JPH07107595A

JPH07107595A - 超音波フェーズドアレイ変換器及びその製造方法

Info

Publication number: JPH07107595A
Application number: JP6199200A
Authority: JP
Inventors: Amin M Hanafy; エムハナフィアミン; Samuel H Maslak; エイチマスラクサミュエル; Jay S Plugge; エスプルージジェイ
Original assignee: AKIYUUSON CORP; Acuson Corp
Current assignee: AKIYUUSON CORP; Siemens Medical Solutions USA Inc
Priority date: 1993-09-07
Filing date: 1994-08-24
Publication date: 1995-04-21
Anticipated expiration: 2018-12-15
Also published as: CA2129946A1; EP0641606A2; EP0641606B1; AU7020994A; CA2129946C; JP3478874B2; AU688334B2; EP0641606A3; DE69422867D1; DE69422867T2; ATE189415T1

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は、例えば医療診断の分野で使
用される超音波広帯域フェーズドアレイ変換器を提供す
ることである。【構成】変換器アレイは、最小及び最大の厚みを有す
る複数の圧電要素を備えている。一実施例では、最大の
厚みは最小の厚みの１４０％より小さいか、もしくは等
しい。別の実施例では、最大の厚みは最小の厚みの１４
０％より大きく、変換器アレイを広開口二次元変換器ア
レイの励振に近づけることができる。帯域幅性能をさら
に向上させるために１もしくはそれ以上の整合層を使用
することができる。更に、本発明の原理を使用して２結
晶変換器要素並びに複合変換器構造を形成することがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は変換器に関し、より特定
的には医療診断分野において使用される広帯域フェーズ
ドアレイ変換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】人体の器官を観察するために超音波装置
が使用されることが多い。典型的には、これらの装置は
電気信号を圧力波に変換する変換器アレイを含んでい
る。一般に変換器アレイは、関心領域に超音波ビームを
導くように位置決めできる手持ちプローブの形状であ
る。変換器アレイは、超音波ビームを生成するために、
例えば 128 の変換器要素を有することができる。変換
器要素の前及び後部分には電極が配置されていて、各要
素を個々に励振して圧力波を生成させる。変換器要素に
よって生成された圧力波は検査される患者の心臓のよう
な被観察対象に向けて導かれる。圧力波が異なる音響特
性を有する組織に当たる度に、波が後方に反射される。
変換器のアレイはこれらの反射圧力波を対応する電気信
号に変換する。従来のフェーズドアレイ音響撮像装置の
例が、 1985 年11月５日付け Maslak らの合衆国特許
4,550,607号に開示されている。この特許に示されてい
る回路は、変換器アレイが受信した入力信号を組合わせ
て集束された画像を表示画面上に発生させる。広帯域変
換器とは、感度を落とさずに広範囲の周波数で動作可能
な変換器のことである。広帯域変換器が広い帯域で動作
する結果として、距離( range ) 軸に沿う分解能が改善
され、画像の質は一層良好になる。

【０００３】広帯域変換器の一つの考え得る応用は調波
対比撮像法( contrast harmonic imaging ) である。調
波対比撮像法は、蛋白質球のマイクロバルーンのような
コントラスト材を身体内に安全に注入し、心臓のような
組織がどの程度活動的であるかを示すようになってい
る。これらのマイクロバルーンの直径は典型的には１乃
至５μｍであり、身体内に注入されると、被検査組織が
どのように良好に動作しているかを決定するために超音
波撮像によって観察することができる。調波対比撮像法
は、身体内に放射性材料を注入してコンピュータによっ
て生成される断層画像を観察するタリウム試験法の代替
である。タリウム試験法は、それらが潜在的に有害な放
射性材料を使用し、コンピュータ画像を生成するために
は典型的に少なくとも１時間は必要とするので、望まし
いものではない。安全なマイクロバルーンを使用してい
るのに加えて、実時間超音波技術を使用できる調波対比
撮像法とは、ここが異なっているのである。Ultrasonic
Imaging, Vol. 14 (1992)の 134-158頁に所載の論文
“SimulatedCapillary Blood Flow Measurement Using
a Nonlinear Ultrasonic ContrastAgent ”において B.
Schrope らは、コントラスト材を第２高調波で明瞭に
観察し得ることを開示している。即ち、基本調波におい
ては超音波技術によって心臓及び筋肉組織が明瞭に観察
される。しかしながら、第２高調波においてはコントラ
スト材そのものを明瞭に観察することができ、従ってそ
れぞれの組織がどのように良好に機能しているかを決定
することができるという。

【０００４】調波対比撮像法では、変換器が広範囲な周
波数（即ち、基本調波及び第２高調波の両方）において
動作できることが必要であるが、典型的には既存変換器
はこのような広範囲で機能することはできない。例え
ば、中心周波数が５ＭＨｚで、中心周波数に対する帯域
幅の比が 70 ％である変換器の帯域幅は 3.25 ＭＨｚ
乃至 6.75 ＭＨｚである。もし基本調波が 3.5 ＭＨ
ｚであれば、第２高調波は 7.0 ＭＨｚである。従っ
て、５ＭＨｚの中心周波数を有する変換器は、基本及
び第２高調波の両者において十分に動作することはでき
ない。広範囲の周波数で動作できる変換器に対する要望
の他に、発生する画像の分解能を高めるために二次元変
換器アレイも望まれている。二次元変換器アレイの例が
1974 年10月３日付けの Haan の合衆国特許 3,833,825
号に開示されている。二次元アレイは、普通の一次元ア
レイには用いられていない高さ( elevation )軸に沿う
超音波ビームの励振の制御を向上させることができる。
しかしながら、典型的に二次元アレイは各要素を高さ軸
に沿って幾つかのセグメントに切断し、各セグメントを
励振するためのリードを接続する必要があることから、
製造が難しい。例えば方位( azimuthal ) 軸内に 128
の要素を有する二次元アレイは、高さ方向に２つずつの
セグメントの少なくとも合計 256 のセグメントと、こ
れらのセグメントを相互接続するためのリードとを必要
としよう。更に、一次元アレイに比して少なくとも２倍
の量のセグメントが存在し、これらを個々に励振しなけ
ればならないので、超音波走査中の適切な時点に幾つか
の各セグメントを励振するためにはかなり複雑なソフト
ウェアが必要である。

【０００５】更に、被検査対象に対して平行な面を有す
る典型的な従来技術の変換器は、変換器と被検査対象と
の間の界面において“ゴーストエコー”と呼ばれる望ま
しくない反射を発生する。これらの望ましくない反射の
ために、得られる画像の明瞭度が低下する。

【０００６】

【発明の概要】従って本発明の主目的は、製造が容易で
且つそれ程高価ではない、音響撮像装置に使用される広
帯域変換器アレイを提供することである。本発明の別の
目的は、調波対比撮像法に使用することができる広帯域
変換器アレイを提供することである。本発明の別の目的
は、関心部分に付加的な集束を与える負の湾曲を共に有
している変換器要素及び整合層を提供することである。
本発明の別の目的は、少なくとも低めの周波数において
二次元変換器アレイに近づける（二次元変換器アレイを
シミュレートする）ことができる、音響撮像装置内に使
用できる変換器アレイを提供することである。本発明の
更に別の目的は、被検査対象の表面における望ましくな
い反射の生成を一層良好に抑圧することである。本発明
の別の目的は、１もしくはそれ以上の整合層を被検査領
域に対面する圧電層の前部分上に配置することによっ
て、変換器の感度及び帯域幅を更に増加させることであ
る。

【０００７】上記目的を達成するために、本発明の幾つ
かの好ましい実施例が提供される。本発明の第１の実施
例によるアレイ型超音波変換器は、互いに接して配置さ
れた複数の変換器要素を備えている。各要素は被検査領
域に対面する前部分と、後部分と、２つの側部分と、前
部分と後部分との間の変換器厚みとを有している。変換
器厚みは側部分において最大の厚みであり、２つの側部
分の間において最小の厚みである。更に、最大の厚み
は、最小の厚みの 140 ％より小さいかもしくは等し
い。この実施例では、帯域幅を広げ、パルス幅を短くす
るために、距離（Ｚ）軸に沿う要素の厚みを 20 乃至 4
0 ％程度変化させる（即ち、最大の厚みを最小の厚みの
120 乃至 140 ％の値とする) ことが好ましい。これ
により距離軸に沿う分解能が改善される。本発明の第２
の実施例によれば、励振されると超音波ビームを発生す
る変換器は複数の圧電要素を備えている。各要素は、被
検査領域に対面する表面上の少なくとも第１の点におけ
る厚みが上記表面上の少なくとも第２の点における厚み
よりも小さく、上記表面は非平面である。更に、本発明
により発生される超音波ビームの開口( aperture )は、
要素の励振周波数に対して逆に変化する。一般に、圧電
要素の最大厚みが圧電要素の最小厚みの 140 ％より大
きい場合には、その変換器は低めの周波数において二次
元アレイが発生するビームに近いビームを発生するける
ことができる。これは、低めの周波数においては変換器
が発生する出力圧力波が少なくとも２つのピークを有し
ている事実に基づいている。更に低めの周波数において
は、典型的には全開口が活動化される。従ってこの第２
の実施例は広開口二次元変換器アレイの励振に近づく。

