JPS6288977A - 両面フエ−ズドアレイトランスデユ−サ - Google Patents

両面フエ−ズドアレイトランスデユ−サ

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JPS6288977A
JPS6288977A JP61243278A JP24327886A JPS6288977A JP S6288977 A JPS6288977 A JP S6288977A JP 61243278 A JP61243278 A JP 61243278A JP 24327886 A JP24327886 A JP 24327886A JP S6288977 A JPS6288977 A JP S6288977A
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    • B06GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06BMETHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607Methods 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
    • B06B1/0622Methods 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
    • B06B1/0629Square array

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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)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、圧電材料のプレートと、該プレートの主面の
各々に積層され電極面を形成する導電性電極材料とを具
え、各電極面はこれに刻み目形酸処理を施してトランス
デユーサ素子のマトリックスを形成し、一方の電極面の
刻み目を他方の電極面の刻み目に対し所定の角度となる
ようにした医療超音波イメージング用両面フェーズドア
レイトランスデユーサに関するものである。
現在の超音波スキャナは、フェーズドアレイトランスデ
ユーサを用いてプレーナセクタで音響ビームを電子的に
ステアリングすると共に集束し得るようにする。これら
のフェーズドアレイは、通常1枚の圧電セラミックのプ
レートから、これを幅狭の厚板形状の素子を切り出すこ
とによって形成するようにしている。格子状ローブが広
角応答をしないようにするためには、中心−中心素子の
スペースを中心周波数で組織内で音のほぼ172波長と
なるようにする。
2個の直交セクタの実時間イメージングに対する2つの
直交フェーズドアレイを具える新規な装置は特願昭61
−.148316号明細書から既知である。この特願昭
51−1483.16号明細書には、複合圧電材料のス
ライス片の各主面に電極面を形成し、次いで電極面に刻
み目を設けて一方の主面の刻み目が他方の主面の刻み目
に対して或る角度を成し、この刻み目が複合圧電材料内
まで延在しないようにして形成した両面フェーズドアレ
イが記載されている。この場合電極に適当な電気接続を
行って、一方の電極面の全部の電極素子を接地すると共
に残りの未結線電極に対し整ト目処理を施してフェーズ
ドアレイの原理に基づいて1方向の結像を行い、且つ他
方の電極面の電極全部を交互に接地して一方の電極面の
未結線電極に対し整相処理を施して他方向の結像を行い
得るようにする。トランスデユーサのアレイは機械式レ
ンズにより片側で覆うようにする。
かかる両面フェーズドアレイは特に心臓の走査に有利で
ある。心臓の同一個所の水平断面及び垂直断面によって
心臓の機能を一層有効に評価することができる。複合圧
電アレイの漏話を低くすることは複合圧電材料を両面フ
ェーズドアレイに適用するうえで有利である。電気的な
プレートの同−片の対向主面の双方にトランスデユーサ
素子の7二−ズドアレイを形成するためにはトランスデ
