JPH1023598A - 圧電変換装置 - Google Patents

圧電変換装置

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JPH1023598A
JPH1023598A JP9069810A JP6981097A JPH1023598A JP H1023598 A JPH1023598 A JP H1023598A JP 9069810 A JP9069810 A JP 9069810A JP 6981097 A JP6981097 A JP 6981097A JP H1023598 A JPH1023598 A JP H1023598A
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piezoelectric
harmonic
mode
resonance frequency
contact layer
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JP9069810A
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English (en)
Inventor
William J Ossmann
ウイリアム・ジェイ・オスマン
Larry Pendergrass
ラリー・ペンダーグラス
Martin K Mason
マーティン・ケー・メイソン
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HP Inc
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Hewlett Packard Co
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    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0622—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface
    • B06B1/064—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface with multiple active layers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H04R17/04—Gramophone pick-ups using a stylus; Recorders using a stylus
    • H04R17/08—Gramophone pick-ups using a stylus; Recorders using a stylus signals being recorded or played back by vibration of a stylus in two orthogonal directions simultaneously

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造が容易で標準的な画像プローブとして十
分なアパーチャで動作するようにする。 【解決手段】 圧電変換装置を二つの機械的に結合した
圧電素子１２の構造とし、この２層圧電構造は、２層が
同時に拡張するとともに縮小する対称モード又は一方の
層が縮小するとともに他方の層が拡張する非対称モード
で振動する。その結果、対称モードの振動は１次高調波
動作となり、非対称モードの振動は２次高調波動作とな
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、医療用画像処理に
関し、特に、１次高調波を送信し、かつ、主に２次高調
波を受信する圧電変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】超音波変換器は、測定対象の物体の内部
を少ない侵入、例えば、プローブなどを内部に挿入せず
に、その外側から観測するのが望ましい種々の用途に用
いられている。例えば、医療の用途では、人体内部の超
