JPS5977800A - アポダイズされた超音波トランスジユ−サおよびその製造法 - Google Patents

アポダイズされた超音波トランスジユ−サおよびその製造法

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JPS5977800A
JPS5977800A JP58173319A JP17331983A JPS5977800A JP S5977800 A JPS5977800 A JP S5977800A JP 58173319 A JP58173319 A JP 58173319A JP 17331983 A JP17331983 A JP 17331983A JP S5977800 A JPS5977800 A JP S5977800A
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    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
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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】 本発ツ」は、圧電セラミック物質の板のアクティブ表面
と、このセラミック物質の局部領域の分極とを有し、セ
ラミック物質の分極の程度が、前記のアクティブ表面の
中心点または中心線よシアクチイブ表面の縁迄減少する
形の、アポダイズされた超音波トランスジューサおよび
その製造法に関するものである〇 エコー超音波は、人体内部構造の映像によく使われる。
超音波エネルギを人体内に入射するために、１つまたは
それ以上の超音波トランスジューサが用いられる。エネ
ルギは、人体内の根管の境界および他の構造に関連した
インピーダンスの不連続により反射され、このエコーは
、１つまたはそれ以上の超音波トランスジューサ（エネ
ルギ放射に用いたと同じトランスジューサでよい）で検
出される。検出されたエコー信号は、公知の技術を用い
て処理され、人体内構造の映像をつくる。
放射された超音波ビームのピーク圧力は、結像のグレイ
−レベル（ｇｒｅｙ　−１ｅｖｅｌ　）分布に関係する
。
トランスジューサで放射された超音波ビームの断面は、
トランスジューサからのどの距離においても、ビーム軸
への側距離の関数としてのピーク圧力の変化として定義
される指向性関数によって描写される。トランスジュー
サの指向性関数は、加工品への感度だけでなしにその空
間分解能を特徴づけるのに用いられる。ビームのメイン
ローブ巾はトランスジューサの空間分解能の尺度であり
、指向性関数の最大値の半分における食中（ｆｕｌｌ　
−ｗｉｃｌｔｈ　−ａｔ−ｈ　ａ　Ｉｆ　−ｍａｘｉｍ
ｕｍ　、以−トＦＷＨＭとする）によｐ特徴すけられる
。軸外（ｏｆｆ’　−ａｘｉ、ｓ　）強さは、〃ロエ品
へのトランスジューサの感度の尺度である。−２５ｄＢ
における放射相同性関数の巾（ＦＷ　２１５で表わす）
は、医学超音波映像システム内のトランスジューサの４
％ｌｉ外強さ特性の良好な尺度でるる。これは、単一散
乱体（５ｃａｔｔｅｒｅｒ　）の像のｒｌＪを示す。
トランスジューサの指向性関数は、その開口作用（トラ
ンスジューサの開口の幾何学的なエネルギ分布〕に関係
する。従来は、狭帯域システムにおいで遠距離音場（ｆ
ａｒ　−ｆｉｅｌｄ　）指向性関数は開口作用のフーリ
エ変換に相当するものと認められてきた。この関係は、
レーダおよびソナーシステノ・のビーム形成に応用され
てきた。けｉｌども前記ノ関係は、短かいパルス、した
がって広い周波数スペクトルｔｌ［ｌい、一般にトラン
スジューサの近距離音ｊａ（ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ　）
　”ｔ’動作−ｆｂＦｌ学超音波シスデムには当て嵌ら
ない。したがって、医学上の超音波の応用では、トラン
スジューサの指向性関数は、各トランスジューサの幾何
と開口作用の組み合せに対して厳密に計算または測定せ
ねばならない。トランスジューサの指向性関数は、例え
ばＪ、ｏｆ　）ｔｅｓ、Ｎａｔ、Ｂｕｒ、５ｔａｎｄａ
ｒｄｓ　−Ｂ　６５　Ｂ　（１９６１年）１−６頁のＯ
ｂｅｒｈｅｔｔｉｎｇｅｒの「Ｏｎ　Ｔｒａｎｓｉｅｎ
ｔ　Ｓ。
１ｕｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｉｈｅ　＠Ｂａｆ、’ｆｌｅｄ　
Ｐｉｓｔｏｎ　ｎおよびＪ。
Ａｃｏｕｓｔ、Ｓｏｃ、Ａｍ、　４９　（１９７１年）
　１６２Ｇｌ−１６８８頁のＳ　ｔｅｐｈａｎｉｓｈｅ
