JPH034699A - 環状アレイ超音波センサー - Google Patents

環状アレイ超音波センサー

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JPH034699A
JPH034699A JP2126521A JP12652190A JPH034699A JP H034699 A JPH034699 A JP H034699A JP 2126521 A JP2126521 A JP 2126521A JP 12652190 A JP12652190 A JP 12652190A JP H034699 A JPH034699 A JP H034699A
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JP
Japan
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layer
ring
array
shell
sensor
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Application number
JP2126521A
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English (en)
Inventor
J Fleming Dias
ジェイ・フレミング・ディアス
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HP Inc
Original Assignee
Hewlett Packard Co
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Filing date
Publication date
Application filed by Hewlett Packard Co filed Critical Hewlett Packard Co
Publication of JPH034699A publication Critical patent/JPH034699A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0622—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface
    • B06B1/0625—Annular array
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/42—Piezoelectric device making

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、超音波画像の形成に用いられる超音波センサ
ーアレイの製造方法の改善に関する。このようなセンサ
ーは、超音波、非侵入医療用画像形成等のアプリケーシ
ョンに用いられる。本発明は、特に、密封されたセンサ
ーアレイの製造方法を対象としている。この方法を用い
て生産されたアレイは、すぐれた音響性能を持つことに
なる。
それは、それらのインピーダンス整合を最適化できるか
らである。
〔発明の技術的背景及びその問題点〕
超音波アレイは、ソナーシステムと同様に働く。
大きな違いは、超音波アレイから目標までの距離が、ソ
ナーからその目標までの距離よりもはるかに短いという
点にある。送信段階では、トランスデユーサアレイは超
音波エネルギーの発生器として働く。聴音、あるいは受
信の段階では、トランスデユーサアレイは、反射された
超音波エネルギーのセンサーとして働く。いずれの場合
も、超音波アレイ素子はトランスデユーサとして働く。
送信中、それらは電気エネルギーを超音波エネルギーに
変換し、受信中は、超音波エネルギーを電気エネルギー
に変換する。
超音波ビームはこの送受信の進行中、特定の方向に向け
られ、超音波エネルギーは、所与の方向にある目標まで
の異なる距離から受は取られる。
受は取られるエネルギーの量は、目標物内で反射された
音響エネルギーの量に対応する。超音波“画像°゛は、
アレイを異なる方向に順次向けていき、多数の個々の点
の画像から一つの画像が構築されて形成される。通常、
センサーは前後に二方向に物理的に走査され、それによ
って、通常、毎秒２０セクター走査に相当する、約１０
ヘルツの速度で“２セクター走査″゛を行う。
人体内の組織のような、物体あるいは目標の超音波の点
画像は、超音波アレイから一つあるいはそれ以上の超音
波エネルギーのパルスを送出して、そのパルスが物体と
結合されるようにすることによって形成される。その後
