JP2009213137A - 超音波トランスジューサの感度を高めるための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】トランスジューサ素子に関連する電気インピーダンスを低減し、感度を向上させる。
【解決手段】音響スタック１５０の有ポール圧電材料層１５４は上部側及び底部側１６６、１７０を有し、第１の音響インピーダンスを有する有ポール圧電材料から形成される。有ポール圧電材料層１５４は第１の厚さ１９０を有し、また音響スタック１５０はこの第１の厚さ１９０に基づいた出力電気インピーダンスを有する。インピーダンス整合層１６４、１６８は第１の音響インピーダンスと同様の音響インピーダンスを有する材料から形成され、第２または第３の厚さ１９２、１９４を有し、有ポール圧電材料層１５４の上部側及び底部側１６６、１７０に取り付けられる。有ポール圧電層１５４とインピーダンス整合層１６６、１６８は１つの音響共振厚１５２を形成している。トランスジューサ１０６の中心周波数は音響共振厚１５２に基づく。
【選択図】図３

Description

本発明は、全般的には超音波トランスジューサに関し、さらに詳細には、超音波トランスジューサ内部にある音響スタックに関する。

超音波トランスジューサ（一般に、探触子とも呼ぶ）は典型的には、１次元または２次元（２Ｄ）アレイの形に配列させた多くの音響スタックを有する。各音響スタックはトランスジューサ内部の１つの素子に対応しており、また１つのトランスジューサはその内部に多くの音響スタック（例えば、２Ｄアレイの形で配列させた数千個のスタックなど）を有することがある。

アレイ状トランスジューサでは、トランスジューサ素子の電気インピーダンスは超音波撮像システムの入力電気インピーダンスより大きい。このより高いインピーダンスのために、トランスジューサとシステムの間の電気エネルギー伝達効率が低くなり、これが感度の低下及びトランスジューサ動作性能の劣化につながる。トランスジューサ素子の電気インピーダンスは素子の大きさの低下に従って増加する、このため２Ｄアレイでは素子の大きさが１Ｄアレイの素子と比較して小さくなるに連れて感度低下の程度が大きくなっている。

システムのインピーダンス整合を高めるためには、高誘電率を有する有ポール（ｐｏｌｅｄ）圧電材料を用いるなどの試みがなされてきた。さらに、複雑な電極設計の多ポール性圧電材料層やＤ−整合層構造が使用されている。しかし複雑な電気接続が必要であり、特に２Ｄアレイでは全体的な複雑性が増大する。

したがって、超音波システムの感度を向上させるために超音波トランスジューサ内部にあるトランスジューサ素子に関連する電気インピーダンスを低減する必要性が存在する。

一実施形態では、１つの中心周波数を有する超音波トランスジューサ内部で使用するための音響スタックは、有ポール圧電材料層と、第１のインピーダンス整合層と、を備える。有ポール圧電材料層は上部側及び底部側を有すると共に、第１の音響インピーダンスを有する有ポール圧電材料から形成されている。有ポール圧電材料層は第１の厚さを有しており、音響スタックはこの第１の厚さに基づいた出力電気インピーダンスを有する。第１のインピーダンス整合層は有ポール圧電材料層の上部側と底部側のうちの一方に取り付けるように構成されており、また第２の厚さを有する。第１のインピーダンス整合層は第１の音響インピーダンスと実質的に同様の音響インピーダンスを有する材料から形成されている。有ポール圧電材料層及び第１のインピーダンス整合層によって１つの音響共振厚が形成される。トランスジューサの中心周波数はこの音響共振厚に基づく。

別の実施形態では、１つの中心周波数を有する超音波トランスジューサ内部で使用するための音響スタックは、有ポール圧電材料層と、第１及び第２のインピーダンス整合層と、を備える。有ポール圧電材料層は上部側及び底部側を有すると共に、第１の音響インピーダンスを有する。有ポール圧電材料層は第１の厚さを有しており、音響スタックはこの第１の厚さに基づいた出力電気インピーダンスを有する。第１のインピーダンス整合層は上部側及び底部側を有し、また第２の厚さを有する。底部側は有ポール圧電材料層の上部側に取り付けるように構成されている。第２のインピーダンス整合層は上部側及び底部側を有し、また第３の厚さを有する。第２のインピーダンス層の上部側は有ポール圧電材料層の底部側に取り付けるように構成される。第１及び第２のインピーダンス整合層は第１の音響インピーダンスを有する第１及び第２の材料から形成されている。有ポール圧電材料層と第１及び第２のインピーダンス整合層とによって１つの音響共振厚が形成されており、トランスジューサの中心周波数はこれに基づいている。

