JPH0128560B2 - - Google Patents
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- JPH0128560B2 JPH0128560B2 JP55031488A JP3148880A JPH0128560B2 JP H0128560 B2 JPH0128560 B2 JP H0128560B2 JP 55031488 A JP55031488 A JP 55031488A JP 3148880 A JP3148880 A JP 3148880A JP H0128560 B2 JPH0128560 B2 JP H0128560B2
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- piezoelectric plate
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- acoustic wave
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
- G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
- G10K11/002—Devices for damping, suppressing, obstructing or conducting sound in acoustic devices
-
- 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
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Description
本発明は音響波を使用して患者体内を診断する
装置における音響波映像トランスジユーサに関す
る。 典型的な音響波映像トランスジユーサは平坦な
面に複数個の圧電素子を配置した圧電素子アレイ
から成つている。そしてこれは音響波ビームを該
面に対して垂直な方向へ放射し、さらに患者体内
の目的物からの反射パルスを受信する。これらの
素子は音響波信号を出しながら、複数個のモード
で振動する。希望する音響波ビームを放射するた
めの所望モードをここでは厚みモードとする。送
波用素子の信号の位相を選択的に移相することに
より予定された距離に音響波ビームの焦点を合わ
せたり、所望の角度に走査することができる。 該素子は両方向性の機能を持ち、全く反対方向
に二本の基本ビームを発生する。一般に、深さに
関しより良い分解能を得るには一方の音響波ビー
ムを吸収し、そのエネルギーを何らかの形の音響
吸収器を使つて散らさなければならない。逆に、
放射音響波ビームの効率をそのビーム方向を制御
したり、それぞれの素子の不要振動モードによつ
て生じるスプリアス放射を抑制したり、相殺した
りすることで最大にする。 今まであまりよく理解されていない不要振動の
一つのモードは、それぞれの素子の一つをマス／
スプリング調和振動子であるとみなすことによつ
て記述される。この振動モードを以下マス／スプ
リング（mass／spring）モードと呼ぶ。マス／
スプリングモードと所望の厚みのモードとの比較
を第１Ａ図及び第１Ｂ図に示す。モデルにおい
て、基板は“スプリング”、換言すればエネルギ
ー貯蔵機構とみなせる。一方、基板に装着された
PZT素子は“マス（質量体）”である。このモデ
ルでは、運動エネルギーはすべて“マス（質量
体）”の中に含まれており、すべての弾性エネル
ギーは“スプリング”つまりその運動をほとんど
無視できる基板中に蓄積されると仮定する。さら
に、このモデルは波動運動よりむしろ剛体運動を
するものと仮定している。なおこの剛体運動は高
周波音響波装置では普通にみられる。また、この
モデルでは、示されたそれぞれの関連周波数を得
るために素子の高さは高くて、その幅は狭いと仮
定している。 基板は素子の頭部面上の無視し得る程度の負荷
に比べ、素子に対して比較的固く、不動の土台と
して働く。ゆえに、PZTに印加された電圧によ
つて、素子の頭部面は動き、一方、基部面は比較
的静止状態を保つ。このように、ここで提案する
モデルにおいては、素子の正味変位、及びマス／
スプリングモードの励振が存在する。 トランスジユーサ中の素子の他の不要振動モー
ドは圧縮モード（または膨張モード）であり、こ
れも第１Ａ図に示し、第１Ｂ図で他のモードと比
較している。圧縮は主として素子の横方向の分子
運動に起因する。色々のモードの周波数レスポン
スも第１Ａ図に示す。 映像トランスジユーサアレイの素子を形成して
いる圧電板は電圧が分極方向に関してある方向に
印加されると膨響し、また電圧が逆方向に印加さ
れると収縮する。どちらの場合にも質量中心は基
板頭部面に対して移動し、マス／スプリングモー
ドが励起される。本発明の一実施例によれば、２
枚の圧電板がそれらの分極ベクトルが適当な方向
に向くように結合される。適当な分極電圧がそれ
ら圧電板に印加されると、一方の圧電板は膨張
し、同時に他方は収縮する。一方の圧電板の膨張
量がだいたい他方の圧電板の収縮量と同じ場合、
質量中心の運動、つまりマス／スプリングモード
は抑制される。以下図面を用いて本発明を説明す
る。 第１Ａ図は音響波映像トランスジユーサ中の１
個の素子の断面図、３個の異なる振動モードおよ
び各モードの周波数応答を示した図である。第２
Ａ図は本発明の一実施例による音響波映像トラン