ユーサアレイ素子を構成する新たな方法を必要とする。
その理由は従来のフェーズドアレイの素子を従来行われ
たように完全に切り出すのが不可能であるからである。
前述した特願昭61−148316号明細書ではアレイ
素子は、電極面に刻み目形酸処理を施して形成し、一方
の電極面の刻み目が他方の電極面の刻み目に対し或る角
度を成すようにしている。この場合複合圧電材料を用い
てトランスデユーサ素子間の漏話を減少するようにして
いる。
本発明の目的は、均質の圧電材料を用いる場合でもトラ
ンスデユーサ素子間の漏話をさらに減少し得るようにし
た上述した種類の両面フェーズドアレイトランスデユー
サを提供せんとするにある。
本発明は、圧電材料のプレートと、該プレートの主面の
各々に積層され電極面を形成する導電性電極材料とを具
え、各電極面はこれに刻み目形酸処理を施してトランス
デユーサ素子のマトリックスを形成し、一方の電極面の
刻み目を他方の電極面の刻み目に対し所定の角度となる
ようにした医療超音波イメージング用両面フエーズドア
レイトランスデ二−サにおいて、前記圧電材料のプレー
トの各主面に、その電極面を貫通し部分的に圧電材料内
まで刻み目処理を施して音響的に分離されたトランスデ
ユーサ素子のマトリックスを形成し、一方の主面の部分
的刻み目が他方の主面の部分的刻み目に対し或る角度を
成すようにしたことを特徴とする。
図面につき本発明を説明する。
第1a図には従来のフェーズドアレイの単一トランスデ
ユーサ素子1を斜視図で示す。このフェーズドアレイト
ランスデユーサはプレーナセクタ内で音響ビームを電子
的にステアリング及び集束するだめに通常のように用い
る。フェーズドアレイは、通常圧電セラミックのプレー
トから、これを幅狭厚板状の素子に切出すことにより製
造する。
格子ローブが広角度応答を行わないようにするためには
、中心−中心素子のスペースを中心周波数で組織内で音
のほぼ172波長となるようにする。
2個の直交セクタの実時間イメージングに対する2つの
直交フェーズドアレイを具える新規な装置は特願昭61
−148316号明細書に記載されている。この場合の
両面フェーズドアレイでは両生面に導電性電極面を設け
た複合圧電材料を用いることが記載されている。この電
極面には刻み目形成処理を施して個別のトランスデユー
サアレイ素子を構成するようにしている。
本発明による複合両面フェーズドアレイの構成を第1b
、2及び3図に示す。第2図から明らかなように本発明
複合両面フェーズドアレイ10は2つの導電性電極14
.16を有する複合圧電材料のプレー目2を以て構成し
、各電極をプレート12の両生面の各々に設ける。複合
圧電材料は電気的に不活性な結合相科内に配分された圧
電セラミック材料の平衡ロッドのマトリックスから形成
して各ロッドが絶縁兼減衰材料により完全に囲まれ且つ
プレート12の一方の主面から他方の主面に向かって両
生面に垂直に延在し得るようにする。この種の材料は米
国特許第4..514.247号及び第4.518.8
89号公報に記載され且つ“’1984年アイ・イー・
イー・イー ウルトラソニック シンポジウム プロシ
ーディンジス1984年12月19日にも記載されてい
る。複合圧電構体の横方向空間周期性は関連する音響波
長の全体よりも小さい。従ってこの複合圧電構体は上述
した文献で記載したように有効な材料パラメータを有す
る均質な圧電体として作用する。説明の便宜上電極面1
4を前面とし、電極面16を背面として示す。医療イメ
ージング用の超音波トランスデユーサとして用いる場合
にはこの前面14を、患者の身体に対向する面とする。
第2図は複合圧電セラミック材料のプレー目2と、前側
電極面14と、後側電極面16とを有する両面フェーズ
ドアレイトランスデユーサ10を11図て示す。第2及
び3図に示すように両面フェーズドアレイトランスデユ
ーサ10は複合圧電プレート12に部分的に交差状に刻
み目形成処理を施して形成する。この場合チャンネル1
8は、前側に1方向に前面電極14を貫通し、部分的に
プレート12の圧電材料内にこれを貫通しない程度に切
込んで形成する。又、チャンネル20は、チャンネル1
8に直角に背面電極16を貫通し、部分的にプレート1
