JP2003520526A - 六角形のパックされた二次元超音波トランスデューサアレイ - Google Patents

六角形のパックされた二次元超音波トランスデューサアレイ

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JP2003520526A
JP2003520526A JP2001553051A JP2001553051A JP2003520526A JP 2003520526 A JP2003520526 A JP 2003520526A JP 2001553051 A JP2001553051 A JP 2001553051A JP 2001553051 A JP2001553051 A JP 2001553051A JP 2003520526 A JP2003520526 A JP 2003520526A
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ジョーン ディー フレイザー
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    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
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    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
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  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)

Abstract

(57)【要約】 三次元フェーズドアレイ走査に適した二次元超音波トランスデューサアレイ（１０）は六角形に密にパックされたトランスデューサ素子（２０）から成る。好ましい実施例において、前記トランスデューサ素子は、前記アレイを従来のダイシング・ソーのプロセスで製造することを可能にする直線的な形状を持つ。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波診断イメージングシステムのためのトランスデューサに関し
、とりわけ、二次元超音波トランスデューサアレイに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、トランスデューサアレイは、超音波診断イメージングにおいて広く用い
られている。単一の素子（単一のピストン）トランスデューサと比較して、アレ
イトランスデューサは、電子的に、アレイの素子により送信されるビーム及び受
信されるビームの操作（ステアリング）をし、焦点を合わせることを可能にする
。トランスデューサアレイの送信ビームと受信ビームとの両方のステアリング及
び焦点合わせを行なうビーム形成器は一般に利用可能である。
【０００３】 最も普及しているトランスデューサアレイは、トランスデューサ素子の単一の
列を有するトランスデューサアレイである。斯様なトランスデューサアレイは、
一次元アレイ又は１Ｄアレイとして知られ、直線アレイトランスデューサ、曲線
アレイトランスデューサ及びフェーズドアレイトランスデューサとして動作可能
である。１Ｄアレイトランスデューサは、トランスデューサ素子の単一の列又は
行を有し、ビームを、一次元、即ちアレイ列の長手方向の次元と揃えられている
イメージ面内でしか向けることが出来ず、焦点を合わせることが出来ないことか
ら、そのように名づけられている。このイメージ面内の広範囲の方向にわたって
ビームを操作することが出来る。斯様なトランスデューサは、身体の「スライス
」又は平面の二次元イメージングのためにイメージ面を走査するのにかなり適し
ている。
【０００４】 トランスデューサアレイはまた、トランスデューサ素子の多数の列で形成され
ても良く、前記トランスデューサアレイの一形態が１．５Ｄトランスデューサア
レイである。１．５Ｄトランスデューサアレイにおいては、トランスデューサ素
子の付加的な列が、アレイの長手方向中心の周辺又は素子の中心の列の両側に対
称的に置かれる。長手方向中心の両側に対称的に置かれている素子の列は、一緒
に動作し、長手方向の次元に対して直交する高さ方向の次元において電子的にト
ランスデューサの焦点を合わせることを可能にする。これは、１Ｄトランスデュ
ーサアレイが、高さ方向（スライスの厚さ）の次元において「薄い」二次元イメ
ージを作成することが出来ることを意味する。
【０００５】 トランスデューサアレイが、高さ方向の次元における対称的な動作の制限のな
い二次元における多数の素子から成る場合に、３６０°の方位角及び１８０°の
傾斜角にわたって電子的に超音波ビームのステアリングと焦点合わせとの両方を
することが出来る。これは、トランスデューサアレイが三次元体積にわたってビ
ームを走査することを可能にし、それにより、三次元（３Ｄ）超音波イメージン
グのための完全に電子的な走査を提供する。完全に電子的な走査は、リアルタイ
