JP5735512B2 - 大きな視野を持つ超音波プローブ及びこのような超音波プローブを製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波トランスデューサアレイ素子の特定の幾何学的配置によって大きな視野（field of view）を持つ超音波プローブに関する。更に、本発明は、超音波プローブを製造する方法に関する。

医療的超音波応用において、超音波トランスデューサは、一般に、超音波撮像中の超音波又は音響波の送信及び受信に使用される。

画像が十分に高い画質及び十分に低いレベルのアーチファクトで得られることができる患者の体内の領域は、視野と称される。トランスデューサの視野は、複数の要因、特に、トランスデューサアレイ素子サイズ、トランスデューサアレイ開口及びトランスデューサアレイ配置に依存する。

市場で入手可能な多くのトランスデューサは、超音波トランスデューサ素子の１次元アレイを有する。各素子は、患者の体内への超音波エネルギの送信及び前記体内の構造からのエコーの受信の両方に使用される別々の名目上独立したトランスデューサである。医療用超音波は、通常、人体を持つ構造に適切な撮像細部を提供するのに必要な１ないし２０ＭＨｚ周波数範囲で動作する。より低い及びより高い周波数は、特定の応用に対して使用されることができる。

１次元アレイ内の各素子は、典型的には長方形であり、一方向（一般に方位角（azimuth）方向と称される）において狭い範囲、直交する方向（一般に仰角（elevation）方向と称される）においてより長い範囲、及び他の２つの方向に直行する方向（一般にレンジ（range）方向と称される）において厚さを持つ。トランスデューサ素子のサイズ、すなわち、方位角方向における幅及び仰角方向における長さは、所定の周波数における取り込み角（acceptance angle）を決定することができる。この取り込み角は、素子が超音波信号に発展的に寄与するのに十分なエネルギを受け取る角度でありうる。素子幅が増大すると、取り込み角は一般に減少する。更に、取り込み角は、周波数の関数でもあり、所定の幅に対して、取り込み角は、一般に、増大する周波数とともに減少する。

１次元トランスデューサアレイが、通常、前記トランスデューサアレイの面上に円柱状音響レンズを配置することにより超音波エネルギを仰角方向において固定焦点領域に焦点を合わせるが、関心対象は、典型的には、２つの基本フォーマット、"セクタスキャニング"又は"リニアスキャニング"の一方で方位角方向においてスキャンされることができる。

セクタスキャニングを用いると、視野は、前記アレイの面の中心に中心を持つ円の一部でありうる。セクタスキャンフォーマットを用いると、超音波ビームは、前記アレイの中心から半径方向にステアリングされることができ、各連続したビームの角度は異なりうる。信号を送信及び受信するのに加えられる遅延は、ステアリング角及び焦点の両方を決定しうる。セクタスキャンフォーマットを使用するトランスデューサは、一般に、セクタアレイ又はフェーズドアレイと称される。このようなトランスデューサは、λ／２のオーダの幅を持つ素子を持つことができ、ここでλは、前記トランスデューサが動作する帯域の中心の周波数における音響波長として規定されることができる。典型的なフェーズドアレイは、９０°のセクタ幅を持つ視野を提供する。

代替的には、リニアスキャンフォーマットを用いて、各ビームは、前記アレイの面に垂直であることができ、前記アレイ面に沿った前記ビームの位置は、長方形視野をスイープするように横方向に平行移動されることができる。この場合、前記ビームは、ステアリングされることができないが、焦点を合わせられるのみである。送信及び受信信号に加えられた遅延は、焦点の場所を決定する。前記リニアスキャンフォーマットを使用するトランスデューサは、一般にリニアアレイと称され、λのオーダの幅を持つ素子を持つことができる。前記長方形視野の幅は、典型的には、前記トランスデューサの方位角長さと同じである。

湾曲しており、湾曲した視野を提供するアレイを構築することも可能でありうる。これらのトランスデューサは、典型的には、リニアスキャンフォーマットで動作し、すなわち、超音波ビームは、前記アレイの面に垂直に投影される。前記視野内の湾曲は、前記超音波ビームをステアリングするのではなく、湾曲した表面に沿って平行移動させることにより提供されることができる。リニアスキャンフォーマットで動作する湾曲したトランスデューサアレイは、時々、"湾曲リニアアレイ"（ＣＬＡ）と称される。湾曲リニアアレイは、平らなリニアアレイより大きな視野を提供すると同時に、音響ビームをステアリングすることに伴う画質の犠牲を防止することができる。セクタアレイから典型的に得られる９０°セクタより大きい湾曲視野を持つことも可能でありうる。

平らなリニアアレイ及び湾曲したリニアアレイの両方で使用される超音波ビームがステアリングされることができることに注意すべきである。しかしながら、リニアアレイは、フェーズドアレイより方位角において幅のある素子を持つので、前記超音波ビームは、フェーズドアレイほどはステアリングされることができない。したがって、平らなリニアアレイは、前記視野の角のある縁を撮像するようにステアリングを使用して、台形視野を持ちうる。

