JP2014107853A - Ultrasonic probe - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ultrasonic probe capable of making the most of a driving voltage of a system in a main unit of an ultrasonic image diagnosis apparatus, and obtaining high sensitivity even with high center frequency characteristics.SOLUTION: An ultrasonic probe 2 comprises: a piezoelectric layer 24; and a dematching layer 23. The dematching layer 23, having acoustic impedance higher than that of the piezoelectric layer 24, is arranged at a surface of the piezoelectric layer 24, opposite an ultrasonic-radiating surface thereof. The ultrasonic probe 2 transmits and receives ultrasonic waves by nλ/4 resonance (n is an odd number). The piezoelectric layer 24 is formed of a piezoelectric material which has a coercive electric field of 1.0MV/m or more at 25°C.

Description

本発明は、超音波探触子に関する。   The present invention relates to an ultrasonic probe.

従来、超音波探触子では、指向性の向上やクロストークの低減のために、圧電材が微細加工される。一方で、超音波探触子が接続される超音波画像診断装置本体と超音波探触子との間における超音波の送受信に係る送受信信号の伝達においては、電気的インピーダンスの整合のために素子あたりの静電容量を大きくすることが望まれている。したがって、圧電材は微小素子であっても誘電率が高いことが望まれ、それを実現するために誘電率の高い圧電材料が使用されていた。   Conventionally, in an ultrasonic probe, a piezoelectric material is finely processed in order to improve directivity and reduce crosstalk. On the other hand, in transmission of transmission / reception signals related to transmission / reception of ultrasonic waves between the ultrasonic diagnostic imaging device main body to which the ultrasonic probe is connected and the ultrasonic probe, an element for matching electrical impedance is used. It is desired to increase the per-capacitance. Therefore, it is desired that the piezoelectric material has a high dielectric constant even if it is a microelement, and a piezoelectric material having a high dielectric constant has been used to realize this.

一方で、超音波画像診断の価値向上のためには圧電材の送受信感度を向上させることが重要である。その送信感度を向上させる方法として、圧電材の背面側に圧電材の音響インピーダンスよりも高い音響インピーダンスを有するデマッチング(反射)層を配置し、圧電材の背面側に放射する超音波を前方に反射させるようにした超音波探触子を用いるようにしたものがある(例えば、特許文献1〜3)。   On the other hand, in order to improve the value of ultrasonic image diagnosis, it is important to improve the transmission / reception sensitivity of the piezoelectric material. As a method of improving the transmission sensitivity, a dematching (reflection) layer having an acoustic impedance higher than the acoustic impedance of the piezoelectric material is arranged on the back side of the piezoelectric material, and the ultrasonic wave radiated to the back side of the piezoelectric material is forward. Some of them use an ultrasonic probe that reflects the light (for example, Patent Documents 1 to 3).

米国特許第7621028号明細書U.S. Patent No. 7621028 特開2009−213137号公報JP 2009-213137 A 特開2005−286701号公報JP 2005-286701 A

上記特許文献1〜3に示された技術では、圧電材において、通常のλ/2共振ではなく、λ/4共振が生じるために、中心周波数を揃えるためには、圧電材の厚みをλ/2共振時の半分程度にする必要がある。その結果、圧電材の厚みと抗電界とから決まる圧電体への印加可能電圧は低下するが、上記特許文献3で示されているような低い周波数帯による超音波の送受信では、圧電体への印加可能電圧は超音波画像診断装置本体から出力される最大印加電圧よりも大きいため、圧電材の抗電界が問題になることはなかった。   In the techniques disclosed in Patent Documents 1 to 3, since a λ / 4 resonance occurs in the piezoelectric material instead of a normal λ / 2 resonance, the thickness of the piezoelectric material is set to λ / It is necessary to reduce to about half of the two resonances. As a result, the voltage that can be applied to the piezoelectric body, which is determined by the thickness of the piezoelectric material and the coercive electric field, decreases. However, in the transmission and reception of ultrasonic waves in a low frequency band as shown in Patent Document 3, Since the applicable voltage is higher than the maximum applied voltage output from the ultrasonic diagnostic imaging apparatus main body, the coercive electric field of the piezoelectric material did not become a problem.

近年、更なる高性能化のために、高感度に加え、中心周波数の高い(例えば、10MHz以上の)高分解能の超音波探触子の実現が望まれている。上述のデマッチング層を適用した場合、共振周波数が上昇するため、圧電材は従来よりもさらに薄く設計される必要がある。これにより、抗電界から制限される圧電材への印加可能電圧は装置本体側から出力される最大印加電圧と拮抗するようになり、抗電界の大きさが超音波画像診断装置の性能を左右することとなる。   In recent years, in order to achieve higher performance, in addition to high sensitivity, it has been desired to realize an ultrasonic probe with a high center frequency (for example, 10 MHz or higher). When the above-described dematching layer is applied, the resonance frequency increases, so that the piezoelectric material needs to be designed to be thinner than before. As a result, the voltage that can be applied to the piezoelectric material that is restricted by the coercive electric field antagonizes the maximum applied voltage that is output from the apparatus main body, and the coercive electric field affects the performance of the ultrasonic diagnostic imaging apparatus. It will be.

本発明の課題は、超音波画像診断装置本体におけるシステムの駆動電圧を最大限利用することができ、高い中心周波数特性でも高感度化を実現することができる超音波探触子を提供することである。   An object of the present invention is to provide an ultrasonic probe that can make maximum use of the drive voltage of the system in the ultrasonic diagnostic imaging apparatus and can achieve high sensitivity even with high center frequency characteristics. is there.

以上の課題を解決するため、請求項1に記載の発明は、圧電層の超音波の放射面とは反対側の面に該圧電層の音響インピーダンスよりも高い音響インピーダンスを有する反射層が配置され、nλ/4(nは奇数)共振により超音波を送受信する超音波探触子において、
前記圧電層を構成する圧電材の抗電界が25℃下において1.0MV/m以上であることを特徴とする。
In order to solve the above-described problems, in the invention described in claim 1, a reflective layer having an acoustic impedance higher than the acoustic impedance of the piezoelectric layer is disposed on the surface of the piezoelectric layer opposite to the ultrasonic radiation surface. , Nλ / 4 (where n is an odd number) resonance in an ultrasonic probe that transmits and receives ultrasonic waves
The coercive electric field of the piezoelectric material constituting the piezoelectric layer is 1.0 MV / m or more at 25 ° C.

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の超音波探触子において、
前記圧電材の抗電界が60℃下において0.9MV/m以上であることを特徴とする。
The invention according to claim 2 is the ultrasonic probe according to claim 1,
The coercive electric field of the piezoelectric material is 0.9 MV / m or more at 60 ° C.

請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の超音波探触子において、
前記圧電材は、Bサイトを置換する2価又は3価の元素を含むアクセプター添加物を含んでいることを特徴とする。
The invention according to claim 3 is the ultrasonic probe according to claim 1 or 2,
The piezoelectric material includes an acceptor additive containing a divalent or trivalent element that replaces the B site.

請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の超音波探触子において、
前記元素は、Fe3+、Co2+及びMn2+の少なくとも1種類以上であることを特徴とする。
The invention according to claim 4 is the ultrasonic probe according to claim 3,
The element is at least one of Fe 3+ , Co 2+ and Mn 2+ .

請求項5に記載の発明は、請求項1〜4の何れか一項に記載の超音波探触子において、
前記圧電材の誘電率が1800以上であることを特徴とする。
The invention according to claim 5 is the ultrasonic probe according to any one of claims 1 to 4,
The dielectric constant of the piezoelectric material is 1800 or more.

請求項6に記載の発明は、請求項1〜5の何れか一項に記載の超音波探触子において、
前記圧電材のキュリー温度が250℃以上350℃以下であることを特徴とする。
Invention of Claim 6 in the ultrasonic probe as described in any one of Claims 1-5,
The Curie temperature of the piezoelectric material is 250 ° C. or higher and 350 ° C. or lower.

請求項7に記載の発明は、請求項1〜6の何れか一項に記載の超音波探触子において、
出力する超音波の中心周波数が7MHz以上であることを特徴とする。
The invention according to claim 7 is the ultrasonic probe according to any one of claims 1 to 6,
The center frequency of the output ultrasonic wave is 7 MHz or more.

