JPH04214000A

JPH04214000A - 超音波トランスデューサ

Info

Publication number: JPH04214000A
Application number: JP2401345A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Omura; 正由大村
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1990-12-11
Filing date: 1990-12-11
Publication date: 1992-08-05

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はメモリ機能を有する超
音波トランスデューサに関し、特にメモリ機能を有する
と共に圧電膜を使用した超音波トランスデューサに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、強誘電性物質では、圧電性を示す
材料としてＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＰｂＴｉ
Ｏ３　（チタン酸鉛）等の無機系のもの、ＰＶＤＦ（ポ
リ弗化ビニリデン）或いはその共重合体等の高分子等の
有機系のものがよく知られている。これらの圧電材料は
、圧電体の厚み振動を利用して超音波診断、超音波探傷
等の超音波トランスデューサに盛んに使用されている。

【０００３】また、強誘電体成膜技術の向上に伴って、
強誘電性物質が２つの極性の異なる残留分極状態を有す
ることを利用して、大容量の不揮発性メモリを実現させ
る試みが注目されている。しかしながら、圧電性を利用
した超音波トランスデューサでは、不揮発性メモリ機能
を有していないものである。

【０００４】一般に圧電体は必ずしも強誘電体となって
いるものではなく、従来の圧電性を利用した超音波トラ
ンスデューサでは、メモリ機能まで考慮されていない。このため、従来の超音波トランスデューサは、強誘電体
が有している不揮発性メモリ機能を有していないもので
あった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来使用されている超
音波トランスデューサでは、メモリ機能を有していない
ため次のような欠点を有していた。（ｉ）所望の電極パターンが簡単に形成できないため、
トランスデューサの開口の大きさを変更してその音場を抑制することが困
難である。（ｉｉ）パターン認識ができない。上記（ｉ）は、リニアスキャン、セクタスキャン等の電
子スキャン方式に用いられる超音波トランスデューサは
、ＰＺＴ等のセラミック圧電体とその電極層を短冊状に
切断し、分離して用いられている。

【０００６】図６は従来の電子スキャン用超音波トラン
スデューサを示したもので、音波を吸収する支持台１上
に、所定方向に複数の信号電極２及び平板状の圧電体３
が設けられている。そして、これらの信号電極２及び圧
電体３はダイシングソー等で切断分離される。上記信号
電極２の一方側にはそれぞれ各種信号線の端子４が設け
られており、これらの端子４と反対側の圧電体３上には
、隣接する圧電体と接続されるようにアース電極５が設
けられている。このような工程で得られる超音波トラン
スデューサでは、電極パターンの変更が簡単にはできな
いものである。

【０００７】上記電子スキャン用超音波トランスデュー
サは、各周波数に応じて最適な電極ピッチと開口の大き
さで、分解能を上げて画質を向上させるために細いビー
ムにしてサイドローブを小さくする等、音場を制御する
必要がある。そのため、例えば２．５ＭＨｚ、３．５Ｍ
Ｈｚ、５ＭＨｚ用として別々のピッチによるトランスデ
ューサが用意されている。また、上記（ｉｉ）は、従来
の反射エコー法による超音波トランスデューサでは、エ
コーによる像のパターンチェックを行う機能はないもの
であった。

【０００８】この発明は上記のような点に鑑みてなされ
たもので、所望の電極パターンの形成ができ、トランス
デューサの開口の大きさを変更してその音場を抑制する
ことが困難でなく、且つパターン認識を行うことができ
る高性能の超音波トランスデューサを提供することを目
的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】すなわちこの発明は、音
波を吸収する支持手段と、この支持手段上に形成された
下部電極層と、この下部電極層上に設けられるもので圧
電体を薄膜化して情報を選択的に保持するメモリ機能を
有する圧電体薄膜と、この圧電体薄膜上に形成された上
部電極層とを具備することを特徴とする。

【００１０】

【作用】この発明による超音波トランスデューサは、そ
の表面に電極層を有する絶縁性支持体に強誘電体のヒス
テリシス特性を利用した不揮発性メモリ機能を有する圧
電膜と、該圧電膜の表面に形成された電極層とを基本構
成とし、上記メモリ機能を有する圧電膜に同種或いは異
種のメモリ機能を有する圧電膜を複数積層して構成され
ている。メモリ機能を有する圧電膜を使用することによ
り、所望の電極パターンに合うように抗電界以上の電界
が印加されて分極処理の双極子方向を設定することがで
きる。また、圧電性を利用して上記電極パターンに合っ
たトランスデューサの開口の大きさ、フォーカス、スキ
ャン方式等に応じて、同時駆動或いは位相差を考慮して
駆動し、超音波を発生して受信するようにしている。更
に、上記メモリ機能を有する圧電膜を複数重ねることに
より、圧電膜の厚みをパラメータに持つようにして、周
波数が可変になるばかりでなく超音波を発生させたメモ
リ機能を有する圧電膜以外の別のメモリ機能を有する圧
電膜に、その超音波のエコー像をパターン認識させるよ
うにしている。

