JP6124897B2 - 超音波トランスデューサ及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、超音波トランスデューサ及び複数のトランスデューサのアレイの設計及び構成に関する。
本出願は、非仮出願であり、引用によって本願に援用される、2011年9月20日に出願された米国出願番号第61/536,636号の優先権を主張する。
現代の医療分野において、超音波は、高速で、非侵襲的で、費用対効果に優れたイメージング及び治療の方式を提供する。超音波の用途は、フェイズドアレイの構成及びエレクトロニクス技術の進歩と共に急速に成長している。超音波及び超音波エネルギ場は、超音波トランスデューサからイメージングされ又は治療を受けるボリュームに投写される。トランスデューサは、入力電気駆動信号に応じて機械的な寸法が変化する物質から形成され、入力電気駆動信号エネルギを出力超音波エネルギに変換する原理に基づいて動作する。また、用途によっては、トランスデューサは、入射した音波による寸法の圧縮がトランスデューサの材料内に電気的応答を励起又は誘導する逆方向の機械−電気変換プロセスによって、入射した超音波エネルギを、測定可能な電気エネルギに変換することもできる。超音波トランスデューサ素子の製造に使用される一般的な材料は、圧電結晶材料、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(lead zirconate titanate:PZT)及びこれに類する材料である。
送信モードにおいては、超音波エネルギが送信トランスデューサの面から出射され、適切な媒体、通常、流体若しくは粘弾性物質、又は超音波の伝播が可能な他の媒体を介して、既知の音響エネルギ伝播の法則に基づいて伝播する。トランスデューサデバイス又はアレイによってイメージング又は治療される患者の組織は、粘弾性流体に近似するものとして扱われることがあり、患者の体内での超音波の伝播に影響を与える、判定可能な音速及び吸収係数等の音響パラメータを有する。
複数の超音波ソース又はトランスデューサ素子は、1次元及び2次元に構成されたアレイにグループ化することができる。超音波素子のそれぞれ(又はグループ)について電気駆動信号を制御することによって、アレイ全体から出射された音場を空間的及び時間的に制御及び方向付けすることができる。コンピュータによって制御される駆動回路を用いて、アレイの素子に供給される電気駆動信号の振幅及び位相の両方を個々の素子レベルで制御することができる。
トランスデューサ素子のサイズが十分小さければ、トランスデューサから離れた相対的距離から観測した場合、トランスデューサ素子は、超音波の点音源(point source)として機能する。超音波アレイの所謂遠方場挙動(far-field behavior)は、多くの場合、アレイを構成する各トランスデューサからの累積的な効果を考慮することによって近似される。多くのトランスデューサ素子のアレイでは、一般的に、少なくとも線形系における1次近似の結果として重ね合わせの原理(principle of superposition)が働き、総合的な超音波場は、何らかの空間的及び時間的インスタンスにおけるアレイの個々の素子の効果の総和を求めてアレイ全体の正味の場を知ることによって導出される。したがって、フェイズドアレイによって、(所与の空間的分布を有する)超音波ビームを生成でき、トランスデューサを操縦又は位置変更するための機械的手段を用いることなく、ターゲットボリュームにおいてビームを電気的に操縦及び焦点合わせすることができる。位相収差補正(phase aberration correction)アルゴリズムを用いて、複数の位置において、音響パワー付与(acoustic power deposition)を正確且つ速やかに制御でき、脂肪や筋肉等の異なる組織層を介して、ビームを操縦及び焦点合わせすることができる。これらの独特な能力を利用して、高速立体イメージング(fast volumetric imaging)及び体内の深部に存在する癌組織の凝固を容易に実行できる。
柔軟で正確なビーム成形及び操縦が可能なフェイズドアレイの構造のためには、複雑で高度な設計及び製造が必要である。超音波アレイ設計で用いられることがある1つの設計基準では、グレーティングローブ(grating lobe)等の不要な2次ピークを回避するために、アレイ素子間の中心間距離(又はピッチ)を波長の半分以下とする。しかしながら、周波数を高くし(すなわち、波長を短くし)、及びアレイ構成を1次元から2次元に変更すると、フェイズドアレイの小さな素子の数が増加する。素子サイズが小さくなると、個々の素子への電気的接続の複雑性が高まるだけではなく、素子の電気的インピーダンスも高くなる。
小さいアレイ素子の電気的インピーダンスが大きくなると、通常50WであるRF駆動システム(ソース)と、アレイ素子との間で電気的インピーダンス不整合が生じる。診断用フェイズドアレイにおいては、このインピーダンス不整合により、送信モードにおける音響パワー出力が低下し、この結果、受信モードにおいて感度及び信号対雑音比(SN比)が劣化する。同様に、高パワーの治療用アレイでは、これによって、電気−音響パワー変換が劣化する。従来の技術では、各素子について電気的インピーダンス整合回路を使用することでこのような問題を解決していた。この解決策では、製造コストが高くなるため、この従来の手法は、多数の素子を有するフェイズドアレイに対しては理想的ではなく、又は効率的ではなかった。この理由のために、素子は、通常、整合回路を使用しないで素子に伝えられるパワーを最大にするために、ソースインピーダンスに近い電気的インピーダンスを有するように設計されている。
