JP4719525B2 - Ultrasonic probe - Google Patents
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Description
本発明は、被検体に関する診断画像として超音波像を撮像するのに適用される超音波探触子に関する。 The present invention relates to an ultrasound probe that is applied to capture an ultrasound image as a diagnostic image related to a subject.
被検体との間に超音波を送受する超音波探触子は、駆動信号を超音波に変換して被検体に送波するとともに、被検体から発生した反射エコーを受波して受信信号に変換する振動子が配設されている。この振動子として、超音波送受信感度が印加バイアスの大きさに応じて変化する振動要素と、振動要素に接続された電極が形成されたものが知られている。 An ultrasound probe that sends and receives ultrasound to and from the subject converts the drive signal to ultrasound and sends it to the subject, and also receives reflected echoes generated from the subject to receive signals. A transducer for conversion is arranged. As this vibrator, a vibrator in which ultrasonic transmission / reception sensitivity is changed in accordance with the magnitude of an applied bias and an electrode connected to the vibration element are formed.
このような超音波探触子においては、振動要素に電極を介してバイアスを印加するに際し、バイアスの大きさを制御することにより、超音波探触子で送受される超音波ビームのビームプロファイルを改善してビーム幅を絞ることが行われる(例えば、特許文献1参照)。 In such an ultrasonic probe, when applying a bias to the vibrating element via the electrode, the beam profile of the ultrasonic beam transmitted and received by the ultrasonic probe is controlled by controlling the magnitude of the bias. Improvement is made to narrow the beam width (see, for example, Patent Document 1).
ところで、特許文献1のような従前の方式では、振動要素にバイアスを印加するに際し、バイアス電源に一時的な過渡現象(例えば電源の遮断)が生じた場合、定格を超えた過電圧が振動要素に印加されることがある。その場合、振動要素に例えばなだれ降状現象や短絡の異常状態が発生して過電流が流れることがある。振動要素に過電流が流れると、振動要素の電極の温度が上昇する結果、電極導体の蒸発に起因する断線などの障害が発生するおそれがある。
By the way, in the conventional method such as
本発明の課題は、バイアス電源に生じる過渡現象から振動要素を保護するのにより好適な超音波探触子を実現することにある。 An object of the present invention is to realize an ultrasonic probe that is more suitable for protecting a vibration element from a transient phenomenon occurring in a bias power source.
上記課題を解決するため、本発明の超音波探触子は、超音波と電気信号を相互に変換する振動子を配列してなり、振動子は、超音波送受信感度が印加バイアスの大きさに応じて変化する振動要素と、振動要素に接続された電極とを有し、振動要素の定格電圧を超える過電圧を阻止する保護手段が電極とバイアス電源との間に配設されてなることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the ultrasonic probe of the present invention is configured by arranging transducers that mutually convert ultrasonic waves and electrical signals, and the transducer has an ultrasonic transmission / reception sensitivity with a magnitude of an applied bias. A protective element is provided between the electrode and the bias power supply. The protective element has a vibration element that changes in response to the vibration element and an electrode connected to the vibration element, and prevents overvoltage exceeding the rated voltage of the vibration element. And
これによれば、バイアス電源の過渡現象に起因して過電圧が発生した場合、その過電圧は、振動要素に印加される前に抑制される。したがって、振動要素に過電流が流れることを防止できるため、過電流が要因で生じる障害を防止できる。このようにバイアス電源に生じる過渡現象から振動要素を保護できる。 According to this, when an overvoltage occurs due to a transient phenomenon of the bias power source, the overvoltage is suppressed before being applied to the vibration element. Therefore, since it is possible to prevent an overcurrent from flowing through the vibration element, it is possible to prevent a failure caused by the overcurrent. Thus, the vibration element can be protected from the transient phenomenon occurring in the bias power source.
この場合において、保護手段は、電極とバイアス電源との間に直列に接続された抵抗を有し、抵抗は、振動要素に過電圧が印加されたときの振動要素の電気抵抗よりも抵抗値を大きく設定することができる。これにより、バイアス電源に生じた過渡現象に起因する過電圧は、振動要素に印加される前に抑制される。したがって、振動要素に過電流が流れることを防止できる
また、保護手段は、電極とバイアス電源との間に直列に接続されたスイッチを有し、スイッチは、電極とバイアス電源との間に流れる電流が増大するにつれてインピダンスを大きくすることができる。これにより、バイアス電源に生じた過渡現象に起因する過電流は、振動要素に流れる前に検出されて低減される。
In this case, the protection means has a resistance connected in series between the electrode and the bias power source, and the resistance has a resistance value larger than the electric resistance of the vibration element when an overvoltage is applied to the vibration element. Can be set. Thereby, the overvoltage resulting from the transient phenomenon generated in the bias power source is suppressed before being applied to the vibration element. Accordingly, it is possible to prevent an overcurrent from flowing through the vibration element. Further, the protection means includes a switch connected in series between the electrode and the bias power supply, and the switch has a current flowing between the electrode and the bias power supply. As the value increases, the impedance can be increased. Thereby, an overcurrent caused by a transient phenomenon generated in the bias power source is detected and reduced before flowing into the vibration element.
また、保護手段は、電極とバイアス電源との間に配設された電圧リミット回路を有し、電圧リミット回路は、振動要素に印加されるバイアスの大きさを設定電圧以下に保持することができる。これにより、振動要素に印加される電圧は、振動要素に印加される前に検出された後に、設定電圧以下にシャント、クリップすることができる。 Further, the protection means has a voltage limit circuit disposed between the electrode and the bias power source, and the voltage limit circuit can hold the magnitude of the bias applied to the vibration element below a set voltage. . As a result, the voltage applied to the vibration element can be shunted and clipped below the set voltage after being detected before being applied to the vibration element.
