JP2017034527A - 圧電素子、プローブ、超音波測定装置、電子機器、分極処理方法、及び、初期化装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本実施形態における超音波測定装置1の概略構成及び超音波プローブ20の上面を示す図である。図1によれば、超音波測定装置1は、超音波を用いて被検者の生体情報を測定する電子機器であり、装置本体10と、超音波プローブ20とを備えて構成される。装置本体10と超音波プローブ20とはケーブル12で接続されており、装置本体10から超音波プローブ20へ駆動信号が送信されるとともに、超音波プローブ20から装置本体10へ検出信号が送信される。
超音波プローブ20は、表側体26と裏側体24とを相互に結合することで薄型直方体のなる筐体22を形成し、筐体22の内部に超音波デバイスユニット40(図3参照)を有している。表側体26と裏側体24との結合面の間に形成されたケーブル口28を通じて、ケーブル12が、筐体22内部の超音波デバイスユニット40に接続されている。超音波デバイスユニット40は、装置本体10からの駆動信号に従って超音波を送信するともに、超音波の反射波を受信し、受信した反射波の信号を検出信号として装置本体10に出力する。
図3は、超音波デバイスユニット40の構成を概念的に示す図である。超音波デバイスユニット40は、筐体22の裏面側から見て(図2において)、音響整合部30の直下に配置され、複数の超音波トランスデューサー44が二次元アレイ状に配置された素子アレイ42を有して構成される。すなわち、素子アレイ42には、第1方向FR(スライス方向)に、N行の超音波トランスデューサー44が並べられ、第1方向FRと直交する第2方向SR(スキャン方向)に、L列の超音波トランスデューサー44が並べられている。1つの超音波トランスデューサー44は、超音波を送信する送信素子と、超音波の反射波を受信する受信素子50とを含むトランスデューサー素子チップとして構成される。本実施形態は、超音波トランスデューサー44のうちの受信素子50に特徴を有するため、以下では、受信素子50についてより詳細に説明する。
図4は、受信素子50の平面図であり、図5は、図4のA−A’矢視断面図である。受信素子50は、圧電素子62と、振動膜64と、を有する。圧電素子62は、圧電体66と、圧電体66の一側面に配置された第1電極68、第2電極70、及び、第3電極72とを有して構成される。圧電体66は、例えばジルコン酸チタン酸鉛(PZT)等の圧電材料で形成される。圧電体66の代表的な膜圧は、200nm〜2000nmである。また、第1電極68、第2電極70、及び、第3電極72の代表的な膜圧は、20nm〜200nmである。
圧電素子62による超音波の受信処理においては、第1電極線74(第1電極68ともいえる)と第3電極線78(第3電極72ともいえる)との間に、受信した超音波に応じた電位差の信号(すなわち電気信号)が表れ、検出信号として出力される。より具体的には、超音波トランスデューサー44の送信素子から送信された超音波が被検者の生体内で反射し、その反射波(弾性波)を振動膜64が受感して振動する。振動膜64と圧電体66とは一体に構成されているため、振動膜64が超音波振動により変形することで、圧電体66がひずむ。圧電体66には、ひずみに応じた表面電荷が生成され、第1電極68と第3電極72との間に電位差(電圧)が表れ、これが第1電極68と第3電極72との間に生じる圧電効果による検出信号として取り出される。圧電素子62別の検出信号は、超音波トランスデューサー44単位で検出されるため、図3に示すようなドットマトリクスの単位で検出信号が得られる。
圧電素子62には、所望の圧電効果を得るための初期化処理として、圧電体66の分極モーメントの向きを揃えるための分極処理を行う必要がある。図6は、圧電素子62に対する分極処理の手順の説明図である。分極処理は、複数段階で実行される。すなわち、隣り合う電極間それぞれについて、順に、当該電極間の圧電体部分を対象として、所定の直流電界である分極処理用電界を印加する。本実施形態では、圧電素子62は3つの電極(第1電極68、第2電極70、及び、第3電極)を直線状に有しており、隣り合う電極間は二つであるため、分極処理は二段階で実行される。また、印加される分極処理用電界は、受信処理の検出に用いられる第1電極68から第3電極72に向かう方向となり、隣り合う電極間の間隔W2が同一であるため、二段階の分極処理で用いる分極処理用電界の大きさは同一となる。