電気的整合回路を用いることなくアレイ素子の電気的インピーダンスを低減することも検討されている。幾つかの手法では、テープ成形(tape casting)のための厚膜プロセスを用いて圧電材料の複数の層(N個の層)を積層して、素子の電気的インピーダンスをN分の1に低減する。しかしながらこの手法のための製造プロセスは、複雑で高価である。同様に、ダイス加工及び充填(dice-and-fill)法を用いて接合された多層セラミック及び合成体がアレイ素子に伝えられる電気的パワーを向上させることがある。これによって、製造工程の複雑性を改善できるが、接合層の整列及び層割れに関する他の問題が生じる。
少なくとも超音波、医療用イメージング、超音波療法の分野、並びに音響トランスデューサ技術の他の医療用途及び産業用途で有用な改善されたトランスデューサ設計、トランスデューサの製造方法及びトランスデューサのアレイが望まれている。
本発明の側面は、フェイズドアレイ構造のための多層横モード結合方法に関する。製造工程は、簡単で安価であり、素子は、強靱であり、長期間の動作に亘って構造上の欠陥を生じることがない。更に、治療送達に必要なハイパワー出力を実現するアレイ構造を提案する。
本発明の装置及び方法の更なる側面は、フェイズドアレイ構造のために多層横モード結合方法に関する。幾つかの実施形態では、この方法を用いて製造されたフェイズドアレイの電気的インピーダンスは、既存の方法に比べて実質的に低減され、ソースインピーダンスに近付くように容易に制御でき、したがって、電気的整合回路を使用することなくアレイを駆動できる。幾つかの側面では、多層トランスデューサ素子は、圧電セラミック板の横モードで駆動され、このような素子のアレイは、例えば、医療用の超音波の分野で使用するために設計及び製造される。
幾つかの側面では、N−層横モードトランスデューサの総合的な電気的インピーダンスは、厚みモードで駆動される単層トランスデューサの(Nt/w)分の1である(wはアレイ素子の幅であり、tは、厚さである)。
様々な実施形態によって、診断及び治療用のフェイズドアレイに関連する製造コストを削減することができる。幾つかの実施形態では、アレイ設計における電気的インピーダンス整合回路の必要性を低減又は排除できる。ハイパワー治療用アレイは、アレイ素子から熱を遠ざけるように電極が構成され、及びこの横モード励起の方法によってトランスデューサの層割れが回避されるので、より実用的又は実現可能である。
幾つかの実施形態では、イメージングアレイの場合、本発明の技術を用いて、100MHz又はこれ以上の周波数を実現することができる。
ある実施形態では、トランスデューサ素子の音響アレイを製造する方法を提供し、この方法は、電気駆動信号によって励起されると、素子が音響エネルギを放射する方向である第1の軸に沿った第1の寸法を含む空間的な範囲を画定する複数の寸法をそれぞれ有する複数の音響トランスデューサ素子を準備するステップと、アレイのアクティブな面において、第1の軸に実質的に直交する少なくとも第1の軸に沿って、複数のトランスデューサ素子を機械的に配置するステップと、トランスデューサ素子に電気駆動信号を供給する電極として機能する複数の導電箔を準備し、導電箔を複数の音響トランスデューサ素子の間に挟み、隣接するトランスデューサ素子の隣接する対が隣接するトランスデューサの対の間にある同じ電極を共有するようにするステップと、導電電極を介して、電気駆動信号によって複数のトランスデューサ素子を駆動するステップとを有する。
他の実施形態は、音響アレイデバイス、装置又はシステムを提供し、音響アレイデバイス、装置又はシステムは、複数の音響トランスデューサ素子を備え、各トランスデューサ素子は、複数素子トランスデューサアレイの要素であり、各トランスデューサ素子は、第1の軸に沿って、受信電気駆動信号に機械的に応答し、第1の軸に実質的に直交する第2の軸に沿って、トランスデューサの対応する反対面に電気的に接続された電極の対によって供給される受信電気駆動信号によって、第1の軸に沿って振動し、複数のトランスデューサ素子は、アレイの面において、2つの隣接するトランスデューサ素子の間に配置される共通電極が、2つの隣接するトランスデューサ素子の間で共有され、隣接するトランスデューサ素子のそれぞれにとって、対の電極の1又は対として機能するように互いに配置されている。
本発明の性質及び利点を明瞭にするために、以下の添付の図面を参照して、好ましい実施形態を詳細に説明する。