【００１１】

【実施例】以下図面を参照してこの発明の実施例を説明
する。

【００１２】図１はこの発明の一実施例を示す斜視図で
ある。同図に於いて、音響ダンピングを兼用した素子取
付け用支持台１１上に、第１の方向に延出された複数の
下部電極１２と、これら複数の下部電極１２上にそれぞ
れ配された不揮発性メモリ機能を有した圧電膜１３が設
けられている。更に、この圧電膜１３上には、上記下部
電極１２と交差する第２の方向に延出された複数の上部
電極１４と、これら上部電極１４全面を覆った音響整合
層１５が設けられている。また、上記下部電極１２及び
上部電極１４には、それぞれ各種信号線用の端子１６及
び１７が接続されている。

【００１３】上記支持台１１は、シリコンゴムその他フ
ェライト入りのゴム状物質、エポキシ樹脂にタングステ
ンの粉末を混合したもの、ベークライト、ガラスエポキ
シ樹脂等から成る。また、上記圧電膜１３は、ＰＺＴ、
ＰｂＴｉＯ３　の無機系の材料、或いはＰＶＤＦ及びそ
の共重合体等の有機系の材料で構成される。上記下部電
極１２及び上部電極１４は、例えばＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ、
Ａｕ等をスパッタリング或いは蒸着により形成される。上記音響整合層１５は、エポキシ樹脂、ポリエステル、
ポリイミド、ポリサルホン系樹脂、光学ガラス等で構成
されるもので、圧電膜１３と媒質との音響的整合のため
に挿入されるものである。

【００１４】上記圧電膜１３は、不揮発性メモリ機能を
有しているもので、隣接する圧電体間の音響的電気的カ
ップリングを除去してクロストークを防止する必要性か
ら、圧電膜の表面から厚みの５０〜９５％だけストライ
プ状にカッティングして、図示の如く列上に配列されて
いる。また、表面上のカット方向に対して交差する方向
にも、同様に裏面から厚みの５０〜９５％だけストライ
プ状にカッティングされる。そして、隣接する圧電体間
は、音響インピーダンスの小さい絶縁体が埋め込まれて
いる。尚、圧電膜１３の表面形状は、平面とする以外に
、凸面或いは凹面に形成し、表裏の配列方向に曲率を持
たせるように構成してもよい。次に、同実施例の動作を
説明する。

【００１５】メモリ機能を有する圧電膜１３に於いて、
表面としての上部電極１４と裏面としての下部電極１２
の２種類のストライプ状の電極が交差する各エレメント
は、圧電性以外にヒステリシス特性を利用してデータを
記録可能なメモリ機能を有している。すなわち、抗電界
以上の電界を印加することで分極反転させ、各エレメン
トの双極子方向が設定される。これにより、簡単に電極
パターンを変更することができる。

【００１６】図２及び図３はこの発明の第２及び第３の
実施例として、上記電極パターンの他の形状例を示した
ものである。例えば、図２に示される電極パターン１８
は、メモリ機能を有する圧電膜１９上に六角形状に形成
されている。この場合、図示矢印Ａ方向が超音波発生方
向であり、図示矢印Ｂ方向が分極方向となっている。こ
のような形状の電極パターン１８によれば、サイドロー
ブを減少させる分極処理がなされるもので、圧電膜１９
を同時駆動して超音波を送信し、エコーを受信する。

【００１７】また、図３に示される電極パターン２０は
、メモリ機能を有する２層の圧電膜２１上に短冊状に複
数配列されている。この場合も、図示矢印Ａ方向が超音
波発生方向、図示矢印Ｂ方向が分極方向であり、短冊状
に分極処理がなされる。そして、各短冊状の電極パター
ン２０に、所定の位相差を与えて駆動させることにより
、超音波が集束され、リニアスキャン、セクタスキャン
等が可能になる。また、２層重ねられた圧電膜２１によ
り、圧電膜の厚みをパラメータとして変更することがで
き、故に周波数可変とすることが可能なトランスデュー
サが得られる。