さらに別の実施形態では、トランスジューサ素子に関連する出力電気インピーダンスを低下させるための方法は、超音波トランスジューサに関連する中心周波数と動作周波数レンジの少なくとも一方を規定する工程を含む。中心周波数と動作周波数レンジの少なくとも一方に基づいて音響共振厚が特定される。上部及び底部を有する有ポール圧電材料層が第１の音響インピーダンス及び第１の厚さを有する有ポール圧電材料から形成されている。有ポール圧電材料層の上部と底部の一方に沿って、少なくとも１つのインピーダンス整合層が形成されている。この少なくとも１つのインピーダンス整合層は実質的に第１の音響インピーダンスを有する材料から形成されている。少なくとも１つのインピーダンス整合層は第２の厚さを有しており、またこの第１と第２の厚さが組み合わされて音響共振厚が形成されている。

本発明の様々な実施形態に従って形成した超音波システムのブロック図である。 本発明の様々な実施形態に従って形成した小型化超音波システムの図である。 図１及び２に示すようなトランスジューサ内部で使用される本発明の一実施形態に従って形成した音響スタックの図である。 本発明の一実施形態に従って形成した音響スタックのＳ−整合層の内部の層に関する例示的厚さを表した図である。 本発明の別の実施形態によるＳ−整合層の内部の層に関する別の例示的厚さを表した図である。 本発明の一実施形態に従ってＳ−整合層を形成できる層に関する別の構成を表した図である。 本発明の一実施形態による別の重ね合わせ構成に関する周波数応答を表した図である。 本発明の一実施形態に従って形成したＳ−整合層が単一層の有ポール圧電材料を有する重ね合わせ構成と比較して感度を向上させることを表した図である。 本発明の一実施形態に従って形成したＳ−整合層が単一層の有ポール圧電材料を有する重ね合わせ構成と比較して感度を向上させることを表した図である。

上述した要約、並びに本発明のある種の実施形態に関する以下の詳細な説明は、添付の図面と共に読むことによってさらに十分な理解が得られよう。これらの図面が様々な実施形態の機能ブロックからなる図を表している場合も、必ずしもこれらの機能ブロックがハードウェア回路間で分割されることを意味するものではない。したがって例えば、１つまたは複数の機能ブロック（例えば、プロセッサやメモリ）を単一のハードウェア（例えば、汎用の信号プロセッサ、ランダムアクセスメモリ、ハードディスク、その他）の形で実現させることがある。同様にそのプログラムは、スタンドアロンのプログラムとすること、オペレーティングシステム内のサブルーチンとして組み込まれること、インストールしたソフトウェアパッケージの形で機能させること、その他とすることができる。こうした様々な実施形態は図面に示した配置や手段に限定されるものではないことを理解すべきである。

本明細書で使用する場合、単数形で「ａ」や「ａｎ」の語を前に付けて記載した要素や工程は、これに関する複数の要素や工程も排除していない（こうした排除を明示的に記載している場合を除く）と理解すべきである。さらに、本発明の「一実施形態」に対する言及は、記載した特徴も組み込んでいる追加的な実施形態の存在を排除すると理解されるように意図したものではない。さらに特に明示的に否定する記述をしない限り、ある具体的な性状を有する１つまたは複数の構成要素を「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」または「有する（ｈａｖｉｎｇ）」実施形態は、こうした構成要素で当該性状を有しない追加的な構成要素も含むことがある。

図１はトランスジューサ１０６内部にあるアレイ状素子１０４を駆動し身体内にパルス状の超音波信号を放出する送信器１０２を含んだ超音波システム１００を表している。素子１０４の各々は（図３に示すように）１つの音響スタックに対応する。素子１０４は、例えば１次元や２次元の形で配列させることができる。多種多様な幾何学構成を使用することができる。各トランスジューサ１０６は規定の中心動作周波数及び／または動作周波数レンジを有する。超音波信号は脂肪組織や筋肉組織などの身体内の構造で後方散乱され、素子１０４に戻されるエコーが生成される。エコーは受信器１０８により受け取られる。受け取ったエコーは、ビーム形成を実施してＲＦ信号を出力するビーム形成器１１０を通過させる。次いでこのＲＦ信号は、ＲＦプロセッサ１１２を通過させる。別法として、ＲＦプロセッサ１１２はＲＦ信号を復調してエコー信号を表すＩＱデータ対を形成する複素復調器（図示せず）を含むことがある。ＲＦまたはＩＱ信号データは次いで、保存のためにメモリ１１４に直接導かれることがある。

