JP3258111B2 - Ultrasonic transmitting / receiving element, ultrasonic probe, and ultrasonic transmitter - Google Patents
Ultrasonic transmitting / receiving element, ultrasonic probe, and ultrasonic transmitterInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、超音波送受信素子、超
音波プローブおよび超音波治療装置用送波器に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultrasonic transmitting / receiving element, an ultrasonic probe, and a transmitter for an ultrasonic therapy apparatus.
【0002】[0002]
【従来の技術】超音波プローブは、圧電素子を有する超
音波送受信素子を備えている。前記超音波プローブは、
超音波を対象物に向けて照射し、その対象物における音
響インピーダンスの異なる界面からの反射エコーを受信
することにより前記対象物の内部状態を画像化するため
に用いられる。このような前記超音波プローブを組み込
んだ超音波画像装置は、例えば人体内部を検査するため
の医療用診断装置および金属溶接内部の探傷を目的とす
る検査装置等に応用されている。2. Description of the Related Art An ultrasonic probe has an ultrasonic transmitting / receiving element having a piezoelectric element. The ultrasonic probe,
It is used to image the internal state of the object by irradiating the object with ultrasonic waves and receiving reflected echoes from interfaces having different acoustic impedances in the object. An ultrasonic imaging apparatus incorporating such an ultrasonic probe is applied to, for example, a medical diagnostic apparatus for inspecting the inside of a human body and an inspection apparatus for detecting flaws inside metal welding.
【0003】近年、前記医療用診断装置の一つとして、
人体の断層像(Bモード像)に加え、心臓、肝臓、頸動
脈等を対象に超音波の血流によるドプラシフトを利用し
て血流の速度を2次元でカラー表示することが可能な
「カラーフローマッピング(CFM)法」を採用したも
のが開発され、前記医療用診断装置によりその診断能力
が飛躍的に向上した。前記CFM法を採用した医療用診
断装置は子宮や肝臓、脾蔵などの人体のあらゆる臓器、
器官の診断に用いられ、今後は冠血栓の診断も可能な装
置を目指して研究がなされている。In recent years, as one of the medical diagnostic apparatuses,
In addition to a tomographic image (B-mode image) of the human body, the color of the blood flow can be displayed in two dimensions using the Doppler shift caused by the ultrasonic blood flow in the heart, liver, carotid artery, and the like. A method adopting the "flow mapping (CFM) method" was developed, and the diagnostic capability of the medical diagnostic device was dramatically improved. The medical diagnostic device employing the CFM method can be used for any organ of the human body such as the uterus, liver, spleen,
Research is being carried out for a device that can be used to diagnose organs and that can also diagnose coronary thrombi.
【0004】前者のBモード像の場合には、身体的変化
による小さな病変や空隙が明瞭に深部まで見えるように
するために、高解像度の画像が高感度で得られることが
要求される。後者のCFM像を得ることができるドプラ
モードの場合には、直径が数μm程度の微小な血球から
の反射エコーを用いるため、前記Bモードの場合に比べ
て得られる信号レベルが小さくなり、より高感度化が要
求される。[0004] In the case of the former B-mode image, it is required that a high-resolution image be obtained with high sensitivity so that small lesions and voids due to physical changes can be clearly seen to a deep part. In the case of the Doppler mode in which the latter CFM image can be obtained, since a reflected echo from a minute blood cell having a diameter of about several μm is used, the obtained signal level is smaller than that in the case of the B mode. Higher sensitivity is required.
【0005】ところで、従来、前記超音波プローブを構
成する前記超音波送受信素子はその性能面から以下のよ
うな構造のものが用いられている。Conventionally, the ultrasonic transmitting / receiving element constituting the ultrasonic probe has the following structure in view of its performance.
【0006】(1)超音波プローブにより生体に超音波
を照射した際の超音波減衰は、骨等を除いて0.5〜1
dB/MHz・cm程度であるため、前記生体から高感
度の信号を得るには前記超音波送受信素子から照射され
る超音波の周波数を下げることが好ましい。ただし、周
波数を下げ過ぎると超音波の波長が長くなって分解能が
低下する恐れがあるため、通常、2〜10MHzの周波
数の超音波を放射するようにしている。(1) Ultrasonic attenuation when a living body is irradiated with ultrasonic waves by an ultrasonic probe is 0.5 to 1 except for bones and the like.
Since it is about dB / MHz · cm, it is preferable to lower the frequency of the ultrasonic wave emitted from the ultrasonic transmitting / receiving element in order to obtain a highly sensitive signal from the living body. However, if the frequency is excessively lowered, the wavelength of the ultrasonic wave becomes longer and the resolution may be reduced. Therefore, the ultrasonic wave having a frequency of 2 to 10 MHz is usually emitted.
【0007】(2)超音波送受信素子の圧電体は、電気
機械結合係数が大きく、かつケーブルや装置浮遊容量に
よる損失が少ない送受信回路とのマッチングが取りやす
い誘電率の大きい材料から形成することが必要である。
このため、前記圧電体は主としてチタン酸ジルコン酸鉛
(PZT)系セラミックから形成されている。(2) The piezoelectric body of the ultrasonic transmission / reception element may be formed of a material having a large dielectric constant, which has a large electromechanical coupling coefficient and is easily matched with a transmission / reception circuit having a small loss due to cables and device stray capacitance. is necessary.
For this reason, the piezoelectric body is mainly formed of lead zirconate titanate (PZT) -based ceramic.
【0008】(3)短冊状の圧電体を有する超音波送受
信素子を数10から200個程度配列したアレイ形超音
波プローブは、高い分解能を有する。(3) An array type ultrasonic probe in which several tens to 200 ultrasonic transmitting / receiving elements each having a strip-shaped piezoelectric body are arranged has a high resolution.
【0009】しかしながら、従来の超音波プローブは次
のような問題があった。However, the conventional ultrasonic probe has the following problems.
