JPH09508242A

JPH09508242A - ビーム幅を選択できる超音波トランスジューサ及び方法

Info

Publication number: JPH09508242A
Application number: JP7518577A
Authority: JP
Inventors: ポールディーコール; マイケルシーパオ; ヴィンセントエイバーレッタ; ヴィクターチェチェルスキー
Original assignee: カーディオメトリックスインコーポレイテッド
Priority date: 1994-01-06
Filing date: 1995-01-05
Publication date: 1997-08-19
Also published as: US5740596A; EP0738427A4; US5581144A; WO1995019049A1; EP0738427A1; AU1597895A; US6025670A; CA2180559A1

Abstract

(57)【要約】ビーム幅を選択できる超音波トランスジューサは、外径がＤで厚さがＴである環状の圧電性材料の本体（２１）を備えている。本体は近位及び遠位のほぼ平行で平らな面と、前記本体を貫通する中央に配置された穴を有している。本体は穴から外径まで延びる幅がＷである円筒壁を備えている。トランスジューサは、直径Ｄと縦横比Ｄ／Ｔとによって決定される低い共振周波数、及び、厚さＴと縦横比Ｗ／Ｔとによって決定される高い共振周波数で作動可能である。

Description

【発明の詳細な説明】ビーム幅を選択できる超音波トランスジューサ及び方法本発明は、ビーム幅を選択できる小型で高効率の２周波数作動の超音波トランスジューサとその組立体と方法とに関するものである。米国特許第５,０５９,８５１号には、穴無しディスク形状のトランスジューサを利用する小型超音波トランスジューサ組立体が開示されている。このようなディスクを用いた場合には、１つは横方向の（直径方向の）共振に関連し、１つは厚さ方向の共振に関連する２つの強い共振があることが知られている。しかしながら、このようなトランスジューサでは、厚さが直径に近いため（典型的には、直径は厚さの約２倍であった）、直径方向の共振と厚さ方向の共振との間に強い相互作用が生じた。２つの共振間の効率を最適にすることは、効率を低下させる原因となる２つの共振モード間の望ましくないカップリングのため、難しいということがわかった。米国特許第５,０５９,８５１号の図３及び図４は、ドーナツ形トランスジューサを示している。この明細書は、適当な縦横比は０.５から１の間であることを示唆している。外周から穴の外縁部までの距離は、ドーナツ形トランスジューサ全体を横切って延びる幅の約１／４から１／３の間であろう。図３及び図４における開示の時点では、このような構造が有用な特徴は期待できなかった。従って、新規で改良した超音波トランスジューサ、その組立体、及び、このようなトランスジューサの特徴を完全に利用する方法が必要とされている。一般的には、本発明の目的は、超音波トランスジューサ、その組立体、及び、２周波数での作動が可能でビーム幅を選択できる方法を提供することにある。本発明の他の目的は、小型サイズであるが効率の高い上述の特徴を有するトランスジューサを提供することにある。本発明の他の目的は、効率的な広帯域作動を達成することができる上述の特徴を有するトランスジューサ及び方法を提供することにある。本発明の他の目的は、特に冠状動脈又は脳のための血管内のドップラートランスジューサに適用可能な上述の特徴を有するトランスジューサ組立体及び方法を提供することにある。本発明の他の目的は、５メガヘルツから２０メガヘルツの間の範囲内で作動可能な上述の特徴を有するトランスジューサ組立体及び方法を提供することにある。本発明のその他の目的及び特徴は、添付図面と関連して詳細に記載される好ましい実施の形態についての以下の説明から明らかになるであろう。図１は、本発明を実施するトランスジューサ及びその組立体の拡大断面図である。図２は、図１の線２−２に沿った端面図である。図３は、図１に示すトランスジューサの拡大断面図である。