ム３Ｄイメージングに必要なビーム走査の獲得と信頼性との両方のために望まし
い。
【０００６】 ２Ｄアレイトランスデューサが３Ｄ体積におけるいかなる方向においても走査
する場合に、高い画質を得るための一定の規準が、全てのビームを走査する向き
に対して満たされるのが望ましい。例えば、ビームのアンテナパターンは、受信
超音波信号に対するクラッタ(clutter)の一因となり得る有害なグレーティング
ローブを防ぐべきである。２Ｄアレイにおけるグレーティングローブに対する望
ましい規準は、アレイのピッチ、即ちあらゆる方向の最寄りの隣接列のトランス
デューサ素子の中心間の最大間隔が、ほぼ半波長（λ／２）より長くないことで
あり、ここで、λは一般にトランスデューサの基準周波数又は中心周波数の波長
であると解釈される。この規準を超えるピッチを持つアレイは、所望のイメージ
情報に対する相対的に高い程度の不所望のクラッタの一因となり得る。１Ｄアレ
イの場合、ピッチはある素子から次の素子までの距離であるが、２Ｄアレイの場
合、隣接素子が二次元に延在しており、このことを考慮に入れなければならない
。
【０００７】 ３Ｄイメージングのための２Ｄアレイは、相対的に低いコストで大量に製造さ
れることも可能であるべきである。前記２Ｄアレイが非標準型の（exotic）高価
なプロセスによってしか製造され得ない場合に、コストは法外なものになるであ
ろう。標準的な１Ｄトランスデューサアレイのプロセスを用いて製造され得る所
望のパフォーマンス規準の２Ｄアレイが非常に望ましい。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の原理により、二次元超音波トランスデューサアレイは、六角形のグリ
ッドパターンで密にパックされる複数のトランスデューサ素子から成る。六角形
のグリッドでの密なパッキングは、良好なグレーティングローブのパフォーマン
スに最適の小さなピッチを与える。ある実施例においては、直線的トランスデュ
ーサ素子が、六角形のパターンを形成するために千鳥配列されている列（stagge
red rows）に配設され、このことが、従来の製造技術を用いて前記アレイを製造
することを可能にする。別の実施例において、前記アレイ素子は、製造を更に容
易にする組合せ素子(composite elements)である。好ましくは、前記組合せ素子
をｋ３１モードで動作させる。このことは、前記アレイ素子に対して電気接続を
なすことを更に容易にする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
まず図１を参照すると、トランスデューサ素子２０の２Ｄアレイ１０が、アレ
イ素子の頂部（送信面）の平面図で示されている。素子は、ＰＺＴなどの圧電性
材料から成る。素子の側面は、該素子を密にパックすることを可能にする六角形
の形状にカットされ、それ故、アレイは、相対的に狭い(tight)素子間の間隔（
ピッチ）を呈するであろう。アレイ１０の素子は、全ての素子に共通であるトラ
ンスデューサの層の全てを有するように製造されるモノリシックの積層体からカ
ットされる。前記積層体からカットされた１つの素子２０が図１ａに示されてお
り、この素子２０は、圧電性素子２４、２つの四分の一波長整合層２６ａ及び２
６ｂ、並びに２つの付勢電極(energizing electrode)２８ａ及び２８ｂを有する
。アレイは、電極２８ｂの下に置かれる（図示されていない）音響減衰材料の基
材(backing)に取り付けられる。
【００１０】 動作中には、アレイ１０が、該アレイの音響放射面と接触している身体の体積
測定領域(volumetric region)内へ超音波ビームを走査するのに用いられ得る。
素子２０の付勢電極２８bを互いから電気的に切り離し、（アレイを物理的に安
定させるために音響的に絶縁する材料又は空気が充填され得る）素子間間隔３０
により前記素子を音響的に絶縁することで、前記素子は、タイミングのとられた
電気的励振(timed electrical excitation)によって個々に駆動されて、操作さ
れ且つ、焦点が合わされたビームを身体内へ送信し得る。アレイ１０から外側へ
（図１の手前の方へ）該アレイの放射面に対する広範囲の傾斜角にわたってビー
ムを操作することが出来る。アレイが二次元のものであることから、アレイ上の
ビームの原点のまわりの方位角におけるいかなる角度にもビームの向けることが
出来る。好ましくは、ビームは、アレイの中心素子から外側へ（手前の方へ）延
在する中心軸Cを基準とされる。軸Cが中心アレイ素子と交わる原点から延在する
ビームは、円錐形又はピラミッド形の体積を走査するであろう。アレイの放射面
に沿った複数のポイントから外側へ延在するビームは、切頭円錐形又はピラミッ
ド形の体積を走査することが出来る。
【００１１】 アレイ１０が、所与の方向においてビームを送信し、受信する場合に、理想的
には、アレイのアンテナパターンは、ビームの方向のまわりに単一の応答のロー
ブを呈するべきである。しかしながら、アレイの有限の大きさ及びアレイが製造
される際の許容誤差により、実際のローブのパターンはこの理想に及ばない。こ