2の圧電材料内にこれを貫通しない程度に切込んで形成
する。従って前面電極トランスデユーサ素子22a。
22b、 22c、−−−は導電性電極表面を貫通し、
部分的に圧電側科内まで延在する部分的な刻み目により
形成する。又、背面電極トランスデユーサ素子24a、
 24b、 24c、−−−は、背面電極16を貫通し
、部分的に圧電材料内まで延在する部分的な刻み目によ
り形成する。これがため、この両面フェーズドアレイに
対してはトランスデユーサ素子を複合圧電材料の部分交
差刻み目により形成するが、従来の技トトテではこの刻
み目は圧電材料を貫通し従来のフェーズドアレイの構成
に用いられる裏張り材料内まで延在する。図面に示す交
差刻み目の角度は90°とするが、他の角度の刻み目を
用いることもできる。特に、単一面のビームステアリン
グでは他の組の刻み目を他の種々の角度で設けることが
できる。
第3a及び3b図は両面フェーズドアレイに必要な電子
回路の基本的な構成を線図的に示す。第3a及び3b図
において、トランスデユーサ素子の励起に応答し得るフ
ェーズドアレイ回路を符号26で示し、接地接続線を符
号28で示す。本発明による両面フェーズドアレイでは
前面電極トランスデユーサ素子22a、 22b、 2
2c、 −−一及び背面電極トランスデユーサ素子24
a、 24b、 24c、 −−−をフェーズドアレイ
回路26に交互に接続する。フェーズドアレイ用の電子
回路は既知であり、更に詳細には説明しない。
その理由はこれら回路は本発明の要部を構成しないから
である。これらフェーズドアレイ回路は一般にブロック
26で示すと共にこれら回路によって、他方の電極面の
電極を接地しながら、一方の電極面のトランスデユーサ
素子の全部に交互にパルスを供給して2面内でセクタ走
査を行う手段を設ける。作動に当り、前面電極又は背面
電極の何れかの電極の全部を接地し、残りの未結線電極
に対し整相処理を施す。電極の組14及び16に対して
は互に逆の関係とする。これがため一方の方向の像に次
いで他方の方向の像が迅速に得られ、これにより体内関
数のダイナミック像を形成することができる。かかる回
路は既知であり、更に詳細には説明しない。各主面にn
個の電極を設ける場合には本発明による両面フェーズド
アレイを作動させるために全部で2n個の電極及び2n
個の電気接続部を必要とする。従って圧電プレートの両
生面を用いる両面フェーズドアレイによって2つのセク
タ面のほぼ実時間イメージングを行うことができる。通
常の用途では球面又は少なくとも凸面の機械式レンズに
よってトランスデユーサアレイの方向以外の方向の集束
を確実にする。機械式レンズは比較的低い伝搬速度の材
料から造られたほぼ標準のレンズとすることができる。
音響インピーダンスは残響を抑圧する表皮音響インピー
ダンスとは左程相違させてはならない。
第2及び3図に示す構体を有し、即ち各アレイの各素子
からの放射プロフィールが好適に広くなるように複合直
交圧電プレートの両面に直交アレイを設けた本発明によ
る数個の実験アレイを試験した。この実験結果から明ら
かなように本発明の目的は、圧、型材料のプレートの両
面に直交方向に部分的に刻み目を設けることにより形成
したトランスデユーサ素子によって達成することかでき
る。
実験結末 このセクションには数個の実験アレイで行った指向性の
測定結果を示す。これら結果の解釈を次のセクションで
個別に説明する。
実験装置は、スタイカストエポキシ(商品名)によって
プレート面に垂直に配向されたジルコン・チタン酸鉛(
PZT)のセラミック()\ネウエル#278)のロッ
ドを共に保持するロッド状複合圧電材料のプレートから
形成する。このPZTロッドは、その横方向寸法を54
−65μとし、ロッド間のスペースを60μとする。ア
レイ素子(長さ12−18 mm) は電極をスクライ
ブするか又はロッド間のエポキシに刻み目処理を施して
各素子に2列のPZTロッドが含まれるようにして形成
する。
゛指向性の測定は、単一共振パルス励起装置を用いて水
タンク内で送信及び受信モードで行う。
刻み目を設けないアレイ 第1の刻み目を設けない複合アレイ(3,3MHz、ピ
ッチ0.23mm)にマラー(商品名)及びエアセル裏
