JPH0365720B2 - - Google Patents

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JPH0365720B2
JPH0365720B2 JP58173319A JP17331983A JPH0365720B2 JP H0365720 B2 JPH0365720 B2 JP H0365720B2 JP 58173319 A JP58173319 A JP 58173319A JP 17331983 A JP17331983 A JP 17331983A JP H0365720 B2 JPH0365720 B2 JP H0365720B2
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    • 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
    • B06B1/0644—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 a single piezoelectric element
    • B06B1/0648—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 a single piezoelectric element of rectangular shape
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    • 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
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、圧電セラミツク物質の板からのアク
テイブ表面を有するトランスジユーサの製作と該
セラミツク物質の局部領域の選択的な分極とより
成り、セラミツク物質の分極の程度が、アクテイ
ブ表面の中心点または中心線よりアクテイブ表面
の縁迄減少するような形の、アポダイズされた超
音波トランスジユーサおよびその製造方法に関す
るものである。
エコー超音波は、人体内部構造の映像によく使
われる。超音波エネルギを人体内に入射するため
に、１つまたはそれ以上の超音波トランスジユー
サが用いられる。エネルギは、人体内の器官の境
界および他の構造に関連したインピーダンスの不
連続により反射され、このエコーは、１つまたは
それ以上の超音波トランスジユーサ（エネルギ放
射に用いたと同じトランスジユーサでよい）で検
出される。検出されたエコー信号は、公知の技術
を用いて処理され、人体内構造の映像をつくる。
放射された超音波ビームのビーム圧力は、結像
のグレイ−レベル（grey−level）分布に関係す
る。トランスジユーサで放射された超音波ビーム
の断面は、トランスジユーサからのどの距離にお
いても、ビーム軸への側距離の関数としてのビー
ク圧力の変化として定義される指向性関数によつ
て描写される。トランスジユーサの指向性関数
は、擬似画像への感度だけでなしにその空間分解
能を特徴づけるのに用いられる。ビームのメイン
ローブ巾はトランスジユーサの空間分解能の尺度
であり、指向性関数の最大値の半分における全巾
（full−width−at−half−maximum，以下
FWHMとする）により特徴ずけられる。軸外
（off−axis）強さは、擬似画像へのトランスジユ
ーサの感度の尺度である。−25dBにおける放射指
向性関数の巾（FW25で表わす）は、医学超音波
映像システム内のトランスジユーサの軸外強さ特
性の良好な尺度である。これは、単一散乱体
（scatterer）の像の巾を示す。
トランスジユーサの指向性関数は、その開口関
数（トランスジユーサの開口の幾何学的なエネル
ギ分布）に関係する。従来は、狭帯域システムに
おいて遠距離音場（far−field）指向性関数は開
口作用のフーリエ変換に相当するものと認められ
てきた。この関係は、レーダおよびソナーシステ
ムのビーム形成に応用されてきた。けれども前記
の関係は、短かいパルス、したがつて広い周波数
スペクトルを用い、一般にトランスジユーサの近
距離音場（near−field）で動作する医学超音波
システムには当て嵌らない。したがつて、医学上
の超音波の応用では、トランスジユーサの指向性
関数は、各トランスジユーサの幾何と開口関数の
組み合せに対して厳密に計算または測定せねばな
らない。トランスジユーサの指向性関数は、例え
ばJ.of Res.Nat.Bur.Standards−B65B（1961年）
１−６頁のOberhettingerの「On Transient So
−lution of the “Baffled Piston”およびJ.
