JP2008048276A - Ultrasonic transducer and ultrasonic transducer array - Google Patents

Ultrasonic transducer and ultrasonic transducer array Download PDF

Info

Publication number
JP2008048276A
JP2008048276A JP2006223333A JP2006223333A JP2008048276A JP 2008048276 A JP2008048276 A JP 2008048276A JP 2006223333 A JP2006223333 A JP 2006223333A JP 2006223333 A JP2006223333 A JP 2006223333A JP 2008048276 A JP2008048276 A JP 2008048276A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
ultrasonic transducer
layer
ultrasonic
thickness
piezoelectric
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2006223333A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yoshinobu Nakada
嘉信 中田
Takashi Nakamura
隆 中村
Atsushi Osawa
敦 大澤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujifilm Corp
Original Assignee
Fujifilm Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fujifilm Corp filed Critical Fujifilm Corp
Priority to JP2006223333A priority Critical patent/JP2008048276A/en
Publication of JP2008048276A publication Critical patent/JP2008048276A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a practical broadband ultrasonic transducer by actualizing the broadband frequency characteristics without reducing output of transmitted ultrasonic waves. <P>SOLUTION: The ultrasonic transducer comprises a plurality of piezoelectric body layers 12 and 13 stacked alternately with a plurality of electrode layers and the total thickness of the piezoelectric body layers changes with inclination so that it becomes thicker from a first side toward a second side. It has an acoustic-matching layer 14 formed on the plurality of piezoelectric body layers via the electrode layer. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、医療用や非破壊検査用の超音波撮像装置において用いられる超音波トランスデューサ及び超音波トランスデューサアレイに関する。   The present invention relates to an ultrasonic transducer and an ultrasonic transducer array used in an ultrasonic imaging apparatus for medical use or nondestructive inspection.

従来より、超音波撮像装置(超音波診断装置、超音波検査装置等とも呼ばれる)において超音波の送受信に用いられる素子として、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)に代表される圧電セラミックや、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)に代表される高分子圧電材料等の圧電体に電極を形成した超音波トランスデューサが知られている。このような超音波トランスデューサの電極に電圧を印加すると、圧電効果により圧電体が伸縮して超音波が発生する。そこで、このような複数の超音波トランスデューサを1次元又は2次元に配列し、それら超音波トランスデューサを順次駆動することにより、所望の方向に送信される超音波ビームを形成することができる。また、超音波トランスデューサは、被検体から伝播した超音波により伸縮して電気信号を発生する。この電気信号は、超音波の受信信号として用いられる。   Conventionally, as an element used for transmission / reception of ultrasonic waves in an ultrasonic imaging apparatus (also called an ultrasonic diagnostic apparatus, an ultrasonic inspection apparatus, etc.), a piezoelectric ceramic represented by PZT (lead zirconate titanate), PVDF ( 2. Description of the Related Art An ultrasonic transducer in which an electrode is formed on a piezoelectric material such as a polymer piezoelectric material represented by (polyvinylidene fluoride) is known. When a voltage is applied to the electrodes of such an ultrasonic transducer, the piezoelectric body expands and contracts due to the piezoelectric effect, and ultrasonic waves are generated. Therefore, an ultrasonic beam transmitted in a desired direction can be formed by arranging such a plurality of ultrasonic transducers in one or two dimensions and sequentially driving the ultrasonic transducers. Further, the ultrasonic transducer expands and contracts by the ultrasonic wave propagated from the subject and generates an electric signal. This electric signal is used as an ultrasonic reception signal.

ところで、超音波診断においては、超音波の周波数帯域の広さが超音波画像の画質の良否に影響することが知られている。一般に、比較的高い周波数を有する超音波は、減衰され易いが、深さ分解能は高く、反対に、比較的低い周波数を有する超音波は、深部まで到達し易いが、深さ分解能が低下し易いという性質を有している。そのため、広い周波数帯域を有する超音波を用いることにより、被検体における微細な構造や組織を識別して、良質な超音波画像を得ることができる。   By the way, in ultrasonic diagnosis, it is known that the width of the ultrasonic frequency band affects the quality of the ultrasonic image. In general, an ultrasonic wave having a relatively high frequency is easily attenuated, but has a high depth resolution. On the other hand, an ultrasonic wave having a relatively low frequency easily reaches a deep part, but the depth resolution is likely to be lowered. It has the property of Therefore, by using ultrasonic waves having a wide frequency band, it is possible to identify fine structures and tissues in the subject and obtain high-quality ultrasonic images.

ここで、振動子における周波数帯域は、圧電材料の組成や、グレインサイズや密度等の構造に依存しており、材料が同一である場合には、振動子の厚さによって既定される。そのため、圧電材料の組成等を変更することによって振動子の帯域を変化させることはできるが、帯域を広くすることは容易ではない。   Here, the frequency band in the vibrator depends on the composition of the piezoelectric material, the structure such as the grain size and density, and is determined by the thickness of the vibrator when the materials are the same. For this reason, the band of the vibrator can be changed by changing the composition of the piezoelectric material, but it is not easy to widen the band.

特許文献1には、各々が、互いに向かい合う第1の面及び第2の面に第1の電極及び第2の電極がそれぞれ形成された圧電材料層を含む複数の超音波トランスデューサであって、第1の面に対して第2の面が傾斜を有する複数の超音波トランスデューサと、該複数の超音波トランスデューサの間に配置された充填材とを含む超音波トランスデューサアレイが開示されている。即ち、特許文献1においては、振動子の厚さを場所により変化させることによって、周波数帯域を広げている。   Patent Document 1 discloses a plurality of ultrasonic transducers each including a piezoelectric material layer in which a first electrode and a second electrode are respectively formed on a first surface and a second surface facing each other. An ultrasonic transducer array including a plurality of ultrasonic transducers having a second surface inclined with respect to one surface and a filler disposed between the plurality of ultrasonic transducers is disclosed. That is, in Patent Document 1, the frequency band is expanded by changing the thickness of the vibrator depending on the location.

ところで、図12の(a)は、一般的な超音波トランスデューサの構造を示しており、図12の(b)は、そこから送受信される超音波の周波数特性を示している。図12の(a)に示すように、一般的な超音波トランスデューサにおいては、厚さが略均一な圧電体層91の両面に電極92及び93が形成されており、さらに、音響整合層94が配置されている。また、図13の(a)は、特許文献1に開示されている広帯域超音波トランスデューサの構造を示しており、図13の(b)は、そこから送受信される超音波の周波数特性を示している。図13の(a)に示すように、この広帯域超音波トランスデューサにおいては、傾斜を有する圧電体層95の両面に電極96及び97が形成されており、さらに、音響整合層98が配置されている。図12の(b)及び図13の(b)において、横軸は周波数(MHz)を示しており、縦軸は、超音波トランスデューサに所定の電圧を印加することにより超音波を送信し、その反射波を受信することによって超音波トランスデューサから出力される電圧(受信電圧、任意の単位)を示している。   Incidentally, FIG. 12A shows a structure of a general ultrasonic transducer, and FIG. 12B shows frequency characteristics of ultrasonic waves transmitted and received therefrom. As shown in FIG. 12A, in a general ultrasonic transducer, electrodes 92 and 93 are formed on both surfaces of a piezoelectric layer 91 having a substantially uniform thickness, and an acoustic matching layer 94 is further formed. Has been placed. FIG. 13 (a) shows the structure of the broadband ultrasonic transducer disclosed in Patent Document 1, and FIG. 13 (b) shows the frequency characteristics of the ultrasonic waves transmitted and received therefrom. Yes. As shown in FIG. 13A, in this wide-band ultrasonic transducer, electrodes 96 and 97 are formed on both surfaces of an inclined piezoelectric layer 95, and an acoustic matching layer 98 is further disposed. . In (b) of FIG. 12 and (b) of FIG. 13, the horizontal axis indicates the frequency (MHz), and the vertical axis transmits ultrasonic waves by applying a predetermined voltage to the ultrasonic transducer. The voltage (reception voltage, arbitrary unit) output from the ultrasonic transducer by receiving the reflected wave is shown.

ここで、特許文献1にも記載されているように、超音波トランスデューサの振動の周波数は、圧電材料の厚さと反比例する関係にある。そのため、図13の(a)に示すように、圧電材料の厚さがZ〜Zの各部分に応する周波数特性を合成することにより、広帯域化された周波数特性が得られる。図13の(b)は、説明を簡単にするために、厚さがZ及びZ、並びに、その中間のZの3箇所における周波数特性を合成することにより得られたものである。 Here, as described in Patent Document 1, the vibration frequency of the ultrasonic transducer is inversely proportional to the thickness of the piezoelectric material. Therefore, as shown in FIG. 13A, the frequency characteristics with a wide band can be obtained by synthesizing the frequency characteristics corresponding to the portions where the thickness of the piezoelectric material is Z 1 to Z 3 . (B) of FIG. 13 is obtained by synthesizing the frequency characteristics at three locations of thicknesses Z 1 and Z 3 and intermediate Z 2 for the sake of simplicity.