音波画像から多くの診断画像を得ている。このための超
音波プローブ及び関連の画像処理装置を含む超音波画像
装置が医療に広く用いられている。
【０００３】超音波を用いる医療用途における血液画像
は、微細な泡又は粒子からなるコントラストエージェン
トを血液に注入することによって強調される。特定のコ
ントラストエージェントは、特定周波数ｆに対する周波
数２ｆの２次高調波を強力に再放射する。この２次高調
波は通常の組織のエコーから分離されるため、血液が広
がった組織と広がっていない組織との間の画像コントラ
ストが、周波数を選択的する濾波及び処理によって強調
される。これは２次高調波画像として周知である。
【０００４】２次高調波画像を得るためにコントラスト
エージェントを用いる際の障害の一つは、周波数２ｆの
２次高調波を受信できる超音波変換器からの、その周波
数での送信電力（エネルギー）が抑制されることであ
る。周波数２ｆの２次高調波を受信できる通常の超音波
変換器は、周波数２ｆの強力な信号も送信する。これ
は、血液が広がっている組織からの反射及び血液が広が
っていない組織からの反射波が、周波数２ｆから発生す
るためであり、超音波観測上で問題となる。すなわち、
送信される任意の周波数のエネルギーにより、泡から生
じた２次高調波によるコントラストを生じる、その周波
数で組織のエコーが発生してしまう。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記従来例では、特別
な変換器を用いないで２次高調波の画像撮影を行った場
合に複数の問題が生じる。まず、１次高調波及び２次高
調波に応答するように極めて広帯域の変換器を用いる必
要がある。しかしながら、特に感度に問題が生じること
なく、要求される必要な帯域幅の変換器を設計するのは
困難である。これは、特に扇形にプローブに必要となる
小素子に当てはまる。また、このようなプローブを形成
すると、２次高調波を送信時に抑制する必要がある。こ
れは高周波数と低周波数との間を選択して送信すれば、
差動的な組織の減衰によってある程度の抑制を実現でき
るが、浅いところの観測では有効性が得られない。
【０００６】これらに代えてプローブに、相違する周波
数に適合した個別の送信部及び受信部を組み込むことが
出来る。このようなプローブの送信素子は、これまでの
送信素子に対して寸法的に大幅な変更が必要になる。こ
の場合、複雑なアッセンブリに対する極めて少ない機械
的誤差を要求することになり、その組立コストが増加す
る。
【０００７】本発明は、このような従来の技術における
課題を解決するものであり、製造が容易で標準的な画像
プローブとしての十分なアパーチャで動作し、正確な２
次高調波画像の変換が可能な圧電変換装置を提供する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題を達成するため
に、本発明の圧電変換装置は、高調波画像変換器を、二
つの機械的に結合した圧電層の構造としている。この２
層圧電構造は２層が同時に拡張するとともに縮小する対
称モード、又は、一方の層が縮小するとともに他方の層
が拡張する非対称モードで振動する。対称モードの振動
は１次高調波動作となり、非対称モードの振動は２次高
調波動作となる。
【０００９】また、裏面を、少なくとも一つの電極を介
在させた圧電材料の第１及び第２層を有する圧電構造に
隣接して配置する。一つ以上の音響整合層を、圧電構造
上に配置する。スイッチを圧電構造に接続して、スイッ
チが閉じるときに１次高調波で変換器が動作するととも
に、スイッチが開くときに２次高調波で変換器が動作す
るようにする。好適な例では、スイッチは互いに逆の極
性で並列接続した二つのダイオードで構成する。その結
果、強力な送信信号によりダイオードが導通して、１次
高調波動作となるが、受信信号は、ダイオードが導通
（オン）するほど十分なレベルでないため、その１次高
調波及び２次高調波を受信することが出来るようにな
る。
【００１０】
【発明の実施の形態】次に、本発明の圧電変換装置の実
施形態を図面を参照して詳細に説明する。この圧電変換
装置は、二つの機械的に結合した圧電層の構成である。
この二つの圧電構造は、二つの層が同時に拡張し及び縮
小する対称モード、又は、一方の層が縮小するとともに