、超音波アレイは、物体内部からのエコーを“聴く°“
、エコーは、その物体の音響特性に変化のあるいかなる
場所でも起こる。変化は、音の速度が変わるいかなる場
所でも起こる。このような音の速度の変化は、“音響イ
ンピーダンス゛°の変化と呼ばれる。音響インピーダン
スは、たとえば、血液と柔らかい組織との界面で変化す
る。超音波画像形成が起こるためには、音響インピーダ
ンスの変化が必要である。なぜなら、音響インピーダン
スの変化がなければ、反射されたエネルギーに変化が起
こらず、したがって画像が形成されないことになる。
しかし、超音波アレイの近傍での音響インピーダンスの
大きな不整合は望ましくない。発信器、あるいは受信器
での音響インピーダンスの不整合は、“目標”に送出さ
れる、あるいは目標から帰ってきて受信されるエネルギ
ーの量を減少させる。
センサーアレイを物体に対して“インピーダンス整合”
させなければ、発生した超音波エネルギーのごくわずか
な部分しか目標に入って行かない。
同様に、インピーダンス整合しなければ、目標から帰っ
てくるエネルギーのごくわずかな部分しかセンサーアレ
イに受は取られない。
このように、超音波エネルギーを、人体等の、画像形成
される物体に効率的に結合するために、アレイと物体と
のインピーダンスが密接に整合されなければならない。
インピーダンス整合には、音響エネルギーの速度が象、
激に変化するのではなく、徐々に変化することが必要で
ある。インピーダンス整合は、センサーアレイに施され
る特殊なコーティングを用いて行われる。
たとえば、超音波アレイと人体との間のインピーダンス
整合を容易にするために、トランスデユーサは、音響窓
の付いた、柔軟な、液体の満たされた容器の内部に取り
つけられ、窓が人体に対向して配置される。液体と柔軟
な容器は、人体へのインピーダンス整合をよくし、一方
、アレイは液体中で機械的に走査されうる。プレイは、
アレイの凹面に接着された、ひとつあるいはそれ以上の
インピーダンス整合材の層によって、容器内の液体とイ
ンピーダンス整合される。
超音波エネルギーを集中するために、センサーは通常薄
い球形シェルから切り出された円形部の形に設計される
。エネルギーはシェルの凹面から放出され、またそこで
受けられる。このような形状は、球形シェルの湾曲の中
心に中性焦点をもっている。受信性能を最大とするため
、センサーシステムは、小さなセンサーのアレイとして
製造することができる。ある広く用いられる設計では、
球形シェルから多数の環を形成する。それぞれの環へ戻
る信号は少しずつ異なる時間に到達し、それら個別の信
号を、画像品質を最適化するように処理することができ
る。環状アレイセンサーと呼ばれるこのタイプのセンサ
ーが、本特許出願の内容である。
超音波エネルギーは、凹面（望ましい）側と凸面（望ま
しくない）側の両方から放出されまた受は取られるため
、凸面側の結合は最小にしなければならない。これは、
アレイの凸面側に、音響減衰層、音響裏当てを設けてな
される。
現在の諸設計では、音響裏当てはまた、別々の環を一体
に保持するための機械的構造としても働く。製造は、球
形シェルから切り出される圧電材のシェルから開始され
る。個々の電気コネクタがシェルの凸面に環が配置され
る位置で取りつけられる。その後、減衰音響裏当てが凸
面に施される。
音響裏当てには、センサー素子を一体に保持するのに十
分な強度がなければならない。音響裏当ては電気コネク
タをそれらの取りつけ点でカプセル封じする。
その後、センサーは環状アレイセンサーへと形成される
。球形シェルが、−組の連動“穴鋸”（ｇａｎｇｅｄ″
ｈｏｌｅ　ｓａｗｓ”）を用いて環へと切り込まれる。
切り込みは凹面からなされ音響裏当てに接触する深さま
でなされる。
このように、超音波トランスデユーサアレイには、二つ
の主要な要件がある。アレイは液体中に浸漬した状態で
機能しうるよう、密封されていなければならない。また
、その凹面側は、通常水と同様の音響インピーダンスを
持つ液浸媒体に対して、効率的にインピーダンス整合さ
れなければならない。
前述の通り、現在の技術において、アレイは圧電シェル
を同心の環に切ることによって形成される。切り込みは
、殻を真直ぐに凹面から凸面まで“穴鋸パで切断してな
される。こうして、アレイは、−組の個別の同心環と一
つの中央円盤からなる。
これらの素子はすべて、アレイを形成するために強固に
一体に取りつけなければならない。それぞれの素子の凸
面側に別々のリード線を接続しなければならない。また
、接地リードをすべての要素の凹面側に接続しなければ
ならない。加えて、アレイ内部の液体はアレイの正常な
動作を妨げるため、アレイは密封しなければならない。
さらに、このアレイの凹面には、良好なインピーダンス