図12の(b)と図13の(b)とを比較して明らかなように、一般的な超音波トランスデューサにおいては周波数帯域幅が約50%となっているのに対して、広帯域超音波トランスデューサにおいては周波数帯域幅が約63%となっており、広帯域化されていることがわかる。ここで、周波数帯域幅(%)とは、音圧がピーク値から6dB減衰する2つの周波数fとfとの幅Δf=f−fを、それらの中心値(中心周波数)f=(f+f)/2で割ることによって得られる(Δf/f)。 As is clear from comparison between FIG. 12B and FIG. 13B, the frequency bandwidth of a general ultrasonic transducer is about 50%, whereas broadband ultrasonic waves are used. In the transducer, the frequency bandwidth is about 63%, which indicates that the bandwidth is widened. Here, the frequency bandwidth (%) means a width Δf = f H −f L between two frequencies f H and f L at which the sound pressure is attenuated by 6 dB from the peak value, and a center value (center frequency) f thereof. It is obtained by dividing by C = (f H + f L ) / 2 (Δf / f C ).

しかしながら、一方で、広帯域超音波トランスデューサの受信電圧は全体的に低下しており、一般的な超音波トランスデューサを基準とすると、約46%となっている。これは、放出されるエネルギーが広帯域化によって分散するためと考えられる。
また、超音波トランスデューサアレイを超音波内視鏡に適用する場合には、アレイ全体を小型化する必要があるが、そのような場合に、超音波トランスデューサが接続される送信系回路(駆動システム)や、配線ケーブルとの電気的なマッチングを取ることが困難になる。
特開2005−110116号公報
However, on the other hand, the reception voltage of the broadband ultrasonic transducer is generally lowered, and is about 46% when a general ultrasonic transducer is used as a reference. This is presumably because the emitted energy is dispersed due to the wide band.
In addition, when the ultrasonic transducer array is applied to an ultrasonic endoscope, it is necessary to downsize the entire array. In such a case, a transmission system circuit (drive system) to which the ultrasonic transducer is connected. In addition, it becomes difficult to obtain electrical matching with the wiring cable.
JP 2005-110116 A

そこで、上記の点に鑑み、本発明は、超音波の出力低下を招くことなく周波数特性を広帯域化することにより、実用的な広帯域超音波トランスデューサを提供することを目的とする。   Therefore, in view of the above points, an object of the present invention is to provide a practical broadband ultrasonic transducer by widening the frequency characteristics without causing a decrease in the output of ultrasonic waves.

上記課題を解決するため、本発明の1つの観点に係る超音波トランスデューサは、複数の電極層と交互に積層された複数の圧電体層であって、該複数の圧電体層のトータルの厚さが、第1の側から第2の側に向かって厚くなるように傾斜的に変化している複数の圧電体層と、該複数の圧電体層上に、電極層を介して形成された音響整合層とを具備する。   In order to solve the above-described problem, an ultrasonic transducer according to one aspect of the present invention includes a plurality of piezoelectric layers alternately stacked with a plurality of electrode layers, and the total thickness of the plurality of piezoelectric layers. Are a plurality of piezoelectric layers that change in an inclined manner so as to increase in thickness from the first side toward the second side, and an acoustic wave formed on the plurality of piezoelectric layers via an electrode layer. And a matching layer.

本発明によれば、圧電体層の厚さを傾斜的に変化させることによって超音波トランスデューサを広帯域化すると共に、複数の圧電体層を積層することによって出力の低下を補うので、実用に適した広帯域超音波トランスデューサを実現することができる。   According to the present invention, the ultrasonic transducer is broadened by changing the thickness of the piezoelectric layer in an inclined manner, and the decrease in output is compensated for by laminating a plurality of piezoelectric layers, which is suitable for practical use. A broadband ultrasonic transducer can be realized.

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る超音波トランスデューサを示す斜視図である。図1の(a)に示すように、本実施形態に係る超音波トランスデューサは、例えば、底面の幅が0.1mm〜15mm程度、高さが0.2mm〜1.0mm程度の微小な柱状の構造体であり、下部電極層11と、厚さが傾斜的に変化する圧電体層12と、厚さが略均一な2つの圧電体層13と、音響整合層14と、それらの間に配置されている複数の内部電極層15a〜15cとを有している。また、本実施形態に係る超音波トランスデューサは、内部電極層15a〜15cの端面(図1において超音波トランスデューサの左右の側面に露出している部分)に左右交互に形成された絶縁膜16を含んでも良く、図1の(b)に示すように、側面電極17a及び17bを含んでも良い。なお、図1の(a)には、2つの圧電体層13が示されているが、圧電体層13は少なくとも1層あれば良く、3つ以上あっても構わない。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same reference number is attached | subjected to the same component and description is abbreviate | omitted.
FIG. 1 is a perspective view showing an ultrasonic transducer according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1 (a), the ultrasonic transducer according to this embodiment has, for example, a minute columnar shape with a bottom width of about 0.1 mm to 15 mm and a height of about 0.2 mm to 1.0 mm. The structure is a lower electrode layer 11, a piezoelectric layer 12 whose thickness changes in an inclined manner, two piezoelectric layers 13 having a substantially uniform thickness, an acoustic matching layer 14, and an arrangement between them. A plurality of internal electrode layers 15a to 15c. In addition, the ultrasonic transducer according to the present embodiment includes insulating films 16 that are alternately formed on the left and right end surfaces of the internal electrode layers 15a to 15c (portions exposed on the left and right side surfaces of the ultrasonic transducer in FIG. 1). Alternatively, as shown in FIG. 1B, side electrodes 17a and 17b may be included. In FIG. 1A, two piezoelectric layers 13 are shown. However, at least one piezoelectric layer 13 is sufficient, and three or more piezoelectric layers 13 may be provided.

圧電体層12及び13は、例えば、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)に代表される圧電セラミックや、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)に代表される高分子圧電材料等によって形成されている。これらの圧電体層12及び13は、その両面に形成されている下部電極層11や内部電極層15a〜15cを介して電界を印加されることにより伸縮する。   The piezoelectric layers 12 and 13 are made of, for example, a piezoelectric ceramic represented by PZT (lead zirconate titanate), a polymer piezoelectric material represented by PVDF (polyvinylidene fluoride), or the like. These piezoelectric layers 12 and 13 expand and contract when an electric field is applied through the lower electrode layer 11 and the internal electrode layers 15a to 15c formed on both surfaces thereof.

圧電体層12において、上面(内部電極15a側)は、下面(下部電極層11側)に対して傾斜している。また、圧電体層13は、圧電体層12の斜面上に配置されている。それにより、積層された圧電体層12及び13のトータルの厚さが、ZからZに傾斜的に変化する。ここで、超音波トランスデューサの共振周波数fは、圧電体層の厚さに対して反比例する関係にあるので、このように少なくとも1つの圧電体層に傾斜を設けることにより、超音波トランスデューサの共振周波数を広帯域化することができる。 In the piezoelectric layer 12, the upper surface (the internal electrode 15a side) is inclined with respect to the lower surface (the lower electrode layer 11 side). The piezoelectric layer 13 is disposed on the slope of the piezoelectric layer 12. As a result, the total thickness of the stacked piezoelectric layers 12 and 13 changes from Z 1 to Z 3 in an inclined manner. Here, since the resonance frequency f 0 of the ultrasonic transducer is inversely proportional to the thickness of the piezoelectric layer, the resonance of the ultrasonic transducer is provided by providing an inclination in at least one piezoelectric layer in this way. The frequency can be widened.

音響整合層14は、例えば、超音波を伝え易いパイレックス(登録商標)ガラスや金属粉入りエポキシ樹脂等によって形成されており、生体である被検体と超音波トランスデューサとの間の音響インピーダンスの不整合を解消することにより、超音波の伝播効率を高める。図1の(a)に示すように、音響整合層14の形状は、その下面(内部電極15c側)が圧電体層12および13の傾斜に沿っており、その上面が圧電体層12の下面に対して平行となるように設計されている。それにより、超音波トランスデューサ10が、全体として直方体形状となる。   The acoustic matching layer 14 is formed of, for example, Pyrex (registered trademark) glass that easily transmits ultrasonic waves, epoxy resin containing metal powder, or the like, and mismatching of acoustic impedance between the subject that is a living body and the ultrasonic transducer. By eliminating the above, the propagation efficiency of ultrasonic waves is increased. As shown in FIG. 1A, the acoustic matching layer 14 has a lower surface (internal electrode 15 c side) along the inclination of the piezoelectric layers 12 and 13, and the upper surface is the lower surface of the piezoelectric layer 12. It is designed to be parallel to. Thereby, the ultrasonic transducer 10 has a rectangular parallelepiped shape as a whole.

