JP7178156B2 - 圧電トランシーバーを有する画像処理装置 - Google Patents

Description

本発明は画像処理装置、より具体的にはマイクロマシン超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）を有する画像処理装置に関する。

人体の内部器官を画像処理し、内部器官の画像を表示するための非侵入型画像システムは、人体へ信号を送信し、器官から反映された信号を受信する。通常は、画像処理システムで使用されるトランスデューサはトランシーバーと呼ばれており、そのトランシーバーの一部は光音響効果または超音波結果に基づく。一般に、トランシーバーは、画像処理や、医療用画像処理、パイプ中の流量測定、スピーカー、マイクロホン、砕石術、治療用の組織加熱、および外科用の高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）等の他の用途と同様に使用される。

マイクロ・マシニング技術の進歩によって、センサーとアクチュエーターを基板上に効率的に搭載することが可能になる。特に、静電容量型トランスデューサ（ｃＭＵＴ）または圧電トランスデューサ（ｐＭＵＴ）を使用するマイクロマシン超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）は、大きな形状因子がある従来型のＭＵＴと比較して特に有利である。図１は従来型のシステムの２次元直線的なトランシーバーアレイ（５０）を示す。描かれている通り、トランシーバーアレイ（５０）は、送信モード／プロセスにおいて圧力波を生成して送信し、そして受信モード／プロセスにおいて圧力波を受信して受信した圧力波に応じて電荷を発生させるＭＵＴ（５２）のセットを備えてもよい。描かれている通り、ＭＵＴ（５２）は、ｘ方向およびｙ方向へ均一な間隔で配置され、すなわち、ｘ方向（またはｙ方向）に沿った１つのＭＵＴから隣接のＭＵＴまでの距離は、アレイ全体を通じて同じである。ＭＵＴ（５２）は限定数の振動共振を有する傾向があり、すなわち、ＭＵＴ（５２）は周波数領域において有限帯域幅を有する可能性がある。全体として、ＭＵＴ（５２）が有する帯域幅が広ければ広いほど、ＭＵＴ（５２）はより高度な作動モードで作動することができ、トランシーバーアレイ（５０）はより良質な画像を生成することができる。それ故に、音響性能を向上させるために帯域幅が増大したＭＵＴを設計することが強く必要とされる。

実施形態では、トランスデューサアレイは非対称的に整えられた複数のマイクロマシン超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）を備えている。

実施形態では、マイクロマシン超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）アレイは、第１行と第２行を有する２次元アレイに配置されたＭＵＴを備えており、第１行のＭＵＴは水平方向へ水平ピッチにより等間隔に配置されており、第２行のＭＵＴは水平方向へ水平ピッチにより等間隔に配置されている。第２行のＭＵＴは、第１行のＭＵＴに対して第１水平距離によって水平方向に沿って推移され、第１行のＭＵＴに対して第１垂直距離によって垂直方向に沿って推移されている。第１水平距離は０より大きく、水平ピッチより小さい。第１垂直距離は、複数のＭＵＴのうちの１つＭＵＴの水平幅の１０分の１からＭＵＴの垂直寸法の半分までの範囲内である。

実施形態では、画像処理システムは圧力波の生成し外部圧力派を電気信号へ変換するためのトランシーバータイル、およびトランシーバータイルを制御するための制御装置を備えている。トランシーバータイルは、マイクロマシン超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）アレイを備えており、そのアレイは第１行と第２行を有する２次元アレイに配置されたＭＵＴを備えており、第１行のＭＵＴは水平方向へ水平ピッチにより等間隔に配置されており、第２行のＭＵＴは水平方向へ水平ピッチにより等間隔に配置されている。第２行のＭＵＴは、第１行のＭＵＴに対して第１水平距離によって水平方向に沿って推移され、第１行のＭＵＴに対して第１垂直距離によって垂直方向に沿って推移される。第１水平距離は０より大きく、水平ピッチより小さい。第１垂直距離は、複数のＭＵＴのうちの１つＭＵＴの水平横の１０分の１からＭＵＴの垂直高さの半分までの範囲内である。