整合コーティングを施すことが必要である。
現在の技術においては、アレイの凹面側に施される第一
のコーティングは三つの別々の条件を満たさなければな
らない。
ａ、良好な導電体であること。
ｂ、圧電素子に対する密封シールを形成すること。
Ｃ１良好な音響インピーダンス特性を持つこと。
これらの条件は互いに矛盾するものであり、一つの材料
で三つの条件はすべてを良く満たすものはない。グラフ
ァイトはおそらく周知の材料で最良のものである。しか
し、グラファイトには多くの欠点がある。そのインピー
ダンスは最適ではなく、グラファイトと圧電材の間の接
着剤を密封することは困難であり、またそれは脆弱でも
ある。
〔発明の目的〕
本発明は、電気的あるいは機械的性能をそこなわずに、
機械的な一体性、密封性、および水に対する良好なイン
ピーダンス整合とを同時に提供できる超音波トランスデ
ユーサアレイを提供することを目的とする。
〔発明の概要〕
本特許出願において開示される環状アレイセンサーは、
現在の環状センサーアレイに見られる液体漏れおよびイ
ンピーダンス整合不良の問題を克服するものである。本
発明によって達成される性能改善の鍵は、センサーアレ
イの新規な製造方法である。アレイは、作用凹面が密封
され、かつ導電層によって被覆されるように製造される
。二つの方法が説明される。第一の方法では、圧電シェ
ルに凸面側から切りこむことによってアレイを形成する
。このとき、切り込みがアレイの凹面出力側を切り抜く
ことのないようにする。第二の方法では、凹面側が、銅
などの、圧電アレイ素子と同様の音響インピーダンスを
持つ導電材の層で一体に接合される。この導電層は、ア
レイのそれぞれの素子に非常に密着して接合され、その
結果、密封性のよい接合となる。
第一の方法の結果、はとんど切りこまれて、同心の環に
よって囲まれた一つの中央円盤を成している一片の圧電
材から形成されたアレイが得られる。凸面側から見ると
、圧電素子は従来の技術を用いて製造されたアレイと基
本的に同一に見える。
凹面側から見ると、それは連続的でかつ密封されてみえ
る。したがって、このアレイの凹面側の密封には特別な
配慮は必要とされない。その後、導電層が凹面側を覆っ
て施され、アレイのすべての素子に共通な接地として働
（。
第二の方法の結果、アレイの凹面側は、圧電センサー材
の凹面側に密封された連続する銅の層として現れる。い
ずれの方法が用いられても、独立したインピーダンス整
合コーティングを凹面に施すことができ、これら独立の
コーティングは密封性を提供する必要はない。
通常、このようなコーティングは、アレイと水の間のイ
ンピーダンス整合をもたらすために必要とされる。コー
ティングは最適なインピーダンス整合特性を持・つよう
に選定することができる。その電気的特性については特
別な配慮は必要とされない。なぜなら、最適な導電性が
別のコーティングによって提供されるからである。
本発明では、密封はアレイの素子のそれぞれが電気的に
接続される凸面側において必要である。
凸面側ではインピーダンス整合の必要がないため、密封
は標準の封止技術を用いて行うことができる。
本発明に特有の価値は、本発明を用いて製作されたセン
サーアレイが従来の技術を用いて製作されたものより実
質的に信鎖性が高いことにある。
現在よく見られる液体漏れによる不良はなくなるであろ
う。超音波画像形成の医療へのアプリケーションでは、
しばしば生命に関わる状況があり、したがって、本発明
を用いたセンサーアレイの信軌性の向上は、生命の救済
に直接つながるものである。
〔発明の実施例〕
第１図は、環状アレイセンサーＩＯに作り込まれる圧電
材料のシェル１２および導電材のリング１８の断面図で
ある。シェル１２は、球形シェルからスー２イスした一
部のような形状であり、凹面１４、凸面１６およびシェ
ルの端部１５を持つ、リング１８は、内側面２０．下端
部２２、外側面２４、上端部２５を持つ。
第１図に示すように、第一の製造ステップは、リフロー
半田玉２６を用いて圧電シェルをリングに固着すること
である。
第２図は、第１図に示すように固着した圧電シェル１２
と導電リング１８の底面図である。
第３図は、環状センサーアレイを製造する第二のステッ
プを示す、厚さ約２００オングストロームのクロム層２
８が凹面１４、凸面１６およびリング１８の下端部２２
に真空蒸着され、三つの面すべてに密着する。その後、
厚さ約３０００オングストロームの金の層３０がクロム
層２８の上に真空蒸着される。この二つの層がともに凹
面１４、凸面１６およびリング１８の下端部２２に密着
する。このステップの完了後、圧電材１２とリング１８
との間に小さなギャップ３１があってもよい。
第４図は、次の、厚さ約０．００２インチの銅の層３２