【０００８】第３の実施例では２結晶変換器要素設計が
提供される。この設計は第１の圧電部分を備え、この第
１の圧電部分の被検査領域に対面する第１の表面上の少
なくとも１つの点における厚みは、第１の表面上の少な
くとも１つの他の点における厚みよりも小さく、第１の
表面は非平面である。第１の圧電部分と第２の圧電部分
との間に相互接続回路を配置することができる。第１の
圧電部分上に整合層を配置することができる。第４の実
施例では、複数の圧電材料の垂直柱を備えた複合構造変
換器が提供され、この変換器の柱間の距離及びポリマ層
が変化する。この構造は所望の変換器形態を得るために
変形させることができる。また、この複合変換器構造上
に整合層を配置することによって性能を更に向上させる
ことができる。上記全ての実施例の変換器は、広い周波
数範囲において動作可能であり、正しいアポディゼーシ
ョン( apodization ) を可能にする。これらの実施例が
要素の背面音響ポートを整合させる必要がないことか
ら、一般にこれらは従来技術の装置よりも組立てが容易
である。変換器を製造する本発明の第１の好ましい方法
は、複数の変換器要素を互いに接して配置して形成する
ことからなる。各要素は、被検査領域に対面する前部分
と、後部分と、２つの側部分と、前部分と後部分との間
の変換器厚みとからなっている。更に、変換器厚みは側
部分において最大の厚みであり、２つの側部分の間にお
いて最小の厚みであって、最大の厚みは最小の厚みの 1
40 ％より小さいかもしくは等しい。各要素の少なくと
も１つの部分を通る電界が確立される。

【０００９】変換器を製造する本発明の第２の好ましい
方法は、複数の圧電要素を形成することからなる。各要
素の被検査領域に対面する前表面上の少なくとも１つの
点における厚みは、上記表面上の少なくとも１つの他の
点における厚みよりも小さく、上記表面は非平面であ
る。各要素の少なくとも１つの部分を通る電界が確立さ
れる。例えば、各圧電要素の前表面と後部分とに電極を
設けて電界を印加することができる。典型的に、圧電要
素の最大の厚みが圧電要素の最小の厚みの 140％よりも
大きい場合には電極に励振パルスを印加すると変換器が
発生する超音波ビームの開口は励振パルスの周波数に対
して逆に変化する。変換器を製造する本発明の第３の好
ましい方法は、被検査領域に対面する前部分を有する複
合材料からなる圧電要素を形成することからなる。上記
前部分上の少なくとも１つの点の厚みは前部分上の少な
くとも１つの他の点の厚みよりも小さい。第１及び第２
の電極を圧電要素上に配置することができる。要素は所
望の形状に変形させることができる。全ての実施例の変
換器並びに上記方法によって製造される変換器は手持ち
プローブの形状であり、励振中に位置を調整して超音波
ビームを関心領域へ導くことができる。更に、全ての実
施例の変換器並びに上記方法によって製造される変換器
は、手持ちプローブ内に配置するために、ハウジング内
に配置することができる。他の型のプローブ及びビーム
を導く手法も考え得る。画像を生成する超音波装置は、
電気信号を変換器プローブへ送信する送信回路と、変換
器プローブが受信した信号を処理する受信回路と、被観
察対象の画像を発生する表示装置とからなる。変換器は
送信回路から供給された電気信号を圧力波に変換し、被
観察対象から反射した圧力波を対応する電気信号に変換
する。これらの電気信号が受信回路において処理され、
最終的に表示されるのである。

【００１０】

【実施例】図１は、被観察対象もしくは身体５の画像を
生成する超音波装置１の概要図である。超音波装置１は
電気信号を変換器プローブ４へ送信する送信回路２と、
変換器プローブが受信した信号を処理する受信回路６
と、被観察対象５の画像を発生する表示装置８とを有し
ている。図４も参照する。プローブ４は変換器要素１１
のアレイ１０を含んでいる。典型的には、方位( azimut
hal : Ｙ) 軸内には 128 の要素１１が存在していて広
帯域変換器アレイ１０を形成している。しかしながら、
アレイ内の変換器要素１１は、それぞれが任意の所望の
幾何学的形態に配列された如何なる数の変換器要素１１
からなっていても差し支えない。変換器アレイ１０は裏
当てブロック１３によって支持されている。プローブ４
は手持ち式であってよく、超音波ビームを関心領域へ導
くように位置を調整することができる。変換器要素１１
は、送信回路２から供給された電気信号を圧力波に変換
する。変換器要素１１はまた、被観察対象から反射した
圧力波を対応する電気信号に変換する。これらの電気信
号は受信回路６において処理されて最終的に表示装置８
上に表示される。

【００１１】図２、４、及び６に本発明の第１の実施例
を示す。変換器要素１１は、前部分１２と、後部分１４
と、中心部分１９と、２つの側部分１６及び１８とを有
している。前部分１２は、被検査領域に向かって位置す
る表面である。後部分１４は望み通りの形状であってよ
いが、一般的には平面である。前部分１２は非平面であ
る。要素１１の距離軸に沿う厚みは、各側部分１６及び
１８における厚みが大きく、２つの側の間における厚み
が小さくなっている。ここで言う側部分１６及び１８と
は、それぞれの要素１１の側１５だけではなく、要素の
厚みが要素の内側の厚みよりも大きい場合（例えば、要
素の各側の厚みにテーパが付いている場合）には要素の
内部領域をも含むものとする。前部分１２は連続して湾
曲した表面として図示してあるが、要素の厚みが各側部
分１６及び１８において大きく、中心部分１９に向かっ
て厚みが減少していて負に“湾曲した”前部分１２をな
していれば、前部分１２は段付きの形態、一連の線型セ
グメント、もしくは何等かの他の形態であっても差し支
えない。平面であることが好ましい後部分１４も、例え
ば凹面もしくは凸面であって差し支えない。

【００１２】要素１１は、距離（Ｚ）軸に沿って測定し
て、最大の厚みＬＭＡＸ、及び最小の厚みＬＭＩＮを有
している。側部分１６及び１８の厚みが共にＬＭＡＸに
等しく、要素１１の中心もしくは実質的に中心付近にお
いて厚みがＬＭＩＮであることが好ましい。しかしなが
ら、本発明を実現するためには各側部分１６、１８は同
一の厚みを有している必要も、またＬＭＩＮが変換器要
素の正確な中心にある必要もない。第１の好ましい実施
例では、ＬＭＡＸの値はＬＭＩＮの値の 140 ％より小
さいかもしくは等しい。これにより、一般的には超音波
ビームを生成する超音波装置を再プログラムすることを
必要とせずに、帯域幅活動化エネルギ( bandwidthactiv
ation energy ) を増加させることができる。更に、Ｌ
ＭＡＸの値をＬＭＩＮの値の 140 ％より小さいかもし
くは等しくすると、異なる励振周波数に対して出力ビー
ム幅が同一になる。本発明の変換器構成の帯域幅活動化
エネルギの増加は、後述するように変換器が自由共振型
である（即ち、整合層を備えていない）か、もしくは光
学的に整合した変換器である（即ち、少なくとも２つの
整合層を有している）場合には、ＬＭＡＸ／ＬＭＩＮに
よって近似される。図２、４、及び６に示す第１の好ま
しい実施例では、ＬＭＩＮに対するＬＭＡＸの厚みを 4
0 ％だけ増加させる（例えばＬＭＡＸをＬＭＩＮの 140
％にする）ことによって、帯域幅を 40 ％だけ増加さ
せることができる。

【００１３】例えば、もし変換器が 0.3048 ｍｍのＬＭ
ＡＸと、0.254 ｍｍのＬＭＩＮとを有していれば、0.25
4 ｍｍの均一の厚みを有する変換器に比して帯域幅は 2
0 ％だけ増加する。同様に、もし変換器が 0.3556 ｍｍ
のＬＭＡＸと、0.254 ｍｍのＬＭＩＮとを有していれ
ば、0.254 ｍｍの均一の厚みを有する変換器に比して帯
域幅は 40 ％だけ増加する。この実施例では、距離軸に
沿う要素の厚みの変化は20 乃至 40 ％程度までである
（即ち、最大の厚みを最小の厚みの 120 ％より大きい
かもしくは等しくするか、または最小の厚みの 140 ％
より小さいかもしくは等しくする）ことが好ましく、そ
れによって帯域幅が広がり、またパルス幅が短くなる。
これにより、最大帯域幅がそれぞれ約 20 乃至 40 ％増
加する。更に、これにより、距離軸に沿う分解能が改善
される。第１の実施例の後部分１４に対する前部分１２
の厚みを僅かに変えると、例えば変換器を３周波数動作
モードとして知られる３つの異なる周波数（例えば２Ｍ
Ｈｚ、2.5 ＭＨｚ、及び３ＭＨｚ）で活動させた場合
に、より良好な変換器性能を得ることができる。このよ
うな３周波数動作モードは心臓への応用に使用すること
ができる。更に、変換器の厚みの僅かな変化によって、
2.5 ＭＨｚ、3.5 ＭＨｚ、及び５ＭＨｚのような他の３
周波数動作モードにおいても変換器性能を改善すること
が可能である。

