(57)【要約】  本出願は、フェイズドアレイ構造のための多層横モード結合方法及びこれに基づいて構成されたトランスデューサデバイスを提供する。フェイズドアレイの電気的インピーダンスは、実質的に低減され、ソースインピーダンスに近付くように容易に制御される。製造工程は、比較的簡単で安価である。更に、素子は、１．５次元、２次元、３次元又は他の次元の構成において、強靱であり、長期間の動作に亘って構造上の欠陥を生じることがなく、イメージング及び／又は治療用途に必要な高パワー出力を提供する。【選択図】  図2
2014528219.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の音響トランスデューサ素子を備え、
各トランスデューサ素子は、複数素子トランスデューサアレイの要素であり、
各トランスデューサ素子は、第１の軸に沿って、受信電気駆動信号に機械的に応答し、前記第１の軸に実質的に直交する第２の軸に沿って、前記トランスデューサの対応する反対面に電気的に接続された電極の対によって供給される前記受信電気駆動信号によって、前記第１の軸に沿って振動し、
前記複数のトランスデューサ素子は、前記アレイの面において、２つの隣接するトランスデューサ素子の間に配置される共通電極が、前記２つの隣接するトランスデューサ素子の間で共有され、前記隣接するトランスデューサ素子のそれぞれにとって、前記対の電極の１又は前記対として機能するように互いに配置されている音響デバイス。
【請求項２】
前記複数のトランスデューサ素子は、前記第２の軸に沿って積層され、前記軸に沿って隣り合う素子の線形アレイを形成し、前記アレイは、前記第２の軸に直交するアクティブ面から音響エネルギを送信する請求項１記載のデバイス。
【請求項３】
トランスデューサ素子と、前記アレイの２つの隣接するトランスデューサ素子の間に挟まれた導電性電極との交互のシーケンスを含む請求項２記載のデバイス。
【請求項４】
前記アレイ内に配置された前記複数のトランスデューサ素子は、前記第２の軸と、前記第１の軸及び前記第２の軸の両方に直交する第３の軸とに沿って広がるアレイを形成する請求項１記載のデバイス。
【請求項５】
前記アレイ素子は、標準デカルト座標系のｘ次元（第２の軸）及びｙ次元（第３の軸）に沿って広がり、前記標準デカルト座標系のｚ次元（第１の軸）に沿って音響エネルギを放射する請求項４記載のデバイス。
【請求項６】
第１のトランスデューサ素子が前記第１の軸に沿って第１の物理的寸法を有し、前記第１の物理的寸法によって定まる第１の対応する共鳴周波数を有し、第２のトランスデューサ素子が前記第１の物理的寸法とは異なる第２の物理的寸法を有し、前記第２の物理的寸法によって定まる第２の対応する共有周波数を有し、前記第１の共鳴周波数と、前記第２の共鳴周波数とが異なる請求項１記載のデバイス。
【請求項７】
トランスデューサ素子の音響アレイを製造する方法において、
電気駆動信号によって励起されると、素子が音響エネルギを放射する方向である第１の軸に沿った第１の寸法を含む空間的な範囲を画定する複数の寸法をそれぞれ有する複数の音響トランスデューサ素子を準備するステップと、
前記アレイのアクティブな面において、前記第１の軸に実質的に直交する少なくとも第１の軸に沿って、前記複数のトランスデューサ素子を機械的に配置するステップと、
前記トランスデューサ素子に電気駆動信号を供給する電極として機能する複数の導電箔を準備し、前記導電箔を前記複数の音響トランスデューサ素子の間に挟み、隣接するトランスデューサ素子の隣接する対が前記隣接するトランスデューサの対の間にある同じ電極を共有するようにするステップと、
前記導電電極を介して、電気駆動信号によって前記複数のトランスデューサ素子を駆動するステップとを有する方法。
【請求項８】
前記配置するステップは、前記トランスデューサ素子を互いに単一の軸に沿って配置するステップを含む請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記配置するステップは、前記トランスデューサ素子を何れも前記第１の軸に直交する２つの次元に沿って配置するステップを含む請求項７記載の方法。
【請求項１０】
低温はんだによって、前記アレイの表面にトランスデューサ素子をはんだ付けするステップを更に有する請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波トランスデューサ及び複数のトランスデューサのアレイの設計及び構成に関する。
【０００２】
本出願は、非仮出願であり、引用によって本願に援用される、２０１１年９月２０日に出願された米国出願番号第６１／５３６，６３６号の優先権を主張する。
【背景技術】
【０００３】
現代の医療分野において、超音波は、高速で、非侵襲的で、費用対効果に優れたイメージング及び治療の方式を提供する。超音波の用途は、フェイズドアレイの構成及びエレクトロニクス技術の進歩と共に急速に成長している。超音波及び超音波エネルギ場は、超音波トランスデューサからイメージングされ又は治療を受けるボリュームに投写される。トランスデューサは、入力電気駆動信号に応じて機械的な寸法が変化する物質から形成され、入力電気駆動信号エネルギを出力超音波エネルギに変換する原理に基づいて動作する。また、用途によっては、トランスデューサは、入射した音波による寸法の圧縮がトランスデューサの材料内に電気的応答を励起又は誘導する逆方向の機械−電気変換プロセスによって、入射した超音波エネルギを、測定可能な電気エネルギに変換することもできる。超音波トランスデューサ素子の製造に使用される一般的な材料は、圧電結晶材料、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（lead zirconate titanate：ＰＺＴ）及びこれに類する材料である。