が金の層３０の上に電気めっきされる製造ステップを示
す、もしギャップ３１ができていた場合は銅がそれをふ
さぐ。銅の層３２は、好適な配置で示されているが、そ
れはリングの下端部２２にわたってめっきされ、リング
の外側面２４にかかるというものである。
第５図は次のステップにおける圧電シェル単体を示し、
リングは示していない。スロット３４がシエル１２の凹
面１４および凸面１６に、それぞれのスロットがほとん
ど凹面１４にまで伸長するように切りこまれる。それぞ
れのスロット３４と凹面１４との間には、アッセンブリ
ーに物理的一体性を与えるに十分な材料３６が残されて
いる。その結果、中央円盤３８と圧電材の薄い層によっ
て連結された多数の環４０からなる構造になる。
第５図はまた、凹面１４にめっきされる銅の層３２への
インピーダンス整合層４１の塗布を示す。
第６図は、個々の導体４２およびシール４４を加えたセ
ンサーアッセンブリー１０を示す。個別の導体４２が中
央円盤３８の凸面１６上の金層３０、およびそれぞれの
環４０の凸面１６上の金層３０に取りつけられる。
円盤３８と環４０はその後、導電層３２とそれぞれの導
体４２との間に直流電位を印加することによって成極（
ｐｏｌｅｄ）　　される。
シール４４はリングの外側面２４に被さって伸長するカ
ップ状の膜である。シール膜は、内側の導電層４６、中
央の非導電層４８および外側の導電層５０を持つサンド
インチ構造として示される。実際には、シールは内側の
導電層４６と外側の導電層５０のいずれかを欠いていて
もよい。内側の導電層４６と外側の導電層５０のいずれ
か、または両方がリングの上端部２５の周囲を完全に覆
って、導電リング１８の外側面２４と電気的に接続され
るようにすることができる。それによってセンサーアッ
センブリ−１０全体の周囲に電磁遮蔽が形成される。
導体４２をシール４４の外部に引き出すために用いられ
る密封された開口部５２を製作するのに写真製版技術を
用いてもよい。シール４４と凸面１６との間の空隙は、
音響減衰材の層５４で部分的に、あるいは完全に埋める
ことができる。音響減衰材の層５４が別々の環４０を機
械的に支持するために必要とされる現在のセンサーの設
計とは違って、音響減衰材の層５４は削除することもで
きる。音響減衰材の層５４なしで動作する場合は、“空
気で裏当てされた°°センサーとなり、それはより大き
な超音波出力能力を持つ。
この結果得られる環状アレイセンサー１０は、すべての
側面で密封されたものとなる。音響整合層４１は機械的
支持機能あるいは封止機能を持たないため、音響整合の
ために最適化することができる。
別の実施例の製造は前述した“一実施例”と同様の方法
で始まる。導電リング１８と圧電シェル１２が第１図お
よび第２図に示すように組み立てられる。
別の実施例の製造の次のステップは第７図に示す通りで
ある。第７図は圧電シェル１２の一部を示し、リング１
８は示されていない。一連の浅い溝５６が凹面１４に切
られている。それぞれの溝５６は約０．０１２インチの
幅寸法５７と約ｏ、ｏｏｓインチの深さ寸法５９を持つ
。溝を切られた凹面１４と凸面１６はその後、クロムの
薄い層と金の薄い層５８を真空蒸着される。クロムの厚
さは約２００オングストローム、金は約３０００オング
ストロームである。
その後、第８図に示すように、銅の厚い層６０が金の層
５８の上に電気めっきされ、銅の層６０が虜溝５６のそ
れぞれを完全に満たし、凹面１４の上に１０００分の数
インチ伸長するようにする。その結果得られる溝４４の
中の銅６０の厚いリングがアッセンブリーに物理一体性
を与え中央円筒部３８とすべての環４０を互いに固定さ
れた位置関係に保持する。この別の実施例は、円盤３８
と環４０が、第５図に示す圧電材の薄い層３６によって
ではなく、溝５６内の銅のリング６０によって結合され
る点で、“一実施例゛と異なる。
第９図に示す次のステップでは、スロット６２が凸面１
６に、溝５６と整列して切りこまれる。それぞれのスロ
ット６２は、浅い、銅の満たされた溝５６に接触する深
さだけ切りこまれる。スロット６２の切り溝幅６４は溝
の幅５７よりも小さい、こうして、中央円盤３８とそれ
ぞれの環４０との間の圧電材がすべて除去される。
銅の層６０は、一実施例における導電層３２と同様に、
共通の電気接地として機能する。環の分離以降は、“一
実施例”の製造手順に従う。
第５図にしめすように、凹面１４上の銅の層６０にイン
ピーダンス整合層４１が塗布される。
一実施例の手順にしたがって、第６図に示すように、個
々の導体４２が中央円盤３８および凸面１６上のそれぞ
れの環４０に取りつけられる。円盤３８と環４０は、導
電層６０とそれぞれの導体４２との間に直流電位を印加
することによって成極（ｐｏｌｅｄ）される。