厚みモード及び横結合モードで駆動される圧電セラミックPZTの例示的な概略図である。 共有された電極構造を有する単一の2層PZTの例示的な概略図である。 例示的な実施形態を示しており、(a)は、32素子イメージングアレイ又は42素子HIFU線形アレイを検査する実験配置を示す図であり、(b)は、アレイの中心を原点とするデカルト座標系を示す図である。 例示的なファントムと、ファントム内に収容されたワイヤとを示す図である。 (a)厚みモードで駆動される単層トランスデューサ及び(b)横モードで駆動される2層トランスデューサの間で電気的インピーダンス測定値を比較するグラフ図である。 (1)横モード、(2)2層アレイ素子に対応する厚みモード、及び(3)単層トランスデューサに対応する厚みモードの水中の32素子のフェイズドアレイ素子の電気的インピーダンスの(a)振幅及び(b)位相の測定の幾つかの具体例を示す図である。 32素子イメージングアレイの中心素子からの例示的なパルスエコーインパルス応答を示す図であり、(a)及び(b)は、測定された送信パルス及びその対応する正規化されたFFTを示す図であり、(c)及び(d)は、パルスエコー測定値及び波形の対応する正規化されたFFTを示す図である。 アレイを(0,0,30)mm(a及びb)及び(0,10,30)mm(c及びd)に焦点合わせした場合におけるXY及びYZ平面における放射圧力場振幅測定(radiated pressure amplitude field measurements)を示す図である。 ファントム内の4本のナイロンワイヤのスキャンイメージを示す図である。 横振動モードの4層PZTのトランスデューサの例示的な概略図である。 横振動モードの4層PZTのトランスデューサの周波数スペクトルを示す図である。 横振動モードの二重周波数2層PZTのトランスデューサの具体例を示す図であり、(a)は、二重周波数トランスデューサの個々の素子の構造を示す図であり、(b)は、完全に組み立てられた二重周波数トランスデューサを示す図である。 2次元アレイのための6層トランスデューサ素子の構造及び実際の6層素子を例示的に示す図である。 (a)6層素子を用いて製造された8×8の2Dアレイの概略、(b)低温はんだボールを用いる電気的コネクタを有するアレイの底面及び(c)8×8の2Dアレイの写真を示す図である。
上述のように、フェイズドアレイの電気的インピーダンスを低減し、電気的インピーダンスを制御して、ソースインピーダンスに近付け、電気的整合回路を用いることなくアレイを駆動することが望ましい。また、特に比較的大きいパワー又は比較的長い動作時間での動作の間、トランスデューサ又はトランスデューサアレイの領域から熱を除去し、許容される使用温度範囲内に維持することも望まれている。これは、望ましくない又は想定されていない動作中の温度上昇によって、トランスデューサ若しくはアレイ、又は他の部品の物理的特徴に望ましくない影響又は変化が生じ、又は離調が生じるような場合に特に望まれる。
本発明者及び/又は出願人の一部又は全部によって、改善されたトランスデューサ素子設計及びトランスデューサの製造方法が出願されており、これらは、引用によって本願に援用される。例えば、米国特許出願番号第11/600,301号及び仮出願番号第60/736,713号に基づく米国特許公開番号第2007/0167764A1号は、引用によって本願に援用される。
本発明は、診断及びHIFUフェイズドアレイの構築に使用することができる多層横モードトランスデューサ素子(multilayer lateral mode transducer element)(及び/又はアレイ)の設計及び組立、使用及び駆動の方法の概念を提供する。本発明に基づくシステム及び方法は、小さな幅厚比で効率的且つ簡単にアレイ素子の大きな電気的インピーダンスを低減すると共に、高パワー用途で温度を低下させる。
例示的な実施形態として、及び横方向結合(lateral coupling method)の妥当性を検証するために、以下では、当業者にとって拡張が自明な具体例として、1次線形32素子(770kHz)イメージング及び42素子(1.45MHz)高密度焦点式超音波(high intensity focused ultrasound:HIFU)フェイズドアレイの構成及び性能を説明する。以下の説明及び具体例は、この横モード結合(present lateral mode coupling)技術の利点を示している。この具体例における両方のアレイは、本発明者によって検査され、電気的整合回路なしで駆動されている。これによって、アレイを製造する時間が短縮され、製造コストが削減され、複雑性が低減される。設計において更なる層を追加することで、簡単に、電気的インピーダンスを更に低減することができる。
好ましい実施形態では、本発明の多層トランスデューサ素子は、圧電セラミックプレートの横モードで駆動される。性能を最大にするために、軟質PZT−5セラミックプレートからアレイを形成し、硬質PZTセラミックプレート(例えば、PZT−4)に比べてより高い誘電率(ε)、結合係数(k31)及び圧電定数(d31)を利用した。表1は、硬質PZT−4と軟質PZT−5のセラミックの材料特性を示している。もちろん、これらの特性は、例示的なものに過ぎず、この具体例を説明するためのものであり、本発明の範囲に含まれる可能な特性の範囲を制限又は排除することを意図するものではない。
Figure 0006124897
PZT−5は、PZT−4に比べてk31及びd31が大きいため、横方向における送信音響パワー出力及び受信感度が高い。その高い誘電率は、電気的インピーダンスを低減し、これにより、硬質PZTでトランスデューサを製造した場合に比べて、電気的インピーダンスを低減する労力が少なくなる。これらの結果は、高パワー用途のために一般的に用いられていなかったより柔らかい材料によって、HIFU用途においても、適切なパワー出力が達成されることを示している。
