JP2000143335A - Ceramic material, ultrasonic probe, piezoelectric oscillator and their production - Google Patents

Ceramic material, ultrasonic probe, piezoelectric oscillator and their production

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JP2000143335A JP31290898A JP31290898A JP2000143335A JP 2000143335 A JP2000143335 A JP 2000143335A JP 31290898 A JP31290898 A JP 31290898A JP 31290898 A JP31290898 A JP 31290898A JP 2000143335 A JP2000143335 A JP 2000143335A
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piezoelectric
ultrasonic probe
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純 桑田
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篤志 表
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an alley-type ultrasonic probe and a piezoelectric oscillator having a backing layer comprising a ceramic material having high acoustic impedance and giving an elastomer matching with a piezoelectric material and applicable to a versatile medical ultrasonic diagnostic apparatus. SOLUTION: The objective alley-type ultrasonic probe 1 is produced by at least one-dimensionally arranging a piezoelectric material 2 to transmit and receive ultrasonic wave, a backing layer 3 placed at the back of the piezoelectric material and having an acoustic impedance larger than that of the piezoelectric material and a number of ultrasonic transmitting and receiving elements 10 provided with a backing material 4 having an acoustic impedance smaller than that of the backing layer. A ceramic material produced by adding <=5 wt.% of manganese oxide to a composite perovskite oxide composed mainly of lead, lanthanum, titanium, zinc and niobium and expressed by compositional formula: XLa(Zn2/3Nb1/3)O3-(1-X)PbTiO3 (X is 0.05 to 0.35) is used as the backing layer having an acoustic impedance larger than that of the piezoelectric material.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は超音波探触子および
上記の超音波探触子の超音波送受信素子に使用される音
響整合用磁器材料および圧電磁器振動子用の磁器材料に
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultrasonic probe, an acoustic matching porcelain material used for an ultrasonic transmitting / receiving element of the above ultrasonic probe, and a porcelain material for a piezoelectric vibrator.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来から医療、探傷などの計測の分野で
用いられる超音波探触子では、超音波の送受信を行なう
圧電体は所望の中心周波数fcの超音波を効率よく発生さ
せるため半波長共振の振動モードが使用されている。
2. Description of the Related Art In an ultrasonic probe conventionally used in the fields of measurement such as medical treatment and flaw detection, a piezoelectric body for transmitting and receiving ultrasonic waves has a half wavelength for efficiently generating ultrasonic waves having a desired center frequency fc. A resonant vibration mode is used.

【0003】図9は従来の超音波探触子の断面図であ
る。図9において、1超音波探触子、2は圧電体、4は
バッキング材、5は第1整合層、6は第2整合層、11
は圧電体の両端面に設けられた電極、12は電極11と
図示していない送受信回路とを結合する信号線である。
FIG. 9 is a sectional view of a conventional ultrasonic probe. 9, 1 is an ultrasonic probe, 2 is a piezoelectric body, 4 is a backing material, 5 is a first matching layer, 6 is a second matching layer, 11
Numerals are electrodes provided on both end surfaces of the piezoelectric body, and numeral 12 is a signal line for coupling the electrode 11 to a transmitting / receiving circuit (not shown).

【0004】図10に示した構成において、信号線12
を通して送信回路からの駆動信号が印加されると圧電体
2の内部には厚み方向のひずみが発生し、その結果厚み
方向の縦振動の基本共振である半波長共振が強く励振さ
れて超音波が放射される。したがって圧電体2の厚みは
放射される超音波の周波数の半波長にほぼ等しい。
In the configuration shown in FIG.
When a drive signal from a transmission circuit is applied through the piezoelectric element 2, a strain in the thickness direction is generated inside the piezoelectric body 2, and as a result, a half-wave resonance, which is a fundamental resonance of the longitudinal vibration in the thickness direction, is strongly excited to generate ultrasonic waves. Radiated. Therefore, the thickness of the piezoelectric body 2 is substantially equal to a half wavelength of the frequency of the emitted ultrasonic wave.

【0005】この場合には、圧電体に入る電気的パワー
はバッキング材4の方にも音響パワーとして分配される
ため、被検体への音響パワーが少なく、超音波探触子の
効率を落とす原因になっている。圧電板の背面側に圧電
体とは異なる層を設けて超音波探触子の効率を向上させ
る構造としては、例えば特開昭53−2539号公報に
記載された超音波探触子が知られている。図10は特開
昭53−2539号公報に記載された超音波探触子の斜
視図である。
In this case, the electric power entering the piezoelectric body is also distributed as acoustic power to the backing material 4, so that the acoustic power to the subject is small and the efficiency of the ultrasonic probe is reduced. It has become. As a structure for improving the efficiency of the ultrasonic probe by providing a layer different from the piezoelectric body on the back side of the piezoelectric plate, for example, an ultrasonic probe described in JP-A-53-2539 is known. ing. FIG. 10 is a perspective view of an ultrasonic probe described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 53-2539.

【0006】図10において、1は超音波探触子、2は
圧電体、3は背面層、4はバッキング材、11は電極層
である。以上の構成において、圧電体2は使用され中心
周波数の1/4波長の厚みであり、背面層3は圧電体2
およびバッキング材4よりも大きな音響インピーダンス
を持ち、1/4波長あるいはその奇数倍の厚みに設計さ
れている。また圧電体2の材料は、酸化亜鉛などの圧電
材料であり、背面層3上にスパッタ等のプロセスのよっ
て作成されたものである。電極14に駆動電圧を印加す
ることにより、圧電体2は1/4波長共振を行い超音波
を放射する。
In FIG. 10, 1 is an ultrasonic probe, 2 is a piezoelectric body, 3 is a back layer, 4 is a backing material, and 11 is an electrode layer. In the above configuration, the piezoelectric body 2 is used and has a thickness of 1/4 wavelength of the center frequency.
And, it has an acoustic impedance larger than that of the backing material 4 and is designed to have a thickness of 1/4 wavelength or an odd multiple thereof. The material of the piezoelectric body 2 is a piezoelectric material such as zinc oxide, and is formed on the back layer 3 by a process such as sputtering. By applying a drive voltage to the electrode 14, the piezoelectric body 2 performs quarter-wave resonance and emits ultrasonic waves.

【0007】この際圧電体2の背面層側の端面からみ
た、インピーダンスが大きくなるため背面層3側へのエ
ネルギーの放射が少なくなり、効率の高い超音波探触子
を実現している。
[0007] At this time, since the impedance as viewed from the end face on the back layer side of the piezoelectric body 2 is increased, the radiation of energy to the back layer 3 side is reduced, thereby realizing a highly efficient ultrasonic probe.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来技
術の問題点に鑑みて開発されたもので、高圧電定数を有
する圧電磁器を用い、その圧電材料の音響インピーダン
スに比べて大きい音響インピーダンスを持つ磁器材料を
提供し、かつそれらを精密に接合して組み合わせ縦振動
姿態を基本定在波の4分の1にする。これにより従来の
振動姿態に加えて2倍の周波数にサブバンドを持つ圧電
振動子を可能にし、高感度の超音波探触子とその超音波
送受信素子である圧電振動子の製造方法を提供すること
を目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been developed in view of the above-mentioned problems of the prior art, and uses a piezoelectric ceramic having a high piezoelectric constant, and has an acoustic impedance larger than that of the piezoelectric material. Porcelain materials with high precision, and by joining them precisely, the combined longitudinal vibration mode is reduced to a quarter of the fundamental standing wave. This enables a piezoelectric vibrator having a sub-band at twice the frequency in addition to the conventional vibration mode, and provides a method of manufacturing a high-sensitivity ultrasonic probe and a piezoelectric vibrator as the ultrasonic transmitting / receiving element. The purpose is to:

