JP5776542B2 - Ultrasonic probe and ultrasonic inspection device - Google Patents

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Description

本発明は、MUT(Micromachining Ultrasound Transducer)素子を用いる超音波プローブおよび、それを用いた超音波検査装置に関する。特に、生体の体内観察を3次元的に行うための超音波プローブの広帯域化、高感度化に関する。   The present invention relates to an ultrasonic probe using a MUT (Micromachining Ultrasonic Transducer) element and an ultrasonic inspection apparatus using the same. In particular, the present invention relates to a wide band and high sensitivity of an ultrasonic probe for three-dimensional observation of a living body.

超音波検査装置は、超音波プローブから超音波ビームを被検体に送出し、被検体内部で反射した超音波信号(以後、超音波エコー)を超音波プローブで受信して、被検体内部の情報を得る装置である。この超音波検査装置では、超音波プローブから送信される超音波の周波数が高い程分解能が高くなるが、生体の体内観察を行う場合、超音波の到達深度は、超音波の周波数が高い程浅く、低い程深くなる。そのため、深部から浅部まで高分解能な画像を得るために、広帯域の超音波を送受信可能な超音波プローブが望まれている。   The ultrasonic inspection apparatus transmits an ultrasonic beam from the ultrasonic probe to the subject, receives an ultrasonic signal reflected from the inside of the subject (hereinafter referred to as an ultrasonic echo), and receives information on the inside of the subject. It is a device to obtain. In this ultrasonic inspection apparatus, the higher the frequency of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic probe, the higher the resolution. However, when performing in-vivo observation of a living body, the depth of arrival of the ultrasonic wave is shallower as the frequency of the ultrasonic wave is higher. The lower, the deeper. Therefore, in order to obtain a high-resolution image from a deep part to a shallow part, an ultrasonic probe capable of transmitting and receiving broadband ultrasonic waves is desired.

超音波プローブは、従来、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)に代表される圧電セラミックからなる圧電振動子を多数配列して構成される。この構成において、送受信される超音波の帯域を広げる方法として、スライス方向に共振周波数の異なる振動子を配列する構成(例えば、特許文献1)、あるいは、アレイ方向に共振周波数の異なる振動子を配列する構成(例えば、特許文献2)などが提案されている。   Conventionally, an ultrasonic probe is configured by arranging a large number of piezoelectric vibrators made of a piezoelectric ceramic represented by PZT (lead zirconate titanate). In this configuration, as a method of expanding the band of ultrasonic waves to be transmitted and received, a configuration in which transducers having different resonance frequencies are arranged in the slice direction (for example, Patent Document 1), or a transducer having different resonance frequencies in the array direction is arranged. The structure (for example, patent document 2) etc. which do is proposed.

しかしながら、このような方法は、振動子が1列に配列された1次元プローブでは実現できるものの、近年、要望の高まっている2次元アレイプローブでは実現が困難である。従来の1次元プローブの構造をそのまま2次元化するには、微細加工、配線、電気的インピーダンスの点で課題があり、そこに、スライス方向に分布を持つ振動子や、厚みの異なる振動子を加えると、難易度がさらに上がり現実的ではない。   However, such a method can be realized with a one-dimensional probe in which transducers are arranged in a row, but it is difficult to realize with a two-dimensional array probe that has been increasingly demanded in recent years. In order to make a conventional one-dimensional probe structure two-dimensional as it is, there are problems in terms of microfabrication, wiring, and electrical impedance. There are vibrators with distributions in the slice direction and vibrators with different thicknesses. In addition, the difficulty level increases and is not realistic.

このような2次元アレイプローブに適した構成として、近年、pMUT(Piezoelectric Micromachining Ultrasound Transducer:圧電型トランスデューサ)素子、および、cMUT(Capacitive Micromachining Ultrasound Transducer:静電容量型トランスデューサ)素子が注目されている。これらのトランスデューサは半導体製造技術を用いて形成されており、アレイ数増加の可能性や回路との集積化の容易性などが長所となっている。一方、このようなトランスデューサは、超音波プローブとして用いる場合、共振周波数の高さ、送受信される周波数帯域の広さ、送信出力および受信感度の大きさ、等を同時に満たすことが難しいという課題を有している。   As a configuration suitable for such a two-dimensional array probe, a pMUT (Piezoelectric Microtransducing Ultratransducer) element and a cMUT (Capacitive Microtransducing Ultracapacitor Ultratransducer element) have recently been used. These transducers are formed by using a semiconductor manufacturing technique, and have advantages such as the possibility of increasing the number of arrays and the ease of integration with circuits. On the other hand, when such a transducer is used as an ultrasonic probe, it has a problem that it is difficult to satisfy simultaneously the high resonance frequency, the wide frequency band to be transmitted / received, the size of transmission output and reception sensitivity, etc. doing.

この対策として、pMUTでは、圧電層を構造化することで感度を向上させる構成が提案されている(例えば、特許文献4)。また、cMUTでは、メンブレン表面に凹部を設け、メンブレンの密度を下げることにより、共振周波数の保持と感度向上の両立を狙った構成が提案されている(例えば、特許文献4)。   As a countermeasure against this, pMUT has been proposed to improve sensitivity by structuring a piezoelectric layer (for example, Patent Document 4). Moreover, in cMUT, the structure which aimed at coexistence of a resonance frequency maintenance and a sensitivity improvement by providing a recessed part in the membrane surface and reducing the density of a membrane is proposed (for example, patent document 4).