また、本発明の超音波探触子は、超音波と電気信号を相互に変換する振動子を配列してなり、振動子は、超音波送受信感度が印加バイアスの大きさに応じて変化する複数の振動要素と、配列方向に直交する短軸方向に分割された複数の電極とを有し、分割された電極を一又は隣接する分割部からなる組に分け、各組とバイアス電源との間に、振動要素の定格電圧を超える過電圧を阻止する保護手段が配設されるものとし、保護手段は、短軸方向の中心から端に向かうにつれて組単位で許容電圧が小さく設定して構成できる。 Further, the ultrasonic probe of the present invention includes a plurality of transducers that mutually convert ultrasonic waves and electrical signals, and the transducer includes a plurality of ultrasonic transmission / reception sensitivities that change according to the magnitude of the applied bias. And a plurality of electrodes divided in the minor axis direction orthogonal to the arrangement direction, and the divided electrodes are divided into groups each consisting of one or adjacent divided portions, and between each set and the bias power source Furthermore, it is assumed that protective means for preventing overvoltage exceeding the rated voltage of the vibration element is provided, and the protective means can be configured by setting the allowable voltage to be smaller in units from the center to the end in the minor axis direction.
これによれば、短軸方向の中心部に位置する組の各振動要素は強電界にできるし、短軸方向の端に向かうにつれて組単位で弱電界にできる。したがって、中心部に対応する超音波のエネルギは比較的高めになるし、端に向かうにつれて組単位で超音波のエネルギは比較的低めになる。これにより、各組で送受される超音波ビームの短軸方向の形状をよりシャープに形成しつつ、各振動要素を過電流から保護できる。 According to this, each vibration element of the set located in the central part in the short axis direction can be made into a strong electric field, and can be made into a weak electric field in units as it goes to the end in the short axis direction. Therefore, the ultrasonic energy corresponding to the central portion is relatively high, and the ultrasonic energy is relatively low in units of pairs toward the end. Thereby, each vibration element can be protected from overcurrent while forming the shape of the short axis direction of the ultrasonic beam transmitted and received in each group more sharply.
本発明によれば、バイアス電源に生じる過渡現象から振動要素を保護するのにより好適な超音波探触子を実現できる。 According to the present invention, it is possible to realize an ultrasonic probe that is more suitable for protecting a vibration element from a transient phenomenon occurring in a bias power source.
(第1の実施形態)
本発明を適用した超音波探触子の第一の実施形態について図面を参照して説明する。図1は、本実施形態の超音波探触子の構成を示す図である。
(First embodiment)
A first embodiment of an ultrasonic probe to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing the configuration of the ultrasonic probe of the present embodiment.
図1に示すように、超音波探触子は、超音波と電気信号を相互に変換する振動子を配列してなり、その振動子は、超音波送受信感度が印加バイアスの大きさに応じて変化する複数の振動要素10−1,10−2と、振動要素10−1に接続された電極としての上部電極12a−1及び下部電極12b−1と、振動要素10−2に接続された電極としての上部電極12a―2及び下部電極12b−2を有して形成されている。
As shown in FIG. 1, the ultrasonic probe is composed of transducers that mutually convert ultrasonic waves and electrical signals, and the transducer has ultrasonic transmission / reception sensitivity corresponding to the magnitude of the applied bias. A plurality of changing vibration elements 10-1 and 10-2, an
ここで本実施形態の超音波探触子は、振動要素10−1の定格電圧を超える過電圧を阻止する保護手段としての保護回路14−1が振動要素10−1とバイアス手段16との間に配設されている。同様に、振動要素10−2とバイアス手段16の間に保護回路14−2が配設されている。なお、振動要素をセルと称してもよいし、その数については必要に応じて増やせばよい。
Here, in the ultrasonic probe of the present embodiment, the protection circuit 14-1 serving as a protection unit that prevents overvoltage exceeding the rated voltage of the vibration element 10-1 is provided between the vibration element 10-1 and the
より詳細に超音波探触子について説明する。超音波探触子は、超音波診断装置に接続される。超音波診断装置は、図1に示すように、超音波探触子に駆動信号を供給する送信手段18と、超音波探触子から出力された受信信号を処理する受信手段20と、超音波探触子にバイアスを印加するためのバイアス電源(DC電源)を有するバイアス手段16が配設されている。なお、送信手段18及び受信手段20は、送受分離手段22を介して超音波探触子との間で信号を授受する。例えば、送受分離手段22と例えば振動要素10−1との間に信号線と信号のリターン線がAC結合されている。
The ultrasonic probe will be described in more detail. The ultrasonic probe is connected to an ultrasonic diagnostic apparatus. As shown in FIG. 1, the ultrasonic diagnostic apparatus includes a
超音波探触子に適用する振動要素10−1は、印加バイアスの大きさに応じて電気機械結合係数が変化する超音波トランスデューサである。例えば図1は、cMUT(Capative Micromachined Ultrasonic Transducer:IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr. Vol45 pp.678-690 May 1998等)を振動要素10−1として適用した例である。 The vibration element 10-1 applied to the ultrasonic probe is an ultrasonic transducer in which the electromechanical coupling coefficient changes according to the magnitude of the applied bias. For example, FIG. 1 shows an example in which cMUT (Capative Micromachined Ultrasonic Transducer: IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr. Vol 45 pp. 678-690 May 1998) is applied as the vibration element 10-1.