他方の層が拡張する非対称モードで振動する。対称モー
ドで振動すると１次高調波動作となり、非対称モードで
振動すると２次高調波動作となる。
【００１１】この超音波変換器（圧電変換装置）は、好
適には１次高調波で送信を行い、２次高調波を受信す
る。この構造では圧電材料層を導電コンタクト層（電
極）間に挿入する。これら電極を関連する電子素子や超
音波システムからの信号リード線及び接地リード線に接
続する。
【００１２】図１は変換アレイの一般的な構成を示す斜
視図である。図１において、この変換アレイ１０は、裏
面部１５に並んで配置された一連の圧電素子１２を有し
ている。この裏面部１５を、超音波変換器の感度、バン
ド幅又はパルス長に適合するような適切な音響インピー
ダンスを有する緩衝素子で構成することが出来る。代表
的な変換アレイは、各々がｙ方向で１００〜６００ミク
ロン幅の１０〜１００個の素子で構成され、また、各圧
電素子１２N は代表的にはｘ方向で０．５〜２ｃｍ長で
ある。これらの素子を物理的に離間して、個別にエネル
ギーを与える。これらの素子は変換アレイの動作周波数
に依存して、そのｚ方向で１〜２ｍｍの厚さとする。こ
れらの素子は、数ＭＨｚから数十ＭＨｚの範囲の周波数
で動作する。代表的な変換アレイでは、医療用途の広い
範囲に対応するようにｘ方向で１〜６ｃｍ長とするが、
他の用途に対しては、当業者によって容易に計算できる
ものであり、ここで開示した範囲以外の寸法が要求され
る。一連の圧電性素子１２はインピーダンス整合層１６
によって被覆する。
【００１３】これに代えて、これらの素子を、ポリマー
マトリックスとセラミック圧電性材料との合成物とする
ことが出来る。また、この単一のセラミック材料に代え
て非セラミック圧電材料とすることも出来る。これらの
多くの適切なタイプの圧電材料は、当業者では周知であ
る。
【００１４】図２は、図１に示した変換アレイ１０の断
面図である。図２において、二つの圧電素子（圧電性材
料層）１２1 ，１２2 を有した一連の圧電素子１２を、
一連の導電層１４の間に配置する。圧電素子１２1 を導
電コンタクト層１４Ａ，１４Ｂ間に配置し、他の圧電素
子１２2 を導電コンタクト層１４Ｂ，１４Ｃ間に配置す
る。二つの圧電素子１２1 ，１２2 間に配置された導電
コンタクト層１４Ｂは、超音波振動により二つの圧電素
子の間で機械的に結合するように十分に薄いものとす
る。
【００１５】この変換アレイは、二つの相違する周波数
を発生させる。すなわち、二つの相違する共振モードで
振動する。この共振モードにおける対称モードでは、上
側の圧電層及び下側の圧電層が同時に拡張、縮小する。
変換アレイは厚さが二つの層の厚さの和となる単一層と
して同様に共振する。このモードは次式（１）で表され
る。 Ｆ１＝ｖ／４ｈ …（１） この（数１）で決定された共振周波数Ｆ１で共振モード
における厚さモードの共振となる。この場合、ｖを層中
の音速とし、ｈを各層のｚ方向の高さ（厚さ）とする。
【００１６】共振モードにおける非対称モードでは、二
つの層の振動は互いに逆位相であり、下側の圧電層が縮
小するのに対して上側の圧電層が拡張する。また、下側
の圧電層が拡張するのに対して上側の圧電層が縮小す
る。その結果、この非対称モードの共振周波数Ｆ２が次
式（２）で表される。 Ｆ２＝ｖ／２ｈ …（２） この（数２）で決定される共振周波数Ｆ２が共振周波数
Ｆ１の２倍であることは、上記の共振周波数Ｆ１及び共
振周波数Ｆ２から明らかである。
【００１７】これまでの記載は、圧電層の厚さが等しい
場合に関するものである。相違する厚さの圧電層を選択
し、又は複数の圧電層を用いることにより、二つの共振
周波数の比を変更することが出来る。例えば、サイズの
変更及びこれら変換器のアプリケーションは、当業者に
は周知である。このように変換器から超音波エネルギー
を送信する周波数及び変換器で超音波エネルギーを受信
する周波数を、変換器の共振周波数から決定できること
が理解される。
【００１８】上記特定の実施の形態は同相アレイ又は線
形アレイの場合であるが、特定の変換器タイプ及びアプ
リケーションに適切な任意の数の素子を用いることも出
来る。例えば、変換器は組立工程をへて構成されている
が、単一の変換素子を用いることも出来る。このような
