CN102197660A - 声振子以及图像生成装置 - Google Patents

Abstract

一种声振子(56)，具有：第一振子(56A)，其发送具有两种频率成分的一次声波；以及第二振子(56B)，其为了接收伴随一次声波的传播而产生的二次声波的反射波被配置成从一次声波的发送方向观察时，接收反射波的区域与第一振子(56A)相重叠。

Description

声振子以及图像生成装置

技术领域

本发明涉及一种声振子以及图像生成装置，特别是涉及一种发送一次声波并接收二次声波的声振子以及使用多个该声振子的图像生成装置。

背景技术

以往众所周知，如果放射大振幅的声波，则由于传播介质的非线性特性而会发生传播波形与所放射的原波形(初始波形)不同的波形失真(波形变化)。

发生该失真的现象特别是在超过音频的超声波领域中表现明显。而且，已知该波形失真并非在离声振子某一特定距离的位置处突然发生，而是基于伴随传播而失真量逐渐增加的失真累积效应，在超声波的大频率范围内发生。下面将该初始波形的放射声波称为一次声波。另外，将基于上述失真累积效应产生的非线性声波称为二次声波。

当一次声波由单一频率成分构成时产生具有整数倍的频率成分的二次声波，将这些二次声波称为第二高次谐波信号、第三高次谐波信号以及第n高次谐波等，目前市面上正出售一种使用这些二次声波的医疗超声波成像装置。

另一方面，当一次声波由两种频率成分构成时，作为非线性声波产生两种频率成分的和信号以及差信号，通常将后者称为参量信号(parametric signal)，但是广义上有时将二者都称为参量信号。该参量信号是具有频率f1的一次声波和具有频率f2的一次声波随着传播而根据非线性效应产生的频率为|f1-f2|或f1+f2的二次声波，并具有如下特征：随着传播，由于该累积效应而参量信号的振幅逐渐增大。此外，除非下面另有说明否则将差信号称为参量信号来进行说明。

已知该参量信号具有如下特征：由于该参量信号的频率低于一次声波的频率，因此能够进行长距离的传播(即，高的深度到达度)。并且，参量信号与相同频率的基波相比还具有如下特征：参量信号的波束扩张小(即，高的横向分辨率)，不产生旁瓣(即，高的对比度分辨率)。

另一方面，由于参量信号的频率低于一次声波的频率，因此参量信号还具有如下特征：参量信号的深度方向分辨率劣于一次声波(基波)的深度方向分辨率。并且，在使用参量信号的参量成像中优选的是将参量信号中混入的一次声波成分、参量信号的高次谐波抑制为尽可能低的水平，该对策能够实现高信噪比的成像。该对策具有与已被实际应用的谐波成像(harmonic imaging)中的脉冲反相(inversion)技术同等的必要性。

在脉冲反相技术中，隔着时间间隔，首先施加具有正相的频率f成分的电压信号来发送正相的一次声波，接着，施加具有反相的频率f成分的电压信号来发送反相的一次声波。这两种声波的波形完全相同，只是其基波成分的相位互相反转。从而，在不同的时刻发送互相反相的超声波。

然而，无论施加电压的极性是正还是负，都会将高次谐波、例如第二高次谐波进行平方运算来形成正极性的二次声波。当将这两种一次声波成分以及二次声波成分分别相加时，由于一次声波成分是反相的，因此相加后一次声波成分成为0，从而仅剩下作为高次谐波成分的二次声波。

作为将两种声波相加的方法，存在如下一种方法：将对先前的声音接收波进行电压转换而得到的信号暂时存储到存储器中，当接收到对后续的声音接收波进行电压转换而得到的信号时，读出暂时存储在存储器中的信号并进行相加处理，从而仅取出高次谐波成分。

众所周知，基波成分的残余会导致产生旁瓣，是形成斑纹(speckle)的原因。另外，斑纹随着基波成分的残余量的增加而增加。

如上所述，现有的脉冲反相技术是通过抵消在时间轴上反转的一次声波来抑制基波成分的技术。关于如此抑制作为基波成分的一次声波的技术，提出了一种用于解决如下问题的提案：在可听声参量扬声器的技术领域中，用参量扬声器播放的可听声中包含大量的高次谐波失真、交叉调制失真，与电动型扬声器相比声音清晰度低，另外有时在收听过程中会感到不适感。该提案所涉及的技术例如在如下文献中公开：文献“鎌倉友男、酒井新一、野村英之、秋山正彦《一次波の位相差励起によるパラメトリツク可聴音》，美国声音学会志2008年5月、第123卷第5号第3694页(Kamakura T、Sakai S、Nomura H、Akiyama M《Parametric audible sounds by phase-cancellation excitation of primary waves》、J Acoust Soc Am.2008 May；123(5)：3694)”。

该提案是如下一种方法：发送互相反相的一次声波，并通过利用能够抑制一次声波的声场区域来抑制一次声波，从而能够产生可听声区域的二次声波。

另外，还有针对参量声波是在生物体组织或者水中传播的超声波的情况的提案。

例如，提出了如下一种采用参量声振子法的超声波图像处理方法：从超声波探头向被检体发射对中心频率进行固定宽度频率的振幅调制后得到的振幅调制波或者具有两种频率成分的超声波，并由超声波探头接收在被检体内产生的至少包含差频率成分的回波，对接收到的回波进行信号处理后得到超声波图像。该提案所涉及的技术例如在日本特开平8-80300号公报中公开。根据该提案，能够基于衰减量少的超声波图像进行诊断。

另外，提出了如下一种方法：将由第一超声波振子发送的具有第一频率成分的超声波和由第二超声波振子发送的具有第二频率成分的超声波以期望角度进行发送以在目标患部相交叉，由第一超声波振子接收来自交叉处的患部位置的反射信号所包含的差信号、和信号、高次谐波信号以及分频信号。该提案所涉及的技术例如在日本特开平2003-116848号公报中公开。根据该提案的参量诊断装置，能够清晰地显示患部的形状等。

上述的各提案的技术都使用了作为参量信号的特征的如下现象：衰减小，声波信号传播到远处，与相同频率的基波相比定向性高。

但是，在距离测量中，如果接收信号中混有来自声源的超声波信号，则超声波信号中包含大量的高次谐波失真、交叉调制失真，从而使飞行时间(time of flight)不明确，测距精度降低。

就医疗用参量超声波诊断用而提出的超声波振子具有能够同时发送频率为f1的频率信号和频率为f2的频率信号的振子单元以及与参量信号选择性地发生共振的振子单元。因而，使参量信号在接收信号中所占的比例得到改善，是将原来只具有与基波相比小20dB以上的声压的参量信号的相对水平提高为与基波同等水平的程度。另外，由一次声波的残余导致的波形失真作为噪声叠加到参量信号中，从而不能充分发挥参量信号的特征、即衰减小、传播距离远、与相同频率的基波相比定向性高的特征。

即，由于参量信号(二次声波)的信号水平低于所发送的超声波信号(一次声波)的水平而引起距离测量中的飞行时间不明确，这导致距离测量的测量精度下降。并且，在应用于医疗用超声波诊断装置中的情况下，由一次声波的残余导致的波形失真作为噪声叠加到参量信号中，由此产生了对比度分辨率降低的问题。

另外，提出了参量扬声器，该参量扬声器在音频区域发送互相反相的一次声波并通过利用能够抑制一次声波的声场区域来能够抑制一次声波，但是，例如应用于医疗用参量成像的超声波振子必须阵列化、细径化。因此，声振子不仅要具有发送及接收功能，还要求结构简单、小型。

并且，在应用于医疗成像的情况下，一次声波的旁瓣的存在是导致对比度分辨率降低的原因，但是仅依靠上述参量扬声器的技术不能抑制旁瓣，从而需要使用抑制一次声波的旁瓣信号的装置。

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供如下一种声振子以及使用多个该声振子的图像生成装置，该声振子在充分发挥参量信号所具有的衰减小且能够远距离传播的特征以及定向性远比相同频率的基波信号好的特征的同时，能够在接收部中大幅抑制一次声波，并且该声振子结构简单且小型。

发明内容

用于解决问题的方案

本发明的声振子具有：第一振子，其发送具有两种频率成分的一次声波；以及第二振子，其为了接收伴随上述一次声波的传播而产生的二次声波的反射波被配置成从上述一次声波的发送方向观察时，接收上述反射波的区域与上述第一振子相重叠。

附图说明

图1是本发明的第一实施方式所涉及的声振子的发送部的俯视图。

图2是用于说明本发明的第一实施方式所涉及的声振子的发送部的侧面以及声波的状态的侧视图。

图3是用于驱动本发明的第一实施方式所涉及的发送部的发送电路图。

图4是用于说明本发明的第一实施方式所涉及的、两个一次声波相互作用而形成特殊声场的示意图，所述的两个一次声波来自两个区域，互相反相且具有f1频率成分和f2频率成分。

