JP4222940B2

JP4222940B2 - トランスデューサの周波数アポダイゼーション及び振幅アポダイゼーション

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Publication number: JP4222940B2
Application number: JP2003528314A
Authority: JP
Inventors: ハタンガディ，ラム; ペスケ，パトリック; チャンドラン，サンジェイ
Original assignee: ジーイー・パラレル・デザイン，インコーポレイテッド
Priority date: 2001-09-17
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2022-07-31
Also published as: EP1429870B1; US6726631B2; CN1568230A; JP2005502437A; US20020042577A1; CN100398224C; DE60238206D1; WO2003024625A1; EP1429870A1

Description

本発明は一般的には、トランスデューサ及びトランスデューサ・アレイに関し、さらに具体的には、医療撮像に用いられるもののような超音波トランスデューサ・アレイに関する。本発明の様々な観点はまた、アポダイゼーションを施したトランスデューサの製法に関する。

トランスデューサは、エネルギを一つの形態から他の形態へ（例えば、機械的エネルギから電気的エネルギへ、又はその反対）変換する。例えば、音響スピーカのトランスデューサは電気信号を機械的振動へ変換し、この機械的振動が可聴音波を発生する。同様に、トランスデューサはしばしば、医療撮像、非破壊評価（ＮＤＥ）、流体流動センシング、非侵襲的外科診療及び歯科診療等の様々な応用で高周波超音波を発生するのにも用いられる。トランスデューサは、医療分野では検査目的のために広く用いられている。例えば、超音波トランスデューサは、母親の胎内の胎児の発育を観察することを可能にする。この非侵襲的手順を助けとして、医師は例えば心臓の４つの心室及び肺の成長といった極く微細な細部に注目することにより、出産日を推定したり胎児の適正な発育を確認したりすることができる。この医学的先進技術は、トランスデューサによって送波されて体内の様々な形式の組織から可変的に反射した超音波によって促進されている。トランスデューサは反射した超音波信号を受信して電気信号へ変換し、これらの電気信号を用いて、例えば胎児又は人体内の器官の二次元画像を形成することができる。

近年、超音波技術は大幅な技術的進歩を遂げている。例えば、技術的進歩を経たトランスデューサの一つの種類は、輝度モード・トランスデューサ（Ｂモード）である。Ｂモード・トランスデューサでは、反射したパルスの振幅（すなわち反射した超音波信号の強さ）をドットの輝度によって示す。関心領域の全体を走査することにより、多数のドットが結合されて表示用画像を作像する。関心領域は、例えば線形で又は円弧状運動でトランスデューサを移動させることにより走査することができる。１９７０年代までは、実質的に全てのＢモード・イメージング・システムが画像の形成に数秒間を要していた。結果的に、これらのシステムは運動していない目標物の撮像に限定されていた。当時以降、「実時間走査」として公知の高速二次元Ｂモード撮像によって、運動している体内目標物の視覚化が可能になった。運動している体内目標物の有用な表示を形成するために、体内の関心領域の全体にわたって音波ビームを高速に移動させる各種の方法が開発されている。音波ビームを高速に移動させる主な方法が３つ開発されており、すなわち機械的セクタ・スキャナ、逐次型リニア・アレイ、及びフェーズド・リニア・アレイがある。機械的セクタ・スキャナは、例えば電気モータによって固定軸を中心として揺動又は回転が可能な１以上のピストン・トランスデューサを用いて音波ビームを高速で移動させる。リニア・アレイは一般的には、単一のアセンブリとして並列に配列された多数の個別の小型トランスデューサから成っている。逐次型リニア・アレイは典型的には、アレイ素子（又は素子の小グループ）の各々で送波し、同じ素子でエコー情報を受波することにより矩形形式の二次元画像を形成する。フェーズド・アレイ・スキャナは、最も高度な実時間システムである。フェーズド・アレイ・システムは、機械的手段ではなく電子的手段によって目標物を通して音波ビームを高速で方向制御（steering）することにより画像を形成する。フェーズド・アレイ・スキャナは、「セクタ走査」として周知の医療超音波応用に広く見られる扇面形の画像を形成する。これら３つのシステムはSomer及びVon Rammによって一般的に記述されている。

明らかに、正確且つ読み取り可能な画像を形成するためには高品質の分解能を提供する能力が重要である。超音波撮像に関連して、空間分解能、コントラスト分解能及び時間分解能という分解能の３つの観点がある。空間分解能は一般的には、互いに近接した各物体の表示画像における配置を識別する能力を指す。コントラスト分解能は一般的には、僅かに異なるエコー発生性を有する異なる２種類の物質の輝度に識別可能な差を生成する能力を指す。例えば、腱は筋肉とは異なる輝度で反射し得る。時間分解能は、撮像対象が運動しているときの画像を表示する能力を指す。

これらの領域で高分解能を達成することを妨げる要因の一つは、超音波信号が組織の奥深くに進むにつれて減弱及び分散を蒙るという事実である。この劣化はKramer-Kronigの関係式によって決定される。M. O'Donnel、E. T. Jaynes及びJ. G. Millerによる“Kramer-Kronig, Relationship Between Ultrasonic Attenuation And Phase Velocity”、J. Acoust. Soc. Am.、６９（３）、１９８１年３月、第６９６頁〜第７０１頁（非特許文献１）を参照されたい。分解能を高める一つの方法は、トランスデューサのアパーチャに周波数アポダイゼーションを施すものである。この周波数アポダイゼーションを行なう従来の試みは、米国特許第５，９０２，２４２号（特許文献１）によって記載されている。この特許では、アレイ素子の中央ゾーンを薄くして（仰角方向）、アパーチャの端辺部に近付くにつれて次第に厚くする。相対的に広い超音波撮像帯域幅の第一の送波パルス及び相対的に狭い帯域幅の第二の送波パルスを用いて２枚の超音波画像が形成される。第一のパルスは全アパーチャを作動状態にして、相対的に高い軸方向分解能及び相対的に低い仰角方向分解能を有する画像を形成する。第二のパルスは、アパーチャの相対的に狭い幅の部分を作動状態にして、幾何焦点から離隔したレンジ（距離）において相対的に低い軸方向分解能及び相対的に高い仰角方向分解能を有する画像を形成する。これら２枚のフレームを結合すると、空間分解能及びコントラスト分解能の両方を高めた画像が得られる。しかしながら、この方法は、幾つかの重大な製造上の問題点を呈する。