特開平6−121390号公報JP-A-6-121390 特開2005−277988号公報JP 2005-277788 A 特開2011−15423号公報JP 2011-15423 A 特開2009−182838号公報JP 2009-182838 A

前記したように、特許文献1、2に記載された従来のバルク型構成の振動子は、微細加工、配線、電気的インピーダンス等の課題があり、2次元アレイプローブに適していない。   As described above, the conventional bulk type vibrators described in Patent Documents 1 and 2 have problems such as fine processing, wiring, and electrical impedance, and are not suitable for a two-dimensional array probe.

また、特許文献3に記載したcMUTは、受信感度の向上と広帯域特性を実現できるものの、送信素子としてみたときには、出力される超音波の音圧は従来のバルク型構成と比較して大きく劣る。   Further, although the cMUT described in Patent Document 3 can realize an improvement in reception sensitivity and wideband characteristics, when viewed as a transmission element, the sound pressure of the output ultrasonic wave is greatly inferior as compared with a conventional bulk type configuration.

また、特許文献4に記載したpMUT素子は、cMUTより大きな送信出力が期待できるものの、広帯域特性との両立に関しては全く言及されていない。   Moreover, although the pMUT element described in Patent Document 4 can be expected to have a larger transmission output than the cMUT, no mention is made regarding compatibility with wideband characteristics.

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、MUT素子、特に、pMUTの送信出力、および、受信感度を向上させるとともに、それぞれ広帯域の特性を両立した2次元アレイプローブを提供する。この超音波プローブを用いることにより、広範囲で明瞭な超音波画像が得られる超音波検査装置を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-described conventional problems, and provides a two-dimensional array probe that improves the transmission output and reception sensitivity of a MUT element, particularly a pMUT, and has both wideband characteristics. An object of the present invention is to provide an ultrasonic inspection apparatus capable of obtaining a wide range and clear ultrasonic image by using this ultrasonic probe.

上記目的を達成するために、本発明の超音波プローブは、2次元的に配列された複数の単位振動子を備え、前記単位振動子は、少なくとも、台座部と前記台座部上に形成された振動板と前記振動板の上面に形成された第1の圧電体膜および第2の圧電体膜と前記第1の圧電体膜の上面に形成された第1の電極と前記第2の圧電体膜の上面に形成された第2の電極から成る複数のMUT(Micromachining Ultrasound Transducer)素子を有し、前記第1の電極と前記第2の電極は、電気的に接続されていない構成とする。この構成により、発生する超音波を短パルス化し、送信される超音波を広帯域化することができる。   In order to achieve the above object, an ultrasonic probe of the present invention includes a plurality of unit transducers arranged two-dimensionally, and the unit transducers are formed at least on a pedestal portion and the pedestal portion. A diaphragm, a first piezoelectric film formed on the upper surface of the diaphragm, a second piezoelectric film, a first electrode formed on the upper surface of the first piezoelectric film, and the second piezoelectric body It has a plurality of MUT (Micromachining Ultrasonic Transducer) elements composed of second electrodes formed on the upper surface of the film, and the first electrode and the second electrode are not electrically connected. With this configuration, the generated ultrasonic wave can be shortened and the transmitted ultrasonic wave can be broadened.

また、第2の電極に送信する駆動信号を制御する制御部をさらに備え、制御部は、超音波を前記被検体内に送信した後の時間経過に応じて、印加電圧を制御可能な構成とする。この構成により、受信感度の高い周波数帯を、超音波エコーが返ってくる深さに応じて効果的に設定することができ、見かけ上、広帯域かつ高感度の特性が得られる。   In addition, a control unit that controls a drive signal transmitted to the second electrode is further provided, and the control unit can control the applied voltage in accordance with the passage of time after transmitting the ultrasonic wave into the subject. To do. With this configuration, a frequency band with high reception sensitivity can be effectively set according to the depth at which the ultrasonic echo returns, and apparently wide bandwidth and high sensitivity characteristics can be obtained.

また、本発明の超音波検査装置は、上記超音波プローブと、上記超音波プローブで検出した信号をデジタル変換する受信部と、上記受信部でデジタル変換された信号を用いてビームフォーミング処理を行う信号処理部と、上記信号処理部で得られた3次元データに基づいて3次元画像を生成する画像処理部と、上記3次元画像を表示する表示部を備えた構成とする。この構成により、広範囲で明瞭な超音波画像が得られる。   The ultrasonic inspection apparatus according to the present invention performs beam forming processing using the ultrasonic probe, a receiving unit that digitally converts a signal detected by the ultrasonic probe, and a signal digitally converted by the receiving unit. The signal processing unit includes an image processing unit that generates a three-dimensional image based on the three-dimensional data obtained by the signal processing unit, and a display unit that displays the three-dimensional image. With this configuration, a wide and clear ultrasonic image can be obtained.

本発明の超音波プローブおよび超音波検査装置は、発生する超音波を短パルス化し、帯域の広い送信波を形成することができる。   The ultrasonic probe and ultrasonic inspection apparatus of the present invention can shorten the generated ultrasonic wave to form a transmission wave having a wide band.