【0010】(a)前記超音波送受信素子は、通常、前
記圧電体の厚み振動の共振を利用して超音波を放射す
る。生体の超音波減衰の影響を小さくするには、前述し
たように前記超音波の周波数を下げる必要がある。超音
波の周波数を下げるためには、前記圧電体の振動方向の
厚さを厚くする必要がある。例えば2.5MHzの周波
数の超音波を放射するには、前記PZT系セラミックか
らなる圧電体はその振動方向の厚さを600μmにする
必要がある。このように圧電体の厚さが厚くなると、種
々の問題を生じる。すなわち、ブロック状のPZT系セ
ラミックから短冊状の圧電体を加工するには、半導体シ
リコンウェハ等の切断に用いられているダイサが使用さ
れている。前記圧電体の振動方向の厚さが厚くなると、
所定のピッチで切断する時の切り込みが深くなる。この
ため、薄いブレードを用いて切断すると切り込み溝が斜
めになったり、切り込み部の蛇行や前記圧電体の破損を
生じやすくなる。これを回避するために厚いブレードを
用いて加工を行うと、切り込み量が増大するため、加工
前のブロック状のPZT系セラミックの大きさは一定で
あることから、1枚当たりの圧電体の超音波送受信面の
面積が小さくなる。その結果、感度が低下すると共に、
サイドローブ(グレーティングローブ)レベルが増加す
る。(A) The ultrasonic transmitting / receiving element normally emits ultrasonic waves by utilizing resonance of thickness vibration of the piezoelectric body. In order to reduce the effect of ultrasonic attenuation on a living body, it is necessary to reduce the frequency of the ultrasonic waves as described above. In order to reduce the frequency of the ultrasonic wave, it is necessary to increase the thickness of the piezoelectric body in the vibration direction. For example, in order to radiate an ultrasonic wave having a frequency of 2.5 MHz, the piezoelectric body made of the PZT-based ceramic needs to have a thickness in the vibration direction of 600 μm. As described above, when the thickness of the piezoelectric body is increased, various problems occur. That is, to process a strip-shaped piezoelectric body from a block-shaped PZT-based ceramic, a dicer used for cutting a semiconductor silicon wafer or the like is used. When the thickness of the piezoelectric body in the vibration direction increases,
The depth of cut when cutting at a predetermined pitch becomes deeper. For this reason, when cutting is performed using a thin blade, the cut grooves are inclined, the cut portions meander, and the piezoelectric body is easily damaged. When processing is performed using a thick blade in order to avoid this, the cutting depth increases, and the size of the block-shaped PZT-based ceramic before processing is constant. The area of the sound wave transmitting / receiving surface is reduced. As a result, the sensitivity decreases and
The side lobe (grating lobe) level increases.
【0011】(b)アレイ形超音波プローブを生体と接
触させる場合、超音波放射面の口径を大きくすることが
できないため、超音波送受信素子の数が増大するに伴っ
て圧電体1個当たりのインピーダンスが高くなり、送受
信回路とのマッチングが取りにくくなる。前記マッチン
グ性に関しては、比誘電率の大きいPZT系セラミック
を圧電体として用いることにより回避することが可能で
ある。しかしながら、前記PZT系セラミックは比誘電
率が3000を越えると電気機械結合係数が小さくなる
性質を有するため、感度が低下するという問題が新たに
生じる。(B) When the array-type ultrasonic probe is brought into contact with a living body, the diameter of the ultrasonic wave emitting surface cannot be increased, so that the number of ultrasonic transmitting / receiving elements increases and the number of ultrasonic transmitting / receiving elements per piezoelectric body increases. The impedance becomes high, making it difficult to match with the transmission / reception circuit. The matching property can be avoided by using a PZT-based ceramic having a large relative dielectric constant as the piezoelectric body. However, since the PZT-based ceramic has a property that the electromechanical coupling coefficient becomes small when the relative dielectric constant exceeds 3000, a new problem that the sensitivity is lowered arises.
【0012】また、前記(b)の問題に対して圧電体を
積層構造にしたり、インピーダンス変換器を組み込むこ
とによって送受信回路とのマッチングを取ることが行わ
れている。しかしながら、積層構造では送信感度が積層
数に応じて増大するものの、受信感度は積層数に反比例
する。このため、適用可能な分野は圧電体が通常より小
さい場合やケーブルが長い場合などの特殊な用途に限ら
れる。また、エミッタフォロワなどのインピーダンス変
換器を使用すると、超音波プローブの大型化を招くと共
にインピーダンス変換器固有の周波数特性により狭帯域
化を起こす。In order to solve the above-mentioned problem (b), matching with a transmission / reception circuit is performed by forming the piezoelectric body into a laminated structure or incorporating an impedance converter. However, in the stacked structure, although the transmission sensitivity increases according to the number of layers, the reception sensitivity is inversely proportional to the number of layers. For this reason, applicable fields are limited to special applications such as when the piezoelectric body is smaller than usual and when the cable is long. Further, when an impedance converter such as an emitter follower is used, the size of the ultrasonic probe is increased, and a band is narrowed due to a frequency characteristic inherent to the impedance converter.
【0013】一方、メタニオブ酸鉛やポリフッ化ビニリ
デンまたはその共重合体のような高分子材料からなる圧
電体は周波数定数が小さく、低い周波数でもPZT系セ
ラミックより薄くすることが可能であることが知られて
いる。しかしながら、前記高分子材料は誘電率と電気機
械結合係数が小さく実用的ではない。On the other hand, it is known that a piezoelectric material made of a polymer material such as lead metaniobate, polyvinylidene fluoride or a copolymer thereof has a small frequency constant and can be made thinner than a PZT ceramic even at a low frequency. Have been. However, the polymer material is not practical because of its small dielectric constant and electromechanical coupling coefficient.
【0014】[0014]
【発明が解決しようとする課題】以上のように高感度化
のために生体の超音波減衰が少ない低周波駆動の超音波
プローブを得るには、従来のPZT系セラミックでは厚
くなる。このため、短冊状に切断する際に薄いブレード
を用いると切り込み溝が斜めになったり、切り込み部の
蛇行や圧電体の破損を生じやすくなる。また、厚いブレ
ードを用いると1枚当たりの圧電体の超音波送受信面の
面積が切り込み部の増大に伴って小さくなり、感度が低
下すると共に、サイドローブレベルが増加する。さら
に、圧電体が厚くなると、電気インピーダンスが大きく
なることから送受信回路とのマッチングが取りにくくな
る。As described above, in order to obtain an ultrasonic probe driven by a low frequency with a small amount of ultrasonic attenuation of a living body in order to increase the sensitivity, a conventional PZT ceramic becomes thick. For this reason, when a thin blade is used for cutting into strips, the cut grooves are inclined, the cut portions meander, and the piezoelectric body is likely to be damaged. In addition, when a thick blade is used, the area of the ultrasonic transmitting / receiving surface of one piezoelectric body becomes smaller as the cut-out portion increases, and the sensitivity decreases and the side lobe level increases. Further, when the piezoelectric body is thick, the electrical impedance increases, so that it becomes difficult to match with the transmitting / receiving circuit.
