JP2003520526A - 六角形のパックされた二次元超音波トランスデューサアレイ - Google Patents
六角形のパックされた二次元超音波トランスデューサアレイInfo
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Classifications
-
- 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
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
Abstract
(57)【要約】
三次元フェーズドアレイ走査に適した二次元超音波トランスデューサアレイ(10)は六角形に密にパックされたトランスデューサ素子(20)から成る。好ましい実施例において、前記トランスデューサ素子は、前記アレイを従来のダイシング・ソーのプロセスで製造することを可能にする直線的な形状を持つ。
Description
【0001】
本発明は、超音波診断イメージングシステムのためのトランスデューサに関し
、とりわけ、二次元超音波トランスデューサアレイに関する。
、とりわけ、二次元超音波トランスデューサアレイに関する。
【0002】
現在、トランスデューサアレイは、超音波診断イメージングにおいて広く用い
られている。単一の素子(単一のピストン)トランスデューサと比較して、アレ
イトランスデューサは、電子的に、アレイの素子により送信されるビーム及び受
信されるビームの操作(ステアリング)をし、焦点を合わせることを可能にする
。トランスデューサアレイの送信ビームと受信ビームとの両方のステアリング及
び焦点合わせを行なうビーム形成器は一般に利用可能である。
られている。単一の素子(単一のピストン)トランスデューサと比較して、アレ
イトランスデューサは、電子的に、アレイの素子により送信されるビーム及び受
信されるビームの操作(ステアリング)をし、焦点を合わせることを可能にする
。トランスデューサアレイの送信ビームと受信ビームとの両方のステアリング及
び焦点合わせを行なうビーム形成器は一般に利用可能である。
【0003】
最も普及しているトランスデューサアレイは、トランスデューサ素子の単一の
列を有するトランスデューサアレイである。斯様なトランスデューサアレイは、
一次元アレイ又は1Dアレイとして知られ、直線アレイトランスデューサ、曲線
アレイトランスデューサ及びフェーズドアレイトランスデューサとして動作可能
である。1Dアレイトランスデューサは、トランスデューサ素子の単一の列又は
行を有し、ビームを、一次元、即ちアレイ列の長手方向の次元と揃えられている
イメージ面内でしか向けることが出来ず、焦点を合わせることが出来ないことか
ら、そのように名づけられている。このイメージ面内の広範囲の方向にわたって
ビームを操作することが出来る。斯様なトランスデューサは、身体の「スライス
」又は平面の二次元イメージングのためにイメージ面を走査するのにかなり適し
ている。
列を有するトランスデューサアレイである。斯様なトランスデューサアレイは、
一次元アレイ又は1Dアレイとして知られ、直線アレイトランスデューサ、曲線
アレイトランスデューサ及びフェーズドアレイトランスデューサとして動作可能
である。1Dアレイトランスデューサは、トランスデューサ素子の単一の列又は
行を有し、ビームを、一次元、即ちアレイ列の長手方向の次元と揃えられている
イメージ面内でしか向けることが出来ず、焦点を合わせることが出来ないことか
ら、そのように名づけられている。このイメージ面内の広範囲の方向にわたって
ビームを操作することが出来る。斯様なトランスデューサは、身体の「スライス
」又は平面の二次元イメージングのためにイメージ面を走査するのにかなり適し
ている。
【0004】
トランスデューサアレイはまた、トランスデューサ素子の多数の列で形成され
ても良く、前記トランスデューサアレイの一形態が1.5Dトランスデューサア
レイである。1.5Dトランスデューサアレイにおいては、トランスデューサ素
子の付加的な列が、アレイの長手方向中心の周辺又は素子の中心の列の両側に対
称的に置かれる。長手方向中心の両側に対称的に置かれている素子の列は、一緒
に動作し、長手方向の次元に対して直交する高さ方向の次元において電子的にト
ランスデューサの焦点を合わせることを可能にする。これは、1Dトランスデュ
ーサアレイが、高さ方向(スライスの厚さ)の次元において「薄い」二次元イメ
ージを作成することが出来ることを意味する。
ても良く、前記トランスデューサアレイの一形態が1.5Dトランスデューサア
レイである。1.5Dトランスデューサアレイにおいては、トランスデューサ素
子の付加的な列が、アレイの長手方向中心の周辺又は素子の中心の列の両側に対
称的に置かれる。長手方向中心の両側に対称的に置かれている素子の列は、一緒
に動作し、長手方向の次元に対して直交する高さ方向の次元において電子的にト
ランスデューサの焦点を合わせることを可能にする。これは、1Dトランスデュ
ーサアレイが、高さ方向(スライスの厚さ)の次元において「薄い」二次元イメ
ージを作成することが出来ることを意味する。
【0005】
トランスデューサアレイが、高さ方向の次元における対称的な動作の制限のな
い二次元における多数の素子から成る場合に、360°の方位角及び180°の
傾斜角にわたって電子的に超音波ビームのステアリングと焦点合わせとの両方を
することが出来る。これは、トランスデューサアレイが三次元体積にわたってビ
ームを走査することを可能にし、それにより、三次元(3D)超音波イメージン
グのための完全に電子的な走査を提供する。完全に電子的な走査は、リアルタイ
ム3Dイメージングに必要なビーム走査の獲得と信頼性との両方のために望まし
い。
い二次元における多数の素子から成る場合に、360°の方位角及び180°の
傾斜角にわたって電子的に超音波ビームのステアリングと焦点合わせとの両方を
することが出来る。これは、トランスデューサアレイが三次元体積にわたってビ
ームを走査することを可能にし、それにより、三次元(3D)超音波イメージン
グのための完全に電子的な走査を提供する。完全に電子的な走査は、リアルタイ
ム3Dイメージングに必要なビーム走査の獲得と信頼性との両方のために望まし
い。
【0006】
2Dアレイトランスデューサが3D体積におけるいかなる方向においても走査
する場合に、高い画質を得るための一定の規準が、全てのビームを走査する向き
に対して満たされるのが望ましい。例えば、ビームのアンテナパターンは、受信
超音波信号に対するクラッタ(clutter)の一因となり得る有害なグレーティング
ローブを防ぐべきである。2Dアレイにおけるグレーティングローブに対する望
ましい規準は、アレイのピッチ、即ちあらゆる方向の最寄りの隣接列のトランス
デューサ素子の中心間の最大間隔が、ほぼ半波長(λ/2)より長くないことで
あり、ここで、λは一般にトランスデューサの基準周波数又は中心周波数の波長
であると解釈される。この規準を超えるピッチを持つアレイは、所望のイメージ
情報に対する相対的に高い程度の不所望のクラッタの一因となり得る。1Dアレ
イの場合、ピッチはある素子から次の素子までの距離であるが、2Dアレイの場
合、隣接素子が二次元に延在しており、このことを考慮に入れなければならない
。
する場合に、高い画質を得るための一定の規準が、全てのビームを走査する向き
に対して満たされるのが望ましい。例えば、ビームのアンテナパターンは、受信
超音波信号に対するクラッタ(clutter)の一因となり得る有害なグレーティング
ローブを防ぐべきである。2Dアレイにおけるグレーティングローブに対する望
ましい規準は、アレイのピッチ、即ちあらゆる方向の最寄りの隣接列のトランス
デューサ素子の中心間の最大間隔が、ほぼ半波長(λ/2)より長くないことで
あり、ここで、λは一般にトランスデューサの基準周波数又は中心周波数の波長
であると解釈される。この規準を超えるピッチを持つアレイは、所望のイメージ
情報に対する相対的に高い程度の不所望のクラッタの一因となり得る。1Dアレ
イの場合、ピッチはある素子から次の素子までの距離であるが、2Dアレイの場
合、隣接素子が二次元に延在しており、このことを考慮に入れなければならない
。
【0007】
3Dイメージングのための2Dアレイは、相対的に低いコストで大量に製造さ
れることも可能であるべきである。前記2Dアレイが非標準型の(exotic)高価
なプロセスによってしか製造され得ない場合に、コストは法外なものになるであ
