JP2002248100A - Ultrasonic transducer and ultrasonic transducer system using the same - Google Patents

Ultrasonic transducer and ultrasonic transducer system using the same

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JP2002248100A
JP2002248100A JP2001048579A JP2001048579A JP2002248100A JP 2002248100 A JP2002248100 A JP 2002248100A JP 2001048579 A JP2001048579 A JP 2001048579A JP 2001048579 A JP2001048579 A JP 2001048579A JP 2002248100 A JP2002248100 A JP 2002248100A
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日出夫 安達
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ultrasonic transducer for detecting a harmonic signal having high S/N ratio and high selectivity. SOLUTION: The ultrasonic transducer has a transmission ultrasonic vibrator for transmitting a fundamental ultrasonic wave with center frequency f0 and a receiving ultrasonic vibrator for receiving a harmonic signal with center frequency nf0 ((n): an integer of 2 or more), and the receiving ultrasonic vibrator has a receiving piezoelectric vibrator, and a transmission piezoelectric vibrator and the receiving piezoelectric vibrator are arranged on the same plane of satisfy (g33r .Vr .Qr )/(g33t .Vt .Qt )>=n.(1+R) (wherein, g33t and Vt are respectively the voltage output coefficient and acoustic velocity of the transmission piezoelectric vibrator, g33r and Vr are respectively the voltage output coefficient and acoustic velocity of the receiving piezoelectric vibrator, (n) is their harmonic degree, R is an aperture area ratio and Qt and Qr are respectively the resonance sharpnesses of the transmission ultrasonic vibrator and the receiving ultrasonic vibrator.

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、ハーモニックイメ
ージング超音波診断に用いられる超音波トランスデュー
サに関し、中心周波数f0を持つ基本超音波を送信し、
この基本超音波によって対象物に発生する中心周波数n
0(n:2以上の整数)を持つ非線形超音波を検出する
超音波トランスデューサに関する。
The present invention relates to relates to an ultrasonic transducer for use in harmonic imaging ultrasonic diagnosis, it transmits the basic ultrasonic waves having a center frequency f 0,
The center frequency n generated in the object by this basic ultrasonic wave
The present invention relates to an ultrasonic transducer that detects nonlinear ultrasonic waves having f 0 (n: an integer of 2 or more).

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、ハーモニックイメージング超音波
診断法が注目を浴びている。この診断方法は大別して、
造影剤を用いたコントラストハーモニックイメージング
と生体組織が有する弾性特性の非線型性を検出して画像
表示するティッシューハーモニックイメージングに分類
される。その状況は「エレクトロニクスの臨床、超音波
特集−最新の超音波−:1999年、日本超音波医学会
学術講演会、配布テキスト」に詳しく記述されている。
2. Description of the Related Art Harmonic imaging ultrasonic diagnostic methods have recently attracted attention. This diagnostic method is roughly divided into
It is classified into contrast harmonic imaging using a contrast agent and tissue harmonic imaging which detects and displays an image by detecting nonlinearity of elastic properties of living tissue. The situation is described in detail in "Clinics of Electronics, Special Issue on Ultrasound-Latest Ultrasound-: 1999, Japanese Society of Ultrasound Medicine Academic Lecture, Distribution Text".

【0003】ティッシューハーモニックイメージング
は、超音波造影剤を用いずに、中心周波数f0を有す超
音波パルスを生体組織に送信し、帰ってきたエコー信号
に含まれる高調波成分nf0(nは2以上の整数)を抽出
し、その振幅とエコー信号受信時刻との関係を断層像表
示することにより診断画像を得る技術である。
In tissue harmonic imaging, an ultrasonic pulse having a center frequency f 0 is transmitted to living tissue without using an ultrasonic contrast agent, and a harmonic component nf 0 (n: This is a technique for obtaining a diagnostic image by extracting a relationship between the amplitude and the echo signal reception time by displaying a tomographic image.

【0004】この超音波診断法は現状では体外用でのみ
用いられており、第二高調波(n=2)すなわち中心周波
数2f0の超音波が用いられている。これまでの超音波
トランスデューサでは、中心周波数f0の超音波の送信
と中心周波数2f0の超音波の受信は、同一の超音波振
動子によって行なわれている。このため、用いられる超
音波振動子は極めて広い帯域を有していることが必要で
ある。このような超音波振動子の設計や製作は困難なた
め、超音波トランスデューサは高価なものとなってい
る。
At present, this ultrasonic diagnostic method is used only for extracorporeal use, and the second harmonic (n = 2), that is, an ultrasonic wave having a center frequency of 2f 0 is used. In previous ultrasonic transducer, ultrasonic reception of transmission and the center frequency 2f 0 of the ultrasonic center frequency f 0 is effected by the same ultrasonic transducer. For this reason, it is necessary that the ultrasonic transducer used has an extremely wide band. Since it is difficult to design and manufacture such an ultrasonic transducer, an ultrasonic transducer is expensive.

【0005】また、ティッシューハーモニックイメージ
ングの分野においては、分解能の更なる向上のために、
3次のハーモニック信号の利用が期待されているが、中
心周波数3f0の超音波すなわち3次のハーモニックを
検出できる超広帯域の超音波振動子は、いまだ実現され
ていない。
[0005] In the field of tissue harmonic imaging, in order to further improve the resolution,
Although the use of third-order harmonic signal is expected, ultrasonic i.e. ultra-wideband ultrasonic transducer capable of detecting the third-order harmonic of the center frequency 3f 0 has not yet been realized.

【0006】更に、中心周波数f0の超音波の送信と中
心周波数2f0の超音波の受信を同一の超音波振動子で
行なっているため、受信超音波信号に基本波や種々の不
要振動が重畳してしまうことが避けられず、これらを除
去するための手段が必要である。この様な状況は前述し
た造影剤を用いたコントラストニックイメージングでも
同様である。
Furthermore, since the performing of the same ultrasonic transducer ultrasonic reception of transmission and the center frequency 2f 0 of the ultrasonic wave of the center frequency f 0, the fundamental wave and various unwanted vibration to the received ultrasonic signal It is inevitable that they are superimposed, and a means for removing them is required. Such a situation is the same in contrast nick imaging using the above-described contrast agent.

【0007】特開平11−155863号は、このよう
な不具合を改善したトランスデューサ、送信用超音波振
動子と受信用超音波振動子が一つのケース内に収納され
た、高調波成分を効率よく受信し得る超音波トランスデ
ューサを開示している。この超音波トランスデューサの
構成を図18に示す。
[0007] Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-155863 discloses a transducer in which such disadvantages are improved, a transmitting ultrasonic transducer and a receiving ultrasonic transducer are housed in one case, and efficiently receives harmonic components. An ultrasonic transducer that can be used is disclosed. FIG. 18 shows the configuration of this ultrasonic transducer.

【0008】図18に示されるように、超音波トランス
デューサ1000は、送信用の圧電振動子1002と、
その前方に配置された受信用の高分子圧電振動子100
4を有しており、受信用の高分子圧電振動子1004と
送信用の圧電振動子1002は音響整合層1006を介
して層状に配置されている。
As shown in FIG. 18, an ultrasonic transducer 1000 includes a transmitting piezoelectric vibrator 1002,
The receiving polymer piezoelectric vibrator 100 arranged in front of the
4, and the receiving polymer piezoelectric vibrator 1004 and the transmitting piezoelectric vibrator 1002 are arranged in layers via an acoustic matching layer 1006.

【0009】送信用の圧電振動子1002と受信用の高
分子圧電振動子1004の前側の電極は共に接地用リー
ド線1008に接続されており接地電位に保たれる。送
信用の圧電振動子1002の後ろ側の電極は送信用シー
ルド線1010に接続されており、これを介して駆動電
圧が供給される。受信用の高分子圧電振動子1004の
後ろ側の電極は受信用シールド線1012に接続されて
おり、これを介して受信信号が取り出される。
The electrodes on the front side of the transmitting piezoelectric vibrator 1002 and the receiving polymer piezoelectric vibrator 1004 are both connected to the ground lead wire 1008 and are kept at the ground potential. An electrode on the rear side of the transmitting piezoelectric vibrator 1002 is connected to a transmitting shield wire 1010, and a driving voltage is supplied through this. The electrode on the rear side of the receiving polymer piezoelectric vibrator 1004 is connected to the receiving shield wire 1012, through which a received signal is extracted.

【0010】送信用の圧電振動子1002は、超音波造
影剤の共振周波数又は前記超音波造影剤の共振周波数に
対して特定の関係を有する周波数に一致する共振周波数
又は反共振周波数を有している。一方、受信用の高分子
圧電振動子1004は、非共振型の圧電振動子であり、
超音波造影剤の非線形的挙動に基づいて発生する高調波
成分をも受信し得る。
The transmitting piezoelectric vibrator 1002 has a resonance frequency or an anti-resonance frequency that matches the resonance frequency of the ultrasonic contrast agent or a frequency having a specific relationship with the resonance frequency of the ultrasonic contrast agent. I have. On the other hand, the receiving polymer piezoelectric vibrator 1004 is a non-resonant type piezoelectric vibrator,
Harmonic components generated based on the non-linear behavior of the ultrasound contrast agent may also be received.

【0011】この超音波トランスデューサ1000は、
送信用の圧電振動子と受信用の圧電振動子を別々に備え
ているため、これまで一般に用いられている単一の圧電
振動子で送信と受信を行なう超音波トランスデューサに
比べて、高い感度でハーモニック信号を検出できる。
The ultrasonic transducer 1000 is
Since the transmission and reception piezoelectric vibrators are provided separately, the sensitivity is higher than that of an ultrasonic transducer that uses a single piezoelectric vibrator to transmit and receive. Harmonic signals can be detected.

【0012】この超音波トランスデューサ1000は、
送信用の圧電振動子1002と受信用の高分子圧電振動
子1004の間に音響整合層1006を有していること
により、両振動子の音響インピーダンスの差による不要
振動の発生が抑圧されており、人体内の血管や周辺部に
毛細血管の集中した癌組織など注入した超音波造影剤が
存在する部位だけを他の部位より鮮明に描出し得る。
[0012] The ultrasonic transducer 1000
By having the acoustic matching layer 1006 between the transmitting piezoelectric vibrator 1002 and the receiving polymer piezoelectric vibrator 1004, generation of unnecessary vibration due to the difference in acoustic impedance between the two vibrators is suppressed. In addition, only a part where the injected ultrasound contrast agent exists, such as a blood vessel in a human body or a cancer tissue in which capillaries are concentrated in a peripheral part, can be drawn more clearly than other parts.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図18
に示される従来の超音波トランスデューサでは、送信用
超音波振動子と受信用超音波振動子が重ねて配置されて
いるため、送信された超音波が、受信用圧電振動子を透
過する際に、受信用圧電振動子を励振し、その振動によ
って変調を受ける結果になる。これは送信超音波に最初
から受信用超音波振動子膜の共振周波数の振動が混在す
ることを意味する。すなわち、これは、受信用圧電振動
子で検出された信号が、超音波造影剤からの高調波信号
であるか、送信時に混在した信号であるかを判断できな
いことを意味する。
However, FIG.
In the conventional ultrasonic transducer shown in (1), the transmitting ultrasonic vibrator and the receiving ultrasonic vibrator are arranged in an overlapping manner, so that when the transmitted ultrasonic wave passes through the receiving piezoelectric vibrator, The result is that the receiving piezoelectric vibrator is excited and is modulated by the vibration. This means that vibrations of the resonance frequency of the ultrasonic transducer film for reception are mixed from the beginning in the transmission ultrasonic waves. That is, this means that it cannot be determined whether the signal detected by the receiving piezoelectric vibrator is a harmonic signal from an ultrasonic contrast agent or a signal mixed during transmission.

【0014】また、基本波超音波が生体組織内を伝播す
ると共に発生する非線形超音波を検出する、いわゆるテ
ィッシュー・ハーモニックイメージング(THI)に利用
する時には、基本波超音波が生体組織内を伝播すると共
に発生する非線形超音波の音圧レベルは、良く知られて
いるように、−20dB程度と小さいため、この高調波
を確実に選択して検出する必要がある。
When the fundamental ultrasonic waves are used in so-called tissue harmonic imaging (THI), which detects nonlinear ultrasonic waves generated while the ultrasonic waves propagate in the living tissue, the fundamental ultrasonic waves propagate in the living tissue. As well known, the sound pressure level of the non-linear ultrasonic wave generated at the same time is as small as about -20 dB, so that it is necessary to select and detect this harmonic without fail.

【0015】しかし、図18に示される従来の超音波ト
ランスデューサでは、受信用超音波振動子が非共振形の
非線形特性をもっているので、受信信号も、高調波信号
レベルが基本波に対し、−20dB低いと言う状況は変
わらず、高調波信号を高い選択性で検出するための構成
を特に有していない。この場合に、高調波信号レベルが
基本波と同レベルかそれ以上の信号レベルになるような
信号処理が必要である。
However, in the conventional ultrasonic transducer shown in FIG. 18, since the receiving ultrasonic transducer has non-resonant non-linear characteristics, the received signal also has a higher harmonic signal level than the fundamental wave by -20 dB. The situation of being low remains unchanged, and there is no particular configuration for detecting the harmonic signal with high selectivity. In this case, signal processing is required so that the harmonic signal level is equal to or higher than the fundamental wave.