以下に本発明の実施形態に対する言及を行う。その例は添付図面において図示される。これらの図面は、本発明の例示として意図されているが、本発明を限定的に示すものではない。本発明は全体としてこれらの実施形態のコンテキストに記載されているが、本発明の範囲をこれらの具体的な実施形態に制限するように意図されていないことを理解されたい。
図１は、従来型のシステムの２次元直線的なトランシーバーアレイを示す。 図２は、本開示の実施形態に係る画像処理システムを示す。 図３は、本開示の実施形態に係る画像装置の概略図を示す。 図４は、本開示の実施形態に係る非対称的な（または互い違いの）直線的なトランシーバーアレイを示す。 図５は、本開示の実施形態に係るＭＵＴアレイの拡大図を示す。 図６は、本開示の実施形態に係るＭＵＴアレイの拡大図を示す。 図７は、本開示の実施形態に係る互い違いの構成に配置された２対の長方形のＭＵＴおよびパッドを示す。 図８Ａは、図７で線７－７に沿って取られた、本開示の実施形態に係るＭＵＴの振動モード形状のセットを示す。 図８Ｂは、図７で線７－７に沿って取られた、本開示の実施形態に係るＭＵＴの振動モード形状のセットを示す。 図８Ｃは、図７で線７－７に沿って取られた、本開示の実施形態に係るＭＵＴの振動モード形状のセットを示す。 図８Ｄは、図７で線７－７に沿って取られた、本開示の実施形態に係るＭＵＴの振動モード形状のセットを示す。 図９は、本開示の実施形態に係る非対称的なアレイの周波数応答プロットを示す。 図１０は、本開示の実施形態に係る仰角の関数としてＭＵＴアレイのビームパターンの音響応答プロットを示す。 図１１は、本開示の実施形態に係る互い違いの構成に配置された２対の楕円形のＭＵＴおよびパッドを示す。 図１２は、本開示の実施形態に係る非対称的な（または互い違いの）直線的なトランシーバーアレイを示す。 図１３Ａは、本開示の実施形態に係る典型的なＭＵＴの平面図を示す。 図１３Ｂは、本開示の実施形態に係る典型的なＭＵＴの断面図を示す。

以下の記述において、説明を目的として、本開示を理解するために具体的なの詳細を示す。しかし、これらの詳細を必要とすることなく本開示を実施可能であることが、当業者に明白であろう。更に、当業者は、以下に記載された本開示の実施形態がプロセス、装置、システム、またはデバイス等の様々な方法で実施可能であると認識するであろう。

図に示される要素／構成部分は、本開示の典型的な実施形態の例示であり、本開示を不明瞭にしないことを目的とする。本明細書では、「１つの実施形態」、「好ましい実施形態」、「実施形態」、または「複数の実施形態」への言及は、実施形態に関連して記載されている特定の特徴、構造、特性、または機能が本開示の少なくとも１つの実施形態に備わっており、１より多くの実施形態にも備わっていても良いことを意味している。本明細書の様々なところにおいて「１つの実施形態では」、「実施形態において」、または「複数の実施形態では」との句が現れる場合、必ずしもすべて同じ実施形態を言及するものではない。「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「包含する（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、および「包含している（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」との用語は、オープンタームとして理解されるものであり、また、それに先立つあらゆる列記は単なる例示であり、列記された項目に制限されていることを意味していない。ここに使用されるあらゆる見出しは、構成のみを目的とするものであり、記述または請求項の範囲を制限するために使用されないものとする。さらに、本明細書の様々な場所でのとある用語の使用は、単なる例示であり、限定的なものとして解釈されるべきではない。

図２は、本開示の実施形態に係る画像処理システム（１００）を示す。描かれている通り、システム（１００）は、送信モード／プロセスにおいて、圧力波（１２２）を生成して心臓等の内臓器官（１１２）に送信する画像装置（１２０）と、通信路（１３０）を通じて画像装置へ信号を通信するデバイス（１０２）とを備えていてもよい。実施形態では、内臓器官（１１２）は圧力波（１２２）の一部を画像装置（１２０）へ反映することができ、また、画像装置（１２０）は受信モード／プロセスにて反映された圧力波を捉え電気信号を生成することができる。画像装置（１２０）はデバイス（１０２）に電気信号を通信することができ、また、デバイス（１０２）は、電気信号を使用して、人間の器官の画像をディスプレイ／スクリーン（１０４）に表示することができる。

実施形態では、画像装置（１２０）は動物の内臓器官の画像を撮るためにも使用されてもよいことに注目されたい。圧力波（１２２）は、人間／動物の身体を通って、内臓器官によって反映されることができる音響波、超音波、または光音響波であっても良いことにも注目されたい。

実施形態では、画像装置（１２０）は携帯型デバイスであってもよく、無線でまたはケーブルを経由して通信路（１３０）を通じて、信号をデバイス（１０２）と通信させることができる。実施形態では、デバイス（１０２）は、携帯電話またはｉＰａｄ（登録商標）等のモバイルデバイス、またはユーザへ画像を表示できる固定コンピューターデバイスであっても良い。