のアンテナパターンは、周辺方向においてより小さい応答のローブを呈し得る。
前記ローブは、所望のビームの方向の位置以外の位置にある物質からのクラッタ
応答を与えるであろう。大半の不所望な応答のタイプは、グレーティングローブ
である。主ローブに対するグレーティングローブの角度はアレイのピッチと反比
例の関係にあることから、グレーティングローブはアレイのピッチを制御するこ
とにより最小化され得る。許容可能なグレーティングローブのパフォーマンスを
提供する設計規準は、あらゆる方向におけるトランスデューサ素子の隣接列の間
の最大距離が、超音波の動作周波数のほぼ半波長、λ／２より大きくないように
、ピッチを十分細く維持せんとするものである。この規準を厳密に満たす場合に
、前記波長（周波数）におけるグレーティングローブは、送信ビーム方向から１
８０°離れた方向に向けられ、それ故、アレイ表面に対する広範囲の傾斜角にわ
たって送信ビームを操作する際に著しいクラッタを与えないであろう。
【００１２】 一次元（１Ｄ）アレイの場合に、ピッチの特性の解析は簡単明瞭である。前記
アレイは一次元のものであることから、前記アレイは、トランスデューサ素子の
単一の列の中心点を接続する線から外側へ延在する面内にしかビームを送信する
ことが出来ない。ビームがこの面内にしか向けられ得ないことから、重要な唯一
のピッチはアレイ内の隣接トランデューサ素子の間のピッチである。ほぼλ／２
以下である中心間の間隔を用いることにより、１Ｄアレイは許容可能なグレーテ
ィングローブ特性を呈するであろう。
【００１３】 ２Ｄアレイに対するピッチ解析は、ビームがもはやアレイから外側へ延在する
単一の面に束縛されないために、より複雑になる。２Ｄアレイは、アレイから外
側へ延在するあらゆる面に沿ってビームを送信し、受信することが出来る。ビー
ムは、アレイ上の原点のポイントから全３６０°の方位角、及びアレイ表面に対
する広範囲の角度の傾斜角にわたって送信され得る。これは、ピッチ解析が、単
一の列に沿ってのみでなく、２Ｄアレイ上の所与のポイントからの方位の全方向
における素子列中心の間隔を考慮しなければならないことを意味する。
【００１４】 直線的２Ｄアレイに対するピッチ解析は、図１ｂにおいて示されている。この
図面において示されている点は、従来の直線的パターンのトランスデューサ素子
の一様に離間された行及び列に配設されたトランスデューサ素子の中心を表わし
ている。基準素子の中心５００に対するピッチ解析が示されており、このピッチ
解析は、同一特性がビームステアリングの各９０°四半分に対して繰り返される
ことから、素子５００から方位の９０°の弧にわたって行われている。解析は、
２つの最寄りの隣接素子の中心５０２及び５０４と、５１０、５１２、５１４、
５１６及び５１８といった、前記隣接素子の１つと共に素子の列を形成する他の
素子との間に破線をひくことにより行われる。次いで、基準素子の中心５００か
らこれらの列の破線の各々に対して垂直にベクトルを描く。その場合、前記ベク
トルは、素子５００と、破線によって描かれている素子の列との間のピッチを表
わす。最長ベクトルは、列間の最大間隔を示し、従って、アレイの最大ピッチを
示す。図１ｂにおいては、最小ピッチが、素子５００と、素子５０２及び素子５
０４を含む素子の列との間のピッチであることが分かる。このベクトルは、４５
°の方位方向にある。この方位方向のどちらの側においてもベクトルは、段々に
増大し、直交する０°及び９０°方向のベクトル５０１及び５０３において最大
値に達することが分かる。これらのベクトルは、アレイの最長ピッチを示す。ピ
ッチとグレーティングローブの角度との間には反比例の関係があることから、前
記最長ピッチは、アレイのアンテナパターンの主ローブと最小角度をなすグレー
ティングローブを識別する。この図面において示されているようにこれらの直交
する方向にある素子の間の間隔がほぼλ／２以下である場合に、直線的アレイは
好ましいグレーティングローブ特性を呈するであろう。
【００１５】 トランスデューサ素子の六角形のパターンに対するピッチ解析は、図１ｃにお
いて基準素子の中心５２０に対して示されている。この実施例においては、トラ
ンスデューサ素子の中心が、
【数２】 の間隔だけ隣接素子の中心から隔てられている。この実施例におけるアレイ表面
上の全てのポイントは、頂点において素子の中心を持つ正三角形状に置かれるこ
とが分かる。１つの斯様な三角形は、例えば素子の中心５２０、５３０及び５２
４により形成され、別の三角形は、素子の中心５２０、５２２及び５３０により
形成される。素子の底部列内の素子の中心５２０、５２４及び５４２は、中心５
３２、５３６及び５４４から成る列の素子と揃えられるのに対して、中間列の素
子の中心５２２、５３０及び５３８は、隣接列からオフセットされる、又は千鳥
配列される。行方向と（直交する）列方向との両方において存することが分かる
この交互の列のパターンは、素子の三角形のパターン及び六角形のパターンを形
成する。六角形のパターンは、例えば素子５２０、５２２、５３６、５４４、５
３８及び５２４により形成されていることが分かる。