图5是用于说明本发明的第一实施方式所涉及的区域SSpara附近的声场的图。

图6是用于说明本发明的第一实施方式所涉及的图5所示的发送部的结构的示意性的立体图。

图7是表示本发明的第一实施方式所涉及的一次声波和二次声波的传播轴方向的声压分布的曲线图。

图8是表示本发明的第一实施方式所涉及的以同相驱动6MHz的一次声波时的、距离声源100mm的位置处的波束宽度方向的一次声波的声场的曲线图。

图9是表示本发明的第一实施方式所涉及的以反相驱动6MHz的一次声波时的、距离声源100mm的位置处的波束宽度方向的一次声波的声场的曲线图。

图10a是表示本发明的第一实施方式所涉及的距离声源100mm的位置处的波束宽度方向的1MHz的二次声波的声场的曲线图。

图10b是表示频率与二次声波的频率相同的基波的波束方向的声场的曲线图。

图11表示本发明的第一实施方式所涉及的作为产生互为反转关系的一次声波的单元的声振子的发送部的结构的其它例。

图12是用于说明本发明的第一实施方式所涉及的、其它结构所涉及的发送部的结构的示意性的立体图。

图13是表示本发明的第一实施方式所涉及的收发型参量声振子的结构的截面图。

图14是本发明的第一实施方式所涉及的、具有使用了频率降低板的发送部的结构的参量声振子的截面图。

图15是用于说明本发明的第一实施方式所涉及的发送一次声波的情况的图。

图16是本发明的第一实施方式所涉及的驱动脉冲信号的波形图。

图17是用于说明本发明的第一实施方式所涉及的驱动脉冲信号的信号谱的图。

图18是用于说明本发明的第一实施方式所涉及的接收二次声波的图。

图19是表示本发明的第二实施方式所涉及的参量声振子的结构的截面图。

图20是表示本发明的第二实施方式所涉及的参量声振子的结构的截面图。

图21是表示本发明的第二实施方式所涉及的参量声振子的结构的俯视图。

图22是表示使用多个本发明的第二实施方式所涉及的参量声振子并将其配置成阵列状的声振子群的例子的俯视图。

图23是使用静电型振子来作为本发明的第三实施方式所涉及的振子的参量信号收发系统的结构图。

图24是本发明的第三实施方式所涉及的静电型振子的俯视图。

图25是本发明的第三实施方式所涉及的静电型振子的截面图。

图26是表示本发明的第三实施方式的变形例所涉及的参量声振子的结构的俯视图。

图27是具有将本发明的各实施方式所说明的收发型参量声振子用作超声波换能器的超声波内窥镜的超声波内窥镜系统的结构图。

图28是将本发明的各实施方式所说明的收发型参量声振子应用于作为非破坏检查装置的一例的超声波探伤装置的图。

具体实施方式

下面，使用附图来说明本发明的实施方式。

(第一实施方式)

对本发明的第一实施方式进行说明。首先，针对发送具有两种频率成分的一次声波的发送部进行说明。

图1和图2是用于说明本实施方式所涉及的声振子的发送部的基本结构的图。图1是本实施方式所涉及的声振子的发送部的俯视图。图2是用于说明本实施方式所涉及的声振子的发送部的侧面和声波的状态的侧视图。

如图1所示，作为振子的发送部1000具有由互相相邻地配置的一对声振子(以下还称为振子)1和2构成的发送区域。由两个振子1和2来构成参量声振子的发送部1000。在此，各振子1和2分别是矩形形状的薄板状压电元件的振动板。矩形形状的一条边的长度为a，另一条边的长度为2a。如后述那样，一对振子中的一个振子所发送的声波与另一个振子所发送的声波的相位是反转的。也就是说，发送部1000是能够从两个区域发送相位互相反转的声波的结构。

如图2所示，两个振子被驱动成如果振子1输出的一次声波3为疏、密、疏、密、…，则振子2输出的一次声波4为密、疏、密、疏、…。

图3是用于驱动本实施方式所涉及的发送部1000的发送电路图。

如图3所示，发送电路构成为包括：两个信号源5和6、加法器7、门极(gate)8、反相器9以及两个功率放大器10和11。

两个信号源5和6分别是信号发生器，这两个信号源向加法器7输出用于从振子1和2发送声波的、与一次声波的发送频率f1和f2对应的两个信号。加法器7将两个信号相加，并将相加得到的信号输出到门极8。

门极8是调制电路，经门极8调制后的信号被直接输入到功率放大器10或经由反相器9被输入到功率放大器11。功率放大器10和11的输出分别被提供给振子1和2。由两个振子1和2输出相位互相反转的一次声波。

例如，在将一次声波的频率设为5MHz和6MHz并将1MHz的参量信号设为二次声波的情况下，基于利用KZK(Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov)的非线性微分方程式算出的结果来说明这些声场。

对其中一个振子1施加电压信号S12，该电压信号S12是将相当于一次声波成分f1(例如5MHz)和f2(例如6MHz)的两种频率成分进行合成而得到的信号，振子1发送频率成分为f1和f2的一次声波的声音疏密波。具有这些频率成分的一次声波成分随着传播，通过非线性的相互作用产生和成分(f1+f2＝11MHz)的非线性信号以及差成分|f1-f2|＝1MHz的非线性信号，这些非线性信号通过其累积效应随着传播而声压逐渐增大。这样，通过三角函数的积化和差公式能够容易地导出根据两种频率成分产生和的频率成分和差的频率成分的过程。即，所谓声音信号sinω₁t与声音信号sinω₂t进行非线性相互作用是指新产生由二者的积sinω₁t·sinω₂t所表示的声波，如果使用三角函数的积化和差公式进行展开，则

sinω₁t·sinω₂t＝{cos(ω₁+ω₂)t-cos(ω₁-ω₂)t}/2，

使用出现和成分(ω₁+ω₂)与差成分(ω₁-ω₂)的情况来进行说明。

另外，对上述一对振子中的另一个振子2施加与施加于振子1的电压信号S12反相的电压信号(-S12)。由此从振子2发送与来自振子1的一次声波反相的一次声波。然后，具有这些频率成分的一次声波成分随着传播而进行非线性相互作用，其结果是产生了和成分(f1+f2＝11MHz)的信号以及差成分(|f1-f2|＝1MHz)的信号，这些非线性信号通过其累积效应随着传播而声压逐渐增大。

但是，振子2的一次声波信号与振子1的声音疏密波的信号是反相的。

此外，在图3中，预先生成电压信号S12，该电压信号S12是通过加法器将来自频率为f1的信号源5的信号S1与来自频率为f2的信号源6的信号S2进行合成而得到的信号，将该合成电压信号S12经由门极8施加到振子1和2，但是也可以设置一对发送频率为f1的一次声波信号的专用振子和发送频率为f2的一次声波信号的专用振子，通过同时驱动这一对振子得到参量信号。并且，也可以设置另一对相同结构的振子，并对该一对振子施加与施加于上述一对振子的电压信号反相的电压信号。

图4是用于说明由两个一次声波相互作用而形成特殊声场的示意图，其中所述两个一次声波来自两个区域、互相反相且具有f1频率成分和f2频率成分。

在图4中，在由振子1和2的两个振动板输出的声波区域SS1和声波区域SS2中，不仅分别包含一次声波f1和f2，还形成有参量信号(频率为|f1-f2|)以及高次谐波成分(频率为nf1、nf2。n是大于等于2的整数)、和音(频率为f1+f2)。此外，在区域SS1和区域SS2中还产生高次谐波成分间的和、差信号，但是声压级远小于参量信号、高次谐波信号，因此可以忽略。

然后，在分别作为声场的区域SS1和区域SS2相重叠的区域SSpara中，形成特殊声场区域。在一次波信号和二次波信号相混合的该特殊区域SSpara中不形成一次声波声场。在图5中示意性地示出了该声场的情况。

图5是用于说明区域SSpara附近的声场的图。图5还示出了声振子的发送部的结构例，该声振子作为产生互为反转关系的一次声波的单元。图6是用于说明图5示出的发送部1000的结构的示意性的立体图。

两个振子1和2以两片形成一个压电振子，如图5所示，该极化方向15和16以中间的边界部701为界互相朝向相反的方向。并且，共用电极18和19以分别夹持由板状的两个振子1和2构成的两个区域的方式形成在两个振子1和2的表面及背面的整个面。从交流的信号源35向分别与两个电极18和19相连接的端子20和21之间施加电压信号。在施加了该电压信号的情况下，当在振子1的区域内电场17的方向与极化方向15一致时，在振子2的区域内电场17的方向与极化方向16相反。