Acoust.Soc.Am.49（1971年）1629−1688頁の
Stephanishenの「Transient Radiation from
Pistons in an Infinite Planar Baffle」に記載
された解法を用いてデジタル計算機で計算するこ
とができる。
トランスジユーサはアポダイズすることができ
る、即ち、トランスジユーサに加えられる音波エ
ネルギの分布を所望の開口関数に形成することに
よつて、軸外強さ特性を改良することができる。
これは、単一デイスクの圧電トランスジユーサに
対しては、例えばJ.Acoust.Soc.Am.49No.５
1971年1668−1669頁のMartinおよびBreazealの
「ａ Simple Way to Eliminate Difraction
Lobes Emitted by Ultrasonic Transdueer」に
記載されているように、印加電界をデイスクの両
側の異なる電極幾何を用いて形成するか、または
１つのアレー中の隣接トランスジユーサ素子に異
なるレベルの電気的励起を加えることによつて行
われてきた。けれども前記のMartinおよび
Breazealの方法は多くの簡単な開口関数に限ら
れ、また別の面電極を使用するので複雑なトラン
スジユーサ幾何およびスイツチング回路を必要と
する。
別の方法によれば、圧電超音波トランスジユー
サは、圧電物質の分極をトランスジユーサのアク
テイブ表面の位置の関数として変えることによつ
てアポダイズすることができる。トランスジユー
サ素子は、例えば、トランスジユーサのアクテイ
ブ表面の中心点または中心線よりの距離の関数と
して分極を減少させることにより、アポダイズす
ることができる。このようなトランスジユーサ
は、例えば、米国特許第2928068号のように、ト
ランスジユーサ面上に一時的な電極パターンを用
い、下にある種々の領域に異なる値の分極電圧を
与えることによつてつくることができる。この代
りに、下にある領域の分極を、一定電圧を異なる
期間電極に加えることによつて変えることもでき
る。米国特許第2956184号では、トランスジユー
サの領域に亘つて円滑に変化する分極分布をつく
るために、適当な電気特性を有する物質の特別な
成形体を、分極電圧と直列にトランスジユーサ面
に用いている。
本発明の目的は、特別な成形体または一時的な
電極を用いることなしにアポダイズされたトラン
スジユーサおよびその製造法を得ることにある。
本発明は、物質の分極が、均等な電気的励起に対
するトランスジユーサのアクテイブ表面の音響レ
スポンスが中心点または中心線よりの距離の増加
に伴つてガウス関数として減少するように、減少
し、アクテイブ表面の縁におけるレスポンスが中
心点または中心線におけるレスポンスの30％であ
ることを特徴とする。このトランスジユーサの製
造法は、圧電物質の選択的な分極を、圧電物質を
均等に分極する第一工程と、圧電物質の選択され
た領域を部分的に分極する第二工程とで行うこと
を特徴とする。
第二工程の間、例えば、トランスジユーサの表
面の縁に熱を加えてもよい。
以下本発明を添付の図面を参照して詳細に説明
する。
医学用の超音波トランスジユーサは、圧電セラ
ミツク物質の板よりつくられるのが普通である。
この板は、単一のトランスジユーサ素子より成る
場合もあるし、この代りに、板が、各トランスジ
ユーサ素子または素子グループに異なる電気信号
を加える電極構造と一緒のトランスジユーサアレ
ーより成る場合もある。音響エネルギは、板のア
クテイブ表面において音響軸に沿つてトランスジ
ユーサより放射され、受信される。単一要素トラ
ンスジユーサの音響軸は普通アクテイブ表面の中
心を通り、面に対して略々垂直である。トランス
ジユーサ素子のアレーの音響軸を板の面に対して
種種の角度をとらせ、音響軸の電気的ステアリン
グ（Steering）を可能にする信号フエージング
（Phasing）技術は公知である。音響軸とアクテ
イブ表面との交点の位置は、アレーのトランスジ
ユーサ素子を開閉可能に接続したり切り離したり
することによつてシフトすることもできる。
こゝに云う“フエーズド アレー（Phased
array）”トランスジユーサとは、音響軸と板の
表面との角度を90゜以外とすることができるが軸
と表面との交点は固定されたままであるように構
成され且つ動作するトランスジユーサであり、
“ステツプド アレー（Stepped array）”トラン
スジユーサとは、音響軸とアクテイブ表面の交点
をシフトできるように構成され且つ動作するトラ
ンスジユーサであり、“リニヤ ステツプド ア
レー（linear stepped array）”トランスジユー
サとは、音響軸とアクテイブ表面との交点をアク
テイブ表面の中心線に沿つてだけシフトできるよ
うに構成され且つ動作するトランスジユーサであ
る。
圧電物質は、板のアクテイブ表面に略々垂直な
方向に分極される。板を彎曲させ、アクテイブ表
面から音響軸に沿つた所望の距離においてビーム
を機械的に集束するようにしてもよい。この代り
に、アクテイブ表面の局部領域を適当な信号遅れ
で別々に励起し、音響軸上の所望の距離において
放射ビームの構造的干渉が生じるようにしてもよ
い。けれどもトランスジユーサは、トランスジユ
ーサの開口関数で決まる幾何学上の軸外放射をも
生じるであろう。
トランスジユーサの軸外放射は、トランスジユ
ーサ開口がアポダイズされると減少され得ること
は公知である。即ち、トランスジユーサの励起が