本発明によれば、超音波画像診断装置本体におけるシステムの駆動電圧を最大限利用することができ、高周波で高い感度特性を有する超音波探触子を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the drive voltage of the system in an ultrasonic diagnostic imaging apparatus main body can be utilized to the maximum, and the ultrasonic probe which has a high sensitivity characteristic at a high frequency can be provided.

本実施の形態に係る超音波画像診断装置の外観構成を示す斜視図である。1 is a perspective view showing an external configuration of an ultrasound diagnostic imaging apparatus according to the present embodiment. 診断装置本体の機能的構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the functional structure of a diagnostic apparatus main body. 超音波振動子の構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of an ultrasonic transducer | vibrator typically.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。ただし、発明の範囲は図示例に限定されない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有するものについては、同一の符号を付し、その説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the scope of the invention is not limited to the illustrated examples. In addition, in the following description, what has the same function and structure attaches | subjects the same code | symbol, and abbreviate | omits the description.

本実施の形態に係る超音波画像診断装置1は、図1に示すように、超音波探触子2と診断装置本体4とを備えており、これらはケーブル3を介して接続されている。超音波探触子2は、図示しない生体等の被検体に対して超音波(送信超音波)を送信するとともに、その被検体において反射した超音波(反射超音波)を受信する。本実施の形態では、超音波探触子2は、複数の超音波振動子21(図2参照)をアレイ状に配列して構成されている。診断装置本体4は、ケーブル3を介して電気信号の送信信号を送信することによって超音波探触子2に超音波を送信させるとともに、超音波探触子2で受信した超音波から変換された受信信号に基づいて、被検体内の内部状態を断層画像として画像化する。   As shown in FIG. 1, the ultrasonic diagnostic imaging apparatus 1 according to the present embodiment includes an ultrasonic probe 2 and a diagnostic apparatus body 4, which are connected via a cable 3. The ultrasonic probe 2 transmits ultrasonic waves (transmission ultrasonic waves) to a subject such as a living body (not shown) and receives ultrasonic waves (reflected ultrasonic waves) reflected by the subject. In the present embodiment, the ultrasonic probe 2 is configured by arranging a plurality of ultrasonic transducers 21 (see FIG. 2) in an array. The diagnostic device main body 4 transmits an ultrasonic signal to the ultrasonic probe 2 by transmitting a transmission signal of an electrical signal via the cable 3 and is converted from the ultrasonic wave received by the ultrasonic probe 2. Based on the received signal, the internal state in the subject is imaged as a tomographic image.

診断装置本体4は、上部に操作入力部11及び表示部16を備えている。操作入力部11は、各種設定操作等を行うためのスイッチ、ボタン、トラックボール、マウス、キーボード等を備え、診断開始を指示するコマンドや被検体の個人情報等のデータの入力等が可能である。表示部16は、操作入力部11による操作のための支援画像や、受信信号に基づき作成された超音波画像等が表示される。また、操作入力部11や診断装置本体4の適所には、超音波探触子2を、その不使用時に保持するホルダー7が設けられている。   The diagnostic apparatus body 4 includes an operation input unit 11 and a display unit 16 at the upper part. The operation input unit 11 includes switches, buttons, a trackball, a mouse, a keyboard, and the like for performing various setting operations, and can input a command for instructing diagnosis and data such as personal information of a subject. . The display unit 16 displays a support image for an operation by the operation input unit 11, an ultrasonic image created based on a received signal, and the like. In addition, a holder 7 for holding the ultrasonic probe 2 when not in use is provided at appropriate positions of the operation input unit 11 and the diagnostic apparatus main body 4.

次に、診断装置本体4の機能的構成について図2を参照しながら説明する。診断装置本体4は、上述した操作入力部11及び表示部16の他、例えば、送信部12、受信部13、信号処理部14、画像処理部15、制御部17及び電圧制御部18を備えている。   Next, the functional configuration of the diagnostic apparatus body 4 will be described with reference to FIG. In addition to the operation input unit 11 and the display unit 16 described above, the diagnostic device main body 4 includes, for example, a transmission unit 12, a reception unit 13, a signal processing unit 14, an image processing unit 15, a control unit 17, and a voltage control unit 18. Yes.

送信部12は、制御部17の制御にしたがって、超音波探触子2に送信信号としての送信パルスを生成する回路である。送信部12は、制御部17を介して送信パルスを電圧制御部18に出力する。送信パルスは、電圧制御部18において振幅が増幅されて、超音波探触子2に送信される。
電圧制御部18は、後述する圧電層24のt℃下における抗電界をEc(MV/m)とし、圧電層24の厚みをd(μm)としたとき、下記式(1)を満たすシステムの最大駆動可能電圧Vsにより診断装置本体4を駆動する。
|Vs|=Ec×d×α ・・・(1)
上記式(1)において、αは0<α<1を満たし、t=25(すなわち、25℃下)にあっては、0.5≦α≦0.9を満たす。これにより、診断装置本体4におけるシステムの駆動電圧を最大限利用することができるので、高い感度特性を利用することができる。ここで、αについては、0.7≦α≦0.9とすると、耐電圧特性を向上させることができ、より好ましい。また、Ec25×0.9≦Ec60の関係を満たすと、長時間駆動安定性がさらに向上するので好適である。
なお、システムの最大駆動可能電圧は、上述したものに限定されず適宜に設定することができる。
超音波探触子2は、受信した送信パルスに応じた送信超音波を出力する。このとき、送信部12は、各超音波振動子21からの送信超音波が所定の焦点位置に収束するように送信ビームを形成させる。なお、上述の送信超音波を時間軸方向に伸張した複数の符号化されたパルスで構成してもよい。
The transmission unit 12 is a circuit that generates a transmission pulse as a transmission signal in the ultrasound probe 2 under the control of the control unit 17. The transmission unit 12 outputs a transmission pulse to the voltage control unit 18 via the control unit 17. The amplitude of the transmission pulse is amplified in the voltage control unit 18 and is transmitted to the ultrasonic probe 2.
The voltage control unit 18 is a system that satisfies the following formula (1) when the coercive electric field of the piezoelectric layer 24 described later at t ° C. is Ec t (MV / m) and the thickness of the piezoelectric layer 24 is d (μm). The diagnostic device main body 4 is driven by the maximum driveable voltage Vs.
| Vs | = Ec t × d × α (1)
In the above formula (1), α satisfies 0 <α <1, and when t = 25 (that is, at 25 ° C.), 0.5 ≦ α ≦ 0.9 is satisfied. Thereby, since the drive voltage of the system in the diagnostic apparatus main body 4 can be utilized to the maximum, high sensitivity characteristics can be used. Here, with respect to α, it is more preferable that 0.7 ≦ α ≦ 0.9 because the withstand voltage characteristic can be improved. Further, when the relationship of Ec 25 × 0.9 ≦ Ec 60 is satisfied, it is preferable because long-term driving stability is further improved.
Note that the maximum driveable voltage of the system is not limited to that described above, and can be set as appropriate.
The ultrasonic probe 2 outputs a transmission ultrasonic wave corresponding to the received transmission pulse. At this time, the transmission unit 12 forms a transmission beam so that transmission ultrasonic waves from the respective ultrasonic transducers 21 converge at a predetermined focal position. Note that the above-described transmission ultrasonic wave may be composed of a plurality of encoded pulses that are expanded in the time axis direction.

受信部13は、制御部17の制御に従って、超音波探触子2からケーブル3を介して電気信号の受信信号を受信する回路であり、この受信信号を信号処理部14に出力する。   The receiving unit 13 is a circuit that receives a reception signal of an electrical signal from the ultrasound probe 2 via the cable 3 under the control of the control unit 17, and outputs the reception signal to the signal processing unit 14.

信号処理部14は、受信部13の出力から反射超音波を検出する。   The signal processing unit 14 detects reflected ultrasonic waves from the output of the receiving unit 13.

画像処理部15は、制御部17の制御に従って、信号処理部14で処理された受信信号に基づいて、被検体の内部状態の画像のデータ(超音波画像データ)を生成する回路である。   The image processing unit 15 is a circuit that generates image data (ultrasound image data) of the internal state of the subject based on the received signal processed by the signal processing unit 14 under the control of the control unit 17.