さらに、受信時には、時間の経過とともに受信感度の高い周波数帯をシフトさせることにより、超音波エコーの返ってくる深さに応じた設定が行え、見かけ上、広帯域かつ高感度の信号検出が可能となる。   Furthermore, at the time of reception, by shifting the frequency band with high reception sensitivity with the passage of time, it is possible to set according to the depth of return of ultrasonic echo, and apparently wideband and highly sensitive signal detection is possible Become.

したがって、本発明にかかる超音波プローブを用いることにより、浅い部位から深い部位まで広範囲で高画質な超音波検査装置を実現できる。   Therefore, by using the ultrasonic probe according to the present invention, it is possible to realize a high quality ultrasonic inspection apparatus in a wide range from a shallow part to a deep part.

本発明の実施の形態1にかかる超音波検査装置の概略構成を示すブロック図1 is a block diagram showing a schematic configuration of an ultrasonic inspection apparatus according to a first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1にかかる超音波プローブの全体構成を示す構成図1 is a configuration diagram showing the overall configuration of an ultrasonic probe according to a first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1にかかる振動子ユニットの構造を示した説明図で、(a)は上面図、(b)はAA断面における側面図BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is explanatory drawing which showed the structure of the vibrator | oscillator unit concerning Embodiment 1 of this invention, (a) is a top view, (b) is a side view in AA cross section. 本発明の実施の形態1にかかるpMUT素子31の断面図で、(a)は電圧印加時の圧電体膜35に作用する圧力を示した説明図、(b)は振動板36に作用するモーメントおよび、それに伴う変形を示した説明図2A and 2B are cross-sectional views of the pMUT element 31 according to the first embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is an explanatory diagram showing pressure acting on the piezoelectric film 35 when a voltage is applied, and FIG. And an explanatory diagram showing the accompanying deformation 本発明の実施の形態1にかかる単位振動子の別の構造を示した上面図FIG. 6 is a top view showing another structure of the unit resonator according to the first embodiment of the invention. 本発明の実施の形態1にかかる単位振動子のさらに別の構造を示した上面図FIG. 6 is a top view showing still another structure of the unit resonator according to the first embodiment of the invention.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same reference number is attached | subjected to the same component and description is abbreviate | omitted.

(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1にかかる超音波検査装置10の概略構成を示すブロック図である。超音波検査装置10は、超音波を被検体11に送信するとともに、被検体11の内部で反射した超音波信号を受信する超音波プローブ12と、超音波を送信するための駆動信号を発生して超音波プローブ12のメイン電極に供給するとともに、超音波プローブ12のメイン電極で検出した信号を増幅およびデジタル変換して出力する送受信部13と、送受信部13から出力された信号を用いてデジタルビームフォーミングを行う信号処理部14と、信号処理部14で生成された3次元データに基づいて、3次元画像のレンダリング処理等を施す画像処理部15と、処理を施された画像データに基づいて画像を表示する画像表示部16と、超音波を送信および受信する際に、超音波プローブ12のサブ電極に送信する駆動信号を発生して超音波プローブ12に供給するサブ送信部18と、所定のタイミングで駆動信号を発生するように送受信部13およびサブ送信部18を制御する制御部17を有している。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of an ultrasonic inspection apparatus 10 according to the first embodiment of the present invention. The ultrasonic inspection apparatus 10 transmits an ultrasonic wave to the subject 11, generates an ultrasonic probe 12 that receives an ultrasonic signal reflected inside the subject 11, and a drive signal for transmitting the ultrasonic wave. The signal is supplied to the main electrode of the ultrasonic probe 12, and the signal detected by the main electrode of the ultrasonic probe 12 is amplified and digitally converted and output, and the signal output from the transmitter / receiver 13 is digitally used. A signal processing unit 14 that performs beam forming, an image processing unit 15 that performs a rendering process of a three-dimensional image based on the three-dimensional data generated by the signal processing unit 14, and a processing that is based on the processed image data. An image display unit 16 that displays an image, and generates a drive signal to be transmitted to the sub-electrode of the ultrasonic probe 12 when transmitting and receiving the ultrasonic wave. A sub transmission portion 18 to be supplied to the lobe 12, and a control unit 17 for controlling the transmission and reception unit 13 and the sub-transmission unit 18 to generate a driving signal at a predetermined timing.

また、送受信部13、サブ送信部18、信号処理部14、画像処理部15、画像表示部16、制御部17は、検査装置本体19に格納されており、超音波プローブ12との間は、複数の信号線のケーブルをひとまとめにして被覆したプローブケーブルで接続されている。   Further, the transmission / reception unit 13, the sub-transmission unit 18, the signal processing unit 14, the image processing unit 15, the image display unit 16, and the control unit 17 are stored in the inspection apparatus main body 19. A plurality of signal line cables are connected together by a probe cable covering them.

図2は、本発明の実施の形態1にかかる超音波プローブ12の全体構成を示す構成図である。図2に示すように超音波プローブ12は、プローブケース21の内部に超音波を送受波する振動子ユニット22と、振動子ユニット22内の単位振動子のメイン電極およびサブ電極に対して独立に電気信号を入出力するための複数の信号線がプリントされたプリント基板24とを備えている。また、超音波プローブ12は、プローブケーブル25を介して検査装置本体19に接続されている。   FIG. 2 is a configuration diagram showing the overall configuration of the ultrasonic probe 12 according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the ultrasonic probe 12 is independent of the transducer unit 22 that transmits and receives ultrasonic waves into the probe case 21 and the main electrode and the sub electrode of the unit transducer in the transducer unit 22. And a printed circuit board 24 on which a plurality of signal lines for inputting and outputting electrical signals are printed. Further, the ultrasonic probe 12 is connected to the inspection apparatus main body 19 via a probe cable 25.