ろう。標準的な1Dトランスデューサアレイのプロセスを用いて製造され得る所
望のパフォーマンス規準の2Dアレイが非常に望ましい。
れることも可能であるべきである。前記2Dアレイが非標準型の(exotic)高価
なプロセスによってしか製造され得ない場合に、コストは法外なものになるであ
ろう。標準的な1Dトランスデューサアレイのプロセスを用いて製造され得る所
望のパフォーマンス規準の2Dアレイが非常に望ましい。
【0008】
本発明の原理により、二次元超音波トランスデューサアレイは、六角形のグリ
ッドパターンで密にパックされる複数のトランスデューサ素子から成る。六角形
のグリッドでの密なパッキングは、良好なグレーティングローブのパフォーマン
スに最適の小さなピッチを与える。ある実施例においては、直線的トランスデュ
ーサ素子が、六角形のパターンを形成するために千鳥配列されている列(stagge
red rows)に配設され、このことが、従来の製造技術を用いて前記アレイを製造
することを可能にする。別の実施例において、前記アレイ素子は、製造を更に容
易にする組合せ素子(composite elements)である。好ましくは、前記組合せ素子
をk31モードで動作させる。このことは、前記アレイ素子に対して電気接続を
なすことを更に容易にする。
ッドパターンで密にパックされる複数のトランスデューサ素子から成る。六角形
のグリッドでの密なパッキングは、良好なグレーティングローブのパフォーマン
スに最適の小さなピッチを与える。ある実施例においては、直線的トランスデュ
ーサ素子が、六角形のパターンを形成するために千鳥配列されている列(stagge
red rows)に配設され、このことが、従来の製造技術を用いて前記アレイを製造
することを可能にする。別の実施例において、前記アレイ素子は、製造を更に容
易にする組合せ素子(composite elements)である。好ましくは、前記組合せ素子
をk31モードで動作させる。このことは、前記アレイ素子に対して電気接続を
なすことを更に容易にする。
【0009】
まず図1を参照すると、トランスデューサ素子20の2Dアレイ10が、アレ
イ素子の頂部(送信面)の平面図で示されている。素子は、PZTなどの圧電性
材料から成る。素子の側面は、該素子を密にパックすることを可能にする六角形
の形状にカットされ、それ故、アレイは、相対的に狭い(tight)素子間の間隔(
ピッチ)を呈するであろう。アレイ10の素子は、全ての素子に共通であるトラ
ンスデューサの層の全てを有するように製造されるモノリシックの積層体からカ
ットされる。前記積層体からカットされた1つの素子20が図1aに示されてお
り、この素子20は、圧電性素子24、2つの四分の一波長整合層26a及び2
6b、並びに2つの付勢電極(energizing electrode)28a及び28bを有する
。アレイは、電極28bの下に置かれる(図示されていない)音響減衰材料の基
材(backing)に取り付けられる。
イ素子の頂部(送信面)の平面図で示されている。素子は、PZTなどの圧電性
材料から成る。素子の側面は、該素子を密にパックすることを可能にする六角形
の形状にカットされ、それ故、アレイは、相対的に狭い(tight)素子間の間隔(
ピッチ)を呈するであろう。アレイ10の素子は、全ての素子に共通であるトラ
ンスデューサの層の全てを有するように製造されるモノリシックの積層体からカ
ットされる。前記積層体からカットされた1つの素子20が図1aに示されてお
り、この素子20は、圧電性素子24、2つの四分の一波長整合層26a及び2
6b、並びに2つの付勢電極(energizing electrode)28a及び28bを有する
。アレイは、電極28bの下に置かれる(図示されていない)音響減衰材料の基
材(backing)に取り付けられる。
【0010】
動作中には、アレイ10が、該アレイの音響放射面と接触している身体の体積
測定領域(volumetric region)内へ超音波ビームを走査するのに用いられ得る。
素子20の付勢電極28bを互いから電気的に切り離し、(アレイを物理的に安
定させるために音響的に絶縁する材料又は空気が充填され得る)素子間間隔30
により前記素子を音響的に絶縁することで、前記素子は、タイミングのとられた
電気的励振(timed electrical excitation)によって個々に駆動されて、操作さ
れ且つ、焦点が合わされたビームを身体内へ送信し得る。アレイ10から外側へ
(図1の手前の方へ)該アレイの放射面に対する広範囲の傾斜角にわたってビー
ムを操作することが出来る。アレイが二次元のものであることから、アレイ上の
ビームの原点のまわりの方位角におけるいかなる角度にもビームの向けることが
出来る。好ましくは、ビームは、アレイの中心素子から外側へ(手前の方へ)延
在する中心軸Cを基準とされる。軸Cが中心アレイ素子と交わる原点から延在する
ビームは、円錐形又はピラミッド形の体積を走査するであろう。アレイの放射面
に沿った複数のポイントから外側へ延在するビームは、切頭円錐形又はピラミッ
ド形の体積を走査することが出来る。
測定領域(volumetric region)内へ超音波ビームを走査するのに用いられ得る。
素子20の付勢電極28bを互いから電気的に切り離し、(アレイを物理的に安
定させるために音響的に絶縁する材料又は空気が充填され得る)素子間間隔30
により前記素子を音響的に絶縁することで、前記素子は、タイミングのとられた
電気的励振(timed electrical excitation)によって個々に駆動されて、操作さ
れ且つ、焦点が合わされたビームを身体内へ送信し得る。アレイ10から外側へ
(図1の手前の方へ)該アレイの放射面に対する広範囲の傾斜角にわたってビー
ムを操作することが出来る。アレイが二次元のものであることから、アレイ上の
ビームの原点のまわりの方位角におけるいかなる角度にもビームの向けることが
出来る。好ましくは、ビームは、アレイの中心素子から外側へ(手前の方へ)延
在する中心軸Cを基準とされる。軸Cが中心アレイ素子と交わる原点から延在する
ビームは、円錐形又はピラミッド形の体積を走査するであろう。アレイの放射面
に沿った複数のポイントから外側へ延在するビームは、切頭円錐形又はピラミッ
ド形の体積を走査することが出来る。
【0011】
アレイ10が、所与の方向においてビームを送信し、受信する場合に、理想的
には、アレイのアンテナパターンは、ビームの方向のまわりに単一の応答のロー
ブを呈するべきである。しかしながら、アレイの有限の大きさ及びアレイが製造
される際の許容誤差により、実際のローブのパターンはこの理想に及ばない。こ
のアンテナパターンは、周辺方向においてより小さい応答のローブを呈し得る。
前記ローブは、所望のビームの方向の位置以外の位置にある物質からのクラッタ
応答を与えるであろう。大半の不所望な応答のタイプは、グレーティングローブ
である。主ローブに対するグレーティングローブの角度はアレイのピッチと反比
例の関係にあることから、グレーティングローブはアレイのピッチを制御するこ
とにより最小化され得る。許容可能なグレーティングローブのパフォーマンスを
提供する設計規準は、あらゆる方向におけるトランスデューサ素子の隣接列の間
の最大距離が、超音波の動作周波数のほぼ半波長、λ/2より大きくないように
、ピッチを十分細く維持せんとするものである。この規準を厳密に満たす場合に
、前記波長(周波数)におけるグレーティングローブは、送信ビーム方向から1
80°離れた方向に向けられ、それ故、アレイ表面に対する広範囲の傾斜角にわ
たって送信ビームを操作する際に著しいクラッタを与えないであろう。
には、アレイのアンテナパターンは、ビームの方向のまわりに単一の応答のロー
ブを呈するべきである。しかしながら、アレイの有限の大きさ及びアレイが製造
される際の許容誤差により、実際のローブのパターンはこの理想に及ばない。こ
のアンテナパターンは、周辺方向においてより小さい応答のローブを呈し得る。
前記ローブは、所望のビームの方向の位置以外の位置にある物質からのクラッタ
応答を与えるであろう。大半の不所望な応答のタイプは、グレーティングローブ
である。主ローブに対するグレーティングローブの角度はアレイのピッチと反比
例の関係にあることから、グレーティングローブはアレイのピッチを制御するこ
とにより最小化され得る。許容可能なグレーティングローブのパフォーマンスを
提供する設計規準は、あらゆる方向におけるトランスデューサ素子の隣接列の間
