JP5560855B2 - Ultrasonic transducer and ultrasonic diagnostic apparatus - Google Patents

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本発明は、超音波トランスデューサおよび超音波診断装置に関し、特にその超音波トランスデューサ(探触子)の構造に関する。
The present invention relates to an ultrasonic transducer and an ultrasonic diagnostic apparatus, and more particularly to the structure of the ultrasonic transducer (probe).

一般に、超音波トランスデューサには圧電体が用いられる。これは、圧電体が機械エネルギーを電気エネルギーに変換する、またその逆のいわゆる電気系と機械系との結合作用を持つためである。用いられる圧電体は、一対の電極が設けられたシート状、板状あるいは棒状で、一方の電極が背後層に固定され、もう一方の電極が音響レンズや整合層を介して媒質に接する。   In general, a piezoelectric body is used for an ultrasonic transducer. This is because the piezoelectric body converts mechanical energy into electrical energy, and vice versa, and has a so-called electric system-mechanical coupling action. The piezoelectric body used is in the form of a sheet, plate or rod provided with a pair of electrodes, one electrode is fixed to the back layer, and the other electrode is in contact with the medium via the acoustic lens or matching layer.

そして、圧電超音波トランスデューサの多くは、d33モードやe33モードにより媒質に音波を放射し、あるいは媒質に伝搬する音波を検出する。d33モードは柱状振動子の縦振動、e33モードは板状振動子の厚み振動と一般に言われている。PZTセラミックスやPVDFなどの強誘電体や、P(VDCN/VAc)といった高誘電体、ポーラスポリマーエレクトレット圧電体では、ポーリング処理による電気双極子の配向により残留分極を保持し、d33やe33を示す。一方、残留分極を持たない圧電結晶では、ZnO、LiNbO、KNbOといった圧電結晶の場合はC軸、水晶の場合はA軸を、それぞれ電極面に対して垂直に配向すれば、前記d33やe33(水晶ではd11やe11)を示す。圧電コンポジット材料については、用いられる材料に応じる。 Many piezoelectric ultrasonic transducers radiate sound waves to the medium or detect sound waves propagating to the medium in the d 33 mode or e 33 mode. The d 33 mode is generally called longitudinal vibration of the columnar vibrator, and the e 33 mode is generally called thickness vibration of the plate vibrator. In ferroelectric materials such as PZT ceramics and PVDF, high dielectric materials such as P (VDCN / VAc), and porous polymer electret piezoelectric materials, the residual polarization is maintained by the orientation of the electric dipole by the poling process, and d 33 and e 33 are set. Show. On the other hand, in the case of a piezoelectric crystal having no remanent polarization, if the piezoelectric crystal such as ZnO, LiNbO 3 , KNbO 3 is oriented perpendicularly to the electrode surface with the C-axis in the case of quartz crystal or the A-axis in the case of quartz, d 33 And e 33 (d 11 and e 11 for quartz). The piezoelectric composite material depends on the material used.

ここで、超音波トランスデューサを構成する圧電体において、最も単純な力学境界条件は、一端が固定端でもう一端が自由端の場合である。なお、理論上は、接する物の音響インピーダンスZ(単位はMRayl.)と境界条件には、Z=0が自由端、Z=∞が固定端の関係があるが、本明細書においてはそこまで厳密ではなく、接着層や電極層を除いて、接する物のZに対し、圧電材料のインピーダンスZが、小さいもしくは同等の場合に固定端、大きい場合に自由端とみなすものとする。また、超音波トランスデューサの送波および受波には、圧電体の縦振動あるいは厚み振動の共振が用いられ、その共振周波数frは、トランスデューサの構造や媒質への押し当てにもよるが、主に圧電体の物性と寸法とで決まる。したがって、本明細書では圧電体の寸法や性質以外で共振周波数を変化させる要因を除外する。   Here, in the piezoelectric body constituting the ultrasonic transducer, the simplest mechanical boundary condition is a case where one end is a fixed end and the other end is a free end. Theoretically, the acoustic impedance Z (unit is MRayl.) Of the contacting object and the boundary condition have a relation that Z = 0 is a free end and Z = ∞ is a fixed end. It is not strict, and with the exception of the adhesive layer and electrode layer, the impedance Z of the piezoelectric material is regarded as a fixed end when the impedance Z is small or equivalent, and a free end when it is large. In addition, the resonance of the longitudinal vibration or the thickness vibration of the piezoelectric body is used for the transmission and reception of the ultrasonic transducer, and the resonance frequency fr depends mainly on the structure of the transducer and the pressing to the medium. It is determined by the physical properties and dimensions of the piezoelectric body. Therefore, in the present specification, factors that change the resonance frequency other than the dimensions and properties of the piezoelectric body are excluded.

先ず、圧電体のd33モードやe33モードにおける共振周波数frは、圧電体の音速vと高さ(厚み)hとから、
fr=v/4h …(1)
となる。これは一般にλ/4共振と言われる。λは圧電体内の波長を意味する。このほかに両端を自由としたλ/2共振がある。その共振周波数は、λ/4共振の1/2となる。
First, the resonance frequency fr in the d 33 mode and e 33 mode of the piezoelectric body is determined from the sound velocity v and the height (thickness) h of the piezoelectric body.
fr = v / 4h (1)
It becomes. This is generally referred to as λ / 4 resonance. λ means the wavelength in the piezoelectric body. In addition, there is a λ / 2 resonance in which both ends are free. The resonance frequency is ½ of λ / 4 resonance.

一方、前記圧電体の音速vは、柱状振動子の縦振動では、
v=(1/sρ)1/2 …(2)
となり、板状の厚み振動子の厚み振動では、
v=(c/ρ)1/2 …(3)
となる。ここで、sは弾性コンプライアンス、cは弾性スティフネス、ρは密度である。
On the other hand, the sound velocity v of the piezoelectric body is the longitudinal vibration of the columnar vibrator.
v = (1 / sρ) 1/2 (2)
In the thickness vibration of the plate-shaped thickness vibrator,
v = (c / ρ) 1/2 (3)
It becomes. Here, s is elastic compliance, c is elastic stiffness, and ρ is density.

こうして、トランスデューサの送波および受波周波数は、主に圧電体の高さ(厚み)h、弾性率sおよび密度ρによって決定されることが、上式(1)〜(3)より理解される。   Thus, it is understood from the above formulas (1) to (3) that the transmission and reception frequencies of the transducer are mainly determined by the height (thickness) h, the elastic modulus s, and the density ρ of the piezoelectric body. .

そして、医療分野に用いられる超音波診断装置には、より高分解能な画像を得るためトランスデューサの高周波数化や送受波性能の向上が求められている。圧電体を用いた超音波トランスデューサにおいて、送受波性能を向上するには、トランスデューサと電気処理回路との間の電気インピーダンス整合は、電気信号を高S/N比で伝送するための重要な因子である。また、高周波化では、送受波周波数が圧電体の厚みで決まるので、圧電体をより薄くする必要がある。圧電体の薄膜化は、電気インピーダンスを下げる方向に働くので、電気回路とのインピーダンス整合には有利に働くが、下げ幅はせいぜい厚み比の逆数分に過ぎない。また、圧電体の薄膜化は、膜厚制御や取り扱いなど製造プロセスを困難とする。   An ultrasonic diagnostic apparatus used in the medical field is required to increase the frequency of the transducer and improve the transmission / reception performance in order to obtain a higher resolution image. In an ultrasonic transducer using a piezoelectric body, electrical impedance matching between the transducer and the electrical processing circuit is an important factor for transmitting an electrical signal at a high S / N ratio in order to improve transmission / reception performance. is there. In addition, when the frequency is increased, since the transmission / reception frequency is determined by the thickness of the piezoelectric body, it is necessary to make the piezoelectric body thinner. Since the piezoelectric thin film works in the direction of lowering the electrical impedance, it works favorably for impedance matching with the electric circuit, but the lowering width is at most the reciprocal of the thickness ratio. In addition, the thinning of the piezoelectric body makes the manufacturing process such as film thickness control and handling difficult.

そこで、従来技術では、高周波信号を得る目的として、従来のλ/4共振トランスデューサの送受波信号における高調波成分が用いられている。しかしながら、高調波成分は基本波成分に比べて感度が弱く、かつ圧電体や周辺材料のダンピングによって減衰し易いので、高S/N比の信号は得られにくいという問題がある。そこで、高調波を使った超音波の送受波の一例として、図1を参照して、e33厚み伸縮モードについて説明する。この図1および以下の説明は、非特許文献1に示されたものである。この図1の等価回路を構成する素子の定数は、
=p …(4)
L=1/ωp1 …(5)
=(1/n)(8/π),n=2m−1 …(6)
である。ここで、Cは各素子のキャパシタンス、Lはインダクタンス、kは厚み伸縮モードの電気機械結合係数、ωp1は共振周波数である。
Therefore, in the prior art, the harmonic component in the transmission / reception signal of the conventional λ / 4 resonant transducer is used for the purpose of obtaining a high-frequency signal. However, the harmonic component has a sensitivity lower than that of the fundamental wave component, and is easily attenuated by the damping of the piezoelectric body and the surrounding material, so that there is a problem that it is difficult to obtain a signal with a high S / N ratio. Therefore, as an example of transmitting and receiving ultrasonic waves using the harmonic, with reference to FIG. 1, described e 33 thickness stretching mode. This FIG. 1 and the following description are shown in Non-Patent Document 1. The constants of the elements constituting the equivalent circuit of FIG.
C n = p n k t 2 C 0 (4)
L = 1 / ω p1 2 C 1 (5)
p n = (1 / n 2 ) (8 / π 2 ), n = 2m−1 (6)
It is. Here, C n is the capacitance of the elements, L is the inductance, k t is the electromechanical coupling coefficient of thickness stretching mode, the omega p1 is the resonant frequency.

上記式(6)において、p≒1/nと近似すれば、式(4)は、
/C=k /n …(7)
となる。式(7)はn次調波における電気機械結合係数の実効値が1/nに減少することを示す。そして、1次モードの場合、n=1なので、式(7)は、
n=1/C=k …(8)となる。この式は、この1次モードにおけるkと誘電率との関係式
ε/ε=1+k …(9)
において、ε=C+C,ε=Cとおいた式と一致する。εは束縛条件の誘電率、、εは自由条件の誘電率、CとCとは電気容量である。d33モードに対しては、上式(4)を、
=p(k33 /1−k33 )C …(10)
に置き換えれば、同様の結果が得られる。
In the above equation (6), if approximated as p n ≈1 / n 2 , equation (4) becomes
C n / C 0 = k t 2 / n 2 ... (7)
It becomes. Equation (7) indicates that the effective value of the electromechanical coupling coefficient at the nth harmonic is reduced to 1 / n. In the case of the primary mode, since n = 1, equation (7) is
The C n = 1 / C 0 = k t 2 ... (8). This equation, relation between k t and a dielectric constant in the first order mode ε T / ε S = 1 + k t 2 ... (9)
Therefore, ε T = C 0 + C n , ε S = C 0 , which is in agreement with the above equation. The epsilon S dielectric constant of the dielectric constant ,, epsilon T free conditions constraints, and C 0 and C n is the capacitance. For the d 33 mode, the above equation (4) is
C n = p n (k 33 2 / 1−k 33 2 ) C 0 (10)
The same result can be obtained by replacing.

そして、3次調波を送受波するときの電気機械結合係数の実効値は、式(7)より、n=3のときに与えられ、見かけの結合係数をk’とおけば、k’=k/n=k/3となる。この結果は、3次調波を送受波する際に、見かけ結合係数が1/3に減衰することを意味する。 The effective value of the electromechanical coupling coefficient when transmitting and receiving the third harmonic is given by n = 3 from Equation (7), and if the apparent coupling coefficient is k t ′, k t '= K t / n = k t / 3. This result means that the apparent coupling coefficient is attenuated to 1/3 when transmitting and receiving the third harmonic.

図2は、1MHzに厚み共振の1次モードを示す圧電体の複素誘電率の周波数特性(計算値)を示すグラフである。ただし、kt=0.3,h/2v=2.485×10−7(s),tanδ=0.04である。 FIG. 2 is a graph showing the frequency characteristic (calculated value) of the complex dielectric constant of a piezoelectric body exhibiting a primary mode of thickness resonance at 1 MHz. However, kt = 0.3, h / 2v = 2.485 × 10 −7 (s), tan δ m = 0.04.

1MHzに見られる実部(参照符号α1で示す)の極大・極小と、虚部(参照符号α2で示す)の極大とは、厚み共振の1次モードによるものである。以後、3MHzに3次調波成分、5MHzに5次調波成分が見られる。一方、図3に示すように、図2に示す3次調波成分について、3MHzを1次モードとする圧電体モデルで当てはめたところ、結合係数と圧電体の厚みが1/3とした場合に一致した。これらの結果は上記の解釈と一致する。図3は、厚み共振を示す圧電体の複素誘電率の周波数特性(計算値)を示すグラフである。ただし、破線は、前記のとおり、kt=0.3,h/2v=2.485×10−7(s),tanδ=0.04である。一方、実線は、kt=0.1,h/2v=8.300×10−7(s),tanδ=0.04である。 The maximum / minimum of the real part (indicated by reference numeral α1) and the maximum of the imaginary part (indicated by reference numeral α2) seen at 1 MHz are due to the primary mode of thickness resonance. Thereafter, a third-order harmonic component is observed at 3 MHz and a fifth-order harmonic component is observed at 5 MHz. On the other hand, as shown in FIG. 3, when the third harmonic component shown in FIG. 2 is applied with a piezoelectric model having 3 MHz as a primary mode, the coupling coefficient and the thickness of the piezoelectric body are set to 1/3. Matched. These results are consistent with the above interpretation. FIG. 3 is a graph showing the frequency characteristic (calculated value) of the complex dielectric constant of a piezoelectric body exhibiting thickness resonance. However, the broken lines are kt = 0.3, h / 2v = 2.485 × 10 −7 (s), tan δ m = 0.04 as described above. On the other hand, the solid lines are kt = 0.1, h / 2v = 8.300 × 10 −7 (s), tan δ m = 0.04.

以上のように、従来技術の問題点は、高調波を検出する際に、見掛けの電気機械結合係数が1/nにまで減少してしまうことおよび電気インピーダンスが圧電体の寸法により一義的に決まってしまうことにある。   As described above, the problems of the prior art are that, when detecting harmonics, the apparent electromechanical coupling coefficient is reduced to 1 / n and the electrical impedance is uniquely determined by the size of the piezoelectric body. There is to be.

一方、医療用超音波診断装置において、高調波信号を用いた組織ハーモニックイメージング(THI)診断は、従来のBモード診断では得られない鮮明な診断像が得られることから、標準的な診断モダリティとなりつつある。このハーモニックイメージングのように使用する周波数が高くなると、サイドローブレベルが小さくなり、S/Nが良く、コントラスト分解能が良くなり、またビーム幅が細く横方向分解能が良くなり、さらに近距離では音圧が小さく、また音圧の変動が少ないので多重反射が起こらない等の多くの利点を有している。   On the other hand, in a medical ultrasonic diagnostic apparatus, tissue harmonic imaging (THI) diagnosis using harmonic signals is a standard diagnostic modality because a clear diagnostic image that cannot be obtained by conventional B-mode diagnosis is obtained. It's getting on. If the frequency used is higher as in this harmonic imaging, the sidelobe level will be lower, the S / N will be better, the contrast resolution will be better, the beam width will be narrower and the lateral resolution will be better. Is small, and since there is little variation in sound pressure, it has many advantages such as no multiple reflection.

そこで、特許文献1では、超音波トランスデューサの各圧電素子で受信された信号が整相加算回路で加算された後、基本波帯域のフィルタと高調波帯域のフィルタとに共通に入力され、それらの出力に、被検体の診断領域の深さにそれぞれ応じたゲインで重み付けされた後、合成されることで、深い診断領域での高調波成分の減衰を基本波で補間するようにした超音波診断装置が提案されている。すなわち、高調波の受信にあたって、前記電気機械結合係数の低下をフィルタとアンプとを用いて補償している。   Therefore, in Patent Document 1, the signals received by the piezoelectric elements of the ultrasonic transducer are added by the phasing addition circuit, and then input to the fundamental band filter and the harmonic band filter in common. Ultrasound diagnosis in which the output is weighted with a gain corresponding to the depth of the diagnostic region of the subject and then combined to interpolate the attenuation of harmonic components in the deep diagnostic region with the fundamental wave A device has been proposed. That is, when receiving harmonics, the decrease in the electromechanical coupling coefficient is compensated by using a filter and an amplifier.

同様に、特許文献2では、基本波用の圧電素子に高調波用の圧電素子を積層し、基本波用の圧電素子から送信超音波を放射し、該基本波用の圧電素子で受信した基本波の信号成分に、高調波用の圧電素子で受信された複数の高調波成分をそれぞれ帯域通過フィルタを通過させて所望の成分を抽出した後、個別にゲイン調整して加算することで、診断領域の深度に応じた信号を得るようにした超音波診断装置が提案されている。   Similarly, in Patent Document 2, a fundamental piezoelectric element is formed by laminating a harmonic piezoelectric element on a fundamental wave piezoelectric element, radiating a transmission ultrasonic wave from the fundamental wave piezoelectric element, and receiving it by the fundamental wave piezoelectric element. Diagnose the signal component of the wave by passing the multiple harmonic components received by the piezoelectric element for harmonics through the band-pass filter and extracting the desired component, then adjusting the gain individually and adding them. There has been proposed an ultrasonic diagnostic apparatus that obtains a signal corresponding to the depth of a region.

特開2002−11004号公報JP 2002-11004 A 特許第4192598号公報Japanese Patent No. 4192598

圧電材料学の基礎 石田拓郎著 オーム社Basics of Piezoelectric Materials by Takuro Ishida Ohmsha

しかしながら、上述の従来技術では、多数の圧電素子からの信号経路にフィルタやアンプを挿入する必要がある。   However, in the above-described conventional technology, it is necessary to insert filters and amplifiers in signal paths from a large number of piezoelectric elements.

また、高い周波数の信号の受信には、PZT等の無機の材料に比べて、PVDFなどの有機の材料を用いることが加工特性の点で好ましい。しかしながら、無機の材料は誘電率が高く、このためキャパシタンスが大きく、電気インピーダンスが低いので、後段回路とのマッチングが比較的容易であるのに対して、有機の材料では、前記誘電率が低く、このためキャパシタンスが低く、前記電気インピーダンスが高いので、後段回路とのマッチングが難しいという問題もある。   In addition, for receiving high-frequency signals, it is preferable to use an organic material such as PVDF as compared with an inorganic material such as PZT in terms of processing characteristics. However, an inorganic material has a high dielectric constant, and therefore has a large capacitance and a low electrical impedance, so matching with a subsequent circuit is relatively easy, whereas an organic material has a low dielectric constant, For this reason, since the capacitance is low and the electrical impedance is high, there is a problem that matching with a subsequent circuit is difficult.

本発明の目的は、超音波トランスデューサにおける所望高周波成分の送波時の出力音圧あるいは受波時の出力電圧が1次モードのそれらよりも大きくなるようにすることができるとともに、電気インピーダンスを低下することができる超音波トランスデューサおよび超音波診断装置を提供することである。
It is an object of the present invention to make it possible to make the output sound pressure at the time of transmitting a desired high-frequency component in an ultrasonic transducer or the output voltage at the time of receiving a wave larger than those in the primary mode, and to reduce the electrical impedance. It is an object to provide an ultrasonic transducer and an ultrasonic diagnostic apparatus capable of performing the above.

本発明の超音波トランスデューサは、被検体内に超音波を送信し、前記被検体から来た超音波を受信するための超音波トランスデューサであって、相互に厚みの等しい複数の圧電体を積層して成り、該圧電体の厚み伸縮によって生じる3λ/4共振モードで共振を行う積層型圧電体を備え、前記圧電体は、3層積層されて、その層間および両端の圧電体の表面に電極を有し、互いに隣り合う圧電体における離反側の電極を連結することで、前記各圧電体を相互に並列接続する2組の連絡配線を備え、前記各圧電体は、圧電正効果による電気変位または電場の符号と関係する残留分極の向きあるいは結晶軸を、固定端側の第1段目の圧電体の軸を基準として、それに接する第2段目の圧電体では同方向、さらにその上の第3段目の圧電体では逆方向となるように配列されていることを特徴とする。
Ultrasonic transducer of the present invention transmits ultrasound into the subject, wherein an ultrasonic transducer for receiving ultrasonic waves coming from the object, a plurality of piezoelectric bodies of equal thickness are laminated to each other A laminated piezoelectric body that resonates in a 3λ / 4 resonance mode generated by the expansion and contraction of the thickness of the piezoelectric body. The piezoelectric body is laminated in three layers, and electrodes are provided on the surface of the piezoelectric body between the layers and at both ends. And having two sets of connecting wirings for connecting the piezoelectric bodies in parallel to each other by connecting electrodes on the separated sides of the piezoelectric bodies adjacent to each other, the piezoelectric bodies being electrically displaced by a piezoelectric positive effect or The direction of remanent polarization or the crystal axis related to the sign of the electric field is set in the same direction in the second-stage piezoelectric body in contact with the axis of the first-stage piezoelectric body on the fixed end side, and further above The opposite is true for the third-stage piezoelectric body And Turkey have been arranged so that the direction, characterized.

上記の構成によれば、前記超音波トランスデューサを積層圧電体から構成し、前記超音波トランスデューサで受信し、受信部で抽出するのが3λ/4共振モードの信号とする場合に、前記積層圧電体の積層枚数を3枚として各圧電体を並列接続し、かつ予め定める態様で(ある決まりに従い)、一部の圧電体について、その表裏を反転して積層する。
According to the above structure, when the front Symbol ultrasonic transducer composed of a laminated piezoelectric element, the received ultrasonic transducers, to extract the receiving unit is a signal of 3 [lambda] / 4 resonant mode, the laminated piezoelectric The number of stacked bodies is three, and the piezoelectric bodies are connected in parallel, and in a predetermined manner (according to a certain rule), a part of the piezoelectric bodies is reversed and stacked.

具体的には、先ず、前記のように厚み方向に複数積層される各圧電体の層間および両端の圧電体の表面に形成される電極の内、互いに隣り合う圧電体における離反側の電極を2組の連絡配線で連結することで、各圧電体を電気的に並列結合とする。   Specifically, first, among the electrodes formed on the surface of the piezoelectric material between the layers and at both ends of each piezoelectric material laminated in the thickness direction as described above, two electrodes on the separation side in the piezoelectric materials adjacent to each other are provided. Each piezoelectric body is electrically connected in parallel by being connected by a set of connecting wires.

次に、前記積層枚数を共振モードの枚数である3枚とすることで、圧電体内を伝搬する弾性波の節と腹とを、該圧電体の境界面と一致させることができ、このときの該積層型圧電体内における前記3λ/4共振モード成分の歪み分布に着目すると、各圧電体の歪みが、絶対値が変わることなく位相が180度反転し、各圧電体が上記のように並列接続の場合、例えば基端(背後層)側の圧電体の歪みを+とすれば、「+,+,−」となる。そこで、前記予め定める態様として、各圧電体の残留分極、あるいは結晶のC軸やA軸の向き(d33,e33,d11,e11の符号を決める軸)を、前記歪み分布における電気変位や電場の符号と一致するように、不一致の箇所(「−」の符号に該当する)の圧電体について、その表裏を反転して積層する。上記の場合、固定端側の(背後層に接する)第1段目の圧電体の軸を基準として、それに接する第2段目の圧電体では同方向、さらにその上の第3段目の圧電体では逆方向に配列する。 Next, by setting the number of stacked layers to three, which is the number of resonance modes, the nodes and antinodes of elastic waves propagating in the piezoelectric body can be made to coincide with the boundary surface of the piezoelectric body. Focusing on the strain distribution of the 3λ / 4 resonance mode component in the multilayer piezoelectric body, the distortion of each piezoelectric body is inverted by 180 degrees without changing the absolute value, and each piezoelectric body is connected in parallel as described above. In this case, for example, if the distortion of the piezoelectric body on the base end (back layer) side is +, “+, +, −” is obtained. Therefore, as the predetermined mode, the residual polarization of each piezoelectric body or the orientation of the C-axis or A-axis of the crystal (the axes that determine the signs of d 33 , e 33 , d 11 , e 11 ) The piezoelectric body at the mismatched portion (corresponding to the sign of “−”) is reversed and laminated so as to match the sign of displacement and electric field. In the above case, with respect to the axis of the first-stage piezoelectric body (in contact with the back layer) on the fixed end side, the second-stage piezoelectric body in contact with the axis is in the same direction, and the third-stage piezoelectric body thereon The body arranges in the opposite direction.