【0009】しかしながら、従来の技術においては、ス
パッタ等のプロセスによって圧電体を形成しているた
め、圧電体の厚みは数10μm程度であり、その周波数
は数10MHz程度になり、超音波診断装置で一般的に
使用されている数MHz程度の周波数に適用することは
できず、また圧電体の厚みに対して動作面積が大きいk
tモードでの駆動方式であるため、素子の少なくとも1
つの辺が波長と同程度に狭く、ポアソン比などが特性に
大きく影響を与え、さらには切削微細加工の必要なアレ
イ型素子には直接適応できないという問題点を有してい
た。また、音響インピーダンスの大きい材料は硬く脆い
性質があるために加工が非常に困難であった。
However, in the prior art, since the piezoelectric body is formed by a process such as sputtering, the thickness of the piezoelectric body is about several tens μm, and the frequency thereof is about several tens MHz. It cannot be applied to a frequency of about several MHz that is generally used, and the operating area is large with respect to the thickness of the piezoelectric body.
Since the driving method is the t mode, at least one of the elements is used.
One side is as narrow as the wavelength, and the Poisson's ratio has a significant effect on the characteristics, and furthermore, there is a problem that it cannot be directly applied to an array-type element requiring fine cutting. Further, a material having a large acoustic impedance has a hard and brittle property, so that processing is very difficult.

【0010】本発明は上記課題に鑑み、現在の汎用的な
医用超音波診断装置に適用可能な圧電体に適合する弾性
体となる大きな音響インピーダンスを持つ磁器材料を背
面層に有するアレイ型超音波探触子及び圧電振動子を提
供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above problems, the present invention provides an array-type ultrasonic wave having a large acoustic impedance porcelain material on a back layer, which is an elastic material suitable for a piezoelectric material applicable to a current general-purpose medical ultrasonic diagnostic apparatus. It is an object to provide a probe and a piezoelectric vibrator.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】このような問題点を解決
するため、本発明では、圧電体とバッキング材の間に上
記圧電体とバッキング材よりも音響インピーダンスの大
きな材料からなる背面層を設け、アレイを構成する各素
子幅と上記圧電体と背面層をあわせた厚みとの比を1以
下とする構成を実現したものである。
According to the present invention, a back layer made of a material having a higher acoustic impedance than the piezoelectric material and the backing material is provided between the piezoelectric material and the backing material. And the ratio of the width of each element constituting the array to the total thickness of the piezoelectric body and the back layer is 1 or less.

【0012】この課題を解決するために、圧電磁器と接
合しやすく音響インピーダンスが大きい磁器材料とし
て、本発明における鉛、ランタン、チタン、亜鉛、ニオ
ブを主成分とする複合ペロブスカイト型酸化物において
組成式がXLa(Zn2/3Nb1/ 3)O3-(1−X)PbTi
3で表せ、Xが0.05から0.35の範囲内にあり、さらにマ
ンガン酸化物を5重量%以下添加した磁器材料を提供す
る。
In order to solve this problem, as a porcelain material which is easily bonded to a piezoelectric ceramic and has a high acoustic impedance, a composite perovskite-type oxide containing lead, lanthanum, titanium, zinc and niobium as main components in the present invention has a composition formula There XLa (Zn 2/3 Nb 1/3 ) O 3 - (1-X) PbTi
The present invention provides a porcelain material represented by O 3 , wherein X is in the range of 0.05 to 0.35, and further containing not more than 5% by weight of manganese oxide.

【0013】さらに、本発明における圧電振動子あるい
は超音波探触子を実現するには、圧電磁器と接合状態を
良好にするためにメジアン径が0.7μm以下に微粒子化
した粉末を高分子材料(ニトロセルロース、ポリビニル
アルコール等)を粘着剤としたグリーンシートにし、数
μm以下の薄い電極を界面に形成した後に焼成すること
により接合層を0.5μm以下の厚みバラツキにし所望の
特性を持つ圧電振動子あるいは超音波探触子が得られ
る。これらの発明により、従来にない周波数帯域特性を
持つ高感度超音波探触子が得られる。
Furthermore, in order to realize the piezoelectric vibrator or the ultrasonic probe according to the present invention, in order to improve the bonding state with the piezoelectric ceramic, powder having a median diameter of 0.7 μm or less is made of a polymer material ( Nitrocellulose, polyvinyl alcohol, etc.) as a pressure-sensitive adhesive, a thin electrode of several μm or less is formed at the interface, and then baked to make the thickness of the bonding layer uneven at 0.5 μm or less, and a piezoelectric vibrator having desired characteristics Alternatively, an ultrasonic probe is obtained. According to these inventions, a high-sensitivity ultrasonic probe having an unprecedented frequency band characteristic can be obtained.

【0014】また、さらに上記の圧電体磁器と組成式X
La(Zn2/3Nb1/3)O3-(1-X)PbTiO3で表せる材料を主成分と
した磁器材料の積層化を実現するための製造方法も明記
した。
Further, the above-mentioned piezoelectric ceramic and the composition formula X
The manufacturing method for realizing the lamination of the ceramic material mainly composed of the material represented by La (Zn2 / 3Nb1 / 3) O3- (1-X) PbTiO3 was also specified.

【0015】上記発明により、超音波診断装置に適用可
能なアレイ型超音波探触子および圧電振動子を実現する
ことができる。
According to the present invention, an array-type ultrasonic probe and a piezoelectric vibrator applicable to an ultrasonic diagnostic apparatus can be realized.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】本発明の請求項1に記載の発明
は、鉛、ランタン、チタン、亜鉛、ニオブを主成分とす
る複合ペロブスカイト型酸化物において組成式が、XL
a(Zn2/3Nb 1/3)O3-(1−X)PbTiO3で表せ、
Xが0.05から0.35の範囲内にあり、さらにマンガン酸化
物を5重量%以下添加したことを特徴とする磁器材料を
用いることにより高圧電定数を持つ圧電磁器と組み合わ
せた高感度のアレイ型超音波探触子を実現することがで
きる。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The invention according to claim 1 of the present invention
Consists mainly of lead, lanthanum, titanium, zinc and niobium
The composition formula of the complex perovskite oxide is XL
a (Zn2/3Nb 1/3) OThree-(1-X) PbTiOThreeCan be expressed as
X is in the range of 0.05 to 0.35 and manganese oxidation
Porcelain material characterized by the addition of 5% by weight or less
Combined with piezoelectric ceramic with high piezoelectric constant by using
High-sensitivity array-type ultrasonic probe
Wear.

【0017】請求項2に記載の発明は、超音波を送受信
する圧電体と、上記圧電体の背面側に圧電体よりも大き
な音響インピーダンスをもつ背面層と上記背面層より音
響インピーダンスの小さなバッキング材を具備した多数
の超音波送受信素子を少なくとも1次元に配列したアレ
イ型超音波探触子において、背面層として鉛、ランタ
ン、チタン、亜鉛、ニオブを主成分とする複合ペロブス
カイト型酸化物において組成式がXLa(Zn2/3Nb
1/3)O3-(1−X)PbTiO3で表せ、Xが0.05から0.35
の範囲内にあり、さらにマンガン酸化物を5重量%以下
添加したことを特徴とする磁器材料を用いることにより
高圧電定数を持つ圧電磁器と組み合わせた高感度のアレ
イ型超音波探触子を実現することができる。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric body for transmitting and receiving ultrasonic waves, a back layer having a larger acoustic impedance than the piezoelectric body on the back side of the piezoelectric body, and a backing material having a smaller acoustic impedance than the back layer. In an array type ultrasonic probe in which a number of ultrasonic transmitting / receiving elements having at least one are arranged in at least one dimension, a composition formula is used in a composite perovskite type oxide mainly containing lead, lanthanum, titanium, zinc, and niobium as a back layer. Is XLa (Zn 2/3 Nb
1/3 ) O 3- (1-X) PbTiO 3 , where X is 0.05 to 0.35
A high-sensitivity array-type ultrasonic probe combined with a piezoelectric ceramic having a high piezoelectric constant is realized by using a porcelain material characterized by adding manganese oxide in an amount of 5% by weight or less. can do.

