbGr＝２，８００ｍ／秒；Ｚrexolite＝２．４４Ｍｒ
ａｙｌ、ｖrexolite＝２，３２４ｍ／秒。音響整合層の
厚みのみを変化させた。次いで、アスペクト比並びにＺ
Si及びｖSiの有限寸法効果を考慮しつつ、ＦＥＭに音響
出力エネルギを供給した。次いで、ＦＥＭ（有限要素法
モデル）からのパラメータを再最適化のために一次元モ
デルにフィードバックした。トランスデューサの設計
は、概チェビシェフ形状を有する比帯域幅１０３％のト
ランスデューサであって、四つのピークを有し、二つの
中央ピークが集合して単一のピークを形成しているトラ
ンスデューサについて行なわれた。最適化した設計での
伝達関数の予測形状を図３に示す。最適化した設計での
整合層の算出厚みは、シリコンが３１３．５ミクロン、
ＳｂＧｒが１０４．９ミクロン、及びRexoliteが８５．
８３ミクロンであった。
【００２８】次いで、整合層及び圧電層を前述の厚みで
備えたパレットを試験用に構築した。Ｐ型（１００）シ
リコン・ウェーハを研摩して、所望の厚みすなわち３１
３．５ミクロンとした。２５ミクロン幅のダイス鋸刃を
用いると、トランスデューサ素子の作用面積が僅かに減
少した。
備えたパレットを試験用に構築した。Ｐ型（１００）シ
リコン・ウェーハを研摩して、所望の厚みすなわち３１
３．５ミクロンとした。２５ミクロン幅のダイス鋸刃を
用いると、トランスデューサ素子の作用面積が僅かに減
少した。
【００２９】試験結果から判明したところによれば、比
帯域幅は９５％〜９７％であり、この値は、ＳｂＧｒ及
びRexoliteを用いた標準的な二層整合層設計で得られる
７５％よりもかなり良好であり、時間応答は標準的な二
層整合層設計に匹敵していた。感度は、標準的な二層整
合層設計よりも約２ｄＢ小さく、この理由はおそらく、
セラミックス面積が減少していたこと、及び整合層構造
に付加的な損失が存在していたことによると見られる。
標準的な平板反射器を用いて双方向伝達関数を測定し
た。試験データは図３に示す伝達関数の予測形状に極く
近く適合しており、幅広の中央の隆起、及び帯域の両端
に二つのピークを有していた。この試験では既存の整合
層材料を用いたに過ぎないので、さらに最適化した設計
を用いて改善を達成することができる。設計理論は１０
０％範囲の比帯域幅が達成可能であることを示してい
る。具体的には、各々のトランスデューサ素子でシリコ
ン単結晶構造の配向を変化させることにより、整合層構
造を最適化することができる。
帯域幅は９５％〜９７％であり、この値は、ＳｂＧｒ及
びRexoliteを用いた標準的な二層整合層設計で得られる
７５％よりもかなり良好であり、時間応答は標準的な二
層整合層設計に匹敵していた。感度は、標準的な二層整
合層設計よりも約２ｄＢ小さく、この理由はおそらく、
セラミックス面積が減少していたこと、及び整合層構造
に付加的な損失が存在していたことによると見られる。
標準的な平板反射器を用いて双方向伝達関数を測定し
た。試験データは図３に示す伝達関数の予測形状に極く
近く適合しており、幅広の中央の隆起、及び帯域の両端
に二つのピークを有していた。この試験では既存の整合
層材料を用いたに過ぎないので、さらに最適化した設計
を用いて改善を達成することができる。設計理論は１０
０％範囲の比帯域幅が達成可能であることを示してい
る。具体的には、各々のトランスデューサ素子でシリコ
ン単結晶構造の配向を変化させることにより、整合層構
造を最適化することができる。
【００３０】殆どの超音波トランスデューサは現状で
は、上述の圧電素子のようなセラミックスを用いている
が、圧電単結晶成長、具体的にはＰＺＮＴ（亜鉛ニオブ
酸チタン酸鉛）及びＰＭＮＴ（マグネシウムニオブ酸チ
タン酸鉛）の進歩は、これらの材料が今後数年以内に利
用可能になり得ることを示唆している。圧電カップリン
グを高めたこの材料を用いると、これらの素子の帯域幅
がさらに拡大する。圧電体の音響インピーダンスが変化
すると、層の厚みについての設計の変更が生じ、従っ
て、シリコン整合層切断面の配向の変更が生じることが
理解されよう。
は、上述の圧電素子のようなセラミックスを用いている
が、圧電単結晶成長、具体的にはＰＺＮＴ（亜鉛ニオブ
酸チタン酸鉛）及びＰＭＮＴ（マグネシウムニオブ酸チ