図４は、図３に示すトランスジューサの拡大等角図である。図５は、図１から図４に示すトランスジューサを用いてビーム幅を選択することができる方法を示すブロック図及び概略図である。本発明の超音波トランスジューサは、中央に配置された貫通穴を有する環状の圧電性材料の本体を備えている。この超音波トランスジューサは、外径がＤであり、近位及び遠位の全体として平らな面を有している。電極がこの近位及び遠位の平らな面の各々をおおっている。圧電性材料は、また、近位面から遠位面まで延びる厚さがＴであり、穴の外縁部から外径まで延びる肉厚がＷである。本体は低い共振周波数及び高い共振周波数で作動することができる。低い共振周波数は、主として直径Ｄと縦横比Ｄ／Ｔとによって決定される。高い共振周波数は、主として厚さＴと縦横比Ｗ／Ｔとによって決定される。特に、本発明を具体化するトランスジューサ組立体１１は、米国特許第５,０５９,８５１号に説明されているタイプのガイドワイヤ１２の一部を形成する。このガイドワイヤ１２は、その特許に説明されているように、典型的には、例えば１５０センチメートルのような適当な長さを有するステンレス鋼の管状の可撓性を有する細長い部材を備えている。この可撓性を有する細長い部材の適当な直径は、０.４５７ミリメートル（０.０１８インチ）から０.２５４ミリメートル（０.０１０インチ）の間の範囲内にある。可撓性を有する細長い部材は、その全長にわたって延びる通路を有している。可撓性を有する細長い部材の遠位端は、典型的には、コイルばねに固定されてもよく、コイルばねは円筒形チップ１６に固定され、このチップ１６は、この特許に説明されているように、コイルばねをチップ１６に装着することによってコイルばねの遠位端に固定される。チップ１６は、本発明のトランスジューサ２１を受け入れるカップ形の円筒形凹部１７を備えている。トランスジューサ２１は、例えば圧電性セラミックなどの超音波用に適した圧電性材料など、米国特許第５,０５９,８５１号に記載されたタイプの本体２２により形成される。特に満足な結果が得られることが認められた１つの圧電性セラミックは、郵便番号８４１１５、ユタ州、ソルトレークシティー、ウエスト３００、サウス２６４５にあるＥＤＯコーポレーションのウエスター（Ｗｅｓｔｅr ）ディビジョン、セラミックディビジョンから入手できるＥＣ−９８鉛マグネシウムニオブ酸塩である。ＥＣ−９８組成物は、高い誘電率、低い劣化特性、優れたカップリング特性およびそれを本発明の小型トランスジューサに特に適したものにする高いひずみ定数を与えるため、選ばれた。以下に説明するように形成された本体２４は、環状即ちリング状で、ドーナツ形であるのが特徴である。本体２４は実質的に平らな近位及び遠位の平行な面２６及び２７を有し、遠位面２７は図１に示されるようにガイドワイヤ１２の遠位端から遠位方向即ち外方に向いている。本体２４は、平行な面２６及び２７にほぼ垂直な方向に延びる外側円筒面２８を備えている。本体２４は、また、面２６及び２７に実質的に直角にそれらの面を貫通する中央に配置された穴２９を有している。トランスジューサ組立体１１は、特に、例えば直径が０.４５７ミリメートル（０.０１８インチ）以下であるような小径ガイドワイヤ内で用いられるように構成される。従って、トランスジューサ２１は、このようなガイドワイヤの遠位端内で利用することができるようにガイドワイヤに対応して小さいサイズを有していなければならない。このようなトランスジューサを高い信頼性をもって製造するために、レーザ機械加工を利用するのが望ましいことがわかっている。このようなレーザ機械加工により、例えば５°以下のようなわずかなテーパを有する切れ込み及び穴を形成する。これらは図３に誇張して描かれている。このようなトランスジューサ２１を提供する本発明と関連して、所望の厚さ、例えば０.０９６５ミリメートル（３.８ミル）の厚さを有する圧電性材料のシート（図示せず）が用いられる。トランスジューサ２１は材料のシートから反復工程によって形成される。テーパの量は利用されるレーザのタイプとレーザビーム用対物レンズの焦点距離によって決定される。大きな焦点距離を有するレンズを用いることによって、テーパを減らすことができる。