技術 蛇形の仰角焦点を有する超音波変換器列

0001

本発明は一般に超音波変換器列に関し、特に蛇形の（apodized）仰角焦点を有
する、直線列あるいは曲線列の音響的に遮断された変換器要素に関する。

0002

最近は、超音波結像技術が医療診断や材料の非破壊検査において普及してきて
いる。医療の診断のための結像については、これらの技術は深層器官や身体にわ
たる物理的構造の寸法や位置を測定したり、記録するために用いられている。

0003

超音波結像システムは典型的に、変換器列の軸線に沿って配置された複数の平
行の圧電式変換器要素であって、各要素が圧電層と、該圧電層を励起させ、超音
波エネルギを放出するようにさせる前方および後方の電極を有する圧電式変換器
要素を含む。電子駆動回路が変換器要素を励起させて、結像平面を画成するよう
横方向に走査しうる超音波エネルギの細いビームを形成する。駆動回路は、数種
の従来の方法のいずれかで複数の圧電要素を駆動し、例えば結像面に沿って狭い
ビームを掃去するフェーズドアレイあるいは結像面において狭いビームを段階的
に導く段階列を提供することができる。

0004

コストおよび簡素化の点から、典型的には多数の変換器要素は、ビームを電子
的に集中させる仰角軸線に沿って設けてはいないため仰角平面におけるビームの
形成はより難しい。超音波ビームに対して単一の仰角焦点を提供するために変換
器列の前方に音響レンズを位置させることがよくある。しかしながら、仰角方向
における変換器の水晶の長さは限りがあるため回折により仰角方向にサイドロー
ブが現われるようにする可能性があり、これが主ローブによる結像に干渉する。
さらに、レンズによって得られる焦点深度が不当に制限される可能性がある。

0005

ビームのサイドローブの大きさを低減し、それによって変換器の解像力を向上
させるために、仰角軸線において超音波ビームを蛇形化(apodization)すること
が過去試みられてきた。特に、前面に沿った各種の位置において放射された超音
波エネルギの強度を適合させ、一般に変換器要素の側部における強度を中心に対
して相対的に低くするために、圧電変換器要素の前面の選定された部分に音響遮
断材の薄いシートが付与された。しかしながら音響遮断材の使用は不正確で、付
加的な層の使用を必要とする。

0006

従って、音響遮断材を使用する必要なしに、仰角方向のサイドローブを低減し
、深い焦点深度にわたって比較的良好な焦点を有する結像ビームを提供する、よ
り効率的な超音波変換器列に対する要請がある。
発明の要約

0007

本発明は、パターン化した前方電極と、仰角方向のサイドローブを低減した蛇
形の結像ビームを提供する、導電性で音響的に適合した層とを有する超音波変換
器列において実施される。蛇形化は各変換器要素の前面に沿った各種の位置にお
いて放出された超音波エネルギを直接適合させることにより達成される。超音波
変換器列はまた、深い焦点深度にわたって比較的良好な焦点を提供する。

0008

特に、超音波変換器列は結像面において列の軸線に沿って整列された複数の圧
電変換器要素を含む。各圧電変換器要素は、前面に前方電極を重ね、後面に後方
電極を重ねた圧電基板を含む。重ねられた第１の音響的に適合する層を介して電
気駆動信号が前方電極に供給される。前方電極は、結像面に対して垂直の仰角方
向軸線に沿って分配された所定の漸減重み関数を提供するようにパターン化され
ている。このため、蛇形化が無ければ変換器要素によって提供されるものよりサ
イドローブの大きさがより小さいビームを仰角平面において蛇形化する。

0009

本発明のより細部にわたる特徴においては、各変換器要素の圧電層は変換器要
素列に対して概ね平行の方向に向いた一連のスロットをその前面に切設している
。これらのスロットは音響的に遮断されたサブエレメント(subelements)を形成
し、さらに、前方電極を重ねていない圧電層の部分を遮断することにより所望の
ビーム蛇形化を向上させる。

0010

本発明の別の細部にわたる特徴においては、各変換器要素の前方電極が、該要
素がハミング(Hamming)重み関数に近似したエネルギ分布を有する超音波ビーム
を放射するように特殊パターン化されている。これは、特に望ましいビーム蛇形
化形態を提供するものと考えられている。