の最大距離が、超音波の動作周波数のほぼ半波長、λ/2より大きくないように
、ピッチを十分細く維持せんとするものである。この規準を厳密に満たす場合に
、前記波長(周波数)におけるグレーティングローブは、送信ビーム方向から1
80°離れた方向に向けられ、それ故、アレイ表面に対する広範囲の傾斜角にわ
たって送信ビームを操作する際に著しいクラッタを与えないであろう。
【0012】
一次元(1D)アレイの場合に、ピッチの特性の解析は簡単明瞭である。前記
アレイは一次元のものであることから、前記アレイは、トランスデューサ素子の
単一の列の中心点を接続する線から外側へ延在する面内にしかビームを送信する
ことが出来ない。ビームがこの面内にしか向けられ得ないことから、重要な唯一
のピッチはアレイ内の隣接トランデューサ素子の間のピッチである。ほぼλ/2
以下である中心間の間隔を用いることにより、1Dアレイは許容可能なグレーテ
ィングローブ特性を呈するであろう。
アレイは一次元のものであることから、前記アレイは、トランスデューサ素子の
単一の列の中心点を接続する線から外側へ延在する面内にしかビームを送信する
ことが出来ない。ビームがこの面内にしか向けられ得ないことから、重要な唯一
のピッチはアレイ内の隣接トランデューサ素子の間のピッチである。ほぼλ/2
以下である中心間の間隔を用いることにより、1Dアレイは許容可能なグレーテ
ィングローブ特性を呈するであろう。
【0013】
2Dアレイに対するピッチ解析は、ビームがもはやアレイから外側へ延在する
単一の面に束縛されないために、より複雑になる。2Dアレイは、アレイから外
側へ延在するあらゆる面に沿ってビームを送信し、受信することが出来る。ビー
ムは、アレイ上の原点のポイントから全360°の方位角、及びアレイ表面に対
する広範囲の角度の傾斜角にわたって送信され得る。これは、ピッチ解析が、単
一の列に沿ってのみでなく、2Dアレイ上の所与のポイントからの方位の全方向
における素子列中心の間隔を考慮しなければならないことを意味する。
単一の面に束縛されないために、より複雑になる。2Dアレイは、アレイから外
側へ延在するあらゆる面に沿ってビームを送信し、受信することが出来る。ビー
ムは、アレイ上の原点のポイントから全360°の方位角、及びアレイ表面に対
する広範囲の角度の傾斜角にわたって送信され得る。これは、ピッチ解析が、単
一の列に沿ってのみでなく、2Dアレイ上の所与のポイントからの方位の全方向
における素子列中心の間隔を考慮しなければならないことを意味する。
【0014】
直線的2Dアレイに対するピッチ解析は、図1bにおいて示されている。この
図面において示されている点は、従来の直線的パターンのトランスデューサ素子
の一様に離間された行及び列に配設されたトランスデューサ素子の中心を表わし
ている。基準素子の中心500に対するピッチ解析が示されており、このピッチ
解析は、同一特性がビームステアリングの各90°四半分に対して繰り返される
ことから、素子500から方位の90°の弧にわたって行われている。解析は、
2つの最寄りの隣接素子の中心502及び504と、510、512、514、
516及び518といった、前記隣接素子の1つと共に素子の列を形成する他の
素子との間に破線をひくことにより行われる。次いで、基準素子の中心500か
らこれらの列の破線の各々に対して垂直にベクトルを描く。その場合、前記ベク
トルは、素子500と、破線によって描かれている素子の列との間のピッチを表
わす。最長ベクトルは、列間の最大間隔を示し、従って、アレイの最大ピッチを
示す。図1bにおいては、最小ピッチが、素子500と、素子502及び素子5
04を含む素子の列との間のピッチであることが分かる。このベクトルは、45
°の方位方向にある。この方位方向のどちらの側においてもベクトルは、段々に
増大し、直交する0°及び90°方向のベクトル501及び503において最大
値に達することが分かる。これらのベクトルは、アレイの最長ピッチを示す。ピ
ッチとグレーティングローブの角度との間には反比例の関係があることから、前
記最長ピッチは、アレイのアンテナパターンの主ローブと最小角度をなすグレー
ティングローブを識別する。この図面において示されているようにこれらの直交
する方向にある素子の間の間隔がほぼλ/2以下である場合に、直線的アレイは
好ましいグレーティングローブ特性を呈するであろう。
図面において示されている点は、従来の直線的パターンのトランスデューサ素子
の一様に離間された行及び列に配設されたトランスデューサ素子の中心を表わし
ている。基準素子の中心500に対するピッチ解析が示されており、このピッチ
解析は、同一特性がビームステアリングの各90°四半分に対して繰り返される
ことから、素子500から方位の90°の弧にわたって行われている。解析は、
2つの最寄りの隣接素子の中心502及び504と、510、512、514、
516及び518といった、前記隣接素子の1つと共に素子の列を形成する他の
素子との間に破線をひくことにより行われる。次いで、基準素子の中心500か
らこれらの列の破線の各々に対して垂直にベクトルを描く。その場合、前記ベク
トルは、素子500と、破線によって描かれている素子の列との間のピッチを表
わす。最長ベクトルは、列間の最大間隔を示し、従って、アレイの最大ピッチを
示す。図1bにおいては、最小ピッチが、素子500と、素子502及び素子5
04を含む素子の列との間のピッチであることが分かる。このベクトルは、45
°の方位方向にある。この方位方向のどちらの側においてもベクトルは、段々に
増大し、直交する0°及び90°方向のベクトル501及び503において最大
値に達することが分かる。これらのベクトルは、アレイの最長ピッチを示す。ピ
ッチとグレーティングローブの角度との間には反比例の関係があることから、前
記最長ピッチは、アレイのアンテナパターンの主ローブと最小角度をなすグレー
ティングローブを識別する。この図面において示されているようにこれらの直交
する方向にある素子の間の間隔がほぼλ/2以下である場合に、直線的アレイは
好ましいグレーティングローブ特性を呈するであろう。
【0015】
トランスデューサ素子の六角形のパターンに対するピッチ解析は、図1cにお
いて基準素子の中心520に対して示されている。この実施例においては、トラ
ンスデューサ素子の中心が、
いて基準素子の中心520に対して示されている。この実施例においては、トラ
ンスデューサ素子の中心が、
【数2】
の間隔だけ隣接素子の中心から隔てられている。この実施例におけるアレイ表面
上の全てのポイントは、頂点において素子の中心を持つ正三角形状に置かれるこ
とが分かる。1つの斯様な三角形は、例えば素子の中心520、530及び52
4により形成され、別の三角形は、素子の中心520、522及び530により
形成される。素子の底部列内の素子の中心520、524及び542は、中心5
32、536及び544から成る列の素子と揃えられるのに対して、中間列の素
子の中心522、530及び538は、隣接列からオフセットされる、又は千鳥
配列される。行方向と(直交する)列方向との両方において存することが分かる
この交互の列のパターンは、素子の三角形のパターン及び六角形のパターンを形
成する。六角形のパターンは、例えば素子520、522、536、544、5
38及び524により形成されていることが分かる。
上の全てのポイントは、頂点において素子の中心を持つ正三角形状に置かれるこ
とが分かる。1つの斯様な三角形は、例えば素子の中心520、530及び52
4により形成され、別の三角形は、素子の中心520、522及び530により
形成される。素子の底部列内の素子の中心520、524及び542は、中心5
32、536及び544から成る列の素子と揃えられるのに対して、中間列の素
子の中心522、530及び538は、隣接列からオフセットされる、又は千鳥
配列される。行方向と(直交する)列方向との両方において存することが分かる
この交互の列のパターンは、素子の三角形のパターン及び六角形のパターンを形
成する。六角形のパターンは、例えば素子520、522、536、544、5
38及び524により形成されていることが分かる。
【0016】
このアレイのピッチ解析は、前記パターンが基準素子520のまわりの方位の
全360°の弧にわたって六回繰り返すことから、基準素子520から方位の6
0°の弧にわたって行われる。先の解析と同様に、最寄りの隣接素子の中心52
2及び524と、530、532、534、540及び542といったこれらの
素子と共に列を形成する他の素子の中心との間に破線をひく。次いで、ピッチを