【0015】本発明の目的は、低周波駆動を達成できる
と共に、圧電体の振動方向の厚さを薄くでき、送受信回
路とのマッチングが取り易く、さらに高感度化が可能な
超音波送受信素子を提供しようとするものである。An object of the present invention is to provide an ultrasonic transmitting / receiving element which can achieve low-frequency driving, can reduce the thickness of a piezoelectric body in the vibration direction, can easily match with a transmitting / receiving circuit, and can achieve higher sensitivity. It is something to offer.
【0016】本発明の目的は、低周波駆動を達成できる
と共に、圧電体の振動方向の厚さを薄くでき、送受信回
路とのマッチングが取り易く、さらに高感度化が可能な
超音波送受信素子を備えた超音波プローブを提供しよう
とするものである。An object of the present invention is to provide an ultrasonic transmitting / receiving element which can achieve low-frequency driving, can reduce the thickness of a piezoelectric body in the vibration direction, can easily match a transmitting / receiving circuit, and can achieve higher sensitivity. It is an object of the present invention to provide an ultrasonic probe provided with such an ultrasonic probe.
【0017】本発明の別の目的は、各超音波送受信素子
の超音波送受信面から放射される超音波の周波数を一定
にでき、高分解能の音波ビームを得ることが可能なアレ
イ形の超音波プローブを提供しようとするものである。Another object of the present invention is to provide an array type ultrasonic wave capable of keeping the frequency of the ultrasonic wave radiated from the ultrasonic transmitting / receiving surface of each ultrasonic transmitting / receiving element and obtaining a high-resolution sound beam. It is intended to provide a probe.
【0018】本発明の別の目的は、強力で制御性が良好
な衝撃波を発生することが可能な超音波治療装置用送波
器を提供しようとするものである。Another object of the present invention is to provide a transmitter for an ultrasonic therapy apparatus capable of generating a shock wave that is powerful and has good controllability.
【0019】[0019]
【課題を解決するための手段】本発明に係る超音波送受
信素子は、亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶系単結晶
からなる圧電体と、この圧電体の超音波送受信面および
前記送受信面と反対側の面にそれぞれ設けられた一対の
電極とを有し、前記圧電体は、前記超音波送受信面およ
びこの超音波送受信面と反対側の面がそれぞれ0.4μ
m以下の平均表面粗さを有し、かつ4μm以下の最大表
面粗さを有することを特徴とするものである。SUMMARY OF THE INVENTION An ultrasonic transmitting / receiving element according to the present invention comprises a piezoelectric body made of a solid solution single crystal of lead zinc niobate-lead titanate; an ultrasonic transmitting / receiving surface of the piezoelectric body; And a pair of electrodes respectively provided on surfaces opposite to each other, and the piezoelectric body has an ultrasonic transmission / reception surface and a surface opposite to the ultrasonic transmission / reception surface of 0.4 μm each.
m and an average surface roughness of 4 μm or less.
【0020】本発明に係る超音波プローブは、前記超音
波送受信素子と、前記超音波送受信素子の前記超音波送
受信面上に設けられた音響マッチング層と、前記音響マ
ッチング層上に設けられた音響レンズと、前記超音波送
受信素子の前記超音波送受信面と反対側の面上に設けら
れたバッキング材とを具備したことを特徴とするもので
ある。The ultrasonic probe according to the present invention is characterized in that the ultrasonic transmitting / receiving element, an acoustic matching layer provided on the ultrasonic transmitting / receiving surface of the ultrasonic transmitting / receiving element, and a sound provided on the acoustic matching layer. A lens and a backing material provided on a surface of the ultrasonic transmitting / receiving element opposite to the ultrasonic transmitting / receiving surface.
【0021】以下、本発明に係る超音波送受信素子およ
び超音波プローブを図1を参照して詳細に説明する。Hereinafter, an ultrasonic transmitting / receiving element and an ultrasonic probe according to the present invention will be described in detail with reference to FIG.
【0022】亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶系単結
晶からなる複数の圧電体1は、バッキング材2上に互い
に分離して接着されている。前記各々の圧電体1は図の
矢印A方向に振動する。第1電極3は、前記各々の圧電
体1の超音波送受信面からその側面およびおよび前記送
受信面と反対側の面の一部に亘ってそれぞれ形成されて
いる。第2電極4は、前記各々の圧電体1の前記送受信
面と反対側の面に前記第1電極3と所望の距離隔ててそ
れぞれ形成されている。このような前記圧電体1、前記
第1、第2の電極3、4により超音波送受信素子が構成
される。音響マッチング層5は、前記各々の第1電極3
を含む前記各圧電体1の超音波送受信面にそれぞれ形成
されている。音響レンズ6は、前記各音響マッチング層
5の全体に亘って形成されている。アース電極板7は、
前記各々の第1電極3に接続されている。複数の導体
(ケーブル)を有するフレキシブル印刷配線板8は、前
記各々の第2電極4に例えばはんだ付けにより接続され
ている。A plurality of piezoelectric bodies 1 made of a solid solution single crystal of lead zinc niobate-lead titanate are bonded separately on a backing material 2. Each of the piezoelectric bodies 1 vibrates in the direction of arrow A in the figure. The first electrode 3 is formed from the ultrasonic transmission / reception surface of each of the piezoelectric bodies 1 to a side surface thereof and a part of a surface opposite to the transmission / reception surface. The second electrode 4 is formed on a surface of each of the piezoelectric bodies 1 opposite to the transmission / reception surface at a desired distance from the first electrode 3. The piezoelectric body 1 and the first and second electrodes 3 and 4 constitute an ultrasonic transmitting / receiving element. The acoustic matching layer 5 includes the first electrodes 3
Are formed on the ultrasonic transmitting / receiving surface of each of the piezoelectric bodies 1 including: The acoustic lens 6 is formed over the entire acoustic matching layer 5. The earth electrode plate 7
It is connected to each of the first electrodes 3. A flexible printed wiring board 8 having a plurality of conductors (cables) is connected to each of the second electrodes 4 by, for example, soldering.
【0023】このような図1に示す構造の超音波プロー
ブは、例えば次のような方法により作製される。The ultrasonic probe having the structure shown in FIG. 1 is manufactured by, for example, the following method.