これによって、積層型圧電体における各圧電体を、圧電正効果による電気変位や電場の符号に一致させ、λ/4共振モードの場合に比べて前記3λ/4共振モード成分の送波時の出力音圧あるいは受波時の出力電圧を大きくすることができるとともに、1次モードの信号を減衰させることができる。こうして、該超音波トランスデューサ内での帯域分離性能を向上し、前記受信部におけるフィルタやアンプを不要にすることができ、あるいはそれらのフィルタやアンプ用いる場合にも、フィルタの次数を低くしたり、アンプのゲインを小さくしたりすることができる。また、圧電体の並列数、すなわち積層枚数をnとするとき、電気インピーダンスを1/nに下げることができ、送信回路および受信回路とのインピーダンスマッチングが容易になるとともに、S/Nを向上することができる。   As a result, each piezoelectric body in the laminated piezoelectric body is made to coincide with the sign of the electric displacement or electric field due to the piezoelectric positive effect, and the output at the time of transmission of the 3λ / 4 resonance mode component compared to the case of the λ / 4 resonance mode. The sound pressure or the output voltage at the time of receiving can be increased, and the primary mode signal can be attenuated. Thus, it is possible to improve the band separation performance in the ultrasonic transducer and eliminate the need for a filter or amplifier in the receiving unit, or when using such a filter or amplifier, the order of the filter can be reduced, The gain of the amplifier can be reduced. Further, when the number of piezoelectric bodies in parallel, that is, the number of stacked layers is n, the electrical impedance can be reduced to 1 / n, impedance matching with the transmission circuit and the reception circuit is facilitated, and S / N is improved. be able to.

また、本発明の超音波トランスデューサは、被検体内に超音波を送信し、前記被検体から来た超音波を受信するための超音波トランスデューサであって、相互に厚みの等しい圧電体を2層積層して成り、該圧電体の厚み伸縮によって生じる3λ/4共振モードで共振を行う積層型圧電体を備え、前記各圧電体は、その層間および各外表面に電極を有し、前記外表面の電極を連結することで、前記各圧電体を相互に並列接続する連絡配線を備え、前記両圧電体は、圧電正効果による電気変位または電場の符号と関係する残留分極の向きあるいは結晶軸を、互いに同方向となるように配列されていることを特徴とする。
The ultrasonic transducer of the present invention transmits ultrasound into the subject, wherein an ultrasonic transducer for receiving ultrasonic waves coming from the subject, two layers equal piezoelectric thicknesses to each other A laminated piezoelectric body that is formed by laminating and resonates in a 3λ / 4 resonance mode generated by expansion and contraction of the thickness of the piezoelectric body , and each of the piezoelectric bodies has electrodes between the layers and outer surfaces thereof, Are connected to each other in parallel with each other, and the two piezoelectric bodies have an electric displacement due to a piezoelectric positive effect or a remanent polarization direction or crystal axis related to the sign of the electric field. characterized by the Turkey it has been arranged so as to be the same direction.

上記の構成によれば、超音波トランスデューサに2層の積層型圧電体を用い、それに3λ/4共振させて3次モード成分の超音波を送受波させるにあたって、各圧電体を互いに並列接続する場合に、圧電体の残留分極あるいは結晶のC軸やA軸の向きを、圧電正効果による電気変位や電場の符号に一致させることができる。   According to the above configuration, when two layers of laminated piezoelectric bodies are used for the ultrasonic transducer and the piezoelectric elements are connected in parallel with each other when transmitting and receiving the ultrasonic wave of the third-order mode component by resonating 3λ / 4. In addition, the remanent polarization of the piezoelectric body or the orientation of the C-axis or A-axis of the crystal can be made to coincide with the electrical displacement or the electric field sign due to the piezoelectric positive effect.

また、本発明の超音波トランスデューサは、被検体内に超音波を送信し、前記被検体から来た超音波を受信するための超音波トランスデューサであって、相互に厚みの等しい複数の圧電体を4層以上積層して成り、該圧電体の厚み伸縮により所望共振モードで共振を行う積層型圧電体を備え、前記各圧電体は、その層間および両端の圧電体の表面に電極を有し、互いに隣り合う圧電体における離反側の電極を連結することで、前記複数の圧電体を相互に並列接続する2組の連絡配線を備え、前記各圧電体は、圧電正効果による電気変位または電場の符号と関係する残留分極の向きあるいは結晶軸を、固定端側の第1段目の圧電体の軸を基準として、それに接する第2段目の圧電体では同方向、さらにその上の第3および第4段目の圧電体では逆方向となる周期性を持つように1または複数組が配列されていることを特徴とする。
The ultrasonic transducer of the present invention transmits ultrasound into the subject, wherein an ultrasonic transducer for receiving ultrasonic waves coming from the object, another a plurality of piezoelectric equal thickness It is composed of four or more layers, and includes a multilayer piezoelectric body that resonates in a desired resonance mode by expanding and contracting the thickness of the piezoelectric body. Each piezoelectric body has electrodes on the surface of the piezoelectric body between the layers and both ends. By connecting electrodes on the separation side of adjacent piezoelectric bodies, the piezoelectric bodies are provided with two sets of connecting wirings that connect the plurality of piezoelectric bodies in parallel to each other, and each of the piezoelectric bodies has an electric displacement or electric field caused by a piezoelectric positive effect. The direction of remanent polarization or the crystal axis related to the sign is set in the same direction in the second-stage piezoelectric body in contact with the axis of the first-stage piezoelectric body on the fixed end side, and further the third and In the fourth stage piezoelectric body 1 or more sets to have periodicity as the direction wherein the benzalkonium been arranged.

上記の構成によれば、超音波トランスデューサに4層以上のn層の積層型圧電体を用い、それにnλ/4共振させてn次モード成分の超音波を送受波させるにあたって、各圧電体を互いに並列接続する場合に、圧電体の残留分極あるいは結晶のC軸やA軸の向きを、圧電正効果による電気変位や電場の符号に一致させることができる。   According to the above configuration, when an ultrasonic transducer uses an n-layer laminated piezoelectric body having four or more layers and resonates with it by transmitting an ultrasonic wave of an n-order mode component, the piezoelectric bodies are mutually connected. In the case of parallel connection, the remanent polarization of the piezoelectric material or the direction of the C-axis or A-axis of the crystal can be made to coincide with the electric displacement due to the piezoelectric positive effect or the sign of the electric field.

また、本発明の超音波トランスデューサでは、前記積層型圧電体は、超音波の送受信に共用され、該超音波トランスデューサは、3λ/4共振モードによる超音波を送信することを特徴とする。
In the ultrasonic transducer of the present invention, the laminated piezoelectric material is commonly used for transmission / reception of ultrasonic waves, and the ultrasonic transducer transmits ultrasonic waves in a 3λ / 4 resonance mode.

上記の構成によれば、送受信共に3λ/4共振モードを使用して、高周波、すなわち高解像なイメージングに好適な超音波探触子を実現することができる。   According to the above configuration, an ultrasonic probe suitable for high-frequency, that is, high-resolution imaging can be realized by using the 3λ / 4 resonance mode for both transmission and reception.

また、本発明の超音波トランスデューサでは、前記積層型圧電体は、第1の圧電体として超音波の受信に用いられ、該超音波トランスデューサは、λ/4共振モードによる基本波成分の超音波を送信する第2の圧電体をさらに備え、背後層側から、前記第2の圧電体および第1の圧電体の順で積層されていることを特徴とする。
In the ultrasonic transducer according to the present invention, the multilayer piezoelectric body is used as a first piezoelectric body for receiving ultrasonic waves, and the ultrasonic transducer transmits an ultrasonic wave having a fundamental wave component in a λ / 4 resonance mode. A second piezoelectric body for transmission is further provided, and the second piezoelectric body and the first piezoelectric body are laminated in this order from the back layer side.

上記の構成によれば、送信用と受信用とにそれぞれ適した圧電体を用いることができ、大パワー送信を行い、被検体で発生した高調波を高利得で受信するハーモニックイメージングに好適な超音波探触子を実現することができる。   According to the above configuration, it is possible to use a piezoelectric body suitable for both transmission and reception, which is suitable for harmonic imaging that performs high power transmission and receives harmonics generated in the subject with high gain. An acoustic probe can be realized.

また、本発明の超音波トランスデューサでは、前記積層型圧電体は、第1の圧電体として超音波の受信に用いられ、該超音波トランスデューサは、λ/4共振モードによる基本波成分の超音波を送信する2つの第2の圧電体をさらに備え、前記第1の圧電体の両側に、前記第2の圧電体が並設されていることを特徴とする。
In the ultrasonic transducer according to the present invention, the multilayer piezoelectric body is used as a first piezoelectric body for receiving ultrasonic waves, and the ultrasonic transducer transmits an ultrasonic wave having a fundamental wave component in a λ / 4 resonance mode. Two second piezoelectric bodies for transmission are further provided, and the second piezoelectric bodies are arranged in parallel on both sides of the first piezoelectric body.

上記の構成によれば、送信用と受信用とにそれぞれ適した圧電体を用いることができ、大パワー送信を行い、被検体で発生した高調波を高利得で受信するハーモニックイメージングに好適な超音波探触子を実現することができる。   According to the above configuration, it is possible to use a piezoelectric body suitable for both transmission and reception, which is suitable for harmonic imaging that performs high power transmission and receives harmonics generated in the subject with high gain. An acoustic probe can be realized.

また、本発明の超音波トランスデューサでは、前記第1の圧電体は、有機高分子を主成分とする材料から成ることを特徴とする。
In the ultrasonic transducer of the present invention, the first piezoelectric body is made of a material mainly composed of an organic polymer.

上記の構成によれば、有機高分子圧電体は高周波の信号を扱うことができ、前記高調波の受信に好適である。   According to said structure, the organic polymer piezoelectric material can handle a high frequency signal, and is suitable for reception of the harmonics.

したがって、受信用に有機圧電体を用いることで、前述のように大パワー送信を行い、被検体で発生した高調波を高利得で受信するハーモニックイメージングに好適な超音波探触子を実現することができる。   Therefore, by using an organic piezoelectric body for reception, an ultrasonic probe suitable for harmonic imaging that performs high power transmission as described above and receives harmonics generated in the subject with high gain is realized. Can do.

また、本発明の超音波トランスデューサでは、前記第2の圧電体は無機材料から成り、前記第1の圧電体は有機高分子を主成分とする材料から成り、前記第1の圧電体と被検体との間に音響整合を目的とした部材を介在しないことを特徴とする。
In the ultrasonic transducer of the present invention, the second piezoelectric body is made of an inorganic material, the first piezoelectric body is made of a material mainly composed of an organic polymer, and the first piezoelectric body and the subject are inspected. A member for the purpose of acoustic matching is not interposed therebetween.

上記の構成によれば、無機・有機積層圧電体において、被検体側が音響インピーダンスの低い有機圧電体であるので、生体などの被検体との間に音響整合を目的とした部材を介在しない。   According to the above configuration, in the laminated inorganic / organic piezoelectric material, the object side is an organic piezoelectric material having a low acoustic impedance, and therefore no member for the purpose of acoustic matching is interposed between the object such as a living body.

したがって、該有機圧電体と被検体との間に、インピーダンスマッチングのための音響整合層を不要にすることができ、構造を簡略化することができる。   Therefore, an acoustic matching layer for impedance matching can be eliminated between the organic piezoelectric body and the subject, and the structure can be simplified.

また、本発明の超音波診断装置は、上述のいずれかの超音波トランスデューサと、前記超音波トランスデューサに送信用の超音波信号を与える送信部と、前記超音波トランスデューサで受信された受信信号に所定の信号処理を施す受信部と、前記受信部からの受信信号に基づいて、前記被検体の内部状態を断層画像として画像化する画像処理部とを備えることを特徴とする上記の構成によれば、超音波トランスデューサから被検体内に超音波を送信し、前記被検体から来た超音波を前記超音波トランスデューサで受信し、その受信信号に基づいて、画像処理部が前記被検体の内部状態を断層画像として画像化する。そして、このような超音波診断装置は、上述のいずれかの超音波トランスデューサを用いるので、超音波トランスデューサにおける所望高周波成分の送波時の出力音圧あるいは受波時の出力電圧が1次モードのそれらよりも大きくなるようにすることができるとともに、電気インピーダンスを低下することができる
The ultrasonic diagnostic equipment of the present invention comprises any one of the ultrasonic transducers described above, a transmission unit providing an ultrasonic signal for transmission to the ultrasonic transducer, wherein the received signal received by the ultrasonic transducer A receiving unit that performs predetermined signal processing, and an image processing unit that forms an internal state of the subject as a tomographic image based on a reception signal from the receiving unit . According to the above configuration, an ultrasonic wave is transmitted from the ultrasonic transducer into the subject, the ultrasonic wave coming from the subject is received by the ultrasonic transducer, and based on the received signal, the image processing unit The internal state of the subject is imaged as a tomographic image. Such an ultrasonic diagnostic apparatus uses any one of the above-described ultrasonic transducers, so that the output sound pressure at the time of transmission of the desired high-frequency component in the ultrasonic transducer or the output voltage at the time of reception is in the primary mode. While being able to make it larger than them, an electrical impedance can be reduced .

また、本発明の超音波診断装置では、前記送信部は、送信信号を符号化されたパルス電圧として前記積層型圧電体に与え、前記受信部は、前記積層型圧電体で受信した信号をパルス圧縮処理を行い、前記画像処理部に画像化させることを特徴とする。上記の構成によれば、被検体に与える影響が無闇に大きくなることなく、大振幅、すなわちS/Nの良好な受信パルスを得ることができる。
In the ultrasonic diagnostic apparatus of the present invention, the transmission unit applies a transmission signal to the multilayer piezoelectric body as an encoded pulse voltage, and the reception unit pulses a signal received by the multilayer piezoelectric body. A compression process is performed, and the image processing unit is converted into an image . According to the above configuration, it is possible to obtain a reception pulse having a large amplitude, that is, a good S / N, without the influence on the subject being increased.

本発明の超音波トランスデューサは、積層圧電体を備え、前記超音波トランスデューサで受信し、受信部で抽出するのが3次以上の所望共振モード成分の信号とする場合に、前記積層圧電体の積層枚数を、2層または前記所望共振モード成分の次数枚として各圧電体を並列接続し、かつ予め定める態様で一部の圧電体について、その表裏を反転して積層する。それゆえ、超音波トランスデューサにおける所望高周波成分の送波時の出力音圧あるいは受波時の出力電圧が1次モードのそれらよりも大きくなるようにすることができるとともに、電気インピーダンスを低下することができる
The ultrasonic transducer of the present invention includes a laminated piezoelectric material, and when the signal received by the ultrasonic transducer and extracted by the receiving unit is a signal of a desired resonance mode component of the third or higher order, the laminated piezoelectric material is laminated. Each piezoelectric body is connected in parallel with the number of sheets being the two layers or the order of the desired resonance mode component, and a part of the piezoelectric bodies is reversed and laminated in a predetermined manner. Therefore, the output sound pressure at the time of transmitting the desired high-frequency component in the ultrasonic transducer or the output voltage at the time of receiving can be made larger than those in the primary mode, and the electrical impedance can be reduced. I can .

本発明の超音波診断装置は、超音波トランスデューサから被検体内に超音波を送信し、前記被検体から来た超音波を前記超音波トランスデューサで受信し、その受信信号に基づいて、画像処理部が前記被検体の内部状態を断層画像として画像化する超音波診断装置において、前記超音波トランスデューサを積層圧電体から構成し、前記超音波トランスデューサで受信し、受信部で抽出するのが3次以上の所望共振モード成分の信号とする場合に、前記積層圧電体の積層枚数を、2層または前記所望共振モード成分の次数枚として各圧電体を並列接続し、かつ予め定める態様で一部の圧電体について、その表裏を反転して積層する。それゆえ、積層型圧電体における各圧電体を、圧電正効果による電気変位や電場の符号に一致させ、λ/4共振モードの場合に比べて、前記3次以上の所望高調波成分の送波時の出力音圧あるいは受波時の出力電圧を大きくすることができるとともに、1次モードの信号を減衰させることができる。こうして、該超音波トランスデューサ内での帯域分離性能を向上し、前記受信部におけるフィルタやアンプを不要にすることができ、あるいはそれらのフィルタやアンプ用いる場合にも、フィルタの次数を低くしたり、アンプのゲインを小さくしたりすることができる。また、圧電体の並列数、すなわち積層枚数をnとするとき、電気インピーダンスを1/nに下げることができ、送信回路および受信回路とのインピーダンスマッチングが容易になるとともに、S/Nを向上することができる。
The ultrasonic diagnostic apparatus of the present invention transmits an ultrasonic wave from an ultrasonic transducer into a subject, receives the ultrasonic wave coming from the subject by the ultrasonic transducer, and based on the received signal, an image processing unit In the ultrasonic diagnostic apparatus for imaging the internal state of the subject as a tomographic image, the ultrasonic transducer is composed of a laminated piezoelectric material, received by the ultrasonic transducer, and extracted by the receiving unit is the third or higher order. When a signal of a desired resonance mode component is used, the number of laminated piezoelectric bodies is two or the order of the desired resonance mode component. Laminate the body upside down . Therefore, each piezoelectric body in the laminated piezoelectric body is made to coincide with the electric displacement or the sign of the electric field due to the piezoelectric positive effect, and compared with the case of the λ / 4 resonance mode, the transmission of the desired higher harmonic component of the third order or higher. The output sound pressure at the time or the output voltage at the time of reception can be increased, and the primary mode signal can be attenuated. Thus, it is possible to improve the band separation performance in the ultrasonic transducer and eliminate the need for a filter or amplifier in the receiving unit, or when using such a filter or amplifier, the order of the filter can be reduced, The gain of the amplifier can be reduced. Further, when the number of piezoelectric bodies in parallel, that is, the number of stacked layers is n, the electrical impedance can be reduced to 1 / n, impedance matching with the transmission circuit and the reception circuit is facilitated, and S / N is improved. be able to.

圧電体の厚み伸縮モードでの等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram in the thickness expansion and contraction mode of the piezoelectric body. 1MHzに厚み共振の1次モードを示す圧電体の複素誘電率の周波数特性を示すグラフである。It is a graph which shows the frequency characteristic of the complex dielectric constant of the piezoelectric material which shows the primary mode of thickness resonance at 1 MHz. 前記図2に示す圧電体における3次調波成分と、3MHzに厚み共振の1次モードを示す圧電体との複素誘電率の周波数特性を示すグラフである。It is a graph which shows the frequency characteristic of the complex dielectric constant of the 3rd harmonic component in the piezoelectric material shown in the said FIG. 2, and the piezoelectric material which shows the 1st mode of thickness resonance in 3 MHz. 3層圧電体トランスデューサにおけるλ/4共振状態の模式的な断面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a λ / 4 resonance state in a three-layer piezoelectric transducer. 図4で示す3層圧電体トランスデューサにおける3λ/4共振状態の模式的な断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a 3λ / 4 resonance state in the three-layer piezoelectric transducer shown in FIG. 4. n層圧電体トランスデューサの模式的な断面図である。It is a typical sectional view of an n layer piezoelectric transducer. 図6に示したn層圧電体トランスデューサでn次高調波を励振あるいは検出する際の変位と歪みとを模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the displacement and distortion at the time of exciting or detecting an nth-order harmonic with the n layer piezoelectric transducer shown in FIG. 図7に示す積層圧電体で、n次高調波を検出する際の各々の圧電体の残留分極、あるいは結晶のC軸やA軸の向きと、圧電正効果による電気変位との関係を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the residual polarization of each piezoelectric body when detecting nth-order harmonics or the orientation of the C-axis and A-axis of the crystal and the electrical displacement due to the piezoelectric positive effect in the multilayered piezoelectric body shown in FIG. It is. n次調波を検出するための2n層圧電体トランスデューサの構造を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the 2n layer piezoelectric transducer for detecting n-order harmonic. 図8で示す本発明の考え方に従う詳細な実施例の一例であり、2層圧電体トランスデューサの構造を模式的に示す断面図である。FIG. 9 is an example of a detailed embodiment according to the concept of the present invention shown in FIG. 8, and is a cross-sectional view schematically showing the structure of a two-layer piezoelectric transducer. 図10で示す2層圧電体トランスデューサにおける高調波送受波時の変位と歪みとを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the displacement and distortion at the time of the harmonic transmission / reception in the two-layer piezoelectric transducer shown in FIG. 図10および図11に示す積層圧電体で、3次高調波を検出する際の各々の圧電体の残留分極の向きと、圧電正効果による電気変位との関係を示す図である。12 is a diagram illustrating the relationship between the direction of remanent polarization of each piezoelectric body and the electrical displacement due to the piezoelectric positive effect when detecting the third harmonic in the multilayered piezoelectric body shown in FIGS. 10 and 11. FIG. 図10に示す2層圧電体およびその比較例による超音波の送受波特性について、実験データおよびシミュレーション結果を示すグラフである。It is a graph which shows an experimental data and a simulation result about the transmission / reception characteristic of the ultrasonic wave by the two-layer piezoelectric material shown in FIG. 10, and its comparative example. 図8および図5で示す本発明の考え方に従う詳細な実施例の他の例であり、3層圧電体トランスデューサの構造を模式的に示す断面図である。FIG. 8 is another example of the detailed embodiment according to the concept of the present invention shown in FIGS. 8 and 5 and is a cross-sectional view schematically showing the structure of a three-layer piezoelectric transducer. 図14で示す3層圧電体トランスデューサにおける高調波送受波時の変位と歪みとを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the displacement and distortion at the time of harmonic transmission / reception in the three-layer piezoelectric transducer shown in FIG. 図14および図15に示す積層圧電体で、3次高調波を検出する際の各々の圧電体の残留分極の向きと、圧電正効果による電気変位との関係を示す図である。FIG. 16 is a diagram illustrating the relationship between the direction of remanent polarization of each piezoelectric body and the electrical displacement due to the piezoelectric positive effect when the third harmonic is detected in the multilayered piezoelectric body shown in FIGS. 14 and 15. 図16に示す3層圧電体による超音波の送受波特性について、実験データおよびシミュレーション結果を示すグラフである。It is a graph which shows an experimental data and a simulation result about the transmission / reception characteristic of the ultrasonic wave by the 3 layer piezoelectric material shown in FIG. 図16に示す3層圧電体の比較例による超音波の送受波特性について、実験データおよびシミュレーション結果を示すグラフである。It is a graph which shows an experimental data and a simulation result about the ultrasonic wave transmission / reception characteristic by the comparative example of the three-layer piezoelectric material shown in FIG. 図8で示す本発明の考え方に従う詳細な実施例のさらに他の例であり、6層圧電体トランスデューサの構造を模式的に示す断面図である。FIG. 10 is still another example of the detailed embodiment according to the concept of the present invention shown in FIG. 8, and is a cross-sectional view schematically showing the structure of a six-layer piezoelectric transducer. 図19に示す積層圧電体で、3次高調波を検出する際の各々の圧電体の残留分極の向きと、圧電正効果による電気変位との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the direction of the remanent polarization of each piezoelectric material at the time of detecting a 3rd harmonic in the laminated piezoelectric material shown in FIG. 19, and the electric displacement by a piezoelectric positive effect. 図20に示す6層圧電体による超音波の送受波特性について、シミュレーション結果を示すグラフである。It is a graph which shows a simulation result about the transmission / reception characteristic of the ultrasonic wave by the 6 layer piezoelectric material shown in FIG. 本発明の実施の一形態に係る超音波診断装置の外観構成を示す斜視図である。1 is a perspective view illustrating an external configuration of an ultrasonic diagnostic apparatus according to an embodiment of the present invention. 前記超音波診断装置における診断装置本体の電気的構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the electric constitution of the diagnostic apparatus main body in the said ultrasonic diagnostic apparatus. 前記超音波診断装置の超音波探触子における超音波トランスデューサの一構造例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically one structural example of the ultrasonic transducer in the ultrasonic probe of the said ultrasonic diagnostic apparatus. 前記超音波診断装置の超音波探触子における超音波トランスデューサの他の構造例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the other structural example of the ultrasonic transducer in the ultrasonic probe of the said ultrasonic diagnosing device. 前記超音波トランスデューサに用いるために作成した有機圧電材料の解析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the analysis result of the organic piezoelectric material produced for using for the said ultrasonic transducer. 受信超音波の波形を示すグラフであり、符号化なしの単パルス駆動の場合を示す。It is a graph which shows the waveform of a received ultrasonic wave, and shows the case of the single pulse drive without encoding. 受信超音波の波形を示すグラフであり、符号化ありの複数パルス駆動の場合を示す。It is a graph which shows the waveform of a received ultrasonic wave, and shows the case of the multiple pulse drive with encoding.

先ず、本発明の医療用超音波診断装置に用いられる超音波トランスデューサの考え方を説明する。本発明の超音波トランスデューサは、同じ厚みの圧電体をある決まりに従い積層することによって、3次以上の共振モード成分を効率良く送受波することができるという本件発明者の知見に基づき構成される積層圧電体から成るものである。圧電体を積層する手法はこれまで多く報告されているが、本発明は、前記3次以上の共振モード成分を送受波する際に圧電体内に歪み分布があることに着目したものである。   First, the concept of the ultrasonic transducer used in the medical ultrasonic diagnostic apparatus of the present invention will be described. The ultrasonic transducer according to the present invention is a layered structure based on the knowledge of the present inventor that the third and higher order resonance mode components can be efficiently transmitted and received by laminating piezoelectric bodies having the same thickness according to a certain rule. It consists of a piezoelectric body. Many techniques for laminating piezoelectric materials have been reported so far, but the present invention focuses on the fact that there is a strain distribution in the piezoelectric material when transmitting and receiving the third and higher order resonance mode components.