示すベクトルが、基準素子の中心からこれらの列の破線に対して垂直に描かれる
。最短ベクトル、従って最短ピッチは、この実施例において方位の60°の弧の
中心にある、素子520と、隣接素子522及び524を含む列との間のもので
あることが分かる。このベクトルのどちらの側においてもベクトル長は増大し、
方位の60°の弧の0°方向及び60°方向におけるベクトル521及び523
において最大値に達する。これらの最大ベクトル、従ってアレイの最大ピッチは
、λ/2の長さを持つ。アレイが、λ/2よりほぼ15%大きい
全360°の弧にわたって六回繰り返すことから、基準素子520から方位の6
0°の弧にわたって行われる。先の解析と同様に、最寄りの隣接素子の中心52
2及び524と、530、532、534、540及び542といったこれらの
素子と共に列を形成する他の素子の中心との間に破線をひく。次いで、ピッチを
示すベクトルが、基準素子の中心からこれらの列の破線に対して垂直に描かれる
。最短ベクトル、従って最短ピッチは、この実施例において方位の60°の弧の
中心にある、素子520と、隣接素子522及び524を含む列との間のもので
あることが分かる。このベクトルのどちらの側においてもベクトル長は増大し、
方位の60°の弧の0°方向及び60°方向におけるベクトル521及び523
において最大値に達する。これらの最大ベクトル、従ってアレイの最大ピッチは
、λ/2の長さを持つ。アレイが、λ/2よりほぼ15%大きい
【数3】
の素子間間隔を持つにもかかわらず、アレイの最大ピッチはλ/2である。これ
は、同じグレーティングローブのパフォーマンスでのよりゆったりした素子間隔
のため、図1bのアレイより容易に図1cのアレイを製造することが出来ること
を意味する。また、図1cのアレイは、ほぼ15%少ないトランスデューサ素子
で図1bのアレイと同じグレーティングローブのパフォーマンスを呈することが
出来ることも意味する。更に、六角形の素子パターンを用いる場合には、2Dの
高周波アレイ(より小さなλ値)をより容易に製造することが出来ることを意味
する。
は、同じグレーティングローブのパフォーマンスでのよりゆったりした素子間隔
のため、図1bのアレイより容易に図1cのアレイを製造することが出来ること
を意味する。また、図1cのアレイは、ほぼ15%少ないトランスデューサ素子
で図1bのアレイと同じグレーティングローブのパフォーマンスを呈することが
出来ることも意味する。更に、六角形の素子パターンを用いる場合には、2Dの
高周波アレイ(より小さなλ値)をより容易に製造することが出来ることを意味
する。
【0017】
図1における六角形の形をした素子により可能にされる密なパッキングは、許
容可能なグレーティングローブのパフォーマンスを提供する。隣接素子間の間隔
が、括弧及び矢印33で示されているようにほぼ
容可能なグレーティングローブのパフォーマンスを提供する。隣接素子間の間隔
が、括弧及び矢印33で示されているようにほぼ
【数4】
である場合に、いかなる方向においても最大アレイピッチは、括弧31によって
示されているようにほぼλ/2である。斯くして、λ/2を超えないアレイピッ
チに対する要求は、列内の素子間隔が
示されているようにほぼλ/2である。斯くして、λ/2を超えないアレイピッ
チに対する要求は、列内の素子間隔が
【数5】
又はほぼ1.15倍のλ/2であることしか必要としないことを意味する。許容
可能なグレーティングローブのパフォーマンスに対する規準は、各例において満
たされ、所与の開口部を覆うのに必要とされる素子の数は、約15%だけ削減さ
れている。結果として生じるグレーティングローブの角度は、依然として、所与
の範囲の操作されたビームの傾斜に対して許容可能であるように主ローブの方向
から十分に除去され得るので、本発明の最も重要な利点を依然として保持しなが
ら、所与の設計又はトランスデューサの周波数制限においてλ/2規準及び
可能なグレーティングローブのパフォーマンスに対する規準は、各例において満
たされ、所与の開口部を覆うのに必要とされる素子の数は、約15%だけ削減さ
れている。結果として生じるグレーティングローブの角度は、依然として、所与
の範囲の操作されたビームの傾斜に対して許容可能であるように主ローブの方向
から十分に除去され得るので、本発明の最も重要な利点を依然として保持しなが
ら、所与の設計又はトランスデューサの周波数制限においてλ/2規準及び
【数6】
規準がわずかに超えられ得ることが分かるだろう。
【0018】
図1の六角形のアレイ10は、非常に満足な3D走査を提供することが出来る
一方で、とりわけ3000個の素子といったかなり多くのアレイ素子にまで広げ
られる場合に、アレイは重大な製造上の問題を与える。最初の積層体を個々の六
角形の素子に分割するのに必要なカットのパターン30は、アレイ全体にわたっ
て絶えず方向を変える小さなカットの入り組んだパターンであることが図1から
分かり得る。とりわけ、直線的素子の2Dアレイの場合にあるような、アレイを
横切る直線カットはない。従って、積層体は、化学エッチング又はレーザアブレ
ーションなどのこの複雑さを提供することが出来るプロセスによりダイスカット
されなければならない。しかしながら、斯様なプロセスは時間がかかり、高価で
ある、従って、適当なコストでの大量のアレイの製造にはあまり適していない。
それ故、セラミックの圧電性材料を素早く、正確に、適当なコストでダイスカッ
トするための良い実績のあるプロセスである、ダイヤモンドブレードの付いた丸
のこによりダイスカットされ得る六角形のアレイを提供するのが望ましい。しか
しながら、ダイシング・ソーは、直線カットに限られる。
一方で、とりわけ3000個の素子といったかなり多くのアレイ素子にまで広げ
られる場合に、アレイは重大な製造上の問題を与える。最初の積層体を個々の六
角形の素子に分割するのに必要なカットのパターン30は、アレイ全体にわたっ
て絶えず方向を変える小さなカットの入り組んだパターンであることが図1から
分かり得る。とりわけ、直線的素子の2Dアレイの場合にあるような、アレイを
横切る直線カットはない。従って、積層体は、化学エッチング又はレーザアブレ
ーションなどのこの複雑さを提供することが出来るプロセスによりダイスカット
されなければならない。しかしながら、斯様なプロセスは時間がかかり、高価で
ある、従って、適当なコストでの大量のアレイの製造にはあまり適していない。
それ故、セラミックの圧電性材料を素早く、正確に、適当なコストでダイスカッ
トするための良い実績のあるプロセスである、ダイヤモンドブレードの付いた丸
のこによりダイスカットされ得る六角形のアレイを提供するのが望ましい。しか
しながら、ダイシング・ソーは、直線カットに限られる。
【0019】
この問題に対処する本発明の実施例は、図2において示されている。この図面
は、アレイの外周素子を接続する六角形のパターン110によって示されている
ように、六角形のアレイの形状構成においてパックされた複数の直線的トランス
デューサ素子120を有するトランスデューサアレイ100を平面図で示してい
る。この実施例は、2Dフェーズドアレイのトランスデューサ素子の最大寸法が
ほぼλ/2である場合に、回折の物理的現象により、これら素子が形状に関係な
く機能的観点から全く同様にふるまうという特性を考慮に入れている。アレイ1
00の素子120が、ほぼ
は、アレイの外周素子を接続する六角形のパターン110によって示されている
ように、六角形のアレイの形状構成においてパックされた複数の直線的トランス
デューサ素子120を有するトランスデューサアレイ100を平面図で示してい
る。この実施例は、2Dフェーズドアレイのトランスデューサ素子の最大寸法が
ほぼλ/2である場合に、回折の物理的現象により、これら素子が形状に関係な
く機能的観点から全く同様にふるまうという特性を考慮に入れている。アレイ1
00の素子120が、ほぼ
【数7】
より大きくない最大中心間間隔を持つ場合に、上記の大きさの規準が満たされ、
六角形の素子から直線的素子への置き換えは、アレイのパフォーマンスにおける
著しい機能的な相違を生じない。前記の通り、全方位方向におけるピッチは、依
然として重要であり、十分なグレーティングローブのパフォーマンスを維持すべ
き場合には考慮に入れられなければならない。斯くして、図2の実施例は、素子
の数及びピッチなどの他の関連した規準が同等である場合に、図1の実施例と実
質的に同じ動作をするであろう。動作においては、図2の六角形のアレイ100