図３は、本開示の実施形態に係る画像装置（１２０）の概略図を示す。実施形態では、画像装置（１２０）は超音波画像装置であっても良い。図２に描かれている通り、画像装置（１２０）は、圧力波を送受信するためのトランシーバータイル（２１０）と、圧力波を収束させるためのレンズとして作動し、トランシーバータイルと人体（１１０）の間のインピーダンスインターフェースとしても機能するコーティング層（２１２）と、トランシーバータイル（２１０）を制御するためのＡＳＩＣチップ等の制御装置（２０２）と、画像装置（１２０）の構成部分を制御するためのマイクロプロセッサー（２１４）と、１つ以上のポート（２３０）を通じてデバイス（１０２）等の外部デバイスとデータを通信するための通信ユニット（２０８）と、データを記憶するためのメモリ（２１８）と、画像装置の構成部分に電力を供給するためのバッテリー（２０６）と、随意に、標的器官の画像を表示するためのディスプレイ（２１６）とを備えていてもよい。

実施形態では、デバイス（１０２）はディスプレイ／スクリーンを備えてもよい。そのような場合、ディスプレイは画像装置（１２０）に備わっていなくてもよい。実施形態では、画像装置（１２０）はポート（２３０）のうち１つを通じてデバイス（１０２）から電力を受け取ることができる。そのような場合、画像装置（１２０）はバッテリー（２０６）を備えていなくてもよい。画像装置（１２０）の構成部分の１つ以上を１つの不可欠な電気要素へ組み合わせてもよいことに注目されたい。同様に、画像装置（１２０）の構成部分は各々１つ以上の電気要素の中に実装されてもよい。

実施形態では、ユーザはコーティング層（２１２）にゲルを塗布してもよく、そうすることでコーティング層（２１２）と人体（１１０）の間のインピーダンスマッチングが改善され、すなわち、インターフェースにて電力の損失が減少する。

図４は、本開示の実施形態に係るＭＵＴ（４０２）を備えている非対称的な（または互い違いの）直線的なトランシーバーアレイ（４００）の拡大図を示す。実施形態では、アレイ（４００）はトランシーバータイル（２１０）に含まれてもよい。ＭＵＴ（４０２）はアレイの音響性能を向上させるために、互い違いの構成に配置されてもよい。以下に、互い違いの（または非対称的な）アレイとの用語は、第１行のＭＵＴが第２行のＭＵＴに対してｘ方向（４０３）に沿って推移されたＭＵＴのアレイを指す。実施形態では、行のＭＵＴは水平距離（ピッチ）Ｐ１（４３０）によって均等に配置されてもよい。また、列のＭＵＴは垂直距離（ピッチ）Ｐ２（４３２）によって均等に配置されてもよい。

実施形態では、ＭＵＴ（４０２）の各々はｐＭＵＴであっても良く、ＰＺＴ、ＫＮＮ、ＰＺＴ－Ｎ、ＰＭＮ－Ｐｔ、ＡｌＮ、Ｓｃ－ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＰＶＤＦ、およびＬｉＮｉＯ_３の少なくとも１つから作られた圧電気層を備えてもよい。代替の実施形態では、ＭＵＴ（４０２）の各々はｃＭＵＴであっても良い。図４では、ＭＵＴ（４０２）の各々は長方形で示される。より具体的には、ＭＵＴの各々は、長方形の投影領域のある上部電極を備えていてもよい。上部電極は正方形、円形、長円形、楕円形等のその他適切な幾何学的形状があっても良いことが当業者に明白であろう。例示目的のために、本出願の図面では、ＭＵＴの各々は上部電極の幾何学的形状により象徴的に表示される。

図５は、本開示の実施形態に係るＭＵＴアレイ（５００）の拡大図を示す。実施形態では、アレイ（５００）は図４のアレイ（４０４）の部分に相当してもよい。描かれている通り、アレイ（５００）はＭＵＴ（５０２）および電気パッド（５０４）を備えていてもよい。実施形態では、ＭＵＴ（５０２）およびパッド（５０４）は互い違いの構成に配置されている。実施形態では、電気パッド（５０４）の各々は、ＡＳＩＣまたは電気基板（図５に示されない）等の基板にＭＵＴ（５０２）の１つ以上を電気的に連結してもよく、その基板はＭＵＴ（５０２）に電気信号を送受信するためにエレクトロニクスを備えていてもよい。実施形態では、基板はＭＵＴアレイの下で配置されてもよく、また、パッド（５０４）の各々は、垂直方向（すなわち、紙に対して垂直な方向）に延在してもよい。ＭＵＴ（５０２）とパッド（５０４）の間の電気接続が図５に示されていないことに注目されたい。しかし、パッド（５０４）にＭＵＴ（５０２）を電気接続するために、配線とワイヤー等の適切な電気接続が使用されてもよいことが当業者に明白であろう。

