(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
横に並んだ相隔たった延在している複数の列の各々に設けられている複数の変換器素子を含んでいる２次元超音波変換器配列を作成する方法であって、各々の列に設けられている前記変換器素子は、互いに相隔たっており、
複数の同じように細長い変換器ストリップを形成する工程であって、前記ストリップの各々は、前面と後面とを有している圧電材料の層と、該圧電材料の層の前面に取り付けられていると共に該圧電材料の層の前面と電気的に接触している導電材料から形成されている第１の整合層と、該第１の整合層に取り付けられている非導電材料の第２の整合層と、前記圧電材料の後面に取り付けられていると共に該圧電材料の後面と電気的に接触している導電材料の第１の支持層と、該第１の支持層に取り付けられている損失性の非導電材料の第２の支持層とを含んでいる、複数の同じように細長い変換器ストリップを形成する工程と、
前記導電性の整合層を介して前記圧電材料の層の前面と電気的な接触を成すように、前記第２の整合層の前面及び一方の側面に連続的な導電被膜を沈積して、各々の前記細長い変換器ストリップの前記第１の整合層と電気的に接触させる工程と、
複数の導電被膜ストリップを形成する工程であって、前記ストリップの各々は、前記圧電材料の層の後面と電気的な接触を成すように、前記第２の支持層の後面及び一方の側面を横方向に延在していると共に各々の前記細長い変換器ストリップの前記第１の支持層の一方の側縁の面と電気的に接触しており、前記導電被膜ストリップは、各々の前記細長い変換器ストリップの長さに沿って等間隔である、複数の導電被膜ストリップを形成する工程と、
各々の前記細長い変換器ストリップの前面に複数の等間隔の溝を形成する工程であって、前記溝は、前記層に対して垂直な平面内を前記細長い変換器ストリップの横方向に延在しており、前記連続的な導電被膜、前記整合層、前記圧電層及び前記第１の支持層を通り抜けていると共に、前記損失性の支持層に入り込んでいるが、該損失性の支持層を通り抜けておらず、前記溝は、各々の前記細長い変換器ストリップの長さに沿って隔たった複数の同じような超音波変換器素子を形成するように、隣接している導電被膜ストリップの間を延在している、複数の等間隔の溝を形成する工程と、
２次元超音波変換器配列を作成するように、前記複数の細長い変換器ストリップを互いに相隔たった平行で電気的に絶縁された関係で取り付ける工程であって、前記配列内の各々の変換器素子は、該配列内の他の各々の変換器素子とは独立に前記圧電層に対する該配列の前面及び後面からの電気的な接続を成す手段を有している、前記複数の細長い変換器ストリップを取り付ける工程とを備えた２次元超音波変換器配列を作成する方法。
【請求項２】
前記導電被膜は、前記整合層の面及び前記支持層の面に形成された金属被膜である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記金属被膜は、蒸着により形成される請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記金属被膜は、イオン・スパッタリングにより形成される請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記金属被膜は、電解めっきにより形成される請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記金属被膜は、無電気めっきにより形成される請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記複数の細長い変換器ストリップは、最初に変換器ブロックを形成し、同じ寸法の複数のストリップを形成するように、前記層に対して垂直に等間隔の平行な平面内で前記ブロックをのこ引きすることにより形成される請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記第１の整合層は、金属層である請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記整合層及び前記第１の支持層は、金属層である請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記複数の細長い変換器ストリップは、最初に変換器ブロックを形成し、同じ寸法の複数のストリップを形成するように、前記層に対して垂直に等間隔の平行な平面内で前記ブロックをのこ引きすることにより形成される請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記導電被膜は、前記整合層の面及び前記支持層の面の上に沈積された金属被膜である請求項10に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