幾つかの側面では、この横モード結合技術は、製造を容易にし、このデバイスの電気的インピーダンスを低減する。ここでは、大きなセラミックプレートから開始し、製造の開始時に、顕微鏡を用いてこれらを接合したので、アラインメント誤差の問題はなかった。幾つかの実施形態では、20μmの厚さの銀箔を用いて、接合層の厚さを約25μm以下となるように制御することによって、接合層が厚い場合に生じる機械的な適応性及び結合の損失を減少させた。接合層の厚さは、より薄い中間導体箔を用いることによって、更に薄くすることができる。更に2つのトランスデューサ層は、収縮及び膨張の何れにおいても常に同様に振動したので、2層横モードトランスデューサについては、層割れ問題は、全く観測されなかった。
横モードで駆動される多層圧電セラミックアレイ素子については、複数のトランスデューサ層を電気的に並列に接続し、これらを従来とは異なる機械振動モードである横モードで駆動することによって、素子の電気的インピーダンスを最小化することができる。
図1は、(a)単層トランスデューサ、(b)2層トランスデューサ及び(c)2層横モードトランスデューサの3つの異なるアレイ素子構成の具体例を示している。具体的には、図1(a)は、(振動方向矢印102によって示す通り)厚みモード(thickness mode)で駆動される単層PZT100を示している。図1(b)は、厚みモードで駆動される2層PZT110を示している。図1(c)は、2層横モードPZT120を示している。3つのPZTの全体的な寸法は、同じである。PZT結晶の極性は、PZT素子の面に描かれているポーリング方向矢印によって示される。図1(a)及び(b)に示すトランスデューサは、厚みモードで駆動され、2層横モードトランスデューサ(図1(c))は、横モードで振動するように使用される。トランスデューサ層を含むアレイの素子は、小さい矢印で示すように、厚み方向にポーリングされる。解析を簡単にするために、ケーブル及び圧電トランスデューサでは、機械的及び電気的損失はないものと仮定する。厚さt、幅w、長さlの単層トランスデューサ(図1(a))は、以下の式で表される固定容量Cを有する。
Figure 0006124897
ここで、A(=l×w)は、電極面積であり、εは自由空間の誘電率(8.854×10−12F/m)でありεは圧電セラミックトランスデューサの比誘電率(定数)である。電気的インピーダンス(Z)は、容量に反比例する。単層トランスデューサの共振周波数は、厚さtに支配される。幅wは、波長の半分以下である。
図1(b)は、厚みモードで駆動されるt/2の層厚の2層トランスデューサを示している。全体的な寸法は、単層トランスデューサと同じである。トランスデューサの厚さtが同じであれば、共振周波数は、単層トランスデューサと実質的に同じになる。トランスデューサ層間の内側電極は、接地され、外側電極は、信号線に接続される。2層トランスデューサの総合的な固定容量(C)及び電気的インピーダンス(Z)は、以下の通りである。
Figure 0006124897
単層トランスデューサに比べて、電極の総表面積(A)は、2倍になり、素子厚さ(t)は、半分になっている。この結果、総合的な電気的インピーダンスは、4分の1に低下する。
2層横モードトランスデューサ(図1(c))では、トランスデューサは、厚みモードではなく、横モードの共振周波数で駆動される。トランスデューサに電場が印加されると、2つの層は、膨張及び収縮の何れにおいても同じ位相で同時に、横方向に振動する。図1(b)に示す2層トランスデューサと同様、層間の内側電極は、接地され、外側電極は、信号線に接続され、したがって、層は、電気的に並列に接続される。厚みモードで駆動される単層アレイ素子に対する2層横モード素子の構造の基本的な違いは、各層の厚さが単層素子の幅の半分である点であり、層の幅は、単層素子の厚さと同じである。したがって、2層横モードトランスデューサの総合的な電極面積A及び層厚tは、以下の通りである。
Figure 0006124897
総合的な固定容量C及び電気的インピーダンスZは、以下の通りである。
Figure 0006124897
フェイズドアレイの製造にλ/2中心間隔設計ルールを用いた場合、幅厚比は、常に1より小さい。したがって、2層横モードトランスデューサの電気的インピーダンスは、厚みモードで駆動される単層及び2層トランスデューサの何れよりも小さい。トランスデューサの厚さtは同じであるので、トランスデューサの共振周波数は、単層トランスデューサの共振周波数と同じ又は略々同じとなる。
この例示的な具体例は、当業者に説明するためのものであり、表現され又は示唆された説明によって本開示又は発明の範囲に含まれる実施形態を制限するものではない。一般性又は理解を損なうことなく、この文脈において他の幾何学的形状、寸法及び材料特性、並びに駆動信号を使用することができる。
表2は、例示的な実施形態において、厚みモード及び横モードで駆動されるn層トランスデューサ間の電気的インピーダンスの総合的な比較を示している。
Figure 0006124897
直接的な比較により、n層横モードトランスデューサの総合的な電気的インピーダンスが厚みモードで駆動される単層トランスデューサの(nt/w)分の1であることがわかる。
厚みモード及び横モードのトランスデューサの性能を比較するために、各手法によって同じ寸法の素子を製造した。両方のトランスデューサの全体的な寸法を同じにし、厚さtを2.4mmとし、幅wを0.83mmとし、長さlを20mmとした。2層PZT−5トランスデューサの単一の層厚は、0.4mmであり、この結果、幅厚比は、0.33であった。導電性エポキシ及び銀箔の接合層の厚さは、約0.05mmであった。