シール４４はリングの外側面２４に被さって伸長するカ
ップ状の膜である。シール膜は、内側の導電層４６、中
央の非導電層４日および外側の導電層５０を持つサンド
インチ構造として示される。実際には、シールは内側の
導電層４６と外側の導電層５０のいずれかを欠いていて
もよい。内側の導電層４６と外側の導電層５０のいずれ
か、または両方がリングの上端部２５の周囲を完全に覆
って、導電リング１８の外側面２４と電気的に接続され
るようにしてもよい。
それによってセンサーアッセンブリ−１０全体の周囲に
電磁遮蔽が形成される。
導体４２をシール４４の外部に引き出すために用いられ
る密封された開口部５２を製作するのに写真製版技術を
用いてもよい。シール４４と凸面１６との間の空隙は、
音響減衰材の層５４で部分的に、あるいは完全に埋める
ことができる。音ＩＰ減衰材が塗布されない場合、“空
気で裏当てされた”センサーとなる。
この結果得られる環状アレイセンサー１０は、すべての
側面で密封されたものとなる。音響整合層４１は機械的
支持機能あるいは封止機能を持たないため、音響整合の
ために最適化することができる。
この環状アレイセンサーは、医療用超音波画像形成に使
用する高性能のセンサーアレイを提供する。また、精密
機器の非破壊試験等その他の超音波画像形成のアプリケ
ーションに用いて大きな利点を得ることもできる。本発
明は発展を続ける超音波画像形成の分野に大きな一歩を
もたらすものである。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明を用いることにより、電気
的あるいは機械的性能をそこなわずに、機械的な一体性
、密封性、および水に対する良好なインピーダンス整合
とを同時に提供できる超音波トランスデユーサアレイを
提供することができる。
第１図は装着用リングに圧電シェルが固着された後の超
音波センサーアレイの断面図である。
第２図は第１図に示す超音波センサーアレイの底面図で
ある。
第３図は圧電材の凹面とリングの下端とに薄い接着層が
付着された後の断面図である。
第４図は圧電材の凹面とリングの下端との上の薄い接着
層に導電層が付着された後の断面図である。
第５図は凸側から一連の環状に切り込まれた、リングの
ない、圧電シェルを示すものであって、平面図の左側は
凹側から見た図であり、右側は凸側から見た図である。
第６図は超音波アレイの各要素へのシェルの凸側におけ
る個々のリード線の固着法、及びリングの上端にわたる
シーリングカップの固着法を示す図である。
第７図乃至第９図はそれぞれ本発明の別の実施例におけ
る製造工程段階を示す図である。
１２　： ２８　： ３２　： ４２　： ５４　： 圧電シェル、 クロム層、 銅の層、　４１ 導体、 音響減衰材の層 １８：リング ３０：金の層 ：インピーダンス整合層 ４４：シール

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 　凹側（１４）、凸側（１６）、及びシェル端（１５）
    を有する圧電シェル（１２）と、 前記凹側（１４）に近接した領域（３６）が切断される
    ことなく前記凹側（１４）に向けて前記凸側（１６）か
    ら伸びた少なくとも１つの円形切り込み（３４）によっ
    て中央円盤（３８）と少なくとも１つの同心環（４０）
    とに切り込まれた前記凸側（１６）と、 外側端（２４）、内側端（２０）、下端（２２）、及び
    上端（２５）を備えたリングであって、前記下端（２２
    ）が前記凹側（１４）と位置合わせされ、前記圧電シェ
    ル（１２）の周りが前記リング（１８）の内側にきちん
    と合うように固着される導電リング（１８）と、前記凹
    側（１４）と前記下端（２２）とにわたって付着された
    導電コーティング（３２）と、 前記リング（１８）の前記上端（２５）にわたって固着
    され、これによって前記凸側（１６）との間の開空間（
    ５４）を密閉するシール（４４）と、 前記中央円盤（３８）と前記同心環（４０）のそれぞれ
    とに前記凸側（１６）で接続され、前記シール（４４）
    を通して外部に通ずる電気的接続（４２）と、を備えて
    成る超音波センサー。
JP2126521A 1989-05-16 1990-05-16 環状アレイ超音波センサー Pending JPH034699A (ja)

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US (1) US4992692A (ja)
EP (1) EP0397959B1 (ja)
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