ＹＡＧレーザと共にＸ−Ｙ移動テーブルを利用することによって、スポットの大きさが０.０２０３ミリメートル（０.８ミル）から０.０２５４ミリメートル（１.０ミル）の範囲のスポットサイズを有し、５０ヘルツから１５０ヘルツの範囲のパルス繰返し周波数を有するレーザにより、中央を貫通して延びる穴２９を有する円筒本体２２になるようにトランスジューサ用の外径及び内径の両方をカットして得られることが判明している。作動周波数が１０６４ｎｍのＹＡＧレーザを用いた場合に、好ましい結果が得られた。他タイプのレーザを用いることができることを認識すべきである。例えば、エクシマーレーザを用いることができ、これは切断速度がＹＡＧレーザで達成することができる切断速度より小さいが熱ひずみが小さいので好ましいであろう。エクシマーレーザは、典型的には、３０８ｎｍで作動する。ＹＡＧレーザを使用することにより、結晶構造に対する損傷を最小限にしつつ、比較的速い製造速度でトランスジューサ２１を製造することが可能になる。レーザ機械加工の作業中に本体２２の面２６及び２７上に蒸着された材料はＱチップを利用してアセトン又はアルコールなどの適当な溶剤で容易に除去することができることがわかっている。したがって、熱の影響を受けた非常に小さい領域が、円筒面２８に隣接した本体２２の外周部と穴２９に隣接した内周部の近くに残るだけである。トランスジューサ２１をチップ１６の円筒形凹部１７内にはめ込むためには、トランスジューサ２１は適当な直径を有していなければならない。したがって、一例をあげると、外径が０.３５６ミリメートル（０.０１４インチ）のガイドワイヤに対しては、トランスジューサ２１の直径が約０.２５４ミリメートル（０. ０１０インチ）であることが好ましい。このような大きさのトランスジューサにレーザ機械加工を用いることにより、円筒面２８と、約５°のテーパ付きの面２６及び２７内の穴２９を作ることが可能になった。このテーパは、より長い焦点距離を有する対物レンズを用いることにより、約２°から３°に改善することができる。図１に示されるタイプのガイドワイヤ１２についての本発明と関連して、トランスジューサ２１が広いビームを生成して、トランスジューサ２１がその内部に配置される管のできるだけ広い断面におおうことを可能にし、好ましいことに、管の側壁まで延びることを可能にして、ビームが確実に管の管腔の少なくとも中心をおおうようにすることによって、管腔の中心を流れる液体、たとえば血液の速度を正確に測定することが保証される。前述したように、血管内ガイドワイヤの好ましいサイズは、０.２５４ミリメートル（０.０１０インチ）から０.４５７ミリメートル（０.０１８インチ）の範囲内であり、あるものは０.７６２ミリメートル（０.０３０インチ）以上である。血管内操作に最適なドップラー周波数は、（減衰、後方散乱効率、走査距離等を考慮すると、）典型的には、（０.０７６２ミリメートル（０.００３インチ）から０.３０５ミリメートル（０.０１２インチ）の範囲の血液中の音波の波長に対応して、）５メガヘルツから２０メガヘルツの範囲内である。トランスジューサのサイズと超音波の波長のこれらの範囲は、直径が約１波長から１０波長までの範囲の音響トランスジューサに対応し、最も望ましい組合せは、直径が１波長から５波長の範囲内にあるトランスジューサである。本発明に関連して、一方は高い共振周波数としての特徴があり、他方は低い共振周波数としての特徴がある２つの強い共振周波数を与えることのできるドーナツ形即ちリングタイプトランスジューサ２１を用いると好ましいことが判明している。低い共振周波数は、外径Ｄであるトランスジューサ２１の最大寸法と密接な関係がある。共振はその周波数と効率により特徴づけられる。これらのパラメータはディスク形トランスジューサの標準モデルを用いることによって予測可能である。例えば、クンケル（Ｋｕｎｋｅｌ）等は、「ＩＥＥＥ」の第３７巻第４号（１９９０年７月）の「圧電性セラミックディスクの振動モードの有限要素解析」において、有限要素解析を用い、正規化した共振周波数と、（トランスジューサ効率の重要な要素である）電気機械的カップリング係数を、セラミックディスクトランスジューサの直径の厚さに対する縦横比Ｄ／Ｔの関数として算出している。