また、イメージング及び治療用途のための2つの1次元線形フェイズドアレイのプロトタイプを圧電セラミックプレートから製造した。2つのフェイズドアレイの設計パラメータを表3に示す。
Figure 0006124897
何れのアレイも2層横モードトランスデューサ素子によって製造した。イメージングフェイズドアレイは、中心周波数が750kHzの32個の素子から構成されている。これは、経頭蓋イメージング用途のために設計されている。各素子の厚さは、2.4mmであり、長さは、20mmであり、幅は、0.83mmである。42素子の高密度焦点式超音波(HIFU)フェイズドアレイは、前立腺腫瘍焼灼療法等の腔内用途のために製造されている。素子の中心周波数は、1.5MHzであり、寸法は、14mm(l)×0.43mm(w)×1.2mm(t)である。
図2は、導電性(例えば、銀)エポキシ終端点202を有し、軟質エポキシ媒体(soft epoxy medium)204によって分離されているPZT素子200の複数の層(2つを示している)の配置を示している。組立体の両端には、一対の導電性(例えば、銀)電極206、208が設けられており、ここに駆動信号が供給される。この図に示すように、PZT素子200は、高電導性(例えば、金、Au)箔210の薄層の間に挟み込まれた一対の実質的に平行なプレートとして構成されている。PZT200は、横モードで駆動される。幾つかの実施形態では、2層PZT200の総合的な厚さwは、所与の動作(中心)駆動周波数の波長の半分未満である。
このように素子を互いに隣接して積層した組立体(行)又はパッキングされた組立体(行及び列、格子、ランダムに配置された素子、放射状に配置された素子等)を形成することによって、全体的に2次元又は3次元のトランスデューサアレイを構築することができる。幾つかの実施形態では、ここに説明するように、電気的に駆動される一組のトランスデューサ素子を用いて、温熱療法、焦点式超音波又は高強度超音波治療システムに使用される制御可能な超音波場を形成する。このように駆動される素子のアレイを共に用いて、疾患を患う患者に所望の熱治療を行うことができる超音波領域の音場を提供することができる。
このPZTシステムは、診断用途にも使用できる。例えば、システムは、イメージングアレイとしての使用される32素子のアレイを備えていてもよい。更に他の用途として、上述した横モード結合法によって複数(例えば、数十又は数百)の駆動素子を用いて、腔内高密度焦点式超音波(HIFU)アレイを構築してもよく、ここでは、実施形態に基づく単一の2層横モードトランスデューサ素子の概略図を示している。
イメージング用のフェイズドアレイ及びHIFUフェイズドアレイの基本的な製造工程は、同じである。例えば、イメージング用のフェイズドアレイ製造の第1の工程では、厚さ2mmの70mm×20mmの2枚のPZT−5プレート(例えば、米国ペンシルベニア州ステートカレッジのTRSセラミクス社(TRS Ceramics)のTRS610HD)を軟質エポキシ(米国マサチューセッツ州ビレリカ(Billerica)のエポキシテクノロジー社(Epoxy Technology:登録商標)301)によって接合した。2つのPZT−5トランスデューサを接合する前に、両側において厚さ20μmの銀箔(例えば、米国ペンシルベニア州オークデールのグッドフェロー(GoodFellow)社)の小片を2つのトランスデューサ間に挟み込み、銀エポキシ(例えば、米国マサチューセッツ州チングズバロのクリエイティブマテリアル(CreativeMaterials)社のGPC251)を用いて2つのトランスデューサの内側電極に電気的に接続した。この具体例では、トランスデューサ間の箔の比較的小さい部分を用いて電気的接続を形成することによって、銀箔を加えることによって生じる機械的コンプライアンスの変化等の問題を緩和又は解決している。また、箔は、素子とコネクタとの間の電気的接続をブリッジする役割も果たしている。接合工程では、機械的なクランプを用いて、2つのトランスデューサを圧縮し、過剰な接合材料を最小にし、総合的な接合層厚を制御して、銀箔の厚さと同じにした。一実施形態においては、ワイヤ接続のために1mmの余白を露出させて、約2mmの銀箔をトランスデューサ間に挟み込んだ。
内側電極は、信号線(+)に接続してもよく、頂部及び底部の他の電極の組はグラウンド(−)に接続してもよい。導電性エポキシ(例えば、銀エポキシ)は、銀箔の1つだけに塗布し、接地のために頂部及び底部の電極に接続してもよい。そして、図に示すように、トランスデューサの端部から1mmの部分で、挟み込まれている銀箔を切断するために十分な深さで接合されたトランスデューサをダイシングすることによって、接地された銀箔が内側電極から切り離される。切り口には、軟質エポキシを埋めてもよく、トランスデューサの表面に厚さ300nmの金を蒸着させた。個々の素子は、組み立てられた長さ70mm、幅20mmの2層PZT−5プレートから、長さ2.4mmにダイシングされる。特別に設計された長さ1mの同軸ケーブル(例えば、米国ペンシルベニア州バーウィンのプレシジョンインターコネクト(Precision Interconnect)社)を用いて、素子とZIFコネクタ(例えば、米国ミネソタ州シャコピーのITTキャノン(ITT Cannon)社)との間を電気的に接続してもよい。