スジユーサ中の１個の素子の断面図である。 第２Ａ図を参照するに音響波映像トランスジユ
ーサアレイ中の圧電素子は主板１２とそれに装着
された補償用板１４とを含んでいる。それぞれの
圧電板はジルコン酸チタン酸鉛（lead zirconate
titanate）、あるいは水晶のような圧電材料で作
られており、分極ベクトル１５，１７に従い分極
される。音響波放射器として使う場合、その素子
を基板１０に取り付ける。 圧電板１２，１４は電気的に並列につながれ
る。したがつて、そのキヤパシタンスは単体の圧
電板のキヤパシタンスのほぼ二倍の値になる。そ
のような高いキヤパシタンスをもつことは、後述
するように長くて大きなキヤパシタンスをもつケ
ーブルを介してトランスジユーサを駆動する場合
には都合がよい。 第２Ｂ図は本発明の他の実施例による音響波映
像トランスジユーサの断面図である。第２Ｂ図に
おいては、２個の圧電板は電気的に直列接続さ
れ、各板は反対方向に分極される。そのキヤパシ
タンスは一個の圧電板の約半分の値であり、第２
Ａ図の実施例の場合の1/4の値である。 どちらの接続でも二枚の圧電板を組合わせた場
合のマス／スプリングモード周波数は、補償用圧
電板１４を付加したことによる素子の増加質量の
ために、単体の圧電板の場合の周波数の
装置における音響波映像トランスジユーサに関す
る。 典型的な音響波映像トランスジユーサは平坦な
面に複数個の圧電素子を配置した圧電素子アレイ
から成つている。そしてこれは音響波ビームを該
面に対して垂直な方向へ放射し、さらに患者体内
の目的物からの反射パルスを受信する。これらの
素子は音響波信号を出しながら、複数個のモード
で振動する。希望する音響波ビームを放射するた
めの所望モードをここでは厚みモードとする。送
波用素子の信号の位相を選択的に移相することに
より予定された距離に音響波ビームの焦点を合わ
せたり、所望の角度に走査することができる。 該素子は両方向性の機能を持ち、全く反対方向
に二本の基本ビームを発生する。一般に、深さに
関しより良い分解能を得るには一方の音響波ビー
ムを吸収し、そのエネルギーを何らかの形の音響
吸収器を使つて散らさなければならない。逆に、
放射音響波ビームの効率をそのビーム方向を制御
したり、それぞれの素子の不要振動モードによつ
て生じるスプリアス放射を抑制したり、相殺した
りすることで最大にする。 今まであまりよく理解されていない不要振動の
一つのモードは、それぞれの素子の一つをマス／
スプリング調和振動子であるとみなすことによつ
て記述される。この振動モードを以下マス／スプ
リング（mass／spring）モードと呼ぶ。マス／
スプリングモードと所望の厚みのモードとの比較
を第１Ａ図及び第１Ｂ図に示す。モデルにおい
て、基板は“スプリング”、換言すればエネルギ
ー貯蔵機構とみなせる。一方、基板に装着された
PZT素子は“マス（質量体）”である。このモデ
ルでは、運動エネルギーはすべて“マス（質量
体）”の中に含まれており、すべての弾性エネル
ギーは“スプリング”つまりその運動をほとんど
無視できる基板中に蓄積されると仮定する。さら
に、このモデルは波動運動よりむしろ剛体運動を
するものと仮定している。なおこの剛体運動は高
周波音響波装置では普通にみられる。また、この
モデルでは、示されたそれぞれの関連周波数を得
るために素子の高さは高くて、その幅は狭いと仮
定している。 基板は素子の頭部面上の無視し得る程度の負荷
に比べ、素子に対して比較的固く、不動の土台と
して働く。ゆえに、PZTに印加された電圧によ
つて、素子の頭部面は動き、一方、基部面は比較
的静止状態を保つ。このように、ここで提案する
モデルにおいては、素子の正味変位、及びマス／
スプリングモードの励振が存在する。 トランスジユーサ中の素子の他の不要振動モー
ドは圧縮モード（または膨張モード）であり、こ
れも第１Ａ図に示し、第１Ｂ図で他のモードと比
較している。圧縮は主として素子の横方向の分子
運動に起因する。色々のモードの周波数レスポン
スも第１Ａ図に示す。 映像トランスジユーサアレイの素子を形成して
いる圧電板は電圧が分極方向に関してある方向に
印加されると膨響し、また電圧が逆方向に印加さ
れると収縮する。どちらの場合にも質量中心は基
板頭部面に対して移動し、マス／スプリングモー
ドが励起される。本発明の一実施例によれば、２
枚の圧電板がそれらの分極ベクトルが適当な方向
に向くように結合される。適当な分極電圧がそれ
ら圧電板に印加されると、一方の圧電板は膨張
し、同時に他方は収縮する。一方の圧電板の膨張
量がだいたい他方の圧電板の収縮量と同じ場合、
質量中心の運動、つまりマス／スプリングモード
は抑制される。以下図面を用いて本発明を説明す
る。 第１Ａ図は音響波映像トランスジユーサ中の１
個の素子の断面図、３個の異なる振動モードおよ
び各モードの周波数応答を示した図である。第２
Ａ図は本発明の一実施例による音響波映像トラン
スジユーサ中の１個の素子の断面図である。 第２Ａ図を参照するに音響波映像トランスジユ
ーサアレイ中の圧電素子は主板１２とそれに装着
された補償用板１４とを含んでいる。それぞれの
圧電板はジルコン酸チタン酸鉛（lead zirconate
titanate）、あるいは水晶のような圧電材料で作
られており、分極ベクトル１５，１７に従い分極
される。音響波放射器として使う場合、その素子
を基板１０に取り付ける。 圧電板１２，１４は電気的に並列につながれ