【0016】本発明は、以上のような課題に鑑みてなさ
れたものであり、その目的は、高いS/Nと高い選択性
を特別な信号処理回路なしに実現できる超音波トランス
デューサを提供することである。
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an ultrasonic transducer which can realize high S / N and high selectivity without a special signal processing circuit. It is.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】本発明は、ひとつには、
ハーモニックイメージングのための超音波トランスデュ
ーサであり、電気信号の入力に応じて中心周波数f0
有する基本超音波を送信する送信用超音波振動子と、基
本超音波によって対象物に発生する中心周波数nf0(n
は2以上の整数)を有するハーモニック信号を受信する
受信用超音波振動子とを有しており、送信用超音波振動
子は送信用圧電振動子を有し、受信用超音波振動子は受
信用圧電振動子を有しており、送信用圧電振動子と受信
用圧電振動子は同一面上に配置されており、送信用圧電
振動子と受信用圧電振動子は、(g33r・Vr・Qr)/(g33t
・Vt・Qt)≧n・(1+R)を満たしており、ここに、g
33tとVtはそれぞれ送信用圧電振動子の電圧出力係数と
音速、g33rとVrはそれぞれ受信用圧電振動子の電圧出
力係数と音速、nはハーモニック次数、Rは開口面積比
(受信用圧電振動子の開口面積/送信用圧電振動子の開口
面積)であり、また、QtとQrはそれぞれ送信用超音波
振動子と受信用超音波振動子の共振尖鋭度ある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides, in part,
An ultrasonic transducer for harmonic imaging, which transmits a basic ultrasonic wave having a center frequency f 0 in response to an input of an electric signal, and a center frequency nf generated on an object by the basic ultrasonic wave 0 (n
Is an integer of 2 or more), the receiving ultrasonic transducer for receiving a harmonic signal, the transmitting ultrasonic transducer has a transmitting piezoelectric transducer, and the receiving ultrasonic transducer is receiving. has a use piezoelectric vibrator, a piezoelectric vibrator for transmitting and receiving piezoelectric vibrator is arranged on the same plane, the receiving piezoelectric vibrator and transmitting piezoelectric vibrator, (g 33r · V r・ Q r ) / (g 33t
· V t · Q t ) ≥ n · (1 + R), where g
33t and V t is the voltage output coefficient and sound speed of each transmitting piezoelectric vibrator, g 33r and V r is the voltage output coefficient and sound speed of each receiving piezoelectric vibrator, n represents the harmonic order, R represents an opening area ratio
A (opening area of the opening area / transmitting piezoelectric vibrator receiving piezoelectric vibrator), and there resonance sharpness Q t and Q r for receiving the respective transmitting ultrasonic transducer ultrasonic vibrator.

【0018】また本発明は、ひとつには、超音波トラン
スデューサシステムであり、上記の超音波トランスデュ
ーサと、これを駆動制御する駆動制御手段とを有する超
音波トランスデューサシステムであり、駆動制御手段
は、少なくとも2f0の成分が抑圧された超音波を送信
用超音波振動子に発生させる。
According to another aspect of the present invention, there is provided an ultrasonic transducer system comprising the above-described ultrasonic transducer and drive control means for driving and controlling the ultrasonic transducer. An ultrasonic wave in which the 2f 0 component is suppressed is generated by the transmitting ultrasonic transducer.

【0019】より好ましい超音波トランスデューサシス
テムでは、送信用超音波振動子は、送信用圧電振動子
に、少なくとも圧電定数と誘電率のいずれか一方に関す
る傾斜機能特性を与える手段を有している。
In a more preferred ultrasonic transducer system, the transmitting ultrasonic vibrator has means for giving the transmitting piezoelectric vibrator at least a gradient function characteristic relating to at least one of a piezoelectric constant and a dielectric constant.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】[第一の実施の形態]本発明者ら
は、送信用超音波振動子と受信用超音波振動子が重ねて
配置されている前述の従来の超音波トランスデューサの
更なる改善として、特願2000−72854号におい
て、送信用圧電振動子と受信用圧電振動子が同一面上に
配置されている面内分離型超音波トランスデューサを提
案している。その構成を図1に示す。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION [First Embodiment] The present inventors have modified the above-described conventional ultrasonic transducer in which a transmitting ultrasonic transducer and a receiving ultrasonic transducer are arranged in an overlapping manner. As a further improvement, Japanese Patent Application No. 2000-72854 proposes an in-plane separation type ultrasonic transducer in which a transmitting piezoelectric vibrator and a receiving piezoelectric vibrator are arranged on the same plane. The configuration is shown in FIG.

【0021】図1に示されるように、超音波トランスデ
ューサ300は、基本超音波を送信するための送信用超
音波振動子と、ハーモニック信号を受信するための受信
用超音波振動子と、これらを収容するハウジング306
とを有している。送信用超音波振動子は、送信用圧電振
動子302と、その背面に配置されたバッキング層(ダ
ンピング層)310とを有している。また、受信用超音
波振動子は、受信用圧電振動子304と、その背面に配
置されたバッキング層(ダンピング層)312とを有して
いる。
As shown in FIG. 1, an ultrasonic transducer 300 includes a transmitting ultrasonic vibrator for transmitting a basic ultrasonic wave, a receiving ultrasonic vibrator for receiving a harmonic signal, and Housing 306 to accommodate
And The transmitting ultrasonic vibrator has a transmitting piezoelectric vibrator 302 and a backing layer (damping layer) 310 disposed on the back surface thereof. Further, the receiving ultrasonic vibrator has a receiving piezoelectric vibrator 304 and a backing layer (damping layer) 312 disposed on the back surface thereof.

【0022】送信用圧電振動子302は輪帯板状の形状
を有し、受信用圧電振動子304は円板状の形状を有し
ており、受信用圧電振動子304は送信用圧電振動子3
02の内側に位置している。送信用圧電振動子302と
受信用圧電振動子304の前面には、例えばエポキシ樹
脂等から作られる凹面状の音響レンズ308が配置され
ている。
The transmitting piezoelectric vibrator 302 has an annular plate shape, the receiving piezoelectric vibrator 304 has a disk shape, and the receiving piezoelectric vibrator 304 is a transmitting piezoelectric vibrator. 3
02. On the front surfaces of the transmitting piezoelectric vibrator 302 and the receiving piezoelectric vibrator 304, a concave acoustic lens 308 made of, for example, epoxy resin or the like is arranged.

【0023】さらに、送信用超音波振動子と受信用超音
波振動子はそれぞれ音響レンズ308を部分的に有して
いる。すなわち、受信用超音波振動子は、受信用圧電振
動子304の前面に位置する音響レンズ308の一部す
なわち円形の中央部分を有し、送信用超音波振動子は、
送信用圧電振動子302の前面に位置する音響レンズ3
08の一部すなわち輪帯状の周辺部分を有している。
Further, each of the transmitting ultrasonic transducer and the receiving ultrasonic transducer partially has an acoustic lens 308. That is, the receiving ultrasonic vibrator has a part of the acoustic lens 308 located in front of the receiving piezoelectric vibrator 304, that is, a circular central portion, and the transmitting ultrasonic vibrator is
Acoustic lens 3 located in front of transmitting piezoelectric vibrator 302
08, that is, a ring-shaped peripheral portion.

【0024】送信用超音波振動子は、電気信号の入力に
応じて中心周波数f0を有する基本超音波を送信し、受
信用超音波振動子は、基本超音波によって対象物に発生
する中心周波数nf0(nは2以上の整数)を有するハー
モニック信号を受信する。
The transmitting ultrasonic vibrator transmits a basic ultrasonic wave having a center frequency f 0 according to the input of the electric signal, and the receiving ultrasonic vibrator transmits a central frequency generated on the object by the basic ultrasonic wave. A harmonic signal having nf 0 (n is an integer of 2 or more) is received.

【0025】送信用超音波振動子と受信用超音波振動
子、すなわち、送信用圧電振動子302と受信用圧電振
動子304と音響レンズ308とバッキング層310と
バッキング層312を備える構造体は、絶縁層314を
介して、ハウジング306の内部に固定されている。
The transmitting ultrasonic vibrator and the receiving ultrasonic vibrator, that is, the structure including the transmitting piezoelectric vibrator 302, the receiving piezoelectric vibrator 304, the acoustic lens 308, the backing layer 310, and the backing layer 312 are as follows. It is fixed inside the housing 306 via an insulating layer 314.

【0026】受信用圧電振動子304は、円板状の圧電
材料と、その対向面の全面に形成された一対の電極とを
有しており、同様に、送信用圧電振動子302は、輪帯
板形状の圧電材料と、その対向面の全面に形成された一
対の電極とを有している。受信用圧電振動子304の前
側すなわち超音波出射面側の電極は、配線316によ
り、送信用圧電振動子302の前側すなわち超音波射出
面側の電極に電気的に接続されており、送信用圧電振動
子302の前側の電極は配線318によりハウジング3
06に電気的に接続されている。
The receiving piezoelectric vibrator 304 has a disk-shaped piezoelectric material and a pair of electrodes formed on the entire surface of the receiving piezoelectric vibrator 304. Similarly, the transmitting piezoelectric vibrator 302 It has a strip-shaped piezoelectric material and a pair of electrodes formed on the entire opposing surface. The front side of the receiving piezoelectric vibrator 304, that is, the electrode on the ultrasonic wave emitting surface side is electrically connected to the front side of the transmitting piezoelectric vibrator 302, that is, the electrode on the ultrasonic wave emitting surface side by the wiring 316. The front electrode of the vibrator 302 is connected to the housing 3 by the wiring 318.
06 is electrically connected.

【0027】ハウジング306を貫通して延びている二
芯同軸ケーブル320は、リード線322とリード線3
24とシールド線326を有し、リード線322は配線
332を介して送信用圧電振動子302の後ろ側の電極
に電気的に接続され、リード線324が配線334を介
して受信用圧電振動子304の後ろ側の電極に電気的に
接続され、シールド線326は導電性のハウジング30
6に電気的に接続されている。さらに、ハウジング30
6の内部の空間336は、エポキシ樹脂等のシール材で
充填されている。
The two-core coaxial cable 320 extending through the housing 306 includes a lead 322 and a lead 3
24 and a shield wire 326, the lead wire 322 is electrically connected to an electrode on the rear side of the transmitting piezoelectric vibrator 302 via a wiring 332, and the lead wire 324 is electrically connected to the receiving piezoelectric vibrator via a wiring 334. The shield wire 326 is electrically connected to the electrode on the rear side of the
6 are electrically connected. Further, the housing 30
The space 336 inside 6 is filled with a sealing material such as epoxy resin.

【0028】図2(A)と図2(B)は、図1に示される面
内分離型超音波トランスデューサの送信用圧電振動子と
受信用圧電振動子をモデル的に表している。図2(A)に
示されるように、送信用圧電振動子302は輪帯状の形
状を有し、受信用圧電振動子304は円板状の形状を有
しており、受信用圧電振動子304は送信用圧電振動子
302の内側に位置している。図2(B)において、受信
用円板状圧電振動子304には、2次または3次のハー
モニック信号314だけでなく、送信超音波312に含
まれる全ての周波数成分の超音波がハーモニック信号に
重畳して到達する。
FIGS. 2A and 2B schematically show the transmitting piezoelectric vibrator and the receiving piezoelectric vibrator of the in-plane separation type ultrasonic transducer shown in FIG. As shown in FIG. 2A, the transmitting piezoelectric vibrator 302 has an annular shape, the receiving piezoelectric vibrator 304 has a disk shape, and the receiving piezoelectric vibrator 304 Are located inside the transmitting piezoelectric vibrator 302. In FIG. 2B, not only the secondary or tertiary harmonic signal 314 but also the ultrasonic waves of all the frequency components included in the transmission ultrasonic wave 312 are converted into harmonic signals by the receiving disk-shaped piezoelectric vibrator 304. Reach by overlapping.

【0029】面内分離型超音波トランスデューサでは、
図2(A)から分かるように、送信用圧電振動子の開口面
積は、開口の全面で送受信する面内送受信一体型超音波
トランスデューサと比較して減少している。また、図2
(B)に示されるように、受信用圧電振動子の厚さは、受
信するハーモニック信号の次数の増加に伴って減少す
る。
In the in-plane separation type ultrasonic transducer,
As can be seen from FIG. 2A, the opening area of the transmitting piezoelectric vibrator is smaller than that of the in-plane transmitting / receiving integrated ultrasonic transducer that transmits and receives over the entire opening. FIG.
As shown in (B), the thickness of the receiving piezoelectric vibrator decreases as the order of the received harmonic signal increases.

【0030】以下、送信用圧電振動子の開口面積と受信
用圧電振動子の厚さの低下に伴う感度低下について考察
し、送信用圧電振動子302と受信用圧電振動子304
の圧電材料を適当に選ぶことにより、良好な感度が得ら
れることを示す。
In the following, consideration will be given to the sensitivity reduction due to the decrease in the opening area of the transmitting piezoelectric vibrator and the thickness of the receiving piezoelectric vibrator.
It is shown that a good sensitivity can be obtained by appropriately selecting the piezoelectric material described above.

【0031】送信用圧電振動子302の開口面積をSt
とし、受信用圧電振動子304の開口面積をSrとする
と、従来の開口面積がSt+Srの面内送受信一体型超音
波トランスデューサと比較して、送信超音波エネルギー
は、ほぼSt/(St+Sr)に低下している。
The opening area of the transmitting piezoelectric vibrator 302 is represented by St
Assuming that the opening area of the receiving piezoelectric vibrator 304 is S r , the transmission ultrasonic energy is almost St / compared to a conventional in-plane transmission / reception integrated ultrasonic transducer having an opening area of S t + S r. ( St + Sr ).

【0032】受信用圧電振動子304の出力電圧Vout
は次式(1)で表される。
Output voltage V out of receiving piezoelectric vibrator 304
Is represented by the following equation (1).

【0033】 Vout=qr/Cr=d33r・T・Sr/(εSr/tr)=g33r・tr・T・・・(1) ここに、qrは圧電変換されて受信用圧電振動子304
の電極上に発生する電荷、Crは受信用圧電振動子30
4の静電容量、εは受信用圧電振動子304の誘電率、
33rは受信用圧電振動子の圧電定数、g33rは受信用圧
電振動子の電圧出力係数、trは受信用圧電振動子の厚
さ、Tは超音波受信応力である。
V out = q r / C r = d 33 r · T · S r / (εS r / t r ) = g 33r · t r · T (1) where q r is piezoelectrically converted Receiving piezoelectric vibrator 304
Charge generated on the electrode, the piezoelectric vibrator 30 for C r is received
Ε is the dielectric constant of the receiving piezoelectric vibrator 304,
d 33r piezoelectric constant of the receiving piezoelectric vibrator, g 33r voltage output coefficient of the receiving piezoelectric vibrator, t r is the thickness of the receiving piezoelectric vibrator, T is an ultrasonic receiver stress.

