JP3396647B2 - 超音波発振装置および超音波発振装置の駆動方法 - Google Patents
超音波発振装置および超音波発振装置の駆動方法Info
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Description
よび超音波治療装置用送波器に関する。
音波送受信素子を備えている。前記超音波プローブは、
超音波を対象物に向けて照射し、その対象物における音
響インピーダンスの異なる界面からの反射エコーを受信
することにより前記対象物の内部状態を画像化するため
に用いられる。このような前記超音波プローブを組み込
んだ超音波画像装置は、例えば人体内部を検査するため
の医療用診断装置および金属溶接内部の探傷を目的とす
る検査装置等に応用されている。
人体の断層像(Bモード像)に加え、心臓、肝臓、頸動
脈等を対象に超音波の血流によるドプラシフトを利用し
て血流の速度を2次元でカラー表示することが可能な
「カラーフローマッピング(CFM)法」を採用したも
のが開発され、前記医療用診断装置によりその診断能力
が飛躍的に向上した。前記CFM法を採用した医療用診
断装置は子宮や肝臓、脾蔵などの人体のあらゆる臓器、
器官の診断に用いられ、今後は冠血栓の診断も可能な装
置を目指して研究がなされている。
による小さな病変や空隙が明瞭に深部まで見えるように
するために、高解像度の画像が高感度で得られることが
要求される。後者のCFM像を得ることができるドプラ
モードの場合には、直径が数μm程度の微小な血球から
の反射エコーを用いるため、前記Bモードの場合に比べ
て得られる信号レベルが小さくなり、より高感度化が要
求される。
て、高分解能の画像が得られるハーモニック・イメージ
ング(HI)法が注目されている。この方法では生体中
を伝搬する超音波が生体組織の音響的非線形性に起因し
て波形歪みを起こし、高次高調波を蓄積的に生成してい
くことを利用する。従来のBモード像がエコー信号にお
ける基本波成分を主体に画像化するのに対して、HI法
ではエコーにおける第2高調波成分を主体に画像化す
る。HI法では第2高調波のビーム幅は基本波ビーム幅
の約(1/2)1/2であること、グレーティングローブ
の発生が少ないことなどから、高分解能で且つアーチフ
ァクトの少ない画像が得られる特徴がある。
多用されているPZT(ジルコン・チタン酸鉛)系セラ
ミックの代わりに電気機械結合係数が極めて大きく、音
響インピーダンスが生体に近い少なくともチタン酸鉛を
含む固溶系圧電単結晶を適用することを例えば特開平6
−38963号公報、あるいは特開平7−99348号
公報等で提案してきた。このような超音波送受信素子
は、従来のPZTセラミック型プローブに比べて高感度
・広帯域になるので、従来のBモード像とCFM像の画
質向上はもとより、送信を基本波、受信を第2高調波と
するHI法には極めて有効である。HI法でのポイント
は、送信時に第2高調波成分が送信されないようにする
ことである。そのためには駆動信号電圧を例えばサイン
バーストとし、第2高調波成分を少なくすることが有効
である。しかし圧電単結晶を用いた超音波プローブで
は、このサインバーストに代表される双極性駆動信号電
圧の分極方向と逆方向成分により駆動信号の振幅によっ
ては圧電単結晶が徐々に脱分極して画質が劣化するとい
う問題があった。
の圧電単結晶を用いた超音波プローブは、駆動信号によ
って脱分極するという問題があった。
に脱分極しない超音波発振装置およびその駆動方法を提
供することを目的とする。
タン酸鉛を含む固溶系圧電単結晶からなる圧電体と、前
記圧電体の超音波発振面およびその対向面にそれぞれ設
けられた一対の電極と、前記一対の電極間に駆動信号電
圧および直流電圧を印加する電圧供給手段とを有するこ
とを特徴とする超音波発振装置である。
インバーストを用いた場合においても、圧電体の脱分極
を防止することができる。
して兼用させることで、超音波プローブとして使用する
ことが可能となる。さらに、駆動信号電圧としてサイン
