JP2011062224A - Ultrasonic transducer and ultrasonic probe - Google Patents

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JP2011062224A JP2009212663A JP2009212663A JP2011062224A JP 2011062224 A JP2011062224 A JP 2011062224A JP 2009212663 A JP2009212663 A JP 2009212663A JP 2009212663 A JP2009212663 A JP 2009212663A JP 2011062224 A JP2011062224 A JP 2011062224A
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隆亜 和田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ultrasonic transducer having relatively simple structure and manufacturing while the transmission/receiving sensitivity is improved. <P>SOLUTION: A UT array 21 includes a backing material 26, a lower electrode 27, a transmission/receiving piezoelectric body 28 transmitting/receiving ultrasonic waves and reflected waves, a first acoustic matching layer 29, a receiving piezoelectric body 30 receiving reflected waves, an upper electrode 31, a second acoustic matching layer 32 and an acoustic lens 33, which are sequentially layered on a plane-shaped pedestal 25 made of glass-epoxy resin, etc. The first acoustic matching layer 29 is conductive, and serves as an electrode common to the transmission/receiving piezoelectric body 28 and the receiving piezoelectric body 30. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、超音波の送信と反射波の受信を別の圧電体で行う超音波トランスデューサ、及びこれを用いた超音波プローブに関する。   The present invention relates to an ultrasonic transducer that performs transmission of ultrasonic waves and reception of reflected waves using separate piezoelectric bodies, and an ultrasonic probe using the ultrasonic transducer.

超音波プローブを利用した医療診断が盛んに行われている。超音波プローブの先端には、超音波トランスデューサ（以下、ＵＴと略す）が配されている。ＵＴは、バッキング材、圧電体およびこれを挟む電極、音響整合層、並びに音響レンズから構成される。ＵＴから被検体（人体）に超音波を照射し、被検体からの反射波をＵＴで受信する。これにより出力される検出信号を超音波観測器で電気的に処理することによって、超音波画像が得られる。   Medical diagnosis using an ultrasonic probe is actively performed. An ultrasonic transducer (hereinafter abbreviated as UT) is disposed at the tip of the ultrasonic probe. The UT includes a backing material, a piezoelectric body and electrodes sandwiching the piezoelectric material, an acoustic matching layer, and an acoustic lens. The subject (human body) is irradiated with ultrasonic waves from the UT, and the reflected wave from the subject is received by the UT. An ultrasonic image is obtained by electrically processing the detection signal output in this way with an ultrasonic observer.

また、超音波を走査しながら照射することにより、超音波断層画像を得ることも可能である。超音波断層画像を得る方法としては、ＵＴを機械的に回転あるいは揺動、もしくはスライドさせるメカニカルスキャン走査方式や、複数のＵＴをアレイ状に配列（以下、ＵＴアレイという）し、駆動するＵＴを電子スイッチ等で選択的に切り替える電子スキャン走査方式が知られている。   It is also possible to obtain an ultrasonic tomographic image by irradiating while scanning with ultrasonic waves. As a method for obtaining an ultrasonic tomographic image, a mechanical scan scanning method in which a UT is mechanically rotated, rocked, or slid, or a plurality of UTs arranged in an array (hereinafter referred to as a UT array) and driven UTs are arranged. An electronic scan scanning method that is selectively switched by an electronic switch or the like is known.

従来、同じ圧電体で超音波および反射波を送受信することが普通であったが、最近、超音波の送信と反射波の受信を別の圧電体で行うものが提案されている。送信用には、電気機械結合定数ｋ３３が比較的大きく、超音波の送信パワーに優れた無機系の圧電セラミックスが、受信用には、送信定数ｄ３３は小さいものの、受信定数ｇ３３が比較的大きく、反射波の受信感度に優れた有機系の高分子圧電体がそれぞれ用いられる。 Conventionally, ultrasonic waves and reflected waves are usually transmitted and received with the same piezoelectric body, but recently, transmission of ultrasonic waves and reception of reflected waves with separate piezoelectric bodies have been proposed. Comparison for transmission, the electromechanical coupling constant k 33 is relatively large, the inorganic piezoelectric ceramics having excellent transmission power of the ultrasound, the reception, although transmission constant d 33 is small, the reception constant g 33 Organic polymer piezoelectric bodies that are large and have excellent reflected wave reception sensitivity are used.

特許文献１では、音響レンズの底面（被検体と反対側の面）に送信用圧電体を、音響レンズの表面（被検体側の面）の凹部に複数の受信用圧電体をそれぞれ配置している。   In Patent Document 1, a transmitting piezoelectric body is disposed on the bottom surface (surface opposite to the subject) of an acoustic lens, and a plurality of receiving piezoelectric bodies are disposed on a concave portion on the surface of the acoustic lens (surface on the subject side). Yes.

特開平０６−１４８１５４号公報Japanese Patent Laid-Open No. 06-148154

被検体とＵＴとは、音響インピーダンスに大きな差がある。このため、音響整合層を設けて音響インピーダンス差を段階的に変化させて超音波の伝播損失を抑えている。しかしながら、特許文献１には、被検体とＵＴとの間の音響インピーダンス差の緩和を考慮した記載がない。   There is a large difference in acoustic impedance between the subject and the UT. For this reason, an acoustic matching layer is provided and the acoustic impedance difference is changed stepwise to suppress the propagation loss of ultrasonic waves. However, Patent Document 1 does not include a description considering relaxation of the acoustic impedance difference between the subject and the UT.

また、特許文献１に記載のＵＴは、音響レンズの表面に凹部を形成して、凹部に複数の受信用ＵＴを配置する等、構成が複雑で製造コストが嵩む。   Further, the UT described in Patent Document 1 has a complicated configuration such as forming a concave portion on the surface of the acoustic lens and arranging a plurality of receiving UTs in the concave portion, and increases the manufacturing cost.

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、より簡単な構成で製造コストも掛からず、さらに超音波および反射波の送受信感度を向上させることができる超音波トランスデューサ、及びこれを用いた超音波プローブを実現することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and uses an ultrasonic transducer capable of improving the transmission and reception sensitivity of ultrasonic waves and reflected waves with a simpler configuration and without requiring manufacturing costs, and the same. It aims at realizing an ultrasonic probe.

