JP2019519158A - 超音波トランスデューサ素子のアレイ - Google Patents

Abstract

本発明は、分布領域にわたって分布される複数のトランスデューサ素子（１）を備える超音波トランスデューサ素子（１）のマトリックスアレイに関する。トランスデューサ素子（１）の各々は、放射領域（３）から、１００ｋＨｚと１００ＭＨｚの間に含まれる周波数で超音波を放射するのに適しており：
−トランスデューサ素子（１）の各々は、少なくとも作業体積のレベルで超音波を発散的に放射するように構成されており、
−トランスデューサ素子（１）は各々、３０℃の水中での超音波の波長の１．５倍より大きい、それらの放射領域の最大寸法を有しており、
−アレイの分布領域にわたるトランスデューサ素子の分布は非周期的である。

Description

本発明は超音波トランスデューサの分野に関する。より具体的には、本発明は、分布領域にわたって分布される複数のトランスデューサ素子を備える超音波トランスデューサ素子のアレイに関する。

超音波は、医学的用途にしても工業的用途にしても、長い間イメージングに使用されてきた。アレイ状に編成された超音波トランスデューサを使用して、これらの超音波を発生及び／又は検出する。最も一般的なタイプのアレイは、１Ｄアレイと呼ばれる一次元アレイであり、１Ｄアレイ内にトランスデューサ素子が整列される。しかしながら、１Ｄアレイは一平面の超音波ビームの走査しか可能ではない。トランスデューサ素子が二次元にわたって分布されることから２Ｄアレイと呼ばれるマトリックスアレイが、体積走査及びより良好な合焦を可能にするために開発されている。

超音波エコー検査のような用途では、超音波ビームを偏向することができる、すなわちアレイを構成する異なるトランスデューサ素子による超音波の放射のディレイを調整することによって超音波ビームを変位させることができる、トランスデューサ素子のマトリックスアレイを有することが求められる。トランスデューサ素子は、放射されたビームを方向付けるために、コンピュータ計算によって決定される連続的な位相に従って活性化される。これは位相制御アレイ又は「フェーズドアレイ（phased array）」として知られる。

従来、トランスデューサ素子のマトリックスアレイは、トランスデューサ素子の動作周波数において水中の超音波の波長と比べて小さな寸法のトランスデューサ素子をグループ化する。これらのトランスデューサ素子は、放射領域に関して小さなサイズであり、放射されたビームは、回折によって自然に発散する。すなわち、そのようなトランスデューサ素子によって放射された超音波ビームは、トランスデューサ素子から離れるにつれて広がる。トランスデューサ素子の位相コマンドにより超音波で走査することができる角度範囲は、放射されたビームがより発散すると、その分大きくなる。したがって、これらの小さいトランスデューサ素子の発散により、より広い角度範囲を走査することが可能になる。

さらに、アレイによって放射される超音波ビームは、アレイのピッチ、すなわち２つの隣接するトランスデューサ素子の間の平均中心間距離が、トランスデューサ素子の最大周波数において水中の超音波の波長の半分を超えるときに、アレイローブを有することがある。これらのアレイローブは、ピッチが大きくなると、その分より重要になる。次いで、トランスデューサ素子の動作周波数において水中の超音波の波長と比べてアレイのピッチが小さくなるように、小さいトランスデューサ素子の間の間隔を制限することが求められる。トランスデューサ素子の小さな寸法、アレイの小さなピッチ、そして現在市販されている超音波画像システムによって制御可能な素子の数が限られている（最大で数百）ために、アレイは一般に小さいサイズを有する。

しかしながら、大きな寸法のアレイを得ること、例えば超音波エコー検査の場合には感度を増大させること、あるいは高密度焦点式超音波の場合にはアンテナ利得を増大させること、あるいは代わりに、アレイを変位させることなく異なる視野角の下で画像を生成することを可能にすることが望まれることがある。この場合、前述の寸法取り（dimensioning）の制約を守りつつ、アレイが大きな領域をカバーするために必要なトランスデューサ素子の数は、非常に重要になる。