【００１６】 このアレイのピッチ解析は、前記パターンが基準素子５２０のまわりの方位の
全３６０°の弧にわたって六回繰り返すことから、基準素子５２０から方位の６
０°の弧にわたって行われる。先の解析と同様に、最寄りの隣接素子の中心５２
２及び５２４と、５３０、５３２、５３４、５４０及び５４２といったこれらの
素子と共に列を形成する他の素子の中心との間に破線をひく。次いで、ピッチを
示すベクトルが、基準素子の中心からこれらの列の破線に対して垂直に描かれる
。最短ベクトル、従って最短ピッチは、この実施例において方位の６０°の弧の
中心にある、素子５２０と、隣接素子５２２及び５２４を含む列との間のもので
あることが分かる。このベクトルのどちらの側においてもベクトル長は増大し、
方位の６０°の弧の０°方向及び６０°方向におけるベクトル５２１及び５２３
において最大値に達する。これらの最大ベクトル、従ってアレイの最大ピッチは
、λ／２の長さを持つ。アレイが、λ／２よりほぼ１５％大きい
【数３】 の素子間間隔を持つにもかかわらず、アレイの最大ピッチはλ／２である。これ
は、同じグレーティングローブのパフォーマンスでのよりゆったりした素子間隔
のため、図１ｂのアレイより容易に図１ｃのアレイを製造することが出来ること
を意味する。また、図１ｃのアレイは、ほぼ１５％少ないトランスデューサ素子
で図１bのアレイと同じグレーティングローブのパフォーマンスを呈することが
出来ることも意味する。更に、六角形の素子パターンを用いる場合には、２Ｄの
高周波アレイ（より小さなλ値）をより容易に製造することが出来ることを意味
する。
【００１７】 図１における六角形の形をした素子により可能にされる密なパッキングは、許
容可能なグレーティングローブのパフォーマンスを提供する。隣接素子間の間隔
が、括弧及び矢印３３で示されているようにほぼ
【数４】 である場合に、いかなる方向においても最大アレイピッチは、括弧３１によって
示されているようにほぼλ／２である。斯くして、λ／２を超えないアレイピッ
チに対する要求は、列内の素子間隔が
【数５】 又はほぼ１．１５倍のλ／２であることしか必要としないことを意味する。許容
可能なグレーティングローブのパフォーマンスに対する規準は、各例において満
たされ、所与の開口部を覆うのに必要とされる素子の数は、約１５％だけ削減さ
れている。結果として生じるグレーティングローブの角度は、依然として、所与
の範囲の操作されたビームの傾斜に対して許容可能であるように主ローブの方向
から十分に除去され得るので、本発明の最も重要な利点を依然として保持しなが
ら、所与の設計又はトランスデューサの周波数制限においてλ／２規準及び
【数６】 規準がわずかに超えられ得ることが分かるだろう。
【００１８】 図１の六角形のアレイ１０は、非常に満足な３Ｄ走査を提供することが出来る
一方で、とりわけ３０００個の素子といったかなり多くのアレイ素子にまで広げ
られる場合に、アレイは重大な製造上の問題を与える。最初の積層体を個々の六
角形の素子に分割するのに必要なカットのパターン３０は、アレイ全体にわたっ
て絶えず方向を変える小さなカットの入り組んだパターンであることが図１から
分かり得る。とりわけ、直線的素子の２Ｄアレイの場合にあるような、アレイを
横切る直線カットはない。従って、積層体は、化学エッチング又はレーザアブレ
ーションなどのこの複雑さを提供することが出来るプロセスによりダイスカット
されなければならない。しかしながら、斯様なプロセスは時間がかかり、高価で
ある、従って、適当なコストでの大量のアレイの製造にはあまり適していない。
それ故、セラミックの圧電性材料を素早く、正確に、適当なコストでダイスカッ
トするための良い実績のあるプロセスである、ダイヤモンドブレードの付いた丸
のこによりダイスカットされ得る六角形のアレイを提供するのが望ましい。しか
しながら、ダイシング・ソーは、直線カットに限られる。
【００１９】 この問題に対処する本発明の実施例は、図２において示されている。この図面
は、アレイの外周素子を接続する六角形のパターン１１０によって示されている
ように、六角形のアレイの形状構成においてパックされた複数の直線的トランス
デューサ素子１２０を有するトランスデューサアレイ１００を平面図で示してい
る。この実施例は、２Ｄフェーズドアレイのトランスデューサ素子の最大寸法が
ほぼλ／２である場合に、回折の物理的現象により、これら素子が形状に関係な
く機能的観点から全く同様にふるまうという特性を考慮に入れている。アレイ１
００の素子１２０が、ほぼ
【数７】 より大きくない最大中心間間隔を持つ場合に、上記の大きさの規準が満たされ、
六角形の素子から直線的素子への置き換えは、アレイのパフォーマンスにおける
著しい機能的な相違を生じない。前記の通り、全方位方向におけるピッチは、依
然として重要であり、十分なグレーティングローブのパフォーマンスを維持すべ
き場合には考慮に入れられなければならない。斯くして、図２の実施例は、素子
の数及びピッチなどの他の関連した規準が同等である場合に、図１の実施例と実
質的に同じ動作をするであろう。動作においては、図２の六角形のアレイ１００