超音波システム１００はさらに、収集した超音波情報（例えば、ＲＦ信号データまたはＩＱデータ対）を処理しディスプレイ１１８上に表示させる超音波情報フレームを作成するためのプロセッサモジュール１１６を含む。プロセッサモジュール１１６は、収集した超音波情報に対して複数の選択可能な超音波様式に従って１つまたは複数の処理操作を実施するように適応させている。収集した超音波情報は、エコー信号を受信しながら走査セッション中にリアルタイムで処理され表示されることがある。追加としてまたは別法として、超音波情報は走査セッションの間はメモリ１１４内に一時的に保存され、次いでオフライン動作で処理され表示されることがある。

プロセッサモジュール１１６は、プロセッサモジュール１１６の動作を制御できるユーザインタフェース１２４に接続されている。ディスプレイ１１８は、ユーザに対して診断及び解析のための診断用超音波画像を含む患者情報を提示している１つまたは複数のモニタを含む。メモリ１１４とメモリ１２２の一方または両方は、超音波データの３次元（３Ｄ）データ組を格納することがあり、こうした３Ｄデータ組は２Ｄ及び３Ｄ画像を提示するためにアクセスを受ける。さらに３Ｄまたは４Ｄのリアルタイム表示を提供するなどのために、連続する複数の３Ｄデータ組を時間の経過に従って収集し保存することもある。これらの画像は修正されることがあり、またディスプレイ１１８の表示設定はユーザインタフェース１２４を用いて手作業で調整されることもある。

図２は、３Ｄ超音波データを収集するように構成し得るトランスジューサ１３２を有する３Ｄ機能小型化超音波システム１３０を表している。例えばトランスジューサ１３２は、図１のトランスジューサ１０６に関連して上で検討したような２Ｄトランスジューサ素子アレイ１０４を有することがある。オペレータからコマンドを受け取るためにユーザインタフェース１３４（一体型ディスプレイ１３６を含むこともあり得る）が設けられている。本明細書で使用する場合に「小型化」とは、超音波システム１３０がハンドヘルド型または携行式のデバイスであるか、あるいはスタッフの手中、ポケット、書類カバンサイズのケース、あるいはリュックサックで持ち運べるように構成されていることを意味している。例えば超音波システム１３０は、例えば深さが概ね２．５インチ、幅が概ね１４インチ、高さが概ね１２インチの寸法を有する典型的なラップトップコンピュータのサイズを有する携行式デバイスとすることができる。超音波システム１３０は重さが約１０ポンドであり、したがってオペレータにより容易に運搬可能とすることができる。さらに一体型ディスプレイ１３６（例えば、内部ディスプレイ）が設けられ、これが医用画像を表示するように構成されている。

超音波データは、有線式またはワイヤレス式のネットワーク１４０（または、例えばシリアルケーブルやパラレルケーブルあるいはＵＳＢポートを介した直接接続）によって外部デバイス１３８に送られることがある。幾つかの実施形態では、外部デバイス１３８はディスプレイを有するコンピュータまたはワークステーションとすることがある。別法として外部デバイス１３８は、携行式超音波システム１３０からの画像データの受け取り並びに一体型ディスプレイ１３６を超える分解能を有することがある画像の表示またはプリントアウトが可能な単独の外部ディスプレイまたはプリンタとすることがある。

別の例として超音波システム１３０は、３Ｄ機能ポケットサイズ超音波システムとすることができる。一例として、ポケットサイズ超音波システムは、幅が概ね２インチ、長さが概ね４インチ及び深さが概ね０．５インチとし、かつ重さは３オンス未満とすることがある。ポケットサイズ超音波システムは、ディスプレイ、ユーザインタフェース（すなわち、キーボード）及びトランスジューサへの接続のための入力／出力（Ｉ／Ｏ）ポート（いずれも図示せず）を含むことがある。寸法、重量及び電力消費が異なる小型化超音波システムと接続させて様々な実施形態を実現できることに留意すべきである。

図３は、図１に示すようなトランスジューサ１０６内部で使用される音響スタック１５０を表している。音響スタック１５０は重ね合わせ構成で互いに取り付けられた幾つかの層を有する。上で検討したように、各トランスジューサ１０６は多くの音響スタック１５０を有することがあり、また該トランスジューサ１０６内部にある素子１０４の各々は１つの音響スタック１５０に対応する。