上記目的を達成するために、本発明の超音波トランスデューサは、被検体に超音波を送信する第一圧電体と、被検体からの反射波を受信する第二圧電体と、前記第一及び第二圧電体の間に設けられ、前記第一及び第二圧電体に共通する電極を兼ねた音響整合層とを積層したことを特徴とする。   In order to achieve the above object, an ultrasonic transducer of the present invention includes a first piezoelectric body that transmits ultrasonic waves to a subject, a second piezoelectric body that receives reflected waves from the subject, and the first and first piezoelectric bodies. An acoustic matching layer provided between two piezoelectric bodies and serving as an electrode common to the first and second piezoelectric bodies is laminated.

前記第二圧電体は、前記第一圧電体よりも被検体側に位置することが好ましい。前記第一圧電体は、無機材料からなり、前記第二圧電体は、有機材料からなることが好ましい。または、前記第二圧電体は、有機材料に無機材料を分散させた複合圧電体であることが好ましい。   The second piezoelectric body is preferably positioned closer to the subject than the first piezoelectric body. Preferably, the first piezoelectric body is made of an inorganic material, and the second piezoelectric body is made of an organic material. Alternatively, the second piezoelectric body is preferably a composite piezoelectric body in which an inorganic material is dispersed in an organic material.

前記音響整合層は、金属、特に銀を含有することが好ましい。前記音響整合層は、有機材料に金属を含有した複合体であることが好ましく、有機材料は、接着性を有していることが好ましい。また、前記金属は、金属ナノ粒子であることが好ましい。   The acoustic matching layer preferably contains a metal, particularly silver. The acoustic matching layer is preferably a composite containing a metal in an organic material, and the organic material preferably has adhesiveness. Moreover, it is preferable that the said metal is a metal nanoparticle.

前記音響整合層は、相対的に導電性の低い材料、又は導電性のない材料の表面を導電性のある材料で覆ったものであることが好ましい。   The acoustic matching layer is preferably a material having a relatively low conductivity or a surface of a non-conductive material covered with a conductive material.

本発明の超音波プローブは、上記の超音波トランスデューサを備えたことを特徴とする。   An ultrasonic probe according to the present invention includes the ultrasonic transducer described above.

本発明の超音波トランスデューサ及び超音波プローブによれば、第一及び第二圧電体の共通電極を兼ねた音響整合層を有するので、より簡単な構成で製造コストも掛からず、さらに超音波および反射波の送受信感度を向上させることができる。   According to the ultrasonic transducer and the ultrasonic probe of the present invention, since the acoustic matching layer serving also as the common electrode of the first and second piezoelectric bodies is provided, the manufacturing cost is reduced with a simpler configuration, and the ultrasonic wave and the reflection are further reduced. Wave transmission / reception sensitivity can be improved.

超音波診断装置の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of an ultrasound diagnosing device. 超音波トランスデューサアレイを示す一部破断斜視図である。It is a partially broken perspective view showing an ultrasonic transducer array. 超音波トランスデューサアレイ及び電気的構成を示す概略図である。It is the schematic which shows an ultrasonic transducer array and an electrical structure.

図１において、超音波診断装置２は、携帯型超音波観測器１０と体外式の超音波プローブ１１とで構成される。携帯型超音波観測器１０は、装置本体１２とカバー１３とからなる。装置本体１２の上面には、携帯型超音波観測器１０に種々の操作指示を入力するための複数のボタンやトラックボールが設けられた操作部１４が配されている。カバー１３の内面には、超音波画像をはじめとして様々な操作画面を表示するモニタ１５が設けられている。   In FIG. 1, the ultrasonic diagnostic apparatus 2 includes a portable ultrasonic observation device 10 and an external ultrasonic probe 11. The portable ultrasonic observation device 10 includes an apparatus main body 12 and a cover 13. On the upper surface of the apparatus body 12, an operation unit 14 provided with a plurality of buttons and a trackball for inputting various operation instructions to the portable ultrasonic observation device 10 is arranged. A monitor 15 for displaying various operation screens including an ultrasonic image is provided on the inner surface of the cover 13.

カバー１３は、ヒンジ１６を介して装置本体１２に取り付けられており、操作部１４とモニタ１５とを露呈させる図示する開き位置と、装置本体１２の上面とカバー１３の内面を対面させて、操作部１４とモニタ１５を互いに覆って保護する閉じ位置（図示せず）との間で回動自在である。装置本体１２の側面には、グリップ（図示せず）が取り付けられており、装置本体１２とカバー１３を閉じた状態で携帯型超音波観測器１０を持ち運ぶことができる。装置本体１２のもう一方の側面には、超音波プローブ１１が着脱自在に接続されるプローブ接続部１７が設けられている。   The cover 13 is attached to the apparatus main body 12 via a hinge 16, and the opening position shown in the figure that exposes the operation unit 14 and the monitor 15, the upper surface of the apparatus main body 12, and the inner surface of the cover 13 face each other. It is rotatable between a closed position (not shown) that covers and protects the unit 14 and the monitor 15. A grip (not shown) is attached to the side surface of the apparatus main body 12, and the portable ultrasonic observer 10 can be carried with the apparatus main body 12 and the cover 13 closed. A probe connecting portion 17 to which the ultrasonic probe 11 is detachably connected is provided on the other side surface of the apparatus main body 12.

超音波プローブ１１は、術者が把持して被検体にあてがう走査ヘッド１８と、プローブ接続部１７に接続されるコネクタ１９と、これらを繋ぐケーブル２０とからなる。走査ヘッド１８の先端部には、超音波トランスデューサアレイ（以下、ＵＴアレイと略す）２１が内蔵されている。   The ultrasonic probe 11 includes a scanning head 18 held by an operator and applied to a subject, a connector 19 connected to the probe connecting portion 17, and a cable 20 connecting them. An ultrasonic transducer array (hereinafter abbreviated as UT array) 21 is built in the tip of the scanning head 18.