は、最初の実施例の場合と同様に、アレイの中心ポイントC、及びアレイの表面
上の他のポイントから方位方向の全範囲にわたってビームを操作することが出来
る。
【００２０】 図２の実施例は、しかしながら、製造上の問題の半分しか解決していない。素
子の列を分けるダイシングカット１３０はアレイを完全に横切って延在し、従っ
てダイシング・ソーで製造され得ることが分かる。しかしながら、各列を個々の
素子に分けるカット又は切断カーフ(kerf)は、列から列へ千鳥配列されており、
アレイを横切る直線をカットするダイシング・ソーによっては形成され得ない。
【００２１】 トランスデューサ素子は、単体のアレイ素子として機能するよう電気的に接続
される２つ以上のダイスカットされた副素子から形成され得ることを認識するこ
とにより、このジレンマは克服される。図３ａは、エポキシなどの安定化充填剤
又は空気で充填され得る、切断カーフカット３２によって分けられている２つの
副素子１２ａ及び１２ｂにより形成される斯様な素子２２０を示している。各副
素子は、頂部表面上に１つの電極１４ａ又は１４ｂを持ち、底部表面上に別の電
極１６ａ又は１６ｂを持つ。（この図面においては整合層が図示されていないが
、整合層も含まれ得る。）上部及び下部の電極が、頂部電極１４ａ及び１４ｂに
おけるグランド記号並びに底部電極１６ａ及び１６ｂにおける＋記号によって示
されているように一緒に接続される場合に、副素子１２ａ及び１２ｂは単一のト
ランスデューサ素子として一緒に機能するであろう。
【００２２】 サブダイスカットされたトランスデューサ素子２２０の２Ｄの六角形のアレイ
２００が図４において平面図で示されている。この構成においては、ある列のサ
ブダイシング・切断カーフ３２が、隣接列において個々の素子を隔てる素子間カ
ット２３０のラインに一致している。斯くして、サブダイシング・切断カーフカ
ット３２の役を果たすカットの破線部分及び素子間カット２３０の役を果たす他
の交互配置された実線部分を持つ、（図面において垂直に）アレイを横切る単一
のラインカットがなされ得る。それ故、六角形アレイ２００全体が、単一の圧電
性積層体から積層体全体にわたって直交するカットを形成するダイシング・ソー
で形成され得る。
【００２３】 本発明の共同発明者によるCOMPOSITE ULTRASONIC TRANSDUCER ARRAY OPERATIN
G IN THE ｋ31 MODEと題された米国特許出願シリアル番号第09/457,196号は、ｋ 31 モードの励振において動作する２Ｄアレイについて記載している。これらの２
Ｄアレイの利点は、二次元アレイの素子に対して必要な電気接続の全てを、アレ
イの底部（基材側又は非放射側）においてなすことが出来ることにある。図３ｂ
は、１つの斯様なトランスデューサ素子３２０を図示している。図３ａの素子２
２０と同様に、素子３２０は２つの副素子２２ａ及び２２ｂを有する。しかし、
副素子が垂直に極性を与えられている素子２２０と異なり、素子３２０の副素子
は、副素子の(頂部及び底部ではなく)側面に置かれる電極により水平に極性を与
えられる。付勢電位の一方の極性（＋）に対する電極は、切断カーフ３２におい
て互いに対向する副素子の内側に置かれ、他方の極性（グランド）に対する電極
３４及び３６は、副素子の外側に置かれる。圧電性副素子は、斯くして垂直方向
における超音波の送信のために水平に付勢され、ｋ31モードの動作をする。前記
米国特許出願シリアル番号第09/457,196号において説明されているように、電極
は、好ましくは導電性エポキシ材料などの導電性充填剤により形成される。その
結果、各素子は、圧電性材料及び結合剤（バインダ）の２−２組合わせマトリク
ス(2-2 composite matrix)を有する。
【００２４】 図３ｂのｋ31組合わせ素子３２０は、図３ｃにおいて図示されているように２
Ｄアレイにおいて用いられ得る。手前に最も近い素子の列は、列の２つの素子を
示しており、一方は副素子Ａ１及びＡ２を有しており、他方は副素子Ｂ１及びＢ
２を有している。この一連の副素子の間の切断カーフ７２、７４及び７６は、素
子の電極のための導電性充填剤で充填される。この前列の下の極性記号が示すよ
うに、切断カーフ電極は列に沿って極性が交互する。切断カーフ７２内の電極材
料は、副素子Ａ１及びＡ２によって形成されるトランスデューサ素子のための正
の付勢電極であり、切断カーフ７６内の電極材料は、副素子Ｂ１及びＢ２によっ
て形成されるトランスデューサ素子のための正の付勢電極である。切断カーフ７
４内の電極材料は、これらの素子の両方のための負極性の電極又はグランドの電
極のうちの１つを形成する。この２つの素子のための他のグランド電極は、副素
子Ｂ２の右側の電極材料７８及び（この図面においては見えない）副素子Ａ１の
左側の電極材料によって設けられる。
【００２５】 前記前列の後ろの素子の列においてはトランスデューサ素子が１つしか示され
ていない。この素子は、副素子Ｃ１及びＣ２を有する。この第２列の素子は、隣
接列に対する位置において千鳥配列され、副素子Ｃ１は副素子Ａ２と揃えられ、