在制作两个振子1和2时，例如制作一个在两面的整个面上形成有电极的压电板并对整面进行均匀的极化。将该制成的一个压电板分割为两个，将其中一个翻过来后以其截面与另一个压电板相粘接等的方法进行接合。对接合后的两个压电板用导电糊剂等进行接线以使配置于同一侧的电极处于相同电位，由此能够将两个振子1和2制作成一个振子。当然也可以通过如下方法等的其它方法来制作振子1和2：将一个压电元件中的一个电极一分为二，改变极性并进行极化，之后，对分割后的电极进行溅镀、使用导电树脂进行接线。

因而，如果振子1产生伸、缩波，则振子2产生缩、伸波，因此振子1和2能够发送互相反相的一次声波。另外，即使向该结构的压电振子入射超声波，每个极化区域上的电极中通过压电效应而产生的异极性电荷也会被横跨两区域而形成的电极18和19中和，从而不会产生电压信号。因而，振子1和2即使接收到一次声波也不会输出电压。即，该结构的压电振子即使发送互相反相的一次声波，在接收时也不输出信号。

在图5中，用疏密的形式表示从参量声振子的发送部1000输出的一次声波。另外，曲线图G1表示沿A-A’线的、一次声波和二次声波的径向声压强度(波束图)，曲线G2示意性地表示沿B-B’线的一次声波的声压强度以及沿着中心轴23的与距离相对应的二次声波的声压强度，该中心轴穿过两个振子1和2的边界部701。

在曲线图G1中，曲线220是一次声波的波束图，具有声压最高点302和402。作为峰值的最高点302和402是由于中心轴23上的声压急剧降低而出现的最高值。曲线221(虚线)是二次声波、即参量声场的波束图。

在一次声波的波束图中在中心轴23附近存在声压急剧下降的区域25，还形成有旁瓣24。

与此相对，如图5中曲线图G2的虚线223所示，作为二次声波的参量信号整体上声压级较低，与实线所示的一次声波相比，沿传播轴方向的衰减小。二次声波具有在中心轴23上声压最大的波束图221，在区域SSpara中，例如参量信号相对于在参量成像中不需要的超声波、即一次声波的声压比被抑制，即，一次声波被抑制。其结果是信噪比变得最大。

图7是表示一次声波和二次声波的传播轴方向声压分布的曲线图。图7中将一次声波的声压分布502与参量信号的声压分布503进行比较来强调特征进行图示。对这两个声场进行比较可知，参量信号的声场具有如下特征：与一次声波的声场相比，1)焦点在远处；2)焦点再往远处的声压的衰减小；3)焦点附近几乎没有声压变化。此外，在图中示出了峰值声压级的差504。

图8至图10是表示在上述发送部的结构中模拟将声源频率设为6MHz时的声场得到的结果的一次声波的声压和二次声波的声压的曲线图。此外，声源频率为5MHz时也具有大致相同的声场图。图8是表示以同相对频率为6MHz的一次声波进行驱动时距离声源100mm的位置处的波束宽度方向的一次声波的声场的曲线图。图9是表示以反相对频率为6MHz的一次声波进行驱动时距离声源100mm的位置处的一次声波的波束宽度方向上的声场的曲线图。图10a是表示距离声源100mm的位置处的频率为1MHz的二次声波的波束宽度方向上的声场的曲线图。图10b是表示具有与二次声波的频率相同的频率的基波的波束方向的声场的曲线图。

将图8和图9二者进行比较可知，中心轴44和47上的各自的声场存在较大差异，与同相驱动时的声场相比，在反相驱动时，存在声场的声压极小、即一次声波被抑制了的区域43。与此相对，如图10a所示，二次声波、即参量信号(频率为1MHz)的声场无论是同相驱动时的声场还是反相驱动时的声场在中心轴上声压都不会被抑制，而是在中心轴上出现声压的峰值。并且，通过与图10b所示的相同频率(1MHz)的基波相比较可知，参量信号具有如下特征：没有出现旁瓣，且波束宽度变细。

根据以上的结果，在本实施方式中，通过使用下面说明的声振子，使用抑制一次声波的声压且使二次声波(参量信号)最大的声场区域。

此外，在应用于参量信号的成像技术的情况下，当将一次声波的两个频率设为f1和f2并将参量信号设为fpara时，降速变换比(downshift ratio)DSR(＝(f1+f2)/2fpara)越大越好。因此，与由f1＝3MHz、f2＝4MHz获取fpara＝1MHz的情况相比，优选的是由f1＝10MHz、f2＝11MHz获取fpara＝1MHz。然而，二次声波是在一次声波之后才出现的波，因此会受到一次声波的衰减的影响。因而，一次声波的频率过高也会导致不能完全发挥作为参量信号的最大特征的深度到达度的优点，因此优选的是将DSR设定为4～5左右。

接着，对发送部的其它结构进行说明。

图11表示作为产生互为反转关系的一次声波的单元的声振子的发送部1000A的结构的其它例。

在发送部1000A中，两个振子1A和2A分别由一个压电振子构成，如图11所示，其极化方向27朝向同一方向。并且，在板状的两个振子1A和2A的其中一面的整个面上形成有共用电极29。在板状的两个振子1A和2A的另一面上分别形成有电极28和30。由交流的信号源35向端子33和34之间施加电压信号，该端子33和34分别与两个电极28和30相连接。

如图11所示，准备一对振子1A和2A，该振子1A和2A由相同面积、相同厚度且向同一极化方向27进行了极化的压电振子构成，将其中一个电极29作为整面电极，将另一个电极分割为两个电极28和30，由驱动电源35向分别与电极28和30连接的两个端子33和34之间施加包含频率成分f1和f2的驱动信号。由此，由于电极30和29之间的电场方向32与电极29和28之间的电场方向31成为相反的方向，因此发送互相反相且分别包含频率成分f1和f2的一次声波。另外，在接收时即使因相同的频率成分的声波而产生机械共振，也不会在端子33和34之间产生接收电压。

接着，对发送部的另一个结构进行说明。

图12是用于说明与另一个结构有关的发送部1000B的结构的示意性的立体图。

如图12所示，压电型振子1和2中的极化方向15和16以及电极18和19的形成结构与图5及图6的发送部的结构相同。振子1和2由极化方向互相反转的两个区域构成，通过施加以(f1+f2)/2频率为中心频率的电压信号来发送由互相反相的超声波信号构成的一次声波37和38以及40和41。与图5的结构的不同点在于：振子1和2的前表面或背面(在图12中是前表面)接合有频率降低板36；以及在图12的例子中，通过驱动电源35A产生一次声波的电压信号中所包含的频率成分是具有单一的中心频率(f1+f2)/2的单一信号V1。单一信号V1例如是突发波、棘波(spike wave)等宽频带脉冲。

作为频率降低部件的频率降低板36是平行的平板状的弹性部件，其形成方法如下：例如利用与压电材料相同的材料形成该频率降低板，例如如果振子1和2是PZT陶瓷，通过粘接PZT陶瓷薄板来形成该频率降低板，或通过气浮沉积法(Aerosol Deposition Method)等方法形成PZT厚膜。此外，也可以不用PZT厚膜而是采用涂布硬树脂膜之类的粘接固化成形的方法。例如振子1和2通过采用厚度为0.33mm的厚度纵向振动能够实现6MHz的一次声波，振子1和2为了得到5MHz的厚度纵向振动只要采用如下方式即可：用厚度为0.07mm的PZT陶瓷薄板将两个极化方向15和16的区域覆盖相同面积并进行粘接或用厚膜来形成以使总厚度变为0.4mm。另外，作为驱动信号，只要驱动由(f1+f2)/2的单一频率成分构成的脉冲信号即可。由此，能够从发送部1000B发送频率为f1和f2且互相反相的一次声波(用S1+S2＝S12和-(S1+S2)＝S34表示)。

此外，由一个压电振子产生共振频率的方法并不限定于使用上述频率降低板的方法。例如通过形成压电振子的一部分区域薄于其它区域的区域例如凹部，能够由该一个压电振子表面的一部分获得引起频率上升的振动。

接着，对还包括接收部的收发型参量声振子进行说明。

图13是表示本实施方式所涉及的收发型参量声振子(以下称为参量声振子)56的结构的截面图。参量声振子56构成为包括发送部56A和接收部56B。

发送部56A的结构与图5所示的发送部1000的结构相同，但也可以是与图11或图12相同的结构。

发送部56A具有与发送一次声波的两个振子1和2相对应的区域57和58。为了产生一次声波，两个振子1和2产生沿着一次声波的传播方向的振动、即厚度纵向振动65。即，板状的发送部56A是具有区域57和区域58的压电型厚度纵向振子，该区域57和区域58使两个振子1和2激发压电型厚度纵向振动65，并由表面发送超声纵波(一次声波)。