0011

第１の音響的に適合した層は二種類の適当な形態のいずれかをとりうる。一方
の形態においては、電気信号をパターン化した前方電極まで導くために薄い金属
層（例えば銅）が第１の音響的に適合した層の後面を形成する。代替的に、第１
の音響的に適合した層全体を導電性材料から形成してもよい。

0012

本発明の別の特徴においては、各圧電変換器要素は、厚さが均一で、第１の音
響適合層に重ねられた第２の音響的に適合した層を含めることができる。さらに
誘電性材料の音響レンズを音響適合層に重ねることができる。最後に、各変換器
要素の前面は仰角平面では平坦な形状あるいは凹形平面としうる。

0013

本発明のその他の特徴や利点は、例として本発明の原理を示す添付図面と関連
した、好適実施例についての以下の説明から明らかとなる。

0014

第１図は、複数の独立した超音波変換器要素を有する本発明による超音波変換
器列であって、該列の一部を図示のために残りのものから取り出して示す、一部
断面の斜視図、

0015

第２図は、数個の超音波変換器要素を示す、第１図に示す列の取出し部分の拡
大した断面図、

0016

第３図は本発明による超音波変換器列の断側面図、

0017

第４図は本発明の超音波変換器列に使用する圧電基板であって、遮断した前方
および後方電極を有する圧電基板の初期の製造段階における断面図、

0018

第５図は、一連の鋸切断スロットを有し、前方電極の一部を所定のパターンに
除去した、第４図に示す圧電基板の端面図、

0019

第６Ａ図と第６Ｂ図とは、ログ(log)の大きさで示す、ハミング重み関数によ
り重みをつけた窓と関連のフーリエ変換とのグラフ、

0020

第７Ａ図と第７Ｂ図とは、ログの大きさで示す、均一に重みをつけた長方形の
窓とその関連のフーリエ変換とのグラフ、

0021

第８図は、本発明の超音波変換器要素の前方電極の部分と関連した領域に分割
した、第６Ａ図に示すハミング重み関数のグラフ、

0022

第９Ａ図は、第７Ａ図に示すグラフにより均一に重みをつけた変換器要素を有
する変換器列により発生した、変換器列から４０ミリの距離をおいた仰角プロフ
ィルのグラフ、

0023

第９Ｂ図は、第８図に示すハミング重み関数により重みをつけた変換器要素を
有する変換器列によって発生した走査ビームの、変換器列から４０ミリの距離を
おいた仰角プロフィルのグラフ、

0024

第１０Ａ図は、第７Ａ図に示すグラフにより均一に重みをつけた変換器要素を
有する変換器列により発生した走査ビームの、変換器列から６０ミリの距離をお
いた、仰角プロフィルのグラフ、

0025

第１０Ｂ図は、第８図に示すハミング重み関数を有する変換器列によって発生
した走査ビームの、変換器列から６０ミリの距離をおいた仰角プロフィルのグラ
フ、

0026

第１１Ａ図は、第７Ａ図に示すグラフにより均一に重みをつけた変換器列によ
って発生した走査ビームの、変換器列から８０ミリの距離をおいた仰角プロフィ
ルのグラフ、

0027

第１１Ｂ図は、第８図に示すハミング重み関数により重みをつけた変換器要素
を有する変換器列により発生した走査ビームの、変換器列から８０ミリの距離を
おいた、仰角プロフィルのグラフ、

0028

第１２Ａ図は、第７Ａ図に示すグラフにより均一に重みをつけた変換器要素の
変換器列によって発生した走査ビームの、変換器列から１００ミリの距離をおい
た仰角プロフィルのグラフ、

0029

第１２Ｂ図は、第８図に示すハミング重み関数により重みをつけた変換器要素
を有する変換器列によって発生した走査ビームの、変換器列から１００ミリの距
離をおいた仰角プロフィルのグラフ、

0030

第１３Ａ図は、第７Ａ図に示すグラフにより均一に重みをつけた変換器要素を
有する変換器列によって発生した走査ビームの、変換器列から１２０ミリの距離
をおいた仰角プロフィルのグラフ、

0031

第１３Ｂ図は、第８図に示すハミング重み関数により重みをつけた変換器要素
を有する変換器列によって発生した走査ビームの、変換器列から１２０ミリの距
離をおいた仰角プロフィルのグラフ、

