JP2017183867A - Ultrasonic transducer, ultrasonic array, ultrasonic module, ultrasonic measurement apparatus, and electronic apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、超音波トランスデューサー、超音波アレイ、超音波モジュール、超音波測定装置、及び電子機器に関する。 The present invention relates to an ultrasonic transducer, an ultrasonic array, an ultrasonic module, an ultrasonic measurement device, and an electronic apparatus.
従来、ダイアフラムと、ダイアフラムの一方の面側に設けられた、圧電体及び当該圧電体を挟む2つの電極を備える超音波センサ素子が知られている(例えば特許文献1)。特許文献1に記載の超音波センサ素子は、超音波によるダイアフラムの振動振幅に応じた電気信号を、2つの電極から出力する。この電気信号を用いて、超音波を検出することができる。
Conventionally, an ultrasonic sensor element including a diaphragm and a piezoelectric body and two electrodes sandwiching the piezoelectric body provided on one surface side of the diaphragm is known (for example, Patent Document 1). The ultrasonic sensor element described in
ところで、特許文献1に記載されるような超音波センサ素子(以下、超音波トランスデューサーとも称す)では、2つの電極間に例えば所定周波数の矩形波電圧を印加して、圧電体を振動させることにより、ダイアフラムを振動させて、超音波を送出することができる。このようにして超音波トランスデューサーから対象物に対して超音波を送出し、対象物から反射された超音波を受信することにより、対象物の内部構造を測定することができる。
By the way, in an ultrasonic sensor element (hereinafter also referred to as an ultrasonic transducer) as described in
ここで、超音波トランスデューサーから出力される超音波の周波数(以下、送信周波数とも称す)を増大させて、分解能を向上させることにより、測定精度の向上を図ることができる。具体的には、送信周波数を増大させるために、例えば、ダイアフラムの平面寸法を小さくして、ダイアフラムの固有周波数を増大させることが考えられる。 Here, it is possible to improve the measurement accuracy by increasing the frequency of ultrasonic waves output from the ultrasonic transducer (hereinafter also referred to as transmission frequency) and improving the resolution. Specifically, in order to increase the transmission frequency, for example, it is conceivable to reduce the planar dimension of the diaphragm and increase the natural frequency of the diaphragm.
しかしながら、ダイアフラムの平面寸法を小さくすると、超音波トランスデューサーを駆動させてダイアフラムを振動させた際の、ダイアフラムの最大振幅が小さくなるうえ、ダイアフラムの面積も小さくなる。したがって、超音波トランスデューサーから送信される超音波の音圧つまり送信出力が低下するおそれがある。このように、従来の超音波トランスデューサーにおいて、送信出力の低下を抑制しつつ、送信周波数を増大させることは容易ではないという課題があった。 However, when the planar dimension of the diaphragm is reduced, the maximum amplitude of the diaphragm when the ultrasonic transducer is driven to vibrate the diaphragm is reduced, and the area of the diaphragm is also reduced. Therefore, there is a possibility that the sound pressure, that is, the transmission output of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transducer is lowered. Thus, in the conventional ultrasonic transducer, there is a problem that it is not easy to increase the transmission frequency while suppressing a decrease in transmission output.
本発明は、送信出力の低下を抑制しつつ、送信周波数を増大させることができる超音波トランスデューサー、超音波アレイ、超音波モジュール、超音波測定装置、及び電子機器を提供することを一つの目的とする。 One object of the present invention is to provide an ultrasonic transducer, an ultrasonic array, an ultrasonic module, an ultrasonic measurement device, and an electronic apparatus that can increase a transmission frequency while suppressing a decrease in transmission output. And
一適用例に係る超音波トランスデューサーは、可撓膜と、前記可撓膜を振動させる第一振動部及び第二振動部と、を備え、前記第二振動部は、前記可撓膜の厚み方向から見た平面視において、前記可撓膜の最大変位点から離れた位置に設けられることを特徴とする。 An ultrasonic transducer according to an application example includes a flexible film, and a first vibrating part and a second vibrating part that vibrate the flexible film, and the second vibrating part has a thickness of the flexible film. It is provided at a position away from the maximum displacement point of the flexible film in a plan view as viewed from the direction.
本適用例の超音波トランスデューサーは、可撓膜を振動させる第一振動部と第二振動部とを備える。第二振動部は、上記平面視において、可撓膜の最大変位点から離れた位置に設けられている。なお、可撓膜の最大変位点とは、自由振動する際における変位量が最大となる点である。可撓膜が、面方向に沿って均一に形成されている場合、可撓膜の重心に一致する。
この超音波トランスデューサーを用いて超音波を送信する際に、第一振動部が、可撓膜を一方向に変形させる応力を可撓膜に付与し、第二振動部が、可撓膜を上記一方向とは反対方向に変形させる応力を可撓膜に付与するように、これら第一振動部及び第二振動部を駆動することにより、超音波トランスデューサーの固有周波数を増大させることができ、送信される超音波の周波数(送信周波数)を増大させることができる。つまり、第二振動部が、可撓膜の最大変位点から離れた位置に、第一振動部とは反対方向の応力を付与するため、第一振動部を単独で駆動した場合や、可撓膜と第一振動部とのみを備える超音波トランスデューサーと比べて、可撓膜の振動周期を増大させることができ、超音波トランスデューサーの固有周波数を増大させることができる。
また、可撓膜の平面寸法を予め小さくして固有周波数を増大させる場合、可撓膜の最大振幅や可撓膜の面積が減少するため、超音波の送信出力が低下する。これに対して、本適用例では、可撓膜の平面寸法を小さくする必要がないため、可撓膜の平面寸法を小さくすることによる送信出力の低下が生じない。
以上から、本適用例では、超音波トランスデューサーの送信出力の低下を抑制しつつ、送信周波数を増大させることができる。
The ultrasonic transducer of this application example includes a first vibrating portion and a second vibrating portion that vibrate the flexible membrane. The second vibrating portion is provided at a position away from the maximum displacement point of the flexible film in the plan view. Note that the maximum displacement point of the flexible membrane is the point at which the amount of displacement during free vibration is maximized. When the flexible membrane is formed uniformly along the surface direction, it coincides with the center of gravity of the flexible membrane.
When transmitting ultrasonic waves using this ultrasonic transducer, the first vibration unit applies stress to the flexible film to deform the flexible film in one direction, and the second vibration unit applies the flexible film to the flexible film. The natural frequency of the ultrasonic transducer can be increased by driving the first vibration unit and the second vibration unit so as to apply a stress to the flexible film in a direction opposite to the one direction. The frequency (transmission frequency) of the transmitted ultrasonic wave can be increased. That is, the second vibrating part applies stress in the opposite direction to the first vibrating part to a position away from the maximum displacement point of the flexible membrane, so that when the first vibrating part is driven alone, Compared to an ultrasonic transducer including only the membrane and the first vibration unit, the vibration period of the flexible membrane can be increased, and the natural frequency of the ultrasonic transducer can be increased.
When the planar dimension of the flexible membrane is reduced in advance to increase the natural frequency, the maximum amplitude of the flexible membrane and the area of the flexible membrane are reduced, so that the ultrasonic transmission output is reduced. On the other hand, in this application example, since it is not necessary to reduce the planar dimension of the flexible film, the transmission output is not reduced by reducing the planar dimension of the flexible film.
As described above, in this application example, it is possible to increase the transmission frequency while suppressing a decrease in the transmission output of the ultrasonic transducer.
本適用例の超音波トランスデューサーにおいて、前記第一振動部は、前記平面視において、前記最大変位点と重なる位置に設けられることが好ましい。
本適用例では、第一振動部が、可撓膜の最大変位点と重なる位置に設けられている。これにより、第一振動部によって可撓膜を効率良く振動させることができる。したがって、超音波トランスデューサーの送信出力を向上させることができる。
In the ultrasonic transducer according to this application example, it is preferable that the first vibration unit is provided at a position overlapping the maximum displacement point in the plan view.
In this application example, the first vibration unit is provided at a position overlapping the maximum displacement point of the flexible membrane. Thereby, the flexible membrane can be efficiently vibrated by the first vibrating portion. Therefore, the transmission output of the ultrasonic transducer can be improved.
本適用例の超音波トランスデューサーにおいて、前記第一振動部は、前記平面視において、前記最大変位点に対して点対称となる位置に設けられ、前記第二振動部は、前記平面視において、前記最大変位点に対して点対称となる位置に設けられることが好ましい。
本適用例では、第一振動部及び第二振動部は、それぞれ平面視において可撓膜の最大変位点に対して点対称となる位置に設けられる。このような構成では、可撓膜の最大変位点を振動の中心として可撓膜を振動させることにより、可撓膜をより効率良く振動させることができ、超音波トランスデューサーの送信出力を向上させることができる。
In the ultrasonic transducer of this application example, the first vibration unit is provided at a position that is point-symmetric with respect to the maximum displacement point in the plan view, and the second vibration unit is in the plan view. It is preferable to be provided at a position that is point-symmetric with respect to the maximum displacement point.
In this application example, the first vibrating portion and the second vibrating portion are provided at positions that are point-symmetric with respect to the maximum displacement point of the flexible film in plan view. In such a configuration, by vibrating the flexible film with the maximum displacement point of the flexible film as the center of vibration, the flexible film can be vibrated more efficiently, and the transmission output of the ultrasonic transducer is improved. be able to.
本適用例の超音波トランスデューサーにおいて、前記第二振動部は、前記平面視において、前記可撓膜の外縁に沿って設けられることが好ましい。
本適用例では、第二振動部は、可撓膜の外縁に沿って設けられる。このような構成では、可撓膜の最大変位点からより離れた位置に、第二振動部を配置することができる。したがって、最大変位点の周囲の可撓膜の振動が第二振動部によって阻害されることを抑制でき、超音波トランスデューサーの送信出力の低下を抑制できる。
In the ultrasonic transducer according to this application example, it is preferable that the second vibration unit is provided along an outer edge of the flexible film in the plan view.
In this application example, the second vibrating portion is provided along the outer edge of the flexible membrane. In such a configuration, the second vibrating portion can be arranged at a position further away from the maximum displacement point of the flexible membrane. Therefore, it is possible to suppress the vibration of the flexible film around the maximum displacement point from being hindered by the second vibrating portion, and it is possible to suppress a decrease in the transmission output of the ultrasonic transducer.
本適用例の超音波トランスデューサーにおいて、前記第一振動部は、前記可撓膜の一方の面に設けられた第一圧電素子であり、前記第二振動部は、前記可撓膜の他方の面に設けられた第二圧電素子であることが好ましい。
本適用例では、第一振動部は第一圧電素子であり、第二振動部は第二圧電素子である。また、第一圧電素子は、可撓膜の一面に、第二圧電素子は、可撓膜の第二面に設けられている。このような構成では、各圧電素子に電圧を印加した際に、圧電体の可撓膜側の面と反対側の面との間で収縮量に差が生じ、各圧電素子から可撓膜に対して反対向きの応力が作用する。これにより、上述のように可撓膜の振動周期を増大させることができ、超音波トランスデューサーの送信出力の低下を抑制しつつ、固有周波数を増大させることができる。
また、第二圧電素子が、可撓膜の第一圧電素子が設けられた面とは反対側の面に設けられているため、可撓膜の同一面に設けられている構成と比べて、各圧電素子を形成することが容易である。
In the ultrasonic transducer according to this application example, the first vibration unit is a first piezoelectric element provided on one surface of the flexible film, and the second vibration unit is the other of the flexible film. The second piezoelectric element is preferably provided on the surface.