cMUTは、半導体基板上に太鼓状の中空膜を上部電極12a-1と下部電極12b−1で挟んだいわばコンデンサ構造を有する。このようなcMUTに対してバイアス手段16からバイアスが印加されると、上部電極12a-1と下部電極12b−1間に電界が発生することで膜が緊張状態となる。この状態のcMUTに送信手段18から駆動信号が供給されると、膜の振動に由来して超音波が被検体に対して送波される。また、被検体から発生した反射エコーがcMUTに入力されると、内部空間の容量が変化するため、その容量変化を電気信号として取り出すことで受信信号が得られる。また、cMUTに印加するバイアスの大きさに応じて膜の緊張度が変わるため、バイアスの大きさを制御することにより超音波の強度に重みを付けることができる。なお、cMUTを代表して説明したが、電歪材を含んで形成される素子を適用してもよい。
The cMUT has a so-called capacitor structure in which a drum-shaped hollow film is sandwiched between a
振動要素10−1は、上部電極12a−1が頂部に形成されるとともに、底部に下部電極12b−1が底部に形成されている。上部電極12a―1は、バイアス手段16の正バイアス側に端子24aを介して接続されている。下部電極12b−1は、バイアス手段16の負バイアス側に端子24bを介して接続されている。このような振動要素10−1とバイアス手段16との間に保護回路14−1が配設されている。配設位置について補足すると、保護回路14−1は、送信手段18又は受信手段20並びに送受分離手段22が振動要素10−1に接続する接続位置よりもバイアス手段16側に設けられている。この保護回路14−1の具体例を以下の実施例1〜5で説明する。なお、振動要素10−1を代表して説明したが、他の振動要素10−2についても同様である。
In the vibration element 10-1, the
(実施例1)
図2は、本実施形態の超音波探触子に適用する保護回路の第一の実施例を示す図である。図2Aは、保護回路14−1の構成及び接続形態を示す図である。図2Bは、バイアス手段16の出力バイアスVdcと振動要素10−1の印加バイアスVcellとの関係を示す特性図である。図2Cは、バイアス手段16の出力バイアスVdcと振動要素10−1に流れる電流Icellとの関係を示す特性図である。
Example 1
FIG. 2 is a diagram illustrating a first example of a protection circuit applied to the ultrasonic probe of the present embodiment. FIG. 2A is a diagram illustrating a configuration and a connection form of the protection circuit 14-1. FIG. 2B is a characteristic diagram showing the relationship between the output bias V dc of the bias means 16 and the applied bias V cell of the vibration element 10-1. FIG. 2C is a characteristic diagram showing the relationship between the output bias V dc of the bias means 16 and the current I cell flowing through the vibration element 10-1.
図2Aに示すように、保護回路14−1は、上部電極12a―1とバイアス手段16との間に直列に接続された抵抗Rs(図の抵抗26)などから構成されている。抵抗Rsの抵抗値は、正常バイアスが印加されたときの振動要素10−1の電気抵抗よりも小さく設定され、かつ過電圧が印加されたときの振動要素10−1の電気抵抗よりも大きく設定されている。なお、正常バイアスとは、振動要素10−1の定格電圧以下のバイアスである。過電圧とは、振動要素10−1の定格電圧を超えたバイアスである。
As shown in FIG. 2A, the protection circuit 14-1 includes a resistor R s (
ここで振動要素10−1は、図2Aに示すように、コンデンサCcellと、コンデンサCcellに並列に接続された抵抗Rcellとを有した等価回路で表される。ここでのVdcは、バイアス手段16のバイアス電源の出力バイアスを示す。Vcellは、振動要素10−1に印加されるバイアスを示す。Icellは、振動要素10−1の抵抗Rcellを流れる電流を示している。 Here, as illustrated in FIG. 2A, the vibration element 10-1 is represented by an equivalent circuit having a capacitor C cell and a resistor R cell connected in parallel to the capacitor C cell . Here, V dc indicates the output bias of the bias power source of the bias means 16. V cell represents a bias applied to the vibration element 10-1. I cell shows the current through resistor R cell of the vibrating element 10-1.
まず、振動要素10−1に正常バイアスが印加された場合、印加バイアスVcellは数1式のように表される。一方、振動要素10−1に過電圧が印加された場合、印加バイアスVcellは数2式のように表される。なお、振動要素10−1に過電圧が印加された場合、定格電流を超えた過電流が振動要素10−1に流れるが、その際の振動要素10−1の抵抗をRcell´とする。
First, when a normal bias is applied to the vibration element 10-1, the applied bias V cell is expressed by the following equation (1). On the other hand, when an overvoltage is applied to the vibration element 10-1, the applied bias V cell is expressed by
(数1式)
Vcell=Vdc・Rcell/(Rs+Rcell)
(数2式)
Vcell=Vdc・Rcell´/(Rs+Rcell´)
(Formula 1)
V cell = V dc · R cell / (R s + R cell )
(Equation 2)
V cell = V dc · R cell '/ (R s + R cell ')
数1式および数2式において、抵抗Rsの抵抗値は数3式に示す条件がある。したがって、数1式および数2式は、数4式のように表される。数3式及び数4式から分かるように、数4式の右辺の出力バイアスVdcに対する乗算項は「1」よりも小さくなる。したがって、バイアス手段16の出力バイアスVdcが振動要素10−1の定格電圧を超えた場合、図2Bに示すように印加バイアスVcellの電圧降下が生じる。また、図2Cに示すように電流IcellのDC負荷線の傾斜が急になるのが緩和される。その結果、振動要素10−1に障害が生じるまでの時間を延ばすことができる。
In
(数3式)
Rcell>>Rs>>Rcell´
(数4式)
Vcell≒Vdc・Rcell´/Rs
(Formula 3)
R cell >> R s >> R cell '
(Formula 4)
V cell ≒ V dc · R cell '/ R s
本実施例によれば、バイアス電源に生じた過渡現象に起因する過電圧は、振動要素10−1に印加される前に保護回路14−1により抑制される。したがって、振動要素10−1に過電流が流れることを防止できるため、過電流が要因で生じる障害を防止できる。その結果、例えば、超音波探触子の装置寿命を延ばすことができるし、装置の安定動作を確保できる。また、本実施例の保護回路14−1に関しては、比較的安価かつ簡単に実現できる。 According to the present embodiment, an overvoltage caused by a transient phenomenon generated in the bias power supply is suppressed by the protection circuit 14-1 before being applied to the vibration element 10-1. Therefore, since it is possible to prevent an overcurrent from flowing through the vibration element 10-1, a failure caused by the overcurrent can be prevented. As a result, for example, the device life of the ultrasonic probe can be extended, and stable operation of the device can be ensured. Further, the protection circuit 14-1 of the present embodiment can be realized relatively inexpensively and easily.