一例として、最も理解し易いと思われる図4に示す3枚の圧電体A1,A2,A3を積層したλ/4振動子について説明する。この、λ/4振動子のλ/4での励振状態では、前記3枚の圧電体A1,A2,A3が同期して伸縮を行い、全体で最大ΔZの伸縮を行うものとする。そして、固定端、すなわち前記の40MRayl.より小さいものの、充分大きい音響インピーダンスを有する背後層に接する1層目の圧電体A1の裏面の座標をzとすると、前記伸縮に伴うその位置の変位は、z=ΔZSsin0°=0である。これに対して、1層目の圧電体A1の表面の座標zの変位は、z=ΔZSsin30°=0.5ΔZとなり、2層目の圧電体A2の表面の座標zの変位は、z=ΔZSsin60°=0.85ΔZとなり、自由端、すなわち前記の0より大きいものの、充分小さい音響インピーダンスを有する空間と接する3層目の圧電体A3の表面の座標zの変位は、z=ΔZSsin90°=1.0ΔZとなる。ここで、圧電体A1,A2,A3の表裏は、該圧電体を厚み方向に加圧して、+の電圧が発生する方を表、−の電圧が発生する方を裏とする。 As an example, a λ / 4 vibrator in which three piezoelectric bodies A1, A2, and A3 shown in FIG. In this excited state at λ / 4 of the λ / 4 vibrator, the three piezoelectric bodies A1, A2, A3 are expanded and contracted synchronously, and the expansion and contraction of the maximum ΔZ is performed as a whole. If the coordinate of the back surface of the first layer of piezoelectric material A1 that is smaller than the fixed end, ie, 40 MRayl. But is in contact with the back layer having a sufficiently large acoustic impedance, is z 0 , the displacement of the position accompanying the expansion and contraction is , Z 0 = ΔZSsin0 ° = 0. On the other hand, the displacement of the coordinate z 1 on the surface of the piezoelectric material A1 of the first layer is z 1 = ΔZSsin30 ° = 0.5ΔZ, and the displacement of the coordinate z 2 on the surface of the piezoelectric material A2 of the second layer is z 2 = ΔZSsin 60 ° = 0.85ΔZ, and the displacement of the coordinate z 3 on the surface of the piezoelectric layer A3 of the third layer in contact with the free end, that is, the space having a sufficiently small acoustic impedance although it is larger than 0 is z 3 = ΔZSsin90 ° = 1.0ΔZ. Here, the front and back sides of the piezoelectric bodies A1, A2, and A3 are formed by pressing the piezoelectric bodies in the thickness direction to generate a positive voltage, and the reverse side is generating a negative voltage.

すなわち、図4の3層の圧電体A1,A2,A3の場合、全体の伸縮ΔZの内、固定端側の圧電体A1は、0.5ΔZの伸縮を受け持ち、2層目の圧電体A2は、0.35ΔZの伸縮を受け持ち、3層目の圧電体A3は、0.15ΔZしか伸縮しないことになる。このように積層型圧電体は、基本波のλ/4共振では、各圧電体A1,A2,A3は同期して(同じ方向に)伸縮を行うものの、各圧電体A1,A2,A3が一様に伸縮するのではなく、不均一な歪み分布を有する。   That is, in the case of the three-layer piezoelectric bodies A1, A2 and A3 in FIG. 4, the piezoelectric body A1 on the fixed end side of the entire expansion and contraction ΔZ is subjected to the expansion and contraction of 0.5ΔZ, and the second-layer piezoelectric body A2 is , 0.35ΔZ, and the third-layer piezoelectric body A3 expands and contracts only 0.15ΔZ. As described above, in the multilayer piezoelectric body, at the fundamental wave λ / 4 resonance, each piezoelectric body A1, A2, A3 expands and contracts synchronously (in the same direction), but each piezoelectric body A1, A2, A3 has one. It does not expand and contract in a similar manner, but has a non-uniform strain distribution.

一方、同様の積層圧電体を3λ/4共振させると、図5で示すようになる。すなわち、1層目の圧電体A1の裏面の座標zは、z=ΔZsin0°=0であり、1層目の圧電体A1の表面の座標zの変位は、z=ΔZsin90°=ΔZとなり、2層目の圧電体A2の表面の座標zの変位は、z=ΔZsin180°=0となり、3層目の圧電体A3の表面の座標zの変位は、z=ΔZsin270°=−ΔZとなる。したがって、1層目の圧電体A1はΔZの伸びを行っているのに対して2層目および3層目の圧電体A2,A3は、ΔZの縮みとなっている。 On the other hand, when a similar multilayer piezoelectric body is caused to resonate at 3λ / 4, the result is as shown in FIG. That is, the coordinate z 0 of the back surface of the first-layer piezoelectric body A1 is z 0 = ΔZ sin 0 ° = 0, and the displacement of the surface coordinate z 1 of the first-layer piezoelectric body A 1 is z 1 = ΔZ sin 90 ° = The displacement of the coordinate z 2 on the surface of the piezoelectric material A2 of the second layer is z 2 = ΔZ sin 180 ° = 0, and the displacement of the coordinate z 3 of the surface of the piezoelectric material A3 of the third layer is z 3 = ΔZ sin 270. ° = −ΔZ. Accordingly, the first-layer piezoelectric body A1 extends by ΔZ, while the second-layer and third-layer piezoelectric bodies A2 and A3 have a contraction of ΔZ.

そこで本件発明者は、このような不均一な歪み分布に着目し、各圧電体の残留分極(PZT,PVDFなどの強誘電体)、あるいは結晶(水晶など)のC軸やA軸の向き(d33,e33,d11,e11の符号を決める軸)を、高調波送受信時の歪み分布における電気変位や電場の符号と一致するように、不一致の箇所(「−」の符号に該当する)の圧電体について、その表裏を反転して積層するようにした。図4および図5の場合には、その左側の矢印で示すように、2層目および3層目の圧電体A2,A3を、1層目の圧電体Aとは前記残留分極の向きあるいは結晶軸が逆方向となるように積層する。これによって、基本波λの成分が、0.5・ΔZ+0.35・(−ΔZ)+0.15・(−ΔZ)=0となって除去されると同時に、3次高調波3λの成分は、1・ΔZ+(−1)・(−ΔZ)+(−1)・(−ΔZ)=3ΔZとなって抽出することが可能となる。 Therefore, the present inventor pays attention to such non-uniform strain distribution, and remanent polarization (ferroelectric material such as PZT and PVDF) of each piezoelectric material, or the orientation of the C-axis and A-axis of a crystal (such as quartz) ( d 33 , e 33 , d 11 , the axis that determines the sign of e 11 ) corresponds to the location of the mismatch (sign of “−” so that the electrical displacement and the sign of the electric field in the distortion distribution at the time of harmonic transmission and reception match. The piezoelectric body was laminated with the front and back reversed. In the case of FIGS. 4 and 5, as shown by the arrows on the left side, the second and third layer piezoelectric bodies A2 and A3 are different from the first layer piezoelectric body A in the direction of remanent polarization or crystals. Laminate so that the axis is in the opposite direction. Thereby, the component of the fundamental wave λ is removed as 0.5 · ΔZ + 0.35 · (−ΔZ) + 0.15 · (−ΔZ) = 0, and at the same time, the component of the third harmonic 3λ is 1 · ΔZ + (− 1) · (−ΔZ) + (− 1) · (−ΔZ) = 3ΔZ can be extracted.

一方、図6を用いて、n枚(nは4以上の整数)の圧電体を積層したλ/4振動子において、n次高調波を送受波する場合を説明する。モデルを単純化するため、積層膜の一端を基盤に固定し、もう一端を自由端とした。インピーダンス整合層や背後(バッキング)層など、さらに接着層の厚み等による影響は除くものとする。   On the other hand, with reference to FIG. 6, a case where an nth-order harmonic is transmitted and received in a λ / 4 vibrator in which n (n is an integer of 4 or more) piezoelectric bodies are stacked will be described. In order to simplify the model, one end of the laminated film was fixed to the base and the other end was a free end. The influence of the thickness of the adhesive layer, such as the impedance matching layer and the back (backing) layer, is excluded.

図7は、図6に示したn層圧電体トランスデューサで、n次調波を励振あるいは検出する際の変位と歪みとを模式的に示す図である。(a)は積層状況、(b)はある瞬間での各層の変位、(c)は歪の極性である。前述の図4や図5と同様に、基盤とそれに接する圧電体との境界面を原点zとして、素子の高さ(厚み)方向の座標をz,z,z,・・・,zとする。積層圧電体内で、各圧電体層の変位は、背後層と第1段目の圧電体1の境界とを原点z0とした正弦波を形成する。 FIG. 7 is a diagram schematically showing displacement and distortion when the n-order harmonic is excited or detected by the n-layer piezoelectric transducer shown in FIG. (A) is the state of lamination, (b) is the displacement of each layer at a certain moment, and (c) is the strain polarity. Similar to FIGS. 4 and 5, the boundary surface between the base and the piezoelectric body in contact with the base is the origin z 0 , and the coordinates in the height (thickness) direction of the element are z 1 , z 2 , z 3 ,. , Z n . In the laminated piezoelectric body, the displacement of each piezoelectric layer forms a sine wave having the origin z0 at the boundary between the back layer and the first-stage piezoelectric body 1.

一般に、厚み方向にn倍波(n≧1)が励振された場合、高さzにおける変位ξ(z)は、
ξ(z,t)=ξsin(nπ/2・z/h)(cosnωt+θ)…(11)
となることが知られている(基礎物理学選書8 振動・波動 有山正孝著 裳華房)。ここで、ωは積層圧電体の共振周波数2πf,θは、電圧あるいは音波を受ける際の応力と変位との位相差である。係数ξsin(nπ/2・z/h)は、高さzにおける変位の振幅を意味する。以下、時間項は省略する。
In general, when an n-th harmonic (n ≧ 1) is excited in the thickness direction, the displacement ξ (z) at the height z is
ξ (z, t) = ξ 0 sin (nπ / 2 · z / h) (cosnω r t + θ) (11)
(Fundamental physics selection book 8: vibration and vibration by Masataka Ariyama 裳 華 房). Here, ω r is the resonance frequency 2πf r , θ of the laminated piezoelectric material, and θ is a phase difference between stress and displacement when receiving voltage or sound wave. The coefficient ξ 0 sin (nπ / 2 · z / h) means the amplitude of the displacement at the height z. Hereinafter, the time term is omitted.

この場合、座標zでの変位ξ(z)は、
ξ(z)=ξsin(nπ/2・z/h) …(12)
である。ここで、変位ξ(z)と歪みSとの関係は、
dS=dξ/dz …(13)
なので、第m層の圧電体の歪みSは、
=[ξ(z)−ξ(zm−1)]/(z−zm−1) …(14)
と書ける。ただし、m=1〜n、z=0である。
In this case, the displacement ξ (z 1 ) at the coordinate z 1 is
ξ (z 1 ) = ξ 0 sin (nπ / 2 · z / h) (12)
It is. Here, the relationship between the displacement ξ (z) and the strain S is
dS = dξ / dz (13)
Therefore, the strain S m of the piezoelectric material of the m-th layer is
S m = [ξ (z m ) −ξ (z m−1 )] / (z m −z m−1 ) (14)
Can be written. However, m = 1 to n and z 0 = 0.

したがって、圧電体1の歪みSは、
=Δh/h=ξsin(nπ/2・h/h)/h …(15)
となる。ここで、Δhは圧電体1の厚み変化で、ξ(z)−ξ(z=0),hは圧電体1の厚みである。圧電体2についても同様に、歪みSは、
=Δh/h
=ξ{sin(nπ/2・(h+h)/h)
−sin(nπ/2・h/h)}/h …(16)
となる。第m層の圧電体の歪みSは、
=Δh/h
=ξ{sin(nπ/2・z/h)−sin(nπ/2・zm−1/h)}/h
…(17)
となる。
Therefore, the strain S 1 of the piezoelectric body 1 is
S 1 = Δh 1 / h 1 = ξ 0 sin (nπ / 2 · h 1 / h) / h 1 (15)
It becomes. Here, Δh 1 is a change in thickness of the piezoelectric body 1, and ξ (z 1 ) −ξ (z = 0), h 1 is a thickness of the piezoelectric body 1. Similarly for the piezoelectric body 2, the strain S 2 is
S 2 = Δh 2 / h 2
= Ξ 0 {sin (nπ / 2 · (h 1 + h 2 ) / h)
-Sin (nπ / 2 · h 1 / h)} / h 2 (16)
It becomes. The strain S m of the piezoelectric material of the m-th layer is
S m = Δh m / h m
= Ξ 0 {sin (nπ / 2 · z m / h) −sin (nπ / 2 · z m−1 / h)} / h m
... (17)
It becomes.

上式(17)は、第m層にある圧電体の歪みが、sin(np/2・z/h)−sin(np/2・zm−1/h)で決まり、前述のように一様に伸縮しないことを意味する。したがって、その項の符号が正になる圧電体と負になる圧電体とで、圧電体の表裏を反転させれば、圧電正効果による電気変位あるいは電場の符号を一致させることができ、圧電素子のn次調波の電気信号を効率良く得られることが理解される。 In the above equation (17), the strain of the piezoelectric body in the m-th layer is determined by sin (np / 2 · z m / h) −sin (np / 2 · z m−1 / h). It means that it does not stretch uniformly. Therefore, if the front and back of the piezoelectric body are reversed between a piezoelectric body whose sign of the term is positive and a piezoelectric body which is negative, the sign of the electric displacement or electric field due to the piezoelectric positive effect can be made to coincide. It is understood that an nth-order harmonic electric signal can be obtained efficiently.

さらに、各圧電体の厚みを等しくすれば、
=(m/n)h,zm−1=(m−1/n)h,h=h/m …(18)と単純化できる。これを式(17)に代入すると、
=mξ{sin(mπ/2)−sin[(m−1)π/2]}/h …(19)となる。
Furthermore, if the thickness of each piezoelectric body is made equal,
z m = (m / n) h, z m−1 = (m−1 / n) h, h m = h / m (18). Substituting this into equation (17) gives
S m = mξ 0 {sin (mπ / 2) −sin [(m−1) π / 2]} / h (19)

次に、電気系について考える。第m層の圧電体が圧電正効果によって生じる電気変位(単位電極面積当りの電荷)Dは、
=e33またはD=d33=d33sT …(20)である。ここで、sは圧電体の弾性コンプライアンスである。各々の圧電体を電気的に並列に結合すれば、積層圧電体が出力する正味の電気変位DTotalは、

Figure 0005560855
となる。したがって、各圧電体の電気容量をCとすれば、積層圧電体の容量はnCとなり、電気インピーダンスは圧電体1層の1/nに減少する。 Next, consider the electrical system. The electrical displacement (charge per unit electrode area) D m generated by the piezoelectric material of the m-th layer is as follows:
D m = e 33 S m or D m = d 33 S m = d 33 sT m (20). Here, s is the elastic compliance of the piezoelectric body. If each piezoelectric body is electrically connected in parallel, the net electric displacement D Total output from the laminated piezoelectric body is:
Figure 0005560855
It becomes. Therefore, if the electric capacity of each piezoelectric material is C, the capacity of the laminated piezoelectric material is nC, and the electric impedance is reduced to 1 / n of one piezoelectric material layer.

本願発明者は、上式(19),(21)から、単純な並列結合の実現と積層圧電体が出力する正味の電気変位が最大となる残留分極あるいは結晶C軸やA軸の配列の規則性を見出した。また、前記積層数nが4以上で、該積層数nと高調波の次数とを一致させれば、圧電体内を伝搬する弾性波の節と腹とを圧電体の境界面と一致させることができ、このとき各圧電体の歪みが絶対値が変わることなく位相が180度反転し、例えば各圧電体が直列の図7の場合、圧電体1の歪みを+とすれば「+,−,−,+」の周期性を4層おきに見出すことができ、n次調波の検出をより効率良く行うことができることを見出した。このことを理論説明すると以下のようになる。   From the above formulas (19) and (21), the inventor of the present application realizes simple parallel coupling and the remanent polarization that maximizes the net electric displacement output from the laminated piezoelectric material, or the rules for the arrangement of the crystal C axis and A axis. I found sex. Further, if the number n of layers is 4 or more and the number n of layers is matched with the harmonic order, the nodes and antinodes of the elastic waves propagating in the piezoelectric body can be made to coincide with the boundary surface of the piezoelectric body. At this time, the distortion of each piezoelectric body is reversed by 180 degrees without changing the absolute value. For example, in the case of FIG. 7 where each piezoelectric body is in series, if the distortion of the piezoelectric body 1 is +, “+, −, − , + "Periodicity can be found every four layers, and n-th order harmonics can be detected more efficiently. A theoretical explanation of this is as follows.

図8に、本発明における、n層圧電体で、n次調波を検出する際の各々の圧電体の残留分極あるいは結晶のC軸やA軸の向きと、圧電正効果による電気変位D(C/m)との関係の一例を示す。各圧電体の層間および両端の圧電体の表面には電極が設けられており、互いに隣り合う圧電体における離反側の電極を連絡配線によって連結し、各圧電体を並列接続している。また、残留分極(それを持たない圧電体の場合は結晶のC軸(水晶の場合はA軸))は、z軸方向に配向されている。図中では便宜上、圧電体1の残留分極あるいは結晶のC軸やA軸の方向を+Pと表記している。これは他の圧電体の残留分極あるいは結晶のC軸やA軸が圧電体1のそれと同方行か逆方行かを識別するためであり、圧電体1の分極方向を制限するものではない。 FIG. 8 shows the residual polarization of each piezoelectric body or the orientation of the C-axis and A-axis of the piezoelectric body when detecting n-order harmonics in the n-layer piezoelectric body according to the present invention, and the electric displacement D ( An example of the relationship with C / m 2 ) is shown. Electrodes are provided on the surfaces of the piezoelectric bodies between the layers and at both ends of each piezoelectric body, and the electrodes on the far side of the adjacent piezoelectric bodies are connected by a connection wiring, and the piezoelectric bodies are connected in parallel. Further, the remanent polarization (C-axis of the crystal in the case of a piezoelectric body not having it (A-axis in the case of quartz)) is oriented in the z-axis direction. In the drawing, for the sake of convenience, the remanent polarization of the piezoelectric body 1 or the direction of the C-axis or A-axis of the crystal is represented as + P. This is to identify the residual polarization of another piezoelectric material or whether the C-axis or A-axis of the crystal is in the same direction or in the opposite direction to that of the piezoelectric material 1, and does not limit the polarization direction of the piezoelectric material 1.

前述の図7(c)に示したように、各圧電体の歪みには、周期性がある(図7(c)の場合、前述のように各圧電体は直列)。そのため、残留分極あるいは結晶のC軸やA軸の向きを平行とした場合、本発明の目的である高電荷出力あるいは高電位出力を達成するためには、各々の電極を電気的に絶縁し、独立して配線しなければならなく、構造上かつ製造上のリスクは極めて高い。   As shown in FIG. 7C, the distortion of each piezoelectric body has periodicity (in the case of FIG. 7C, each piezoelectric body is in series as described above). Therefore, in order to achieve high charge output or high potential output, which is the object of the present invention, when remanent polarization or crystal C-axis or A-axis direction is parallel, each electrode is electrically insulated, It must be wired independently, and the structural and manufacturing risks are extremely high.

しかしながら本発明によれば、図8に示す並列接続の場合に、4層毎の圧電体の残留分極あるいは結晶のC軸やA軸に、「+P,+P,−P,−P」の周期性を与えた、すなわち背後層に接する第1段目の圧電体の軸を基準として、それに接する第2段目の圧電体では同方行、さらにその上の第3および第4段目の圧電体では逆方行とし、それ以後4層の圧電体毎に、同方向、同方行、逆方行、逆方行の周期性を持つように配列すれば、電気インピーダンスを1層の圧電体の1/nに下げられるだけでなく、容易に両端子間の電荷感度をn倍に増幅することができる。   However, according to the present invention, in the case of the parallel connection shown in FIG. 8, the periodic polarization of “+ P, + P, −P, −P” is applied to the residual polarization of the piezoelectric material for every four layers or to the C-axis and A-axis of the crystal. In other words, the second-stage piezoelectric body in contact with the axis of the first-stage piezoelectric body in contact with the back layer is the same direction, and the third and fourth-stage piezoelectric bodies are If the piezoelectric elements are arranged in the reverse direction and the piezoelectric elements of the four layers are arranged so as to have periodicity in the same direction, the same direction, the reverse direction, and the reverse direction thereafter, the electric impedance is 1 / of that of the piezoelectric material of one layer. In addition to being reduced to n, the charge sensitivity between both terminals can be easily amplified n times.

上述ではn次調波を検出する場合を例として挙げたが、逆にn次調波を送波する場合についても、図8において端子間に発振器を接続することで、従来よりも効率が向上する。送波の場合、歪みSと印加電場Eとの関係は、
S=dEあるいはS=(e/c)E …(22)である。図8に示す積層圧電体の両端子間に電圧発生器を繋げ、n次調波に相当する周波数の電圧を印加すれば、図8に示す歪みおよび図7(b)に示す変位を生じ、超音波を媒質中に励振させることができる。そして、先に述べた電気インピーダンスの関係から、本願発明の構造では、低電圧高電流駆動となる。
In the above description, the case where the nth harmonic is detected has been described as an example. However, in the case where the nth harmonic is transmitted, the efficiency is improved by connecting an oscillator between the terminals in FIG. To do. In the case of transmission, the relationship between the strain S and the applied electric field E is
S = dE or S = (e / c) E (22). If a voltage generator is connected between both terminals of the laminated piezoelectric material shown in FIG. 8 and a voltage having a frequency corresponding to the nth harmonic is applied, the distortion shown in FIG. 8 and the displacement shown in FIG. Ultrasound can be excited in the medium. And from the relationship of the electrical impedance described above, the structure of the present invention provides low voltage and high current driving.

一方、図9は、n次調波を検出するための2n層圧電体トランスデューサの構造を模式的に示す図である。(a)は積層状況、(b)はある瞬間での各層の変位、(c)および(d)はそれぞれ歪みおよび電気変位の係数である。0.3および0.7の前記係数は、歪みおよび電気変位それぞれの相対比を表しており、絶対値を示すものではない。なお、1/21/2=0.7と近似した。各圧電体は層間および両端面に電極が設けられ、互いに隣り合う圧電体における離反側の電極同士を連絡し、並列結合とした。この場合、先に述べたn層圧電体トランスデューサと比べて、圧電正効果による電気変位は同じであるが、電気容量が2倍となり、電気インピーダンスは半減する。残留分極あるいはC軸やA軸の配列は背後層に接する圧電体を基準として、8層毎に、「+P,−P,−P,+P,−P,+P,+P,−P」の繰り返しとなる。 On the other hand, FIG. 9 is a diagram schematically showing the structure of a 2n-layer piezoelectric transducer for detecting n-order harmonics. (A) is the stacking condition, (b) is the displacement of each layer at a certain moment, and (c) and (d) are the coefficients of strain and electrical displacement, respectively. The coefficients of 0.3 and 0.7 represent the relative ratios of strain and electric displacement, respectively, and do not indicate absolute values. It was approximated as 1/2 1/2 = 0.7. Each piezoelectric body was provided with electrodes on the interlayer and both end faces, and the electrodes on the separation side of the piezoelectric bodies adjacent to each other were connected to form a parallel coupling. In this case, the electric displacement due to the piezoelectric positive effect is the same as that of the n-layer piezoelectric transducer described above, but the electric capacity is doubled and the electric impedance is halved. Residual polarization or the arrangement of the C-axis and A-axis is repeated for “+ P, −P, −P, + P, −P, + P, + P, −P” every 8 layers with reference to the piezoelectric body in contact with the back layer. Become.

各圧電体の歪みSmnωは、次式で与えられる。 The strain Sm of each piezoelectric body is given by the following equation.

Smnω
=2nξ nω{sin[m(π/4)]−sin[(m−1)(π/4)]}/h,m
=1,2,…,2n …(23)
Sm
= 2nξ 0 {sin [m (π / 4)] − sin [(m−1) (π / 4)]} / h, m
= 1, 2,..., 2n (23)

以下に、上述の考え方に従う本発明の詳細な実施例を説明する。先ず第1の実施例として、図10に示す2層圧電体トランスデューサによる3λ/4高調波の検出について述べる。2層圧電体トランスデューサは積層圧電体の中でも最もシンプルな構造である。この場合、送受波に用いる高調波の次数と積層枚数とは一致しない。しかしながら、本発明を以下のように適用することにより、送受波の効率を上げることができる。   Below, the detailed Example of this invention according to the above-mentioned view is described. First, detection of 3λ / 4 harmonics by the two-layer piezoelectric transducer shown in FIG. 10 will be described as a first embodiment. A two-layer piezoelectric transducer has the simplest structure among laminated piezoelectric materials. In this case, the order of harmonics used for transmission / reception does not match the number of stacked layers. However, by applying the present invention as follows, the efficiency of transmission and reception can be increased.