表示部16は、制御部17の制御に従って、画像処理部15で生成された超音波画像データに基づいて被検体の超音波画像を表示する装置である。表示部16は、CRT(Cathode-Ray Tube)ディスプレイ、LCD(Liquid Crystal Display)、有機EL(Electronic Luminescence)ディスプレイ及びプラズマディスプレイ等の表示装置や、プリンター等の印刷装置等で実現される。   The display unit 16 is a device that displays an ultrasonic image of the subject based on the ultrasonic image data generated by the image processing unit 15 under the control of the control unit 17. The display unit 16 is realized by a display device such as a CRT (Cathode-Ray Tube) display, an LCD (Liquid Crystal Display), an organic EL (Electronic Luminescence) display, and a plasma display, or a printing device such as a printer.

制御部17は、マイクロプロセッサー、記憶素子及びその周辺回路等を備えて構成され、これら操作入力部11、送信部12、電圧制御部18、受信部13、信号処理部14、画像処理部15及び表示部16を当該機能に応じてそれぞれ制御することによって超音波画像診断装置1の全体制御を行う回路である。   The control unit 17 includes a microprocessor, a storage element, and peripheral circuits thereof. The operation input unit 11, the transmission unit 12, the voltage control unit 18, the reception unit 13, the signal processing unit 14, the image processing unit 15, and the like. This is a circuit that performs overall control of the ultrasonic diagnostic imaging apparatus 1 by controlling the display unit 16 according to the function.

超音波振動子21は、図3に示すように、例えば、図上正面視下方から、バッキング(背後)層22、デマッチング(反射)層23、圧電層24及び音響整合層25を積層して構成されている。なお、必要に応じて、音響整合層25の上方に音響レンズを積層してもよい。   As shown in FIG. 3, the ultrasonic transducer 21 is formed by stacking, for example, a backing (back) layer 22, a dematching (reflection) layer 23, a piezoelectric layer 24, and an acoustic matching layer 25 from below in the front view. It is configured. If necessary, an acoustic lens may be stacked above the acoustic matching layer 25.

バッキング層22は、デマッチング層23を支持し、不要な超音波を吸収し得る超音波吸収体である。すなわち、バッキング層22は、圧電層24に対し被検体に超音波を送受信する方向とは反対側に設けられ、圧電層24の被検体の方向の反対側から発生し、バッキング層22に到達した超音波を吸収する。なお、本実施の形態において、バッキング層22を備えない構成としてもよい。   The backing layer 22 is an ultrasonic absorber that supports the dematching layer 23 and can absorb unnecessary ultrasonic waves. That is, the backing layer 22 is provided on the opposite side of the piezoelectric layer 24 from the direction in which ultrasonic waves are transmitted to and received from the subject, and is generated from the opposite side of the subject direction of the piezoelectric layer 24 and reaches the backing layer 22. Absorbs ultrasound. In the present embodiment, the backing layer 22 may not be provided.

バッキング層22を構成するバッキング材としては、塩化ビニル、ポリビニルブチラール(PVB)、ABS樹脂、ポリウレタン(PUR)、ポリビニルアルコール(PVAL)、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリアセタール(POM)、ポリエチレンテレフタレート(PETP)、フッ素樹脂(PTFE)、ポリエチレングリコール、ポリエチレンテレフタレート−ポリエチレングリコール共重合体などの熱可塑性樹脂、天然ゴム、フェライトゴム、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂に酸化タングステンや酸化チタン、フェライト等の粉末を入れてプレス成形した複合材料、さらには複合材料を粉砕したのち、上述した熱可塑性樹脂やエポキシ樹脂等と混合し、硬化させた材料を用いることができる。音響インピーダンスを調整するために、マコールガラス等の無機材料や空隙を有する多孔質材料を用いることもできる。   As the backing material constituting the backing layer 22, vinyl chloride, polyvinyl butyral (PVB), ABS resin, polyurethane (PUR), polyvinyl alcohol (PVAL), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyacetal (POM), polyethylene Thermoplastic resin such as terephthalate (PETP), fluororesin (PTFE), polyethylene glycol, polyethylene terephthalate-polyethylene glycol copolymer, natural rubber, ferrite rubber, epoxy resin, powder of tungsten oxide, titanium oxide, ferrite, etc. on silicone resin It is possible to use a composite material that has been press-molded by adding, and further a material that is pulverized and then mixed with the above-described thermoplastic resin or epoxy resin and cured. In order to adjust the acoustic impedance, an inorganic material such as Macor glass or a porous material having voids can be used.

好ましいバッキング材としては、ゴム系複合材料、及び/又は、エポキシ樹脂複合材からなるものであり、その形状は圧電層24やこれを含む超音波探触子2の形状に応じて、適宜選択することができる。   A preferable backing material is made of a rubber-based composite material and / or an epoxy resin composite material, and the shape thereof is appropriately selected according to the shape of the piezoelectric layer 24 and the ultrasonic probe 2 including the piezoelectric layer 24. be able to.

デマッチング層23は、音響インピーダンスが圧電層24よりも大きい材料により形成されており、圧電層24に対し被検体の方向とは反対側に出力される超音波を反射する。デマッチング層23に適用される材料としては、タングステンやタンタル等、圧電層24とデマッチング層23との音響インピーダンスの差が大きい材料であれば何れのものも適用可能であるが、タングステンカーバイドが好適である。また、タングステンカーバイドと他の材料とを混合してなるものであってもよい。本実施の形態では、デマッチング層23を備えることにより、圧電層24における超音波の送受波に対する感度をさらに向上させることができる。   The dematching layer 23 is made of a material having an acoustic impedance larger than that of the piezoelectric layer 24, and reflects ultrasonic waves output to the piezoelectric layer 24 on the side opposite to the direction of the subject. As a material applied to the dematching layer 23, any material such as tungsten or tantalum having a large difference in acoustic impedance between the piezoelectric layer 24 and the dematching layer 23 can be applied. Is preferred. Further, a mixture of tungsten carbide and another material may be used. In the present embodiment, by providing the dematching layer 23, it is possible to further improve sensitivity to ultrasonic wave transmission / reception in the piezoelectric layer 24.

圧電層24は、複数層あるいは単層の圧電体によって構成されている。圧電体の材料としては、従来から用いられている水晶、圧電セラミックスPZT、PZLTや、圧電単結晶PZN−PT、PMN−PT、LiNbO、LiTaO、KNbO、ZnO、AlNなどの薄膜などの無機圧電材料に加え、ポリフッ化ビニリデンやポリフッ化ビニリデン系共重合体、ポリシアン化ビニリデンやシアン化ビニリデン系共重合体、ナイロン9やナイロン11などの奇数ナイロン、芳香族ナイロン、脂環族ナイロン、ポリ乳酸、ポリヒドロキシブチレートなどのポリヒドロキシカルボン酸、セルロース系誘導体、あるいはポリウレアなどの有機圧電材料が挙げられる。さらに無機圧電材料と有機圧電材料、無機圧電材料と有機高分子材料を併用したコンポジット材料も挙げられる。 The piezoelectric layer 24 is configured by a piezoelectric material having a plurality of layers or a single layer. As a material of the piezoelectric body, conventionally used quartz, piezoelectric ceramics PZT, PZLT, piezoelectric single crystals PZN-PT, PMN-PT, LiNbO 3 , LiTaO 3 , KNbO 3 , ZnO, AlN, etc. In addition to inorganic piezoelectric materials, polyvinylidene fluoride and polyvinylidene fluoride copolymers, polycyanide vinylidene and cyanide vinylidene copolymers, odd nylons such as nylon 9 and nylon 11, aromatic nylon, alicyclic nylon, poly Organic piezoelectric materials such as polyhydroxycarboxylic acids such as lactic acid and polyhydroxybutyrate, cellulose derivatives, and polyurea are listed. Furthermore, composite materials using inorganic piezoelectric materials and organic piezoelectric materials, and inorganic piezoelectric materials and organic polymer materials in combination are also included.