【００１８】このように、任意の電極パターンの変更を
容易に行うことができるため、図２に示されたようなシ
ングルトランスデューサや、図３に示されたような電子
スキャン用トランスデューサ（２次元のリニアスキャン
、セクタスキャンなども含む）、リング分割トランスデ
ューサ、或いは表面波トランスデューサ等に応用するこ
とができる。加えて、トランスデューサの開口の大きさ
、周波数の電極ピッチを変更することもでき、細いビー
ムでサイドローブが小さくなるように音場を最適化する
ことができる。

【００１９】尚、上述した第１の実施例で示された図１
の超音波トランスデューサに於いて、その制御回路は、
本出願人による特願昭６３−１７０４７１号に記載され
たものを使用することができる。

【００２０】図４は、この発明の第４の実施例で、２層
の圧電膜を有したトランスデューサの斜視図である。同
図に於いて、音響ダンピングを兼用した素子取付け用支
持台２２上に、第１の方向に延出された複数の下部電極
２３と、これら複数の下部電極２３上にそれぞれ配され
た不揮発性メモリ機能を有した下部圧電膜２４が設けら
れている。また、この下部圧電膜２４上には、上記下部
電極２３と交差する第２の方向に延出された複数の中部
電極２５が設けられている。そして、これら中部電極２
５上には、第２の圧電膜として不揮発性メモリ機能を有
する上部圧電膜２６、下部電極２３と同一方向に延出さ
れた上部電極２７、そしてこの上部電極２７の全面を覆
った保護膜２８が順次積層されている。尚、下部電極２
３には端子２９が、中部電極２５には端子３０が、上部
電極２７には端子３１が、それぞれ接続されている。こ
れらの端子のうち、送波時には端子２９及び３０が使用
され、受波時には端子３０及び３１が使用される。

【００２１】上記下部圧電膜２４と上部圧電膜２６は、
異種圧電膜となっているもので、下部圧電膜２４にはＰ
ＺＴのような音響インピーダンス３４×１０６　［ｋｇ
／ｍ２　ｓ］のものが使用され、上部圧電膜２６にはＰ
ＶＤＦの共重合体のような音響インピーダンス４．５×
１０６　［ｋｇ／ｍ２　ｓ］のものが使用される。上記
上部圧電膜２６は、高分子で受波感度が高く、受波時の
み圧電素子として作用するように切換え可能なものとし
、送波時は下部圧電膜２４の音響整合層として作用する
ものとする。このようにすることにより、送波感度及び
受波感度の高い超音波トランスデューサを得ることがで
きる。尚、上記圧電膜に於いて、抗電界を５〜１０Ｖに
するのに必要な厚みとして、ＰＺＴでは１〜２μｍ、Ｐ
ＶＤＦは０．１〜０．２μｍ程度の厚みを有するものと
する。次に、同実施例の動作を説明する。

【００２２】先ず、下部圧電膜（ＰＺＴ）２４のメモリ
機能に、予め所定の電極パターンが書込まれる。ここで
は、マトリクスアレイ（２次元アレイ）に分極処理され
、各エレメントから超音波が順次切換えられて送信され
る。発生された超音波は、音響レンズ（図示せず）によ
り所定の深さに合焦させ、その深さにある目標物体から
の反射エコーが、高分子の上部圧電膜２６で受波される
ようにする（Ｃモード像）。この上部圧電膜２６のメモ
リには、パターン認識されるべく物体のパターンが書込
まれて分極処理が予めされている。このパターンと整合
されて一致された場合は、上部圧電膜２６の受波感度が
高くなる。このようにして、反射エコーによる像のパタ
ーン認識が可能となる。また、下部圧電膜２４と上部圧
電膜２６の膜圧は、同一である必要はない。更に、この
発明の第５の実施例を図５を参照して説明する。

【００２３】同図に於いて、マトリクス状に分割配置さ
れた超音波トランスデューサ３２はメモリセル部を兼用
するもので、列切換制御部３３と行切換制御部３４を介
して、メモリの書込み読出し回路３５との切換えを行う
切換回路３６に接続されている。この切換回路３６によ
り超音波受信時には、送信回路３７の出力を超音波トラ
ンスデューサ３２に印加し、また受信時にはその受信エ
コーの強さが前置増幅器３８を介して信号処理回路３９
に供給される。そして、信号処理回路３９からの出力は
、Ａ／Ｄ変換器４０、デジタルスキャンコンバータ（Ｄ
ＳＣ）４１、Ｄ／Ａ変換器４２を介してテレビジョンモ
ニタ４３に供給される。次に、同実施例の動作を説明す
る。

