JPH0124480B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の背景） 本発明は、リニア・アレー超音波変換器（複数
の変換器素子を直線的に並べて配列した変換器素
子配列体で構成される超音波変換器）の長さ方向
に直角な方向のビーム・パターンの改良に関す
る。

開口からの放射パターンは回折理論によつて記
述できる。パターンを開口の遠距離音場で測定す
れば、このパターンは開口の特性を表わす関数の
フーリエ変換となる。方形開口の場合、パターン
は−13dB（一方向）のサイドローブを有する。本
発明は、サイドローブのエネルギを減少させるこ
とによつてビーム・パターンを改良する技術を提
供するもので、この技術は完全に変換器内におい
て達成される。

リニア・フエーズド・アレー（位相制御式のリ
ニア・アレー超音波変換器）を用いた実時間撮像
システムにおいて、アレー（Ｘ軸）に沿つた像平
面内のビーム・パターンは、主としてシステムの
電子回路によつて制御される。しかし、直角な
（Ｙ軸に沿つた）平面内のビーム・パターンはシ
ステムの電子回路によつては変えることができ
ず、アレーの構成によつてのみ決定される。複数
の長くて幅の狭い方形の変換器素子で構成される
ような従来のアレーでは、Ｙ軸に沿つたビーム・
パターンはかなりのレベルのサイドローブを有す
る。

本出願人による特願昭58−22215号（特開昭58
−161492号）には、単一素子変換器およびアレー
のシエーデイング（変換器の放射面（開口）にわ
たる変換器動作の振幅や位相の分布の制御により
指向パターンを制御すること）のための数種類の
技術が開口されている。これらの技術は、放射超
音波の強さを変換器の両端部よりも中央部におい
て高くするようにして、サイドローブの減少を実
現している。これらの技術は、圧電変換効率ある
いは分極を位置の関数として変化させること、ア
レーを構成する変換器素子の長さを相異ならせる
こと、分極した領域および分極しない領域をつく
るように圧電材料を選択的に分極操作すること、
および電極の形状を制御することである。このよ
うなシエーデイングをＸ軸およびＹ軸の両方向に
ついて行うことも開示されていて、シエーデイン
グのための関数として、たとえば、ｙ（ｘ）＝
cos²xの形の二乗余弦（raised cosine）あるいは
その変形のハミング（Hamming）関数を用いる
ことも記載されている。リニア・フエーズド・ア
レーについては前述したシエーデイング技術の前
三者を用いることができる。フエーズド・アレー
に適切でない構造のひとつは、Ｙ軸の独立のシエ
ーデイングを施した大きな方形の圧電材料の板よ
りなる変換器素子であり、この構造では、一方の
電極がＹ軸方向の長さの全長を覆い、他方の電極
が一部の長さを覆つている。

（発明の概要） 本発明のリニア・アレー超音波変換器は、複数
の実質的に同一の変換器素子を有し、シエーデイ
ングのために、各素子の形状は両端部よりも中央
部において放射面が大きく、幅広くなるようにな
されている。好ましくは、各素子は菱形（ダイヤ
モンド形）に近い形状である。この結果、アレー
の長さ方向に直角なＹ軸方向にのおいて、放射超
音波の強さは両端部よりも中央部において大きく
なり、この方向における放射パターンはサイドロ
ーブのレベルが減少する。

菱形のこのような素子を有したアレーは、メツ
キされた圧電材料の方形の板を互いに小さな角度
で直線状に完全に切断することによつて好便に製
造できる。

フエーズド・アレーあるいは直線状の撮像シス
テムに用いた場合、本発明による上記のシエーデ
イング技術は、異なつたＸチヤンネル素子に対し
て電子回路の変更を必要とすることなくＹ軸放射
パターンを改良する利点を有する。従つて、シエ
ーデイング用の関数は変換器だけを変更すること
によつて修正できる。