【００１４】要素１１を平凹構造とし、チタン酸ジルコ
ン酸鉛圧電材料（ＰＺＴ）で構成することが好ましく
い。しかしながら、後述するように要素１１はフッ化ポ
リビニリデン（ＰＶＤＦ）もしくは他の適当な材料のよ
うな複合材料で形成することもできる。図８も参照す
る。要素１１を励振して所望のビームを発生させるため
に、公知のように、電極２３及び２５を要素１１の前部
分１２と後部分１４とに適切に配置することができる。
電極２５は圧電要素１１上に直接配置しても、もしくは
代替として、整合層２４上に配置してもよい。後者の場
合、整合層２４を圧電要素１１上に直接配置することに
なる。電極２３及び２５は、所望の超音波ビームを発生
させるために要素１１を通る電界を確立する。圧電材料
に対する電極の配置例が 1986 年10月９日付け Hamada
らの合衆国特許 4,611,141号に開示されている。第１の
電極２３はそれぞれの変換器要素を励振する信号を供給
し、第２の電極２５は接地されている。それぞれの変換
器要素１１上の各第１の電極２３を励振するためにリー
ド１７（図４）を使用することができ、第２の電極２５
は全て電気的な接地に接続することができる。当分野に
おいては公知のように、スパッタリング技術を使用して
電極を圧電層上に配置することができる。代替として、
後述する相互接続回路を使用してそれぞれの変換器要素
の電気的励振を行うこともできる。

【００１５】図３及び５は、本発明の第２の好ましい実
施例を示すものであって、第１の実施例と同一の部品に
対しては同一の参照番号を付してある。第１の実施例に
関して図６及び図８を参照したが、２つの実施例が類似
していることからこれらの図は第２の好ましい実施例に
も利用する。更に、前部分１２上の少なくとも第１の点
における厚みは前部分上の少なくとも第２の点における
厚みより小さい。また前部分は非平面である。第２の好
ましい実施例では、ＬＭＡＸの値はＬＭＩＮの値の 140
％より大きい。ＬＭＡＸの値がＬＭＩＮの値の 140
％より大きい場合には、発生する出力ビームの幅は典型
的には周波数と共に変化する。更に、周波数が低くなる
程、出力ビームの幅は広がる。図９は、第２の実施例に
よる広帯域変換器が発生する高さ（Ｘ）方向に沿う出力
ビーム幅即ち開口の低周波数から高周波数までの典型的
な変化を示している。７ＭＨｚのような高周波数におい
ては、ビームは狭い開口を有している。周波数を下げる
と、ビームの開口は広がって行く。更に、２ＭＨｚのよ
うな充分に低い周波数では、ビームは変換器要素１１の
開口全体から効果的に生成される。図９に示すように、
低周波数における出力圧力波は２つのピークを有し、広
開口二次元変換器アレイの励振に近づく。

【００１６】図５は、第２の好ましい実施例に関して、
周波数の関数としての全変換器アレイのビーム幅の変化
をも示している。高めの励振周波数では出力ビーム幅は
狭い開口を有し、ビームは要素１１の中心から生成され
ている。これに対して、低めの励振周波数では出力ビー
ム幅は広い開口を有し、ビームは要素１１の開口全体か
ら生成される。励振周波数を制御することによって、変
換器要素１１のどの区分に超音波ビームを生成させるか
を制御することができる。即ち、高めの励振周波数では
ビームは主として変換器要素１１の中心から生成され、
低めの励振周波数ではビームは主として変換器要素１１
の開口全体から生成される。更に、前部分１２の湾曲が
大きい程、要素１１は広開口二次元変換器アレイに近づ
くようになる。第２の好ましい実施例の目的を追求す
る、即ち帯域幅を 40 ％以上広げるためには、変換器を
このような広範囲の周波数で励振するように超音波装置
を再プログラムする必要があるかも知れない。式ＬＭＡ
Ｘ／ＬＭＩＮから分かるように、厚みの変化が大きい程
帯域幅の広がりが大きくなる。本発明の原理によれば、
所与の設計に対して 300 ％もしくはそれ以上の帯域幅
の増加を達成することができる。つまり、厚みＬＭＡＸ
は、厚みＬＭＩＮのほぼ３倍も大きいのである。例えば
単一の変換器要素の帯域幅を２ＭＨｚ乃至 11 ＭＨｚの
範囲まで広げることができるが、本発明の原理によれば
更に広い範囲さえも達成することができる。本発明によ
り製造される変換器アレイはこのような広い範囲の周波
数で動作させることが可能であるので（即ち、変換器は
主基本調波周波数で動作可能であり、また主第２高調波
周波数で動作可能である）、基本調波及び第２高調波の
両者を観察する調波対比撮像法を本発明による単一の変
換器アレイを使用して達成することができる。

【００１７】図１０及び１１に示すように、変換器要素
１１の厚みを変化させると帯域幅は大幅に増加する。図
１０及び１１は、平凹変換器要素１１を使用した場合の
帯域幅に及ぼす効果の一例を示し、結果は使用する特定
形態に依存して変化し得る。図１０は、本発明の第２の
好ましい実施例により製造した変換器要素１１について
プロットしたインピーダンスを示している。この変換器
要素１１の側部分の厚みは 0.015 インチ( 0.381 ｍ
ｍ) であり、中心の厚みは 0.00428 インチ( 0.109 ｍ
ｍ) である。図から明白なように、要素は約 3.5 ＭＨ
ｚから 10.7 ＭＨｚまでの帯域幅を有している。これに
対して、図１１に示すように、0.381 ｍｍの均一な厚み
を有する普通の要素は典型的に約 4.5 ＭＨｚから 6.6
ＭＨｚまでの帯域幅である。即ち、反共振周波数（即
ち、最大インピーダンス）ｆ_aと、共振周波数（即ち、
最小インピーダンス）ｆ_rとの差であるΔｆを比較する
ことによって、従来技術の設計が約 38 ％の部分帯域幅
( fractional bandwidth )であるのに対して、本発明に
よって製造された変換器要素は 100 ％の部分帯域幅が
提供されていることが分かる。従って、変換器要素の湾
曲の形状（即ち、円筒状、放物線状、ガウス曲線状、も
しくは段付きであってもよく、三角形であることさえ許
される）を制御することによって放射されるエネルギの
周波数内容を効果的に制御することができる。これらの
各形状、並びに他の形状の使用は、本発明の範囲内にあ
るものと理解されたい。

【００１８】同一成分に対して同一の参照番号を付して
ある図７及び８に示す本発明により製造された変換器構
造は、変換器要素１１の前部分１２上に配置された湾曲
した整合層２４を有している。整合層２４は充満したポ
リマで作ることが好ましい。更に、整合層２４の厚み
は、変換器表面上の所与の点におけるＬＭＬを整合層の
厚みとし、ＬＥを変換器要素の厚みとし、ＣＭＬを整合
層内の音速とし、そしてＣＥを要素内の音速として、式ＬＭＬ＝（１／２）（ＬＥ）（ＣＭＬ／ＣＥ）によって近似することが好ましい。整合層２４の厚みは
変換器表面上の所与の点における要素の厚みに依存する
から、前部分１２の湾曲が整合層２４の頂部分２６の湾
曲と異なっていても差し支えない。上式を使用して１も
しくはそれ以上の整合層を形成させることが好ましい
が、製造の容易さから整合層は厚みを一定にしても差し
支えない。整合層２４を付加することによって、部分帯
域幅を改善することができる。更に、変換器の感度を増
加させることができる。しかしながら、組立てられた基
材の縁と中心との間の厚みの差が帯域幅の所望の増加を
制御し、また湾曲の形状が周波数領域における基本帯域
形状を制御する。更に、変換器要素１１も整合層２４も
共に負の湾曲を有しているので、関心部分への付加的な
集束が得られる。

【００１９】超音波ビームを関心部分へ集束させ、変換
器の感度を改善するために、１以上の整合層を前部分１
２に付加することができる。好ましくは、圧電要素即ち
変換器要素１１上に２つの整合層を配置し、光学的に整
合した変換器を形成させる。各整合層は、式ＬＭＬ＝
（１／２）（ＬＥ）（ＣＭＬ／ＣＥ）によって計算され
る。詳述すれば、第１の整合層の厚みＬＭＬを計算する
場合、その第１の材料の音速ＣＭＬの値を使用する。第
２の整合層の厚みＬＭＬを計算する場合、その第２の材
料の音速ＣＭＬの値を使用する。好ましくは、第１の整
合層（即ち、圧電要素に近い方の整合層）の音響インピ
ーダンスの値を約 10 メガレール( Mega Rayls )とし、
第２の整合層（即ち、被観察対象に近い方の整合層）の
音響インピーダンスの値を約３メガレールとする。被検
査対象の音響特性を有する結合要素２７を整合層上に、
もしくは例えば整合層を使用していない場合には第２の
電極２５上に直接配置することができる。結合要素２７
は、検査中のボディと接触する変換器構造の何等かの鋭
い表面を緩和することができるので、患者に対して快適
感を与える。結合要素２７は、例えば前部分１２もしく
は頂部分２６の曲がりが大きいような応用に使用するこ
とができる。