【0024】まず、ブロック状をなす亜鉛ニオブ酸鉛−
チタン酸鉛の固溶系単結晶片に導電膜をスパッタ法によ
り蒸着し、選択エッチング技術によりの超音波送受信面
および前記送受信面と反対側の面に導電膜を残す。つづ
いて、前記単結晶片の超音波送受信面側の前記導電膜端
部上にアース電極7を例えばはんだ付けにより接続した
後、前記単結晶片の超音波送受信面となる面に音響マッ
チング層を形成する。ひきつづき、前記単結晶片の前記
超音波送受信面と反対側の面に位置する前記導電膜端部
上に複数の導体(ケーブル)を有するフレキシブル印刷
配線板8を例えばはんだ付けにより接続した後、これら
をバッキング材2上に接着する。その後、ブレードを用
いて前記音響マッチング層から前記単結晶片の前記超音
波送受信面と反対側の面に位置する前記導電膜に亘って
複数回切断することにより前記バッキング材2上に第
1、第2電極3、4を有する互いに分離された複数の圧
電体1と前記各圧電体1上にそれぞれ配置された複数の
音響マッチング層5が形成される。次いで、前記音響マ
ッチング層4に音響レンズ6を形成することにより超音
波プローブを作製する。First, a block-shaped lead zinc niobate is used.
A conductive film is vapor-deposited on a solid solution single crystal piece of lead titanate by a sputtering method, and the conductive film is left on an ultrasonic transmitting / receiving surface by a selective etching technique and on a surface opposite to the transmitting / receiving surface. Subsequently, after connecting the ground electrode 7 to the end of the conductive film on the ultrasonic transmission / reception surface side of the single crystal piece by, for example, soldering, an acoustic matching layer is formed on the surface of the single crystal piece which is to be the ultrasonic transmission / reception surface. Form. Subsequently, after connecting the flexible printed wiring board 8 having a plurality of conductors (cables) to the end of the conductive film located on the surface of the single crystal piece opposite to the ultrasonic transmitting / receiving surface by, for example, soldering, On the backing material 2. After that, by using a blade to cut a plurality of times from the acoustic matching layer over the conductive film located on the surface opposite to the ultrasonic transmission and reception surface of the single crystal piece, the first on the backing material 2, A plurality of separated piezoelectric bodies 1 having second electrodes 3 and 4 and a plurality of acoustic matching layers 5 arranged on the respective piezoelectric bodies 1 are formed. Next, an ultrasonic probe is produced by forming an acoustic lens 6 on the acoustic matching layer 4.
【0025】前記圧電体1を構成する亜鉛ニオブ酸鉛−
チタン酸鉛の固溶系単結晶は、例えば次のような方法に
より製造される。The lead zinc niobate constituting the piezoelectric body 1
The solid solution single crystal of lead titanate is produced, for example, by the following method.
【0026】まず、出発原料として化学的に高純度のP
bO、ZnO、Nb2 O5 、TiO2 を用い、これらを
純度補正した後、亜鉛ニオブ酸鉛(PZN)とチタン酸
鉛(PT)とが所望のモル比になるように秤量し、さら
にフラックスとして同量のPbOを添加する。この粉末
に純水を添加し、例えばZrO2 ボールが収納されたボ
ールミルで所望時間混合する。得られた混合物の水分を
除去した後、例えばライカイ機のような粉砕機で十分に
粉砕し、さらにゴム型容器に入れ、所望の圧力でラバー
プレスを行なう。ゴム型から取り出した固形物を例えば
白金からなる所望容量の容器に入れ、所望の温度で溶解
する。冷却後、さらに前記固形物を前記容器に入れ、例
えば白金からなる蓋で密閉し、前記容器を電気炉の中心
に設置する。前記溶解温度より高い温度まで昇温し、所
望の降温速度で溶解温度付近まで徐冷した後、室温まで
冷却する。その後、前記容器に所望濃度の硝酸を添加
し、煮沸して固溶系単結晶を取り出すことにより製造す
る。First, as a starting material, chemically pure P
After using bO, ZnO, Nb 2 O 5 , and TiO 2 to correct their purity, they were weighed so that lead zinc niobate (PZN) and lead titanate (PT) had a desired molar ratio. And the same amount of PbO is added. Pure water is added to the powder and mixed for a desired time in a ball mill containing ZrO 2 balls, for example. After removing the water content of the obtained mixture, the mixture is sufficiently pulverized with a pulverizer such as a raikai machine, and further placed in a rubber container, and subjected to rubber pressing at a desired pressure. The solid material taken out of the rubber mold is put into a container of a desired volume made of, for example, platinum and melted at a desired temperature. After cooling, the solid is further placed in the container, sealed with a lid made of, for example, platinum, and the container is placed at the center of the electric furnace. The temperature is raised to a temperature higher than the melting temperature, gradually cooled to a temperature close to the melting temperature at a desired cooling rate, and then cooled to room temperature. Thereafter, nitric acid of a desired concentration is added to the container, and the mixture is boiled to take out a solid solution single crystal, thereby producing the same.
【0027】前記亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶系
単結晶は、前述したフラックス法の他に、例えばブリッ
ジマン法やキロプーロス法、水熱育成法などによっても
同様に製造することが可能である。The solid solution single crystal of lead zinc niobate-lead titanate can be similarly produced by, for example, the Bridgman method, the kiloproth method, or the hydrothermal growth method, in addition to the flux method described above. is there.
【0028】前記亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶系
単結晶としては、チタン酸鉛のモル分率が20%以下
(モル比で0.20以下)の組成のものを用いることが
望ましい。このような固溶系単結晶からなる圧電体を用
いることにより、PZTセラミックからなる圧電体に比
べて音速を20%以上遅くすることができるため、高感
度化が図られた超音波プローブを得ることが可能にな
る。As the solid solution single crystal of lead zinc niobate-lead titanate, it is desirable to use a composition in which the molar fraction of lead titanate is 20% or less (at a molar ratio of 0.20 or less). By using such a solid solution-based single crystal piezoelectric body, the speed of sound can be reduced by 20% or more as compared with a piezoelectric body made of PZT ceramic, so that an ultrasonic probe with higher sensitivity can be obtained. Becomes possible.