バーストを用い、超音波の第2高調波を受信することで
前記圧電単結晶の特性を生かすことができる。
Mg、Ni、Sc、InおよびYbの群から選ばれる少
なくとも1種、B2はNbおよびTaの群から選ばれる
少なくとも1種)で表される組成物を使用することが望
ましい。
1-xTix]の化学量論比をA/Bとした時、0.98≦
A/B<1であることが望ましい。
電極間距離とで規定される直流電界の大きさは、12
[V/mm]以上であることが望ましい。
固溶系圧電単結晶からなる圧電体の超音波発振面および
その対向面にそれぞれ設けられた一対の電極に駆動信号
電圧を印加する超音波発振装置の駆動方法であって、前
記駆動信号電圧に直流電圧を重畳する工程を有すること
を特徴とする超音波発振装置の駆動方法である。
より、第2高調波の受信に優れるチタン酸鉛を含む圧電
単結晶を用いた超音波発振器について鋭意研究し、この
圧電単結晶は交流電源を駆動信号電圧として用いた時
に、他の圧電体に比べ脱分極しやすいことに着目し、分
極させる方向に直流電圧を印加しつつ、駆動信号電圧を
印加することで前記圧電単結晶の脱分極を防止できるこ
とを確認し、本発明に至った。
ング材2上に互いに分離して接着されている。前記各々
の圧電体1は図の矢印A方向に振動する。第1電極3
は、前記各々の圧電体1の超音波送受信面からその側面
およびおよび前記送受信面と反対側の面の一部に亘って
それぞれ形成されている。第2電極4は、前記各々の圧
電体1の前記送受信面と反対側の面に前記第1電極3と
所望の距離隔ててそれぞれ形成されている。このような
前記圧電体1、前記第1、第2の電極3、4により超音
波送受信素子が構成される。
極3を含む前記各圧電体1の超音波送受信面にそれぞれ
形成されている。音響レンズ6は、前記各音響マッチン
グ層5の全体に亘って形成されており、圧電体1の振動
により発生する超音波を集束する。アース電極板7は、
前記各々の第1電極3に接続されている。複数の導体
(ケーブル)を有するフレキシブル印刷配線板8は、前
記各々の第2電極4に例えばはんだ付けにより接続され
ている。
ブ9は、例えば次のような方法により作製される。
パッタ法により蒸着し、選択エッチング技術により超音
波送受信面および前記送受信面と反対側の面に導電膜を
残す。つづいて、前記単結晶片の超音波送受信面側の前
記導電膜端部上にアース電極7を例えばはんだ付けによ
り接続した後、前記単結晶片の超音波送受信面となる面
に音響マッチング層を形成する。
受信面と反対側の面に位置する前記導電膜端部上に複数
の導体(ケーブル)を有するフレキシブル印刷配線板8
を例えばはんだ付けにより接続した後、これらをバッキ
ング材2上に接着する。その後、ブレードを用いて前記
音響マッチング層から前記単結晶片の前記超音波送受信
面と反対側の面に位置する前記導電膜に亘って複数回切
断することにより前記バッキング材2上に第1、第2電
極3、4を有し、アレイ状に配列され互いに分離された
複数の圧電体1と前記各圧電体1上にそれぞれ配置され
た複数の音響マッチング層5が形成される。
ンズ6を形成することにより超音波プローブを作製す
る。前記圧電体1は、亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固
溶系単結晶から形成される。
法により製造される。
bO、ZnO、Nb2O5、TiO2を用い、これらを純
度補正した後、亜鉛ニオブ酸(PZN)とチタン酸鉛
(PT)とが所望のモル比になるように秤量し、さらに
フラックスとしてPbOを添加する。この粉末に純水を
添加し、例えばZrO2ボールが収納されたボールミル
で所望時間混合する。得られた混合物の水分を除去した
後、例えばライカイ機のような粉砕機で十分に粉砕し、
さらにゴム型容器に入れ、所望の圧力でラバープレスを
行なう。
からなる所望容量の容器に入れ、所望の温度で溶解す
る。冷却後、さらに前記固形物を前記容器に入れ、例え
ば白金からなる蓋で密閉し、前記容器を電気炉の中心に
設置する。前記溶解温度より高い温度まで昇温し、所望