ここで、振動子ユニット22は、複数のpMUT素子からなる単位振動子を2次元的に配列した振動子アレイで構成され、各単位振動子には、グランド接地された共通電極の他に、メイン電極とサブ電極の2種類の電極を有している。このメイン電極にパルス状の電圧を印加することにより、超音波パルスが発生するように構成され、送受信部13からメイン電極に遅延処理を施された駆動電圧を供給することにより、発生した超音波をフォーカスおよび偏向することができる。この構成により、超音波プローブ12は3次元方向に超音波を送信してセクタ走査が行えるように構成されている。   Here, the vibrator unit 22 includes a vibrator array in which unit vibrators composed of a plurality of pMUT elements are two-dimensionally arranged, and each unit vibrator has a main electrode in addition to a grounded common electrode. There are two types of electrodes, an electrode and a sub-electrode. An ultrasonic pulse is generated by applying a pulsed voltage to the main electrode, and an ultrasonic wave generated by supplying a drive voltage subjected to delay processing to the main electrode from the transceiver 13. Can be focused and deflected. With this configuration, the ultrasonic probe 12 is configured to perform sector scanning by transmitting ultrasonic waves in a three-dimensional direction.

また、超音波の送信時、および受信時に、サブ電極に対して後で説明する所定の信号を送信することにより、広帯域の超音波を送受信できるように構成されている。   In addition, when transmitting and receiving ultrasonic waves, a predetermined signal, which will be described later, is transmitted to the sub-electrode so that broadband ultrasonic waves can be transmitted and received.

図3は、本発明の実施の形態1にかかる振動子ユニット22の構造を示した説明図で、(a)は上面図、(b)はAA断面における側面図である。   3A and 3B are explanatory views showing the structure of the vibrator unit 22 according to the first embodiment of the present invention, in which FIG. 3A is a top view and FIG. 3B is a side view in the AA section.

図3(a)(b)に示すように振動子ユニット22は、例えばpMUT素子31を4つ含む単位振動子32を2次元に配列して構成されている。また各pMUT素子は、白金(Pt)、金(Au)、アルミニウム(Al)等の金属薄膜から成るメイン電極33、およびサブ電極34、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)に代表される圧電セラミック等からなる圧電体膜35aおよび35b、銅(Cu)、クロム(Cr)等の金属膜からなり、共通電極を兼ねた振動板36、剛性を有する素材で構成された台座37で構成されている。   As shown in FIGS. 3A and 3B, the vibrator unit 22 is configured by, for example, two-dimensionally arranging unit vibrators 32 including four pMUT elements 31. Each pMUT element includes a main electrode 33 made of a metal thin film such as platinum (Pt), gold (Au), and aluminum (Al), a sub electrode 34, a piezoelectric ceramic represented by PZT (lead zirconate titanate), and the like. The piezoelectric films 35a and 35b are made of a metal film such as copper (Cu), chromium (Cr), and the like. The diaphragm 36 also serves as a common electrode, and a pedestal 37 made of a rigid material.

またpMUT素子31のメイン電極33およびサブ電極34は、それぞれ単位振動子ごとに連結され、引き出し部33aおよび引き出し部34aから個別に図2に示したプリント基板24に接続される。また、共通電極を兼ねた振動板36の引き出し部はプリント基板24のグランド線に接続される。この構成により、単位振動子32のメイン電極およびサブ電極ごとに独立して電圧を印加することができ、対応する圧電体膜35aおよび35bを駆動することができる。   Further, the main electrode 33 and the sub electrode 34 of the pMUT element 31 are connected to each unit vibrator, and are individually connected to the printed circuit board 24 shown in FIG. 2 from the lead portion 33a and the lead portion 34a. The lead-out portion of the diaphragm 36 that also serves as a common electrode is connected to the ground line of the printed circuit board 24. With this configuration, a voltage can be applied independently for each main electrode and sub electrode of the unit vibrator 32, and the corresponding piezoelectric films 35a and 35b can be driven.

なお、上記したメイン電極33およびサブ電極34、圧電体膜35、振動板36の素材は一例であり、同様の機能を有する素材であれば、いかなる素材を用いてもよい。   Note that the materials of the main electrode 33 and the sub electrode 34, the piezoelectric film 35, and the diaphragm 36 described above are examples, and any materials may be used as long as they have the same function.

次に、このように構成された本実施の形態1の超音波検査装置10の動作について図1〜図3、および図4を用いて具体的に説明する。図4は本発明の実施の形態1にかかるpMUT素子31の断面図で、(a)は電圧印加時の圧電体膜35に作用する圧力を示した説明図、(b)は振動板36に作用するモーメントおよび、それに伴う変形を示した説明図である。   Next, the operation of the ultrasonic inspection apparatus 10 according to the first embodiment configured as described above will be specifically described with reference to FIGS. 1 to 3 and FIG. 4. 4A and 4B are cross-sectional views of the pMUT element 31 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 4A is an explanatory diagram showing the pressure acting on the piezoelectric film 35 when a voltage is applied, and FIG. It is explanatory drawing which showed the moment which acts, and the deformation | transformation accompanying it.