次に、直径Ｄは正規化した共振周波数を実際の共振周波数に変換するのに用いられる。中央に配置された穴２９は、基本的な低い周波数モードの周波数と電気機械的カップリング係数にわずかな影響を与えるだけであるが、この穴２９はエネルギーを浪費して、トランスジューサの効率を低下させる望ましくないディスクモードの多くを抑制するように作用する。したがって、リングタイプトランスジューサは、非常に純な共振モードと弱い高調波を有する効率的な低い周波数のトランスジューサを実現する可能性を与える。第２の即ち高い周波数共振モードは、ドーナツ形即ちリングタイプトランスジューサの断面に密接に関係している。共振はその周波数と効率により特徴づけることができる。リングタイプトランスジューサはリング形に曲がった線形要素として考えることができるので、これらのパラメータは、矩形断面を有する線形トランスジューサの標準モデルを用いることにより予測可能である。メイソン（Ｍａｓｏｎ）は、「アカデミックプレス」の第１巻第Ａ部（１９６４年）の「物理的音響効果の原理と方法」において、分析的手法を用いて、正規化した共振周波数と、（トランスジューサ効率の重要な要素である）電気機械的カップリング係数とを幅の厚さに対する縦横比Ｗ／Ｔの関数として算出した。次に、厚さＴは正規化した共振周波数を実際の共振周波数に変換するのに用いられる。幅の厚さに対する縦横比が１より小さい場合、矩形断面の基本共振モードは、しばしば長さ伸長モードと称される。電気機械的カップリング係数は幅の厚さに対する縦横比が０.６のときに最大になり、このカップリング係数はこれまでの厚さモード共振トランスジューサにおいて見出されたカップリング係数よりはるかに高いということが理論的に予測され、実験により確認される。トランスジューサの３つの基本的なサイズ、即ち直径Ｄ、厚さＴ及び環幅Ｗを適当に選択することにより、小型トランスジューサを２つの別個の周波数で効率的に作動させることができる。中央に配置された穴が望まれていないディスク共振モードを抑制することにより、低い周波数の横方向共振モードを用いて効率的に作動させることができる。同時に、中央に配置された穴により、約０.６の理論上の最適値に近い縦横比Ｗ／Ｔの場合に、トランスジューサが厚さ共振モードにおいて振動の効率的な長さ伸長モードを利用することが可能となる。従来は、トランスジューサに関して、典型的には、他の周波数モードが必要とされず、作動の単一モードを有しているトランスジューサが望まれていた。本出願では、本トランスジューサは低い周波数の横方向モードを作り出すことによって必要とされていないモードを利用して、２つの強いモードを有するトランスジューサを提供し、他の不要なモードを限定して、以下に説明するようにガイドワイヤ２の作動を最適にする２周波数トランスジューサを提供する。２つの共振周波数のどちらも、前述の２周波数作動の融通性を犠牲にして、特定の用途に対して最もよい性能が得られるのに最適になるように選択するのがよいことを認識すべきである。更に、高い共振周波数と低い共振周波数が互いに接近するように設計するときは、２つの共振は互いに混合して単一の広い共振になり、その結果、効率的な広帯域トランスジューサの設計を与えることが理解できる。例をあげると、本発明を具体化するトランスジューサ２１は、遠位面２７を横切って延びる直径Ｄが０.２５９ミリメートル（１０.２ミル）であり、近位面２６に沿って延びる直径Ｄが０.２３９ミリメートル（９.４ミル）であった。トランスジューサ２１は、厚さＴが０.０９６５ミリメートル（３.８ミル）であった。穴２９は、近位面２６での直径が０.０８３８ミリメートル（３.３ミル）であり、遠位面２７での直径が０.０６３５ミリメートル（２.５ミル）であった。このようなサイズでは、穴２９の外縁部から外面２８までの距離Ｗは、遠位面２７で０.０９７８ミリメートル（３.８５ミル）であり、近位面２６で０.０７６２ミリメートル（３.０ミル）であった。トランスジューサ２１は、米国特許第５, ０５９,８５１号に開示されたタイプの医用等級接着剤などの適当な手段によってカップ状の円筒形凹部１７の中に取付けられた。