另一方面，接收部56B包括与发送部56A层叠地接合的板状的压电型振子66。板状的振子66被外围的两处、具体地说沿着两个边部放置的两个支承体71所支承，以使该振子66的整体能够进行弯曲振动。即，板状的接收部56B是能够进行弯曲振动的振子66。

如上所述，发送部56A被分割成两个区域57和58，在振子1和2的表面和背面的整个面上形成电极18和19，极化方向15和16以边界61为界互相朝向相反的方向。接收部56B为了接收伴随一次声波的传播而产生的二次声波的反射波，被配置成：从一次声波的发送方向观察时，接收反射波的区域与发送部56A的振子1和2相重叠。

如图6所示，发送部56A被分割成极化方向互相相反的两个区域，分别在发送部56A的表面和背面的整个面上形成电极18、19，整个面被均匀地施加同一方向的电场17。这种情况下的共振频率在将发送部56A的厚度设为t并将纵波声速设为vl时所有极化区域中都以vl/2t来表示，针对相同的驱动信号，通过各个极化区域13和14激发起相同振幅、互相反相的压电振动，由表面发送的一次声波3和4的相位也变为互相反相的S12和-S12。

如果向电信号输入端子20和64之间(在图13中，端子20接地)施加将处于振子1和2的频带内的电压信号V1(f1)和V2(f2)合成而得到的电压信号V12，则会发送具有这两种频率成分f1和f2的一次声波。

随着该一次声波3和4的传播，根据传播介质所具有的非线性特性，除了传播一次声波以外，还传播高次谐波nf1、nf2、差信号(参量信号)、和信号、高次谐波的和、差信号等非线性二次声波，并形成各自的声场。该差信号的参量信号以及和信号的参量信号都能够利用，但在此处仅以差信号为例。

此外，由于能够以同样的方法利用和信号，因此省略说明，但和信号的频率高，因此能够获得高分辨率的信号，在形成图像时能够获得高分辨率的图像。

这些声音信号在未图示的声阻抗边界处进行反射，并在接收部56B的压电元件的振子66中作为回波信号进行接收。此外，接收部56B的振子66的极化方向67可以朝向任意一方，并且接收部56B具有选择性地与上述各种声音信号中的作为目标的声音信号发生共振的振子结构。

具体地说，振子66引起如图13中的虚线所示的弯曲振动70。例如设为f1＝5MHz、f2＝6MHz、fpara＝1MHz以使降速变换比(DSR)为5左右的情况下，相对带宽为(f2-fpara)/(f2+fpara)/2＝1.4，即大于等于140％。当避开带宽端的相位变化大且不稳定的区域时，更优选的是将相对带宽再增加20％，即将相对带宽设为170％左右。

如图13所示，参量声振子56具有将作为发送部56A的被二分割的两个振子1和2与作为接收部56B的处于均匀极化状态的压电型振子66相接合而成的压电双晶片结构。在接收部56B中，在电极18的表面设置处于均匀极化状态的振子66，在与振子66相接连的电极18的相反侧的表面的整个面上形成电极68。电极18成为压电型振子1、2以及66的共用电极。即，如图13所示，参量声振子56是由发送部56A与接收部56B相互粘接而构成的。

并且，参量声振子56具有通过支承体71被支承的结构。当将合计厚度设为t1并将支承体71间的距离设为L时，该压电双晶片型的压电振子的共振频率fbend为：

fbend＝0.453(t1/L^2)SQRT(Y/ρ)。在此，Y是压电双晶片结构材料的杨氏模量，ρ是密度。

如上所述，接收部56B响应于参量信号的低频率而产生弯曲振动并输出接收信号。

因而，通过调节合计厚度t1中的作为压电元件的振子66的厚度或支承部71间的距离，能够容易地调整目标共振频率。

此外，在图13的情况下，参量声振子56的驱动信号可以输入到不包括图3的反相器9的电路，即不需要分支布线，并且功率放大器也可以是10和11中的任一个。

另一方面，从图13所示的振子66的端子69输出接收信号。

例如，排列多个上述参量声振子56来进行扫描，由此能够将本实施方式所涉及的参量声振子应用于断层图像等的图像形成、即成像中。该情况下，各输出信号被输入到普通的接收电路，经放大、滤波等处理后被转换成影像信号，并在监视器上显示影像。

在图13中，参量声振子56具有将图5所示的发送部1000粘接在接收部56B上而形成的结构，但是如上所述，参量声振子56也可以具有将图11所示的发送部1000A粘接在接收部56B上而形成的结构。

接着，对具有使用图12所说明的频率降低板的发送部的结构的参量声振子的例子进行说明。

图14是具有使用频率降低板的发送部的结构的参量声振子的截面图。图14的参量声振子56A是能够在以往的超声波诊断装置中使用的双端子结构的参量成像用收发超声波振子。

图15至图17是用于说明针对由参量声振子56A产生的一次声波的发送控制的原理的图。图18是用于说明针对由参量声振子56A产生的二次声波的接收控制的原理的图。

与以往的普通超声波振子同样地，图14的参量声振子56A是通过双端子结构能够发送一次声波并以高信噪比接收二次声波的参量信号的超声波振子。

如图14所示，参量声振子56A具有在两个振子1C和2C上层叠频率降低板1510而成的结构。并且，在频率降低板1510上设置有声匹配层1506，在该声匹配层1506上设置有声透镜1508。在声振子1C和2C上的没有被频率降低板1510覆盖的区域上也分别设置有声匹配层1505，在该声匹配层1505上设置有声透镜1507。

这些声匹配层1505和1506以及声透镜1507和1508在设计、制法以及功能上与普通的声匹配层和声透镜相同。

另外，两个振子1C和2C被设置在导电性基板(或表面被导电处理后的绝缘体基板)1501上。由驱动电源1502经由布线1503向两个振子1C和2C的一个电极以及接收用振子66A的一个电极施加驱动电压。

两个振子1C和2C的另一个电极以及接收用振子66A的另一个电极经由布线1504接地。

利用图15至图18对高信噪比的二次声波的接收原理进行说明。图15是用于说明一次声波的发送的图。图16是驱动脉冲信号的波形图，图17表示驱动脉冲信号谱。图18是用于说明二次声波的接收的图。

如图15所示，通过施加驱动信号1601，从振子2C输出正相一次声波(频率为f1)1602和正相一次声波(频率为f2)1603，从振子1C输出反相一次声波(频率为f2)1604和反相一次声波(频率为f1)1605。其结果，从参量声振子56A输出正相一次声波1607和反相一次声波1608。

接收到的参量信号被提供给接收电路1609。

驱动信号1601是如图16所示的驱动脉冲信号1610。驱动脉冲信号1610是具有脉冲宽度1611的期间(T1)和脉冲宽度1612的期间(T2)的信号。并且，如图17所示，驱动信号1610的信号谱1613具有频率f1处的峰值1614和频率f2处的峰值1615。

由此，当由驱动信号源1502向参量声振子56A施加在频率f1和f2处具有峰值的信号谱1613的驱动信号1601时，从粘接有频率降低板1510的区域发送具有频率成分f2的一次声波1603和1604，从未粘接频率降低板1510的区域发送具有频率成分f1的一次声波1602和1605。因此，从极化方向59和60形成为互为反方向的两个振子1C和2C的区域分别发送互相反转的一次声波1607和1608。

此外，此时由导电性基板1501和振子66A构成的压电单晶片的共振频率与频率f1和f2相比极低，因此不发生共振。

如上所述，能够同时发送由频率f1成分和频率f2成分构成的正相的一次声波和反相的一次声波。因而，随着f1成分和f2成分的一次声波的传播，基于超声波传播介质的声音非线性特性能够形成参量信号。

声匹配层1505和1506在使发送一次声波的声压增大的同时降低脉冲宽度，从而有助于改善深度方向的分辨率。另外，声透镜1507和1508使一次声波的波束会聚来改善横向分辨率。

另外，接收信号中包含声压与参量信号相比大将近20dB的一次声波、参量(差)信号、一次声波的n次高次谐波nf1和nf2以及参量(和)信号等，这些信号各自具有不同的频率成分。响应于其中的一次声波而在振子1C和2C的区域中引起厚度纵向振动共振65。

此时，如图18所示，如果在振子1C和2C的区域中的每个电极上例如振子1C的区域中的电极上产生+电荷1705，则在振子2C的区域中的电极上产生-电荷1703。

然而，无论是振子1C区域中的电极还是振子2C区域中的电极都是成一体的电极，因此在该电极19内电荷被中和(1707)而消失。即，即使接收一次声波也不会被转换为包含旁瓣的电压信号。

另一方面，参量信号具有频率成分|f1-f2|，由导电性的半导体基板1501和振子66A构成的压电单晶片的共振频率被设计为|f1-f2|，因此如图18的虚线1708那样进行振动来产生该压电单晶片的弯曲共振。这种机械振动通过压电效应转换为电压信号1709，电压信号1709被传输到接收电路1609。该压电单晶片振子不与混入接收信号中的其它频率成分的信号发生共振，因此参量信号的信噪比有飞跃性的提高。