【0018】請求項3に記載の発明は、背面層の厚みが
中心周波数における波長の0.05〜0.25倍であることを特
徴とする、請求項1の磁器材料と圧電磁器を組み合わせ
た圧電振動子であり、圧電体の厚みを上記の範囲に設定
することにより、所望の中心周波数において最大の感度
を得ることが可能となる。
According to a third aspect of the present invention, there is provided the piezoelectric vibrator according to the first aspect, wherein the thickness of the back layer is 0.05 to 0.25 times the wavelength at the center frequency. Yes, by setting the thickness of the piezoelectric body in the above range, it is possible to obtain the maximum sensitivity at a desired center frequency.

【0019】請求項4記載の発明は、請求項2記載の超
音波探触子を製造する際に請求項1記載の磁器材料と圧
電磁器材料をグリーンシートにし界面に電極を形成した
のち焼成することにより高感度の超音波探触子を得るこ
とが可能となる。
According to a fourth aspect of the present invention, when the ultrasonic probe according to the second aspect is manufactured, the porcelain material and the piezoelectric ceramic material according to the first aspect are formed into green sheets, electrodes are formed at the interface, and firing is performed. This makes it possible to obtain a highly sensitive ultrasonic probe.

【0020】請求項5記載の発明は、請求項3記載の圧
電磁器振動子を製造する際に請求項1記載の磁器材料と
圧電磁器材料をグリーンシートにし界面に電極を形成し
たのち焼成することにより形成した圧電磁器振動子が所
望の中心周波数において最大の出力を得ることが可能と
なる。
According to a fifth aspect of the present invention, when manufacturing the piezoelectric ceramic resonator according to the third aspect, the porcelain material and the piezoelectric ceramic material according to the first aspect are formed into a green sheet, and electrodes are formed at an interface, and then fired. It is possible for the piezoelectric ceramic vibrator formed by the above to obtain the maximum output at a desired center frequency.

【0021】請求項6記載の発明は、請求項1記載の磁
器材料を微粒子化し高分子材料と混合した粘性体と請求
項3記載の圧電磁器となる前駆体として粒子径が5ミク
ロン以下の強誘電体粒子を高分子材料と混合した粘性体
を予め所望の構造に加工し、さらに所望の位置に電極形
成を行った後、焼結させることにより、所望の形状の圧
電振動子を製造することが可能となる。
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a viscous material obtained by finely dividing the porcelain material according to the first aspect and mixing with a polymer material, and a viscous material having a particle size of 5 μm or less as a precursor for the piezoelectric ceramic according to the third aspect. Manufacturing a viscous body in which dielectric particles are mixed with a polymer material into a desired structure in advance, forming electrodes at desired positions, and then sintering to produce a piezoelectric vibrator having a desired shape. Becomes possible.

【0022】請求項7記載の発明は、電極形成されたグ
リーンシートを予め所望の構造に加工した後、炭素ある
いは白金を主成分とした金型に挿入した後、焼結させる
ことにより、所望の形状の圧電振動子を製造することが
可能となる。
According to a seventh aspect of the present invention, the green sheet on which the electrodes are formed is processed into a desired structure in advance, inserted into a mold containing carbon or platinum as a main component, and then sintered to obtain a desired structure. It becomes possible to manufacture a piezoelectric vibrator having a shape.

【0023】請求項8記載の発明は、グリーンシートを
予め所望の構造にレーザー加工した後、焼結させること
により、所望の2次元あるいは3次元形状の圧電磁器振動
子を製造することが可能となる。
According to an eighth aspect of the present invention, it is possible to manufacture a desired two-dimensional or three-dimensional piezoelectric ceramic resonator by subjecting a green sheet to laser processing into a desired structure in advance and then sintering the green sheet. Become.

【0024】次に、本発明の具体例を説明する。 (実施例1)まず、本発明にかかる鉛、ランタン、チタ
ン、亜鉛、ニオブを主成分とする複合ペロブスカイト型
酸化物において組成式がXLa(Zn2/3Nb1/3)O3-
(1−X)PbTiO3で表せ、Xが0.05から0.35の範囲内
にあり、さらにマンガン酸化物を5重量%以下添加した
ことを特徴とする磁器材料と圧電特性を持つセラミック
材料を粉体にする。
Next, a specific example of the present invention will be described. (Example 1) First, a composite perovskite-type oxide containing lead, lanthanum, titanium, zinc, and niobium as main components according to the present invention has a composition formula of XLa (Zn 2/3 Nb 1/3 ) O 3 −.
(1−X) PbTiO 3 , wherein X is in the range of 0.05 to 0.35, and a manganese oxide is added in an amount of 5% by weight or less, and a porcelain material and a ceramic material having piezoelectric characteristics are formed into powder. I do.

【0025】上記の組成物XLa(Zn2/3Nb1/3)O3-
(1−X)PbTiO3は、酸化ランタン、酸化亜鉛、五
酸化ニオブ、酸化チタン、酸化鉛を出発原料として800
℃から900℃で数時間数回仮焼成した状態の粉体を用い
る。この時、粉体はその平均粒径が0.7ミクロン以下及
び最大粒子径が5ミクロン以下になるように粉砕、分級
し、次に高分子材料であるポリビニルアルコール(PVA)
を含む水溶液あるいはポリビニルブチラール(PVB)を
含む有機溶媒を各々の粉体に加え、混合し、粘土状にす
る。圧電磁器材料も同様に粉砕、分級し、高分子溶液と
混合して粘土状にする。次に、最終寸法形状となるよう
に予め焼結時の収縮率を測定し、それぞれのシートの形
状を決定する。
The above composition XLa (Zn 2/3 Nb 1/3 ) O 3-
(1-X) PbTiO 3 is, lanthanum oxide, zinc oxide, 800 niobium pentoxide, titanium oxide, lead oxide as a starting material
A powder that has been temporarily calcined several hours at a temperature of from 900C to 900C is used. At this time, the powder is pulverized and classified so that the average particle size is 0.7 μm or less and the maximum particle size is 5 μm or less, and then polyvinyl alcohol (PVA), which is a polymer material, is used.
Or an organic solvent containing polyvinyl butyral (PVB) is added to each powder and mixed to form a clay. Piezoelectric ceramic materials are similarly ground and classified, mixed with a polymer solution, and made into a clay state. Next, the shrinkage ratio at the time of sintering is measured in advance so as to have the final dimensional shape, and the shape of each sheet is determined.

【0026】ここで本発明のXLa(Zn2/3Nb1/3)O
3-(1−X)PbTiO3系磁器材料と圧電磁器材料の収
縮率を合わせることが重要で、そのために両者の仮焼成
温度を調節して焼成後の寸法を一致させた。またこの
時、薄いグリーンシートにするときは粘度を低くして狭
いスリットの間から流し出しポリエチレンテレフタレー
トのシートの上に敷き乾燥させて柔軟性のある薄いグリ
ーンシートとする。
Here, the XLa (Zn 2/3 Nb 1/3 ) O of the present invention is used.
It is important to match the contraction rates of the 3- (1-X) PbTiO 3 -based ceramic material and the piezoelectric ceramic material. For this purpose, the calcination temperature of both materials was adjusted to match the dimensions after sintering. At this time, when a thin green sheet is formed, the viscosity is reduced, and the thin green sheet is poured out from between narrow slits and laid on a polyethylene terephthalate sheet and dried to obtain a thin green sheet having flexibility.