In this application example, the first vibration unit is a first piezoelectric element, and the second vibration unit is a second piezoelectric element. The first piezoelectric element is provided on one surface of the flexible film, and the second piezoelectric element is provided on the second surface of the flexible film. In such a configuration, when a voltage is applied to each piezoelectric element, there is a difference in the amount of contraction between the surface of the piezoelectric body on the side of the flexible film and the surface on the opposite side, and each piezoelectric element is transferred to the flexible film. On the other hand, the opposite stress acts. As a result, the vibration period of the flexible membrane can be increased as described above, and the natural frequency can be increased while suppressing a decrease in the transmission output of the ultrasonic transducer.
In addition, since the second piezoelectric element is provided on the surface of the flexible film opposite to the surface on which the first piezoelectric element is provided, compared to the configuration provided on the same surface of the flexible film, It is easy to form each piezoelectric element.
本適用例の超音波トランスデューサーにおいて、前記第一圧電素子は、前記可撓膜側から第一電極、第一圧電体、及び第二電極が積層された構成を有し、前記第二圧電素子は、前記可撓膜側から第三電極、第二圧電体、及び第四電極が積層された構成を有し、前記第一電極及び前記第二電極の一方と、前記第三電極及び前記第四電極の一方とは、短絡され、前記第一電極及び前記第二電極の他方と、前記第三電極及び前記第四電極の他方とは、短絡されていることが好ましい。
本適用例では、第一圧電素子及び第二圧電素子の各電極のうちの一方と他方とがそれぞれ短絡されている。このような構成では、超音波トランスデューサーを駆動する際に、第一圧電素子と第二圧電素子とを同一の駆動信号で駆動させることができる。したがって、各圧電素子を個別に駆動する構成と比べて、各圧電素子の駆動タイミングを同期させることが容易である。また、各圧電素子を個別に駆動させる場合と比べて、超音波トランスデューサーの駆動回路の構成を簡略化できる。また、超音波トランスデューサー及び駆動回路を制御する制御装置の処理負荷を低減できる。
In the ultrasonic transducer of this application example, the first piezoelectric element has a configuration in which a first electrode, a first piezoelectric body, and a second electrode are stacked from the flexible film side, and the second piezoelectric element Has a configuration in which a third electrode, a second piezoelectric body, and a fourth electrode are laminated from the flexible membrane side, and one of the first electrode and the second electrode, the third electrode, and the second electrode Preferably, one of the four electrodes is short-circuited, and the other of the first electrode and the second electrode and the other of the third electrode and the fourth electrode are short-circuited.
In this application example, one and the other of the electrodes of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are short-circuited. In such a configuration, when the ultrasonic transducer is driven, the first piezoelectric element and the second piezoelectric element can be driven with the same drive signal. Therefore, it is easier to synchronize the drive timing of each piezoelectric element as compared to a configuration in which each piezoelectric element is driven individually. Further, the configuration of the driving circuit of the ultrasonic transducer can be simplified as compared with the case where each piezoelectric element is driven individually. In addition, the processing load on the control device that controls the ultrasonic transducer and the drive circuit can be reduced.
一適用例の超音波アレイは、可撓膜と、前記可撓膜を振動させる第一振動部及び第二振動部と、を備える超音波トランスデューサーを複数備える超音波アレイであって、前記第二振動部は、前記可撓膜の厚み方向から見た平面視において、前記可撓膜の最大変位点から離れた位置に設けられることを特徴とする。
本適用例の超音波アレイは、上記適用例の超音波トランスデューサーを複数備え構成されている。したがって、本適用例では、上記適用例の超音波トランスデューサーと同様に、送信出力の低下を抑制しつつ、送信周波数を増大させることができる。
An ultrasonic array of an application example is an ultrasonic array including a plurality of ultrasonic transducers including a flexible film, and a first vibration unit and a second vibration unit that vibrate the flexible film, The two vibrating portions are provided at positions away from the maximum displacement point of the flexible membrane in a plan view as viewed from the thickness direction of the flexible membrane.
The ultrasonic array of this application example includes a plurality of ultrasonic transducers of the above application example. Therefore, in this application example, similarly to the ultrasonic transducer of the application example described above, it is possible to increase the transmission frequency while suppressing a decrease in transmission output.
本適用例の超音波アレイにおいて、複数の前記超音波トランスデューサーのうちの第一の超音波トランスデューサーと、第二の超音波トランスデューサーとは、前記平面視において、前記第二振動部が配置された領域の面積が異なることが好ましい。
本適用例では、超音波アレイを構成する複数の超音波トランスデューサーは、上記平面視における第二振動部の面積が互いに異なる第一の超音波トランスデューサーと、第二の超音波トランスデューサーとを含む。この第一の超音波トランスデューサーと第二の超音波トランスデューサーとは、第二振動部の面積が異なり、第二振動部から可撓膜へ付与される応力の大きさや、応力が付与される領域が異なる。このため、第一の超音波トランスデューサーは、第二の超音波トランスデューサーとは異なる周波数の超音波を送信することができる。したがって、超音波アレイは、二以上の周波数の超音波を送信することができる。
In the ultrasonic array of this application example, the first ultrasonic transducer and the second ultrasonic transducer among the plurality of ultrasonic transducers are arranged in the second vibration unit in the plan view. It is preferable that the areas of the formed regions are different.
In this application example, the plurality of ultrasonic transducers constituting the ultrasonic array include a first ultrasonic transducer and a second ultrasonic transducer having different areas of the second vibration part in the planar view. Including. The first ultrasonic transducer and the second ultrasonic transducer have different areas of the second vibration part, and the magnitude of stress applied to the flexible film from the second vibration part and stress are applied. The area is different. For this reason, the first ultrasonic transducer can transmit ultrasonic waves having a frequency different from that of the second ultrasonic transducer. Therefore, the ultrasonic array can transmit ultrasonic waves having two or more frequencies.
一適用例の超音波モジュールは、可撓膜と、前記可撓膜を振動させる第一振動部及び第二振動部と、前記第一振動部及び前記第二振動部が接続される回路基板と、を備え、前記第二振動部は、前記可撓膜の厚み方向から見た平面視において、前記可撓膜の最大変位点から離れた位置に設けられることを特徴とする。
本適用例の超音波モジュールは、可撓膜を振動させる第一振動部と第二振動部とを備える。この可撓膜は、上記平面視において、第一振動部によって振動された際の最大変位点を有し、第二振動部は、上記平面視において、可撓膜の最大変位点から離れた位置に設けられている。したがって、本適用例では、上記適用例の超音波トランスデューサーと同様に、送信出力の低下を抑制しつつ、送信周波数を増大させることができる。
An ultrasonic module of one application example includes a flexible film, a first vibration part and a second vibration part that vibrate the flexible film, and a circuit board to which the first vibration part and the second vibration part are connected. The second vibrating section is provided at a position away from the maximum displacement point of the flexible film in a plan view as viewed from the thickness direction of the flexible film.
The ultrasonic module of this application example includes a first vibrating portion and a second vibrating portion that vibrate the flexible membrane. The flexible membrane has a maximum displacement point when vibrated by the first vibrating portion in the plan view, and the second vibrating portion is located away from the maximum displacement point of the flexible membrane in the plan view. Is provided. Therefore, in this application example, similarly to the ultrasonic transducer of the application example described above, it is possible to increase the transmission frequency while suppressing a decrease in transmission output.
本適用例の超音波測定装置は、可撓膜と、前記可撓膜を振動させる第一振動部及び第二振動部と、を備える超音波トランスデューサーを含み、当該超音波トランスデューサーから超音波を送信する送信部と、超音波を受信する受信部と、を具備し、前記第二振動部は、前記可撓膜の厚み方向から見た平面視において、前記可撓膜の最大変位点から離れた位置に設けられることを特徴とする。
本適用例の超音波測定装置は、上記適用例の超音波トランスデューサーと、超音波を受信する受信部と、を備え、超音波トランスデューサーから送信された超音波を受信する、つまり超音波測定を実施することができる。このように構成された本適用例では、上記適用例の超音波トランスデューサーを用いることにより、上述のように送信出力の低下を抑制しつつ、送信周波数を増大させる、つまり分解能を向上させることができ、高精度の超音波測定を実施できる。
The ultrasonic measurement apparatus according to this application example includes an ultrasonic transducer including a flexible film, and a first vibration unit and a second vibration unit that vibrate the flexible film, and the ultrasonic transducer generates ultrasonic waves. A transmitting unit that transmits the ultrasonic wave, and a receiving unit that receives the ultrasonic wave, and the second vibrating unit from a maximum displacement point of the flexible film in a plan view as viewed from the thickness direction of the flexible film. It is provided in a distant position.
The ultrasonic measurement apparatus of this application example includes the ultrasonic transducer of the above application example and a receiving unit that receives ultrasonic waves, and receives ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic transducers, that is, ultrasonic measurement. Can be implemented. In this application example configured as described above, by using the ultrasonic transducer of the above application example, it is possible to increase the transmission frequency, that is, to improve the resolution while suppressing the decrease in the transmission output as described above. It is possible to carry out highly accurate ultrasonic measurement.
本適用例の電子機器は、可撓膜と、前記可撓膜を振動させる第一振動部及び第二振動部と、を備える超音波トランスデューサーと、前記超音波トランスデューサーを制御する制御部と、を具備し、前記第二振動部は、前記可撓膜の厚み方向から見た平面視において、前記可撓膜の最大変位点から離れた位置に設けられることを特徴とする。
本適用例の電子機器は、上記適用例の超音波トランスデューサーと、当該超音波トランスデューサーを制御する制御部と、を備える。このように構成された本適用例では、上記適用例の超音波トランスデューサーを用いることにより、上述のように送信出力の低下を抑制しつつ、送信周波数を増大させることができる。したがって、超音波トランスデューサーから送信された超音波を受信して超音波測定を行う場合、送信出力の低下を抑制しつつ分解能を向上させることができ、高精度の超音波測定を実施できる。
An electronic apparatus according to this application example includes an ultrasonic transducer including a flexible film, a first vibration unit and a second vibration unit that vibrate the flexible film, and a control unit that controls the ultrasonic transducer. The second vibrating section is provided at a position away from the maximum displacement point of the flexible film in a plan view as viewed from the thickness direction of the flexible film.
An electronic apparatus according to this application example includes the ultrasonic transducer according to the application example described above and a control unit that controls the ultrasonic transducer. In this application example configured as described above, by using the ultrasonic transducer of the application example described above, it is possible to increase the transmission frequency while suppressing the decrease in the transmission output as described above. Therefore, when performing ultrasonic measurement by receiving the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transducer, it is possible to improve the resolution while suppressing a decrease in transmission output, and it is possible to perform highly accurate ultrasonic measurement.