絶縁膜16は、超音波トランスデューサ10の向かい合う2つの面(図1においては、左側及び右側)に露出している下部電極層11及び内部電極15a〜15cの端面を、左右交互に覆うように形成されている。   The insulating film 16 is formed so as to alternately cover the end surfaces of the lower electrode layer 11 and the internal electrodes 15a to 15c exposed on the two opposing surfaces (the left side and the right side in FIG. 1) of the ultrasonic transducer 10. Has been.

このような超音波トランスデューサを駆動する場合には、図1の(b)に示すように、超音波トランスデューサ10の1つの側面に、絶縁膜16の外側を通るように側面電極17aを形成すると共に、他の側面に、絶縁膜16の外側を通るように側面電極17bを形成する。それにより、内部電極層15aと内部電極層15cとが電気的に接続され、下部電極層11と内部電極層15bとが電気的に接続される。そして、側面電極17a及び17bを介して、所定の波形(例えば、パルス波)を有する駆動信号を超音波トランスデューサ10に供給する。   When driving such an ultrasonic transducer, a side electrode 17a is formed on one side of the ultrasonic transducer 10 so as to pass outside the insulating film 16, as shown in FIG. The side electrode 17b is formed on the other side so as to pass outside the insulating film 16. Thereby, the internal electrode layer 15a and the internal electrode layer 15c are electrically connected, and the lower electrode layer 11 and the internal electrode layer 15b are electrically connected. Then, a drive signal having a predetermined waveform (for example, a pulse wave) is supplied to the ultrasonic transducer 10 via the side electrodes 17a and 17b.

なお、絶縁膜16及び側面電極17a及び17bが形成される面は、図1に示す2つの面に限られず、下部電極層11及び内部電極15a〜15cを1層おきに共通配線できれば超音波トランスデューサのどの領域でも構わない。例えば、図1の手前及び奥側の面(即ち、電極層が傾斜している面)に絶縁膜16及び側面電極17a及び17bを形成しても良い。或いは、側面電極を形成する替わりに、下部電極層11及び内部電極層15a〜15cにリード線を接続しても良い。   The surface on which the insulating film 16 and the side electrodes 17a and 17b are formed is not limited to the two surfaces shown in FIG. 1. If the lower electrode layer 11 and the internal electrodes 15a to 15c can be wired in common every other layer, the ultrasonic transducer Any area is acceptable. For example, the insulating film 16 and the side electrodes 17a and 17b may be formed on the front and back surfaces (that is, the surface on which the electrode layer is inclined) in FIG. Or you may connect a lead wire to the lower electrode layer 11 and the internal electrode layers 15a-15c instead of forming a side electrode.

図2は、図1に示す超音波トランスデューサ10から送受信される超音波の周波数特性のシミュレーション結果を示している。
このシミュレーションにおいては、圧電体層12及び13の音響インピーダンスを34Mraylとし、各部分(図の左端、中央、右端)の厚さを、それぞれ、Z=342μm、Z=273.6μm、Z=228μmとした。そして、それらの3箇所における周波数特性を合成したものを、本実施形態に係る超音波トランスデューサの周波数特性とした。なお、各部分の厚さに対応する中心周波数は、それぞれ、Z:6.0MHz、Z:7.5MHz、Z:9.0MHzである。
FIG. 2 shows a simulation result of frequency characteristics of ultrasonic waves transmitted and received from the ultrasonic transducer 10 shown in FIG.
In this simulation, the acoustic impedance of the piezoelectric layers 12 and 13 is set to 34 Mrayl, and the thickness of each part (the left end, the center, and the right end in the figure) is set to Z 1 = 342 μm, Z 2 = 273.6 μm, and Z 3 , respectively. = 228 μm. And what synthesize | combined the frequency characteristic in those three places was made into the frequency characteristic of the ultrasonic transducer | vibrator which concerns on this embodiment. The center frequency corresponding to the thickness of each portion, respectively, Z 1: 6.0MHz, Z 2 : 7.5MHz, Z 3: a 9.0MHz.

また、音響整合層14については、音響インピーダンスを6Mraylとし、次のように形状を設計した。即ち、下面については、圧電体層12及び13の傾斜に合わせ、上面については、圧電体層12の下面に対して平行にすることにより、超音波トランスデューサ全体が直方体形状となるようにした。その際に、中央部分(圧電体層の厚さがZの部分の上部)の厚さを、厚さZの圧電体層から発生する超音波(中心周波数:7.5MHz)の音響整合層14における伝播波長の1/4となるように設定した。このときに、最も高い伝播効率が得られるからである。その結果、音響整合層14の各部分の厚さは、左端において14.93μmとなり、中央部分において83.3μmとなり、右端において128.93μmとなった。
さらに、音響インピーダンスが5.5Mraylのバッキング材を超音波トランスデューサの背面に配置するという条件でシミュレーションを行った。
In addition, the acoustic matching layer 14 was designed in the following manner with an acoustic impedance of 6 Mrayl. That is, the entire ultrasonic transducer has a rectangular parallelepiped shape by aligning the lower surface with the inclination of the piezoelectric layers 12 and 13 and the upper surface parallel to the lower surface of the piezoelectric layer 12. At that time, the thickness of the central portion (the upper portion of the thickness of the piezoelectric layer is Z 2 parts), ultrasound (center frequency: 7.5 MHz) generated from the piezoelectric layer having a thickness Z 2 of the acoustic matching It was set to be 1/4 of the propagation wavelength in the layer 14. This is because the highest propagation efficiency can be obtained at this time. As a result, the thickness of each portion of the acoustic matching layer 14 was 14.93 μm at the left end, 83.3 μm at the center portion, and 128.93 μm at the right end.
Furthermore, the simulation was performed under the condition that a backing material having an acoustic impedance of 5.5 Mrayl is disposed on the back surface of the ultrasonic transducer.

図2の(a)は、(i)本実施形態に係る超音波トランスデューサ(図1参照)の周波数特性(広帯域・3層)と、(ii)圧電体層の積層数を2層とした超音波トランスデューサ(図1において、圧電体層13を1つにしたもの)の周波数特性(広帯域・2層)と、比較のために、(iii)圧電体層が単層の広帯域超音波トランスデューサの周波数特性(広帯域・単層)と、(iv)圧電体層の厚さが均一で単層の一般的な超音波トランスデューサの周波数特性(通常)とを示している。また、Z、Z、Zと記載されている3つの曲線は、圧電体層の厚さがそれぞれZ、Z、Zである超音波トランスデューサ(単層)の周波数特性を示しており、広帯域・単層の超音波トランスデューサの周波数特性を求める際に用いたものである。図2の(a)において、横軸は周波数(MHz)を示しており、縦軸は、超音波トランスデューサ超音波を送信し、その反射波を受信することによって超音波トランスデューサから出力された電圧(受信電圧、任意の単位)を示している。即ち、縦軸は、送信効率×受信効率を意味する。また、図2の(b)は、図2の(a)に示された周波数特性の内で、(i)広帯域・3層の周波数特性と、(iv)通常の周波数特性とを規格化したものである。 (A) in FIG. 2 shows (i) the frequency characteristics (broadband, three layers) of the ultrasonic transducer according to the present embodiment (see FIG. 1), and (ii) a superstructure with two layers of piezoelectric layers. For comparison with the frequency characteristics (broadband, two layers) of the acoustic transducer (one piezoelectric layer 13 in FIG. 1), (iii) the frequency of a broadband ultrasonic transducer with a single piezoelectric layer It shows the characteristics (broadband / single layer) and (iv) the frequency characteristics (normal) of a general ultrasonic transducer having a uniform piezoelectric layer thickness and a single layer. Further, three curves are described as Z 1, Z 2, Z 3 represents the frequency characteristic of the ultrasonic transducer (single layer) the thickness of the piezoelectric layer is Z 1, Z 2, Z 3 respectively It is used when obtaining the frequency characteristics of a broadband / single-layer ultrasonic transducer. In FIG. 2A, the horizontal axis indicates the frequency (MHz), and the vertical axis indicates the voltage output from the ultrasonic transducer by transmitting the ultrasonic transducer ultrasonic wave and receiving the reflected wave ( Received voltage, arbitrary unit). That is, the vertical axis means transmission efficiency × reception efficiency. Also, (b) in FIG. 2 standardizes (i) wideband and three-layer frequency characteristics and (iv) normal frequency characteristics among the frequency characteristics shown in FIG. 2 (a). Is.