る。したがつて、そのキヤパシタンスは単体の圧
電板のキヤパシタンスのほぼ二倍の値になる。そ
のような高いキヤパシタンスをもつことは、後述
するように長くて大きなキヤパシタンスをもつケ
ーブルを介してトランスジユーサを駆動する場合
には都合がよい。 第２Ｂ図は本発明の他の実施例による音響波映
像トランスジユーサの断面図である。第２Ｂ図に
おいては、２個の圧電板は電気的に直列接続さ
れ、各板は反対方向に分極される。そのキヤパシ
タンスは一個の圧電板の約半分の値であり、第２
Ａ図の実施例の場合の1/4の値である。 どちらの接続でも二枚の圧電板を組合わせた場
合のマス／スプリングモード周波数は、補償用圧
電板１４を付加したことによる素子の増加質量の
ために、単体の圧電板の場合の周波数の
【式】に
なる。このように不要マス／スプリングモードの
励振は相殺され、あるいは非常に弱められる。な
おたとえ放射がまだ検出されるとしても、放射さ
れる信号の周波数はより低くなる。したがつて、
希望する厚みモードと不要マス／スプリングモー
ドとをより分離できる。 補償用圧電板１４を付加すると負荷質量が増え
るため、希望する厚みモードの帯域幅も減少す
る。この影響を最少にするため補償用圧電板１４
をより薄くする。 第３図は本発明の他の実施例による音響波映像
トランスジユーサの断面図である。第３図に示す
ように駆動電圧あたりより大きな膨張率を持つた
別の圧電材料を使えば、補償用圧電板２４がより
薄くても同じ駆動電圧で素子の質量中心の移動を
同様に減少させ、ほぼゼロにできる。もちろんそ
れらの圧電板のうちの一方の分極を反転する場合
には第２Ｂ図の電気接続を使うことができる。 再び第２Ａ図において、電圧を印加すると、圧
電板１４は収縮して、中間面１３の質量中心は△
×14だけ基板１０の方へ移動する。一方圧電板１
２は膨張して、中間面１１の質量中心は△×12だ
け基板１０とは逆の方に移動する。このシステム
全体の質量中心の移動が正味ゼロになるために
は、 m12△×12＋m14△×14＝０ (1) ここで m12＝圧電板１２の質量 また m14＝圧電板１４の質量 各々の圧電板のひずみＳは次のように表わすこ
とができる。 S12＝△×12／H12 (2) S14＝△×14／H14 (3) ここでH12及びH14はそれぞれ圧電板１２，１
４の厚さである。電界は次のように与えられる。 E12＝−Ｖ／H12 (4) E14＝＋Ｖ／H14 (5) ゼロ質量中心の条件から S12＝−ρ14／ρ12（H14／H12）2S14 (6) ρ12、ρ14は圧電板１２，１４の密度である。 応力Ｔ、ひずみＳ、電界Ｅと電束密度Ｄ（テン
ソルを省く。）の間の関係によつて、 Ｔ＝CEＳ−eE (7) そして、 Ｄ＝eS＋εSＥ ここで CE＝実効弾性スチフネス ｅ＝実効圧電定数 εS＝誘電体定数 モードを電気的に相殺するためには、ひずみＳ
による電荷の流れがあつてはならない。ゆえに、 e12S12＋e14S14＝０ (8) これにより以下の式が得られる。 ゆえに、圧電材料の選択によつて、より薄い補
償用圧電板を使うことができる。たとえば、主圧
電板１２にはPZT−5Hを、補償用圧電板１４に
はリード メタナイオベイト（lead
metaniobate）（PBN）を使えば、圧電板の特性
は以下のように与えられる。 ρ12＝7.4Kgｍ／m2 e12＝23.3C／m2 PZT−5H ρ14＝6.0Kgｍ／m2 e14＝3.61C／m2 PBN 2.5MHzのトランスジユーサ用圧電板の厚さは
次のようになる。 H12≒0.65（mm） H14≒0.29（mm） トランスジユーサのマス／スプリングモードの
相殺とトランスジユーサの厚みモードによる音響
エネルギーの放射とを同時に行うことが可能であ
る。トランスジユーサアレイの前面が動く時はい
つでも音響波が放射される。マス／スプリングモ
ードにおいては、素子全体が剛体として動き、該
前面が単にその動きに従うだけである。一方、厚
みモードにおいては、音響波はトランスジユーサ
内を進行し、いかなる瞬間においても素子中の分
子のすべてが同方向へ動いているわけではない。
このモードメカニズムの違いにより、厚みモード
を保ちながらマス／スプリングは相殺される。 本発明のマス／スプリングモード相殺接続によ
れば、ある音響波出力電力レベルにトランスジユ
ーサを励起するのに必要なパルス電圧を低減させ
ることができる。トランスジユーサの帯域幅は単
一の圧電板配列の場合の約73％から本発明の二重
圧電板配列の場合の約52％にまで下がるので、厚
みモードに対してパルス持続時間は増加される。
パルスは厚みモードとマス／スプリングモードか
らの寄与で構成されている。パルス持続時間は、
こういつたトランスジユーサにおいては、厚みモ
ードの基本周波数制限によるよりむしろスプリア
スモードにより支配されている。ゆえに、実質的
にスプリアスモードを減少することによつて、全
パルス幅における変化をほとんどなくすことがで
きる。 第２Ａ図に示すように並列接続したマス／スプ
リングモード相殺トランスジユーサの信号源キヤ
パシタンスは従来技術によるトランスジユーサの
それのほぼ二倍である。トランスジユーサは受波
時において、通常約1.8ｍまでの同軸ケーブルを
駆動せねばならず、該ケーブルのキヤパシタンス
はトランスジユーサのキヤパシタンスに比べて大
きく、結果として電圧が分圧される。したがつて
信号源キヤパシタンスを増加することにより上述