副素子Ｃ２は副素子Ｂ１と揃えられている。お分かりのように、この千鳥形配列
は、素子を六角形のアレイパターンに適応させることを可能にする。この千鳥配
列の結果として、Ｃ１−Ｃ２素子の中心切断カーフ７９内の正の電極材料は、隣
接列における切断カーフ７４の負又はグランドの電位の電極材料と揃えられる。
各列に沿った他の切断カーフにおいても同じことが当てはまり、例えば、Ｃ１−
Ｃ２素子の負又はグランドの電位の電極材料８１は、隣接列の正の電極の切断カ
ーフ７６と揃えられることが分かる。このため、切断カーフ８０は、これらの２
つの列の間の電気的絶縁を提供し、非導電性充填剤又は空気で充填される。
【００２６】 図５は、図３ｃに示されているように配列される図３ｃのｋ31組合わせ素子を
用いている六角形のアレイを平面図で図示している。Ａ、Ｂ及びＣの素子のシー
ケンスが、該シーケンスの繰り返す性質を図示するために、アレイ３００内の幾
つかの位置において描かれている。アレイの裏側（基材側又は非送信側）からの
アレイの全ての素子に対する電気接続は、素子の各列において各切断カーフと揃
えられる導体によりなされ得る。前記の通り、列の交互の極性のシーケンスは、
各隣接列のシーケンスに対して千鳥配列される。例えば、頂部の列の切断カーフ
の電極は、切断カーフ７９をはじめとして＋−＋−＋という左から右への極性の
シーケンスを持つ。第２列の揃えられた切断カーフは、切断カーフ７４をはじめ
として−＋−＋−という左から右への極性のシーケンス持つ。切断カーフ８０は
、素子の各列の電極の間の電気的絶縁を提供する。
【００２７】 六角形のアレイ３００は、ダイシング・ソーのプロセスを用いて容易に製造さ
れ得る。好ましいプロセスにおいては、整合層を備えるＰＺＴの圧電性積層体が
、電気導体を含む基材材料のブロックに固着される。好ましくは、基材ブロック
の導体が、米国特許（出願シリアル番号第08/840,470号）に記載されているよう
なトランスデューサ素子の電極の予定位置と整列して置かれる導体を持つ組込み
式の柔軟性のある回路を有する。付着される基材ブロックは、素子がダイスカッ
トされるようにトランスデューサアレイに安定性を提供する。図５の実施例にお
いては、垂直方向の切断カーフの全てが、まず、カットされ、次いで、導電性充
填剤又は導電性エポキシなどの接着剤で充填される。この導電性充填剤は、切断
カーフ７２、７４、７６、７８、７９及び８１における電極のための電極材料を
供給する。次いで、各列の電極を隣接列の電極から電気的に絶縁するために直交
する切断カーフ８０をカットする。例えば、これらの切断カーフ８０は、電極７
９を電極７４及び７８から切り離し、電極８１を電極７６から切り離す。切断カ
ーフ８０は、空気が充填されたままにされても良いし、又はアレイに更なる安定
性を与えるために電気的に非導電性の充填剤が充填されても良い。
【００２８】 別の実施例においては、導電的に充填された２−２組合わせ圧電性材料のプレ
ートがアレイを製造するために用いられても良く、この場合には、水平切断カー
フ８０のみが、アレイが接合し合わされた後にカットされる必要がある。
【００２９】 更に別の実施例においては、直交する両方向における切断カーフの全てがカッ
トされ、次いで、全ての切断カーフが導電性充填物で充填される。次いで、電気
的絶縁が望まれる切断カーフ８０からレーザアブレーションなどのプロセスによ
って充填剤が除去される。
【００３０】 本発明の組み立て実施例のパターンは、図６において平面図で示されている。
この図面は、素子の六角形のグループにおいて動かされ得るトランスデューサ素
子の直線的パターンを示している。幾つかが４１０−４１２で表わされているこ
の図面における細い垂直線は、４０１及び４０２といった２つの副素子の間のダ
イシング・ソーのカットを表わしている。４０８で示されている四角形のような
太線の四角形は、完全なアレイ素子を示す。アレイ４００の各素子は、一緒に電
気的に接続される２つの副素子から成る。例えば、素子４０８は副素子４０１及
び４０２から成る。図６の実施例においては、黒丸によって示されている素子の
図心を六角形に密にパックさせるために、一方の方向におけるカット間隔が、直
交する他方の方向における間隔の
【数８】 である。即ち、直交する２つの方向における切断カーフの間隔の比は、図面の左
下方のすみに示されているように
【数９】 対１である。アレイ４００の素子は、各圧電性素子の頂部及び底部に置かれる電
極を持つ従来のｋ３３モードにおいて動作され得る。好ましくは、前記素子は、
上記のように全ての電気接続が基材ブロックに組み込まれている電極から底部に
おいてなされ得るようなｋ３１モードにおいて動作される。ｋ３１の動作のため
に、図６における垂直カット４３０及び４３２は、素子の電極を設けるために導
電性材料で充填され、水平カット４８０は空気又は非導電性材料で充填される。
【００３１】 図６の実施例は、製造が容易という利点以外の幾つかの利点を提供する。アレ
イは、組み立て実施例において数千個の素子を有することから、異なる個数の隣
接トランスデューサ素子を一緒に動作させて、異なる大きさの六角形のグループ
