JP2013074375A - Ultrasonic probe and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、超音波探触子およびその製造方法に係り、特に、複数の無機圧電素子と複数の有機圧電素子とが互いに積層形成された超音波探触子およびその製造方法に関する。 The present invention relates to an ultrasonic probe and a method for manufacturing the same, and more particularly to an ultrasonic probe in which a plurality of inorganic piezoelectric elements and a plurality of organic piezoelectric elements are laminated together and a method for manufacturing the same.
従来から、医療分野において、超音波画像を利用した超音波診断装置が実用化されている。一般に、この種の超音波診断装置は、超音波探触子から被検体内に向けて超音波ビームを送信し、被検体からの超音波エコーを超音波探触子で受信して、その受信信号を電気的に処理することにより超音波画像が生成される。 Conventionally, in the medical field, an ultrasonic diagnostic apparatus using an ultrasonic image has been put into practical use. In general, this type of ultrasonic diagnostic apparatus transmits an ultrasonic beam from an ultrasonic probe into a subject, receives an ultrasonic echo from the subject with the ultrasonic probe, and receives the received ultrasonic echo. An ultrasonic image is generated by electrically processing the signal.
また、近年、より正確な診断を行うために、被検体の非線形性により超音波波形が歪むことで発生する高調波成分を受信して映像化するハーモニックイメージングが脚光を浴びつつある。
このハーモニックイメージングに適した超音波探触子として、例えば、特許文献1に開示されているように、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の無機圧電体を用いた複数の無機圧電素子とポリフッ化ビニリデン(PVDF)等の有機圧電体を用いた複数の有機圧電素子とを積層形成したものが提案されている。
無機圧電素子により高出力の超音波ビームを送信し、有機圧電素子により高調波の信号を高感度に受信することができる。
In recent years, in order to make a more accurate diagnosis, harmonic imaging that receives and visualizes harmonic components generated by distortion of an ultrasonic waveform due to nonlinearity of a subject is in the spotlight.
As an ultrasonic probe suitable for this harmonic imaging, for example, as disclosed in
A high-power ultrasonic beam can be transmitted by the inorganic piezoelectric element, and a harmonic signal can be received with high sensitivity by the organic piezoelectric element.
複数の無機圧電素子と複数の有機圧電素子は、超音波を効率よく透過させるために音響整合層を介して積層されるが、従来、特許文献1の図10に示されるように、複数の無機圧電素子に対応して音響整合層が複数に分断され、分断された音響整合層の上に対応する有機圧電素子が配置されていた。このため、無機圧電素子と有機圧電素子は、互いに同一のチャンネル数および同一のピッチで配列されることとなる。その結果、高次の高調波成分を有機圧電素子で受信する際にグレーティングローブが発生しやすくなり、画質の低下をもたらすおそれがある。 A plurality of inorganic piezoelectric elements and a plurality of organic piezoelectric elements are laminated via an acoustic matching layer in order to efficiently transmit ultrasonic waves. Conventionally, as shown in FIG. The acoustic matching layer is divided into a plurality of parts corresponding to the piezoelectric elements, and the corresponding organic piezoelectric elements are arranged on the divided acoustic matching layers. For this reason, the inorganic piezoelectric element and the organic piezoelectric element are arranged with the same number of channels and the same pitch. As a result, a grating lobe is likely to occur when a high-order harmonic component is received by the organic piezoelectric element, and there is a possibility that the image quality is degraded.
この発明は、このような従来の問題点を解消するためになされたもので、複数の無機圧電素子と複数の有機圧電素子とが積層形成されながらも高画質の超音波画像の生成を可能とする超音波探触子およびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a conventional problem, and enables generation of a high-quality ultrasonic image while a plurality of inorganic piezoelectric elements and a plurality of organic piezoelectric elements are laminated. It is an object of the present invention to provide an ultrasonic probe and a manufacturing method thereof.