ｎの［Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　Ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｆｒ
ｏｍＰｉｓｔｏｎｓ　ｉｎ　ａｎ　Ｉｎｆｉｎｉｔｅ　
Ｐｌａｎａｒ　Ｂａｆｆ１ｅ　Ｊに記載された解法を用
いてデジタル計算機で計算することができる。
トランスジューサはアボダイズすることができる、即ち
、トランスジューサに加えられる音波エネルギの分布を
所望の開口作用に形成する仁とによって、軸外強さ％性
を改良することができる。
これは、単一ディスクの圧電トランスジューサに対シテ
ハ、例えばＪ、Ａｃｏｕｓｔ、Ｓｏｃ、Ａｍ、４９４５
１９７１年１６６８−１６６９頁（７）　Ｍａｒｔｉｎ
お↓びＢｒｅａｚｅａｌ　（７）ｊ　ａ　　５ｉｎｎｐ
ｌｅ　　Ｗａｙ　　ｔｏ　　Ｅｌｉｍｉｎａｔｅ　　Ｄ
ｉｆｒａｃｔｉｏｎＬｏｂｅｓ　Ｅｍｉｔｔｅｄ　ｂｙ
　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｔｒａｎｓｄｕｅｅｒ　　Ｊ
に記載されているように、印７Ｊｌ］　ｔ　Ｉ（−をデ
ィスクの両仰Ｉの異なる電極幾何を用いて形成するか、
または１つのアレー中の隣接トランスジューサ素子に異
なるレベルの電気的励起を加えることによって行われて
きた。けれども前記の）４ａｒｔｉｎおよびＢｒｅａｚ
ｅａｌの方法は多くの簡単な開口作用に限られ、また別
の面電極を使用するので棲雑なトランスジューサ幾何お
よびスイッチング回路を必要とする。
別の方法によれば、圧電超音波トランスジューサは、圧
電物質の分極をトランスジユーザのアクティブ表面の位
置の関数として変えることによってアポダイズすること
ができる。トランスジューサ素子は、例えば、トランス
ジューサのアクティブ表面の中心点またけ中心線よりの
距離の関数として分極を減少させることにより、アポダ
イズすることができる。このようなトランスジューサは
、例えば、米国特許第２．９９８．０６８号のように、
トランスジューサ面上に一時的な電極パターンを用い、
下にある種々の領域に異なる値の分極電圧を与えること
によってつくることができる。この代ジに、下にある領
域の分極を、一定電圧を異なる期間電極に加えることに
よって変えることもできる。米国特許第２．９５６．１
８４号では、トランスジューサの領域に亘って円滑に変
化する分極分布をつくる九めに、適当な電気特性を有す
る物質の特別な成形体を、分極電圧と直列にトランスジ
ューサ面に用いている。
本発明の目的は、特別な成形体または一時的な電極を用
いることなしにアボダイズされたトランスジューサおよ
びその製造法を得ることにおる。
本発明は、物質の分極が、均等な電気的励起に対するト
ランスジューサのアクティブ表面の音響レスポンスが中
心点ま九は中心線よりの距離の増肩に伴ってガウス関数
として減少するように、減少し、アクティブ表面の縁に
おけるレスポンスが中心点または中心線におけるレスポ
ンスの８０％であることを特徴とする。このトランスジ
ューサの製造法は、圧電物質の選択的な分極を、圧電物
質を均等に分極する第一工程と、圧電物質の選択され次
領域を部分的に分極する第二工程とで行うことを特徴と
する。
第二工程の間、例えば、トランスジューサの表面の縁に
熱を加えてもよい。
以下本発明を添付の図面を参照して詳細に説明する。
医学用の超音波トランスジューサは、圧電セラミック物
質の板よシつくられるのが普通である。
この板は、単一のトランスジューサ素子より成る場合も
あるし、この代シに、板が、各トランスジューサ素子ま
たは素子グループに異なる電気信号を加える電極構造と
一緒のトランスジューサアレーより成る場合もおる。音
響エネルギは、板のアクティブ表面において音響軸に沿
ってトランスジューサより放射され、受信される。単一
要素トランスジューサの音響軸は普通アクティブ表面の
中心を通シ、面に対して略々垂直である。トランスジュ
ーサ素子のアレー〇音曖軸を板の面に対して種種の角度
をとらせ、音響軸の電気的ステアリング（ｓｔｅｅｒｉ
ｎｇ　）を可能にする信号フェージング（ｐｈａｓｉｎ
ｇ　）技術は公知である。したがって、音響軸とアクテ
ィブ表面との交点の位置は、アレーのトランスジューサ
素子を開閉可能に接続したり切り離したシすることによ
ってシフトすることができる。
こ＼に云う一フェーズド７　Ｌ／−（ｐｈａｓｅｄ　ａ
ｒｒａｙ）ｕトランスジューサとは、音響軸と板の表面
との角度を９０°以外とすることができるが軸と表面と
の交点は固定されたままであるように構成され且つ動作
するトランスジューサであり、−ステップド　アＶ　−
（Ｂｌｅｐｐｅａ　ａｒｒａｙ）　ｎ　）う７７、ジュ
ーサとは、音響軸とアクティブ表面の交点をシフトでき
るように構成され且つ動作するトランスジューサでアリ