すなわち、図10の圧電体1および圧電体2の歪みS,Sは、
=Δh/h=ξsin(nπ/2・h/h)/h …(24)
=Δh/h
=ξ{sin(nπ/2)−sin(nπ/2・h/h)}/h…(25)
となる。ここでhは積層圧電体の高さ、hとhとは各圧電体の高さで、h=h=h/2である。
That is, the strains S 1 and S 2 of the piezoelectric body 1 and the piezoelectric body 2 in FIG.
S 1 = Δh 1 / h 1 = ξ 0 sin (nπ / 2 · h 1 / h) / h 1 (24)
S 2 = Δh 2 / h 2
= Ξ 0 {sin (nπ / 2) −sin (nπ / 2 · h 1 / h)} / h 2 (25)
It becomes. Here, h is the height of the laminated piezoelectric material, h 1 and h 2 are the height of each piezoelectric material, and h 1 = h 2 = h / 2.

3λ/4共振倍波に対する応答は、n=3で与えられる。その場合の歪みS 3ω,S 3ωは、
3ω
=2ξ 3ωsin(3π/4)/h=2(ξ 3ω/21/2)/h …(26)
3ω
=2ξ 3ω{sin(3π/2)−sin(3π/4)}/h
=−2ξ 3ω(1+1/21/2)/h …(27)
となる。添字3ωは、3倍波における変位を示す。ここで、1/21/2≒0.7と近似すると、これらの式は、3倍波では圧電体2の歪みと圧電体1の歪みとでは振幅比が−1.7:+0.7となることを示す。
The response to the 3λ / 4 resonant harmonic is given by n = 3. In this case, the distortions S 1 and S 2 are
S 1
= 2ξ 0 sin (3π / 4) / h = 2 (ξ 0 / 2 1/2 ) / h (26)
S 2
= 2ξ 0 {sin (3π / 2) −sin (3π / 4)} / h
= -2ξ 0 (1 + 1/2 1/2 ) / h (27)
It becomes. The subscript 3ω indicates the displacement at the third harmonic. Here, when approximated as 1/2 1/2 ≈0.7, these equations indicate that the amplitude ratio between the distortion of the piezoelectric body 2 and the distortion of the piezoelectric body 1 is −1.7: +0.7 at the third harmonic wave. Indicates that

そのような各圧電体の変位と歪みの符号とを図11に示す。(a)は変位であり、(b)は歪みである。圧電体1と圧電体2との歪み比は、(b)に示すとおりである。各圧電体の歪みの絶対値が一致しないのは、前述のように各圧電体の境界と変位の節と腹とが一致しないためである。   FIG. 11 shows such displacement and distortion codes of each piezoelectric body. (A) is displacement and (b) is distortion. The strain ratio between the piezoelectric body 1 and the piezoelectric body 2 is as shown in FIG. The reason why the absolute values of the strains of the piezoelectric bodies do not match is that the boundaries of the piezoelectric bodies, the nodes of displacement, and the antinodes do not match as described above.

そこで図12に示すように互いに隣り合う圧電体の離反面の電極同士を連絡して並列結合とすれば、積層圧電体の電気インピーダンスは1つの圧電体のインピーダンスの1/2となり、さらに圧電正効果による電気変位D1,−1 3ωは、圧電体1の残留分極の向きあるいは結晶のC軸やA軸の向きと圧電体2のそれらの向きを同方行とすれば、並列接続で一方の極性が反転して足し合わされ、
1,−1 3ω=2(1+21/2)eξ 3ω/h …(28)
となる。
Therefore, as shown in FIG. 12, if the electrodes on the separation surfaces of adjacent piezoelectric materials are connected in parallel to form a parallel coupling, the electrical impedance of the laminated piezoelectric material becomes ½ of the impedance of one piezoelectric material, and the piezoelectric positive The electrical displacement D 1, −1 due to the effect can be obtained by parallel connection if the direction of remanent polarization of the piezoelectric body 1 or the direction of the C-axis or A-axis of the crystal and those directions of the piezoelectric body 2 are the same direction. Polarity is reversed and added together,
D 1, -1 = 2 (1 + 2 1/2 ) eξ 0 / h (28)
It becomes.

一方、基本波に対する応答は、式(24)および(25)でn=1の場合に理解できる。すなわち歪みS ωとS ωとは、
ω=2ξ ωsin(π/4)/h=2(ξ ω/21/2)/h …(29)
ω=2ξ ω{sin(π/2)−sin(π/4)}/h
=2ξ ω{1−1/21/2}/h …(30)
となる。
On the other hand, the response to the fundamental wave can be understood when n = 1 in equations (24) and (25). That is, the strains S 1 ω and S 2 ω are
S 1 ω = 2ξ 0 ω sin (π / 4) / h = 2 (ξ 0 ω / 2 1/2 ) / h (29)
S 2 ω = 2ξ 0 ω {sin (π / 2) −sin (π / 4)} / h
= 2ξ 0 ω {1-1 / 2 1/2 } / h (30)
It becomes.

ここで図12に示すような並列結合を行い、残留分極あるいは結晶のC軸やA軸の向きを同方行とした場合、電気変位D1,1 ωは、
1,1 ω=2eξ ω(21/2−1)/h …(31)
となる。ここで、添え字の1は、各圧電体の残留分極あるいは結晶のC軸やA軸の向きに対応し、左から圧電体1、圧電体2の残留分極あるいは結晶のC軸やA軸の向きを示している。
Here, when parallel coupling as shown in FIG. 12 is performed and the remanent polarization or the direction of the C-axis or A-axis of the crystal is the same direction, the electric displacement D 1,1 ω is
D 1,1 ω = 2eξ 0 ω (2 1/2 -1) / h (31)
It becomes. Here, the subscript 1 corresponds to the remanent polarization of each piezoelectric body or the direction of the C-axis or A-axis of the crystal, and from the left, the remanent polarization of the piezoelectric body 1 or 2 or the C-axis or A-axis of the crystal. Indicates the direction.

以上の結果から、各圧電体の歪みを考慮し、並列接続の場合、残留分極あるいは結晶のC軸やA軸方向を同方向とすることで、3λ/4波に対しては2.4倍感度を増幅することができ、同時にλ/4波に対しては0.4倍に感度を落とすことができる。したがって、2層圧電体から成る超音波トランスデューサへ本発明を適用すれば、3λ/4共振による信号を高S/N比で送受波することが可能となる。   From the above results, in consideration of the distortion of each piezoelectric body, in the case of parallel connection, the residual polarization or the C-axis and A-axis directions of the crystal are set in the same direction, so that 2.4 times for 3λ / 4 waves. The sensitivity can be amplified, and at the same time, the sensitivity can be reduced by a factor of 0.4 for λ / 4 waves. Therefore, if the present invention is applied to an ultrasonic transducer composed of a two-layer piezoelectric body, it is possible to transmit / receive a signal due to 3λ / 4 resonance at a high S / N ratio.

図13は、P(VDF/TrFE)を用いた2層圧電体からなる超音波トランスデューサの送受波感度特性の実験結果ならびにシミュレーション結果である。実線は実験結果、破線はシミュレーション結果である。いずれも互いに隣り合う圧電体の離反面、すなわち外側の表面に形成された電極面を連絡し、並列結合としており、しかもλ/4共振周波数は7MHz、3λ/4共振周波数はおよそ20MHzである。(a)は本発明に基づき分極方向を同方行とした場合、(b)は参考に逆方行とした場合の結果である。(a)に示すように、本発明に基づく分極方向と配線手法とを組み合わせると、20MHzに見られる3λ/4共振ピークが、7MHzにみられるλ/4共振ピークよりも大きく、(b)に示す結果と比較すると、3λ/4共振ピークは20dB増加している。このように2層圧電体に対しても本発明の手法に基づき、分極方向と配線手法とを組み合わせることで、3次高調波成分を増加させると同時に、基本波成分を減衰させることができる。   FIG. 13 shows experimental results and simulation results of the transmission / reception sensitivity characteristics of an ultrasonic transducer composed of a two-layer piezoelectric material using P (VDF / TrFE). The solid line is the experimental result, and the broken line is the simulation result. In both cases, the separated surfaces of the piezoelectric bodies adjacent to each other, that is, the electrode surfaces formed on the outer surface are connected to each other and connected in parallel, and the λ / 4 resonance frequency is 7 MHz and the 3λ / 4 resonance frequency is about 20 MHz. (A) is a result when the polarization direction is the same direction according to the present invention, and (b) is a result when the reverse direction is set for reference. As shown in (a), when the polarization direction based on the present invention and the wiring method are combined, the 3λ / 4 resonance peak seen at 20 MHz is larger than the λ / 4 resonance peak seen at 7 MHz, and (b) Compared to the results shown, the 3λ / 4 resonance peak is increased by 20 dB. As described above, by combining the polarization direction and the wiring method based on the method of the present invention for the two-layer piezoelectric body, the third harmonic component can be increased and the fundamental wave component can be attenuated at the same time.

続いて、3層圧電体トランスデューサによる3次調波の検出について述べる。図14に模式構造図を示す。このトランスデューサも、積層圧電体の一端を基盤に固定し、もう一端を自由端としたλ/4振動子としている。   Subsequently, detection of the third harmonic by the three-layer piezoelectric transducer will be described. FIG. 14 shows a schematic structure diagram. This transducer is also a λ / 4 vibrator in which one end of the laminated piezoelectric body is fixed to the base and the other end is a free end.

先ず、本発明に基づく設計プロセスを述べる。前述と同様に基盤と圧電体1との境界を原点として、素子の高さ(厚み)方向の座標をzとする。次に、各々の圧電体が生じる歪みSについて考える。基盤側から順に圧電体1、圧電体2、圧電体3とする。座標zは、基盤と圧電体1との境界ではz=0、圧電体1と圧電体2との境界ではz、圧電体2と圧電体3との境界ではz、圧電体3の端部をzとする。また、圧電体1の厚みをh、圧電体2の厚みをh、圧電体3の厚みをhとし、積層圧電体の高さをhとする。 First, the design process according to the present invention will be described. In the same manner as described above, the boundary between the substrate and the piezoelectric body 1 is the origin, and the coordinate in the height (thickness) direction of the element is z. Next, the strain S generated by each piezoelectric body will be considered. The piezoelectric body 1, the piezoelectric body 2, and the piezoelectric body 3 are formed in this order from the substrate side. Coordinate z is, z = 0 at the boundary between the base and the piezoelectric element 1, z 1 at the boundary between the piezoelectric body 1 and the piezoelectric body 2, z 2 at the boundary between the piezoelectric body 2 and the piezoelectric element 3, the end of the piezoelectric element 3 the part and z 3. The thickness of the piezoelectric body 1 is h 1 , the thickness of the piezoelectric body 2 is h 2 , the thickness of the piezoelectric body 3 is h 3, and the height of the laminated piezoelectric body is h.

すると、座標zにおける変位ξ(z)は、
ξ(z)=ξsin(nπ/2・z/h) …(32)
なので、圧電体1の歪みSは、
=Δh/h=ξsin(nπ/2・h/h)/h …(33)
となる。同様に、圧電体2および3については、
=Δh/h
=ξ{sin(nπ/2・(h+h)/h)−sin(nπ/2・h/h)}/h
…(34)
=Δh/h
=ξ{sin(nπ/2)−sin(nπ/2・(h+h)/h)}/h
…(35)
となる。
Then, the displacement ξ (z 1 ) at the coordinate z 1 is
ξ (z 1 ) = ξ 0 sin (nπ / 2 · z 1 / h) (32)
Therefore, the strain S 1 of the piezoelectric body 1 is
S 1 = Δh 1 / h 1 = ξ 0 sin (nπ / 2 · h 1 / h) / h 1 (33)
It becomes. Similarly, for piezoelectric bodies 2 and 3,
S 2 = Δh 2 / h 2
= Ξ 0 {sin (nπ / 2 · (h 1 + h 2 ) / h) −sin (nπ / 2 · h 1 / h)} / h 2
... (34)
S 3 = Δh 3 / h 3
= Ξ 0 {sin (nπ / 2) −sin (nπ / 2 · (h 1 + h 2 ) / h)} / h 3
... (35)
It becomes.

そして、3λ/4共振時の各圧電体の歪みは、上式(33)〜(35)においてn=3で与えられる。各圧電体の厚みが等しく、すなわち上式でh=h=h=h/3の場合、各圧電体の歪みS 3ω,S 3ω,S 3ωは、
3ω=Δh 3ω/h=3ξ 3ωsin(π/2)/
=3ξ 3ω/h …(36)
3ω=Δh 3ω/h
=3ξ 3ω{sin(π)−sin(π/2)}/h
=−3ξ 3ω/h …(37)
3ω=Δh 3ω/h
=3ξ 3ω{sin(3π/2)−sin(π)}/h
=−3ξ 3ω/h …(38)となる。ここで、添え字3ωは3次調波における応答を意味する。これらの式から3λ/4共振では圧電体2および圧電体3の歪みと、圧電体1の歪みとが逆位相であることを示す。
The distortion of each piezoelectric body at the time of 3λ / 4 resonance is given by n = 3 in the above equations (33) to (35). When the thickness of each piezoelectric body is equal, that is, when h 1 = h 2 = h 3 = h / 3 in the above equation, the strains S 1 , S 2 , and S 3 of each piezoelectric body are
S 1 = Δh 1 / h 1 = 3ξ 0 sin (π / 2) / h
= 3ξ 0 / h (36)
S 2 = Δh 2 / h 2
= 3ξ 0 {sin (π) −sin (π / 2)} / h
= -3ξ 0 / h (37)
S 3 = Δh 3 / h 3
= 3ξ 0 {sin (3π / 2) −sin (π)} / h
= −3ξ 0 / h (38) Here, the subscript 3ω means a response in the third harmonic. From these equations, the 3λ / 4 resonance indicates that the distortion of the piezoelectric body 2 and the piezoelectric body 3 and the distortion of the piezoelectric body 1 are in opposite phases.

各圧電体の変位と歪みの符号とを図15に示す。(a)は変位であり、(b)は歪みである。本実施例は、3次調波の送受で、圧電体が3枚積層であるので、(a)および前述の図5で示すように、変位の節と腹とは、各圧電体の境界と一致する。このとき各圧電体の歪みは、圧電体1の歪みを+とすると、(b)および前述の図5で示すように、圧電体2および3の歪みを−として符号化することができる。   FIG. 15 shows the displacement and distortion sign of each piezoelectric body. (A) is displacement and (b) is distortion. In this embodiment, the transmission and reception of the third harmonic and the three piezoelectric bodies are laminated. Therefore, as shown in FIG. 5A and FIG. 5, the displacement nodes and antinodes coincide with the boundaries of the piezoelectric bodies. To do. At this time, the distortion of each piezoelectric body can be encoded with the distortion of the piezoelectric bodies 2 and 3 as-, as shown in FIG. 5B and FIG.

以上の力学系の振る舞いに基づき、電気系の最適構造を導く。図16に示すように、互いに隣り合う圧電体の離反側の面の電極同士を連絡し、そこから配線を引き出し結合すれば、容易に各圧電体を電気的に並列結合することができる。このとき、積層圧電体の電気インピーダンスは1枚の圧電体の1/3に減少する。また、圧電体1の残留分極の向きあるいは結晶のC軸やA軸の向きを基準(+P)として、圧電体2の残留分極あるいは結晶のC軸やA軸の向きを同方行(+P)とし、圧電体3で逆方行(−P)とすれば、配線に誘起される電荷は、圧電正効果により生じた電荷の総和となる。このとき両端子間に誘起される電気変位D1,1,−1 3ωは、
1,1,−1 3ω=eS−e(S+S)=9eξ 3ω/h …(39)
となる。ここで、添え字の1および−1は、各圧電体の残留分極あるいは結晶のC軸やA軸の向きに対応し、左から圧電体1、圧電体2そして圧電体3の残留分極あるいは結晶のC軸やA軸の向きを示している。
Based on the above behavior of the dynamic system, the optimum structure of the electrical system is derived. As shown in FIG. 16, if the electrodes on the surfaces on the separated side of the piezoelectric bodies adjacent to each other are connected to each other and the wiring is drawn out from the electrodes, the piezoelectric bodies can be easily electrically connected in parallel. At this time, the electrical impedance of the laminated piezoelectric material is reduced to 1/3 of one piezoelectric material. Further, the direction of remanent polarization of the piezoelectric body 1 or the direction of the C-axis or A-axis of the crystal is set as a reference (+ P), and the direction of remanent polarization of the piezoelectric body 2 or the crystal C-axis or A-axis is set in the same direction (+ P). If the piezoelectric body 3 is reverse (−P), the charge induced in the wiring is the sum of the charges generated by the piezoelectric positive effect. At this time, the electric displacement D 1,1, -1 induced between both terminals is
D 1,1, −1 = eS 1 −e (S 2 + S 3 ) = 9 eξ 0 / h (39)
It becomes. Here, the subscripts 1 and -1 correspond to the residual polarization of each piezoelectric body or the direction of the C-axis or A-axis of the crystal, and the residual polarization or crystal of the piezoelectric body 1, the piezoelectric body 2 and the piezoelectric body 3 from the left. The direction of the C axis and the A axis is shown.

そして、λ/4共振に対する応答は、n=1で与えられ、各圧電体の歪みS,S,Sは、
=Δh/h=3ξsin(π/6)/h …(40)
=Δh/h
=3ξ{sin(π/3)−sin(π/6)}/h …(41)
=Δh/h
=3ξ{sin(π/2)−sin(π/3)}/h …(42)
すなわち、
=S+S …(43)
となる。
The response to the λ / 4 resonance is given by n = 1, and the strains S 1 , S 2 , S 3 of each piezoelectric body are
S 1 = Δh 1 / h 1 = 3ξ 0 sin (π / 6) / h (40)
S 2 = Δh 2 / h 2
= 3ξ 0 {sin (π / 3) −sin (π / 6)} / h (41)
S 3 = Δh 3 / h 3
= 3ξ 0 {sin (π / 2) −sin (π / 3)} / h (42)
That is,
S 1 = S 2 + S 3 (43)
It becomes.

一方、図16に示す並列接続で、λ/4共振に対する電気変位D1,1,−1 ωは、
1,1,−1 ω=e(S+S+S)=0 ・・・(44)
であり、本実施例の3層圧電体から成るトランスデューサでは、λ/4共振に基づく感度が打ち消されることを示す。
On the other hand, in the parallel connection shown in FIG. 16, the electrical displacement D 1,1, -1 ω with respect to the λ / 4 resonance is
D 1,1, -1 ω = e (S 1 + S 2 + S 3 ) = 0 (44)
In the transducer composed of the three-layer piezoelectric material of the present example, the sensitivity based on λ / 4 resonance is canceled out.

比較として、単に残留分極あるいは結晶のC軸やA軸を平行とした3層圧電体による3次調波の送受波について述べる。3λ/4共振において積層圧電体が圧電正効果により生じる電気変位D1,1,1 3ωは、
1,1,1 3ω=e(S+S+S)=−3eξ 3ω/h …(45)
となる。したがって、本実施例では、上式(45)に示すとおり、並列接続において端子間の電気変位を、3倍(約10dB)向上できることが理解される。
As a comparison, the transmission and reception of a third harmonic by a three-layer piezoelectric body in which the residual polarization or the crystal C-axis or A-axis is parallel will be described. The electrical displacement D 1,1,1 produced by the piezoelectric positive effect in the laminated piezoelectric body at 3λ / 4 resonance is
D 1,1,1 = e (S 1 + S 2 + S 3 ) = − 30 / h (45)
It becomes. Therefore, in this embodiment, as shown in the above equation (45), it is understood that the electrical displacement between the terminals can be improved three times (about 10 dB) in the parallel connection.

以下、図16に示した3層圧電体による超音波の送受波特性について、実験データおよびシミュレーション結果を図17に示す。実験では代表的な強誘電性ポリマーであるフッ化ビニリデンと三フッ化エチレンの共重合体(P(VDF/TrFE))を用いた。超音波トランスデューサの構造模式図を図17の右図に示す。本発明に基づき3層圧電体を電気的に直列結合し、さらに分極の向きを図15に示したものと同じとした。3層圧電体の高さはおよそ120μmで、λ/4共振周波数は4.5MHzである。左図の実線は実験結果、破線はシミュレーション結果である。   FIG. 17 shows experimental data and simulation results for the ultrasonic wave transmission / reception characteristics of the three-layer piezoelectric material shown in FIG. In the experiment, a copolymer (P (VDF / TrFE)) of vinylidene fluoride and ethylene trifluoride, which is a typical ferroelectric polymer, was used. The structural schematic diagram of the ultrasonic transducer is shown in the right figure of FIG. In accordance with the present invention, three-layer piezoelectric bodies are electrically connected in series, and the direction of polarization is the same as that shown in FIG. The height of the three-layer piezoelectric body is approximately 120 μm, and the λ / 4 resonance frequency is 4.5 MHz. The solid line in the left figure is the experimental result, and the broken line is the simulation result.

図17から、20MHz以下では、それぞれ共振周波数に対応する4.5MHz付近にピークを示さず、λ/4共振ピークが消失している。したがって、本実施例のトランスデューサにおける第1のピークは、それの3λ/4共振である13.5MHzとなっていることが理解される。   From FIG. 17, at 20 MHz or less, no peak is shown in the vicinity of 4.5 MHz corresponding to the resonance frequency, and the λ / 4 resonance peak disappears. Therefore, it is understood that the first peak in the transducer of this embodiment is 13.5 MHz, which is its 3λ / 4 resonance.

比較例として、図18に圧電体2と3の残留分極の向きを図17とは反対にした積層圧電体の特性を示す。左図に示すように、この3層圧電体は、λ/4共振である4.5MHzと、その3次高調波成分である13.5MHzとに共にピークを示し、しかも3次高調波成分の感度は、−50〜−60dB程度であり、図17に示した本実施例の結果に比べて、10〜20dB程度小さいことが理解される。これらの実験結果からも、本発明の手法に基づき分極方向を工夫することで、3次高調波成分を増加させると同時に基本波成分を減衰させることが可能であることが理解される。   As a comparative example, FIG. 18 shows characteristics of a laminated piezoelectric material in which the directions of remanent polarization of the piezoelectric materials 2 and 3 are opposite to those in FIG. As shown in the left figure, this three-layer piezoelectric body has peaks at both 4.5 MHz, which is λ / 4 resonance, and 13.5 MHz, which is the third harmonic component, and the third harmonic component. It is understood that the sensitivity is about −50 to −60 dB, which is about 10 to 20 dB smaller than the result of the present embodiment shown in FIG. From these experimental results, it is understood that by devising the polarization direction based on the method of the present invention, it is possible to increase the third-order harmonic component and simultaneously attenuate the fundamental wave component.

以上のように、第2の実施例では、3層圧電体を用いて3次調波を送受波する手法を述べたが、ここでは積層圧電体の高調波の次数と積層枚数とを一致させることにより、(i)圧電体の境界面を圧電体の弾性波の節と腹とに一致させて各圧電体の振動様式を符号化して理解でき、その符号と配線手法とに基づき、(ii)各圧電体の残留分極あるいは結晶のC軸やA軸の向きを適宜同方行または逆方行とすることで、各圧電体の残留分極あるいは結晶のC軸やA軸の向きを単純に同方行にした場合と比べ、3λ/4波の送受波時に感度を3倍(約10dB)以上増加することができるだけでなく、λ/4波を打ち消すフィルタとしての機能も有することができる。また、電気的に並列結合とするので、電気インピーダンスを1/3に減少させることができる。以上のように3λ/4波を選択的にかつ高S/N比で送受波する場合、本発明は極めて有効である。これによって、受波の場合には帯域分離フィルタやアンプを削減することができる。あるいは、削減まで至らなくても、フィルタの場合は次数を削減して損失を抑え、アンプの場合はゲインを小さくすることができる。   As described above, in the second embodiment, the method of transmitting and receiving the third harmonic using the three-layer piezoelectric material has been described. Here, the harmonic order of the laminated piezoelectric material is matched with the number of laminated materials. Thus, (i) the vibration mode of each piezoelectric body can be encoded and understood by matching the boundary surface of the piezoelectric body with the elastic wave nodes and antinodes of the piezoelectric body, and based on the sign and wiring method, (ii) The remanent polarization of each piezoelectric material or the direction of the C-axis or A-axis of the crystal is set in the same or opposite direction as appropriate, so that the remanent polarization of each piezoelectric material or the orientation of the C-axis or A-axis of the crystal is simply anisotropic Compared with the case of 3), it is possible not only to increase the sensitivity 3 times (about 10 dB) or more when transmitting / receiving 3λ / 4 waves, but also to have a function as a filter that cancels λ / 4 waves. Moreover, since it is electrically connected in parallel, the electrical impedance can be reduced to 1/3. As described above, when the 3λ / 4 wave is selectively transmitted and received at a high S / N ratio, the present invention is extremely effective. Thereby, in the case of reception, the band separation filter and the amplifier can be reduced. Or even if it does not lead to reduction, in the case of a filter, a loss can be suppressed by reducing the order, and in the case of an amplifier, the gain can be reduced.