図６は、本開示の実施形態に係るＭＵＴアレイ（６００）の拡大図を示す。実施形態では、アレイ（６００）は図４のアレイ（４０４）の部分に相当してもよい。実施形態では、ＭＵＴ（６０２）は互い違いのまたは非対称的な構成に配置され、さらに、各々のＭＵＴの配向づけにある程度の乱数性が導入されていてもよい。実施形態では、乱数性は、ＭＵＴ（６０２）の間のクロストークの減少により画像装置に音響信号の向上をもたらすことができる。実施形態では、ランダムに回転されたＭＵＴ（６０２）は、ｘ－ｙ平面で残っていてもよい。その一方で、電気パッド（６０４）の各々は、ＭＵＴアレイ（５００）中のパッド位置に相当するように配置されていてもよい。

図７は、本開示の実施形態に係る互い違いの構成に整えられた２対の長方形のＭＵＴ（７０２）およびパッド（７０４）を示す。例示目的のために、ＭＵＴの各々は、ＭＵＴの上部電極の投影領域である長方形によって表示される。実施形態では、図７の２つのＭＵＴ（７０２ａ）および（７０２ｂ）は、ＭＵＴアレイ（４００）の２つの隣接のＭＵＴであってもよい。描かれている通り、ＭＵＴ（７０２ａ）および（７０２ｂ）は、ｘ方向に水平距離ＨＤ（７０６）によって、そしてｙ方向に垂直距離ＶＤ（７０８）によって分けられていてもよい。ＭＵＴ（７０２）の各々は、幅Ｗ（７１２）および高さＨ（７１４）を備えた長方形形状であってもよい。実施形態では、水平距離ＨＤ（７０６）は、０より大きく、かつＭＵＴの水平幅（７１２）の４倍未満であり、かつｘ方向のピッチ未満であってもよい。

従来のＭＵＴアレイ（５０）と異なり、実施形態では、ＭＵＴ（７０２ａ）および（７０２ｂ）は互い違いの構成に配置されてもよく、すなわち、第１行のＭＵＴ（７０２ａ）およびパッド（７０４ａ）との対は、第２行のＭＵＴ（７０２ｂ）およびパッド（７０４ｂ）との対に対してｘ方向に沿って推移されてもよい。互い違いの構成によって、ＭＵＴアレイ（４００）には１つ以上の非対称的な振動モード（または、短縮して、非対称的モード）があってもよく、その結果、帯域幅は従来のＭＵＴアレイ（５０）よりも広くなる。ＭＵＴアレイ（４００）の帯域幅がより広くなるので、ＭＵＴアレイはより高度な作動モードで作動することができる。

全体的に、ＭＵＴアレイ中のＭＵＴの数密度は、ＭＵＴアレイによって生成された画像の解像度に影響する場合がある。従来のＭＵＴアレイ（５０）では、ＭＵＴの数密度は、ＭＵＴの間の水平距離（または、同様に、水平ピッチ）を減少させることにより増加させられてもよい。しかし、従来のＭＵＴアレイでは、２つの隣接のＭＵＴの間の相互インピーダンスは、水平ピッチの減少につれて増加する場合もある。それにより数密度の増加によって得られた利点が無効なる可能性がある。以下に、相互インピーダンスは、２つのＭＵＴの間の音響接続を指す。対照的に、実施形態では、対角線距Ｐ（７３０）はＭＵＴ（７０２ａ）と（７０２ｂ）との間の有効な分離距離であってもよい。そのため、実施形態では、相互インピーダンスは、同じ水平分離距離ＨＤ（７０６）がある従来の対称的なＭＵＴアレイより小さくてもよい。言い換えれば、互い違いの構成によって、相互インピーダンスを著しく増加させることなく数密度を増加させることができる。

実施形態では、図８Ａ～９に関連して説明されている通り、垂直距離（７０８）は、非対称的モードの周波数および振動モードの音圧等の非対称的モードの特性に影響する場合がある。以下に、音圧との用語は、ＭＵＴの各々によって生成された音響出力のレベルを指す。実施形態では、垂直距離（７０８）は幅（７１２）の１０分の１より大きく、かつ高さ（７１４）の半分未満であることが好ましい場合がある。実施形態では、ＶＤ（７０８）が高さ（７１４）の半分未満までに増加すると、非対称的モードの音圧振幅は増加する場合がある。