、剪りニヤ　ステツブド　アｌ／　−（１ｉｎｅａｒｓ
ｔｅｐｐｅｄ　ａｒｒａｙ　）　１１　）ランスジュー
サとは、音響軸とアクティブ表面との交点をアクティブ
表面の中心線に沿ってだけシフトできるように構成され
且つ動作するトランスジューサでおる。
圧電物質は、板のアクティブ表面に略々垂直な方向に分
極される。板を彎曲させ、アクティブ表面から音響軸に
沿った所望の距離においてビームを機械的に集束するよ
うにしてもよい。この代りに、アクティブ表面の局部領
域全適当な信号遅れで別々に励起し、音響軸上の所望の
距離において放射ビームの構造的干渉が生じるようにし
てもよい。けれともトランスジューサは、トランスジュ
ーサの開口作用で決まる幾何学上の軸外放射をも生じる
であろう。
トランスジューサの軸外放射は、トランスジューサ開口
がアボダイズされると減少され得ることＩｒｉ公知であ
る。即ち、トランスジューサの励起カニ音廿軸よりの距
離の関数として減少される。アボダイズすることによっ
て、軸外指向性は改良されるが、空間分解能は減少する
傾向がおる。したカニって、適当にアボダイズされたト
ランスジューサは、アボダイズされないトランスジュー
サよりもＦＷ２５は小さいがＦＷＨＭは太きい。従来の
技術では、狭帯域、連続波モードで動作するトランス・
ジューサの遠距離音場はケビシエフ（０ｈｅｂｙｓｈｅ
Ｖ　）の多項式関数で最適にアボダイズできると認めら
れてきた。けれども、医学用の映像目的に用いられる超
音波トランスジューサは、短かい、広帯域ノくルス（代
表的にはトランスジューサの共振周波数の１ザイクル）
で励起されるのが普通である。
アボダイズすることによって、空間分解能と軸外指向性
との間に可能な限り良好なトレードオフ（ｔｒａｄｅｏ
ｆｆ　）を生じるトランスジューサを、医学用の超音波
映像に対して最適の開口を有するトランスジューサと定
義してよい。
第１図は開口作用を種々アボダイズしたトランスジュー
サ素子の直線状アレーの分解能と軸外指向性ｔプロット
したものである。トランスジューサの空間分解能は水平
軸上のＦＷＨＭ　’″Ｃ表わされ、一方軸外指向性は垂
直軸上のＦＷ２５で表わされ゛る。
原点に近い特性を有するトランスジューサの方が特性が
原点よυも更に離れているトランスジューサよりも医学
への超音波応用により適している。
点ｌは、四角形（アボダイズしない）開口作用の特性を
示す。このトランスジューサは狭い空間分解能と寧ろ貧
弱な軸外指向性を有する。点２から点１１は以前に発表
されたアポダイゼーションの性能を示すもので、夫々コ
サインアポダイゼーショｙ２．６０％ガウス　アポダイ
ゼーション８、ハミング（Ｈａｍｍｉｎｇ　）アポダイ
ゼーション４、ハニング（Ｈａｎｎｉｎｇ　）アポダイ
ゼーション５、半円アポダイゼーション９、および１０
％、ｌ／ウスアポダイゼーションｌｏを表わす。
本発明は、８０％ガウスアポダイゼーションが、以前に
発表された開口作用の何れよりも、医学への超音波応用
に対して、空間分解能と軸外指向特性のよシ良い組合せ
を有するという結論を得たものである。第１図（の１１
）に示すように、８０係アポダイゼーシヨンを有するト
ランスジューサの等性は、他のあらゆるトランスジュー
サの特性よりも原点近くにある。
アボダイズされた圧電トランスジューサは、圧電セラミ
ック板の分極を、トランスジューサの中心軸よりの距離
の関数として変化させることにより製造することができ
る。公知の方法では、トランスジューサは、比較的高い
直流電圧全所定期間セラミック物質に加えることによっ
て製造中分極される。セラミック物質の分極は、印加電
界の強さおよびこの電界の印加時間によって直接変化す
る。
第２図は、トランスジューサ開口に分極分布をつくる本
発明方法を示す。′圧電セラミック板１００は、公知の
方法で均等に分極される。次いで、例えば板を加熱ブロ
ック１０２の間にクランプすることによって板の緑に熱
を加え、板の緑から選択的に物質を分極する。分極の程
度と分布は、加える熱の温度とその時間とを制御するこ
とによって調節できる。このようにして所望の分極形態
が極めて簡単につくられる。
第８図は、板の相対的分極を、板の中心Ｃよｐの距離Ｘ
の関数として示したものである。この分極は略々ガウス
関数として変化し、板１００の縁での値は中心の値の略
々ＢＯ％である。
【図面の簡単な説明】
第１図はトランスジューサの空間分解能と軸外指向性と
の関係を示すグラフ、 第２図は本発明製造法の一実施例、 第８図は第２図の製造法により分極されたトランスジュ
ーサの相対的分極と板の中心よりの距離との関係を示す
グラフである。 １００・・・圧電セラミック板 １０２・・・加熱ブロック　　０・・・圧電セラミック
板中心Ｘ・・・板中心からの距離。 特許出願人　　ノース・アメリカン・フィリップス・コ
ーポレーション