また、米国特許第５,０５９, ８５１号に記載されているような適当な材料でつくられた遠位面２７に整合層３２が設けられ、そこに図１に示されるように、フラッシュ面を形成し、凹部１７をふさいだ。このようなトランスジューサ２１は、約６.５メガヘルツの低い周波数の作動モードと、１５.０メガヘルツの高い共振周波数とを有していることがわかった。６.０メガヘルツ及び１０.０メガヘルツの他の２周波数に対しては、トランスジューサ２１は、遠位面２７を横切って延びる直径Ｄが約０.２７４ミリメートル（１０.８ミル）であり、厚さＴが約０.１７０ミリメートル（６. ７ミル）であったであろう。６.０メガヘルツ及び１２.０メガヘルツの２周波数に対しては、トランスジューサ２１は、遠位面２７にわたって延びる直径Ｄが約０.２６７ミリメートル（１０.５ミル）であり、厚さＴが約０.１３２ミリメートル（５.２ミル）であったであろう。トランスジューサ２１は、通常の電源、図５にブロック３６で表示する送信機及び受信機によってこれらの周波数で作動された。ブロック３６は周波数選択スイッチ３７を備え、この周波数選択スイッチ３７は、例えば、５メガヘルツ、６メガヘルツ、７.５メガヘルツ、１０メガヘルツ、１２メガヘルツ、１５メガヘルツ及び２０メガヘルツの範囲から、例えば、特定の低い周波数又は特定の高い周波数を選択する能力を有している。これらの選択された周波数は、一対の絶縁導線３９及び４２に接続された一対の電線３８及び４４に加えられた。導線３９は、図３に示すように、穴２９を貫通し、トランスジューサ２１の遠位面２７上に曲げられてはんだ付けされた。導線３９は絶縁被覆４１を備えていた。導線４２が設けられ、その遠位端は曲げられ、トランスジューサ２１の近位面２６にはんだづけされた。導線４２は、また、絶縁被覆４３を備えていた。ドップラー送信機によりブロック３６から電気エネルギーのパルスを、超音波パルスを生成する超音波トランスジューサ２１に供給された。超音波パルスは、前方へ広がる円錐形ビーム４６になって遠位面２７から外方へ伝播され、円錐形ビームは約３０ °の角度の範囲を定め即ちビーム幅を有し、適当な距離、例えば、遠位面２７から約５ミリメートルの距離で試料体積４７を分析した。トランスジューサ２１が低い周波数で励振されたとき、円錐形ビーム４８が前方へ伝播され、かつ、約６０°の角度の範囲を定め即ちビーム幅を有し、遠位面２７から約１０ミリメートルの距離で図５に示すように試料体積４９を分析した。一般に、ラジアンで表した小型超音波トランスジューサからのビームの幅はλ／Ｄであり、ここで、λは超音波の波長、Ｄはトランスジューサの直径であり、低い方の周波数により、（その周波数に対応するより長い波長と共に、）高い方の周波数の作動と比べて、比較的広いビームを与える。本発明のトランスジューサ組立体１１が取付けられたガイドワイヤ１２を用いてドップラー効果を利用する血液流の測定を行う場合には、管の中央領域において血液が最も速い速度で流れているので、空間ピーク血液流を適切に探知するように、トランスジューサによって伝播されたビームが、管の少なくとも中央領域をおおうことが重要である。したがって、確実に適当な血液流を測定するためには、低い方の作動周波数をこの周波数に対応する広い方のビームと共に利用して、超音波ビームが管の測定位置の実質的にすべての断面領域、又は、管の中央領域を含むその実質的な部分が確実にカバーされるようにすることが望ましい。しかしながら、超音波ビームが管よりはるかに大きいときは、ビームが管壁を越えて広がるにつれて多量の音響エネルギが失われる。したがって、できるだけ強いドップラー信号を確保するためには、ビームが管の実質的な部分をカバーするのに十分大きい限りは、高い方の作動周波数をこれに対応する狭い方のビームと共に利用することが望ましい。例えば、直径が１０ミリメートルの大腿動脈のような大きい管では、広い方のビーム４８で大腿動脈の中央流れをとらえる非常によい機会があるのに対して、小さい方のビーム４６でこの中央流れをとらえるのはむずかしい。