【0027】次に、圧電磁器材料のグリーンシートの所
定の場所に電極を蒸着や印刷で形成しさらにそれを所望
の形状に加工し、本発明の磁器材料シートと圧電磁器材
料のシートを積層した状態で電気炉等で焼成する。
Next, electrodes were formed at predetermined positions on the green sheet of piezoelectric ceramic material by vapor deposition or printing, processed into a desired shape, and the ceramic material sheet of the present invention and the piezoelectric ceramic sheet were laminated. It is fired in an electric furnace or the like in the state.

【0028】この時、一度400〜700℃以下の温度
で数時間程度保持しバインダであるPVAあるいはPVBを除
去し、次に1100〜1250℃の間で約2時間焼成し
て所望の圧電振動子を作成した。
At this time, the substrate is once held at a temperature of 400 to 700 ° C. or lower for several hours to remove PVA or PVB as a binder, and then fired at 1100 to 1250 ° C. for about 2 hours to obtain a desired piezoelectric vibrator. It was created.

【0029】ここで、本発明にかかる磁器材料であるX
La(Zn2/3Nb1/3)O3-(1−X)PbTiO3系磁器
材料の音響インピーダンス特性について図1に示す。モ
ル比Xが0.2の時に最大値となり、圧電磁器材料との組み
合わせによりXが0.05から0.35の範囲が有効である。こ
の範囲を超えると圧電磁器材料の音響インピーダンスと
同程度の値になってしまう。
Here, X, which is a porcelain material according to the present invention, is used.
FIG. 1 shows the acoustic impedance characteristics of La (Zn 2/3 Nb 1/3 ) O 3- (1-X) PbTiO 3 based porcelain material. The maximum value is obtained when the molar ratio X is 0.2, and the range of 0.05 to 0.35 is effective depending on the combination with the piezoelectric ceramic material. Exceeding this range results in a value comparable to the acoustic impedance of the piezoelectric ceramic material.

【0030】さらに、XLa(Zn2/3Nb1/3)O3-(1
−X)PbTiO3系磁器材料にマンガン酸化物を少量
(5重量%以下)添加して焼成すると音速が5%程度改
善された。
Further, XLa (Zn 2/3 Nb 1/3 ) O 3- (1
-X) When a small amount (5% by weight or less) of manganese oxide was added to the PbTiO 3 -based porcelain material and fired, the speed of sound was improved by about 5%.

【0031】また、この時の圧電磁器材料としては、ペ
ロブスカイト型酸化物の強誘電体やタングステンブロン
ズ構造の強誘電体を用いた。具体的には、鉛、バリウ
ム、ストロンチウム、亜鉛、ニオブ、タンタル、マグネ
シウム、チタン、ジルコニウム、ランタニド系の元素を
二つ以上含んだ酸化物圧電材料によって実施できた。
As the piezoelectric ceramic material at this time, a ferroelectric material of a perovskite oxide or a ferroelectric material having a tungsten bronze structure was used. Specifically, the present invention can be implemented by an oxide piezoelectric material containing two or more elements of lead, barium, strontium, zinc, niobium, tantalum, magnesium, titanium, zirconium, and lanthanide.

【0032】また、圧電磁器材料の替りとして音響イン
ピーダンスの低い圧電材料として鉛を含むペロブスカイ
ト型酸化物の強誘電体の単結晶XLa(Zn2/3Nb1/3)
3-(1−X)PbTiO3(Xが0.08から0.15)との組み
合わせることもできた。電極材料としては白金、あるい
は銀を含むパラジウム、あるいはニッケルを使用した。
In addition, instead of a piezoelectric ceramic material, a ferroelectric single crystal XLa (Zn 2/3 Nb 1/3 ) of a perovskite oxide containing lead as a piezoelectric material having a low acoustic impedance is used.
It could be combined with O 3- (1-X) PbTiO 3 (X is 0.08 to 0.15). As the electrode material, platinum, palladium containing silver, or nickel was used.

【0033】一方、本発明のXLa(Zn2/3Nb1/3)O
3-(1−X)PbTiO3系磁器材料と前記の圧電材料が
焼結体あるいは単結晶板の状態の場合は背面層となる本
発明の磁器材料と圧電材料を表面粗さが0.25μm以下に
し、接着層を0.5μm以下になるように接着剤で接合し
た。この場合の電極材料は銀、金、白金、銅等の電極層
を蒸着で形成した。
On the other hand, the XLa (Zn 2/3 Nb 1/3 ) O of the present invention
When the 3- (1-X) PbTiO 3 -based porcelain material and the piezoelectric material are in the form of a sintered body or a single crystal plate, the porcelain material of the present invention and the piezoelectric material which are to be the back layers have a surface roughness of 0.25 μm or less. Then, the adhesive layer was bonded with an adhesive so as to have a thickness of 0.5 μm or less. In this case, an electrode material such as silver, gold, platinum, or copper was formed by vapor deposition.

【0034】また、接着強度を増すためにクロム、ある
いはチタンを100nm以下で電極と圧電材料の界面に形成
した。
In order to increase the bonding strength, chromium or titanium was formed on the interface between the electrode and the piezoelectric material at a thickness of 100 nm or less.

【0035】以下に本発明の磁器材料を用いた超音波探
触子と圧電振動子について、図2ないし図8を用いて本
発明の実施の形態について説明する。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 2 to 8 for an ultrasonic probe and a piezoelectric vibrator using the porcelain material of the present invention.

【0036】(実施の形態1)図2は本発明、実施の形
態1における超音波探触子の斜視図である。図2におい
て1超音波探触子、2は超音波を送受信する圧電体、3
は圧電体2の背面に設けられた背面層、4は背面層の背
後に設けられ超音波探触子1全体を支持しているバッキ
ング材、5、6は図示されていない被検体との音響的マ
ッチングをとるための第1および第2整合層、7は短軸方
向のフォーカスを行うための音響レンズ、8はアレイを
構成するために設けられたダイシングギャップ、9はダ
イシングギャップに充填され超音波探触子の機械的強度
を保つための充填材、10はアレイを構成する超音波送
受信素子である。
Embodiment 1 FIG. 2 is a perspective view of an ultrasonic probe according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 2, 1 is an ultrasonic probe, 2 is a piezoelectric body for transmitting and receiving ultrasonic waves,
Is a backing layer provided on the backside of the piezoelectric body 2, 4 is a backing material provided behind the backing layer and supports the entire ultrasonic probe 1, and 5 and 6 are acoustic waves with the subject (not shown). A first and a second matching layer for performing a target matching, 7 is an acoustic lens for performing focusing in a short axis direction, 8 is a dicing gap provided for forming an array, 9 is a dicing gap filled in the dicing gap, and A filler 10 for maintaining the mechanical strength of the acoustic probe is an ultrasonic transmitting / receiving element constituting an array.

【0037】図3は本発明の第1の実施例における超音
波探触子の断面の模式図である。図3において11は圧
電体2の両端面に設けられた電極層、12は圧電体の電
極層に接続された信号線であり、これらは図示されてい
ない本体内の送受信回路回路と接続されている。また1
3は圧電体2と背面層3を接合するための接着層であ
る。 ここで、この接合層13は製造方法によりゼロに
することもできる。
FIG. 3 is a schematic sectional view of an ultrasonic probe according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 3, reference numeral 11 denotes an electrode layer provided on both end surfaces of the piezoelectric body 2, and 12 denotes signal lines connected to the electrode layers of the piezoelectric body, which are connected to a transmitting / receiving circuit circuit (not shown) in the main body. I have. Also one
Reference numeral 3 denotes an adhesive layer for joining the piezoelectric body 2 and the back layer 3. Here, the bonding layer 13 can be made zero by a manufacturing method.