は、最初の実施例の場合と同様に、アレイの中心ポイントC、及びアレイの表面
上の他のポイントから方位方向の全範囲にわたってビームを操作することが出来
る。
六角形の素子から直線的素子への置き換えは、アレイのパフォーマンスにおける
著しい機能的な相違を生じない。前記の通り、全方位方向におけるピッチは、依
然として重要であり、十分なグレーティングローブのパフォーマンスを維持すべ
き場合には考慮に入れられなければならない。斯くして、図2の実施例は、素子
の数及びピッチなどの他の関連した規準が同等である場合に、図1の実施例と実
質的に同じ動作をするであろう。動作においては、図2の六角形のアレイ100
は、最初の実施例の場合と同様に、アレイの中心ポイントC、及びアレイの表面
上の他のポイントから方位方向の全範囲にわたってビームを操作することが出来
る。
【0020】
図2の実施例は、しかしながら、製造上の問題の半分しか解決していない。素
子の列を分けるダイシングカット130はアレイを完全に横切って延在し、従っ
てダイシング・ソーで製造され得ることが分かる。しかしながら、各列を個々の
素子に分けるカット又は切断カーフ(kerf)は、列から列へ千鳥配列されており、
アレイを横切る直線をカットするダイシング・ソーによっては形成され得ない。
子の列を分けるダイシングカット130はアレイを完全に横切って延在し、従っ
てダイシング・ソーで製造され得ることが分かる。しかしながら、各列を個々の
素子に分けるカット又は切断カーフ(kerf)は、列から列へ千鳥配列されており、
アレイを横切る直線をカットするダイシング・ソーによっては形成され得ない。
【0021】
トランスデューサ素子は、単体のアレイ素子として機能するよう電気的に接続
される2つ以上のダイスカットされた副素子から形成され得ることを認識するこ
とにより、このジレンマは克服される。図3aは、エポキシなどの安定化充填剤
又は空気で充填され得る、切断カーフカット32によって分けられている2つの
副素子12a及び12bにより形成される斯様な素子220を示している。各副
素子は、頂部表面上に1つの電極14a又は14bを持ち、底部表面上に別の電
極16a又は16bを持つ。(この図面においては整合層が図示されていないが
、整合層も含まれ得る。)上部及び下部の電極が、頂部電極14a及び14bに
おけるグランド記号並びに底部電極16a及び16bにおける+記号によって示
されているように一緒に接続される場合に、副素子12a及び12bは単一のト
ランスデューサ素子として一緒に機能するであろう。
される2つ以上のダイスカットされた副素子から形成され得ることを認識するこ
とにより、このジレンマは克服される。図3aは、エポキシなどの安定化充填剤
又は空気で充填され得る、切断カーフカット32によって分けられている2つの
副素子12a及び12bにより形成される斯様な素子220を示している。各副
素子は、頂部表面上に1つの電極14a又は14bを持ち、底部表面上に別の電
極16a又は16bを持つ。(この図面においては整合層が図示されていないが
、整合層も含まれ得る。)上部及び下部の電極が、頂部電極14a及び14bに
おけるグランド記号並びに底部電極16a及び16bにおける+記号によって示
されているように一緒に接続される場合に、副素子12a及び12bは単一のト
ランスデューサ素子として一緒に機能するであろう。
【0022】
サブダイスカットされたトランスデューサ素子220の2Dの六角形のアレイ
200が図4において平面図で示されている。この構成においては、ある列のサ
ブダイシング・切断カーフ32が、隣接列において個々の素子を隔てる素子間カ
ット230のラインに一致している。斯くして、サブダイシング・切断カーフカ
ット32の役を果たすカットの破線部分及び素子間カット230の役を果たす他
の交互配置された実線部分を持つ、(図面において垂直に)アレイを横切る単一
のラインカットがなされ得る。それ故、六角形アレイ200全体が、単一の圧電
性積層体から積層体全体にわたって直交するカットを形成するダイシング・ソー
で形成され得る。
200が図4において平面図で示されている。この構成においては、ある列のサ
ブダイシング・切断カーフ32が、隣接列において個々の素子を隔てる素子間カ
ット230のラインに一致している。斯くして、サブダイシング・切断カーフカ
ット32の役を果たすカットの破線部分及び素子間カット230の役を果たす他
の交互配置された実線部分を持つ、(図面において垂直に)アレイを横切る単一
のラインカットがなされ得る。それ故、六角形アレイ200全体が、単一の圧電
性積層体から積層体全体にわたって直交するカットを形成するダイシング・ソー
で形成され得る。
【0023】
本発明の共同発明者によるCOMPOSITE ULTRASONIC TRANSDUCER ARRAY OPERATIN
G IN THE k31 MODEと題された米国特許出願シリアル番号第09/457,196号は、k 31 モードの励振において動作する2Dアレイについて記載している。これらの2
Dアレイの利点は、二次元アレイの素子に対して必要な電気接続の全てを、アレ
イの底部(基材側又は非放射側)においてなすことが出来ることにある。図3b
は、1つの斯様なトランスデューサ素子320を図示している。図3aの素子2
20と同様に、素子320は2つの副素子22a及び22bを有する。しかし、
副素子が垂直に極性を与えられている素子220と異なり、素子320の副素子
は、副素子の(頂部及び底部ではなく)側面に置かれる電極により水平に極性を与
えられる。付勢電位の一方の極性(+)に対する電極は、切断カーフ32におい
て互いに対向する副素子の内側に置かれ、他方の極性(グランド)に対する電極
34及び36は、副素子の外側に置かれる。圧電性副素子は、斯くして垂直方向
における超音波の送信のために水平に付勢され、k31モードの動作をする。前記
米国特許出願シリアル番号第09/457,196号において説明されているように、電極
は、好ましくは導電性エポキシ材料などの導電性充填剤により形成される。その
結果、各素子は、圧電性材料及び結合剤(バインダ)の2−2組合わせマトリク
ス(2-2 composite matrix)を有する。
G IN THE k31 MODEと題された米国特許出願シリアル番号第09/457,196号は、k 31 モードの励振において動作する2Dアレイについて記載している。これらの2
Dアレイの利点は、二次元アレイの素子に対して必要な電気接続の全てを、アレ
イの底部(基材側又は非放射側)においてなすことが出来ることにある。図3b
は、1つの斯様なトランスデューサ素子320を図示している。図3aの素子2
20と同様に、素子320は2つの副素子22a及び22bを有する。しかし、
副素子が垂直に極性を与えられている素子220と異なり、素子320の副素子
は、副素子の(頂部及び底部ではなく)側面に置かれる電極により水平に極性を与
えられる。付勢電位の一方の極性(+)に対する電極は、切断カーフ32におい
て互いに対向する副素子の内側に置かれ、他方の極性(グランド)に対する電極
34及び36は、副素子の外側に置かれる。圧電性副素子は、斯くして垂直方向
における超音波の送信のために水平に付勢され、k31モードの動作をする。前記
米国特許出願シリアル番号第09/457,196号において説明されているように、電極
は、好ましくは導電性エポキシ材料などの導電性充填剤により形成される。その
結果、各素子は、圧電性材料及び結合剤(バインダ)の2−2組合わせマトリク
ス(2-2 composite matrix)を有する。
【0024】
図3bのk31組合わせ素子320は、図3cにおいて図示されているように2
Dアレイにおいて用いられ得る。手前に最も近い素子の列は、列の2つの素子を
示しており、一方は副素子A1及びA2を有しており、他方は副素子B1及びB
2を有している。この一連の副素子の間の切断カーフ72、74及び76は、素
子の電極のための導電性充填剤で充填される。この前列の下の極性記号が示すよ
うに、切断カーフ電極は列に沿って極性が交互する。切断カーフ72内の電極材
料は、副素子A1及びA2によって形成されるトランスデューサ素子のための正
の付勢電極であり、切断カーフ76内の電極材料は、副素子B1及びB2によっ
て形成されるトランスデューサ素子のための正の付勢電極である。切断カーフ7
4内の電極材料は、これらの素子の両方のための負極性の電極又はグランドの電
極のうちの1つを形成する。この2つの素子のための他のグランド電極は、副素