"ビーム形成"は、前記アレイ素子により送信及び受信された信号を、前記視野内の単一の点から受信された超音波信号を表す合計に組み合わせるプロセスに言及する。一般に、１次元トランスデューサに対して、各トランスデューサ素子は、前記超音波システム内の別々の"チャネル"に接続され、チャネルは、送信器と、受信器と、送信及び受信された信号のタイミングを制御するのに使用される遅延回路とを有しうる。時間は、送信において超音波エネルギを焦点合わせし、前記受信された信号に対して焦点を合成するように制御されることができる。各チャネルに加えられた遅延は、前記アレイ素子の各々により送信された音響信号が、同じ時間において目標において受信されるようなものでありうる。前記遅延は、例えば前記目標からの各素子の距離及び音速により決定される、超音波伝搬時間の差でありうる。

前記アレイ幾何構成、システムビームフォーマにより提供される方位角におけるステアリング及び／又は焦点、並びに固定レンズにより提供される仰角における焦点の組み合わせのため、１次元アレイは、典型的には、"平面"の一部を撮像し、すなわち、仰角方向における音響ビームの制御される可変焦点又はステアリングが存在しない。

１次元トランスデューサアレイが、前記アレイの仰角寸法全体に及ぶ超音波トランスデューサの素子を持つのに対し、２次元又はマトリクスアレイは、仰角方向における素子に分割されることもできる。各素子が、信号に加えられる遅延が近隣の素子のものと異なることができるように独自の超音波ビーム形成電子装置を備える場合、仰角方向及び方位角方向におけるステアリング、平行移動及び焦点合わせの可能性が、得られることができる。仰角方向において前記超音波ビームをステアリング及び／又は平行移動させる能力は、平面内だけでなく、空間の体積を撮像することを可能にしてもよい。

マトリクスアレイ内の各超音波トランスデューサ素子に設けられた前記ビーム形成電子装置は、"マイクロビームフォーマ"とも称されることができる。前記超音波システム全体のビーム形成機能は、一部が前記マイクロビームフォーマにおいて行われ、残りが全体的な制御システムにおいて行われるように分割されることができる。例えば、前記トランスデューサ素子は、適切な電圧を印加することにより、前記トランスデューサ素子が超音波信号を発するように作動されることができるような電極により接触される圧電層構成を有してもよい。前記電圧は、前記超音波トランスデューサ素子の各々の前記圧電層構成に関連付けられた制御回路を使用して印加及び制御されることができる。したがって、前記超音波トランスデューサ素子の各々は、送信器、受信器及び遅延回路を有する独自の"マイクロチャネル"を設けられてもよい。これは、素子の隣接するグループからの信号が一緒に結合され、単一のシステムチャネルを駆動することを可能にしてもよく、前記マイクロビームフォーマは、これと前記グループ内の他の素子との間の差を計上するように比較的少量の遅延のみを提供しなければならない。

１次元アレイと同様に、２次元マトリクスアレイから得られる視野は、アレイ幾何構成及び前記素子によりサポートされることができるスキャンフォーマットに依存しうる。前記アレイ素子が、方位角及び仰角方向の両方において十分に小さい場合、前記音響ビームは、両方の方向においてステアリングされることができる。より大きなアレイ素子は、より小さいステアリングを可能にしうる。アレイ素子は、正方形である必要はなく、例えば、方位角においてλの素子を持ち、仰角においてλ／２の素子を持つマトリクスアレイが、使用されてもよく、方位角においてリニアスキャンフォーマットで動作され、仰角においてセクタスキャンフォーマットで動作されてもよい。

しかしながら、超音波トランスデューサのマトリクスアレイは、視野に関する制限を持ちうる。視野制限は、所望の視野を前記マトリクスアレイのステアリング範囲内に持っていくように開口のサイズを増大することにより特定の範囲で対処されることができる。しかしながら、特にトランスデューササイズを増大することがオプションではないイントラキャビティ超音波トランスデューサに対して、これが利用されることができる範囲に制限が存在しうる。前記アレイ素子のサイズを減少することによりステアリングを増大することも可能でありうる。しかしながら、マトリクスアレイを用いて、これは、前記トランスデューサ素子がどれだけ小さく作成されることができるかに関する制限が存在しうるように前記トランスデューサ素子の各々に関連付けられた空間内にフィットしなければならないマイクロチャネル電子装置に対して利用可能な領域の量を減少することもありうる。

平らな（セクタ）アレイをステアリングして可能であるより大きな視野を提供するために、湾曲マトリクスアレイが、使用されることができる。このような湾曲マトリクスアレイにおいて、前記超音波トランスデューサ素子は、湾曲面上に構成されることができる。湾曲マトリクスアレイの付加的な利点は、より少数のより大きなトランスデューサ素子を用いて、大きなステアリング角に対して要求される、より小さなフェーズドアレイ素子より、大きな視野が達成されることができることでありうる。

しかしながら、超音波トランスデューサ素子の湾曲マトリクスアレイも、視野に関して及び画質に関して制限を持ちうることが観察されている。

したがって、特により大きな視野を達成するようにより多くのステアリングに対して素子サイズを減少する又は開口サイズを増大することがオプションでありえない、従来の湾曲マトリクスアレイの視野及び画質制限の一部を解消することができる超音波プローブに対する改良された超音波トランスデューサマトリクスアレイに対する必要性が存在しうる。