例として５ＭＨｚの周波数では、水中の波長λは０．３ｍｍに等しい。したがって、３０ｍｍ×３０ｍｍの領域をカバーするマトリックスアレイは、二方向においてアレイピッチをλ／２未満、すなわち、０．１５ｍｍ未満に保持しながら、少なくとも４０，０００個の素子を有さなければならない。

必要とされる接続のレベルだけでなく、計算の管理においても、同数のトランスデューサ素子のコマンドが問題になる。

命令する要素の数を制限するために、より大きいトランスデューサ要素を使用することは問題である。実際、トランスデューサ素子はその放射領域が大きいほど、より指向性がある。大きなサイズのトランスデューサ素子は、超音波について起こり得る偏向の振幅を制限する。さらに、トランスデューサ素子の大きなサイズのために、アレイのピッチが大きい。そして、アレイローブが出現し、その干渉が超音波の品質を低下させ、それによりこれらの超音波によって得られた画像を歪めることになる。

本発明の目的は、これらの欠点の少なくとも一部、好ましくは全部を解決することであり、特に、命令するトランスデューサ素子の数を制限しつつ、メインローブ（main lobe）が、メイン方向の外側で生成される寄生ローブ（parasitic lobe）の振幅よりもはるかに大きい振幅を有するビームジオメトリを有する、放射された超音波ビームの広角走査を可能する超音波トランスデューサ素子のアレイを提案することを目的とする。

この目的のために、本発明は、分布領域にわたって分布される複数のトランスデューサ素子を備える超音波トランスデューサ素子のマトリックスアレイを提案する。トランスデューサ素子の各々は、放射領域から、作業体積（working volume）の方向に１００ｋＨｚと１００ＭＨｚの間に含まれる周波数で超音波を放射するのに適しており：特に、
● トランスデューサ素子の各々が、少なくとも作業体積のレベルで超音波を発散的に放射するように構成されており、
● トランスデューサ素子が各々、３０℃の水中での超音波の波長の１．５倍より大きい、それらの放射領域の最大寸法を有しており、
● アレイの分布領域にわたるトランスデューサ素子の分布が非周期的（aperiodic）である、
ことを特徴とする。

超音波トランスデューサ素子のマトリックスアレイは、有利には、単独又は技術的に可能な任意の組合せによる以下の特徴によって完成される：
− 分布領域にわたるトランスデューサ素子の分布には、対称性の欠如（absence of symmetry）がある；
− トランスデューサのアレイは少なくとも６４個のトランスデューサ素子を含み、トランスデューサ素子が分布される分布領域の最大寸法は、３０℃の水中での超音波の波長の１２倍より大きい；
− 分布領域は、超音波の放射方向から見て凹状の幾何学的形状を有する；
− トランスデューサ素子の放射領域は、超音波の放射方向から見て凸形状を有する；
− 各トランスデューサ素子は、発散音響レンズを備える；
− 発散音響レンズは、放射方向に配置された少なくとも２つの材料層を含み、第１材料層は、トランスデューサ素子に近く、その中で超音波が水中よりも速い速度で伝播し、第２材料層は、トランスデューサ素子からより離れており、その中で超音波が水中よりも遅い速度で伝播する；
− 発散音響レンズの２つの材料層の間の境界面（interface）は、該境界面と放射領域との間の距離が放射領域の周辺部と比べて中心部で大きくなるように、凸形状を有する；
− 各トランスデューサ素子は、各々局所放射信号（local emission signal）により放射が命じられるいくつかの放射ゾーンからなり、位相シフタが、トランスデューサ素子の全体についての全体放射信号（overall emission signal）をコマンドチャネルから受け取り、トランスデューサ素子の放射ゾーンの各々の方向に、その放射ゾーンに特有の局所放射信号を放射し、該局所放射信号は、該局所放射信号が向かうゾーンがトランスデューサ素子の中心から離れるほど大きいディレイ（delay）で全体放射信号に対して遅延される；
− トランスデューサ素子の放射領域と該トランスデューサ素子の要素焦点（elementary focal point）との間の要素焦点距離（elementary focal length）は、分布領域と超音波トランスデューサ素子のマトリックスアレイの全体焦点（overall focal point）との間の全体焦点距離（overall focal length）よりも短い；
− トランスデューサ素子は各々、他のトランスデューサ素子の要素焦点とは別個の要素焦点を有する；
− 各トランスデューサ素子は収束音響レンズを備える；
− 各トランスデューサ素子は、局所放射信号により放射が各々命じられるいくつかの放射ゾーンからなり、位相シフタが、トランスデューサ素子の全体についての全体放射信号をコマンドチャネルから受け取り、該トランスデューサ素子の放射ゾーンの各々の方向に、該放射ゾーンに特有の局所放射信号を放射し、局所放射信号は、局所放射信号が向かうゾーンがトランスデューサ素子の中心に近いほど大きいディレイで全体放射信号に対して遅延される。