図２において、ＵＴアレイ２１は、ガラス−エポキシ樹脂等の平板状の台座２５上に、バッキング材２６、下部電極２７、送受信用圧電体２８、第一音響整合層２９、受信用圧電体３０、上部電極３１、第二音響整合層３２、及び音響レンズ３３が順次積層された構造を有する。   In FIG. 2, a UT array 21 includes a backing material 26, a lower electrode 27, a transmission / reception piezoelectric body 28, a first acoustic matching layer 29, a reception piezoelectric body 30, on a flat base 25 such as glass-epoxy resin. The upper electrode 31, the second acoustic matching layer 32, and the acoustic lens 33 are sequentially stacked.

バッキング材２６は、超音波を放射する際の送受信用圧電体２８の自由振動を規制して、超音波の進行方向の分解能を向上させる。バッキング材２６には、振動を吸収できる様々な材料を用いることができ、無機材料、有機材料いずれも適用可能である。特に、エポキシ系樹脂などの樹脂材料や、塩素化ポリエチレンゴム、天然ゴム、ＳＢＲなどのゴム系材料は、音響インピーダンスが小さく、感度を落とさずに振動を吸収できるため、好ましい。   The backing material 26 restricts free vibration of the transmitting / receiving piezoelectric body 28 when radiating ultrasonic waves, and improves the resolution in the traveling direction of the ultrasonic waves. Various materials that can absorb vibration can be used for the backing material 26, and any of inorganic materials and organic materials can be applied. In particular, a resin material such as an epoxy resin, or a rubber material such as chlorinated polyethylene rubber, natural rubber, or SBR is preferable because it has low acoustic impedance and can absorb vibration without reducing sensitivity.

送受信用圧電体２８は、ＥＬ方向に長い短冊状をしており、ＥＬ方向と直交するアジマス方向（以下、ＡＺ方向と略す）に複数等間隔で配列されている。各送受信用圧電体２８の隙間およびその周囲には、充填剤３４が充填されている。   The transmission / reception piezoelectric bodies 28 have a long strip shape in the EL direction, and are arranged at a plurality of equal intervals in the azimuth direction (hereinafter abbreviated as AZ direction) orthogonal to the EL direction. Fillers 34 are filled in and around the gaps between the transmitting / receiving piezoelectric bodies 28.

送受信用圧電体２８は、厚みが０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度であり、第一音響整合層２９及び下部電極２７によって上下から挟み込まれている。第一音響整合層２９は導電性を有し、送受信用圧電体２８の上部電極を兼ねている。下部電極２７は、例えば金薄膜からなる。第一音響整合層２９及び下部電極２７には、リード線（図示省略）がそれぞれ接続されている。下部電極２７、送受信用圧電体２８、及び第一音響整合層２９は、これら一式で送受信用の超音波トランスデューサを構成する。   The transmission / reception piezoelectric body 28 has a thickness of about 0.1 mm to 0.5 mm, and is sandwiched from above and below by the first acoustic matching layer 29 and the lower electrode 27. The first acoustic matching layer 29 has conductivity and also serves as an upper electrode of the transmitting / receiving piezoelectric body 28. The lower electrode 27 is made of, for example, a gold thin film. Lead wires (not shown) are connected to the first acoustic matching layer 29 and the lower electrode 27, respectively. The lower electrode 27, the transmission / reception piezoelectric body 28, and the first acoustic matching layer 29 together constitute a transmission / reception ultrasonic transducer.

第一音響整合層２９に接続されたリード線は、接地されている（図３参照）。一方、下部電極２７に接続されたリード線は、携帯型超音波観測器１０に接続されている。携帯型超音波観測器１０には送受信回路（図３参照）４１が内蔵されており、この送受信回路４１から送受信用圧電体２８にパルス電圧が印加されると、送受信用圧電体２８が振動して超音波を発生し、これにより被検体の被観察部位に超音波が照射される。また、被観察部位からの反射波を受信すると、送受信用圧電体２８が振動して電圧を発生し、この電圧が受信信号として出力される。   The lead wire connected to the first acoustic matching layer 29 is grounded (see FIG. 3). On the other hand, the lead wire connected to the lower electrode 27 is connected to the portable ultrasonic observation device 10. The portable ultrasonic observation device 10 includes a transmission / reception circuit (see FIG. 3) 41. When a pulse voltage is applied from the transmission / reception circuit 41 to the transmission / reception piezoelectric body 28, the transmission / reception piezoelectric body 28 vibrates. Thus, an ultrasonic wave is generated, and the ultrasonic wave is irradiated to the observation site of the subject. Further, when the reflected wave from the site to be observed is received, the transmission / reception piezoelectric body 28 vibrates to generate a voltage, and this voltage is output as a reception signal.

送受信用圧電体２８には、圧電性を示す様々な無機材料を用いることができる。ＰＺＴを主体とするＰｂ系の圧電材料が非常に好ましい。特に、近年巨大圧電定数を示す材料として用途が広がっているＰＭＮ−ＰＴやＰＺＮ−ＰＴなどのリラクサ系の圧電単結晶が好ましい。これらは、電気機械結合定数ｋが大きく、印加された電圧に対する超音波の出力の割合（変換効率）が比較的高い。   Various inorganic materials exhibiting piezoelectricity can be used for the transmission / reception piezoelectric body 28. A Pb-based piezoelectric material mainly composed of PZT is very preferable. In particular, relaxor-type piezoelectric single crystals such as PMN-PT and PZN-PT, which have been widely used as materials exhibiting a large piezoelectric constant in recent years, are preferable. These have a large electromechanical coupling constant k, and a ratio of ultrasonic output to an applied voltage (conversion efficiency) is relatively high.

受信用圧電体３０は、音響整合層を兼ねており、第一、第二音響整合層２９、３２とともに、送受信用圧電体２８と人体との音響インピーダンスの差を段階的に緩和し、超音波の送受信感度を向上させる。また、第二音響整合層３２は、人体と受信用圧電体３０との音響インピーダンスの差を段階的に緩和し、超音波の受信感度を向上させる。   The receiving piezoelectric body 30 also serves as an acoustic matching layer, and together with the first and second acoustic matching layers 29 and 32, the difference in acoustic impedance between the transmitting and receiving piezoelectric body 28 and the human body is gradually reduced, and the ultrasonic wave Improve the transmission and reception sensitivity. The second acoustic matching layer 32 gradually reduces the difference in acoustic impedance between the human body and the receiving piezoelectric body 30 and improves the reception sensitivity of ultrasonic waves.