【0038】以上のように構成された超音波探触子1の
製造方法の一例を説明する最初に計測に用いる超音波の
中心周波数を決定する。中心周波数は測定対象の大き
さ、測定対象までの距離、所望の分解能などから決定さ
れる。中心周波数が決定した後圧電体2の厚みを設定し
た中心周波数と圧電体2の音速の関係で決まる波長に対
しての0.2〜0.3倍程度に設定し、所定の厚みの圧電体2
を研削、研磨などにより作成する。また、厚み以外の寸
法に関しては、超音波探触子1の使用環境、測定対象な
どを考慮して決定し、予めダイサやワイヤソウなどによ
り所定の寸法に加工しておけばよい。
A description will be given of an example of a method of manufacturing the ultrasonic probe 1 configured as described above. First, the center frequency of the ultrasonic wave used for measurement is determined. The center frequency is determined based on the size of the measurement target, the distance to the measurement target, a desired resolution, and the like. After the center frequency is determined, the thickness of the piezoelectric body 2 is set to about 0.2 to 0.3 times the wavelength determined by the relationship between the set center frequency and the sound speed of the piezoelectric body 2, and the piezoelectric body 2 having a predetermined thickness is set.
Is prepared by grinding or polishing. In addition, dimensions other than the thickness may be determined in consideration of the use environment of the ultrasonic probe 1, the measurement object, and the like, and may be processed in advance to a predetermined size using a dicer, a wire saw, or the like.

【0039】圧電体2の材料はPZTなどの圧電磁器、
また圧電コンポジット材料、圧電高分子材料などの圧電
性を有するものであれば良いが、電気機械結合係数の大
きいものが望ましい。この圧電体2の両面に、焼付け・
印刷・スパッタなどにより電極11を形成する。電極材
料は導電性の良好な金属であればよく、音響特性上から
電極はなるべく薄く形成されている事が好ましい。
The material of the piezoelectric body 2 is a piezoelectric ceramic such as PZT,
Any material having piezoelectricity such as a piezoelectric composite material or a piezoelectric polymer material may be used, but a material having a large electromechanical coupling coefficient is desirable. Baking on both sides of this piezoelectric body 2
The electrode 11 is formed by printing, sputtering, or the like. The electrode material may be a metal having good conductivity, and it is preferable that the electrode is formed as thin as possible from the viewpoint of acoustic characteristics.

【0040】電極11を形成した圧電体2の背面側に、
圧電体2より音響インピーダンスの大きな材料で構成さ
れている背面層3を所定の寸法に加工したのち接着剤に
より接合する。背面層3の厚みは中心周波数fcと背面層
3の音速Vbの関係で決まる波長に対しての0.05〜0.25
倍程度に設定し、研削、研磨などにより作成する。
On the back side of the piezoelectric body 2 on which the electrode 11 is formed,
The back layer 3 made of a material having a higher acoustic impedance than the piezoelectric body 2 is processed into a predetermined size, and then joined with an adhesive. The thickness of the back layer 3 is 0.05 to 0.25 with respect to the wavelength determined by the relationship between the center frequency fc and the sound velocity Vb of the back layer 3.
Set to about twice and make by grinding, polishing, etc.

【0041】接着工程においてはダイセットや専用の接
着治具などを使用し接着層13を可能な限り薄くするこ
とが必要である。背面層3の材料は、圧電体2より音響
インピーダンスの大きいものであればよいが、圧電体2
との接合性の良好なもので、かつアレイを形成するため
に切削性の良好な材料が望ましい。
In the bonding step, it is necessary to make the bonding layer 13 as thin as possible by using a die set or a dedicated bonding jig. The material of the back layer 3 may be any material having an acoustic impedance higher than that of the piezoelectric body 2.
It is desirable to use a material having a good bonding property with the material and a good cutting property in order to form an array.

【0042】本発明にかかる背面層3として有効な磁器
材料は音響インピーダンスが33Mkg/(m2・s)
以上のものであれば、圧電体として音響インピーダンス
が32Mkg/(m2・s)程度の値を有するPZT系
の圧電セラミックスを使用した場合にも背面層として適
当な材料となる。本発明にかかる磁器材料であるXLa
(Zn2/3Nb1/3)O3-(1−X)PbTiO3系磁器材料
の音響インピーダンス特性は、この条件を満たしてい
た。
The porcelain material effective as the back layer 3 according to the present invention has an acoustic impedance of 33 Mkg / (m 2 · s).
With the above structure, even if a PZT-based piezoelectric ceramic having an acoustic impedance of about 32 Mkg / (m 2 · s) is used as the piezoelectric body, it is a suitable material for the back layer. XLa which is a porcelain material according to the present invention
(Zn 2/3 Nb 1/3) O 3 - acoustic impedance characteristics of the (1-X) PbTiO 3 based ceramic material was not meet this condition.

【0043】圧電体2と背面層3を接着した後にバッキ
ング剤4、第1整合層5、第2整合層6を接着し、ダイ
サなどを使用してダンシングギャップ8を形成する。そ
の際各超音波送受信素子1幅Wと圧電体2と背面層3を
あわせた厚みTとの比は0.8以下、望ましくは0.6
以下に設定する。超音波探触子1に機械的な強度が必要
である場合には、ダイシングギャップ8に充填材9を充
填する。
After bonding the piezoelectric body 2 and the back layer 3, the backing agent 4, the first matching layer 5, and the second matching layer 6 are bonded, and a dancing gap 8 is formed using a dicer or the like. At this time, the ratio of the width W of each ultrasonic transmitting / receiving element 1 to the total thickness T of the piezoelectric body 2 and the back layer 3 is 0.8 or less, preferably 0.6.
Set as follows. When the ultrasonic probe 1 requires mechanical strength, the dicing gap 8 is filled with a filler 9.

【0044】充填材は各アレイ素子間のクロストークを
低く押さえるために、例えば硬度の低いエポキシ系の樹
脂やシリコン系の樹脂、あるいはポリウレタン系の樹脂
などを使用すればよい。充填材9の充填後音響レンズ7
を接着する。信号線11は圧電体2の上下の電極10と
の電気的接続ができればよく、背面層3を接合する前、
あるいは接合後に電極10にハンダ付けや導電性ペース
トあるいはワイヤボンディングなどにより接合する。
As the filler, for example, an epoxy resin, a silicone resin, or a polyurethane resin having a low hardness may be used in order to suppress the crosstalk between the array elements to a low level. Acoustic lens 7 after filling with filler 9
Glue. It is sufficient that the signal line 11 can be electrically connected to the upper and lower electrodes 10 of the piezoelectric body 2.
Alternatively, after the bonding, the electrodes 10 are bonded by soldering, conductive paste, wire bonding, or the like.

【0045】なお、上記の製造方法によれば、圧電体2
と背面層3を接合する接着層12以外に、背面層3とバ
ッキング材4、圧電体2と第1整合層5、第1整合層5
と第2整合層6、第2整合層6と音響レンズ7間に接着
層が存在するが図3では省略した。
According to the above-described manufacturing method, the piezoelectric body 2
Back layer 3 and backing material 4, piezoelectric body 2 and first matching layer 5, first matching layer 5
3, an adhesive layer exists between the second matching layer 6 and the acoustic lens 7, but is omitted in FIG.