本発明は、添付の図面に関連して非限定的な例として与えられて説明される、本発明による実施形態及び代替形態に関する以下の説明から、よりよく理解されるであろう。
本発明の可能な実施形態による超音波トランスデューサ素子のアレイの単純化された概観を示す図である。 本発明の可能な実施形態による超音波トランスデューサ素子のアレイの単純化された概観を示す図である。 超音波トランスデューサ素子の放射領域の凸状の幾何学的形状を概略的に示す図である。 発散音響レンズを備える超音波トランスデューサ素子の例を概略的に示す図である。 発散音響レンズを備える超音波トランスデューサ素子の例を概略的に示す図である。 いくつかの放射ゾーンを備える超音波トランスデューサ素子を概略的に示す図である。 図６の代替案を概略的に示す図であり、この場合、トランスデューサ素子がいくつかの同心円状放射ゾーンを備える。 超音波トランスデューサ素子の放射領域の凹状の幾何学的形状を概略的に示す図である。 収束音響レンズを備える超音波トランスデューサ素子の例を概略的に示す図である。

図１及び図２を参照すると、超音波トランスデューサ素子のアレイは、分布領域２にわたって分布される複数のトランスデューサ素子１を備える。各トランスデューサ素子１は、１００ｋＨｚから１００ＭＨｚの間、好ましくは２００ｋＨｚから５０ＭＨｚの間に含まれる周波数で超音波を放射するのに適している。トランスデューサ素子が分布される分布領域２の最大寸法は、少なくとも一方向において１２λよりも大きく、ここで、λは３０℃の水中で放射される超音波の波長であり、更に好ましくは４０λよりも大きい。

アレイは、６４個と数千個の間のトランスデューサ素子１、例えば１２８個、２５６個、５１２個又は１０２４個のトランスデューサ素子１を備えることができる。各トランスデューサ素子１は、放射信号を担持するコマンドチャネルによって独立に制御される。したがって、トランスデューサ素子１と同数のコマンドチャネルが存在する。好ましくは、アレイは少なくとも１２８個のトランスデューサ素子１を備える。好ましくは、トランスデューサ素子１による分布領域２の充足率は６０％より大きい。

アレイのトランスデューサ素子は、同一であっても異なっていてもよく、例えば非軸対称を含め、周波数及び／又は幾何学的形状が相違してもよい。さらに、トランスデューサ素子１のすべて又は一部は、放射時だけでなく受信時にも動作することができる。

好ましくは、アレイの分布領域２は平らな又は凹状の幾何学的形状を有する。さらに、分布領域２にわたるトランスデューサ素子１の分布は非周期的である。特に、素子の相互間の距離又は中心に対する素子の距離は、周期性を持たない。

好ましくは、分布領域２にわたるトランスデューサ素子１の分布は、対称性を欠如しており、特に軸対称性が欠如している。

分布領域２にわたるトランスデューサ素子１の分布は、可能な最小の対称性（least symmetry）を有する。したがって、好ましくは、分布領域２にわたるトランスデューサ素子１の分布は回転の対称性が欠如している。分布領域２にわたるトランスデューサ素子１の分布における対称性の欠如は、アレイによって放射された超音波のメインローブに沿ったアレイローブの再構成を回避することを可能にする。

例えば図１は、非周期的で対称性を持たない、トランスデューサ素子１のいわゆるＦｅｒｍａｔスパイラル分布を示している。分布領域２にわたるトランスデューサ素子１の分布は、やはり非周期的で対称性が欠如している、ランダム又は擬似ランダム分布であってもよい。図２は、分布領域２にわたるトランスデューサ素子１のランダム分布の一例を示す。