逆に、例えば直径が３ミリメートルの冠状動脈のような小さい管の場合には、狭い方のビーム４６が管の実質的な部分をカバーするのに適しているのに対して、広い方のビーム４８は弱いドップラー信号を与えることになる。したがって、本発明では、ガイドワイヤの遠位端が側支流及び曲がりくねった管の中を通るのに順応するように曲がって、その結果、管の中で中心に置かれないとしても、管サイズの広い範囲にわたって正確な測定をすることが可能となる。前述のことから、例えば人体などの体内の管の中における流れの測定をするのに特に適したガイドワイヤ用トランスジューサ組立体が提供されていることが理解できる。このトランスジューサは、実質的に等しく効率的である高い共振周波数及び低い共振周波数で２周波数の作動するものである。このようなトランスジューサを利用することによって、最高の流れが起こる少なくとも管の中心が測定する試料体積内にあることを保証するように狭いビームと広いビームを与える方法を利用することができる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８【提出日】１９９５年７月１８日【補正内容】請求の範囲１．低い周波数の励振パルス及び高い周波数の励振パルスに応答してそれぞれ第１及び第２のビーム幅を得る、低い周波数の励振パルス及び高い周波数の励振パルスを供給する電源とともに使用される超音波トランスジューサであって、前記トランスジューサは、０.２５４ミリメートル（０.０１０インチ）から０.４５７ミリメートル（０.０１８インチ）の範囲にある直径を有するガイドワイヤの遠位端で使用され、０.４５７ミリメートル（０.０１８インチ）以下の外径Ｄと厚さＴを有する環状の圧電性材料の本体を備え、前記本体は近位及び遠位のほぼ平らで平行な面を有し、前記近位及び遠位の面を貫通する中央に配置された穴を有し、前記本体は、前記穴で始まる内周部と外周部とを有し、前記内周部から前記外周部まで延びる幅Ｗを有し、前記直径Ｄ、前記厚さＴおよび前記幅Ｗは、前記本体が前記低い周波数のパルスに応答して低い共振周波数で共振し、前記高い周波数のパルスに応答して高い共振周波数で共振して、前記第１及び第２のビーム幅に使用できるエネルギレベルを与えるように選択され、前記低い共振周波数が直径Ｄと縦横比Ｄ／Ｔとによって決定され、前記高い共振周波数が厚さＴと約０.６の縦横比Ｗ／Ｔとによって決定され、前記本体は前記ガイドワイヤの遠位端に取付けられることができる大きさに作られ、前記第１及び第２のビーム幅が前記第１及び第２の面にほぼ垂直な方向に前記本体から伝播されることを特徴とする超音波トランスジューサ。２．前記本体が、前記近位及び遠位の面とほぼ垂直な外側円筒面を備え、前記穴が前記近位及び遠位のほぼ平行な面に垂直な方向に延びることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のトランスジューサ。３．前記外側円筒面及び前記穴を形成する面がテーパを有していることを特徴とする請求の範囲第２項に記載のトランスジューサ。４．前記遠位面が約０.２５９ミリメートル（１０.２ミル）の直径を有し、前記近位面が約０.２３９ミリメートル（９.４ミル）の直径を有しており、前記厚さが約０.０９６５ミリメートル（３.８ミル）であることを特徴とする請求の範囲第３項に記載のトランスジューサ。５．前記穴が遠位面において０.０６３５ミリメートル（２.５ミル）の直径を有し、前記穴が近位面において０.０８３８ミリメートル（３.３ミル）の直径を有することを特徴とする請求の範囲第４項に記載のトランスジューサ。６．前記低い共振周波数が前記高い共振周波数の約１／２であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のトランスジューサ。７．前記低い共振周波数が６.５メガヘルツであり、前記高い共振周波数が１５. ０メガヘルツであることを特徴とする請求の範囲第６項に記載のトランスジューサ。８．前記トランスジューサが前記低い共振周波数において約６０°のビーム幅を有するビームを生成し、前記高い共振周波数において約３０°のビーム幅を有するビームを生成することを特徴とする請求の範囲第７項に記載のトランスジューサ。