【００２０】結合要素２７は、充満していないポリウレ
タンで形成することができる。結合要素は、全体として
は平坦で、僅かに凹、もしくは僅かに凸の表面２９を有
することができる。好ましくは表面２９の湾曲を僅かに
凹として、プローブ４と被検査対象との間にニュージャ
ージー州オレンジの Parker Labs の製品 Aquasonic
（登録商標）のような超音波ゲル２８を保持できるよう
にする。これはプローブ４と被検査対象との間に強い音
響接触を与える。上述した整合層及び結合層は、上述し
た全ての実施例に配置することができる。超音波産業に
広く使用されている数値制御マシンツールのような機械
を使用して、変換器要素の厚みに変化を与えることがで
きる。マシンツールは、ＬＭＡＸ及びＬＭＩＮに所望の
厚み変化を与えるために初期圧電層を加工することがで
きる。図１６は、前部分を湾曲させたい場合に圧電層８
０を加工する第１の方法を示す。ｈをＬＭＡＸとＬＭＩ
Ｎとの厚みの差とし、ｗを高さ( elevation ) 軸に沿う
変換器要素の幅として、先ず式ｈ／２＋（ｗ²／８ｈ）
によって近似される曲率半径Ｒを定義する座標を数値制
御機械へ入力する。数値制御機械は圧電層８０と同寸法
の幅を有する研削砥石車８４によって圧電層を加工す
る。研削砥石車８４は、高さ軸と平行な軸８６を中心と
して回転する。研削砥石車８４は、酸化アルミニウムの
ような研削材料を含んでいる。研削砥石車８４は、圧電
層８０の一方の端から加工を開始し、圧電層の他方の端
に到達するまで方位方向に沿って加工して行くことが好
ましい。

【００２１】図１７は、圧電層８０を加工する代替方法
を示す。この方法では、研削砥石車８４はその一方の角
８８が圧電層８０の表面と接触するように傾けられてい
る。所与の方位領域において、研削砥石車８４は圧電層
８０の高さ軸に沿う一方の側から研削を開始し、圧電層
８０の高さ軸に沿う他方の側に達するまで研削を続行す
る（例えば、研削砥石車は方位軸内のある指標が設けら
れている個所を高さ軸に沿って所望の研削を行う）。研
削砥石車８４は軸９０を中心として回転する。次いで研
削砥石車８４は方位軸に沿う次の領域もしくは指標まで
移動して、圧電層の一方の側から他方の側まで高さ軸に
沿って加工を繰り返す。このプロセスは圧電層８０全体
が加工されて所望の湾曲８２が得られるまで繰り返され
る。加工された表面は、滑らかな表面が得られるように
研削もしくは研磨することができる。変換器を 20 ＭＨ
ｚのような極めて高い周波数で使用する場合には、これ
は特に望ましいことである。図７及び１８をも参照す
る。公知のように圧電材料に賽の目状の切り込みを入
れ、それらの切り口９４によって複数の電気的に独立し
た圧電要素１１を形成する。切り口９４によって、複数
の整合層２４、圧電要素１１、及び電極２３が得られ
る。変換器要素間の電気的絶縁を確保するために、切り
口９４は裏当てブロック１３内に僅かに伸ばすこともで
きる。

【００２２】図８を参照する。切り込みを入れる前に圧
電層の上部に金属化層を直接付着させて第２の電極２５
を形成させることもできる。整合層２４も使用するので
あれば、第２の電極２５は整合層２４の頂部分２６上に
配置することが好ましい。しかしながら、整合層２４の
頂部分２６は、整合層の縁にまたがって金属化すること
により、もしくはマグネシウムまたは導電性エポキシの
ような導電性材料を使用することによって、第２の電極
に短絡させることが好ましい。更に、整合層を使用する
場合には、整合層を圧電層の頂部に配置した後に切り込
みを入れる。好ましい実施例では、第２の電極は接地電
位に保たれる。もし後述する可撓回路９６を使用するの
であれば、この可撓回路を通して切り込みを行って個々
の電極２３を形成させる。変換器をセクタフォーマット
で動作させるように設計する場合には、方位方向に沿う
要素間の距離である長さＳは、変換器の最高動作周波数
における被検査対象内の半波長に近似させることが好ま
しい。この近似は、後述する２結晶設計にも適用され
る。変換器を線型動作させるように設計する場合には、
もしくはもし変換器アレイの形状がが曲線状であれば、
値Ｓは変換器の最高動作周波数における被検査対象内の
１波長と２波長との間で変化させることができる。

【００２３】図１９は、本発明の原理に従って製造され
た曲線状変換器アレイを示す。詳述すれば、曲線状アレ
イは図１８の線型変換器アレイと同様に製造される。し
かしながら、圧電要素１１が図１８のように大きい裏当
てブロック１３上に直接載っているのではなく、圧電要
素１１、可撓回路９６及び対応電極２３は約１ｍｍの厚
みを有する第１の裏当てブロック１３’上に直接配置さ
れている。これによって、視野を広げるためにアレイを
所望量だけ容易に曲げることが可能になる。典型的に
は、第１の裏当てブロック１３’の曲率半径は約 44 ｍ
ｍであるが、必要に応じて変えることができる。第１の
裏当てブロック１３’は、距離方向に約２ｃｍの厚みを
有する第２の裏当てブロック１３”にエポキシ糊を使用
して接着することができる。第１の裏当てブロック１
３’に接する第２の裏当てブロック１３”の表面は同一
の曲率半径を有していることが好ましい。当分野におい
ては公知のように、曲線状アレイは線型アレイの前面に
配置された機械的レンスを有する線型アレイと同じよう
に機能する。変換器要素１１の中心部分１９における信
号は、端もしくは側部分１６及び１８におけるよりも強
いから、正確なアポディゼーションが発生する（即ち、
サイドローブの生成を減少乃至は抑圧する）。これは、
前部分１２と後部分１４上の２つの電極間の電界が中心
部分１９上で最大であり、サイドローブの生成を減少さ
せることに起因している。更に、前部分及び後部分が平
坦な平行表面ではないので、変換器と被検査対象との界
面における望ましくない反射（即ち、ゴーストエコー）
は良好に抑圧される。また更に、本発明により製造され
る変換器アレイは広い範囲の周波数で動作することが可
能であるので、変換器は、送信された中心周波数以外の
中心周波数で信号を受信することが可能である。

【００２４】要素１１間の距離の設計、及び変換器開口
もしくは幅ｗの設計とに関して言えば、変換器の上限動
作周波数はグレーティングローブ( grating lobe )に最
大の影響を与える。もし変換器の最高動作周波数を考慮
して要素間の距離を設計すれば、グレーティングローブ
画像の人工生成物もしくはアーチファクト（即ち、被観
測対象の望ましくない多重鏡像の生成）を避けることが
できる。詳述すれば、グレーティングローブ角Θ_g、セ
クタフォーマットにおける電子舵取り角Θ_s、変換器の
最高動作周波数における被検査対象内の波長λ、及び要
素間の距離Ｓの間の関係は、次式によって与えられる。Ｓ≦λ／（ sinΘ_s− sinΘ_g）従って、所与のグレーティングローブ角に関して、変換
器開口の設計は変換器の上限動作周波数によって制限さ
れる。上式から分かるように、高めの周波数で掃引させ
るためには、その周波数に相関する開口を狭める必要が
ある。例えば、3.5 ＭＨｚの動作周波数においては、要
素間の望ましい距離Ｓは 220 μｍであり、７ＭＨｚに
おける距離Ｓは 110μｍである。高めの周波数において
は上式によって与えられる変換器要素の開口を狭めるこ
とが望ましいので、その変換器要素を低めの周波数で使
用すると分解能に損失を生ずることになる。これは、低
めの周波数における動作が、典型的に大きめの要素開口
を必要とすることに起因する。しかしながら、これは、
ＬＭＡＸの値をＬＭＩＮの値の 140 ％よりも大きく
し、低めの周波数において広めの開口によって得られる
画像の分解能を増加させた場合に、変換器が低めの周波
数における二次元アレイを模擬するという事実によって
補償される。

【００２５】本発明の原理を使用して２結晶変換器要素
を設計をすることができる。図１２に示す２結晶変換器
要素４０は、第１の圧電部分４２と第２の圧電部分４４
とを有している。これらの圧電部分は２つの分離した片
として加工してよい。好ましくは、両表面４６及び４８
を、式ｈ／２＋（ｗ²／８ｈ）によって生成する。但
し、ｈはＬＭＡＸとＬＭＩＮとの厚さの差であり、ｗは
高さ軸に沿う変換器要素の幅である。圧電部分４２及び
４４の構造は平凹であるとして図示してあるが、表面４
６及び４８は段付き形態、一連の線型セグメント、もし
くは他の形態を含むことができる。各部分４２及び４４
の厚みは側部分４３、４５、４７、４９において大き
く、それぞれの中心部分において小さくなっている。更
に、圧電部分４２及び４４のそれぞれの後部分５１及び
５３は、平面であることが好ましい。しかしながら、こ
れらの表面も非線形であることができる。第１の圧電部
分４２と第２の圧電部分４４との間に相互接続回路５０
が配置されている。相互接続回路５０は、音響もしくは
集積回路の分野において使用されている如何なる相互接
続設計からなっていてもよい。典型的には、相互接続回
路５０は変換器要素４０を励振するためのリードを担持
している銅の層で作られている。銅の層は、典型的には
カプトンであるポリアミド材料の片に接着することがで
きる。銅の層は各圧電部分４２及び４４と同一の広がり
寸法であることが好ましい。更に、相互接続回路は、接
触性能を改善するために金めっきすることができる。こ
のような相互接続回路がミネソタ州ノースフィールドの
Sheldahl が製造している可撓性回路であってよい。