理想的な湾曲マトリクストランスデューサが、２つの方向において湾曲した表面を持つ回転楕円体形状を持ちうることが発見された。しかしながら、現在のアレイ製造技術は、このような合成物表面局面上の湾曲を可能にしえない。一方向において、すなわち１つの湾曲軸の周りで湾曲され／折り曲げられ、これにより円筒状表面を形成することができる湾曲マトリクスアレイを製造することは容易でありうるが、十分に大きな全体的なエリアを持ち、２つの方向において湾曲され、これにより複雑な湾曲面を形成する超音波トランスデューサを作成することは、難しいか又は不可能でありうる。

本発明の根本にあるアイデアは、超音波トランスデューサ素子のマトリクスアレイをそれぞれ有する異なる領域を使用し、これらの領域からの全体的な超音波トランスデューサエリアを結合する近似により、超音波トランスデューサの複雑な表面、例えば回転楕円体表面を近似することである。ここで、前記領域の少なくとも一部は、特定の湾曲軸の周りで湾曲されることができるのに対し、他の領域は、湾曲されることができない、すなわち、平らであることができ、又はわずかにしか湾曲されることができない。特に、隣接した実質的に湾曲した領域を相互接続する平らな又はわずかにだけ湾曲した領域を提供することは、有利でありうる。

本発明の第１の態様によると、中心領域及び少なくとも３つの枝領域を有する全体的な超音波トランスデューサエリアを持つ超音波プローブに対する超音波トランスデューサマトリクスアレイが、提案される。前記中心領域及び前記枝領域は、超音波トランスデューサ素子のマトリクスアレイをそれぞれ有する。ここで、前記中心領域は、少なくとも３つの縁を持ち、前記枝領域の各々は、前記中心領域のこれら３つの縁の１つから延在する。更に、各枝領域は、前記枝領域が延在する前記中心領域のそれぞれの縁に平行な軸の周りで湾曲される又は折り曲げられる。

したがって、前記全体的な超音波トランスデューサエリアは、前記中心領域及び複数の枝領域の組み合わせでありうる。前記全体的な超音波トランスデューサエリアは、前記中心領域に直接的に隣接する前記枝領域で連続的な表面を覆うことができる。換言すると、前記枝領域は、間に入れられた中心領域を介して相互接続されることができる。

前記中心領域及び前記枝領域に含まれる前記マトリクスアレイの各々は、それぞれの領域の２次元エリア上に分配される複数の超音波トランスデューサ素子を有する。例えば、超音波トランスデューサ素子は、行及び列に配置されることができ、各領域は、複数の行及び複数の列を有する。

例えば、前記中心領域及び前記枝領域を有する前記全体的な超音波トランスデューサエリアは、十字形状を形成してもよい。ここで、前記中心は、超音波トランスデューサ素子のＡ行及びＢ列のマトリクスを持つ長方形であることができる。例えば向かい合っている縁で前記中心領域に隣接する、２つの枝領域は、超音波トランスデューサ素子のＡ行及びＣ列のマトリクスを有することができ、前記中心領域の残りの向かい合っている縁に隣接する２つの他の枝領域は、超音波トランスデューサ素子のＤ行及びＢ列のマトリクスを有することができる。換言すると、前記全体的な超音波トランスデューサエリアは、４つの枝領域及び間に入れられる中心領域を有することができ、前記中心領域の寸法は、前記隣接する枝領域のそれぞれの幅に関連する。Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤの様々な比が可能である。例えば、前記中心領域は、長方形（Ａ≠Ｂ）又は正方形（Ａ＝Ｂ）であってもよい。更に、前記枝領域は、同一の寸法（Ｃ＝Ｄ）を持ってもよく、又は長さにおいて異なってもよい（Ｃ≠Ｄ）。

有利には、前記中心領域は平らである。前記枝領域は、それぞれ、前記中心領域の隣接する縁に平行な軸の周りで湾曲されることができ、したがって、異なる方向に向けられた円筒状表面を表すことができるが、湾曲を持たない中心領域を提供し、これにより隣接する枝領域を相互接続する前記中心領域に対する複雑な合成湾曲の必要性を除去することが好ましいかもしれない。前記枝領域の各々は、前記平らな中心領域を含む面に対して同じ側に湾曲されることができる。

前記中心領域及び／又は前記枝領域のトランスデューサ素子のマトリクスアレイの少なくとも一部をフェーズドアレイピッチで配置することが、好ましいかもしれない。このようなフェーズドアレイピッチ配置は、放射される超音波ビームがステアリングされることができるセクタスキャニングモードで前記超音波トランスデューサを動作することを可能にすることができる。このようなステアリングを用いて、例えば、円筒状又は回転楕円体状の理想からの前記中心領域及び／又は前記枝領域の偏差は、非円筒状及び／又は非回転楕円体状の幾何構成に適合するように平行移動及びステアリングの組み合わせを使用する適切なビーム形成により補償されることができる。