タン酸鉛）の進歩は、これらの材料が今後数年以内に利
用可能になり得ることを示唆している。圧電カップリン
グを高めたこの材料を用いると、これらの素子の帯域幅
がさらに拡大する。圧電体の音響インピーダンスが変化
すると、層の厚みについての設計の変更が生じ、従っ
て、シリコン整合層切断面の配向の変更が生じることが
理解されよう。
【００３１】本発明の超音波トランスデューサ・プロー
ブは、プローブ以外では従来のものである超音波イメー
ジング・システムに組み入れることができ、ハーモニッ
ク撮像モードを具備するシステムで特に有用である。本
発明を組み入れておりハーモニック撮像モードを具備す
るＢモード・イメージング・システムの基本的な信号処
理鎖を図４に示す。超音波プローブ２８が、多数のトラ
ンスデューサ素子を含むトランスデューサ・アレイ３０
を含んでおり、各々の素子が、間に接地電極を挟んだ圧
電層とシリコン音響整合層とを含んでいる。トランスデ
ューサ・アレイの各素子は、ビームフォーマ３２の送信
器部に組み入れられているそれぞれのパルサによって起
動される。パルサは、送信焦点位置に集束されており基
本中心周波数を有する超音波をトランスデューサ・アレ
イに送信させるように制御される。帰投した超音波エネ
ルギは、トランスデューサ素子によって電気的なＲＦ
（無線周波数）信号へ変換される。これらの電気信号
は、ビームフォーマ３２の受信器部のそれぞれの受信チ
ャネルにおいて受信される。ビームフォーマ３２の受信
部は、周知の態様で走査線に沿った連続したレンジで受
信信号を動的に集束して、受信ベクタを形成する。各々
の走査線毎のビームフォーマの出力データ（Ｉ／Ｑ又は
ＲＦ）は、Ｂモード信号プロセッサ鎖３４を通過する。
Ｂモード信号プロセッサ鎖３４は、例えば、ハーモニッ
ク周波数を中心とするハーモニック信号成分の帯域を通
過させる帯域通過フィルタ、包絡線検波、及び対数圧縮
等を含んでいてよい。代替的には、例えば送信時のGola
y符号化励起及び受信時の復号のような他のハーモニッ
ク撮像手法を用いてもよい。次いで、得られた画像デー
タは表示プロセッサ３６によって処理されて、表示モニ
タ３８に表示される。システム制御はホスト・コンピュ
ータ又はシステム制御器４０に集中化されており、シス
テム制御器４０は操作者の入力した命令を操作者インタ
フェイス４２を介して受け取って、次いで様々なサブシ
ステムを制御する。
ブは、プローブ以外では従来のものである超音波イメー
ジング・システムに組み入れることができ、ハーモニッ
ク撮像モードを具備するシステムで特に有用である。本
発明を組み入れておりハーモニック撮像モードを具備す
るＢモード・イメージング・システムの基本的な信号処
理鎖を図４に示す。超音波プローブ２８が、多数のトラ
ンスデューサ素子を含むトランスデューサ・アレイ３０
を含んでおり、各々の素子が、間に接地電極を挟んだ圧
電層とシリコン音響整合層とを含んでいる。トランスデ
ューサ・アレイの各素子は、ビームフォーマ３２の送信
器部に組み入れられているそれぞれのパルサによって起
動される。パルサは、送信焦点位置に集束されており基
本中心周波数を有する超音波をトランスデューサ・アレ
イに送信させるように制御される。帰投した超音波エネ
ルギは、トランスデューサ素子によって電気的なＲＦ
（無線周波数）信号へ変換される。これらの電気信号
は、ビームフォーマ３２の受信器部のそれぞれの受信チ
ャネルにおいて受信される。ビームフォーマ３２の受信
部は、周知の態様で走査線に沿った連続したレンジで受
信信号を動的に集束して、受信ベクタを形成する。各々
の走査線毎のビームフォーマの出力データ（Ｉ／Ｑ又は
ＲＦ）は、Ｂモード信号プロセッサ鎖３４を通過する。
Ｂモード信号プロセッサ鎖３４は、例えば、ハーモニッ
ク周波数を中心とするハーモニック信号成分の帯域を通
過させる帯域通過フィルタ、包絡線検波、及び対数圧縮
等を含んでいてよい。代替的には、例えば送信時のGola
y符号化励起及び受信時の復号のような他のハーモニッ
ク撮像手法を用いてもよい。次いで、得られた画像デー
タは表示プロセッサ３６によって処理されて、表示モニ
タ３８に表示される。システム制御はホスト・コンピュ
ータ又はシステム制御器４０に集中化されており、シス