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、　物質の分極が、均等な電気的励起に対するトラン
    スジユーザのアクティブ表面の音響レスポンスが中心点
    または中心線よりの距離の増加に伴ってガウス関数とし
    て減少するように、減少し、アクティブ表面の縁におけ
    るレスポンスが中心Ａまたは中心線におけるレスポンス
    の３０％であることを特徴とするアボダイズされた超音
    波トランスジューサ。 λ　圧電セラミック物質のアクティブ表面と該セラミッ
    ク物質の局部領域の選択的な分極とを有し、セラミック
    物質の分極の程度が、アクティブ表面の中心点または中
    心線よシアクチイブ表面の縁迄減少するような形のトラ
    ンスジューサの製造法において、前記圧電物質の選択的
    な分極を、圧電物質を均等に分極する第一工程と、この
    圧電物質の選択された領域全部分的に分極する第二工程
    とで行うことを特徴トするアボダイズされた超音波トラ
    ンスジューサの製造法。 ＆、　第二工程の間、トランスジューサの表面の縁に熱
    を加える特許請求の範囲第２項記載のアボダイズされた
    超音波トランスジューサの製造法。
JP58173319A 1982-09-22 1983-09-21 アポダイズされた超音波トランスジユ−サおよびその製造法 Granted JPS5977800A (ja)

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US06/421,558 US4518889A (en) 1982-09-22 1982-09-22 Piezoelectric apodized ultrasound transducers

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Publication Number Publication Date
JPS5977800A true JPS5977800A (ja) 1984-05-04
JPH0365720B2 JPH0365720B2 (ja) 1991-10-14

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JP (2) JPS5977799A (ja)
CA (2) CA1206588A (ja)
DE (2) DE3334090A1 (ja)
GB (2) GB2128055B (ja)

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