第一音響整合層２９には、音響インピーダンスが送受信用圧電体２８よりも小さくかつ受信用圧電体３０より大きい様々な導電性材料を用いることができる。具体的には、第一音響整合層２９は、金属ナノ粒子（直径１ｎｍ〜１００ｎｍ程度の金属粒子）と、接着性を有する樹脂とからなる混合物を焼成したものである。金属ナノ粒子として、銀ナノ粒子を含み、さらに好ましくは、金属ナノ粒子の全てが銀ナノ粒子である。銀ナノ粒子は、金属ナノ粒子のうち比較的樹脂に対する高分散性を有しているため、好適である。金属ナノ粒子含有樹脂を焼成すると、樹脂内で粒子が結合して導電性パスを形成する。これにより、高い導電性を得ることができる。なお、第一音響整合層２９は、相対的に導電性の低い材料や導電性のない材料の表面を導電性のある材料で覆った形態であってもよい。   For the first acoustic matching layer 29, various conductive materials having an acoustic impedance smaller than that of the transmitting / receiving piezoelectric body 28 and larger than that of the receiving piezoelectric body 30 can be used. Specifically, the first acoustic matching layer 29 is obtained by firing a mixture of metal nanoparticles (metal particles having a diameter of about 1 nm to 100 nm) and an adhesive resin. The metal nanoparticles include silver nanoparticles, and more preferably all of the metal nanoparticles are silver nanoparticles. Silver nanoparticles are suitable because they have relatively high dispersibility in resins among metal nanoparticles. When the metal nanoparticle-containing resin is baked, the particles are bonded in the resin to form a conductive path. Thereby, high electroconductivity can be obtained. The first acoustic matching layer 29 may have a form in which the surface of a material having relatively low conductivity or non-conductivity is covered with a conductive material.

受信用圧電体３０は、送受信用圧電体２８同様複数配列されているか、もしくはシート状のまま短冊状にパターン化された電極によって電気的に分割されている。各受信用圧電体３０の隙間およびその周囲には、充填剤３５が充填されている。   A plurality of receiving piezoelectric bodies 30 are arranged in the same manner as the transmitting / receiving piezoelectric bodies 28, or are electrically divided by electrodes patterned in the form of strips in a sheet form. Fillers 35 are filled in and around the gaps between the respective receiving piezoelectric bodies 30.

受信用圧電体３０は、厚みが０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍ程度であり、上部電極３１及び第一音響整合層２９によって上下から挟み込まれている。上述のように第一音響整合層２９は導電性を有し、送受信用圧電体２８の上部電極を兼ねているが、第一音響整合層２９は、さらに、受信用圧電体３０の下部電極を兼ねている。つまり、第一音響整合層２９は、送受信用圧電体２８及び受信用圧電体３０に共通する電極を兼ねている。上部電極３１は、例えば金薄膜からなり、リード線（図示省略）が接続されている。   The receiving piezoelectric body 30 has a thickness of about 0.05 mm to 0.3 mm, and is sandwiched from above and below by the upper electrode 31 and the first acoustic matching layer 29. As described above, the first acoustic matching layer 29 has conductivity and serves also as the upper electrode of the transmitting / receiving piezoelectric body 28. However, the first acoustic matching layer 29 further includes the lower electrode of the receiving piezoelectric body 30. Also serves as. That is, the first acoustic matching layer 29 also serves as an electrode common to the transmission / reception piezoelectric body 28 and the reception piezoelectric body 30. The upper electrode 31 is made of, for example, a gold thin film, and is connected to a lead wire (not shown).

上部電極３１に接続されたリード線は、携帯型超音波観測器１０に接続されている。受信用圧電体３０が反射波を受信すると、携帯型超音波観測器１０に内蔵された送受信回路４１（図３参照）に受信信号が入力される。第一音響整合層２９、受信用圧電体３０、及び上部電極３１は、これら一式で受信用超音波トランスデューサを構成する。   The lead wire connected to the upper electrode 31 is connected to the portable ultrasonic observation device 10. When the reception piezoelectric body 30 receives the reflected wave, a reception signal is input to the transmission / reception circuit 41 (see FIG. 3) built in the portable ultrasonic observation device 10. The first acoustic matching layer 29, the receiving piezoelectric body 30, and the upper electrode 31 constitute a receiving ultrasonic transducer in a set.

受信用圧電体３０には、音響インピーダンスが第一音響整合層２９より小さくて第二音響整合層３２より大きく、圧電性を示す様々な有機材料を用いることができる。ＰＶＤＦやＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）などのフッ化系材料が好ましい。これらは、受信定数ｇが大きく、超音波の受信感度が比較的高い。なお、受信用圧電体３０には、有機材料に無機材料を分散させた複合圧電体を用いることもできる。   The receiving piezoelectric body 30 can be made of various organic materials having an acoustic impedance smaller than that of the first acoustic matching layer 29 and larger than that of the second acoustic matching layer 32 and exhibiting piezoelectricity. Fluorinated materials such as PVDF and P (VDF-TrFE) are preferred. These have a large reception constant g and relatively high ultrasonic reception sensitivity. The receiving piezoelectric body 30 may be a composite piezoelectric body in which an inorganic material is dispersed in an organic material.

第二音響整合層３２には、音響インピーダンスが受信用圧電体３０より小さく人体より大きい様々な材料を用いることができる。具体的には、エポキシ系樹脂が挙げられる。   For the second acoustic matching layer 32, various materials having an acoustic impedance smaller than that of the receiving piezoelectric body 30 and larger than that of the human body can be used. Specific examples include epoxy resins.

音響レンズ３３は、送受信用圧電体２８から発せられる超音波を被観察部位に集束させる。音響レンズ３３は、例えばシリコーンゴムからなり、厚みは最大で１ｍｍ程度である。   The acoustic lens 33 focuses the ultrasonic wave emitted from the transmission / reception piezoelectric body 28 on the site to be observed. The acoustic lens 33 is made of, for example, silicone rubber and has a maximum thickness of about 1 mm.