テム制御器４０は操作者の入力した命令を操作者インタ
フェイス４２を介して受け取って、次いで様々なサブシ
ステムを制御する。
【００３２】本発明の幾つかの好ましい特徴のみを図示
すると共に記載したが、当業者には多くの改変及び変形
が想到されよう。例えば、シリコンと同様の音響インピ
ーダンス値及び音速値を有する材料をシリコンの代わり
に用いてもよい。加えて、本書に開示した超広帯域幅ト
ランスデューサ・プローブは、ハーモニック・イメージ
ング・システムでの利用に限定されている訳ではない。
従って、特許請求の範囲は本発明の要旨の範囲内に含ま
れるようなすべての改変及び変形を網羅しているものと
理解されたい。
すると共に記載したが、当業者には多くの改変及び変形
が想到されよう。例えば、シリコンと同様の音響インピ
ーダンス値及び音速値を有する材料をシリコンの代わり
に用いてもよい。加えて、本書に開示した超広帯域幅ト
ランスデューサ・プローブは、ハーモニック・イメージ
ング・システムでの利用に限定されている訳ではない。
従って、特許請求の範囲は本発明の要旨の範囲内に含ま
れるようなすべての改変及び変形を網羅しているものと
理解されたい。
【図１】従来のトランスデューサ・パレットの等角投影
図である。
図である。
【図２】本発明の好適実施形態によるトランスデューサ
・パレットの一部の概略的な立面図である。
・パレットの一部の概略的な立面図である。
【図３】比帯域幅が１０３％であり、概チェビシェフ帯
域形状を有する計算機シミュレートしたトランスデュー
サの伝達関数のグラフである。
域形状を有する計算機シミュレートしたトランスデュー
サの伝達関数のグラフである。
【図４】シリコン整合層を有する超広帯域幅のトランス
デューサを組み入れることのできる実時間ディジタル超
音波イメージング・システムのブロック図である。
デューサを組み入れることのできる実時間ディジタル超
音波イメージング・システムのブロック図である。
２ 圧電材料層
４ 信号電極
６ 接地電極
８ 導電性トレース
１０ 信号用可撓性プリント回路基板
１４ 接地用可撓性プリント回路基板
１６ バッキング層
１８、２０、２６ 音響インピーダンス整合層
２２ 音響レンズ
２４ 切り溝
２８ 超音波プローブ
３０ トランスデューサ・アレイ
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｈ０１Ｌ 41/187 Ｈ０１Ｌ 41/22 Ｚ
41/22 41/08 Ｄ
(72)発明者 ニム・ハク・ティー
アメリカ合衆国、カリフォルニア州、ロサ
ンゼルス、パーデュ・ナンバー324、2491
番
(72)発明者 セオドア・ラウア・ライネ
アメリカ合衆国、ウィスコンシン州、ホワ
イトフィッシュ・ベイ、イースト・グレン
デール・アベニュー、2310番
(72)発明者 シュワン−ミン・ルー
アメリカ合衆国、カリフォルニア州、サ
ン・ノゼ、レッドモンド・アベニュー、
1514番
Ｆターム(参考） 5D019 AA09 BB02 BB18 GG02 GG03
5D107 AA05 BB07 BB09 CC01 CC12
CD02
Claims (25)
- 【請求項１】 多数の素子を備えた超音波トランスデュ
ーサ・アレイであって、前記素子の各々は、 第一の金属化された表面を有する圧電材料の層（２）
と、 該圧電材料の層の前記第一の金属化された表面に隣接し
て設けられている第一の音響整合層（２６）とを含んで
おり、 前記第一の音響整合層はシリコンで構成されている、超
音波トランスデューサ・アレイ。 - 【請求項２】 前記第一の音響整合層に隣接して設けら
れている第二の音響整合層（１８）をさらに含んでお
り、該第二の音響整合層は、前記第一の音響整合層の音
響インピーダンスよりも小さい音響インピーダンスを有
する材料を含んでいる請求項１に記載の超音波トランス
デューサ・アレイ。 - 【請求項３】 前記第二の音響整合層に隣接して設けら
れている第三の音響整合層（２０）をさらに含んでお
り、該第三の音響整合層は、前記第二の音響整合層の音
響インピーダンスよりも小さい音響インピーダンスを有
する材料を含んでいる請求項２に記載の超音波トランス
デューサ・アレイ。 - 【請求項４】 前記圧電材料はセラミックスを含んでい