図1〜図3において、まず、制御部17が所定のタイミングでパルス信号を発生するように送受信部13を制御し、送受信部13は超音波をフォーカス及び偏向させるための遅延処理を行い、プローブケーブル25内にまとめられた信号線を経由して超音波プローブ12に駆動信号を送信する。このとき、制御部17からの信号により、サブ送信部18からも同様に駆動信号が送信される。送受信部13から送信される遅延処理された駆動信号は、プリント基板24を経由して振動子ユニット22のメイン電極33に送られ、サブ送信部18から送信される駆動信号は同様の経路でサブ電極34に送られる。メイン電極33およびサブ電極34に印加された電圧により圧電体膜35aおよび35bが歪み、各単位振動子から所定の時間差で超音波が発生する。この超音波の位相分布により所定の波面が形成され、被検体11内に超音波ビームが送信される。   1 to 3, first, the control unit 17 controls the transmission / reception unit 13 so that a pulse signal is generated at a predetermined timing. The transmission / reception unit 13 performs a delay process for focusing and deflecting the ultrasonic wave, and the probe. A drive signal is transmitted to the ultrasonic probe 12 via a signal line collected in the cable 25. At this time, a drive signal is similarly transmitted from the sub-transmission unit 18 by a signal from the control unit 17. The delay-processed drive signal transmitted from the transmission / reception unit 13 is sent to the main electrode 33 of the transducer unit 22 via the printed circuit board 24, and the drive signal transmitted from the sub-transmission unit 18 is transmitted through the same path. It is sent to the electrode 34. The piezoelectric films 35a and 35b are distorted by the voltage applied to the main electrode 33 and the sub electrode 34, and an ultrasonic wave is generated from each unit vibrator with a predetermined time difference. A predetermined wavefront is formed by the phase distribution of the ultrasonic waves, and an ultrasonic beam is transmitted into the subject 11.

この超音波を送信する動作を、図4を用いて具体的に説明する。まず、図4(a)において、メイン電極33に駆動信号が送信されると、それに応じて、圧電体膜35aの厚み方向にパルス状の電圧が印加され、圧電体膜35aは、例えば、面内で縮む方向に歪む。このとき、サブ電極34にメイン電極33と逆の電位の電圧を印加し、圧電体膜35bを面内で伸びる方向に歪ませる。圧電体膜35aおよび35bが図4(a)に示した矢印の方向に歪むと、振動板36の圧電体膜35aおよび35bに接する部分に、それぞれ図4(b)の矢印で示すようなモーメントが発生し、振動板36が瞬間的に撓んで超音波を発生する。   The operation of transmitting this ultrasonic wave will be specifically described with reference to FIG. First, in FIG. 4A, when a drive signal is transmitted to the main electrode 33, a pulsed voltage is applied in the thickness direction of the piezoelectric film 35a accordingly. Distorted in the direction of shrinking. At this time, a voltage having a potential opposite to that of the main electrode 33 is applied to the sub electrode 34, and the piezoelectric film 35b is distorted in a direction extending in the plane. When the piezoelectric films 35a and 35b are distorted in the direction of the arrow shown in FIG. 4A, moments as shown by the arrows in FIG. 4B are respectively applied to the portions of the diaphragm 36 that are in contact with the piezoelectric films 35a and 35b. Is generated, and the diaphragm 36 is instantaneously bent to generate ultrasonic waves.

そして、超音波を送信直後にサブ電極34に印加する電圧を制御して圧電体膜35bを駆動し、超音波送信直後の振動板36の振動を抑える。振動板36の振動を効果的に抑えることにより、短パルスの超音波が送信される。   Then, the piezoelectric film 35b is driven by controlling the voltage applied to the sub electrode 34 immediately after transmitting the ultrasonic wave, and the vibration of the diaphragm 36 immediately after transmitting the ultrasonic wave is suppressed. By effectively suppressing vibration of the diaphragm 36, a short pulse of ultrasonic waves is transmitted.

ここで、本実施の形態では、圧電体膜35aと35bを用いて駆動することにより、圧電体膜を中央のみに配置する場合と比べて振動板36の変位を大きくすることができ、送信出力を向上させている。また、超音波送信直後に圧電体膜35bを駆動して振動を抑えることにより、送信波を通常より短パルス化し、帯域の広い信号が送信できるようにしている。   Here, in the present embodiment, by driving using the piezoelectric films 35a and 35b, the displacement of the diaphragm 36 can be increased as compared with the case where the piezoelectric film is disposed only in the center, and the transmission output Has improved. In addition, immediately after ultrasonic transmission, the piezoelectric film 35b is driven to suppress vibrations, whereby the transmission wave is made shorter than usual so that signals with a wide band can be transmitted.