トランスデューサ素子１は、放射領域から放射方向に超音波を放射し、放射方向はトランスデューサ素子の前面（front）を構成する。トランスデューサ素子の各々は、それが３０℃の水中で放射する超音波の波長λの１．５倍よりも大きい放射領域３の最大寸法を有し、超音波の周波数は２００ｋＨｚと５０ＭＨｚとの間に含まれる。典型的には、放射領域３の大きな寸法は３λと１０λとの間に含まれる。以下の表１は、３０℃の水中で速度が１５００ｍ．ｓ^−１の場合のこの寸法取りを示す。

したがって、１ＭＨｚの動作周波数で超音波を放射するように構成されるトランスデューサ素子１の場合、その放射領域３の最大寸法は２．２５ｍｍより大きい。

トランスデューサ素子１のこの寸法取りは、大きな寸法のアレイを得ることを可能にするが、それらのサイズにより、命令するために多すぎるトランスデューサ素子を有することない。しかしながら、トランスデューサ素子の大きなサイズはビームの偏向能力にとって有害である。

その結果、トランスデューサ素子１は、発散的に伝播する超音波を放射するように構成される。発散トランスデューサ素子という用語が使用される。トランスデューサ素子１の超音波放射は、それに関連付けられるコマンドチャネルによって命令されるトランスデューサ素子１の振動によって引き起こされ、これは伝播媒体内に変位場をもたらすことになる。この変位場は、伝播媒体中でいくらか異方性に広がり、一般には、音響軸を構成する好ましい方向により大きな強度を有し、この音響軸から離れる角度で減衰する。トランスデューサ素子１は、音響軸から離れる角度で強度の減衰が小さいときに発散する。

トランスデューサ素子１の発散を音響的に測定することができる。これは指向性の測定、あるいはより具体的には角度許容度（angular acceptance）の測定として知られる。それは、その放射場内でアレイのトランスデューサ素子１によって放射される超音波の振幅の水中での測定値である。所与の距離で、ハイドロホン（受信に使用される小さな寸法のトランスデューサ）が、測定角度に応じて放射される圧力を記録する。角度許容度は、例えば３０℃の水中での最大値と比べて−３ｄＢのように、測定された振幅が閾値を超える角度開口（angular opening）に対応する。ここで、トランスデューサ素子は、最大値と比べて−３ｄＢにおける角度許容度が、同じ寸法の同等の平らなトランスデューサのものよりも少なくとも１０％大きいときに、発散であると見なされる。

一例として、平らな円形素子の角度許容度２θは、Gordon. S. KINO著「Acoustic Waves: Devices, Imaging, and Analog Signal Processing」（Prentice Hall Inc.、１９８７年、ISBN 978-0130030474）という論文で与えられた分析式によって分析的に決定されてよい。

この式によると、考慮される伝播媒体の波長λに対応する周波数で動作する直径２ａのトランスデューサの場合、−３ｄＢにおける角度許容度の半分の角度θは、ラジアン単位で、
θ＝０．２５λ／ａ
である。１ＭＨｚで動作し、７０％の通過帯域を有し、円形の幾何学的形状を有し、その直径２ａ（又は開口）が９ｍｍ（すなわち水中で約６波長）であるトランスデューサ素子１を考慮することにより、約４．８°の角度許容度の半分の角度θが取得され、したがって角度許容度２θは約８．６°である。これは問題を単純にするために１０°に丸めることができる。

この例から、直径９ｍｍの円形トランスデューサ素子１は、その角度許容度が少なくとも１１°の場合、すなわち上記の式により同じ直径の円形トランスデューサ素子１について計算された角度許容度よりも１０％より大きい場合、発散と見なされる。

トランスデューサ素子１の非球形の幾何学的形状の場合、あるいは非円形輪郭のトランスデューサ素子１の場合、角度許容度をトランスデューサの幾何学的特性の関数として表すための解析式は一般に存在しないことに留意されたい。次に、離散化法（有限要素、有限差分等）を使用して、そのようなトランスデューサによって放射される場をモデル化することができる。