高分解能を達成する妨げとなるもう一つの要因は、超音波ビームの「サイド・ローブ」の存在である。超音波ビームが人体又は他の媒体を通過するときに、超音波ビームの望ましいメイン・ローブに付随する側方部分（すなわち「サイド・ローブ」）を形成しながらビームが回折する（すなわち曲がる）と「ボケ」が生ずる。サイド・ローブは高分解能を達成する妨げとして作用して高分解能を達成する能力を低下させる傾向がある。サイド・ローブを抑制するために従来各種の試みが為されている。サイド・ローブを抑制する一つの従来の方法は、通常はガウス関数又はハニング関数である振幅アポダイゼーション関数を電気信号に適用して、アレイによって受波される電気信号を成形するものである。（例えば米国特許第４，８４１，４９２号“Apodization of Ultrasound Transmission”（特許文献３）を参照されたい。この特許を本明細書に取り入れる。）アポダイゼーション関数は、信号のサンプリング領域の端辺部を滑らかにゼロに減衰させるように適用される。この電気信号アポダイゼーションは、幾つかの望ましくない側面を有する。例えば、平面内（方位角方向）の電気信号アポダイゼーションは可能であるが、平面外（仰角方向）の電気信号アポダイゼーションは、一次元アレイでは１つの信号が全仰角方向アパーチャにわたって連続しているため可能でない場合がある。平面外電気信号アポダイゼーションは、二次元アレイでは可能性としては行なわれ得るが、仰角方向アパーチャが離散化されており電気的に個別に取り扱われ得る場合には、電気的な複雑さ及び多重化等のため達成が極めて困難になる場合がある。

振幅アポダイゼーションを達成するもう一つの方法は、トランスデューサの前面を覆って音響ブロッキング層の薄いシートを配置して、前面域の一部からの超音波放出を実質的に遮断することにより不作動域を画定するものである。（一般的には、米国特許第５，２８５，７８９号“Ultrasonic Transducer Apodization Using Acoustic Blocking Layer”（特許文献４）を参照されたい。この特許を本明細書に取り入れる。）このアプローチは一般的には、トランスデューサの端辺部を動作から除去するものであり、サイド・ローブを抑制する効果を有している。このアプローチには少なくとも２つの問題点があり、すなわち第一に余分な層が典型的にはトランスデューサ積層体に加わるため製造がさらに困難になり、第二にアパーチャの遮断によって感度の損失が生ずることである（電気信号へ変換可能な信号の強さが弱まる）。

サイド・ローブの抑制を達成するもう一つの方法は、トランスデューサの仰角方向にわたって異なるレベルの分極を適用するものである。これにより、トランスデューサの中央に近い各セグメントは、トランスデューサの端辺部に近い他のトランスデューサ素子よりも遥かに強く分極される。この方法は、外側の端辺部でサイド・ローブを抑制して幾分か増幅されたメイン・ローブ信号を送波する効果を有する。この方法の短所は、典型的には製造が困難なことである。分極は一般的には、各々の個別のトランスデューサ素子に跨がって電圧を印加するという困難な工程を必要とする。この工程は典型的には極めて損傷を与え易いので破壊の起こる可能性が高く、結果的にトランスデューサを破損する。

サイド・ローブを抑制するもう一つの方法は、個別の圧電セラミックス・ロッドからトランスデューサの構築を行なうものであり、これらのロッドは機械的アポダイゼーションを施すように配置されている。この方法は典型的には、トランスデューサの端辺部の近くよりもトランスデューサの中央の近くに多数のセラミックス・ロッドを配置することにより実行される。従って、中央の近くではより多くの音波が送波され、これによりメイン・ローブが送波されてサイド・ローブが抑制される。（米国特許第４，５１８，８８９号“Piezoelectric Apodized Ultrasonic Transducers”（特許文献５）を参照されたい。この特許を本明細書に取り入れる。）この方法の主な短所は、かかるトランスデューサの製造が典型的には極めて困難であることである。セラミックス・ロッドを不活性結合材に個別に配置することは困難であり得るし、さらに、各々の個別のセラミックス・ロッドの背面に電気的接続を形成することは一般に困難である。この方法では１本以上のロッドが破壊してトランスデューサを破損する可能性が大幅に高まる。

サイド・ローブを抑制するもう一つの方法は、圧電材料の各々の素子の外側端辺部から金属化電極の選択的除去を行なうものである。実質的に、圧電ロッドは均等なパターンで存在するがロッドの幾つかは接続されないか又は弱く接続されるに留まる。これにより、仰角方向平面において超音波ビームを修正するアポダイゼーション減弱関数が生成される。（米国特許第５，５１１，５５０号“Ultrasonic Transducer Array With Apodized Elevation Focus”（特許文献６）を参照されたい。この特許を本明細書に取り入れる。）この方法の短所は、トランスデューサからの金属化電極の選択的除去によって金属化域と非金属化域との間に不連続な境界が残り、これにより電場密度に望ましくない端辺部の影響が出ることである。
米国特許第５，９０２，２４２号。米国特許第５，４７９，９２６号。米国特許第４，８４１，４９２号。米国特許第５，２８５，７８９号。米国特許第４，５１８，８８９号。米国特許第５，５１１，５５０号。米国特許第５，６３７，８００号。 M. O'Donnel、E. T. Jaynes及びJ.G.Miller、"Kramer-Kronig, Relationship Between Ultrasonic Attenuation And Phase Velocity"、J. Acoust. Soc. Am.、６９（３）、１９８１年３月、第６９６頁〜第７０１頁。 J. Sato、M. Kawabuchi及びA. Fukumoto、"Dependence Of The Electromechanical Coupling Coefficient On The Width To Thickness Ratio Of Plank Shaped Piezoelectric Transducers Used For Electronically Scanned Ultrasound Diagnostic Systems"、Journal of Acoustics Society of America（JASA）、６６（６）、１９７９年１２月。