【００２６】性能を更に向上させるために、整合層５２
を圧電部分４２上に配置することができる。第１及び第
２の圧電部分が共に同一の材料で形成されている場合に
は、変換器表面上の所与の点おけるＬＭＬを整合層の厚
みとし、ＬＥを第１及び第２の圧電部分の厚みとし、Ｃ
ＭＬを整合層内の音速とし、そしてＣＥを圧電部分内の
音速として整合層５２の厚みＬＭＬは（１／２）（Ｌ
Ｅ）（ＣＭＬ／ＣＥ）によって近似される。電極即ち接
地層５８及び５９を整合層５２上と表面４８上とに直接
配置して２つの圧電部分を並列に接続することができ
る。整合層５２は、ニッケル及び金のような導電材料で
被膜することができる。しかしながら、もし整合層を使
用しないのであれば、両接地層は共に、圧電部分４２及
び４４上に直接配置する。整合層５２は被検査領域に対
面させることができる。変換器４０は、超音波の分野に
おいては一般的であるように裏当てブロック５４上に配
置することができる。更に、前述したような結合要素も
使用することができる。図１３に、本発明の原理を使用
した別の２結晶設計５５を示す。第１の圧電部分５６及
び第２の圧電部分５７が設けられている。圧電部分５６
の形状は平凹であることが好ましい。更に、第２の圧電
部分５７は、高さ方向に沿ってその厚みが変化してい
る。上述したような相互接続回路５０を２つの圧電部分
の間に使用して２結晶変換器５５を励振することができ
る。前述したような整合層及び結合要素も設けて性能と
患者の快適感とを改善する。更に、電極即ち接地層５８
及び５９を使用して２つの圧電部分を並列に接続するこ
とができる。

【００２７】第１の圧電部分５６の後部分６１は平面で
あることが好ましい。第１の圧電部分５６の前部分６３
及び第２の圧電部分５７の後部分６５の曲率半径Ｒは、
ｈを圧電部分５６のＬＭＡＸとＬＭＩＮとの厚みの差と
し、ｗを高さ軸に沿う変換器要素の幅として、式ｈ／２
＋（ｗ²／８ｈ）によって近似させる。ＬＭＡＸ及びＬ
ＭＩＮの値は第１及び第２の圧電部分５６及び５７につ
いて同一とすることが好ましい。第２の圧電部分５７の
前部分６７の曲率半径Ｒは、ｈ’を両圧電部分の組合わ
せた最大厚みと組合わせた最小厚みとの差とし、ｗを高
さ軸に沿う変換器要素の幅として、式ｈ’／２＋（ｗ²
／８ｈ’）によって近似させる。所望の曲率半径を得る
ために、圧電部分５６及び５７は前述したような数値制
御機械によって加工することができる。均一な圧電材料
の層を使用する代わりに、図１４に示すような複合構造
６０を使用して複合材料を形成することができる。複合
構造６０は、種々の厚みを有する複数の圧電材料の垂直
柱６２もしくはスラブを含む。柱６２の間には、例えば
エポキシ材料で形成してよいポリマ層６４が存在してい
る。複合材料に関しては例えば Materials Research Bu
lletin, Vol. 13 ( 1978 )の 525-536頁に所載のR. E.
Newham らの論文“ Connectivity and Piezoelectric-P
yroelectric Composites ”、及び Materials Research
Bulletin, Vol. 13 ( 1978 )の 599-607頁に所載の R.
E. Newham らの論文“ Flexible Composite Transduce
rs ”を参照されたい。複合構造６０は平凹であること
が好ましい。性能を向上させるために音響整合層（図示
してない）を前部分６６上に配置することができる。

【００２８】複合材料はポリマ層内に埋め込むことがで
きる。次いで、この複合材料を所望の寸法に研削し、加
工し、もしくは形成することができる。更に、超音波の
分野においては一般的に行われているようにこの複合構
造に切り込みを入れて個々の変換器要素を形成すること
ができる。各変換器要素間の間隙にポリマ材料を充填し
て要素間の電気的絶縁を確保することもできる。前部分
６６は湾曲した表面として図示してあるが、前部分６６
は段付き形態、一連の線形セグメント、もしくは何等か
の他の形態とすることができる。構造６０の厚みは、各
側部分７０及び７２において大きく、中心において小さ
くなっている。更に、後部分６８は平面として図示して
あるが、この後部分は平面、凹面、もしくは凸面であっ
てよい。前述した電極と類似の電極７４及び７６を複合
構造の前部分及び後部分上に配置することができる。図
１４の複合構造６０は、図１５に示すように変形させて
凹部分６６’及び凹部分６８’を得ることができる。図
１５の変形した構造は、図１４の構造を機械的に変形さ
せて得ることができる。若干の応用では、変形させる前
に図１４の構造を加熱することができる。もし垂直柱６
２間の充填材料がエポキシ材料ではなくシリコンで作ら
れていれば、図１４の構造は熱を加えることなく容易に
変形させることができる。もしエポキシ材料が使用され
ていれば、図１４の構造は、構造を変形させる前に約 5
0 °Ｃの熱に曝すべきである。更に、複合構造は凹部分
６６’と凸部分６８’とが得られるように反対の方向に
変形させることもできる（図示してない）。図１４の変
換器構造を形成すると、広帯域変換器が得られるだけで
はなく、一般的には超音波ビームを関心領域に集束させ
ることが可能になる。図１５に示すように構造を変形さ
せることによって、超音波ビームの集束を“微細調整”
することが可能になる。

【００２９】動作させるには、変換器アレイ１０を先ず
所与の走査方向に沿って高めの周波数で活動させ、超音
波ビームを近い場（もしくはフィールド）の一点に集束
させる。変換器は、走査線に沿う一連の点に沿って徐々
に集束させ、ビームが徐々に遠い場に集束されるにつれ
て励振周波数を減少させる。ＬＭＡＸの値がＬＭＩＮの
値の 140 ％より大きい場合には、高周波数において狭
い開口を有している出力ビーム幅は、図９に示すように
励振周波数が低下するにつれて開口が広がる。最終的
に、２ＭＨｚのような充分に低い周波数において変換器
１０は、変換器要素１１の開口全体を使用してビームを
効果的に生成することによって二次元アレイに近づく。
更に、前部分１２の湾曲を大きくする程、変換器１０は
二次元アレイにより近づく。帯域幅及び感度性能を更に
増大させるために、整合層２４を要素１１の前部分１２
上に配置することもできる。更に、調波対比撮像法を遂
行する場合、変換器アレイ要素１１を先ず 3.5 ＭＨｚ
のような主基本調波周波数で励振して心臓もしくは他の
被観察組織を観察する。次いで変換器アレイ要素１１を
7.0 ＭＨｚのような主第２高調波の受信モードに設定
し、コントラスト材が組織に対してより明瞭に見えるよ
うにする。これによって、組織が如何に良好に機能して
いるかを確認することができる。基本調波を観察する時
に、基本周波数に中心を合わせたフィルタ（例えば電気
式のフィルタ）を使用することができる。第２高調波を
観察する時には、第２高調波周波数に中心を合わせたフ
ィルタを使用することができる。上述したように変換器
アレイを第２高調波の受信モードに設定することができ
るが、変換器アレイは第２高調波周波数で送信及び受信
することができる。

【００３０】所望の励振周波数を得るためにパルスを印
加することは公知である。図２０に例示したインパルス
応答１００は約 0.25 μｓの幅を有している。このイン
パルス応答１００は、ＬＭＩＮが 0.109 ｍｍ、ＬＭＡ
Ｘが 0.381 ｍｍ、そして前部分１２の曲率半径が 10
3.54 ｍｍである変換器のインパルス励振に対する応答
である。このインパルス応答１００は約１ＭＨｚから９
ＭＨｚの範囲の周波数スペクトルをもたらす。遠い場を
見る場合、もしくは超音波ビームを発生させるのに変換
器要素１１の所与の開口を選択する上の制約がないよう
な応用では、インパルス励振を使用して変換器要素１１
を励振することが望ましい。変換器要素１１の全開口を
励振することは、距離軸に沿う分解能をより高めるのを
援助することにもなる。近い場を見る時に変換器要素の
中心部分１９の開口を選択するために、約２乃至５個の
パルスのような一連のパルスを使用して変換器要素１１
を励振することができる。これらのパルスの周波数は要
素１１の中心部分１９に相関させる。典型的には、これ
らのパルスの周波数は約７ＭＨｚであり、パルスの幅は
約 0.14μｓである。