図３、図４、図５及び図６を参照すると、説明及び非限定的な目的のために、この発散を得るために実施することができる異なる技術を示す、異なるタイプの発散トランスデューサ素子１が図示されている。他の技術が用いられてもよく、同様に技術の組合せも可能である。

図３に図示されるように、トランスデューサ素子１の放射領域３は、図中に破線の矢印で示される超音波の放射方向に凸状を有することができる。トランスデューサ素子１の放射領域３の凸状部を、プロービング等の機械的方法により、あるいは非接触走査等の光学的方法により測定することができる。その後、図３に図示されるような球形凸状部の場合は特に、この放射領域３の曲率半径を決定することが可能である。

このような凸状の発散トランスデューサ素子の寸法取りの例を与えるために、再び、１ＭＨｚで動作し、７０％の通過帯域を有するトランスデューサ素子１を考える。このトランスデューサ素子１は、円形の幾何学的形状を有し、その直径２ａは９ｍｍ（すなわち水中で約６波長）である。説明上の非限定的な目的のために、放射領域は凸状で曲率半径Ｒの球状であると仮定する。曲率半径Ｒは、凸状トランスデューサ素子の−３ｄＢにおける角度許容度が、上記の計算によれば１０°である、同じ直径２ａの平らな円形のトランスデューサ素子のものと比べて、１０％増大するように求められる。

この例では、凸状の放射領域は、したがって、球形トランスデューサ素子の直径を構成する半径Ｒ及び弦２ａの球の一部によって近似される。シミュレーションと計算により、球形トランスデューサ素子の−３ｄＢでの角度許容度は、Ｒ＜２０ｍｍのとき、１１°（１０°＋１０％）より大きいと決定することが可能である。その結果、１ＭＨｚで動作する直径９ｍｍのこのような凸状トランスデューサ素子は、その前面の球面半径又は曲率半径が２０ｍｍ未満の場合、発散と見なされる。この場合、要素の前面で測定可能な偏向（deflection）は０．５ｍｍより大きい。

図４及び図５は、超音波トランスデューサ素子１の発散を得る又は強調するための別の可能性を示している。トランスデューサ素子１は発散音響レンズ４を備えることができる。この発散音響レンズ４は、超音波の放射方向に、超音波トランスデューサ素子１の放射領域３の前に配置される。

そのような発散音響レンズ４は、例えば材料内部の異なる超音波伝播速度によって特徴付けられる、材料のジオプトリー（dioptre）から構成されてよい。超音波が水中よりも速い速度で伝播する材料、例えば金属又はポリマーを、超音波が水中よりも遅い速度で伝播する材料、例えばシリコンエラストマーに関連付けることができる。

したがって、そのような発散レンズ４は、２つの組み立てられた材料層：すなわち、トランスデューサ素子１の放射領域３に近く、超音波が水中よりも速い速度で伝播する第１材料層４１と；トランスデューサ素子１の放射領域３からより離れており、超音波が水中よりも遅い速度で伝播する第２材料層４２とを含むことができる。

図４において、第１材料層４１と第２材料層４２との間の境界面は凸状であるので、この境界面は、トランスデューサ素子の中心レベルではその周辺部よりも放射領域からより離れている。境界面は、図４のようにカーブしていなくてもよく、規則的でもなくてもよい。発散レンズ４は、第１材料層４１と第２材料層４２との間にいくつかのレベル間で層をなす境界面を有してもよい。これらのレベルは、それらが中心に近いほど放射領域３からより離れている。

したがって、例えば図５は、第１の層４１と第２の層４２とを含み、これら２つの層の間の境界面が放射領域に近い第１周辺領域４３と、次に、中心により近く、境界面が放射領域３からより離れている第２中間領域４４と、境界面が放射領域３からまた更に離れている中央領域４５とを有する、発散レンズ４を図示している。