抵抗Rsの抵抗値について説明を加える。振動要素10−1の抵抗Rcellは、ウエハ製造工程等に起因して抵抗値がばらつくことがある。したがって、抵抗Rsの抵抗値を制御する第一の方法として、抵抗値のばらつきを全て吸収できるような統計的に絶縁破壊しない値に抵抗Rsの抵抗値を一律に合わせることができる。ただし、通常動作時の抵抗Rsの値よりも高めに合わせられることがある結果、電圧降下が増大して不要な電力損失が生じる場合がある。 Add described resistance value of the resistor R s. The resistance value of the resistance R cell of the vibration element 10-1 may vary due to a wafer manufacturing process or the like. Therefore, as a first method of controlling the resistance value of the resistor R s, the variation in the resistance values statistically not breakdown value as to absorb all the resistance value of the resistor R s can be adjusted uniformly. However, as a result of being sometimes set higher than the value of the resistance R s during normal operation, the voltage drop may increase and unnecessary power loss may occur.
抵抗Rsの抵抗値を制御する第二の方法として、抵抗Rsの抵抗値を個別具体的に制御することができる。例えば、電気接触導通を取るプローブを振動要素10−1の各電極に接触させ、抵抗Rcellを計測する。そして、計測値に基づき、抵抗Rsに対してレーザ加工装置及びレーザ加工方法(例えば特開2001−47270号公報)によりレーザ照射することにより、抵抗Rsの抵抗値をトリミングする。これにより、各抵抗Rs単位で抵抗値が調整されるから、不要な電力損失の発生を抑制できる。また、レーザトリミング方法に代えて、半導体装置の製造方法のように金属ペーストを塗布して金属配線層を精製する技術(例えば特開2004−273679号公報)を適用することにより、複数の抵抗パターンで構成した抵抗Rsの接続状況を調整することもできる。 As a second method of controlling the resistance value of the resistor R s, the resistance value of the resistor R s can be controlled individually and specifically. For example, a probe that conducts electrical contact is brought into contact with each electrode of the vibration element 10-1, and the resistance R cell is measured. Then, based on the measurement value, by laser irradiation by the laser machining apparatus and a laser processing method with the resistor R s (for example, Japanese 2001-47270 JP), trimming the resistance value of the resistor R s. Thereby, since the resistance value is adjusted in units of each resistance R s , generation of unnecessary power loss can be suppressed. Further, instead of the laser trimming method, a plurality of resistance patterns can be obtained by applying a technique (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-273679) for applying a metal paste and refining a metal wiring layer as in a semiconductor device manufacturing method. in it it is also possible to adjust the connection status of the configuration the resistor R s.
(実施例2)
図3は、本実施形態の超音波探触子に適用する保護回路の第二の実施例を示す図である。図3Aは、保護回路14−1の構成及び接続形態を示す図である。図3Bは、スイッチ素子SWの抵抗Rswと振動要素10−1に流れる電流Icellとの関係を示す特性図である。図3Cは、バイアス手段16の出力バイアスVdcと振動要素10−1に流れる電流Icellとの関係を示す特性図である。
(Example 2)
FIG. 3 is a diagram illustrating a second example of the protection circuit applied to the ultrasonic probe of the present embodiment. FIG. 3A is a diagram illustrating a configuration and a connection form of the protection circuit 14-1. FIG. 3B is a characteristic diagram showing a relationship between the resistance R sw of the switch element SW and the current I cell flowing through the vibration element 10-1. FIG. 3C is a characteristic diagram showing the relationship between the output bias V dc of the bias means 16 and the current I cell flowing through the vibration element 10-1.
図3Aに示すように、保護回路14−1は、上部電極12a―1とバイアス手段16との間に直列に接続されたスイッチ素子SW(図のスイッチ素子30)などから構成されている。ここでのスイッチ素子SWは、チタン酸バリウム(BaTiO3)や、Siを含む窒化タングステンシリサイド(WSiN)を含んでなる正温度係数サーミスタである。サーミスタは、自己に流れる電流の大きさに起因する温度に基づき抵抗値を変化させる特性を有する。例えば、本実施例の正温度係数サーミスタは、自己に流れる電流の増加に起因して熱が発生するため、その抵抗値が例えば106〜107倍増加する。
As shown in FIG. 3A, the protection circuit 14-1 includes a switch element SW (switch
振動要素10−1は、通常動作時では数pA〜数百pA程度の電流が流れる。通常動作時においては、スイッチ素子SWは閉じた状態であり、その抵抗Rswはほぼ一定の低値である。一方、振動要素10−1は、過電圧が印加されるとなだれ降状現象や短絡などの異常状態が発生して数μA〜数百mA程度の電流が流れ始める。異常状態においては、スイッチ素子SWは開いた状態になり、図2B及び図2Cに示すように電流Icellが遮断される。これにより、振動要素10−1に流れる過電流が抑制される。 The vibration element 10-1 flows a current of about several pA to several hundred pA during normal operation. During normal operation, the switch element SW is in a closed state, and its resistance R sw is a substantially constant low value. On the other hand, when an overvoltage is applied to the vibration element 10-1, an abnormal state such as an avalanche phenomenon or a short circuit occurs, and a current of about several μA to several hundred mA starts to flow. In the abnormal state, the switch element SW is opened, and the current I cell is cut off as shown in FIGS. 2B and 2C. Thereby, the overcurrent which flows into the vibration element 10-1 is suppressed.