図８Ａ～８Ｄは、図７で線７－７に沿って取られた、本開示の実施形態に係るＭＵＴ（７０２ｂ）の振動モード形状のセットを示す。例示目的のために、ＭＵＴ（７０２ｂ）は図８Ａ～８Ｄで１本の線で表示される。しかし、ＭＵＴは積層体を備えていてもよいことが当業者に明白であろう。描かれている通り、図８Ａおよび図８Ｃは、第１の共振周波数および第３の共振周波数のそれぞれでのＭＵＴ（７０２ｂ）の第１の振動モード（８０１）および第３の振動モード（８０７）を示し、そこで、矢印（８０４）は、ＭＵＴ（７０２ｂ）の運動方向を示す。実施形態では、第１の振動モードおよび第３の振動モードは対称的であっても良く、すなわち、モードの形状はＭＵＴ（７０２ｂ）の中心線（８２０）に対して対称的である。実施形態では、ＭＵＴが互い違いでなくても、対称的モードが生成されてもよく、すなわち、対称的なＭＵＴアレイ（５０）は図８Ａおよび図８Ｃで対称的振動モードを有していてもよい。

実施形態では、図８Ｂおよび図８Ｄは、ＭＵＴ（７０２ｂ）の第２の共振周波数および第４の共振周波数それぞれでの第２の振動モード（８０５）および第４の振動モード（８０９）を示す。描かれている通り、第２および第４の振動モードは非対称的であってもよく、すなわち、ＭＵＴは中心線（８２０）に対して対称的ではない。実施形態では、図４に示されているように、振動モードの非対称性はＭＵＴを互い違いの（非対称的）構成に配置することにより得ることができる。

全体として、音圧性能はある周波数で各ＭＵＴによって生成された音圧波のエネルギーを指す。音圧性能は、その周波数でＭＵＴのピーク振幅が増加するにつれて増加することができる。実施形態では、ＭＵＴが同じ順序に振動している場合、非対称的なモードは帯域幅を対称的なモードより広くすることができる。例えば、第３のモード（８０７）および第４のモード（８０９）は同じ順序、すなわち、同じ数の節点を有することができ、そして、第３のモード（８０７）のピーク振幅（８４０）は、第４のモード（８０９）のピーク振幅（８４２）より小さい。

図９は、本開示の実施形態に係る非対称的なアレイ（４００）の周波数応答プロット（９００）を示す。図９では、曲線（９１２）は周波数の関数としてアレイ（４００）の応答（ｙ軸）を示し、この応答は、送信モード中のアレイにより生成された圧力派または受信モード中に発生された電荷のピーク振幅を指す。図９では、曲線（９１０）は、周波数の関数として対称的なアレイ（５０）の応答を示す。

描かれている通り、互い違いのＭＵＴアレイ（４００）は、周波数（９１４）の近くに共振振動モードを有していてもよく、その周波数（９１４）は対称的なＭＵＴアレイ（５０）の共振振動モードであってもよい。実施形態では、図７の互い違いのＭＵＴアレイ（４００）は、周波数（９１６）で追加の共振周波数を有していてもよく、それは非対称的な共振周波数と呼ばれる。実施形態では、図９に描かれている通り、対称的および非対称的な振動モード両方の場合、音響応答の利得は増加することができ、帯域幅は改善することができる。その理由として、ＭＵＴアレイ（４００）が中心の対称的な周波数（９１４）および高い非対称的な周波数（９１６）両方で作動することができるからである。

周波数応答曲線（９１２）がアレイ（４００）のＭＵＴのすべてからの寄与を含めてもよいことに注目されたい。互い違いのＭＵＴアレイ（４００）のＭＵＴの各々は同様の周波数応答特性を有することができるので、ＭＵＴの各々は曲線（９１２）と同様の周波数応答曲線を有しており、すなわち、非対称的なアレイ（４００）のＭＵＴの各々は中心の対称的な周波数（９１４）および非対称的な周波数（９１６）両方で共振周波数を有することができる。

実施形態では、ビームフォーミング技術を使用して、画像装置（１２０）によって送信された圧力波を特定の角度に向けてもよく、すなわち、特定の角度（つまり、ビームフォーミング方向）の圧力波が建設的干渉を受け、一方でその他が相殺的干渉を受けるように、ＭＵＴアレイ（４００）からの圧力波を組み合わせてもよい。実施形態では、制御装置（２０２）は、ビームフォーミング方向を操作するために、ＭＵＴアレイ（４００）によって生成された圧力波の位相および／または振幅を調整してもよい。図１０は、本開示の実施形態に係る仰角の関数としてＭＵＴアレイのビームパターン音響応答プロットを示す。図１０では、各曲線は仰角の関数としてＭＵＴアレイの音響応答（ｙ軸）を示し、そこで音響応答は送信モード中のＭＵＴアレイによって生成された圧力波（または受信モード中に発生した電荷）のピーク振幅を指し、仰角はビームフォーミング方向に対する角距離を指す。