（好ましい実施例の説明） 直線状および扇形走査撮像用の代表的なリニ
ア・アレー超音波変換器は、たとえば、米国特許
第4217684号の第１図に示されているように、複
数の細長の方形の変換器素子を有している。アレ
ーの各素子は、すべて全く同じものである。従来
の変換器において、個々の素子をアレーの長さ方
向に直角に切断して分離することが普通であつ
た。この種のリニア・アレー変換器の放射パター
ンは、第１図の点線で示されるもので、サイドロ
ーブのレベルがかなり大きい。しかしながら、ア
レーの素子を異なつた形状にすることによつて著
しい改良が実現される。

この改良は、個々の素子をその両端部よりも中
央部により大きな放射面が残るような物理的形状
に形成することによつて達成される。この技術が
成功するためには、個々の素子の放射面自体が、
適切な方向にシエーデイングが行われるような物
理的形状を有することが重要であつて、単に電極
をその形状にするということではない。放射周波
数の一波長程度では、幅の狭いこれらの素子にお
いては、振動の正常モードがどのような励振にも
強力に結合されるので、素子全体は任意の印加信
号に対しても振動する。本発明による素子は両端
部よりも中央部において幅広く、そして完全に切
断されている。

この種の素子をつくるには、直線状の切断だけ
ができる半導体ダイシング鋸を使用するのが便利
である。このため、本発明の好ましい実施例によ
るアレーの各素子は、互いに小さな角度をなす２
個の切断によつて、隣接する素子から分離されて
いる。このアレーは第２図および第３図に示され
ている。切断された素子１０は菱形に近い形状で
あつて、方形の素子と同様な特性を有している。
しかしながら、Ｙ軸方向におけるシエーデイング
を施されているので、この方向の放射パターン
は、同寸法の方形の素子を用いた場合よりも広
く、またサイドローブが小さい。これは第１図に
示されている。アレーの長さ方向に直角な方向に
おいて、放射超音波の強さは素子の両端部よりも
中央部で大きくなり、サイドローブのエネルギが
減少する。菱形の素子１０の前後両面には信号お
よび接地電極１１および１２が設けられている。

菱形の素子におけるシエーデイング用の関数は
連続的であつて、両端部よりも中央部で大きい。
代表的なシエーデイング用の関数が第４図に示さ
れている。シエーデイング用の関数の選択は、均
一に重みづけされた開口が最良の分解能を与える
ことを考慮した上で良好な分解能を保持する必要
性および特定の条件によつて決定される。シエー
デイングを施したアレーの放射パターンは、主ロ
ーブが少し広がつているので少し分解能が悪くな
つている。

Ｙ軸のビーム・パターンの改良は完全に超音波
変換器自体によつて達成されるので、チヤンネル
毎のシステム電子回路の変更の必要がない。シエ
ーデイング用の関数の修正は、変換器だけを変更
することによつてできる。

上記のようにＹ軸シエーデイングを施したリニ
ア・フエーズド・アレー超音波変換器の製造方法
を、第５図および第６図を参照して説明する。よ
り詳細な点については米国特許第4217684号を参
照されたい。圧電セラミツクの方形の板１３が、
その６面すべて金属でメツキされ、放射周波数の
半波長の厚さを有している。メツキされた板１３
は、ガラス（パイレツクス（登録商標））および
プラスチツク（プレクシグラス（登録商標））の
１／４波長インピーダンス整合層１４および１５に
結合される。板１３の上面の金属メツキは溝１６
を設けることにより分断されて、信号電極１７と
包囲接地電極１８とを形成する。互いに小さな角
度をなす２本の直線状の切断１９および２０が、
圧電セラミツクの板およびインピーダンス整合層
の積層構造物に対して完全に行われ、これら切断
は板の側面で交差しない。ほゞ同一で菱形に近い
形状の素子２１は平坦な端部を有する。メツキは
この平坦な端部を覆い、かつ、上面にある接地電
極部と連続していて、接地電極への接続を容易に
している。切断された三角形部分２２は比較的小
さく取除くことはしない。このアレーの製造の残
りの部分は前述した特許に教示されているように
して進めることができる。