例えば、前記中心領域におけるトランスデューサ素子のマトリクスアレイは、直交する主要な方向の両方においてフェーズドアレイピッチで配置されることができ、前記枝領域の各々のトランスデューサ素子のマトリクスアレイは、それぞれの枝領域が延在する縁に平行な主要な方向のみにおいてフェーズドアレイピッチで配置されることができる。換言すると、前記中心領域における前記トランスデューサ素子は、両方ともλ／２の長さ及び幅の寸法を持つことができる。前記枝領域における前記トランスデューサ素子は、幅方向、すなわち隣接する中心領域の縁に平行な方向においてλ／２の寸法、及び前記隣接する中心領域の縁に垂直な長さ方向において例えばλの寸法のような他の寸法を持つことができる。

このようなアプローチにおいて、前記トランスデューサ素子寸法に対する異なる設計が、前記中心領域及び前記枝領域に対して必要でありうるが、トランスデューサ素子と、前記トランスデューサの各々を制御するそれぞれの制御素子との総数は、最小化されることができる。

有利には、前記超音波素子は、折り曲げ可能な基板上に配置され、前記超音波素子の各々は、マイクロビームフォーマとして機能する関連付けられた制御回路を設けられることができ、前記制御回路は、好ましくは、共通基板に一体化される。例えば、前記折り曲げ可能基板は、作成された前記超音波トランスデューサ素子と一緒に前記基板を十分に折り曲げることを可能にする厚さを持つ薄いシリコン基板でありうる。このような厚さは、例えば１００μｍより小さく、好ましくは５０μｍより小さくてもよい。このようなシリコン基板において、前記トランスデューサ素子に対する信号を制御する回路が、一体化されることができる。

上記のように、前記超音波トランスデューサ素子は、超音波振動に対して作動されることができる層構成を有することができる。このような層構成は、例えばそれぞれの電極を持つ１以上の圧電層を有することができる。前記超音波トランスデューサ素子は、更に、基板に含まれる制御回路を設けられることができる。有利には、前記層構成は、フリップチップ技術により前記基板に機械的に取り付けられる。このようなフリップチップ技術の適用は、前記アレイ振動素子の各々から対応する回路への接続を提供することができる。このようなアプローチは、"フリップチップマイクロビームフォーマ"とも称され、各素子のマイクロチャネルは、前記素子の方位角及び仰角寸法により制限される空間内にフィットするのに十分に小さくてもよい。前記マイクロビームフォーマは、前記アレイと本質的に同じサイズであり、オプションとしてオーバヘッド機能に対する周辺の周りのいくらかの追加の空間を加えられることができる特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）で構築されることができる。したがって、各マイクロチャネルは、素子の後ろに位置することができ、これらの間の導電性ポストを介して電気的接触が行われる。

更に、有利には、前記全体的な超音波トランスデューサエリアは、複数のタイルからなることができる。例えば、１つの超音波トランスデューサマトリクスアレイタイルは、前記中心領域と前記中心領域の向かい合っている縁に配置された前記枝領域のうち２つを有することができ、少なくとも１つの他の超音波トランスデューサマトリクスアレイタイルは、１以上の他の枝領域を有することができる。代替的には、前記全体的な超音波トランスデューサエリアは、少なくとも３つ、好ましくは４つの同一の超音波トランスデューサマトリクスアレイタイルからなることができる。各タイルは、前記マイクロビームフォーマを制御する特定の回路を有するＡＳＩＣを有することができる。前記ＡＳＩＣ上に、超音波送信層が、配置され、電気的に接続されることができ、それぞれの超音波トランスデューサ素子は、それぞれの素子を生成するように前記超音波送信層をダイシングすることにより作成されることができる。超音波トランスデューサマトリクスアレイタイルを使用する可能な実施例及び細部は、本発明の特定の実施例に関して下に更に記載される。

本発明の他の態様によると、超音波プローブを製造する方法が提案され、前記方法は、超音波トランスデューサ素子のマトリクスアレイをそれぞれ有する中心領域及び少なくとも３つの枝領域を有する全体的な超音波トランスデューサエリアを設けるステップを有し、各枝領域は、前記中心領域の少なくとも３つの縁の１つから延在する。前記方法は、更に、それぞれの枝領域が延在する前記中心領域の縁に平行な軸の周りで湾曲した構成に各枝領域を配置するステップを有する。

前記全体的な超音波トランスデューサエリアは、複数のタイルからなることができる。各タイルは、制御回路が標準的な半導体技術で作成されることができるＡＳＩＣを有することができる。前記ＡＳＩＣの表面において、超音波振動に対して作動されることができる材料から作成されることができる層が、堆積又は結合されることができる。この層は、マトリクスアレイに配置された複数のトランスデューサ素子を作成するようにダイシングされることができ、各素子は、関連付けられたＡＳＩＣにより制御されることができる。前記枝領域において、前記ダイシングカットの少なくとも一部は、前記中心領域の縁に平行に配置されることができ、前記中心領域の縁から、それぞれの枝領域が延在する。これにより、前記ＡＳＩＣに対する可とう性基板を仮定すると、前記枝領域は、前記それぞれの縁に平行な軸の周りで湾曲した形状に折り曲げられることができる。