全体として、目的の方向（１０２０）外の雑音の遮断を指す指向性は、ビームフォーミングの信号対雑音比に影響する（以下に、目的の方向との用語は、ビームフォーミング方向のまわりのプリセット角度の範囲を指す）。図１０では、曲線（１００２）は、１．５ＭＨｚの周波数で非対称的な（互い違いの）ＭＵＴアレイ（（４００）等）および対称的な（互い違いでない）アレイ（（５０）等）両方に対して標準化されたパワー指向性を示す場合がある。曲線（１００６ａ）および（１００６ｂ）はそれぞれ、３．０ＭＨｚの周波数で非対称的および対称的なアレイの指向性を示す。描かれている通り、対称的なＭＵＴアレイは１．５ＭＨｚおよび３．０ＭＨｚの周波数で非対称的なＭＵＴアレイと同様のビームパターンを有してもよい。

曲線（１００４ａ）および（１００４ｂ）はそれぞれ、５．７ＭＨｚの周波数で非対称的および対称的なアレイのビームパターンを示す。描かれている通り、非対称的なアレイは対称的なアレイより高い（改善された）指向性を有しており、それにより信号対雑音比および画質が改善される。例えば、曲線（１００４ａ）および（１００４ｂ）は目的の方向（１０２０）外に存在する領域（１０１０ａ）および（１０１０ｂ）を有している。領域（１０１０ｂ）のパワーレベルが領域（１０１０ａ）のパワーレベルより低いと、非対称的なアレイの信号対雑音比を改善することができ、これにより画質が改善する。

実施形態では、アレイ（４００）のＭＵＴの上部電極は、円形、長円形、楕円形等の様々な幾何学的形状を有していてもよい。図１１は、本開示の実施形態に係る互い違いの構成に配置された２対の楕円形のＭＵＴおよび円形パッドを示す。描かれている通り、ＭＵＴ（１１０２）は、ｘ方向に水平距離ＨＤ（１１０６）によって、そしてｙ方向に垂直距離ＶＤ（１１０８）によって分けられていてもよい。ＭＵＴ（１１０２）の各々は幅Ｗ（１１１２）および高さＨ（１１１４）を備えた楕円形を有していてもよい。

従来のＭＵＴアレイ（５０）と異なり、実施形態では、ＭＵＴ（１１０２ａ）および（１１０２ｂ）は、互い違いの構成に配置されてもよく、すなわち、第１行のＭＵＴ（１１０２ａ）およびパッド（１１０４ａ）の対は、第２行のＭＵＴ（１１０２ｂ）およびパッド（１１０４ｂ）の対に対してｘ方向に沿って推移されてもよい。実施形態では、垂直距離（１１０８）は水平幅（１１１２）の１０分の１より大きく、かつ垂直の高さ（１１１４）の半分未満であるのが好ましい場合がある。実施形態では、ＶＤ（１１０８）が垂直の高さ（１１１４）の半分まで増加すると、非対称的なモードの音圧振幅は増加する場合がある。

互い違いの構成によって、図１１の互い違いの構成のＭＵＴアレイは、図７の互い違いの構成のＭＵＴアレイと同様の利点を有していてもよい。すなわち、図１１の互い違いの構成のＭＵＴアレイは、互い違いでないＭＵＴアレイに比べて、改善された帯域幅、画像解像度、視野、音圧、そしてＭＵＴの間の相互インピーダンスを有していてもよい。実施形態では、ＭＵＴは水平距離（１１０６）によって分けられてもよく、その水平距離（１１０６）は、０より大きく、ＭＵＴの幅（１１１２）の４倍未満、およびｘ方向のピッチ未満であってもよい。

図１２は、本開示の実施形態に係るＭＵＴ（１２０２）を備えている非対称的な（または互い違いの）直線的なトランシーバーアレイ（１２００）の拡大図を示す。ＭＵＴ（１２０２）はアレイの音響性能を改善させるために、互い違いの構成に配置されてもよい。描かれている通り、各行のＭＵＴは水平距離（ピッチ）によって均等に配置されてもよい。また、各列のＭＵＴは垂直距離（ピッチ）によって均等に配置されてもよい。実施形態では、第２行のＭＵＴは、第１行のＭＵＴに対してｘ方向（１２０３）に沿って第１の水平距離によって推移されてもよい。そして、第３行のＭＵＴは、第１行のＭＵＴに対してｘ方向に沿って第２の水平距離によって推移されてもよく、第１の水平距離と第２の水平距離は０より大きく、かつ水平のピッチＰ１未満であってもよい。