本実施の形態では、上述した無機圧電材料あるいは有機圧電材料に所定の添加物が添加された抗電界の高いものを使用して圧電層24を構成している。PZTのような強誘電性の圧電体では、一度電界を印加したものは、電界を取り去っても元の状態には戻らず、残留分極Prが残る。この残留分極を打ち消すためには、さらに逆向きの電界が必要となり、これに必要な電界を抗電界Ecという。抗電界Ecは、結晶粒内のドメインウォールの移動のしやすさに相関しており、その移動のしやすさは圧電材料の構成元素の種類、すなわち添加物に依存する。   In the present embodiment, the piezoelectric layer 24 is configured using a material having a high coercive electric field obtained by adding a predetermined additive to the above-described inorganic piezoelectric material or organic piezoelectric material. In a ferroelectric piezoelectric material such as PZT, once an electric field is applied, it does not return to its original state even when the electric field is removed, and residual polarization Pr remains. In order to cancel this remanent polarization, an electric field in the opposite direction is required, and the electric field necessary for this is called a coercive electric field Ec. The coercive electric field Ec correlates with the ease of movement of the domain wall in the crystal grains, and the ease of movement depends on the type of constituent element of the piezoelectric material, that is, the additive.

添加物としては大きく2種類に大別できる。1つはLa、Nd、Nb、Ta、WOなどのようなペロブスカイトABOのAサイトを置換する3価の元素(La3+、Nd3+)や、Bサイトを置換する5価や6価の元素(Nb5+、Ta5+、W6+)であり、これらは結晶内部のAサイトに空孔を作り、ドナー添加物と呼ばれる。この空孔の形成により結晶粒内のドメインウォールの移動がしやすくなり、抗電界が低下する。これらはソフト材と呼ばれる。 There are two types of additives. One is a trivalent element (La 3+ , Nd 3+ ) that replaces the A site of perovskite ABO 3 such as La 2 O 3 , Nd 2 O 3 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , WO 3, etc. These are pentavalent and hexavalent elements (Nb 5+ , Ta 5+ , W 6+ ) that replace the B site, and these make a hole in the A site inside the crystal and are called a donor additive. The formation of the holes facilitates the movement of the domain wall in the crystal grains, and the coercive electric field is reduced. These are called soft materials.

一方、もう1つは、Fe、CoO、MnOなどBサイトを置換する2価や3価の元素(Fe3+、Co2+、Mn2+)であり、添加物により酸素空孔を作り、アクセプター添加物と呼ばれる。この空孔によりドメインウォールの移動がしにくくなり、抗電界が上昇する。これらはハード材と呼ばれる。したがって、抗電界の制御は、添加物の種類と量で実施することが可能である。本実施の形態では、このようなハード材が添加された圧電材料を使用して圧電層24を構成している。
なお、同様の方法で、単結晶の固溶体の抗電界の制御も可能である。
On the other hand, the other is a divalent or trivalent element (Fe 3+ , Co 2+ , Mn 2+ ) that replaces the B site such as Fe 2 O 3 , CoO, MnO, and oxygen vacancies are created by the additive, Called an acceptor additive. This hole makes it difficult for the domain wall to move and raises the coercive electric field. These are called hard materials. Therefore, the coercive electric field can be controlled by the kind and amount of the additive. In the present embodiment, the piezoelectric layer 24 is configured using a piezoelectric material to which such a hard material is added.
Note that the coercive electric field of a single crystal solid solution can be controlled by the same method.

本実施の形態において適用される圧電材料は、抗電界が25℃下において1.0MV/m以上としている。デマッチング層23が用いられる場合には、圧電体の厚みが半分になり、耐電圧特性が低下する。本実施の形態によれば、高い電圧駆動を可能にすることができるので、診断装置本体におけるシステムの駆動電圧を最大限利用することができ、高い中心周波数特性を有する超音波探触子2で高感度化を実現することができるようになる。このとき、圧電層24の誘電率が1800以上であると、抗電界を安定して得られるので好適である。本実施の形態では、特に、出力する中心周波数が7MHz以上である超音波探触子2に適用すると効果的である。   The piezoelectric material applied in this embodiment has a coercive electric field of 1.0 MV / m or more at 25 ° C. When the dematching layer 23 is used, the thickness of the piezoelectric body is halved and the withstand voltage characteristic is deteriorated. According to the present embodiment, it is possible to drive at a high voltage, so that the drive voltage of the system in the diagnostic apparatus main body can be utilized to the maximum, and the ultrasonic probe 2 having high center frequency characteristics can be used. High sensitivity can be realized. At this time, it is preferable that the dielectric constant of the piezoelectric layer 24 is 1800 or more because a coercive electric field can be obtained stably. The present embodiment is particularly effective when applied to the ultrasonic probe 2 whose output center frequency is 7 MHz or more.

また、圧電体は、長時間の駆動により発熱する。従来の圧電材料は抗電界が低く、したがってキュリー温度が低い。そのため、熱的安定性が低く、長時間の使用において一定の特性を維持することが困難であり、使用開始当初に有していた診断価値を維持することが困難であった。本実施の形態において適用される圧電材料は、さらに、抗電界が60℃下において0.9MV/m以上としている。そのため、長時間使用しても圧電特性の変化を小さくすることができ、超音波探触子2の動作を安定させることができる。また、本実施の形態において適用される圧電材料のキュリー温度は250℃以上350℃以下であるのが好ましいが、十分高い抗電界と必要十分な誘電率とが得られるものであればこれに限定されない。   The piezoelectric body generates heat when driven for a long time. Conventional piezoelectric materials have a low coercive field and therefore a low Curie temperature. For this reason, the thermal stability is low, it is difficult to maintain a certain characteristic in long-time use, and it is difficult to maintain the diagnostic value that was initially possessed. The piezoelectric material applied in the present embodiment further has a coercive electric field of 0.9 MV / m or more at 60 ° C. Therefore, even when used for a long time, the change in the piezoelectric characteristics can be reduced, and the operation of the ultrasonic probe 2 can be stabilized. In addition, the Curie temperature of the piezoelectric material applied in the present embodiment is preferably 250 ° C. or higher and 350 ° C. or lower, but is limited to this as long as a sufficiently high coercive electric field and a necessary and sufficient dielectric constant can be obtained. Not.

上述した圧電材料は、無機圧電材料としては、市販のものを使用することができ、例えば、富士セラミック社製のC−6、C−6H、C−62、C−63、C−64、C−601、C−7.C−8、C−82、C−83H、C−9、C−91,C−91H、C−92H、又は、テイカ社製のL−1A、L−6A、L−201F、L−11、L−9、L−155N、L−145N等が挙げられる。また、有機圧電材料としては、東京センサ社製のPVDFフィルムやクレハ社製のポリ(ビニリデンフルオリド-co-トリフルオロエチレン)フィルム、試薬としてアルドリッチ社製のポリ(ビニリデンフルオリド-co-ヘキサフルオロプロピレン)等が挙げられる。   As the above-described piezoelectric material, a commercially available piezoelectric material can be used. For example, C-6, C-6H, C-62, C-63, C-64, C manufactured by Fuji Ceramic Co., Ltd. -601, C-7. C-8, C-82, C-83H, C-9, C-91, C-91H, C-92H, or L-1A, L-6A, L-201F, L-11 manufactured by Teica, L-9, L-155N, L-145N, etc. are mentioned. Organic piezoelectric materials include PVDF film manufactured by Tokyo Sensor Co., Ltd., poly (vinylidene fluoride-co-trifluoroethylene) film manufactured by Kureha, and poly (vinylidene fluoride-co-hexafluoro) manufactured by Aldrich as a reagent. Propylene) and the like.

なお、本実施の形態では、上述した圧電材料にハード材が添加されたものを使用する構成としているが、十分な抗電界が得られるものであれば、添加物の添加されていないものを使用するようにしてもよい。   In the present embodiment, the above-described piezoelectric material added with a hard material is used. However, if a sufficient coercive electric field can be obtained, a material without an additive is used. You may make it do.

圧電体の1層あたりの層厚は、設定する中心周波数(波長λ)にもよるが、加工性を考え、5〜200μmの範囲内にあることが好ましい。   The layer thickness per layer of the piezoelectric body depends on the set center frequency (wavelength λ), but is preferably in the range of 5 to 200 μm in consideration of workability.