音響共振厚Ｔ（１５２）は所望の中心周波数または所望の動作周波数レンジに基づいて規定することができる。これまでは、トランスジューサの音響スタック内部で使用する有ポール圧電層の厚さは、音響共振厚Ｔ（１５２）と同じであったため、素子１０４の出力電気インピーダンスも音響共振厚Ｔ（１５２）に基づいていた。

しかし図３では、音響共振厚Ｔ（１５２）は音響スタック１５０内部のＳ−整合層１８８の厚さに対応する。有ポール圧電材料層１５４と第１及び第２のインピーダンス整合層１６４及び１６８とが一緒になってＳ−整合層１８８を形成しており、この際に有ポール圧電材料層１５４は無ポール（ｕｎｐｏｌｅｄ）材料からなる２つの層間に挟み込まれている。有ポール圧電材料層１５４は厚さＴ１（１９０）を有し、第１のインピーダンス整合層１６４は厚さＴ２（１９２）を有し、また第２のインピーダンス整合層１６８は厚さＴ３（１９４）を有する。

有ポール圧電材料層１５４と第１及び第２のインピーダンス整合層１６４及び１６８とは互いに同じまたは実質的に同様の音響インピーダンスを有する。したがってＳ−整合層１８８は、Ｓ−整合層１８８内部の層の厚さすべての和にあたる音響共振厚Ｔ（１５２）で音響的に共振することになる。しかし有ポール圧電材料層１５４の厚さＴ１（１９０）は音響共振厚Ｔ（１５２）と比べて薄いため、同じ中心周波数における素子１０４の出力電気インピーダンスは低下する。さらに音響共振厚Ｔ（１５２）はこれまで用いられてきた単一層の有ポール圧電材料の厚さに対応させることができるため、Ｓ−整合層１８８はこれまで用いられてきた単一層の有ポール材料と製造時に容易に置き換えることができる。

有ポール圧電材料層１５４はジルコン酸チタン酸鉛の圧電セラミック材料などの圧電材料から形成することができる。別の圧電材料や圧電複合材料を用いることもできる。例えば、単一結晶（例えば、ＰＭＮ−ＰＴやＰＺＮ−ＰＴ）、ＰＺＴ複合材、圧電ポリマー、セラミック複合材、単一結晶複合材、モノリシックまたは多層構造、その他を用いることができる。第１の電極１５６は薄い金属層で形成することができ、また有ポール圧電材料層１５４の前面１５８上に被着させている。第２の電極１６０は有ポール圧電材料層１５４の背面１６２上に被着させている。

第１のインピーダンス整合層１６４は有ポール圧電材料層１５４の上部側１６６に取り付けられる。第２のインピーダンス整合層１６８は有ポール圧電材料層１５４の底部側１７０に取り付けられる。第１及び第２のインピーダンス整合層１６４及び１６８のことを端部キャップと呼ぶこともある。第１及び第２のインピーダンス整合層１６４及び１６８は、有ポール圧電材料層１５４を形成する材料と同じまたは実質的に同じ音響インピーダンスをもつ１つまたは複数の材料から形成される。同じ、実質的に同じ、あるいは実質的に同様の音響インピーダンスを有させることによって、第１及び第２の電極１５６及び１６０を付勢させることによって音響スタック１５０内部に発生する波は反射することがない、すなわち層間の境界において生じる反射の量が極めて小さい。

一実施形態では第１及び第２のインピーダンス整合層１６４及び１６８は、有ポール圧電材料層１５４を形成したのと同じ圧電材料である無ポール圧電材料から形成される。別の実施形態では第１及び第２のインピーダンス整合層１６４及び１６８は有ポール圧電材料層１５４と異なる材料（複数のこともある）から形成することがある。層１６４及び１６８は単一の材料や複合材、あるいは１つまたは複数のセラミック及び／または金属材料を有するような複数の材料の合金から形成することがある。さらに別の実施形態では、第１及び第２のインピーダンス整合層１６４及び１６８のうちの一方または両方を複数層の材料から形成することがある。

少なくとも１つの整合層が第１のインピーダンス整合層１６４の上部側１７２に取り付けられている。図３の例では、第１及び第２の整合層１７４及び１７６が第１のインピーダンス整合層１６４の上部側１７２に取り付けられて、スタック１５０と外部１７８の音響インピーダンスが整合されており、このインピーダンスはヒトやその他の走査対象物の音響インピーダンスに基づくことがある。別の実施形態では、整合層を１層とすることや、２層を超える数とすることがある。幾つかの実施形態では、第２のインピーダンス整合層１６８の底部側１８２に脱整合（ｄｅｍａｔｃｈｉｎｇ）層１８０を相互接続し、かつこの脱整合層１８０の底部側１８６に裏当て１８４を取り付けている。脱整合層１８０は高い音響インピーダンス（例えば、概ね１００Ｍｒａｙ）を有すると共に、炭化タングステンなどの材料から形成することができる。