図2の(a)に示すように、圧電体層の厚さを傾斜的に変化させた超音波トランスデューサにおいては、いずれも、通常の超音波トランスデューサよりも広帯域化されている。例えば、図2の(b)示すように、通常の超音波トランスデューサの周波数帯域幅が約50%であるのに対して、広帯域の超音波トランスデューサの周波数帯域幅は約63%まで広がっている。また、広帯域の3つの超音波トランスデューサを比較すると、層数を増やすほど受信電圧が上昇していることが確認される。これは、全体の厚さを変えずに圧電体層の層数を増やすと(即ち、各圧電体層が薄くなる)、各圧電体層に印加される電界強度が大きくなるからである。   As shown in FIG. 2A, in the ultrasonic transducer in which the thickness of the piezoelectric layer is changed in an inclined manner, the bandwidth is wider than that of a normal ultrasonic transducer. For example, as shown in FIG. 2B, the frequency bandwidth of a general ultrasonic transducer is about 50%, whereas the frequency bandwidth of a wide-band ultrasonic transducer is expanded to about 63%. Further, when three broadband ultrasonic transducers are compared, it is confirmed that the reception voltage increases as the number of layers increases. This is because if the number of piezoelectric layers is increased without changing the overall thickness (that is, each piezoelectric layer becomes thinner), the electric field strength applied to each piezoelectric layer increases.

なお、Z、Z、Zの周波数特性を比較すると、Zの受信電圧と比較して、Z及びZの受信電圧は全体的に低下している。これは、音響整合層が、圧電体層の厚さがZの場合に適切な伝播効率が得られるように設計されているからである。 When the frequency characteristics of Z 1 , Z 2 , and Z 3 are compared, the received voltages of Z 1 and Z 3 are generally decreased as compared to the received voltage of Z 2 . This is because the acoustic matching layer, the thickness of the piezoelectric layer is designed as appropriate propagation efficiency is obtained when the Z 2.

以上説明したように、本実施形態によれば、圧電体層の厚さを傾斜的に変化させることにより、超音波トランスデューサの振動の周波数を広帯域化させることができる。また、その際に、複数の圧電体層を積層することにより、超音波の出力低下を抑制することができる。従って、超音波トランスデューサを小型化しても送信感度を維持できるようになるので、そのような超音波トランスデューサを適用した超音波用探触子や超音波内視鏡全体を、性能を維持したまま広帯域化及び小型化することが可能になる。さらに、圧電体層を積層することにより、送信系回路(駆動システム)や配線ケーブルとの電気的なマッチングを取り易くなるので、送信感度及び受信感度を向上させることが可能になる。
また、本実施形態においては、超音波トランスデューサ全体を直方体形状としているので、音響整合層14上に別の音響整合層や音響レンズを配置する場合には、設計や操作性が容易となる。
As described above, according to the present embodiment, the vibration frequency of the ultrasonic transducer can be widened by changing the thickness of the piezoelectric layer in an inclined manner. At that time, by laminating a plurality of piezoelectric layers, it is possible to suppress a decrease in output of ultrasonic waves. Therefore, since the transmission sensitivity can be maintained even if the ultrasonic transducer is downsized, the ultrasonic probe and the entire ultrasonic endoscope to which such an ultrasonic transducer is applied can be used in a wide band while maintaining the performance. And miniaturization. Further, by laminating the piezoelectric layers, it is easy to achieve electrical matching with a transmission system circuit (drive system) and a wiring cable, so that it is possible to improve transmission sensitivity and reception sensitivity.
In this embodiment, since the entire ultrasonic transducer has a rectangular parallelepiped shape, when another acoustic matching layer or acoustic lens is disposed on the acoustic matching layer 14, design and operability are facilitated.

次に、本発明の第2の実施形態に係る超音波トランスデューサについて、図3を参照しながら説明する。
本実施形態に係る超音波トランスデューサは、図1に示す音響整合層14の替わりに、図3に示す音響整合層21を配置したものである。その他の構成については、図1に示すものと同様である。
Next, an ultrasonic transducer according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In the ultrasonic transducer according to the present embodiment, an acoustic matching layer 21 shown in FIG. 3 is arranged instead of the acoustic matching layer 14 shown in FIG. Other configurations are the same as those shown in FIG.

ここで、先に図2の(a)に示したように、圧電体層の特定の部分の厚さ(例えば、Z)に合わせて音響整合層を設計すると、それ以外の部分の厚さ(例えば、Z及びZ)に対応する周波数成分の伝播効率が低下してしまう。そこで、本実施形態においては、圧電体層の各部分の厚さに対応する周波数成分について、適切な伝播効率が得られるように音響整合層を設計している。 Here, as shown in FIG. 2A, when the acoustic matching layer is designed in accordance with the thickness (for example, Z 2 ) of a specific portion of the piezoelectric layer, the thickness of the other portions is designed. The propagation efficiency of frequency components corresponding to (for example, Z 1 and Z 3 ) is reduced. Therefore, in the present embodiment, the acoustic matching layer is designed so that appropriate propagation efficiency is obtained for the frequency component corresponding to the thickness of each part of the piezoelectric layer.

即ち、超音波が音響整合層を通過する場合に、音響整合層の厚さがそこを伝播する超音波の波長λの1/4倍となっているときに、最も伝播効率が良くなる(以下において、λ/4整合という)。そのため、音響整合層21の各部分は、その下部の圧電体層12及び13の厚さに対応する周波数成分についてλ/4整合が満たされるように、厚さを規定されている。ここで、音響整合層21における音速をcとし、超音波の周波数をfとすると、波長λは、λ=c/fによって表される。従って、音響整合層21の左端の厚さdは、厚さがZの圧電体層から発生する超音波の中心周波数をfとすると、d=(c/f)/4となる。また、音響整合層21の右端の厚さdは、厚さがZの圧電体層から発生する超音波の中心周波数をfとすると、d=(c/f)/4となる。 That is, when the ultrasonic wave passes through the acoustic matching layer, the propagation efficiency is most improved when the thickness of the acoustic matching layer is 1/4 times the wavelength λ of the ultrasonic wave propagating therethrough (hereinafter referred to as the following). In λ / 4 matching). Therefore, the thickness of each portion of the acoustic matching layer 21 is defined so that λ / 4 matching is satisfied with respect to the frequency component corresponding to the thickness of the piezoelectric layers 12 and 13 below the acoustic matching layer 21. Here, the speed of sound in the acoustic matching layer 21 is c, and the frequency of the ultrasound and f i, the wavelength lambda i is represented by λ i = c / f i. Accordingly, the thickness d 1 at the left end of the acoustic matching layer 21 is d 1 = (c / f 1 ) / 4, where f 1 is the center frequency of the ultrasonic wave generated from the piezoelectric layer having the thickness Z 1. Become. Further, the thickness d 3 at the right end of the acoustic matching layer 21 is d 3 = (c / f 3 ) / 4, where f 3 is the center frequency of the ultrasonic wave generated from the piezoelectric layer having the thickness Z 3. Become.

音響整合層21をこのように設計することにより、厚さが傾斜的に変化する圧電体層12及び13から発生する超音波の各帯域について、音響エネルギーのロスを低減できるようになる。その結果、帯域にかかわらず、超音波の送受信効率を向上させることが可能になる。   By designing the acoustic matching layer 21 in this way, it is possible to reduce acoustic energy loss for each band of ultrasonic waves generated from the piezoelectric layers 12 and 13 whose thickness changes in an inclined manner. As a result, the transmission / reception efficiency of ultrasonic waves can be improved regardless of the band.

図4は、図3に示す超音波トランスデューサから送受信される超音波の周波数特性のシミュレーション結果を示している。図4の(a)の横軸は周波数(MHz)を示しており、縦軸は、超音波トランスデューサ超音波を送信し、その反射波を受信した超音波トランスデューサから出力された電圧(受信電圧、任意の単位)を示している。また、図4の(b)は、図4の(a)を規格化したものである。   FIG. 4 shows a simulation result of frequency characteristics of ultrasonic waves transmitted and received from the ultrasonic transducer shown in FIG. In FIG. 4A, the horizontal axis indicates the frequency (MHz), and the vertical axis indicates the voltage (reception voltage, output from the ultrasonic transducer that transmits the ultrasonic transducer ultrasonic wave and receives the reflected wave). Arbitrary unit). 4B is a standardized version of FIG. 4A.