根据以上结构，通过使用发送互相反相的一次声波并能够抑制一次声波的空间区域，并且如本实施方式所示那样，使用将与一次声波所具有的频率成分发生共振的振子元件和与参量信号所具有的频率成分发生共振的振子元件构成为一体的结构，由此例如能够实现高信噪比的参量成像。除此之外，通过附加设置的声匹配层、声透镜的效果，能够改善深度分辨率、横向分辨率。

如上所述，上述第一实施方式的参量声振子的结构如下：发送部产生厚度纵向振动来发送一次声波，接收部通过弯曲振动接收参量信号。

因此，根据本实施方式，能够实现如下声振子，该声振子在能够充分发挥参量信号所具有的衰减小且能够远距离传播的特征以及定向性远比相同频率的基波信号好的特征的同时，能够大幅抑制例如在超声波成像中成为问题的作为对比度分辨率下降的主要原因的、接收部中的一次声波，并且结构简单且小型。

此外，所产生的二次声波没有旁瓣且定向性高。为了高效地接收该二次声波，如上所述，需要使发送部和接收部构成为从声音放射面侧观察时发送部和接收部处于完全地或者部分地重叠的状态。

(第二实施方式)

接着，说明本发明的第二实施方式。

在上述第一实施方式中，发送部和接收部分别利用厚度纵向振动和弯曲振动，但是在本实施方式中，与第一实施方式的不同之处在于发送部和接收部全都利用弯曲振动。

图19是表示本实施方式所涉及的参量声振子的结构的截面图。收发型的参量声振子88构成为包括发送部88A和接收部88B。该参量声振子88是适用于一次声波的频率较低的情况、例如小于等于100kHz的情况的结构。

发送部88A构成为包括两个压电双晶片75和84。参量声振子88的压电双晶片75和84为了发送一次声波分别产生弯曲振动。

在导电性基板73的一面(在图19中是上表面)上形成有绝缘部件74的绝缘膜。在导电性基板73的相反侧的另一面(在图19中是下表面)上通过粘接等方法形成有压电型且薄板状的振子91。

振子91的一面是作为电极的导电性基板73，另一面上设置有与端子92相连接且整个面上形成的电极60。由导电性基板73和压电振子薄板91来构成压电单晶片。构成接收部88B的压电单晶片在进行弯曲振动93时的节点处被支承体71a所支承。接收部88B为了接收伴随一次声波的传播而产生的二次声波的反射波，被配置成：从一次声波的发送方向观察时，接收反射波的区域与发送部88A的振子相重叠。并且，接收部88B被支承成与发送部88A相隔规定距离。

另一方面，在导电性基板73的上表面侧并排地配置有一对压电双晶片75和84。在压电双晶片75中，一对压电振子82以夹持导电性垫片部件78的方式被接合，并且一对压电振子82以彼此的极化方向朝向相同方向的方式被接合。在压电双晶片84中也同样地，一对压电振子89以夹持导电性垫片部件87的方式被接合，并且一对压电振子89以彼此的极化方向朝向相同方向的方式被接合。但是，压电双晶片75和84的极化方向是互为反方向。

压电双晶片75的两面的整个面上分别形成有电极76和77。压电双晶片84的两面的整个面上也分别形成有电极85和86。

压电双晶片75和84被导电性垫片78和87支承成使压电双晶片75和84分别与绝缘部件74具有规定间隔。即，使压电双晶片75和84与绝缘部件74相分离。压电双晶片75的电极76和77以及压电双晶片84的电极85和86分别通过导通布线79连接以导通。

导电性垫片部件78和87的结构如下：使导电性垫片部件78和87在端部进行弯曲，被弯曲的前端的一部分被固定在形成于绝缘部件74表面的具有导电性的未图示的电极垫上，该电极垫与端子80相连接。

另一方面，接地侧与共用接地线81相连接，在此该接地侧还经由导电性基板73与接地侧72的端子(未图示)相连接，其中，该共用接地线81与电极76、77、85以及86相连接。

压电双晶片75的一对压电振子82以彼此的极化方向朝向相同方向的方式被接合，并且该极化方向一致地朝向图19的上方，压电双晶片84的一对压电振子89以极化方向朝向相同方向的方式被接合，并且该极化方向一致地朝向图19的下方。通过这样的结构，使压电双晶片75和84针对同一波形的驱动信号进行互相反相的弯曲振动。

并且，两个压电双晶片75和84分别如虚线93所示那样产生弯曲振动，由此输出互相反相的一次声波。特别是两个压电双晶片75和84在端子80和接地之间并联连接，成为能够获得较大的发送功率的结构。

此外，在以上的例子中，对压电双晶片75和84都进行了并行布线连接，但是也可以是通过垫片部件进行接合以使极化方向为互相相反的方向的串行布线连接结构。

在这种情况下，设为如下结构关系：一方面，例如在压电双晶片75中一对压电振子以极化方向朝向相反的方向、即朝向垫片方向的方式互相接合时，另一方面，例如在压电双晶片84中一对压电振子的极化方向朝外。并且，在这种串行结构的情况下，施加电压被施加到压电双晶片的两个外侧电极之间。在这种情况下，导电性垫片部件78和87成为简单地安装到兼作机械性强化部件的导电性基板73上的绝缘部件74上的部件。

通过构成为如上结构，压电双晶片75和84针对相同波形的驱动信号进行互相反相的弯曲振动，所发送的一次声波83和90也是互相反相的。另一方面，导电性基板73上接合有压电振子薄板91来构成压电单晶片，导电性基板73被支承部71a所支承。

另外，获取输出信号的端子92与振子91的电极60相连接。通过调整导电性基板73、压电振子91的厚度以及支承部71a间的距离，能够容易地使该压电单晶片的共振频率funi等于二次声波、即参量信号的频率。

另外，在本实施方式中，从图19明显可知，发送时使用的压电双晶片75和84是被外围所支承，与此相对，压电单晶片部是被节点所支承。这是因为，压电双晶片75和84分别需要将频率为f1和f2的一次声波一起发送，频带越宽越好，在接收时优选的是只将仅由频率fpara构成的参量信号转换为电压，因此，使共振清晰度Q变高的节点支承效果更好。

接着说明本实施方式的变形例。

图20是表示本实施方式的变形例所涉及的参量声振子的结构的截面图。图21是表示本实施方式的变形例所涉及的参量声振子的结构的俯视图。

在本变形例的参量声振子中，使用压电双晶片来发送一次声波，使用压电单晶片来接收二次声波(参量信号)，这与上述第二实施方式相同。不同之处在于，每个参量声振子具有由具有两种尺寸的两个发送部(压电双晶片94和102以及压电双晶片109和113)构成的发送单元、即共计四个压电双晶片94、102、109以及113。并且，根据该参量声振子，具有能够使驱动电路的结构简单化的效果。

如图20所示，收发型参量声振子121构成为包括两个发送部200A和201A以及两个接收部200B和201B。

发送部200A构成为包括两个压电双晶片94和102。如图21所示，两个压电双晶片94和102的面积互不相同。

同样地，发送部201A构成为包括两个压电双晶片109和113。如图21所示，两个压电双晶片109和113的面积也互不相同。

两个压电双晶片94和109的面积和厚度相同，两个压电双晶片102和113的面积和厚度相同。

发送部200A构成为包括在发送一次声波时分别产生弯曲振动的压电双晶片94和102。

导电性基板73a的一面(图20中的上表面)上形成有绝缘部件74a的绝缘膜。导电性基板73a的相反侧、即另一面(在图20中是下表面)上通过粘接等方法形成有压电振子薄板91a。

压电振子薄板91a的一面是作为电极的导电性基板73a，另一面的整个面上形成有与端子91a相连接的电极60a。由导电性基板73a和压电振子薄板91a构成压电单晶片，压电单晶片在当进行了弯曲振动(93a)时的节点处被支承部71b所支承。

另一方面，在导电性基板73a的上表面侧并排地配置有一对压电双晶片94和102。以一对压电振子100夹持导电性垫片部件99a且一对压电振子100的彼此的极化方向朝向相同的方向的方式接合压电双晶片94。压电双晶片102也同样地以一对压电振子103夹持导电性垫片部件99a且一对压电振子103的极化方向朝向相同的方向的方式进行接合。压电双晶片94和102的极化方向是相同的。

压电双晶片94的两面的整个面上分别形成有电极96和97。压电双晶片102的两面的整个面上也分别形成有电极96a和97a。

压电双晶片94和102分别被导电性垫片部件99和99a支承成压电双晶片94和102分别与绝缘部件74a相隔规定间隔。压电双晶片94的电极96和97以及压电双晶片102的电极96a和97a分别通过导通布线105连接以导通。