そのような層構造の利点は、図４のようなレンズ構造と比べて製造が大いに容易であることによる。簡単性のために、図５のレンズは３つのレベル又は層のみで表されている。別の数の層も想定され得る。実際、音響的な理由から、レンズを構成する２つの材料層４１、４２の間の境界面の形状をより離散化することが好ましいことがある。実際、層状の境界面の幾何学的形状は、好ましくは、図４で表される理想的な領域を表す。製造の容易性における利得と音響レンズ４の音響フォーカス／デフォーカス性能の損失の双方を考慮することにより、層の数に関して妥協点を見つける必要がある。

トランスデューサ素子１がいくつかの隣接する放射ゾーンから構成されるようにすることも可能である。図６は、そのようなトランスデューサ素子１の一例を示している。トランスデューサ素子１は、８つの放射ゾーン５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ、５０ｅ、５０ｆ、５０ｇ、５０ｈから構成される。これらの放射ゾーン５０は、電気的に、あるいは機械的にも互いから分離される。放射ゾーン５０は、それらの配置によって、特にトランスデューサ素子１の中心からのそれらの異なる距離によって区別される。例えばそのようなトランスデューサ素子１は、図６‐２に概略的に示されるような環状同心放射ゾーン５０から構成されてもよい。

上記のように、各トランスデューサ素子は、放射信号を担持するコマンドチャネル５１によって独立に制御される。したがって、トランスデューサ素子１と同数のコマンドチャネル５１が存在する。位相シフタ５２は、コマンドチャネル５１から、トランスデューサ素子１の全体に対する全体放射信号を受け取る。この全体放射信号は、図６及び図６‐２で点５３によって概略的に示される放射励起を伝える。

放射ゾーン５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ、５０ｅ、５０ｆ、５０ｇ、５０ｈの各々は、局所コマンドチャネル５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄ、５４ｅ、５４ｆ、５４ｇ、５４ｈによって位相シフタ５２に接続される。

全体放射信号から、位相シフタ５２は、トランスデューサ素子１の各放射ゾーン５０の方向に、そのゾーンに特有の局所放射信号を放射する。この局所放射信号は、その放射ゾーン５０に関連付けられる局所コマンドチャネル５４を通過する。局所放射信号は、図６で点５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ、５５ｅ、５５ｆ、５５ｇ、５５ｈによって概略的に示され、図６‐２の場合はそれぞれ５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄによって概略的に示される局所放射励起を伝える。

位相シフタ５２は、電気的に導入される位相シフトの導入によって、全体放射信号によって伝えられる励起５３を時間的に遅延させることによって、全体放射信号から局所放射信号を決定する。局所放射信号は、局所放射信号が向かうゾーン５０がトランスデューサ素子１の中心から離れているほど大きいディレイで全体放射信号に対して遅延される。

したがって、局所放射励起を概略的に示す図６の点５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ、５５ｅ、５５ｆ、５５ｇ、５５ｈ及び図６‐２の点５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄは、それらのそれぞれの局所コマンドチャネル５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄ、５４ｅ、５４ｆ、５４ｇ、５４ｈに対してシフトされて表される。図６のトランスデューサ素子１の中心に最も近い２つの放射ゾーン５０ｄ、５０ｅに向かうことになる２つの励起５５ｄ、５５ｅは、トランスデューサ素子１の中心からより離れている、隣接する放射ゾーン５０ｃ、５０ｆに向かうことになる励起５５ｃ、５５ｆに対して時間的に先行する。励起５５ｃ、５５ｆ自体は、トランスデューサ素子１の中心から更に離れている、隣接する放射ゾーン５０ｂ、５０ｇに向かうことになる励起５５ｂ、５５ｇに対して時間的に先行する。トランスデューサ素子１の中心から最も離れている放射ゾーン５０ａ、５０ｈに向かうことになる励起５５ａ、５５ｈが最も遅延される。局所励起５５のこの位相シフトは、放射される超音波の発散を可能にする。

トランスデューサ素子１はまた、作業体積のレベルでのみ発散的に超音波を放射するように構成されてもよい。したがって、図７は、要素焦点７２へ収束的に超音波を放射するトランスデューサ素子１を示している。この要素焦点７２を通過すると、超音波は作業領域（working area）７１のレベルで発散的に入射する。