本発明の態様及び実施例が、異なる対象を参照してここに記載されることに注意しなくてはならない。特に、一部の実施例は、超音波プローブに関して記載されているが、他の実施例は、超音波プローブを製造する方法に関して記載されている。しかしながら、当業者は、上記及び以下の記載から、他に通知されない限り、１つのタイプの対象に属するフィーチャの組み合わせに加えて、異なる対象に関するフィーチャの間の、特に装置型請求項のフィーチャと方法型請求項のフィーチャとの間の組み合わせは、この明細書で開示されていると見なされる。

超音波トランスデューサ素子の従来の湾曲マトリクスアレイを示す。 斜視図において、図１のマトリクスアレイの視野の表現を示す。 上面図において、図１のマトリクスアレイの視野の表現を示す。 方位角図において、図１のマトリクスアレイの視野の表現を示す。 仰角図において、図１のマトリクスアレイの視野の表現を示す。 本発明の一実施例による超音波プローブに対するマトリクスアレイ構成の斜視図を示す。 本発明の他の実施例による平らな中心領域を持つ超音波プローブに対するマトリクスアレイ構成の斜視図を示す。 図４の超音波プローブに対するマトリクスアレイ構成の断面を示す。 斜視図において本発明の一実施例によるリニアアレイピッチを持つ超音波プローブの視野の表現を示す。 上面図において本発明の一実施例によるリニアアレイピッチを持つ超音波プローブの視野の表現を示す。 方位角／仰角図において本発明の一実施例によるリニアアレイピッチを持つ超音波プローブの視野の表現を示す。 斜視図において本発明の一実施例によるフェーズドアレイピッチを持つ超音波プローブの視野の表現を示す。 上面図において本発明の一実施例によるフェーズドアレイピッチを持つ超音波プローブの視野の表現を示す。 方位角／仰角図において本発明の一実施例によるフェーズドアレイピッチを持つ超音波プローブの視野の表現を示す。 本発明の一実施例において使用する超音波トランスデューサのマトリクスアレイの断面図を示す。 本発明の一実施例による３つのタイルからなる超音波プローブ構成を示す。 本発明の一実施例による４つのタイルからなる超音波プローブ構成を示す。 本発明の一実施例による４つの同一のタイルを有する超音波プローブ構成を示す。 湾曲する前の本発明の一実施例による超音波プローブ構成に対するマトリクスアレイ構成の上面図を示す。 本発明の一実施例によるトランスデューサ素子の数を最小化するのに最適化されたマトリクスアレイ構成を持つ超音波プローブに対するマトリクスアレイ構成の上面図を示す。

図に示されたフィーチャは、概略的であり、正しい縮尺ではない。同じ又は同様のフィーチャは、同じ又は同様の参照符号でラベルづけされる。更に、図に示される表面上の線は、必ずしも、実際の接続又はトランスデューサ素子のセグメントを示すわけではないが、３次元表面を２次元の図面においてより明らかにするのを助けることを意図される表面輪郭を示しうる。

図１は、軸１０５の周りで折り曲げられる表面に沿って配置された超音波トランスデューサ素子１０３の従来のマトリクスアレイ１００を示す。前記マトリクスアレイは、二次元表面上に配置された超音波トランスデューサ素子の複数の列１０７及び行１０９を有する。例示的な湾曲マトリクスアレイは、１１．５ｍｍの曲率半径ＲＯＣ、方位角において１３０°の視野角α、及び１０ｍｍの仰角における開口幅ｗを持つ。超音波トランスデューサ素子１０３は、９０°のステアリングをサポートするように仰角方向においてフェーズドアレイピッチで配置される。

図２ａ，ｂ、ｃ及びｄは、図１に示される湾曲マトリクスアレイで得られる視野の斜視図、上面図、方位角図及び仰角図を示す。

図３は、超音波プローブに対する超音波トランスデューサマトリクスアレイ１の斜視図を示し、マトリクスアレイ１は、湾曲した十字形状を持ち、４つの枝領域１３を相互接続する中心領域１１を有する。領域１１、１３の各々は、超音波トランスデューサ３のマトリクスアレイ５を有する。枝領域１３は、中心領域１１のそれぞれの縁１５から延在する。枝領域１３の各々は、これが延在するそれぞれの縁に平行な軸の周りで湾曲される。

図３に示される実施例において、中心領域１１は、２つの方向において湾曲される複雑な湾曲表面を持つことができる。しかしながら、このような複雑な湾曲を持つトランスデューサ素子のマトリクスアレイを製造するのは難しいかもしれない。これは、例えば、前記トランスデューサ素子が作成される材料が１つの軸の周りで折り曲げ可能であることができ、これにより円筒状表面に容易に湾曲されるが、欠けている機械的可とう性／弾性のため複雑な湾曲形状に変形されることができないという事実のためでありうる。