第3の実施例は、同じ厚さの圧電体を6層積層したトランスデューサによる3次調波の送受である。本実施例は、第2の実施例で示した3層圧電体において各圧電体を2つの圧電体に分割したもので、並列結合とした場合に電気インピーダンスがさらに半分になるだけでなく、上端電極と下端電極とが連絡されるので、積層圧電体全体を電気的にシールドすることができる。   The third embodiment is transmission and reception of the third harmonic by a transducer in which six layers of piezoelectric bodies having the same thickness are laminated. In this embodiment, each piezoelectric body is divided into two piezoelectric bodies in the three-layer piezoelectric body shown in the second embodiment, and not only the electric impedance is further halved when parallel-coupled, but also the upper end. Since the electrode and the lower end electrode are communicated with each other, the entire laminated piezoelectric body can be electrically shielded.

図19は、その6層圧電体の構造を示し、3次調波を送受波する際の変位および歪みを模式的に示す断面図である。図9と同様に、(a)は積層状況、(b)はある瞬間での各層の変位、(c)は歪みの係数である。   FIG. 19 is a cross-sectional view showing the structure of the six-layer piezoelectric body and schematically showing displacement and distortion when transmitting / receiving third-order harmonics. Like FIG. 9, (a) is a lamination | stacking condition, (b) is the displacement of each layer in a certain moment, (c) is a coefficient of distortion.

各圧電体の歪みS,S,S,S,S,Sは、
=6ξsin(π/4)/h=6ξ(1/21/2) …(46)
=6ξ{sin(π/2)−sin(π/4)}/h
=6ξ(1−1/21/2) …(47)
=6ξ{sin(3π/4)−sin(π/2)}/h
=6ξ(1/21/2−1) …(48)
=6ξ{sin(π)−sin(3π/4)}/h
=6ξ(−1/21/2) …(49)
=6ξ{sin(5π/4)−sin(π)}
=6ξ(−1/21/2) …(50)
=6ξ{sin(3π/2)−sin(5π/4)}
=6ξ(1/21/2−1) …(51)
となる。1/21/2≒0.7に近似すると、各圧電体の歪みの比は、図20の模式図に示すとおりとなる。
The distortion S 1 , S 2 , S 3 , S 4 , S 5 , S 6 of each piezoelectric body is
S 1 = 6ξ 0 sin (π / 4) / h = 6ξ 0 (1/2 1/2 ) (46)
S 2 = 6ξ 0 {sin (π / 2) −sin (π / 4)} / h
= 6ξ 0 (1-1 / 2 1/2 ) (47)
S 3 = 6ξ 0 {sin (3π / 4) −sin (π / 2)} / h
= 6ξ 0 (1/2 1/2 −1) (48)
S 4 = 6ξ 0 {sin (π) −sin (3π / 4)} / h
= 6ξ 0 (−1/2 1/2 ) (49)
S 5 = 6ξ 0 {sin (5π / 4) −sin (π)}
= 6ξ 0 (−1/2 1/2 ) (50)
S 6 = 6ξ 0 {sin (3π / 2) −sin (5π / 4)}
= 6ξ 0 (1/2 1/2 −1) (51)
It becomes. When approximated to 1/2 1/2 ≈0.7, the distortion ratio of each piezoelectric body is as shown in the schematic diagram of FIG.

そして、互いに隣り合う圧電体における離反側の電極を連絡し、電気的並列結合をした場合の残留分極あるいは結晶のC軸またはA軸の好ましい配列を、図20に示す。このように構成することで、総電荷量は、図16で示す3枚積層時と変わらないけれども、電気インピーダンスはそれの1/2に下げることができる。   FIG. 20 shows a preferred arrangement of remanent polarization or crystal C-axis or A-axis when the electrodes on the separation side in adjacent piezoelectric bodies are connected and electrically connected in parallel. With this configuration, the total charge amount is the same as that in the case of stacking three sheets shown in FIG. 16, but the electrical impedance can be reduced to ½ of that.

図21は、図20に示すように分極配列と配線とを組み合わせた6層圧電体における感度の周波数特性をシミュレーションした結果である。この6層圧電体のλ/4共振周波数は5MHzである。しかしながら、右図にあるように、本発明に基づく分極配列ならびに配線を組み合わせることで、左図に示すようにλ/4共振による感度は減衰し、3λ/4共振による感度が最大となる。   FIG. 21 shows the result of simulating the frequency characteristics of sensitivity in a six-layer piezoelectric body in which a polarization arrangement and wiring are combined as shown in FIG. The 6-layer piezoelectric body has a λ / 4 resonance frequency of 5 MHz. However, as shown in the right figure, by combining the polarization arrangement and the wiring based on the present invention, the sensitivity due to λ / 4 resonance is attenuated and the sensitivity due to 3λ / 4 resonance is maximized as shown in the left figure.

上述のように構成される積層圧電体を超音波探触子の超音波トランスデューサに用いて、本発明の超音波診断装置は構成される。図22は、本発明の実施の一形態に係る超音波診断装置1の外観構成を示す斜視図である。この超音波診断装置1は、図略の生体等の被検体に対して超音波を送信すると共に、その被検体において反射などで生成された超音波を受信する超音波探触子2と、前記超音波探触子2とケーブル3を介して接続され、該ケーブル3を介して電気信号の送信信号を送信することによって超音波探触子2に被検体に対して前記超音波信号を送信させるとともに、超音波探触子2で受信された信号に基づいて、被検体内の内部状態を断層画像として画像化する診断装置本体4とを備えて構成される。   The ultrasonic diagnostic apparatus according to the present invention is configured by using the laminated piezoelectric body configured as described above for an ultrasonic transducer of an ultrasonic probe. FIG. 22 is a perspective view showing an external configuration of the ultrasonic diagnostic apparatus 1 according to the embodiment of the present invention. The ultrasonic diagnostic apparatus 1 transmits an ultrasonic wave to a subject such as a living body (not shown) and receives an ultrasonic wave generated by reflection or the like on the subject; The ultrasonic probe 2 is connected to the subject via the cable 3 and transmits a transmission signal of an electrical signal via the cable 3 to cause the ultrasonic probe 2 to transmit the ultrasonic signal to the subject. At the same time, the diagnostic apparatus main body 4 is configured to image the internal state of the subject as a tomographic image based on a signal received by the ultrasound probe 2.

前記診断装置本体4は、その上部に操作パネル5および表示パネル6を備え、前記操作パネル5からは各種設定操作等が行われ、表示パネル6には、その操作のための支援画像や、受信された超音波信号に基づき作成された断層画像などが表示される。また、前記操作パネル5や診断装置本体4の適所には、前記超音波探触子2を、その不使用時に保持するホルダ7が設けられている。   The diagnostic apparatus main body 4 includes an operation panel 5 and a display panel 6 on the upper part thereof, and various setting operations are performed from the operation panel 5. The display panel 6 receives a support image for the operation and a reception. A tomographic image or the like created based on the ultrasonic signal is displayed. In addition, a holder 7 for holding the ultrasonic probe 2 when not in use is provided at appropriate positions of the operation panel 5 and the diagnostic apparatus main body 4.

図23は、前記診断装置本体4の電気的構成を示すブロック図である。診断装置本体4は、操作入力部11(前記操作パネル5)と、送信部12と、受信部13と、信号処理部14と、画像処理部15と、表示部16(前記表示パネル6)と、制御部17と、電圧制御部18と、参照信号記憶部19とを備えて構成されている。   FIG. 23 is a block diagram showing an electrical configuration of the diagnostic apparatus body 4. The diagnostic apparatus body 4 includes an operation input unit 11 (the operation panel 5), a transmission unit 12, a reception unit 13, a signal processing unit 14, an image processing unit 15, and a display unit 16 (the display panel 6). , A control unit 17, a voltage control unit 18, and a reference signal storage unit 19.

操作入力部11は、複数の入力スイッチを備えた操作パネルやキーボード等から成り、診断開始を指示するコマンドや被検体の個人情報等のデータの入力などが行われる。   The operation input unit 11 includes an operation panel including a plurality of input switches, a keyboard, and the like, and inputs a command for instructing the start of diagnosis and data such as personal information of the subject.

送信部12は、制御部17の制御に従って、前記超音波探触子2の各圧電素子からの送信パルスが所定の焦点位置に収束するようにフォーミングを行う回路であり、さらに本実施例では、前述の送信パルスを時間軸方向に伸張した複数の符号化されたパルスで構成する。作成された送信パルスは、制御部17を介して電圧制御部18に与えられ、振幅が拡大されて、各圧電素子へ与える。   The transmission unit 12 is a circuit that performs forming so that transmission pulses from the piezoelectric elements of the ultrasonic probe 2 converge to a predetermined focal position under the control of the control unit 17, and in this embodiment, The transmission pulse is composed of a plurality of encoded pulses expanded in the time axis direction. The created transmission pulse is given to the voltage control unit 18 via the control unit 17, and the amplitude is expanded and given to each piezoelectric element.

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

信号処理部14は、受信部13の出力と予め設定された参照信号との相関処理を行うことで、受信部13の出力から受信超音波を検出するものである。この参照信号は、送信超音波の周波数を基本周波数とした場合における検出すべき3次以上の高調波の次数および被検体の診断部位および診断深度から導かれる近似関数である。   The signal processing unit 14 detects received ultrasound from the output of the receiving unit 13 by performing a correlation process between the output of the receiving unit 13 and a preset reference signal. This reference signal is an approximate function derived from the order of third and higher harmonics to be detected, the diagnosis part of the subject, and the diagnosis depth when the frequency of the transmitted ultrasonic wave is the fundamental frequency.

なお、この信号処理部14では、前記相関処理を行う前に、前記符号化されたパルスを時間軸方向に圧縮し、送信パルスに対応する受信パルスを作成する。こうして、符号化パルスを用いることで、被検体である生体に与える影響が無闇に大きくなることなく、大振幅、すなわちS/Nの良好な受信パルスを得ることができる。この3次以上の高調波のみを抽出する復号フィルタは、基本波成分を抽出する場合の復号フィルタより構造が複雑になるのもの、バンドパスフィルタと組合わせたり、或いは符号化パルスの種類を変えることなどで、S/Nの改善と、前記3次以上の高周波の抽出とを両立することができる。前記符号化パルスによる伸張・圧縮については、たとえば特開2003−225237号公報に示されている。   The signal processing unit 14 compresses the encoded pulse in the time axis direction before performing the correlation process, and creates a reception pulse corresponding to the transmission pulse. Thus, by using the encoded pulse, it is possible to obtain a reception pulse having a large amplitude, that is, a good S / N, without the influence on the living body being the subject being increased. The decoding filter for extracting only the third and higher harmonics has a more complicated structure than the decoding filter for extracting the fundamental wave component, combined with a band pass filter, or changes the type of the encoded pulse. Thus, it is possible to achieve both improvement of S / N and extraction of the third and higher order high frequencies. The decompression / compression by the encoded pulse is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-225237.

参照信号記憶部19は、ROMあるいはEEPROM等の記憶素子を備えて構成され、被検体における複数の各診断部位および診断深度に対応した近似関数を前記参照信号として記憶するものである。そして、上記信号処理部14は、被検体の診断部位および診断深度に応じて、前記参照信号記憶部19に記憶されている複数の参照信号(近似関数)の中から1つの参照信号を選択して相関処理を行う。また、選択された前記参照信号に応答して、前記送信部12がビームフォーミングを行う。前記診断部位および診断深度は、操作入力部11から入力される。   The reference signal storage unit 19 includes a storage element such as a ROM or an EEPROM, and stores an approximate function corresponding to each of a plurality of diagnosis parts and diagnosis depths in the subject as the reference signal. Then, the signal processing unit 14 selects one reference signal from a plurality of reference signals (approximate functions) stored in the reference signal storage unit 19 according to the diagnosis part and the diagnosis depth of the subject. To perform correlation processing. Further, in response to the selected reference signal, the transmission unit 12 performs beam forming. The diagnosis part and the diagnosis depth are input from the operation input unit 11.

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

表示部16は、制御部17の制御に従って、画像処理部15で生成された被検体の超音波画像を表示する装置である。表示部16は、CRTディスプレイ、LCD、有機ELディスプレイおよびプラズマディスプレイ等の表示装置や、プリンタ等の印刷装置等で実現される。   The display unit 16 is a device that displays an ultrasound image of the subject generated by the image processing unit 15 under the control of the control unit 17. The display unit 16 is realized by a display device such as a CRT display, LCD, organic EL display, or plasma display, or a printing device such as a printer.

制御部17は、マイクロプロセッサ、記憶素子およびその周辺回路等を備えて構成され、これら操作入力部11、送信部12、電圧制御部18、受信部13、信号処理部14、参照信号記憶部19、画像処理部15および表示部16を当該機能に応じてそれぞれ制御することによって超音波診断装置1の全体制御を行う回路である。   The control unit 17 includes a microprocessor, a storage element, and peripheral circuits thereof. The operation input unit 11, the transmission unit 12, the voltage control unit 18, the reception unit 13, the signal processing unit 14, and the reference signal storage unit 19 are provided. This is a circuit that performs overall control of the ultrasonic diagnostic apparatus 1 by controlling the image processing unit 15 and the display unit 16 in accordance with the function.

図24は、前記超音波探触子2における超音波トランスデューサ20として用いられる超音波トランスデューサ21の構造を模式的に示す断面図である。この超音波トランスデューサ21は、複数の圧電素子が一直線上に配列されて成り、前記圧電素子の配列方向は、図24の紙面に垂直(厚み)方向である。この超音波トランスデューサ21は、基本的に有機無機積層型の超音波トランスデューサであり、バッキッング(背後)層22上に、先ず大パワー送信が可能なように、無機材料から成る送信用圧電層23を積層し、その送信用圧電層23の被検体側には、中間層24を介して、ハーモニックイメージングのための高調波帯域の受信が可能な有機材料から成る受信用圧電層25が設けられて構成される。そして、前記電圧制御部18からの送信パルスは、第2の圧電体である送信用圧電層23に与えられ、第1の圧電体である受信用圧電層25での受信信号は受信部13に与えられる。   FIG. 24 is a cross-sectional view schematically showing the structure of an ultrasonic transducer 21 used as the ultrasonic transducer 20 in the ultrasonic probe 2. The ultrasonic transducer 21 is formed by arranging a plurality of piezoelectric elements on a straight line, and the arrangement direction of the piezoelectric elements is a direction (thickness) perpendicular to the paper surface of FIG. This ultrasonic transducer 21 is basically an organic-inorganic laminated ultrasonic transducer, and a transmitting piezoelectric layer 23 made of an inorganic material is first formed on a backing (back) layer 22 so that high power transmission is possible. A reception piezoelectric layer 25 made of an organic material capable of receiving a harmonic band for harmonic imaging is provided on the subject side of the transmission piezoelectric layer 23, which is laminated, via an intermediate layer 24. Is done. Then, the transmission pulse from the voltage control unit 18 is given to the transmission piezoelectric layer 23 which is the second piezoelectric body, and the reception signal at the reception piezoelectric layer 25 which is the first piezoelectric body is sent to the reception unit 13. Given.

ここで、前記送信用圧電層23と受信用圧電層25との間には、それらの音響インピーダンスの違いを緩和するための中間層24が設けられているが、本実施の形態では、前記受信用圧電層25が後述するような有機材料から成ることで、被検体である生体に音響インピーダンスが近くなり、音響整合層が設けられていない。こうして、該超音波トランスデューサ21は、構造が簡略化されている。ただし、該受信用圧電層25上には、必要に応じて、音響レンズが設けられてもよい。   Here, an intermediate layer 24 is provided between the transmitting piezoelectric layer 23 and the receiving piezoelectric layer 25 to alleviate the difference in acoustic impedance between them. In this embodiment, the receiving layer Since the piezoelectric layer 25 for use is made of an organic material as will be described later, the acoustic impedance becomes close to the living body that is the subject, and the acoustic matching layer is not provided. Thus, the structure of the ultrasonic transducer 21 is simplified. However, an acoustic lens may be provided on the receiving piezoelectric layer 25 as necessary.

上述のように構成される超音波トランスデューサ21において、前記有機材料から成る受信用圧電層25に、前述の図8、図9、図12、図16または図20で示す積層圧電体が用いられる。そして、送信超音波の波長をλとするとき、送信用圧電層23はλ/4共振を行い、受信用圧電層25は3λ/4共振を行い、上述のようにして、受信用圧電層25は、前記波長λの3次高調波を高利得で抽出し、基本波を除去する。これによって、前記受信部13におけるフィルタやアンプを不要にすることができ、あるいはそれらのフィルタやアンプ用いる場合にも、フィルタの次数を低くしたり、アンプのゲインを小さくしたりすることができる。また、送信用と受信用とのそれぞれに適した無機圧電体および有機圧電体を用いることができ、大パワー送信を行い、被検体で発生した高調波を高利得で受信するハーモニックイメージングに好適な超音波探触子2を実現することができる。   In the ultrasonic transducer 21 configured as described above, the laminated piezoelectric material shown in FIG. 8, FIG. 9, FIG. 12, FIG. 16, or FIG. 20 is used for the receiving piezoelectric layer 25 made of the organic material. When the wavelength of the transmission ultrasonic wave is λ, the transmission piezoelectric layer 23 performs λ / 4 resonance, and the reception piezoelectric layer 25 performs 3λ / 4 resonance. As described above, the reception piezoelectric layer 25 Extracts the third harmonic of the wavelength λ with high gain and removes the fundamental wave. This eliminates the need for a filter or an amplifier in the receiving unit 13, or reduces the order of the filter or reduces the gain of the amplifier even when these filters or amplifiers are used. Moreover, it is possible to use an inorganic piezoelectric material and an organic piezoelectric material suitable for both transmission and reception, and suitable for harmonic imaging that performs high-power transmission and receives harmonics generated in the subject with high gain. The ultrasonic probe 2 can be realized.

一方、図25は、前記超音波探触子2における超音波トランスデューサ20として用いられる他の超音波トランスデューサ31の構造を模式的に示す断面図である。このトランスデューサ21も、複数の圧電素子が一直線上に配列されて成り、前記圧電素子の配列方向は、図25の紙面に垂直(厚み)方向である。この超音波トランスデューサ31は、有機無機並列配置の超音波トランスデューサであり、前記一直線上のバッキッング(背後)層32上で、その幅方向の中央部にハーモニックイメージングのための高調波帯域の受信が可能な有機材料から成る受信用圧電層35が設けられ、その幅方向の両側に大パワー送信が可能なように、無機材料から成る送信用圧電層33,34が並設されて構成されている。   On the other hand, FIG. 25 is a sectional view schematically showing the structure of another ultrasonic transducer 31 used as the ultrasonic transducer 20 in the ultrasonic probe 2. The transducer 21 is also formed by arranging a plurality of piezoelectric elements on a straight line, and the arrangement direction of the piezoelectric elements is a direction (thickness) perpendicular to the paper surface of FIG. The ultrasonic transducer 31 is an organic-inorganic parallel-arranged ultrasonic transducer, and can receive a harmonic band for harmonic imaging at the central portion in the width direction on the straight backing (back) layer 32. A receiving piezoelectric layer 35 made of an organic material is provided, and transmitting piezoelectric layers 33 and 34 made of an inorganic material are arranged side by side so that high power transmission is possible on both sides in the width direction.

そして、それらの圧電層33,34,35上には、被検体である生体との音響整合層33a,34a,35aおよび音響レンズ33b,34b,35bが積層されている。また、それらの圧電層33,34,35とバッキッング層32との間には介在部材33c,34c,35cがそれぞれ介在されており、中央の受信用圧電層35の介在部材35cが平板であるのに対して、両側の送信用圧電層33,34の介在部材33c,34cは、該送信用圧電層33,34を受信用圧電層35側に内傾させるために、楔形に形成されている。なお、図25では、分り易くするために、楔形の前記介在部材33c,34cの内傾角は、実際より大き目に強調して示している。   On these piezoelectric layers 33, 34, and 35, acoustic matching layers 33a, 34a, and 35a and acoustic lenses 33b, 34b, and 35b with a living body as a subject are laminated. Further, interposed members 33c, 34c, and 35c are interposed between the piezoelectric layers 33, 34, and 35 and the backing layer 32, respectively, and the interposed member 35c of the central receiving piezoelectric layer 35 is a flat plate. On the other hand, the interposition members 33c, 34c of the transmitting piezoelectric layers 33, 34 on both sides are formed in a wedge shape so as to incline the transmitting piezoelectric layers 33, 34 toward the receiving piezoelectric layer 35 side. In FIG. 25, for easy understanding, the inward inclination angles of the wedge-shaped interposition members 33c and 34c are emphasized to be larger than actual.

上述のように構成される超音波トランスデューサ31においても、前記有機材料から成る受信用圧電層35に、前述の図8、図9、図12、図16または図20で示す積層圧電体が用いられる。そして、送信超音波の波長をλとするとき、送信用圧電層33,34はλ/4共振を行い、受信用圧電層35は3λ/4共振を行い、上述のようにして、受信用圧電層35は、前記波長λの3次高調波を高利得で抽出し、基本波を除去する。これによって、前記受信部13におけるフィルタやアンプを不要にすることができ、あるいはそれらのフィルタやアンプ用いる場合にも、フィルタの次数を低くしたり、アンプのゲインを小さくしたりすることができる。また、送信用と受信用とそれぞれ適した無機圧電体および有機圧電体を用いることができ、大パワー送信を行い、被検体で発生した高調波を高利得で受信するハーモニックイメージングに好適な超音波探触子2を実現することができる。   Also in the ultrasonic transducer 31 configured as described above, the laminated piezoelectric material shown in FIG. 8, FIG. 9, FIG. 12, FIG. 16, or FIG. 20 is used for the receiving piezoelectric layer 35 made of the organic material. . When the wavelength of the transmission ultrasonic wave is λ, the transmission piezoelectric layers 33 and 34 perform λ / 4 resonance, and the reception piezoelectric layer 35 performs 3λ / 4 resonance. The layer 35 extracts the third harmonic of the wavelength λ with a high gain and removes the fundamental wave. This eliminates the need for a filter or an amplifier in the receiving unit 13, or reduces the order of the filter or reduces the gain of the amplifier even when these filters or amplifiers are used. In addition, it is possible to use an inorganic piezoelectric material and an organic piezoelectric material that are suitable for transmission and reception, respectively. Ultrasonic waves suitable for harmonic imaging that perform high power transmission and receive high-frequency harmonics generated in the subject. The probe 2 can be realized.

以下に、前記3λ/4共振を行う受信用圧電層25,35として用いられる積層圧電体の具体的な作成方法および材料について詳述する。一般に、超音波振動子は、膜状の圧電材料から成る圧電層(「圧電体層」、「圧電膜」、「圧電体膜」ともいう。)を挟んで一対の電極を配設して構成され、複数の振動子(圧電素子)を前記のような1次元や2次元に配列して前記の超音波トランスデューサ20が構成される。その複数の振動子を配列する方法としては、1枚の振動子をバッキング層に貼付け、必要に応じて音響整合層等を貼付けた後に、ダイシングによって各素子に分割することで行うことができる。   Hereinafter, a specific method and material for producing a laminated piezoelectric material used as the receiving piezoelectric layers 25 and 35 that perform the 3λ / 4 resonance will be described in detail. In general, an ultrasonic vibrator is configured by arranging a pair of electrodes with a piezoelectric layer (also referred to as a “piezoelectric layer”, “piezoelectric film”, or “piezoelectric film”) made of a film-like piezoelectric material interposed therebetween. The ultrasonic transducer 20 is configured by arranging a plurality of vibrators (piezoelectric elements) in one or two dimensions as described above. As a method of arranging the plurality of vibrators, one vibrator can be attached to the backing layer, an acoustic matching layer or the like can be attached as necessary, and then divided into each element by dicing.

複数に分割された積層振動子の各素子のアスペクト比は、アジマス方向の幅をW、高さをHとすると、W/Hは0.4〜0.6にすることが好ましい。これは、超音波が伝播する送受信方向の振動と、送受信方向に直交する走査方向(配列方向)の振動(横振動)との干渉を抑制し、振動子の配列方向の指向特性が狭くなることを回避でき、ビームの指向角度が制限されることなく、大きい偏向角においても良好な感度を保つことができるためである。   As for the aspect ratio of each element of the laminated vibrator divided into a plurality of parts, W / H is preferably 0.4 to 0.6, where W is the width in the azimuth direction and H is the height. This suppresses interference between vibration in the transmission / reception direction in which ultrasonic waves propagate and vibration (lateral vibration) in the scanning direction (arrangement direction) orthogonal to the transmission / reception direction, and narrows the directivity characteristics of the transducer in the arrangement direction. This is because the sensitivity can be maintained even at a large deflection angle without limiting the beam directivity angle.