导电垫片部件99和99a的结构如下：分别使导电垫片部件99和99a在端部进行弯曲，被弯曲的一端被固定在形成于绝缘部件74a的表面的具有导电性的未图示的电极垫上，该电极垫与信号源35相连接。

另一方面，在接地侧，与电极96、97、96a、97a以及导电性基板73a相连接的共用接地线108与接地侧的端子(未图示)相连接。

压电双晶片94和102的各压电振子以彼此的极化方向朝向相同方向的方式进行接合，该极化方向一致地朝向图20的下方。

并且，两个压电双晶片94和102分别如虚线所示的那样产生弯曲振动，由此输出两个频率为f1和f2的、相位相同的一次声波101和104。

发送部201A具有与发送部200A相同的结构。即，发送部201A构成为包括在发送一次声波时分别产生弯曲振动的压电双晶片109和113。发送部201A的压电双晶片109和113的结构与发送部200A的两个压电双晶片94和102相同。

压电双晶片109的一对压电振子111以彼此的极化方向朝向相同方向的方式进行接合，压电双晶片113的一对压电振子111a也以彼此的极化方向朝向相同的方向的方式进行接合。

压电双晶片109和113的极化方向相同，但是如图20所示，压电双晶片109和113的极化方向与发送部121A的压电双晶片94和102的极化方向相反。

压电双晶片109和113分别被导电性垫片部件99b和99c支承成压电双晶片109和113分别与绝缘部件74b相隔规定间隔。压电双晶片102的两个电极以及压电双晶片113的两个电极分别通过导通布线105a连接以导通。

导电性垫片部件99b和99c的结构如下：分别使导电性垫片部件99b和99c在端部进行弯曲，被弯曲的一端被固定在形成于绝缘部件74b的表面的具有导电性的未图示的电极垫上，该电极垫与信号源35相连接。

另一方面，在接地侧，每个压电双晶片的端部的电极通过导通布线79进行接线，与合计8个电极及导电性基板73b相连接的共用接地线108与接地侧的端子(未图示)相连接。

压电双晶片109和113的各压电振子以彼此的极化方向朝向相同的方向的方式进行接合，该极化方向一致地朝向图20的上方。

并且，两个压电双晶片109和113也分别如虚线所示那样产生弯曲振动，由此输出两个频率为f1和f2的、相同相位的一次声波。

如上所述，每个发送部的两个压电双晶片的尺寸或厚度互不相同，依据该差异，构成为如下结构尺寸：例如当压电双晶片94和109的共振频率为f1时，另外两个压电双晶片102和113的共振频率为f2。另外，构成压电双晶片的压电元件的极化方向构成为如下：在发送部200A和201A中极化方向95和110成为反方向，使得当其中一个发送部200A中以表示例如f1共振频率的压电双晶片94的弯曲位移向上凸的方式发生变形时，另一个发送部201A中以表示共振频率f1的压电双晶片109的弯曲位移向下凸的方式发生变形。压电双晶片102和113之间的关系也与之相同。

分别与两个发送部200A和201A相对应的接收部200B和201B的结构与图19中接收部88B的结构相同。

如上所述，使支承每个压电双晶片组的导电性垫片部件99a至99d的各端部弯曲，并将各端部分别连接固定在绝缘板上，该绝缘板由形成于导电性基板73a和73b的表面的绝缘部件74a和74b构成。并且，压电双晶片94和102的两侧电极通过布线105以同电位且接地的方式与布线108相连接。压电双晶片109和113的两侧电极也通过布线105a以同电位且接地的方式与布线108相连接。并且，导电性基板73a和73b也通过布线108接地。另外，所有导电性垫片部件以同电位的方式与布线118相连接，并连接至驱动电源35。驱动电源35只要输出由(f1+f2)/2的单一频率成分构成的电压信号即可，输出频率为f1和f2的两个信号的驱动电源35仅需一个即可，不需要将频率为f1和f2的两个信号合成的加法器。所产生的一次声波101和104以及112和115具有作为互相反相的超声波的两种频率成分。并且，也不需要如图2所示的反相器9，图2中所需的一对放大器也只需具备一个即可，由此，能够大幅简化驱动控制电路并节约布线，成为在整体上易于实现小型化的结构。此外，在利用MEMS制造技术来制作如上所述的发送用压电双晶片结构以及接收用的压电单晶片结构的情况下，也能够获得同样的效果。在这种情况下，由于能够制作微小的弯曲振子，因此当然能够在MHz频带下进行收发。

并且，例如通过使用多个本实施方式或变形例所涉及的参量声振子进行扫描，能够将本实施方式或变形例所涉及的参量声振子应用于断层图像等的图像形成、即超声波成像中。

图22是表示使用多个上述参量声振子121进行阵列状配置的声振子组的例子的俯视图。

图22所示的声振子组是如下一种结构：将图20以及图21所示的声振子121作为一个元件，并将多个元件121-1、121-2…、121-N一维排列成阵列型。这种结构例如是用于通过电子扫描来描绘出超声波诊断图像的振子结构。各元件具有一次声波发送用驱动信号输入端子118和接收信号输出端子(未图示)以及作为共用接地线的布线108及其接地端子，端子118与接地间的例如由(f1+f2)/2的频率成分构成的突发波脉冲被依次施加到多个元件(线性电子扫描)、或稍错开施加时刻而施加上述突发波脉冲(扇形电子扫描)，与每个一次声波发送时刻对应的参量接收信号从布线108端子被输出后被输入到接收放大器中。由于所输入的信号的信号处理、图像处理是根据现有方法进行的，因此省略说明。

如上所述，上述第二实施方式的参量声振子的结构为：发送部和接收部都产生弯曲振动，由发送部发送一次声波，由接收部接收参量信号。

由此，根据本实施方式，能够在接收部中大幅抑制一次声波，并且能够实现结构简单且小型的声振子。

(第三实施方式)

接着，说明本发明的第三实施方式。

在上述第一和第二实施方式中，在发送部和接收部中分别使用了压电型振子，但是在本实施方式中，发送部和接收部都使用静电型振子，这一点与第一和第二实施方式不同。

该静电型振子中还包括使用cMUT(capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer：电容式微超声传感器)来收发超声波的振子，该cMUT是利用MEMS技术而制作的。在本实施方式中记载了用于超声波内窥镜系统的使用cMUT的参量收发器。

图23是使用静电型声振子来作为本实施方式所涉及的振子的参量信号收发系统的结构图。图24是静电型振子的俯视图。图25是静电型振子的截面图。

电容的符号所表示的是静电电容型振子C1、C2以及C3，为了能够通过对各振子施加具有与各共振频率相同的频率的驱动信号而产生该频率的超声波，对各振子的结构尺寸进行设计并将各振子形成在半导体基板上。针对振子的结构通过图24和图25稍后进行说明。

将该静电电容型振子的结构的最小单位称为静电电容型振子元件，将几个静电电容型振子元件汇总为一组。将以能够对各组内的所有元件施加相同电压的方式并联连接的单位、即分别由图23中的虚线123和124包围的振子组称为静电型振子元件。

参量信号收发系统构成为包括：与作为发送部的元件123和124对应的振子组C1和C2；与作为接收部的元件132对应的振子132；脉冲发生器(PG)125；偏压用直流电源1261和1262；功率放大器127和128；可变电阻133；CR振荡器134以及解调器135。

振子组C1的一个电极和振子组C2的一个电极分别与接地侧相连接。振子组C1的另一端与功率放大器127的输出端相连接，振子组C2的另一端与功率放大器128的输出端相连接。

作为DC偏压电源的串联连接的两个直流电源1261和1262的连接点接地。未接地的直流电源1261的另一端子与振子组C1的上述另一端相连接，未接地的直流电源1262的另一端子与振子组C2的上述另一端相连接。

脉冲发生器125的输出被输入到功率放大器127和128中。接收用的元件132的振子C3构成CR振荡器134的电容，可变电阻133构成CR振荡器134的电阻。CR振荡器134的输出被提供给解调器135，解调器135输出检测信号。

现在，由脉冲发生器(PG)125输出突发脉冲，该突发脉冲具有例如同时包含频率f1成分和f2成分的频率特性，将该信号进行分支，其中一个分支使功率放大器128的输出与负的直流偏压相叠加，另一个分支使功率放大器127的输出与正的直流偏压相叠加。从两个区域分别对静电电容型振子元件123和124施加互相反相的驱动电压信号。

此外，以相同的电容符号来表示静电电容型振子元件123和124，但是静电电容型振子元件123和124分别由共振频率为f1的元件组和共振频率为f2的元件组构成。从而，突破脉冲以由直流电源1261和1262施加大于等于突发脉冲的电压的一半的、极性不同的DC偏压的状态被施加到元件123和124，该突发脉冲例如具有同时包含频率f1成分和f2成分的频率特性。由此，能够发送具有频率成分f1和f2的频率且相位互相反转的一次声波129和130。