【0034】更に受信超音波の周波数をfrとし、圧電
振動子材料の縦波音速をVrとすると、 tr=λ/2=Vr/2fr・・・(2) なので、(1)式は、 Vout=g33r・tr・T=g33r・Vr・T/2fr・・・(3) となる。
Furthermore the frequency of the received ultrasonic wave and f r, when the longitudinal wave acoustic velocity of the piezoelectric vibrator material and V r, t r = λ / 2 = V r / 2f r ··· (2) So (1 ) equation, V out = g 33r · t r · T = g 33r · V r · T / 2f r ··· (3) to become.

【0035】更に超音波受信応力Tが送信圧電振動子の
開口に比例すると考えると、 Vout=g33r・Vr・T/2fr=g33r・Vr・Sr・P0/2fr=g33r・Vr・St・d33t・ Vdrive/2fr・・・(4) また、受信超音波がn次のハーモニック信号であれば、 Vout=g33r・Vr・St・d33t・Vdrive/2nfr・・・(5) となる。ここに、Stは送信圧電振動子の開口、P0は送
信圧電振動子が発生する単位面積当たりの超音波音圧、
33tは送信圧電振動子の圧電定数、Vdriveは送信圧電
振動子に印加する駆動電圧である。
[0035] Further ultrasound receiving stress T is considered to be proportional to the opening of the transmission piezoelectric vibrator, V out = g 33r · V r · T / 2f r = g 33r · V r · S r · P 0 / 2f r = g 33r · V r · S t · d 33t · V drive / 2f r ··· (4) Further, if the received ultrasonic wave is a n-order harmonic signal, V out = g 33r · V r · S t D 33t V drive / 2nfr r (5) Here, St is the aperture of the transmitting piezoelectric vibrator, P 0 is the ultrasonic sound pressure per unit area generated by the transmitting piezoelectric vibrator,
d 33t is the piezoelectric constant of the transmitting piezoelectric vibrator, and V drive is the drive voltage applied to the transmitting piezoelectric vibrator.

【0036】(4)式と(5)式から、面内分離型超音波ト
ランスデューサでは、n次のハーモニック信号を受信す
る場合には、受信周波数がn倍になることにより、出力
電圧Voutは1/nに低下する。
From the equations (4) and (5), in the case of receiving an n-th order harmonic signal, the reception frequency becomes n times, and the output voltage V out becomes 1 / n.

【0037】また、面内送受信一体型超音波トランスデ
ューサとの比較においては、送信開口の面積は、面内送
受信一体型超音波トランスデューサのSt/(St+Sr)倍
であり、その分、出力電圧Voutは更に低下する。
In comparison with the in-plane transmission / reception integrated ultrasonic transducer, the area of the transmission aperture is S t / (S t + S r ) times that of the in-plane transmission / reception integrated ultrasonic transducer. The output voltage Vout further decreases.

【0038】通常、送信用圧電振動子と受信用圧電振動
子は同じ圧電材料の圧電振動子が用いられている。この
前提の元に、例えば、St=Srとすると、検出超音波の
周波数frが2f0であり、Voutは1/4(=−12dB)
に低下する。
Usually, a piezoelectric vibrator made of the same piezoelectric material is used for the transmitting piezoelectric vibrator and the receiving piezoelectric vibrator. Based on this assumption, for example, when S t = S r, detection ultrasonic frequency f r is 2f 0, V out is 1/4 (= - 12dB)
To decline.

【0039】ここで、図2(A)と図2(B)に示される面
内分離型超音波トランスデューサの比較対象として、図
3(A)と図3(B)に示される基本超音波のみを検出する
面内分離型超音波トランスデューサを考える。この超音
波トランスデューサは、全面一体型の通常のパルスエコ
ー用トランスデューサに相当する。
Here, as a comparison object of the in-plane separation type ultrasonic transducer shown in FIGS. 2A and 2B, only the basic ultrasonic wave shown in FIGS. 3A and 3B is used. Consider an in-plane separation type ultrasonic transducer for detecting the following. This ultrasonic transducer corresponds to a general pulse echo transducer integrated on the entire surface.

【0040】この超音波トランスデューサでは、送信用
圧電振動子322と受信用圧電振動子324は共に、同
じ厚さで同じ圧電材料、例えば、縦波音速Vt=426
0[m/s]、電圧出力係数g33t=30×10-3[Vm/
N]のPZT系圧電材料の圧電振動子を備えている。
In this ultrasonic transducer, both the transmitting piezoelectric vibrator 322 and the receiving piezoelectric vibrator 324 have the same thickness and the same piezoelectric material, for example, longitudinal wave velocity V t = 426.
0 [m / s], voltage output coefficient g 33t = 30 × 10 −3 [Vm /
N] PZT-based piezoelectric material.

【0041】図3(A)と図3(B)の超音波トランスデュ
ーサでは、受信用圧電振動子324は送信にも使えるの
で、従来の一体型超音波トランスデューサによる基本波
パルスエコー診断と同じ送受信となり、図3(A)と図3
(B)の超音波トランスデューサの送信開口面積は実質的
にSt+Srとなる。
In the ultrasonic transducers shown in FIGS. 3A and 3B, the receiving piezoelectric vibrator 324 can be used for transmission, so that the transmission and reception are the same as the fundamental wave pulse echo diagnosis using the conventional integrated ultrasonic transducer. , FIG. 3 (A) and FIG.
The transmission aperture area of the ultrasonic transducer of (B) is substantially St + Sr.

【0042】このような基本波受信の場合の受信電圧V
r1は、(4)式における添字rを便宜的に添字tとおいて、 Vr1=g33t・Vt・(St+Sr)・Qt・dt・Vdrive/2ft・・・(6) と表される。ここで、Qtは、超音波振動子、即ちバッ
キング層や音響整合層を含んだ総合的な機械的振動の共
振尖鋭度である。
The reception voltage V in the case of such a fundamental wave reception
r1 is, (4) the subscript r at a convenience subscript t in the equation, V r1 = g 33t · V t · (S t + S r) · Q t · d t · V drive / 2f t ··· ( 6). Here, Q t is an ultrasonic transducer, i.e. overall resonance sharpness of mechanical vibrations, including a backing layer and an acoustic matching layer.

【0043】一方、n次ハーモニック受信の場合の受信
電圧をVrnとすると、(6)式と同様にして、 Vrn=g33r・Vr・St・Qr・dt・Vdrive/2nft・・・(7) となる。
On the other hand, if the received voltage in the case of n-th order harmonic reception and V rn, in the same manner as (6), V rn = g 33r · V r · S t · Q r · d t · V drive / 2nf t (7)

【0044】図2(A)と図2(B)の超音波トランスデュ
ーサは、感度低下を補うために、図3(A)と図3(B)の
超音波トランスデューサにおける基本波受信電圧以上の
信号レベルで、n次のハーモニック信号を受信できると
好ましい。このためには、図2(A)と図2(B)の超音波
トランスデューサは、Vrn/Vr1≧1を満たせばよい。
The ultrasonic transducers shown in FIGS. 2 (A) and 2 (B) compensate for a decrease in sensitivity by using a signal higher than the fundamental wave reception voltage in the ultrasonic transducers shown in FIGS. 3 (A) and 3 (B). It is preferable that an nth-order harmonic signal can be received at the level. For this purpose, the ultrasonic transducer shown in FIGS. 2A and 2B only needs to satisfy V rn / V r1 ≧ 1.

【0045】この関係に(6)式と(7)式を代入すると、 Vrn/Vr1=(g33r・Vr・(St+Sr)・Qr/n)/(g33t・Vt・St・Qt)≧1・・・(8) となり、結局、(g33r・Vr・Qr)/(g33t・Vt・Qt)≧n・(1+R)・・・(9) となる。ここで、R=St/Srである。[0045] By substituting in this relationship (6) and (7), V rn / V r1 = ( g 33r · V r · (S t + S r) · Q r / n) / (g 33t · V t · S t · Q t) ≧ 1 ··· (8) next, after all, (g 33r · V r · Q r) / (g 33t · V t · Q t) ≧ n · (1 + R) ··· (9) Here, R = St / Sr.

【0046】送信用圧電振動子302の機械的共振尖鋭
度Qtは、5以上だと、送信超音波パルスの尾曳きが長
くなり、深さ方向分解能を悪化させ、また1以下だと、
基本波超音波の帯域が広くなり過ぎ、2f0における基
本波成分混入量が多くなり、S/Nを低下させる。従っ
て、Qtの値は1ないし5の間にあるとよい。
The mechanical resonance sharpness Q t of the transmitting piezoelectric vibrator 302, when it 5 or more, tail stringing becomes longer transmission ultrasonic pulse, exacerbating the depth resolution, also when he 1 or less,
The band of the fundamental wave ultrasonic wave becomes too wide, and the amount of the fundamental wave component mixed at 2f0 increases, thereby lowering the S / N. Therefore, the value of Q t is may be in the between 1 and 5.

【0047】また受信用圧電振動子304の機械的共振
尖鋭度Qrは、5以上だと、受信電圧Vrnの尾曳きが長
くなり、深さ方向分解能を悪化させ、また1以下だと、
受信電圧Vrnの帯域が広くなり過ぎて基本波成分比率が
大きくなり、S/Nを低下させる。従って、Qrの値は1
ないし5の間にあるとよい。
When the mechanical resonance sharpness Q r of the receiving piezoelectric vibrator 304 is 5 or more, the tailing of the reception voltage V rn becomes long, and the resolution in the depth direction is deteriorated.
The band of the reception voltage V rn becomes too wide, the ratio of the fundamental wave component increases, and the S / N decreases. Thus, the value of Q r is 1
Or between 5 and 5.

【0048】送信用圧電振動子の材料は、d33>200
×10-12[m/V]、70<Qm<1000を満たす圧電
定数d33と機械的品質係数Qmを有しているとよい。
The material of the transmitting piezoelectric vibrator is d 33 > 200.
It is preferable to have a piezoelectric constant d 33 and a mechanical quality factor Qm satisfying × 10 −12 [m / V], 70 <Qm <1000.

【0049】圧電振動子のQmの値が大きい場合には、
バッキング層のダンピング効果を緩和することにより、
tの値を調整するとよい。バッキング層310は、ダ
ンピング効果を通常より低減して共振尖鋭度を高めるた
めに、高い超音波減衰率と、低い音響インピーダンスZ
d、例えば、送信用圧電振動子302の音響インピーダ
ンスZpの1/3以下の音響インピーダンスZdを有し
ているとよい。バッキング層310に好適な材料は、例
えば、柔軟性の高いエポキシ樹脂にタングステン粉末を
適量混合した複合樹脂を含んでいる。タングステン粉末
は、好ましくは、バッキング層310の音響インピーダ
ンスが圧電振動子の音響インピーダンスの1/3程度で
減衰率が8dB/cm/MHz程度になる量が混合され
る。ここで、5dB/cm/MHz以下の減衰率だとQが
大きくなり過ぎて時間軸パルス幅が長くなり、距離方向
分解能を悪化させる。バッキング層310の材料は、上
記の複合材料に限定されるものではなく、例えばアルミ
ナやジルコニア粉末が混合された複合材料でも構わな
い。
When the value of Qm of the piezoelectric vibrator is large,
By mitigating the damping effect of the backing layer,
It is preferable to adjust the value of Q t. The backing layer 310 has a high ultrasonic attenuation rate and a low acoustic impedance Z to reduce the damping effect more than usual and increase the resonance sharpness.
d, for example, it is preferable to have an acoustic impedance Zd of 1/3 or less of the acoustic impedance Zp of the transmitting piezoelectric vibrator 302. Suitable materials for the backing layer 310 include, for example, a composite resin obtained by mixing a suitable amount of tungsten powder with a highly flexible epoxy resin. The tungsten powder is preferably mixed in such an amount that the acoustic impedance of the backing layer 310 is about 1/3 of the acoustic impedance of the piezoelectric vibrator and the attenuation rate is about 8 dB / cm / MHz. Here, if the attenuation rate is 5 dB / cm / MHz or less, Q becomes too large, the time-axis pulse width becomes long, and the resolution in the distance direction deteriorates. The material of the backing layer 310 is not limited to the above-described composite material, and may be, for example, a composite material in which alumina or zirconia powder is mixed.

【0050】受信用円板状圧電振動子304は、中心周
波数2f0または3f0で狭帯域フィルタ特性を有してい
るので、2f0または3f0成分だけが選択的に電圧信号
に変換される。圧電振動子の背面側超音波振動は、圧電
振動子の音響インピーダンスZpとバッキング層の音響
インピーダンスZdとの相対的な関係で、バッキング層
側へ透過する超音波振動振幅と圧電振動子側へ反射する
超音波振動振幅とに分割され、その比が送信用超音波振
動子の機械的共振尖鋭度Qを決める目安の一つになる。
ZdがZpの1/3以下の時、反射超音波成分の方が大
きくなり、送信用超音波振動子の機械的共振尖鋭度Qを
2〜5の最適な値に制御することが出来る。
Since the receiving disk-shaped piezoelectric vibrator 304 has a narrow band filter characteristic at the center frequency 2f 0 or 3f 0 , only the 2f 0 or 3f 0 component is selectively converted into a voltage signal. . The ultrasonic vibration on the back side of the piezoelectric vibrator reflects the amplitude of the ultrasonic vibration transmitted to the backing layer side and the reflection to the piezoelectric vibrator side due to the relative relationship between the acoustic impedance Zp of the piezoelectric vibrator and the acoustic impedance Zd of the backing layer. The ratio is one of the criteria for determining the mechanical resonance sharpness Q of the transmitting ultrasonic transducer.
When Zd is 1/3 or less of Zp, the reflected ultrasonic component becomes larger, and the mechanical resonance sharpness Q of the transmitting ultrasonic transducer can be controlled to an optimal value of 2 to 5.