個別の素子の動作及び構成は、同相アレイ又は線形アレ
イの各素子の場合と同様である。
【００１９】変換器の音響的な共振周波数は、既に説明
したような対称振動モード及び非対称振動モードの周波
数によって決定される。しかしながら、特定の周波数を
電気信号の送信及び受信に組み合わせることが出来るか
否かは、電気的な接続のディテール及び圧電性層の分極
ベクトルの向きによって決定される。これらを、一方の
モード、他方のモード、又は二つのモードの重ね合わせ
にのみ結合して配置することが出来る。切替素子が電気
的な接続に含まれる場合、変換器をスイッチが開いてい
るときに一方のモードで動作させ、スイッチが閉じてい
るときに他方のモードで動作するように形成する。
【００２０】この切替素子の代表例として、ダイオー
ド、電界効果トランジスタ、バリスタ及びツェナーダイ
オードがある。以降で説明する複数の実施の形態は、切
替専用の他の制御信号を必要とせずに送信信号及び受信
信号の相対的なレベルに応答して自動的に切り替わる特
性（手段）を有する。これに代えて変換器は、同一の物
理的な寸法の素子を有するが、素子の一部を共振周波数
Ｆ１で動作するように接続するとともに、残りの素子を
共振周波数Ｆ２で動作するように接続する。図３、図
４、図５、図６及び図７は１次高調波動作と２次高調波
動作とを切り替える素子を有する２次高調波画像変換器
を示す図であり、図８及び８は、個別の１次高調波素子
及び２次高調波素子をセットととして備える２次高調波
画像変換器を示す図である。
【００２１】図３Ａ，Ｂ，図４Ａ，Ｂは、受動切替素子
を有する２次高調波画像変換器を示すものである。図３
Ａにおいて、下側の導電コンタクト層１４Ａは、一対の
ダイオード２０Ａ，２０Ｂによって分離されている。こ
れらダイオード２０Ａ，２０Ｂは、ハイレベル信号下
（送信時）で導通し、下側の導電コンタクト層１４Ａを
接地する。受信時の電気的な信号は、ダイオードを導通
させるほどには十分な強度ではない。したがって、下側
の圧電層は電気的に結合されない。その結果、対称モー
ドと非対称モードとの両方が受信回路に結合され、変換
器は共振周波数Ｆ１及び共振周波数Ｆ２の両方で有効に
受信する。
【００２２】追加の電流源１６を、一対のダイオード２
０Ａ，２０Ｂに並列配置する。この場合、受信時に共振
周波数Ｆ２を抑制するのが望ましく、同一の送受信特性
を有すると、ダイオード２０Ａ，２０Ｂと下側コンタク
ト層１４Ａとの間の接合を流れるバイアス電流が発生し
て、ダイオード２０Ａ，２０Ｂ中の一方をターンオンす
る。その結果、両方の圧電性層の励振が同一となり、振
動の対称モードが好適に結合される。これにより、変換
器は、低い方の共振周波数Ｆ１で送受信する。バイアス
電流の電子的な切替は、当業者では十分な周知技術で構
成することが出来る。
【００２３】図３Ｂは、図３Ａに比べて発生し難い振動
を示し、この場合、導電コンタクト層の信号及び接地接
続を反転する。ここでの動作は図３Ａと同一である。
【００２４】図４Ａにおいて、第４の導電コンタクト層
１４Ｄ及び絶縁層２２を、下側の圧電層１４Ａと中間の
導電コンタクト層１４Ｂとの間に配置する。これらの層
は、圧電層間の音響的な結合を防止するために十分薄く
する必要がある。ダイオード２０Ａ，２０Ｂを、中間の
導電コンタクト層１４Ｂ、第４の導電コンタクト層１４
Ｄ及び下側の導電コンタクト層１４Ａ間に接続する。こ
れは図３Ａ及びＢと同様に動作する。
【００２５】図４Ｂは、絶縁層及びダイオードを薄いシ
リコン層２４に置き換えた点を除いて図４Ａと同様の構
成であり、この場合、中間の導電コンタクト層及び第４
の導電コンタクト層に接続するダイオードのアレイを形
成するようにｐ型領域及びｎ型領域を形成する。この場
合、動作は図４Ａと同一であるが、形成するのに必要な
コンタクト層に対する電気的な外部接続を少なくするこ
とが出来るので、製造が簡素化される。
【００２６】この構成に代えてシリコン層を、酸化亜鉛
に置き換えることも出来る。適切な方法で製造すると、
酸化亜鉛はバリスタとして作用し、高電圧が印加される
と双方向に導通するが、低電圧の状態の下では絶縁体の
ままである。このような酸化亜鉛の特性によって、図４
Ｂの実施の形態のシリコン層の代わりにすることが出来
る。