９．前記圧電性材料が、高い誘電率、低い劣化特性、優れたカップリング特性および高いひずみ定数とを有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載のトランスジューサ。 10．前記圧電性材料がＥＣ−９８であることを特徴とする請求の範囲第９項に記載のトランスジューサ。 11．直径が０.４５７ミリメートル（０.０１８インチ）以下であり、外方に面したカップ状凹部が設けられた円筒形チップと、前記凹部に配置された圧電材料で形成された超音波トランスジューサとを備え、前記本体が、環状で中央に配置された貫通穴、内縁部及び外縁部、近位及び遠位の平行でほぼ平らな面、前記近位面から前記遠位面まで延びる厚さＴおよび前記内縁部から前記外縁部まで延びる肉厚Ｗを有し、前記本体を前記凹部内に固定する接着手段と、前記穴を貫通し、前記遠位面に接合された第１導線と、前記近位面に接合された第２導線とを備え、前記トランスジューサが低い共振周波数及び高い共振周波数で作動可能であり、前記低い共振周波数が直径Ｄと縦横比Ｄ／Ｔとによって決定され、前記高い共振周波数が厚さＴと約０.６の縦横比Ｗ／Ｔとによって決定されることを特徴とするトランスジューサ組立体。 12．前記縦横比Ｗ／Ｔが、約０.６に等しいことを特徴とする請求の範囲第１１項に記載の組立体。 13．更に、前記トランスジューサに低い周波数の励振パルス及び高い周波数の励振パルスを供給するために前記トランスジューサに接続された前記導線に電力を供給する手段と、低い周波数の励振又は高い周波数の励振のいずれかを選択し、前記トランスジューサのビーム幅の選択を可能とする選択手段を備えたことを特徴とする請求の範囲第１１項に記載の組立体。 14．前記高い周波数に対するビーム幅が３０°近傍であり、前記低い周波数に対するビーム幅が６０°近傍であることを特徴とする請求の範囲第１３項に記載の組立体。 15．２周波数作動の超音波トランスジューサを使用することによって管の中の流れを測定する方法であって、前記トランスジューサを前記管の中に位置決めし、前記トランスジューサを作動させるための第１周波数を選択して、第１ビーム幅を与え、その後、前記トランスジューサを励起させるための第２ビーム幅を選択して、前記第１ビーム幅より大きい角度を定める第２ビーム幅を与えることを特徴とする管の中の流れを測定する方法。 16．前記第１及び第２のビーム幅が、測定する試料体積が測定がなされる管の中心を確実に含むように、利用されることを特徴とする請求の範囲第１５項に記載の方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩＨ０４Ｒ 17/00 ３３０ 9354−4ＭＨ０１Ｌ 41/08 Ｃ (72)発明者パオマイケルシーアメリカ合衆国カリフォルニア州 94306 サンホセウィンストンストリート 1725 (72)発明者バーレッタヴィンセントエイアメリカ合衆国カリフォルニア州 94086 サニーヴェイルノースフランシス 160 (72)発明者チェチェルスキーヴィクターアメリカ合衆国カリフォルニア州 94043 マウンテンヴィューアルヴィンストリート 2534

Claims

【特許請求の範囲】１．ビーム幅を選択可能で、０.２５４ミリメートル（０.０１０インチ）から０ .４５７ミリメートル（０.０１８インチ）の範囲にある直径を有するガイドワイヤの遠位端でモニターし、低い周波数の励振パルス及び高い周波数の励振パルスを供給する電源とともに使用される超音波トランスジューサであって、外径Ｄ、厚さＴを有する環状の圧電性材料の本体を備え、前記本体は近位及び遠位のほぼ平らで平行な面を有し、中央に配置され、前記本体を貫通しかつ前記近位及び遠位の面を貫通する穴を有し、前記本体が前記穴から前記外径まで延びる幅Ｗの円筒壁を備え、前記本体が前記低い周波数のパルス及び前記高い周波数のパルスに応答して低い共振周波数及び高い共振周波数で作動可能であり、前記低い共振周波数が直径Ｄと縦横比Ｄ／Ｔとによって決定され、前記高い共振周波数が厚さＴと縦横比Ｗ／Ｔとによって決定されることを特徴とする超音波トランスジューサ。