そして、複数の振動子が配列された長軸方向の所定数の振動子を口径として設定し、その口径に属する複数の振動子を駆動して被検体内の計測部位に超音波ビームを収束させて照射すると共に、その口径に属する、またはその口径に属する振動子とは別の複数の振動子により被検体から発する超音波の反射エコー等を受信して電気信号に変換する機能を有している。   Then, a predetermined number of transducers in the major axis direction in which a plurality of transducers are arranged is set as the aperture, and the plurality of transducers belonging to the aperture are driven to converge the ultrasonic beam on the measurement site in the subject. And receiving a reflected echo of an ultrasonic wave emitted from the subject by a plurality of transducers belonging to the aperture or different from the transducer belonging to the aperture and converting it into an electrical signal Yes.

前述の図8、図9、図12、図16または図20で示す積層圧電体を実現するにあたって、該積層圧電体がセラミックなどの無機材料から成る場合、圧電体層と電極層とが積層されて、焼成などによって一体化される。   In realizing the laminated piezoelectric material shown in FIG. 8, FIG. 9, FIG. 12, FIG. 16 or FIG. 20, when the laminated piezoelectric material is made of an inorganic material such as ceramic, the piezoelectric material layer and the electrode layer are laminated. And integrated by firing.

一方、積層圧電体がPVDFなどの有機材料から成る場合、表裏両面の一部または全部に電極層が形成され、分極処理された有機材料のシートを積層し、層間を接着剤で接続することで一体化される。この際、電極層の接触面が互いに重なるようにすることが好ましい。これは振動子の駆動時や超音波の受信時に、不要な電界の形成を防ぎ、不均一な音場が形成されることを防ぐためである。なお、接着剤は絶縁性であるが、有機材料層および電極層の粗面(微細な凹凸)が、積層した際に互いに入り込み、隣接する電極同士は導通状態となる。積層接着後は、振動子端部の不要な部分をそぎ落とし、トランスデューサに搭載する大きさに成形する。その後、各圧電体を並列接続するにあたって、前述のように1組おきに電極の取出し方向を切替え、導電性ペーストで結線することで、バッキング層22,32側の両側部に、信号電極とGND電極とをそれぞれ引出すことができる。   On the other hand, when the laminated piezoelectric material is made of an organic material such as PVDF, an electrode layer is formed on part or all of the front and back surfaces, and a layer of polarized organic material is laminated and the layers are connected with an adhesive. Integrated. At this time, it is preferable that the contact surfaces of the electrode layers overlap each other. This is to prevent the formation of an unnecessary electric field and the formation of a non-uniform sound field when the vibrator is driven or when an ultrasonic wave is received. Note that although the adhesive is insulative, the rough surfaces (fine irregularities) of the organic material layer and the electrode layer enter each other when laminated, and adjacent electrodes become conductive. After laminating and bonding, unnecessary portions at the end of the vibrator are scraped off and formed into a size to be mounted on the transducer. After that, when connecting each piezoelectric body in parallel, the electrode extraction direction is switched every other pair as described above and connected with the conductive paste, so that the signal electrode and the GND are formed on both sides on the backing layers 22 and 32 side. Each of the electrodes can be extracted.

積層圧電体の材料としては、従来から用いられている水晶、圧電セラミックスPZT、PZLTや、圧電単結晶PZN−PT、PMN−PT、LiNbO、LiTaO、KNbO、ZnO、AlNなどの薄膜などの無機圧電材料に加え、ポリフッ化ビニリデンやポリフッ化ビニリデン系共重合体、ポリシアン化ビニリデンやシアン化ビニリデン系共重合体、ナイロン9やナイロン11などの奇数ナイロン、芳香族ナイロン、脂環族ナイロン、ポリ乳酸、ポリヒドロキシブチレートなどのポリヒドロキシカルボン酸、セルロース系誘導体、あるいはポリウレアなどの有機圧電材料が挙げられる。さらに無機圧電材料と有機圧電材料、無機圧電材料と有機高分子材料を併用したコンポジット材料も挙げられる。図24および図25で示す超音波トランスデューサ21,31では、上述の無機材料を送信用圧電層23;33,34に用い、有機材料を受信用圧電層25;35に用いるものとする。 As a material of the laminated piezoelectric material, conventionally used quartz, piezoelectric ceramics PZT, PZLT, piezoelectric single crystals PZN-PT, PMN-PT, LiNbO 3 , LiTaO 3 , KNbO 3 , ZnO, AlN, etc. In addition to these inorganic piezoelectric materials, polyvinylidene fluoride and polyvinylidene fluoride copolymers, polycyanide vinylidene and cyanide vinylidene copolymers, odd nylons such as nylon 9 and nylon 11, aromatic nylons, alicyclic nylons, Organic piezoelectric materials such as polyhydroxycarboxylic acids such as polylactic acid and polyhydroxybutyrate, cellulose derivatives, and polyurea are listed. Furthermore, composite materials using inorganic piezoelectric materials and organic piezoelectric materials, and inorganic piezoelectric materials and organic polymer materials in combination are also included. In the ultrasonic transducers 21 and 31 shown in FIGS. 24 and 25, the above-described inorganic material is used for the transmitting piezoelectric layers 23; 33, 34, and the organic material is used for the receiving piezoelectric layers 25; 35.

当該積層圧電体の1層の層厚は、設定する中心周波数(波長λ)にもよるが、加工性を考え、5〜200μmの範囲内にあることが好ましい。そして、各圧電体A1〜A3などの厚さが相互に等しいことで、各圧電体の製造が容易となるので、超音波トランスデューサ21,31の生産性を向上させることができる。   The layer thickness of one layer of the laminated piezoelectric material is preferably in the range of 5 to 200 μm in consideration of workability, although it depends on the set center frequency (wavelength λ). And since the thickness of each piezoelectric body A1-A3 etc. is mutually equal, since manufacture of each piezoelectric body becomes easy, productivity of the ultrasonic transducers 21 and 31 can be improved.

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

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

一方、図24の超音波トランスデューサ21では形成されないが、図25の超音波トランスデューサ31で形成される音響整合層33a,34a,35aや音響レンズ33b,34b,35bの形成方法は、以下の通りである。前記音響整合層33a,34a,35aは、振動子と生体組織との音響インピーダンスの差によって境界面での反射が発生し、自由振動が長く続いてしまうことを防止するために、振動子と生体組織との間に介在され、両者の中間的な音響インピーダンスを持つものである。この音響整合層を介在することで、前記境界面での反射が軽減されて自由振動が速やかに集束し、トランスデューサで送受信される超音波パルス幅が短くなって、生体内に超音波が効果的に伝搬されるようになる。   On the other hand, although not formed by the ultrasonic transducer 21 in FIG. 24, the acoustic matching layers 33a, 34a, 35a and the acoustic lenses 33b, 34b, 35b formed by the ultrasonic transducer 31 in FIG. 25 are formed as follows. is there. The acoustic matching layers 33a, 34a, and 35a are formed so that reflection at the boundary surface is caused by a difference in acoustic impedance between the vibrator and the living tissue, and free vibration continues for a long time. It is interposed between tissues and has an acoustic impedance intermediate between the two. By interposing this acoustic matching layer, reflection at the boundary surface is reduced, free vibration is quickly focused, the width of the ultrasonic pulse transmitted and received by the transducer is shortened, and the ultrasonic wave is effective in the living body. Will be propagated to.

この音響整合層33a,34a,35aに用いられる材料としては、金属材料(アルミ、アルミ合金(例えばAl−Mg合金)、マグネシウム合金、等)、ガラス類(マコールガラス、ケイ酸塩ガラス、溶融石英、等)、炭素材料(カーボングラファイト、コッパーグラファイト、等)、樹脂材料(ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリカーボネート(PC)、ナイロン(PA6,PA6−6)、ポリフェニレンスルフィド(PPS、ガラス繊維入りも可)、ポリフェニレンエーテル(PPE)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリエチレンテレフタレート(PETP)、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ABC樹脂、ABS樹脂、AAS樹脂、AES樹脂、等)等である。好ましくは、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂に、充填剤として、亜鉛華、酸化チタン、シリカやアルミナ、ベンガラ、フェライト、酸化タングステン、酸化イットリビウム、硫酸バリウム、タングステン、モリブデン等を入れて成形したものを用いることができる。   Examples of materials used for the acoustic matching layers 33a, 34a, and 35a include metal materials (aluminum, aluminum alloys (for example, Al-Mg alloys), magnesium alloys, etc.), glasses (Macor glass, silicate glass, fused quartz). ), Carbon materials (carbon graphite, copper graphite, etc.), resin materials (polyethylene (PE), polypropylene (PP), polycarbonate (PC), nylon (PA6, PA6-6), polyphenylene sulfide (PPS, glass fiber) Can be entered), polyphenylene ether (PPE), polyether ether ketone (PEEK), polyamideimide (PAI), polyethylene terephthalate (PETP), epoxy resin, urethane resin, ABC resin, ABS resin, AAS resin, AES resin, etc. ) Etc. Preferably, a thermosetting resin such as an epoxy resin is molded by adding zinc white, titanium oxide, silica, alumina, bengara, ferrite, tungsten oxide, yttrium oxide, barium sulfate, tungsten, molybdenum, etc. as a filler. Can be used.

前記音響整合層33a,34a,35aは、単層でもよいし、複数層から構成されてもよい。好ましくは、2層以上である。この音響整合層33a,34a,35aの厚さは、送信超音波の波長をλとすると、λ/4となるように定める必要がある(図24や図25では、送信用圧電層23;33,34内では、受信用圧電層25,35内より超音波の速度が速いので、厚くなっている)。これを満たさない場合、本来の共振周波数とは異なる周波数ポイントに複数の不要スプリアスが出現し、基本音響特性が大きく変動し、残響時間の増加や反射エコーの波形歪みによる感度やS/Nの低下を引き起こしてしまう。このような音響整合層33a,34a,35aの厚さとしては、概ね30μm〜500μmの範囲で用いられる。   The acoustic matching layers 33a, 34a, and 35a may be a single layer or a plurality of layers. Preferably, there are two or more layers. The thickness of the acoustic matching layers 33a, 34a, and 35a must be determined to be λ / 4 when the wavelength of the transmission ultrasonic wave is λ (in FIGS. 24 and 25, the transmission piezoelectric layer 23; 33). , 34 is thicker because the ultrasonic velocity is faster than in the receiving piezoelectric layers 25, 35). If this is not met, a plurality of unnecessary spurs appear at frequency points different from the original resonance frequency, the basic acoustic characteristics fluctuate greatly, and the sensitivity and S / N decrease due to increased reverberation time and waveform distortion of the reflected echo. Will cause. The acoustic matching layers 33a, 34a, and 35a are generally used in a thickness range of 30 μm to 500 μm.

また、バッキング層22,32は、超音波振動子の背面に配置され、後方へ放射された超音波の伝搬を抑制(吸収)する。これによってもまた、振動子側への不要な反射を抑え、パルス幅を短くすることができる。これらのバッキング層22,32に用いられる材料としては、天然ゴム、フェライトゴム、エポキシ樹脂に、酸化タングステンや酸化チタン、フェライト等の粉末を入れてプレス成形した材料、塩化ビニル、ポリビニルブチラール(PVB)、ABS樹脂、ポリウレタン(PUR)、ポリビニルアルコール(PVAL)、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリアセタール(POM)、ポリエチレンテレフタレート(PETP)、フッ素樹脂(PTFE)、ポリエチレングリコール、ポリエチレンテレフタレート−ポリエチレングリコール共重合体等の熱可塑性樹脂などを用いることができる。   In addition, the backing layers 22 and 32 are disposed on the back surface of the ultrasonic transducer, and suppress (absorb) the propagation of ultrasonic waves radiated backward. Also by this, unnecessary reflection to the vibrator side can be suppressed and the pulse width can be shortened. The materials used for these backing layers 22 and 32 include natural rubber, ferrite rubber, epoxy resin, tungsten oxide, titanium oxide, ferrite, etc., press-molded material, vinyl chloride, polyvinyl butyral (PVB) , ABS resin, polyurethane (PUR), polyvinyl alcohol (PVAL), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyacetal (POM), polyethylene terephthalate (PET), fluororesin (PTFE), polyethylene glycol, polyethylene terephthalate-polyethylene glycol A thermoplastic resin such as a copolymer can be used.

好ましいバッキング材としては、ゴム系複合材料および/またはエポキシ樹脂複合材から成るものであり、その形状は、該圧電体や、圧電体を含むプローブヘッドの形状に応じて、適宜選択することができる。   A preferable backing material is made of a rubber-based composite material and / or an epoxy resin composite material, and the shape thereof can be appropriately selected according to the shape of the piezoelectric body and the probe head including the piezoelectric body. .

前記のゴム系複合材としては、ゴム成分および充填剤を含有する物が好ましく、JIS K6253に準拠したスプリング硬さ試験機(デュロメータ硬さ)におけるタイプAデュロメータでA70からタイプDデュロメータでD70までの硬さを有するものであり、さらに、必要に応じて各種の他の配合剤を添加してもよい。   As the rubber-based composite material, a material containing a rubber component and a filler is preferable. From a type A durometer in a spring hardness tester (durometer hardness) according to JIS K6253 to A70 from a type D durometer. It has hardness, and various other compounding agents may be added as necessary.

前記のゴム成分としては、たとえば、エチレンプロピレンゴム(EPDMまたはEPM)、水素化ニトリルゴム(HNBR)、クロロプレンゴム(CR)、シリコーンゴム、EPDMとHNBRのブレンドゴム、EPDMとニトリルゴム(NBR)のブレンドゴム、NBRおよび/またはHNBRと高スチレンゴム(HSR)のブレンドゴム、EPDMとHSRブレンドゴムなどが好ましい。より好ましくは、エチレンプロピレンゴム(EPDMまたはEPM)、水素化ニトリルゴム(HNBR)、EPDMとHNBRのブレンドゴム、EPDMとニトリルゴム(NBR)のブレンドゴム、NBRおよび/またはHNBRと高スチレンゴム(HSR)とのブレンドゴム、EPDMとHSRとのブレンドゴムなどが挙げられる。本実施例のゴム成分は、加硫ゴムおよび熱可塑性エラストマーなどのゴム成分の1種を単独で使用してもよいが、ブレンドゴムのように2種以上のゴム成分をブレンドしたブレンドゴムを用いてもよい。   Examples of the rubber component include ethylene propylene rubber (EPDM or EPM), hydrogenated nitrile rubber (HNBR), chloroprene rubber (CR), silicone rubber, EPDM and HNBR blend rubber, and EPDM and nitrile rubber (NBR). Blend rubber, NBR and / or HNBR and high styrene rubber (HSR) blend rubber, EPDM and HSR blend rubber and the like are preferable. More preferably, ethylene propylene rubber (EPDM or EPM), hydrogenated nitrile rubber (HNBR), EPDM and HNBR blend rubber, EPDM and nitrile rubber (NBR) blend rubber, NBR and / or HNBR and high styrene rubber (HSR) ) And a blend rubber of EPDM and HSR. As the rubber component of this embodiment, one of rubber components such as vulcanized rubber and thermoplastic elastomer may be used alone, but a blend rubber obtained by blending two or more rubber components such as a blend rubber is used. May be.

ゴム成分に添加される充填剤としては、通常使用されているものから比重の大きいものに至るまで、その配合量と共に様々な形で選ぶことができる。たとえば、亜鉛華、チタン白、ベンガラ、フェライト、アルミナ、三酸化タングステン、酸化イットリビウムなどの金属酸化物、炭酸カルシウム、ハードクレイ、ケイソウ土などのクレイ類、炭酸カルシウム、硫酸バリウムなどの金属塩類、ガラス粉末等やタングステン、モリブデン等の各種の金属系微粉末類、ガラスバルーン、ポリマーバルーン等の各種バルーン類が挙げられる。これらの充填剤は、種々の比率で添加することができるが、好ましくはゴム成分100質量部に対して、50〜3000質量部、より好ましくは100〜2000質量部、または300〜1500質量部程度である。また、これらの充填剤は、1種または2種以上を組み合わせて添加してもよい。   The filler to be added to the rubber component can be selected in various forms along with the blending amount from those usually used to those having a large specific gravity. For example, zinc oxide, white titanium, bengara, ferrite, alumina, tungsten trioxide, yttrium oxide and other metal oxides, calcium carbonate, hard clay, diatomaceous earth clays, calcium carbonate, barium sulfate and other metal salts, glass Examples include powders, various metal fine powders such as tungsten and molybdenum, and various balloons such as glass balloons and polymer balloons. These fillers can be added at various ratios, preferably 50 to 3000 parts by weight, more preferably about 100 to 2000 parts by weight, or about 300 to 1500 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the rubber component. It is. Moreover, you may add these fillers combining 1 type (s) or 2 or more types.

ゴム系複合材料には、さらに他の配合剤を必要に応じて添加することができ、このような配合剤としては、加硫剤、架橋剤、硬化剤、それらの助剤類、劣化防止剤、酸化防止剤、着色剤などが挙げられる。たとえば、カーボンブラック、二酸化ケイ素、プロセスオイル、イオウ(加硫剤)、ジクミルパーオキサイド(Dicup、架橋剤)、ステアリン酸などを配合することができる。これらの配合剤は必要に応じて使用されるものであるが、その使用量は、一般にゴム成分100質量部に対し、それぞれ1〜100質量部程度であるが全体的バランスや特性によって適宜変更することもできる。   Other compounding agents can be added to the rubber-based composite material as necessary. Examples of such compounding agents include vulcanizing agents, cross-linking agents, curing agents, auxiliaries, and deterioration inhibitors. , Antioxidants, colorants and the like. For example, carbon black, silicon dioxide, process oil, sulfur (vulcanizing agent), dicumyl peroxide (Dicup, crosslinking agent), stearic acid and the like can be blended. These compounding agents are used as necessary, but the amount used is generally about 1 to 100 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the rubber component, but it is appropriately changed depending on the overall balance and characteristics. You can also

前記のエポキシ樹脂複合剤としては、エポキシ樹脂成分および充填剤を含有するのが好ましく、さらに必要に応じて各種の配合剤を添加することもできる。エポキシ樹脂成分としては、たとえばビスフェノールAタイプ、ビスフェノールFタイプ、レゾールノボラックタイプ、フェノール変性ノボラックタイプ等のノボラック型エポキシ樹脂、ナフタレン構造含有タイプ、アントラセン構造含有タイプ、フルオレン構造含有タイプ等の多環芳香族型エポキシ樹脂、水添脂環型エポキシ樹脂、液晶性エポキシ樹脂などが挙げられる。本実施例のエポキシ樹脂成分は単独で用いても良いが、ブレンド樹脂のように2種類以上のエポキシ樹脂成分を混合して用いてもよい。   As said epoxy resin composite agent, it is preferable to contain an epoxy resin component and a filler, and various compounding agents can also be added as needed. Examples of the epoxy resin component include bisphenol A type, bisphenol F type, resol novolak type, novolac type epoxy resin such as phenol-modified novolak type, naphthalene structure-containing type, anthracene structure-containing type, fluorene structure-containing type, etc. Type epoxy resin, hydrogenated alicyclic epoxy resin, liquid crystalline epoxy resin and the like. Although the epoxy resin component of a present Example may be used independently, you may mix and use two or more types of epoxy resin components like a blend resin.

前記のエポキシ樹脂成分に添加される充填剤としては、前述のゴム成分に混合する充填剤と同様のものから、上記ゴム系複合剤を粉砕して作成した複合粒子まで、いずれも好ましく使用することができる。前記複合粒子としては、たとえばシリコーンゴム中にフェライトを充填したものを粉砕器にて粉砕し、200μm程度の粒径にしたものを挙げることができる。   The filler added to the epoxy resin component is preferably used from the same filler as that mixed with the rubber component to composite particles prepared by pulverizing the rubber composite. Can do. Examples of the composite particles include those in which a silicone rubber filled with ferrite is pulverized with a pulverizer to have a particle size of about 200 μm.

前記エポキシ樹脂複合剤を使用する際には、さらに架橋剤を添加する必要があり、たとえばジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、ジプロピレンジアミン、ジエチルアミノプロピルアミン等の鎖状脂肪族ポリアミン、N−アミノエチルピペラジン、メンセンジアミン、イソフォロンジアミン等の環状脂肪族ポリアミン、m−キシレンジアミン、メタフェニレンジアミン、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルスルフォン等の芳香族アミン、ポリアミド樹脂、ピペリジン、NN−ジメチルピペラジン、トリエチレンジアミン、2,4,6−トリス(ジメチルアミノメチル)フェノール、ベンジルジメチルアミン、2−(ジメチルアミノメチル)フェノール等の2級および3級アミン等、2−メチルイミダゾール、2−エチルイミダゾール、1−シアノエチル−2−ウンデシルイミダゾリウム・トリメリテート等のイミダゾール類、液状ポリメルカプタン、ポリスルフィド、無水フタル酸、無水トリメリット酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルエンドメチレンテトラヒドロ無水フタル酸、メチルブテニルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロフタル酸等の酸無水物を挙げることができる。   When using the epoxy resin composite agent, it is necessary to add a crosslinking agent, for example, chain aliphatic polyamines such as diethylenetriamine, triethylenetetramine, dipropylenediamine, diethylaminopropylamine, N-aminoethylpiperazine, Cycloaliphatic polyamines such as mensendiamine, isophoronediamine, aromatic amines such as m-xylenediamine, metaphenylenediamine, diaminodiphenylmethane, diaminodiphenylsulfone, polyamide resin, piperidine, NN-dimethylpiperazine, triethylenediamine, 2, Secondary and tertiary amines such as 4,6-tris (dimethylaminomethyl) phenol, benzyldimethylamine, 2- (dimethylaminomethyl) phenol, 2-methylimidazole, 2-ethyl Imidazole, imidazoles such as 1-cyanoethyl-2-undecylimidazolium trimellitate, liquid polymercaptan, polysulfide, phthalic anhydride, trimellitic anhydride, methyltetrahydrophthalic anhydride, methylendomethylenetetrahydrophthalic anhydride, methylbutyrate Examples of the acid anhydride include tenenyltetrahydrophthalic anhydride and methylhexahydrophthalic acid.

このようにして成るバッキング層22,32の厚さは、概ね1〜10mmが好ましく、特に1〜5mmであることが好ましい。   The thickness of the backing layers 22 and 32 thus formed is preferably approximately 1 to 10 mm, and particularly preferably 1 to 5 mm.

一方、前記音響レンズ33b,34b,35bは、屈折を利用して超音波ビームを集束し、分解能を向上するために設けられるものであり、超音波を収束するとともに、被検体である生体とよく密着して、圧電層33,34,35側と生体との音響インピーダンス(密度×音速;(1.4〜1.6)×106kg/m・sec)を整合させ、超音波の反射を少なくし得ること、レンズ自体の超音波減衰量が小さいことが必要条件とされている。このため、従来から、高分子材料をベースにして作られた音響レンズが設けられている。 On the other hand, the acoustic lenses 33b, 34b, and 35b are provided to focus the ultrasonic beam by using refraction and improve the resolution. It closely adheres and matches the acoustic impedance (density × sound speed; (1.4 to 1.6) × 106 kg / m 2 · sec) between the piezoelectric layers 33, 34, and 35 and the living body to reduce reflection of ultrasonic waves. In addition, it is a necessary condition that the ultrasonic attenuation amount of the lens itself is small. For this reason, acoustic lenses made based on polymer materials are conventionally provided.

ここに用いられるレンズ材料としては、その音速が人体のそれより充分小さくて、減衰が少なく、また音響インピーダンスが人体の皮膚の値に近いものが望まれる。レンズ材の音速が人体のそれより充分小さければ、レンズ形状を凸状となすことができ、診断を行う際に滑りが良くなり、安全に行うことができる。また、減衰が少なくなれば、感度良く超音波の送受信が行え、さらに、音響インピーダンスが人体の皮膚の値に近いものであれば、反射が小さくなり、換言すれば、透過率が大きくなるので、同様に超音波の送受信感度が良くなるからである。   As the lens material used here, it is desirable that the sound velocity is sufficiently smaller than that of the human body, the attenuation is small, and the acoustic impedance is close to the value of the human skin. If the sound velocity of the lens material is sufficiently smaller than that of the human body, the lens shape can be made convex, and slipping can be improved during diagnosis, which can be performed safely. In addition, if attenuation is reduced, ultrasound can be transmitted and received with good sensitivity, and if the acoustic impedance is close to the value of the human skin, the reflection will be small, in other words, the transmittance will be large. Similarly, the transmission / reception sensitivity of ultrasonic waves is improved.

本実施例において、音響レンズ33b,34b,35bを構成する素材としては、従来公知のシリコーン系ゴム、ブタジエン系ゴム、ポリウレタンゴム、エピクロルヒドリンゴム等のホモポリマー、エチレンとプロピレンとを共重合させて成るエチレン−プロピレン共重合体ゴム等の共重合体ゴム等を用いることができる。これらのうち、シリコーン系ゴムを用いることが特に好ましい。   In this embodiment, the material constituting the acoustic lenses 33b, 34b, and 35b is formed by copolymerizing a conventionally known homopolymer such as silicone rubber, butadiene rubber, polyurethane rubber, epichlorohydrin rubber, and ethylene and propylene. Copolymer rubber such as ethylene-propylene copolymer rubber can be used. Of these, it is particularly preferable to use silicone rubber.