ＵＴアレイ２１の各層を積層させる際に用いる接着剤には、様々な材料を適用することができる。特に、エポキシ系樹脂は、音響透過性と接合強度に優れ、また、コスト的にも安価であるため好ましい。   Various materials can be applied to the adhesive used when the layers of the UT array 21 are laminated. In particular, an epoxy resin is preferable because it is excellent in sound permeability and bonding strength and is inexpensive in terms of cost.

図３に示すように、送受信回路４１には、パルサ４２、レシーバ４３、第一Ａ／Ｄ４４、画像生成部４５、Ｔｘ／Ｒｘ４６、レシーバ４７、第二Ａ／Ｄ４８などが設けられている。   As shown in FIG. 3, the transmission / reception circuit 41 includes a pulser 42, a receiver 43, a first A / D 44, an image generation unit 45, a Tx / Rx 46, a receiver 47, a second A / D 48, and the like.

パルサ４２は、Ｔｘ／Ｒｘ４６を介して下部電極２７に接続されている。パルサ４２は、下部電極２７に対し、送受信用圧電体２８に超音波を発生させるための励振パルス（パルス電圧）を送信する。   The pulser 42 is connected to the lower electrode 27 via Tx / Rx 46. The pulsar 42 transmits an excitation pulse (pulse voltage) for generating ultrasonic waves to the transmitting / receiving piezoelectric body 28 to the lower electrode 27.

レシーバ４３は、Ｔｘ／Ｒｘ４６を介して下部電極２７に接続されている。レシーバ４３には、被観察部位で反射した超音波に基づく送受信用圧電体２８からの受信信号が入力され、これを増幅する。   The receiver 43 is connected to the lower electrode 27 via Tx / Rx46. The receiver 43 receives a reception signal from the transmission / reception piezoelectric body 28 based on the ultrasonic wave reflected from the observation site and amplifies it.

第一Ａ／Ｄ４４は、レシーバ４３からの受信信号に対してＡ／Ｄ変換を施し、受信信号をデジタル化する。第一Ａ／Ｄ４４でデジタル化された受信信号は、画像生成部４５に入力される。   The first A / D 44 performs A / D conversion on the received signal from the receiver 43 and digitizes the received signal. The reception signal digitized by the first A / D 44 is input to the image generation unit 45.

Ｔｘ／Ｒｘ４６には、パルサ４２及びレシーバ４３が接続されており、これらの入出力を選択的に切り替える。   A pulser 42 and a receiver 43 are connected to Tx / Rx 46, and these inputs and outputs are selectively switched.

レシーバ４７は、上部電極３１に接続されている。レシーバ４７は、レシーバ４３同様、受信用圧電体３０からの受信信号を増幅する。   The receiver 47 is connected to the upper electrode 31. Similarly to the receiver 43, the receiver 47 amplifies the reception signal from the reception piezoelectric body 30.

第二Ａ／Ｄ４８は、レシーバ４７からの受信信号に対してＡ／Ｄ変換を施し、受信信号をデジタル化する。第二Ａ／Ｄ４８でデジタル化された受信信号は、画像生成部４５に入力される。画像生成部４５は、第一及び第二Ａ／Ｄ４４、４８から入力された受信信号に基づいて超音波画像を生成し、モニタ１５に出力する。なお、送受信回路４１を構成する画像生成部４５以外の各部は、一組の送受信用圧電体２８、受信用圧電体３０毎にある。   The second A / D 48 performs A / D conversion on the reception signal from the receiver 47 and digitizes the reception signal. The reception signal digitized by the second A / D 48 is input to the image generation unit 45. The image generation unit 45 generates an ultrasonic image based on the reception signals input from the first and second A / Ds 44 and 48 and outputs the ultrasonic image to the monitor 15. Each unit other than the image generation unit 45 constituting the transmission / reception circuit 41 is provided for each pair of the transmission / reception piezoelectric body 28 and the reception piezoelectric body 30.

このように、導電性を有する第一音響整合層２９を、送受信用圧電体２８及び受信用圧電体３０に共通する電極として用いることで、別々の電極を用いた場合と比較して、構成が簡単で製造コストも掛からないＵＴアレイを容易に作製することができる。また、第一音響整合層２９は、金属ナノ粒子含有樹脂が用いられているから、高い導電性を示し、共通電極として十分に機能する。   As described above, the first acoustic matching layer 29 having conductivity is used as an electrode common to the transmission / reception piezoelectric body 28 and the reception piezoelectric body 30, so that the configuration is compared with the case where separate electrodes are used. A UT array that is simple and does not require manufacturing costs can be easily manufactured. Further, since the first acoustic matching layer 29 is made of a resin containing metal nanoparticles, the first acoustic matching layer 29 exhibits high conductivity and sufficiently functions as a common electrode.

さらに、第一音響整合層２９に用いられる樹脂は熱硬化性であり、受信用圧電体３０の接着剤として機能するから、第一音響整合層の成膜後、接着剤を塗布して受信用圧電体３０を積層する従来の工程に比べて、工程数の増加を抑えて、ＵＴアレイを容易に作製することができる。また、比較的薄層の電極数の増加も抑えられ、歩留まりの悪化が防止される。   Further, since the resin used for the first acoustic matching layer 29 is thermosetting and functions as an adhesive for the receiving piezoelectric body 30, after the first acoustic matching layer is formed, an adhesive is applied to receive the resin. Compared to the conventional process of laminating the piezoelectric bodies 30, the increase in the number of processes can be suppressed and the UT array can be easily manufactured. In addition, an increase in the number of relatively thin layers of electrodes can be suppressed, thereby preventing yield deterioration.

なお、超音波を送信する超音波トランスデューサとして、超音波の受信も行う送受信用圧電体２８を備えた場合を例に説明したが、送受信用圧電体２８に代えて、超音波の送信のみを行う送信用超音波トランスデューサを備えていてもよい。   Note that, as an example of the ultrasonic transducer that transmits ultrasonic waves, the transmission / reception piezoelectric body 28 that also receives ultrasonic waves has been described as an example. However, instead of the transmission / reception piezoelectric bodies 28, only ultrasonic transmission is performed. An ultrasonic transducer for transmission may be provided.