【0051】受信用圧電振動子304の圧電材料は、Q
mが大きく、電圧出力係数g33が大きく、縦波音速が大
きい材料であるとよい。電圧出力係数g33は、g33>3
0×10ー3[V/Nm]を満たしているとよい。好ましい
材料としては、例えば、化学式K(Nb1-xTax)O3
0≦x≦0.2で表される圧電単結晶がある。別の好ま
しい材料としては、チタン酸鉛系圧電セラミクスがあ
る。更に別の好ましい材料としては、Bi4Ti312
たはMa1-xMbxBi2McO8、0≦x≦0.2の化学
式で表されるビスマス層状構造強誘電体(BLSF)があ
る。ここで、MaとMbはSrやBa等のアルカリ土類
金属元素、McはTaやNb等の+5価金属元素であ
る。
The piezoelectric material of the receiving piezoelectric vibrator 304 is Q
m is large, a large voltage output coefficient g 33, may is longitudinal wave sound velocity is large material. The voltage output coefficient g 33 is g 33 > 3
It is preferable to satisfy 0 × 10 −3 [V / Nm]. Preferred materials, for example, the formula K (Nb 1-x Ta x ) O 3,
There is a piezoelectric single crystal represented by 0 ≦ x ≦ 0.2. Another preferred material is lead titanate-based piezoelectric ceramics. Yet another preferred material is a Bi 4 Ti 3 O 12 or Ma 1-x Mb x Bi 2 McO 8, 0 ≦ x ≦ 0.2 in Formula bismuth layered ferroelectric represented (BLSF) . Here, Ma and Mb are alkaline earth metal elements such as Sr and Ba, and Mc is a + 5-valent metal element such as Ta and Nb.

【0052】圧電振動子のQmの値が大きい場合には、
バッキング層のダンピング効果を緩和することにより、
rの値を調整するとよい。バッキング層312は、ダ
ンピング効果を通常より低減して共振尖鋭度を高めるた
めに、高い超音波減衰率と、低い音響インピーダンスZ
d、例えば、受信用圧電振動子304の音響インピーダ
ンスZpの1/3以下の音響インピーダンスZdを有し
ているとよい。バッキング層312に好適な材料は、例
えば、柔軟性の高いエポキシ樹脂に酸化タングステン粉
末やバリウムフェライト粉末を適量混合した複合樹脂を
含んでいる。バッキング層312の材料は、上記の複合
樹脂に限定されるものではなく、例えばアルミナやジル
コニア粉末を混合した複合樹脂でも構わない。
When the value of Qm of the piezoelectric vibrator is large,
By mitigating the damping effect of the backing layer,
It is preferable to adjust the value of Q r. The backing layer 312 has a high ultrasonic attenuation rate and a low acoustic impedance Z in order to reduce the damping effect and increase the resonance sharpness.
d, for example, it is preferable to have an acoustic impedance Zd of 以下 or less of the acoustic impedance Zp of the receiving piezoelectric vibrator 304. Suitable materials for the backing layer 312 include, for example, a composite resin obtained by mixing a suitable amount of tungsten oxide powder or barium ferrite powder with highly flexible epoxy resin. The material of the backing layer 312 is not limited to the above-described composite resin, and may be, for example, a composite resin obtained by mixing alumina or zirconia powder.

【0053】具体例をあげると、送信用圧電振動子30
2の圧電材料はPZTセラミクスであり、受信用圧電振
動子304の圧電材料は、縦波音速Vt=5900[m/
s]、電圧出力係数g33t=55×10-3[Vm/N]のニ
オブ酸カリウム(KNbO3)圧電単結晶である。
As a specific example, the transmitting piezoelectric vibrator 30
The piezoelectric material of No. 2 is PZT ceramics, and the piezoelectric material of the receiving piezoelectric vibrator 304 is a longitudinal wave velocity V t = 5900 [m /
s] and a potassium single niobate (KNbO 3 ) piezoelectric single crystal having a voltage output coefficient g 33t = 55 × 10 −3 [Vm / N].

【0054】ここで、Qt=1、Qr=5とし、これらの
値とそれぞれの材料定数を(9)式の左辺に代入すると、
左辺=12.7となる。R=1、すなわち送信開口面積
=受信開口面積のとき、n=6を取り得るので、6次の
ハーモニック信号まで良好な受信が可能である。実際に
はQrの値が大き過ぎると、時間軸パルス幅が大きくな
り、深さ方向分解能を低下させてしまうので、Qrの値
は小さい方が好ましい。Qr=2.5に低下させると、
(9)式の左辺は6.4となり、n=3を取り得るので、
3次のハーモニック信号まで良好な受信が可能になる。
Here, when Q t = 1 and Q r = 5, and these values and their material constants are substituted into the left side of the equation (9),
The left side = 12.7. When R = 1, that is, when the transmission aperture area = the reception aperture area, n = 6, so that good reception is possible up to the sixth harmonic signal. If the actual value is too large for Q r is the time-axis pulse width is increased, so will reduce the depth resolution, the value of Q r is preferably small. When lowered to Q r = 2.5,
The left side of equation (9) is 6.4, and n = 3.
Good reception is possible up to the third harmonic signal.

【0055】また、送信用超音波振動子のQt=2、R
=1とすると、Qr=3.2で、n=2を取り得るの
で、3次のハーモニック信号まで良好な受信が可能とな
る。更にR=0.5、すなわち受信開口面積Srが送信
開口面積の1/2のとき、Qt=2、Qr=2.4で、n
=2を取り得るので、2次のハーモニック信号まで良好
な受信が可能となる。
Further, Q t = 2, R of the transmitting ultrasonic transducer
If = 1, then Q r = 3.2 and n = 2, so that good reception up to the third harmonic signal is possible. Further, when R = 0.5, that is, when the reception aperture area S r is of the transmission aperture area, Q t = 2, Q r = 2.4, and n
= 2, good reception is possible up to the second harmonic signal.

【0056】これらのトランスデューサ特性は、未開発
技術に頼る必要はなく、従来のトランスデューサ製造技
術で十分実現可能である。
These transducer characteristics do not need to rely on undeveloped technology and can be sufficiently realized by conventional transducer manufacturing technology.

【0057】以上の説明から分かるように、ハーモニッ
クイメージング用の面内分離型超音波トランスデューサ
において、(9)式を満足する送信用圧電振動子と受信用
圧電振動子を用いることにより、全面開口の基本波送受
信と同程度の受信電圧でハーモニック信号の受信を行な
うことが可能になる。
As can be understood from the above description, in the in-plane separation type ultrasonic transducer for harmonic imaging, by using the transmitting piezoelectric vibrator and the receiving piezoelectric vibrator satisfying the expression (9), the entire aperture is opened. Harmonic signals can be received at the same reception voltage as that of the fundamental wave transmission / reception.

【0058】[第一の変形例]図4(A)と図4(B)に本実
施の形態の変形例の面内分離型超音波トランスデューサ
の送信用圧電振動子と受信用圧電振動子を示す。この変
形例の面内分離型超音波トランスデューサでは、送信用
超音波振動子の送信用圧電振動子362は、PZTセラ
ミクス円板振動子であり、ハーモニック信号を受信する
受信用超音波振動子の受信用圧電振動子364は、KN
bO3製の円環状圧電振動子であり、前述の実施の形態
とは反対に、送信用圧電振動子362が受信用圧電振動
子364の内側に位置している。
[First Modification] FIGS. 4A and 4B show a transmitting piezoelectric vibrator and a receiving piezoelectric vibrator of an in-plane separation type ultrasonic transducer according to a modification of the present embodiment. Show. In the in-plane separation type ultrasonic transducer of this modification, the transmitting piezoelectric vibrator 362 of the transmitting ultrasonic vibrator is a PZT ceramics disk vibrator, and the receiving ultrasonic vibrator for receiving a harmonic signal is received. The piezoelectric vibrator 364 for KN
This is an annular piezoelectric vibrator made of bO 3 , and the transmitting piezoelectric vibrator 362 is located inside the receiving piezoelectric vibrator 364, contrary to the above-described embodiment.

【0059】開口面積比R(=Sr/St)を0.5とする
と、QtとQrの相対的な設定により、前述した様に全面
開口且つ基本波送受信の場合と同程度の信号レベルで、
ハーモニック信号を受信できる。
[0059] When the opening area ratio R (= S r / S t ) of 0.5, the relative configuration of Q t and Q r, the same extent as if the entire opening and the fundamental wave transmitted and received as described above At the signal level,
Harmonic signals can be received.

【0060】一般的なPZTセラミクスの振動子は、円
環形状にすると、共振周波数近傍で分割振動を起こし、
良好な共振特性が得られなくなる場合が多い。しかし、
本変形例の様に、円環状圧電振動子にKNbO3を用い
ることにより、大幅に共振特性が改良される。この事実
は本発明者らによって実験的に確認されている。
When a general PZT ceramic vibrator is formed in an annular shape, a divided vibration occurs near a resonance frequency.
In many cases, good resonance characteristics cannot be obtained. But,
By using KNbO 3 for the annular piezoelectric vibrator as in the present modification, the resonance characteristics are greatly improved. This fact has been experimentally confirmed by the present inventors.

【0061】[第二の変形例]次に、本実施の形態の変形
例の送信用圧電振動子について、図5〜図7を参照して
説明する。
[Second Modification] Next, a transmitting piezoelectric vibrator according to a modification of the present embodiment will be described with reference to FIGS.

【0062】本実施の形態では、円環状の送信用圧電振
動子は、その全面に形成された全面電極を有している
が、本実施の形態の変形例では、図5に示されるよう
に、円環状の送信用圧電振動子370は、エネルギー閉
じ込め電極構造372を有している。
In the present embodiment, the ring-shaped transmitting piezoelectric vibrator has a full-surface electrode formed on the entire surface thereof. In a modification of the present embodiment, as shown in FIG. The ring-shaped transmitting piezoelectric vibrator 370 has an energy trapping electrode structure 372.

【0063】ここにおいて、「エネルギー閉じ込め電極
構造」という用語は、圧電材料の面(face)を部分的に覆
い、後述する(10)式を満足する電極を指すものとす
る。
Here, the term “energy trapping electrode structure” refers to an electrode that partially covers the face of the piezoelectric material and satisfies the expression (10) described later.

【0064】このエネルギー閉じ込め電極構造372
は、円環状の圧電体374を間に挟んで向き合って配置
される一対の電極板を有しており、一対の電極板の一
方、例えば表側の電極板は、図6に示されるように、複
数の円形電極382と、隣接する円形電極382を接続
する細い配線384を有している。また、一対の電極板
の他方、例えば裏側の電極板は、例えば、図7に示され
るように、円形電極382と同数の円形電極392と、
隣接する円形電極392を接続する細い配線394を有
している。
This energy trapping electrode structure 372
Has a pair of electrode plates disposed to face each other with an annular piezoelectric body 374 interposed therebetween. One of the pair of electrode plates, for example, the front side electrode plate is, as shown in FIG. It has a plurality of circular electrodes 382 and thin wires 384 connecting adjacent circular electrodes 382. In addition, the other of the pair of electrode plates, for example, the back side electrode plate, for example, as shown in FIG.
A thin wiring 394 for connecting the adjacent circular electrodes 392 is provided.

【0065】図6と図7から分かるように、円形電極3
82と円形電極392は、圧電体374を間に挟んで向
き合って配置され、配線384と配線394は、その投
影において一箇所のみで交差しており、そこを除いては
圧電体374を間に挟んで向き合う部分を有していな
い。
As can be seen from FIGS. 6 and 7, the circular electrode 3
82 and the circular electrode 392 are arranged facing each other with the piezoelectric body 374 interposed therebetween, and the wiring 384 and the wiring 394 intersect at only one position in the projection thereof, and except for this, the wiring between the piezoelectric body 374 and It does not have a part that sandwiches and faces each other.

【0066】さらに、圧電体374の厚さhは、電極の
直径をa、電極形成による周波数低下率をΔとして、次
式を満たしている。
Further, the thickness h of the piezoelectric body 374 satisfies the following expression, where a is the diameter of the electrode, and Δ is the rate of decrease in frequency due to electrode formation.

【0067】[0067]

【数1】 (Equation 1)

【0068】このような圧電振動子は、例えば、上式を
満足する厚さの円環状PZT圧電体の表側と裏側の両面
に全面電極を形成し、分極させた後、フォトリソグラフ
ィー等のプロセスによって表側と裏側の全面電極を選択
的にエッチングして形成される。
Such a piezoelectric vibrator is formed, for example, by forming electrodes on the entire front and back surfaces of an annular PZT piezoelectric body having a thickness satisfying the above equation, polarizing the electrodes, and then performing a process such as photolithography. It is formed by selectively etching the entire surface electrodes on the front side and the back side.

【0069】円形電極382の直径は、圧電体374の
円環の幅wの1/3ないし2/3程度の値が選ばれ、円形
電極392の直径は、一対の円形電極の一方が他方から
はみ出すことがないように、エッチングの際の位置ずれ
を考慮して、円形電極382の直径よりも5〜10%小
さい値が選ばれている。
The diameter of the circular electrode 382 is selected to be about 1 to / of the width w of the ring of the piezoelectric body 374, and the diameter of the circular electrode 392 is such that one of a pair of circular electrodes In order not to protrude, a value smaller than the diameter of the circular electrode 382 by 5 to 10% is selected in consideration of a displacement at the time of etching.