発明の分野
本発明は、超音波変換器に関し、更に具体的に言えば、改良された２次元超音波変換器及びその構成方法に関する。
従来技術の説明
現在医療の分野で作像のために広く用いられている形式の超音波変換器は１次元変換器配列、即ち、出て行く音波パルスが一方向にのみ方向決めされると共に動的に焦点合わせされるような超音波変換器素子の配列を用いていることが普通である。２次元配列を用いている変換器も知られているが、この２次元配列によって得られる色々な利点及び用い方の融通性があるにも係わらず、この変換器は市場で入手し得るものではないと考えられる。
商業的に実現性のある２次元超音波変換器配列を開発する際の１つの問題は、個々の変換器素子に対する電気接続、特に変換器の前側、即ち、そこから音波が放出される変換器の面における接続を施すときの難点であった。更に、実用的な２次元配列に含まれている個別の変換器素子の数が比較的多いため、ビームの方向決め及び焦点合わせのためには、それぞれの変換器素子を個別に駆動するために対応する多数の電子素子を必要とする。しかしながら、有効な作像を行うのに十分な変換器素子を有している２次元位相調整アレイを制御することを可能にするような電気制御の開発が行われてきた。
医療の分野で作像に用いられる典型的な超音波変換器は、PZTのような圧電材料の本体を１つ又は更に多くの支持層と１つ又は更に多くの整合層との間に挟んだものである。金属薄膜の被覆、又は導電金属の被覆をその上に沈積した重合体被膜のような導電リボンを、整合層及び支持層を取り付ける前に圧電層の前面及び後面に取り付け、この導電リボンを介して圧電材料に電流を加える。圧電本体は、導電リボンとの良好な電気接続を確実にするために、その前面及び後面に電極を設けることが好ましい。導電リボンが完成された変換器の側面から取り出されて、適当な電源に接続される。この形式の１次元配列は、最初に圧電材料の前面及び後面に導電薄膜のシートをそれぞれ取り付けた大きな変換器ブロックを作成し、次に整合層、圧電層及び取り付けられた導電被膜を通り抜けて、且つ部分的に支持層の中までブロックを切断し又はのこ引きして、相隔たった平行な変換器素子の配列を形成し、切断された導電リボンのストリップが、配列にある各々の変換器素子の圧電材料の前面及び後面に対する電気接続を形成するようにすることによって、作成することができる。この構成では、導電ストリップ又はリボンは、単一素子変換器とほとんど同じように、個別の細長い変換器素子の両端から延在している。
複数の個別の変換器素子が、アセンブリの縦方向及び横方向の両方向に延在している相隔たった列として配設されている２次元変換器配列では、上に述べた比較的単純な電流供給システムを用いて、配列内のすべての個別の変換器に電力を供給することができないことは明白である。このような２次元配列では、変換器の後側に対する接続は、周囲の変換器素子から送り出される音波との干渉を回避するために、個別の変換器を互いに隔離する必要があるため、特に困難を生ずる。従って、本発明の主な目的は、２次元超音波変換器配列を作成する改良された方法、及びこの方法によって作成された改良された超音波変換器配列を提供することにある。
他の目的は、周囲の変換器との電気的な干渉及び機械的な干渉の両方の干渉を回避しながら、各々の変換器の圧電素子に対する電気接続をする改良された導体システムを含んでいる２次元超音波変換器配列を作成する改良された方法を提供することにある。
他の目的は、変換器素子が、いずれも複数の個別の変換器素子で構成されている平行な列に分けて配設されており、各列が互いに実質的に垂直な２つの方向に延在しているような改良された２次元超音波変換器配列、及びこのような２次元超音波変換器配列を作成する改良された方法を提供することにある。
発明の要約
本発明の上述、並びにその他の目的及び利点を達成するため、重要な特徴は、最初に、内側の導電層と、外側の損失性支持層とを含んでいる支持材料の２層をその後面に取り付けていると共に、内側の導電層を含んでいる整合材料の２層をその前面に取り付けている全体的に直方体の単一の圧電本体で構成されている比較的大きな変換器ブロックを作成することにある。この後、変換器ブロックは、これらの層に対して垂直な相隔たっている平行な平面で切断し又はのこ引きして、それぞれが２つの支持層と２つの整合層とを取り付けた細長い圧電本体で構成されている複数の実質的に同一の比較的細長い変換器ストリップを形成する。