従って、周波数アポダイゼーション及び振幅アポダイゼーションによって超音波分解能を高めるあらゆる試みにも拘わらず、上述の製造上の諸問題を生ぜずに周波数アポダイゼーション及び／又は振幅アポダイゼーションの能力を備えた超音波トランスデューサを製造する方法が依然として必要とされている。

例えば医療応用に用いられる超音波トランスデューサにおけるアポダイゼーションの新たな方法及び装置を例として掲げる。本方法及び装置の様々な実施形態によって、超音波トランスデューサ装置がアパーチャにわたって共振周波数を変調し、又はサイド・ローブを抑制することが可能になり、これにより信号の品質を高めて改善された画像を形成することが可能になる。この装置の製造は、一般的にトランスデューサの中間部の近くでは相対的に低濃度／高濃度の圧電材料を、またトランスデューサの端辺部の近くでは相対的に多量／少量の材料を与え、又はその反対を与える特定のパターンに従って圧電材料に複合用切断部を形成することにより改善することができる。圧電材料の濃度は、圧電材料内の切断部同士の間の間隔を変化させる、若しくは圧電材料内の切断部の幅を変化させる、又はこれらの組み合わせのいずれかにより、圧電トランスデューサの表面にわたって変化させることができる。端辺部の近くでの圧電材料の濃度を中央よりも高くすることにより、アパーチャにわたって超音波信号を実効的に周波数変調する。本実施形態では、幾分かの振幅アポダイゼーションも達成することができる。代替的には、トランスデューサの端辺部の近くでの圧電材料の濃度を中央よりも低くすることにより、サイド・ローブ信号の影響を実効的に小さくする。従って、複合用切断部の寸法及び／又は切断部同士の間隔を変化させることにより、周波数アポダイゼーション及び／又は振幅アポダイゼーションを達成することができ、単純な製法を保ちつつ信号の品質を高めることができる。

本書において、本発明の様々な観点を機能ブロック構成要素及び様々な処理工程によって説明することができる。かかる機能ブロックは、所載の機能を実行するように構成されている任意の数のハードウェア構成要素及び／若しくはソフトウェア構成要素、又はコンピュータ・システムによって具現化され得ることを理解されたい。例えば、本発明は、１以上のマイクロプロセッサ又は他の制御装置の制御の下で多様な機能を実行し得る様々なコンピュータシステム、例えばパーソナル・コンピュータ及びワークステーション等を採用し得る。同様に、本発明のソフトウェア要素は、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｊａｖａ（商標）、アセンブリ言語若しくはＰＥＲＬ等、又はこれらの任意の組み合わせのような任意のプログラム記述言語やスクリプト記述言語を用いて、様々なアルゴリズムをデータ構造、オブジェクト、プロセス、ルーチン又は他のプログラミング要素の任意の組み合わせによって具現化させることにより実現することができる。さらに、本発明は、データ伝送、信号発生及びデータ処理等の任意の数の手法を採用し得ることを理解されたい。

また、本書に図示して説明する具体的な具現化形態は、本発明の実施形態例を説明するためのものであって、如何なる意味でも本発明の範囲を限定するものではないことを理解されたい。実際に、簡略化のために、従来の超音波装置及び本システムのその他の機能的観点（並びにシステムの個々の動作構成要素の各構成要素）については立ち入って説明しない場合がある。さらに、本書に含まれる様々な図面に示す連結線は、様々な要素の間の機能的関係及び／又は物理的結合若しくは論理的結合の例を表わすものとする。実際の超音波システムには、多くの代替的な又は付加的な機能的関係、物理的連結又は論理的連結が存在してよいことを理解されたい。

図１に、従来の超音波トランスデューサ１０の例のブロック図を示す。トランスデューサは一般的には、幾つかの形態の結晶（例えば石英）又はセラミック・ポリマーのような圧電材料の利用によって超音波振動を発生する。圧電材料は、材料に跨がって印加される幾つかの周波数の交番型電圧に応答して振動する。例えば、米国特許第５，６３７，８００号“Ultrasonic Transducer Array and Manufacturing Method Thereof”（特許文献７）は、圧電素子のアレイを含んでいる医療用途に適したトランスデューサを開示している。尚、この特許を本明細書に取り入れる。実施形態の一例では、トランスデューサ１０は、妊婦の体内の胎児を撮像するために妊婦の下腹部に接触して適当に配置される。かかるトランスデューサは典型的には、同軸ケーブル３０等を介してトランスデューサを駆動する電子機器２０に接続されている。電子機器２０は典型的には、超音波トランスデューサ１０から受信した信号に基づいて形成される画像を視覚的に表示する表示器４０に接続されている。

本書に開示する発明は主に医療撮像トランスデューサ用の圧電アセンブリについて議論されるが、任意の数の他の実施形態が本発明の範囲内に含まれる。例えば、本書に記載する装置及び手法を音響スピーカ、非破壊評価（ＮＤＥ）、非侵襲的外科診療、歯科診療、ＳＯＮＡＲ、ラジオ波送受、磁気的送受、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）、高調波撮像（ハーモニック・イメージング）、マイクロ波送受及び光学的回折格子のような他の形式のトランスデューサ・システムと共に用いてよい。例えば、高調波撮像では、送波は帰投信号の受波よりも低い周波数で行なわれ、この方法で利用可能な画像を得るためには典型的にはアポダイゼーションが必要である。さらに、本書及び図面に記載する空間的関係は例示する目的のみのためのものであり、本発明の範囲内で多くの空間的構成を考案することができる。さらに、圧電材料のような所載の材料は本質的に例を示すものであって、本書に記載する材料を、前述の各分野のようなトランスデューサ関連分野に典型的に用いられる任意の数の等価な材料で置き換えてよい。