なお、サブ電極34および圧電体膜35bの配置は、台座37と空間38の境界線39を振動板36上に投影した位置に端面が揃うように配置するのが望ましい。この位置は振動板36の振動の節となるため、圧電体膜35bで発生したモーメントを効果的に振動板36に伝えることができる。   The sub-electrode 34 and the piezoelectric film 35b are preferably arranged so that the end faces are aligned with the projected positions of the boundary line 39 between the pedestal 37 and the space 38 on the diaphragm 36. Since this position becomes a vibration node of the diaphragm 36, the moment generated in the piezoelectric film 35b can be effectively transmitted to the diaphragm 36.

また、超音波送信時にサブ電極に送信する信号は、メイン電極に送信される信号の電位を反転させたものを用いることが出来、また、制振のための信号もメイン電極に送信される信号の位相をずらしたものを用いてもよい。このような制御とすると、サブ送信部の構成を簡略化することができる。   In addition, the signal transmitted to the sub-electrode during ultrasonic transmission can use a signal obtained by inverting the potential of the signal transmitted to the main electrode, and the signal for damping is also transmitted to the main electrode. Those with the phase shifted may be used. With such control, the configuration of the sub transmission unit can be simplified.

超音波プローブ12から送信された超音波は、被検体11内部の反射組織で反射され、超音波エコーとなって被検体11の表面に伝搬し、振動子ユニット22を振動させる。   The ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic probe 12 is reflected by the reflective tissue inside the subject 11, propagates to the surface of the subject 11 as an ultrasonic echo, and vibrates the transducer unit 22.

このときサブ送信部18は、超音波を送信後の時間経過に応じた電圧がサブ電極34に印加されるように駆動信号を送信する。サブ電極34により厚み方向に電圧を印加された圧電体膜35は、面内方向に伸縮して振動板36に引張あるいは圧縮応力を与え、振動板36の見かけ上の剛性を時間とともに変化させる。   At this time, the sub transmission unit 18 transmits a drive signal so that a voltage corresponding to the passage of time after transmitting the ultrasonic wave is applied to the sub electrode 34. The piezoelectric film 35 to which a voltage is applied in the thickness direction by the sub electrode 34 expands and contracts in the in-plane direction to give tensile or compressive stress to the vibration plate 36, and changes the apparent rigidity of the vibration plate 36 with time.

超音波エコーによって各pMUT素子の振動板36が振動すると、中央の圧電体膜35aは平面内で引張、圧縮されて歪を生じ、この歪に応じて圧電体膜35aの厚み方向に電圧を発生する。このとき、メイン電極33と振動板36の間の電圧を検出することにより、超音波エコーに応じた振動を検出することができる。   When the diaphragm 36 of each pMUT element is vibrated by ultrasonic echoes, the central piezoelectric film 35a is pulled and compressed in a plane to generate distortion, and a voltage is generated in the thickness direction of the piezoelectric film 35a according to this distortion. To do. At this time, the vibration according to the ultrasonic echo can be detected by detecting the voltage between the main electrode 33 and the diaphragm 36.

ところで、超音波プローブ12から送信される超音波は、周波数が高い程高い分解能が得られるが、その到達深度は、周波数が高い程浅く、低い程深くなる。したがって、超音波を被検体内に送信後、短時間で検出される信号は高い周波数成分を有するが、時間と共に検出される信号の高周波成分は低下する。そこで、超音波送信後の時間経過に応じて、振動子ユニット22の受信感度の周波数特性を高い周波数帯から低い周波数帯にずらしていくと、見かけ上、広い周波数帯域で高い受信感度を実現できる。   By the way, although the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic probe 12 has a higher resolution as the frequency is higher, the depth of arrival is shallower as the frequency is higher and deeper as the frequency is lower. Therefore, a signal detected in a short time after transmitting an ultrasonic wave into the subject has a high frequency component, but a high frequency component of the signal detected with time decreases. Therefore, when the frequency characteristic of the reception sensitivity of the transducer unit 22 is shifted from a high frequency band to a low frequency band as time passes after ultrasonic transmission, high reception sensitivity can be realized in a wide frequency band. .

本実施の形態では、サブ送信部18により、超音波送信後の時間経過に応じてサブ電極34に印加する電圧を制御してpMUT素子31の振動板36に応力を与え、pMUT素子31の共振周波数を時間経過に応じてずらす。これにより、受信感度の中心周波数が時間経過に応じて変わり、浅い部位から深い部位まで広範囲で発生する超音波エコーが感度よく検出される。   In the present embodiment, the sub-transmission unit 18 controls the voltage applied to the sub-electrode 34 in accordance with the passage of time after ultrasonic transmission to apply stress to the diaphragm 36 of the pMUT element 31, thereby resonating the pMUT element 31. Shift the frequency over time. As a result, the center frequency of the reception sensitivity changes with time, and ultrasonic echoes generated in a wide range from a shallow part to a deep part are detected with high sensitivity.

再び図1に戻り、超音波プローブ12で検出された信号は送受信部13に送られ、送受信部13で増幅、およびデジタル変換され、信号処理部14で超音波の送信経路(以後、音線)に沿った領域のビームフォーミング処理が行われる。   Referring back to FIG. 1 again, the signal detected by the ultrasonic probe 12 is sent to the transmission / reception unit 13, amplified and digitally converted by the transmission / reception unit 13, and the ultrasonic transmission path (hereinafter referred to as sound ray) by the signal processing unit 14. The beam forming process is performed on the area along the line.