[第一実施形態]
以下、本発明に係る第一実施形態の電子機器としての超音波測定装置について、図面に基づいて説明する。
本実施形態の超音波測定装置1は、本発明における超音波測定装置に相当し、図1に示すように、超音波プローブ2と、超音波プローブ2にケーブル3を介して電気的に接続された制御装置10と、を備えている。
この超音波測定装置1は、超音波プローブ2を生体(例えば人体)の表面に当接させ、超音波プローブ2から生体内に超音波を送出する。また、生体内の器官にて反射された超音波を超音波プローブ2にて受信し、その受信信号に基づいて、例えば生体内の内部断層画像を取得したり、生体内の器官の状態(例えば血流等)を測定したりする。
[First embodiment]
Hereinafter, an ultrasonic measurement device as an electronic apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
The
The
[超音波プローブの構成]
図3は、超音波プローブ2における超音波センサー24の概略構成を示す平面図である。
超音波プローブ2は、筐体21と、筐体21内部に設けられた超音波デバイス22と、超音波デバイス22を制御するためのドライバ回路等が設けられた回路基板23と、を備えている。なお、超音波デバイス22と、回路基板23とにより超音波センサー24が構成され、当該超音波センサー24は、本発明の超音波モジュールを構成する。
[Configuration of ultrasonic probe]
FIG. 3 is a plan view showing a schematic configuration of the
The
[筐体の構成]
筐体21は、図1示すように、例えば平面視矩形状の箱状に形成され、厚み方向に直交する一面(センサー面21A)には、センサー窓21Bが設けられており、超音波デバイス22の一部が露出している。また、筐体21の一部(図1に示す例では側面)には、ケーブル3の通過孔21Cが設けられ、ケーブル3は、通過孔21Cから筐体21の内部の回路基板23に接続されている。また、ケーブル3と通過孔21Cとの隙間は、例えば樹脂材等が充填されることで、防水性が確保されている。
なお、本実施形態では、ケーブル3を用いて、超音波プローブ2と制御装置10とが接続される構成例を示すが、これに限定されず、例えば超音波プローブ2と制御装置10とが無線通信により接続されていてもよく、超音波プローブ2内に制御装置10の各種構成が設けられていてもよい。
[Case configuration]
As shown in FIG. 1, the
In the present embodiment, a configuration example in which the
[超音波デバイスの構成]
超音波デバイス22は、図3に示すように、超音波を送信する送信部に相当する送信ユニットTUと、超音波を受信する受信部に相当する受信ユニットRUと、を備える。これら送信ユニットTU及び受信ユニットRUは、それぞれ回路基板23に搭載され(図3参照)、図2に示すように、回路基板23の選択回路231に接続されている。超音波デバイス22は、送信ユニットTUから生体に向かって超音波を送信する。また、超音波デバイス22は、生体内で反射された超音波を受信ユニットRUで受信する。
[Configuration of ultrasonic device]
As shown in FIG. 3, the
[送信ユニットの構成]
図4は、送信ユニットTUの素子基板41を、音響レンズ44側から見た平面図である。図5は、送信ユニットTUのYZ面に沿った断面を模式的に示す断面図である。なお、図5では、後述する可撓膜412Aの重心Oを通る位置の断面を示す。図6は、送信ユニットTUの素子基板41を、封止板42側から見た平面図である。
送信ユニットTUは、図5に示すように、素子基板41と、封止板42と、音響整合層43と、音響レンズ44と、により構成されている。なお、本実施形態では、音響レンズ44は、送信ユニットTU及び受信ユニットRUに亘って設けられているが、送信ユニットTU及び受信ユニットRUのそれぞれに設けられてもよい。
[Configuration of transmission unit]
FIG. 4 is a plan view of the
As shown in FIG. 5, the transmission unit TU includes an
送信ユニットTUは、図4に示すように、超音波トランスデューサーであり、超音波の送信を行う送信用トランスデューサー45の複数がマトリクス状に配置され構成された送信用の超音波アレイである送信アレイTAを有する。この送信アレイTAは、個別に駆動され超音波を送信する送信チャンネル(後述する送信用トランスデューサー群45A)が、一方向(スキャン方向)に沿って複数配置された1次元アレイ構造を有する。
なお、以下の説明では、スキャン方向をX方向とし、スキャン方向に直交するスライス方向をY方向とする。また、送信ユニットTUの各送信用トランスデューサー45の超音波の送信方向をZ方向とする。
As shown in FIG. 4, the transmission unit TU is an ultrasonic transducer, and is a transmission ultrasonic array in which a plurality of
In the following description, the scan direction is the X direction, and the slice direction orthogonal to the scan direction is the Y direction. Further, the transmission direction of the ultrasonic waves of each
素子基板41は、基板本体部411と、基板本体部411の−Z側に設けられた振動膜412と、を備えている。この素子基板41の中央領域は、送信アレイTAが形成された送信アレイ領域Ar1である。
基板本体部411は、例えばSi等の半導体基板である。この基板本体部411は、図4に示すように、素子基板41の±X側の外周部に、Y方向に沿って設けられ、振動膜412を支持している。なお、図4では、−X側のみを図示している。
The
The
振動膜412は、図5に示すように、後述する封止板42に設けられた複数の凹溝421のそれぞれを閉塞する。振動膜412のうち、凹溝421を閉塞する部分は、弾性変形可能な可撓膜412Aを構成する。この可撓膜412Aは、複数の凹溝421のそれぞれに対応する位置に形成されている。つまり、Z方向から見た平面視において、可撓膜412Aは、凹溝421の開口形状に応じた形状を有する。
なお、後述するように、可撓膜412Aの+Z側の面(一方の面に相当)に第一圧電素子451が、−Z側の面(他方の面に相当)に第二圧電素子455が、設けられている。本実施形態では、可撓膜412Aと、第一圧電素子451と、第二圧電素子455とを含み、送信用トランスデューサー45が構成されている。
As shown in FIG. 5, the
As will be described later, the first
本実施形態では、図5に示すように、振動膜412は、第一層413と、第二層414と、第三層415と、を備える。これらのうち、第一層413は、振動膜412の+Z側に位置し、第一圧電素子451が形成される層である。また、第三層415は、−Z側に位置し、第二圧電素子455が形成される層である。これら第一層413及び第三層415は、例えば、ZrO2により構成されている。なお、第一層413及び第三層415は、例えば、Y2O3、TiO2、HfO2、V2O5、Nb2O5、Ta2O5、WO3等の遷移金属酸化物や、AlN、TiN、及びSi2N4等の各種の絶縁性を示す材料により構成されてもよい。
また、第二層414は、第一層413と第二層414との間に配置され、例えばSiO2等により構成されている。基板本体部411をSiにより構成し、第二層414をSiO2により構成する場合、例えば、基板本体部411を熱酸化処理することで、容易に第二層414を形成することが可能となる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 5, the
The
(送信アレイの構成)
送信アレイTAは、上述のように複数の送信用トランスデューサー45がマトリクス状に配置され構成されている。この送信アレイTAは、X方向(スライス方向)に沿って配置された複数の送信用トランスデューサー45によって構成され、一つの送信チャンネルとして機能する送信用トランスデューサー群45Aを備える。また、送信アレイTAは、複数の送信用トランスデューサー群45AがY方向(スキャン方向)に沿って配置され、個別に駆動可能に構成されている。
(Transmission array configuration)
As described above, the transmission array TA includes a plurality of
送信用トランスデューサー45は、図5に示すように、可撓膜412Aと、可撓膜412Aの+Z側に設けられた第一圧電素子451と、可撓膜412Aの−Z側に設けられた第二圧電素子455と、を備え構成されている。
第一圧電素子451は、可撓膜412A側から順に、第一下部電極452、第一圧電膜453、及び第一上部電極454が積層され構成されている。
また、第二圧電素子455は、可撓膜412A側から順に、第二下部電極456、第二圧電膜457、及び第二上部電極458が積層され構成されている。
送信用トランスデューサー45については、後に詳述する。
As shown in FIG. 5, the
The first
The second
The
ここで、図4に示すように、送信用トランスデューサー群45Aを構成する複数の送信用トランスデューサー45において、第一圧電素子451の第一下部電極452が連結されている。具体的には、Y方向に沿って隣りあう送信用トランスデューサー45の第一下部電極452は、第一下部電極線452Aによって互いに連結されている。また、Y方向における両端に配置された送信用トランスデューサー45の第一下部電極452は、第一下部引出線452Bによって、送信アレイ領域Ar1外の端子領域Ar2に形成された第一下部電極パッド452Pに連結されている。この第一下部電極パッド452Pは、回路基板23に接続されている。なお、図4では、+Y側の第一下部電極パッド452Pのみを図示している。
Here, as shown in FIG. 4, the first
一方、送信用トランスデューサー45の第一上部電極454は、第一上部電極線454A及び第一上部引出線454Bによって、端子領域Ar2に形成された第一上部電極パッド454Pに連結されている。具体的には、X方向に沿って隣りあう送信用トランスデューサー45の第一上部電極454は、第一上部電極線454Aによって互いに連結されている。また、X方向における両端に配置された送信用トランスデューサー45の第一下部電極452は、第一上部電極線454Aによって第一上部引出線454Bに連結されている。第一上部引出線454Bは、Y方向に沿って、端子領域Ar2まで引き出され、第一上部電極パッド454Pに連結する。この第一上部電極パッド454Pは、回路基板23のグランド回路(図示省略)に接続されている。つまり、各第一圧電素子451の第一上部電極454が基準電位となる。なお、図4では、−X側の第一上部電極パッド454Pのみを図示している。
On the other hand, the first
また、図6に示すように、送信用トランスデューサー群45Aを構成する複数の送信用トランスデューサー45において、第二圧電素子455の第二下部電極456は、第一下部電極452と同様に、第二下部電極線456Aによって互いに連結され、かつ、第二下部引出線456Bによって端子領域Ar2に形成された第二下部電極パッド456Pに連結されている。この第二下部電極パッド456Pは、回路基板23に接続されている。なお、図6では、+Y側の第二下部電極パッド456Pのみを図示している。
As shown in FIG. 6, in the plurality of
また、第二上部電極458は、第一上部電極454と同様に、第二上部電極線458A及び第二上部引出線458Bによって、端子領域Ar2に形成された第二上部電極パッド458Pに連結されている。この第二上部電極パッド458Pは、回路基板23のグランド回路(図示省略)に接続されている。つまり、各第二圧電素子455の第二上部電極458が、基準電位となる。なお、図6では、−X側の第二上部電極パッド458Pのみを図示している。
このように構成された送信アレイTAでは、個別に回路基板23からの駆動信号が、複数の送信用トランスデューサー群45Aのそれぞれに対して入力されることにより、各送信用トランスデューサー群45Aが個別に駆動される。
Similarly to the first
In the transmission array TA configured as described above, the drive signal from the
(封止板の構成)
封止板42は、素子基板41の強度を補強するために設けられ、例えば半導体基板等により構成され、素子基板41に接合されている。封止板42の材質や厚みは、送信用トランスデューサー45の周波数特性に影響を及ぼすため、送信用トランスデューサー45にて送受信する超音波の中心周波数に基づいて設定することが好ましい。