【0029】特に、一般式 PbA [(Zn1/3 Nb2/3 )1-x Tix ]B O3 (ただし、xは0.05≦x≦0.20、化学量論比A
/Bは0.98≦A/B<1.00を示す)で表される
組成からなる亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶系単結
晶を用いることが望ましい。[0029] In particular, the general formula Pb A [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) 1-x Ti x] B O 3 ( here, x is 0.05 ≦ x ≦ 0.20, stoichiometric ratio A
/ B indicates 0.98 ≦ A / B <1.00) It is preferable to use a solid solution single crystal of lead zinc niobate-lead titanate having a composition represented by the following formula:
【0030】前記一般式のxを規定したのは次のような
理由によるものである。前記xを0.05未満にする
と、前記固溶系単結晶のキュリー温度が低く、前記フレ
キシブル印刷配線板7および前記アース電極板8の半田
付け時や前記固溶系単結晶の切断時に脱分極する恐れが
ある。一方、前記xが0.20を越えると大きな電気機
械結合係数が得られないばかりか、誘電率が低下して送
受信回路都の音響インピーダンスのマッチングが取り難
くなる恐れがある。より好ましいxは0.06〜0.1
2である。The reason why x in the above general formula is specified is as follows. If the value x is less than 0.05, the Curie temperature of the solid solution single crystal is low, and the solid solution single crystal may be depolarized when soldering the flexible printed wiring board 7 and the ground electrode plate 8 or cutting the solid solution single crystal. There is. On the other hand, if the value of x exceeds 0.20, not only a large electromechanical coupling coefficient cannot be obtained, but also the dielectric constant may be reduced, making it difficult to match acoustic impedance of the transmitting and receiving circuit. More preferable x is 0.06 to 0.1.
2.
【0031】前記一般式の前記A/Bが前記範囲を逸脱
すると得られた超音波プローブの実作動時における信頼
性が低下する恐れがある。If the A / B in the general formula deviates from the above range, the reliability of the obtained ultrasonic probe at the time of actual operation may be reduced.
【0032】前記圧電体1は、振動方向の厚さが200
〜400μmであることが好ましい。The piezoelectric body 1 has a thickness of 200 in the vibration direction.
It is preferably from 400 to 400 μm.
【0033】前記圧電体1は、前記超音波送受信面およ
びこの超音波送受信面と反対側の面がそれぞれ0.4μ
m以下の平均表面粗さを有し、かつ4μm以下の最大表
面粗さを有する。前記平均表面粗さおよび前記最大表面
粗さがそれぞれ0.4μm、4μmを越えると感度のよ
うな長期信頼性が低下する恐れがある。より好ましい前
記平均表面粗さおよび前記最大表面粗さはそれぞれ0.
3μm以下、3μm以下である。The piezoelectric body 1 has an ultrasonic transmission / reception surface and a surface opposite to the ultrasonic transmission / reception surface of 0.4 μm each.
m and a maximum surface roughness of 4 μm or less. If the average surface roughness and the maximum surface roughness exceed 0.4 μm and 4 μm, respectively, long-term reliability such as sensitivity may decrease. More preferably, the average surface roughness and the maximum surface roughness are each 0.1.
3 μm or less, 3 μm or less.
【0034】前記圧電体1は、超音波送受信面が(00
1)面であることが望ましい。このような圧電体1は、
前記固溶系単結晶の[001]軸(C軸)に対して垂直
に切り出すことにより作製される。The piezoelectric body 1 has an ultrasonic transmitting / receiving surface of (00).
1) The surface is desirable. Such a piezoelectric body 1 is
It is produced by cutting the solid solution single crystal perpendicularly to the [001] axis (C axis).
【0035】前記第1、第2電極3、4は、例えばTi
/Au、Ni/AuもしくはCr/Auの二層導電膜、
またはガラスフリットを含む銀焼付け等から形成され
る。The first and second electrodes 3 and 4 are made of, for example, Ti
/ Au, Ni / Au or Cr / Au two-layer conductive film,
Alternatively, it is formed by baking silver containing glass frit or the like.
【0036】なお、前記電極3、4の配置の形態および
前記アース電極板7、前記フレキシブル印刷配線板8の
前記電極3、4への取付け形態は前述した図1に限定さ
れない。例えば、前記アース電極板7および前記フレキ
シブル印刷配線板8と前記電極3、4との接合は、はん
だ付け以外に、導電ペーストの使用、抵抗溶接による方
法で行ってもよい。The arrangement of the electrodes 3 and 4 and the manner in which the ground electrode plate 7 and the flexible printed wiring board 8 are attached to the electrodes 3 and 4 are not limited to those shown in FIG. For example, the bonding of the ground electrode plate 7 and the flexible printed wiring board 8 to the electrodes 3 and 4 may be performed by a method using a conductive paste or resistance welding in addition to soldering.
【0037】前述した図1ではアレイ形の超音波プロー
ブを示したが、本発明は単一の超音波送受信素子を備え
た超音波プローブも包含する。Although the array type ultrasonic probe is shown in FIG. 1 described above, the present invention includes an ultrasonic probe having a single ultrasonic transmitting / receiving element.
【0038】また、本発明に係る超音波プローブは亜鉛
ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶系単結晶からなる圧電体
と、この圧電体の超音波送受信面およびこの超音波送受
信面と反対側の面にそれぞれ設けられた一対の電極とを
有する複数の超音波送受信素子;前記複数の超音波送受
信素子の前記超音波送受信面上にそれぞれ設けられた音
響マッチング層;前記音響マッチング層上に設けられた
音響レンズ;前記各超音波送受信素子の前記超音波送受
信面と反対側の面上に設けられたバッキング材;を具備
し前記圧電体は、前記超音波送受信面がその配列方向と
直交する方向に凹状に湾曲すると共に厚さが一定な形状
を有し、かつ前記凹状超音波送受信面の中央部が最大の
電気機械結合係数を有することを特徴とするものであ
る。The ultrasonic probe according to the present invention comprises a piezoelectric body made of a solid solution single crystal of lead zinc niobate-lead titanate, an ultrasonic transmitting / receiving surface of the piezoelectric body, and an opposite side of the ultrasonic transmitting / receiving surface. A plurality of ultrasonic transmission / reception elements each having a pair of electrodes provided on a surface; an acoustic matching layer provided on the ultrasonic transmission / reception surface of each of the plurality of ultrasonic transmission / reception elements; provided on the acoustic matching layer An acoustic lens; a backing material provided on a surface of the ultrasonic transmission / reception element opposite to the ultrasonic transmission / reception surface; and the piezoelectric body has a direction in which the ultrasonic transmission / reception surface is orthogonal to the arrangement direction. The concave ultrasonic wave transmitting and receiving surface has a maximum electromechanical coupling coefficient, and has a maximum thickness.