る請求項２に記載の超音波トランスデューサ・アレイ。 - 【請求項５】 前記セラミックスはジルコン酸チタン酸
鉛を含んでいる請求項４に記載の超音波トランスデュー
サ・アレイ。 - 【請求項６】 前記第二の音響整合層はアンチモン−グ
ラファイト複合材料で構成されている請求項２に記載の
超音波トランスデューサ・アレイ。 - 【請求項７】 前記第三の音響整合層はRexoliteで構成
されている請求項３に記載の超音波トランスデューサ・
アレイ。 - 【請求項８】 前記第三の音響整合層に隣接して設けら
れている音響レンズ（２２）をさらに含んでいる請求項
３に記載の超音波トランスデューサ・アレイ。 - 【請求項９】 前記圧電材料の層は第二の金属化された
表面（４）を含んでおり、当該超音波トランスデューサ
・アレイは、前記第二の金属化された表面に隣接して設
けられている音響吸収性材料の集塊体（１６）をさらに
含んでいる請求項１に記載の超音波トランスデューサ・
アレイ。 - 【請求項１０】 前記シリコンは、前記第一の音響整合
層の音響インピーダンスが約１９．６Ｍｒａｙｌとなる
ように配向した単結晶構造を有する請求項１に記載の超
音波トランスデューサ・アレイ。 - 【請求項１１】 （ａ）圧電層（２）の表面を金属化す
る工程と、 （ｂ）積層体を形成すべく、前記圧電材料の層の前記金
属化された表面に第一の音響整合層（２６）を付着させ
る工程と、 （ｃ）前記積層体を拡大するように前記第一の音響整合
層に第二の音響整合層（１８）を付着させる工程と、 （ｄ）前記積層体をさらに拡大するように前記第二の音
響整合層に第三の音響整合層（２０）を付着させる工程
と、 （ｅ）独立した素子のアレイを形成するように前記積層
体をダイス加工する工程とを備えた超音波トランスデュ
ーサ・アレイの製法であって、 前記第一の音響整合層はシリコン・ウェーハを含んでお
り、前記第二の音響整合層は、前記第一の音響整合層の
音響インピーダンスよりも小さい音響インピーダンスを
有しており、前記第三の音響整合層は、前記第二の音響
整合層の音響インピーダンスよりも小さい音響インピー
ダンスを有している超音波トランスデューサ・アレイの
製法。 - 【請求項１２】 前記シリコン・ウェーハは、チェビシ
ェフ帯域形状についての最適値に近いインピーダンスを
有するように配向した単結晶構造を有しており、前記第
一の音響整合層の音響インピーダンスは約１９．６Ｍｒ
ａｙｌである請求項１１に記載の製法。 - 【請求項１３】 多数の素子を備えた超音波トランスデ
ューサ・アレイであって、前記素子の各々は、 第一の表面及び第二の表面を有する圧電材料の層（２）
と、 該圧電材料の層の前記第一の表面に電気的に結合されて
いる第一の電極（６）と、 第一の表面及び第二の表面を有する第一の音響整合層
（２６）であって、該第一の音響整合層の前記第二の表
面は前記圧電材料の層の前記第一の表面に音響的に結合
されている、第一の音響整合層（２６）とを含んでお
り、 前記第一の音響整合層は約１８．６Ｍｒａｙｌ〜１９．
６Ｍｒａｙｌの範囲の音響インピーダンスを有してお
り、非複合材料で構成されている、超音波トランスデュ
ーサ・アレイ。 - 【請求項１４】 前記第一の音響整合層はシリコンを含
んでいる請求項１３に記載の超音波トランスデューサ・
アレイ。 - 【請求項１５】 前記シリコンは、チェビシェフ帯域形
状についての最適値に近いインピーダンスを有するよう
に配向した単結晶構造を有しており、前記第一の音響整
合層の音響インピーダンスは約１９．６Ｍｒａｙｌであ
る請求項１４に記載の超音波トランスデューサ・アレ
イ。 - 【請求項１６】 第一の表面及び第二の表面を有する第
二の音響整合層（２０）をさらに含んでおり、該第二の
音響整合層の前記第二の表面は、前記第一の音響整合層
の前記第一の表面に音響的に結合されている請求項１３
に記載の超音波トランスデューサ・アレイ。 - 【請求項１７】 第一の表面及び第二の表面を有する第
三の音響整合層をさらに含んでおり、該第三の音響整合
層の前記第二の表面は、前記第二の音響整合層の前記第
一の表面に音響的に結合されている請求項１６に記載の
超音波トランスデューサ・アレイ。 - 【請求項１８】 前記圧電材料はセラミックスを含んで