(Configuration of sealing plate)
The sealing
そして、この封止板42には、平面視において、各送信用トランスデューサー45に対応する位置に、+Z側に開口する凹溝421が設けられている。また、凹溝421が形成されない領域は、振動膜412の振動を抑制する抑制部422となる。
つまり、抑制部422の+Z側面には振動膜412が接合されており、この振動膜412により、各凹溝421が閉塞されている。Z方向から見た平面視において、振動膜412の凹溝421の内周面によって囲まれた部分は、弾性変形可能な可撓膜412Aとなる。つまり、可撓膜412Aは、Z方向から見た平面視において、凹溝421の開口形状に応じた形状を有する。したがって、可撓膜412Aの固有周波数は、凹溝421の開口寸法(X方向及びY方向に沿った寸法)に応じて調整可能である。つまり、凹溝421の開口寸法を小さくすることにより、可撓膜412Aの固有周波数を小さくでき、ひいては送信用トランスデューサー45から送信される超音波の周波数(送信周波数)を小さくすることができる。逆に、凹溝421の開口寸法を大きくすることにより、可撓膜412Aの固有周波数を大きくでき、ひいては送信用トランスデューサー45の送信周波数を大きくすることができる。
The sealing
In other words, the
なお、凹溝421は、可撓膜412Aの振動により1つの送信用トランスデューサー45で発生した背面波が隣接する他の送信用トランスデューサー45に伝播する不都合(クロストーク)を抑制する。また、凹溝421の溝深さは、超音波の波長λの4分の1(λ/4)の奇数倍となるように設定されている。これにより、封止板42にて反射された背面波が再び送信用トランスデューサー45に入力された際に、送信用トランスデューサー45から生体側(封止板42とは逆側)に放出される超音波との位相ずれが抑制され、超音波の減衰を抑制する。
The
(音響整合層及び音響レンズの構成)
音響整合層43は、図5に示すように、素子基板41の封止板42とは反対側の面に設けられている。具体的には、音響整合層43は、素子基板41と音響レンズ44との間に充填され、かつ、基板本体部411の表面から所定の厚み寸法で形成される。
音響レンズ44は、音響整合層43上に設けられ、図1に示すように、筐体21のセンサー窓21Bから外部に露出する。この音響レンズ44は、+Z側の面がY方向(スライス方向)に沿って湾曲するシリンドリカル形状を有する。なお、音響レンズ44の+Z側の面は、送信ユニットTU側と受信ユニットRU側とで異なる曲率を有する。つまり、音響レンズ44は、送信ユニットTU側では超音波デバイス22から送信された超音波を、Z方向における所定の距離で収束させるのに適した曲率を有する。一方、音響レンズ44は、受信ユニットRU側では、生体内で反射された超音波を受信アレイRA(図11参照)に収束させるのに適した曲率を有する。
(Configuration of acoustic matching layer and acoustic lens)
As shown in FIG. 5, the
The
これらの音響整合層43や音響レンズ44は、送信用トランスデューサー45から送信された超音波を測定対象である生体に効率よく伝搬させ、また、生体内で反射した超音波を効率良く受信ユニットRUの受信用トランスデューサー55に伝搬させる。このため、音響整合層43及び音響レンズ44は、素子基板41の各トランスデューサー45,55の音響インピーダンスと、生体の音響インピーダンスとの中間の音響インピーダンスに設定されている。
The
(送信用トランスデューサーの構成)
以下、本実施形態の送信用トランスデューサー45について説明する。
図5に示すように、送信用トランスデューサー45は、可撓膜412Aと、第一圧電素子451と、第二圧電素子455と、を備えている。
可撓膜412Aは、図4に示すように、Z方向から見た平面視において、略矩形状の外形を有する。この可撓膜412Aは、面方向に略均一に形成されており、平面視において重心Oが中心と一致している。また、可撓膜412Aの外縁412Bは、封止板42の抑制部422に固定されている。このため、可撓膜412Aは、各圧電素子451,455の駆動に応じて、外縁412Bを固定端として振動する。また、本実施形態では、可撓膜412Aにおける変位量が最大となる点(最大変位点)は、重心Oに一致している。
(Configuration of transducer for transmission)
Hereinafter, the
As shown in FIG. 5, the
As shown in FIG. 4, the
第一圧電素子451は、第一振動部に相当し、図5に示すように、可撓膜412Aの第一層413側(+Z側)に設けられ、第一層413側から順に、第一下部電極452、第一圧電膜453、及び第一上部電極454が積層され構成されている。また、第一圧電素子451は、図4に示すように、可撓膜412Aの厚み方向から見た平面視において、可撓膜412Aの重心Oに対して点対称な形状を有する。
The first
第一下部電極452は、第一電極に相当し、図4に示すように平面視において第一上部電極454と重なる位置に、略矩形状に形成される。第一下部電極452は、例えば、Ir,Pt,IrOx,Ti,TiOx等の導電性の電極材料により形成される。
第一圧電膜453は、第一圧電体に相当し、図4に示すように平面視において略矩形状に形成され、第一下部電極452を覆っている。第一圧電膜453は、例えば、ペロブスカイト構造を有する遷移金属酸化物、より具体的には、鉛(Pb)、チタン(Ti)及びジルコニウム(Zr)を含むチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を用いて形成される。なお、ZrとTiとの組成比が52:48とすることにより、良好な圧電特性、すなわち特に高い圧電定数(e定数)を有する第一圧電膜453を形成することができる。
第一上部電極454は、第二電極に相当し、第一圧電膜453上に形成されている。また、第一上部電極454は、図4に示すように平面視において略矩形状に形成されている。この第一上部電極454は、第一下部電極452と同様の電極材料により形成されている。
The first
The first
The first
第二圧電素子455は、第二振動部に相当し、図5に示すように、可撓膜412Aの第三層415側(−Z側)に設けられ、第三層415側から順に、第二下部電極456、第二圧電膜457、及び第二上部電極458が積層され構成されている。
この第二圧電素子455は、図6に示すように、平面視において、可撓膜412Aの重心Oから離れた位置に形成されている。本実施形態では、第二圧電素子455は、平面視において、可撓膜412Aの外縁412Bに沿って、重心Oを囲み、当該重心Oに対して点対称な環状に形成されている。
The second
As shown in FIG. 6, the second
第二下部電極456は、第三電極に相当し、図6に示すように、平面視において第二上部電極458と重なる位置に、可撓膜412Aの外縁412Bに沿って略矩形環状に形成されている。なお、第二下部電極456は、第一下部電極452と同様の電極材料により形成されている。
第二圧電膜457は、第二圧電体に相当し、図6に示すように平面視において略矩形環状に形成され、第二下部電極456を覆っている。この第二圧電膜457は、第一圧電膜453と同様の材料で形成されている。
第二上部電極458は、第四電極に相当し、第二圧電膜457上に形成されている。また、第二上部電極458は、図6に示すように平面視において略矩形環状に形成されている。この第二上部電極458は、第一下部電極452と同様の電極材料により形成されている。
The second
The second
The second
図7は、送信用トランスデューサー45の動作を説明するための図である。
上述のように構成された送信用トランスデューサー45は、第一下部電極452及び第一上部電極454の間と、第二下部電極456及び第二上部電極458の間とに、所定周波数の矩形波電圧が印加されることで、第一圧電膜453及び第二圧電膜457が面内方向に伸縮する。各圧電膜453,457は、可撓膜412A側と、反対側とで伸縮量に差が生じることにより、膜厚方向に変位し、振動する。この各圧電膜453,457の振動により、可撓膜412Aも振動して超音波が送出される。
FIG. 7 is a diagram for explaining the operation of the
The transmitting
ここで、図7に示すように、本実施形態の送信用トランスデューサー45は、第一圧電膜453と第二圧電膜457との振動方向が逆方向となる。つまり、第一圧電素子451の第一上部電極454と、第二圧電素子455の第二上部電極458とは、基準電位に設定されている。一方で、第一圧電素子451の第一下部電極452と、第二圧電素子455の第二下部電極456とは、送信用トランスデューサー45の個別電極である。このように構成された第一圧電素子451と第二圧電素子455とを、同一の駆動信号によって駆動すると、第一下部電極452及び第一上部電極454の間と、第二下部電極456及び第二上部電極458の間に電界が印加される。そして、可撓膜412Aは、図7に示すように、第一圧電素子451及び第二圧電素子455の各形成位置において逆方向に変形し、振動する。
Here, as shown in FIG. 7, in the transducer for
これにより、第二圧電素子455を設けない場合や、第一圧電素子451のみを駆動させる場合と比べて、可撓膜412Aの振動周期を増大させることができ、送信用トランスデューサー45の送信周波数を増大させることができる。
ここで、送信周波数を増大させるために、可撓膜412Aの寸法を小さくして、可撓膜412Aの固有周波数を増大させることも考えられるが、この場合では可撓膜412Aの最大変位点(本実施形態では重心O)の変位量や、可撓膜412Aの面積も低下し、送信出力が低下する。これに対して、本実施形態の送信用トランスデューサー45では、可撓膜412Aの寸法を変更しないため、送信出力の低下を抑制しつつ送信周波数を増大させることができる。
Thereby, compared with the case where the second
Here, in order to increase the transmission frequency, it is conceivable to reduce the size of the
図8は、第二圧電素子455の幅と、送信用トランスデューサー45の固有周波数との関係を示す図である。また、図9は、第二圧電素子455の幅と、可撓膜412Aの変位量(重心Oにおける最大変位量)との関係を示す図である。また、図10は、第二圧電素子455の幅を変更した際の、送信用トランスデューサー45の固有周波数と、可撓膜412Aの変位量との関係を示す図である。
ここで、第二圧電素子455の幅とは、可撓膜412Aの短辺方向(本実施形態ではX方向)に沿って重心Oを通る線上における、環状の第二圧電素子455の一辺(Y方向に沿った辺)の幅である。
なお、図8乃至図9では、可撓膜412Aの短辺方向に沿った幅(つまり重心Oを通り、かつ、外縁412Bとの交点間の距離が最短となる仮想線に沿った幅であり、本実施形態ではX方向に沿った幅)Wを変更した際のデータD1乃至データD3を示している。具体的には、幅Wが30μmの場合をデータD1とし、32.5μmの場合をデータD2とし、35μmの場合をデータD3としている。また、第一圧電素子451のX方向の幅は、可撓膜412Aの幅Wの0.8倍(つまり0.8W)である。また、図10のでは、比較例として、第二圧電素子455を設けずに可撓膜412Aの幅Wを変更した場合のデータD4を示している。
さらに、各データは、可撓膜412Aの外縁412Bと第一圧電素子451との間のクリアランスをC(つまり0.1W)として、第二圧電素子455の幅を0.2C以上、4.5C以下の範囲の複数点について設定した場合について示している。つまり、各データでは、第二圧電素子455の幅を、0.02W以上、0.45W以下の範囲の複数値に設定した場合について示している。
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the width of the second
Here, the width of the second
8 to 9, the width along the short side direction of the
Further, each data indicates that the clearance between the
図8及び図10に示すように、第二圧電素子455を設けることにより、送信用トランスデューサー45の固有周波数が増大する。なお、いずれの場合も、固有周波数が最大で略1.5倍に増大する。
また、第二圧電素子455の幅が0.2W(つまり2C)以下の範囲では、第二圧電素子455の幅の増大に応じて、固有周波数が増大する。例えば、データD3(可撓膜412Aの幅Wが32.5μmの場合)では、第二圧電素子455の幅が7μm以下の範囲である。このように、第二圧電素子455の幅を0.2W以下の範囲で設定することにより、送信用トランスデューサー45の固有周波数を増大させるとともに、第二圧電素子455の幅に応じて固有周波数を設定することができる。