【0039】以下、本発明に係る超音波プローブ(アレ
イ形超音波プローブ)を図2を参照して詳細に説明す
る。Hereinafter, an ultrasonic probe (array type ultrasonic probe) according to the present invention will be described in detail with reference to FIG.
【0040】亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶系単結
晶からなる複数の圧電体11は、バッキング材12上に
互いに分離して接着されている。前記各々の圧電体11
は、超音波送受信面がその配列方向と直交する方向に凹
状に湾曲すると共に厚さが一定な形状を有し、かつ前記
凹状超音波送受信面の中央部が最大の電気機械結合係数
を有する。前記各々の圧電体11は、図2の矢印A方向
に振動する。第1電極13は、前記各々の圧電体11の
凹状超音波送受信面にそれぞれ形成されている。第2電
極14は、前記各々の圧電体11の前記送受信面と反対
側の凸状面と前記バッキング材12の間にそれぞれ介在
されて、前記各々の圧電体11に良好に接触されてい
る。このような前記圧電体11、前記第1、第2の電極
13、14により超音波送受信素子が構成される。音響
マッチング層15は、前記各々の第1電極13上にそれ
ぞれ形成されている。前記音響マッチング層15は、前
記圧電体11と同様に表面がその配列方向と直交する方
向に凹状に湾曲すると共に厚さが一定な形状を有する。
アース電極16は、前記各々の第1電極13と前記各々
の音響マッチング層15の間に前記圧電体11の配列方
向に沿って介在され、前記各々の第1電極13に接続さ
れている。複数の導体(ケーブル)を有するフレキシブ
ル印刷配線板17は、前記各々の第2電極14と前記バ
ッキング材12の間に前記圧電体11の配列方向に沿っ
て介在され、前記各々の第2電極14に接続されてい
る。A plurality of piezoelectric bodies 11 made of a solid solution single crystal of zinc zinc niobate-lead titanate are bonded to a backing material 12 separately from each other. Each of the piezoelectric bodies 11
Has a shape in which the ultrasonic transmitting and receiving surface is concavely curved in a direction perpendicular to the arrangement direction and has a constant thickness, and the central portion of the concave ultrasonic transmitting and receiving surface has a maximum electromechanical coupling coefficient. Each of the piezoelectric bodies 11 vibrates in the direction of arrow A in FIG. The first electrodes 13 are respectively formed on the concave ultrasonic transmission / reception surfaces of each of the piezoelectric bodies 11. The second electrodes 14 are interposed between the backing material 12 and the convex surfaces of the respective piezoelectric bodies 11 opposite to the transmitting and receiving surfaces, and are in good contact with the respective piezoelectric bodies 11. The piezoelectric body 11 and the first and second electrodes 13 and 14 constitute an ultrasonic transmitting / receiving element. The acoustic matching layer 15 is formed on each of the first electrodes 13. The acoustic matching layer 15 has a shape in which the surface is curved concavely in a direction perpendicular to the arrangement direction and has a constant thickness, similarly to the piezoelectric body 11.
The ground electrode 16 is interposed between each of the first electrodes 13 and each of the acoustic matching layers 15 along the direction in which the piezoelectric bodies 11 are arranged, and is connected to each of the first electrodes 13. A flexible printed wiring board 17 having a plurality of conductors (cables) is interposed between the respective second electrodes 14 and the backing material 12 along the direction in which the piezoelectric bodies 11 are arranged. It is connected to the.
【0041】このような図2に示す構造のアレイ型超音
波プローブは、例えば次のような方法により作製され
る。The array type ultrasonic probe having the structure shown in FIG. 2 is manufactured by the following method, for example.
【0042】まず、超音波送受信面が凹状に湾曲され、
かつ前記送受信面と反対側の面が凸状に湾曲した厚さが
一定なブロック状をなす亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の
固溶系単結晶片を作製し、この単結晶片に導電膜をスパ
ッタ法により蒸着する。つづいて、この単結晶片の凹状
面側の導電膜端部上にアース電極16を前記単結晶片の
湾曲方向と直交する方向に沿って導電ペーストを用いて
接着する。前記アース電極16を含む前記凹状面側の導
電膜上に前記単結晶片と同様に厚さが一定で表面が凹状
に湾曲し音響マッチング層を形成する。ひきつづき、前
記単結晶片の前記凸状面に位置する前記導電膜端部上に
複数の導体(ケーブル)を有するフレキシブル印刷配線
板17を前記単結晶片の湾曲方向と直交する方向に沿っ
て導電ペーストを用いて接着した後、これらをバッキン
グ材12上に接着する。次いで、ブレードを用いて前記
音響マッチング層から前記単結晶片に亘ってその単結晶
片の湾曲方向と平行になるように複数回切断することに
より前記バッキング材12上に第1、第2電極13、1
4を有する互いに分離された複数の圧電体11と前記各
々の圧電体11上に形成された複数の音響マッチング層
5が形成されたアレイ形超音波プローブを作製する。First, the ultrasonic transmitting / receiving surface is curved in a concave shape,
And a solid solution type single crystal piece of lead zinc niobate-lead titanate having a constant thickness and a convex curved surface on the side opposite to the transmitting / receiving surface is formed, and a conductive film is formed on the single crystal piece. It is deposited by a sputtering method. Subsequently, a ground electrode 16 is adhered to the end of the conductive film on the concave surface side of the single crystal piece by using a conductive paste along a direction orthogonal to the bending direction of the single crystal piece. An acoustic matching layer is formed on the conductive film on the concave surface side including the ground electrode 16, similarly to the single crystal piece, having a constant thickness and a concave surface. Subsequently, the flexible printed wiring board 17 having a plurality of conductors (cables) on the end of the conductive film positioned on the convex surface of the single crystal piece is electrically conductive along a direction orthogonal to the bending direction of the single crystal piece. After bonding using a paste, these are bonded on the backing material 12. Next, the first and second electrodes 13 are cut on the backing material 12 by cutting a plurality of times from the acoustic matching layer to the single crystal piece using a blade so as to be parallel to the bending direction of the single crystal piece. , 1
An array type ultrasonic probe having a plurality of piezoelectric bodies 11 separated from each other and a plurality of acoustic matching layers 5 formed on each of the piezoelectric bodies 11 is manufactured.