このシミュレーションにおいては、圧電体層12及び13の音響インピーダンスを34Mraylとし、各部分(図の左端、中央、右端)の厚さを、それぞれ、Z=342μm、Z=273.6μm、Z=228μmとした。なお、それらの部分における周波数特性の中心周波数は、それぞれ、Z:6.0MHz、Z:7.5MHz、Z:9.0MHzである。また、音響整合層21の音響インピーダンスを8Mraylとし、各部分(左端、中央、右端)の厚さを、λ/4整合が取れるように、それぞれ、106.64μm、83.33μm、69.32μmとした。さらに、音響インピーダンスが5.5Mraylのバッキング材を超音波トランスデューサの背面に配置するという条件で計算を行った。 In this simulation, the acoustic impedance of the piezoelectric layers 12 and 13 is set to 34 Mrayl, and the thickness of each part (the left end, the center, and the right end in the figure) is set to Z 1 = 342 μm, Z 2 = 273.6 μm, and Z 3 , respectively. = 228 μm. The center frequency of the frequency characteristics in portions thereof, respectively, Z 1: 6.0MHz, Z 2 : 7.5MHz, Z 3: a 9.0MHz. The acoustic impedance of the acoustic matching layer 21 is 8 Mrayl, and the thickness of each part (left end, center, right end) is 106.64 μm, 83.33 μm, and 69.32 μm, respectively, so that λ / 4 matching can be achieved. did. Further, the calculation was performed under the condition that a backing material having an acoustic impedance of 5.5 Mrayl is disposed on the back surface of the ultrasonic transducer.

図4の(b)に示すように、圧電体層の厚さがZの超音波トランスデューサの周波数特性と、圧電体層の厚さがZ〜Zの範囲で変化する広帯域超音波トランスデューサの周波数特性とを比較すると、前者の帯域幅が約56%であるのに対して、後者の帯域幅は約62%まで拡がっており、広帯域化されていることが確認できる。また、受信電圧のレベルは、中心付近だけでなく、低域側及び高域側を含めて全体的に上昇している。 As shown in FIG. 4 (b), broadband ultrasonic transducer thickness of the piezoelectric layer and the frequency characteristic of the ultrasonic transducer of Z 2, the thickness of the piezoelectric layer varies from Z 1 to Z 3 Comparing with the frequency characteristics, the bandwidth of the former is about 56%, while the bandwidth of the latter is expanded to about 62%, confirming that the bandwidth is widened. In addition, the level of the reception voltage rises not only in the vicinity of the center but also on the whole including the low frequency side and the high frequency side.

このように、本実施形態によれば、圧電体層の各部分の厚さに応じて音響整合層の形状を決定するので、低域から高域に渡る広い帯域について、超音波の伝播効率を向上させることが可能になる。   As described above, according to the present embodiment, the shape of the acoustic matching layer is determined according to the thickness of each part of the piezoelectric layer. Therefore, the propagation efficiency of the ultrasonic wave is improved over a wide band from low to high. It becomes possible to improve.

次に、本発明の第3の実施形態に係る超音波トランスデューサについて、図5を参照しながら説明する。
本実施形態に係る超音波トランスデューサは、図3に示す2つの圧電体層13及び音響整合層21の替わりに、図5に示す2つの圧電体層31及び32並びに音響整合層33を配置したものである。その他の構成については、図3に示すものと同様である。
Next, an ultrasonic transducer according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The ultrasonic transducer according to the present embodiment includes two piezoelectric layers 31 and 32 and an acoustic matching layer 33 shown in FIG. 5 instead of the two piezoelectric layers 13 and the acoustic matching layer 21 shown in FIG. It is. Other configurations are the same as those shown in FIG.

本実施形態においては、圧電体層12だけでなく、その上に配置された圧電体層31及び32についても、厚さを傾斜的に変化させている。また、音響整合層33は、傾斜的に変化する圧電体層12、31、32の各部分に対してλ/4整合が満たされるように設計されている。   In the present embodiment, not only the piezoelectric layer 12 but also the piezoelectric layers 31 and 32 disposed thereon are changed in an inclined manner. The acoustic matching layer 33 is designed so that λ / 4 matching is satisfied for each of the piezoelectric layers 12, 31, and 32 that change in an inclined manner.

このように、各圧電体層12、31、32の厚さを傾斜的に変化させることにより、低域〜高域を含む面内(図3においては紙面に平行な面内)における超音波の放射特性を均一にすることができる。それにより、送信パワーや、送信感度及び受信感度を、周波数帯域によらず均一にできるので、超音波を発生させるための駆動信号や超音波を受信することによって出力された受信信号に対する信号処理を簡単にすることができる。   In this way, by changing the thickness of each of the piezoelectric layers 12, 31, and 32 in an inclined manner, ultrasonic waves in a plane including a low range to a high range (in a plane parallel to the paper surface in FIG. 3) The radiation characteristics can be made uniform. As a result, the transmission power, transmission sensitivity, and reception sensitivity can be made uniform regardless of the frequency band. Therefore, the signal processing for the reception signal output by receiving the drive signal and the ultrasonic wave for generating the ultrasonic wave is performed. Can be simple.

次に、本発明の第4の実施形態に係る超音波トランスデューサについて、図6を参照しながら説明する。
本実施形態に係る超音波トランスデューサは、図5に示す超音波トランスデューサに対して、ダミー層41を更に設けたものである。ここで、図5に示す超音波トランスデューサにおいては、圧電体層12、31及び32、並びに、音響整合層33の各々において、低域側(図の左側)を厚くしているので、超音波トランスデューサ全体として、低域側と高域側との厚さの差が大きくなる。ところが、音響整合層33の上に音響レンズを配置することや操作性等を考慮すると、超音波トランスデューサの上面(超音波送受信面)を下面に対して平行にする方が実用的であり好ましい。そこで、本実施形態においては、音響整合層33上にダミー層41を設けることにより、低域側と高域側との厚さのギャップを解消している。
Next, an ultrasonic transducer according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The ultrasonic transducer according to the present embodiment is obtained by further providing a dummy layer 41 with respect to the ultrasonic transducer shown in FIG. Here, in the ultrasonic transducer shown in FIG. 5, in each of the piezoelectric layers 12, 31 and 32 and the acoustic matching layer 33, the low frequency side (left side in the figure) is thickened. As a whole, the difference in thickness between the low frequency side and the high frequency side becomes large. However, considering the arrangement of an acoustic lens on the acoustic matching layer 33 and operability, it is more practical and preferable to make the upper surface (ultrasonic wave transmitting / receiving surface) of the ultrasonic transducer parallel to the lower surface. Therefore, in the present embodiment, the dummy layer 41 is provided on the acoustic matching layer 33, thereby eliminating the thickness gap between the low frequency side and the high frequency side.

ダミー層41の材料としては、超音波の伝播効率を妨げないように、例えば、シリコーンゴムのように、音響インピーダンスが比較的生体に近い材料を用いることが望ましい。
なお、このようなダミー層を図3に示す超音波トランスデューサに設けても良い。
As a material for the dummy layer 41, it is desirable to use a material having an acoustic impedance relatively close to that of a living body such as silicone rubber so as not to hinder the propagation efficiency of ultrasonic waves.
Such a dummy layer may be provided in the ultrasonic transducer shown in FIG.

次に、本発明の第5の実施形態に係る超音波トランスデューサについて、図7を参照しながら説明する。
本実施形態に係る超音波トランスデューサは、図5に示す超音波トランスデューサ10に対して、傾斜を有するバッキング層42をさらに設けたものである。ここで、先にも述べたように、超音波トランスデューサの超音波送信面は、超音波トランスデューサの背面に対して平行である方が望ましい。そこで、本実施形態においては、傾斜を有するバッキング層42を圧電体層12の背面に配置している。
Next, an ultrasonic transducer according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The ultrasonic transducer according to this embodiment is obtained by further providing a backing layer 42 having an inclination with respect to the ultrasonic transducer 10 shown in FIG. Here, as described above, it is desirable that the ultrasonic transmission surface of the ultrasonic transducer be parallel to the back surface of the ultrasonic transducer. Therefore, in the present embodiment, the inclined backing layer 42 is disposed on the back surface of the piezoelectric layer 12.

次に、本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサアレイについて、図8を参照しながら説明する。
図8に示すように、この超音波トランスデューサアレイには、配線52及び53が形成されているバッキング層51と、その上に配列された複数の超音波トランスデューサ10とを含んでいる。図示されていないが、これらの超音波トランスデューサ10の間や周囲には、超音波トランスデューサ10の配置を固定すると共にそれらを保護する充填材が配置されている。
Next, an ultrasonic transducer array according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 8, the ultrasonic transducer array includes a backing layer 51 in which wirings 52 and 53 are formed, and a plurality of ultrasonic transducers 10 arranged on the backing layer 51. Although not shown, a filler that fixes and protects the arrangement of the ultrasonic transducers 10 is disposed between and around these ultrasonic transducers 10.