【0046】以上のように構成された超音波探触子1の
動作について図2を参照しながら説明する。図2に示さ
れる本発明の第1の実施例における探触子を設計した場
合、圧電体2の厚みは0.2〜0.3波長に設定され、一般的
な従来の1/2波長共振を用いた超音波探触子に比べて
薄く設計されている。
The operation of the ultrasonic probe 1 configured as described above will be described with reference to FIG. When the probe according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 2 is designed, the thickness of the piezoelectric body 2 is set to 0.2 to 0.3 wavelength, and the thickness of the piezoelectric body 2 is increased by using a conventional half wavelength resonance. It is designed to be thinner than an acoustic probe.

【0047】駆動電圧Vを印加した場合、圧電体内部に
発生する電界強度は圧電体の厚みに反比例するため、本
発明の超音波探触子は従来の超音波探触子と比較して内
部の電界強度が大きく、したがって大きなひずみが発生
する。寸法的には本実施例における圧電体2の厚みは、
従来の圧電体2の厚みの1/2程度になるため、圧電体2
内部に電界により発生するひずみは従来の2倍程度にな
る。
When the driving voltage V is applied, the electric field strength generated inside the piezoelectric body is inversely proportional to the thickness of the piezoelectric body. Therefore, the ultrasonic probe of the present invention has a larger internal strength than a conventional ultrasonic probe. Has a large electric field strength, and thus a large distortion occurs. Dimensionally, the thickness of the piezoelectric body 2 in this embodiment is:
Since the thickness of the piezoelectric body 2 is about half the thickness of the conventional piezoelectric body 2, the piezoelectric body 2
The distortion caused by the electric field inside is about twice that of the conventional one.

【0048】圧電体2の厚みを薄くして電界強度を高め
内部のひずみを大きくした場合、圧電体2の両端面がフ
リーに近い状態で振動するため、厚み方向の半波長共振
が強く励振されてしまい、中心周波数が上昇してしまう
が、本実施の形態における超音波探触子1では圧電体2
より音響インピーダンスが大きい背面層3として本発明
にかかる磁器材料であるXLa(Zn2/3Nb1/3)O3-
(1−X)PbTiO3系磁器材料を設けたことにより、
圧電体2の背面層側の振動を抑制し、中心周波数の上昇
を押さえた状態で大きなひずみを発生させることができ
た。結果的に送信時の効率が高く、受信感度も高い超音
波探触子となった。
When the thickness of the piezoelectric body 2 is reduced and the electric field strength is increased to increase the internal strain, the two end faces of the piezoelectric body 2 vibrate in a nearly free state, so that half-wave resonance in the thickness direction is strongly excited. Although the center frequency increases, the ultrasonic probe 1 according to the present embodiment
XLa (Zn 2/3 Nb 1/3 ) O 3 −, which is a porcelain material according to the present invention, is used as the back layer 3 having higher acoustic impedance.
By providing the (1-X) PbTiO 3 ceramic material,
Vibration on the back layer side of the piezoelectric body 2 was suppressed, and large strain was able to be generated in a state where the increase in the center frequency was suppressed. As a result, an ultrasonic probe with high transmission efficiency and high reception sensitivity was obtained.

【0049】高効率のアレイ型超音波探触子を構成する
ためには、圧電体2の厚みと超音波送受信素子10の幅
の関係が重要であり、従来の超音波探触子では、圧電体
の幅と厚みの比が1以下、望ましくは0.6以下であるこ
とが望ましいとされている。本発明の実施の形態1にお
ける超音波探触子1場合には、圧電体2と背面層3を一
体で考えた場合の振動特性が重要である。
In order to construct a highly efficient array type ultrasonic probe, the relationship between the thickness of the piezoelectric body 2 and the width of the ultrasonic transmitting / receiving element 10 is important. It is said that the ratio of the width to the thickness of the body is preferably 1 or less, preferably 0.6 or less. In the case of the ultrasonic probe 1 according to the first embodiment of the present invention, the vibration characteristics when the piezoelectric body 2 and the back layer 3 are considered integrally are important.

【0050】図4は圧電体2と背面層3をあわせた厚み
をTとして、超音波送受信素子10の幅との関係を変え
てインピーダンス特性をシミュレーションした結果であ
る。図4(a)はW/T=0.5、(b)はW/T=
0.6、(c)はW/T=0.8の場合の結果である。
FIG. 4 shows the results of simulating impedance characteristics by changing the relationship between the width of the ultrasonic transmitting / receiving element 10 and the thickness of the combined piezoelectric body 2 and back layer 3 as T. FIG. 4A shows W / T = 0.5, and FIG. 4B shows W / T =
0.6 and (c) are the results when W / T = 0.8.

【0051】図4(a)、(b)では、4MHzから5
MHz付近に大きな縦振動の共振が現れているが、
(c)では反共振の部分に横方向の共振が発生し、全体
としての縦振動特性に影響を与えていることがわかる。
図4より、本実施の形態における超音波送受信素子10
を高効率なものとするためには、超音波送受信素子10
の幅Wと圧電体2と背面層3をあわせた厚みTの比W/
Tが0.8以下、望ましくは0.6以下に設計すること
が必要である。
In FIGS. 4A and 4B, 5 MHz to 4 MHz
A large longitudinal vibration resonance appears around MHz,
In (c), it can be seen that horizontal resonance occurs in the anti-resonance part, which affects the longitudinal vibration characteristics as a whole.
FIG. 4 shows that the ultrasonic transmitting / receiving element 10 in the present embodiment
In order to increase the efficiency of the ultrasonic transmission / reception element 10
And the ratio W / of the thickness T of the piezoelectric body 2 and the back layer 3 together
It is necessary to design T to be 0.8 or less, preferably 0.6 or less.

【0052】また、背面層3の厚みと音響インピーダン
スは超音波探触子の感度に対して影響を与え、送信感度
および受信感度に対する影響が異なる。 図5および図
6は本実施の形態における超音波探触子の感度特性と背
面層4の厚みおよび音響インピーダンスの関係を示した
もので、縦軸は相対感度を横軸は中心周波数の場合の波
長で規格化した背面層の厚みである。図5は送信感度、
図6は受信感度をそれぞれ示している。図5に示めすよ
うに送信感度は背面層の厚みが0.15波長付近で最大値に
達する。
The thickness and acoustic impedance of the back layer 3 affect the sensitivity of the ultrasonic probe, and have different effects on transmission sensitivity and reception sensitivity. FIGS. 5 and 6 show the relationship between the sensitivity characteristic of the ultrasonic probe and the thickness and acoustic impedance of the back layer 4 in the present embodiment, where the vertical axis represents the relative sensitivity and the horizontal axis represents the center frequency. This is the thickness of the back layer normalized by wavelength. Figure 5 shows the transmission sensitivity,
FIG. 6 shows the receiving sensitivity. As shown in FIG. 5, the transmission sensitivity reaches the maximum value when the thickness of the back layer is around 0.15 wavelength.

【0053】一方、図6に示すよう受信感度に関しては
背面層4の音響インピーダンスに対する依存性は少な
い。この場合には総合の感度は0.2〜0.25波長付近で最
大となり、また背面層3の圧電体3に対する音響インピ
ーダンスの比が大きいほど相対的な感度は大きくなる。
図5、図6に示すよう背面層の厚さと音響インピーダン
スの影響の違いを利用することにより、圧電体2などの
他の構成に大きな変更を加えることなしに送信感度ある
いは受信感度が異なる超音波探触子を容易に設計製作す
ることが可能になる。
On the other hand, as shown in FIG. 6, the reception sensitivity has little dependence on the acoustic impedance of the back layer 4. In this case, the overall sensitivity becomes maximum around 0.2 to 0.25 wavelength, and the relative sensitivity increases as the ratio of the acoustic impedance of the back layer 3 to the piezoelectric body 3 increases.
By utilizing the difference between the thickness of the back layer and the effect of the acoustic impedance as shown in FIGS. 5 and 6, the ultrasonic waves having different transmission sensitivities or reception sensitivities can be used without making significant changes to other structures such as the piezoelectric body 2. The probe can be easily designed and manufactured.