上部電極３１とレシーバ（増幅器）４７を接続する伝送線路が長くなると、伝送線路の持つ容量性抵抗により、上部電極３１とレシーバ４７との間の受信信号の電圧降下量が大きくなる。受信信号の電圧降下量が大きくなると、受信用圧電体３０で受信した超音波に基づく超音波画像の画質が劣化し、受信用圧電体３０に受信感度が高いものを用いた効果が半減する。   When the transmission line connecting the upper electrode 31 and the receiver (amplifier) 47 becomes longer, the voltage drop amount of the received signal between the upper electrode 31 and the receiver 47 increases due to the capacitive resistance of the transmission line. When the voltage drop amount of the reception signal increases, the image quality of the ultrasonic image based on the ultrasonic wave received by the reception piezoelectric body 30 deteriorates, and the effect of using the reception piezoelectric body 30 having high reception sensitivity is halved.

このため、上部電極３１とレシーバ４７を接続する伝送線路は、できるだけ短いことが好ましく、上部電極３１とレシーバ４７とを直近に配置することが好ましい。具体的には、レシーバ４７を、上記実施形態のように携帯型超音波観測器１０ではなく、走査ヘッド１８に内蔵する。   For this reason, it is preferable that the transmission line connecting the upper electrode 31 and the receiver 47 is as short as possible, and it is preferable that the upper electrode 31 and the receiver 47 are disposed closest to each other. Specifically, the receiver 47 is built in the scanning head 18 instead of the portable ultrasonic observer 10 as in the above embodiment.

［実施例１］
次に、ＵＴアレイ２１の各層を積層した実施例１を説明する。バッキング材２６には、１ｃｍ厚に切り出した塩素化ポリエチレンゴムを用いた。バッキング材２６上に、熱硬化型のエポキシ樹脂を用いてＦＰＣ（フレキシブルプリント回路）を接着した。 [Example 1]
Next, Example 1 in which the layers of the UT array 21 are stacked will be described. As the backing material 26, chlorinated polyethylene rubber cut out to a thickness of 1 cm was used. An FPC (flexible printed circuit) was bonded onto the backing material 26 using a thermosetting epoxy resin.

送受信用圧電体２８には、ＰＺＴ系圧電セラミックスであるＣ９２Ｈ（株式会社富士セラミックス製）を用いた。送受信用圧電体２８の両面を研磨して、その厚さを２６０μｍにした。送受信用圧電体２８の片面にＴｉ、Ｐｔ、Ａｕを順次スパッタリングして金属膜を形成した。送受信用圧電体２８の金属膜側を、バッキング材２６上のＦＰＣに接着した。接着剤には、銀ナノ粒子を含有した樹脂を用い、熱硬化させた。送受信用圧電体２８の音響インピーダンスは、約３１Ｍｒａｙｌであった。なお、バッキング材２６上に接着されたＦＰＣと、送受信用圧電体２８上に形成されたＴｉ、Ｐｔ、Ａｕの金属膜とは、下部電極２７を構成する。   For the transmitting / receiving piezoelectric body 28, C92H (manufactured by Fuji Ceramics Co., Ltd.), which is a PZT piezoelectric ceramic, was used. Both surfaces of the transmission / reception piezoelectric body 28 were polished to a thickness of 260 μm. Ti, Pt, and Au were sequentially sputtered on one surface of the transmitting / receiving piezoelectric body 28 to form a metal film. The metal film side of the transmitting / receiving piezoelectric member 28 was bonded to the FPC on the backing material 26. As the adhesive, a resin containing silver nanoparticles was used and thermally cured. The acoustic impedance of the transmitting / receiving piezoelectric body 28 was about 31 Mrayl. The FPC bonded on the backing material 26 and the Ti, Pt, and Au metal films formed on the transmitting / receiving piezoelectric material 28 constitute a lower electrode 27.

送受信用圧電体２８上に、第一音響整合層２９として、銀ナノ粒子を含有した樹脂（住友電気工業株式会社製）を厚さがλ／４（λ：超音波の波長）となるように塗布した。第一音響整合層２９の塗布後、約１８０℃の大気中で１時間の加熱により硬化させた。加熱後、第一音響整合層２９の音響インピーダンスは、約１２Ｍｒａｙｌであった。   A resin (manufactured by Sumitomo Electric Industries, Ltd.) containing silver nanoparticles is used as the first acoustic matching layer 29 on the transmitting / receiving piezoelectric material 28 so that the thickness becomes λ / 4 (λ: wavelength of ultrasonic waves). Applied. After the application of the first acoustic matching layer 29, it was cured by heating for 1 hour in an atmosphere of about 180 ° C. After heating, the acoustic impedance of the first acoustic matching layer 29 was about 12 Mrayl.

受信用圧電体３０には、音響インピーダンスが４．５ＭｒａｙｌのＰＶＤＦを用いた。受信用圧電体３０をλ／４の厚さに成型し、その片面にベタ電極（金属膜）を形成した。受信用圧電体３０をベタ電極の反対側で、第一音響整合層２９に接着した。接着剤には、銀ナノ粒子を含有した樹脂を用いた。なお、受信用圧電体３０に形成されたベタ電極は、上部電極３１を構成する。   PVDF having an acoustic impedance of 4.5 Mrayl was used for the receiving piezoelectric body 30. The receiving piezoelectric body 30 was molded to a thickness of λ / 4, and a solid electrode (metal film) was formed on one surface thereof. The receiving piezoelectric body 30 was bonded to the first acoustic matching layer 29 on the opposite side of the solid electrode. As the adhesive, a resin containing silver nanoparticles was used. The solid electrode formed on the receiving piezoelectric body 30 constitutes the upper electrode 31.

そして、音響インピーダンスが２Ｍｒａｙｌのエポキシ系樹脂を、その厚さがλ／４となるように研磨してから、第二音響整合層３２として上部電極３１上に、熱硬化型のエポキシ系接着剤を用いて接着した。同様に、第二音響整合層３２上に音響レンズ３３を接着した。   Then, after polishing the epoxy resin having an acoustic impedance of 2 Mrayl so that the thickness thereof becomes λ / 4, a thermosetting epoxy adhesive is applied on the upper electrode 31 as the second acoustic matching layer 32. And adhered. Similarly, the acoustic lens 33 was bonded onto the second acoustic matching layer 32.