図２について説明する。超音波トランスデューサ・アレイ１１０が好適には、ハウジング１１４内に収容されている１以上の個別の超音波トランスデューサ素子１１２を含んでいる。個々の素子は、ポリマー・バッキング材１８０によって所定位置に固定されている可撓性プリント回路基板の導線１１６及び接地箔１１８に電子的に接続されていてよい。トランスデューサ素子のアレイ及びハウジングの周りに絶縁基材層１２０が形成されている。

図２(Ａ)を参照して述べると、各々の個別の超音波トランスデューサ素子１１２は、圧電層１２２、第一の音響マッチング層１２４及び第二の音響マッチング層１２６を含んでいる。図示のように、アレイ軸はＸ方向に形成されている。図示のように、Ｙ軸はＸ軸に垂直であり、且つトランスデューサ・ハウジングの前面を画定する平面に垂直である。個々の素子は、凹面形状の圧電層及び隣接する音響マッチング層によって所望の撮像平面（ｘ−ｙ軸によって画定される）に機械的に集束され得る。個々のマッチング素子はまた、撮像平面に位置するアレイ軸Ａ（各々のトランスデューサ素子の両端の間に延在する畝状の帯の中点によって画定され得る）に沿って互いから機械的に隔離され得る。圧電層１２２並びに音響マッチング層１２４及び１２６の前面は、アレイ軸Ａに垂直な軸Ｂの方向に沿って凹面状にしてよく、音響エネルギの集束を助ける。一実施形態では、アレイ軸Ａは、セクタ走査を可能にするように凸面形状を有する。但し、アレイ軸は直線形であっても曲線形であってもよいし、直線部分及び曲線部分の組み合わせを有していてもよい。

個別の超音波トランスデューサ素子のアレイは、任意の手法に従って製造することができる。トランスデューサ素子の製法例について図３を参照して述べると、圧電セラミックス材料を平坦に研磨して矩形に切削し、前面１３２及び背面１３４を有する基材１３０を形成する。基材１３０は全体的に矩形に成形してよいが、代替的な実施形態では他の幾何学的構成の基材を用いてもよい。基材１３０の一例は、約１３ｍｍ×３８ｍｍ×０．１７５ｍｍの寸法を有しているが、代替的な実施形態では任意の寸法の基材を用いてよい。

適当な圧電セラミックス材料の一例は、米国ニュー・メキシコ州AlbuquerqueのMotorola Ceramic Products社製タイプ３２０３ＨＤ材料であって、個々の素子を破砕せずに切削工程（後述）を行なうことを可能にする高密度特性及び高強度特性を示すものである。さらに、セラミックス（例えば、ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム、メタニオブ酸鉛及びチタン酸鉛）、圧電プラスチック（例えば、ＰＶＤＦ系ポリマー及びＰＶＤＦ−ＴｒＦｅ共重合体）、複合材料（例えば１−３型ＰＺＴ／ポリマー複合材、ポリマー・マトリクス・ベースにＰＺＴ粉末を分散させたもの（０−３型ベース複合材）、並びにベース及びＰＺＴとＰＶＤＦ又はＰＶＤＦ−ＴｒＦｅとのコンパウンド）、又はリラクサー強誘電体（例えばＰＭＮ：ＰＴ）を含めた多様な圧電材料を利用してよいことが理解されよう。

圧電基材１３０はさらに、先ず５％ホウフッ化水素酸溶液又は複ホウ酸（plural boric acid）溶液で表面をエッチングし、次いで一般的な市販めっき材料及び手法を用いて無電解ニッケルめっきを行なう等によって金属化層１３６を付着させることにより製造してよい。これらの金属及び他の金属の真空堆積、噴霧被覆又は他の類似方法のような他の方法で圧電基材のめっき又は被覆を置き換えてもよい。

この導電性被覆は好適には、基材１３０の少なくとも一部を被覆して、圧電材料に電気的励起を与える。金属化層１３６は、任意の種類の金属又は他の導電体で形成されていてよい。適当な被覆には、クロム、金、銀、ニッケル、銅、アルミニウム、スズ及び様々な形態のはんだ等がある。代替的には、基材１３０の表面上で様々な導電性材料又は非導電性材料を結合させる又は組み合わせて形成して、金属化層１３６を形成してもよい。図３に示すように、めっき材料は、圧電基材の全面を完全に包囲して延在していてよい。一実施形態では、図示しないが、第一のニッケル層（約１ミクロン厚）に引き続き銅層（約２ミクロン厚）を電気めっきし、続いて金の薄い電気めっき層（＞０．１ミクロン厚）を形成して、腐蝕から保護する。

金属化層１３６は、圧電基材の背面１３４の上の金属化層１３６を貫通して少なくとも２つの間隙又は分離切断部１３８を形成することにより、２個の電極を形成するように分離される。この目的のためにはウェーハ・ダイシング・ソーを用いることができる。他の方法を用いて金属化層を分離してもよく、例えば、間隙１３８は、間隙１３８が望まれる基材１３０上の位置に適当な任意の材料のテープ又はマスクを配置して、導電性材料がめっきの後に容易に除去されるようにする、又は他の実施形態では導電性材料が幾つかの位置で基材１３０に接着しないようにすることにより、形成することができる。

２つの分離切断部１３８は背面電極１４０及び前面電極１４２を形成する。前面電極は、前面１３２から圧電基材の背面１３４まで回って延在する包囲端部１４４を含んでいる。包囲端部１４４は一実施形態では、背面の各々の側に沿って約１ｍｍにわたって延在していてよい。