この本発明による改良ビーム・パターンは、リ
ニア・アレー変換器を用いるシステムに重要な利
点を導く。本発明の構成は、直線状あるいは扇形
撮像形式で使用されるいかなるリニア・アレー変
換器にも適応できる。臨床上の経験によれば、診
断用超音波のサイドローブの減少と高感度とは、
良好な分解能よりももつと大切である。

本発明の好ましい実施例を参照して、本発明を
示し説明したが、本発明の精神ならびに範囲から
逸脱することなく形式および詳細を種々変更でき
ることは当業者に理解されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、細長な方形の素子を有する従来技術
のリニア・アレー変換器と本発明のリニア・アレ
ー変換器とのＹ軸ビーム・パターンを示す線図、
第２図は、略菱形の素子を有するリニア・アレー
の平面図、第３図は１個の素子の斜視図、第４図
はシエーデイング用の関数を示す線図、第５図
は、インピーダンス整合層に結合され、メツキさ
れた圧電セラミツクの板の断面および部分斜視
図、そして第６図は、好ましい実施例のリニア・
フエーズド・アレー変換器の斜視図である。 １０……変換器素子、１１，１７……信号電
極、１２，１８……接地電極、１３……圧電セラ
ミツクの板、１４，１５……インピーダンス整合
層、１６……溝、２１……菱形の素子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数個の細長の変換器素子より成るシエーデ
   イングを施したリニア・アレー超音波変換器であ
   つて、各素子は両面に電極を有し、更に、素子の
   長さ方向に平行なＹ軸方向において、各素子は放
   射超音波の強さが両端部よりも中央部において大
   きくなつて、放射パターンのサイドローブのレベ
   ルが減少するように、各素子の中央部が広く、か
   つその両端部が狭くなつていることを特徴とする
   リニア・アレー超音波変換器。 ２ 前記変換器素子が実質的に同一の形状である
   特許請求の範囲第１項記載のリニア・アレー超音
   波変換器。 ３ 前記変換器素子が菱形に近い形状である特許
   請求の範囲第２項記載のリニア・アレー超音波変
   換器。 ４ 前記変換器素子の両端が平坦であり、一方の
   電極が他方の主面までこの平坦な端部上に延びて
   いて、他方の電極から分離されている特許請求の
   範囲第１乃至３項のいずれか１項に記載のリニ
   ア・アレー超音波変換器。 ５ 前記各変換器素子に少なくとも１個の完全に
   切断されたインピーダンス整合層が結合されてい
   る特許請求の範囲第４項記載のリニア・アレー超
   音波変換器。 ６ アレーの長さ方向に直角なＹ軸方向におい
   て、サイドローブのレベルが減少した放射パター
   ンを有するようにシエーデイングを施したリニ
   ア・アレー超音波変換器を製造する方法であつ
   て、イ）圧電材料の方形の板の表面を金属でメツ
   キし、ロ）接地電極と信号電極とを形成するため
   に、該板の一方の表面上の金属メツキを溝の形成
   により切断し、ハ）それぞれほゞ同一で、かつ菱
   形に近い形状を有する変換器素子の列を形成する
   ように、互いに対し小さな角度で直線状に上記メ
   ツキした板を切断するステツプを有することを特
   徴とするリニア・アレー超音波変換器の製造方
   法。 ７ 前記直線状の切断が前記圧電材料の板の側面
   において交差しないように行われて、その結果と
   して平坦な端部を有する菱形の変換器素子を形成
   する特許請求の範囲第６項記載の製造方法。 ８ 少なくとも１個のインピーダンス整合層が、
   前記金属メツキされた方形の板に結合され、かつ
   前記直線状の切断によつて完全に切断されている
   特許請求の範囲第６項記載の製造方法。