外側整合層及び外側支持層の外面に形成されている金属被膜によって、圧電材料の前面及び後面に対する電気接続が施されている。被膜は縁の上方を、並びに整合層及び支持層の一方の切断面に沿って伸びている。圧電層の前面に対する接続を形成するために整合層の前面及び縁面に設けられている金属被膜は、連続的な被膜であってもよいが、支持層の後面及び縁面に設けられている被膜は、相隔たったストリップの形状を成しており、これらのストリップの各々は、最終的な配列で１つの変換器素子の圧電層に対する電気接続部を形成すると共に、隣接した変換器素子の間の電気的な隔離を保つように位置決めされている。導電被膜は、蒸着、イオン・スパッタリング、無電気めっき又は電解めっき作業によって形成された金属被膜であることが好ましい。
変換器ストリップに導電被膜が形成された後に、ストリップを再びブロックの形状に組み立てて、前面から整合層、圧電本体、導電支持層を通って外側の損失性支持層にまで入り込んでいるが、完全にその損失性支持層を通り抜けないように溝又は切り口を切り込む。この引き目は、ストリップの面にある導電被膜を個別の導体素子に切断し、これらの導体素子の各々は外側整合層から、この溝を設ける作業によって形成された関連する変換器素子の圧電本体の面と電気的に接触している内側導電整合層への電気接点になる。
横方向の溝が形成されている個別の変換器ストリップは、この後分離され、隣接するストリップの支持層又は外側支持層と接触している適当な電気絶縁スペーサ要素を用いて組み立て直され、適当な結合材料を用いて、変換器ストリップをブロックの形状に結合して、個別の変換器素子が配列の縦方向及び横方向に等間隔になるようにする。これらの引き目又は溝とスペーサ要素とによって形成された空隙が、配列内のそれぞれの変換器素子を隔離している。
損失性支持層の後面にある金属被膜の各々の隔離されたパッチに別個の導体を結合することにより、各々の変換器素子の圧電層の後側に電流を供給する。配列内の個別の変換器を駆動する電子部品を有しているプリント配線板に配列を取り付けることにより、電力を供給することができる。配列の前側に対する接触は、配列内のすべての変換器素子の前面の上方を延在していると共にこれらのすべての変換器素子の前面と電気的に接触しているメタライズされた重合体被膜のような導電薄膜を設けることによって達成することができる。この被膜は配列全体に対する膜シールともなっており、個別の変換器素子を隔離している空隙に流体又はその他の物質が入るのを防止する。
【図面の簡単な説明】
本発明のその他の特徴及び利点は、以下図面について詳しく説明するところから明らかになろう。図面において、
第１図は従来の１次元超音波変換器配列を製造するのに用いられる変換器ブロックを示す概略見取図である。
第２図は従来の１次元超音波変換器配列の概略斜視図である。
第３図は第１図と同様な斜視図であって、本発明の方法の最初の工程で組み立てられた変換器ブロックを図式的に示す図である。
第４図は第３図と同様な図であって、第３図の変換器ブロックがのこ引きによって細長くて薄い変換器ストリップになった状態を示す図である。
第５図は導電被膜を形成した１つの変換器ストリップの側面端面図である。
第６図は第５図に示す変換器ストリップの後側及び側面を示す斜視図である。
第７図は第５図及び第６図に示す変換器ストリップの前面及び側面を示す斜視図である。
第８図は導体薄膜を形成した変換器ストリップを横に並べて組み立て直してブロックを形成した状態を示す斜視図である。
第９図は第８図の組み立てられた変換器ブロックに形成されているのこの引き目を図式的に示す斜視図である。
第10図はのこの引き目を形成した変換器ストリップを２次元変換器配列に組み立てた状態を示す斜視図である。
第11図は第10図に示す２次元配列の側面図であって、変換器アセンブリの前面に導電被膜が取り付けられていると共に前面を覆っている図である。
好ましい実施例の説明