張りの刻み目を設けない整合層を設ける。単一サイ歩ル
の正弦波励振を用いて漏話を電気的に測定した所、4つ
の最も近い隣接漏話に対する交差係数は低く、夫々−2
6,5,−26,−29,7及び−32dBであった。
しかし、第1a図に示すアレイの単一素子lに対する指
向性を測定した所、かかる幅狭放射器に対する回折原理
による期待値に対しディップが約36度、ピークが約4
8度であった。
これらの現象の起源を調査するために、整合層を被着せ
ず、しかも裏張り層を被着しない上述した所と同様のア
レイを造った。このアレイの単一素子の指向性を測定し
た所、同様のパターンを示し、そのディップ及びピーク
も第4図に夫々示すようにほぼ38度及び48度であっ
た。第4図において放出放射線の相対振幅へを、法線に
対する角度α(度)の関数としてプロットする。上述し
た測定結果から明らかなように指向性パターンの変則は
複合材料自体に関連する。
又、軟質エポキシ(スパーエポキシ(商品名))で造っ
た他の複合材料を用いた刻み目を設けないアレイ素子に
対する他の実験を行った。本例ではスパー/PZT複合
ディスクの片側面に電極をスクライブして2 MHzの
アレイ(ピッチ0.45mm) を形成した。このアレ
イの単一素子の指向性を測定した所、サイドローブの無
い広いパターンを僻ることができた。しかし、測定した
角度ビーム幅は同一寸法の分離素子に対し期待された幅
よりも著しく狭いものであった。
刻み目を設けたアレイ スタイカスト/PZT複合材料を用いてアレイ素子に部
分的に刻み目を設けることにより、放射パターンを広く
することを試みた。即ち1.2iJllzの複合プレー
トに対して第1の実験を行った。ピッチ0.65mmの
アレイは素子に対しプレートの厚さの30%まで刻み目
を設けることにより形成することができた。このアレイ
の単一素子から得られた放射パターンは刻み目を設けな
い素子から得られた放射パターンと同一であった。しか
し第2図に示すように複合プレートの他面に追加の直交
切込み組を設ける場合には充分に広いビームパターンを
得ることができることを他の実験により確かめた。これ
らの交差刻み目形酸処理による実験は3゜2 !J H
zの複合プレートにより行った。本例では複合プレート
の両面にその厚さの30%まで刻み目を設けることによ
りピッチが0.25mmの2つの直交アレイを形成した
。この場合12μのカプトン箔をフェースプレートとし
て用いて素子が水になじむのを保持し得るようにする。
第5図に示すように単一素子による放射プロフィールで
はビーム幅は一6dBで70度となり、これは刻み目を
設けない素子により得られたビーム幅よりも50%大で
あった。
素子に対しプレートの厚さの60%まで刻み目形酸処理
を施した池の例では、複合プレートの両面に直交アレイ
に属する素子に対して指向性の測定を行った。この際、
前側アレイ(水と対向)の1個の素子を励起しながら前
面の電極の全部を接地する。第6図に示す○印及び十印
の曲線は、前面アレイ及び背面アレイの単一素子から得
られた放射パターンを夫々示す。両アレイ素子は広い放
射パターンを呈し、この際の角度幅は一6dBで96度
であった。この値は、軟質バッフルにおける分離素子に
対して期待される約100度の理論的なビーム幅に最も
近いものである。
実験結果から明らかなように刻み目を設番°すない状態
のアレイ素子から得た放射パターンの変則部は、複合材
料自体の音響特性に関連する。複合構体におけるセラミ
ックロフト及びエポキシの組合せによって、比較的低い
音響速度で高い異方性材料を形成することができる。し
かし本例のスタイカスト/PZT複合は料の音響速度は
水中の音速に比較して高い。従ってこの速度の不整合に
よって、伝搬ビームの角度幅を制限する複合材料−水の
境界において屈折効果を発生する。
刻み目を設けたアレイ 複合材料のプレートの両面に素子の部分的に交差する刻
み目を設けることによって第1b図に示すように1波長
よりも著しく短い横方向寸法の多数のメカニカルサブ米
子に分割された電気素子3を有する2つの直交アレイを
形成することができる。
これらの小さなサブ素子によって広い角度で音響エネル