本実施例に使用されるシリコーン系ゴムとしては、シリコーンゴム、フッ素シリコーンゴム等が挙げられる。中でも、レンズ材の特性上、シリコーンゴムを使用することが好ましい。シリコーンゴムとは、Si−O結合から成る分子骨格を有し、そのSi原子に複数の有機基が主結合したオルガノポリシロキサンを言い、通常は、その主成分はメチルポリシロキサンで、全体の有機基のうち90%以上はメチル基である。メチル基に代えて水素原子、フェニル基、ビニル基、アリル基等を導入したものも使用することができる。当該シリコーンゴムは、たとえば高重合度のオルガノポリシロキサンに過酸化ベンゾイルなどの硬化剤(加硫剤)を混練し、加熱加硫し硬化させることにより得ることができる。必要に応じてシリカ、ナイロン粉末等の有機または無機の充填剤、硫黄、酸化亜鉛等の加硫助剤等を添加してもよい。   Examples of the silicone rubber used in this embodiment include silicone rubber and fluorine silicone rubber. Among these, it is preferable to use silicone rubber because of the characteristics of the lens material. Silicone rubber is an organopolysiloxane having a molecular skeleton composed of Si—O bonds, and having a plurality of organic groups bonded to Si atoms. Usually, the main component is methylpolysiloxane, and the entire organic group is organic. 90% or more of the groups are methyl groups. A material in which a hydrogen atom, a phenyl group, a vinyl group, an allyl group or the like is introduced instead of the methyl group can also be used. The silicone rubber can be obtained, for example, by kneading a curing agent (vulcanizing agent) such as benzoyl peroxide with organopolysiloxane having a high degree of polymerization, followed by heat vulcanization and curing. If necessary, organic or inorganic fillers such as silica and nylon powder, and vulcanization aids such as sulfur and zinc oxide may be added.

本実施例に使用されるブタジエン系ゴムとしては、ブタジエン単独またはブタジエンを主体とし、これに少量のスチロールまたはアクリロニトリルが共重合した共重合ゴム等が挙げられる。中でも、レンズ材の特性上、ブタジエンゴムを使用することが好ましい。ブタジエンゴムとは、共役二重結合を有するブタジエンの重合により得られる合成ゴムを言う。ブタジエンゴムは、共役二重結合を有するブタジエン単独が1.4〜1.2重合することにより得ることができる。ブタジエンゴムは、硫黄等により加硫させることが好ましい。   Examples of the butadiene rubber used in this embodiment include butadiene alone or a copolymer rubber mainly composed of butadiene and copolymerized with a small amount of styrene or acrylonitrile. Among these, it is preferable to use butadiene rubber because of the characteristics of the lens material. Butadiene rubber refers to a synthetic rubber obtained by polymerization of butadiene having a conjugated double bond. Butadiene rubber can be obtained by polymerizing 1.4 to 1.2 butadiene alone having a conjugated double bond. The butadiene rubber is preferably vulcanized with sulfur or the like.

本実施例に係る音響レンズ33b,34b,35bにおいては、シリコーン系ゴムとブタジエン系ゴムとを混合し加硫硬化させて得たものであってもよい。具体的には、シリコーンゴムとブタジエンゴムとを適宜割合で、混練ロールによって混合し、過酸化ベンゾイルなどの加硫剤を添加し、加熱加硫し、架橋(硬化)させることにより得ることができる。その際に、加硫助剤として、酸化亜鉛を添加することが好ましい。酸化亜鉛は、レンズ特性を落とさずに、加硫を促し、加硫時間を短縮できる。他に、着色剤や音響レンズの特性を損なわない範囲内で他の添加剤を添加してもよい。シリコーン系ゴムとブタジエン系ゴムとの混合割合は、その音響インピーダンスが人体に近似しているとともに、その音速が人体より小さく、減衰が少ないものを得るには、通常、1:1が好ましいが、当該混合割合は適宜変更可能である。   The acoustic lenses 33b, 34b, and 35b according to the present embodiment may be obtained by mixing and curing and curing silicone rubber and butadiene rubber. Specifically, it can be obtained by mixing silicone rubber and butadiene rubber in an appropriate ratio by a kneading roll, adding a vulcanizing agent such as benzoyl peroxide, heat vulcanizing, and crosslinking (curing). . At that time, it is preferable to add zinc oxide as a vulcanization aid. Zinc oxide can accelerate vulcanization and shorten the vulcanization time without deteriorating lens characteristics. In addition, other additives may be added as long as the characteristics of the colorant and the acoustic lens are not impaired. The mixing ratio of the silicone rubber and the butadiene rubber is preferably 1: 1 in order to obtain a material whose acoustic impedance is close to that of the human body and whose sound speed is smaller than that of the human body and less attenuated. The mixing ratio can be changed as appropriate.

シリコーンゴムは、市販品として入手することができ、たとえば信越化学社製、KE742U、KE752U、KE931U、KE941U、KE951U、KE961U、KE850U、KE555U、KE575U等や、モメンティブパフォーマンスマテリアル社製、TSE221−3U、TE221−4U、TSE2233U、XE20−523−4U、TSE27−4U、TSE260−3U、TSE−260−4Uや、ダウコーニング東レ社製のSH35U、SH55UA、SH831U、SE6749U、SE1120USE4704Uなどを用いることができる。   Silicone rubber can be obtained as a commercial product. For example, KE742U, KE752U, KE931U, KE941U, KE951U, KE96U, KE850U, KE555U, KE575U, etc. manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., TSE221-3U, TE221 -4U, TSE2233U, XE20-523-4U, TSE27-4U, TSE260-3U, TSE-260-4U, SH35U, SH55UA, SH831U, SE6749U, SE1120USE4704U manufactured by Dow Corning Toray, Inc. can be used.

なお、本実施例においては、上記シリコーン系ゴム等のゴム素材をベース(主成分)として、音速調整や密度調整等の目的に応じて、シリカ、アルミナ、酸化チタンなどの無機充填剤や、ナイロンなどの有機樹脂等を配合することもできる。また、当該音響レンズ33b,34b,35bの被検体表面に近い領域に、励起光を照射することで発光する物質、すなわち発光物質が添加されていてもよい。   In this embodiment, the rubber material such as the above-mentioned silicone rubber is used as a base (main component), and according to purposes such as sound speed adjustment and density adjustment, inorganic fillers such as silica, alumina, titanium oxide, and nylon An organic resin such as can also be blended. In addition, a substance that emits light when irradiated with excitation light, that is, a luminescent substance, may be added to a region near the subject surface of the acoustic lenses 33b, 34b, and 35b.

一方、本実施例に用いる部材間の接着には、一般的に用いられるエポキシ系樹脂が好適である。市販のエポキシ接着剤の具体例としては、スリーエム カンパニー製のDP−420、DP−460、DP−460EG、セメダイン社製のエクセルエポ、EP001、EP008、EP330、EP331、ハンツマン・アドバンスト・マテリアルズ社製のアラルダイト スタンダード(登録商標)、アラルダイト ラピッド(登録商標)、システムスリー社製のシステムスリーエポキシ、ゲルマジック、スリーボンド社製の2087L(高強度二液性エポキシ配合樹脂)、2082C(常温硬化型二液性エポキシ樹脂高せん断接着力タイプ)、2081D(軟質塩ビ用接着剤エポキシ系)、コニシ社製のEセットL、コトロニクス社製デュラルコ4525IP、7050、NM25、4461IP等を挙げることができる。ただし、ダイシング加工適性、薬剤耐性の面から、強固な接着性、低反応性、などが要求される。さらに、接着層は可能な限り薄くすることが求められるため、低粘度のものが好ましい。接着層の厚みとしては、0.5〜3μmが好ましい。   On the other hand, generally used epoxy resin is suitable for adhesion between members used in this embodiment. Specific examples of commercially available epoxy adhesives include DP-420, DP-460, DP-460EG manufactured by 3M Company, Excel Epoe manufactured by Cemedine, EP001, EP008, EP330, EP331, manufactured by Huntsman Advanced Materials Araldite Standard (registered trademark), Araldite Rapid (registered trademark), System Three Epoxy from System Three, Gel Magic, 2087L (High-strength two-part epoxy compound resin) from Three Bond, 2082C (Temperature curing type two-part Epoxy resin high shear adhesive type), 2081D (adhesive epoxy for soft vinyl chloride), E-set L manufactured by Konishi, Durarco 4525IP, 7050, NM25, 4461IP manufactured by Kotronics. However, strong adhesiveness, low reactivity, etc. are required from the viewpoint of dicing suitability and drug resistance. Furthermore, since it is required to make the adhesive layer as thin as possible, one having a low viscosity is preferable. The thickness of the adhesive layer is preferably 0.5 to 3 μm.

以下に、圧電体の作製方法について述べる。先ず、送信用圧電体23;33,34として用いられる無機圧電体である。成分原料であるCaCO、La、BiとTiO、および副成分原料であるMnOを準備し、成分原料については、成分の最終組成が、(Ca0.97La0.03)Bi4.01Ti15となるように秤量した。 A method for manufacturing a piezoelectric body will be described below. First, it is an inorganic piezoelectric material used as the transmitting piezoelectric material 23; 33, 34. Component raw materials CaCO 3 , La 2 O 3 , Bi 2 O 3 and TiO 2 , and subcomponent raw materials MnO are prepared. For the component raw materials, the final composition of the components is (Ca 0.97 La 0. 03 ) Weighed to be Bi 4.01 Ti 4 O 15 .

次に、純水を添加し、純水中でジルコニア製メディアを入れたボールミルにて8時間混合し、充分に乾燥を行い、混合粉体を得た。得られた混合粉体を、仮成形し、空気中、800℃で2時間仮焼を行い、仮焼物を作製した。   Next, pure water was added, mixed for 8 hours in a ball mill containing zirconia media in pure water, and sufficiently dried to obtain a mixed powder. The obtained mixed powder was temporarily molded and calcined in air at 800 ° C. for 2 hours to prepare a calcined product.

次に、得られた仮焼物に純水を添加し、純水中でジルコニア製メディアを入れたボールミルにて微粉砕を行い、乾燥することにより圧電セラミックス原料粉末を作製した。微粉砕においては、微粉砕を行う時間および粉砕条件を変えることにより、それぞれ粒子径100nmの圧電セラミックス原料粉末を得た。   Next, pure water was added to the obtained calcined material, finely pulverized in a ball mill containing zirconia media in pure water, and dried to prepare a piezoelectric ceramic raw material powder. In the fine pulverization, the piezoelectric ceramic raw material powder having a particle diameter of 100 nm was obtained by changing the pulverization time and pulverization conditions.

それぞれ粒子径の異なる各圧電セラミックス原料粉末に、バインダーとして純水を6質量%添加し、プレス成形して、厚み100μmの板状仮成形体とし、この板状仮成形体を真空パックした後、235MPaの圧力でプレスにより成形した。   After adding 6% by mass of pure water as a binder to each piezoelectric ceramic raw material powder having a different particle diameter, press molding to form a plate-shaped temporary molded body having a thickness of 100 μm, and vacuum-packing the plate-shaped temporary molded body, Molding was performed by pressing at a pressure of 235 MPa.

次に、上記の成形体を焼成し、最終焼結体の厚さは20μmである。なお、焼成温度は、それぞれ1100℃であった。その後、1.5×Ec(MV/m)以上の電界を1分間印加して、分極処理を施した。   Next, the molded body is fired, and the final sintered body has a thickness of 20 μm. The firing temperature was 1100 ° C. Thereafter, an electric field of 1.5 × Ec (MV / m) or more was applied for 1 minute to perform polarization treatment.

次に、受信用圧電体25,35として用いられる有機圧電体の作製方法について述べる。本実施例に係る有機圧電材料は、前述の高分子材料を主たる構成成分として有する室温以上、融点から10℃低い温度以下の温度において、延伸可能なフィルム状であり、張力を一定の範囲に保ちながら熱処理され、続いて室温まで冷却される間に二段階目の延伸をして作製することができる。   Next, a method for producing an organic piezoelectric body used as the receiving piezoelectric bodies 25 and 35 will be described. The organic piezoelectric material according to this example is a film that can be stretched at a temperature not lower than room temperature and not higher than 10 ° C. below the melting point having the above-described polymer material as a main component, and keeps the tension within a certain range. While being heat-treated, and subsequently cooled to room temperature, it can be produced by stretching the second stage.

本実施例に係るフッ化ビニリデンを含む有機圧電材料を振動子とする場合、フィルム状に形成し、ついで電気信号を入力するための表面電極を形成する。本実施例は、表面に形成した電極を介して電場を厚さ方向にかけ、圧迫しながら分極することを特徴とするが、表面に電極を形成せずに、圧迫部材の材料に接触する面に電圧をかけられる電極を設置し、同様に圧迫しながら材料の厚さ方向に電場をかけながら分極することでも効果は同じである。   When the organic piezoelectric material containing vinylidene fluoride according to this embodiment is used as a vibrator, it is formed in a film shape, and then a surface electrode for inputting an electric signal is formed. The present embodiment is characterized in that an electric field is applied in the thickness direction through an electrode formed on the surface and polarization is performed while pressing, but the electrode is not formed on the surface, and the surface contacting the material of the compression member is used. The same effect can be obtained by installing an electrode to which a voltage can be applied, and polarizing while applying an electric field in the thickness direction of the material while being similarly pressed.

フィルム形成は、溶融法、流延法など一般的な方法を用いることができる。ポリフッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン共重合体の場合、フィルム状にしたのみで自発分極を持つ結晶型を有することが知られているが、さらに特性を上げるには、分子配列を揃える処理を加えることが有用である。手段としては、延伸製膜、分極処理などが挙げられる。   For film formation, a general method such as a melting method or a casting method can be used. In the case of polyvinylidene fluoride-trifluoroethylene copolymer, it is known that it has a crystal form with spontaneous polarization just by making it into a film, but in order to further improve the characteristics, a process for aligning the molecular arrangement should be added. Is useful. Examples of means include stretching film formation and polarization treatment.

延伸製膜の方法については、種々の公知の方法を採用することができる。たとえば、上記高分子材料をエチルメチルケトン(MEK)などの有機溶媒に溶解した液をガラス板などの基板上に流延し、常温にて溶媒を乾燥させ、所望の厚さのフィルムを得て、このフィルムを室温で所定の倍率の長さに延伸する。当該延伸は、所定形状の有機圧電材料が破壊されない程度に、一軸あるいは二軸方向に行うことができる。延伸倍率は2〜10倍、好ましくは2〜6倍である。   Various known methods can be adopted for the method of stretching film formation. For example, a solution obtained by dissolving the above polymer material in an organic solvent such as ethyl methyl ketone (MEK) is cast on a substrate such as a glass plate, and the solvent is dried at room temperature to obtain a film having a desired thickness. The film is stretched to a predetermined length at room temperature. The stretching can be performed uniaxially or biaxially so that the organic piezoelectric material having a predetermined shape is not destroyed. The draw ratio is 2 to 10 times, preferably 2 to 6 times.

なお、フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン共重合体および/またはフッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体において、230℃における溶融流動速度(Melt Flow Rate)が0.03g/min以下である。より好ましくは、0.02g/min以下、更に好ましくは、0.01g/min以下である高分子圧電体を使用すると、高感度な圧電体の薄膜が得られる。   In the vinylidene fluoride-trifluoroethylene copolymer and / or vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer, the melt flow rate at 230 ° C. is 0.03 g / min or less. More preferably, a high-sensitivity piezoelectric thin film can be obtained by using a polymer piezoelectric body of 0.02 g / min or less, more preferably 0.01 g / min or less.

一般に、フィルム状の材料を熱処理する場合、フィルム面内に効率的かつ均一に熱を与えるために、チャックやクリップなどで端部を支持して、所定温度環境下に置くことが好ましい。この際に、フィルム面にヒートプレート等の熱源を直接触れるような形態で熱を与えることは、加熱の際に収縮する材料の場合、平面性を損なうので好ましくない。むしろ、加熱の際の熱収縮に対し、わずかに弛緩処理を行うことの方が平面性に対しては効果がある。ここでいう弛緩処理とは、熱処理およびその終了後室温まで冷却される過程でフィルムにかかる収縮ないしは膨張しようとする力に追従しながら、フィルム両端の応力を変化させることである。弛緩処理は、フィルムが弛むことで平面性が保てなくなったり、応力が大きくなって破断したりしない限り、応力を緩和させるように縮めても、さらに張力をかける方向に延伸しない程度に広げてもよい。本実施例においては、延伸した方向をプラスと定めた場合、長さにして10%程度、フィルムが冷却中に伸びる場合は、弛みに追従するように、最大でも10%程度、二段階目の延伸を行う。この二段階目の延伸は、フィルムがピンと張った状態となるように、弛みを無くす程度に延伸チャックを稼動させることで行うものとする。それ以上の処理は、冷却中の延伸となり、フィルム破断のおそれがある。   In general, when a film-like material is heat-treated, it is preferable that the end portion is supported by a chuck or a clip and placed in a predetermined temperature environment in order to efficiently and uniformly heat the film surface. At this time, it is not preferable to apply heat in such a form that the film surface is directly in contact with a heat source such as a heat plate because the flatness is impaired in the case of a material that contracts during heating. Rather, a slight relaxation treatment is more effective for planarity against thermal contraction during heating. The relaxation treatment here refers to changing the stress at both ends of the film while following the shrinkage or expansion force applied to the film in the process of cooling to room temperature after the heat treatment. As long as the film is not loosened and the flatness cannot be maintained, or the stress increases and breaks, the relaxation treatment can be expanded to such an extent that even if it is shrunk so as to relieve the stress, it does not stretch in the direction of applying tension. Also good. In this example, when the stretched direction is determined to be positive, the length is about 10%. When the film stretches during cooling, the second stage is at most about 10% so as to follow the slack. Stretching is performed. This second stage of stretching is performed by operating the stretching chuck to such an extent that looseness is eliminated so that the film is in a taut state. Further processing results in stretching during cooling and may cause film breakage.

本実施例の有機圧電材料の熱処理としては、フィルム面内に効率的かつ均一に熱を与えるために、チャックやクリップなどで端部を支持して、フィルムの融点よりも10℃低い温度を上限とした温度付近下に置くことが好ましい。たとえば、ポリフッ化ビニリデンを主成分とする有機圧電材料の場合、融点が150〜180℃にあることから、110〜140℃の温度で熱処理をすることが好ましい。また、その時間は、30分以上行うことで効果が発現し、長ければ長い程、結晶成長が促進されるが、時間とともに飽和することから、現実的には10時間程度、長くとも一昼夜程度である。この間もフィルムの平面性を維持するために、一定の張力がフィルムにかかるようにしておくことが好ましい。熱処理中の張力は、仕上がりの平面性の観点から0.1〜500kPaの範囲内が好ましく、より好ましくは、可能な限り小さい応力が好ましい。熱処理中のフィルムは柔らかく、張力がこの値よりも大きくなると、さらに延びてしまうため、熱処理の効果が失われてしまうだけでなく、破断が起こるおそれがある。   In the heat treatment of the organic piezoelectric material of this example, in order to efficiently and uniformly heat the film surface, the end is supported by a chuck or a clip, and the upper limit is 10 ° C. lower than the melting point of the film. It is preferable to place it near the temperature. For example, in the case of an organic piezoelectric material mainly composed of polyvinylidene fluoride, the melting point is 150 to 180 ° C., and therefore, it is preferable to perform heat treatment at a temperature of 110 to 140 ° C. In addition, the effect is manifested by performing it for 30 minutes or longer, and the longer it is, the more the crystal growth is promoted. However, since it saturates with time, it is practically about 10 hours, at most about day and night. is there. In order to maintain the flatness of the film during this period, it is preferable that a certain tension is applied to the film. The tension during the heat treatment is preferably in the range of 0.1 to 500 kPa from the viewpoint of finished flatness, and more preferably as low as possible. The film during the heat treatment is soft, and if the tension becomes larger than this value, the film is further extended, so that not only the effect of the heat treatment is lost but also the breakage may occur.

上述のようにして作成された有機圧電材料の両面には、電極が貼付けられた後に、絶縁部材による圧迫下で、その電極間に電圧が印加されて分極処理が施される。一般に、圧電材料は、電場応答に対して変形応答をする特性を持っている材料である。そのため、分極処理中における電場によっても変形応答する。すなわち、材料に電場を加えて分極処理を施すことで圧電材料としての特性を付与するその最中にも、電場によって変形してしまう。このため、材料はしばしば分極処理後に変形して、初期の形状を保たないことがある。そこで本実施例では、その分極中の変形を抑制するために、上述のように圧迫をしつつ、分極処理を行うことで、より変形の少ない、好ましくは分極処理前後での平面性が保たれ、かつ高い圧電特性を有する有機圧電材料を得るようにしている。   After the electrodes are attached to both surfaces of the organic piezoelectric material prepared as described above, a voltage is applied between the electrodes under pressure by an insulating member to perform polarization treatment. In general, a piezoelectric material is a material having a characteristic of causing a deformation response to an electric field response. Therefore, the deformation response is also caused by the electric field during the polarization process. In other words, the material is deformed by the electric field even during the process of imparting the characteristics as a piezoelectric material by applying an electric field to the material and subjecting it to polarization treatment. For this reason, the material often deforms after the polarization treatment and may not retain its initial shape. Therefore, in this embodiment, in order to suppress the deformation during the polarization, the polarization process is performed while pressing as described above, so that the flatness before and after the polarization process is reduced. In addition, an organic piezoelectric material having high piezoelectric characteristics is obtained.

ここで、押圧力、すなわち、押圧する圧力の程度としては、少なくとも0.98MPa(10kg/cm)以上、9.8MPa(100kg/cm)以下であることが好ましい。これは、0.98MPa(10kg/cm)以上とすることで変形を抑えることができ、9.8Ma(100kg/cm)以下とすることで厚さ方向の変形の発生を防止したり、初期の厚さを保つことができ、もしくは分極処理の印加電流が短絡することを防止できるためである。本実施例に係る分極処理方法としては、公知の直流電圧印加処理、もしくは交流電圧印加処理等の電圧印加処理の方法が適用され得る。 Here, the pressing force, that is, the degree of pressing pressure, is preferably at least 0.98 MPa (10 kg / cm 2 ) or more and 9.8 MPa (100 kg / cm 2 ) or less. The deformation can be suppressed by setting it to 0.98 MPa (10 kg / cm 2 ) or more, and the occurrence of deformation in the thickness direction can be prevented by setting it to 9.8 Ma (100 kg / cm 2 ) or less. This is because the initial thickness can be maintained, or the applied current of the polarization treatment can be prevented from being short-circuited. As the polarization processing method according to the present embodiment, a known DC voltage application process or a voltage application process method such as an AC voltage application process can be applied.

以下に、有機圧電材料の具体的な例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらに限定されない。本実施例では、有機圧電材料として、P(VDF−TrFE)を用いる。その合成方法は、以下のとおりである。内容積14Lのステンレス製の耐圧オートクレーブに、フッ化ビニリデン(VDF;シグマアルドリッチ社製)70部(3000g)、3フッ化エチレン(TrFE;シグマアルドリッチ社製)30部、純水210部、メチルセルロース(東京化成社製)0.1部、ピロリン酸ナトリウム(太平化学産業社製)0.2部、ジノルマルプロピルパーオキシジカーボネート(日油株式会社製)0.61部を仕込み、25℃で重合を開始した。3時間に酢酸エチル3.0部を添加し、重合反応を継続した。その後オートクレーブの内圧が25kg/cmに低下した時点で、未反応物を回収し、重合物の脱水、水洗を順に3回繰り返した後、減圧乾燥を行った。収率は26%であった。得られたP(VDF−TrFE)について評価を行うと、分子量は255000、分散は2.4であった。 Hereinafter, the present invention will be described with specific examples of organic piezoelectric materials, but the present invention is not limited thereto. In this embodiment, P (VDF-TrFE) is used as the organic piezoelectric material. The synthesis method is as follows. In a stainless steel pressure-resistant autoclave with an internal volume of 14 L, 70 parts (3000 g) of vinylidene fluoride (VDF; manufactured by Sigma Aldrich), 30 parts of ethylene trifluoride (TrFE; manufactured by Sigma Aldrich), 210 parts of pure water, methylcellulose ( 0.1 parts by Tokyo Kasei Co., Ltd., 0.2 parts by sodium pyrophosphate (by Taihei Chemical Industrial Co., Ltd.), 0.61 parts by di-normal propyl peroxydicarbonate (by NOF Corporation), and polymerized at 25 ° C. Started. In 3 hours, 3.0 parts of ethyl acetate was added, and the polymerization reaction was continued. Thereafter, when the internal pressure of the autoclave decreased to 25 kg / cm 2 , the unreacted material was recovered, and the polymer was dehydrated and washed with water three times in order, and then dried under reduced pressure. The yield was 26%. When the obtained P (VDF-TrFE) was evaluated, the molecular weight was 255000 and the dispersion was 2.4.