したがって、図４に示されるように平らな中心領域１１'を持つ超音波トランスデューサマトリクスアレイ１'を提供することは、有利でありうる。平らな中心領域１１'は、湾曲した枝領域１３が延在する４つの縁を持つ長方形形状を持つことができる。平らな中心領域１１'のマトリクスアレイ５は、超音波トランスデューサ素子３のＡ列７及びＢ行９を有しうる。図４の実施例において、中心領域１１'は、正方形（Ａ＝Ｂ）である。枝領域１３のマトリクスアレイ５は、中心領域１１'の縁１５の１つに直接的に隣接し、各々が、これらが延在する中心領域１１'の縁１５の寸法と同じ幅を持つ。したがって、枝領域１３は、幅方向においてＡ又はＢのトランスデューサ素子３を持ちうる。しかしながら、これらの長さは、異なりうる。原理的に、前記枝領域の各々は、異なる長さ及び異なる曲率半径を持ちうるが、しかしながら、前記枝領域の各々に同じ長さ及び同じ曲率半径を提供し、これにより対称的構成を達成することは、有利でありうる。

図５は、図４に示される超音波トランスデューサマトリクスアレイ１'の断面を示す。２つの湾曲した枝領域１３は、縁１５において平らな中心領域１１'から延在する。

図４に示される十字形状湾曲超音波トランスデューサマトリクスアレイを持つ超音波プローブの視野は、完全な回転楕円体でなくてもよく、直交する開口のどちらも適切な画質を提供することができない"角"におけるギャップが存在しうる。

このような十字形状超音波トランスデューサの実際の視野は、前記超音波トランスデューサ素子のマトリクスアレイの基本的な幾何形状、及び素子ピッチに依存しうる利用可能なステアリングの両方に依存しうる。

全体的なマトリクスアレイが、方位角及び仰角の両方においてリニアアレイピッチでダイシングされる場合、ステアリングは、通常、約４５°に制限される。図６ａ、ｂ、ｃは、斜視図、上面図及び方位角／仰角図において結果として生じる視野をそれぞれ示す。このアプローチは、複合アレイの結合された平行移動及びステアリングを越えうる"角"におけるギャップとともに、理想的な回転楕円体視野の約半分の被覆率を提供することができる。

このようなトランスデューサは、例えば図１に示される単一の湾曲マトリクスアレイを用いて可能であるものより大きな視野上で、前記アレイの中心を通る横断面において改良された画質をも提供することができる。上記の視野向上に加えて、前記横断面における画質は、ステアリングのみに依存する代わりに、当該方向における湾曲リニアアレイ動作を提供することによっても同様に向上しうる。図１に示される湾曲マトリクスアレイは、仰角においてフェーズドアレイピッチを持つ場合にのみ図２ｄに示されるように仰角において９０°の視野を達成することができるが、図３又は４に示される十字形状アレイは、より大きなリニアアレイピッチでダイシングされる場合でさえも仰角において１３０°の視野を持つ。改良された画質は、仰角方向におけるより大きな利用可能な開口に起因する。

図３又は４に示されるこのような十字形状アレイが、図１に示される従来の湾曲マトリクスアレイより少数の超音波トランスデューサ素子及びそれぞれのマイクロチャネルを持つことができることに注意してもよい。例えば、図１に示される従来の湾曲マトリクスアレイが、１２８列及び６４行を有し、したがって、１２８×３２＝８１９２の個別のトランスデューサ素子及びマイクロチャネルを有するとする。９０°の視野を得るために、前記Ｂ行は、フェーズドアレイピッチでダイシングされなければならない。図３又は４に示される十字形状アレイが対称であり、いずれの主軸の寸法も図１のアレイと同じであるとする。更に、前記アレイが、両方の方向においてリニアアレイピッチでダイシングされ、前記十字アレイの各々に対して方位角方向において１２８列及び仰角方向において３２列が存在するとする。前記アレイ内の素子の総数は、２×（１２８×３２）−３２×３２＝７１６８の個別のアレイ素子である。前記十字アレイは、より多くの表面積を持ちうるが、両方の方向においてリニアアレイピッチでダイシングされるので、より少数のアレイ素子を持つ。

図７ａ、ｂ、ｃは、前記アレイ全体が仰角においてフェーズドアレイピッチを提供するようにダイシングされる本発明の一実施例による超音波トランスデューサマトリクスアレイを持つ超音波プローブに対する視野の斜視図、上面図及び方位角／仰角図をそれぞれ示す。これは、約９０°のステアリングを提供することができる。この場合、増大されたステアリングは、理想的な回転楕円体視野の大幅に多くの被覆率を提供することができる。図９に対して以下に更に記載されるように、前記アレイ全体をフェーズドアレイピッチでダイシングすることは、必要でなくてもよい。

図７に示される実施例において、図１に示される従来の湾曲マトリクスアレイに対して上で論じられたように１３０°の方位角視野を持つマトリクスアレイは、前記超音波プローブの様々な領域に対して使用されている。その結果は、９０°のステアリングを持つ図１の従来の単一の湾曲マトリクスアレイに対して５０％よりいくらか低い視野の向上でありうる。前記方位角視野が、１３０°より上に増大される場合、視野向上は、図７に示されるものを超えて増大しうる。