の降温速度で溶解温度付近まで徐冷した後、室温まで冷
却する。
し、煮沸して固溶系単結晶を取り出すことにより製造す
る。
結晶は、前述したフラックス法の他に、例えばブリッジ
マン法やキロプーロス法、水熱育成法などによっても同
様に製造することが可能である。
単結晶としては、チタン酸鉛のモル分率が20%以下の
組成のものを用いることが望ましい。このような固溶系
単結晶からなる圧電体を用いることにより、PZTセラ
ミックからなる圧電体に比べて音速を20%以上遅くす
ることができるため、高感度化が図られた超音波プロー
ブを得ることが可能になる。
一例として挙げたが、出発原料のZnOおよびNb2O5
を、他の元素に代えて得られるチタン酸鉛を含む固溶系
圧電単結晶を製造することもできる。
Mg、Ni、Sc、InおよびYbの群から選ばれる少
なくとも1種、B2はNbおよびTaの群から選ばれる
少なくとも1種)で示されるチタン酸鉛を含む固溶系圧
電単結晶を用いることが望ましい。
理由によるものである。前記xを0.05未満にする
と、前記固溶系単結晶のキュリー温度が低く、前記フレ
キシブル印刷配線板7および前記アース電極板8の半田
付け時や前記固溶系単結晶の切断時に脱分極する恐れが
ある。一方、前記xが0.20を越えると大きな電気機
械結合係数が得られないばかりか、誘電率が低下して送
受信回路部の電気インピーダンスのマッチングが取り難
くなる恐れがある。より好ましいxは0.06〜1.2
である。
bと(Zn1/3Nb2/3)1-xTixの化学量論比をA/B
とした時、0.98≦A/B<1.00とすることが望
ましい。
すると得られた超音波プローブの実作動時における信頼
性が低下する恐れがある。
200〜400μmであることが好ましい。
び前記送受信面と反対側の面が0.4μm以下の平均表
面粗さを有し、かつ4μm以下の最大表面粗さを有する
ことが好ましい。前記平均表面粗さおよび前記最大表面
粗さがそれぞれ0.4μm、4μmを越えると感度のよ
うな長期信頼性が低下する恐れがある。より好ましい前
記平均表面粗さおよび前記最大表面粗さはそれぞれ0.
3μm以下、3μm以下である。
1)面であることが望ましい。このような圧電体1は、
前記固溶系単結晶の[001]軸(C軸)に対して垂直
に切り出すことにより作製される。
/Au、Ni/AuもしくはCr/Auの二層導電膜、
またはガラスフリットを含む銀焼付け等から形成され
る。
前記アース電極板7、前記フレキシブル印刷配線板8の
前記電極3、4への取付け形態は前述した図1に限定さ
れない。例えば、前記アース電極板7および前記フレキ
シブル印刷配線板8と前記電極3、4との接合ははんだ
付け以外に、導電ペーストの使用、抵抗溶接による方法
で行ってもよい。
ーブル10を介して接続されている。このパルサー回路
11に直流電源12により直流電圧を重畳させて圧電体
1に印加できる。
を圧電体1に印加することで、圧電体1を振動させプロ
ーブから超音波を発信させる。また、受信時には、受信
した超音波を圧電体によって電気信号に変換し、ビーム
フォーマ14により各チャンネルの受信信号に所望の遅
延をした後に加算器で整相加算される。その後、基本波
を測定する場合には基本波通過型フィルタ15を通し、
第2高調波を測定する場合には、基本波成分を除去する
高域通過型フィルタ16を通し、モニタにより映像化さ
れる。
畳して印加することで前記圧電体の脱分極を抑制するこ
とを特徴としている。
合、脱分極する方向に電圧が印加されるタイミングがあ
り、これに起因して本発明に係る圧電体は脱分極してし
まうが、分極方向に直流電圧を重畳することで、本発明
に係る圧電体の脱分極を抑制することができる。
/mm程度のサインバーストが印加されることを考慮す
れば、重畳する直流電圧は、圧電体を分極させる方向に
12V/mm以上、さらには15〜60V/mm程度に
することが好ましい。
させる機能が十分でなく、大きすぎても消費電力の割
に、脱分極防止特性に大きな変化はない。
ために、圧電体を超音波の送受信器として使用する場合