の分圧動作のため失われる信号電圧は小さくな
る。 典型的音響波トランスジユーサアレイは規定方
向へ音響波パルスを送り出し、そしてアレイに垂
直の方向に対し±45゜の範囲からの反射波を受け
る。それらの機能を達成するためにトランスジユ
ーサは、良い角度分解能を達成するような広いア
パーチヤ及びそのアパーチヤを抽出するための十
分な数の素子を持たねばならない。したがつて、
本発明の実施例は第４図３０に大略を示すよう
に、基板１０、約2.5cmにわたつて分布した84個
の素子−その典型的な一個の素子を３３で示す−
及び中心周波数2.5MHzで動作する金属箔３５を
含む。この構成において、送受信パルスの持続時
間は１〜3μ秒のオーダーであり、それは0.8mmか
ら2.3mmの分解能に相当する。 なるべくなら比較的背が高く、幅の狭いぎつし
り詰め込まれたこの配列のそれぞれの素子は独立
に動作するのがよい。つまり、隣り合つた素子に
ほとんど、または全く影響しない方がよい。 基板１０は接地接続をうるために金属化され
る。二つのPTZ層は順番に基板１０にエポキシ
接続されるそして３１で示される金属中間電極は
各素子３３に対する電極として動作する。 素子３３の必要数はダイヤモンドカツタで
PZTを切つて得る。実施例では、素子の幅は約
250μｍで、カーフ（Kerf）として知られる素子
間隔は70μｍである。カーフはそれぞれの素子を
分離し、電気的、音響的に（少なくとも一次のオ
ーダーで）独立させる。それぞれの素子の全体の
高さは約900μｍ、言い換えると幅の3.6倍である。
それぞれの素子は音波の半波長未満の間隔で配置
される。したがつて音響波の相互結合が大きくな
り得る。しかしながら、後述するように、補償用
圧電板はこの結合を弱めるのに役立つ。 トランスジユーサを完成させるために、薄い金
属箔３５を各素子の上面を横切つて装着する。金
属箔３５は各素子３３の上面（開放面）と、音響
レンズ（図示していない。）をのり付けするため
の固体基板とを接地する。このレンズはトランス
ジユーサと患者を絶縁する働きをし、またセクタ
スキヤン平面に垂直な平面内に、ある固定焦点を
与える役割をする。 第３図の素子について、入力インピーダンス
（Ｚ＝Ｒ＋jX）を周波数の関数として測定する
と、第５Ａ図及び第５Ｂ図に比較して示している
ように低周波モードでは実質的に変化し、減少し
ていることがわかる。所望の厚みモードの帯域幅
は減少するが、より強く励振されている。この厚
みモードの調整後の放射抵抗は補償しない場合の
約1000オームから本発明の場合の約500オームへ
と減少している。 マス／スプリングモード振動を補償していない
素子は励振されて、その各素子アレイの上に表面
波を放射することがある。各素子を伝わつて進行
するそのような表面波は、アレイから斜めの角度
で放射する。そのような放射は音響波映像システ
ムにおいては非常に好ましくない。なぜならば、
それは目ざす目的物から反射された音響波信号と
干渉するからである。 アレイの一つの素子にパルスを印加することに
よつて音響波が発生され、そして患者体内へ放射
される時に、音響波パルスと制動された正弦波状
の表面波列がアレイ構造体に沿つて伝播する。後
者の伝播波は離れた素子によつて受信され、再
度、電気信号に変換される。そしてその素子はそ
れに応答してマス／スプリングモードで共振す
る。この波がアレイに沿つて伝播すると、これは
各素子を順次励振する。その結果、患者体内に放
射される波が発生してしまう。そしてこの波は位
相一致条件で決定される大きな角度で放射する。
したがつて、大振幅で且つ持続時間の長いパルス
が進行路の伝播遅延に比例した遅延時間をもつて
アレイから放射される。 本発明に従つて、マス／スプリングモードを相
殺するように持続された素子は短かい表面波パル
スと、より速く消滅する正弦波を送出する。正弦
波が熱雑音レベルにまで消滅するのに必要な時間
を以後“リングダウン（ring−down）時間”と
呼ぶ。もし送信、及び受信の両素子がマス／スプ
リングモード補償可能に構成されているならば
（トランスジユーサとしても完全に補償されたも
のになる）、非補償の素子に比べ、受信信号は小
さく、またリングダウン時間も短かくなる。リン
グダウン時間が短かいのでトランスジユーサに近
い目的物も検出可能となる。なぜならば、それぞ
れの素子は目的物からの反射波をより早く受信す
る準備ができるからである。さらに低周波の表面
波励起も減少する。よつて、トランスジユーサの
法線に対して大きな角度で放射される低周波のス
プリアス信号が減少される。 マス／スプリングモードを補償したトランスジ
ユーサは本質的には従来の標準的トランスジユー
サのアルミナ絶縁層をPZT−5H層、あるいは他
の何らかの圧電材料で置き換えたものである。
PZTは柔かいのでカツテイングや研磨を含む処
理がずつと簡単である。それゆえトランスジユー
サはより安価に製造できる。
励振は相殺され、あるいは非常に弱められる。な
おたとえ放射がまだ検出されるとしても、放射さ
れる信号の周波数はより低くなる。したがつて、
希望する厚みモードと不要マス／スプリングモー
ドとをより分離できる。 補償用圧電板１４を付加すると負荷質量が増え
るため、希望する厚みモードの帯域幅も減少す
る。この影響を最少にするため補償用圧電板１４
をより薄くする。 第３図は本発明の他の実施例による音響波映像
トランスジユーサの断面図である。第３図に示す
ように駆動電圧あたりより大きな膨張率を持つた