いる請求項１６に記載の超音波トランスデューサ・アレ
イ。 - 【請求項１９】 前記セラミックスはジルコン酸チタン
酸鉛を含んでいる請求項１８に記載の超音波トランスデ
ューサ・アレイ。 - 【請求項２０】 前記第二の音響整合層はアンチモン−
グラファイト複合材料を含んでいる請求項１６に記載の
超音波トランスデューサ・アレイ。 - 【請求項２１】 前記第三の音響整合層はRexoliteを含
んでいる請求項１７に記載の超音波トランスデューサ・
アレイ。 - 【請求項２２】 前記トランスデューサ素子の前記第三
の音響整合層に隣接して設けられている音響レンズ（２
２）をさらに含んでいる請求項１７に記載の超音波トラ
ンスデューサ・アレイ。 - 【請求項２３】 前記圧電材料の層の前記第二の表面に
電気的に結合されている第二の電極（４）と、 前記圧電材料の層の前記第二の表面に音響的に結合され
ている音響吸収性材料の集塊体（１６）とをさらに含ん
でいる請求項１３に記載の超音波トランスデューサ・ア
レイ。 - 【請求項２４】 人体組織内に超音波エネルギを伝達す
る方法であって、 超音波エネルギを発生するように圧電セラミックス材料
の層を電気的に起動する工程と、 前記超音波エネルギが人体組織に入射する前に、該超音
波エネルギをシリコンの層に通過させる工程とを備えた
方法。 - 【請求項２５】 トランスデューサ素子のアレイ（３
０）と、 超音波エネルギを伝達するように前記トランスデューサ
素子を起動する多数のパルサ（１２）を含んでいると共
に、前記トランスデューサ素子に帰投した超音波エネル
ギに応答して発生される前記トランスデューサ素子から
の電気的受信信号を受け取る多数の受信チャネルをさら
に含んでいるビームフォーマ（３２）と、 画像データを形成するように前記受信信号を処理する信
号プロセッサ（３４）と、 前記画像データの関数である画像を表示する表示サブシ
ステム（３６、３８）とを備えた超音波イメージング・
システムであって、前記トランスデューサ素子の各々
は、 第一の表面及び第二の表面を有する圧電セラミックス材
料の層（２）と、 該圧電材料の層の前記第一の表面に電気的に結合されて
いる電極（６）と、 第一の表面及び第二の表面を有する音響整合層（２６）
であって、該第一の音響整合層の前記第二の表面は前記
圧電セラミックス材料の層の前記第一の表面に音響的に
結合されており、当該音響整合層はシリコンで構成され
ている、音響整合層（２６）とを含んでいる、超音波イ
メージング・システム。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/898811 | 2001-07-05 | ||
| US09/898,811 US6666825B2 (en) | 2001-07-05 | 2001-07-05 | Ultrasound transducer for improving resolution in imaging system |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003125494A true JP2003125494A (ja) | 2003-04-25 |
| JP2003125494A5 JP2003125494A5 (ja) | 2005-10-20 |
| JP3950755B2 JP3950755B2 (ja) | 2007-08-01 |
Family
ID=25410063
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002196611A Expired - Fee Related JP3950755B2 (ja) | 2001-07-05 | 2002-07-05 | イメージング・システムの分解能を高める超音波トランスデューサ |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6666825B2 (ja) |
| JP (1) | JP3950755B2 (ja) |
| DE (1) | DE10230129A1 (ja) |
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