【0070】超音波射出側の電極382は、図1におい
て、円環状圧電振動子の内側に配置された円板状圧電振
動子304の表側電極と配線416により接続され、配
線418によりハウジング306と接続される。
In FIG. 1, the electrode 382 on the ultrasonic wave emitting side is connected to the front side electrode of the disk-shaped piezoelectric vibrator 304 arranged inside the annular piezoelectric vibrator by the wiring 416, and is connected to the housing 306 by the wiring 418. Connected.

【0071】通常の全面電極を有する円環状圧電振動子
は、共振周波数で分割振動が起こることがある。このよ
うな分割振動の発生は、送信超音波音圧を低減させるだ
けでなく、送信用超音波振動子の共振周波数と受信用超
音波振動子の共振周波数の比を1:2からずらし、正確
な基本波の送信とハーモニック信号の受信を妨げる。
In a ring-shaped piezoelectric vibrator having a normal whole-surface electrode, divided vibration sometimes occurs at a resonance frequency. The generation of such divided vibrations not only reduces the transmission ultrasonic sound pressure, but also shifts the ratio of the resonance frequency of the transmission ultrasonic vibrator to the resonance frequency of the reception ultrasonic vibrator from 1: 2. Transmission of the fundamental wave and reception of the harmonic signal.

【0072】本変形例の円環状圧電振動子は、エネルギ
ー閉じ込め電極構造を有しているため、共振周波数近傍
における分割振動が発生し難い。これは、送信用超音波
振動子の共振周波数と受信用超音波振動子の共振周波数
の比を正確に1:2に維持するのを可能にし、効果的な
ハーモニックイメージングの実現に好ましい。
Since the annular piezoelectric vibrator of this modification has an energy trapping electrode structure, split vibration near the resonance frequency hardly occurs. This enables the ratio of the resonance frequency of the transmitting ultrasonic transducer to the resonance frequency of the receiving ultrasonic transducer to be accurately maintained at 1: 2, which is preferable for realizing effective harmonic imaging.

【0073】このように圧電振動子の電極をエネルギー
閉じ込め電極にすることによって、円環状圧電振動子
は、不要振動成分が重畳することがなくなり、縦波超音
波成分のみからなる基本波超音波を効率良く発生でき
る。
As described above, by using the electrodes of the piezoelectric vibrator as the energy confining electrodes, the annular piezoelectric vibrator does not have any unnecessary vibration components superimposed thereon, and emits a fundamental ultrasonic wave consisting of only a longitudinal ultrasonic wave component. It can be generated efficiently.

【0074】本変形例では、送信用圧電振動子の改善策
として、エネルギー閉じ込め電極を有する送信用圧電振
動子を例示したが、受信用圧電振動子の改善例として、
受信用圧電振動子が、エネルギー閉じ込め電極を有して
いてもよい。エネルギー閉じ込め電極を有する受信用圧
電振動子によって、大きなQrが得られ、従って大きな
受信電圧Vrnが得られることになる。
In this modification, a transmitting piezoelectric vibrator having an energy confining electrode has been exemplified as an improvement measure of the transmitting piezoelectric vibrator.
The receiving piezoelectric vibrator may have an energy trapping electrode. A large Qr is obtained by the receiving piezoelectric vibrator having the energy trapping electrode, and thus a large reception voltage Vrn is obtained.

【0075】なお、この発明の実施の形態の各構成は、
当然、各種の変形、変更が可能である。
The respective components of the embodiment of the present invention are as follows.
Naturally, various modifications and changes are possible.

【0076】例えば、本実施の形態では、超音波トラン
スデューサは円形の開口を有しているが、開口の形状は
円形に限定されるものではない。超音波トランスデュー
サの開口は、例えば、長方形、楕円、短冊状の形を有し
ていてもよい。また、超音波トランスデューサが電子ス
キャン用アレイ形トランスデューサであって、そのアレ
イを構成している一つ一つのエレメントが、本実施の形
態の様に同一面内に配置された基本波送信用振動子と高
調波受信用振動子を有していてもよい。
For example, in the present embodiment, the ultrasonic transducer has a circular opening, but the shape of the opening is not limited to a circle. The aperture of the ultrasonic transducer may have, for example, a rectangular, elliptical, or strip shape. Further, the ultrasonic transducer is an electronic scanning array type transducer, and each element constituting the array is arranged in the same plane as in the present embodiment, and a fundamental wave transmitting transducer is arranged. And a harmonic receiving vibrator.

【0077】[第二の実施の形態]本実施の形態は、第一
の実施の形態で説明した超音波トランスデューサを含
む、ハーモニックイメージング超音波診断に適した超音
波トランスデューサシステムである。
[Second Embodiment] This embodiment is an ultrasonic transducer system including the ultrasonic transducer described in the first embodiment, which is suitable for harmonic imaging ultrasonic diagnosis.

【0078】この超音波トランスデューサシステムは、
図8に示されるように、超音波トランスデューサ300
と、超音波トランスデューサ300の送信用圧電振動子
302に駆動パルス信号を供給するパルサー回路402
とを有している。パルサー回路402は、一例では、必
要に応じて、高電圧のスパイク波を発生し、そのパルス
幅と立ち下がり時間を調整し得る。パルサー回路402
は、別の例では、必要に応じて、高電圧の台形波を発生
し、そのパルス幅と立ち下がり時間を調整し得る。パル
サー回路402は、更に別の例では、必要に応じて、高
電圧のバースト波を発生し、そのバースト長やウィンド
ウ関数を調整し得る。
This ultrasonic transducer system has:
As shown in FIG.
And a pulser circuit 402 for supplying a driving pulse signal to the transmitting piezoelectric vibrator 302 of the ultrasonic transducer 300
And In one example, the pulser circuit 402 can generate a high-voltage spike wave and adjust its pulse width and fall time as needed. Pulsar circuit 402
In another example, may generate a high voltage trapezoidal wave and adjust its pulse width and fall time as needed. In still another example, the pulser circuit 402 can generate a high-voltage burst wave and adjust its burst length and window function as needed.

【0079】超音波トランスデューサシステムは、さら
に、超音波トランスデューサ300の受信用圧電振動子
304の出力信号を受けるレシーバ回路404と、レシ
ーバ回路404からの信号を処理する信号処理回路40
6と、信号処理回路406からの信号を画像化する画像
処理回路408とを有している。画像処理回路408で
得られた画像は、最終的に表示していないモニター画面
上に表示される。
The ultrasonic transducer system further includes a receiver circuit 404 for receiving an output signal of the receiving piezoelectric vibrator 304 of the ultrasonic transducer 300, and a signal processing circuit 40 for processing a signal from the receiver circuit 404.
6 and an image processing circuit 408 for imaging a signal from the signal processing circuit 406. The image obtained by the image processing circuit 408 is displayed on a monitor screen that is not finally displayed.

【0080】本発明は、2次または3次のハーモニック
信号を利用した超音波診断に向けられている。超音波診
断においては、基本波超音波は、その中心周波数f0を
除く他の周波数成分、特に2f0や3f0の周波数成分を
含んでいないことが望まれる。特に、基本波超音波が2
0や3f0の周波数成分を含んでいると、受信の際に、
検出対象であるハーモニック信号と、基本波超音波に最
初から混在している2f0や3f0の周波数成分とを区別
できない。
The present invention is directed to an ultrasonic diagnosis using a secondary or tertiary harmonic signal. In ultrasonic diagnosis, the fundamental wave ultrasound, other frequency components except for the center frequency f0, that does not particularly include a frequency component of 2f 0 and 3f 0 is desired. In particular, two fundamental waves
as containing the frequency components of f 0 and 3f 0, upon reception,
A harmonic signal to be detected, can not distinguish between frequency components of 2f 0 and 3f 0 which are mixed from the beginning to the fundamental wave ultrasound.

【0081】このような理由から、2次ハーモニック信
号の超音波診断への利用においては、送信用超音波振動
子から送信される超音波が2f0の周波数成分を含んで
いないことが望ましい。同様に、3次ハーモニック信号
の超音波診断への利用においては、送信用超音波振動子
から送信される超音波が3f0の周波数成分を含んでい
ないことが望ましい。
[0081] For this reason, in the application to the ultrasonic diagnostic of second harmonic signal, it is desirable that the ultrasonic wave transmitted from the transmitting ultrasonic vibrator contains no frequency component of 2f 0. Similarly, in the use of the ultrasonic diagnostic third order harmonic signals, it is desirable that the ultrasonic wave transmitted from the transmitting ultrasonic vibrator contains no frequency component of 3f 0.

【0082】図9(A)は、送信用圧電振動子に供給され
る駆動信号の一例であるスパイク波の駆動電圧波形41
2を示している。図9(B)は、そのスパイク波の駆動電
圧波形412の周波数特性を示しており、第一ディップ
周波数近傍の負の傾き416と、第一ディップ周波数4
22と、第二ディップ周波数424と、第一ピーク周波
数426とが示されている。このような台形波は、理想
的な駆動波形であるδ関数や矩形波が厳密には実現でき
ず、現実的な駆動信号波形として一般的にパルスエコー
診断法で利用されている波形である。
FIG. 9A shows a drive voltage waveform 41 of a spike wave which is an example of a drive signal supplied to the transmitting piezoelectric vibrator.
2 is shown. FIG. 9B shows a frequency characteristic of the driving voltage waveform 412 of the spike wave, and shows a negative slope 416 near the first dip frequency and a first dip frequency 4.
22, a second dip frequency 424, and a first peak frequency 426 are shown. Such a trapezoidal wave is a waveform generally used in a pulse echo diagnostic method as a realistic drive signal waveform, since a δ function or a rectangular wave as an ideal drive waveform cannot be strictly realized.

【0083】図9(B)から分かるように、スパイク波の
駆動電圧波形412の周波数特性は、ピーク/ディップ
特性と全体的な垂下特性を示している。δ関数の周波数
特性はピーク/ディップ特性も全体的な垂下特性も示さ
ないことは良く知られていている。ピーク/ディップ特
性は時間軸上のパルス幅を持つことによって、また、全
体的な垂下特性とピーク/ディップ周波数におけるレベ
ル変化の急峻さの鈍化は立ち下がり傾斜をもつ事によっ
て現れることがわかっている。
As can be seen from FIG. 9B, the frequency characteristics of the drive voltage waveform 412 of the spike wave show a peak / dip characteristic and an overall drooping characteristic. It is well known that the frequency characteristics of the δ function do not exhibit peak / dip characteristics or overall droop characteristics. It has been found that the peak / dip characteristic has a pulse width on the time axis, and that the overall droop characteristic and the blunting of the level change at the peak / dip frequency have a falling slope. .

【0084】送信超音波信号のスペクトルT(jω)は、
次式(11)に示されるように、δ関数駆動時の応答信号
スペクトルH(jω)と駆動波形のスペクトルD(jω)の
積で表される。
The spectrum T (jω) of the transmitted ultrasonic signal is
As shown in the following equation (11), the response signal spectrum H (jω) at the time of driving the δ function is multiplied by the spectrum D (jω) of the driving waveform.

【0085】T(jω)=H(jω)・D(jω)・・・(11) この式から、D(jω)が2f0においてディップすなわ
ち周波数特性におけるレベルの落ち込みを有していれ
ば、送信波形T(jω)もその周波数で落ち込みを持ち、
その結果、送信される基本波超音波の2f0成分が抑圧
されることが理解される。
T (jω) = H (jω) · D (jω) (11) From this equation, if D (jω) has a dip at 2f 0 , that is, a level drop in the frequency characteristic, The transmission waveform T (jω) also has a dip at that frequency,
As a result, it is understood that the 2f 0 component of the transmitted fundamental ultrasonic wave is suppressed.

【0086】図9(B)に示されるように、第一ディッ
プ422の周波数が2f0となるスペクトルを持つ駆動
信号波形を用いることによって、2f0成分が抑圧され
た送信スペクトルT(jω)が得られる。
As shown in FIG. 9B, by using a drive signal waveform having a spectrum in which the frequency of the first dip 422 is 2f 0 , the transmission spectrum T (jω) in which the 2f 0 component is suppressed can be obtained. can get.

【0087】図11は、スパイク波の駆動信号の周波数
特性における第一ディップ周波数の立ち下がり時間tf
に対する特性が示されている。図11に示される第一デ
ィップ周波数の特性曲線から、10MHzの周波数の2
次ハーモニック信号の検出においては、立ち下がり時間
tfを99nsに設定することにより、2f0成分が抑
圧された基本波超音波が得られることが分かる。その結
果、−2.5[dB/MHz]×(10MHz−5MHz)
=−12.5dBのレベルダウンが実現出来る。一方で
ディップにおけるレベルダウンも減るが、双方の効果で
−12.5dB以上のレベルダウンが実現出来ることは
明白である。
FIG. 11 shows the fall time t f of the first dip frequency in the frequency characteristic of the spike wave drive signal.
Are shown. From the characteristic curve of the first dip frequency shown in FIG.
In the detection of the next harmonic signal, by setting a fall time tf in 99Ns, it can be seen that the fundamental ultrasound 2f 0 component is suppressed is obtained. As a result, −2.5 [dB / MHz] × (10 MHz−5 MHz)
= -12.5 dB level down can be realized. On the other hand, the level reduction in the dip is also reduced, but it is clear that the level reduction of -12.5 dB or more can be realized by both effects.

【0088】このように、スパイク波の立ち下がり時間
を適当に選ぶことにより、2f0成分あるいは3f0成分
が抑圧された基本波超音波を発生させることができる。
As described above, by appropriately selecting the fall time of the spike wave, it is possible to generate a fundamental ultrasonic wave in which the 2f 0 component or the 3f 0 component is suppressed.