As shown in FIGS. 8 and 10, by providing the second
In addition, in the range where the width of the second
図9及び図10に示すように、第二圧電素子455を設けることにより、送信用トランスデューサー45の固有周波数が増大するとともに、可撓膜412Aの変位量の低下が抑制されている。
また、第二圧電素子455の幅が0.4W(つまり4C)以下の範囲では、可撓膜412Aの変位量の低下がより好適に抑制されている。例えば、データD3(可撓膜412Aの幅Wが32.5μmの場合)では、第二圧電素子455の幅が14μm以下の範囲である。さらに、第二圧電素子455の幅が0.2W(つまり2C)以上、0.5(つまり5C)W以下の範囲では、より一層好適に可撓膜412Aの変位量の低下が抑制されている。すなわち、第二圧電素子455の幅を0.4W以下とすることが好ましく、0.2W以上、0.5W以下の範囲とすることがより好ましい。これにより、送信用トランスデューサー45の固有周波数を増大させ、かつ、可撓膜412Aの変位量の低下、すなわち送信用トランスデューサー45の送信出力(送信感度)の低下を好適に抑制できる。
As shown in FIGS. 9 and 10, by providing the second
In addition, in the range where the width of the second
[受信ユニットの構成]
図11は、受信ユニットRUの素子基板51を、音響レンズ44側から見た平面図である。図12は、受信ユニットRUのYZ面に沿った断面を模式的に示す断面図である。
受信ユニットRUは、図12に示すように、素子基板51と、封止板52と、音響整合層53と、上述の音響レンズ44と、により構成されている。なお、上述のように、音響レンズ44は、送信ユニットTU及び受信ユニットRUに亘って設けられている。
この受信ユニットRUは、図11に示すように、送信ユニットTUから送信された超音波を受信可能な受信用トランスデューサー55の複数がマトリクス状に配置され構成された受信アレイRAを有する。本実施形態では、受信アレイRAとして、超音波を受信する受信チャンネル(図11に示す受信用トランスデューサー群55A)が、X方向(スキャン方向)に沿って複数配置された1次元アレイ構造を有する構成を例示するが、1次元アレイ構造に限定されず、2次元アレイ構造を有するものでもよく、また、受信用トランスデューサー55の数も図11に示す例に限定されない。
なお、以下の説明では、受信ユニットRUは、受信用トランスデューサー55が−Z方向に伝播する超音波を受信するものとする。
[Receiver configuration]
FIG. 11 is a plan view of the
As shown in FIG. 12, the receiving unit RU includes an
As shown in FIG. 11, the reception unit RU includes a reception array RA in which a plurality of
In the following description, it is assumed that the receiving unit RU receives the ultrasonic wave propagated in the −Z direction by the receiving
素子基板51は、基板本体部511と、基板本体部511の−Z側に設けられた振動膜512と、を備えている。この素子基板51の中央領域は、受信アレイRAが形成された受信アレイ領域Ar3である。
基板本体部511は、例えばSi等の半導体基板である。この基板本体部511の受信アレイ領域Ar3内には、各受信用トランスデューサー55に対応した開口部511Aが設けられている。これらの開口部511Aの開口サイズは、後述するように送信ユニットTUから送信される超音波の周波数に基づいたサイズとなる。
振動膜512は、例えばSiO2や、SiO2及びZrO2の積層体等より構成され、基板本体部511の−Z側の面に設けられ、開口部511Aを閉塞する。振動膜512のうち、開口部511Aを閉塞する部分は、弾性変形可能な可撓膜512Aを構成する。
The
The
The
この可撓膜512Aの−Z側には第三圧電素子551が形成されており、これら可撓膜512Aと第三圧電素子551とを含み受信用トランスデューサー55が構成される。つまり、受信用トランスデューサー55は、超音波により可撓膜512Aが振動され、可撓膜512Aの振動に応じた電気信号を第三圧電素子551が出力する。
ここで、受信用トランスデューサー55は、送信用トランスデューサー45から送信され、生体内で反射される超音波(すなわち検出対象の超音波)を検出可能に構成されている。例えば、受信用トランスデューサー55の固有周波数が、検出対象の超音波の周波数と略一致するように、可撓膜512A及び第三圧電素子551が構成されている。なお、可撓膜512Aは、開口部511Aの開口形状に応じた平面形状を有する。例えば、開口部511Aの寸法を小さくすることにより、可撓膜512Aの固有周波数を増大させることができ、ひいては受信用トランスデューサー55の固有周波数を増大させることができる。
A third
Here, the receiving
この受信用トランスデューサー55の第三圧電素子551は、可撓膜512A側から順に、第三下部電極552、第三圧電膜553、及び第三上部電極554が積層され構成されている。これらのうち第三下部電極552及び第三上部電極554は、例えば、Ir,Pt,IrOx,Ti,TiOx等の導電性の電極材料により形成される。また、第三圧電膜553は、例えば、ペロブスカイト構造を有する遷移金属酸化物、より具体的には、鉛(Pb)、チタン(Ti)及びジルコニウム(Zr)を含むチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を用いて形成される。なお、ZrとTiとの組成比が52:48とすることにより、良好な圧電特性、すなわち特に高い圧電定数(e定数)を有する第三圧電膜553を形成することができる。
このように構成された受信用トランスデューサー55では、対象物から反射された超音波により振動膜512の可撓膜512Aが振動されると、第三圧電膜553の上下で電位差が発生する。これにより第三下部電極552及び第三上部電極554の間に電位差が発生し、当該電位差に応じた電気信号が受信用トランスデューサー55から出力される。
The third
In the receiving
ここで、図11に示すように、Y方向に沿って配置された複数の受信用トランスデューサー55は、一つの受信チャンネルである受信用トランスデューサー群55Aを構成する。また、受信用トランスデューサー群55AがX方向に沿って複数配置され、受信アレイRAが構成される。
この受信用トランスデューサー群55Aでは、当該受信用トランスデューサー群55Aを構成する複数の受信用トランスデューサー55において、第三圧電素子551の第三下部電極552及び第三上部電極554は連結されている。
具体的には、Y方向に沿って隣りあう受信用トランスデューサー55の第三下部電極552は、第三下部電極線552Aによって互いに連結されている。また、Y方向における両端に配置された受信用トランスデューサー55の第三下部電極552は、第三下部引出線552Bによって、受信アレイ領域Ar3外の端子領域Ar4に形成された第三下部電極パッド552Pに連結されている。この第三下部電極パッド552Pは、回路基板23に接続されている。
Here, as shown in FIG. 11, the plurality of receiving
In the receiving
Specifically, the third
また、第三上部電極554は、第三上部電極線554A及び第三上部引出線554Bによって、端子領域Ar4に形成された第三上部電極パッド554Pに連結されている。具体的には、X方向に沿って隣りあう受信用トランスデューサー55の第三上部電極554は、第三上部電極線554Aによって互いに連結されている。また、X方向における両端に配置された受信用トランスデューサー55の第三上部電極554は、第三上部電極線554Aによって第三上部引出線554Bに連結されている。第三上部引出線554Bは、Y方向に沿って、端子領域Ar4まで引き出され、第三上部電極パッド554Pに連結する。この第三上部電極パッド554Pは、回路基板23のグランド回路(図示省略)に接続されている。
The third
封止板52は、厚み方向から見た際の平面形状が例えば素子基板51と同形状に形成され、アロイ等の金属板や、Si等の半導体基板等により構成され、素子基板51に接合されている。封止板42の材質や厚みは、受信用トランスデューサー55の周波数特性に影響を及ぼすため、受信用トランスデューサー55にて送受信する超音波の中心周波数に基づいて設定することが好ましい。
The sealing
そして、この封止板52は、素子基板51の開口部511Aに対応した複数の凹溝521が形成されている。この凹溝521は、可撓膜512Aの振動により発生する超音波の背面波による影響を抑制するために設けられている。すなわち、各凹溝521は、超音波の受信時に、1つの受信用トランスデューサー55で発生した背面波が隣接する他の受信用トランスデューサー55に入力する不都合(クロストーク)を抑制する。
The sealing
音響整合層53は、素子基板51の+Z側に設けられている。具体的には、音響整合層53は、素子基板51の開口部511A内に充填され、かつ、開口部511Aの底面側から所定の厚み寸法で形成される。この音響整合層53は、受信用トランスデューサー55の音響インピーダンスと、生体の音響インピーダンスとの中間の音響インピーダンスに設定されている。
The
[回路基板の構成]
回路基板23は、超音波デバイス22が接合され、送信ユニットTU及び受信ユニットRUを制御するためのドライバ回路等が設けられる。この回路基板23は、図2に示すように選択回路231、送信回路232、受信回路233、及びコネクタ部234(図3参照)を備えている。
[Configuration of circuit board]
The
選択回路231は、送信ユニットTUの各電極パッド452P,454P,456P,458Pと、受信ユニットRUの各電極パッド552P,554Pと、にそれぞれ接続されている。
この選択回路231は、制御装置10の制御に基づいて、超音波センサー24と送信回路232とを接続する送信接続、及び超音波センサー24と受信回路233とを接続する受信接続を切り替える。
また、選択回路231は、送信接続時において、駆動対象の送信用トランスデューサー群45Aに接続する第一下部電極パッド452P及び第二下部電極パッド456Pと、送信回路232とを接続する。なお、送信ユニットTUの第一上部電極パッド454P及び第二上部電極パッド458Pと、受信ユニットRUの第三上部電極パッド554Pとは、例えば、グランド回路(図示省略)に接続され、基準電位に設定されている。
The
The
In addition, the
送信回路232は、制御装置10の制御により送信接続に切り替えられた際に、選択回路231を介して超音波センサー24に超音波を発信させる旨の送信信号を出力する。この送信回路232は、制御装置10からの制御に基づいて、第一下部電極パッド452P及び第一上部電極パッド454Pの間と、第二下部電極パッド456P及び第二上部電極パッド458Pの間と、に電圧を印加する。これにより、第一下部電極452及び第一上部電極454の間と、第二下部電極456及び第二上部電極458の間とで逆方向の電界が印加され、第一圧電素子451と第二圧電素子455とが逆方向に駆動される。
When the
受信回路233は、制御装置10の制御により受信接続に切り替えられた際に、選択回路231を介して超音波センサー24から入力された受信信号を制御装置10に出力する。受信回路233は、例えば低雑音増幅回路、電圧制御アッテネーター、プログラマブルゲインアンプ、ローパスフィルター、A/Dコンバーター等を含んで構成されており、受信信号のデジタル信号への変換、ノイズ成分の除去、所望信号レベルへの増幅等の各信号処理を実施した後、処理後の受信信号を制御装置10に出力する。
When the
コネクタ部234は、送信回路232、受信回路233に接続されている。また、コネクタ部234にはケーブル3が接続されており、上述したように、このケーブル3は、筐体21の通過孔21Cから引き出されて制御装置10に接続されている。
The
[制御装置の構成]
制御装置10は、図2に示すように、例えば、操作部11と、表示部12と、記憶部13と、制御部14と、を備えて構成されている。この制御装置10は、例えば、タブレット端末やスマートフォン、パーソナルコンピューター等の端末装置を用いてもよく、超音波プローブ2を操作するための専用端末装置であってもよい。
操作部11は、ユーザーが超音波測定装置1を操作するためのUI(user interface)であり、例えば表示部12上に設けられたタッチパネルや、操作ボタン、キーボード、マウス等により構成することができる。
表示部12は、例えば液晶ディスプレイ等により構成され、画像を表示させる。
記憶部13は、超音波測定装置1を制御するための各種プログラムや各種データを記憶する。