複数の超音波トランスデューサ10は、例えば、アジマス方向(走査方向)に128行、エレベーション方向(アジマス方向に直交する方向)に7列となるように配列されている。各超音波トランスデューサ10は、圧電体層12(図1)がアジマス方向において傾斜するように配置されている。また、1行に含まれる7個の超音波トランスデューサ10は、側面電極17a及び17bを介して、共通配線52及び53にそれぞれ接続されている。さらに、これらの超音波トランスデューサ10の上部には、超音波を所定の深度に収束させる音響レンズが配置される。   The plurality of ultrasonic transducers 10 are arranged in, for example, 128 rows in the azimuth direction (scanning direction) and 7 columns in the elevation direction (direction orthogonal to the azimuth direction). Each ultrasonic transducer 10 is arranged such that the piezoelectric layer 12 (FIG. 1) is inclined in the azimuth direction. The seven ultrasonic transducers 10 included in one row are connected to common wires 52 and 53 via side electrodes 17a and 17b, respectively. Further, an acoustic lens for converging the ultrasonic waves to a predetermined depth is disposed above the ultrasonic transducers 10.

このような超音波トランスデューサアレイにおいて、共通配線された超音波トランスデューサ10を1行単位、又は、数行単位で駆動することにより、所定の深度に焦点を有する超音波ビームが送信される。このような動作を、アジマス方向について順次行うことにより、被検体が超音波ビームによって走査される。
なお、本実施形態においては、第1の実施形態に係る超音波トランスデューサによってアレイを形成しているが、その替わりに、第2〜第5の実施形態に係る超音波トランスデューサを適用しても良い。
In such an ultrasonic transducer array, an ultrasonic beam having a focal point at a predetermined depth is transmitted by driving the ultrasonic transducers 10 wired in common in units of one row or in units of several rows. By sequentially performing such an operation in the azimuth direction, the subject is scanned with the ultrasonic beam.
In the present embodiment, the array is formed by the ultrasonic transducer according to the first embodiment, but the ultrasonic transducer according to the second to fifth embodiments may be applied instead. .

図9は、本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの変形例を示している。図9に示すように、各超音波トランスデューサ10は、圧電体層12(図1)がエレベーション方向において傾斜するように配置しても良い。   FIG. 9 shows a modification of the ultrasonic transducer array according to this embodiment. As shown in FIG. 9, each ultrasonic transducer 10 may be arranged such that the piezoelectric layer 12 (FIG. 1) is inclined in the elevation direction.

次に、本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの製造方法について、図10及び図11を参照しながら説明する。
まず、図10の(a)に示すように、厚さが傾斜的に変化している圧電体層61と、電極層62と、圧電体層63とを含むシート状の積層体を形成する。ここで、圧電体層63は、少なくとも1層形成すれば良い。或いは、電極層62と圧電体層63とを交互に3層以上形成しても良い。また、圧電体層63の厚さは均一であっても良いし、圧電体層61と同様に傾斜的に変化させても良い。このようなシート状の積層体は、厚さが均一な圧電体層と電極層とを交互に積層し、その後で、最下層の圧電体層を斜めに研磨することによって作製される。或いは、グリーンシート法を用い、圧電材料の層を形成する際に、スキージを傾けることによりその厚さを変化させても良い。後者は、2層目以上の圧電体層に傾斜を設ける場合にも適用できる。
Next, a method for manufacturing an ultrasonic transducer array according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIG. 10A, a sheet-like laminate including a piezoelectric layer 61 whose thickness changes in an inclined manner, an electrode layer 62, and a piezoelectric layer 63 is formed. Here, at least one piezoelectric layer 63 may be formed. Alternatively, three or more electrode layers 62 and piezoelectric layers 63 may be alternately formed. Further, the thickness of the piezoelectric layer 63 may be uniform, or may be changed in an inclined manner like the piezoelectric layer 61. Such a sheet-like laminate is produced by alternately laminating piezoelectric layers and electrode layers having a uniform thickness, and then polishing the lowermost piezoelectric layer obliquely. Alternatively, the thickness may be changed by tilting the squeegee when the piezoelectric material layer is formed using the green sheet method. The latter can also be applied when an inclination is provided in the second or more piezoelectric layers.

次に、図10の(a)に示す破線においてシート状の積層体を切断することにより、図10の(b)に示すように、バー状の積層体を順次作製する。そして、圧電体層61の底面を研磨することにより、複数のバー状の積層体の高さを揃える。   Next, by cutting the sheet-like laminate at the broken line shown in FIG. 10A, bar-like laminates are sequentially produced as shown in FIG. 10B. Then, by polishing the bottom surface of the piezoelectric layer 61, the heights of the plurality of bar-shaped stacked bodies are made uniform.

次に、図10の(c)に示すように、圧電体層61の下面に電極層64を形成すると共に、圧電体層63の上面に電極層65を形成する。さらに、電極層65上に、音響整合層66を配置する。なお、図10の(c)には、上面が水平(圧電体層61の下面に対して平行)な音響整合層66が示されているが、図3に示すように、圧電体層61及び63の厚さに応じて上面が傾斜する音響整合層を形成しても良い。   Next, as shown in FIG. 10C, the electrode layer 64 is formed on the lower surface of the piezoelectric layer 61 and the electrode layer 65 is formed on the upper surface of the piezoelectric layer 63. Further, the acoustic matching layer 66 is disposed on the electrode layer 65. 10 (c) shows an acoustic matching layer 66 whose upper surface is horizontal (parallel to the lower surface of the piezoelectric layer 61), but as shown in FIG. An acoustic matching layer whose upper surface is inclined according to the thickness of 63 may be formed.

次に、図10の(d)に示すように、バー状の積層体の長手方向に平行な2つの側面に、電極層64、62、65を交互に覆うように絶縁膜67を形成する。絶縁膜67は、ディスペンサを用いて樹脂材料を塗布して硬化させることによって形成しても良いし、電着法やスパッタ法によりガラス等の絶縁材料を成膜することによって形成しても良い。   Next, as illustrated in FIG. 10D, insulating films 67 are formed on the two side surfaces parallel to the longitudinal direction of the bar-shaped stacked body so as to alternately cover the electrode layers 64, 62, and 65. The insulating film 67 may be formed by applying and curing a resin material using a dispenser, or may be formed by depositing an insulating material such as glass by an electrodeposition method or a sputtering method.

次に、図11の(a)に示すように、絶縁膜67の外側に側面電極68を形成する。側面電極68は、2つの側面全体に形成しても良いし、後の工程における切断ピッチに合わせてパターン形成(図1参照)しても良い。それにより、バー状の超音波トランスデューサ69が作製される。   Next, as shown in FIG. 11A, side electrodes 68 are formed outside the insulating film 67. The side electrode 68 may be formed on the entire two side surfaces, or a pattern may be formed (see FIG. 1) in accordance with the cutting pitch in a later step. Thereby, a bar-shaped ultrasonic transducer 69 is produced.

次に、図11の(b)に示すように、バー状の超音波トランスデューサ69を、基板71上にアジマス方向のピッチに合わせて配置する。そして、図11の(c)に示すように、バー状の超音波トランスデューサ69を、エレベーション方向のピッチに合わせて切断する。それにより、超音波トランスデューサ10の配列が形成される。さらに、これらの超音波トランスデューサ10の間に充填材を流し込んで固化させることによって配列を固定する。そして、基板71を除去して、その替わりに予め配線が形成されたバッキング材を配置する。それにより、図8に示す超音波トランスデューサアレイが完成する。   Next, as shown in FIG. 11B, bar-shaped ultrasonic transducers 69 are arranged on the substrate 71 according to the pitch in the azimuth direction. Then, as shown in FIG. 11C, the bar-shaped ultrasonic transducer 69 is cut in accordance with the pitch in the elevation direction. Thereby, an array of ultrasonic transducers 10 is formed. Further, the array is fixed by pouring a filler between these ultrasonic transducers 10 and solidifying them. And the board | substrate 71 is removed and the backing material in which wiring was formed instead is arrange | positioned instead. Thereby, the ultrasonic transducer array shown in FIG. 8 is completed.