【００３１】前述したように低周波数において二次元ア
レイに近づけるためには、約２乃至５個のパルスのよう
な一連のパルスを印加して変換器要素１１を励振するこ
とができる。これらのパルスの周波数は、変換器要素の
最も厚い部分即ち側部分１６、１８に相関する共振周波
数に整合させる。典型的には、これらのパルスの周波数
は約 2.5 ＭＨｚであり、パルスの幅は約 0.40 μｓで
ある。これは、遠い場を見る時に鮮明な画像を発生させ
るのを援助する。図３、５及び１８に示す単一結晶設計
の要素１１は各々、高さ方向に 15 ｍｍ、方位方向に
0.0836 ｍｍである。要素間の距離Ｓは 0.109 ｍｍで
あり、切り口の長さは 25.4 μｍである。厚みＬＭＩＮ
は 0.109 ｍｍであり、厚みＬＭＡＸは 0.381 ｍｍで
ある。前部分１２の曲率半径は 103.54 ｍｍである。裏
当てブロックは、 Dow Corning の部品番号ＤＥＲ３
３２を同社の硬化剤ＤＥＨ２４で処理し、酸化アルミ
ニウム充填剤を有する充満したエポキシで形成されてい
る。128 要素からなる変換器アレイのための裏当てブロ
ックの寸法は方位方向に 20 ｍｍ、高さ方向に 16 ｍ
ｍ、そして距離方向に 20 ｍｍである。整合層２４の形
状及び寸法は、変換器表面上の所与の点におけるＬＭＬ
を整合層の厚み、ＬＥを変換器要素の厚み、ＣＭＬを整
合層内の音速、そしてＣＥを要素内の音速として、式Ｌ
ＭＬ＝（１／２）（ＬＥ）（ＣＭＬ／ＣＥ）によって近
似させる。変換器は音響応答技術（ＡＲＴ）能力を有す
る Acuson Corporationの１２８ＸＰシステムのよう
な市販されているユニットと共に使用可能である。

【００３２】図１２に示す２結晶設計では、第１及び第
２の圧電部分４２及び４４の距離方向に測定した最小厚
みは 0.127 ｍｍであり、最大厚みは 0.2794 ｍｍであ
る。圧電部分４２及び４４の表面４６及び４８の曲率半
径は 184.62 ｍｍである。要素間の距離Ｓは 0.254 ｍ
ｍであり、切り口の長さは 25.4 μｍである。図１３に
示す２結晶設計の場合には、圧電部分５６及び５７の最
小厚みは 0.127 ｍｍであり、最大厚みは 0.2794 ｍｍ
である。第１の圧電部分５６の前部分６３及び第２の圧
電部分５７の後部分６５の曲率半径は 184.62 ｍｍであ
る。圧電部分５７の前部分６７の曲率半径は 92.426 ｍ
ｍである。最後に、図１４に示す複合構造設計は、図４
もしくは５の寸法と同一の寸法とすることが好ましく、
それにより 128 の変換器要素を形成する。図１１の構
造は平らな後部分６８をも有しており、これは遠い場に
集束させる場合に特に望ましいことである。図１５の構
造は、図１４の構造の両端を距離方向に変形させること
によって形成することができる。被検査ボディ内約２ｃ
ｍの近い場に集束させる場合には、図１４の構造の側部
分を中心部分に対して約 0.25 ｍｍだけ変形させるべき
である。

【００３３】裏当てブロック、可撓回路、圧電層、整合
層、及び結合層は各々、何等かのエポキシ材料を使用し
て互いに糊付けすることができる。カリフォルニア州の
Dexter Corp., Hysol Division of Industry 製の Hys
ol（登録商標）硬化剤＃ＨＤ３５６１を有し、 Hysolを
ベースとする材料である＃２０３９は、種々の材料を互
いに糊付けするために使用することができる。典型的に
は、エポキシ材料の厚みは約２μｍである。第１の電極
を形成して適切な電気的励振を与える可撓回路の厚み
は、Sheldahl製の可撓回路の場合には約 25 μｍであ
る。第２の電極の厚みは、典型的には 2000 乃至 3000
オングストロームであり、スパッタリング技術を使用す
ることによって変換器構造上に付着させることができ
る。本発明により製造される変換器アレイは、本例では
10.5 ＭＨｚのような第３高調波で動作させることが可
能であることに注目されたい。これは、観察者にさらな
る情報を提供する。更に、整合層２４を付加することに
よって、変換器アレイをより広い範囲の周波数において
さえ動作させることができる。従って、これも、本発明
の変換器が、ある主基本調波及び第２高調波の両周波数
において動作することを可能ならしめる。

【００３４】以上に説明した本発明の形状は、好ましい
例として例示したものであり、本発明の思想もしくは特
許請求の範囲から逸脱することなくその形状、寸法、及
び部品の配列に種々の変化を施しうることを理解された
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】画像を生成するための超音波ビーム装置の概要
図である。

【図２】第１の好ましい実施例による変換器要素の断面
図である。

【図３】第２の好ましい実施例による変換器要素の断面
図である。

【図４】図１のプローブの第１の好ましい実施例である
広帯域変換器アレイの斜視図である。

【図５】図１のプローブの第２の好ましい実施例である
広帯域変換器アレイの斜視図であって、低周波数及び高
周波数におけるビーム幅をも示す図である。

【図６】本発明によ変換器アレイ内の単一の変換器要素
の拡大図である。

【図７】変換器要素の前部分上に配置された湾曲した整
合層を有し、図１のプローブとして使用される広帯域変
換器アレイの斜視図である。

【図８】湾曲した整合層と結合要素とを有する単一の広
帯域変換器要素の断面図である。

【図９】本発明の第２の実施例による広帯域変換器要素
が発生する出力ビーム幅が周波数と共に変化する様を示
す図である。

【図１０】本発明の第２の実施例による変換器の動作に
よって得られた典型的な音響インピーダンス周波数応答
プロットの例である。

【図１１】従来の変換器の動作によって得られた典型的
な音響インピーダンス周波数応答プロットの例である。

【図１２】本発明の第３の実施例による２結晶変換器構
造の断面図であって、２つの結晶要素間に相互接続回路
を有していることを示す図である。

【図１３】代替２結晶変換器構造の断面図である。

【図１４】本発明の第４の実施例による複合変換器要素
の断面図である。

【図１５】変形させた後の図１４の複合変換器要素の断
面図である。

【図１６】圧電層の表面を加工する好ましい方法を説明
するために圧電層と研削砥石車とを示す断面図である。

【図１７】圧電層の表面を加工する別の好ましい方法を
説明するために圧電層と研削砥石車とを示す断面図であ
る。

【図１８】本発明による線形変換器アレイの部分斜視図
である。

【図１９】本発明による曲線変換器アレイの部分斜視図
であって、可撓回路の一方の端を除去して明瞭化した図
である。

【図２０】図６の変換器要素のインパルス応答と、対応
する周波数スペクトルとを示す図である。

【符号の説明】

１超音波装置２送信回路４変換器プローブ５被観察対象（身体）６受信回路８表示装置１０アレイ１１変換器要素１２前部分１３裏当てブロック１４後部分１５側１６側部分１７リード１８側部分１９中心部分２３電極２４整合層２５電極２６整合層の頂部分２７結合要素２８超音波ゲル２９結合要素の表面４０２結晶変換器要素４２第１の圧電部分４３、４５第１の圧電部分の側部分４４第２の圧電部分４６第１の圧電部分の表面４７、４９第２の圧電部分の側部分４８第２の圧電部分の表面５０相互接続回路５１第１の圧電部分の後部分５２整合層５３第２の圧電部分の後部分５４裏当てブロック５５２結晶変換器要素５６第１の圧電部分５７第２の圧電部分５８、５９電極（接地層）６０複合構造６１第１の圧電部分の後部分６２圧電材料の柱６３第１の圧電部分の前部分６４ポリマ層６５第２の圧電部分の後部分６６前部分６７第２の圧電部分の前部分６８後部分７０、７２側部分７４、７６電極８０圧電層８２湾曲８４砥石車８６、９０砥石車の軸８８砥石車の角９４切り口９６可撓回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ａ６１Ｂ 8/00 9361−4ＣＧ０１Ｎ 29/24 Ｇ０１Ｓ 7/02 ＦＨ０１Ｌ 41/09 Ｈ０４Ｒ 31/00 ３３０ (72)発明者ジェイエスプルージアメリカ合衆国カリフォルニア州 94040 マウンティンヴィユーケムブリッジレーン 3566