なお、スイッチ素子SWが開放状態になった後は、熱管理を行うために、バイアス手段16のバイアス電源をリセットするまでスイッチ素子SWの開放状態を継続するように蓄熱設計してもよい。あるいは、スイッチ素子SWが開放状態になってからの経過時間に従って徐々に閉じるように放熱設計してもよい。また、スイッチ素子SWとして正温度係数サーミスタを適用した例を説明したが、これに限られず、要は、自己を流れる電流の大きさに応じてインピダンスが変化する素子を適用すればよい。
In addition, after the switch element SW is in the open state, in order to perform heat management, the heat storage design may be performed so that the open state of the switch element SW is continued until the bias power source of the
本実施例によれば、バイアス電源に生じた過渡現象に起因する過電流は、振動要素10−1に流れる前に保護回路14−1により検出されて確実に低減される。したがって、振動要素10−1に過電流が流れることを防止できる。 According to the present embodiment, an overcurrent caused by a transient phenomenon generated in the bias power source is detected by the protection circuit 14-1 before flowing into the vibration element 10-1, and is reliably reduced. Therefore, it is possible to prevent an overcurrent from flowing through the vibration element 10-1.
(実施例3)
図4は、本実施形態の超音波探触子に適用する保護回路の第三の実施例を示す図である。図4Aは、保護回路14−1の構成及び接続形態を示す図である。図4Bは、バイアス手段16の出力バイアスVdcと振動要素10−1に流れる電流Icellとの関係を示す特性図である。本実施例は、振動要素10−1とバイアス手段16との間に電圧リミット回路を保護回路14−1として配設した例である。
(Example 3)
FIG. 4 is a diagram showing a third example of the protection circuit applied to the ultrasonic probe of the present embodiment. FIG. 4A is a diagram illustrating a configuration and a connection form of the protection circuit 14-1. FIG. 4B is a characteristic diagram showing the relationship between the output bias V dc of the bias means 16 and the current I cell flowing through the vibration element 10-1. In the present embodiment, a voltage limit circuit is disposed as a protection circuit 14-1 between the vibration element 10-1 and the bias means 16.
図4Aに示すように、保護回路14−1は、上部電極12a−1とバイアス手段16の間に直列接続された抵抗40と、振動要素10−1とバイアス手段16の間に配列接続された定電圧源42などから構成されている。抵抗40は、抵抗値が第一の実施例の抵抗Rsと同じである。また、定電圧源42は、例えばツェナーダイオードであり、振動要素10−1の最大電圧定格に合わせて定電圧値Vzが設定されている。要するに、保護回路14−1は、振動要素10−1に印加されるバイアスの大きさを定電圧値Vz以下に保持する。
As shown in FIG. 4A, the protection circuit 14-1 is connected in series between the
このような保護回路14−1は、バイアス手段16の出力バイアスVdcが振動要素10−1の最大電圧定格以下のときは作動しない。そして、出力バイアスVdcが振動要素10−1の最大電圧定格に達すると、保護回路14−1は、出力電圧を定電圧値Vzに保持する電圧リミッタ回路として作動する。例えば、定電圧源42としてツェナーダイオードを用いた場合、出力バイアスVdcが定電圧値Vzに達するとトンネル効果が発揮される。ここでのツェナーダイオードについては、所定の定電圧値Vzになるようにツェナーダイオードのドナー配合比が制御されている。また、所定の定電圧値Vzになるようにツェナーダイオードに流す電流量制御のための抵抗Rsをトリミングなどで制御してもよい。
Such a protection circuit 14-1 does not operate when the output bias V dc of the bias means 16 is less than or equal to the maximum voltage rating of the vibration element 10-1. When the output bias V dc reaches the maximum voltage rating of the vibration element 10-1, the protection circuit 14-1 operates as a voltage limiter circuit that holds the output voltage at the constant voltage value Vz. For example, when a Zener diode is used as the
本実施例によれば、振動要素10−1に印加される電圧は、振動要素10−1に印加される前に保護回路14−1により検出された後に、確実に定電圧値Vz以下にシャント、クリップされる。したがって、振動要素10−1に過電流が流れることを防止できるため、過電流が要因で生じる障害を防止できる。 According to the present embodiment, the voltage applied to the vibration element 10-1 is reliably shunted to the constant voltage value Vz or less after being detected by the protection circuit 14-1 before being applied to the vibration element 10-1. Clipped. Therefore, since it is possible to prevent an overcurrent from flowing through the vibration element 10-1, a failure caused by the overcurrent can be prevented.