には、受信波中の第2高調波成分を測定検出することが
望ましい。第2高調波の測定手段は、特に限定されるこ
とはなく基本波をフィルタリングすることの可能な既知
の装置を使用することができる。
略図であるが、駆動信号、直流電源、などの駆動系、前
記フィルタなどの受信波の測定系など制御装置20は、
プローブ9等の超音波送受信素子あるいは超音波送信素
子と一体化させる必要はなく、図示するようにプローブ
9、制御装置20およびモニターをそれぞれ接続して使
用することができる。
ブ9を示したが、本発明の超音波プローブは特にこれに
限られるものではない。
クス状に2次元に並べた2次元アレイ型のプローブに使
用することも可能であり、また、圧電体1間に樹脂を充
填したコンポジット型のプローブでも、さらにはシング
ルエレメントを機械的に走査するメカニカルセクタプロ
ーブや同心円状の振動子を配置したアニュラアレイプロ
ーブにおいても適応される。
酸鉛を91:9のモル比で混合した固溶系圧電単結晶を用い
た。
作製した。
bO、ZnO、Nb2O5、TiO2を用い、これらを純
度補正した後、亜鉛ニオブ酸鉛(PZN)とチタン酸鉛
(PT)とが91:9のモル比で秤量し、さらにフラック
スとしてPbOを原料:PbOが45:55のモル比に
なるよう添加した。
が収納されたボールミルで1時間混合した。得られた混
合物の水分を除去した後、ライカイ機で十分に粉砕し、
さらにゴム容器に入れて2トン/cm2の圧力でラバー
プレスを行った。ゴム型から取り出した固形物600g
を直径65mm、容量250ccの白金容器に入れ、9
00℃まで4時間で昇温して溶解した。
れ、白金製の蓋で密閉し、前記容器を電気炉の中心に設
置した。1260℃の温度まで5時間で昇温し、0.5
℃/hrの速度で900℃まで徐冷した後、室温まで冷
却した。なお、徐冷の際、るつぼ底部に白金パイプを用
いて1200cm3/minで酸素ガスを吹き付け、局
所的に冷却した。その後、前記白金製容器に30%濃度
の硝酸を添加し、8時間煮沸して固溶系単結晶を取り出
した。得られた単結晶はるつぼ底部からほぼ単核に成長
し、大きさは一辺約40mmの不定形であった。
って結晶構造を調べたところ、ペロブスカイト構造を有
することが確認された。その後、前記単結晶をラウエカ
メラを用いて(001)面の方位を出し、この面に平行
にカッターで切断した。
μmに研磨後、スパッタ法によりTi/Cu/Au電極
(各厚みは0.05/1.0/0.2μm)を両面に形
成した。次に、薄板をシリコーンオイルに浸して200
℃に昇温した後、0.3kV/mmの電界を印加したま
ま40℃まで冷却して分極処理を施した。
面に形成した電極の反対側の端部の一部をエッチングに
より除去した。この単結晶振動子とフレキシブル配線基
板8をはんだ付けにより接合し、その後バッキング材2
にエポキシ樹脂を用いて接着した。さらにアース板7を
はんだ付けにより接続し、2層の音響マッチング層5を
形成した。次にダイシングソーにより厚さ50μmのブ
レードで200μmピッチで図1に示すように全96chに
渡って切断した。なおバッキング材へも切り込みを入
れ、その深さは約0.3mmとした。続いて切断溝にシ
リコーン樹脂を充填し、音響レンズを同じシリコーン樹
脂を用いて接着した。このプローブヘッドに同軸ケーブ
ルを接続して超音波プローブを完成した。
示すような矩形の単極性パルスを分極方向と同方向に印
加して水中に設置したアクリルブロックからのパルスエ
コー特性を測定した。その結果、96chの平均中心周波
数3.45MHz、−6dB比帯域82.3%が得られ
た。次に図5に示すようなバイアスを重畳していない3
波サインバーストaの電圧を徐々に上げて印加し、エコ
ー信号を測定した。サインバーストの周波数は3.5M
Hz、繰り返し周波数は6kHzである。図8に示すよ
うに、120Vppまでは線形に振幅が増加したが、1
20Vppを超えると鈍り始め、180Vppを超える
と振幅はむしろ低下した。
室温で各素子10〜20秒間印加して再分極処理を施し