このように、本実施形態によれば、水平電極構造の圧電素子62において、分極処理用電界を低減させることができる。すなわち、圧電素子62は、圧電体66の一側面に、第1電極68、第2電極70、及び、第3電極72の3つの電極を、等間隔で直線状に配置して備える。圧電効果を利用して超音波を受信する場合には、第1電極68と第3電極72との間の電位差(電圧)を、超音波の検出信号として取り出すことができる。圧電効果を利用するための初期化である圧電体66の分極処理は、隣り合う電極間に、順に、所定の同一方向の分極処理用電界を印加することで行う。すなわち、先ず、第1電極68と第2電極70との間に、分極処理用電界V1を印加し、次いで、第2電極70と第3電極72との間に、分極処理用電界V1を印加する。このときの分極処理用電界V1は、第1電極68と第3電極72との間に一度に電界を印加して分極処理する場合の半分となる。
なお、本発明の適用可能な実施形態は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なのは勿論である。
上述の実施形態では、第1電極68、第2電極70、及び、第3電極72の3個(N=3)の電極が配置された圧電素子62について説明したが、4個以上(N>3)の電極を配置した圧電素子についても同様に適用可能である。
また、上述の実施形態では、圧電素子62の平面視形状(図4における形状)を正方形状としたが、長方形状といった他の矩形状や、多角形状、楕円形状といった他の形状としても良い。
また、上述の実施形態では、隣り合う電極の間隔を一定としたが、異なる間隔としてもよい。この場合、例えば、電極の数Nを3とし、第1電極と第2電極の間隔をW11、第2電極と第3電極の間隔をW12とするならば、第2電極と第3電極の間に印加する分極用電界の大きさを、第1電極と第2電極の間に印加する分極用電界の(W12/W11)倍とすることで、各電極間の分極モーメントを均一化することができる。すなわち、隣り合う電極間の間隔の長さと、分極用電界の大きさとを比例させることとすると好適である。
また、受信素子50に対する超音波の入力方向が異なるように構成することもできる。具体的には、図9に示すように、振動膜64に対して圧電素子62と同じ配置面側に圧電素子62を挟むようにしてシリコン側壁56を配置した受信素子50Aを構成することができる。この受信素子50Aは、超音波が、図9において下方側から入力するように用いられる。
Claims (10)
- 1番目の電極とN(N≧3)番目の電極との間に生じる圧電効果が実用に供される圧電素子であって、
圧電体と、
前記圧電体の一側面にN個の電極が配置された水平電極構造と、
を備え、i番目以前の前記電極と(i+1)番目以降の前記電極との間に、前記水平電極構造に対する一定方向の分極処理用電界を印加することを、i=1〜(N−1)それぞれについて行って分極処理され、前記圧電体の分極モーメントが前記一定方向に揃えられた圧電素子。 - 隣り合う前記電極間の距離は、2μm以上8μm以下である、
請求項1に記載の圧電素子。 - 前記分極処理用電界は、前記圧電体の抗電界より大きい、
請求項1又は2に記載の圧電素子。 - 前記水平電極構造は、前記N個の電極が直線状に配置されて構成された、
請求項1〜3の何れか一項に記載の圧電素子。 - 前記水平電極構造は、前記N個の電極が等間隔に配置されて構成された、
請求項4に記載の圧電素子。 - 請求項1〜5の何れか一項に記載の圧電素子と、
1番目の前記電極とN番目の前記電極との間に生じる電気信号を出力する出力部と、
を備え、弾性波受信部としての機能を発揮するプローブ。 - 超音波信号を受信するための請求項6に記載のプローブを備えた超音波測定装置。
- 請求項6に記載のプローブを備えた電子機器。
- 圧電体の一側面にN(N≧3)個の電極が配置された水平電極構造を有し、1番目の電極とN番目の電極との間に生じる圧電効果が実用に供される圧電素子の前記圧電体を分極処理する分極処理方法であって、
i番目以前の前記電極と(i+1)番目以降の前記電極との間に、前記水平電極構造に対する一定方向の分極処理用電界を印加することを、i=1〜(N−1)それぞれについて行って、前記圧電体の分極モーメントを前記一定方向とする分極処理を行う分極処理方法。 - 圧電体の一側面にN(N≧3)個の電極が配置された水平電極構造を有し、1番目の電極とN番目の電極との間に生じる圧電効果が実用に供される圧電素子の前記圧電体を分極処理する初期化装置であって、
i番目以前の前記電極と(i+1)番目以降の前記電極との間に、前記水平電極構造に対する一定方向の分極処理用電界を印加することを、i=1〜(N−1)それぞれについて行って、前記圧電体の分極モーメントを前記一定方向とする分極処理を行う初期化装置。
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