なお、以下の例では、実施例１と同様の構成を省略して異なる部分を説明する。   In the following example, the same components as those in the first embodiment are omitted, and different parts will be described.

［実施例２］
送受信用圧電体２８には、リラクサ系圧電単結晶であるＰＭＮ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３系材料、ＪＦＥミネラル株式会社製）を用いた。送受信用圧電体２８の両面研磨により、その厚さを２４０μｍにした。送受信用圧電体２８の音響インピーダンスは、約２２Ｍｒａｙｌであった。 [Example 2]
The reception piezoelectric member 28, using a relaxor piezoelectric single crystal PMN-PT (Pb (Mg, Nb) O 3 -PbTiO 3 system material, manufactured by JFE Mineral Co.). The thickness of the transmitting / receiving piezoelectric member 28 was 240 μm by double-side polishing. The acoustic impedance of the transmitting / receiving piezoelectric body 28 was about 22 Mrayl.

実施例１と同様、第一音響整合層２９を積層してから、約１６０℃の大気中で１時間の加熱により硬化させた。加熱後、第一音響整合層２９の音響インピーダンスは、約１１Ｍｒａｙｌであった。   In the same manner as in Example 1, the first acoustic matching layer 29 was laminated and then cured by heating for 1 hour in an atmosphere of about 160 ° C. After heating, the acoustic impedance of the first acoustic matching layer 29 was about 11 Mrayl.

［比較例１］
送受信用圧電体２８の両面にＴｉ、Ｐｔ、Ａｕを順次スパッタリングして金属膜を形成した。両面に金属膜が形成された送受信用圧電体２８を、バッキング材２６上のＦＰＣに接着した。接着剤には、銀ナノ粒子を含有した樹脂を用い、１００℃の大気中で１時間加熱して熱硬化を行った。送受信用圧電体２８の音響インピーダンスは、約３１Ｍｒａｙｌであった。 [Comparative Example 1]
Ti, Pt, and Au were sequentially sputtered on both surfaces of the transmission / reception piezoelectric body 28 to form metal films. The transmission / reception piezoelectric body 28 having metal films formed on both sides was bonded to the FPC on the backing material 26. As the adhesive, a resin containing silver nanoparticles was used, and heat curing was performed by heating in an air at 100 ° C. for 1 hour. The acoustic impedance of the transmitting / receiving piezoelectric body 28 was about 31 Mrayl.

比較例１では、第一音響整合層２９を積層せず、その代わり、送受信用圧電体２８の上面に形成した金属膜を上部電極とした。また、受信用圧電体３０を積層せず、その代わり、音響インピーダンスが８Ｍｒａｙｌのジルコニア粒子分散エポキシ系樹脂を、その厚さがλ／４となるように研磨してから、音響整合層として送受信用圧電体２８上に積層した。接着剤には、熱硬化型のエポキシ系のものを用い、加熱により硬化させた。   In Comparative Example 1, the first acoustic matching layer 29 was not laminated, and instead, a metal film formed on the upper surface of the transmitting / receiving piezoelectric body 28 was used as the upper electrode. In addition, the piezoelectric body 30 for reception is not laminated, and instead, a zirconia particle-dispersed epoxy resin having an acoustic impedance of 8 Mrayl is polished so as to have a thickness of λ / 4 and then used as an acoustic matching layer for transmission and reception. Laminated on the piezoelectric body 28. As the adhesive, a thermosetting epoxy type was used and cured by heating.

さらに、音響インピーダンスが３Ｍｒａｙｌのエポキシ系樹脂を、その厚さがλ／４となるように研磨してから、第二音響整合層３２として、熱硬化型のエポキシ系接着剤を用いて接着した。   Further, an epoxy resin having an acoustic impedance of 3 Mrayl was polished so as to have a thickness of λ / 4, and then bonded as a second acoustic matching layer 32 using a thermosetting epoxy adhesive.

Figure 2011062224
Figure 2011062224

上記表１は、すでに説明した、各実施例及び比較例１における各層の材料と音響インピーダンス［Ｍｒａｙｌ］との関係をまとめたものである。送受信用圧電体２８は、実施例２だけが２２Ｍｒａｙｌの音響インピーダンスを有したリラクサ系圧電単結晶を材料とするが、その他の例では、３１Ｍｒａｙｌの音響インピーダンスを有したＰＺＴ系圧電セラミックスを材料とする。   Table 1 above summarizes the relationship between the material of each layer and the acoustic impedance [Mrayl] in each of the examples and comparative examples 1 described above. The transmission / reception piezoelectric body 28 is made of a relaxor piezoelectric single crystal having an acoustic impedance of 22 Mrayl only in Example 2, but in other examples, a PZT piezoelectric ceramic having an acoustic impedance of 31 Mrayl is used as a material. .

第一音響整合層２９は、実施例１、２では、銀ナノ粒子含有樹脂を材料とする。その音響インピーダンスは、実施例１では１２Ｍｒａｙｌであり、実施例２では１１Ｍｒａｙｌである。一方、比較例１では、第一音響整合層２９を備えていない。   In Examples 1 and 2, the first acoustic matching layer 29 is made of a silver nanoparticle-containing resin. The acoustic impedance is 12 Mrayl in the first embodiment and 11 Mrayl in the second embodiment. On the other hand, in Comparative Example 1, the first acoustic matching layer 29 is not provided.

受信用圧電体３０は、実施例１、２では、４．５ＭｒａｙｌのＰＶＤＦを材料とする。一方、比較例１では、受信用圧電体３０の代わりに、８Ｍｒａｙｌの音響インピーダンスを有したジルコニア粒子分散エポキシ系樹脂を備えている。   In the first and second embodiments, the receiving piezoelectric body 30 is made of 4.5 Mrayl PVDF. On the other hand, in Comparative Example 1, a zirconia particle-dispersed epoxy resin having an acoustic impedance of 8 Mrayl is provided instead of the receiving piezoelectric body 30.