ギーを放射及び受波することができる。その理由はその
横方向寸法が屈折を生ずる波動現象に対し不充分である
からである。
又、交差する刻み目によっても素子間の漏話によるビー
ムの幅狭化を防止することができる。これらの交差刻み
目(切込み)によって素子間の音響路を、導波路として
作用する1組の極めて幅狭の細条に対して画成すること
ができる。これら導波路の横方向小寸法によってサポー
トし得る伝搬モードの数を充分に制限することができる
交差刻み目を形成することにより各アレイの感度が増大
する。その理由は各アレイ素子の振幅モードが厚板の幅
伸張モード(即ち゛′ビームモード)の振動モードから
1組のバーの長さ伸張モードの振動モードに変化するか
らである。スタイカスト/PZTI合材料ではアレイ素
子の結合係数は直交方向に60%の刻み目を設けた後0
.59から0.65に増大した。
結論 複合材料のプレートの両面に直交方向に素子を部分的な
刻み目形酸処理により形成した3 MHzアレイで測定
した広い単一素子の指向性によって両面フェーズドアレ
イの実現可能性を示す。
電極パターン化のみによって複合材料に画成したフェー
ズドアレイ素子の狭い放射プロフィールを、本発明複合
材料の高音響速度に基因するものとして示す。
複合両面フェーズドアレイの斯かる構体の利点を以下に
示す。
1、感 度:交差刻み目を形成することにより各アレイ
素子の振動モードが厚板の幅伸張モード(即ちビームモ
ード)から1組のバーの長さ伸張モードの振動モードに
変化する。1組のバーに関連する電気tffllA結合
係数に33は厚板に関連する電気機械結合係数に′33
よりも大きい。例えばPZT−5においてはに33=0
.75であり、k′33・0.66である。
2、角度応答:交差する切込み(刻み目)によって素子
間の音響路を、導波路として作用する1組の極めて幅狭
の細条に対して画成することができる。これら導波路の
横方向小寸法によってザボートし得る伝搬モードの数を
充分に制限することができる。又、この交差刻み目によ
っても屈折効果により生ずる角度応答の幅狭化を防止す
ることができる。交差刻み目により形成した小さなサブ
素子によって広い角度で音響エネルギーを放射及び受波
することができる。その理由は、その横方向寸法が屈折
を生ずる波動現象に対し不充分であるからである。
3、剛 性:部分的な交差刻み口形成により得られた構
体は、剛固であり1、裏張り層によって支持する必要は
ない。裏張り層を除去することにより感度を向上し、交
差結合を減少する。
4、融通性:かかる部分的な交差刻み目形成技術は通常
のフェーズドアレイ、両面フェーズドアレイ及び2次元
アレイの製造に適用することができる。
交差刻み目形成技術は、複合圧電材料を実験的に用いて
試験した。電極パターンのみによって画成した素子をを
するフェーズドアレイ(3M t(z 、  半波長の
ピッチ)は第4図に示すように単一素子の指向性パター
ンに変則を呈する。複合材料のプレートの厚さの30%
までアレイ素子の交差刻み目を形成することによって第
5図に示す改善された結果を得ることができる。又、プ
レートの厚さの60%まで刻み目形成を行うことにより
第6図に示す結果を得ることができた。この結果は、軟
質バッフルの個別の素子の指向性に対する理論的期待値
に一致する。
【図面の簡単な説明】
第1a図は従来のフェーズドアレイに用いられるトラン
スデユーサ素子を示す拡大斜視図、iib図は本発明フ
ェーズドアレイのトランスデユーサ素子を示す拡大斜視
図、 第2図は圧電プレートの刻み目形成により構成された両
面フェーズドアレイトランスデユーサの614成を示す
一部切欠斜視図、 ff1Ba及び3b図は両面フェーズドアレイの直交素
子の励起に必要な電子回路構成を示す斜視図、第4図は
Hパターンのみにより画成された複合フェーズドアレイ
の単一素子からの放射パターンを示す特性図、 第5図は複合材料のプレートにその厚さの30%まで交
差刻み目形酸処理を施して形成したフェーズドアレイの
単一素子からの放射パターンを示す特性図、 第6図は複合材料のプレートにその厚さの60%まで交
差刻み目形酸処理を施して形成した両面フェーズドアレ
イの個別の素子からの放射パターンを示す特性図である