【0043】前記圧電体11を構成する亜鉛ニオブ酸鉛
−チタン酸鉛の固溶系単結晶としては、チタン酸鉛のモ
ル分率が20%以下(モル比で0.20以下)の組成の
ものを用いることが望ましい。特に、一般式Pb
A [(Zn1/3 Nb2/3 )1-x Tix ]B O3 (ただ
し、xは0.05≦x≦0.20、化学量論比A/Bは
0.98≦A/B<1.00を示す)で表される組成か
らなる亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶系単結晶を用
いることが望ましい。The solid solution single crystal of lead zinc niobate-lead titanate constituting the piezoelectric body 11 has a composition in which the molar fraction of lead titanate is 20% or less (at a molar ratio of 0.20 or less). It is desirable to use In particular, the general formula Pb
A [(Zn 1/3 Nb 2/3) 1-x Ti x] B O 3 ( here, x is 0.05 ≦ x ≦ 0.20, stoichiometric ratio A / B is 0.98 ≦ A / B <1.00) It is preferable to use a solid solution single crystal of lead zinc niobate-lead titanate having a composition represented by the following formula:
【0044】前記圧電体11の凹状超音波送受信面の中
央部を最大の電気機械結合係数にするには、例えば前記
凹状超音波送受信面の中央部の結晶方位を電気機械結合
係数が最大になるように設定する手法を採用することが
できる。具体的には、前記凹状超音波送受信面の中央部
の結晶方位を(100)面にすることにより達成され
る。In order to make the central part of the concave ultrasonic transmitting / receiving surface of the piezoelectric body 11 the maximum electromechanical coupling coefficient, for example, the crystal orientation of the central part of the concave ultrasonic transmitting / receiving surface is maximized by the electromechanical coupling coefficient. Can be adopted. Specifically, this is achieved by setting the crystal orientation at the center of the concave ultrasonic transmitting / receiving surface to the (100) plane.
【0045】前記圧電体11は、振動方向の厚さが20
0〜400μmであることが好ましい。The piezoelectric body 11 has a thickness of 20 in the vibration direction.
It is preferably from 0 to 400 μm.
【0046】前記圧電体11は、前記凹状超音波送受信
面およびこの超音波送受信面と反対側の凸状面がそれぞ
れ0.4μm以下の平均表面粗さを有し、かつ4μm以
下の最大表面粗さを有することが好ましい。前記平均表
面粗さおよび前記最大表面粗さがそれぞれ0.4μm、
4μmを越えると感度のような長期信頼性が低下する恐
れがある。より好ましい前記平均表面粗さおよび前記最
大表面粗さはそれぞれ0.3μm以下、3μm以下であ
る。In the piezoelectric body 11, the concave ultrasonic transmitting and receiving surface and the convex surface opposite to the ultrasonic transmitting and receiving surface each have an average surface roughness of 0.4 μm or less, and a maximum surface roughness of 4 μm or less. Preferably. The average surface roughness and the maximum surface roughness are each 0.4 μm,
If it exceeds 4 μm, long-term reliability such as sensitivity may decrease. More preferably, the average surface roughness and the maximum surface roughness are each 0.3 μm or less and 3 μm or less.
【0047】前記第1、第2電極13、14は、例えば
Ti/Au、Ni/AuもしくはCr/Auの二層導体
膜、またはガラスフリットを含む銀焼付け等から形成さ
れる。The first and second electrodes 13 and 14 are formed by, for example, a two-layer conductor film of Ti / Au, Ni / Au or Cr / Au, or baking silver containing glass frit.
【0048】さらに、本発明に係わる超音波治療装置用
送波器は亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶系単結晶か
らなる圧電体と、この圧電体の超音波発生面およびこの
超音波発生面と反対側の面にそれぞれ設けられた一対の
電極とを有する複数の超音波発生素子;前記複数の超音
波送発生素子の前記超音波送受信面上にそれぞれ設けら
れた音響マッチング層;を具備し、前記複数の超音波送
発生素子は、稠密配置されることを特徴とするものであ
る。Further, a transmitter for an ultrasonic therapy apparatus according to the present invention comprises a piezoelectric body made of a solid solution single crystal of lead zinc niobate-lead titanate, an ultrasonic wave generating surface of the piezoelectric body and an ultrasonic wave generating surface. A plurality of ultrasonic generating elements each having a pair of electrodes provided on a surface opposite to the surface; and an acoustic matching layer provided on each of the ultrasonic transmitting and receiving surfaces of the plurality of ultrasonic transmitting and generating elements. The plurality of ultrasonic wave transmitting / generating elements are densely arranged.
【0049】前記圧電体は、超音波発生面が(001)
面であることが望ましい。このような圧電体は、前記固
溶系単結晶の[001]軸(C軸)に対して垂直に切り
出すことにより作製される。The piezoelectric body has an ultrasonic wave generating surface of (001).
Surface is desirable. Such a piezoelectric body is manufactured by cutting out the [001] axis (C axis) of the solid solution single crystal perpendicularly.
【0050】前記亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶系
単結晶としては、チタン酸鉛のモル分率が20%以下
(モル比で0.20以下)の組成のものを用いることが
望ましい。特に、一般式PbA [(Zn1/3 Nb2/3 )
1-x Tix ]B O3 (ただし、xは0.05≦x≦0.
20、化学量論比A/Bは0.98≦A/B<1.00
を示す)で表される組成からなる亜鉛ニオブ酸鉛−チタ
ン酸鉛の固溶系単結晶を用いることが望ましい。As the solid solution single crystal of lead zinc niobate-lead titanate, it is desirable to use a composition in which the molar fraction of lead titanate is 20% or less (at a molar ratio of 0.20 or less). In particular, the general formula Pb A [(Zn 1/3 Nb 2/3 )
1-x Ti x] B O 3 ( here, x is 0.05 ≦ x ≦ 0.
20, stoichiometric ratio A / B is 0.98 ≦ A / B <1.00
It is desirable to use a solid solution single crystal of lead zinc niobate-lead titanate having a composition represented by the following formula:
【0051】前記電極は、例えばTi/Au、Ni/A
uもしくはCr/Auの二層導体膜、またはガラスフリ
ットを含む銀焼付け等から形成される。The electrodes are made of, for example, Ti / Au, Ni / A
It is formed by u or Cr / Au two-layer conductor film, silver baking including glass frit, or the like.