この発明に係る超音波探触子は、バッキング材と、バッキング材の表面上に配列された複数の無機圧電素子と、複数の無機圧電素子の上に配置され且つ複数の無機圧電素子にわたって延在する音響整合層と、音響整合層の上に配列された複数の有機圧電素子とを備えたものである。 An ultrasonic probe according to the present invention includes a backing material, a plurality of inorganic piezoelectric elements arranged on the surface of the backing material, and disposed over the plurality of inorganic piezoelectric elements and extending over the plurality of inorganic piezoelectric elements. And a plurality of organic piezoelectric elements arranged on the acoustic matching layer.
好ましくは、複数の有機圧電素子は、複数の有機圧電素子にわたって延在する共通の有機圧電体と、音響整合層に対向する有機圧電体の面上に配列され且つ互いに分離された複数の信号電極層と、有機圧電体の他方の面上に配置され且つ複数の無機圧電素子にわたって延在する共通の接地電極層とを含んでいる。
なお、複数の有機圧電素子は、複数の無機圧電素子の配列ピッチと異なるピッチで配列してもよい。例えば、複数の有機圧電素子は、複数の無機圧電素子の配列ピッチより狭いピッチで配列することができる。
また、複数の無機圧電素子は、互いに分離された複数の無機圧電体と、複数の無機圧電体の両面にそれぞれ配置された複数の信号電極層および複数の接地電極層とを有することが好ましい。
複数の無機圧電体は、チタン酸ジルコン酸鉛またはマグネシウムニオブ酸・チタン酸鉛固溶体から形成し、有機圧電体は、ポリフッ化ビニリデンまたはポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体から形成することができる。
さらに、複数の有機圧電素子の上に保護層を介して音響レンズを配置することが好ましい。
Preferably, the plurality of organic piezoelectric elements includes a common organic piezoelectric body extending over the plurality of organic piezoelectric elements and a plurality of signal electrodes arranged on a surface of the organic piezoelectric body facing the acoustic matching layer and separated from each other. And a common ground electrode layer disposed on the other surface of the organic piezoelectric body and extending over the plurality of inorganic piezoelectric elements.
The plurality of organic piezoelectric elements may be arranged at a pitch different from the arrangement pitch of the plurality of inorganic piezoelectric elements. For example, the plurality of organic piezoelectric elements can be arranged at a pitch narrower than the arrangement pitch of the plurality of inorganic piezoelectric elements.
The plurality of inorganic piezoelectric elements preferably include a plurality of inorganic piezoelectric bodies separated from each other and a plurality of signal electrode layers and a plurality of ground electrode layers respectively disposed on both surfaces of the plurality of inorganic piezoelectric bodies.
The plurality of inorganic piezoelectric bodies can be formed from lead zirconate titanate or magnesium niobate / lead titanate solid solution, and the organic piezoelectric body can be formed from polyvinylidene fluoride or polyvinylidene fluoride trifluoride ethylene copolymer. .
Furthermore, it is preferable to arrange an acoustic lens on a plurality of organic piezoelectric elements via a protective layer.
この発明に係る超音波探触子の製造方法は、バッキング材の表面上に複数の無機圧電素子を配列形成し、複数の無機圧電素子の上に複数の無機圧電素子にわたって延在する音響整合層を接合し、音響整合層の上に複数の有機圧電素子を配列形成する方法である。 An ultrasonic probe manufacturing method according to the present invention includes an acoustic matching layer in which a plurality of inorganic piezoelectric elements are arrayed on a surface of a backing material and extend over the plurality of inorganic piezoelectric elements on the plurality of inorganic piezoelectric elements. And a plurality of organic piezoelectric elements are arranged on the acoustic matching layer.
ここで、複数の有機圧電素子は、音響整合層の上に互いに分離された複数の信号電極層を配列形成し、複数の信号電極層の上に複数の信号電極層にわたって延在する有機圧電体を接合し、有機圧電体の全面上に接地電極層を形成することにより配列形成することができる。
また、複数の信号電極層は、音響整合層の全面上に導電層を形成した後、導電層を任意のピッチでダイシングすることにより配列形成することができる。
Here, the plurality of organic piezoelectric elements are formed by arranging a plurality of signal electrode layers separated from each other on the acoustic matching layer and extending over the plurality of signal electrode layers on the plurality of signal electrode layers. Can be formed, and a ground electrode layer can be formed on the entire surface of the organic piezoelectric material to form an array.