(実施例)
本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサアレイを作製し、その特性を試験した。実験条件及び結果は次の通りである。なお、33モードにおける音速を3100m/sとし、スライバーモードにおける音速を4100m/sとした。ここで、33モードとは、1辺の長さがwである略正方形を底面とする超音波トランスデューサにおいて、厚さ(高さ)をtとするときに、w/tが約0.6以下の場合における振動モードのことを言う。また、スライバーモードとは、一方の辺の長さがW(固定値)であり、他方の辺の長さがw(w<w)である長方形を底面とする棒状の超音波トランスデューサにおいて、厚さ(高さ)をtとするときに、w/tが0.6近傍の場合における振動モードのことを言う。
(1)超音波トランスデューサA
サイズ:底面0.3mm×0.3mm、高さ0.478mm
圧電体層の積層数:3層
圧電体層の材料:PZT
誘電率4000(共振周波数付近における実効値)
〃 5800(1kHz付近)
共振周波数:3.00MHz
キャパシタンス:6.67pF
インピーダンス:7949Ω
振動モード:33モード
(Example)
An ultrasonic transducer array according to an embodiment of the present invention was fabricated and its characteristics were tested. Experimental conditions and results are as follows. The sound speed in the 33 mode was 3100 m / s, and the sound speed in the sliver mode was 4100 m / s. Here, the 33 mode is an ultrasonic transducer having a bottom surface of a substantially square with a side length of w, where w / t is about 0.6 or less when the thickness (height) is t. The vibration mode in the case of. The sliver mode is a bar-shaped ultrasonic transducer whose bottom is a rectangle whose one side is W 0 (fixed value) and whose other side is w (w <w 0 ). This refers to the vibration mode when w / t is in the vicinity of 0.6 when the thickness (height) is t.
(1) Ultrasonic transducer A
Size: Bottom 0.3mm x 0.3mm, height 0.478mm
Number of stacked piezoelectric layers: 3 layers
Piezoelectric material: PZT
Dielectric constant 4000 (effective value near resonance frequency)
5 5800 (around 1kHz)
Resonance frequency: 3.00MHz
Capacitance: 6.67pF
Impedance: 7949Ω
Vibration mode: 33 modes

この超音波トランスデューサAを3.00MHzの駆動周波数で駆動したところ、単層の超音波トランスデューサに対して感度(受信電圧/送信電圧)は約38.1dB向上した。この値は、通常の超音波トランスデューサ(広帯域・単層)の感度よりも非常に高いと言える。
このような超音波トランスデューサAは、例えば、32行32列に配置することにより、胎児観察用2次元電子スキャン探触子用の超音波トランスデューサアレイに適用できる。
(2)超音波トランスデューサB
サイズ:底面5mm×0.11mm、高さ0.25mm
圧電体層の積層数:3層
圧電体層の材料:上記(1)と同じ
共振周波数:7.59MHz
キャパシタンス:77.92pF
インピーダンス:269Ω
振動モード:スライバーモード
When this ultrasonic transducer A was driven at a drive frequency of 3.00 MHz, the sensitivity (reception voltage / transmission voltage) was improved by about 38.1 dB over the single-layer ultrasonic transducer. This value can be said to be much higher than the sensitivity of a normal ultrasonic transducer (broadband / single layer).
Such an ultrasonic transducer A can be applied, for example, to an ultrasonic transducer array for a fetal observation two-dimensional electronic scan probe by arranging in 32 rows and 32 columns.
(2) Ultrasonic transducer B
Size: Bottom 5mm x 0.11mm, Height 0.25mm
Number of stacked piezoelectric layers: 3 layers
Piezoelectric material: Same as (1) above
Resonance frequency: 7.59 MHz
Capacitance: 77.92pF
Impedance: 269Ω
Vibration mode: Sliver mode

この超音波トランスデューサBを、7.59MHzの駆動周波数で駆動したところ、単層の超音波トランスデューサに対して感度(受信電圧/送信電圧)は約10.1dB向上した。この値は、通常の超音波トランスデューサ(広帯域・単層)の感度よりも非常に高いと言える。
このような超音波トランスデューサBは、例えば、128列に配置することにより、消化管内視鏡用1次元アレイに適用できる。
(3)超音波トランスデューサC
サイズ:底面0.5mm×0.11mm、高さ0.2mm
圧電体層の積層数:3層
圧電体層の材料:上記(1)と同じ
共振周波数:9.49MHz
キャパシタンス:9.74pF
インピーダンス:1722Ω
振動モード:スライバーモード
When this ultrasonic transducer B was driven at a drive frequency of 7.59 MHz, the sensitivity (reception voltage / transmission voltage) was improved by about 10.1 dB over the single-layer ultrasonic transducer. This value can be said to be much higher than the sensitivity of a normal ultrasonic transducer (broadband / single layer).
Such ultrasonic transducers B can be applied to a one-dimensional array for gastrointestinal endoscopes, for example, by arranging them in 128 rows.
(3) Ultrasonic transducer C
Size: Bottom 0.5mm x 0.11mm, Height 0.2mm
Number of stacked piezoelectric layers: 3 layers
Piezoelectric material: Same as (1) above
Resonance frequency: 9.49 MHz
Capacitance: 9.74 pF
Impedance: 1722Ω
Vibration mode: Sliver mode

この超音波トランスデューサCを、10.25MHzの駆動周波数で駆動したところ、単層の超音波トランスデューサに対して感度(受信電圧/送信電圧)は約25.0dB向上した。この値は、通常の超音波トランスデューサ(広帯域・単層)の感度よりも非常に高いと言える。
このような超音波トランスデューサCは、例えば、10行128列に配置することにより、消化管内視鏡用1.5次元アレイに適用できる。ここで、1.5次元アレイとは、複数の超音波トランスデューサが2次元面上に配列されているアレイの内で、行方向の配列数及び配列ピッチに比較して、列方向の配列数が少なく配列ピッチが大きいアレイのことである。
When this ultrasonic transducer C was driven at a driving frequency of 10.25 MHz, the sensitivity (reception voltage / transmission voltage) was improved by about 25.0 dB over the single-layer ultrasonic transducer. This value can be said to be much higher than the sensitivity of a normal ultrasonic transducer (broadband / single layer).
Such an ultrasonic transducer C can be applied to a 1.5-dimensional array for gastrointestinal endoscopes, for example, by arranging in 10 rows and 128 columns. Here, the 1.5-dimensional array is an array in which a plurality of ultrasonic transducers are arrayed on a two-dimensional surface, and the number of arrays in the column direction is larger than the number of arrays in the row direction and the array pitch. An array with a small array pitch.

本発明は、医療用や非破壊検査用の超音波撮像装置において用いられる超音波トランスデューサ及び超音波トランスデューサアレイにおいて利用することが可能である。   The present invention can be used in an ultrasonic transducer and an ultrasonic transducer array used in an ultrasonic imaging apparatus for medical use or nondestructive inspection.

本発明の第1の実施形態に係る超音波トランスデューサの構造を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a structure of an ultrasonic transducer according to a first embodiment of the present invention. 図1に示す超音波トランスデューサから送受信される超音波の周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the ultrasonic wave transmitted / received from the ultrasonic transducer shown in FIG. 本発明の第2の実施形態に係る超音波トランスデューサの構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the ultrasonic transducer based on the 2nd Embodiment of this invention. 図3に示す超音波トランスデューサから送受信される超音波の周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the ultrasonic wave transmitted / received from the ultrasonic transducer shown in FIG. 本発明の第3の実施形態に係る超音波トランスデューサの構造を示す斜視図である。It is a perspective view showing the structure of the ultrasonic transducer concerning a 3rd embodiment of the present invention. 本発明の第4の実施形態に係る超音波トランスデューサの構造を示す斜視図である。It is a perspective view showing the structure of an ultrasonic transducer concerning a 4th embodiment of the present invention. 本発明の第5の実施形態係る超音波トランスデューサの構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the ultrasonic transducer | vibrator which concerns on the 5th Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサアレイを示す斜視図である。1 is a perspective view showing an ultrasonic transducer array according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの変形例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the modification of the ultrasonic transducer array which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the ultrasonic transducer array which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the ultrasonic transducer array which concerns on one Embodiment of this invention. 一般的な超音波トランスデューサの構造と、その周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the structure of a general ultrasonic transducer, and its frequency characteristic. 従来の広帯域超音波トランスデューサの構造と、その周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional broadband ultrasonic transducer, and its frequency characteristic.