図１３Ａは、本開示の実施形態に係る例示のＭＵＴ（１３００）の平面図を示す。図１３Ｂは、図１３Ａで線１３－１３に沿って取られた、本開示の実施形態に係るＭＵＴ（１３００）の断面図を示す。描かれている通り、ＭＵＴは基板（１３０２）上にある（ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ ｆｒｏｍ）膜層（１３０６）と、膜層（または、短縮して、膜）（１３０６）に配置された下部電極（Ｏ）（１３０８）と、下部電極（Ｏ）（１３０８）に配置された圧電気層（１３１０）と、圧電気層（１３１０）に配置された上部電極（Ｘ）（１３１２）とを備えていてもよい。実施形態中では、導電性材料で満たされてもよい電気パッド（１３１４）は、下部電極（Ｏ）（１３０８）が導電体（１３２０）に電気接続されるように形成されてもよい。実施形態では、導電体（１３２２）は、上部電極（１３１２）に電気接続されてもよい。実施形態では、導電体（１３２０）および（１３２２）は、金属層のパターニングによって形成された電気ワイヤまたは配線であってもよい。実施形態では、パッド（１３１４）および上部電極（１３１２）はそれぞれ、パッド（７０４）（または（１１０４））およびＭＵＴ（７０２）（または（１１０２））に相当してもよい。

実施形態では、基板（１３０２）および膜（１３０６）は一体形成されてもよく、また、膜（１３０６）を画定するために空洞（１３０４）が形成されてもよい。実施形態では、空洞（１３０４）は、膜（１３０６）の振動を制御するために、所定の圧力のガスまたは音響制振材で満たされてもよい。

トランシーバーアレイ（４００）および（１２００）のＭＵＴは、図１３ＡのＭＵＴ（１３００）以外の構成を有してもよいことに注目されたい。例えば、ＭＵＴの各々は、１つより多くの上部電極を備えていてもよい。図４～７（または図１１～１２）の長方形（または楕円形）の各々は、象徴的にＭＵＴを表示しており、そこでＭＵＴは１つ以上の上部電極を備えてもよく、上部電極は円形、長方形、楕円形などの適切な幾何学的形状であってもよいことが、当業者に明白であろう。

本発明は様々な変形および代替形態の影響を受けやすいものの、その特定の例は図面に示されており、本明細書で詳細が記述されている。しかし、本発明は開示された具体的な形態に制限されることなく、逆に本発明は、添付の特許請求の範囲以内にある全ての変形、等価物、および代替物を対象とすることを理解されたい。

Claims (25)