0032

第１４図は、本発明による超音波変換器列の代替実施例の断側面図、

0033

第１５図は、本発明による超音波変換器列の別の代替実施例の断側面図である
。
好適実施例の説明

0034

図面、特に第１図から第３図までに示すように、本発明は、全体的に参照番号
１０で示す超音波変換器列と、結像面において超音波エネルギの狭いビームを走
査することにより対象物を結像する関連の方法とにより実施される。変換器列は
、制御された振幅と位相の信号により励起され、結像面においてビームを走査す
る複数の音響的に遮断された変換器要素を含む。変換器列は、各変換器要素の選
定された部分のみを選択的に励起させることにより個々の変換器要素を蛇形化す
ることによってビームの仰角焦点を向上させる。このため変換器列が結像を改良
できるようにする。

0035

超音波変換器列１０はハウジング１４内に収容された複数の独立した超音波変
換器要素１２を含む。個々の変換器要素は可撓性のプリント回路盤のリード線１
６と、ポリマ裏打ち材料２０により適所に固定された接地フォイル１８とに電気
的に接続されている。誘電面層２２が変換器要素とハウジングとの周りに形成さ
れている。

0036

個々の各超音波変換器要素１２は圧電基板２４と、第１の音響適合層２６と、
第２の音響適合層２８とを含む。個々の変換器要素は相互に対して機械的に遮断
され、第２図においてＸ−Ｙ軸により規定される結像面に位置した変換器要素列
の軸線Ａに沿って配分されている。さらに、個々の要素は圧電基板と隣接する音
響適合面とをその前面が凹形となるように形成することにより結像面に機械的に
焦点が合うようにされている。

0037

変換器要素列の軸線Ａは扇形走査がしやすいように凸形とされている。しかし
ながら、以下の説明から、前記列の軸線は直線、あるいは曲線に、さらには直線
部分と曲線部分の組合わせともしうることが明らかとなる。超音波変換器列は、
参考のために本明細書に含めている、１９９３年１月２９日出願され、「超音波
変換器列と、その製造方法」(ULTRASONIC TRANSDUCERARRAY ANDMANUFACTURING
METHODTHEREOF)という名称の米国特許出願０８／０１０，８２７号に記載の方
法により形成し、組み立てることができる。

0038

第３図に示すように、本発明による各超音波変換器要素１２はさらに、圧電基
板２４の前面にあるパターン化した前方電極３０と、圧電基板の後面にある後方
電極３２とを含む。パターン化した前方電極は圧電基板において一連のサブエレ
メント３４を重ねている。後方電極３２はリード線１６を介して正の端子に接続
され、パターン化した前方電極は第１の音響適合層２６と接地フォイル１８とを
介して負の端子に接続されている。

0039

第１の音響適合層は、（当該材料における音の速度によって測定して）所望の
作動周波数において約１／４の波長に等しい厚さを有するエポキシ材から作るこ
とが好ましい。例えば銅のような金属から形成した導電性の層３５が第１の音響
適合層の後面を形成し、パターン化した前方電極３０に導電する。代替的に、第
１の音響適合層に対して、例えばグラファイト、銀充てんエポキシ、あるいはガ
ラス質炭素のような適当な音響インピーダンスを有する導電性材料を用いること
ができ、金属層は省略しうる。

0040

第２の音響適合層２８は均一な厚さを有し、第１の音響適合層２６と誘電面層
２２との間に狭持されている。第２の適合層は好ましいものではあるが省いても
よい。

0041

各変換器要素１２は正と負の端子にわたって供給される励起信号によって励起
される。励起信号はパターン化した前方電極３０に重ねられているサブエレメン
トを振動させ、超音波が圧電基板２４の前面の対応する領域から放出されるよう
にする。

0042

圧電変換器要素１２はポリマ裏打ち材料２０によりハウジング１４内に保持さ
れている。誘電面層２２はポリウレタンのような材料から形成されている。

0043

第４図と第５図とは、圧電基板が凹状に形成される前の、製作工程の初期段階
の間の圧電基板を示す。第４図は金属化層がその表面に付与された後の基板を示
す。基板の後面の金属化層を通しての２本の鋸による切欠部３６がそれぞれ前方
および後方電極３０，３２を形成する。前記鋸による切欠部は前方電極３０が基
板の後面まで包み、接地フォイル１８を接続しやすくするよう位置させることが
できる。前方電極の能動開口３８が、前方電極３０へ突出した後方電極３２の長
さ分によって画成されている。