子B2の右側の電極材料78及び(この図面においては見えない)副素子A1の
左側の電極材料によって設けられる。
Dアレイにおいて用いられ得る。手前に最も近い素子の列は、列の2つの素子を
示しており、一方は副素子A1及びA2を有しており、他方は副素子B1及びB
2を有している。この一連の副素子の間の切断カーフ72、74及び76は、素
子の電極のための導電性充填剤で充填される。この前列の下の極性記号が示すよ
うに、切断カーフ電極は列に沿って極性が交互する。切断カーフ72内の電極材
料は、副素子A1及びA2によって形成されるトランスデューサ素子のための正
の付勢電極であり、切断カーフ76内の電極材料は、副素子B1及びB2によっ
て形成されるトランスデューサ素子のための正の付勢電極である。切断カーフ7
4内の電極材料は、これらの素子の両方のための負極性の電極又はグランドの電
極のうちの1つを形成する。この2つの素子のための他のグランド電極は、副素
子B2の右側の電極材料78及び(この図面においては見えない)副素子A1の
左側の電極材料によって設けられる。
【0025】
前記前列の後ろの素子の列においてはトランスデューサ素子が1つしか示され
ていない。この素子は、副素子C1及びC2を有する。この第2列の素子は、隣
接列に対する位置において千鳥配列され、副素子C1は副素子A2と揃えられ、
副素子C2は副素子B1と揃えられている。お分かりのように、この千鳥形配列
は、素子を六角形のアレイパターンに適応させることを可能にする。この千鳥配
列の結果として、C1−C2素子の中心切断カーフ79内の正の電極材料は、隣
接列における切断カーフ74の負又はグランドの電位の電極材料と揃えられる。
各列に沿った他の切断カーフにおいても同じことが当てはまり、例えば、C1−
C2素子の負又はグランドの電位の電極材料81は、隣接列の正の電極の切断カ
ーフ76と揃えられることが分かる。このため、切断カーフ80は、これらの2
つの列の間の電気的絶縁を提供し、非導電性充填剤又は空気で充填される。
ていない。この素子は、副素子C1及びC2を有する。この第2列の素子は、隣
接列に対する位置において千鳥配列され、副素子C1は副素子A2と揃えられ、
副素子C2は副素子B1と揃えられている。お分かりのように、この千鳥形配列
は、素子を六角形のアレイパターンに適応させることを可能にする。この千鳥配
列の結果として、C1−C2素子の中心切断カーフ79内の正の電極材料は、隣
接列における切断カーフ74の負又はグランドの電位の電極材料と揃えられる。
各列に沿った他の切断カーフにおいても同じことが当てはまり、例えば、C1−
C2素子の負又はグランドの電位の電極材料81は、隣接列の正の電極の切断カ
ーフ76と揃えられることが分かる。このため、切断カーフ80は、これらの2
つの列の間の電気的絶縁を提供し、非導電性充填剤又は空気で充填される。
【0026】
図5は、図3cに示されているように配列される図3cのk31組合わせ素子を
用いている六角形のアレイを平面図で図示している。A、B及びCの素子のシー
ケンスが、該シーケンスの繰り返す性質を図示するために、アレイ300内の幾
つかの位置において描かれている。アレイの裏側(基材側又は非送信側)からの
アレイの全ての素子に対する電気接続は、素子の各列において各切断カーフと揃
えられる導体によりなされ得る。前記の通り、列の交互の極性のシーケンスは、
各隣接列のシーケンスに対して千鳥配列される。例えば、頂部の列の切断カーフ
の電極は、切断カーフ79をはじめとして+−+−+という左から右への極性の
シーケンスを持つ。第2列の揃えられた切断カーフは、切断カーフ74をはじめ
として−+−+−という左から右への極性のシーケンス持つ。切断カーフ80は
、素子の各列の電極の間の電気的絶縁を提供する。
用いている六角形のアレイを平面図で図示している。A、B及びCの素子のシー
ケンスが、該シーケンスの繰り返す性質を図示するために、アレイ300内の幾
つかの位置において描かれている。アレイの裏側(基材側又は非送信側)からの
アレイの全ての素子に対する電気接続は、素子の各列において各切断カーフと揃
えられる導体によりなされ得る。前記の通り、列の交互の極性のシーケンスは、
各隣接列のシーケンスに対して千鳥配列される。例えば、頂部の列の切断カーフ
の電極は、切断カーフ79をはじめとして+−+−+という左から右への極性の
シーケンスを持つ。第2列の揃えられた切断カーフは、切断カーフ74をはじめ
として−+−+−という左から右への極性のシーケンス持つ。切断カーフ80は
、素子の各列の電極の間の電気的絶縁を提供する。
【0027】
六角形のアレイ300は、ダイシング・ソーのプロセスを用いて容易に製造さ
れ得る。好ましいプロセスにおいては、整合層を備えるPZTの圧電性積層体が
、電気導体を含む基材材料のブロックに固着される。好ましくは、基材ブロック
の導体が、米国特許(出願シリアル番号第08/840,470号)に記載されているよう
なトランスデューサ素子の電極の予定位置と整列して置かれる導体を持つ組込み
式の柔軟性のある回路を有する。付着される基材ブロックは、素子がダイスカッ
トされるようにトランスデューサアレイに安定性を提供する。図5の実施例にお
いては、垂直方向の切断カーフの全てが、まず、カットされ、次いで、導電性充
填剤又は導電性エポキシなどの接着剤で充填される。この導電性充填剤は、切断
カーフ72、74、76、78、79及び81における電極のための電極材料を
供給する。次いで、各列の電極を隣接列の電極から電気的に絶縁するために直交
する切断カーフ80をカットする。例えば、これらの切断カーフ80は、電極7
9を電極74及び78から切り離し、電極81を電極76から切り離す。切断カ
ーフ80は、空気が充填されたままにされても良いし、又はアレイに更なる安定
性を与えるために電気的に非導電性の充填剤が充填されても良い。
れ得る。好ましいプロセスにおいては、整合層を備えるPZTの圧電性積層体が
、電気導体を含む基材材料のブロックに固着される。好ましくは、基材ブロック
の導体が、米国特許(出願シリアル番号第08/840,470号)に記載されているよう
なトランスデューサ素子の電極の予定位置と整列して置かれる導体を持つ組込み
式の柔軟性のある回路を有する。付着される基材ブロックは、素子がダイスカッ
トされるようにトランスデューサアレイに安定性を提供する。図5の実施例にお
いては、垂直方向の切断カーフの全てが、まず、カットされ、次いで、導電性充
填剤又は導電性エポキシなどの接着剤で充填される。この導電性充填剤は、切断
カーフ72、74、76、78、79及び81における電極のための電極材料を
供給する。次いで、各列の電極を隣接列の電極から電気的に絶縁するために直交
する切断カーフ80をカットする。例えば、これらの切断カーフ80は、電極7
9を電極74及び78から切り離し、電極81を電極76から切り離す。切断カ
ーフ80は、空気が充填されたままにされても良いし、又はアレイに更なる安定
性を与えるために電気的に非導電性の充填剤が充填されても良い。
【0028】
別の実施例においては、導電的に充填された2−2組合わせ圧電性材料のプレ
ートがアレイを製造するために用いられても良く、この場合には、水平切断カー
フ80のみが、アレイが接合し合わされた後にカットされる必要がある。
ートがアレイを製造するために用いられても良く、この場合には、水平切断カー
フ80のみが、アレイが接合し合わされた後にカットされる必要がある。
【0029】
更に別の実施例においては、直交する両方向における切断カーフの全てがカッ
トされ、次いで、全ての切断カーフが導電性充填物で充填される。次いで、電気
的絶縁が望まれる切断カーフ80からレーザアブレーションなどのプロセスによ
って充填剤が除去される。
トされ、次いで、全ての切断カーフが導電性充填物で充填される。次いで、電気
的絶縁が望まれる切断カーフ80からレーザアブレーションなどのプロセスによ
って充填剤が除去される。
【0030】
本発明の組み立て実施例のパターンは、図6において平面図で示されている。
この図面は、素子の六角形のグループにおいて動かされ得るトランスデューサ素
子の直線的パターンを示している。幾つかが410−412で表わされているこ
の図面における細い垂直線は、401及び402といった2つの副素子の間のダ
イシング・ソーのカットを表わしている。408で示されている四角形のような
太線の四角形は、完全なアレイ素子を示す。アレイ400の各素子は、一緒に電
気的に接続される2つの副素子から成る。例えば、素子408は副素子401及