を設けることができ、従って異なる開口を設けることが出来る。１つの斯様なグ
ループが、図心を接続する波線４６０によって表わされており、７つの素子のみ
から成る。別のグループが、図心を接続する二重破線４２０によって表わされて
おり、３７個の素子から成る。組み立て実施例においては、実際にはアレイのフ
ルサイズまでの六角形のグループ分けを形成することが出来る。グループの素子
に加えられる、フェーズドタイミングの駆動信号によって、送信ビームは、操作
され、焦点を合せられる。例えば、右へ向けられるビームを送信するためには、
グループの素子が、左から右へ段々に駆動される。真っ直ぐ前方へのビーム、即
ちグループの中心に対して垂直な該中心から生じるビームを送信するためには、
グループの外側の素子からはじまり、グループの中心に向かって移るように素子
が駆動される。
【００３２】 図６の実施例の別の利点は、六角形のグループ分けを様々な位置に位置させる
ことが出来ることにある。二重破線４２０によって表わされているグループは、
図心Ｃ１のあたりを中心に置かれており、図心Ｃ１に対して垂直に延在する軸の
まわりの方位方向の全範囲にわたってビームを操作することが出来る。また３７
個の素子から成る第２の六角形のグループが、単一の破線４４０によって表わさ
れており、図心Ｃ２から延在する軸のまわりにビームを操作することが出来る。
これは、各グループが同じビームステアリングパラメータのセットで動作される
場合に、これらのパラメータが各々、異なる位置の同じ大きさの体積を走査する
ことが出来ることを意味する。図６に示されているような２つのグループの密な
近接及びアレイ表面に対する十分な範囲のビーム傾斜角を与えられると、２つの
走査される体積は重複し得る。共通体積測定領域内のポイントは、斯くして異な
るビームステアリング角を持つ各グループからのビームによって走査され、各グ
ループによって受信される同一ポイントからのエコーが組み合わされる場合に、
三次元空間合成をするための能力を増加させる。ドプラ・カラーフロー(Doppler
colorflow)、ハーモニック・イメージング(harmonic imaging)及び多線走査(mu
ltiline scanning)などの他の一般的なイメージングモードも、この実施例で三
次元において行なわれ得る。アレイはまた、線形湾曲アレイであるように、又は
凸状に若しくは凹状に形成されるように、一次元又は二次元において湾曲され得
る。
【００３３】 アレイ素子は、八角形、十二角形などの六辺より多い他の多角形のパターンに
配設され得ることを認識されたい。しかしながら、これらの形状は、一様でない
アレイエリア有効範囲、及びビーム送信の方位の全３６０°にわたっての一様で
ないピッチを提供するかもしれない。六角形のパターンは好ましいパターンであ
る。なぜなら、六角形のパターンは、構成の細部の所与の細かさにより与えられ
るピッチを最小化し、相対的に高い動作周波数における六角形アレイの使用を可
能にするからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】２Ｄの六角形のアレイに配設された六角形のトランスデューサ素子
のアレイの平面図である。
【図１ａ】典型的なアレイの積層体のトランスデューサ素子の側面図である
。
【図１ｂ】従来の直線的２Ｄアレイのピッチ解析を図示する。
【図１ｃ】六角形にパックされたアレイのピッチ解析を図示する。
【図２】２Ｄの六角形のアレイに配設された直線的トランスデューサ素子の
平面図である。
【図３ａ】サブダイスカットされたトランスデューサ素子を透視画法で図示
する。
【図３ｂ】サブダイスカットされたｋ３１動作のトランスデューサアレイ素
子を透視画法で図示する。
【図３ｃ】サブダイスカットされた組合わせトランスデューサアレイ素子の
２Ｄアレイの一部を透視画法で図示する。
【図４】２Ｄの六角形のアレイに配設されたサブダイスカットされた直線的
トランスデューサ素子の平面図である。
【図５】２Ｄの六角形のアレイに配設された組合わせ直線的トランスデュー
サ素子の平面図である。
【図６】密にパックされた２Ｄの六角形のアレイの組み立て実施例の平面図
である。
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Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 送信面を画定する少なくとも二次元に延在する複数の超音波
    トランスデューサ素子を有する二次元超音波アレイトランスデューサであり、前
    記素子は、前記少なくとも二次元において別々に駆動可能であり、前記素子は、
    素子の六角形のグループ分けのように組織される超音波アレイトランスデューサ
    。
  2. 【請求項２】 少なくとも二次元に延在する請求項１に記載の圧電性トラン
    スデューサ素子のアレイを有する三次元体積を走査するための超音波アレイトラ
    ンスデューサであり、前記素子の幾つかは、個々に駆動可能であり、６つ以上の
    辺の多角形のトランスデューサの開口を形成する超音波アレイトランスデューサ
    。