次に図面について、従来の１次元超音波変換器及びそれを作成する方法を第１図及び第２図について簡単に説明する。このような公知の１次元配列は、第１図に参照番号10によって全体的に示す比較的大きな全体的に直方体の変換器ブロック・アセンブリ（集成体）を最初に作成することによって形成することができる。ブロック10は、単一の損失性支持層14と単一の整合層16との間に挟み込まれていると共にこれらの層と結合されている圧電材料12の層を含んでいる。金属の薄いシート、又はその一方の側に導電金属の薄い被覆を沈積した重合体材料の被膜のような導電被膜18が、圧電材料の後面に、少なくともその一方の縁全体に沿って取り付けられており、同じような第２の導電被膜20が、圧電材料の前面に、少なくとも前記後面の前記一方の縁全体と平行な一方の縁全体に沿って取り付けられている。導電被膜は、整合層及び支持層が取り付けられる前に、圧電層に固着され、支持層及び整合層によって所定位置にそれぞれしっかりと保持されている。導電被膜は、電源に接続し易いように、第１図に示すように、変換器ブロックから外向きに伸び出している。
変換器ブロック10を組み立てた後に、ブロックの前面、即ち、そこから音波が放出される面に複数の相隔たった平行な溝22が旋削され又はのこ引きされており、これらの溝22は、整合層、圧電本体及び導電被膜を完全に通り抜けて、損失性支持層にも入り込んでいるが、その損失性支持層を通り抜けないように伸びており、溝の幅だけ互いに相隔たっていると共に共通の損失性支持層に支持されている個別の複数の細長い平行な変換器を作成する。導電被膜のシートの突出端をこの旋削又はのこ引き作業の間に複数のリボン24に切断することにより、各々の個別の細長い変換器の圧電層の前面及び後面にリボン24が取り付けられて、圧電材料に対する電気回路を形成する。
１次元変換器アセンブリの個別の変換器素子は、位相調整アレイとして制御するための適当な電子回路に接続されて、放出される超音波ビームを方向決めして焦点合わせするように、公知の形で電子的に制御され得る。しかしながら、前に説明したように、このような１次元位相アレイは１つの方向にしか方向決め及び焦点合わせすることができず、多くの用途では、ビームを互いに垂直な２つの方向に方向決めして焦点合わせすることができるように、２方向位相アレイが望ましい。
２次元位相調整アレイ超音波変換器は、通常は互いに垂直な２つの方向に伸びている列に分けて配設されている複数の個別の素子を用いている。即ち、このような２次元配列にある各々の変換器素子に対する個別に制御される電気回路を形成するためには、前に１次元配列について述べた電源システムを用いることができないことは明らかである。更に、このような２次元配列の正確な制御には、実用的な観点から、隣接する変換器素子の間の溝内で導線が伸びることができないように、個別の変換器を隔離することが必要である。
公知のように、超音波変換器の整合層の作用は、圧電素子と結合媒質又はサンプルとの間の界面にわたる音響エネルギの効率のよい伝達を行わせることである。圧電材料が約30Mレールの音響インピーダンスを有しているPZTであって、この装置を1.5Mレールの音響インピーダンスを有している水、又は同様なインピーダンスを有している人体に結合すると仮定すると、整合層は約6.7Mレールのインピーダンスを有しているべきである。このような音響インピーダンスを達成することは困難であることがあり、２つの整合層を用いることが普通である。このような２つの整合層の構成では、１つの整合層は通常、単一の整合層に必要なよりも大きなインピーダンスを有しており、PZT材料に隣接して配置されている。一方、第２の整合層は一層低いインピーダンスを有しており、２つの層を組み合わせたものが所望の整合インピーダンスとなるように構成されている。本発明による変換器配列では、２つの整合層と、２つの支持層とが用いられており、圧電層に接触する整合層及び支持層は、導電材料、好ましくは金属である。
本発明による２次元変換器配列を作成する最初の工程として、導電被膜が省略されている他は、第１図及び第２図について上に述べたのとほとんど同じように、全体を参照番号30で示す大きな長方形変換器ブロックが作成される。やはり、圧電本体は、前面及び後面に導電金属の被覆を有していることが好ましい。最初に第３図について説明すると、ブロック30が、圧電材料の層32を含んでおり、圧電材料の層32は、その後面に結合されていると共にその後面との電気接触を成している金属支持層34と、その前面に結合されていると共にその前面との電気接触を成している金属整合層36とを有している。一層厚手の損失性支持材料38の層が層34に結合されており、合成樹脂材料の外側整合層40が金属接合層36の前面に結合されている。
第４図に示すように、次に、第４図では図式的にのこ刃44で示す任意の適当な切断手段を用いて、変換器ブロック30を各層に対して垂直に切り込んで、同じ寸法の複数の変換器ストリップ42にする。