スタック１５０は、第１のインピーダンス整合層１６４の上部側１７２に関して前部と後部１９６及び１９８に分割することがある。スタック１５０の各層は、糊、接着剤、はんだ、あるいは別の組み上げ層材料などの１つまたは複数の材料によって互いに音響的に結合させている。組み上げ層材料は組み上げ層２００〜２１０で示している。Ｓ−整合層１８８の内部において、組み上げ層２００が第１のインピーダンス整合層１６４と有ポール圧電材料層１５４を結合させており、また組み上げ層２０２が有ポール圧電材料層１５４と第２のインピーダンス整合層１６８を結合させている。さらに後部１９８において、組み上げ層２０４が第２のインピーダンス整合層１６８と脱整合層１８０を結合させており、また組み上げ層２０６が脱整合層１８０と裏当て１８４を結合させている。前部１９６では、組み上げ層２０８が第１のインピーダンス整合層１６４と第１の整合層１７４を結合させており、また組み上げ層２１０が第１と第２の整合層１７４と１７６を結合させている。

第１及び第２の電極１５６及び１６０が極性付与されると、有ポール圧電材料層１５４の有ポール圧電材料が電気的に付勢され、有ポール圧電材料層１５４の上部側１６６で始まる第１及び第２の力学的波２１２及び２１４が発生する。第１の力学的波２１２は、イニシャルフロント波と呼ぶこともあり、スタック１５０の前部１９６の方向に導かれ、また第２の力学的波２１４はスタック１５０の後部１９８の方向に導かれる。有ポール圧電材料層１５４と第１のインピーダンス整合層１６４の間の境界では、これらの層の音響インピーダンスが同じまたは実質的に同様であるため第１の力学的波２１２が反射しない。同様に第２の力学的波２１４も、有ポール圧電材料層１５４と第２のインピーダンス整合層１６８の間の境界で反射しない。

脱整合層１８０及び／または裏当て１８４の音響インピーダンスはＳ−整合層１８８の音響インピーダンスと比べてかなり大きくすることがある。第２の力学的波２１４が脱整合層１８０に到達すると、第２のインピーダンス整合層１６８と脱整合層１８０の間のインピーダンスの強い不整合によって第１の反射波２１６が発生し、これにより裏当て１８４内部のエネルギーリーク量がわずかだけとなる。一実施形態では、１つまたは複数のスタック層の厚さは第１の力学的波２１２と第１の反射波２１６の間の連続した位相整合が可能となるように選択することができる。上で検討したように、スタック１５０は脱整合層１８０を有さずに製作することができる。この構成では、第２の力学的波２１４が反射波２１８を生じさせることになる。図示していないが、別にこれよりかなり小さい反射波がスタック１５０の層と組み上げ層２００〜２１０の間の界面で発生することがある。

図４は、図３のＳ−整合層１８８内部にある層に関する例示的な厚さを表している。この例では、組み上げ層２００及び２０２は図示していない。ここでもＳ−整合層１８８は、トランスジューサ１０６の音響周波数を決定するような音響共振厚Ｔ（１５２）を有している。有ポール圧電材料層１５４の厚さＴ１（１９０）は音響共振厚Ｔ（１５２）の概ね２分の１とすることがあり、また厚さＴ２（１９２）と厚さＴ３（１９４）はそれぞれ音響共振厚Ｔ（１５２）の概ね４分の１とすることがある。

図５は、Ｓ−整合層１８８の内部の層に関する別の例示的な厚さを表している。この例では、厚さＴ１（１９０）、厚さＴ２（１９２）及び厚さＴ３（１９４）はすべて音響共振厚Ｔ（１５２）の３分の１など概ね同じとすることがある。したがって、厚さＴ１、Ｔ２及びＴ３は互いに対して様々な値とし得ることを理解すべきである。しかし厚さＴ１、Ｔ２及びＴ３の和は音響共振厚Ｔ（１５２）に等しくなるか、これと概ね等しくなる。さらに厚さＴ１（１９０）は総音響共振厚Ｔ（１５２）の３分の１未満や４分の１未満にすることがあり、また所望の出力電気インピーダンスに基づいて選択されることがある。