有機圧電材料から成る圧電層の形成方法には、塗布によって膜を形成する方法や、蒸着(蒸着重合)によって膜を形成する方法が好ましい。前記の塗布方法としては、たとえばスピンコート法、ソルベントキャスト法、メルトキャスト法、メルトプレス法、ロールコート法、フローコート法、プリント法、ディップコート法、バーコート法等が挙げられる。また、蒸着(蒸着重合)方法としては、数百Pa以下程度の真空度で、単一、または複数の蒸発源よりモノマーを蒸発させ、基板上に付着、反応させることで膜を得ることができる。必要に応じて、適宜基板の温度調整が行われる。   As a method for forming a piezoelectric layer made of an organic piezoelectric material, a method of forming a film by coating or a method of forming a film by vapor deposition (vapor deposition polymerization) is preferable. Examples of the coating method include spin coating, solvent casting, melt casting, melt pressing, roll coating, flow coating, printing, dip coating, and bar coating. Further, as a vapor deposition (vapor deposition polymerization) method, a film can be obtained by evaporating a monomer from a single or plural evaporation sources at a degree of vacuum of about several hundred Pa or less, and depositing and reacting on the substrate. . If necessary, the temperature of the substrate is adjusted as appropriate.

上述のようにして作成された有機圧電体膜への電極層の形成は、先ずチタン(Ti)やクロム(Cr)などの下地金属をスパッタ法により0.02〜1.0μmの厚さに形成し、続いて金属元素を主体とする金属材料またはそれらの合金から成る金属材料に、必要に応じて一部絶縁材料を併せて、スパッタ法等の適当な方法で1〜10μmの厚さに形成することで行われる。その後、分極処理が行われる。前記の金属材料には、金(Au)、白金(Pt)、銀(Ag)、パラジウム(Pd)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、スズ(Sn)などが用いられる。電極形成は、上記のスパッタ法以外に、微粉末の金属粉末と低融点ガラスとを混合した導電ペーストを、スクリーン印刷やディッピング法、溶射法等で、塗布することで行うこともできる。   The electrode layer is formed on the organic piezoelectric film produced as described above by first forming a base metal such as titanium (Ti) or chromium (Cr) to a thickness of 0.02 to 1.0 μm by sputtering. Subsequently, a metal material mainly composed of metal elements or a metal material composed of an alloy thereof is combined with a part of insulating material as necessary, and formed to a thickness of 1 to 10 μm by an appropriate method such as sputtering. It is done by doing. Thereafter, a polarization process is performed. As the metal material, gold (Au), platinum (Pt), silver (Ag), palladium (Pd), copper (Cu), nickel (Ni), tin (Sn), or the like is used. In addition to the sputtering method described above, the electrode can also be formed by applying a conductive paste obtained by mixing fine metal powder and low-melting glass by screen printing, dipping method, thermal spraying method, or the like.

本実施の形態では、圧電層24は、上述した構成により、電圧制御部18から送信信号が与えられるとnλ/4(nは奇数)共振モードで共振して送信超音波を出力する。   In the present embodiment, the piezoelectric layer 24 resonates in the nλ / 4 (n is an odd number) resonance mode and outputs a transmission ultrasonic wave when a transmission signal is given from the voltage control unit 18 due to the above-described configuration.

このように、本実施の形態では、デマッチング層とともに抗電界の高い圧電材料を用いることにより、十分な耐電圧特性を有し、高感度化を実現することができる。また、抗電界の高い圧電材料を適用することにより、経年劣化を低減することができるので、製品寿命を延ばすことができるようになる。また、抗電界の高い圧電材料を適用することにより、環境による圧電特性の影響を小さくすることができる。   As described above, in this embodiment, by using a piezoelectric material having a high coercive electric field together with the dematching layer, sufficient withstand voltage characteristics and high sensitivity can be realized. In addition, by applying a piezoelectric material having a high coercive electric field, deterioration over time can be reduced, so that the product life can be extended. In addition, by applying a piezoelectric material having a high coercive electric field, the influence of the piezoelectric characteristics due to the environment can be reduced.

バッキング層22とデマッチング層23との間にはFPC(Flexible Printed Circuits)27が挟持されており、このFPC27によって電圧制御部18からの送信信号が圧電層24に与えられる。また、圧電層24で生成された受信信号は、FPC27によって受信部13に与えられる。   An FPC (Flexible Printed Circuits) 27 is sandwiched between the backing layer 22 and the dematching layer 23, and a transmission signal from the voltage control unit 18 is given to the piezoelectric layer 24 by the FPC 27. The reception signal generated by the piezoelectric layer 24 is given to the reception unit 13 by the FPC 27.

音響整合層25は、圧電層24と被検体との間の音響インピーダンスを整合させ、境界面での反射を抑制するものである。音響整合層25は、圧電層24の、超音波の送受波が行われる方向である被検体側に配置される。音響整合層25は、圧電層24と被検体との概ね中間の音響インピーダンスを有する。   The acoustic matching layer 25 matches the acoustic impedance between the piezoelectric layer 24 and the subject and suppresses reflection at the boundary surface. The acoustic matching layer 25 is disposed on the subject side of the piezoelectric layer 24 in the direction in which ultrasonic waves are transmitted and received. The acoustic matching layer 25 has a substantially intermediate acoustic impedance between the piezoelectric layer 24 and the subject.

音響整合層25に用いられる材料としては、アルミ、アルミ合金(例えばAL−Mg合金)、マグネシウム合金、マコールガラス、ガラス、溶融石英、コッパーグラファイト、PE(ポリエチレン)やPP(ポリプロピレン)、PC(ポリカーボネート)、ABC樹脂、ABS樹脂、AAS樹脂、AES樹脂、ナイロン(PA6、PA6−6)、PPO(ポリフェニレンオキシド)、PPS(ポリフェニレンスルフィド:ガラス繊維入りも可)、PPE(ポリフェニレンエーテル)、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)、PAI(ポリアミドイミド)、PETP(ポリエチレンテレフタレート)、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂等を用いることができる。好ましくはエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂に、充填剤として、亜鉛華、酸化チタン、シリカやアルミナ、ベンガラ、フェライト、酸化タングステン、酸化イットリビウム、硫酸バリウム、タングステン、モリブデン等を入れて成形したものが適用できる。   Materials used for the acoustic matching layer 25 include aluminum, aluminum alloy (for example, AL-Mg alloy), magnesium alloy, macor glass, glass, fused quartz, copper graphite, PE (polyethylene), PP (polypropylene), and PC (polycarbonate). ), ABC resin, ABS resin, AAS resin, AES resin, nylon (PA6, PA6-6), PPO (polyphenylene oxide), PPS (polyphenylene sulfide: glass fiber can be included), PPE (polyphenylene ether), PEEK (poly) Ether ether ketone), PAI (polyamideimide), PETP (polyethylene terephthalate), epoxy resin, urethane resin, and the like can be used. Preferably, a thermosetting resin such as an epoxy resin is molded with zinc oxide, titanium oxide, silica, alumina, bengara, ferrite, tungsten oxide, yttrium oxide, barium sulfate, tungsten, molybdenum, etc. as a filler. Applicable.

音響整合層25は、単層でもよいし複数層から構成されてもよいが、好ましくは2層以上、より好ましくは4層以上である。音響整合層25の層厚は、超音波の波長をλとすると、λ/4となるように定めるのが好ましい。このような音響整合層の厚さとしては、中心周波数に依存するが、通常、概ね20〜500μmの範囲のものが用いられる。音響整合層25は、厚み方向に重層塗布によって形成され、各層でそれぞれ材料構成を異ならせて厚み方向に音響インピーダンスの重みづけを行うことにより、音響インピーダンスを整合させている。なお、音響整合層25における音響インピーダンスの重みづけ方向については、厚み方向に限らず、水平方向であってもよい。   The acoustic matching layer 25 may be a single layer or a plurality of layers, but is preferably two or more layers, more preferably four or more layers. The layer thickness of the acoustic matching layer 25 is preferably determined to be λ / 4 where λ is the wavelength of the ultrasonic wave. The thickness of such an acoustic matching layer depends on the center frequency, but generally a thickness in the range of 20 to 500 μm is used. The acoustic matching layer 25 is formed by multilayer coating in the thickness direction, and the acoustic impedance is matched by weighting the acoustic impedance in the thickness direction with different material configurations in each layer. The weighting direction of the acoustic impedance in the acoustic matching layer 25 is not limited to the thickness direction and may be a horizontal direction.