【０００４】
送信モードにおいては、超音波エネルギが送信トランスデューサの面から出射され、適切な媒体、通常、流体若しくは粘弾性物質、又は超音波の伝播が可能な他の媒体を介して、既知の音響エネルギ伝播の法則に基づいて伝播する。トランスデューサデバイス又はアレイによってイメージング又は治療される患者の組織は、粘弾性流体に近似するものとして扱われることがあり、患者の体内での超音波の伝播に影響を与える、判定可能な音速及び吸収係数等の音響パラメータを有する。
【０００５】
複数の超音波ソース又はトランスデューサ素子は、１次元及び２次元に構成されたアレイにグループ化することができる。超音波素子のそれぞれ（又はグループ）について電気駆動信号を制御することによって、アレイ全体から出射された音場を空間的及び時間的に制御及び方向付けすることができる。コンピュータによって制御される駆動回路を用いて、アレイの素子に供給される電気駆動信号の振幅及び位相の両方を個々の素子レベルで制御することができる。
【０００６】
トランスデューサ素子のサイズが十分小さければ、トランスデューサから離れた相対的距離から観測した場合、トランスデューサ素子は、超音波の点音源（point source）として機能する。超音波アレイの所謂遠方場挙動（far-field behavior）は、多くの場合、アレイを構成する各トランスデューサからの累積的な効果を考慮することによって近似される。多くのトランスデューサ素子のアレイでは、一般的に、少なくとも線形系における１次近似の結果として重ね合わせの原理（principle of superposition）が働き、総合的な超音波場は、何らかの空間的及び時間的インスタンスにおけるアレイの個々の素子の効果の総和を求めてアレイ全体の正味の場を知ることによって導出される。したがって、フェイズドアレイによって、（所与の空間的分布を有する）超音波ビームを生成でき、トランスデューサを操縦又は位置変更するための機械的手段を用いることなく、ターゲットボリュームにおいてビームを電気的に操縦及び焦点合わせすることができる。位相収差補正（phase aberration correction）アルゴリズムを用いて、複数の位置において、音響パワー付与（acoustic power deposition）を正確且つ速やかに制御でき、脂肪や筋肉等の異なる組織層を介して、ビームを操縦及び焦点合わせすることができる。これらの独特な能力を利用して、高速立体イメージング（fast volumetric imaging）及び体内の深部に存在する癌組織の凝固を容易に実行できる。
【０００７】
柔軟で正確なビーム成形及び操縦が可能なフェイズドアレイの構造のためには、複雑で高度な設計及び製造が必要である。超音波アレイ設計で用いられることがある１つの設計基準では、グレーティングローブ（grating lobe）等の不要な２次ピークを回避するために、アレイ素子間の中心間距離（又はピッチ）を波長の半分以下とする。しかしながら、周波数を高くし（すなわち、波長を短くし）、及びアレイ構成を１次元から２次元に変更すると、フェイズドアレイの小さな素子の数が増加する。素子サイズが小さくなると、個々の素子への電気的接続の複雑性が高まるだけではなく、素子の電気的インピーダンスも高くなる。
【０００８】
小さいアレイ素子の電気的インピーダンスが大きくなると、通常５０ＷであるＲＦ駆動システム（ソース）と、アレイ素子との間で電気的インピーダンス不整合が生じる。診断用フェイズドアレイにおいては、このインピーダンス不整合により、送信モードにおける音響パワー出力が低下し、この結果、受信モードにおいて感度及び信号対雑音比（ＳＮ比）が劣化する。同様に、高パワーの治療用アレイでは、これによって、電気−音響パワー変換が劣化する。従来の技術では、各素子について電気的インピーダンス整合回路を使用することでこのような問題を解決していた。この解決策では、製造コストが高くなるため、この従来の手法は、多数の素子を有するフェイズドアレイに対しては理想的ではなく、又は効率的ではなかった。この理由のために、素子は、通常、整合回路を使用しないで素子に伝えられるパワーを最大にするために、ソースインピーダンスに近い電気的インピーダンスを有するように設計されている。
【０００９】
電気的整合回路を用いることなくアレイ素子の電気的インピーダンスを低減することも検討されている。幾つかの手法では、テープ成形（tape casting）のための厚膜プロセスを用いて圧電材料の複数の層（Ｎ個の層）を積層して、素子の電気的インピーダンスをＮ２分の１に低減する。しかしながらこの手法のための製造プロセスは、複雑で高価である。同様に、ダイス加工及び充填（dice-and-fill）法を用いて接合された多層セラミック及び合成体がアレイ素子に伝えられる電気的パワーを向上させることがある。これによって、製造工程の複雑性を改善できるが、接合層の整列及び層割れに関する他の問題が生じる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
少なくとも超音波、医療用イメージング、超音波療法の分野、並びに音響トランスデューサ技術の他の医療用途及び産業用途で有用な改善されたトランスデューサ設計、トランスデューサの製造方法及びトランスデューサのアレイが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の側面は、フェイズドアレイ構造のための多層横モード結合方法に関する。製造工程は、簡単で安価であり、素子は、強靱であり、長期間の動作に亘って構造上の欠陥を生じることがない。更に、治療送達に必要なハイパワー出力を実現するアレイ構造を提案する。