【0054】さらに、接着によって圧電体2と背面層3
を接合する場合には、図2における接着層13の厚みと
音響インピーダンスが大きな影響を与える。図7は接着
層13の厚みを一定にして、接着材の音響インピーダン
スZを0から10まで変化させた場合の超音波探触子1
の帯域特性の変化のシミュレーション結果である。図7
に示すように音響インピーダンスが低い場合には、帯域
特性が狭帯域化し感度の低下が顕著である。
Further, the piezoelectric body 2 and the back layer 3 are bonded by bonding.
In this case, the thickness and the acoustic impedance of the adhesive layer 13 in FIG. FIG. 7 shows an ultrasonic probe 1 in the case where the thickness of the adhesive layer 13 is constant and the acoustic impedance Z of the adhesive is changed from 0 to 10.
12 is a simulation result of a change in the band characteristic of FIG. FIG.
As shown in (1), when the acoustic impedance is low, the band characteristic is narrowed and the sensitivity is remarkably reduced.

【0055】図8は接着層の音響インピーダンスと中心
周波数で規格化した厚みを変化させた場合の感度の低下
を示している。接着層の厚みを0にすることは現実に不
可能であり、また一般的に使用されるエポキシ樹脂など
の高分子系の接着剤の音響インピーダンスは10Mkg/
(m2・s)以下である。若干の感度低下は容赦するこ
とは不可欠であり、原理的感度に対して−3dB以内の
感度低下に押さえようとする場合には、接着層は0.0
1波長以下に制御することが必要である。
FIG. 8 shows a decrease in sensitivity when the thickness normalized by the acoustic impedance and the center frequency of the adhesive layer is changed. It is actually impossible to make the thickness of the adhesive layer zero, and the acoustic impedance of a commonly used polymer adhesive such as epoxy resin has an acoustic impedance of 10 Mkg /
(M 2 · s) or less. It is indispensable to forgive a slight decrease in sensitivity, and if the sensitivity is to be reduced to within -3 dB with respect to the theoretical sensitivity, the adhesive layer is required to have a thickness of 0.0.
It is necessary to control the wavelength to one wavelength or less.

【0056】以上のように本実施の形態によれば、超音
波を送受信する圧電体と、上記圧電体の背面側に圧電体
より大きな音響インピーダンスをもつ背面層を設け、か
つ超音波送受信素子の幅と圧電体、背面層の厚みの比を
0.8以下にし、また圧電体と背面層間の接着層を0.01
波長以下に制御することにより、高効率の超音波探触子
を実現できる。さらに、上記背面層の厚みおよび音響イ
ンピーダンスを変更することにより、送信感度、受信感
度を変更することができ超音波探触子の設計自由度を広
げることができる。
As described above, according to the present embodiment, the piezoelectric body for transmitting and receiving the ultrasonic wave, the back layer having a larger acoustic impedance than the piezoelectric body on the back side of the piezoelectric body are provided, and the ultrasonic transmitting and receiving element is provided. The ratio of the width to the thickness of the piezoelectric body and the back layer should be 0.8 or less, and the adhesive layer between the piezoelectric body and the back layer should be 0.01
By controlling the wavelength to be less than the wavelength, a highly efficient ultrasonic probe can be realized. Further, by changing the thickness and the acoustic impedance of the back layer, the transmission sensitivity and the reception sensitivity can be changed, and the design flexibility of the ultrasonic probe can be expanded.

【0057】本実施の形態を実現する上で本発明にかか
る磁器材料であるXLa(Zn2/3Nb1/3)O3-(1−X)
PbTiO3系磁器材料を背面層3に用い、圧電体2と
してXLa(Zn2/3Nb1/3)O3-(1−X)PbTiO3
系圧電磁器材料や単結晶XLa(Zn2/3Nb1/3)O3-
(1−X)PbTiO3を用いた場合この予測と一致し
た。
In realizing the present embodiment, a porcelain material according to the present invention, ie, XLa (Zn 2/3 Nb 1/3 ) O 3- (1-X)
A PbTiO 3 -based porcelain material is used for the back layer 3, and XLa (Zn 2/3 Nb 1/3 ) O 3- (1-X) PbTiO 3 is used as the piezoelectric body 2.
System piezoelectric ceramic material and single crystal XLa (Zn 2/3 Nb 1/3 ) O 3-
This prediction was consistent with (1-X) PbTiO 3 .

【0058】また、加工法として、焼結体あるいは単結
晶を切削研磨して所望の形状にした後に接合した場合と
焼結前にグリーンシートの段階でレーザーを用いて加工
した後に焼結する方法を行ったが両方ともに同様に設計
予測と合致した結果を得た。
Further, as a processing method, a sintered body or a single crystal is cut and polished into a desired shape and then joined, and a method of sintering after processing using a laser in a green sheet stage before sintering. Were performed, but both obtained the same result as the design prediction.

【0059】さらに、グリーンシートを切断、電極形成
等の加工した後にあらかじめ設計された白金あるいは炭
素を主成分とする金型にこの加工済みのグリーンシート
を挿入した後に焼結することにより図2、図3のような
平板形状以外に凹面形状や凸面形状の圧電体と背面層積
層型の圧電振動子やそれを用いた超音波探触子も形成で
きた。
Further, after cutting the green sheet and forming electrodes, etc., the processed green sheet is inserted into a previously designed mold mainly composed of platinum or carbon, and then sintered, so that the green sheet is sintered as shown in FIG. In addition to the flat plate shape as shown in FIG. 3, a concave or convex piezoelectric body and a back layer laminated type piezoelectric vibrator or an ultrasonic probe using the same were formed.

【0060】[0060]

【発明の効果】以上のように、本発明の高音響インピー
ダンスの磁器材料を用いた圧電振動子を設けた超音波探
触子によれば従来の超音波探触子と比較し、高効率の超
音波探触子が構成できるため送受信感度が向上し、高感
度な計測が可能となるものである。また本発明の超音波
探触子の構造によれば送信感度、受信感度などの設定を
背面層の厚みと音響インピーダンスを変化させることに
より制御でき、超音波探触子の設計の自由度を広げるこ
とが可能となる。
As described above, according to the ultrasonic probe provided with the piezoelectric vibrator using the high acoustic impedance porcelain material of the present invention, the efficiency is higher than that of the conventional ultrasonic probe. Since an ultrasonic probe can be configured, transmission / reception sensitivity is improved, and high-sensitivity measurement can be performed. Further, according to the structure of the ultrasonic probe of the present invention, it is possible to control settings such as transmission sensitivity and reception sensitivity by changing the thickness of the back layer and the acoustic impedance, thereby expanding the degree of freedom in designing the ultrasonic probe. It becomes possible.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の磁器材料の音響インピーダンスおよび
密度に関する説明図
FIG. 1 is an explanatory diagram relating to acoustic impedance and density of a porcelain material of the present invention.

【図2】本発明の実施の形態1における超音波探触子の
斜視図
FIG. 2 is a perspective view of the ultrasonic probe according to the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の実施の形態1における超音波探触子の
断面の模式図
FIG. 3 is a schematic diagram of a cross section of the ultrasonic probe according to the first embodiment of the present invention.

【図4】本発明の実施の形態1における超音波探触子の
超音波送受信素子幅と圧電体背面層の厚みの比を代えた
場合のインピーダンス特性の変化を示した図
FIG. 4 is a diagram showing a change in impedance characteristics when the ratio of the width of the ultrasonic transmission / reception element of the ultrasonic probe and the thickness of the piezoelectric back layer in the ultrasonic probe according to the first embodiment of the present invention is changed.