以下、実施例により本発明をより詳細に説明するが、勿論本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in detail, of course, this invention is not limited to these Examples.

まず、実施例1〜3として、以下のようにして超音波探触子を作製した。   First, as Examples 1 to 3, ultrasonic probes were manufactured as follows.

まず、6層の音響整合材を積層して音響整合層を作製した。各層の音響整合材については、それぞれ、エポキシ樹脂とフェライト又はシリコーン樹脂微粉末の混錬硬化物により、下記の条件を満たすように作製した。すなわち、音響放射面側最表層である最上層の音響整合材は音響インピーダンスが1.5MRaylsで厚みが20μmとし、第2層目の音響整合材は音響インピーダンスが2.0MRaylsで厚みが30μmとし、第3層目の音響整合材は音響インピーダンスが3.0MRaylsで厚みが30μmとし、第4層目の音響整合材は音響インピーダンスが6.0MRaylsで厚みが40μmとし、第5層目の音響整合材は音響インピーダンスが9.0MRaylsで厚みが50μmとし、最下層の音響整合材は音響インピーダンスが14.0MRaysで厚みが60μmとした。このようにして作成された各層の音響整合材を上述した順序で積層して、2.94MPaの加圧条件下においてエポキシ接着剤で加熱硬化により接着した後、5.6mm×42.5mmの大きさに成型して音響整合層とした。   First, an acoustic matching layer was prepared by laminating six layers of acoustic matching materials. The acoustic matching material of each layer was prepared so as to satisfy the following conditions by using a kneaded cured product of epoxy resin and ferrite or silicone resin fine powder. That is, the acoustic matching material of the uppermost layer, which is the outermost layer on the acoustic radiation surface side, has an acoustic impedance of 1.5 MRayls and a thickness of 20 μm, and the second layer of the acoustic matching material has an acoustic impedance of 2.0 MRayls and a thickness of 30 μm. The third layer acoustic matching material has an acoustic impedance of 3.0 MRayls and a thickness of 30 μm, the fourth layer acoustic matching material has an acoustic impedance of 6.0 MRayls and a thickness of 40 μm, and the fifth layer of the acoustic matching material. Has an acoustic impedance of 9.0 MRayls and a thickness of 50 μm, and the lowermost acoustic matching material has an acoustic impedance of 14.0 MRays and a thickness of 60 μm. The acoustic matching materials of the respective layers thus prepared are laminated in the order described above, and bonded by heat curing with an epoxy adhesive under a pressure condition of 2.94 MPa, then a size of 5.6 mm × 42.5 mm Then, it was molded into an acoustic matching layer.

次に、下記表1の実施例1の欄に記載の圧電材を用い、これを5.6mm×42.5mm×80μmの大きさに加工した後、電極を形成した。そして、短軸方向の有効開口が4.0mmになるよう背面側の短軸両端近傍に絶縁溝を長手方向に沿って形成してシグナル電極とグランド電極とを形成し、分極処理を行って圧電層を作製した。   Next, using the piezoelectric material described in the column of Example 1 in Table 1 below, this was processed into a size of 5.6 mm × 42.5 mm × 80 μm, and then an electrode was formed. Then, an insulating groove is formed along the longitudinal direction in the vicinity of both ends of the minor axis on the back side so that the effective opening in the minor axis direction is 4.0 mm, a signal electrode and a ground electrode are formed, and a polarization process is performed to perform piezoelectric processing. A layer was made.

その後、タングステンカーバイドを5.6mm×42.5mm×80μmの大きさに成型してこれをデマッチング層とした。そして、上述のようにして作製された圧電層とデマッチング層とを積層して接着し、圧電層に形成された絶縁溝と連通するようにダイシングにより幅40μm、深さ90μmで背面側から長手方向に沿って溝入れして振動層を得た。   Thereafter, tungsten carbide was molded into a size of 5.6 mm × 42.5 mm × 80 μm and used as a dematching layer. Then, the piezoelectric layer and the dematching layer manufactured as described above are laminated and bonded, and are dicing so as to communicate with the insulating groove formed in the piezoelectric layer, and have a width of 40 μm and a depth of 90 μm. A vibrating layer was obtained by grooving along the direction.

その後、パターニングされたFPC、バッキング層及び固定板を予め上述と同様の接着条件で積層して接着しておいたものに対し、上述のようにして作製された振動層と音響整合層とを順に積層して接着した。これにより、圧電層のシグナル電極及びグランド電極は、これらの絶縁状態を維持したまま、デマッチング層を配線としてFPC上に形成されたシグナル電極面及びグランド電極面にそれぞれ接続される。なお、音響整合層は、音響インピーダンスが高い音響整合材が圧電層に接するようにして接着した。そして、このようにして作製された積層体に対し、20μmの厚みを有するブレードで、長手方向(アジマス方向)に0.2mm間隔で振動層を完全に分割するダイシングを行って素子化し、さらに、分割された素子に対し、上述のブレードで約67μm間隔で音響整合層を完全に分割するダイシングを行い、トランスデューサーを作製した。   After that, the patterned FPC, backing layer, and fixing plate are previously laminated and bonded under the same bonding conditions as described above, and the vibration layer and the acoustic matching layer manufactured as described above are sequentially arranged. Laminated and adhered. As a result, the signal electrode and the ground electrode of the piezoelectric layer are connected to the signal electrode surface and the ground electrode surface formed on the FPC using the dematching layer as a wiring while maintaining these insulating states. The acoustic matching layer was bonded so that an acoustic matching material having a high acoustic impedance was in contact with the piezoelectric layer. Then, the laminated body thus produced is made into an element by performing dicing to completely divide the vibration layer at intervals of 0.2 mm in the longitudinal direction (azimuth direction) with a blade having a thickness of 20 μm, Dicing was performed on the divided elements to completely divide the acoustic matching layer at an interval of about 67 μm with the above-described blade, thereby producing a transducer.

その後、トランスデューサーの表面に、ポリパラキシリレンによる3μm程度の絶縁層を設け、この絶縁層の音響放射面に音響レンズを積層して接着し、振動部を作製した。   Thereafter, an insulating layer of about 3 μm made of polyparaxylylene was provided on the surface of the transducer, and an acoustic lens was laminated and adhered to the acoustic radiation surface of this insulating layer to produce a vibration part.

次いで、FPCにコネクタを接続した後、上述のようにして作製された振動部をケースに収納して実施例1の超音波探触子を作製した。   Next, after connecting the connector to the FPC, the vibration part produced as described above was housed in a case, and the ultrasonic probe of Example 1 was produced.

続いて、実施例1の圧電材に換えて下記表1の実施例2及び実施例3の欄に記載の圧電材を用い、実施例1と同様の要領にて実施例2及び実施例3の超音波探触子をそれぞれ作製した。   Subsequently, in place of the piezoelectric material of Example 1, the piezoelectric materials described in the columns of Example 2 and Example 3 in Table 1 below were used, and in the same manner as Example 1, Example 2 and Example 3 were used. Ultrasonic probes were produced respectively.

次に、上述したようにして音響整合層を作製した後、下記表1の比較例1の欄に記載の圧電材を用い、これを5.6mm×42.5mm×130μmの大きさに加工した後、電極を形成した。そして、短軸方向の有効開口が4.0mmになるよう背面側の短軸両端近傍に絶縁溝を長手方向に沿って形成してシグナル電極とグランド電極とを形成し、分極処理を行って圧電層を作製した。   Next, after producing an acoustic matching layer as described above, the piezoelectric material described in the column of Comparative Example 1 in Table 1 below was used and processed into a size of 5.6 mm × 42.5 mm × 130 μm. After that, an electrode was formed. Then, an insulating groove is formed along the longitudinal direction in the vicinity of both ends of the minor axis on the back side so that the effective opening in the minor axis direction is 4.0 mm, a signal electrode and a ground electrode are formed, and a polarization process is performed to perform piezoelectric processing. A layer was made.