The plurality of signal electrode layers can be arranged and formed by forming a conductive layer on the entire surface of the acoustic matching layer and then dicing the conductive layer at an arbitrary pitch.
この発明によれば、複数の無機圧電素子にわたって延在する音響整合層の上に複数の有機圧電素子が配列されるので、複数の有機圧電素子を複数の無機圧電素子の配列ピッチに関わらずに配列することができ、高画質の超音波画像の生成を実現することが可能となる。 According to the present invention, since the plurality of organic piezoelectric elements are arranged on the acoustic matching layer extending over the plurality of inorganic piezoelectric elements, the plurality of organic piezoelectric elements can be arranged regardless of the arrangement pitch of the plurality of inorganic piezoelectric elements. Therefore, it is possible to realize generation of a high-quality ultrasonic image.
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図1および図2に、この発明の実施の形態に係る超音波探触子の構成を示す。
バッキング材1の表面上に複数の無機圧電素子2がピッチP1で配列形成されている。複数の無機圧電素子2は、互いに分離された複数の無機圧電体21を有し、それぞれの無機圧電体21の一方の面に信号電極層22が接合され、他方の面に接地電極層23が接合されている。すなわち、それぞれの無機圧電素子2は、専用の無機圧電体21と信号電極層22と接地電極層23から形成されている。また、互いに隣接する無機圧電素子2の間には、充填材24が充填されている。
このような複数の無機圧電素子2の上に音響整合層3が接合されている。音響整合層3は、複数に分断されることなく、複数の無機圧電素子2の全体にわたって延在している。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
1 and 2 show the configuration of an ultrasonic probe according to an embodiment of the present invention.
On the surface of the
The acoustic matching
この音響整合層3の上に複数の有機圧電素子4が配列形成されている。複数の有機圧電素子4は、複数に分断されることなく、これら複数の有機圧電素子4にわたって延在する共通の有機圧電体41を有している。そして、音響整合層3に対向する有機圧電体41の面上に複数の有機圧電素子4に対応して互いに分離された複数の信号電極層42が接合され、音響整合層3とは反対側の有機圧電体41の全面上に複数の有機圧電素子4にわたって延在する共通の接地電極層43が接合されている。なお、各信号電極層42は、音響整合層3の表面部に形成された溝31を介して隣接する信号電極層42から分離されている。
A plurality of organic
すなわち、それぞれの有機圧電素子4は、専用の信号電極層42と、複数の有機圧電素子4に共通の有機圧電体41および接地電極層43から形成されている。このため、複数の有機圧電素子4の配列ピッチは、有機圧電体41の面上に接合された複数の信号電極層42の配列ピッチのみにより決定されることとなる。この実施の形態においては、複数の信号電極層42は、無機圧電素子2の配列ピッチP1よりも狭いピッチP2で配列されており、これにより、配列ピッチP2の複数の有機圧電素子4が形成されている。
さらに、複数の有機圧電素子4の上に保護層5を介して音響レンズ6が接合されている。
That is, each organic
Furthermore, an
無機圧電素子2の無機圧電体21は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)に代表される圧電セラミックまたはマグネシウムニオブ酸・チタン酸鉛固溶体(PMN−PT)に代表される圧電単結晶から形成されている。一方、有機圧電素子4の有機圧電体41は、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)またはポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体等の高分子圧電素子から形成されている。