并且，在传播介质例如空气、水、生物体组织中，随着一次声波的传播，根据传播介质所具有的声音非线性特性而产生参量信号。该参量信号具有|f1-f2|的频率成分，因此作为与该频率发生共振的结构的静电型超声波振子的元件132成一体地层叠配置在与例如元件123和124的一次声波的发射侧相反侧的背面。

此外，参量信号的接收方法有两种。一种方法是将伴随参量信号的接收而产生的静电电荷的变化作为接收信号。在这种情况下，在接收时需要直流偏压电源。另一种方法是如下一种方法：如图23所示，使伴随参量信号的接收而产生的静电电容变化与CR振荡器134的C(容量)的变化相对应，捕捉随着该变化产生的振荡频率的变化，来产生FM调制信号，并将该信号输入到解调器135中来对参量信号进行解调。

在后一方法中，CR振荡器134的振荡频率是由所连接的电容(在此是二次声波接收用MEMS静电型声振子)132的静电电容C与电阻133的直流电阻R的积CR来决定的，该振荡信号根据接收到的参量信号被进行FM调制，通过解调该FM调制信号来检测原来的参量信号。这种接收方法尤其适用于处理低频参量信号的情况。

此外，通过这种FM调制/解调来检测接收声音信号的技术在本申请人的日本特开2008-245715号公报中公开。

例如，在应用于断层图像等的图像形成、即成像的情况下，解调得到的信号136经过信号处理、图像处理后将断层图像显示于监视器上。因此，将这种参量信号用的收发超声波振子158(图24)作为一个元件，通过以一维或者二维排列多个该元件，能够获取二维B模式参量超声波诊断图像、三维B模式参量超声波诊断图像。

此外，在本实施方式中，将反相电路、发送电路、接收电路等的收发控制电路、静电型超声波振子的布线配置成接近半导体电路基板153(图25)，在该半导体电路基板153上形成有用于以焊球接合的方法进行连接的电极垫。

另外，在以上结构中，不需要在接收时施加DC偏压。不需要使用阻抗转换器、电荷放大器以及滤波，因此具有提高集成性并实现振子小型化的优点。

另外，从两个区域产生互相反相的一次声波的方法是通过使用直流电源1261和1262实现的。这些电源使来自脉冲发生器125的RF信号中的正的偏压与功率放大器127的输出相叠加，使负的偏压与功率放大器128的输出相叠加。在叠加正的偏压时，RF信号的波峰处施加电压最大，当叠加负的偏压时，RF信号的波峰处施加电压最小。

从而，使分支后的一个信道与正的DC电压相叠加，分支后的另一个信道与负的DC电压相叠加，由此与这两个信道相连接的一对元件(区域)引起互相反相的振动膜振动位移(弯曲振动)，从而能够向超声波传播介质发送互相反相的一次声波。

此外，在该结构中，即使接收到具有与一次声波相同的频率成分的超声波信号，由于超声波的接收而产生的电荷极性相反，因此也不产生接收电压。为了接收参量信号需要另外构成静电振子部。并且，也可以将正、负的DC偏压配置在功率放大器127和128的前级。

此外，作为从两个区域产生互为反相关系的两个声波的方法，除了如上所述的使用一对直流电源的方法之外，还具有如下方法，适当地采用最为合适的电路结构：在进行分支后的其中一个信道中设置反相器；将功率放大器本身设为反转型和非反转型的组合；用一个功率放大器放大后进行分支，以在分支布线的其中一方叠加正的直流电压而在分支布线的另一方叠加负的直流电压的方式连接一对直流电源。

接着，对包括各元件的声振子的结构进行说明。

图24和图25是表示用参量信号用收发用声振子并通过MEMS技术形成的例子。在图24中，在附图标记上附加的标记a表示发送正相的一次声波的区域的结构体，标记b表示发送反相的一次声波的区域的结构体。

声振子为如下结构：在表面被氧化的硅高电阻半导体基板137上形成第一大直径的静电电容元件来作为接收部，在该静电电容元件的振动膜140内形成多个第二小直径的静电电容元件组(虚线1401内)来作为发送部。

如图24和图25所示，在半导体基板153上形成包括各种电路的集成电路157。该集成电路157上的连接用焊剂154、155及156与导体148、149以及152相连接，该导体148、149以及152在形成于硅基板137中的导通孔(孔部)内形成绝缘层147并确保绝缘性。硅基板137上设置有绝缘层138。

在绝缘层138上设置有用于接收二次声波的cMUT的下部电极151。下部电极151经由导通布线152及连接用焊剂156与集成电路157相连接。

在绝缘层138上设置有振动膜140，该振动膜140在周围具有支承部139，中央部分146c厚而周围部分146薄以在内部形成空腔。

振动膜140的中央部分146c中形成有构成发送部的振子组C1和C2。振子组C1包括一次声波发送用cMUT的空腔(f1用)141和144，振子组C2包括一次声波发送用cMUT的空腔(f2用)142和143。各空腔的上下表面分别形成有电极。下表面的电极150与电极布线145相连接，该电极布线145用于与如图23所示的功率放大器127和128相连接。上表面的电极构成一次声波用的cMUT元件的上部电极145，并与接地侧布线相连接。

此外，虽然未在图中表示，但也可以在上部电极145上形成绝缘层、保护膜来提高机械强度。

接地侧布线通过导通布线148与连接用焊剂154相连接。电极布线150通过导通布线149与连接用焊剂155相连接。二次声波接收用的下部电极151通过穿过贯通孔147的导通布线152与连接用焊剂156相连接。

由兼作一次声波用下部电极的二次声波用上部电极150和二次声波用下部电极151来构成接收部。接收部为了接收伴随一次声波的传播而产生的二次声波的反射波，被配置成：从一次声波的发送方向观察时，接收反射波的区域与发送部相重叠。

如上所述，根据本实施方式，使振动膜与单元成一对地进行相邻配置，并向各单元施加互相反相的信号，其中，上述振动膜是将发送一次声波的具有两种小尺寸的多个元件(多个振子)集成而得到的，上述单元是由形成于该振动膜的半导体基板侧的、尺寸大于上述小尺寸的元件(振子)构成。

由此，根据本实施方式，能够在接收部中大幅地抑制一次声波，并且能够实现结构简单且小型的声振子。

接着说明本实施方式的变形例。

图26是表示本实施方式的变形例所涉及的参量声振子的结构的俯视图。该变形例例如与用于获得超声波诊断图像等的图像的结构有关。

如图26所示，本变形例的参量声振子是具有圆形开口的单板振子，为了获得超声波诊断图像而使参量声振子机械地旋转，扫描超声波波束来收发超声波，从而能够获得深度到达度良好的超声波诊断图像。

在圆形的半导体基板168上进行如下的集成配置：多个六边形的静电电容型超声波振子元件163相对于边界线162相对称地分割配置在区域161a和区域161b。

每个区域的多个元件的上部电极164a间和164b间分别用布线165a和165b进行接线。在区域161a中，布线165a和166a以及电极垫167a被配置成导通连接。并且，在区域161b中，布线165b、166b以及电极垫167b也被配置成导通连接。

在各区域161a和161b中，多个元件163被配置成相邻的两个元件成为共振频率互不相同的元件。通过这种配置，易于由一次声波生成参量信号。

通过由同时包括这些161a和161b区域的大尺寸的振动膜构成的静电电容型超声波振子来接收参量回波信号。该结构与图25所示的结构相同。

此外，在此，各元件163是六边形，但是也可以是其它形状、圆形以及其它多边形。

各六边形的静电电容型超声波振子的元件163的接地侧电极(未图示)构成为能够将基板168上的所有元件按通过共同布线连接而接地的每个区域161a和161b进行驱动。接地结构是如下一种结构：如图25所示，上部电极经由贯通孔147内形成的贯通布线与半导体基板153的接地电极垫相连接，该半导体基板153通过焊接等方法与基板137的背面相接合。

在硅基板137的MEMS的振子的下层整体式地配置各种控制电路的情况下，上部电极也可以直接与该控制电路的接地线连接。

此外，当所有元件163是表示相同结构尺寸、相同共振特性的元件结构时，向端子167a和167b施加的电压信号分别是将频率f1和频率f2进行合成后的互相反相的信号。

在对各个元件进行设计以使元件的共振频率为f1和f2、且有两种振动膜尺寸的情况下，同时包含频率f1和频率f2的频谱的、互相反相的宽频带驱动信号被输入到每个电极垫。

如上所述，根据本实施方式以及变形例，静电型MEMS振子形成在硅半导体基板的表面，如图25示出的截面结构所示，将控制电路例如信号发生器、反相电路以及接收电路等制作成整体，作为整体能够实现小型的结构。因此，易于将上述静电型MEMS振子安装到超声波内窥镜、IVUS(Intra Vascular Ultrasound：血管内超声)以及胶囊型超声波内窥镜等应用于狭小空间内的要求小型、细径化的各种超声波诊断装置。