符号の説明Explanation of symbols

10、69 超音波トランスデューサ
11 下部電極層
12、13、31、32、61、63 圧電体層
14、21、66 音響整合層
15a〜15c 内部電極層
16、67 絶縁膜
17a、17b、68 側面電極
41 ダミー層
42、51 バッキング層(バッキング材)
52、53 共通配線
62、64、65 電極層
71 基板
10, 69 Ultrasonic transducer 11 Lower electrode layers 12, 13, 31, 32, 61, 63 Piezoelectric layers 14, 21, 66 Acoustic matching layers 15a-15c Internal electrode layers 16, 67 Insulating films 17a, 17b, 68 Side electrodes 41 Dummy layers 42, 51 Backing layer (backing material)
52, 53 Common wiring 62, 64, 65 Electrode layer 71 Substrate

Claims (9)

複数の電極層と交互に積層された複数の圧電体層において、前記複数の圧電体層のトータルの厚さが、第1の側から第2の側に向かって厚くなるように傾斜的に変化している前記複数の圧電体層と、
前記複数の圧電体層上に、電極層を介して形成された音響整合層と、
を具備する超音波トランスデューサ。
In a plurality of piezoelectric layers alternately stacked with a plurality of electrode layers, the total thickness of the plurality of piezoelectric layers changes in an inclined manner so that the total thickness increases from the first side toward the second side. A plurality of piezoelectric layers,
An acoustic matching layer formed on the plurality of piezoelectric layers via an electrode layer;
An ultrasonic transducer comprising:
前記複数の圧電体層の内の第1層の厚さが傾斜的に変化しており、
前記複数の圧電体層の内の第2層目以降の層の厚さが略均一である、
請求項1記載の超音波トランスデューサ。
The thickness of the first layer of the plurality of piezoelectric layers is changing in an inclined manner,
The thickness of the second and subsequent layers of the plurality of piezoelectric layers is substantially uniform.
The ultrasonic transducer according to claim 1.
前記複数の圧電体層の各々の厚さが、前記第1の側から前記第2の側に向かって厚くなるように傾斜的に変化する、請求項1記載の超音波トランスデューサ。   2. The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the thickness of each of the plurality of piezoelectric layers changes in an inclined manner so as to increase from the first side toward the second side. 前記音響整合層の厚さが、前記第1の側から前記第2の側に向かって厚くなるように傾斜的に変化する、請求項1〜3のいずれか超音波トランスデューサ。   The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the thickness of the acoustic matching layer changes in an inclined manner so as to increase from the first side toward the second side. 前記音響整合層の各部分の厚さが、前記複数の圧電体層の対応する部分の厚さに基づいて決定されている、請求項4記載の超音波トランスデューサ。   The ultrasonic transducer according to claim 4, wherein a thickness of each portion of the acoustic matching layer is determined based on a thickness of a corresponding portion of the plurality of piezoelectric layers. 前記音響整合層の上面が、前記複数の圧電体層の下面に対して平行である、請求項1〜3のいずれか1項記載の超音波トランスデューサ。   The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein an upper surface of the acoustic matching layer is parallel to lower surfaces of the plurality of piezoelectric layers. 前記音響整合層上に形成され、上面が前記複数の圧電体層の下面に対して平行であるダミー層をさらに具備する請求項1〜5のいずれか1項記載の超音波トランスデューサ。   The ultrasonic transducer according to claim 1, further comprising a dummy layer formed on the acoustic matching layer and having an upper surface parallel to the lower surfaces of the plurality of piezoelectric layers. 前記複数の圧電体層の下面に形成され、下面が前記音響整合層の上面に対して平行であるバッキング層をさらに具備する請求項1〜5のいずれか1項記載の超音波トランスデューサ。   The ultrasonic transducer according to claim 1, further comprising a backing layer formed on a lower surface of the plurality of piezoelectric layers, the lower surface being parallel to an upper surface of the acoustic matching layer. 請求項1〜8のいずれか1項記載の複数の超音波トランスデューサと、
前記複数の超音波トランスデューサの間に配置された充填材と、
を具備する超音波トランスデューサアレイ。
A plurality of ultrasonic transducers according to any one of claims 1 to 8,
A filler disposed between the plurality of ultrasonic transducers;
An ultrasonic transducer array comprising:
JP2006223333A 2006-08-18 2006-08-18 Ultrasonic transducer and ultrasonic transducer array Withdrawn JP2008048276A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006223333A JP2008048276A (en) 2006-08-18 2006-08-18 Ultrasonic transducer and ultrasonic transducer array

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006223333A JP2008048276A (en) 2006-08-18 2006-08-18 Ultrasonic transducer and ultrasonic transducer array

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2008048276A true JP2008048276A (en) 2008-02-28

Family

ID=39181557

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006223333A Withdrawn JP2008048276A (en) 2006-08-18 2006-08-18 Ultrasonic transducer and ultrasonic transducer array

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2008048276A (en)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2493673C1 (en) * 2012-03-02 2013-09-20 Елена Анатольевна Алюшникова Ultrasonic transducer for physiotherapy equipment
WO2014178459A1 (en) * 2013-04-30 2014-11-06 알피니언메디칼시스템 주식회사 Method for manufacturing transducer
JP2016537883A (en) * 2013-11-11 2016-12-01 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェKoninklijke Philips N.V. Robust ultrasonic transducer probe with protected integrated circuit interconnection
CN109427956A (en) * 2017-08-25 2019-03-05 香港理工大学深圳研究院 For the piezoelectricity block of ultrasonic probe and ultrasonic array probe and preparation method thereof
CN112532206A (en) * 2020-12-16 2021-03-19 武汉大学 Duplexer
JPWO2021060452A1 (en) * 2019-09-25 2021-04-01
CN112958420A (en) * 2021-01-22 2021-06-15 深圳大学 High-bandwidth ultrasonic transducer and preparation method thereof

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2493673C1 (en) * 2012-03-02 2013-09-20 Елена Анатольевна Алюшникова Ultrasonic transducer for physiotherapy equipment
WO2014178459A1 (en) * 2013-04-30 2014-11-06 알피니언메디칼시스템 주식회사 Method for manufacturing transducer
KR101540714B1 (en) * 2013-04-30 2015-07-31 알피니언메디칼시스템 주식회사 Method for Manufacturing Transducer
JP2016537883A (en) * 2013-11-11 2016-12-01 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェKoninklijke Philips N.V. Robust ultrasonic transducer probe with protected integrated circuit interconnection
CN109427956A (en) * 2017-08-25 2019-03-05 香港理工大学深圳研究院 For the piezoelectricity block of ultrasonic probe and ultrasonic array probe and preparation method thereof
JPWO2021060452A1 (en) * 2019-09-25 2021-04-01
WO2021060452A1 (en) * 2019-09-25 2021-04-01 トリプル・ダブリュー・ジャパン株式会社 Bio-information estimation probe and bio-information estimation device
CN112532206A (en) * 2020-12-16 2021-03-19 武汉大学 Duplexer
CN112958420A (en) * 2021-01-22 2021-06-15 深圳大学 High-bandwidth ultrasonic transducer and preparation method thereof
CN112958420B (en) * 2021-01-22 2022-04-08 深圳大学 High-bandwidth ultrasonic transducer and preparation method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20240165666A1 (en) Ultrasound transducer and method for making the same
US6640634B2 (en) Ultrasonic probe, method of manufacturing the same and ultrasonic diagnosis apparatus
US6868594B2 (en) Method for making a transducer
JP4524719B2 (en) Array type ultrasonic transducer
JP4933392B2 (en) Ultrasonic probe and manufacturing method thereof
US20080045838A1 (en) Ultrasonic transducer array, ultrasonic probe, ultrasonic endoscope and ultrasonic diagnostic apparatus
US20080015443A1 (en) Two-dimensional array ultrasonic probe
US7679270B2 (en) Ultrasonic probe
US20080238259A1 (en) Ultrasonic probe and production method thereof
US20080009741A1 (en) Ultrasonic transducer array, ultrasonic probe, ultrasonic endoscope and ultrasonic diagnostic apparatus
WO2007046180A1 (en) Ultrasonic transducer, ultrasonic probe and ultrasonic imaging device
JP2011071842A (en) Ultrasonic-wave probe and method for manufacturing ultrasonic-wave transducer array
JP2008048276A (en) Ultrasonic transducer and ultrasonic transducer array
CN107534815B (en) Ultrasonic transducer including matching layer having composite structure and method of manufacturing the same
US9839411B2 (en) Ultrasound diagnostic apparatus probe having laminated piezoelectric layers oriented at different angles
JP2005027752A (en) Piezoelectric vibrator, manufacturing method of piezoelectric vibrator, ultrasonic probe, and ultrasonic diagnostic apparatus
JP2006320415A (en) Ultrasonic probe and ultrasonic diagnostic system
JP5657950B2 (en) Manufacturing method of ultrasonic probe
JPH11299779A (en) Ultrasonic probe, manufacture thereof, and ultrasonic diagnostic equipment using the same
JP2009112379A (en) Ultrasonic probe
JP5468564B2 (en) Ultrasonic probe and ultrasonic diagnostic apparatus
JP2006247025A (en) Ultrasonic probe for diagnosing body cavity
JP2013135793A (en) Ultrasonic probe and ultrasonic inspection apparatus
JP2009072349A (en) Ultrasonic transducer, its manufacturing method and ultrasonic probe
JP2009201053A (en) Ultrasonic probe, manufacturing method thereof and ultrasonic diagnostic device using the ultrasonic probe

Legal Events

Date Code Title Description
A300 Withdrawal of application because of no request for examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300

Effective date: 20091110