【００１２】
本発明の装置及び方法の更なる側面は、フェイズドアレイ構造のために多層横モード結合方法に関する。幾つかの実施形態では、この方法を用いて製造されたフェイズドアレイの電気的インピーダンスは、既存の方法に比べて実質的に低減され、ソースインピーダンスに近付くように容易に制御でき、したがって、電気的整合回路を使用することなくアレイを駆動できる。幾つかの側面では、多層トランスデューサ素子は、圧電セラミック板の横モードで駆動され、このような素子のアレイは、例えば、医療用の超音波の分野で使用するために設計及び製造される。
【００１３】
幾つかの側面では、Ｎ−層横モードトランスデューサの総合的な電気的インピーダンスは、厚みモードで駆動される単層トランスデューサの（Ｎｔ／ｗ）２分の１である（ｗはアレイ素子の幅であり、ｔは、厚さである）。
【００１４】
様々な実施形態によって、診断及び治療用のフェイズドアレイに関連する製造コストを削減することができる。幾つかの実施形態では、アレイ設計における電気的インピーダンス整合回路の必要性を低減又は排除できる。ハイパワー治療用アレイは、アレイ素子から熱を遠ざけるように電極が構成され、及びこの横モード励起の方法によってトランスデューサの層割れが回避されるので、より実用的又は実現可能である。
【００１５】
幾つかの実施形態では、イメージングアレイの場合、本発明の技術を用いて、１００ＭＨｚ又はこれ以上の周波数を実現することができる。
【００１６】
ある実施形態では、トランスデューサ素子の音響アレイを製造する方法を提供し、この方法は、電気駆動信号によって励起されると、素子が音響エネルギを放射する方向である第１の軸に沿った第１の寸法を含む空間的な範囲を画定する複数の寸法をそれぞれ有する複数の音響トランスデューサ素子を準備するステップと、アレイのアクティブな面において、第１の軸に実質的に直交する少なくとも第１の軸に沿って、複数のトランスデューサ素子を機械的に配置するステップと、トランスデューサ素子に電気駆動信号を供給する電極として機能する複数の導電箔を準備し、導電箔を複数の音響トランスデューサ素子の間に挟み、隣接するトランスデューサ素子の隣接する対が隣接するトランスデューサの対の間にある同じ電極を共有するようにするステップと、導電電極を介して、電気駆動信号によって複数のトランスデューサ素子を駆動するステップとを有する。
【００１７】
他の実施形態は、音響アレイデバイス、装置又はシステムを提供し、音響アレイデバイス、装置又はシステムは、複数の音響トランスデューサ素子を備え、各トランスデューサ素子は、複数素子トランスデューサアレイの要素であり、各トランスデューサ素子は、第１の軸に沿って、受信電気駆動信号に機械的に応答し、第１の軸に実質的に直交する第２の軸に沿って、トランスデューサの対応する反対面に電気的に接続された電極の対によって供給される受信電気駆動信号によって、第１の軸に沿って振動し、複数のトランスデューサ素子は、アレイの面において、２つの隣接するトランスデューサ素子の間に配置される共通電極が、２つの隣接するトランスデューサ素子の間で共有され、隣接するトランスデューサ素子のそれぞれにとって、対の電極の１又は対として機能するように互いに配置されている。
【００１８】
本発明の性質及び利点を明瞭にするために、以下の添付の図面を参照して、好ましい実施形態を詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】厚みモード及び横結合モードで駆動される圧電セラミックＰＺＴの例示的な概略図である。
【図２】共有された電極構造を有する単一の２層ＰＺＴの例示的な概略図である。
【図３】例示的な実施形態を示しており、（ａ）は、３２素子イメージングアレイ又は４２素子ＨＩＦＵ線形アレイを検査する実験配置を示す図であり、（ｂ）は、アレイの中心を原点とするデカルト座標系を示す図である。
【図４】例示的なファントムと、ファントム内に収容されたワイヤとを示す図である。
【図５】（ａ）厚みモードで駆動される単層トランスデューサ及び（ｂ）横モードで駆動される２層トランスデューサの間で電気的インピーダンス測定値を比較するグラフ図である。
【図６】（１）横モード、（２）２層アレイ素子に対応する厚みモード、及び（３）単層トランスデューサに対応する厚みモードの水中の３２素子のフェイズドアレイ素子の電気的インピーダンスの（ａ）振幅及び（ｂ）位相の測定の幾つかの具体例を示す図である。
【図７】３２素子イメージングアレイの中心素子からの例示的なパルスエコーインパルス応答を示す図であり、（ａ）及び（ｂ）は、測定された送信パルス及びその対応する正規化されたＦＦＴを示す図であり、（ｃ）及び（ｄ）は、パルスエコー測定値及び波形の対応する正規化されたＦＦＴを示す図である。
【図８】アレイを（０，０，３０）ｍｍ（ａ及びｂ）及び（０，１０，３０）ｍｍ（ｃ及びｄ）に焦点合わせした場合におけるＸＹ及びＹＺ平面における放射圧力場振幅測定（radiated pressure amplitude field measurements）を示す図である。
【図９】ファントム内の４本のナイロンワイヤのスキャンイメージを示す図である。
【図１０】横振動モードの４層ＰＺＴのトランスデューサの例示的な概略図である。
【図１１】横振動モードの４層ＰＺＴのトランスデューサの周波数スペクトルを示す図である。
【図１２】横振動モードの二重周波数２層ＰＺＴのトランスデューサの具体例を示す図であり、（ａ）は、二重周波数トランスデューサの個々の素子の構造を示す図であり、（ｂ）は、完全に組み立てられた二重周波数トランスデューサを示す図である。