【００２７】受信時に１次高調波Ｆ１を抑制するのが望
ましい場合、変成器又は差動増幅器を用いることが出来
る。図５Ａ〜Ｂはｆモードと２ｆモードとの間の切替に
変成器２６を用いる二つの方法を示している。図５Ａに
おいて、上側の導電コンタクト層１４Ａ及び下側の導電
コンタクト層１４Ｃを、変成器２６の２次巻線に接続す
るとともに、中間のコンタクト層１４Ｂを接地する。送
受信ラインを、互いに逆の極性で並列接続した一対のダ
イオードを通じて変成器２６の２次巻線の中央タップに
接続するとともに、切替回路を通じて変成器の１次巻線
に接続する。
【００２８】図５Ａは二つのダイオード３０Ａ，３０Ｂ
及びバイアス電流源３２からなる切替回路２８である
が、他の手段を用いることも出来る。切替回路２８を送
信中ターンオフするとともに受信中ターンオンする必要
がある。図５Ａに図示したこの特定の切替回路２８は、
別の制御信号を供給することなく強い送信信号でターン
オフできるという利点を有する。圧電層１２1 ，１２2
を分極させて、上側の導電コンタクト層及び下側の導電
コンタクト層の同一モード（同一極性）の電気信号を非
対称モードの振動に結合する。送受信ライン間に接続し
た二つのダイオード２０Ａ，２０Ｂ及び変成器２６の２
次巻線の中央タップを送信の強信号（電界強度）下で導
通させ、その結果、共通モードで電気的に励振する。し
たがって、共振周波数Ｆ１を有する振動の対称モードで
励振する。受信時は信号が２次側のダイオード２０Ａ，
２０Ｂを導通させるのには十分を強度を有しない。しか
しながら、１次側の切替回路２８は受信中ターンオンさ
れ、共振周波数Ｆ２の共振モードにおける非対称モード
に起因する相違モードの受信信号を結合するが、共振周
波数Ｆ１の共振モードにおける対称モードに起因する共
通モードの受信信号を結合しないように、変成器２６を
接続することを認識する必要がある。
【００２９】図５Ｂにおいて、圧電層中の一方の分極方
向は逆になる。この場合、対称モードの振動は、差動モ
ードの電気信号に結合され、また、非対称モードの振動
は、共通モードの電気信号に結合される。中間の導電コ
ンタクト層１４Ｂを、送信中にターンオフし、かつ、受
信中にターンオンするスイッチ３４を通じて接地され
る。このスイッチは、図５Ａに図示したものと同様であ
る。上側の導電コンタクト層１４Ｃを、変成器２６の一
方の巻線を通じて送受信ラインに接続し、下側の導電コ
ンタクト層１４Ａを、変成器２６の他方の巻線を通じて
接地する。変成器の巻数の比を１：１とし、共通モード
の信号が通過するとともに差動モードの信号が抑制され
るように接続する。二つのダイオードのセット３６Ａ，
３６Ｂを、変成器の巻線に並列に接続する。これらダイ
オードのセット３６Ａ，３６Ｂは、ハイレベル信号の送
信状態の下で、変成器２６をバイパスする。この場合、
共振周波数Ｆ１を有する振動の対称モードに結合する差
動モードの電気信号で変換素子を励振させるように動作
する。共振周波数Ｆ２で励振させる送信時の共通モード
の電気信号は、中間の導電コンタクト層に接続されたス
イッチを開いた状態にすることによって抑制される。受
信時に、このスイッチ３４は開かれ、共通モードの受信
電気信号となる共振周波数Ｆ２の振動を、変成器を通じ
て受信ラインを通過させる。共振周波数Ｆ１で受信した
振動は、受信信号がダイオードをターンオンできるのに
は極めて低いため、変成器の動作によって抑制される差
動モードの電気信号となる。
【００３０】図６の１次高調波の受信を抑制する差動増
幅器３８を用いる２次高調波画像変換器は、図３Ｂに図
示した構成に差動増幅器３８及び第２のダイオード対４
０を追加したものである。この第２のダイオード対４０
は、ハイ信号の送信状態の下で、送信信号を差動増幅器
３８にバイパスさせ、図３Ｂの実施の形態と同一の送信
動作、すなわち、共振周波数Ｆ１でのみ送信され、ま
た、共振周波数Ｆ２では抑制されるように動作する。受
信時の信号はダイオードを導通させるのに十分な強度で
はない。共振周波数Ｆ１での受信エコーにより生じた対
称モードの振動によって、上側の導電コンタクト層１４
Ａ及び下側の導電コンタクト層１４Ｃに共通モードの電
圧が発生し、それに対して共振周波数Ｆ２での受信エコ
ーで発生した非対称モードの振動によって、上側の導電