音響軸よりの距離の関数として減少される。アポ
ダイズすることによつて、軸外指向性は改良され
るが、空間分解能は減少する傾向がある。したが
つて、適当にアポダイズされたトランスジユーサ
は、アポダイズされないトランスジユーサよりも
FW25は小さいがFWHMは大きい。従来の技術
では、狭帯域、連続波モードで動作するトランス
ジユーサの遠距離音場はケビシエフ
（Chebyshev）の多項式関数で最適にアポダイズ
できると認められてきた。けれども、医学用の映
像目的に用いられる超音波トランスジユーサは、
短かい、広帯域パルス（代表的にはトランスジユ
ーサの共振周波数の１サイクル）で励起されるの
が普通である。
アポダイズすることによつて、空間分解能と軸
外指向性との間に可能な限り良好なトレードオフ
（tradeoff）を生じるトランスジユーサを、医学
用の超音波映像に対して最適の開口を有するトラ
ンスジユーサと定義してよい。
第１図は開口関数を種々アポダイズしたトラン
スジユーサ素子の直線状アレーの分解能と軸外指
向性をブロツトしたものである。トランスジユー
サの空間分解能は水平軸上のFWHMで表わさ
れ、一方軸外指向性は垂直軸上のFW25で表わさ
れる。原点に近い特性を有するトランスジユーサ
の方が特性が原点よりも更に離れているトランス
ジユーサよりも医学への超音波応用により適して
いる。点１は、四角形（アポダイズしない）開口
関数の特性を示す。このトランスジユーサは狭い
空間分解能と寧ろ貧弱な軸外指向性を有する。点
２から点１０は以前に発表されたアポダイゼーシ
ヨンの性能を示すもので、夫々コサインアボダイ
ゼーシヨン２、50％ガウス アポダイゼーシヨン
８、ハミング（Hamming）アポダイゼーシヨン
４、ハニング（Hanning）アポダイゼーシヨン
５、半円アポダイゼーシヨン９、および10％ガウ
ス アポダイゼーシヨン１０を表わす。
本発明は、80％ガウス アポダイゼーシヨン
が、以前に発表された開口関数の何れよりも、医
学への超音波応用に対して、空間分解能と軸外指
向特性のより良い組合せをするという結論を得た
ものである。第１図（の１１）に示すように、80
％アポダイゼーシヨンを有するトランスジユーサ
の等性は、他のあらゆるトランスジユーサの特性
よりも原点近くにある。
アポダイズされた圧電トランスジユーサは、圧
電セラミツク板の分極を、トランスジユーサの中
心軸よりの距離の関数として変化させることによ
り製造することができる。公知の方法では、トラ
ンスジユーサは、比較的高い直流電圧を所定期間
セラミツク物質に加えることによつて製造中分極
される。セラミツク物質の分極は、印加電界の強
さおよびこの電界の印加時間によつて直接変化す
る。
第２図は、トランスジユーサ開口に分極分布を
つくる本発明方法を示す。圧電セラミツク板１０
０は、公知の方法で均等に分極される。次いで、
例えば板を加熱熱ブロツク１０２の間にクランプ
することによつて板の縁に熱を加え、板の縁から
選択的に物質を分極する。分極の程度と分布は、
加える熱の温度とその時間とを制御することによ
つて調節できる。このようにして所望の分極形態
が極めて簡単につくられる。
第３図は、板の相対的分極を、板の中心Ｃより
の距離Ｘの関数として示したものである。この分
極は略々ガウス関数として変化し、板１００の縁
での値は中心の値の略々30％である。
【図面の簡単な説明】
第１図はトランスジユーサの空間分解能と軸外
指向性との関係を示すグラフ、第２図は本発明製
造法の一実施例、第３図は第２図の製造法により
分極されたトランスジユーサの相対的分極と板の
中心よりの距離との関係を示すグラフである。 １００…圧電セラミツク板、１０２…加熱ブロ
ツク、Ｃ…圧電セラミツク板中心、Ｘ…板中心か
らの距離。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 物質の分極が、均等な電気的励起に対するト
    ランスジユーサのアクテイブ表面の音響レスポン
    スが中心点または中心線よりの距離の増加に伴つ
    てガウス関数として減少するように、減少し、ア
    クテイブ表面の縁におけるレスポンスが中心点ま
    たは中心線におけるレスポンスの30％であること
    を特徴とするアポダイズされた超音波トランスジ
    ユーサ。 ２ 圧電セラミツク物質の板からのアクテイブ表
    面を有するトランスジユーサの製作と該セラミツ
    ク物質の局部領域の選択的と分極とより成り、セ
    ラミツク物質の分極の程度が、アクテイブ表面の
    中心点または中心線よりアクテイブ表面の縁迄減
    少するような形のトランスジユーサの製造法にお
    いて、前記圧電物質の選択的な分極を、圧電物質
    を均等に分極する第一工程と、この圧電物質の選
    択された領域を部分的に分極する第二工程とで行
    うことを特徴とするアポダイズされた超音波トラ
    ンスジユーサの製造法。 ３ 第二工程の間、トランスジユーサの表面の縁
    に熱を加える特許請求の範囲第２項記載のアポダ
    イズされた超音波トランスジユーサの製造法。
JP58173319A 1982-09-22 1983-09-21 アポダイズされた超音波トランスジユ−サおよびその製造法 Granted JPS5977800A (ja)

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