表された作業領域７１は、それを超えるとトランスデューサ素子のマトリックスアレイの作業体積が規定される限界に対応する。トランスデューサ素子のマトリックスアレイの全体焦点はこの作業体積内に含まれており、潜在的にはそれを横切って移動する可能性がある。このようにして、偏向で移動されるトランスデューサ素子のマトリックスアレイの全体焦点の場所として作業体積を定義することが可能である。したがって、作業体積は、放射された超音波の目標体積に対応し、超音波によって特性を決定することが求められる。

異なるトランスデューサ素子１の要素焦点は、別個であって、マージされない。したがって、トランスデューサ素子１によって放射される超音波ビームは、それらのそれぞれの要素焦点７２の前に収束し、その後、作業領域７１を超える、それらに共通する作業体積のレベルで発散し得る。

したがって、高収束性のトランスデューサ素子が使用されるが、これらのトランスデューサ素子は、この強い収束性のために、作業領域７１のレベルにおける最大値に対して−３ｄＢの角度許容度を有する。これは、同じ寸法の同等の平らなトランスデューサのものよりも少なくとも１０％大きい。

トランスデューサ素子１の放射領域３と要素焦点７２との間のトランスデューサ素子１の要素焦点距離は、分布領域２とアレイの全体焦点との間のアレイの焦点距離よりも短く、好ましくはその半分未満である。例えば、（放射方向から見て）凹状の分布領域２を有するマトリックスアレイの場合、トランスデューサ素子１のレベルにおける分布領域２の曲率中心は、そのトランスデューサ素子１の放射領域３から、トランスデューサ素子１の要素焦点７２よりも少なくとも２倍離れている。

したがって、マトリックスアレイ内に構成された収束トランスデューサを使用して、上記で説明したように発散的に超音波を放射することが可能である。図７に示されるように、トランスデューサ素子１の放射領域３は、図中に破線の矢印で示されるように、超音波の放射方向に凹形状を有してよい。

図４の場合と同様に、レンズをトランスデューサ素子１に装備することが可能であり、レンズは、図８に図示されるように、今回は収束性である。発散レンズと同じように、収束レンズ８０は２つの材料から構成されてよく、それらの２つの材料の境界面の幾何学的形状は、発散レンズの幾何学的形状に対して逆にされる。

レンズ８０は、２つの組み立てられる材料層、すなわち、トランスデューサ素子１の放射領域３に近く、超音波が水中よりも速い速度で伝播する第１材料層８１と、トランスデューサ素子１の放射領域３からより離れており、超音波が水中よりも遅い速度で伝播する第２材料層８２とを含むことができる。

図８では、第１材料層８１と第２材料層８２との間の境界面は、この境界面がトランスデューサ素子の周辺部のレベルでその中心部よりも放射領域３からより離れるように凹状である。境界面は、図８のようにカーブしていなくてもよく、規則的でもなくてもよい。収束レンズ８０は、第１材料層８１と第２材料層８２との間にいくつかのレベル間で層をなす境界面を有してもよい。これらのレベルは、図５に示されるレンズとは反対に、中心からより離れるほど、放射領域３からより離れる。

トランスデューサ素子１は、図６のように、いくつかの隣接する放射ゾーンで構成されることも可能である。しかしながら、図６の実施形態とは異なり、局所放射信号は、全体放射信号に対して、その局所放射信号が向けられるゾーンがトランスデューサ素子１の中心により近いほど、より大きなディレイで遅延される。

焦点距離の定義及び計算に関しては、T.L. Szabo著の論文「Diagnostic Ultrasound Imaging：Inside Out」、第２版、Elsevier Science、２０１３年、ISBN 9780123964878、特に１９１−１９３ページを参照することができる。

トランスデューサ素子の個々の発散と、それらの大きいサイズと、それらの対称性のない分布の組合せのおかげで、アレイの広い分布領域に対して比較的少ない数の素子を含むトランスデューサのアレイが得られ、このトランスデューサのアレイは、広い角度範囲にわたって超音波ビームを偏向することを可能にする。

本発明は、説明され、添付の図面に示された実施形態に限定されない。特に様々な技術的特徴の構成の観点から、あるいは技術的等価物の置換により、本発明の保護範囲を超えることなく、修正が依然として可能である。