以上の動作は超音波プローブ12から送信される超音波の音線を被検体内で走査しながら行われ、検査領域全体の情報が演算されて、信号処理部14内の画像メモリに保存される。画像メモリに保存された3次元データは、画像処理部15で3次元画像のレンダリング処理が施され、画像表示部16に画像が表示される。   The above operation is performed while scanning the sound ray of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic probe 12 in the subject, and information on the entire examination region is calculated and stored in the image memory in the signal processing unit 14. . The three-dimensional data stored in the image memory is subjected to a three-dimensional image rendering process by the image processing unit 15, and an image is displayed on the image display unit 16.

以上に説明したように本実施の形態1の超音波検査装置10は、超音波を被検体内に送受信する際に、パルス長を短くすることができる。これにより、広帯域の超音波を送信することができる。また、超音波エコーを受信する際には、時間の経過に応じて、受信感度の周波数特性をずらすことにより、浅い部位から深い部位まで広範囲で発生する超音波エコーを高感度に検出することができる。これにより、広範囲で高画質の3次元画像を取得可能な超音波検査装置が実現できる。   As described above, the ultrasonic inspection apparatus 10 according to the first embodiment can shorten the pulse length when transmitting and receiving ultrasonic waves into the subject. Thereby, a broadband ultrasonic wave can be transmitted. Also, when receiving ultrasonic echoes, it is possible to detect ultrasonic echoes generated in a wide range from shallow parts to deep parts with high sensitivity by shifting the frequency characteristics of reception sensitivity over time. it can. Thereby, it is possible to realize an ultrasonic inspection apparatus capable of acquiring a wide range of high-quality three-dimensional images.

なお、本実施の形態では、受信時にサブ電極に印加する電圧を、時間の経過に応じて制御する手法としたが、送受信する超音波の周波数より十分高い周波数でサブ電極に印加する電圧を変調し、メイン電極で検出される信号の周波数変化でエコー信号の検出を行うように構成してもよい。このように振動型センサとすると、分解能、温度特性に優れ、出力信号が交流で、超音波エコーの音圧に応じてその周波数が変動するのでデジタル信号処理が容易となる。   In this embodiment, the voltage applied to the sub-electrode at the time of reception is controlled according to the passage of time. However, the voltage applied to the sub-electrode is modulated at a frequency sufficiently higher than the frequency of ultrasonic waves to be transmitted and received. The echo signal may be detected by changing the frequency of the signal detected by the main electrode. In this way, the vibration type sensor is excellent in resolution and temperature characteristics, the output signal is alternating current, and the frequency varies according to the sound pressure of the ultrasonic echo, so that digital signal processing becomes easy.

また、本実施の形態では、pMUT素子31の形状を正方形としたが、この形状は長方形、あるいは図5に示すような六角形、あるいは、その他の形状であってもよい。また、1つの単位振動子に含まれるpMUT素子31の数は4つに限らず、それ以上の数でも良い。例えば図6に示すようにpMUT素子31を9つ含むように構成することもできる。   In the present embodiment, the pMUT element 31 has a square shape, but this shape may be a rectangle, a hexagon as shown in FIG. 5, or other shapes. Further, the number of pMUT elements 31 included in one unit vibrator is not limited to four and may be more than that. For example, as shown in FIG. 6, it may be configured to include nine pMUT elements 31.

また、本実施の形態では、検出した信号のAD変換を検査装置本体19内の送受信部13で行うとしたが、超音波プローブ12内の単位振動子32の数が多い場合、アナログ信号のまま検出信号を送信しようとすると、多くの信号線が必要となり、プローブケーブル25が太く硬くなってしまう。この結果、ハンドリングが悪くなってしまうため、送受信部13の機能の一部、または全部は超音波プローブ12と一体に設け、デジタル変換した信号をプローブケーブル25で通信するように構成してもよい。   In the present embodiment, the AD conversion of the detected signal is performed by the transmission / reception unit 13 in the inspection apparatus body 19. However, when the number of unit transducers 32 in the ultrasonic probe 12 is large, the analog signal remains as it is. If it is going to transmit a detection signal, many signal lines will be needed and the probe cable 25 will become thick and hard. As a result, handling becomes worse, so that part or all of the functions of the transmission / reception unit 13 may be provided integrally with the ultrasonic probe 12 and the digitally converted signal may be communicated by the probe cable 25. .

以上本発明によれば、広帯域にわたって高感度な2次元アレイプローブを実現できる。これにより、浅い部位から深い部位まで広範囲で高画質な超音波診断装置を実現できる。   As described above, according to the present invention, a highly sensitive two-dimensional array probe can be realized over a wide band. Thereby, it is possible to realize an ultrasonic diagnostic apparatus having a wide range and high image quality from a shallow part to a deep part.