接着，针对能够应用上面说明的各实施方式所涉及的收发型参量声振子的电子设备的例子进行说明。

图27是具有超声波内窥镜的超声波内窥镜系统的结构图，该超声波内窥镜使用上述各实施方式所说明的收发型参量声振子来作为超声波换能器。

如图27所示，超声波内窥镜600主要由以下部分构成：被导入被检体体内的细长的插入部602；位于该插入部602的基端的操作部603；以及从该操作部603的侧面延伸出的通用线缆604。

通用线缆604的基端部上设置有与未图示的光源装置相连接的内窥镜连接器604a。从该内窥镜连接器604a延伸出电缆605和超声波线缆606，该电缆605经由电连接器605a拆卸自如地连接在未图示的摄像机控制单元上，该超声波线缆606经由超声波连接器606a拆卸自如地连接在超声波观测装置621上。

插入部602构成为：从前端侧开始依次设置有前端硬性部620、弯曲部608以及可绕管部609，其中，该前端硬性部620是由硬质的部件形成的，该弯曲部608位于该前端硬性部620的后端且弯曲自如，该可绕部管609位于该弯曲部608的后端，延伸至上述操作部603的前端部，又细又长且具有可绕性。另外，在上述前端硬性部620的前端侧设置有超声波换能器150。该超声波换能器150中包括上述多个收发型参量声振子。

操作部603中设置有：角旋钮611，其控制弯曲部608向期望的方向弯曲；送气/送水按钮612，其用于进行送气和送水操作；吸引按钮613，其用于进行吸引操作；以及处置器具插入口614，其作为导入管腔内或体腔内的处置器具的入口等。

通过设置在前端硬性部620的前端部的超声波换能器150，超声波内窥镜600能够获取扫描范围SA1中的超声波图像。

另外，前端硬性部620中设置有：照明透镜，其构成向观察部位照射照明光的照明光学部；观察光学部，其捕捉观察部位的光学图像；吸引兼钳子口，其作为开口吸引已切除的部位或使处置器具突出；以及送气送水口，其用于进行送气和送水操作。

此外，图27的超声波换能器150应用于生成超声波图像的图像生成装置、即超声波内窥镜600，不限定于此，还可以应用于作为以往公知的电子设备的超声波诊断系统中。具体地说，也可以应用于体外式超声波探头，该超声波探头用于从被检体的体外观察被检体体内。

图28是将上述各实施方式所说明的收发型参量声振子应用于作为非破坏检查装置的一例的超声波探伤装置的图。图28是表示超声波探伤装置的概要结构的图。

超声波探伤装置650是生成超声波图像的图像生成装置，具备探头652，其收发超声波；以及箱型装置主体部653，其用于控制该探头652。

在装置主体部653的前表面的中央处设置有显示用于探伤的图像的显示装置656，该显示装置656的附近设置有承担各种任务的开关657。

另外，探头652通过复合同轴线缆658与装置主体部653相连接。在探头652的内部，在使探头652与被检体相抵接的抵接面部652a配置有一个或者多个超声波换能器150。

超声波探伤装置650在将探头652的抵接面部652a抵接到被检体的状态下产生超声波，并通过该超声波的反射的变化能够不破坏被检体地检测被检体内的伤。

此外，上述各实施方式所说明的超声波换能器150应用于上述超声波探伤装置，不限于此，也能够应用于作为以往公知的电子设备的非破坏检查装置中。例如，也可以应用于通过收发超声波来测量被检体的厚度的厚度测量装置中。

本发明不限定于上述各实施方式，在不违背根据权利要求书和说明书全文所读取的发明要点或思想的范围内可以适当地变更，另外随着该变更而改变的超声波换能器以及电子设备也包括在本发明的保护范围内。

如上所述，根据本发明能够实现如下声振子，该声振子能够在充分发挥参量信号所具有的衰减小且能够远距离传播的特征以及定向性远比相同频率的基波信号好的特征的同时，能够在接收部中大幅抑制一次声波，并结构简单且小型。

本发明不仅限定于上述实施方式，在不改变本发明的要点的范围内，能够进行各种变更、改变。

本申请是将于2008年11月4日在日本申请的专利申请2008-283462号作为要求优先权的基础而进行申请的，本说明书、权利要求书引用上述的公开内容。

Claims (26)

1.一种声振子，其特征在于，具有：

第一振子，其发送具有两种频率成分的一次声波；以及

第二振子，其为了接收伴随上述一次声波的传播而产生的二次声波的反射波被配置成从上述一次声波的发送方向观察时，接收上述反射波的区域与上述第一振子相重叠。

2.根据权利要求1所述的声振子，其特征在于，

上述第一振子具有发送一对一次声波的两个区域，

上述两个区域进行互相反相的发送。

3.根据权利要求1或2所述的声振子，其特征在于，

上述二次声波由上述两种频率的差或者和的频率成分构成。

4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的声振子，其特征在于，

上述第一振子和上述第二振子是相互粘贴而形成的。

5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的声振子，其特征在于，

上述第一振子具有与上述两种频率相对应的两个振动板，

上述两个振动板的两个极化方向是互相相反的，在上述两个振动板的两面上分别设置有共用电极。

6.根据权利要求1至4中的任意一项所述的声振子，其特征在于，

上述第一振子具有与上述两种频率相对应的两个振动板，

上述两个振动板的两个极化方向是相同的，在上述两个振动板的一面上设置有共用电极，在上述两个振动板的另一面上对上述两个振动板中的每个振动板设置有电极。

7.根据权利要求5或6所述的声振子，其特征在于，

上述第一振子中设置有频率降低部件。

8.根据权利要求5至7中的任意一项所述的声振子，其特征在于，

上述两个振动板分别包括沿上述极化方向产生厚度纵向振动的振动板，通过上述厚度纵向振动来发送上述一次声波。

9.根据权利要求1至8中的任意一项所述的声振子，其特征在于，

上述第二振子包括接收上述二次声波来沿上述极化方向产生弯曲振动的振动板。

10.根据权利要求1至3中的任意一项所述的声振子，其特征在于，

上述第一振子和上述第二振子被分离地配置。

11.根据权利要求10所述的声振子，其特征在于，

上述第一振子包括分别产生弯曲振动的两个振动板。

12.根据权利要求11所述的声振子，其特征在于，

上述两个振动板分别是压电双晶片。

13.根据权利要求10至12中的任意一项所述的声振子，其特征在于，

上述第二振子包括接收上述二次声波来产生弯曲振动的振动板。

14.根据权利要求10所述的声振子，其特征在于，

上述第一振子由两个发送部构成，上述两个发送部包括与上述两种频率相对应的、大小分别不同且产生弯曲振动的两个振动板，

上述第二振子由分别与上述两个发送部相对应地设置的两个接收部构成。

15.根据权利要求14所述的声振子，其特征在于，

上述第二振子包括接收上述二次声波来产生弯曲振动的振动板。

16.根据权利要求13或15所述的声振子，其特征在于，

上述第二振子是压电单晶片。

17.根据权利要求1或2所述的声振子，其特征在于，

上述第一振子和上述第二振子分别是静电型振子。

18.根据权利要求17所述的声振子，其特征在于，

上述静电型振子通过MEMS技术形成在基板上。

19.根据权利要求17或18所述的声振子，其特征在于，

上述第一振子形成在上述第二振子的振动膜内。

20.一种图像生成装置，将多个权利要求1至19中的任意一项所述的声振子配置成阵列状或平面状，通过对对象物扫描上述一次声波来生成图像。

21.根据权利要求20所述的图像生成装置，其特征在于，

上述图像是超声波图像。

22.根据权利要求17所述的声振子，其特征在于，

被布线成分别施加到上述第一振子和上述第二振子的直流电压的极性是互相相反的极性。

23.根据权利要求17所述的声振子，其特征在于，

构成上述第一振子和上述第二振子的振子元件被集成配置成具有共振频率f1的元件与具有共振频率f2的元件互相相邻。

24.根据权利要求23所述的声振子，其特征在于，

构成上述第一振子和上述第二振子的元件的形状是六边形。

25.根据权利要求17所述的声振子，其特征在于，

由上述第一振子和上述第二振子构成的声振子的开口是圆形且具有旋转轴。

26.根据权利要求1所述的声振子，其特征在于，

上述第一振子发送互相反转的一次声波，即使接收到相同的一次声波成分也不会将该一次声波成分转换为电信号，

上述第二振子选择性地接收二次声波，并将该二次声波转换为电信号。

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