上で示された視野向上に加えて、横断面における画質は、ステアリングのみに依存する代わりに、当該方向における湾曲リニアアレイ動作を提供することにより向上しうる。

図８は、超音波トランスデューサ３のマトリクスアレイ５の断面図を示す。共通の折り曲げ可能基板３１において、複数の制御回路３７が一体化されている。制御回路３７の各々は、超音波振動に対して作動されることができる関連付けられた層構成３５に接続３３を介して接続される。前記層構成は、音響インピーダンスマッチを向上するための１以上の追加の層と一緒に圧電層を有することができ、これにより音響スタックを形成する。接続３３は、フリップチップ技術により確立されている。複数の振動層構成３５は、まず、全体的な層構成を基板３１に接続し、この後に、これをダイシングし、これにより複数の振動層構成３５を分離することにより製造されることができる。

図９ないし１１に示されるように、本発明の実施例による超音波プローブの全体的な超音波トランスデューサエリアは、複数の超音波トランスデューサマトリクスアレイタイル２１、２３、２５からなることができる。前記全体的な超音波トランスデューサエリアは、少なくとも３つ、しかしおそらく４以上のＡＳＩＣを有することができる。図９ないし１１に示される実施例において、対称的な全体的な超音波トランスデューサエリアが示されるが、対称性は必要条件ではない。

図９及び１０は、２つの異なるＡＳＩＣ設計Ａ、Ｂが使用される２つの実施例を示す。前記２つの設計は、非常に似ている可能性が高くてもよく、システムＩ／Ｏ２７は、前記ＡＳＩＣの外縁にあることができる。前記ＡＳＩＣは、前記音響スタックに結合する前にタイリングされることができる。代替的には、事前結合ＡＳＩＣ／音響スタックサブアセンブリが、タイリングされてもよい。前記事前結合サブアセンブリは、
（ｉ）タイル配置が十分に良好であるか、又は
（ｉｉ）位置合わせミスに対処する較正プロシージャが存在するか、
のいずれかの場合に、タイリングの前にダイシングされることができる。

そうではない場合、前記全体的なトランスデューサエリアは、以下に示されるようにタイリングの後にダイシングされることができる。前記タイリングは、後の湾曲のために可とう性にされる又はされることができる基板上で行われるべきである。

前記ＡＳＩＣが、前記音響スタックに結合する前にタイリングされる場合、プローブ構成に対して２つの基本的な選択肢が存在しうる。前記タイリングされたＡＳＩＣサブアセンブリは、単一の大きな音響スタックに結合されてもよいが、これは、結果的に未使用の角（正方形対称性を持つ設計に対して全体的なエリアの４／９）から大量の無駄を生じうる。このプロセスが、複数のプローブサブアセンブリの使用を可能にする場合、前記プローブは、図９及び１０に示されるＡＳＩＣと同じ構成で、３又は４ピースのいずれかを有しうる。

図１１に示されるように、単一ＡＳＩＣ設計と同じアプローチを使用することも可能である。この場合、２つの直交する開口は、同じでなくてもよい。

この点において、前記全体的なトランスデューサエリアを含む超音波ユニットは、前記ＡＳＩＣ／プローブサブアセンブリがタイリングされる場合にまだダイシングされていないと仮定して、ダイシングの準備ができていることができる。タイリングの後にダイシングされる場合、前記アレイ素子は、互いに対して適切に位置合わせされることができるが、基礎となるＡＳＩＣは、わずかにずれていてもよい。

図１２は、ダイシングの後のアレイ幾何形状を示す。前記ユニットは、この場合、湾曲の準備ができていることができる。前記基板は、折り曲げ可能材料を使用することにより十分に折り曲げ可能にされることができる。代替的には、剛体材料が、裏面ダイシングにより折り曲げ可能にされることができる。適切な曲率半径を得るためのツール及び技術は、従来の一次元トランスデューサアレイに対して使用されるものと同様でありうる。一次元トランスデューサアレイに対して、１つのアプローチは、特定の曲率半径を提供する湾曲ツール内に前記アレイ面を下にして配置し、前記ツールの面と接触するように押し込まれ、前記ＡＳＩＣ／アレイサブアセンブリの後ろで機械的支持構造に結合されることでありうる。他のアプローチは、機械的支持構造上に前記アレイ面を上にして結合することでありうる。これらの方法のいずれかが、図１に示される従来の湾曲マトリクスアレイに対して使用されることができる。同様の技術は、真ん中に平らな中心領域が存在することができ、そこから延在する湾曲した枝領域の２つのセットが存在することができるので、前記ツール及び機械的支持がより複雑であることができることを除き、前記十字形状マトリクスアレイに対して使用されることができる。

湾曲の後に、アレイ製造は、超音波トランスデューサプローブに対する従来のマトリクスアレイに使用されるものと同様の技術を使用して完了されることができる。

上に示されたように、図７に示される視野を達成するように前記アレイ全体をフェーズドアレイピッチでダイシングすることは、必要でなくてもよい。図１３は、前記全体的なアレイの各直交するサブセットに対して仰角方向における９０°ステアリングを提供するダイシングパターンを示す。各方向においてダイシングする間に、前記ピッチは、前記中心領域において半分にされることができる。これは、結果として、枝領域１３において方位角においてλ及び仰角においてλ／２であり、中心領域１１においてλ／２×λ／２である素子を生じることができる。このアプローチは、中心領域１及び枝領域１３を形成する前記マトリクスアレイの各々に対して異なるマイクロチャネル設計を必要とするかもしれないが、これは、マイクロチャネルの総数を最小化することができる。