図６は、Ｓ−整合層２４０を形成し得る層に関する別の構成を表している。Ｓ−整合層２４０は図１のスタック１５０内部においてＳ−整合層１８８の代わりに利用することができる。Ｓ−整合層２４０は有ポール圧電材料層１５４及び単一インピーダンス整合層２４２を有する。ここでも、厚さＴ１（１９０）と厚さＴ４（２４４）は一体で音響共振厚Ｔ（１５２）と等しい。厚さＴ１（１９０）と厚さＴ４（２４４）は所望の出力電気インピーダンスを実現するように様々な値とすることができる。さらに、有ポール圧電材料層１５４は図１の第１の整合層１７４と脱整合層１８０のいずれかと界面形成するように位置決めし、これによってＳ−整合層２４０内でスタック１５０の前部または後部１９６及び１９８のそれぞれのより近くに有ポール圧電材料層１５４を位置決めすることができる。

単に一例として、トランスジューサ１０６の設計の際に、所望の動作周波数（すなわち、中心周波数）や動作周波数レンジを先ず規定することがある。当該の動作周波数または動作周波数レンジに対して所望のトランスジューサ重ね合わせ構造に関する音響共振厚Ｔ（１５２）を決定することができる。Ｓ−整合層１８８内部にある層の数は、有ポール圧電材料層１５４と第１及び第２のインピーダンス整合層１６４及び１６８など選択することができる。有ポール圧電材料層１５４の厚さＴ１は、所望の出力電気インピーダンスに基づく、また任意選択では別の動作パラメータに基づくなどして決定することができる。

一実施形態では、Ｓ−整合層１８８内部における有ポール圧電材料層１５４の位置は、第１及び第２のインピーダンス整合層１６４及び１６８のそれぞれの厚さを増減することによって調整することができる。この動作は例えば、力学的波と反射波の間で軽度の位相整合調整を実現するために実施することができる。

図７では、比較シミュレーション２６０によって様々な重ね合わせ構成の周波数応答を表している。垂直軸２６６に沿って出力電気インピーダンスを示し、また水平軸２６８に沿って共振周波数（中心周波数）を示している。ライン２６２は、４００マイクロメートルという標準的な有ポール圧電厚さを用いたモデル化したトランスジューサ動作性能を示している。したがってライン２６２はＳ−整合層１８８を有する音響スタック１５０に関するものではなく、単一層の有ポール圧電材料（図示せず）を用いた音響スタックに関するものである。ライン２６４は、有ポール圧電材料層１５４の厚さが２００マイクロメートルで無ポール圧電材料層、第１及び第２のインピーダンス整合層１６４及び１６８のそれぞれの厚さが１００マイクロメートルであるようなＳ−整合層１８８を用いたトランスジューサ動作性能を示している。ライン２６２及び２６４は各構成に関する５ＭＨｚの同様の共振周波数または中心周波数を示す一方、Ｓ−整合層１８８（ライン２６４）はより低い電気インピーダンスを有することを示している。

図８及び９は、Ｓ−整合層１８８を用いた音響スタックが単一層の有ポール圧電材料を用いた重ね合わせ構成と比較して感度が向上することを示している。この例では、図７と同じ層厚さを用いた。グラフ２８０はパルスエコー・エンベロープ比較を表しており、Ｓ−整合層１８８構成に対応するライン２８２はライン２８４と比べると有する感度は向上しており、またパルス長は同様である。ライン２８４は、その厚さが音響共振周波数と出力電気インピーダンスの両方を決定しているような単一層の有ポール圧電材料に対応している。グラフ２８６は、ライン２８８で表したＳ−整合層１８８がライン２９０で表した単一有ポール圧電材料層と比べて概ね７ｄＢだけ感度が高いが、中心周波数は概ね同じであることを表している。

少なくとも１つの実施形態の技術的効果は、超音波トランスジューサの感度の向上である。トランスジューサ素子の出力電気インピーダンスは音響スタック内部の有ポール圧電材料層の厚さに関連しており、典型的には超音波システムの電気インピーダンスと比べてかなり高い。有ポール圧電材料層の厚さを低減することによって、素子の電気インピーダンスが低下する。有ポール圧電材料層と実質的に同じ音響インピーダンスを有する１つまたは複数の材料層を有ポール圧電材料層で挟み込んで、所望の動作周波数に対応する厚さを有する層が形成される。したがって、有ポール圧電材料層が薄くする程、出力電気インピーダンスが超音波システムのそれにより近づくように低減され、これによって所望の動作周波数または周波数レンジにおける感度及び動作性能が向上する。