これにより、背面電極１４０及び前面電極１４２は、例えば１ｋＨｚにおいて約４００ｐＦのキャパシタンスを有する圧電基材１３０によって電気的に分離される。特定の基材材料に適した周波数で電極１４０及び１４２に跨がる電気的ポテンシャルが印加されると、圧電基材材料１３０は振動し、これにより対応する周波数の音波を発生する。例えば、３２０３ＨＤセラミックスを用いる実施形態例では、中心周波数が３．５ＭＨｚの超音波を発生する。

代替的な実施形態（図示されていない）では、トランスデューサは、圧電アセンブリの積層体を形成するように接着法又は他の接合方法で適当に接合されている多数の圧電アセンブリで構成されていてよい。この実施形態では、圧電アセンブリの個々の層は、圧電アセンブリの積層体の全体にわたって共通の負及び正の電気的ノードが確立されるように構成されている電気的ノードを有している。図３及び図４は、正及び負のノードの例を示している。

図４を参照して述べると、金属化され且つ分離された圧電基材１３０を裏返して背面電極１４０を絶縁性ポリエステル・フィルムのような担体フィルム１４６に装着することにより、圧電基材１３０を切削に向けて準備する。熱可塑性接着剤又は他の適当な装着法を用いて圧電基材１３０を担体フィルム１４６に固定することができる。ウェーハ・ダイシング・ソー又は他の切削工具を用いて、圧電基材１３０の厚みの殆どを貫通する一連の複合用切断部１４８を形成することができ、複合用切断部の奥側端部１４９と基材の背面１３４との間に少量例えば５０ミクロンの基材材料のみを切断しないで残す。切断部は一般的には、エポキシのような材料で引き続き充填され、これによりセラミックス／エポキシ複合構造を形成するため、ソーによるこれらの切断部を複合用切断部（composite cut）１４８と呼ぶ。

代替的には、複合用切断部は、背面電極１４０まで含めるが完全には貫通しないで、基材１３０を貫通して形成されてもよい。基材１３０を貫通する多数の複合用切断部を設けることにより、所望に応じて圧電基材１３０を彎曲させる又は凹面状に形成することが可能になる。代替的には、圧電基材を平坦なままにしておいてもよい。複合用切断部１４８の構成及びレイアウトについては後にあらためて説明する。複合用切断部１４８はまた、完成した装置において横方向共振モードを減少させる作用も果たす。この観点で、切断部は、エポキシのような硬度測定値の低い高損失材料で充填され得る。エポキシは、支柱同士の間の拘束を最小限にするように選択されることができ、これにより各々の圧電材料フィンガに最大限の自由度及び独立性を与える。例えば、エポキシは音響エネルギを減衰させ且つ支柱間クロス・トークを減少させる特性を有し得る。

さらに、図２(Ｂ)に示すように、アレイ軸Ｘの方向ばかりでなくＺ方向にも複合用切断部を形成することもでき、これにより、独立した圧電素子を形成するように圧電基材及びマッチング層を実質的に貫通して切削することによりアレイ軸に沿って互いから音響的に分離されており且つ互いから離隔されている個別のトランスデューサ素子を有する超音波トランスデューサ・アレイを形成し得ることを理解されたい。幾つかの実施形態では、隣接して設けられている同様に凹面状で厚みが一様の音響マッチング層と共に機械的に集束されている個別のトランスデューサ素子を備えた超音波トランスデューサ・アレイを用いることにより、音響レンズの利用を回避することができる。

超音波画像の分解能は、前述のように、周波数アポダイゼーション及び振幅アポダイゼーションによって高めることができる。例えば、トランスデューサ・アパーチャを周波数アポダイゼーションする一つの方法は、中央アパーチャがアパーチャの端辺部よりも高い周波数で共振するようにすることである。これにより、近距離音場（フレネル・ゾーン）でも遠距離音場（フラウンホーファ・ゾーン）でも分解能を高めることができる。振動の共振周波数は、圧電セラミックス支柱の幅／高さ比に反比例する。J. Sato、M. Kawabuchi及びA. Fukumotoによる“Dependence Of The Electromechanical Coupling Coefficient On The Width To Thickness Ratio Of Plank Shaped Piezoelectric Transducers Used For Electronically Scanned Ultrasound Diagnostic Systems”、Journal of Acoustics Society of America（JASA）、６６（６）、１９７９年１２月を参照されたい（非特許文献２）。この参考文献によれば、複合材支柱の幅／高さ比が増すにつれて波数（中心共振周波数に関係する）は減少する。

実施形態の一例では、中央では細幅の支柱を、また端辺部では広幅の支柱を設けて複合圧電基材を製造することができる。この実施形態では、各々の複合材支柱の幅対高さ比は中央から端辺部に向かって増大する。換言すると、中央では幅が狭いので幅対高さ比は小さくなり、端辺部に向かって幅が広くなるにつれて幅対高さ比も増大する。従って、この実施形態では、仰角方向アパーチャの中間部の支柱はアパーチャの端辺部の支柱よりも高い周波数で共振する。これにより周波数アポダイゼーション効果が得られ、この効果を適当なシステム励起プロトコルによって用いてさらに高い空間分解能及びコントラスト分解能の超音波画像を得ることができる。

この「細幅の支柱の中間部及び広幅の支柱の端辺部」の実施形態はまた、振幅アポダイゼーション効果も与えることができる。振幅アポダイゼーション効果は、仰角方向アパーチャにわたる音響インピーダンスの変化によるものである。複合用切断部のピッチは端辺部よりも中間部の方が小さいので、音響インピーダンスはアパーチャの端辺部よりも中間部の方が小さい。中央での音響インピーダンスが小さいので、アパーチャの端辺部よりも中央での方がインピーダンス整合が効率的になり、反射係数が減少する。これにより振幅アポダイゼーション効果が得られ、この効果を適当なシステム励起プロトコルによって用いてさらに高い分解能の超音波画像を得ることができる。