２．前記本体が、前記近位及び遠位のほぼ平らな面とほぼ垂直な外側円筒面を備え、前記穴が前記近位及び遠位のほぼ平らな面に垂直な方向に延びることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のトランスジューサ。３．前記外側円筒面及び前記穴を形成する面がテーパを有していることを特徴とする請求の範囲第２項に記載のトランスジューサ。４．前記遠位面が約０.２５９ミリメートル（１０.２ミル）の直径を有し、前記近位面が約０.２３９ミリメートル（９.４ミル）の直径を有しており、前記厚さが約０.０９６５ミリメートル（３.８ミル）であることを特徴とする請求の範囲第３項に記載のトランスジューサ。５．前記穴が遠位面において０.０６３５ミリメートル（２.５ミル）の直径を有し、前記穴が近位面において０.０８３８ミリメートル（３.３ミル）の直径を有することを特徴とする請求の範囲第４項に記載のトランスジューサ。６．前記低い共振周波数が前記高い共振周波数の約１／２であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のトランスジューサ。７．前記低い共振周波数が６.５メガヘルツであり、前記高い共振周波数が１５. ０メガヘルツであることを特徴とする請求の範囲第６項に記載のトランスジューサ。８．前記トランスジューサが前記低い共振周波数においてビーム幅が約６０°のビームを生成し、前記高い共振周波数においてビーム幅が約３０°のビームを生成することを特徴とする請求の範囲第７項に記載のトランスジューサ。９．前記圧電性材料が、高い誘電率、低い劣化特性、優れたカップリング特性および高いひずみ定数とを有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載のトランスジューサ。 10．前記圧電性材料がＥＣ−９８であることを特徴とする請求の範囲第９項に記載のトランスジューサ。 11．直径が０.４５７ミリメートル（０.０１８インチ）以下であり、外方に面したカップ状凹部が設けられた円筒形チップと、前記凹部に配置された圧電材料で形成された超音波トランスジューサとを備え、前記本体が環状で、中央に配置された貫通穴、外径ならびに近位及び遠位の平行でほぼ平らな面を有し、前記近位面から前記遠位面まで延びる厚さＴと、前記穴の外縁部から前記外径まで延びる肉厚Ｗを有し、さらに、前記本体を前記凹部内に固定する接着手段と、前記穴を貫通し、前記遠位面に接合された第１導線と、前記近位面に接合された第２導線とを備え、前記トランスジューサが低い共振周波数及び高い共振周波数で作動可能であり、前記低い共振周波数が直径Ｄと縦横比Ｄ／Ｔとによって決定され、前記高い共振周波数が厚さＴと縦横比Ｗ／Ｔとによって決定されることを特徴とするトランスジューサ組立体。 12．前記縦横比Ｗ／Ｔが、約０.６に等しいことを特徴とする請求の範囲第１１項に記載の組立体。 13．更に、前記トランスジューサに低い周波数の励振パルス及び高い周波数の励振パルスを供給するために前記トランスジューサに接続された前記導線に電力を供給する手段と、低い周波数の励振又は高い周波数の励振のいずれかを選択し、前記トランスジューサのビーム幅の選択を可能とする選択手段を備えたことを特徴とする請求の範囲第１１項に記載の組立体。 14．前記高い周波数に対するビーム幅が３０°近傍であり、前記低い周波数に対するビーム幅が６０°近傍であることを特徴とする請求の範囲第１３項に記載の組立体。 15．２周波数作動の超音波トランスジューサを使用することによって管の中の流れを測定する方法であって、前記トランスジューサを前記管の中に位置決めし、前記トランスジューサを作動させるための第１周波数を選択して、第１ビーム幅を与え、その後、前記トランスジューサを励起させるための第２ビーム幅を選択して、前記第１ビーム幅より大きい角度を定める第２ビーム幅を与えることを特徴とする管の中の流れを測定する方法。 16．前記第１及び第２のビーム幅が、測定する試料体積が測定がなされる管の中心を確実に含むように、利用されることを特徴とする請求の範囲第１５項に記載の方法。