コンタクト層１４Ａ及び下側の導電コンタクト層１４Ｃ
に差動モード電圧が発生する。差動増幅器３８は差動モ
ードの電圧のみを通過させ、その結果、共振周波数Ｆ２
のみが受信され、共振周波数Ｆ１は抑制される。
【００３１】図７の、二つの周波数間で切り替える超音
波システムを用いる２次高調波画像変換器では、個別の
送受信ラインＴ／Ｒ１，Ｔ／Ｒ２を上側の導電コンタク
ト層１４Ａ及び下側の導電コンタクト層１４Ｃに接続
し、中間の導電コンタクト層１４Ｂを接地する。二つの
送受信ラインＴ／Ｒ１，Ｔ／Ｒ２の送信信号は同一であ
り、その結果、対称モードの振動は変換器で励振されて
共振周波数Ｆ１で送信される。受信時の共振周波数Ｆ１
のエコーによって、上側の導電コンタクト層及び下側の
導電コンタクト層に同一の電圧が発生する対称モードの
振動となり、これに対して、共振周波数Ｆ２のエコーに
よって、上側の導電コンタクト層及び下側の導電コンタ
クト層に符号が逆で大きさが同一の電圧が生じる非対称
モードの振動となる。超音波システムの受信ビームフォ
ーマにおいて、二つのライン上の信号を互いに減算する
ことが出来る。これにより、共振周波数Ｆ１の信号は抑
制されるが、共振周波数Ｆ２の信号は増強される。二つ
の送受信ライン上の送信信号及び受信信号のタイミング
を適切にとることにより、共振周波数Ｆ１又は共振周波
数Ｆ２の信号周波数、又は、共振周波数Ｆ１と共振周波
数Ｆ２との間の任意の周波数も可能であることは容易に
理解できるものである。
【００３２】図８Ａ〜Ｂは、機械的に同一であるが共振
周波数Ｆ１又は共振周波数Ｆ２で動作するよう個別に最
適にするように分極した素子を示す。両方の素子におい
ても、信号ラインを中間の導電コンタクト層に接続し、
上側の導電コンタクト層及び下側の導電コンタクト層を
接地する。
【００３３】図８Ａにおいて、二つの圧電層の分極ベク
トルを互いに逆に示す。この構造は、対称モードの振動
のみを圧電的に結合している。したがって、共振周波数
Ｆ１で動作する。図８Ｂにおいて、分極ベクトルは、同
一方向を向く。この構造では非対称モードの振動のみを
圧電的に結合している。したがって、共振周波数Ｆ２で
動作する。ここで２次高調波画像変換器に対して、素子
の一部を共振周波数Ｆ１の動作に対して分極し、素子の
残りの部分を共振周波数Ｆ２の動作に対して分極するこ
とが出来る。これら素子を変換器に種々のパターンで配
置することが出来る。例えば、変換器を、図１に図示し
たように、ｘ方向又はｙ方向に二つの近接した区分に分
割することが出来る。この各区分は、同一分極の素子の
みを備える。これに代えて二つのタイプの素子を交互に
配置することが出来る。これは多少製造に困難を伴う
が、変換器は一致する送信ビーム及び受信ビームを有す
ることが出来る。
【００３４】図９Ａ及び８Ｂに図示した他の実施の形態
において、圧電層中の一方又は双方を、磁歪材料に置き
換えることが出来る。このタイプの材料は、直流バイア
ス電圧によって十分に分極される特性を有し、これによ
り圧電性の特性を示す。直流バイアス電圧が供給されて
いる間のみ圧電性の特性が保持され、分極の方向は、バ
イアス電圧の特性に依存する。ＲＦ（高周波）信号が容
量的に接地される。したがって、適切なバイアス電圧を
供給することにより、図８Ａ〜Ｂに図示したタイプのい
ずれかの素子を形成することが出来る。図９Ａは図８Ａ
に対応し、図９Ｂは図８Ｂに対応する。これら素子を、
既に説明したような種々のパターンで配置することが出
来る。さらに、Ｇｕｒａｒａｊａによって（米国特許出
願明細書第５，４１０，２０５号に）記載されたように
共振周波数Ｆ１又は共振周波数Ｆ２で通常の画像モード
で変換器を動作させるのが望ましい場合には、全ての素
子を同一方向に分極することが出来る。
【００３５】以下に、本発明の実施の諸形態を列挙して
おく。 〔１〕 二つの個別の周波数で動作し、第１及び第２表
面部を有する圧電配置の圧電変換装置（１０）であっ
て、前記圧電配置が、前記第１表面部から第２表面部ま
で延在するＮ個の連続する圧電層（１２）と、隣接する
前記圧電層の間に各々が配置された複数の介在電極（１
４Ｂ）と、前記第１表面部及び第２表面部に接触して前
記圧電配置間での電圧差を設定するための第１及び第２