【図１３】２次元アレイのための６層トランスデューサ素子の構造及び実際の６層素子を例示的に示す図である。
【図１４】（ａ）６層素子を用いて製造された８×８の２Ｄアレイの概略、（ｂ）低温はんだボールを用いる電気的コネクタを有するアレイの底面及び（ｃ）８×８の２Ｄアレイの写真を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
上述のように、フェイズドアレイの電気的インピーダンスを低減し、電気的インピーダンスを制御して、ソースインピーダンスに近付け、電気的整合回路を用いることなくアレイを駆動することが望ましい。また、特に比較的大きいパワー又は比較的長い動作時間での動作の間、トランスデューサ又はトランスデューサアレイの領域から熱を除去し、許容される使用温度範囲内に維持することも望まれている。これは、望ましくない又は想定されていない動作中の温度上昇によって、トランスデューサ若しくはアレイ、又は他の部品の物理的特徴に望ましくない影響又は変化が生じ、又は離調が生じるような場合に特に望まれる。
【００２１】
本発明者及び／又は出願人の一部又は全部によって、改善されたトランスデューサ素子設計及びトランスデューサの製造方法が出願されており、これらは、引用によって本願に援用される。例えば、米国特許出願番号第１１／６００，３０１号及び仮出願番号第６０／７３６，７１３号に基づく米国特許公開番号第２００７／０１６７７６４Ａ１号は、引用によって本願に援用される。
【００２２】
本発明は、診断及びＨＩＦＵフェイズドアレイの構築に使用することができる多層横モードトランスデューサ素子（multilayer lateral mode transducer element）（及び／又はアレイ）の設計及び組立、使用及び駆動の方法の概念を提供する。本発明に基づくシステム及び方法は、小さな幅厚比で効率的且つ簡単にアレイ素子の大きな電気的インピーダンスを低減すると共に、高パワー用途で温度を低下させる。
【００２３】
例示的な実施形態として、及び横方向結合（lateral coupling method）の妥当性を検証するために、以下では、当業者にとって拡張が自明な具体例として、１次線形３２素子（７７０ｋＨｚ）イメージング及び４２素子（１．４５ＭＨｚ）高密度焦点式超音波（high intensity focused ultrasound：ＨＩＦＵ）フェイズドアレイの構成及び性能を説明する。以下の説明及び具体例は、この横モード結合（present lateral mode coupling）技術の利点を示している。この具体例における両方のアレイは、本発明者によって検査され、電気的整合回路なしで駆動されている。これによって、アレイを製造する時間が短縮され、製造コストが削減され、複雑性が低減される。設計において更なる層を追加することで、簡単に、電気的インピーダンスを更に低減することができる。
【００２４】
好ましい実施形態では、本発明の多層トランスデューサ素子は、圧電セラミックプレートの横モードで駆動される。性能を最大にするために、軟質ＰＺＴ−５セラミックプレートからアレイを形成し、硬質ＰＺＴセラミックプレート（例えば、ＰＺＴ−４）に比べてより高い誘電率（εＴ）、結合係数（ｋ３１）及び圧電定数（ｄ３１）を利用した。表１は、硬質ＰＺＴ−４と軟質ＰＺＴ−５のセラミックの材料特性を示している。もちろん、これらの特性は、例示的なものに過ぎず、この具体例を説明するためのものであり、本発明の範囲に含まれる可能な特性の範囲を制限又は排除することを意図するものではない。
【表１】
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【００２５】
ＰＺＴ−５は、ＰＺＴ−４に比べてｋ３１及びｄ３１が大きいため、横方向における送信音響パワー出力及び受信感度が高い。その高い誘電率は、電気的インピーダンスを低減し、これにより、硬質ＰＺＴでトランスデューサを製造した場合に比べて、電気的インピーダンスを低減する労力が少なくなる。これらの結果は、高パワー用途のために一般的に用いられていなかったより柔らかい材料によって、ＨＩＦＵ用途においても、適切なパワー出力が達成されることを示している。
【００２６】
幾つかの側面では、この横モード結合技術は、製造を容易にし、このデバイスの電気的インピーダンスを低減する。ここでは、大きなセラミックプレートから開始し、製造の開始時に、顕微鏡を用いてこれらを接合したので、アラインメント誤差の問題はなかった。幾つかの実施形態では、２０μｍの厚さの銀箔を用いて、接合層の厚さを約２５μｍ以下となるように制御することによって、接合層が厚い場合に生じる機械的な適応性及び結合の損失を減少させた。接合層の厚さは、より薄い中間導体箔を用いることによって、更に薄くすることができる。更に２つのトランスデューサ層は、収縮及び膨張の何れにおいても常に同様に振動したので、２層横モードトランスデューサについては、層割れ問題は、全く観測されなかった。
【００２７】
横モードで駆動される多層圧電セラミックアレイ素子については、複数のトランスデューサ層を電気的に並列に接続し、これらを従来とは異なる機械振動モードである横モードで駆動することによって、素子の電気的インピーダンスを最小化することができる。
【００２８】