なお、重量平均分子量(Mn)および分子量分布(Mw/Mn)は、下記の要領で、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により算出した。測定条件は以下の通りである。   The weight average molecular weight (Mn) and the molecular weight distribution (Mw / Mn) were calculated by gel permeation chromatography (GPC) in the following manner. The measurement conditions are as follows.

溶媒 :30mMLiBr in N−メチルピロリドン
装置 :HLC−8220GPC(東ソー(株)製)
カラム :TSKgel SuperAWM−H×2本(東ソー(株)製)
カラム温度:40℃
試料濃度 :1.0g/L
注入量 :40μl
流量 :0.5ml/min
校正曲線 :標準ポリスチレン:PS−1(Polymer Laboratories社製)Mw=580〜2,560,000までの9サンプルによる校正曲線を使用した。
Solvent: 30 mM LiBr in N-methylpyrrolidone Device: HLC-8220GPC (manufactured by Tosoh Corporation)
Column: TSKgel SuperAWM-H x 2 (manufactured by Tosoh Corporation)
Column temperature: 40 ° C
Sample concentration: 1.0 g / L
Injection volume: 40 μl
Flow rate: 0.5 ml / min
Calibration curve: Standard polystyrene: PS-1 (manufactured by Polymer Laboratories) Mw = 580 to 2,560,000 calibration curves with 9 samples were used.

組成については、1H−NMRにより決定した。得られたP(VDF−TrFE)の3wt%重ジメチルスルホキシド溶液を調製し、サンプル管に入れ、NMR(核磁気共鳴)装置( <http://www.varianjapan.com/product/nmr/001/index.html>Varian 400−MR、Varian社製)にて400MHzの周波数で解析した。得られたデータ(図26参照)の解析から、5.3−6.0ppm付近に現れるTrFEに特有のプロトンのシグナルと、2.3−3.3ppm付近に現れるVDFに特有のプロトンのシグナルとの比より、VDF/TrFE=3/1と決定した。   The composition was determined by 1H-NMR. A 3 wt% heavy dimethyl sulfoxide solution of the obtained P (VDF-TrFE) was prepared, put into a sample tube, and an NMR (nuclear magnetic resonance) apparatus (<http://www.varianjapan.com/product/nmr/001/ index.html> Varian 400-MR (manufactured by Varian) was analyzed at a frequency of 400 MHz. From the analysis of the obtained data (see FIG. 26), the proton signal peculiar to TrFE appearing near 5.3-6.0 ppm and the proton signal peculiar to VDF appearing near 2.3-3.3 ppm From this ratio, it was determined that VDF / TrFE = 3/1.

また同様にして、VDFのホモポリマーPVDFも重合した。GPC評価から分子量200000、分散2.1であった。   Similarly, VDF homopolymer PVDF was also polymerized. From the GPC evaluation, the molecular weight was 200,000 and the dispersion was 2.1.

得られたP(VDF−TrFE)をメチルエチルケトン(関東化学社製)を溶媒とし、乾燥膜厚40±1μmとなるようにガラス板に塗布し、60℃で30分乾燥し、有機圧電膜を作製した。   The obtained P (VDF-TrFE) was applied to a glass plate using methyl ethyl ketone (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) as a solvent to a dry film thickness of 40 ± 1 μm, and dried at 60 ° C. for 30 minutes to produce an organic piezoelectric film. did.

そして、そのP(VDF−TrFE)(膜厚:40±1μm)の表面に、厚さ0.1μmのクロム電極を蒸着により形成した後、厚さ0.2μmの金電極を蒸着により形成し、有機圧電膜の両端部を除く部分に30kgf/cmの圧力が均一に加わるようアクリル製の板で挟み込み、有機圧電膜の厚さ方向に電圧が印加されるように、有機圧電膜の一方の電極層をグランドに、他方をファンクションジェネレータ(20MHz Function/Arbitary Waveform Generator 33220A;Agilent Technology(株)製)とパワーアンプ(AC/DC AMPLIFIER HVA4321;nF社製)に接続し、0.1HzのSin波印加条件下、20秒おきに100Vずつ昇圧し、最大100MV/mの電場を印加し、ポーリング処理を施した。その後、電極に3−メルカプトプロピルトリメトキシシランの1%(メタノール−pH4酢酸ナトリウム水溶液)混合溶液中に5分浸漬し、乾燥後水洗し、再度乾燥させ、表面処理を行った。 And after forming a chromium electrode with a thickness of 0.1 μm on the surface of the P (VDF-TrFE) (film thickness: 40 ± 1 μm) by vapor deposition, a gold electrode with a thickness of 0.2 μm is formed by vapor deposition, The organic piezoelectric film is sandwiched between acrylic plates so that a pressure of 30 kgf / cm 2 is uniformly applied to the portion excluding both ends, and one of the organic piezoelectric films is applied so that a voltage is applied in the thickness direction of the organic piezoelectric film. The electrode layer is connected to the ground, and the other is connected to a function generator (20 MHz Function / Arbitary Waveform Generator 33220A; manufactured by Agilent Technology) and a power amplifier (AC / DC AMPLIFIER HVA4321; manufactured by nF). Under applied conditions, the voltage is increased by 100V every 20 seconds, and the maximum is 100 An electric field of MV / m was applied to perform a polling process. Then, the electrode was immersed in a mixed solution of 1% of 3-mercaptopropyltrimethoxysilane (methanol-pH 4 sodium acetate aqueous solution) for 5 minutes, dried, washed with water, dried again, and surface-treated.

その有機圧電膜を3層または6層積層し、電極を含めて0.12mmの厚さで、表裏の電極のオーバーラップ部分(電圧印加範囲)を3.3mmとした。その積層の際、該有機圧電膜の分極方向を、3層では前述の図16の同方行、同方行、逆方行、6層では前述の図8の同方行、同方行、逆方行、逆方行、…とした。なお比較例として、3層で、前述の図18で示す同方行、逆方行、同方行のものや、無機材料のPZTを使用したものを作成した。積層時に用いた接着剤は、エポキシ系接着剤であり、30kgf/cmの圧力で厚み方向に均一に加圧した。積層後、ダイシングにより7.5mm×50mmのサイズに切り出し、側面電極を形成し、積層圧電体1〜4および積層圧電体5,6を作成した。 Three or six layers of the organic piezoelectric film were laminated, the thickness including the electrodes was 0.12 mm, and the overlap portion (voltage application range) of the front and back electrodes was 3.3 mm. At the time of the lamination, the polarization direction of the organic piezoelectric film is set to the same direction, the same direction, and the reverse direction of FIG. 16 for the three layers, and the same direction, the same direction, and the reverse direction of FIG. Reverse direction ... As a comparative example, three layers having the same direction, reverse direction, and same direction shown in FIG. 18 as described above and those using inorganic material PZT were prepared. The adhesive used at the time of lamination was an epoxy adhesive, and was uniformly pressed in the thickness direction at a pressure of 30 kgf / cm 2 . After the lamination, the substrate was cut into a size of 7.5 mm × 50 mm by dicing, side electrodes were formed, and laminated piezoelectric bodies 1 to 4 and laminated piezoelectric bodies 5 and 6 were produced.

以下に、これらの積層圧電体1〜6の評価方法について説明する。先ず、有機圧電体自体の評価を行った。それには、その積層圧電体1〜6の側面に、電極がパターンニングされたFPC、背面に3.0mm厚のバッキング層を順に接着し、超音波射出側に音響整合層(ML層)を接着した(積層圧電体1,2,5,6)。その後、長手方向に0.15mmピッチで30μmの厚みを有するブレードでダイシングを行った。さらに、パリレン処理にて3μm程度の絶縁層を設け、音響整合層を積層したものについては、さらにその上にレンズを接着した。その後、FPCにコネクタを接続し、こうして作成した超音波トランスデューサをケースに収め、送受兼用の超音波探触子1〜6を作成した。   Below, the evaluation method of these laminated piezoelectric materials 1-6 is demonstrated. First, the organic piezoelectric material itself was evaluated. For this purpose, an FPC with electrodes patterned on the side surfaces of the laminated piezoelectric bodies 1 to 6 and a 3.0 mm-thick backing layer are sequentially adhered to the back surface, and an acoustic matching layer (ML layer) is adhered to the ultrasonic emission side. (Laminated piezoelectric bodies 1, 2, 5, 6). Thereafter, dicing was performed with a blade having a thickness of 30 μm at a pitch of 0.15 mm in the longitudinal direction. Furthermore, about the thing which provided the insulating layer of about 3 micrometers by the parylene process, and laminated | stacked the acoustic matching layer, the lens was adhere | attached on it further. Thereafter, a connector was connected to the FPC, and the ultrasonic transducer thus created was housed in a case to produce ultrasonic probes 1 to 6 for both transmission and reception.

その超音波探触子1〜6に、パルサーレシーバー(PANAMETRICS−NDT MODEL 5900PR、オリンパス社製、入力インピーダンス5000Ω)とオシロスコープ(TPS5032、Tektronix社製)を接続し、脱気した水の中に入れ、超音波放射面側に金属製の反射板を配置した。この超音波探触子1〜6の駆動は、符号化なしのパルス駆動の場合と、前記特開2003−225237号公報に記載の符号化パルスを用いる場合との2通り行った。受信した超音波は、電気信号に変換され、オシロスコープでその電圧波形を確認した。超音波探触子と反射板とのアライメントは、電圧波形の実効値が最大となる座標で決定した。アライメントの後、超音波の送受信を行い、図27が符号化なしの場合の受信波形であり、図28が符号化ありの場合の受信波形である。こうして得られたパルスについて、符号化パルスを用いたものはパルス圧縮を行い、符号化パルスを用いなかったものはそのままのFFT解析をかけた帯域特性から、基本波における感度を求めた。その結果を表1に示す。   A pulsar receiver (PANAMETRICS-NDT MODEL 5900PR, manufactured by Olympus, input impedance 5000Ω) and an oscilloscope (TPS5032, manufactured by Tektronix) were connected to the ultrasonic probes 1 to 6 and placed in deaerated water. A metal reflector was disposed on the ultrasonic radiation surface side. The ultrasonic probes 1 to 6 are driven in two ways: a case of pulse driving without encoding and a case of using the encoded pulse described in JP-A-2003-225237. The received ultrasonic wave was converted into an electric signal, and the voltage waveform was confirmed with an oscilloscope. The alignment between the ultrasonic probe and the reflector was determined by the coordinates at which the effective value of the voltage waveform was the maximum. After the alignment, ultrasonic waves are transmitted and received. FIG. 27 shows a received waveform without encoding, and FIG. 28 shows a received waveform with encoded. Of the pulses obtained in this way, those using coded pulses were subjected to pulse compression, and those not using coded pulses were subjected to FFT analysis as they were, and the sensitivity at the fundamental wave was obtained. The results are shown in Table 1.

Figure 0005560855
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本結果より、本発明に基づいた規則性を有する積層方法により作成した積層圧電体1〜4を搭載した超音波探触子1〜4を用いれば、生体内で反射した高周波を感度良く受信することが可能であり、高解像・高分解能を有する診断画像が得られることが理解される。   From this result, if the ultrasonic probes 1 to 4 mounted with the laminated piezoelectric bodies 1 to 4 created by the regular laminating method based on the present invention are used, the high frequency reflected in the living body is received with high sensitivity. It is understood that a diagnostic image having high resolution and high resolution can be obtained.

次に、これらの上述の積層圧電体1〜6を無機圧電体の上に搭載して、送受別体として評価を行った。すなわち、図24の構造であり、無機の送信用圧電層23から上層の受信用圧電層への音の通りを良くするため、中間層(IL(Intermediate Layer))24が存在する。すなわち、前述の積層圧電体1〜6の側面に、電極がパターンニングされたFPCを、背面側に、中心周波数5MHzのPZT層およびバッキング層を順に接着し、必要に応じて超音波射出側に音響整合層を接着した。その後、長手方向に0.15mmピッチで30μmの厚みを有するブレードでダイシングを行った。さらに、パリレン処理にて3μm程度の絶縁層を設け、前記音響整合層を積層したものについては、さらにその上にレンズを接着した。その後、FPCにコネクタを接続し、こうして作成した超音波トランスデューサをケースに収め、送受別体の超音波探触子1〜6を作成した。   Next, these laminated piezoelectric bodies 1 to 6 were mounted on an inorganic piezoelectric body and evaluated as a separate body for transmission and reception. That is, in the structure of FIG. 24, an intermediate layer (IL (Intermediate Layer)) 24 is present to improve the sound passage from the inorganic transmitting piezoelectric layer 23 to the upper receiving piezoelectric layer. That is, an FPC with electrodes patterned on the side surfaces of the laminated piezoelectric bodies 1 to 6 described above, a PZT layer with a center frequency of 5 MHz and a backing layer are sequentially bonded to the back side, and on the ultrasonic emission side as necessary. The acoustic matching layer was glued. Thereafter, dicing was performed with a blade having a thickness of 30 μm at a pitch of 0.15 mm in the longitudinal direction. Furthermore, about the thing which provided the insulating layer about 3 micrometers by parylene process and laminated | stacked the said acoustic matching layer, the lens was adhere | attached on it further. Thereafter, a connector was connected to the FPC, and the ultrasonic transducer thus created was placed in a case, and ultrasonic probes 1 to 6 as separate transmission and reception bodies were produced.

その超音波探触子1〜6に、前述のパルサーレシーバーおよびオシロスコープを接続し、実験方法は上述と同様である。得られたパルスについて、符号化パルスを用いたものはパルス圧縮を行い、符号化パルスを用いなかったものはそのままのFFT解析をかけた帯域特性から、3次高調波帯域における感度を求めた。その結果を表2に示す。   The above-described pulsar receiver and oscilloscope are connected to the ultrasonic probes 1 to 6, and the experiment method is the same as described above. Of the obtained pulses, those using encoded pulses were subjected to pulse compression, and those not using encoded pulses were subjected to FFT analysis as they were, and the sensitivity in the third harmonic band was obtained. The results are shown in Table 2.

Figure 0005560855
Figure 0005560855

本結果より、本発明に基づいた規則性を有する積層方法により作成した積層圧電体1〜4を搭載した超音波探触子1〜4を用いれば、生体内で生じた3次高調波を感度良く受信することが可能であり、高解像・高分解能を有する診断画像が得られることが理解される。   From this result, if the ultrasonic probes 1 to 4 equipped with the laminated piezoelectric bodies 1 to 4 created by the regular laminating method based on the present invention are used, the third harmonic generated in the living body is sensitive. It is understood that a diagnostic image having a high resolution and a high resolution can be obtained.

1 超音波診断装置
2 超音波探触子
3 ケーブル
4 診断装置本体
5 操作パネル
6 表示パネル
7 ホルダ7が設けられている。
11 操作入力部
12 送信部
13 受信部
14 信号処理部
15 画像処理部
16 表示部
17 制御部
18 電圧制御部
19 参照信号記憶部
20,21,31 超音波トランスデューサ
22,32 バッキッング層
23;33,34 送信用圧電層
24 中間層
25,35 受信用圧電層
33a,34a,35a 音響整合層
33b,34b,35b 音響レンズ
33c,34c,35c 介在部材
A1〜A3 圧電体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ultrasonic diagnostic apparatus 2 Ultrasonic probe 3 Cable 4 Diagnostic apparatus main body 5 Operation panel 6 Display panel 7 Holder 7 is provided.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Operation input part 12 Transmission part 13 Reception part 14 Signal processing part 15 Image processing part 16 Display part 17 Control part 18 Voltage control part 19 Reference signal memory | storage part 20, 21, 31 Ultrasonic transducer 22, 32 Bucking layer 23; 33, 34 Piezoelectric layer for transmission 24 Intermediate layers 25 and 35 Piezoelectric layers for reception 33a, 34a and 35a Acoustic matching layers 33b, 34b and 35b Acoustic lenses 33c, 34c and 35c Intervening members A1 to A3 Piezoelectric body

Claims (10)

被検体内に超音波を送信し、前記被検体から来た超音波を受信するための超音波トランスデューサであって、
記超音波トランスデューサは、
相互に厚みの等しい複数の圧電体を積層して成り、該圧電体の厚み伸縮によって生じる3λ/4共振モードで共振を行う積層型圧電体を備え
前記圧電体は、3層積層されて、その層間および両端の圧電体の表面に電極を有し、
互いに隣り合う圧電体における離反側の電極を連結することで、前記各圧電体を相互に並列接続する2組の連絡配線を備え、
前記各圧電体は、圧電正効果による電気変位または電場の符号と関係する残留分極の向きあるいは結晶軸を、固定端側の第1段目の圧電体の軸を基準として、それに接する第2段目の圧電体では同方向、さらにその上の第3段目の圧電体では逆方向となるように配列されていることを特徴とする超音波トランスデューサ
Transmits ultrasound into the subject, wherein an ultrasonic transducer for receiving ultrasonic waves coming from the object,
Before Symbol ultrasound transducer,
A laminate type piezoelectric body that is formed by laminating a plurality of piezoelectric bodies having the same thickness and that resonates in the 3λ / 4 resonance mode generated by the thickness expansion and contraction of the piezoelectric body,
The piezoelectric body is laminated in three layers, and has electrodes on the surface of the piezoelectric body between the layers and at both ends,
By connecting the electrodes on the separation side of the piezoelectric bodies adjacent to each other, it has two sets of connecting wirings that connect the piezoelectric bodies in parallel with each other,
Each piezoelectric body has a second stage in contact with the direction of remanent polarization or crystal axis related to the electric displacement due to the positive piezoelectric effect or the sign of the electric field with respect to the axis of the first stage piezoelectric body on the fixed end side. eyes in the same direction in the piezoelectric body, further ultrasonic transducer in the third stage of the piezoelectric material thereon, wherein the benzalkonium been arranged such that opposite direction.
被検体内に超音波を送信し、前記被検体から来た超音波を受信するための超音波トランスデューサであって、
記超音波トランスデューサは、
相互に厚みの等しい圧電体を2層積層して成り、該圧電体の厚み伸縮によって生じる3λ/4共振モードで共振を行う積層型圧電体を備え
前記各圧電体は、その層間および各外表面に電極を有し、前記外表面の電極を連結することで、前記各圧電体を相互に並列接続する連絡配線を備え、
前記両圧電体は、圧電正効果による電気変位または電場の符号と関係する残留分極の向きあるいは結晶軸を、互いに同方向となるように配列されていることを特徴とする超音波トランスデューサ
Transmits ultrasound into the subject, wherein an ultrasonic transducer for receiving ultrasonic waves coming from the object,
Before Symbol ultrasound transducer,
A laminate type piezoelectric body that is formed by laminating two layers of piezoelectric bodies having the same thickness and that resonates in a 3λ / 4 resonance mode generated by the expansion and contraction of the thickness of the piezoelectric body,
Each piezoelectric body has electrodes on its interlayer and on each outer surface, and is provided with a connection wiring for connecting each piezoelectric body in parallel by connecting the electrodes on the outer surface,
The two piezoelectric body, the ultrasonic transducer, wherein the benzalkonium orientation or crystal axis of the residual polarization associated with electric displacement or electric field symbols by piezoelectric positive effect, are arranged such that the same direction.
被検体内に超音波を送信し、前記被検体から来た超音波を受信するための超音波トランスデューサであって、
記超音波トランスデューサは、
相互に厚みの等しい複数の圧電体を4層以上積層して成り、該圧電体の厚み伸縮により所望共振モードで共振を行う積層型圧電体を備え
前記各圧電体は、その層間および両端の圧電体の表面に電極を有し、
互いに隣り合う圧電体における離反側の電極を連結することで、前記複数の圧電体を相互に並列接続する2組の連絡配線を備え、
前記各圧電体は、圧電正効果による電気変位または電場の符号と関係する残留分極の向きあるいは結晶軸を、固定端側の第1段目の圧電体の軸を基準として、それに接する第2段目の圧電体では同方向、さらにその上の第3および第4段目の圧電体では逆方向となる周期性を持つように1または複数組が配列されていることを特徴とする超音波トランスデューサ
Transmits ultrasound into the subject, wherein an ultrasonic transducer for receiving ultrasonic waves coming from the object,
Before Symbol ultrasound transducer,
A laminate type piezoelectric body that is formed by laminating four or more layers of piezoelectric bodies having the same thickness, and that resonates in a desired resonance mode by expanding and contracting the thickness of the piezoelectric body,
Each piezoelectric body has electrodes on the surface of the piezoelectric body between the layers and at both ends,
By connecting the electrodes on the separation side in the piezoelectric bodies adjacent to each other, two sets of connecting wirings that connect the plurality of piezoelectric bodies in parallel with each other are provided,
Each piezoelectric body has a second stage in contact with the direction of remanent polarization or crystal axis related to the electric displacement due to the positive piezoelectric effect or the sign of the electric field with respect to the axis of the first stage piezoelectric body on the fixed end side. ultrasonic in the eyes of the piezoelectric body, wherein the same direction, are further third and one or more sets are arranged to have a periodicity which is a reverse direction in the fourth stage of the piezoelectric body thereon Turkey Transducer .
前記超音波トランスデューサにおいて、前記積層型圧電体は、超音波の送受信に共用され、該超音波トランスデューサは、3λ/4共振モードによる超音波を送信することを特徴とする請求項1または2記載の超音波トランスデューサ3. The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the multilayered piezoelectric body is commonly used for transmission / reception of ultrasonic waves, and the ultrasonic transducer transmits ultrasonic waves in a 3λ / 4 resonance mode. Ultrasonic transducer . 前記超音波トランスデューサにおいて、前記積層型圧電体は、第1の圧電体として超音波の受信に用いられ、該超音波トランスデューサは、λ/4共振モードによる基本波成分の超音波を送信する第2の圧電体をさらに備え、背後層側から、前記第2の圧電体および第1の圧電体の順で積層されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の超音波トランスデューサIn the ultrasonic transducer, the stacked piezoelectric body is used as a first piezoelectric body for receiving ultrasonic waves, and the ultrasonic transducer transmits a second ultrasonic wave having a fundamental wave component in a λ / 4 resonance mode. The superconductor according to any one of claims 1 to 3, further comprising: a piezoelectric body, wherein the second piezoelectric body and the first piezoelectric body are laminated in this order from the back layer side. Sonic transducer . 前記超音波トランスデューサにおいて、前記積層型圧電体は、第1の圧電体として超音波の受信に用いられ、該超音波トランスデューサは、λ/4共振モードによる基本波成分の超音波を送信する2つの第2の圧電体をさらに備え、前記第1の圧電体の両側に、前記第2の圧電体が並設されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の超音波トランスデューサIn the ultrasonic transducer, the stacked piezoelectric body is used as a first piezoelectric body for receiving ultrasonic waves, and the ultrasonic transducer transmits two ultrasonic waves having a fundamental wave component in a λ / 4 resonance mode. The superconductor according to any one of claims 1 to 3, further comprising a second piezoelectric body, wherein the second piezoelectric body is arranged on both sides of the first piezoelectric body. Sonic transducer . 前記第1の圧電体は、有機高分子を主成分とする材料から成ることを特徴とする請求項5または6記載の超音波トランスデューサThe ultrasonic transducer according to claim 5 or 6, wherein the first piezoelectric body is made of a material mainly composed of an organic polymer. 前記第2の圧電体は無機材料から成り、前記第1の圧電体は有機高分子を主成分とする材料から成り、前記第1の圧電体と被検体との間に音響整合を目的とした部材を介在しないことを特徴とする請求項5記載の超音波トランスデューサThe second piezoelectric body is made of an inorganic material, the first piezoelectric body is made of a material mainly composed of an organic polymer, and is intended for acoustic matching between the first piezoelectric body and a subject. 6. The ultrasonic transducer according to claim 5, wherein no member is interposed. 請求項1〜8のいずれか1項に記載の超音波トランスデューサと
前記超音波トランスデューサに送信用の超音波信号を与える送信部と
前記超音波トランスデューサで受信された受信信号に所定の信号処理を施す受信部と
前記受信部からの受信信号に基づいて、前記被検体の内部状態を断層画像として画像化する画像処理部とを備えること
を特徴とする超音波診断装置
The ultrasonic transducer according to any one of claims 1 to 8 ,
A transmission unit for providing an ultrasonic signal for transmission to the ultrasonic transducer ;
A receiving unit that performs predetermined signal processing on the received signal received by the ultrasonic transducer ;
An image processing unit that images the internal state of the subject as a tomographic image based on a received signal from the receiving unit.
An ultrasonic diagnostic apparatus characterized by the above .
前記送信部は、送信信号を符号化されたパルス電圧として前記積層型圧電体に与え、前記受信部は、前記積層型圧電体で受信した信号をパルス圧縮処理を行い、前記画像処理部に画像化させることを特徴とする請求項9記載の超音波診断装置。
The transmission unit applies a transmission signal as an encoded pulse voltage to the multilayer piezoelectric body, and the reception unit performs pulse compression processing on the signal received by the multilayer piezoelectric body, and outputs an image to the image processing unit. the ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 9 Symbol mounting, characterized in that to reduction.
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