第二音響整合層３２は、全ての例でエポキシ系樹脂を材料とする。その音響インピーダンスは、比較例１だけが３Ｍｒａｙｌであるが、その他の例では２Ｍｒａｙｌである。   The second acoustic matching layer 32 is made of an epoxy resin in all examples. The acoustic impedance is 3 Mrayl only in Comparative Example 1, but 2 Mrayl in other examples.

各実施例及び比較例１で作製したＵＴアレイ２１の受信感度を調べる試験を行った。超音波は、伝播するうちに歪んだ波形となり、基本波の周波数の整数倍である高調波成分を含むこととなる。各実施例では、基本波に加えて、第二次高調波（基本波の周波数の２倍の周波数の音波）を感度良く受信した。   A test was conducted to examine the reception sensitivity of the UT array 21 produced in each example and comparative example 1. The ultrasonic wave becomes a distorted waveform while propagating, and includes a harmonic component that is an integral multiple of the frequency of the fundamental wave. In each example, in addition to the fundamental wave, the second harmonic (a sound wave having a frequency twice the frequency of the fundamental wave) was received with high sensitivity.

これに対し、比較例１では、送信周波数が所定以上の場合、基本波を受信することができたが、第二次高調波を受信することはできなかった。なお、送信周波数を下げることで、第二次高調波を受信することも可能であったが、このときの送信周波数は、超音波撮像を行うためには不十分であった。   On the other hand, in Comparative Example 1, when the transmission frequency was equal to or higher than the predetermined frequency, the fundamental wave could be received, but the second harmonic could not be received. Note that it was possible to receive the second harmonic by lowering the transmission frequency, but the transmission frequency at this time was insufficient to perform ultrasonic imaging.

このように、送受信用圧電体２８とは別に受信用圧電体３０を備えたことで、基本波に加えて第二次高調波を感度良く受信することが可能となった。   As described above, the reception piezoelectric body 30 is provided separately from the transmission / reception piezoelectric body 28, so that the second harmonic can be received with high sensitivity in addition to the fundamental wave.

上記実施形態では、いわゆるコンベックス電子走査型の体外式の超音波プローブを例示したが、ラジアル電子走査型、あるいは１個のＵＴを機械的に回転あるいは揺動、もしくはスライドさせるメカニカルスキャン走査方式の超音波プローブでもよい。電子内視鏡の鉗子チャンネルに挿入される体内式の超音波プローブや、電子内視鏡と一体化された超音波内視鏡についても本発明は適用可能である。   In the above embodiment, a so-called convex electronic scanning type extracorporeal ultrasonic probe has been exemplified. However, a radial electronic scanning type or a mechanical scanning scanning type ultrasonic probe that mechanically rotates, swings, or slides a single UT. An acoustic probe may be used. The present invention can also be applied to an in-vivo ultrasonic probe inserted into a forceps channel of an electronic endoscope or an ultrasonic endoscope integrated with an electronic endoscope.

２ 超音波診断装置
１１ 超音波プローブ
２１ 超音波トランスデューサアレイ（ＵＴアレイ）
２７ 下部電極
２８ 送受信用圧電体
２９ 第一音響整合層
３０ 受信用圧電体
３１ 上部電極 2 Ultrasonic diagnostic equipment 11 Ultrasonic probe 21 Ultrasonic transducer array (UT array)
27 Lower electrode 28 Transmission / reception piezoelectric body 29 First acoustic matching layer 30 Reception piezoelectric body 31 Upper electrode

Claims (11)

被検体に超音波を送信する第一圧電体と、
被検体からの反射波を受信する第二圧電体と、
前記第一及び第二圧電体の間に設けられ、前記第一及び第二圧電体に共通する電極を兼ねた音響整合層とを積層したことを特徴とする超音波トランスデューサ。 A first piezoelectric body that transmits ultrasonic waves to the subject;
A second piezoelectric body for receiving a reflected wave from the subject;
An ultrasonic transducer comprising an acoustic matching layer provided between the first and second piezoelectric bodies and serving as an electrode common to the first and second piezoelectric bodies. 前記第二圧電体は、前記第一圧電体よりも被検体側に位置することを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。   The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the second piezoelectric body is located closer to the subject than the first piezoelectric body. 前記第一圧電体は、無機材料からなり、
前記第二圧電体は、有機材料からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波トランスデューサ。 The first piezoelectric body is made of an inorganic material,
The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the second piezoelectric body is made of an organic material. 前記第一圧電体は、無機材料からなり、
前記第二圧電体は、有機材料に無機材料を分散させた複合圧電体であることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波トランスデューサ。 The first piezoelectric body is made of an inorganic material,
The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the second piezoelectric body is a composite piezoelectric body in which an inorganic material is dispersed in an organic material. 前記音響整合層は、金属を含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。   The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the acoustic matching layer contains a metal. 前記金属には、銀が含まれることを特徴とする請求項５に記載の超音波トランスデューサ。   The ultrasonic transducer according to claim 5, wherein the metal includes silver. 前記音響整合層は、有機材料に金属を含有した複合体であることを特徴とする請求項５又は６に記載の超音波トランスデューサ。   The ultrasonic transducer according to claim 5, wherein the acoustic matching layer is a composite containing a metal in an organic material. 前記音響整合層を構成する有機材料は、接着性を有していることを特徴とする請求項７に記載の超音波トランスデューサ。   The ultrasonic transducer according to claim 7, wherein the organic material constituting the acoustic matching layer has adhesiveness. 前記金属は、金属ナノ粒子であることを特徴とする請求項５〜８のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。   The ultrasonic transducer according to claim 5, wherein the metal is a metal nanoparticle. 前記音響整合層は、相対的に導電性の低い材料、又は導電性のない材料の表面を導電性のある材料で覆ったものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。   5. The acoustic matching layer according to claim 1, wherein a surface of a material having relatively low conductivity or a material having no conductivity is covered with a conductive material. Ultrasonic transducer. 請求項１〜１０のいずれかに記載の超音波トランスデューサを備えたことを特徴とする超音波プローブ。   An ultrasonic probe comprising the ultrasonic transducer according to claim 1.
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