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】励振された時に超音波ビームを発生する
変換器であって、複数の圧電要素を具備し、上記各要素は被検査領域に対面する表面上の少なくとも
第１の点における厚みが上記表面の少なくとも第２の点
における厚みよりも小さく、上記表面は非平面であり、上記超音波ビームの幅は、上記要素の励振の周波数に対
して逆に変化することを特徴とする変換器。
【請求項２】上記各要素は、少なくとも２つのピーク
からなる出力圧力波を発生する請求項１に記載の変換
器。
【請求項３】上記表面は湾曲した表面である請求項２
に記載の変換器。
【請求項４】上記表面に対向する後部分をも備え、上
記後部分は平面である請求項３に記載の変換器。
【請求項５】上記表面に対向する後部分をも備え、上
記後部分の形状は凹面である請求項３に記載の変換器。
【請求項６】上記表面に対向する後部分をも備え、上
記後部分の形状は凸面である請求項３に記載の変換器。
【請求項７】上記各要素は平凹である請求項１に記載
の変換器。
【請求項８】上記各要素は上記要素の各端に側部分を
も備え、上記厚みは上記各要素の上記側部分付近におい
て最大であり、上記厚みは上記各要素の実質的に中心付
近において最小である請求項７に記載の変換器。
【請求項９】被検査ボディと、上記要素の少なくとも
１つとの間に位置決めされる音響整合層をも備えている
請求項３に記載の変換器。
【請求項１０】上記変換器表面上の所与の点における
ＬＭＬを上記整合層の厚みとし、ＬＥを上記変換器要素
の厚みとし、ＣＭＬを上記整合層内の音速とし、ＣＥを
上記要素内の音速として、上記整合層が（１／２）（Ｌ
Ｅ）（ＣＭＬ／ＣＥ）によって近似される厚みを有して
いる請求項９に記載の変換器。
【請求項１１】上記要素は、主基本調波周波数におい
て動作可能であり、また主第２高調波周波数において動
作可能である請求項３に記載の変換器。
【請求項１２】上記整合層上に配置され、上記被検査
ボディに類似する音響特性を呈する結合要素をも備えて
いる請求項１０に記載の変換器。
【請求項１３】上記結合要素の表面の形状はやや凹面
である請求項１２に記載の変換器。
【請求項１４】上記要素は、チタン酸ジルコン酸鉛、
複合材料、及びフッ化ポリビニリデンの１つによって形
成されている請求項８に記載の変換器。
【請求項１５】励振された時に超音波ビームを発生す
る変換器であって、複数の圧電要素を具備し、上記各要素は、被検査領域と対面する前部分と、後部分
と、２つの側部分と、上記前部分と上記後部分との間の
厚みとを備え、上記各側部分における上記厚みは、上記２つの側部分の
間における厚みより大きく、上記前部分は非平面であり、上記超音波ビームの幅は、上記要素の励振の周波数に対
して逆に変化することを特徴とする変換器。
【請求項１６】上記各要素は平凹である請求項１５に
記載の変換器。
【請求項１７】被検査ボディと、上記要素の少なくと
も１つとの間に位置決めされる音響整合層をも備えてい
る請求項１６に記載の変換器。
【請求項１８】上記要素は、主基本調波周波数におい
て動作可能であり、また主第２高調波周波数において動
作可能である請求項１５に記載の変換器。
【請求項１９】所与の周波数で励振された時に超音波
ビームを発生する変換器であって、被検査領域と対面する非平面である前部分を備え、主基
本調波周波数と主第２高調波周波数とにおいて動作する
圧電要素を具備することを特徴とする変換器。
【請求項２０】上記各要素は平凹である請求項１９に
記載の変換器。
【請求項２１】励振パルスが印加された時に超音波ビ
ームを発生する変換器であって、被検査領域と対面する湾曲した前表面と、後表面と、２
つの側と、上記前表面と上記後表面との間の厚みとを備
えている平凹圧電要素を具備し、ｈを上記変換器要素の
最小の厚みと最大の厚みとの差とし、ｗを上記側間の上
記変換器要素の幅として上記前表面は式ｈ／２＋（ｗ²
／８ｈ）によって近似される曲率半径を有し、上記励振
パルスが印加されると上記超音波ビームの開口は上記励
振パルスの周波数に対して逆に変化することを特徴とす
る変換器。
【請求項２２】上記要素は、主基本調波周波数におい
て動作可能であり、また主第２高調波周波数において動
作可能である請求項２１に記載の変換器。
【請求項２３】アレイ型超音波変換器であって、被検査領域と対面する前部分と、後部分と、２つの側部
分と、上記前部分と上記後部分との間の厚みとを各々が
備え、互いに接して配置されている複数の変換器要素を
具備し、上記変換器の厚みは、上記側部分において最大の厚みで
あり、上記２つの側部分の間において最小の厚みであっ
て、上記最大の厚みは上記最小の厚みの１４０％より小
さいかもしくは等しいことを特徴とする変換器。
【請求項２４】上記最大の厚みは、上記最小の厚みの
１４０％より小さいかもしくは等しく、また上記最小の
厚みの１２０％より大きいかもしくは等しい請求項２３
に記載の変換器。
【請求項２５】上記各要素の上記前部分上に配置され
ている湾曲した音響整合層をも備え、上記変換器表面上
の所与の点におけるＬＭＬを上記整合層の厚みとし、Ｌ
Ｅを上記変換器要素の厚みとし、ＣＭＬを上記整合層内
の音速とし、ＣＥを上記要素内の音速として、上記整合
層が（１／２）（ＬＥ）（ＣＭＬ／ＣＥ）によって近似
される厚みを有している請求項２３に記載の変換器。
【請求項２６】上記要素は平凹形状のＰＺＴからな
り、上記前部分は表面が湾曲しており、上記最小の厚み
は上記各要素の実質的に中心付近に位置している請求項
２３に記載の変換器。
【請求項２７】画像を生成するための超音波装置であ
って、電気信号を変換器プローブへ送信する送信回路と、所与の周波数励振によって発生した超音波ビームを送信
し、被検査ボディから反射した圧力波を受信する変換器
プローブと、上記変換器プローブによって受信された信号を処理する
受信回路と、被観測対象の画像を生成する表示装置とを具備し、上記変換器プローブは複数の圧電要素を備え、上記各要
素は、被検査領域と対面する表面の少なくとも第１の点
における厚みが上記表面の少なくとも第２の点における
厚みよりも小さく、上記表面は非平面であり、上記超音
波ビームは上記要素の励振周波数に関係付けられる幅を
有していることを特徴とする装置。
【請求項２８】上記各要素は平凹である請求項２７に
記載の装置。
【請求項２９】上記被検査ボディと、上記表面の少な
くとも１つとの間に位置決めされる音響整合層をも備え
ている請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】励振された時に超音波ビームを発生す
る変換器を製造する方法であって、複数の圧電要素を形成する段階を具備し、上記各要素は、被検査領域と対面する表面の少なくとも
１つの点における厚みが上記表面の少なくとも他の１つ
の点における厚みよりも小さくしてあって上記超音波ビ
ームの開口は上記各要素の励振の周波数に対して逆に変
化し、上記表面は非平面であり、上記各要素の少なくとも１つの部分を通る電界を確立す
る段階をも具備することを特徴とする方法。
【請求項３１】上記電界を確立する段階は、上記各表
面上に第１の電極を配置し、上記各表面の対向する部分
上に第２の電極を配置する段階からなる請求項３０に記
載の方法。
【請求項３２】被検査対象と上記要素の少なくとも１
つとの間に位置する音響整合層を配置する段階をも備え
ている請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】上記変換器表面上の所与の点における
ＬＭＬを上記整合層の厚みとし、ＬＥを上記変換器要素
の厚みとし、ＣＭＬを上記整合層内の音速とし、ＣＥを
上記要素内の音速として、上記整合層が（１／２）（Ｌ
Ｅ）（ＣＭＬ／ＣＥ）によって近似される厚みを有して
いる請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】上記被検査対象に類似する音響特性を
呈する結合要素を上記整合層上に配置する段階をも備え
ている請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】上記結合要素の表面の形状は僅かに凹
面である請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】励振された時に超音波ビームを発生す
る変換器を製造する方法であって、複数の変換器要素を互いに接して形成する段階を具備
し、上記各要素は、被検査領域と対面する前部分と、後部分
と、２つの側部分と、上記前部分と上記後部分との間の
厚みとを備え、上記厚みは上記側部分において最大の厚
みであり、上記側部分の間において最小の厚みであっ
て、上記最大の厚みは上記最小の厚みの１４０％より小
さいかもしくは等しく、上記各要素の少なくとも１つの部分を通る電界を確立す
る段階をも具備することを特徴とする方法。
【請求項３７】被検査対象と上記要素の少なくとも１
つとの間に位置する音響整合層を配置する段階をも備え
ている請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】上記変換器表面上の所与の点における
ＬＭＬを上記整合層の厚みとし、ＬＥを上記変換器要素
の厚みとし、ＣＭＬを上記整合層内の音速とし、ＣＥを
上記要素内の音速として、上記整合層が（１／２）（Ｌ
Ｅ）（ＣＭＬ／ＣＥ）によって近似される厚みを有して
いる請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】超音波ビームを生成する変換器の励振