別の圧電材料を使えば、補償用圧電板２４がより
薄くても同じ駆動電圧で素子の質量中心の移動を
同様に減少させ、ほぼゼロにできる。もちろんそ
れらの圧電板のうちの一方の分極を反転する場合
には第２Ｂ図の電気接続を使うことができる。 再び第２Ａ図において、電圧を印加すると、圧
電板１４は収縮して、中間面１３の質量中心は△
×14だけ基板１０の方へ移動する。一方圧電板１
２は膨張して、中間面１１の質量中心は△×12だ
け基板１０とは逆の方に移動する。このシステム
全体の質量中心の移動が正味ゼロになるために
は、 m12△×12＋m14△×14＝０ (1) ここで m12＝圧電板１２の質量 また m14＝圧電板１４の質量 各々の圧電板のひずみＳは次のように表わすこ
とができる。 S12＝△×12／H12 (2) S14＝△×14／H14 (3) ここでH12及びH14はそれぞれ圧電板１２，１
４の厚さである。電界は次のように与えられる。 E12＝−Ｖ／H12 (4) E14＝＋Ｖ／H14 (5) ゼロ質量中心の条件から S12＝−ρ14／ρ12（H14／H12）2S14 (6) ρ12、ρ14は圧電板１２，１４の密度である。 応力Ｔ、ひずみＳ、電界Ｅと電束密度Ｄ（テン
ソルを省く。）の間の関係によつて、 Ｔ＝CEＳ−eE (7) そして、 Ｄ＝eS＋εSＥ ここで CE＝実効弾性スチフネス ｅ＝実効圧電定数 εS＝誘電体定数 モードを電気的に相殺するためには、ひずみＳ
による電荷の流れがあつてはならない。ゆえに、 e12S12＋e14S14＝０ (8) これにより以下の式が得られる。 ゆえに、圧電材料の選択によつて、より薄い補
償用圧電板を使うことができる。たとえば、主圧
電板１２にはPZT−5Hを、補償用圧電板１４に
はリード メタナイオベイト（lead
metaniobate）（PBN）を使えば、圧電板の特性
は以下のように与えられる。 ρ12＝7.4Kgｍ／m2 e12＝23.3C／m2 PZT−5H ρ14＝6.0Kgｍ／m2 e14＝3.61C／m2 PBN 2.5MHzのトランスジユーサ用圧電板の厚さは
次のようになる。 H12≒0.65（mm） H14≒0.29（mm） トランスジユーサのマス／スプリングモードの
相殺とトランスジユーサの厚みモードによる音響
エネルギーの放射とを同時に行うことが可能であ
る。トランスジユーサアレイの前面が動く時はい
つでも音響波が放射される。マス／スプリングモ
ードにおいては、素子全体が剛体として動き、該
前面が単にその動きに従うだけである。一方、厚
みモードにおいては、音響波はトランスジユーサ
内を進行し、いかなる瞬間においても素子中の分
子のすべてが同方向へ動いているわけではない。
このモードメカニズムの違いにより、厚みモード
を保ちながらマス／スプリングは相殺される。 本発明のマス／スプリングモード相殺接続によ
れば、ある音響波出力電力レベルにトランスジユ
ーサを励起するのに必要なパルス電圧を低減させ
ることができる。トランスジユーサの帯域幅は単
一の圧電板配列の場合の約73％から本発明の二重
圧電板配列の場合の約52％にまで下がるので、厚
みモードに対してパルス持続時間は増加される。
パルスは厚みモードとマス／スプリングモードか
らの寄与で構成されている。パルス持続時間は、
こういつたトランスジユーサにおいては、厚みモ
ードの基本周波数制限によるよりむしろスプリア
スモードにより支配されている。ゆえに、実質的
にスプリアスモードを減少することによつて、全
パルス幅における変化をほとんどなくすことがで
きる。 第２Ａ図に示すように並列接続したマス／スプ
リングモード相殺トランスジユーサの信号源キヤ
パシタンスは従来技術によるトランスジユーサの
それのほぼ二倍である。トランスジユーサは受波
時において、通常約1.8ｍまでの同軸ケーブルを
駆動せねばならず、該ケーブルのキヤパシタンス
はトランスジユーサのキヤパシタンスに比べて大
きく、結果として電圧が分圧される。したがつて
信号源キヤパシタンスを増加することにより上述
の分圧動作のため失われる信号電圧は小さくな
る。 典型的音響波トランスジユーサアレイは規定方
向へ音響波パルスを送り出し、そしてアレイに垂
直の方向に対し±45゜の範囲からの反射波を受け
る。それらの機能を達成するためにトランスジユ
ーサは、良い角度分解能を達成するような広いア
パーチヤ及びそのアパーチヤを抽出するための十
分な数の素子を持たねばならない。したがつて、
本発明の実施例は第４図３０に大略を示すよう
に、基板１０、約2.5cmにわたつて分布した84個
の素子−その典型的な一個の素子を３３で示す−
及び中心周波数2.5MHzで動作する金属箔３５を
含む。この構成において、送受信パルスの持続時
間は１〜3μ秒のオーダーであり、それは0.8mmか
ら2.3mmの分解能に相当する。 なるべくなら比較的背が高く、幅の狭いぎつし
り詰め込まれたこの配列のそれぞれの素子は独立
に動作するのがよい。つまり、隣り合つた素子に
ほとんど、または全く影響しない方がよい。 基板１０は接地接続をうるために金属化され
る。二つのPTZ層は順番に基板１０にエポキシ
接続されるそして３１で示される金属中間電極は
各素子３３に対する電極として動作する。 素子３３の必要数はダイヤモンドカツタで
PZTを切つて得る。実施例では、素子の幅は約
250μｍで、カーフ（Kerf）として知られる素子
間隔は70μｍである。カーフはそれぞれの素子を