最終的な組立工程の前に、銀箔を厚さ約20μmのパリレン及び軟質エポキシ薄膜によってコーティングし、隣接するアレイ素子の間の短絡を防止する。そして、素子間の機械的な結合を最小化するためにシリコーンを用いて個々の素子を接合する。組立の完了後、総合的な中心間距離を顕微鏡で測定し、水中で波長の半分以下となっていることを確認する。厚さ5cmの基材(例えば、PZT−4粉末/軟質エポキシ=2:1)をフェイズドアレイの背面に取り付ける。アレイ表面に厚さ10mmのパリレン層をコーティングして、腐食及び機械的損傷から素子を保護してもよい。
同様に、HIFUアレイのトランスデューサ素子は、2つの厚さ0.20mmのPZT−5セラミック(例えば、米国ペンシルベニア州ステートカレッジのTRSセラミクス社(TRS Ceramics)のTRS610HD)を用いて、例えば、14mm(l)×1.2mm(t)×0.43mm(w)の寸法に形成することができる。総合的な製造工程は、イメージングアレイと同様であってもよい。長い同軸ケーブルを使用することに代えて、素子をプリント回路板(PCB)に取り付け、厚さ50mmの銅線(例えば、米国カリフォルニア州グローヴァービーチのカリフォルニアファインワイヤ(California Fine Wire)社)を用いて、銀箔からPCBボードへの個々の電気的接続を実現してもよい。幾つかの実施形態のアレイでは、基材は、不要である。本発明の横モード結合方法を用いて、これらの及びこの他のアレイを構成できる。
この横モード結合方法の性能を検証するために、ネットワーク解析器を用いて、2層横モード素子の電気的インピーダンスを測定できる。単層厚みモードトランスデューサと2層横モードトランスデューサとの間の単純な電気的インピーダンスの比較は、空気中の測定を評価することによって行うことができる。イメージングアレイ及びHIFUアレイの総合的な電気的インピーダンス測定は、脱気脱イオン水内で行うことができる。
図3(a)は、アレイ310から放射される圧力場の測定の総合的な実験配置300を示している。タンクは、実験用デバイスを保持し、タンク壁からのあらゆる音響反射を最小化するために厚さ1cmのゴムで裏打ちされ、脱気脱イオン水(抵抗率>16MΩ−cm)で満たされ、溶残酸素レベルを1ppm未満とした。図3(b)は、この実験で用いたデカルト座標系320を示している。この図に示すように、座標系320の原点は、アレイ310の中心であり、音響軸は、z軸に平行である。イメージングアレイ及びHIFUアレイから放射される超音波圧力場は、長さ40mm、直径125mmの平面型光ファイバ水中聴音器(planar fiber-optic hydrophone)(例えば、英国ドーチェスターのプレシジョンアコースティックス(Precision Acoustics)社)によって測定される。水中聴音器312は、3D走査システム314(例えば、米国ニューヨーク州ブルームフィールドのベルマックス(Velmax Inc)社)によって動作する。そして、必要に応じた数(例えば、数百、数十)のチャンネルを有する増幅器システム340によって、42素子HIFUアレイ310を駆動する。もちろんこの説明は、例示的なものであり、目的に適する様々なデバイスを用いて、同じ若しくは実質的に同じ、又は均等な工程を別の手法で行うことができることは、当業者にとって明らかである。
トーンバースト(tone burst)信号(例えば、PRF=330kHz、デューティサイクル=1%)を用いて、アレイ310の各素子を駆動する。1W/チャンネルの電力を用いて、具体例のアレイから放射された音場を測定することができる。HIFUフェイズドアレイの単一の素子の電気−音響パワー変換効率及び最大表面音響パワー(maximum surface acoustic power)は、走査型レーザバイブロメータ(例えば、米国カリフォルニア州タスティンのポリテック(Polytec)社のPSV−400−M2−20 20MHz)を用いて測定される。
イメージングアレイの単一素子の実験例では、パルサ/受信機(例えば、米国マサチューセッツ州ウォルサムのオリンパス(Olympus)社Panametric 5072PR)を用いて、RF信号を送受信する。これらの場合、受信された波形は、デジタルオシロスコープを用いて記録される。実験では、アレイ全体と共に市販の32チャンネルイメージングスキャナ(例えば、フランス、シュール(Cheulles)のLecoeur Electronique社のOPENシステム(OPEN system))を用いる。これは、デスクトップコンピュータ上で実行される特別仕様のC++ソフトウェアによって、USBを介して制御される。OPENパルサ/受信機システムは、50Vpeak及び12.5ns長のパルス及び受信したエコー信号によってアレイを励起する。受信したエコー信号は、MATLAB(米国マサチューセッツ州ナティックのマスワークス(Mathworks)社)の無位相バンドパスデジタルフィルタを用いてフィルタリングされる。そして、ヒルベルト変換を実行し、信号のエンベロープを得る。イメージは、仰俯角における0.5°のインクリメントによる送受信フォーカスの±30°シリアルスキャニングによって取得される。ビームは、トランスデューサ表面から60mm離れた点に焦点を合わせられる。各走査線は、全てのチャンネルに適用される50μsの遅延と65dBの利得とを有する。例えば、イメージングの実現可能性は、図4に示すように、4本の厚さ300μmのナイロンワイヤと共に水ファントム420を用いて判定することができる。第1〜第3の3本のワイヤを軸方向に約5mm、高さ方向に約7mm(対角線距離8.6mm)互いに離間させて配置する。第4のワイヤ420は、第3のワイヤから軸方向に10mm、高さ方向に13mm離間させて配置する。