図１は、（ａ）単層トランスデューサ、（ｂ）２層トランスデューサ及び（ｃ）２層横モードトランスデューサの３つの異なるアレイ素子構成の具体例を示している。具体的には、図１（ａ）は、（振動方向矢印１０２によって示す通り）厚みモード（thickness mode）で駆動される単層ＰＺＴ１００を示している。図１（ｂ）は、厚みモードで駆動される２層ＰＺＴ１１０を示している。図１（ｃ）は、２層横モードＰＺＴ１２０を示している。３つのＰＺＴの全体的な寸法は、同じである。ＰＺＴ結晶の極性は、ＰＺＴ素子の面に描かれているポーリング方向矢印によって示される。図１（ａ）及び（ｂ）に示すトランスデューサは、厚みモードで駆動され、２層横モードトランスデューサ（図１（ｃ））は、横モードで振動するように使用される。トランスデューサ層を含むアレイの素子は、小さい矢印で示すように、厚み方向にポーリングされる。解析を簡単にするために、ケーブル及び圧電トランスデューサでは、機械的及び電気的損失はないものと仮定する。厚さｔ、幅ｗ、長さｌの単層トランスデューサ（図１（ａ））は、以下の式で表される固定容量Ｃ０を有する。
【数１】
2014528219.tif 000004
【００２９】
ここで、Ａ０（＝ｌ×ｗ）は、電極面積であり、ε０は自由空間の誘電率（８．８５４×１０−１２Ｆ／ｍ）でありεＴは圧電セラミックトランスデューサの比誘電率（定数）である。電気的インピーダンス（Ｚ０）は、容量に反比例する。単層トランスデューサの共振周波数は、厚さｔに支配される。幅ｗは、波長の半分以下である。
【００３０】
図１（ｂ）は、厚みモードで駆動されるｔ／２の層厚の２層トランスデューサを示している。全体的な寸法は、単層トランスデューサと同じである。トランスデューサの厚さｔが同じであれば、共振周波数は、単層トランスデューサと実質的に同じになる。トランスデューサ層間の内側電極は、接地され、外側電極は、信号線に接続される。２層トランスデューサの総合的な固定容量（ＣＴ）及び電気的インピーダンス（ＺＴ）は、以下の通りである。
【数２】
2014528219.tif 000005
【００３１】
単層トランスデューサに比べて、電極の総表面積（ＡＴ）は、２倍になり、素子厚さ（ｔＴ）は、半分になっている。この結果、総合的な電気的インピーダンスは、４分の１に低下する。
【００３２】
２層横モードトランスデューサ（図１（ｃ））では、トランスデューサは、厚みモードではなく、横モードの共振周波数で駆動される。トランスデューサに電場が印加されると、２つの層は、膨張及び収縮の何れにおいても同じ位相で同時に、横方向に振動する。図１（ｂ）に示す２層トランスデューサと同様、層間の内側電極は、接地され、外側電極は、信号線に接続され、したがって、層は、電気的に並列に接続される。厚みモードで駆動される単層アレイ素子に対する２層横モード素子の構造の基本的な違いは、各層の厚さが単層素子の幅の半分である点であり、層の幅は、単層素子の厚さと同じである。したがって、２層横モードトランスデューサの総合的な電極面積ＡＬ及び層厚ｔＬは、以下の通りである。
【数３】
2014528219.tif 000006
【００３３】
総合的な固定容量ＣＬ及び電気的インピーダンスＺＬは、以下の通りである。
【数４】
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【００３４】
フェイズドアレイの製造にλ／２中心間隔設計ルールを用いた場合、幅厚比は、常に１より小さい。したがって、２層横モードトランスデューサの電気的インピーダンスは、厚みモードで駆動される単層及び２層トランスデューサの何れよりも小さい。トランスデューサの厚さｔは同じであるので、トランスデューサの共振周波数は、単層トランスデューサの共振周波数と同じ又は略々同じとなる。
【００３５】
この例示的な具体例は、当業者に説明するためのものであり、表現され又は示唆された説明によって本開示又は発明の範囲に含まれる実施形態を制限するものではない。一般性又は理解を損なうことなく、この文脈において他の幾何学的形状、寸法及び材料特性、並びに駆動信号を使用することができる。
【００３６】
表２は、例示的な実施形態において、厚みモード及び横モードで駆動されるｎ層トランスデューサ間の電気的インピーダンスの総合的な比較を示している。
【表２】
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【００３７】
直接的な比較により、ｎ層横モードトランスデューサの総合的な電気的インピーダンスが厚みモードで駆動される単層トランスデューサの（ｎｔ／ｗ）２分の１であることがわかる。
【００３８】
厚みモード及び横モードのトランスデューサの性能を比較するために、各手法によって同じ寸法の素子を製造した。両方のトランスデューサの全体的な寸法を同じにし、厚さｔを２．４ｍｍとし、幅ｗを０．８３ｍｍとし、長さｌを２０ｍｍとした。２層ＰＺＴ−５トランスデューサの単一の層厚は、０．４ｍｍであり、この結果、幅厚比は、０．３３であった。導電性エポキシ及び銀箔の接合層の厚さは、約０．０５ｍｍであった。
【００３９】
また、イメージング及び治療用途のための２つの１次元線形フェイズドアレイのプロトタイプを圧電セラミックプレートから製造した。２つのフェイズドアレイの設計パラメータを表３に示す。
【表３】
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【００４０】
何れのアレイも２層横モードトランスデューサ素子によって製造した。イメージングフェイズドアレイは、中心周波数が７５０ｋＨｚの３２個の素子から構成されている。これは、経頭蓋イメージング用途のために設計されている。各素子の厚さは、２．４ｍｍであり、長さは、２０ｍｍであり、幅は、０．８３ｍｍである。４２素子の高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）フェイズドアレイは、前立腺腫瘍焼灼療法等の腔内用途のために製造されている。素子の中心周波数は、１．５ＭＨｚであり、寸法は、１４ｍｍ（ｌ）×０．４３ｍｍ（ｗ）×１．２ｍｍ（ｔ）である。