分離し、電気的、音響的に（少なくとも一次のオ
ーダーで）独立させる。それぞれの素子の全体の
高さは約900μｍ、言い換えると幅の3.6倍である。
それぞれの素子は音波の半波長未満の間隔で配置
される。したがつて音響波の相互結合が大きくな
り得る。しかしながら、後述するように、補償用
圧電板はこの結合を弱めるのに役立つ。 トランスジユーサを完成させるために、薄い金
属箔３５を各素子の上面を横切つて装着する。金
属箔３５は各素子３３の上面（開放面）と、音響
レンズ（図示していない。）をのり付けするため
の固体基板とを接地する。このレンズはトランス
ジユーサと患者を絶縁する働きをし、またセクタ
スキヤン平面に垂直な平面内に、ある固定焦点を
与える役割をする。 第３図の素子について、入力インピーダンス
（Ｚ＝Ｒ＋jX）を周波数の関数として測定する
と、第５Ａ図及び第５Ｂ図に比較して示している
ように低周波モードでは実質的に変化し、減少し
ていることがわかる。所望の厚みモードの帯域幅
は減少するが、より強く励振されている。この厚
みモードの調整後の放射抵抗は補償しない場合の
約1000オームから本発明の場合の約500オームへ
と減少している。 マス／スプリングモード振動を補償していない
素子は励振されて、その各素子アレイの上に表面
波を放射することがある。各素子を伝わつて進行
するそのような表面波は、アレイから斜めの角度
で放射する。そのような放射は音響波映像システ
ムにおいては非常に好ましくない。なぜならば、
それは目ざす目的物から反射された音響波信号と
干渉するからである。 アレイの一つの素子にパルスを印加することに
よつて音響波が発生され、そして患者体内へ放射
される時に、音響波パルスと制動された正弦波状
の表面波列がアレイ構造体に沿つて伝播する。後
者の伝播波は離れた素子によつて受信され、再
度、電気信号に変換される。そしてその素子はそ
れに応答してマス／スプリングモードで共振す
る。この波がアレイに沿つて伝播すると、これは
各素子を順次励振する。その結果、患者体内に放
射される波が発生してしまう。そしてこの波は位
相一致条件で決定される大きな角度で放射する。
したがつて、大振幅で且つ持続時間の長いパルス
が進行路の伝播遅延に比例した遅延時間をもつて
アレイから放射される。 本発明に従つて、マス／スプリングモードを相
殺するように持続された素子は短かい表面波パル
スと、より速く消滅する正弦波を送出する。正弦
波が熱雑音レベルにまで消滅するのに必要な時間
を以後“リングダウン（ring−down）時間”と
呼ぶ。もし送信、及び受信の両素子がマス／スプ
リングモード補償可能に構成されているならば
（トランスジユーサとしても完全に補償されたも
のになる）、非補償の素子に比べ、受信信号は小
さく、またリングダウン時間も短かくなる。リン
グダウン時間が短かいのでトランスジユーサに近
い目的物も検出可能となる。なぜならば、それぞ
れの素子は目的物からの反射波をより早く受信す
る準備ができるからである。さらに低周波の表面
波励起も減少する。よつて、トランスジユーサの
法線に対して大きな角度で放射される低周波のス
プリアス信号が減少される。 マス／スプリングモードを補償したトランスジ
ユーサは本質的には従来の標準的トランスジユー
サのアルミナ絶縁層をPZT−5H層、あるいは他
の何らかの圧電材料で置き換えたものである。
PZTは柔かいのでカツテイングや研磨を含む処
理がずつと簡単である。それゆえトランスジユー
サはより安価に製造できる。
第１Ａ図は音響波映像トランスジユーサの１個
の素子の断面図、３個の異なる振動モードおよび
各モードの周波数応答を示した図、第１Ｂ図は第
１Ａ図の各モードに対する素子の幾何学的寸法と
モード周波数との関係を示した特性図、第２Ａ
図、第２Ｂ図、第３図は本発明による音響波映像
トランスジユーサ中の１個の素子の断面図、第４
図は第２Ａ図に示した素子を用いた本発明による
音響波映像トランスジユーサの断面図、第５Ａ図
は従来のトランスジユーサ中の１個の素子の入力
インピーダンスと周波数との関係を示した特性線
図、第５Ｂ図は第２Ａ図に示した素子の入力イン
ピーダンスと周波数との関係を示した特性線図で
ある。 １０：基板、１２：主圧電板、１４，２４：補
償用圧電板、３１：中間電極、３５：金属箔。
の素子の断面図、３個の異なる振動モードおよび
各モードの周波数応答を示した図、第１Ｂ図は第
１Ａ図の各モードに対する素子の幾何学的寸法と
モード周波数との関係を示した特性図、第２Ａ
図、第２Ｂ図、第３図は本発明による音響波映像
トランスジユーサ中の１個の素子の断面図、第４
図は第２Ａ図に示した素子を用いた本発明による
音響波映像トランスジユーサの断面図、第５Ａ図
は従来のトランスジユーサ中の１個の素子の入力
インピーダンスと周波数との関係を示した特性線
図、第５Ｂ図は第２Ａ図に示した素子の入力イン
ピーダンスと周波数との関係を示した特性線図で
ある。 １０：基板、１２：主圧電板、１４，２４：補
償用圧電板、３１：中間電極、３５：金属箔。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 基板と、該基板へ固着された圧電素子とから
成り、該圧電素子が第１圧電板と補償用の第２圧
電板とを備えていて、前記補償用の第２圧電板に
より、前記第１圧電板の膨張、収縮動作を補償し
て前記基板に対する前記圧電素子の質量中心の変
動をほぼゼロにしたことを特徴とする音響波映像