【図5】本発明の実施の形態1における超音波探触子の
背面層の厚みと音響インピーダンスと送信感度の関係を
示す図
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the thickness of the back layer, the acoustic impedance, and the transmission sensitivity of the ultrasonic probe according to the first embodiment of the present invention.

【図6】本発明の実施の形態1における超音波探触子の
背面層の厚みと音響インピーダンスと受信感度の関係を
示す図
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the thickness of the back layer, acoustic impedance, and reception sensitivity of the ultrasonic probe according to the first embodiment of the present invention.

【図7】本発明の実施の形態1における超音波探触子の
圧電体と背面層間の接着層の厚さと音響インピーダンス
と超音波探触子の帯域特性の関係を示す図
FIG. 7 is a diagram showing a relationship between a thickness of an adhesive layer between a piezoelectric body and a back layer of the ultrasonic probe, an acoustic impedance, and a band characteristic of the ultrasonic probe according to the first embodiment of the present invention.

【図8】本発明の実施の形態1における超音波探触子の
圧電体と背面層間の接着層の厚さと音響インピーダンス
と超音波探触子の感度特性の関係を示す図
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the thickness of an adhesive layer between the piezoelectric body and the back layer of the ultrasonic probe, the acoustic impedance, and the sensitivity characteristics of the ultrasonic probe according to the first embodiment of the present invention.

【図9】従来の超音波探触子の断面図FIG. 9 is a sectional view of a conventional ultrasonic probe.

【図10】従来の超音波探触子の断面図FIG. 10 is a sectional view of a conventional ultrasonic probe.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 アレイ型超音波探触子 2 圧電体 3 背面層 4 バッキング材 5 第1整合層 6 第2整合層 7 音響レンズ 8 ダイシングギャップ 9 充填材 10 超音波送受信素子 11 電極層 12 信号線 13 接着層 14 金属膜層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Array type ultrasonic probe 2 Piezoelectric body 3 Back layer 4 Backing material 5 First matching layer 6 Second matching layer 7 Acoustic lens 8 Dicing gap 9 Filler 10 Ultrasonic transmitting / receiving element 11 Electrode layer 12 Signal line 13 Adhesive layer 14 Metal layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 41/22 H01L 41/22 Z (72)発明者 橋本 雅彦 神奈川県川崎市多摩区東三田3丁目10番1 号 松下技研株式会社内 Fターム(参考) 2G047 CA01 CB01 EA05 GB32 GB35 4C301 EE06 GA20 GB02 GB20 GB33 HH45 4G031 AA09 AA11 AA14 AA19 AA26 AA32 AA39 BA10 CA08 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H01L 41/22 H01L 41/22 Z (72) Inventor Masahiko Hashimoto 3-10 Higashimita, Tama-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Prefecture No. 1 Matsushita Giken Co., Ltd. F term (reference) 2G047 CA01 CB01 EA05 GB32 GB35 4C301 EE06 GA20 GB02 GB20 GB33 HH45 4G031 AA09 AA11 AA14 AA19 AA26 AA32 AA39 BA10 CA08

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 鉛、ランタン、チタン、亜鉛、ニオブを
主成分とする複合ペロブスカイト型酸化物において組成
式がXLa(Zn2/3Nb1/3)O3-(1−X)PbTiO3
で表せ、Xが0.05から0.35の範囲内にあり、さらにマン
ガン酸化物を5重量%以下添加したことを特徴とする磁
器材料。
1. A composite perovskite-type oxide containing lead, lanthanum, titanium, zinc and niobium as main components and having a composition formula of XLa (Zn 2/3 Nb 1/3 ) O 3- (1-X) PbTiO 3
Wherein X is in the range of 0.05 to 0.35 and manganese oxide is added in an amount of 5% by weight or less.
【請求項2】 超音波を送受信する圧電体と、上記圧電
体の背面側に圧電体よりも大きな音響インピーダンスを
もつ背面層と上記背面層より音響インピーダンスの小さ
なバッキング材を具備した多数の超音波送受信素子を少
なくとも1次元に配列したアレイ型超音波探触子におい
て、請求項1記載の磁器材料を前記の圧電体よりも大き
な音響インピーダンスをもつ背面層として備えたことを
特徴とする超音波探触子。
2. A plurality of ultrasonic waves comprising a piezoelectric body for transmitting and receiving ultrasonic waves, a back layer having a larger acoustic impedance than the piezoelectric body on the back side of the piezoelectric body, and a backing material having a smaller acoustic impedance than the back layer. An array-type ultrasonic probe in which transmitting and receiving elements are arranged in at least one dimension, wherein the porcelain material according to claim 1 is provided as a back layer having an acoustic impedance larger than that of the piezoelectric body. Tentacles.
【請求項3】 請求項1記載の磁器材料を圧電磁器と組
み合わせたことを特徴とする圧電振動子。
3. A piezoelectric vibrator, wherein the porcelain material according to claim 1 is combined with a piezoelectric ceramic.
【請求項4】 請求項2記載の超音波探触子を製造する
際に請求項1記載の磁器材料と圧電材料をグリーンシー
トにし界面に電極を形成したのち焼成することを特徴と
した超音波探触子。
4. The ultrasonic probe according to claim 2, wherein the porcelain material and the piezoelectric material according to claim 1 are formed into a green sheet, an electrode is formed at an interface, and firing is performed. Probe.
【請求項5】 請求項3記載の圧電振動子を製造する際
に請求項1記載の磁器材料と圧電材料をグリーンシート
にし界面に電極を形成したのち焼成することを特徴とし
た圧電振動子。
5. A piezoelectric vibrator characterized in that when manufacturing the piezoelectric vibrator according to claim 3, the porcelain material and the piezoelectric material according to claim 1 are formed into a green sheet, electrodes are formed on an interface, and then fired.
【請求項6】 請求項1記載の磁器材料を平均粒子径
0.7ミクロン以下及び最大粒子径5ミクロン以下の微
粒子とし高分子材料と混合した粘性体と請求項3記載の
圧電材料となる前駆体として平均粒子径0.7ミクロン
以下及び最大粒子径5ミクロン以下の強誘電体粒子を高
分子材料と混合した粘性体を予め所望の構造に加工し、
さらに所望の位置に電極形成を行った後、焼結させるこ
とにより、所望の形状の振動子を製造する圧電振動子の
製造方法。
6. A viscous body obtained by mixing the porcelain material according to claim 1 with fine particles having an average particle diameter of 0.7 μm or less and a maximum particle diameter of 5 μm or less and mixing with a polymer material, and a precursor to be a piezoelectric material according to claim 3 A viscous body obtained by mixing ferroelectric particles having an average particle diameter of 0.7 μm or less and a maximum particle diameter of 5 μm or less with a polymer material is processed into a desired structure in advance,
Further, a method of manufacturing a piezoelectric vibrator for manufacturing a vibrator having a desired shape by sintering after forming electrodes at desired positions.
【請求項7】 電極形成されたグリーンシートを予め所
望の構造に加工した後、炭素あるいは白金を主成分とし
た金型に挿入した後、焼結させることにより、所望の形
状の振動子を製造する圧電振動子の製造方法。
7. A vibrator having a desired shape is manufactured by processing a green sheet on which an electrode is formed into a desired structure in advance, inserting the green sheet into a mold containing carbon or platinum as a main component, and then sintering. Manufacturing method of a piezoelectric vibrator.
【請求項8】 グリーンシートを予め所望の構造にレー
ザー加工した後、焼結させることにより、所望の形状の
振動子を製造する圧電振動子の製造方法。
8. A method for manufacturing a piezoelectric vibrator for manufacturing a vibrator having a desired shape by subjecting a green sheet to laser processing into a desired structure in advance and then sintering the green sheet.
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