【００４１】
図２は、導電性（例えば、銀）エポキシ終端点２０２を有し、軟質エポキシ媒体（soft epoxy medium）２０４によって分離されているＰＺＴ素子２００の複数の層（２つを示している）の配置を示している。組立体の両端には、一対の導電性（例えば、銀）電極２０６、２０８が設けられており、ここに駆動信号が供給される。この図に示すように、ＰＺＴ素子２００は、高電導性（例えば、金、Ａｕ）箔２１０の薄層の間に挟み込まれた一対の実質的に平行なプレートとして構成されている。ＰＺＴ２００は、横モードで駆動される。幾つかの実施形態では、２層ＰＺＴ２００の総合的な厚さｗは、所与の動作（中心）駆動周波数の波長の半分未満である。
【００４２】
このように素子を互いに隣接して積層した組立体（行）又はパッキングされた組立体（行及び列、格子、ランダムに配置された素子、放射状に配置された素子等）を形成することによって、全体的に２次元又は３次元のトランスデューサアレイを構築することができる。幾つかの実施形態では、ここに説明するように、電気的に駆動される一組のトランスデューサ素子を用いて、温熱療法、焦点式超音波又は高強度超音波治療システムに使用される制御可能な超音波場を形成する。このように駆動される素子のアレイを共に用いて、疾患を患う患者に所望の熱治療を行うことができる超音波領域の音場を提供することができる。
【００４３】
このＰＺＴシステムは、診断用途にも使用できる。例えば、システムは、イメージングアレイとしての使用される３２素子のアレイを備えていてもよい。更に他の用途として、上述した横モード結合法によって複数（例えば、数十又は数百）の駆動素子を用いて、腔内高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）アレイを構築してもよく、ここでは、実施形態に基づく単一の２層横モードトランスデューサ素子の概略図を示している。
【００４４】
イメージング用のフェイズドアレイ及びＨＩＦＵフェイズドアレイの基本的な製造工程は、同じである。例えば、イメージング用のフェイズドアレイ製造の第１の工程では、厚さ２ｍｍの７０ｍｍ×２０ｍｍの２枚のＰＺＴ−５プレート（例えば、米国ペンシルベニア州ステートカレッジのＴＲＳセラミクス社（TRS Ceramics）のＴＲＳ６１０ＨＤ）を軟質エポキシ（米国マサチューセッツ州ビレリカ（Billerica）のエポキシテクノロジー社（Epoxy Technology：登録商標）３０１）によって接合した。２つのＰＺＴ−５トランスデューサを接合する前に、両側において厚さ２０μｍの銀箔（例えば、米国ペンシルベニア州オークデールのグッドフェロー（GoodFellow）社）の小片を２つのトランスデューサ間に挟み込み、銀エポキシ（例えば、米国マサチューセッツ州チングズバロのクリエイティブマテリアル（CreativeMaterials）社のＧＰＣ２５１）を用いて２つのトランスデューサの内側電極に電気的に接続した。この具体例では、トランスデューサ間の箔の比較的小さい部分を用いて電気的接続を形成することによって、銀箔を加えることによって生じる機械的コンプライアンスの変化等の問題を緩和又は解決している。また、箔は、素子とコネクタとの間の電気的接続をブリッジする役割も果たしている。接合工程では、機械的なクランプを用いて、２つのトランスデューサを圧縮し、過剰な接合材料を最小にし、総合的な接合層厚を制御して、銀箔の厚さと同じにした。一実施形態においては、ワイヤ接続のために１ｍｍの余白を露出させて、約２ｍｍの銀箔をトランスデューサ間に挟み込んだ。
【００４５】
内側電極は、信号線（＋）に接続してもよく、頂部及び底部の他の電極の組はグラウンド（−）に接続してもよい。導電性エポキシ（例えば、銀エポキシ）は、銀箔の１つだけに塗布し、接地のために頂部及び底部の電極に接続してもよい。そして、図に示すように、トランスデューサの端部から１ｍｍの部分で、挟み込まれている銀箔を切断するために十分な深さで接合されたトランスデューサをダイシングすることによって、接地された銀箔が内側電極から切り離される。切り口には、軟質エポキシを埋めてもよく、トランスデューサの表面に厚さ３００ｎｍの金を蒸着させた。個々の素子は、組み立てられた長さ７０ｍｍ、幅２０ｍｍの２層ＰＺＴ−５プレートから、長さ２．４ｍｍにダイシングされる。特別に設計された長さ１ｍの同軸ケーブル（例えば、米国ペンシルベニア州バーウィンのプレシジョンインターコネクト（Precision Interconnect）社）を用いて、素子とＺＩＦコネクタ（例えば、米国ミネソタ州シャコピーのＩＴＴキャノン（ITT Cannon）社）との間を電気的に接続してもよい。
【００４６】
最終的な組立工程の前に、銀箔を厚さ約２０μｍのパリレン及び軟質エポキシ薄膜によってコーティングし、隣接するアレイ素子の間の短絡を防止する。そして、素子間の機械的な結合を最小化するためにシリコーンを用いて個々の素子を接合する。組立の完了後、総合的な中心間距離を顕微鏡で測定し、水中で波長の半分以下となっていることを確認する。厚さ５ｃｍの基材（例えば、ＰＺＴ−４粉末／軟質エポキシ＝２：１）をフェイズドアレイの背面に取り付ける。アレイ表面に厚さ１０ｍｍのパリレン層をコーティングして、腐食及び機械的損傷から素子を保護してもよい。
【００４７】