なお、ツェナーダイオードに代えて、トランジスタを含んで構成された定電圧源を適用してもよい。また、抵抗40に代えて、第二の実施例の正温度係数サーミスタであるスイッチ素子SWを適用してもよい。
Note that a constant voltage source including a transistor may be used instead of the Zener diode. Further, instead of the
(実施例4)
図5は、本実施形態の超音波探触子に適用する保護回路の第四の実施例を示す図である。図5Aは、保護回路14−1の構成及び接続形態を示す図である。図5Bは、バイアス手段16の出力バイアスVdcと振動要素10−1に流れる電流Icellとの関係を示す特性図である。本実施例は、振動要素10−1とバイアス手段16との間に電圧リミット回路を保護回路14−1として配設した他の例である。
Example 4
FIG. 5 is a diagram showing a fourth example of the protection circuit applied to the ultrasonic probe of the present embodiment. FIG. 5A is a diagram illustrating a configuration and a connection form of the protection circuit 14-1. FIG. 5B is a characteristic diagram showing the relationship between the output bias V dc of the bias means 16 and the current I cell flowing through the vibration element 10-1. This embodiment is another example in which a voltage limit circuit is disposed as a protection circuit 14-1 between the vibration element 10-1 and the bias means 16.
図5Aに示すように、保護回路14−1は、上部電極12a−1とバイアス手段16との間に直列に接続されたFET50と、FET50の出力端子側に接続されたソース抵抗52を有した定電流源として構成される。この定電流源は、出力バイアスVdcにかかわらず、特定の電流を作りだす回路である。例えば、本実施例の定電流源は、振動要素10−1の最大電流定格に合わせて定電流値Idが設定されている。より具体的には、ソース抵抗52を流れる電流IcellでFET50のゲートソース間電圧を発生させ、出力電流が定電流値Idになると電流リミッタ回路として作動する。その出力電流が定電流値Id以下の場合は、定電流源は作動しない。ここでの定電流値Idの具体的制御方法は、所望の電流値になるようにソース抵抗52をトリミングなどにより調整することで実現する。
As shown in FIG. 5A, the protection circuit 14-1 has an
本実施例によれば、振動要素10−1に流れる電流は、振動要素10−1を流れる前に保護回路14−1により検出された後に、確実に定電流値Id以下にシャント、クリップされる。したがって、振動要素10−1に過電流が流れることを防止できるため、過電流が要因で生じる障害を防止できる。 According to the present embodiment, the current flowing through the vibration element 10-1 is reliably shunted and clipped to a constant current value Id or less after being detected by the protection circuit 14-1 before flowing through the vibration element 10-1. The Therefore, since it is possible to prevent an overcurrent from flowing through the vibration element 10-1, a failure caused by the overcurrent can be prevented.
(実施例5)
図6は、本実施形態の超音波探触子に適用する保護回路の第五の実施例を示す図である。図6Aは、保護回路14−1の構成及び接続形態を示す図である。図6Bは、スイッチ素子SWの抵抗Rswと振動要素10−1に流れる電流Icellとの関係を示す特性図である。図6Cは、バイアス手段16の出力バイアスVdcと振動要素10−1に流れる電流Icellとの関係を示す特性図である。
(Example 5)
FIG. 6 is a diagram showing a fifth example of the protection circuit applied to the ultrasonic probe of the present embodiment. FIG. 6A is a diagram illustrating a configuration and a connection form of the protection circuit 14-1. FIG. 6B is a characteristic diagram illustrating a relationship between the resistance R sw of the switch element SW and the current I cell flowing through the vibration element 10-1. FIG. 6C is a characteristic diagram showing the relationship between the output bias V dc of the
図6Aに示すように、保護回路14−1は、過電圧検出手段60とスイッチ素子制御手段62に大別される。過電圧検出手段60は、抵抗64と抵抗66を直列に接続したものが振動要素10−1とバイアス手段16に並列に接続されている。スイッチ素子制御手段62は、上部電極12a−1とバイアス手段16の間に直列に接続されたスイッチ素子68と、このスイッチ素子68を開閉制御するスイッチ素子制御用FET70などから構成されている。スイッチ素子制御用FET70のゲートは、過電圧検出手段60の抵抗64と抵抗66の共通接続点に接続され、ソースは下部電極12b−1に接続され、ドレンは抵抗72を介して設定電圧Vccに接続されている。そして、ドレンの電位によってスイッチ素子68を制御するようになっている。
As shown in FIG. 6A, the protection circuit 14-1 is roughly divided into an overvoltage detection means 60 and a switch element control means 62. As for the overvoltage detection means 60, a resistor 64 and a
本実施例の保護回路14−1は、抵抗64及び抵抗66の抵抗分圧の電圧値に基づき、スイッチ素子制御用FET70のドレイン電圧を設定電圧値Vccから0Vまで切替えることによりスイッチ素子を制御する点で、自己に流れる電流に基づきスイッチ素子を制御する第二の実施形態と異なる。例えば、バイアス手段16の出力バイアスVdcが振動要素10−1の定格電圧以下である通常状態の場合、スイッチ素子68は閉じられている。出力バイアスVdcが振動要素10−1の定格電圧に達すると、抵抗64及び抵抗66の抵抗分圧の電圧値がスイッチ素子制御用FET70を作動させる。スイッチ素子制御用FETは、スイッチ素子68に開放指令を出力する。
The protection circuit 14-1 of this embodiment controls the switch element by switching the drain voltage of the switch
本実施例によれば、バイアス電源に生じた過渡現象に起因する過電圧は、振動要素10−1に印加される前に保護回路14−1により検出された後に、確実に設定電圧以下にシャント、クリップされる。したがって、振動要素10−1に過電流が流れることを防止できるため、過電流が要因で生じる障害を防止できる。 According to the present embodiment, an overvoltage caused by a transient phenomenon generated in the bias power source is reliably detected by the protection circuit 14-1 before being applied to the vibration element 10-1, and then reliably shunted below the set voltage. Clipped. Therefore, since it is possible to prevent an overcurrent from flowing through the vibration element 10-1, a failure caused by the overcurrent can be prevented.