しかしながら、この実施形態例では、アパーチャの中央から端辺部に向かって電気機械的結合係数が僅かに増大するため、上述の振幅アポダイゼーション効果が幾分か弱まる場合がある。この低下は、幅対高さ比が増すにつれて電気機械的結合係数（ｋｔ）が増大するため生ずる。Satoの非特許文献２を参照されたい。この電気機械的結合係数の幅対高さ係数に対する関係は、Satoの非特許文献２に指定されているような所定の範囲の幅対高さ係数について成り立つことを特記しておく。もう一つの実施形態例では、振幅アポダイゼーションは、複合用切断部ピッチのパターンが反転している、すなわち中間部での複合材支柱が広幅で端辺部の近くの支柱が細幅である場合に達成することもできる。この実施形態では、セラミックス充填比が端辺部よりも中間部で大きく、振幅感度はセラミックス充填比に追随するため、振幅アポダイゼーションを達成することができる。

ここで、圧電基材１３０に切断部を形成する方法についてさらに詳細に説明する。前述のように、製造が単純で耐久性が高く、周波数変調及び／又は振幅変調を機械的に行なうトランスデューサを設計することが望ましい。図５(Ａ)及び図５(Ｂ)では、複合用切断部１４８が圧電基材１３０内に形成されている。図５(Ａ)及び図５(Ｂ)の曲線５０５は、圧電基材１３０にわたるピッチの変化を記号的に表わしている。曲線５０５は例えばガウス分布又はハニング分布であってよく、圧電基材での複合材料の濃度を表わすことができる。

基材１３０での複合用切断部１４８の例を図６でさらに詳細に見ることができる。複合用切断部１４８の幅６０４は切り溝（kerf）６０４とも呼ばれ、典型的には複合用切断部１４８の前端６０６から後端６０７までの最短距離として定義される。支柱６０１の幅６０８は、複合用切断部１４８の後端６０５から次の複合用切断部１４８の前端６０６までの最短距離として定義される。第一の複合用切断部１４８の後端６０５から次の複合用切断部１４８の後端６０７までの最短距離はピッチ６０９と定義される。

切り溝、支柱及びピッチの寸法に関して本出願で用いる「中間部」という用語は、対称的変化の基準となる基材表面の点又は線であるものとして定義される。中間部は例えば、超音波信号の最大の伝達を与える点又は線であってよい。中間部は一般的には（必ずではないが）、圧電基材の端辺部から近似的に等距離にある。換言すると、セラミックスにおける複合用切断部のパターンは対称であってもなくてもよく、また「中間部」参照点又は参照線を基点としてもしなくてもよいと理解される。

基材の所与の部分での圧電材料の濃度は、切断前の基材の該当部分に対して切断後の基材の該当部分における単位容積当たりの材料の量と定義される。上述のように、一実施形態では、アパーチャの端辺部よりも中間部で幅対高さ比を小さくすることにより周波数アポダイゼーションを行なう。もう一つの実施形態では、中間部での圧電材料の濃度を増大させると中央から送波される信号の強度が高まり、振幅アポダイゼーションが行なわれる。この濃度又は幅対高さの変化は幾つかの方法で変化させることができる。例えば、圧電基材１３０に、多数の一定幅の切断部を形成して、これら一定幅切断部同士の間の間隔６０８を可変とすることができる。これにより、可変幅６０８を有する圧電材料の支柱６０１（又はフィンガ）が形成される。

圧電材料の濃度を変化させる方法のもう一つの例は、上述のように一定幅の切り溝６０４を保ち、且つ支柱幅６０８を変化させるものである（これらの組み合わせはピッチ６０９を変化させることと等価になる）。圧電基材１３０での圧電材料濃度を変化させるもう一つの方法は、一定の支柱幅６０８を保ちながら切り溝６０４の幅を変化させるものである。この方法では、ピッチ６０９も適当に変化する。この方法の第三の例は、切り溝幅６０４及び支柱６０１の幅６０８を両方とも変化させるものである。切り溝６０４の幅の変化は、圧電基材１３０に複合用切断部を形成するのに用いられるソーの形式又は寸法を変化させる、又はレーザ、若しくは可変の切断部寸法を形成する性能を有する当技術分野で公知のその他の切削器具を用いることにより、生成することができる。圧電材料の濃度を変化させるその他の方法もあり得る。

実施形態例として図５(Ａ)及び図５(Ｂ)を再び参照すると、基材層の表面に対して実質的に垂直な多数の複合用切断部１４８を形成した圧電基材１３０の例が示されている。圧電材料の支柱６０１は複合用切断部１４８が形成された後に残る。実施形態の一例では、例えば図５(Ａ)に示すような複合用切断部によって周波数アポダイゼーション及び振幅アポダイゼーションを達成することができ、同図では、支柱６０１の幅は基材の中間部５００の近くで最も狭くなり、支柱幅６０８は、基材１３０のいずれかの端辺部５１０に近付くいずれかの方向５２０で中間部５００からの距離が遠くなるほど次第に広くなる。もう一つの実施形態例では、例えば図５(Ｂ)に示すような複合用切断部によって振幅アポダイゼーションを達成することができ、同図では、支柱６０１の幅は基材の中間部５００の近くで最も広く示されており、支柱幅６０８は、基材１３０のいずれかの端辺部５１０に近付くいずれかの方向５２１で中央５００からの距離が遠くなるほど次第に狭くなる。複合用切断部の寸法及び位置は、増大型又は減少型の支柱幅のパターンを形成することに必ずしも限定されない。支柱幅及び切り溝幅をその他任意のパターンで変化させて、所望のアポダイゼーションを達成してよい。