上の記述は例示であって限定でないことを理解されたい。例えば上述の実施形態（及び／または、その態様）は、互いに組み合わせて使用されることがある。さらに、具体的な状況や材料を本発明の教示に適応させるように本趣旨を逸脱することなく多くの修正を実施することができる。本明細書内に記載した材料の寸法及びタイプが本発明のパラメータを規定するように意図していても、これらは決して限定ではなく実施形態の例示である。上の記述を検討することにより当業者には別の多くの実施形態が明らかとなろう。本発明の範囲はしたがって、添付の特許請求の範囲、並びに本請求範囲が規定する等価物の全範囲を参照しながら決定されるべきである。添付の特許請求の範囲では、「を含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」や「ようになった（ｉｎ ｗｈｉｃｈ）」という表現を「を備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」や「であるところの（ｗｈｅｒｅｉｎ）」という対応する表現に対する平易な英語表現として使用している。さらに添付の特許請求の範囲では、「第１の」、「第２の」及び「第３の」その他の表現を単にラベル付けのために使用しており、その対象に対して数値的な要件を課すことを意図したものではない。さらに、添付の特許請求の範囲の限定は手段プラス機能形式で記載しておらず、また３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１２、第６パラグラフに基づいて解釈されるように意図したものでもない（ただし、本特許請求の範囲の限定によって「のための手段（ｍｅａｎｓ ｆｏｒ）」の表現に続いて追加的な構造に関する機能排除の記述を明示的に用いる場合を除く）。

この記載では、本発明（最適の形態を含む）を開示するため、並びに当業者による任意のデバイスやシステムの製作と使用及び組み込んだ任意の方法の実行を含む本発明の実施を可能にするために例を使用している。本発明の特許性のある範囲は本特許請求の範囲によって規定していると共に、当業者により行われる別の例を含むことができる。こうした別の例は、本特許請求の範囲の文字表記と異ならない構造要素を有する場合や、本特許請求の範囲の文字表記と実質的に差がない等価的な構造要素を有する場合があるが、本特許請求の範囲の域内にあるように意図したものである。

１００ 超音波システム
１０２ 送信器
１０４ 素子
１０６ トランスジューサ
１０８ 受信器
１１０ ビーム形成器
１１２ ＲＦプロセッサ
１１４ メモリ
１１６ プロセッサモジュール
１１８ ディスプレイ
１２２ メモリ
１２４ ユーザインタフェース
１３０ 小型化超音波システム
１３２ トランスジューサ
１３４ ユーザインタフェース
１３６ 一体型ディスプレイ
１３８ 外部デバイス
１４０ ネットワーク
１５０ スタック
１５２ 音響共振厚Ｔ
１５４ 有ポール圧電材料層
１５６ 第１の電極
１５８ 前面
１６０ 第２の電極
１６２ 背面
１６４ 第１のインピーダンス整合層
１６６ 上部側
１６８ 第２のインピーダンス整合層
１７０ 底部側
１７２ 上部側
１７４ 第１の整合層
１７８ 外部
１８０ 脱整合層
１８２ 底部側
１８４ 裏当て
１８６ 底部側
１８８ Ｓ−整合層
１９０ 厚さＴ１
１９２ 厚さＴ２
１９４ 厚さＴ３
１９６ 前部
１９８ 後部
２００ 組み上げ層
２０２ 組み上げ層
２０４ 組み上げ層
２０６ 組み上げ層
２０８ 組み上げ層
２１０ 組み上げ層
２１２ 第１の力学的波
２１４ 第２の力学的波
２１６ 第１の反射波
２１８ 反射波
２４０ Ｓ−整合層
２４２ 単一インピーダンス整合層
２４４ 厚さＴ４
２６０ 比較シミュレーション
２６２ ライン
２６４ ライン
２６６ 垂直軸
２６８ 水平軸
２８０ グラフ
２８２ ライン
２８４ ライン
２８６ グラフ
２８８ ライン
２９０ ライン

Claims (10)