に応答して画像を発生させる方法であって、複数の圧電要素を含み、上記各要素の被検査領域と対面
する表面の少なくとも１つの点における厚みが上記表面
の少なくとも他の１つの点における厚みよりも小さく、
上記表面が非平面であり、そして上記超音波ビームの開
口が上記要素の励振の周波数に対して逆に変化するよう
になっている変換器プローブへ電気信号を供給して超音
波圧力波のビームを被検査ボディへ送信させる段階と、上記ボディから反射された圧力波を受信し、上記受信し
た圧力波を受信した電気信号に変換する段階と、上記受信した電気信号を処理する段階と、被観測対象を表示する段階とを具備することを特徴とす
る方法。
【請求項４０】上記被観測対象と上記圧電要素の少な
くとも１つとの間に音響整合層を配置する段階をも備え
ている請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】上記被観測対象に類似する音響特性を
呈する結合要素を上記整合層上に配置する段階をも備え
ている請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】上記結合要素の表面の形状は僅かに凹
面である請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】上記プローブを上記対象に当て、上記
プローブと上記対象との間に超音波ゲルを配置する段階
をも備えている請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】帯域幅活動化エネルギを有していて超
音波ビームを発生する変換器であって、複数の圧電要素を具備し、上記各要素は、被検査領域と対面する前部分と、後部分
と、２つの側部分と、上記前部分と上記後部分との間の
厚みとを備え、上記厚みは上記各側部分付近において最大値ＬＭＡＸで
あり、また上記２つの側部分の間において最小値ＬＭＩ
Ｎであり、上記前部分は非平面であり、上記帯域幅活動化エネルギの増加が、式ＬＭＡＸ／ＬＭ
ＩＮによって近似されることを特徴とする変換器。
【請求項４５】被検査ボディと上記要素の少なくとも
１つとの間に位置する２つの音響整合層をも備えている
請求項４４に記載の変換器。
【請求項４６】上記変換器は、上記変換器と被検査対
象との界面における反射の生成を抑制する請求項４４に
記載の変換器。
【請求項４７】上記変換器が発生する信号は、上記側
部分におけるよりも上記側部分の間における方が強い請
求項４４に記載の変換器。
【請求項４８】励振された時に超音波ビームを発生す
る変換器であって、複数の圧電要素を具備し、上記各要素は、被検査領域と対面する表面の少なくとも
第１の点における厚みが上記表面の第２の点における厚
みよりも小さく、上記表面は非平面であり、上記第２の
点における上記厚みは上記第１の点における上記厚みの
１４０％より小さいかもしくは等しく、上記超音波ビームの幅は、上記要素の励振の周波数に対
して逆に変化することを特徴とする変換器。
【請求項４９】上記第２の点における上記厚みは、上
記第１の点における上記厚みの１２０％より大きいかも
しくは等しい請求項４８に記載の変換器。
【請求項５０】上記各要素の上記表面上に配置されて
いる湾曲した音響整合層をも備え、上記変換器表面上の
所与の点におけるＬＭＬを上記整合層の厚みとし、ＬＥ
を上記変換器要素の厚みとし、ＣＭＬを上記整合層内の
音速とし、ＣＥを上記要素内の音速として、上記整合層
の厚みＬＭＬが（１／２）（ＬＥ）（ＣＭＬ／ＣＥ）に
よって近似される請求項４８に記載の変換器。
【請求項５１】２結晶変換器であって、被検査領域と対面する表面の少なくとも１つの点におけ
る厚みが上記表面の他の１つの点における厚みよりも小
さく、上記表面が非平面である第１の圧電部分と、第２の圧電部分と、上記第１の圧電部分と第２の圧電部分との間に配列され
ている相互接続回路とを具備することを特徴とする変換
器。
【請求項５２】上記第１の圧電部分は上記表面と対向
している対向表面を有し、上記第２の圧電部分は前部分
と、後部分と、２つの側部分とを有し、上記相互接続回
路は上記対向表面と上記後部分との間に配置されている
請求項５１に記載の変換器。
【請求項５３】上記前部分は非平面である請求項５２
に記載の変換器。
【請求項５４】上記表面及び上記前部分は湾曲した表
面であり、上記対向表面及び上記後部分は平面である請
求項５３に記載の変換器。
【請求項５５】上記第１及び第２の圧電部分は平凹で
ある請求項５４に記載の変換器。
【請求項５６】上記第１の圧電部分の上記厚みは、上
記第１の圧電部分の側付近において最大であり、上記第
１の圧電部分の実質的に中心付近において最小である請
求項５５に記載の変換器。
【請求項５７】上記第２の圧電部分の上記厚みは、上
記側部分付近において最大であり、上記第２の圧電部分
の実質的に中心付近において最小である請求項５６に記
載の変換器。
【請求項５８】上記表面と被検査身体との間に位置す
る湾曲した音響整合層をも備えている請求項５５に記載
の変換器。
【請求項５９】上記第１及び第２の圧電部分は同一の
材料で形成され、上記変換器表面上の所与の点における
ＬＭＬを上記整合層の厚みとし、ＬＥを上記第１及び第
２の圧電部分の厚みとし、ＣＭＬを上記整合層内の音速
とし、ＣＥを第１及び第２の圧電部分内の音速として、
上記整合層の厚みＬＭＬが（１／２）（ＬＥ）（ＣＭＬ
／ＣＥ）によって近似される請求項５８に記載の変換
器。
【請求項６０】上記要素は、主基本調波周波数におい
て動作可能であり、また主第２高調波周波数において動
作可能である請求項１５に記載の変換器。
【請求項６１】上記整合層上に配置され、上記被検査
ボディに類似する音響特性を呈する結合要素をも備えて
いる請求項５９に記載の変換器。
【請求項６２】上記第１の圧電部分は上記表面と対向
している対向表面を有し、上記第２の圧電部分は前部分
と、後部分と、２つの側部分とを有し、上記前部上の少
なくとも１つの点における厚みが上記前部上の少なくと
も他の１つの点における厚みよりも小さく、上記相互接
続回路は上記対向表面と上記前部分との間に配置されて
いる請求項５１に記載の変換器。
【請求項６３】上記表面、上記対向表面、及び上記前
部分は湾曲した表面であり、上記後部分は平面である請
求項６２に記載の変換器。
【請求項６４】上記第２の圧電部分は平凹である請求
項６３に記載の変換器。
【請求項６５】被検査対象と上記第１の圧電部分との
間に位置する湾曲した音響整合層をも備えている請求項
６４に記載の変換器。
【請求項６６】上記第１及び第２の圧電部分は同一の
材料で形成され、上記変換器表面上の所与の点における
ＬＭＬを上記整合層の厚みとし、ＬＥを上記第１及び第
２の圧電部分の厚みとし、ＣＭＬを上記整合層内の音速
とし、ＣＥを第１及び第２の圧電部分内の音速として、
上記整合層の厚みＬＭＬが（１／２）（ＬＥ）（ＣＭＬ
／ＣＥ）によって近似される請求項６５に記載の変換
器。
【請求項６７】変換器を製造する方法であって、被検査領域と対面する前部分と、後部分と、２つの側部
分と、上記前部分と上記後部分との間の厚みとを備えて
いる複合材料からなり、上記前部上の少なくとも１つの
点における上記厚みが上記前部上の少なくとも他の１つ
の点における上記厚みよりも小さい圧電要素を形成する
段階と、上記圧電要素を変形させる段階とを具備することを特徴
とする方法。
【請求項６８】上記後部分上に第１の電極を配置する
段階と、上記前部分に第２の電極を配置する段階と、被
検査対象と上記前部分もしくは上記第２の電極の一方と
の間に音響整合層を配置する段階をも備えている請求項
６７に記載の方法。
【請求項６９】上記変換器表面上の所与の点における
ＬＭＬを上記整合層の厚みとし、ＬＥを上記変換器要素
の厚みとし、ＣＭＬを上記整合層内の音速とし、ＣＥを
上記要素内の音速として、上記整合層の厚みＬＭＬが
（１／２）（ＬＥ）（ＣＭＬ／ＣＥ）によって近似され
る請求項６８に記載の方法。
【請求項７０】上記被検査対象に類似する音響特性を
呈する結合要素を上記整合層上に配置する段階をも備え
ている請求項６９に記載の方法。
【請求項７１】上記整合層に対向する上記結合要素の
表面の形状は僅かに凹面である請求項７０に記載の方
法。
【請求項７２】励振された時に超音波ビームを発生す
る変換器を製造する方法であって、被検査領域と対面する前部分と、後部分と、２つの側部
分と、上記前部分と上記後部分との間の厚みとを備えて
いる複合材料からなり、上記超音波ビームの開口が励振
の周波数に対して逆に変化するように、上記各側部分に
おける厚みを上記２つの側部分の間の厚みより大きく
し、上記前部分を非平面にした圧電要素を形成する段階
と、上記圧電要素を変形させる段階とを具備することを特徴
とする方法。
【請求項７３】上記変形させる段階に先立って上記要
素を加熱する段階をも備えている請求項７２に記載の方
法。
【請求項７４】上記後部分上に第１の電極を配置する
段階と、上記前部分に第２の電極を配置する段階と、被
検査対象と上記前部分もしくは上記第２の電極の一方と
の間に音響整合層を配置する段階をも備えている請求項
７２に記載の方法。
【請求項７５】上記変換器表面上の所与の点における
ＬＭＬを上記整合層の厚みとし、ＬＥを上記変換器要素
の厚みとし、ＣＭＬを上記整合層内の音速とし、ＣＥを
上記要素内の音速として、上記整合層の厚みＬＭＬが
（１／２）（ＬＥ）（ＣＭＬ／ＣＥ）によって近似され
る請求項７４に記載の方法。
【請求項７６】上記被検査対象に類似する音響特性を
呈する結合要素を上記整合層上に配置する段階をも備え
ている請求項７５に記載の方法。