同様に、ＨＩＦＵアレイのトランスデューサ素子は、２つの厚さ０．２０ｍｍのＰＺＴ−５セラミック（例えば、米国ペンシルベニア州ステートカレッジのＴＲＳセラミクス社（TRS Ceramics）のＴＲＳ６１０ＨＤ）を用いて、例えば、１４ｍｍ（ｌ）×１．２ｍｍ（ｔ）×０．４３ｍｍ（ｗ）の寸法に形成することができる。総合的な製造工程は、イメージングアレイと同様であってもよい。長い同軸ケーブルを使用することに代えて、素子をプリント回路板（ＰＣＢ）に取り付け、厚さ５０ｍｍの銅線（例えば、米国カリフォルニア州グローヴァービーチのカリフォルニアファインワイヤ（California Fine Wire）社）を用いて、銀箔からＰＣＢボードへの個々の電気的接続を実現してもよい。幾つかの実施形態のアレイでは、基材は、不要である。本発明の横モード結合方法を用いて、これらの及びこの他のアレイを構成できる。
【００４８】
この横モード結合方法の性能を検証するために、ネットワーク解析器を用いて、２層横モード素子の電気的インピーダンスを測定できる。単層厚みモードトランスデューサと２層横モードトランスデューサとの間の単純な電気的インピーダンスの比較は、空気中の測定を評価することによって行うことができる。イメージングアレイ及びＨＩＦＵアレイの総合的な電気的インピーダンス測定は、脱気脱イオン水内で行うことができる。
【００４９】
図３（ａ）は、アレイ３１０から放射される圧力場の測定の総合的な実験配置３００を示している。タンクは、実験用デバイスを保持し、タンク壁からのあらゆる音響反射を最小化するために厚さ１ｃｍのゴムで裏打ちされ、脱気脱イオン水（抵抗率＞１６ＭΩ−ｃｍ）で満たされ、溶残酸素レベルを１ｐｐｍ未満とした。図３（ｂ）は、この実験で用いたデカルト座標系３２０を示している。この図に示すように、座標系３２０の原点は、アレイ３１０の中心であり、音響軸は、ｚ軸に平行である。イメージングアレイ及びＨＩＦＵアレイから放射される超音波圧力場は、長さ４０ｍｍ、直径１２５ｍｍの平面型光ファイバ水中聴音器（planar fiber-optic hydrophone）（例えば、英国ドーチェスターのプレシジョンアコースティックス（Precision Acoustics）社）によって測定される。水中聴音器３１２は、３Ｄ走査システム３１４（例えば、米国ニューヨーク州ブルームフィールドのベルマックス（Velmax Inc）社）によって動作する。そして、必要に応じた数（例えば、数百、数十）のチャンネルを有する増幅器システム３４０によって、４２素子ＨＩＦＵアレイ３１０を駆動する。もちろんこの説明は、例示的なものであり、目的に適する様々なデバイスを用いて、同じ若しくは実質的に同じ、又は均等な工程を別の手法で行うことができることは、当業者にとって明らかである。
【００５０】
トーンバースト（tone burst）信号（例えば、ＰＲＦ＝３３０ｋＨｚ、デューティサイクル＝１％）を用いて、アレイ３１０の各素子を駆動する。１Ｗ／チャンネルの電力を用いて、具体例のアレイから放射された音場を測定することができる。ＨＩＦＵフェイズドアレイの単一の素子の電気−音響パワー変換効率及び最大表面音響パワー（maximum surface acoustic power）は、走査型レーザバイブロメータ（例えば、米国カリフォルニア州タスティンのポリテック（Polytec）社のＰＳＶ−４００−Ｍ２−２０  ２０ＭＨｚ）を用いて測定される。
【００５１】
イメージングアレイの単一素子の実験例では、パルサ／受信機（例えば、米国マサチューセッツ州ウォルサムのオリンパス（Olympus）社Ｐａｎａｍｅｔｒｉｃ  ５０７２ＰＲ）を用いて、ＲＦ信号を送受信する。これらの場合、受信された波形は、デジタルオシロスコープを用いて記録される。実験では、アレイ全体と共に市販の３２チャンネルイメージングスキャナ（例えば、フランス、シュール（Cheulles）のＬｅｃｏｅｕｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｑｕｅ社のＯＰＥＮシステム（OPEN system））を用いる。これは、デスクトップコンピュータ上で実行される特別仕様のＣ＋＋ソフトウェアによって、ＵＳＢを介して制御される。ＯＰＥＮパルサ／受信機システムは、５０Ｖｐｅａｋ及び１２．５ｎｓ長のパルス及び受信したエコー信号によってアレイを励起する。受信したエコー信号は、ＭＡＴＬＡＢ（米国マサチューセッツ州ナティックのマスワークス（Mathworks）社）の無位相バンドパスデジタルフィルタを用いてフィルタリングされる。そして、ヒルベルト変換を実行し、信号のエンベロープを得る。イメージは、仰俯角における０．５°のインクリメントによる送受信フォーカスの±３０°シリアルスキャニングによって取得される。ビームは、トランスデューサ表面から６０ｍｍ離れた点に焦点を合わせられる。各走査線は、全てのチャンネルに適用される５０μｓの遅延と６５ｄＢの利得とを有する。例えば、イメージングの実現可能性は、図４に示すように、４本の厚さ３００μｍのナイロンワイヤと共に水ファントム４２０を用いて判定することができる。第１〜第３の３本のワイヤを軸方向に約５ｍｍ、高さ方向に約７ｍｍ（対角線距離８．６ｍｍ）互いに離間させて配置する。第４のワイヤ４２０は、第３のワイヤから軸方向に１０ｍｍ、高さ方向に１３ｍｍ離間させて配置する。
【００５２】
ここでも、この詳細な具体例は、本発明を制限するものではなく、当業者による理解を補助するための特定の具体例に過ぎない。
【００５３】