図７は、複合用切断部を上述のようにして形成した圧電基材の表面の例示図を示しており、図７に示すように、一定切り溝の複合用切断部が、参照番号７２０によって示す方向に中間部７００から遠ざかって端辺部７１０に向かうにつれて支柱幅６０８が次第に広くなるようにして形成されている。さらに他の実施形態では、図７に示す複合用切断部に加えて、図７に示す複合用切断部に対して直角を成して圧電基材１３０に複合用切断部を形成して、図２(Ｂ)に示す素子のアレイと類似の圧電素子のアレイであるがこの場合は本書で説明するようにさらにアポダイゼーションされているアレイを形成することができる。もう一つの実施形態例では、参照番号７２０によって示す方向に中央７００から遠ざかって両端７１０に向かうにつれて支柱幅６０８が次第に狭くなるように複合用切断部を形成する。

典型的な切り溝測定値は、実施形態の一例では、２５ミクロン〜３０ミクロンであってよい。対応するピッチ測定値は例えば、５０ミクロン〜１００ミクロンであってよい。対応する支柱幅測定値は２５ミクロン〜７０ミクロンであってよい。但し、切り溝、ピッチ及び支柱幅を広範に変化する寸法とした他の実施形態も利用してよいことは言うまでもない。

圧電基材の圧電材料の可変の濃度を提供して周波数アポダイゼーション及び／又は振幅アポダイゼーションを提供する可変の切り溝幅６０４及び／又は支柱幅６０８の多くの構成が可能である。例えば、特注で設計した切り溝幅及び支柱幅を用いてよい。また、代替的な実施形態では、例えばBartlett関数、Blackman関数、Connes関数、余弦関数、一様関数、Welch関数及びHamming関数又はこれらの組み合わせのような様々な関数を用いることができる。さらに、実施形態の一例では、圧電材料の濃度はガウス分布又はハニング分布のいずれかに従って変化してよい。振幅アポダイゼーションについて、ガウス分布による変化は次式に従ってピッチを変化させることにより達成することができる。
ピッチ＝ｐｉ＝（ｙｉ／Σｙｉ）ＡＷ
ｙｉ＝（ａ／（σ（ＳＱＲＴ（２π））ｅ＊＊（（−１／２（ｘｉ−μ）／σ²））
ここで、ａ＝加重定数、σ＝標準偏差、μ＝平均、及びＡＷ＝結晶のアパーチャ幅である。実施形態の一例では、ａ＝１、σ＝４、μ＝０、及びＡＷ＝１４ｍｍである。但し、他の値をこれらの式と共に用いてよい。

振幅アポダイゼーションについては、ハニング分布による変化は次式に従ってピッチを変化させることにより達成することができる。
ピッチ＝ｐｉ＝（ｙｉ／Σｙｉ）ＡＷ
ｙｉ＝α＋（１−α）ｃｏｓ（２πｘｉ／ａ）
（−ＡＷ／２≦ｘｉ≦ＡＷ／２）
ここで、α＝ハニング係数、ａ＝加重定数、及びＡＷ＝結晶のアパーチャ幅である。実施形態の一例では、α＝０．５、ａ＝１、及びＡＷ＝１４ｍｍである。但し、他の値をこれらの式と共に用いてよい。参照として、ｙは複合用切断部ピッチであり、ｘは仰角方向アパーチャに関係する。例えば、ｘは、最小ピッチが最大ピッチの４０%だけ小さくなるように選択してよい。周波数アポダイゼーションについては、ガウス分布又はハニング分布による変化は以下のように変形した式で表わされる。ガウス分布については、
ｙｉ＝１−（ａ／（σ（ＳＱＲＴ（２π））ｅ＊＊（（−１／２（ｘｉ−μ）／σ²））
及びハニング分布については、
ｙｉ＝１−（α＋（１−α）ｃｏｓ（２πｘｉ／ａ））
である。

図８に、仰角方向ビーム・プロファイルのグラフ例（周波数アポダイゼーション型対非周波数アポダイゼーション型）を掲げる。図８では、−６ｄＢ及び−１２ｄＢの仰角方向ビーム・プロファイルが、周波数アポダイゼーションを施したトランスデューサ対アポダイゼーションを施さないトランスデューサについてプロットされている。図８に示すように、近距離音場及び遠距離音場の両方での焦点ゾーンにおける分解能が周波数アポダイゼーション型ユニットで大幅に改善されている（約５０%）。また、焦点ゾーン又は近距離音場から遠距離音場への移行ゾーンは本質的に同じ位置であることも観察されよう。

図９及び図１０には、仰角方向ビーム・プロファイル（振幅アポダイゼーション型対非振幅アポダイゼーション型）のグラフ例が掲げられている。これらの図では、−６ｄＢ及び−１２ｄＢの仰角方向ビーム・プロファイルが、振幅アポダイゼーションを施したトランスデューサ対アポダイゼーションを施さないトランスデューサについてプロットされている。図９及び図１０で分かるように、近距離音場及び遠距離音場の両方での分解能が、アポダイゼーション型トランスデューサで改善されており、近距離音場についてはさらに顕著な改善を示している。また、アポダイゼーション型ユニットについて近距離音場から遠距離音場への移行部がトランスデューサにさらに近付いていることも観察されよう。このことは、アパーチャの中央から端辺部へ向かうにつれてセラミックス充填比が減少することにより実効的な機械的仰角方向アパーチャが縮小することによるものと考えられる。

実施形態例として本書に記載した各手法に加えて他の手法を組み合わせてもよい。例えば、本発明を用いて形成された圧電素子の完全分極及び部分分極を行なうことが可能である。また、トランスデューサから受信される信号の品質を変更し改善する信号成形関数の適用、音響ブロッキング層の利用、トランスデューサ素子間での分極変化の利用、及び選択した圧電素子からの金属化電極の選択的除去の利用のような他の手法を組み合わせることも可能である。