また、過電圧検出手段60については、所望の電圧値が得られるように抵抗64と抵抗66の比をトリミングなどで調整して実現できる。また、抵抗64及び抵抗66に代えて、サーミスタを適用できる。その場合、サーミスタの温度又は自己電流により抵抗値を制御することにより、温度又は電流を補償できる。
Further, the overvoltage detection means 60 can be realized by adjusting the ratio of the resistor 64 and the
なお、過電圧検出手段60については、2つの抵抗64、66による分圧の例を示したが、2つの抵抗のうち一方をFETと置換することで定電流源として作動させてもよい。また、スイッチ素子制御手段62については、スイッチ素子制御用FETに代えて、コンパレータなどの比較器を適用してもよい。
In addition, although the example of the voltage division by two
上述のとおり、実施形態1〜5により説明した保護回路14−1は、半導体加工プロセスにより超音波探触子の振動子の一部として一体的に形成できる。例えば、抵抗、ドナーによるツェナーダイオード、トランジスタ以外にも窒化タングステンシリサイド(WSiN)などのセラミック、MEMSによる電磁マイクロリレースイッチまたは静電マイクロリレースイッチを用いて一体成形できるし、マルチチップモジュール(Multi Chip Module)で実装できる。要するに、保護回路14−1を超音波探触子に実装できる。ただし、例えば既設の超音波探触子に実装するために、超音波探触子に外付けする形態に構成してもよい。 As described above, the protection circuit 14-1 described in the first to fifth embodiments can be integrally formed as a part of the transducer of the ultrasonic probe by a semiconductor processing process. For example, in addition to resistors, donor zener diodes and transistors, ceramics such as tungsten nitride silicide (WSiN), MEMS micro relay switches or electrostatic micro relay switches can be used for integral molding, and multi chip modules. ). In short, the protection circuit 14-1 can be mounted on the ultrasonic probe. However, for example, in order to mount on an existing ultrasonic probe, it may be configured to be externally attached to the ultrasonic probe.
(比較例)
図7は、本実施形態の超音波探触子と比較するための形態を示した図である。図7に示すように、振動要素10−1に出力バイアスVdcを印加するに際し、バイアス手段16のバイアス電源に一時的な過渡現象(例えば電源の遮断)が生じた場合、定格を超えた過電圧が振動要素10−1に印加されると、振動要素10−1に定格を超えた過電流が流れる場合がある。ここで、上部電極12a−1と下部電極12b−1との間に絶縁体が配設されている場合、その絶縁体が破壊する電圧は例えば8MV/cmである。また、その絶縁体の厚みが200nmである場合、なだれ降状現象が生じる電圧は例えば160Vである。さらに、上部電極12a−1と下部電極12b−1との間に絶縁体が配設されていない場合、短絡などが生じて振動要素10−1の等価インピダンスが低下する結果、振動要素10−1に過電流が流れ始める。このような過電流が流れると、振動要素10−1の電極の温度が上昇するため、上部電極12a―1又は下部電極12b−1の導体蒸発に起因する断線などの障害が発生するおそれがある。
(Comparative example)
FIG. 7 is a view showing a form for comparison with the ultrasonic probe of the present embodiment. As shown in FIG. 7, when a transient transient occurs in the bias power supply of the bias unit 16 (for example, power supply cutoff) when the output bias V dc is applied to the vibration element 10-1, an overvoltage exceeding the rating. Is applied to the vibration element 10-1, an overcurrent exceeding the rating may flow through the vibration element 10-1. Here, when an insulator is disposed between the
(第2の実施形態)
本発明を適用した超音波探触子の第二の実施形態について図面を参照して説明する。図8は、本実施形態の超音波探触子の構成を示す図である。本実施形態は、複数の振動要素からなる組単位で保護回路を設ける点で、振動要素単位で保護回路を設けた第一の実施形態と異なる。
(Second Embodiment)
A second embodiment of an ultrasonic probe to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings. FIG. 8 is a diagram showing the configuration of the ultrasonic probe of the present embodiment. This embodiment is different from the first embodiment in which a protection circuit is provided for each vibration element in that a protection circuit is provided for each set of vibration elements.
図8に示すように、超音波探触子は、超音波と電気信号を相互に変換する振動子を短冊状に配列してなり、その振動子は、超音波送受信感度が印加バイアスの大きさに応じて変化する複数の振動要素と、短冊軸に直交する短軸方向に分割され振動要素に接続する複数の電極とを有して形成されている。 As shown in FIG. 8, the ultrasonic probe is configured by arranging transducers that mutually convert ultrasonic waves and electrical signals into a strip shape, and the transducer has ultrasonic transmission / reception sensitivity with a magnitude of applied bias. And a plurality of electrodes that are divided in a short axis direction orthogonal to the strip axis and connected to the vibration elements.
そして、複数の電極を一又は隣接する分割部からなる組S1〜SMに分け、各組とバイアス手段16との間に複数の保護回路80−1〜80−Mが配設されている。例えば、組S1とバイアス手段16の間に保護回路80−1が設けられている。要するに、本実施形態は、各振動要素をブロック単位で保護する点で、各振動要素をセル単位で保護する。なお、Mは、短軸方向の組の数に対応する。
The plurality of electrodes are divided into sets S1 to SM each including one or adjacent divided portions, and a plurality of protection circuits 80-1 to 80-M are disposed between each set and the
このような保護回路80−1〜80−Mは、短軸方向の中心部と端部で特性を異ならせて構成されている。例えば、保護回路80−1〜80−Mは、短軸方向の中心から端に向かうにつれて組単位で許容電圧が小さく設定されている。より具体的には、短軸方向の中心部に位置する組に対応する保護回路は、許容電圧が比較的高めの値(例えば160V)に設定される。短軸方向の端部に位置する組に対応する保護回路は、許容電圧が比較的低めの値(例えば140V)に設定される。 Such protection circuits 80-1 to 80-M are configured with different characteristics at the center and the end in the minor axis direction. For example, in the protection circuits 80-1 to 80-M, the allowable voltage is set to be smaller for each set from the center to the end in the minor axis direction. More specifically, the protection circuit corresponding to the group located at the center in the minor axis direction has a relatively high allowable voltage (for example, 160 V). In the protection circuit corresponding to the pair located at the end in the minor axis direction, the allowable voltage is set to a relatively low value (for example, 140 V).