び402から成る。図6の実施例においては、黒丸によって示されている素子の
図心を六角形に密にパックさせるために、一方の方向におけるカット間隔が、直
交する他方の方向における間隔の
この図面は、素子の六角形のグループにおいて動かされ得るトランスデューサ素
子の直線的パターンを示している。幾つかが410−412で表わされているこ
の図面における細い垂直線は、401及び402といった2つの副素子の間のダ
イシング・ソーのカットを表わしている。408で示されている四角形のような
太線の四角形は、完全なアレイ素子を示す。アレイ400の各素子は、一緒に電
気的に接続される2つの副素子から成る。例えば、素子408は副素子401及
び402から成る。図6の実施例においては、黒丸によって示されている素子の
図心を六角形に密にパックさせるために、一方の方向におけるカット間隔が、直
交する他方の方向における間隔の
【数8】
である。即ち、直交する2つの方向における切断カーフの間隔の比は、図面の左
下方のすみに示されているように
下方のすみに示されているように
【数9】
対1である。アレイ400の素子は、各圧電性素子の頂部及び底部に置かれる電
極を持つ従来のk33モードにおいて動作され得る。好ましくは、前記素子は、
上記のように全ての電気接続が基材ブロックに組み込まれている電極から底部に
おいてなされ得るようなk31モードにおいて動作される。k31の動作のため
に、図6における垂直カット430及び432は、素子の電極を設けるために導
電性材料で充填され、水平カット480は空気又は非導電性材料で充填される。
極を持つ従来のk33モードにおいて動作され得る。好ましくは、前記素子は、
上記のように全ての電気接続が基材ブロックに組み込まれている電極から底部に
おいてなされ得るようなk31モードにおいて動作される。k31の動作のため
に、図6における垂直カット430及び432は、素子の電極を設けるために導
電性材料で充填され、水平カット480は空気又は非導電性材料で充填される。
【0031】
図6の実施例は、製造が容易という利点以外の幾つかの利点を提供する。アレ
イは、組み立て実施例において数千個の素子を有することから、異なる個数の隣
接トランスデューサ素子を一緒に動作させて、異なる大きさの六角形のグループ
を設けることができ、従って異なる開口を設けることが出来る。1つの斯様なグ
ループが、図心を接続する波線460によって表わされており、7つの素子のみ
から成る。別のグループが、図心を接続する二重破線420によって表わされて
おり、37個の素子から成る。組み立て実施例においては、実際にはアレイのフ
ルサイズまでの六角形のグループ分けを形成することが出来る。グループの素子
に加えられる、フェーズドタイミングの駆動信号によって、送信ビームは、操作
され、焦点を合せられる。例えば、右へ向けられるビームを送信するためには、
グループの素子が、左から右へ段々に駆動される。真っ直ぐ前方へのビーム、即
ちグループの中心に対して垂直な該中心から生じるビームを送信するためには、
グループの外側の素子からはじまり、グループの中心に向かって移るように素子
が駆動される。
イは、組み立て実施例において数千個の素子を有することから、異なる個数の隣
接トランスデューサ素子を一緒に動作させて、異なる大きさの六角形のグループ
を設けることができ、従って異なる開口を設けることが出来る。1つの斯様なグ
ループが、図心を接続する波線460によって表わされており、7つの素子のみ
から成る。別のグループが、図心を接続する二重破線420によって表わされて
おり、37個の素子から成る。組み立て実施例においては、実際にはアレイのフ
ルサイズまでの六角形のグループ分けを形成することが出来る。グループの素子
に加えられる、フェーズドタイミングの駆動信号によって、送信ビームは、操作
され、焦点を合せられる。例えば、右へ向けられるビームを送信するためには、
グループの素子が、左から右へ段々に駆動される。真っ直ぐ前方へのビーム、即
ちグループの中心に対して垂直な該中心から生じるビームを送信するためには、
グループの外側の素子からはじまり、グループの中心に向かって移るように素子
が駆動される。
【0032】
図6の実施例の別の利点は、六角形のグループ分けを様々な位置に位置させる
ことが出来ることにある。二重破線420によって表わされているグループは、
図心C1のあたりを中心に置かれており、図心C1に対して垂直に延在する軸の
まわりの方位方向の全範囲にわたってビームを操作することが出来る。また37
個の素子から成る第2の六角形のグループが、単一の破線440によって表わさ
れており、図心C2から延在する軸のまわりにビームを操作することが出来る。
これは、各グループが同じビームステアリングパラメータのセットで動作される
場合に、これらのパラメータが各々、異なる位置の同じ大きさの体積を走査する
ことが出来ることを意味する。図6に示されているような2つのグループの密な
近接及びアレイ表面に対する十分な範囲のビーム傾斜角を与えられると、2つの
走査される体積は重複し得る。共通体積測定領域内のポイントは、斯くして異な
るビームステアリング角を持つ各グループからのビームによって走査され、各グ
ループによって受信される同一ポイントからのエコーが組み合わされる場合に、
三次元空間合成をするための能力を増加させる。ドプラ・カラーフロー(Doppler
colorflow)、ハーモニック・イメージング(harmonic imaging)及び多線走査(mu
ltiline scanning)などの他の一般的なイメージングモードも、この実施例で三
次元において行なわれ得る。アレイはまた、線形湾曲アレイであるように、又は
凸状に若しくは凹状に形成されるように、一次元又は二次元において湾曲され得
る。
ことが出来ることにある。二重破線420によって表わされているグループは、
図心C1のあたりを中心に置かれており、図心C1に対して垂直に延在する軸の
まわりの方位方向の全範囲にわたってビームを操作することが出来る。また37
個の素子から成る第2の六角形のグループが、単一の破線440によって表わさ
れており、図心C2から延在する軸のまわりにビームを操作することが出来る。
これは、各グループが同じビームステアリングパラメータのセットで動作される
場合に、これらのパラメータが各々、異なる位置の同じ大きさの体積を走査する
ことが出来ることを意味する。図6に示されているような2つのグループの密な
近接及びアレイ表面に対する十分な範囲のビーム傾斜角を与えられると、2つの
走査される体積は重複し得る。共通体積測定領域内のポイントは、斯くして異な
るビームステアリング角を持つ各グループからのビームによって走査され、各グ
ループによって受信される同一ポイントからのエコーが組み合わされる場合に、
三次元空間合成をするための能力を増加させる。ドプラ・カラーフロー(Doppler
colorflow)、ハーモニック・イメージング(harmonic imaging)及び多線走査(mu
ltiline scanning)などの他の一般的なイメージングモードも、この実施例で三
次元において行なわれ得る。アレイはまた、線形湾曲アレイであるように、又は
凸状に若しくは凹状に形成されるように、一次元又は二次元において湾曲され得
る。
【0033】
アレイ素子は、八角形、十二角形などの六辺より多い他の多角形のパターンに
配設され得ることを認識されたい。しかしながら、これらの形状は、一様でない
アレイエリア有効範囲、及びビーム送信の方位の全360°にわたっての一様で
ないピッチを提供するかもしれない。六角形のパターンは好ましいパターンであ
る。なぜなら、六角形のパターンは、構成の細部の所与の細かさにより与えられ
るピッチを最小化し、相対的に高い動作周波数における六角形アレイの使用を可
能にするからである。
配設され得ることを認識されたい。しかしながら、これらの形状は、一様でない
アレイエリア有効範囲、及びビーム送信の方位の全360°にわたっての一様で
ないピッチを提供するかもしれない。六角形のパターンは好ましいパターンであ
る。なぜなら、六角形のパターンは、構成の細部の所与の細かさにより与えられ
るピッチを最小化し、相対的に高い動作周波数における六角形アレイの使用を可
能にするからである。
【図1】2Dの六角形のアレイに配設された六角形のトランスデューサ素子
のアレイの平面図である。
のアレイの平面図である。
【図1a】典型的なアレイの積層体のトランスデューサ素子の側面図である
。
。