【0089】また、図10(A)は、送信用圧電振動子に
供給される駆動信号の別の一例である台形波の駆動電圧
波形432を示している。図10(B)は、その台形波の
駆動電圧波形432の周波数特性を示しており、第一デ
ィップ周波数近傍の負の傾き436と、第一ディップ周
波数442と、第二ディップ周波数444と、第一ピー
ク周波数446とが示されている。
FIG. 10A shows a drive voltage waveform 432 of a trapezoidal wave which is another example of the drive signal supplied to the transmitting piezoelectric vibrator. FIG. 10B shows the frequency characteristics of the drive voltage waveform 432 of the trapezoidal wave. The negative slope 436 near the first dip frequency, the first dip frequency 442, the second dip frequency 444, and the One peak frequency 446 is shown.

【0090】この台形波においても、前述のスパイク波
に同様に、第一ディップ周波数と立ち下がり時間との間
に特定の関係が成り立つ。従って、立ち下がり時間を適
切に選ぶことにより、2f0成分あるいは3f0成分が抑
圧された基本波超音波を発生させることができる。
Also in this trapezoidal wave, a specific relationship is established between the first dip frequency and the fall time similarly to the above-described spike wave. Therefore, by appropriately selecting the fall time, it is possible to generate a fundamental ultrasonic wave in which the 2f 0 component or the 3f 0 component is suppressed.

【0091】図12(A)は、送信用圧電振動子に供給さ
れる駆動信号の更に別の一例であるバースト波の駆動電
圧波形を示しており、図12(B)は、その周波数特性を
示している。この場合、バースト波452の核がサイン
波なので、サイドローブが極めて小さく、−30dB程
度、メインローブの帯域幅も小さい理想的な駆動信号波
形となってる。
FIG. 12A shows a drive voltage waveform of a burst wave which is still another example of the drive signal supplied to the transmitting piezoelectric vibrator, and FIG. 12B shows the frequency characteristic. Is shown. In this case, since the nucleus of the burst wave 452 is a sine wave, the ideal driving signal waveform has an extremely small side lobe, about -30 dB, and a small main lobe bandwidth.

【0092】このバースト波においても、バースト長t
pと第一ディップ周波数は、図13に示される関係を有
している。従って、バースト長tpを調整することによ
り、第一ディップ周波数を制御することができる。従っ
て、このようなスペクトルD(jω)を持つ駆動信号を用
いることによって、2f0と3f0のいずれの周波数成分
もほぼ完全に抑圧された送信波を得ることができる。
In this burst wave, the burst length t
p and the first dip frequency have the relationship shown in FIG. Therefore, the first dip frequency can be controlled by adjusting the burst length tp. Therefore, by using a drive signal having such a spectrum D (jω), it is possible to obtain a transmission wave in which frequency components of 2f 0 and 3f 0 are almost completely suppressed.

【0093】本実施の形態の超音波トランスデューサシ
ステムでは、パルサー回路402は、中心周波数がf0
にあり、第一ディップ周波数が2f0にある周波数特性
を有する駆動パルス信号を送信用超音波振動子に供給す
る。これにより、送信用超音波振動子からは、2f0
成分が抑圧された超音波が発生される。
In the ultrasonic transducer system of the present embodiment, the pulser circuit 402 has the center frequency f 0
And a drive pulse signal having a frequency characteristic having a first dip frequency of 2f 0 is supplied to the transmitting ultrasonic transducer. As a result, the transmission ultrasonic transducer generates an ultrasonic wave in which the 2f 0 component is suppressed.

【0094】あるいは、パルサー回路402は、中心周
波数がf0にあり、第一ディップ周波数が3f0にある周
波数特性を有する駆動パルス信号を送信用超音波振動子
に供給してもよい。これにより、送信用超音波振動子か
らは、3f0の成分が抑圧された超音波が発生される。
Alternatively, the pulser circuit 402 may supply a driving pulse signal having a frequency characteristic whose center frequency is at f 0 and whose first dip frequency is at 3f 0 to the transmitting ultrasonic transducer. As a result, the transmitting ultrasonic transducer generates an ultrasonic wave in which the 3f 0 component is suppressed.

【0095】本実施の形態によれば、駆動信号波形を制
御することにより、2f0成分や3f0成分が抑制された
超音波を送信でき、その結果、基本波超音波によって対
象物に発生する2次や3次のハーモニック信号を高いS
/Nで受信できる。
According to the present embodiment, by controlling the drive signal waveform, it is possible to transmit an ultrasonic wave in which the 2f 0 component and the 3f 0 component are suppressed, and as a result, the ultrasonic wave is generated on the object by the fundamental ultrasonic wave. Second and third harmonic signals with high S
/ N can be received.

【0096】なお、この発明の実施の形態の各構成は、
当然、各種の変形、変更が可能である。
Note that each configuration of the embodiment of the present invention
Naturally, various modifications and changes are possible.

【0097】例えば、本実施の形態では、超音波トラン
スデューサは円形の開口を有しているが、開口の形状は
円形に限定されるものではない。超音波トランスデュー
サの開口は、例えば、長方形、楕円、短冊状の形を有し
ていてもよい。また、超音波トランスデューサが電子ス
キャン用アレイ形トランスデューサであって、そのアレ
イを構成している一つ一つのエレメントが、本実施の形
態の様に同一面内に配置された基本波送信用振動子と高
調波受信用振動子を有していてもよい。
For example, in the present embodiment, the ultrasonic transducer has a circular opening, but the shape of the opening is not limited to a circle. The aperture of the ultrasonic transducer may have, for example, a rectangular, elliptical, or strip shape. Further, the ultrasonic transducer is an electronic scanning array type transducer, and each element constituting the array is arranged in the same plane as in the present embodiment, and a fundamental wave transmitting transducer is arranged. And a harmonic receiving vibrator.

【0098】[第三の実施の形態]本実施の形態の超音波
トランスデューサについて図14を参照して説明する。
本実施の形態の超音波トランスデューサは、第一の実施
の形態において図1を参照して詳しく説明した超音波ト
ランスデューサと類似しており、図14において、図1
と同じ参照符号で示される部材は同等の部材を示してい
る。
[Third Embodiment] An ultrasonic transducer according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
The ultrasonic transducer of the present embodiment is similar to the ultrasonic transducer described in detail with reference to FIG. 1 in the first embodiment, and FIG.
The members indicated by the same reference numerals as those of the above indicate equivalent members.

【0099】本実施の形態の超音波トランスデューサ
は、音響レンズ308の内部に、薄片渦巻き状のヒータ
ー502を有している。ヒーター502の一端は送信用
圧電振動子302の表面電極に細い導線504を介して
電気的に接続されており、他端は細い導線506を介し
てハウジング306に接続されている。渦巻き型薄片ヒ
ーター502は、好ましくは、送信用圧電振動子302
の超音波射出面側の電極に接しない範囲で可能な限り送
信用圧電振動子302に近づけて配置されている。
The ultrasonic transducer of the present embodiment has a thin-film spiral heater 502 inside the acoustic lens 308. One end of the heater 502 is electrically connected to the surface electrode of the transmitting piezoelectric vibrator 302 via a thin conductor 504, and the other end is connected to the housing 306 via a thin conductor 506. The spiral-shaped thin-film heater 502 preferably includes a transmitting piezoelectric vibrator 302.
Are disposed as close as possible to the transmitting piezoelectric vibrator 302 as long as they do not come into contact with the electrode on the ultrasonic emission surface side.

【0100】ヒーター502は、送信用圧電振動子30
2に対して、その厚さ方向に沿って温度勾配を与えて、
少なくとも圧電定数と誘電率のいずれか一方に傾斜機能
特性を与える働きをする。
The heater 502 is connected to the transmitting piezoelectric vibrator 30.
2 to give a temperature gradient along its thickness direction,
At least one of the piezoelectric constant and the dielectric constant functions to provide a gradient function characteristic.

【0101】圧電振動子の圧電定数や誘電率に傾斜機能
特性を与えることによって振動特性を変えることが出来
ることが知られている。(山田顕:「圧電機能傾斜型広
帯域超音波トランスデューサ」、2000年記念、先端
技術シンポジウム「圧電材料と弾性波デバイス」テキス
ト(2000年2月)P31−38)。
It is known that the vibration characteristics can be changed by giving the piezoelectric constant and the dielectric constant of the piezoelectric vibrator a function of a gradient. (Akira Yamada: "Piezoelectric Functional Gradient Broadband Ultrasonic Transducer", 2000 Commemorative, Advanced Technology Symposium "Piezoelectric Materials and Elastic Wave Devices" Text (February 2000) P31-38).

【0102】図15において、破線512は、傾斜機能
を持たない圧電振動子のインピーダンス特性を示してお
り、実線514は、圧電定数e33の傾斜機能特性を有す
る圧電振動子のインピーダンス特性を示している。
[0102] In FIG. 15, dashed line 512 shows the impedance characteristics of the piezoelectric vibrator having no tilt function, the solid line 514 shows the impedance characteristics of the piezoelectric vibrator having the functionally gradient characteristics of the piezoelectric constant e 33 I have.

【0103】図15から分かるように、傾斜機能特性を
持つ圧電振動子では、傾斜機能特性を持たない圧電振動
子において大きく発生する3次圧電振動516が抑圧さ
れている。従って、送信用圧電振動子に傾斜機能特性を
与えることにより、3次圧電振動516を抑えることが
できる。
As can be seen from FIG. 15, in the piezoelectric vibrator having the tilt function characteristic, the tertiary piezoelectric vibration 516 which is largely generated in the piezoelectric vibrator having no tilt function characteristic is suppressed. Therefore, the tertiary piezoelectric vibration 516 can be suppressed by providing the transmitting piezoelectric vibrator with the tilting function characteristic.

【0104】本実施の形態の超音波トランスデューサ
は、ヒーター502による加熱により送信用圧電振動子
302に傾斜機能特性を与え、これにより、3次圧電振
動の抑圧を図っている。
The ultrasonic transducer of the present embodiment imparts a tilting function characteristic to the transmitting piezoelectric vibrator 302 by heating by the heater 502, thereby suppressing tertiary piezoelectric vibration.

【0105】本実施の形態の超音波トランスデューサに
おける超音波の送受信は、図1に示される超音波トラン
スデューサと同じであるので、重複を避けるためにその
説明は省略し、以下では、ヒーター502に関する部分
のみ説明する。
The transmission and reception of ultrasonic waves in the ultrasonic transducer of the present embodiment is the same as that of the ultrasonic transducer shown in FIG. 1, and therefore description thereof is omitted to avoid duplication. I will explain only.

【0106】送信用圧電振動子302に駆動信号、例え
ばバースト波信号をハウジング306と配線332の間
に印加すると、配線332、圧電振動子302、導線5
04、渦巻き型薄片ヒーター502、導線506、ハウ
ジング306の順に電流が流れる。電流は渦巻き型薄片
ヒーター502を流れることによりジュール熱に変換さ
れる。渦巻き型薄片ヒーター502は送信用圧電振動子
302の近くに配置されているので、渦巻き型薄片ヒー
ター502で発生した熱は、効率良く、送信用圧電振動
子302に伝わる。
When a drive signal, for example, a burst wave signal is applied between the housing 306 and the wiring 332 to the transmitting piezoelectric vibrator 302, the wiring 332, the piezoelectric vibrator 302, and the conductor 5
04, the spiral-shaped thin-film heater 502, the conducting wire 506, and the housing 306 flow in this order. The electric current is converted into Joule heat by flowing through the spiral flake heater 502. Since the spiral flake heater 502 is arranged near the transmitting piezoelectric vibrator 302, heat generated by the spiral flake heater 502 is efficiently transmitted to the transmitting piezoelectric vibrator 302.

【0107】一方、送信用圧電振動子302の背面に
は、例えば熱伝導性の良いシリコーン樹脂に、タングス
テン粉末を高密度に分散した樹脂からなるバッキング層
310が接合されている。更に、ハウジング306の内
部の空間336もまたシリコーン樹脂等の熱伝導性の良
い材料で充填されている。このため、送信用圧電振動子
302を伝達する熱は、その背面側から良好に放熱され
る。
On the other hand, on the back surface of the transmitting piezoelectric vibrator 302, a backing layer 310 made of a resin in which tungsten powder is dispersed at a high density in, for example, silicone resin having good thermal conductivity is joined. Further, the space 336 inside the housing 306 is also filled with a material having good heat conductivity such as silicone resin. Therefore, the heat transmitted through the transmitting piezoelectric vibrator 302 is radiated well from the back side.

【0108】その結果、送信用圧電振動子302の厚さ
方向に温度勾配が発生し、送信用圧電振動子302に誘
電率または圧電定数または両者に関する傾斜機能特性が
与えられる。従って、図15を参照して説明したよう
に、送信用圧電振動子302の3次圧電振動が抑制され
る。これにより、送信用超音波振動子からは、3f0
成分が抑圧された超音波が発生される。
As a result, a temperature gradient is generated in the thickness direction of the transmitting piezoelectric vibrator 302, and the transmitting piezoelectric vibrator 302 is provided with a dielectric function, a piezoelectric constant, or a gradient function characteristic relating to both. Therefore, as described with reference to FIG. 15, the tertiary piezoelectric vibration of the transmitting piezoelectric vibrator 302 is suppressed. As a result, the transmitting ultrasonic transducer generates an ultrasonic wave in which the 3f 0 component is suppressed.

【0109】本実施の形態では、送信用圧電振動子30
2の3次圧電振動が抑制される反面、送信用圧電振動子
302の2次圧電振動518が励起される。従って、本
実施の形態の超音波トランスデューサは、第二の実施の
形態で説明した、2f0の成分を抑圧する駆動制御と組
み合わされるとよい。
In the present embodiment, the transmitting piezoelectric vibrator 30
While the second tertiary piezoelectric vibration is suppressed, the second piezoelectric vibration 518 of the transmitting piezoelectric vibrator 302 is excited. Therefore, the ultrasonic transducer of the present embodiment was described in the second embodiment, it may be combined with the drive control for suppressing a component of 2f 0.