The inorganic
バッキング材1は、複数の無機圧電素子2を支持すると共に後方へ放出された超音波を吸収するもので、フェライトゴム等のゴム材から形成することができる。
音響整合層3は、複数の無機圧電素子2からの超音波ビームを効率よく被検体内に入射させるためのもので、無機圧電素子2の音響インピーダンスと生体の音響インピーダンスの中間的な値の音響インピーダンスを有する材料から形成される。
保護層5は、有機圧電素子4の接地電極層43を保護するもので、例えばポリフッ化ビニリデン(PVDF)により形成される。
音響レンズ6は、屈折を利用して超音波ビームを絞り、エレベーション方向の分解能を向上させるもので、シリコンゴム等から形成されている。
The
The
The
The
動作時には、例えば、複数の無機圧電素子2が超音波の送信専用の振動子として、複数の有機圧電素子4が超音波の受信専用の振動子として使用される。
複数の無機圧電素子2の信号電極層22と接地電極層23の間にそれぞれパルス状または連続波の電圧を印加すると、それぞれの無機圧電素子2の無機圧電体21が伸縮してパルス状または連続波の超音波が発生する。これらの超音波は、音響整合層3、有機圧電素子4、保護層5および音響レンズ6を介して被検体内に入射し、互いに合成され、超音波ビームを形成して被検体内を伝搬する。
被検体からの超音波エコーが音響レンズ6および保護層5を介してそれぞれの有機圧電素子4に入射すると、有機圧電体41が超音波の高調波成分に高感度に応答して伸縮し、信号電極層42と接地電極層43の間に電気信号が発生し、受信信号として出力される。
複数の有機圧電素子4から出力された受信信号に基づいて、高調波画像を生成することができる。
In operation, for example, the plurality of inorganic
When a pulsed or continuous wave voltage is applied between the
When an ultrasonic echo from the subject enters each organic
A harmonic image can be generated based on the reception signals output from the plurality of organic
また、複数の無機圧電素子2を超音波の送受信兼用の振動子として使用することもできる。この場合、音響レンズ6および保護層5を介して有機圧電素子4で受信された超音波エコーが、さらに有機圧電素子4および音響整合層3を介してそれぞれの無機圧電素子2に入射し、無機圧電体21が主に超音波の基本波成分に応答して伸縮し、信号電極層22と接地電極層23の間に電気信号を発生する。
このようにして複数の無機圧電素子2から得られた基本波成分に対応する受信信号と、有機圧電素子4から得られた高調波成分に対応する受信信号とに基づいて、基本波成分と高調波成分を複合したコンパウンド画像を生成することができる。
A plurality of inorganic
Based on the reception signal corresponding to the fundamental wave component obtained from the plurality of inorganic
このとき、複数の有機圧電素子4が、複数の無機圧電素子2の配列ピッチP1よりも狭い配列ピッチP2を有しているので、有機圧電素子4により高次の高調波成分を受信しても、グレーティングローブが発生しにくく、このため、高画質の超音波画像を生成することが可能となる。
At this time, since the plurality of organic
このような超音波探触子は、次のようにして製造することができる。
まず、図3(A)に示されるように、バッキング材1の表面全域にわたって延びる無機圧電体71の両面の全面上にそれぞれ導電層72および73が形成されたものを、接着剤等によりバッキング材1の表面上に接合する。
次に、図3(B)に示されるように、無機圧電体71と導電層72および73をピッチP1でダイシングすることにより、バッキング材1の表面上に配列ピッチP1で配列された複数の無機圧電素子2を形成する。このとき、無機圧電体71とバッキング材1との間に位置する導電層72を完全に分断するため、ダイシングは、バッキング材1の表面部分に到達するまで行われ、それぞれの無機圧電素子2は溝25を介して隣接する無機圧電素子2から分断されることとなる。
Such an ultrasonic probe can be manufactured as follows.