ここでも、この詳細な具体例は、本発明を制限するものではなく、当業者による理解を補助するための特定の具体例に過ぎない。
図5は、例示的な実施形態において厚みモードで駆動される単層トランスデューサ(図5(a))及び2層横モードトランスデューサ(図5(b))の電気的インピーダンス測定値を比較する図である。単層厚みモードトランスデューサの最大位相における空気中のインピーダンス振幅500は、840kHzにおいて約3000Ωであった。2層横モードトランスデューサの空気中のインピーダンス振幅は、770kHzにおいて73.3±1.2Ωであり、これは、同じ寸法の単層トランスデューサの41分の1である。これは、電気的整合回路の使用等の従来の手法を用いることなく、電気的インピーダンスを低減できることを示している。更に小さいアレイ素子の大きい電気的インピーダンスは、層の数とこれらの厚さを制御することによって、ソースインピーダンスに近付けることができる。
図6は、脱イオン水内で測定された、完全に組み立てられた32素子2層横モードフェイズドアレイの電気的インピーダンスをプロットしたグラフを示している。これらのグラフは、それぞれ770kHz、1.5MHz及び3.4MHzにおける共振周波数を示している。横モードの素(600)子では、770kHzに、厚みモードの単層トランスデューサ(610)では、3.4MHzに強いモードが現れている。ここで、厚みモードの2層素子の1.5MHzは、他の2つのモードほど強くなかった。770kHzにおける電気的インピーダンス振幅は、−1.2°の最大の位相角において、58±3Ωである。
図7は、アレイから厚さ5cmのアクリル板に反射した32素子イメージングフェイズドアレイの中心素子からの典型的なパルスエコーインパルス応答を示している。図7(a)及び(b)は、送信パルス測定値及びこれに対応する正規化されたFFTを示している。この実施形態では、電気的インピーダンス不整合を補償するための整合回路は、使用していない。波形の−6dB及び−40dBのパルス幅は、それぞれ1.6μs及び3μsであり、これらは、それぞれ770kHzにおける約1.2サイクル及び2.3サイクルに対応する。対応する正規化されたFFT(図7(d))は、下側周波数612kHz及び上側周波数1.02MHzにおいて測定された約52%の−6dBの帯域幅でアレイの中心周波数が770kHzであることを示している。なお、幾つかの用途では、必要に応じて、電気的整合回路を使用してもよいが、本発明の設計及び技術は、幾つか若しくは多くの、又は全ての場合において、このような回路の必要性を軽減又は排除できる。
図8は、アレイを(0,0,30)mm及び(0,10,30)mmに焦点合わせした場合におけるXY及びYZ平面における放射圧力場振幅測定(radiated pressure amplitude field measurements)を示している。この音場測定は、1次元線形アレイの優れた操縦能力を示している。
図9は、上述した4本の厚さ300μmのナイロンワイヤを収容した水槽のスキャンイメージを示している。第1〜第3のワイヤは、互いに軸方向に約5mm、高さ方向に7mm離間しているように示されており第4のワイヤ900は、第3のワイヤ910から軸方向に10mm、高さ方向に13mm離間しているように示されている。
横方向に結合された同様のトランスデューサを用いて、異なる周波数で共鳴する異なる長さのトランスデューサプレートを製造することによって素子の帯域幅を増加させて、組み合わされた広帯域動作を実現することができる。
図10は、このような横振動モード素子を有する4層PZTトランスデューサの具体例を示しており、図11は、これに関連する周波数スペクトルを示している。幾つかの側面では、本発明に基づき、このような素子から1次元、1.5次元又は2次元のアレイを形成できる。
2つの異なる長さのプレート(例えば、1202、1204)からトランスデューサ素子を製造することによって、長さ(アレイの文脈では、トランスデューサアレイ素子のそれぞれの厚さ)に対応する所望の周波数で共鳴する二重周波数又は多重周波数アレイ1200を形成できる。図12(a)では、一対の異なる寸法の素子を示している。
図12(b)は、完全に組み立てられた2重周波数トランスデューサアレイ1210を示している。他の実施形態として、あらゆる数の周波数、全てのトランスデューサ、アレイ構成及び幾何的構成にこれを拡張することができる。トランスデューサアレイの面又は本体にアレイ素子を積層し、パッキングし及び分布させることも可能である。
また、上述のシステムを製造する方法は、それぞれ図13及び図14に示すように、1.5次元及び2次元のアレイに拡張することもできる。