制御部14は、例えばCPU(Central Processing Unit)等の演算回路や、メモリー等の記憶回路により構成されている。そして、制御部14は、記憶部13に記憶された各種プログラムを読み込み実行することで、送信回路232に対して送信信号の生成及び出力処理の制御を行い、受信回路233に対して受信信号の周波数設定やゲイン設定などの制御を行う。
[Configuration of control device]
As illustrated in FIG. 2, the
The
The
The
The
[第一実施形態の作用効果]
本実施形態の送信用トランスデューサー45は、可撓膜412Aを振動させる第一圧電素子451と、第二圧電素子455とを備える。この第一圧電素子451は、可撓膜412Aの重心Oと重なる位置に配置され、第二圧電素子455は、重心Oから離れた位置に、具体的には、重心Oを囲むように、可撓膜412Aの外縁412Bに沿って配置されている。これら各圧電素子451,455は、可撓膜412Aに対して、互いに反対方向に可撓膜412Aを変形させる力を付与する。このため、第一圧電素子451を単独で駆動した場合や、第二圧電素子455を備えない構成と比べて、可撓膜412Aの振動周期を増大させることができ、送信用トランスデューサー45の固有周波数、つまり送信周波数を増大させることができる。
[Operational effects of the first embodiment]
The
また、送信用トランスデューサー45の固有周波数を増大させるために、可撓膜412Aの平面寸法を予め小さくすることが考えられる。しかしながら、このような場合、可撓膜412Aの最大振幅や可撓膜412Aの面積が減少するため、超音波の送信出力が低下する。また、可撓膜412Aを小さくするために、封止板42に形成する凹溝421の平面寸法を小さくする必要があるが、これにも限界がある。これに対して、本実施形態では、可撓膜412Aの平面寸法を小さくする必要がないため、上述の可撓膜412Aの平面寸法を小さくすることによる送信出力の低下という不具合が生じない。
In order to increase the natural frequency of the transmitting
以上から、本実施形態の構成によれは、送信用トランスデューサー45の送信出力の低下を抑制しつつ、送信周波数を増大させることができる。また、このよう送信用トランスデューサー45を複数備える送信アレイTA及び送信ユニットTUにおいても同様に、送信出力の低下を抑制しつつ、送信周波数を増大させることができる。さらに、超音波測定装置1の分解能を向上させることができ、測定精度を向上させることができる。
From the above, according to the configuration of the present embodiment, it is possible to increase the transmission frequency while suppressing a decrease in the transmission output of the
また、本実施形態では、第一圧電素子451と第二圧電素子455とは、平面視において可撓膜412Aの重心Oに対して点対称となる位置に設けられる。このような構成では、可撓膜412Aの重心Oを振動の中心(すなわち最大変位点)として可撓膜を振動させることができる。これにより可撓膜412Aを効率良く振動させることができ、送信用トランスデューサー45の送信出力を向上させることができる。
In the present embodiment, the first
第一圧電素子451は、可撓膜412Aの重心O(最大変位点)と重なる位置に設けられている。これにより、第一圧電素子451によって可撓膜を効率良く振動させることができる。したがって、送信用トランスデューサー45の送信出力を向上させることができる。
第二圧電素子455は、可撓膜412Aの外縁412Bに沿って設けられる。このような構成では、可撓膜412Aの重心Oからより離れた位置に、第二圧電素子455を配置することができる。したがって、重心Oの周囲の可撓膜412Aの振動が第二圧電素子455によって阻害されることを抑制でき、送信用トランスデューサー45の送信出力の低下を抑制できる。
The first
The second
また、本実施形態では、第一圧電素子451は、可撓膜412Aの+Z側の面に、第二圧電素子455は、可撓膜412Aの−Z側の面に設けられている。このような構成では、各圧電素子451,455に電圧を印加した際に、各圧電膜453,457の可撓膜412A側の面と反対側の面との間で収縮量に差が生じ、各圧電素子451,455から可撓膜412Aに対して反対向きの応力が作用する。これにより、上述のように可撓膜412Aの振動周期を増大させることができ、送信用トランスデューサー45の送信出力の低下を抑制しつつ、固有周波数を増大させることができる。
また、第二圧電素子455が、可撓膜412Aの第一圧電素子451が設けられた面とは反対側の面に設けられているため、同一面に設けられている構成と比べて、各圧電素子451,455を形成することが容易である。
In the present embodiment, the first
In addition, since the second
[第二実施形態]
次に、第二実施形態について説明する。
上記第一実施形態では、送信アレイTAは、同一の固有周波数を有する送信用トランスデューサー45を複数備え構成されていた。これに対して、第二実施形態では、送信アレイが、固有周波数が異なる送信用トランスデューサーを備え構成される点で相違する。
以下、本実施形態に係る受信用トランスデューサーについて説明する。なお、以降の説明にあたり、第一実施形態と同様の構成については、同符号を付し、その説明を省略又は簡略化する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment will be described.
In the first embodiment, the transmission array TA includes a plurality of
Hereinafter, the receiving transducer according to the present embodiment will be described. In the following description, components similar to those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted or simplified.
図13は、送信ユニットTUの素子基板41を、封止板42側から見た平面図である。
本実施形態の送信ユニットTUは、図13に示すように、複数の第一送信用トランスデューサー45と、複数の第二送信用トランスデューサー46と、を備え構成されている。
第一送信用トランスデューサー45は、第一の超音波トランスデューサーに相当し、第一実施形態の送信用トランスデューサー45と同様に構成される。この第一送信用トランスデューサー45の複数がY方向に沿って配置され一つの送信チャンネルである第一送信用トランスデューサー群45Aが構成される。
第二送信用トランスデューサー46は、第二の超音波トランスデューサーに相当し、第一送信用トランスデューサー45とは異なる固有周波数(送信周波数)を有する以外は、第一送信用トランスデューサー45とは略同様に構成される。この第二送信用トランスデューサー46の複数がY方向に沿って配置され一つの送信チャンネルである第二送信用トランスデューサー群46Aが構成される。
FIG. 13 is a plan view of the
As illustrated in FIG. 13, the transmission unit TU of the present embodiment includes a plurality of
The
The
これら第一送信用トランスデューサー群45Aと第二送信用トランスデューサー群46AとがX方向に交互に配置されて、1次元アレイ構造を有する送信アレイTAが構成されている。つまり、送信アレイTAは、互いに送信周波数が異なる送信チャンネルが、X方向に沿って配置されており、異なる周波数の超音波を送信できる。
The first
ここで、第二送信用トランスデューサー46は、可撓膜412Aと、第一圧電素子451(図4参照)と、第二圧電素子461と、を備えている。また、第二圧電素子461は、第二下部電極462と、第二圧電膜463と、第二上部電極464と、を備え、第一実施形態の第二圧電素子455と同様に、平面視において、可撓膜412Aの外縁412Bに沿って、重心Oを囲み、当該重心Oに対して点対称な環状に形成されている。
Here, the
この第二圧電素子461の幅w2(X方向(短辺に平行な方向)における幅)は、第一送信用トランスデューサー45の第二圧電素子455の幅w1と異なる。つまり、第二圧電素子461は、第一送信用トランスデューサー45の第二圧電素子455とは、平面視において異なる面積を有する。このため、第一送信用トランスデューサー45の第二圧電素子455と、第二送信用トランスデューサー46の第二圧電素子461とでは、駆動時に可撓膜412Aに付与する応力の大きさが異なる。これにより、第二送信用トランスデューサー46は、第一送信用トランスデューサー45とは異なる固有周波数を有し、異なる周波数の超音波を送信可能である。
The width w2 (width in the X direction (direction parallel to the short side)) of the second
例えば、各第二圧電素子455,461の幅を、上述のように0.2W以下の範囲で設定することにより、第二圧電素子455,461の幅に応じて、各送信用トランスデューサー45,46の固有周波数を設定することができる。本実施形態の場合では、第二送信用トランスデューサー46の固有周波数を、第一送信用トランスデューサー45の固有周波数よりも大きくすることができる。
For example, by setting the width of each of the second
第二送信用トランスデューサー群46Aを構成する複数の第二圧電素子461において、第二下部電極462は、第一下部電極線462A及び第二下部引出線462Bによって端子領域Ar2に形成された第二下部電極パッド462Pに連結されている。この第二下部電極パッド462Pは、回路基板23に接続されている。
また、第二上部電極464は、第二上部電極線464Aによって、X方向に隣り合う第一送信用トランスデューサー群45Aに接続されている。なお、X方向における両端部に配置されている第二送信用トランスデューサー群46Aは、上部引出線458Bによって、端子領域Ar2に形成された上部電極パッド458Pに連結されている。
In the plurality of second
The second
なお、図示は省略するが、本実施形態では受信ユニットRUは、第一送信用トランスデューサー45及び第二送信用トランスデューサー46のそれぞれの送信周波数に対応する固有周波数を有する受信用トランスデューサー55を備えている。これにより、送信ユニットTUから送信され、生体内で反射された超音波を、受信ユニットRUで受信することができる。
Although illustration is omitted, in this embodiment, the reception unit RU includes a
[第二実施形態の作用効果]
送信アレイTAは、第一送信用トランスデューサー45と、第二送信用トランスデューサー46と、を備えており、第一送信用トランスデューサー45の第二圧電素子455と、第二送信用トランスデューサー46の第二圧電素子461と、ではX方向(短辺方向)における幅が異なり、面積が異なる。つまり、各第二圧電素子455,461から可撓膜412Aへ付与される応力の大きさや、応力が付与される領域が異なる。このため、第一送信用トランスデューサー45と、第二送信用トランスデューサー46とは、異なる周波数の超音波を送信することができる。つまり、送信アレイTAは異なる周波数の超音波を送信することができ、例えば、必要とされる分解能や出力等に応じて、超音波の周波数を適宜選択することができる。
また、各第二圧電素子455,461の幅を、上述のように0.2W以下の範囲で設定することにより、第二圧電素子455,461の幅に応じて、各送信用トランスデューサー45,46の固有周波数を設定することができる。各送信用トランスデューサー45,46の固有周波数の設定も容易である。
[Operational effects of the second embodiment]
The transmission array TA includes a
Further, by setting the width of each of the second
[第三実施形態]
次に、第三実施形態について説明する。
上記第一実施形態では、送信ユニットTUの各電極パッド452P,454P,456P,458Pが、個別に選択回路231に接続されていた。そして、一つの送信用トランスデューサー群45Aの第一圧電素子451と第二圧電素子455とを、同期して駆動するように、送信回路232が駆動信号を出力していた。これに対して、第三実施形態では、送信用トランスデューサー群45Aの第一下部電極パッド452Pと第二下部電極パッド456Pとが、予め接続された後に選択回路231に接続されている点で相違する。
[Third embodiment]
Next, a third embodiment will be described.