トランスジユーサ。 ２ 前記第１圧電板と前記補償用の第２圧電板の
厚さ、密度、実効圧電定数をそれぞれH1、H2、
ρ1、ρ2、e1、e2としたとき、前記厚さH1とH2と
が式 に関連して決定されていることを特徴とする特許
請求の範囲第１項記載の音響波映像トランスジユ
ーサ。
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US06/020,007 US4240003A (en) | 1979-03-12 | 1979-03-12 | Apparatus and method for suppressing mass/spring mode in acoustic imaging transducers |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS55123299A JPS55123299A (en) | 1980-09-22 |
| JPH0128560B2 true JPH0128560B2 (ja) | 1989-06-02 |
Family
ID=21796250
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3148880A Granted JPS55123299A (en) | 1979-03-12 | 1980-03-12 | Acoustic-wave video transducer |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4240003A (ja) |
| JP (1) | JPS55123299A (ja) |
| DE (1) | DE2949930A1 (ja) |
| FR (1) | FR2451692A1 (ja) |
| GB (1) | GB2044582B (ja) |
Families Citing this family (27)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4347593A (en) * | 1979-12-07 | 1982-08-31 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Piezoceramic tubular element with zero end displacement |
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| US4414482A (en) * | 1981-05-20 | 1983-11-08 | Siemens Gammasonics, Inc. | Non-resonant ultrasonic transducer array for a phased array imaging system using1/4 λ piezo elements |
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| US4446395A (en) * | 1981-12-30 | 1984-05-01 | Technicare Corporation | Short ring down, ultrasonic transducer suitable for medical applications |
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| US5267221A (en) * | 1992-02-13 | 1993-11-30 | Hewlett-Packard Company | Backing for acoustic transducer array |
| US5410205A (en) * | 1993-02-11 | 1995-04-25 | Hewlett-Packard Company | Ultrasonic transducer having two or more resonance frequencies |
| US5381067A (en) * | 1993-03-10 | 1995-01-10 | Hewlett-Packard Company | Electrical impedance normalization for an ultrasonic transducer array |
| US5625149A (en) * | 1994-07-27 | 1997-04-29 | Hewlett-Packard Company | Ultrasonic transductor |
| US5598051A (en) * | 1994-11-21 | 1997-01-28 | General Electric Company | Bilayer ultrasonic transducer having reduced total electrical impedance |
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| US6409667B1 (en) | 2000-02-23 | 2002-06-25 | Acuson Corporation | Medical diagnostic ultrasound transducer system and method for harmonic imaging |