First, as shown in FIG. 3 (A), a
Next, as shown in FIG. 3B, by dicing the inorganic
このようにして隣接する無機圧電素子2の間に形成された溝25の内部に充填材24を充填して、図3(C)に示されるように、複数の無機圧電素子2の位置および姿勢を固定した後、これら複数の無機圧電素子2の上に音響整合層3を接合する。音響整合層3は、複数の無機圧電素子2の全体にわたって延びるだけの大きさを有し、複数の無機圧電素子2に対向する面とは反対側の音響整合層3の表面の全面上に導電層74が予め形成されている。
次に、図3(D)に示されるように、導電層74をピッチP2でダイシングすることにより、音響整合層3の表面上に、複数の有機圧電素子4に対応して配列ピッチP2で配列された複数の信号電極層42を形成する。このとき、導電層74を完全にピッチP2で分断するため、ダイシングは、音響整合層3の表面部分に到達するまで行われ、それぞれの信号電極層42は溝31を介して隣接する信号電極層42から分断されることとなる。
Thus, the filling
Next, as shown in FIG. 3D, the
さらに、図3(E)に示されるように、複数の信号電極層42の上に導電性接着剤等により有機圧電体41を接合する。有機圧電体41は、複数の信号電極層42の全体にわたって延びるだけの大きさを有し、複数の信号電極層42に対向する面とは反対側の有機圧電体41の表面の全面上に接地電極層43が予め形成されている。これにより、配列ピッチP2で配列された複数の有機圧電素子4が形成される。
その後、複数の有機圧電素子4の接地電極層43の上に保護層5を介して音響レンズ6を接合することにより、図1および図2に示した超音波探触子が製造される。
Further, as shown in FIG. 3E, an organic
Thereafter, the
このように、音響整合層3が、複数に分断されずに、複数の無機圧電素子2の全体にわたって延びるだけの大きさを有しており、また、複数の有機圧電素子4は、これら複数の有機圧電素子4にわたって延在する共通の有機圧電体41および接地電極層43を有しているため、図3(D)に示した導電層74のダイシングを任意のピッチで行うだけで、極めて容易に複数の有機圧電素子4の配列ピッチP2を自由に設定することができる。
複数の有機圧電素子4の配列ピッチP2は、複数の無機圧電素子2の配列ピッチP1に何ら拘束されることなく、導電層74のダイシングのピッチのみで決定される。
このため、使用目的等に最適な構造の超音波探触子を容易に製造して、高画質の超音波画像を生成することが可能となる。
Thus, the
The arrangement pitch P <b> 2 of the plurality of organic
For this reason, it is possible to easily manufacture an ultrasonic probe having a structure optimal for a purpose of use and the like and generate a high-quality ultrasonic image.
なお、音響整合層3の全面上に形成されている導電層74をダイシングすることにより複数の信号電極層42を形成したが、これに限るものではなく、例えば、音響整合層3の全面上に任意のピッチで導電層をパターン形成することで、複数の信号電極層42を形成することもできる。
In addition, although the several
また、表面上に導電層74が予め形成された音響整合層3を複数の無機圧電素子2の上に接合したが、これに限るものではなく、複数の無機圧電素子2の上に音響整合層3を接合し、その後、音響整合層3の表面上に導電層74を形成してもよい。
同様に、表面上に接地電極層43が予め形成された有機圧電体41を複数の信号電極層42の上に接合したが、複数の無機圧電素子2の上に有機圧電体41を接合した後、有機圧電体41の表面上に接地電極層43を形成してもよい。
In addition, the
Similarly, the organic
複数の有機圧電素子4は、必ずしも複数の無機圧電素子2の配列ピッチP1より狭いピッチで配列形成する必要はなく、例えば、図4に示されるように、複数の有機圧電素子4を複数の無機圧電素子2と同じ配列ピッチP1で配列することもできる。さらに、複数の無機圧電素子2の配列ピッチP1より広いピッチで複数の有機圧電素子4を配列してもよい。
The plurality of organic
1 バッキング材、2 無機圧電素子、3 音響整合層、4 有機圧電素子、5 保護層、6 音響レンズ、21 無機圧電体、22 信号電極層、23 接地電極層、24 充填材、25,31 溝、41 有機圧電体、42 信号電極層、43 接地電極層、71 無機圧電体、72〜74 導電層、P1 複数の無機圧電素子の配列ピッチ、P2 複数の有機圧電素子の配列ピッチ。 1 backing material, 2 inorganic piezoelectric element, 3 acoustic matching layer, 4 organic piezoelectric element, 5 protective layer, 6 acoustic lens, 21 inorganic piezoelectric body, 22 signal electrode layer, 23 ground electrode layer, 24 filler, 25, 31 groove , 41 Organic piezoelectric material, 42 Signal electrode layer, 43 Ground electrode layer, 71 Inorganic piezoelectric material, 72 to 74 conductive layer, P1 Arrangement pitch of a plurality of inorganic piezoelectric elements, P2 Arrangement pitch of a plurality of organic piezoelectric elements.