10 超音波検査装置
11 被検体
12 超音波プローブ
13 送受信部
14 信号処理部
15 画像処理部
16 画像表示部
17 制御部
18 サブ送信部
19 検査装置本体
21 プローブケース
22 振動子ユニット
24 プリント基板
25 プローブケーブル
31 pMUT素子
32 単位振動子
33 メイン電極
33a 引き出し部
34 サブ電極
34a 引き出し部
35 圧電体膜
35a 圧電体膜
35b 圧電体膜
36 振動板
37 台座
38 空間
39 境界線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Ultrasonic inspection apparatus 11 Subject 12 Ultrasonic probe 13 Transmission / reception part 14 Signal processing part 15 Image processing part 16 Image display part 17 Control part 18 Sub transmission part 19 Inspection apparatus main body 21 Probe case 22 Transducer unit 24 Printed circuit board 25 Probe Cable 31 pMUT element 32 Unit vibrator 33 Main electrode 33a Lead part 34 Sub electrode 34a Lead part 35 Piezoelectric film 35a Piezoelectric film 35b Piezoelectric film 36 Diaphragm 37 Pedestal 38 Space 39 Boundary line

Claims (10)

被検体の体内観察を行うための超音波プローブであって、
2次元的に配列された複数の単位振動子を備え、
前記単位振動子は、少なくとも、台座部と前記台座部上に形成された振動板と前記振動板の上面に形成された第1の圧電体膜および第2の圧電体膜と前記第1の圧電体膜の上面に形成された第1の電極と前記第2の圧電体膜の上面に形成された第2の電極から成る複数のMUT(Micromachining Ultrasound Transducer)素子を有し、
前記第1の電極と前記第2の電極は、電気的に接続されていないことを特徴とする超音波プローブ。
An ultrasound probe for in-vivo observation of a subject,
A plurality of unit vibrators arranged two-dimensionally,
The unit vibrator includes at least a pedestal part, a diaphragm formed on the pedestal part, a first piezoelectric film and a second piezoelectric film formed on an upper surface of the diaphragm, and the first piezoelectric element. A plurality of MUT (Micromachining Ultrasound Transducer) elements comprising a first electrode formed on the upper surface of the body film and a second electrode formed on the upper surface of the second piezoelectric film;
The ultrasonic probe, wherein the first electrode and the second electrode are not electrically connected.
前記第1の電極と第2の電極にそれぞれ異なる駆動信号を送信して超音波を発生させることを特徴とする請求項1記載の超音波プローブ。 The ultrasonic probe according to claim 1, wherein ultrasonic waves are generated by transmitting different drive signals to the first electrode and the second electrode, respectively. 各前記MUT素子において、前記第2の圧電体膜は前記第1の圧電体膜の周囲に配置され、同じ単位振動子内で隣接するMUT素子の第1の電極どうし、および、第2の電極どうしは電気的に接続されていることを特徴とする請求項1、2記載の超音波プローブ。 In each of the MUT elements, the second piezoelectric film is disposed around the first piezoelectric film, and the first electrodes of the adjacent MUT elements in the same unit vibrator, and the second electrode The ultrasonic probe according to claim 1, wherein the two are electrically connected. 前記振動板上の前記台座部を投影した領域に前記第2の圧電体膜が配置されていることを特徴とする請求項3記載の超音波プローブ。 The ultrasonic probe according to claim 3, wherein the second piezoelectric film is disposed in a region where the pedestal portion is projected on the diaphragm. 前記第1の電極に送信する駆動信号を、位相をずらして前記第2の電極に送信することを特徴とする請求項2記載の超音波プローブ。 The ultrasonic probe according to claim 2, wherein the drive signal transmitted to the first electrode is transmitted to the second electrode with a phase shift. 前記第1の電極に電圧を印加する際に、前記第2の電極に前記第1の電極に印加する電圧と逆の電位の電圧を印加することを特徴とする請求項2記載の超音波プローブ。 3. The ultrasonic probe according to claim 2, wherein when applying a voltage to the first electrode, a voltage having a potential opposite to a voltage applied to the first electrode is applied to the second electrode. . 前記第2の電極に送信する駆動信号を制御する制御部をさらに備え、
前記制御部は、超音波を前記被検体内に送信した後の時間経過に応じて、印加電圧を制御することを特徴とする請求項2記載の超音波プローブ。
A controller for controlling a drive signal transmitted to the second electrode;
The ultrasonic probe according to claim 2, wherein the control unit controls an applied voltage according to a lapse of time after transmitting an ultrasonic wave into the subject.
前記第2の電極に送信する駆動信号を制御する制御部をさらに備え、
前記制御部は、前記振動板が特定の周波数で振動するように、印加電圧を周期的に変調することを特徴とする請求項2記載の超音波プローブ。
A controller for controlling a drive signal transmitted to the second electrode;
The ultrasonic probe according to claim 2, wherein the control unit periodically modulates an applied voltage so that the diaphragm vibrates at a specific frequency.
請求項1〜請求項8に記載の超音波プローブと、前記超音波プローブで検出した信号をデジタル変換する受信部と、前記受信部でデジタル変換された信号を用いてビームフォーミング処理を行う信号処理部と、前記信号処理部で得られた3次元データに基づいて3次元画像を生成する画像処理部と、前記3次元画像を表示する表示部を備えた超音波検査装置。 9. The ultrasonic probe according to claim 1, a receiving unit that digitally converts a signal detected by the ultrasonic probe, and signal processing that performs beam forming processing using the signal digitally converted by the receiving unit. And an image processing unit that generates a three-dimensional image based on the three-dimensional data obtained by the signal processing unit, and a display unit that displays the three-dimensional image. 前記受信部が、前記超音波プローブ内に配置されていることを特徴とする請求項9記載の超音波検査装置。 The ultrasonic inspection apparatus according to claim 9, wherein the receiving unit is disposed in the ultrasonic probe.
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