図５は、例示的な実施形態において厚みモードで駆動される単層トランスデューサ（図５（ａ））及び２層横モードトランスデューサ（図５（ｂ））の電気的インピーダンス測定値を比較する図である。単層厚みモードトランスデューサの最大位相における空気中のインピーダンス振幅５００は、８４０ｋＨｚにおいて約３０００Ωであった。２層横モードトランスデューサの空気中のインピーダンス振幅は、７７０ｋＨｚにおいて７３．３±１．２Ωであり、これは、同じ寸法の単層トランスデューサの４１分の１である。これは、電気的整合回路の使用等の従来の手法を用いることなく、電気的インピーダンスを低減できることを示している。更に小さいアレイ素子の大きい電気的インピーダンスは、層の数とこれらの厚さを制御することによって、ソースインピーダンスに近付けることができる。
【００５４】
図６は、脱イオン水内で測定された、完全に組み立てられた３２素子２層横モードフェイズドアレイの電気的インピーダンスをプロットしたグラフを示している。これらのグラフは、それぞれ７７０ｋＨｚ、１．５ＭＨｚ及び３．４ＭＨｚにおける共振周波数を示している。横モードの素（６００）子では、７７０ｋＨｚに、厚みモードの単層トランスデューサ（６１０）では、３．４ＭＨｚに強いモードが現れている。ここで、厚みモードの２層素子の１．５ＭＨｚは、他の２つのモードほど強くなかった。７７０ｋＨｚにおける電気的インピーダンス振幅は、−１．２°の最大の位相角において、５８±３Ωである。
【００５５】
図７は、アレイから厚さ５ｃｍのアクリル板に反射した３２素子イメージングフェイズドアレイの中心素子からの典型的なパルスエコーインパルス応答を示している。図７（ａ）及び（ｂ）は、送信パルス測定値及びこれに対応する正規化されたＦＦＴを示している。この実施形態では、電気的インピーダンス不整合を補償するための整合回路は、使用していない。波形の−６ｄＢ及び−４０ｄＢのパルス幅は、それぞれ１．６μｓ及び３μｓであり、これらは、それぞれ７７０ｋＨｚにおける約１．２サイクル及び２．３サイクルに対応する。対応する正規化されたＦＦＴ（図７（ｄ））は、下側周波数６１２ｋＨｚ及び上側周波数１．０２ＭＨｚにおいて測定された約５２％の−６ｄＢの帯域幅でアレイの中心周波数が７７０ｋＨｚであることを示している。なお、幾つかの用途では、必要に応じて、電気的整合回路を使用してもよいが、本発明の設計及び技術は、幾つか若しくは多くの、又は全ての場合において、このような回路の必要性を軽減又は排除できる。
【００５６】
図８は、アレイを（０，０，３０）ｍｍ及び（０，１０，３０）ｍｍに焦点合わせした場合におけるＸＹ及びＹＺ平面における放射圧力場振幅測定（radiated pressure amplitude field measurements）を示している。この音場測定は、１次元線形アレイの優れた操縦能力を示している。
【００５７】
図９は、上述した４本の厚さ３００μｍのナイロンワイヤを収容した水槽のスキャンイメージを示している。第１〜第３のワイヤは、互いに軸方向に約５ｍｍ、高さ方向に７ｍｍ離間しているように示されており第４のワイヤ９００は、第３のワイヤ９１０から軸方向に１０ｍｍ、高さ方向に１３ｍｍ離間しているように示されている。
【００５８】
横方向に結合された同様のトランスデューサを用いて、異なる周波数で共鳴する異なる長さのトランスデューサプレートを製造することによって素子の帯域幅を増加させて、組み合わされた広帯域動作を実現することができる。
【００５９】
図１０は、このような横振動モード素子を有する４層ＰＺＴトランスデューサの具体例を示しており、図１１は、これに関連する周波数スペクトルを示している。幾つかの側面では、本発明に基づき、このような素子から１次元、１．５次元又は２次元のアレイを形成できる。
【００６０】
２つの異なる長さのプレート（例えば、１２０２、１２０４）からトランスデューサ素子を製造することによって、長さ（アレイの文脈では、トランスデューサアレイ素子のそれぞれの厚さ）に対応する所望の周波数で共鳴する二重周波数又は多重周波数アレイ１２００を形成できる。図１２（ａ）では、一対の異なる寸法の素子を示している。
【００６１】
図１２（ｂ）は、完全に組み立てられた２重周波数トランスデューサアレイ１２１０を示している。他の実施形態として、あらゆる数の周波数、全てのトランスデューサ、アレイ構成及び幾何的構成にこれを拡張することができる。トランスデューサアレイの面又は本体にアレイ素子を積層し、パッキングし及び分布させることも可能である。
【００６２】
また、上述のシステムを製造する方法は、それぞれ図１３及び図１４に示すように、１．５次元及び２次元のアレイに拡張することもできる。
【００６３】
図１４（ａ）は、例示的な２Ｄアレイの斜視図であり、複数の行及び列が構成された前面（トランスデューサ／エミッタ側）を示している。音響エネルギは、駆動されたトランスデューサの各素子から外側に向けて、通常、トランスデューサのアクティブ面から垂直に放射される。図１４（ｂ）は、前面（トランスデューサ／エミッタ側）から見た２Ｄアレイを示している。２Ｄアレイ１４００では、トランスデューサ素子の幅は、完全な多層素子が略々正方形になるように選択できる。したがって、より薄い及びより多くの数のプレートを用いて、所望のインピーダンスを実現することができる。
【００６４】
イメージングアレイについては、アレイの前面に音響インピーダンス整合層を追加することによって、又は異なる基材材料を用いることによって、狭い帯域幅を改善できる。素子設計において、より多くのトランスデューサ層を用いることによって、ＨＩＦＵアレイの電気−音響パワー変換効率を容易に高めることができる。このトランスデューサ構造は、完全にスケーリング可能であり、したがって、１００ＭＨｚ及びこれを超えるような高周波イメージングアレイをも構築できることが期待される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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