In the first embodiment, each
図14は、第三実施形態に係る送信ユニットTUの概略構成を示す断面図である。
図14に示すように、第一下部電極パッド452Pと第二下部電極パッド456Pとは、Z方向に沿って振動膜412を貫通する第一貫通電極416により接続されている。
また、封止板42における第二下部電極パッド456Pと重なる位置には、Z方向に沿って封止板42を貫通する第二貫通電極423が形成されている。
この第二貫通電極423によって、第二下部電極パッド456Pと、封止板42の−Z側の面に形成された電極パッド424とが接続されている。この電極パッド424を介して、第一下部電極パッド452Pと第二下部電極パッド456Pとが回路基板23に接続される。
なお、図14では、図示を省略するが、第一上部電極パッド454P及び第二上部電極パッド458Pについても、同様に、第一貫通電極416、第二貫通電極423、及び電極パッド424を介して回路基板23に接続されている。
このような構成では、送信用トランスデューサー群45Aに対して送信回路232からの駆動信号が出力されると、第一下部電極452及び第一上部電極454の間と、第二下部電極456及び第二上部電極458の間とに、逆方向の電界が同時に印加される。
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a transmission unit TU according to the third embodiment.
As shown in FIG. 14, the first
Further, a second through
The second
Although not shown in FIG. 14, the first
In such a configuration, when a drive signal from the
[第三実施形態の作用効果]
本実施形態では、第一圧電素子451及び第二圧電素子455の各下部電極452,456と、各上部電極454,458とが、それぞれ短絡されている。このような構成では、送信用トランスデューサー45を駆動する際に、第一圧電素子451と第二圧電素子455とを同一の駆動信号で駆動させることができる。したがって、各圧電素子451,455を個別に駆動する構成と比べて、各圧電素子451,455の駆動タイミングを同期させることが容易である。また、各圧電素子451,455を個別に駆動させる場合と比べて、選択回路231や送信回路232等の各駆動回路の構成を簡略化できる。また、送信用トランスデューサー45及び上記駆動回路を制御する制御装置10の処理負荷を低減できる。
また、このような構成では、送信ユニットTUにおける電極パッドの数を少なくすることができる。このため、送信ユニットTUと回路基板23との間の配線接続をより容易とすることができる。
[第三実施形態の変形例]
図15は、第三実施形態の一変形例を示す超音波測定装置の概略構成を示す図である。
第三実施形態では、図14に示すように、送信ユニットTUにおいて対応する電極が短絡されている構成を例示したが、回路基板23において短絡される構成としてもよい。
図15に示すように、超音波測定装置1では、送信用トランスデューサー群45Aの第一下部電極パッド452Pと第二下部電極パッド456Pとは、回路基板23において接続され短絡された後、選択回路231に接続されている。なお、第一上部電極パッド454P及び第二上部電極パッド458Pも、回路基板23において接続され、短絡された後、選択回路231に接続され、共通電位に設定されている。
[Operational effects of the third embodiment]
In the present embodiment, the
In such a configuration, the number of electrode pads in the transmission unit TU can be reduced. For this reason, the wiring connection between the transmission unit TU and the
[Modification of Third Embodiment]
FIG. 15 is a diagram illustrating a schematic configuration of an ultrasonic measurement apparatus according to a modification of the third embodiment.
In the third embodiment, as illustrated in FIG. 14, the configuration in which the corresponding electrode is short-circuited in the transmission unit TU is exemplified, but the configuration may be short-circuited in the
As shown in FIG. 15, in the
上記変形例でも同様に、選択回路231や送信回路232等の各駆動回路の構成を簡略化できる。また、送信用トランスデューサー45及び上記駆動回路を制御する制御装置10の処理負荷を低減できる。また、回路基板23において、対応する電極パッドを短絡させているので、送信ユニットTUの構成を簡略化することができる。
なお、上記第三実施形態及び変形例において、第一圧電素子451及び第二圧電素子455を互いに逆方向に駆動可能であれば、第一下部電極452及び第二上部電極458を短絡し、第二下部電極456及び第一上部電極454を短絡する構成としてもよい。
Similarly, in the above modification, the configuration of each drive circuit such as the
In the third embodiment and the modification, if the first
[他の変形例]
なお、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良、及び各実施形態を適宜組み合わせる等によって得られる構成は本発明に含まれるものである。
[Other variations]
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and the present invention includes configurations obtained by modifying, improving, and appropriately combining the embodiments as long as the object of the present invention can be achieved. Is.
上記各実施形態において、各送信用トランスデューサーの第二圧電素子に印加する駆動電圧を変更可能に構成してもよい。これにより、第二圧電素子の駆動量を変更することができ、ひいては送信トランスデューサーの固有周波数を変更することができる。具体的には、駆動電圧と固有周波数との関係を示すデータを記憶部13に記憶しておき、制御部14は、当該データに基づいて、設定された固有周波数に対応する駆動電圧を第二圧電素子に印加させる指令信号を送信回路232に出力する。送信回路232は、当該指令信号に基づく駆動電圧を第二圧電素子に印加する。
In each of the above embodiments, the drive voltage applied to the second piezoelectric element of each transmission transducer may be configured to be changeable. Thereby, the drive amount of a 2nd piezoelectric element can be changed and by extension, the natural frequency of a transmission transducer can be changed. Specifically, data indicating the relationship between the drive voltage and the natural frequency is stored in the
上記各実施形態では、第一圧電素子が矩形状の平面形状を有する構成を例示したが、これに限定されず、例えば円形状や、三角形状及び五角形状等の他の多角形状であってもよい。また、第二圧電素子も同様に各種形状の環状に形成されてもよい。 In each of the above embodiments, the first piezoelectric element has been illustrated as having a rectangular planar shape. However, the present invention is not limited to this. For example, the first piezoelectric element may be other polygonal shapes such as a circular shape, a triangular shape, and a pentagonal shape. Good. Similarly, the second piezoelectric element may be formed in an annular shape having various shapes.
上記各実施形態では、第一圧電素子及び第二圧電素子が、可撓膜412Aの重心Oに対して点対称となる構成を例示したが、これに限定されない。例えば、第一圧電素子のみを駆動した際の可撓膜412Aの最大変位点から離れた位置に第二圧電素子を設けることにより、送信用トランスデューサーの固有周波数を増大させることができる。
また、第二圧電素子が、重心Oを囲むように配置される構成に限定されず、上述のように、最大変位点から離れた位置に配置されていればよい。
In each of the above-described embodiments, the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are illustrated as being point-symmetric with respect to the center of gravity O of the
Further, the second piezoelectric element is not limited to the configuration in which the second piezoelectric element is disposed so as to surround the center of gravity O, and may be disposed at a position away from the maximum displacement point as described above.
上記各実施形態では、可撓膜412Aの重心Oが最大変位点と一致し、第一圧電素子が重心Oと重なる位置に、第二圧電素子が重心Oから離れた位置に配置された構成を例示したが、これに限定されない。例えば、可撓膜412Aの剛性が面方向に沿って変化する場合等、重心Oと最大変位点とが異なる場合も本発明に含まれる。この場合、第一圧電素子を最大変位点と重なる位置に、第二圧電素子を最大変位点から離れた位置に配置すればよい。
In each of the above embodiments, the center of gravity O of the
上記各実施形態では、第一圧電素子を素子基板41の封止板42とは反対側に設け、第二圧電素子を素子基板41の封止板42側に設ける構成を例示したが、これに限定されない。
図16は、送信ユニットTUの一変形例を模式的に示す断面図である。図16に示す変形例では、素子基板41の封止板42側に第一圧電素子451が、封止板42とは逆側に第二圧電素子455が配置されている。このような構成では、超音波の送信時に、第一圧電素子451に対して、例えば所定周波数の矩形波電圧を印加した際に、第一圧電素子451が可撓膜412Aに向かって振動し始める。このため、可撓膜412Aが+Z側に向かって変形する場合の変形速度を増大させることができ、音圧を向上させることができる。なお、図5に示すように、第一圧電素子451が可撓膜412Aの+Z側に設けられ、第一圧電素子451上に音響整合層43が形成される場合では、図16に示すように第二圧電素子455上に音響整合層43が形成される場合と比べて、音響整合層43を隙間なく充填することが容易である。つまり、第一圧電素子451は、第二圧電素子455よりも単純な構造を有するため、第二圧電素子455上よりも第一圧電素子451上の方が、音響整合層43を隙間なく形成することが容易である。
In each of the above embodiments, the first piezoelectric element is provided on the side opposite to the sealing
FIG. 16 is a cross-sectional view schematically showing a modification of the transmission unit TU. In the modification shown in FIG. 16, the first
また、上記各実施形態では、封止板42に抑制部422を形成していたが、これに限定されず、素子基板41の−Z側の面に抑制部を形成してもよい。また、素子基板41の+Z側の面に抑制部を形成してもよい。
図17は、送信ユニットTUの一変形例を模式的に示す断面図である。図17に示す変形例では、素子基板41の+Z側に、抑制部417が形成されている。この抑制部417は、例えば、封止板42と同様の材料で形成され、可撓膜412Aに対応する位置に貫通孔417Aが形成されており、素子基板41に対して接着固定されている。この抑制部417により、素子基板41の強度を向上させることができ、素子基板41の反りの発生を抑制できる。また、第二圧電素子455よりも単純な構成を有する第一圧電素子451が設けられている側に抑制部417が設けられるため、第二圧電素子455が+Z側に設けられている場合よりも、抑制部417の位置合わせが容易である。また、上述のように、音響整合層43を充填することも容易である。
なお、図5に示すように、封止板42に抑制部422を形成する場合は、素子基板41に上述の抑制部417を設けなくともよく、部品点数を削減できるうえ、製造工程を簡略化できる。
Further, in each of the above embodiments, the suppressing
FIG. 17 is a cross-sectional view schematically showing a modification of the transmission unit TU. In the modification shown in FIG. 17, a suppressing
In addition, as shown in FIG. 5, when the
また、図18は、送信ユニットTUの一変形例を模式的に示す断面図である。図18に示す変形例では、素子基板41の+Z側に、抑制部417が形成されている。また、素子基板41の封止板42側に第一圧電素子451が、封止板42とは逆側に第二圧電素子455が配置されている。このような構成でも、抑制部417により素子基板41の強度を向上させることができ、素子基板41の反りの発生を抑制できる
なお、図18及び図17に示す変形例において、封止板42側にも凹溝421を形成してもよく、これにより、上述のようにクロストークが発生することを抑制できる。
FIG. 18 is a cross-sectional view schematically showing a modification of the transmission unit TU. In the modification shown in FIG. 18, a suppressing
上記各実施形態では、第一圧電素子と第二圧電素子とが可撓膜412Aを挟むように配置されていたが、これに限定されず、同一面に形成されてもよい。この場合、第一圧電素子と第二圧電素子との振動の位相が逆位相となるように構成すればよい。これにより、上記各実施形態と同様に、送信用トランスデューサーの固有周波数を増大させることができる。 In each said embodiment, although the 1st piezoelectric element and the 2nd piezoelectric element were arrange | positioned so that 412A of flexible films may be pinched | interposed, it is not limited to this, You may form in the same surface. In this case, what is necessary is just to comprise so that the phase of a vibration of a 1st piezoelectric element and a 2nd piezoelectric element may become an antiphase. Thereby, the natural frequency of the transmitting transducer can be increased as in the above embodiments.