。 ■・・・単一トランスデユーサ素子 3・・・メカニカルサブ素子 10・・・両面フェーズドアレイ 12・・・複合圧電材料のプレート 14、16・・・導電性電極 18、20・・・チャンネル 22a、 22b、 22c・・・前側電極トランスデ
ユーサ素子24a、 24b、 24c・・・後側電極
トランスデユーサ素子26・・・フェーズドアレイ回路 28・・・接地接続 特許出願人  エヌ・べ−・フィリップス・フルーイラ
ンペンファブリケン

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、 圧電材料のプレートと、該プレートの主面の各々
    に積層され電極面を形成する導電性電極材料とを具え、
    各電極面はこれに刻み目形成処理を施してトランスデュ
    ーサ素子のマトリックスを形成し、一方の電極面の刻み
    目を他方の電極面の刻み目に対し所定の角度となるよう
    にした医療超音波イメージング用両面フェーズドアレイ
    トランスデューサにおいて、前記圧電材料のプレートの
    各主面に、その電極面を貫通し部分的に圧電材料内まで
    刻み目処理を施して音響的に分離されたトランスデュー
    サ素子のマトリックスを形成し、一方の主面の部分的刻
    み目が他方の主面の部分的刻み目に対し或る角度を成す
    ようにしたことを特徴とする両面フェーズドアレイトラ
    ンスデューサ。 2、圧電材料は圧電セラミック材料の素子が埋設された
    複合材料とし、これら圧電セラミック素子の各々を前記
    圧電材料のプレートの一方の主面から他方の主面に向か
    って両主面に対し垂直に延在させ、前記圧電セラミック
    素子の各々を電気絶縁兼減衰材料により完全に囲むよう
    にしたことを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載の
    両面フェーズドアレイトランスデューサ。 3、各主面の刻み目を、圧電材料のプレートの深さの2
    5〜95%まで延在させるようにしたことを特徴とする
    特許請求の範囲第1項又は第2項に記載の両面フェーズ
    ドアレイトランスデューサ。 4、各主面の刻み目を、圧電材料のプレートの深さの3
    0%まで延在させるようにしたことを特徴とする特許請
    求の範囲第3項に記載の両面フェーズドアレイトランス
    デューサ。 5、各主面の刻み目を、圧電材料のプレートの深さの6
    0%まで延在させるようにしたことを特徴とする特許請
    求の範囲第3項に記載の両面フェーズドアレイトランス
    デューサ。
JP61243278A 1985-10-15 1986-10-15 両面フエーズドアレイトランスデユーサ Expired - Lifetime JP2651498B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US787409 1985-10-15
US06/787,409 US4671293A (en) 1985-10-15 1985-10-15 Biplane phased array for ultrasonic medical imaging

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS6288977A true JPS6288977A (ja) 1987-04-23
JP2651498B2 JP2651498B2 (ja) 1997-09-10

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ID=25141380

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP61243278A Expired - Lifetime JP2651498B2 (ja) 1985-10-15 1986-10-15 両面フエーズドアレイトランスデユーサ

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