0044

第５図に示すように、各変換器要素１２の能動開口３８は、変換器列の軸線Ａ
に対して平行に圧電基板２４の前面を通して切設された多数の平行のスロットに
よりサブエレメント３４に分割されている。切設はダイシングソー(dicing saw)
を用いて行われる。先に引用した特許出願第０８／０１０，８２７号に完全に説
明されているように、スロットは圧電基板に概ねわたって延在するため基板を可
撓性とし、凹状に形成できるようにする。前方電極３０の選定された部分は能動
開口領域において除去されている。このように選定した部分の除去はダイシング
ソーを用いて達成され、下記する蛇形化を実行するべく実施される。

0045

変換器列１０によって発生する走査ビームの仰角焦点は変換器要素１２を蛇形
化することにより改良される。各変換器要素の蛇形化は、圧電基板２４の放射開
口３８にわたって漸減励起を提供するため前方電極３０の部分を仰角方向すなわ
ちＺ軸の方向に除去することにより達成される。そのような電極のパターンはス
ロットを切設する前に前面に作っておく。

0046

第６Ａ図に示すように、ハミング重み関数を用いてビームを蛇形化することが
好ましい。第６Ｂ図に示すように、ハミング重み関数のフーリエ変換は、フーリ
エ変換の主ローブ４２のレベルより著しく低いサイドローブ４０を有している。
第７Ａ図および第７Ｂ図に示す長方形の重み関数とそのフーリエ変換とに比較し
て、ハミング重み関数のサイドローブ４０は長方形の重み関数のサイドローブ４
０′よりはるかに低く、主ローブ４２は長方形重み関数の主ローブ４２′よりは
るかに幅広い。その他の重み関数を用いてもある程度首尾よくいくことに注目さ
れたい。身体内での結像という、大きな反響を発生する多くの硬質の構造を含み
うる環境においては、硬質の構造による反響が起因する著しいノイズを誘発しう
る、より高いサイドローブ４０よりも僅かに幅広い主ローブ４２の方が好ましい
。

0047

円筒形の変換器におけるハミング重み関数は以下の形をとる。
Ａ（ｘ）＝０.０８＋０.９２[cos(ｎｘ／Ｄ)]2
但し、
ｘ＝中心軸からの距離
Ｄ＝開口の全体長さ

0048

前方電極３０の部分を単に除去するだけでは重み関数の正確なプロフィルは複
製できないことを注目されたい。従って、本発明の変換器要素１２は、選定され
たサブエレメントがそれぞれの変換器要素に対して励起信号によって励起されな
いように選定されたサブエレメントから前方電極を除去することにより重み関数
を近似化する、前方電極から除去すべきサブエレメントはサブエレメントを群あ
るいは領域に分割することにより決められる。前方電極を各群の選定された数の
サブエレメントから除去し、該群の残りのサブエレメントが超音波エネルギを放
出するようにさせる。一定数のサブエレメントに対して、群の数並びに各群にお
けるサブエレメントの数は重み関数の曲線を近似化するに十分な数の群を有する
ことと、量子化効果を最小にするに十分な各群におけるサブエレメントの数との
間のバランスの問題である。

0049

好適実施例においては、変換器要素１２は１２ミリの能動仰角開口３８を有す
る。１１２個の合成サブエレメント３４を形成するために、開口の高さにわたっ
てスロットを均等に隔置させる。第８図に示すように、開口の各々半分が、開口
にわたっての合計２８個の領域に対して、各４個のサブエレメントからなる１４
個の領域４４に分割される。ハミング重み関数を近似化するために各領域におい
て前方電極を除去すべきサブエレメントの数は、対象の領域に対応する重み関数
の曲線の下の面積を決めることにより計算しうる。各々４個のサブエレメントか
らなる１４個の領域に対して、最後の２個の領域は、これらの領域の各々におけ
る４個全てのサブエレメントから前方電極を除去すべきであることが直ちに判る
。しかしながら、能動開口３８内のいずれの領域も能動サブエレメントを無くす
必要はなく、圧電基板２４の後方電極３２を通って延在する圧電基板の前面の部
分が超音波エネルギを有効に発生させずこの機能を提供することができる。この
ように、計算のために、２個の鎖線で示す領域１５、１６が能動開口の各端で加
えられ、開口の各半分を１６の領域に分割して、１３．７ミリの有効能動高さ開
口を有する変換器要素に対して計算が行われる。

0050

ハミング重み関数はその中心の周りで対称であるので、計算は３２個の領域４
４の半分のみに対して実行される。曲線の半分の各領域に対する重み関数の下の
正規化された面積は下式により提供される。
但し ｎ＝１〜１６（領域の１／２）
Ｄ＝１３．７ミリ