た。その後、図6に示すように直流電圧を重畳したサイ
ンバーストbの電圧を印加してパルスエコー特性を測定
した。まず、バイアス電圧を3Vとして200Vppま
で測定し、再分極処理を施した後、バイアス電圧を5V
にして同様に測定した。
ス0Vの場合に比べて改善されたが、150Vppくら
いからエコー信号の振幅が鈍り始めた。これに対し、バ
イアス5Vでは測定した200Vppの範囲では線形に
エコー信号の振幅は増加した。バイアス3Vは電界に換
算すると約12V/mm、バイアス5Vでは19V/m
mに相当する。
係は、振動子の厚さを変えた、すなわち中心周波数を変
えた場合もほぼ同様の傾向を示した。さらに駆動信号電
圧を図7波形cのように極性を反転した場合、図4に示
した矩形波を双極性にした場合も同様な結果になった。
タン酸鉛(PT)を菱面体晶と正方晶の相境界近傍での組
成91:9のモル比で固溶させたものを用いたが、Zn
の代わりにMg、Sc、Ni、InあるいはYbのうち
少なくとも一つを用いた場合、またNbを一部Taで置
換したものでも同様の結果が得られる。例えば、マグネ
シウムニオブ酸鉛とPTを70:30のモル比で固溶さ
せたもの、スカンジウムニオブ酸鉛とPTを58:42
のモル比で固溶させたもの、スカンジウムニオブ酸鉛と
マグネシウムニオブ酸鉛、PTを29:34:37のモ
ル比で固溶させたもの等を用いることができる。
なくともチタン酸鉛を含む固溶系圧電単結晶を超音波送
受信用圧電素子に用いた場合にサインバースト等の双極
性駆動パルスに直流電圧を重畳することにより、脱分極
を防止できる。その結果、本発明に係わる圧電単結晶の
高電気機械結合係数と低音響インピーダンスを有効に利
用して、従来のPZTセラミックを用いた場合よりも高感
度・高分解能の超音波画像を得ることが可能な超音波プ
ローブの駆動方法を提供することができる。
斜視図
ースト
したサインバースト
係を示すグラフ
Claims (8)
- 【請求項1】少なくともチタン酸鉛を含む固溶系圧電単
結晶からなる圧電体と、 前記圧電体の超音波発振面およびその対向面にそれぞれ
設けられた一対の電極と、 前記一対の電極間に駆動信号電圧および直流電圧を印加
する電圧供給手段とを有することを特徴とする超音波発
振装置。 - 【請求項2】前記電圧供給手段は、前記一対の電極間
に、電圧振幅がサインバースト状に時間変化する駆動信
号電圧を印加することを特徴とする特徴とする請求項1
記載の超音波発振装置。 - 【請求項3】前記電圧供給手段は、前記一対の電極間
に、直流電圧が重畳された駆動信号電圧を印加すること
を特徴とする請求項1又は2記載の超音波発振装置。 - 【請求項4】前記超音波発信面は超音波受信機能を有
し、かつ受信した超音波の第2高調波を測定する測定装
置を有することを特徴とする請求項1記載の超音波発振
装置。 - 【請求項5】前記圧電体は、 Pb[(B1,B2)1-xTix)]O3 (ただし、xは0.05≦x≦0.55、B1はZn、
Mg、Ni、Sc、InおよびYbの群から選ばれる少
なくとも1種、B2はNbおよびTaの群から選ばれる
少なくとも1種)で表される組成からなることを特徴と
する請求項1記載の超音波発振装置。 - 【請求項6】前記圧電体は、Pbと[(B1,B2)
1-xTix]の化学量論比をA/Bとした時、0.98≦
A/B<1であることを特徴とする請求項4記載の超音
波発振装置。 - 【請求項7】前記直流電圧の大きさと前記一対の電極間
距離とで規定される直流電界の大きさは、12[V/m
m]以上であることを特徴とする請求項1記載の超音波
発振装置。 - 【請求項8】少なくともチタン酸鉛を含む固溶系圧電単
結晶からなる圧電体の超音波発振面およびその対向面に
それぞれ設けられた一対の電極に駆動信号電圧を印加す
る超音波発振装置の駆動方法であって、 前記駆動信号電圧に直流電圧を重畳する工程を有するこ
とを特徴とする超音波発振装置の駆動方法。
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