Claims (10)
前記バッキング材の表面上に配列された複数の無機圧電素子と、
前記複数の無機圧電素子の上に配置され且つ前記複数の無機圧電素子にわたって延在する音響整合層と、
前記音響整合層の上に配列された複数の有機圧電素子と
を備えたことを特徴とする超音波探触子。 Backing material,
A plurality of inorganic piezoelectric elements arranged on the surface of the backing material;
An acoustic matching layer disposed on the plurality of inorganic piezoelectric elements and extending over the plurality of inorganic piezoelectric elements;
An ultrasonic probe comprising: a plurality of organic piezoelectric elements arranged on the acoustic matching layer.
前記複数の有機圧電素子にわたって延在する共通の有機圧電体と、
前記音響整合層に対向する前記有機圧電体の面上に配列され且つ互いに分離された複数の信号電極層と、
前記有機圧電体の他方の面上に配置され且つ前記複数の無機圧電素子にわたって延在する共通の接地電極層と
を含む請求項1に記載の超音波探触子。 The plurality of organic piezoelectric elements are:
A common organic piezoelectric body extending across the plurality of organic piezoelectric elements;
A plurality of signal electrode layers arranged on a surface of the organic piezoelectric body facing the acoustic matching layer and separated from each other;
The ultrasonic probe according to claim 1, further comprising: a common ground electrode layer disposed on the other surface of the organic piezoelectric body and extending over the plurality of inorganic piezoelectric elements.
互いに分離された複数の無機圧電体と、
前記複数の無機圧電体の両面にそれぞれ配置された複数の信号電極層および複数の接地電極層と
を有する請求項1〜4のいずれか一項に記載の超音波探触子。 The plurality of inorganic piezoelectric elements are:
A plurality of inorganic piezoelectric bodies separated from each other;
The ultrasonic probe according to claim 1, further comprising: a plurality of signal electrode layers and a plurality of ground electrode layers respectively disposed on both surfaces of the plurality of inorganic piezoelectric bodies.
前記複数の無機圧電素子の上に前記複数の無機圧電素子にわたって延在する音響整合層を接合し、
前記音響整合層の上に複数の有機圧電素子を配列形成する
ことを特徴とする超音波探触子の製造方法。 A plurality of inorganic piezoelectric elements are arrayed on the surface of the backing material,
Bonding an acoustic matching layer extending over the plurality of inorganic piezoelectric elements on the plurality of inorganic piezoelectric elements,
A method of manufacturing an ultrasonic probe, comprising: arranging a plurality of organic piezoelectric elements on the acoustic matching layer.
前記音響整合層の上に互いに分離された複数の信号電極層を配列形成し、
前記複数の信号電極層の上に前記複数の信号電極層にわたって延在する有機圧電体を接合し、
前記有機圧電体の全面上に接地電極層を形成する
ことにより配列形成される請求項8に記載の超音波探触子の製造方法。 The plurality of organic piezoelectric elements are:
A plurality of signal electrode layers separated from each other on the acoustic matching layer;
Bonding an organic piezoelectric body extending over the plurality of signal electrode layers on the plurality of signal electrode layers,
The method for manufacturing an ultrasonic probe according to claim 8, wherein an array is formed by forming a ground electrode layer on the entire surface of the organic piezoelectric body.
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