【0110】送信用圧電振動子302に与えるべき温度
勾配は、送信用圧電振動子302の誘電率や圧電定数の
温度特性に強く依存する。一般に、圧電振動子のキュー
リー点が低いほど、誘電率や圧電定数の温度依存性が大
きく、圧電振動子の表裏面に与える温度差は小さくてよ
いことが分かっている。
The temperature gradient to be applied to the transmitting piezoelectric vibrator 302 strongly depends on the dielectric constant of the transmitting piezoelectric vibrator 302 and the temperature characteristics of the piezoelectric constant. In general, it is known that the lower the Curie point of a piezoelectric vibrator, the greater the temperature dependence of the dielectric constant and piezoelectric constant, and the smaller the temperature difference applied to the front and back surfaces of the piezoelectric vibrator.

【0111】例えば、送信用圧電振動子302に、誘電
率が表面で3200、裏面で2200となる傾斜機能特
性を与えるためには、送信用圧電振動子302の誘電率
の温度特性が1℃あたり1%変化する場合、表裏面に与
える温度差は26℃程度でよい。
For example, in order to give the transmitting piezoelectric vibrator 302 a tilting function characteristic having a dielectric constant of 3200 on the front surface and 2200 on the back surface, the temperature characteristic of the dielectric constant of the transmitting piezoelectric vibrator 302 should be about 1 ° C. When it changes by 1%, the temperature difference given to the front and back surfaces may be about 26 ° C.

【0112】本実施の形態によれば、送信用圧電振動子
に誘電率または圧電定数またはその両方に関して傾斜機
能特性を与えることによって、3次の圧電振動を抑圧
し、さらに第二の実施の形態で説明した駆動制御を併用
することによって、送信用超音波振動子から基本波成分
だけからなる理想的波形に近い超音波パルスを送信され
るようになる。
According to the present embodiment, the third-order piezoelectric vibration is suppressed by providing the transmitting piezoelectric vibrator with a gradient function characteristic with respect to the dielectric constant and / or the piezoelectric constant, and further to the second embodiment. By using the drive control described in (1) together, an ultrasonic pulse close to an ideal waveform consisting of only the fundamental wave component is transmitted from the transmitting ultrasonic transducer.

【0113】なお、この発明の実施の形態の各構成は、
当然、各種の変形、変更が可能である。
Note that each configuration of the embodiment of the present invention
Naturally, various modifications and changes are possible.

【0114】例えば、本実施の形態では、超音波トラン
スデューサは円形の開口を有しているが、開口の形状は
円形に限定されるものではない。超音波トランスデュー
サの開口は、例えば、長方形、楕円、短冊状の形を有し
ていてもよい。また、超音波トランスデューサが電子ス
キャン用アレイ形トランスデューサであって、そのアレ
イを構成している一つ一つのエレメントが、本実施の形
態の様に同一面内に配置された基本波送信用振動子と高
調波受信用振動子を有していてもよい。
For example, in the present embodiment, the ultrasonic transducer has a circular opening, but the shape of the opening is not limited to a circle. The aperture of the ultrasonic transducer may have, for example, a rectangular, elliptical, or strip shape. Further, the ultrasonic transducer is an electronic scanning array type transducer, and each element constituting the array is arranged in the same plane as in the present embodiment, and a fundamental wave transmitting transducer is arranged. And a harmonic receiving vibrator.

【0115】本実施の形態では、温度勾配を与える手段
が渦巻き型薄片ヒーターの例を示したが、温度勾配を与
える手段は、他の手段、例えばペルチェ素子であっても
よい。特にペルチェ素子は、一端が冷却端、他端が加熱
端となるので、熱利用効率が高いとともに、制御性も良
いので、トランスデューサの外形寸法に余裕がある場合
には、好適な手段と言える。
In this embodiment, the means for giving a temperature gradient is an example of a spiral flake heater. However, the means for giving a temperature gradient may be another means, for example, a Peltier element. In particular, the Peltier element has one end serving as a cooling end and the other end serving as a heating end, and thus has high heat utilization efficiency and good controllability. Therefore, it can be said that the Peltier element is suitable means when there is a margin in the external dimensions of the transducer.

【0116】[本実施の形態の変形例]本変形例の超音波
トランスデューサの変形例として、少なくとも圧電定数
と誘電率のいずれか一方に傾斜機能特性を有している送
信用圧電振動子を備えている超音波トランスデューサに
ついて説明する。
[Modification of this Embodiment] As a modification of the ultrasonic transducer of this modification, a transmitting piezoelectric vibrator having a gradient function characteristic in at least one of a piezoelectric constant and a dielectric constant is provided. The ultrasonic transducer that is used will be described.

【0117】上述した本実施の形態では、送信用圧電振
動子302の3次圧電振動を抑圧する目的のために、送
信用圧電振動子302に傾斜機能特性を与える手段を有
している超音波トランスデューサを示したが、同じ目的
を達成するためには、このような手段を超音波トランス
デューサが有している代わりに、送信用圧電振動子それ
自体が、少なくとも圧電定数と誘電率のいずれか一方に
傾斜機能特性を有していてもよい。
In the present embodiment described above, for the purpose of suppressing the tertiary piezoelectric vibration of the transmitting piezoelectric vibrator 302, an ultrasonic wave having a means for giving the transmitting piezoelectric vibrator 302 a tilting function characteristic is provided. Although a transducer has been shown, in order to achieve the same purpose, instead of an ultrasonic transducer having such means, the transmitting piezoelectric vibrator itself has at least one of a piezoelectric constant and a dielectric constant. May have a gradient function characteristic.

【0118】本変形例の超音波トランスデューサは、図
1に示される超音波トランスデューサにおいて、送信用
圧電振動子302が、傾斜機能特性を有している圧電振
動子に置き換えられた構造を有している。図16に、図
1の超音波トランスデューサの送信用圧電振動子302
の置き換えられる、傾斜機能特性を有している傾斜機能
型圧電振動子520の部分断面を示す。
The ultrasonic transducer of this modification has the same structure as the ultrasonic transducer shown in FIG. 1, except that the transmitting piezoelectric vibrator 302 is replaced by a piezoelectric vibrator having a tilt function characteristic. I have. FIG. 16 shows a transmitting piezoelectric vibrator 302 of the ultrasonic transducer of FIG.
14 shows a partial cross-section of a functionally graded piezoelectric vibrator 520 having functionally graded characteristics, which can be replaced with FIG.

【0119】傾斜機能型圧電振動子520は、一対の電
極522a、522bと、それらの間に挟まれた圧電体
層524とを有しており、圧電体層524は、互いに積
層された複数の圧電体薄膜526a、526b、・・
・、526zを有しており、圧電体薄膜の各々は、隣接
する圧電体薄膜に対して、積層方向に沿って、誘電率ま
たは圧電定数またはその両方が少しずつ異なっている。
The functionally graded piezoelectric vibrator 520 has a pair of electrodes 522a and 522b and a piezoelectric layer 524 sandwiched between them, and the piezoelectric layer 524 is composed of a plurality of stacked layers. The piezoelectric thin films 526a, 526b,.
526z, and each of the piezoelectric thin films is slightly different from the adjacent piezoelectric thin film in the dielectric constant and / or the piezoelectric constant along the laminating direction.

【0120】例えば、圧電体薄膜526a、526b、
・・・、526zは、誘電率を除く他の定数はキューリ
ー温度以外は殆ど差異がなく、最も上側すなわち超音波
射出面側の圧電体薄膜526aは3200の誘電率を有
し、最も下側の圧電体薄膜526zは2200の誘電率
を有しており、全体として、図17に示される傾斜機能
特性を有している。
For example, the piezoelectric thin films 526a, 526b,
.., 526z are almost the same except for the Curie temperature except for the dielectric constant, and the uppermost, that is, the piezoelectric thin film 526a on the ultrasonic emission surface side has a dielectric constant of 3200, The piezoelectric thin film 526z has a dielectric constant of 2200, and has the functionally graded characteristic shown in FIG. 17 as a whole.

【0121】このようなそれ自体が傾斜機能特性を有し
ている圧電振動子520は、傾斜機能特性を持たない圧
電振動子に温度勾配を与えることにより作り出される傾
斜機能特性と比較して、大きな傾斜を有するため、3次
の圧電振動516がより劇的に抑圧される。
The piezoelectric vibrator 520 itself having the function of tilting itself has a larger function than the function of tilting created by applying a temperature gradient to the piezoelectric vibrator having no function of tilting. Due to the slope, the third order piezoelectric vibration 516 is more dramatically suppressed.

【0122】傾斜機能型圧電振動子の圧電体層は、誘電
率または圧電定数またはその両方が異なる圧電体薄膜が
積層されたものに限定されるものではなく、少なくとも
圧電定数と誘電率のいずれか一方に傾斜機能特性を有し
ていさえすればよく、例えば、板状の圧電体の片面の面
から不純物イオンを拡散させることにより形成されたも
のであってもよい。
The piezoelectric layer of the functionally graded piezoelectric vibrator is not limited to a laminate of piezoelectric thin films having different dielectric constants or piezoelectric constants or both. At least one of the piezoelectric constant and the dielectric constant is used. It is only required that one side has a tilting function characteristic. For example, it may be formed by diffusing impurity ions from one surface of a plate-shaped piezoelectric body.

【0123】[0123]

【発明の効果】本発明によれば、高いS/Nと高い選択
性を有する超音波トランスデューサが提供される。
According to the present invention, an ultrasonic transducer having high S / N and high selectivity is provided.

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

【図1】第一の実施の形態の面内分離型超音波トランス
デューサの断面図である。
FIG. 1 is a sectional view of an in-plane separation type ultrasonic transducer according to a first embodiment.

【図2】第一の実施の形態の面内分離型超音波トランス
デューサにおける送信用圧電振動子と受信用圧電振動子
をモデル的に表しており、(A)は送信用圧電振動子と受
信用圧電振動子の正面図であり、(B)は(A)の2B−2
B線に沿った断面図である。
FIGS. 2A and 2B schematically show a transmitting piezoelectric vibrator and a receiving piezoelectric vibrator in the in-plane separation type ultrasonic transducer according to the first embodiment, and FIG. It is a front view of a piezoelectric vibrator, (B) is 2B-2 of (A).
It is sectional drawing which followed the B line.

【図3】第一の実施の形態の比較対象としての基本超音
波のみを検出する面内分離型超音波トランスデューサを
示しており、(A)はこの超音波トランスデューサの圧電
振動子の正面図であり、(B)は(A)の3B−3B線に沿
った断面図である。
FIG. 3 shows an in-plane separation type ultrasonic transducer for detecting only a basic ultrasonic wave as a comparative object of the first embodiment, and FIG. 3A is a front view of a piezoelectric vibrator of the ultrasonic transducer. FIG. 3B is a sectional view taken along line 3B-3B of FIG.

【図4】第一の実施の形態の変形例の面内分離型超音波
トランスデューサにおける送信用圧電振動子と受信用圧
電振動子をモデル的に表しており、(A)は送信用圧電振
動子と受信用圧電振動子の正面図であり、(B)は(A)の
4B−4B線に沿った断面図である。
4A and 4B schematically show a transmitting piezoelectric vibrator and a receiving piezoelectric vibrator in an in-plane separation type ultrasonic transducer according to a modified example of the first embodiment, and FIG. 4A shows a transmitting piezoelectric vibrator. And FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line 4B-4B of FIG.

【図5】第二の実施の形態の変形例である、エネルギー
閉じ込め電極構造を持つ送信用圧電振動子の平面図であ
る。
FIG. 5 is a plan view of a transmitting piezoelectric vibrator having an energy trapping electrode structure, which is a modification of the second embodiment.

【図6】図5の破線で囲まれた部分に対応する図であ
り、エネルギー閉じ込め電極構造の表側の電極板のレイ
アウトを示している。
6 is a view corresponding to a portion surrounded by a broken line in FIG. 5, and shows a layout of an electrode plate on the front side of the energy trapping electrode structure.

【図7】図5の破線で囲まれた部分に対応する図であ
り、エネルギー閉じ込め電極構造の裏側の電極板のレイ
アウトを示している。
FIG. 7 is a diagram corresponding to a portion surrounded by a broken line in FIG. 5, and shows a layout of an electrode plate on the back side of the energy trapping electrode structure.

【図8】図1の超音波トランスデューサを含む超音波ト
ランスデューサシステムを示している。
FIG. 8 illustrates an ultrasound transducer system including the ultrasound transducer of FIG.

【図9】(A)は送信用圧電振動子に供給される駆動信号
の一例であるスパイク波の駆動電圧波形を示しており、
(B)はその周波数特性を示している。
FIG. 9A shows a driving voltage waveform of a spike wave which is an example of a driving signal supplied to a transmitting piezoelectric vibrator;
(B) shows the frequency characteristic.

【図10】図9(A)に示されるスパイク波に関して、立
ち下がり時間に対する第一ディップ周波数の変化を表し
ている。
FIG. 10 shows a change in the first dip frequency with respect to the fall time for the spike wave shown in FIG.

【図11】(A)は、送信用圧電振動子に供給される駆動
信号の別の一例である台形波の駆動電圧波形を示してお
り、(B)はその周波数特性を示している。
FIG. 11A shows a drive voltage waveform of a trapezoidal wave which is another example of the drive signal supplied to the transmitting piezoelectric vibrator, and FIG. 11B shows the frequency characteristics thereof.

【図12】(A)は、送信用圧電振動子に供給される駆動
信号の更に別の一例であるバースト波の駆動電圧波形を
示しており、(B)はその周波数特性を示している。
FIG. 12A shows a drive voltage waveform of a burst wave as still another example of the drive signal supplied to the transmitting piezoelectric vibrator, and FIG. 12B shows the frequency characteristics thereof.

【図13】図12(A)に示されるスパイク波に関して、
バースト波長に対する第一ディップ周波数の変化を表し
ている。
FIG. 13 relates to the spike wave shown in FIG.
4 illustrates a change in a first dip frequency with respect to a burst wavelength.