図14(a)は、例示的な2Dアレイの斜視図であり、複数の行及び列が構成された前面(トランスデューサ/エミッタ側)を示している。音響エネルギは、駆動されたトランスデューサの各素子から外側に向けて、通常、トランスデューサのアクティブ面から垂直に放射される。図14(b)は、前面(トランスデューサ/エミッタ側)から見た2Dアレイを示している。2Dアレイ1400では、トランスデューサ素子の幅は、完全な多層素子が略々正方形になるように選択できる。したがって、より薄い及びより多くの数のプレートを用いて、所望のインピーダンスを実現することができる。
イメージングアレイについては、アレイの前面に音響インピーダンス整合層を追加することによって、又は異なる基材材料を用いることによって、狭い帯域幅を改善できる。素子設計において、より多くのトランスデューサ層を用いることによって、HIFUアレイの電気−音響パワー変換効率を容易に高めることができる。このトランスデューサ構造は、完全にスケーリング可能であり、したがって、100MHz及びこれを超えるような高周波イメージングアレイをも構築できることが期待される。

Claims (12)

  1. 音響トランスデューサ素子の複数素子アレイを形成する音響トランスデューサ素子であって
    複数の圧電層を形成する圧電積層体と、
    圧電層は、第1の軸に沿って、受信電気駆動信号に機械的に応答し、前記第1の軸に直交する第2の軸に沿って、前記圧電層の対応する反対面に電気的に接続された電極の対によって供給される前記受信電気駆動信号によって、前記第1の軸に沿って振動し、
    前記複数の圧電層は、前記圧電積層体において、2つの隣接する圧電層の間に配置される共通電極が、前記2つの隣接する圧電層の間で互いに共有され、
    隣接していない第1の1組の電極が、1つの共通信号電極から並列に接続されるように配置され、
    隣接していない第2の1組の電極が、1つの共通接地電極から並列に接続されるように配置され、
    前記隣接していない第1の1組の電極は、音響放出方向に平行な方向に、前記圧電積層体の近接端部を越えて延出され、
    前記近接端部は、前記圧電積層体の先端放出表面から反対側に延在し、
    前記隣接していない第1の1組の電極は、前記圧電積層体の前記近接端部を越えて電気的な伝達をもたらす
    音響トランスデューサ素子
  2. 前記隣接していない第1の1組の電極は、低温はんだを介して接続される
    請求項1に記載の音響トランスデューサ素子。
  3. 請求項1に記載の音響トランスデューサ素子のアレイを備える音響デバイス。
  4. 前記音響トランスデューサ素子は、前記第2の軸に沿って積層され、前記第2の軸に沿って隣り合う素子の線形アレイを形成し、前記アレイは、前記第2の軸に直交するアクティブ面から音響エネルギを送信する請求項記載の音響デバイス。
  5. 記アレイの2つの隣接する各音響トランスデューサ素子の間に挟まれた導電性電極は、隣接する前記共通接地電極に接続されている請求項記載の音響デバイス。
  6. 前記アレイ内に配置された前記複数の音響トランスデューサ素子は、前記第2の軸と、前記第1の軸及び前記第2の軸の両方に直交する第3の軸とに沿って広がる前記アレイを形成する請求項記載の音響デバイス。
  7. 前記音響トランスデューサ素子は、標準デカルト座標系のx次元(第2の軸)及びy次元(第3の軸)に沿って広がり、前記標準デカルト座標系のz次元(第1の軸)に沿って音響エネルギを放射するように構成される請求項記載の音響デバイス。
  8. 第1のトランスデューサ素子が前記第1の軸に沿って第1の物理的寸法を有し、前記第1の物理的寸法によって定まる第1の対応する共鳴周波数を有し、第2のトランスデューサ素子が前記第1の物理的寸法とは異なる第2の物理的寸法を有し、前記第2の物理的寸法によって定まる第2の対応する共有周波数を有し、前記第1の共鳴周波数と、前記第2の共鳴周波数とが異なる請求項1記載の音響デバイス。
  9. 音響トランスデューサ素子の音響アレイを製造する方法において、
    第1の軸に垂直な第2の軸に沿って印加され、各音響トランスデューサ素子は、信号電極と接地電極とを有し、電気駆動信号によって励起されると、前記音響トランスデューサ素子が音響エネルギを放射する方向である第1の軸に沿った第1の寸法を含む空間的な範囲を画定する複数の寸法をそれぞれ有する複数の音響トランスデューサ素子を準備するステップと、
    記第1の軸に直交する少なくとも1つの方向に沿って、前記複数の音響トランスデューサ素子を機械的に配置するステップと、
    前記音響トランスデューサ素子に電気駆動信号を供給する電極として機能する複数の導電箔を準備し、前記導電箔を前記複数の音響トランスデューサ素子の間に挟み、隣接するトランスデューサ素子の隣接する接地電極の対が前記隣接するトランスデューサの対の間にある共通接地電極を共有するようにするステップと、
    前記信号電極および前記共通接地電極を介して、電気駆動信号によって前記複数の音響トランスデューサ素子を駆動するステップとを有する方法。
  10. 前記配置するステップは、前記音響トランスデューサ素子を互いに単一の軸に沿って配置するステップを含む請求項記載の方法。
  11. 前記配置するステップは、前記音響トランスデューサ素子を何れも前記第1の軸に直交する2つの次元に沿って配置するステップを含む請求項記載の方法。
  12. 低温はんだによって、前記アレイの表面に音響トランスデューサ素子をはんだ付けするステップを更に有する請求項11記載の方法。
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