電極（１４Ａ，１４Ｃ）と、前記圧電配置に対して電気
的に接続される送受信ラインと、前記二つの個別の周波
数の間で切り替わるように動作し、前記圧電配置に接続
した第１スイッチ（２０Ａ，２０Ｂ）と、をさらに備え
る圧電変換装置。 〔２〕 前記第１スイッチを、前記圧電配置に接続する
ノードを備えた並列接続の二つのダイオードで構成し、
これら二つのダイオードを互いに逆の極性で並列接続す
ることを特徴とする上記〔１〕に記載の圧電変換装置。 〔３〕 前記送受信ラインが、前記複数の介在電極（１
４Ｂ）中の少なくとも一つに接続され、前記二つのダイ
オード（２０Ａ，２０Ｂ）が、前記第１電極（１４Ａ）
と接地点との間に接続されることを特徴とする上記
〔２〕に記載の圧電変換装置。 〔４〕 前記送受信ラインが、前記第２電極（１４Ｃ）
に接続され、 前記二つのダイオード（２０Ａ，２０
Ｂ）が、前記第１及び第２電極（１４Ａ，１４Ｃ）間に
接続され、前記複数の介在電極（１４Ｂ）中の少なくと
も一つを接地することを特徴とする上記〔２〕に記載の
圧電変換装置。 〔５〕 前記第１及び第２電極に接続され、出力部を有
する増幅器（３８）と、前記第１電極と出力部に接続さ
れ、互いに逆の極性で並列接続した第２のダイオード対
（４０）とをさらに備え、前記送受信ラインが前記出力
部に接続されることを特徴とする上記〔４〕に記載の圧
電変換装置。 〔６〕 前記圧電配置は、二つの隣接する前記介在電極
（１４Ｂ，１４Ｄ）の間に電気的な絶縁層（２２）をさ
らに有し、前記第１及び第２電極（１４Ａ，１４Ｃ）を
前記出力部に接続し、前記送受信ラインを、前記二つ隣
接する介在電極（１４Ｂ，１４Ｄ）に接続することを特
徴とする上記〔２〕に記載の圧電変換装置。 〔７〕 前記圧電配置は、前記二つの隣接する介在電極
（１４Ｂ，１４Ｄ）間にダイオードのアレイを形成する
半導体層（２４）をさらに有し、前記第１及び第２電極
（１４Ａ，１４Ｃ）を接地し、前記送受信ラインを、前
記二つ隣接する介在電極（１４Ｂ，１４Ｄ）中の一つに
接続することを特徴とする上記〔２〕に記載の圧電変換
装置。 〔８〕 １次巻線、２次巻線及び中央タップを有し、前
記圧電配置に接続し、周波数を選択的に高く動作させる
変成器（２６）をさらに備えることを特徴とする上記
〔１〕に記載の圧電変換装置。
〔９〕 前記第１及び第２電極が前記変成器の１次巻線
に接続され、 前記介在電極中の一つを接地し、前記第
１スイッチが前記送受信ラインと前記中央タップとの間
に接続し、前記送受信ラインと前記２次巻線との間に接
続する第２スイッチをさらに備えることを特徴とする上
記〔８〕に記載の圧電変換装置。 〔１０〕 前記変成器は１：１の巻数比を有し、前記１
次巻線を前記送受信ラインと前記第１電極との間に接続
し、前記２次巻線を前記第２電極と接地点との間に接続
して、前記第２電極から流れる電流が、前記第１電極に
流れる電流と同一方向で前記変成器に流れ、前記介在電
極中の一つに接続され、送信中前記介在電極中の一つを
オフに切り替えるとともに受信中オにンに切り替える動
作を行う第２スイッチ（３４）と、二つのダイオード対
（３６Ａ，３６Ｂ）とをさらに備え、これらダイオード
対の各々を、互いに逆の極性で並列接続し、これらダイ
オード対の各々を、前記１次巻線と第２巻線との中の対
応する巻線に接続することを特徴とする上記〔８〕に記
載の圧電変換装置。 〔１１〕 二つの個別の周波数で動作し、第１及び第２
表面部を有する圧電配置を備え、この圧電配置が、前記
第１表面部から第２表面部まで延在するＮ個の連続する
圧電層（１２）と、隣接する前記圧電層の間に各々が配
置された複数の介在電極（１４Ｂ）と、前記第１表面部
及び第２表面部に接触して、前記圧電配置間に電圧差を
設定するための第１及び第２電極（１４Ａ，１４Ｃ）
と、前記圧電配置に電気的に接続され、二つの振動モー
ドで動作し、これら振動モードの各々が前記二つの個別
の周波数に対応する二つの送受信ラインと、をさらに備
えることを特徴とする圧電変換装置。 〔１２〕 第１及び第２周波数で動作し、各々が第１及
び第２表面部を有する複数のＭ個の配置を有し、これら
配置の各々が、前記第１表面部から第２表面部まで延在
するＮ個の連続する電気音響層（１２ x ）と、隣接する
前記電気音響層の間に各々が配置された複数の介在電極