その後、パターニングされたFPC、バッキング層及び固定板を予め上述と同様の接着条件で積層して接着しておいたものに対し、上述のようにして作製された圧電層と音響整合層とを順に積層して接着した。これにより、圧電層のシングル電極及びグランド電極は、これらの絶縁状態を維持したままFPC上に形成されたシグナル電極面及びグランド電極面にそれぞれ接続される。なお、音響整合層は、音響インピーダンスが高い音響整合材が圧電層に接するようにして接着した。そして、このようにして作製された積層体に対し、20μmの厚みを有するブレードで、長手方向(アジマス方向)に0.2mm間隔で振動層を完全に分割するダイシングを行って素子化し、さらに、分割された素子に対し、上述のブレードで約67μm間隔で音響整合層を完全に分割するダイシングを行い、トランスデューサーを作製した。   After that, the patterned FPC, backing layer, and fixing plate are previously laminated and bonded under the same bonding conditions as described above, and the piezoelectric layer and the acoustic matching layer manufactured as described above are sequentially arranged. Laminated and adhered. As a result, the single electrode and the ground electrode of the piezoelectric layer are connected to the signal electrode surface and the ground electrode surface formed on the FPC, respectively, while maintaining these insulating states. The acoustic matching layer was bonded so that an acoustic matching material having a high acoustic impedance was in contact with the piezoelectric layer. Then, the laminated body thus produced is made into an element by performing dicing to completely divide the vibration layer at intervals of 0.2 mm in the longitudinal direction (azimuth direction) with a blade having a thickness of 20 μm, Dicing was performed on the divided elements to completely divide the acoustic matching layer at an interval of about 67 μm with the above-described blade, thereby producing a transducer.

その後、トランスデューサーの表面に、ポリパラキシリレンによる3μm程度の絶縁層を設け、この絶縁層の音響放射面に音響レンズを積層して接着し、振動部を作製した。   Thereafter, an insulating layer of about 3 μm made of polyparaxylylene was provided on the surface of the transducer, and an acoustic lens was laminated and adhered to the acoustic radiation surface of this insulating layer to produce a vibration part.

次いで、FPCにコネクタを接続した後、上述のようにして作製された振動部をケースに収納して比較例1の超音波探触子を作製した。   Next, after connecting the connector to the FPC, the vibration part produced as described above was housed in a case, and an ultrasonic probe of Comparative Example 1 was produced.

続いて、比較例1の圧電材に換えて下記表1の比較例2及び比較例3の欄に記載の圧電材を用い、比較例1と同様の要領にて比較例2及び比較例3の超音波探触子をそれぞれ作製した。   Subsequently, in place of the piezoelectric material of Comparative Example 1, the piezoelectric materials described in the columns of Comparative Example 2 and Comparative Example 3 in Table 1 below were used, and in the same manner as Comparative Example 1, Comparative Examples 2 and 3 were used. Ultrasonic probes were produced respectively.

上述のようにして作製された実施例1〜3及び比較例1〜3の超音波探触子の送信感度及び耐久性について下記の条件によって評価した。測定系は、汎用のファンクションジェネレーター(Agilent社製33220A)、パワーアンプ(HP社製8447D)、ハイドロホン(Sonora社製804)及びオシロスコープ(Tektronix社製TPS5032)によって構築し、脱気した水中に上記ハイドロホンを設置した。そして、超音波探触子は、超音波探触子の焦点距離とハイドロホンの焦点距離とが合い、且つ、ハイドロホンの受信感度が最も高くなる位置に固定した。そして、Vpp80[V]のバースト波駆動にて信号の送信を行い、送信感度の比較を行った。その結果を表1に示す。なお、下記表1中の圧電材は何れも富士セラミック社製のものを使用した。   The transmission sensitivity and durability of the ultrasonic probes of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 manufactured as described above were evaluated under the following conditions. The measurement system was constructed with a general-purpose function generator (Agilent 33220A), power amplifier (HP 8447D), hydrophone (Sonora 804), and oscilloscope (Tektronix TPS5032) and degassed in the above water A hydrophone was installed. The ultrasonic probe is fixed at a position where the focal length of the ultrasonic probe matches the focal length of the hydrophone and the receiving sensitivity of the hydrophone is highest. Then, signal transmission was performed by burst wave drive of Vpp80 [V], and the transmission sensitivity was compared. The results are shown in Table 1. In addition, all the piezoelectric materials in the following Table 1 were manufactured by Fuji Ceramic.

Figure 2014107853
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表1から明らかなように、素子容量に起因する伝送ロスと抗電界に起因する駆動電圧のトレードオフがある比較例1〜3に比べ、実施例1〜3では、それらを両立して高い送受信感度を有していることがわかった。   As is clear from Table 1, compared with Comparative Examples 1 to 3 in which there is a trade-off between transmission loss due to element capacitance and drive voltage due to coercive electric field, Examples 1 to 3 achieve high compatibility between them. It was found to have sensitivity.

次に、上述のようにして作製された実施例1及び比較例3の超音波探触子の送信感度について下記の条件でそれぞれ測定し、評価した。測定系は、汎用のファンクションジェネレーター(Agilent社製33220A)、パワーアンプ(HP社製8447D)、ハイドロホン(Sonora社製804)及びオシロスコープ(Tektronix社製TPS5032)によって構築し、脱気した水中に上記ハイドロホンを設置した。そして、超音波探触子は、超音波探触子の焦点距離とハイドロホンの焦点距離とが合い、且つ、ハイドロホンの受信感度が最も高くなる位置に固定した。そして、各超音波探触子に対し、下記表2に記載の駆動電圧のバースト波を入力し、それぞれの送信感度を評価した。その結果を表2に示す。   Next, the transmission sensitivities of the ultrasonic probes of Example 1 and Comparative Example 3 manufactured as described above were measured and evaluated under the following conditions, respectively. The measurement system was constructed with a general-purpose function generator (Agilent 33220A), power amplifier (HP 8447D), hydrophone (Sonora 804), and oscilloscope (Tektronix TPS5032) and degassed in the above water A hydrophone was installed. The ultrasonic probe is fixed at a position where the focal length of the ultrasonic probe matches the focal length of the hydrophone and the receiving sensitivity of the hydrophone is highest. And the burst wave of the drive voltage shown in following Table 2 was input with respect to each ultrasonic probe, and each transmission sensitivity was evaluated. The results are shown in Table 2.

Figure 2014107853
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表2から明らかなように、実施例1の超音波探触子の送信感度は駆動電圧に依存して増加しており、システムの駆動電圧帯を十分に利用することができることがわかった。これに対し、比較例3の超音波探触子は、駆動電圧が50V(100Vpp)までは駆動電圧に依存して送信感度が増加しているが、60V(120Vpp)以上では許容電圧を超える電圧が与えられたことによる感度の低下が生じ、70V(140Vpp)の駆動電圧にあっては脱分極によるノイズが発生していることがわかった。このように、実施例1の超音波探触子は、比較例3の超音波探触子に比べて高感度化が可能であることがわかった。   As is clear from Table 2, it was found that the transmission sensitivity of the ultrasonic probe of Example 1 increased depending on the drive voltage, and the drive voltage band of the system could be fully utilized. On the other hand, in the ultrasonic probe of Comparative Example 3, the transmission sensitivity increases depending on the drive voltage until the drive voltage is 50 V (100 Vpp), but the voltage exceeds the allowable voltage at 60 V (120 Vpp) or more. As a result, it was found that noise was caused by depolarization at a driving voltage of 70 V (140 Vpp). Thus, it was found that the sensitivity of the ultrasonic probe of Example 1 was higher than that of the ultrasonic probe of Comparative Example 3.

次に、上述した測定条件にて、実施例1及び比較例3の超音波探触子に対してそれぞれ50V(100Vpp)の駆動電圧で連続して駆動を行い、駆動開始後5分、10分、20分及び30分経過後の測定開始直後の送信感度に対する相対感度について測定した。その結果を表3に示す。   Next, the ultrasonic probes of Example 1 and Comparative Example 3 were continuously driven at a driving voltage of 50 V (100 Vpp) under the measurement conditions described above, and 5 minutes and 10 minutes after the start of driving. The relative sensitivity with respect to the transmission sensitivity immediately after the start of measurement after the lapse of 20 minutes and 30 minutes was measured. The results are shown in Table 3.