上記各実施形態では、可撓膜412Aを振動させる第一振動部及び第二振動部として圧電素子を備える構成を例示したが、これに限定されない。例えば、第一振動部及び第二振動部として静電アクチュエーター等の振動子を備える構成でもよい。このような場合でも、第一振動部と第二振動部とを逆方向に振動させる構成とすることにより、送信用トランスデューサーの送信出力の低下を抑制しつつ固有周波数を増大させることができる。
In each said embodiment, although the structure provided with a piezoelectric element as a 1st vibration part and 2nd vibration part which vibrate
上記各実施形態では、送信アレイTA及び受信アレイRAが略同一の面積を有しているが、これに限定されず、異なる面請を有していてもよい。また、送信アレイTA及び受信アレイRAの配置位置に関しても、図3の例に限られず、例えば、送信アレイTA内の一部に、受信アレイRAが設けられる構成や、送信用トランスデューサー群(送信チャンネル)と受信用トランスデューサー群(受信チャンネル)とが、例えばX方向(スキャン方向)に沿って交互に配列される構成などとしてもよい。また、送信ユニットTUと受信ユニットRUとが一体的に筐体21に収納される構成に限定されず、送信ユニットTUのみを備える送信用プローブと、受信ユニットRUのみを備える受信用プローブと、を備える構成でもよいし、送信用プローブのみを備えていてもよい。
In each of the above embodiments, the transmission array TA and the reception array RA have substantially the same area. However, the present invention is not limited to this, and may have different surfaces. Further, the arrangement positions of the transmission array TA and the reception array RA are not limited to the example in FIG. 3. For example, a configuration in which the reception array RA is provided in a part of the transmission array TA or a transducer group for transmission (transmission) The channel) and the receiving transducer group (receiving channel) may be arranged alternately along the X direction (scanning direction), for example. Further, the transmission unit TU and the reception unit RU are not limited to a configuration in which the transmission unit TU and the reception unit RU are integrally stored in the
上記各実施形態では、1次元アレイ構造を有する超音波デバイスを用いる構成を例示したが、本発明はこれに限定されず、各トランスデューサーを個別に駆動可能に構成された2次元アレイ構造を有する超音波デバイスを用いてもよい。この場合、音響レンズが不要である。 In each of the above embodiments, the configuration using an ultrasonic device having a one-dimensional array structure has been exemplified. However, the present invention is not limited to this, and has a two-dimensional array structure configured to be able to individually drive each transducer. An ultrasonic device may be used. In this case, an acoustic lens is unnecessary.
上記各実施形態では、生体内の器官を測定対象とする超音波測定装置を例示したが、これに限定されない。例えば、各種構造物を測定対象として、当該構造物の欠陥の検出や老朽化の検査を行う測定機に、本発明を適用することができる。また、例えば、半導体パッケージやウェハ等を測定対象として、当該測定対象の欠陥を検出する測定機にも本発明を適用することができる。 In each said embodiment, although the ultrasonic measuring device which makes an organ in a living body a measuring object was illustrated, it is not limited to this. For example, the present invention can be applied to a measuring machine that uses various structures as a measurement object and detects defects in the structures or inspects aging. Further, for example, the present invention can be applied to a measuring machine that detects a defect of the measurement target using a semiconductor package, a wafer, or the like as the measurement target.
その他、本発明の実施の際の具体的な構造は、本発明の目的を達成できる範囲で上記各実施形態及び変形例を適宜組み合わせることで構成してもよく、また他の構造などに適宜変更してもよい。 In addition, the specific structure for carrying out the present invention may be configured by appropriately combining the above-described embodiments and modifications within the scope that can achieve the object of the present invention, and may be appropriately changed to other structures and the like. May be.
1…超音波測定装置、2…超音波プローブ、10…制御装置、14…制御部、21…筐体、22…超音波デバイス、23…回路基板、24…超音波センサー、41…素子基板、42…封止板、43…音響整合層、44…音響レンズ、45…第一送信用トランスデューサー、46…第二送信用トランスデューサー、412…振動膜、412A…可撓膜、412B…外縁、413…第一層、414…第二層、415…第三層、421…凹溝、422…抑制部、451…第一圧電素子、452…第一下部電極、452A…第一下部電極線、453…第一圧電膜、454…第一上部電極、455…第二圧電素子、456…第二下部電極、456A…第二下部電極線、457…第二圧電膜、458…第二上部電極、461…第二圧電素子、462…第二下部電極、463…第二圧電膜、464…第二上部電極、O…重心、RU…受信ユニット、TA…送信アレイ、TU…送信ユニット。
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記可撓膜を振動させる第一振動部及び第二振動部と、を備え、
前記第二振動部は、前記可撓膜の厚み方向から見た平面視において、前記可撓膜の最大変位点から離れた位置に設けられる
ことを特徴とする超音波トランスデューサー。 A flexible membrane;
A first vibrating portion and a second vibrating portion for vibrating the flexible membrane,
The ultrasonic transducer according to claim 2, wherein the second vibrating section is provided at a position away from a maximum displacement point of the flexible film in a plan view as viewed from the thickness direction of the flexible film.
前記第一振動部は、前記平面視において、前記最大変位点と重なる位置に設けられる
ことを特徴とする超音波トランスデューサー。 The ultrasonic transducer according to claim 1.
The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the first vibrating portion is provided at a position overlapping the maximum displacement point in the plan view.
前記第一振動部は、前記平面視において、前記最大変位点に対して点対称となる位置に設けられ、
前記第二振動部は、前記平面視において、前記最大変位点に対して点対称となる位置に設けられる
ことを特徴とする超音波トランスデューサー。 The ultrasonic transducer according to claim 1 or 2,
The first vibration part is provided at a position that is point-symmetric with respect to the maximum displacement point in the plan view.
The ultrasonic transducer according to claim 2, wherein the second vibrating section is provided at a position that is point-symmetric with respect to the maximum displacement point in the plan view.
前記第二振動部は、前記平面視において、前記可撓膜の外縁に沿って設けられる
ことを特徴とする超音波トランスデューサー。 The ultrasonic transducer according to any one of claims 1 to 3,
The ultrasonic transducer according to claim 2, wherein the second vibrating portion is provided along an outer edge of the flexible film in the plan view.
前記第一振動部は、前記可撓膜の一方の面に設けられた第一圧電素子であり、
前記第二振動部は、前記可撓膜の他方の面に設けられた第二圧電素子である
ことを特徴とする超音波トランスデューサー。 The ultrasonic transducer according to any one of claims 1 to 4,
The first vibration unit is a first piezoelectric element provided on one surface of the flexible film,
The ultrasonic transducer, wherein the second vibrating section is a second piezoelectric element provided on the other surface of the flexible film.
前記第一圧電素子は、前記可撓膜側から第一電極、第一圧電体、及び第二電極が積層された構成を有し、
前記第二圧電素子は、前記可撓膜側から第三電極、第二圧電体、及び第四電極が積層された構成を有し、
前記第一電極及び前記第二電極の一方と、前記第三電極及び前記第四電極の一方とは、短絡され、
前記第一電極及び前記第二電極の他方と、前記第三電極及び前記第四電極の他方とは、短絡されている
ことを特徴とする超音波トランスデューサー。 The ultrasonic transducer according to claim 5.
The first piezoelectric element has a configuration in which a first electrode, a first piezoelectric body, and a second electrode are stacked from the flexible film side,
The second piezoelectric element has a configuration in which a third electrode, a second piezoelectric body, and a fourth electrode are laminated from the flexible film side,
One of the first electrode and the second electrode and one of the third electrode and the fourth electrode are short-circuited,
The other of said 1st electrode and said 2nd electrode, and the other of said 3rd electrode and said 4th electrode are short-circuited. The ultrasonic transducer characterized by the above-mentioned.
前記第二振動部は、前記可撓膜の厚み方向から見た平面視において、前記可撓膜の最大変位点から離れた位置に設けられる
ことを特徴とする超音波アレイ。 An ultrasonic array comprising a plurality of ultrasonic transducers comprising a flexible membrane, and a first vibrating portion and a second vibrating portion that vibrate the flexible membrane,
The ultrasonic array, wherein the second vibrating portion is provided at a position away from a maximum displacement point of the flexible film in a plan view as viewed from the thickness direction of the flexible film.
複数の前記超音波トランスデューサーのうちの第一の超音波トランスデューサーと、第二の超音波トランスデューサーとは、前記平面視において、前記第二振動部が配置された領域の面積が異なる
ことを特徴とする超音波アレイ。 The ultrasound array of claim 7,
The first ultrasonic transducer of the plurality of ultrasonic transducers and the second ultrasonic transducer have different areas of the region where the second vibration unit is arranged in the plan view. Features ultrasonic array.
前記可撓膜を振動させる第一振動部及び第二振動部と、
前記第一振動部及び前記第二振動部が接続される回路基板と、を備え、
前記第二振動部は、前記可撓膜の厚み方向から見た平面視において、前記可撓膜の最大変位点から離れた位置に設けられる
ことを特徴とする超音波モジュール。 A flexible membrane;
A first vibrating portion and a second vibrating portion that vibrate the flexible membrane;
A circuit board to which the first vibrating part and the second vibrating part are connected,
The ultrasonic module, wherein the second vibrating section is provided at a position away from a maximum displacement point of the flexible film in a plan view as viewed from the thickness direction of the flexible film.
超音波を受信する受信部と、を具備し、
前記第二振動部は、前記可撓膜の厚み方向から見た平面視において、前記可撓膜の最大変位点から離れた位置に設けられる
ことを特徴とする超音波測定装置。 A transmission unit including an ultrasonic transducer including a flexible film, and a first vibration unit and a second vibration unit configured to vibrate the flexible film, and transmitting an ultrasonic wave from the ultrasonic transducer;
A receiving unit for receiving ultrasonic waves,
The ultrasonic measurement apparatus, wherein the second vibration unit is provided at a position away from a maximum displacement point of the flexible film in a plan view as viewed from the thickness direction of the flexible film.
前記超音波トランスデューサーを制御する制御部と、を具備し、
前記第二振動部は、前記可撓膜の厚み方向から見た平面視において、前記可撓膜の最大変位点から離れた位置に設けられる
ことを特徴とする電子機器。 An ultrasonic transducer comprising: a flexible membrane; and a first vibrating portion and a second vibrating portion that vibrate the flexible membrane;
A control unit for controlling the ultrasonic transducer,
Said 2nd vibration part is provided in the position distant from the maximum displacement point of the said flexible film in the planar view seen from the thickness direction of the said flexible film. The electronic device characterized by the above-mentioned.
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