【図1b】従来の直線的2Dアレイのピッチ解析を図示する。
【図1c】六角形にパックされたアレイのピッチ解析を図示する。
【図2】2Dの六角形のアレイに配設された直線的トランスデューサ素子の
平面図である。
平面図である。
【図3a】サブダイスカットされたトランスデューサ素子を透視画法で図示
する。
する。
【図3b】サブダイスカットされたk31動作のトランスデューサアレイ素
子を透視画法で図示する。
子を透視画法で図示する。
【図3c】サブダイスカットされた組合わせトランスデューサアレイ素子の
2Dアレイの一部を透視画法で図示する。
2Dアレイの一部を透視画法で図示する。
【図4】2Dの六角形のアレイに配設されたサブダイスカットされた直線的
トランスデューサ素子の平面図である。
トランスデューサ素子の平面図である。
【図5】2Dの六角形のアレイに配設された組合わせ直線的トランスデュー
サ素子の平面図である。
サ素子の平面図である。
【図6】密にパックされた2Dの六角形のアレイの組み立て実施例の平面図
である。
である。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
Fターム(参考) 2G047 CA01 EA07 EA10 GB02 GB12
GB17 GB32
4C301 EE07 EE11 EE17 GB10 GB18
GB33 GB36
4C601 EE04 EE09 EE14 GB01 GB02
GB03 GB06 GB19 GB41 GB42
GB44
5D019 BB17 BB25 BB28 FF04
5D107 AA20 BB07 CC01 CC10 CC12
Claims (16)
- 【請求項1】 送信面を画定する少なくとも二次元に延在する複数の超音波
トランスデューサ素子を有する二次元超音波アレイトランスデューサであり、前
記素子は、前記少なくとも二次元において別々に駆動可能であり、前記素子は、
素子の六角形のグループ分けのように組織される超音波アレイトランスデューサ
。 - 【請求項2】 少なくとも二次元に延在する請求項1に記載の圧電性トラン
スデューサ素子のアレイを有する三次元体積を走査するための超音波アレイトラ
ンスデューサであり、前記素子の幾つかは、個々に駆動可能であり、6つ以上の
辺の多角形のトランスデューサの開口を形成する超音波アレイトランスデューサ
。 - 【請求項3】 請求項1又は2のいずれか一項に記載のトランスデューサ素
子の複数の列の二次元アレイを有する三次元体積を走査するための超音波アレイ
トランスデューサであり、奇数番目の列は互いと揃えられ、偶数番目の列は互い
と揃えられ、隣接列は互いからオフセットされる超音波アレイトランスデューサ
。 - 【請求項4】 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の超音波アレイトラン
スデューサであり、前記素子は、六角形の形状を呈する超音波アレイトランスデ
ューサ。 - 【請求項5】 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の超音波アレイトラン
スデューサであり、前記素子は、長方形の形状及び正方形の形状の中から選ばれ
る直線的形状を呈する超音波アレイトランスデューサ。 - 【請求項6】 請求項5に記載の超音波アレイトランスデューサであり、前
記素子の各々は、少なくとも2つの副素子から成る超音波アレイトランスデュー
サ。 - 【請求項7】 請求項6に記載の超音波アレイトランスデューサであり、前
記副素子は、組合わせトランスデューサ素子を形成するために充填材料によって
継ぎ合わされる超音波アレイトランスデューサ。 - 【請求項8】 請求項7に記載の超音波アレイトランスデューサであり、前
記充填材料は、前記トランスデューサ素子の少なくとも1つの電極を設ける導電
性材料を有する超音波アレイトランスデューサ。 - 【請求項9】 請求項1乃至8のいずれか一項に記載の超音波アレイトラン
スデューサであり、前記トランスデューサ素子は、k31モードにおいて動作さ
れ、前記トランスデューサ素子は、実質的に該素子の頂部放出面から該素子の底
面まで延在する該素子の1つ以上の側面上に形成される電極を含む超音波アレイ
トランスデューサ。 - 【請求項10】 請求項5乃至9のいずれか一項に記載の超音波アレイトラ
ンスデューサであり、前記トランスデューサ素子は、平行な列において揃えられ
、各列における前記素子の中心は、1列置きの列の前記素子の中心と揃えられて
おり、各列における前記素子の中心は、前記隣接列の前記素子の中心の間の中間
に揃えられる超音波アレイトランスデューサ。 - 【請求項11】 請求項5乃至10のいずれか一項に記載の超音波アレイト
ランスデューサであり、前記素子は切断カーフカットによって切り離されており
、一方の方向におけるカット間隔は、直交する方向におけるカット間隔のほぼ 【数1】 である超音波アレイトランスデューサ。 - 【請求項12】 請求項5乃至11のいずれか一項に記載の超音波アレイト
ランスデューサであり、前記素子は切断カーフカットによって切り離されており
、前記切断カーフカットは、2つの直交する方向において前記アレイ全体にわた
って延在する直線の切断カーフカットを有する超音波アレイトランスデューサ。 - 【請求項13】 請求項12に記載の超音波アレイトランスデューサであり
、前記2つの方向のうちの一方に延在する切断カーフカットは、導電性材料で充
填され、前記2つの方向のうちの他方に延在する切断カーフカットは、非導電性
材料で充填される超音波アレイトランスデューサ。 - 【請求項14】 請求項13に記載の超音波アレイトランスデューサであり
、前記非導電性材料は空気を含み、前記導電性材料は導電性接着剤を含む超音波
アレイトランスデューサ。 - 【請求項15】 請求項1乃至14のいずれか一項に記載の超音波アレイト
ランスデューサであり、前記アレイトランスデューサは、前記開口の中心から延
在する軸のまわりの方位の360°にわたって前記アレイの送信面から外側へ超
音波ビームを送信する超音波アレイトランスデューサ。 - 【請求項16】 請求項1乃至15のいずれか一項に記載の二次元超音波ア
レイトランスデューサであり、トランスデューサ素子の複数の列を有し、各列に
おける前記トランスデューサ素子は、隣接列における前記トランスデューサ素子
に対して位置において千鳥配列され、ある列における2つの素子の中心及び隣接
列における隣接素子の中心は、前記二次元に延在する複数の三角形を形成してお
り、前記三角形は、正三角形であり、各列における前記素子の中心は、隣接列の
前記素子の間の前記切断カーフと揃えられる超音波アレイトランスデューサ。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US09/488,583 | 2000-01-21 | ||
US09/488,583 US6384516B1 (en) | 2000-01-21 | 2000-01-21 | Hex packed two dimensional ultrasonic transducer arrays |
PCT/EP2001/000192 WO2001053009A1 (en) | 2000-01-21 | 2001-01-10 | Hex packed two dimensional ultrasonic transducer arrays |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2003520526A true JP2003520526A (ja) | 2003-07-02 |
Family
ID=23940255
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2001553051A Withdrawn JP2003520526A (ja) | 2000-01-21 | 2001-01-10 | 六角形のパックされた二次元超音波トランスデューサアレイ |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (2) | US6384516B1 (ja) |
EP (1) | EP1165258A1 (ja) |
JP (1) | JP2003520526A (ja) |
WO (1) | WO2001053009A1 (ja) |
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