（１４Ｂ）と、前記第１表面部及び第２表面部に接触し
て、前記圧電配置間に電圧差を設定するための第１及び
第２電極（１４Ａ，１４Ｃ）と、各々が前記複数のＭ個
の配置中の対応する配置に電気的に接続したＭ本の送受
信ラインとをさらに備え、前記複数のＭ個の配置の第１
部分が前記第１周波数で動作し、複数のＭ個の配置の第
２部分が前記第２周波数で動作することを特徴とする圧
電変換装置。 〔１３〕 前記Ｎ個の連続する電気音響層（１２x ）
を、Ｎ個の連続する圧電層とすることを特徴とする上記
〔１２〕に記載の圧電変換装置。 〔１４〕 前記Ｎ個の連続する電気音響層（１２x ）
を、磁歪材料層とすることを特徴とする上記〔１２〕に
記載の圧電変換装置。
【００３６】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の圧電変換装置は、二つの機械的に結合した圧電素子の
構成であり、２層が同時に拡張し、縮小する対称モード
又は一方の層が縮小し、他方の層が拡張する非対称モー
ドで振動する。この対称モードの振動は１次高調波動作
となり、非対称モードの振動は２次高調波動作となる。
この結果、製造が容易で標準的な画像プローブとして十
分なアパーチャで動作して２次高調波画像の変換が可能
になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電変換装置にかかる変換アレイの一
般的な構成を示す斜視図である。
【図２】図１に図示した変換アレイの断面図である。
【図３】実施の形態にあって１次高調波動作と２次高調
波動作とを切り替える素子を備えた２次高調波画像変換
器の構成を示す図である。
【図４】実施の形態にあって１次高調波動作と２次高調
波動作とを切り替える素子を備えた２次高調波画像変換
器の構成を示す図である。
【図５】実施の形態にあって１次高調波動作と２次高調
波動作とを切り替える素子を備えた他の２次高調波画像
変換器の構成を示す図である。
【図６】実施の形態にあって１次高調波動作と２次高調
波動作とを切り替える素子を備えたさらに他の２次高調
波画像変換器の構成を示す図である。
【図７】実施の形態にあって１次高調波動作と２次高調
波動作とを切り替える素子を備えた２次高調波画像変換
器の構成を示す図である。
【図８】実施の形態にあって個別の１次高調波素子及び
２次高調波素子を備える２次高調波画像変換器の構成を
示す図である。
【図９】実施の形態は、個別の１次高調波素子及び２次
高調波素子を備える他の２次高調波画像変換器の構成を
示す図である。
【符号の説明】
１０：変換アレイ １２，１２1 ，１２2 ：圧電素子 １４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ：導電コンタクト層 １５：裏面 １６：インピーダンス整合素子 ２０Ａ，２０Ｂ，３０Ａ，３０Ｂ：ダイオード ２２：絶縁層 ２４：シリコン層 ２６：変成器 ２８：切替回路 ３２：バイアス電流源 ３４：スイッチ ３６Ａ，３６Ｂ：ダイオードのセット ３８：差動増幅器 Ｔ／Ｒ，Ｔ／Ｒ１，Ｔ／Ｒ２：送受信ライン

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 二つの個別の周波数で動作し、第１及び
    第２表面部を有する圧電配置の圧電変換装置（１０）で
    あって、 前記圧電配置が、 前記第１表面部から第２表面部まで延在するＮ個の連続
    する圧電層（１２）と、隣接する前記圧電層の間に各々
    が配置された複数の介在電極（１４Ｂ）と、 前記第１表面部及び第２表面部に接触して前記圧電配置
    間での電圧差を設定するための第１及び第２電極（１４
    Ａ，１４Ｃ）と、 前記圧電配置に対して電気的に接続される送受信ライン
    と、 前記二つの個別の周波数の間で切り替わるように動作
    し、前記圧電配置に接続した第１スイッチ（２０Ａ，２
    ０Ｂ）と、 をさらに備える圧電変換装置。
JP9069810A 1996-03-26 1997-03-24 圧電変換装置 Pending JPH1023598A (ja)

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