複合用切断部が完成したら音響マッチング層を製造すると望ましいことが理解されよう。図２(Ａ)の参照番号１２４及び１２６を参照されたい。音響マッチング層は、米国特許第５，６３７，８００号（特許文献７）に記載されているようなポリマー材料又はポリマー複合材料で形成されていてよい。この同じ参考文献はさらに、音響マッチング層を圧電アセンブリに取り付けて、圧電アセンブリを所望の形状に形成し、形成された圧電及び音響マッチング層アセンブリをハウジング内に構成するように準備して、適当な電気的接続を圧電アセンブリに設ける方法の例を記載している。

本発明を主に医療撮像応用に用いられる超音波トランスデューサについて説明したが、様々な観点が多くの任意の応用に有用である。例えば、他の医療トランスデューサ、材料及び装置の非破壊検査、ラジオ波伝送、ソナー、磁気共鳴撮像、光応用、高調波撮像、ラジオ周波数アレイ、光学的回折格子、マイクロ波、並びに高分解能でコリメートされているビームを必要とするその他の応用等がある。

特許請求の範囲における全ての要素の対応する構造、材料、動作及び等価物は、請求されている他要素と組み合わせて作用を実行する任意の構造、材料又は動作を、具体的に請求されているものとして含むものとする。本発明の範囲は、上に掲げた実例ではなく特許請求の範囲及びその法的等価物によって決定されるべきものである。加えて、任意の方法請求項に含まれる様々な工程は、任意の順序で又は何らかの方式で組み合わされて実行されてもよく、この場合でも本発明の範囲に含まれる。

超音波装置例の等角図である。超音波装置例の等角図である。超音波装置例の一部の等角図である。超音波装置例の一部の等角図である。圧電基材例の端断面図である。一連の複合用切断部を有する圧電基材例の端断面図である。超音波トランスデューサの実施形態例の側断面図である。超音波トランスデューサの実施形態例の側断面図である。図５(Ａ)に示す複合用切断部例の拡大図である。変化型ピッチ・プロファイル例を示す上面図である。周波数アポダイゼーション型ユニット及び通常（非周波数アポダイゼーション型）ユニットについての−６ｄＢビーム幅及び−１２ｄＢビーム幅対深さのグラフ例である。アレイ（通常型及び振幅アポダイゼーション型）についての−６ｄＢビーム幅対深さのグラフ例である。アレイ（通常型及び振幅アポダイゼーション型）についての−１２ｄＢビーム幅対深さのグラフ例である。

符号の説明

１０超音波トランスデューサ
３０同軸ケーブル
４０表示器
５０被検体
１１０超音波トランスデューサ・アレイ
１１２超音波トランスデューサ素子
１１４ハウジング
１１６導線
１１８接地箔
１２０絶縁基材層
１２２圧電層
１２４、１２６音響マッチング層
１３０基材
１３２前面
１３４背面
１３６金属化層
１３８分離切断部
１４０背面電極
１４２前面電極
１４４包囲端部
１４６担体フィルム
１４８複合用切断部
１４９奥側端部
１８０ポリマー・バッキング材
５００、７００基材中間部
５０５ピッチ変化
５１０、７１０基材端辺部
５２０、５２１、７２０基材中間部から基材端辺部へ向かう方向
６０１支柱
６０４切り溝（切断部幅）
６０５、６０７切断部の後端
６０６切断部の前端
６０８支柱幅
６０９ピッチ

Claims

圧電材料と、
前記圧電材料で形成されている複数の支柱であって、各支柱が可変の支柱幅を有し、隣接する支柱と切り溝により隔てられている前記複数の支柱と、
前記圧電材料に位置する中央部であって、前記圧電材料の当該中央部の支柱の支柱幅が当該中央部から遠い支柱の支柱幅よりも狭くなるように隔設されている、中央部と、を備えた超音波トランスデューサ装置であって、
前記中央部の支柱と前記中央部から遠い支柱の間に配置される複数の支柱の支柱幅が前記中央部から遠ざかるにつれて次第に広くなるようにして形成されており、前記中央部の支柱と前記中央部から遠い支柱の間に配置される前記複数の支柱の共振周波数が前記中央部から遠ざかるにつれて次第に低くなるようにして形成されており、
前記中央部の支柱と前記中央部から遠い支柱の間に配置される複数の支柱の音響インピーダンスが前記中央部から遠ざかるにつれて次第に大きくなるようにして形成されており、
前記各支柱の支柱幅とこれ隣接する切り溝の幅により規定されるピッチは、アポダイゼーション関数に従って変化するように決定される、
超音波トランスデューサ装置。
前記アポダイゼーション関数はガウス関数であり、前記ガウス関数のガウス分布は、式
ピッチ＝ｐｉ＝（ｙｉ／Σｙｉ）ＡＷ
により定義され、ここで、
ｙｉ＝１−（ａ／（σ（ＳＱＲＴ（２π））ｅ＊＊（（−１／２（ｘｉ−μ）／σ^２））
ａ＝加重定数、σ＝標準偏差、μ＝平均、及びＡＷ＝結晶のアパーチャ幅である、請求項１に記載の装置。
前記アポダイゼーション関数はハニング関数であり、前記ハニング関数のハニング分布は、式
ピッチ＝ｐｉ＝（ｙｉ／Σｙｉ）ＡＷ
により定義され、ここで、
ｙｉ＝１−（α＋（１−α）ｃｏｓ（２πｘｉ／ａ））
（−ＡＷ／２≦ｘｉ≦ＡＷ／２）
α＝ハニング係数、ａ＝加重定数、及びＡＷ＝結晶のアパーチャ幅である、請求項１に記載の装置。
前記切り溝の幅は一定である、請求項１乃至３のいずれかに記載の装置。
前記切り溝の幅は変化する、請求項１乃至３のいずれかに記載の装置。
前記複数の支柱の各々の間に一体形成されているエポキシをさらに含んでいる請求項１に記載の装置。