図１３のダイシングアプローチを図１１の特定のタイリング構成に適合するために、λ×λ／２又はλ／２×λ／２のいずれかと対応するようにＡＳＩＣ設計のチップ上に一部のマイクロチャネル場所に対する十分な可とう性を組み込むことが、必要でありうる。

"有する"のような用語が他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞"１つの"が複数の要素を除外しないことに注意すべきである。また、異なる実施例に関連して記載れた要素は、結合されることができる。請求項内の参照符号が請求項の範囲を限定すると解釈されるべきでないことにも注意すべきである。

Claims (14)

1. 超音波プローブに対する超音波トランスデューサマトリクスアレイにおいて、
   超音波トランスデューサ素子のマトリクスアレイを有し、少なくとも３つの縁を持つ中心領域と、
   超音波トランスデューサ素子のマトリクスアレイをそれぞれ有する少なくとも３つの枝領域であって、各枝領域が、前記中心領域の前記縁の１つから延在し、各枝領域が、それぞれの前記枝領域が延在する前記中心領域の縁に平行な軸の周りで湾曲される、当該少なくとも３つの枝領域と、
   を有する全体的な超音波トランスデューサエリアを有し、
   前記中心領域及び前記枝領域の各々のマトリクスアレイが、複数の行及び複数の列に配置されたトランスデューサ素子を有する２次元マトリクスアレイである、
   超音波トランスデューサマトリクスアレイ。
2. 前記中心領域が平らである、請求項１に記載の超音波トランスデューサマトリクスアレイ。
3. 前記中心領域及び前記枝領域が、超音波トランスデューサ素子のＡ行及びＢ列のマトリクスを持つ長方形中心領域と、超音波トランスデューサ素子のＡ行及びＣ列のマトリクスをそれぞれ持つ２つの枝領域と、超音波トランスデューサ素子のＤ行及びＢ列のマトリクスをそれぞれ持つ２つの枝領域とを有する十字形状を一緒に形成する、請求項１又は２に記載の超音波トランスデューサマトリクスアレイ。
4. 前記中心領域及び／又は前記枝領域のトランスデューサ素子のマトリクスアレイの少なくとも一部が、フェーズドアレイピッチで配置される、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサマトリクスアレイ。
5. 前記中心領域のトランスデューサ素子のマトリクスアレイが、両方の主要な方向においてフェーズドアレイピッチで配置され、前記枝領域の各々のトランスデューサ素子のマトリクスアレイが、それぞれの前記枝領域が延在する縁に平行な主要な方向のみにおいてフェーズドアレイピッチで配置される、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサマトリクスアレイ。
6. 前記超音波トランスデューサ素子が、折り曲げ可能な基板を備える、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサマトリクスアレイ。
7. 前記超音波トランスデューサ素子の各々が、関連付けられた制御回路を持つ、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサマトリクスアレイ。
8. 前記関連付けられた制御回路が、共通の基板において一体化される、請求項７に記載の超音波トランスデューサマトリクスアレイ。
9. 前記超音波トランスデューサ素子の各々が、超音波振動に対して作動されることができ、基板に含まれる制御回路を備える層構成を有し、前記層構成が、フリップチップ技術により前記基板に機械的に取り付けられる、請求項８に記載の超音波トランスデューサマトリクスアレイ。
10. 前記全体的な超音波トランスデューサエリアが、
    前記中心領域及び前記中心領域の向かい合っている縁に配置された前記枝領域のうち２つを有する１つの超音波トランスデューサマトリクスアレイタイルと、
    他の枝領域を有する少なくとも１つの超音波トランスデューサマトリクスアレイタイルと、
    からなる、請求項１ないし９のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサマトリクスアレイ。
11. 前記全体的な超音波トランスデューサエリアが、少なくとも３つの同一の超音波トランスデューサマトリクスアレイタイルからなる、請求項１ないし９のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサマトリクスアレイ。
12. 超音波プローブに対する超音波トランスデューサマトリクスアレイを製造する方法において、
    超音波トランスデューサ素子のマトリクスアレイを有し、少なくとも３つの縁を持つ中心領域、及び
    超音波トランスデューサ素子のマトリクスアレイをそれぞれ有する少なくとも３つの枝領域であって、各枝領域が、前記中心領域の前記縁の１つから延在する、当該少なくとも３つの枝領域、
    を有する全体的な超音波トランスデューサエリアを設けるステップと、
    それぞれの前記枝領域が延在する前記中心領域の縁に平行な軸の周りで湾曲した構成で各枝領域を配置するステップと、
    を有し、
    前記中心領域及び前記枝領域の各々のマトリクスアレイが、複数の行及び複数の列に配置されたトランスデューサ素子を有する２次元マトリクスアレイである、
    する方法。
13. 前記中心領域が、平らな構成に配置される、請求項１２に記載の方法。
14. 前記超音波トランスデューサ素子の各々が、超音波振動に対して作動されることができ、基板に含まれる制御回路を備える層構成を有し、前記層構成が、フリップチップ技術により前記基板に機械的に取り付けられる、請求項１２又は１３に記載の方法。

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