【図14】第三の実施の形態の面内分離型超音波トラン
スデューサの断面図である。
FIG. 14 is a sectional view of an in-plane separation type ultrasonic transducer according to a third embodiment.

【図15】圧電定数に傾斜機能特性を有している圧電振
動子と傾斜機能特性を有していない圧電振動子のインピ
ーダンス特性を示している。
FIG. 15 shows impedance characteristics of a piezoelectric vibrator having a tilt function characteristic in a piezoelectric constant and a piezoelectric vibrator having no tilt function characteristic.

【図16】第三の実施の形態の変形例において、図1の
超音波トランスデューサの送信用圧電振動子と置き換え
られる傾斜機能型圧電振動子の部分断面図である。
FIG. 16 is a partial cross-sectional view of a functionally graded piezoelectric vibrator that is replaced with the transmitting piezoelectric vibrator of the ultrasonic transducer of FIG. 1 in a modification of the third embodiment.

【図17】図16の傾斜機能型圧電振動子の全体的な機
能特性を示している。
FIG. 17 shows overall functional characteristics of the functionally graded piezoelectric vibrator of FIG.

【図18】重ねて配置されている送信用超音波振動子と
受信用超音波振動子を有する従来の超音波トランスデュ
ーサを示している。
FIG. 18 shows a conventional ultrasonic transducer having a transmitting ultrasonic vibrator and a receiving ultrasonic vibrator arranged one on top of the other.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

302 送信用圧電振動子 304 受信用圧電振動子 302 Piezoelectric transducer for transmission 304 Piezoelectric transducer for reception

───────────────────────────────────────────────────── 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) H04R 17/00 332 H01L 41/08 J U Fターム(参考) 4C301 AA03 EE04 EE15 GB14 GB20 GB34 GB36 GB40 HH01 HH47 HH48 JA17 5D019 AA27 BB02 BB10 BB20 FF04──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI theme coat ゛ (Reference) H04R 17/00 332 H01L 41/08 J UF term (Reference) 4C301 AA03 EE04 EE15 GB14 GB20 GB34 GB36 GB40 HH01 HH47 HH48 JA17 5D019 AA27 BB02 BB10 BB20 FF04

Claims (21)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ハーモニックイメージングのための超音
波トランスデューサであり、電気信号の入力に応じて中
心周波数f0を有する基本超音波を送信する送信用超音
波振動子と、基本超音波によって対象物に発生する中心
周波数nf0(nは2以上の整数)を有するハーモニック
信号を受信する受信用超音波振動子とを有しており、送
信用超音波振動子は送信用圧電振動子を有し、受信用超
音波振動子は受信用圧電振動子を有しており、送信用圧
電振動子と受信用圧電振動子は同一面上に配置されてお
り、送信用圧電振動子と受信用圧電振動子は、(g33r
r・Qr)/(g33t・Vt・Qt)≧n・(1+R)を満たしてお
り、ここに、g33tとVtはそれぞれ送信用圧電振動子の
電圧出力係数と音速、g33rとVrはそれぞれ受信用圧電
振動子の電圧出力係数と音速、nはハーモニック次数、
Rは開口面積比(受信用圧電振動子の開口面積/送信用圧
電振動子の開口面積)であり、また、QtとQrはそれぞ
れ送信用超音波振動子と受信用超音波振動子の共振尖鋭
度である、超音波トランスデューサ。
1. A is a ultrasonic transducer for harmonic imaging, a transmitting ultrasonic transducer for transmitting basic ultrasound having a center frequency f 0 in response to an input electrical signal, to the object by the base ultrasound A receiving ultrasonic vibrator that receives a harmonic signal having a generated center frequency nf 0 (n is an integer of 2 or more), and the transmitting ultrasonic vibrator has a transmitting piezoelectric vibrator; The receiving ultrasonic vibrator has a receiving piezoelectric vibrator, the transmitting piezoelectric vibrator and the receiving piezoelectric vibrator are arranged on the same surface, and the transmitting piezoelectric vibrator and the receiving piezoelectric vibrator are arranged. Is (g 33r
V r · Q r) / ( g 33t · V t · Q t) satisfies the ≧ n · (1 + R) , where the, g 33t and V t is the voltage output coefficient and sound speed of each transmitting piezoelectric vibrator, g 33r and V r are the voltage output coefficient and sound velocity of the receiving piezoelectric vibrator, n is the harmonic order,
R is the opening area ratio (opening area of the receiving piezoelectric vibrator / opening area of the transmitting piezoelectric vibrator), and Qt and Qr are the transmitting ultrasonic vibrator and the receiving ultrasonic vibrator, respectively. Ultrasonic transducer with resonance sharpness.
【請求項2】 送信用超音波振動子は、中心周波数にお
ける機械的共振尖鋭度Qが1〜5の間にある、請求項1
に記載の超音波トランスデューサ。
2. The transmitting ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the mechanical resonance sharpness Q at the center frequency is between 1 and 5.
An ultrasonic transducer according to claim 1.
【請求項3】 送信用圧電振動子の材料は、d33>20
0×10-12[m/V]を満足する圧電定数d33と、70<
Qm<1000を満足する機械的品質係数Qmとを有し
ている、請求項2に記載の超音波トランスデューサ。
3. The material of the transmitting piezoelectric vibrator is d 33 > 20.
A piezoelectric constant d 33 satisfying 0 × 10 −12 [m / V], and 70 <
3. The ultrasonic transducer according to claim 2, having a mechanical quality factor Qm satisfying Qm <1000.
【請求項4】 送信用超音波振動子は、送信用圧電振動
子の背面に配置されたバッキング層を更に有しており、
バッキング層は、5dB/cm/MHzよりも大きい超音
波減衰率と、送信用圧電振動子の音響インピーダンスZ
pの1/3以下の音響インピーダンスZdとを有してい
る、請求項2に記載の超音波トランスデューサ。
4. The transmitting ultrasonic vibrator further includes a backing layer disposed on a back surface of the transmitting piezoelectric vibrator,
The backing layer has an ultrasonic attenuation rate greater than 5 dB / cm / MHz and an acoustic impedance Z of the transmitting piezoelectric vibrator.
The ultrasonic transducer according to claim 2, wherein the ultrasonic transducer has an acoustic impedance Zd of 1/3 or less of p.
【請求項5】 送信用圧電振動子は、エネルギー閉じ込
め電極を有している、請求項2に記載の超音波トランス
デューサ。
5. The ultrasonic transducer according to claim 2, wherein the transmitting piezoelectric vibrator has an energy trapping electrode.
【請求項6】 受信用超音波振動子は、2f0の中心周
波数を有し、その中心周波数における機械的共振尖鋭度
Qが1〜5の間にある、請求項1に記載の超音波トラン
スデューサ。
6. The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the receiving ultrasonic transducer has a center frequency of 2f 0, and a mechanical resonance sharpness Q at the center frequency is between 1 and 5. .
【請求項7】 受信用超音波振動子は、3f0の中心周
波数を有し、その中心周波数における機械的共振尖鋭度
Qが1〜5の間にある、請求項1に記載の超音波トラン
スデューサ。
7. The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the receiving ultrasonic transducer has a center frequency of 3f 0, and a mechanical resonance sharpness Q at the center frequency is between 1 and 5. .
【請求項8】 受信用圧電振動子の圧電材料は、電圧出
力係数g33が高く、縦波音速が速い材料である、請求項
6または請求項7に記載の超音波トランスデューサ。
Piezoelectric material 8. piezoelectric vibrator for receiving the high voltage output coefficient g 33, longitudinal wave acoustic velocity is faster material ultrasonic transducer according to claim 6 or claim 7.
【請求項9】 電圧出力係数g33が高く、縦波音速が速
い材料が、化学式K(Nb1-xTax)O3、0≦x≦0.
2で表される圧電単結晶である、請求項8に記載の超音
波トランスデューサ。
9. high voltage output coefficient g 33, longitudinal wave acoustic velocity faster material, chemical formula K (Nb 1-x Ta x ) O 3, 0 ≦ x ≦ 0.
The ultrasonic transducer according to claim 8, which is a piezoelectric single crystal represented by 2.
【請求項10】 電圧出力係数g33が高く、縦波音速が
速い材料が、チタン酸鉛系圧電セラミクスである、請求
項8に記載の超音波トランスデューサ。
10. high voltage output coefficient g 33, longitudinal wave acoustic velocity faster material is a lead-based piezoelectric ceramics titanate ultrasonic transducer according to claim 8.
【請求項11】 電圧出力係数g33が高く、縦波音速が
速い材料が、Bi4Ti312またはMa1-xMbxBi2
McO8、0≦x≦0.2の化学式で表されるビスマス
層状構造強誘電体(BLSF)であり、ここに、MaとM
bはSrやBa等のアルカリ土類金属元素、McはTa
やNb等の+5価金属元素である、請求項8に記載の超
音波トランスデューサ。
11. high voltage output coefficient g 33, longitudinal wave acoustic velocity faster materials, Bi 4 Ti 3 O 12 or Ma 1-x Mb x Bi 2
McO 8 , a bismuth layered structure ferroelectric (BLSF) represented by the chemical formula of 0 ≦ x ≦ 0.2, wherein Ma and M
b is an alkaline earth metal element such as Sr or Ba, Mc is Ta
The ultrasonic transducer according to claim 8, wherein the ultrasonic transducer is a + 5-valent metal element such as Nb or Nb.
【請求項12】 受信用圧電振動子は、エネルギー閉じ
込め電極を有している、請求項6に記載の超音波トラン
スデューサ。
12. The ultrasonic transducer according to claim 6, wherein the receiving piezoelectric vibrator has an energy trapping electrode.
【請求項13】 受信用超音波振動子は、受信用圧電振
動子の背面に配置されたバッキング層を有しており、バ
ッキング層の材料は、5dB/cm/MHzよりも大きい
超音波減衰率と、受信用圧電振動子の音響インピーダン
スZpの1/3以下の音響インピーダンスZdとを有し
ている、請求項6に記載の超音波トランスデューサ。
13. The receiving ultrasonic vibrator has a backing layer disposed on the back surface of the receiving piezoelectric vibrator, and the material of the backing layer is an ultrasonic attenuation rate greater than 5 dB / cm / MHz. The ultrasonic transducer according to claim 6, wherein the ultrasonic transducer has an acoustic impedance Zd which is equal to or less than / of an acoustic impedance Zp of the receiving piezoelectric vibrator.
【請求項14】 請求項1に記載の超音波トランスデュ
ーサと、これを駆動制御する駆動制御手段とを有する超
音波トランスデューサシステムであり、駆動制御手段
は、少なくとも2f0の成分が抑圧された超音波を送信
用超音波振動子に発生させる、超音波トランスデューサ
システム。
14. An ultrasonic transducer system comprising: the ultrasonic transducer according to claim 1; and drive control means for driving and controlling the ultrasonic transducer, wherein the drive control means includes an ultrasonic wave having at least a component of 2f 0 suppressed. An ultrasonic transducer system that generates an ultrasonic transducer for transmission.
【請求項15】 駆動制御手段は、中心周波数がf0
あり、第一ディップ周波数が2f0にある周波数特性を
有している駆動パルス信号を送信用超音波振動子に供給
する、請求項14に記載の超音波トランスデューサシス
テム。
15. The drive control unit supplies a drive pulse signal having a frequency characteristic having a center frequency of f 0 and a first dip frequency of 2f 0 to the transmitting ultrasonic vibrator. 15. The ultrasonic transducer system according to claim 14.
【請求項16】 駆動制御手段は、バースト波の駆動パ
ルス信号を送信用超音波振動子に供給する、請求項15
に記載の超音波トランスデューサシステム。
16. The drive control unit supplies a drive pulse signal of a burst wave to a transmitting ultrasonic transducer.
An ultrasonic transducer system according to claim 1.
【請求項17】 送信用超音波振動子は、送信用圧電振
動子に、少なくとも圧電定数と誘電率のいずれか一方に
関する傾斜機能特性を与える手段を有している、請求項
14に記載の超音波トランスデューサシステム。
17. The ultrasonic transmitting device according to claim 14, wherein the transmitting ultrasonic vibrator has means for giving the transmitting piezoelectric vibrator at least a gradient function characteristic relating to one of a piezoelectric constant and a dielectric constant. Sound transducer system.
【請求項18】 傾斜機能特性を与える手段は、送信用
圧電振動子に、その厚さ方向に沿って、温度勾配を与え
るヒーターを有している、請求項17に記載の超音波ト
ランスデューサシステム。
18. The ultrasonic transducer system according to claim 17, wherein the means for imparting a functional gradient characteristic includes a heater for imparting a temperature gradient to the transmitting piezoelectric vibrator along a thickness direction thereof.
【請求項19】 送信用圧電振動子は、少なくとも圧電
定数と誘電率のいずれか一方に傾斜機能特性を有してい
る、請求項14に記載の超音波トランスデューサシステ
ム。
19. The ultrasonic transducer system according to claim 14, wherein the transmitting piezoelectric vibrator has a gradient function characteristic in at least one of a piezoelectric constant and a dielectric constant.
【請求項20】 送信用圧電振動子は、少なくとも圧電
定数と誘電率のいずれか一方が厚さ方向に沿って単調に
変化する傾斜圧電材料を有している、請求項19に記載
の超音波トランスデューサシステム。
20. The ultrasonic wave according to claim 19, wherein the transmitting piezoelectric vibrator has an inclined piezoelectric material in which at least one of a piezoelectric constant and a dielectric constant monotonically changes along a thickness direction. Transducer system.
【請求項21】 傾斜機能特性は、少なくとも圧電定数
と誘電率のいずれか一方が少しづつ異なっている互いに
積層された複数の圧電薄板を有している、請求項19に
記載の超音波トランスデューサシステム。
21. The ultrasonic transducer system according to claim 19, wherein the functionally graded function includes a plurality of laminated piezoelectric thin plates that have at least one of a piezoelectric constant and a dielectric constant slightly different. .
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