【００２４】先ず、トランスデューサ３２に於いて、書
込み読出し回路３５と列切換制御部３３及び行切換制御
部３４によって、各セルに分極方向の書込みが行われる
。次いで、書込みを終了したトランスデューサ３２は、
切換回路３６により超音波を送受信できるような超音波
トランスデューサとして設定される。ここで、送信回路
３７からの送信パルスで、列切換制御部３３及び行切換
制御部３４によって選択されたトランスデューサ３２の
エレメント、またはエレメント群を、上述した第２の実
施例の如く同時駆動、或いは第３の実施例の如く所定の
位相差を与えて駆動する。上述した第４の実施例で示し
た２次元アレイのように、各選択エレメントから超音波
を順次切換えて送信する場合は、書込み読出し回路３５
をクロストーク防止回路として兼用することにより、他
のエレメントへのクロストークを減少させて超音波を送
受信することが可能となる。また、生体等の媒体に放射
された超音波パルスは、生体からの反射エコーとして、
同じトランスデューサ３２で受信される。

【００２５】トランスデューサ３２により電気信号に変
換された受信信号は、ダイナミックレンジが広いため、
Ｓ／Ｎ比の良い広い前置増幅器３８で増幅された後、遠
方の弱いエコーほどゲインを上げるＳＴＣや対数アンプ
、検波回路等で構成される信号処理回路３９に供給され
る。そして、この信号処理回路３９で処理された信号は
、Ａ／Ｄ変換器４０を介してテレビジョン信号と非同期
で得られる画像データをテレビジョン信号に変換するＤ
ＳＣ４１を通って、更にＤ／Ａ変換器４２を介してテレ
ビジョンモニタ４３に表示されるようになっている。

【００２６】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、所望の
電極パターンの形成が簡単にでき、トランスデューサの
開口の大きさ、周波数を変更してその音場を抑制するこ
とが困難でなく、且つパターン認識を行うことができる
高性能の超音波トランスデューサを提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による超音波トランスデューサの一実
施例を示す斜視図である。

【図２】この発明の第２の実施例として電極パターンの
他の形状を示した図である。

【図３】この発明の第３の実施例として電極パターンの
他の形状を示した図である。

【図４】この発明の第４の実施例で２層の圧電膜を有し
たトランスデューサの斜視図である。

【図５】この発明の第５の実施例を示すブロック構成図
である。

【図６】従来の電子スキャン用超音波トランスデューサ
を示した斜視図である。

【符号の説明】

１１、２２…指示台、１２、２３…下部電極、１３…圧
電膜、１４、２７…上部電極、１５…音響整合層、１６
、１７、２９、３０、３１…端子、２４…下部圧電膜、
２５…中部電極、２６…上部圧電膜、２８…保護膜。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　音波を吸収する支持手段と、この支持
手段上に形成された下部電極層と、この下部電極層上に
設けられるもので圧電体を薄膜化して情報を選択的に保
持するメモリ機能を有する圧電体薄膜と、この圧電体薄
膜上に形成された上部電極層とを具備することを特徴と
する超音波トランスデューサ。
【請求項２】　　上記メモリ機能を有する圧電体薄膜に
更にメモリ機能を有する圧電膜を複数枚組合わせて積層
する請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項３】　　上記メモリ機能を有する圧電体薄膜は
任意の曲率を有する請求項１に記載の超音波トランスデ
ューサ。
【請求項４】　　上記メモリ機能を有する圧電体薄膜は
抗電界以上の電界が印加される請求項１に記載の超音波
トランスデューサ。
【請求項５】　　マトリクス状に分割配置された複数の
エレメントから成るもので、各エレメントは分極方向の
情報を書込み及び読出し可能なメモリ機能を有して超音
波パルスを送信及び受信可能な電気音響変換機能を有す
る超音波トランスデューサに於いて、上記各エレメント
を選択する第１の切換手段と、上記超音波を送受信する
上記トランスデューサを動作させる手段と、上記トラン
スデューサにて受信された信号を受信増幅する手段と、
上記各エレメントに情報の書込み及び読出しを行わせる
第２の切換手段と、上記各エレメントに書込まれた情報
を読出す手段とこの読出し手段で読出された情報に応じ
た画像データを表示する表示手段と、を具備することを
特徴とする超音波装置。