Figure 2014107853
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表3から明らかなように、実施例1の超音波探触子の送信感度は、長時間の駆動にもかかわらず、ほぼ一定の感度特性を有していることがわかった。すなわち、連続して駆動することに伴う圧電材の温度上昇にかかわらず、ほぼ一定の感度特性を維持していることがわかった。これに対し、比較例3の超音波探触子は、時間の経過とともに感度が低下していることがわかった。すなわち、連続して駆動することに伴う圧電材の温度上昇により感度が低下していることがわかった。このように、実施例1の超音波探触子は、熱的安定性が高く、高い感度特性を長時間維持することができることがわかった。   As is apparent from Table 3, it was found that the transmission sensitivity of the ultrasonic probe of Example 1 has a substantially constant sensitivity characteristic in spite of long-time driving. That is, it was found that the sensitivity characteristics were maintained almost constant regardless of the temperature rise of the piezoelectric material due to continuous driving. On the other hand, it was found that the sensitivity of the ultrasonic probe of Comparative Example 3 decreased with time. That is, it was found that the sensitivity was lowered due to the temperature rise of the piezoelectric material accompanying continuous driving. Thus, it was found that the ultrasonic probe of Example 1 has high thermal stability and can maintain high sensitivity characteristics for a long time.

以上説明したように、本実施の形態によれば、圧電層24の超音波の放射面とは反対側の面に圧電層24の音響インピーダンスよりも高い音響インピーダンスを有するデマッチング層23が配置され、nλ/4(nは奇数)共振により超音波を送受信する超音波探触子2において、抗電界が25℃下において1.0MV/m以上である圧電材を用いて圧電層24を構成する。その結果、デマッチング層が用いられても厚みに依存されずに高い電圧駆動を可能にすることができるので、診断装置本体におけるシステムの駆動電圧を最大限利用することができ、高い中心周波数特性を有する超音波探触子で高感度化を実現することができるようになる。また、長時間使用しても特性の変化が小さいので、経年劣化の小さい超音波探触子を提供することができるようになる。   As described above, according to the present embodiment, the dematching layer 23 having an acoustic impedance higher than the acoustic impedance of the piezoelectric layer 24 is disposed on the surface of the piezoelectric layer 24 opposite to the ultrasonic radiation surface. In the ultrasonic probe 2 that transmits and receives ultrasonic waves by resonance with nλ / 4 (n is an odd number), the piezoelectric layer 24 is configured using a piezoelectric material having a coercive electric field of 1.0 MV / m or more at 25 ° C. . As a result, even if a dematching layer is used, it is possible to drive a high voltage without depending on the thickness, so that the drive voltage of the system in the diagnostic device main body can be used to the maximum, and a high center frequency characteristic is obtained. Higher sensitivity can be realized with an ultrasonic probe having In addition, since the change in characteristics is small even when used for a long time, it is possible to provide an ultrasonic probe with little deterioration over time.

また、本実施の形態によれば、抗電界が60℃下において0.9MV/m以上である圧電材を用いて圧電層24を構成したので、高温時でも圧電特性の劣化が小さく、長時間使用しても圧電特性の変化を小さくすることができ、動作の安定した超音波探触子を提供することができる。   In addition, according to the present embodiment, since the piezoelectric layer 24 is configured using the piezoelectric material having a coercive electric field of 0.9 MV / m or more at 60 ° C., the deterioration of the piezoelectric characteristics is small even at high temperatures, and the Even if it is used, the change in piezoelectric characteristics can be reduced, and an ultrasonic probe with stable operation can be provided.

また、本実施の形態によれば、圧電材は、Bサイトを置換する2価又は3価の元素を含むアクセプター添加物を含んでいるので、圧電材の抗電界を上昇させることができるようになる。   In addition, according to the present embodiment, since the piezoelectric material includes an acceptor additive including a divalent or trivalent element that replaces the B site, the coercive electric field of the piezoelectric material can be increased. Become.

また、本実施の形態によれば、アクセプター添加物は、Fe3+、Co2+及びMn2+の少なくとも1種類以上を含んでいるので、圧電材の抗電界をより上昇させることができるようになる。 In addition, according to the present embodiment, the acceptor additive contains at least one of Fe 3+ , Co 2+ and Mn 2+ , so that the coercive electric field of the piezoelectric material can be further increased.

また、本実施の形態によれば、誘電率が1800以上である圧電材を用いて圧電層24を構成したので、抗電界が安定して得られるようになる。   Further, according to the present embodiment, since the piezoelectric layer 24 is configured using a piezoelectric material having a dielectric constant of 1800 or more, a coercive electric field can be stably obtained.

また、本実施の形態によれば、キュリー温度が250℃以上350℃以下である圧電材を用いて圧電層24を構成したので、圧電材を効率的に用いることができるようになる。   According to the present embodiment, since the piezoelectric layer 24 is configured using the piezoelectric material having a Curie temperature of 250 ° C. or higher and 350 ° C. or lower, the piezoelectric material can be used efficiently.

また、本実施の形態によれば、出力する超音波の中心周波数を7MHzとしたので、圧電材を効率的に用いることができるようになる。   According to the present embodiment, since the center frequency of the output ultrasonic wave is 7 MHz, the piezoelectric material can be used efficiently.

なお、本発明の実施の形態における記述は、本発明に係る超音波画像診断装置の一例であり、これに限定されるものではない。超音波画像診断装置を構成する各機能部の細部構成及び細部動作に関しても適宜変更可能である。   The description in the embodiment of the present invention is an example of the ultrasonic diagnostic imaging apparatus according to the present invention, and the present invention is not limited to this. The detailed configuration and detailed operation of each functional unit constituting the ultrasonic diagnostic imaging apparatus can be appropriately changed.

1 超音波画像診断装置
2 超音波探触子
4 診断装置本体
21 超音波振動子
23 デマッチング層(反射層)
24 圧電層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ultrasonic image diagnostic apparatus 2 Ultrasonic probe 4 Diagnostic apparatus main body 21 Ultrasonic transducer 23 Dematching layer (reflection layer)
24 Piezoelectric layer

Claims (7)

圧電層の超音波の放射面とは反対側の面に該圧電層の音響インピーダンスよりも高い音響インピーダンスを有する反射層が配置され、nλ/4(nは奇数)共振により超音波を送受信する超音波探触子において、
前記圧電層を構成する圧電材の抗電界が25℃下において1.0MV/m以上であることを特徴とする超音波探触子。
A reflection layer having an acoustic impedance higher than the acoustic impedance of the piezoelectric layer is disposed on the surface opposite to the ultrasonic radiation surface of the piezoelectric layer, and transmits and receives ultrasonic waves by nλ / 4 (n is an odd number) resonance. In the acoustic probe,
An ultrasonic probe, wherein a coercive electric field of a piezoelectric material constituting the piezoelectric layer is 1.0 MV / m or more at 25 ° C.
前記圧電材の抗電界が60℃下において0.9MV/m以上であることを特徴とする請求項1に記載の超音波探触子。   The ultrasonic probe according to claim 1, wherein a coercive electric field of the piezoelectric material is 0.9 MV / m or more at 60 ° C. 前記圧電材は、Bサイトを置換する2価又は3価の元素を含むアクセプター添加物を含んでいることを特徴とする請求項1又は2に記載の超音波探触子。   The ultrasonic probe according to claim 1, wherein the piezoelectric material includes an acceptor additive including a divalent or trivalent element that substitutes for a B site. 前記元素は、Fe3+、Co2+及びMn2+の少なくとも1種類以上であることを特徴とする請求項3に記載の超音波探触子。 The ultrasonic probe according to claim 3, wherein the element is at least one of Fe 3+ , Co 2+, and Mn 2+ . 前記圧電材の誘電率が1800以上であることを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の超音波探触子。   The ultrasonic probe according to claim 1, wherein the piezoelectric material has a dielectric constant of 1800 or more. 前記圧電材のキュリー温度が250℃以上350℃以下であることを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の超音波探触子。   The ultrasonic probe according to claim 1, wherein the piezoelectric material has a Curie temperature of 250 ° C. or higher and 350 ° C. or lower. 出力する超音波の中心周波数が7MHz以上であることを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載の超音波探触子。   The ultrasonic probe according to any one of claims 1 to 6, wherein the center frequency of the output ultrasonic wave is 7 MHz or more.
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