  3. 【請求項３】 請求項１又は２のいずれか一項に記載のトランスデューサ素
    子の複数の列の二次元アレイを有する三次元体積を走査するための超音波アレイ
    トランスデューサであり、奇数番目の列は互いと揃えられ、偶数番目の列は互い
    と揃えられ、隣接列は互いからオフセットされる超音波アレイトランスデューサ
    。
  4. 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の超音波アレイトラン
    スデューサであり、前記素子は、六角形の形状を呈する超音波アレイトランスデ
    ューサ。
  5. 【請求項５】 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の超音波アレイトラン
    スデューサであり、前記素子は、長方形の形状及び正方形の形状の中から選ばれ
    る直線的形状を呈する超音波アレイトランスデューサ。
  6. 【請求項６】 請求項５に記載の超音波アレイトランスデューサであり、前
    記素子の各々は、少なくとも２つの副素子から成る超音波アレイトランスデュー
    サ。
  7. 【請求項７】 請求項６に記載の超音波アレイトランスデューサであり、前
    記副素子は、組合わせトランスデューサ素子を形成するために充填材料によって
    継ぎ合わされる超音波アレイトランスデューサ。
  8. 【請求項８】 請求項７に記載の超音波アレイトランスデューサであり、前
    記充填材料は、前記トランスデューサ素子の少なくとも１つの電極を設ける導電
    性材料を有する超音波アレイトランスデューサ。
  9. 【請求項９】 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の超音波アレイトラン
    スデューサであり、前記トランスデューサ素子は、ｋ３１モードにおいて動作さ
    れ、前記トランスデューサ素子は、実質的に該素子の頂部放出面から該素子の底
    面まで延在する該素子の１つ以上の側面上に形成される電極を含む超音波アレイ
    トランスデューサ。
  10. 【請求項１０】 請求項５乃至９のいずれか一項に記載の超音波アレイトラ
    ンスデューサであり、前記トランスデューサ素子は、平行な列において揃えられ
    、各列における前記素子の中心は、１列置きの列の前記素子の中心と揃えられて
    おり、各列における前記素子の中心は、前記隣接列の前記素子の中心の間の中間
    に揃えられる超音波アレイトランスデューサ。
  11. 【請求項１１】 請求項５乃至１０のいずれか一項に記載の超音波アレイト
    ランスデューサであり、前記素子は切断カーフカットによって切り離されており
    、一方の方向におけるカット間隔は、直交する方向におけるカット間隔のほぼ 【数１】 である超音波アレイトランスデューサ。
  12. 【請求項１２】 請求項５乃至１１のいずれか一項に記載の超音波アレイト
    ランスデューサであり、前記素子は切断カーフカットによって切り離されており
    、前記切断カーフカットは、２つの直交する方向において前記アレイ全体にわた
    って延在する直線の切断カーフカットを有する超音波アレイトランスデューサ。
  13. 【請求項１３】 請求項１２に記載の超音波アレイトランスデューサであり
    、前記２つの方向のうちの一方に延在する切断カーフカットは、導電性材料で充
    填され、前記２つの方向のうちの他方に延在する切断カーフカットは、非導電性
    材料で充填される超音波アレイトランスデューサ。
  14. 【請求項１４】 請求項１３に記載の超音波アレイトランスデューサであり
    、前記非導電性材料は空気を含み、前記導電性材料は導電性接着剤を含む超音波
    アレイトランスデューサ。
  15. 【請求項１５】 請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の超音波アレイト
    ランスデューサであり、前記アレイトランスデューサは、前記開口の中心から延
    在する軸のまわりの方位の３６０°にわたって前記アレイの送信面から外側へ超
    音波ビームを送信する超音波アレイトランスデューサ。
  16. 【請求項１６】 請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の二次元超音波ア
    レイトランスデューサであり、トランスデューサ素子の複数の列を有し、各列に
    おける前記トランスデューサ素子は、隣接列における前記トランスデューサ素子
    に対して位置において千鳥配列され、ある列における２つの素子の中心及び隣接
    列における隣接素子の中心は、前記二次元に延在する複数の三角形を形成してお
    り、前記三角形は、正三角形であり、各列における前記素子の中心は、隣接列の
    前記素子の間の前記切断カーフと揃えられる超音波アレイトランスデューサ。
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