0051

電極を除去すべきサブエレメントｒnの数は次の式によって計算される。
ｒn＝（Ｚn−１）／４

0052

領域４２当り４個の要素しかないため、電極を除去すべきサブエレメントｒn
の数は所定のしきい値を用いて全ての数あるいは整数ｉnに対して量子化される
。一般的な指標として、計算された数ｒn、０から０．５までは領域において何
ら電極を除去すべきでないことを、０．５から１．５は領域から１個の電極を除
去すべきことを、１．５から２．５は領域から２個の電極を除去すべきことを、
２．５から３．５は領域から３個の電極を除去すべきことを、３．５から４．０
は４個の電極を領域から除去すべきことを示す。

0053

計算を実行することにより下表が得られる。

0054

従って、領域１〜４においては、前方電極３０のどの部分もサブエレメント３
４から除去すべきでなく、領域５〜７において前方電極は１個のサブエレメント
から除去すべきで、領域８〜１０においては前方電極は２個のサブエレメントか
ら除去すべきで、領域１１〜１４においては前方電極は３個のサブエレメントか
ら除去すべきで、領域１５と１６とにおいては、前方電極は４個全てのサブエレ
メントから除去すべきで能動サブエレメントを残さない。しかしながら、前述の
ように、領域１５と１６とは１２ミリの圧電基板２４の１２ミリの能動窓すなわ
ち開口３６の外側にあり、超音波エネルギを放出しない圧電基板の端部分に対応
する。

0055

第８図において、グラフの左半分の点線４６で示すように、ハミング重み関数
の近似化は極端に精密とはいえない。最も重要な特徴は分布が開口３８の端部に
向かって漸減していることである。

0056

第９Ａ図から第１３Ａ図は変換器列からの距離が増えても均一な仰角窓を有す
る変換器列によって発生したビームの仰角プロフィルを示し、第９Ｂ図から第１
３Ｂ図は変換器列からの距離が増えて蛇形化した仰角焦点を有する変換器列によ
って発生したビームの仰角プロフィルを示す。蛇形化した変換器列において、能
動開口３８は、各々４個のサブエレメントからなる１４個の領域４４に分割され
た１１２個のサブエレメント３４を有する。領域１〜５は４個の能動サブエレメ
ントを有し、領域６と７は３個の能動サブエレメントを有し、領域８〜１０は２
個の能動サブエレメントを有し、領域１１〜１４は１個の能動サブエレメントを
有する。この配列は領域番号５の場合のみ前述の最適化した配列と相違する。

0057

図示例においては、２０ミリ以下の範囲において、ビームは良好に形成されて
おらず蛇形化したビームと均一な開口のビームとの性能の間の差は殆んど無い。
しかしながら、４０ミリの範囲においては、蛇形化したビームのプロフィル（第
９Ｂ図）はより明確な主ローブ４２を有し、蛇形化していないビームのプロフィ
ル（第９Ａ図）の主ローブの外部での信号除去において少なくとも５dBの向上が
見られる。６０ミリから１２０ミリの範囲において、蛇形化したビームのプロフ
ィル（第１０Ｂ図〜第１３Ｂ図）のサイドローブ４０は蛇形化していないビーム
のプロフィル（第１０Ａ図〜第１３Ａ図）よりも少なくとも約５dB低い。従って
、本発明による超音波変換器列１０は、結果得られた超音波ビームのサイドロー
ブのレベルを著しく低下することにより変換器列の結像性能を著しく向上させる
。

0058

本発明の変換器列１０′の代替実施例が第１４図に示されている。この実施例
においては、圧電基板２４′は平坦であり、蛇形化は圧電基板の平坦面にわたっ
て前方電極３０′において実行される。誘電面層２２′は、湾曲した外面を有し
、超音波ビームを仰角方向に集中させるシリコンゴム製レンズを形成することが
好
ましい。

0059

本発明による変換器列１０″の別の代替実施例が第１５図に示されている。本
実施例においては、サブエレメント３４を形成するスロットが排除されている。
前方電極３０″は、前方電極が重ねられている圧電基板２４″の部分のみを励起
する。

0060

前述の説明は本発明の好適実施例を開示しているものの、当該技術分野の専門
家は本発明の範囲から逸脱することなく、図示した好適実施例に各種の変更を行
いうることが理解される。本発明は請求の範囲によってのみ規定される。