導電金属被膜46がそれぞれのストリップ42の外側整合層36の前面の上に、並びにその整合層36及び40の側縁に沿って形成されていると共にその上を伸びており、圧電層32の前面に対する電気回路を形成している。層46は、外側整合層の前面全体及び一方の側縁を覆っており、内側の整合層又は金属整合層46と重なるように延在していると共に、内側の整合層又は金属整合層46と電気的に接触しており、こうして、各々のストリップ42の全長に沿って圧電層32の前面と電気的に接触している。
変換器ストリップ42の長さに沿って等間隔の複数の導電金属被膜ストリップ48が設けられている。被膜ストリップ48の各々は、損失性支持層38の外側の面又は後面の上を横方向に延在していると共に、この層の一方の縁を越えて金属支持層34と重なっており、こうして、圧電層32の後面と、その長さに沿ってある間隔で隔たって電気的に接触している。導電被膜46及び48は、蒸着、イオン・スパッタリング、無電気めっき又は電解めっき過程のような適当な方法により、変換器ストリップ42の支持要素を直接的に被覆することが好ましい。
各々の変換器ストリップ42に導電金属被膜46及び48を沈積した後に、これらのストリップを第８図に示すブロックの形に再び組み立て、第９図に示すように、このブロックには、ブロック内の各層に対して垂直に、且つ最初の切り込みの方向に対して垂直に、等間隔の複数ののこの引き目又は溝50を形成する。溝50は金属被膜46、整合層40及び36、圧電層32、並びに内側支持層36を通り抜けていると共に、外側の損失性支持層38には途中までだけ入り込んでいる。溝50は、第９図では図式的にのこ刃44によって形成されているものとして示されているが、隣接する導電金属被膜48の間を伸びて、導電被膜46を、それぞれの変換器ストリップ42の長さに沿って同等の部分に分割する位置に配置されており、こうして、各々の変換器ストリップ42の長さに沿って相隔たった複数の変換器素子52を形成する。
第10図に示すように、この後、変換器ストリップ42を分離し、その間に電気絶縁性の離隔部材54を結合して再び組み立てて、配列内にあるすべての変換器素子を隔離するように、個々の変換器素子52が溝50の幅に等しい空隙によって、隣接する各々の変換器素子から隔てられているような２次元変換器配列56を形成する。
この代わりに、溝50を形成する前に、導電被膜を沈積した変換器ストリップを相隔たる最終的な関係になるように組み立てて結合してもよい。
配列56内にある各々の変換器54には、この変換器素子に対する外側整合層40及び外側支持層38の前面及び後面にある導電金属被膜要素をそれぞれ介して、電気回路を設けることができる。変換器配列の前面を大地電位に保持すると共に、変換器素子の後面を、ビームの焦点合わせ又は方向決めのために独立に駆動されるようにすることが普通である。今の場合、整合層の前面に薄いメタライズした膜58を取り付けて、配列内にあるすべての変換器素子56と電気的に接触するようにすることにより、２次元配列56の前面に対する電気的な接触を施すことができる。この構成の他の利点は、メタライズした被膜要素58が、個別の変換器素子を隔離している空間に水若しくはその他の流体又は異物が入らないようにする作用をすることである。
個別の圧電素子の後側に対する電気的な接触は、損失性支持層38の後面にある金属被膜48の隔離されたパッチに導電要素を結合することによって施される。これは任意の適当な手段によって行うことができるが、ビームの所望の２次元の方向決め及び焦点合わせを行うように配列の素子を駆動する電気部品を有していてもよいプリント配線板に配列を取り付けることが好ましい。
複数の細長い変換器ストリップ42を設けて、個別の変換器素子を分離する前に、ストリップに導電被膜46及び48を形成することにより、被膜を形成する工程が著しく簡単になる。更に、複数の個別の変換器素子54が共通の損失性支持層のストリップの上に一定の相隔たった関係に支持されているので、変換器配列の組み立てが著しく容易になる。その結果得られる２次元変換器配列は、非常に安定で信頼性があり、公知の２次元変換器配列よりもずっと経済性がある。
２次元変換器配列を作成する好ましい方法、及びこの方法で得られる２次元変換器配列を図面に示して説明したが、本発明はこの場合に制限されず、本発明の要旨の範囲内で当業者に容易に考えられるすべての実施例が含まれることを承知されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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