1. 第１の互い違いに配置された複数のマイクロマシン超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）を備えている、トランスデューサアレイであって、
   ここで、第１の互い違いに配列された複数のＭＵＴは、第１および第２の行を有する２次元アレイに配置され、第１の行のＭＵＴは、水平方向へ水平ピッチによって等間隔に配置され、第２の行のＭＵＴは、水平方向へ水平ピッチによって等間隔に配置され、
   第２の行のＭＵＴは、第１の行のＭＵＴに対して水平方向に沿って第１の水平距離だけ推移され、第１の行のＭＵＴに対して垂直方向に沿って第１の垂直距離だけ推移され、
   前記第１の複数のＭＵＴの各ＭＵＴは、幅である第２の方向に沿った寸法よりも大きな高さである第１の方向に沿った寸法を有し、前記第１の複数のＭＵＴは対称的に配置された第２の複数のＭＵＴよりも広い帯域幅を有し、前記第２の複数のＭＵＴの各ＭＵＴは前記第１の方向と前記第２の方向に沿った同じ寸法を有し、
   ここで、前記トランスデューサアレイは、第１の複数のＭＵＴのみを含み、第２の複数のＭＵＴを含まない、
   トランスデューサアレイ。
2. 水平方向への前記第１の複数のＭＵＴの間の中心間距離が高さ方向への前記第１の複数のＭＵＴの間の中心間距離と異なる、請求項１に記載のトランスデューサアレイ。
3. 前記第１の複数のＭＵＴが、前記第２の複数のＭＵＴより小さい相互インピーダンスを有する、請求項１に記載のトランスデューサアレイ。
4. 前記第１の複数のＭＵＴが、前記第２の複数のＭＵＴに比べて１つ以上の追加の振動モードを有する、請求項１に記載のトランスデューサアレイ。
5. 前記第１の複数のＭＵＴの各ＭＵＴが、たわみモードの作動で１つ以上の振動モードをサポートする細長い形状を有する、請求項１に記載のトランスデューサアレイ。
6. 前記第１の複数のＭＵＴが、高さである第１の方向の軸に沿った細長い形状のＭＵＴの群を備えており、そして、前記細長い形状のＭＵＴの群は、幅である第２の方向に互いにオフセットされるＭＵＴの同様の群と並べられている、請求項１から５のいずれか１つに記載のトランスデューサアレイ。
7. 前記第１の複数のＭＵＴの各々の上部電極が、長方形、楕円形、または円形の形状である、請求項１から５のいずれか１つに記載のトランスデューサアレイ。
8. 前記第１の複数のＭＵＴによって生成されたビームのサイドローブ振幅が、前記第２の複数のＭＵＴによって生成されたビームのサイドローブ振幅より小さい、請求項１から５のいずれか１つに記載のトランスデューサアレイ。
9. 前記第１の複数のＭＵＴの帯域幅が、前記第２の複数のＭＵＴの帯域幅より広い、請求項１から５のいずれか１つに記載のトランスデューサアレイ。
10. 前記第１の複数のＭＵＴの各ＭＵＴが、トランスデューサアレイの軸方向に対してランダムな角度によって回転される、請求項１から５のいずれか１つに記載のトランスデューサアレイ。
11. 前記第１の複数のＭＵＴの各々が、超音波の送信および超音波の受信のうち少なくとも１つを実行する、請求項１に記載のトランスデューサアレイ。
12. 前記第１の複数のＭＵＴの各々が、対称的な振動モードおよび非対称的な振動モードの少なくとも１つで作動する、請求項１に記載のトランスデューサアレイ。
13. 互い違いに配置された第１の複数のマイクロマシン超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）を備えている、トランスデューサアレイであって、
    ここで、第１の互い違いに配列された複数のＭＵＴは、第１および第２の行を有する２次元アレイに配置され、第１の行のＭＵＴは、水平方向へ水平ピッチによって等間隔に配置され、第２の行のＭＵＴは、水平方向へ水平ピッチによって等間隔に配置され、
    第２の行のＭＵＴは、第１の行のＭＵＴに対して水平方向に沿って第１の水平距離だけ推移され、第１の行のＭＵＴに対して垂直方向に沿って第１の垂直距離だけ推移され、
    第１の複数のＭＵＴは、高さである第１の方向と幅である第２の方向に沿った同じ方向を有する対称的に配置された第２の複数のＭＵＴよりも高い正規化された指向性を有し、ここで、前記トランスデューサアレイは、第１の複数のＭＵＴのみを含み、第２の複数のＭＵＴを含まない、
    トランスデューサアレイ。
14. ＭＵＴの高さである第１の方向がＭＵＴの幅である第２の方向より大きい、請求項１３に記載のトランスデューサアレイ。
15. 水平方向への前記第１の複数のＭＵＴの間の中心間距離が高さ方向への前記第１の複数のＭＵＴの間の中心間距離と異なる、請求項１３に記載のトランスデューサアレイ。
16. 前記第１の複数のＭＵＴが、前記第２の複数のＭＵＴより小さい相互インピーダンスを有する、請求項１３に記載のトランスデューサアレイ。
17. 前記第１の複数のＭＵＴが、前記第２の複数のＭＵＴに比べて１つ以上の追加の振動モードを有する、請求項１３に記載のトランスデューサアレイ。
18. 前記第１の複数のＭＵＴの各ＭＵＴが、たわみモードの作動で１つ以上の振動モードをサポートする細長い形状を有する、請求項１３に記載のトランスデューサアレイ。
19. 前記第１の複数のＭＵＴが、高さである第１の方向の軸に沿った細長い形状のＭＵＴの群を備えており、そして、前記細長い形状のＭＵＴの群は、幅である第２の方向に互いにオフセットされるＭＵＴの同様の群と並べられている、請求項１４から１８のいずれか１つに記載のトランスデューサアレイ。
20. 前記第１の複数のＭＵＴの各々の上部電極が、長方形、楕円形、または円形の形状である、請求項１４から１８のいずれか１つに記載のトランスデューサアレイ。
21. 前記第１の複数のＭＵＴによって生成されたビームのサイドローブ振幅が、前記第２の複数のＭＵＴによって生成されたビームのサイドローブ振幅より小さい、請求項１４から１８のいずれか１つに記載のトランスデューサアレイ。
22. 前記第１の複数のＭＵＴの帯域幅が、前記第２の複数のＭＵＴの帯域幅より広い、請求項１４から１８のいずれか１つに記載のトランスデューサアレイ。
23. 前記第１の複数のＭＵＴの各ＭＵＴが、トランスデューサアレイの軸方向に対してランダムな角度によって回転される、請求項１４から１８のいずれか１つに記載のトランスデューサアレイ。
24. 前記第１の複数のＭＵＴの各々が、超音波の送信および超音波の受信のうち少なくとも１つを実行する、請求項１３に記載のトランスデューサアレイ。
25. 前記第１の複数のＭＵＴの各々が、対称的な振動モードおよび非対称的な振動モードの少なくとも１つで作動する、請求項１３に記載のトランスデューサアレイ。

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