1. １つの中心周波数を有する超音波トランスジューサ１０６内部で使用するための音響スタック１５０であって、
   第１の音響インピーダンスを有する有ポール圧電材料を含む有ポール圧電材料層１５４であって、該有ポール圧電材料層１５４は上部側及び底部側１６６、１７０を有すると共に第１の厚さ１９０を有しており、該第１の厚さ１９０に基づいた出力電気インピーダンスを該音響スタック１５０が有している有ポール圧電材料層１５４と、
   前記有ポール圧電材料層１５４の上部側と底部側１６６、１７０のうちの一方に取り付けるように構成された第１のインピーダンス整合層１６４であって、該第１のインピーダンス整合層１６４は第２の厚さ１９２を有しており、該第１のインピーダンス整合層１６４は第１の音響インピーダンスと実質的に同様の音響インピーダンスを有する材料から形成されており、該有ポール圧電材料層１５４及び該第１のインピーダンス整合層１６４によって音響共振厚１５２が形成されており、トランスジューサ１０６の中心周波数は該音響共振厚１５２に基づく第１のインピーダンス整合層１６４と、
   を備えた音響スタック１５０。
2. 前記有ポール圧電材料層１５４のうち前記第１のインピーダンス整合層１６４と反対側に取り付けるように構成された第２のインピーダンス整合層１６８であって、該第２のインピーダンス整合層１６８は第３の厚さ１９４を有しており、該第２のインピーダンス整合層１６８は第１の音響インピーダンスと実質的に同様の音響インピーダンスを有する材料から形成されている第２のインピーダンス整合層１６８をさらに備えており、前記音響共振厚１５２は第１、第２及び第３の厚さ１９０、１９２、１９４に基づいている、請求項１に記載の音響スタック１５０。
3. 前記第１のインピーダンス整合層１６４を形成する材料は無ポール圧電材料を含む、請求項１に記載の音響スタック１５０。
4. 前記有ポール圧電材料層１５４の上部側及び底部側１６６、１７０と界面形成するように構成された第１及び第２の電極１５６、１６０をさらに備えており、該第１及び第２の電極１５６、１６０のうちの一方は該有ポール圧電材料層１５４と前記第１のインピーダンス整合層１６４の間にある、請求項１に記載の音響スタック１５０。
5. 前記有ポール圧電材料層１５４と前記第１のインピーダンス整合層１６４のうちの一方に取り付けるように構成された少なくとも１つの第１の整合層１７４と、
   前記有ポール圧電材料層１５４と前記第１のインピーダンス整合層１６４のもう一方に取り付けるように構成された少なくとも１つの裏当て層１８４と、
   をさらに備える請求項１に記載の音響スタック１５０。
6. １つの中心周波数を有する超音波トランスジューサ１０６内部で使用するための音響スタック１５０であって、
   上部側及び底部側１６６、１７０を有する有ポール圧電材料層１５４であって、該有ポール圧電材料層１５４は第１の音響インピーダンス及び第１の厚さ１９０を有しており、該第１の厚さ１９０に基づいた出力電気インピーダンスを該音響スタック１５０が有している有ポール圧電材料層１５４と、
   上部側１７２及び底部側を有する第１のインピーダンス整合層１６４であって、該第１のインピーダンス整合層１６４の底部側は前記有ポール圧電材料層１５４の上部側１６６に取り付けるように構成されており、該第１のインピーダンス整合層１６４は第２の厚さ１９２を有している第１のインピーダンス整合層１６４と、
   上部側及び底部側１８２を有する第２のインピーダンス整合層１６８であって、該第２のインピーダンス層１６８の上部側は前記有ポール圧電材料層１５４の底部側１７０に取り付けるように構成されており、該第２のインピーダンス整合層１６８は第３の厚さ１９４を有しており、該第１及び第２のインピーダンス整合層１６４、１６８は第１の音響インピーダンスを有する第１及び第２の材料から形成されており、該有ポール圧電材料層１５４と該第１及び第２のインピーダンス整合層１６４、１６８とによって音響共振厚１５２が形成されており、前記中心周波数は該音響共振厚１５２に基づいている第２のインピーダンス整合層１６８と、
   を備える音響スタック１５０。
7. 前記有ポール圧電材料層１５４と前記第１及び第２のインピーダンス整合層１６４、１６８とは、有ポール圧電材料層１５４内では有ポールでありかつ第１及び第２のインピーダンス整合層１６４、１６８内では無ポールであるような１つの圧電材料を含む、請求項６に記載の音響スタック１５０。
8. 前記第１の厚さ１９０は前記音響共振厚１５２の２分の１であり、かつ前記第２及び第３の厚さ１９２、１９４はそれぞれ該音響共振厚１５２の概ね４分の１である、請求項６に記載の音響スタック１５０。
9. 前記第１、第２及び第３の厚さ１９０、１９２、１９４はそれぞれ前記音響共振厚１５２の概ね３分の１である、請求項６に記載の音響スタック１５０。
10. 前記第１及び第２の材料は複合材料と金属合金の少なくとも一方を含む、請求項６に記載の音響スタック１５０。