本実施形態によれば、短軸方向の中心部に位置する組は強電界にできるし、短軸方向の端に向かうにつれて組単位で弱電界にできる。したがって、中心部に対応する超音波のエネルギは比較的高めになるし、端に向かうにつれて組単位で超音波のエネルギは比較的低めになる。これにより、各組で送受される超音波ビームの短軸方向の形状をよりシャープに形成しつつ、各振動要素を過電流から保護できる。 According to the present embodiment, the group located at the central portion in the short axis direction can be a strong electric field, and the electric field can be weakened on a group basis toward the end in the short axis direction. Therefore, the ultrasonic energy corresponding to the central portion is relatively high, and the ultrasonic energy is relatively low in units of pairs toward the end. Thereby, each vibration element can be protected from overcurrent while forming the shape of the short axis direction of the ultrasonic beam transmitted and received in each group more sharply.
また、複数の振動要素を短軸方向に分けた場合を説明したが、図9に示すように、振動子単位で保護回路90−1〜90−Nを配設することもできる。ここでNは、振動子の配列数に対応する数である。 Further, although the case where a plurality of vibration elements are divided in the short axis direction has been described, as shown in FIG. 9, protection circuits 90-1 to 90 -N can be provided for each vibrator. Here, N is a number corresponding to the number of transducers arranged.
また、組S1に属する各振動要素の抵抗Rcellは、ウエハ製造工程等に起因して抵抗値がばらつくことがある。したがって、組S1に過電圧が印加されると、断線などの障害が生じる振動要素が統計的にばらついて発生する。そこで、そのような統計分布に応じて制御するパラメータを調整すればよい。 Further, the resistance value R cell of each vibration element belonging to the set S1 may vary in resistance value due to a wafer manufacturing process or the like. Therefore, when an overvoltage is applied to the set S1, vibration elements that cause a failure such as disconnection are statistically varied. Therefore, the parameters to be controlled may be adjusted according to such statistical distribution.
また、保護回路80−1〜80−Mの複数個が同時に作動した場合でも、組単位又は振動子単位では個別素子の電流が集中して許容値を超える場合がある。そこで、個別セル単位、ブロック単位、振動子単位の保護回路の設置を組み合わせることにより、バイアス電源に生じる過渡現象から各振動要素をより安全に保護できる。 Further, even when a plurality of the protection circuits 80-1 to 80-M are simultaneously operated, the current of the individual elements may be concentrated and exceed the allowable value in units of sets or vibrators. Accordingly, by combining the installation of protection circuits in units of individual cells, blocks, and vibrators, each vibration element can be protected more safely from a transient phenomenon that occurs in the bias power supply.
また、フレネルリング型のビームフォーカスの場合においても、保護回路80−1〜80−Mは、リングフォーカスビームの中心部と端部とで電圧の許容値を異ならせて構成できる。また、図9に示すように、振動子単位で保護回路90−1〜90Nを配設する場合も、保護回路90−1〜90−Nの許容電圧については、ビーム中心部から端部に向かうにつれて電圧の許容値を振動子単位で徐々に小さく設定すればよい。 Also in the case of the Fresnel ring type beam focus, the protection circuits 80-1 to 80-M can be configured with different allowable voltage values at the center and the end of the ring focus beam. Also, as shown in FIG. 9, when the protection circuits 90-1 to 90N are arranged in units of transducers, the allowable voltage of the protection circuits 90-1 to 90-N is directed from the beam center to the end. Accordingly, the allowable voltage value may be set gradually smaller for each vibrator.
10−1 振動要素
12a―1 上部電極
12b−1 下部電極
14 保護回路
16 バイアス手段
18 送信手段
20 受信手段
22 送受分離手段
10-1
Claims (5)
前記振動要素の定格電圧を超える過電圧を阻止する保護手段が前記電極とバイアス電源との間に配設されてなることを特徴とする超音波探触子。 The transducer is configured by arranging transducers that mutually convert ultrasonic waves and electrical signals. The transducer includes a vibration element whose ultrasonic transmission / reception sensitivity changes according to the magnitude of an applied bias, and an electrode connected to the vibration element. And
The ultrasonic probe according to claim 1, wherein protective means for preventing an overvoltage exceeding a rated voltage of the vibration element is disposed between the electrode and a bias power source.
前記分割された電極を一又は隣接する分割部からなる組に分け、該各組とバイアス電源との間に、前記振動要素の定格電圧を超える過電圧を阻止する保護手段が配設されるものとし、前記保護手段は、前記短軸方向の中心から端に向かうにつれて組単位で許容電圧が小さく設定されてなることを特徴とする超音波探触子。
The transducers are arranged to mutually convert ultrasonic waves and electrical signals, and the transducers are orthogonal to the arrangement direction with a plurality of vibration elements whose ultrasonic transmission / reception sensitivity changes according to the magnitude of the applied bias. A plurality of electrodes divided in the minor axis direction,
The divided electrodes are divided into groups each composed of one or adjacent divided portions, and protective means for preventing overvoltage exceeding the rated voltage of the vibration element is disposed between each set and the bias power source. The ultrasonic probe is characterized in that the protective means is configured such that an allowable voltage is set to be smaller in units from the center to the end in the minor axis direction.
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