| GB2425179A (en) * | 2005-04-14 | 2006-10-18 | Warwickshire Mfg Group | Assessing the quality of rivets by evaluating the complex valued electrical impedance of a piezoelectric ultrasonic transducer |
| US8467169B2 (en) | 2007-03-22 | 2013-06-18 | Research In Motion Rf, Inc. | Capacitors adapted for acoustic resonance cancellation |
| US7936553B2 (en) * | 2007-03-22 | 2011-05-03 | Paratek Microwave, Inc. | Capacitors adapted for acoustic resonance cancellation |
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| US8194387B2 (en) | 2009-03-20 | 2012-06-05 | Paratek Microwave, Inc. | Electrostrictive resonance suppression for tunable capacitors |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3365590A (en) * | 1968-01-23 | Hewlett Packard Co | Piezoelectric transducer | |
| DE879929C (de) * | 1951-05-16 | 1953-06-18 | Siemens Ag | Piezoelektrischer Schwinger |
| US2875354A (en) * | 1954-01-29 | 1959-02-24 | Branson Instr | Piezoelectric transducer |
| US3036231A (en) * | 1958-07-24 | 1962-05-22 | Sperry Prod Inc | High resolution piezoelectric transducer |
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| US3543058A (en) * | 1969-11-10 | 1970-11-24 | Westinghouse Electric Corp | Piezoelectric transducer |
| US4122725A (en) * | 1976-06-16 | 1978-10-31 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Length mode piezoelectric ultrasonic transducer for inspection of solid objects |
| JPS5353393A (en) * | 1976-10-25 | 1978-05-15 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Ultrasonic probe |
| US4158787A (en) * | 1978-05-08 | 1979-06-19 | Hughes Aircraft Company | Electromechanical transducer-coupled mechanical structure with negative capacitance compensation circuit |
-
1979
- 1979-03-12 US US06/020,007 patent/US4240003A/en not_active Expired - Lifetime
- 1979-11-12 GB GB7939073A patent/GB2044582B/en not_active Expired
- 1979-12-12 DE DE19792949930 patent/DE2949930A1/de not_active Ceased
- 1979-12-21 FR FR7931441A patent/FR2451692A1/fr not_active Withdrawn
-
1980
- 1980-03-12 JP JP3148880A patent/JPS55123299A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US4240003A (en) | 1980-12-16 |
| GB2044582A (en) | 1980-10-15 |
| JPS55123299A (en) | 1980-09-22 |
| GB2044582B (en) | 1983-05-05 |
| FR2451692A1 (fr) | 1980-10-10 |
| DE2949930A1 (de) | 1980-09-25 |
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