Claims (13)

1. 分布領域にわたって分布される複数のトランスデューサ素子を備える超音波トランスデューサ素子のマトリックスアレイであって、前記トランスデューサ素子の各々は、放射領域から、作業体積の方向に１００ｋＨｚと１００ＭＨｚの間に含まれる周波数で超音波を放射するのに適しており：
   前記トランスデューサ素子の各々は、少なくとも前記作業体積のレベルで超音波を発散的に放射するように構成されており、
   前記トランスデューサ素子は各々、３０℃の水中での超音波の波長の１．５倍より大きい、それらの放射領域の最大寸法を有しており、
   当該アレイの前記分布領域にわたる前記トランスデューサ素子の分布は非周期的である、
   ことを特徴とする、超音波トランスデューサ素子のマトリックスアレイ。
2. 前記分布領域にわたる前記トランスデューサ素子の分布は対称性が欠如している、
   請求項１に記載の超音波トランスデューサ素子のマトリックスアレイ。
3. トランスデューサのアレイは少なくとも６４個のトランスデューサ素子を含み、該トランスデューサ素子が分布される前記分布領域の最大寸法は、３０℃の水中での超音波の波長の１２倍より大きい、
   請求項１又は２に記載の超音波トランスデューサ素子のマトリックスアレイ。
4. 前記分布領域は、超音波の放射方向から見て凹状の幾何学的形状を有する、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ素子のマトリックスアレイ。
5. 前記トランスデューサ素子の前記放射領域は、超音波の放射方向から見て凸形状を有する、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ素子のマトリックスアレイ。
6. 各トランスデューサ素子は発散音響レンズを備える、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ素子のマトリックスアレイ。
7. 発散音響レンズは、放射方向に配置される少なくとも２つの材料層を含み、第１材料層は、前記トランスデューサ素子に近く、その中で超音波が水中よりも速い速度で伝播し、第２材料層は、前記トランスデューサ素子からより離れており、その中で超音波が水中よりも遅い速度で伝播する、
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ素子のマトリックスアレイ。
8. 発散音響レンズの２つの材料層の間の境界面は、該境界面と前記放射領域との間の距離が前記放射領域の周辺部と比べて中心部で大きくなるように、凸形状を有する、
   請求項１乃至７のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ素子のマトリックスアレイ。
9. 各トランスデューサ素子は、局所放射信号により放射が各々命じられるいくつかの放射ゾーンからなり、位相シフタが、トランスデューサ素子の全体についての全体放射信号をコマンドチャネルから受け取り、該トランスデューサ素子の前記放射ゾーンの各々の方向に、該放射ゾーンに特有の前記局所放射信号を放射し、前記局所放射信号は、前記局所放射信号が向かうゾーンが前記トランスデューサ素子の中心から離れるほど大きいディレイで前記全体放射信号に対して遅延される、
   請求項１乃至８のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ素子のマトリックスアレイ。
10. トランスデューサ素子の放射領域と該トランスデューサ素子の要素焦点との間の要素焦点距離は、前記分布領域と当該超音波トランスデューサ素子のマトリックスアレイの全体焦点との間の全体焦点距離よりも短い、
    請求項１乃至４のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ素子のマトリックスアレイ。
11. 前記トランスデューサ素子は各々、他のトランスデューサ素子の前記要素焦点とは別個の要素焦点を有する、
    請求項１０に記載の超音波トランスデューサ素子のマトリックスアレイ。
12. 各トランスデューサ素子は収束音響レンズを備える、
    請求項１０又は１１に記載の超音波トランスデューサ素子のマトリックスアレイ。
13. 各トランスデューサ素子は、局所放射信号により放射が各々命じられるいくつかの放射ゾーンからなり、位相シフタが、トランスデューサ素子の全体についての全体放射信号をコマンドチャネルから受け取り、該トランスデューサ素子の前記放射ゾーンの各々の方向に、該放射ゾーンに特有の前記局所放射信号を放射し、前記局所放射信号は、前記局所放射信号が向かうゾーンが前記トランスデューサ素子の中心に近いほど大きいディレイで前記全体放射信号に対して遅延される、
    請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ素子のマトリックスアレイ。
    

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