【0052】[0052]
【作用】本発明に係る前述した図1に示す超音波プロー
ブは、圧電体1として亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固
溶系単結晶を用いている。このため、前記固溶系単結晶
からなる圧電体に電極を形成して分極処理を施すことに
より、約2200の比誘電率が得られる。また、超音波
送受信素子は前記固溶系単結晶を例えば[001]軸に
対して垂直に切り出して最大の電気機械結合係数(k33
´)が得られる(001)面が超音波送受信面になる短
冊状の圧電体を形成し、前記圧電体の(001)面に第
1、第2の電極3、4をそれぞれ形成することにより作
製される。このような超音波送受信素子は、前記圧電体
1の(001)面の方位を有する超音波送受信面から音
速が2700〜3000m/s(周波数定数1350〜
1500Hz・m)の超音波を放射する。このため、前
記超音波送受信素子は従来のPZT系セラミックからな
る圧電体を有する超音波送受信素子の同音速(4000
m/s)に比べて30%程度遅くすることができる。特
に、音速を速める成分であるチタン酸のモル分率を20
%以下(モル比で0.20以下)にした組成の亜鉛ニオ
ブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶系単結晶からなる圧電体を用
いれば、音速をより一層遅くすることができる。The ultrasonic probe shown in FIG. 1 according to the present invention uses a solid solution single crystal of lead zinc niobate-lead titanate as the piezoelectric body 1. Therefore, a dielectric constant of about 2200 can be obtained by forming an electrode on the piezoelectric body made of the solid solution single crystal and performing a polarization treatment. Further, the ultrasonic transmitting / receiving element cuts the solid solution single crystal perpendicularly to, for example, the [001] axis to obtain a maximum electromechanical coupling coefficient (k 33).
(1) is obtained by forming a strip-shaped piezoelectric body whose (001) plane is an ultrasonic transmitting / receiving surface, and forming first and second electrodes 3 and 4 on the (001) plane of the piezoelectric body, respectively. It is made. Such an ultrasonic transmitting / receiving element has a sound speed of 2700 to 3000 m / s (frequency constant of 1350 to 3000 m / s) from the ultrasonic transmitting / receiving surface having the orientation of the (001) plane of the piezoelectric body 1.
(1500 Hz · m). For this reason, the ultrasonic transmission / reception element has the same sound speed (4000) as that of a conventional ultrasonic transmission / reception element having a piezoelectric body made of PZT ceramic.
m / s) can be reduced by about 30%. In particular, the molar fraction of titanic acid, a component that increases the speed of sound, is set at 20.
% (At a molar ratio of 0.20 or less), the use of a piezoelectric body made of a solid solution single crystal of lead zinc niobate-lead titanate can further reduce the sound speed.
【0053】前記超音波送受信素子から放射された超音
波の周波数をf0、前記超音波の音速をv、前記素子の
圧電体の振動方向の厚さをtとすると、f0は次式で表
される。Assuming that the frequency of the ultrasonic wave radiated from the ultrasonic transmitting / receiving element is f 0 , the sound velocity of the ultrasonic wave is v, and the thickness of the piezoelectric body of the element in the vibration direction is t, f 0 is given by the following equation. expressed.
【0054】f0=v/2t したがって、前記超音波送受信素子は前述したように音
速が遅い超音波を放射できるために、前記式より前記周
波数(f0 )を低い値にしても、前記素子の圧電体の厚
さを薄くすることができる。換言すれば、高感度信号が
得られる低周波駆動を計れると共に、前記固溶系単結晶
からなる圧電体の振動方向の厚さを薄くすることができ
る。F 0 = v / 2t Therefore, since the ultrasonic transmission / reception element can emit an ultrasonic wave having a low sound velocity as described above, even if the frequency (f 0 ) is set to a lower value according to the above equation, The thickness of the piezoelectric body can be reduced. In other words, low-frequency driving for obtaining a high-sensitivity signal can be performed, and the thickness of the piezoelectric body made of the solid-solution single crystal in the vibration direction can be reduced.
【0055】このようなことから、前記固溶系単結晶を
短冊状に加工するに際してダイシングマシーンのブレー
ドの切り込み深さを浅くでき、薄いブレードを用いても
切り込み部の蛇行などを生じることなく真っ直ぐに切り
込むことができる。しかも、切断工程での切り込み量を
少なくすることができる。その結果、製造歩留まりを向
上できると共に、前記圧電体の超音波送受信面を所望の
面積に維持できるため、サイドローブが低減された高性
能の超音波プローブを得ることができる。For this reason, when processing the solid-solution single crystal into a strip shape, the cutting depth of the blade of the dicing machine can be made shallow, and even if a thin blade is used, the cutting portion can be straightened without any meandering. You can cut it. In addition, the cutting amount in the cutting step can be reduced. As a result, the manufacturing yield can be improved, and the ultrasonic transmitting and receiving surface of the piezoelectric body can be maintained at a desired area, so that a high-performance ultrasonic probe with reduced side lobes can be obtained.
【0056】また、前記固溶系単結晶からなる圧電体は
前述したように従来のPZT系セラミックからなる圧電
体と同等以上の比誘電率を有するため、送受信回路との
マッチングが良好となる。このため、ケーブルや装置浮
遊容量分による損失を低減でき、高感度の信号を得るこ
とができる。As described above, the piezoelectric body made of the solid solution single crystal has a relative dielectric constant equal to or higher than that of the conventional piezoelectric body made of a PZT ceramic, so that the matching with the transmission / reception circuit is improved. Therefore, the loss due to the cable and the stray capacitance of the device can be reduced, and a highly sensitive signal can be obtained.
【0057】さらに、超音波送受信素子は前記亜鉛ニオ
ブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶系単結晶として、Pb
A [(Zn1/3 Nb2/3 )1-x Tix ]B O3 (ただ
し、xは0.05≦x≦0.20、化学量論比A/Bは
0.98≦A/B<1.00を示す)で表される組成か
らなるものを用い、前記固溶系単結晶を例えば[00
1]軸に対して垂直に切り出して最大の電気機械結合係
数(k33´)が得られる(001)面を超音波送受信面
になる短冊状に加工し、前記(001)面に電極をそれ
ぞれ形成することにより構成される。このような超音波
送受信素子は、(001)面の方位を有する超音波送受
信面からの音速は2700〜3000m/s(周波数定
数1350〜1500Hz・m)になり、かつ前記k33
´は80〜85%の大きな値が得られる。その結果、前
記超音波送受信素子を備えた超音波プローブを診断装置
に接続し、実可動条件である50〜150Vのパルス電
圧、3〜15kHzの繰り返し周波数で1000時間程
度の試験を行った場合でも可動初期の良好な感度を維持
することができる。Further, the ultrasonic transmitting / receiving element is a solid solution single crystal of lead zinc niobate-lead titanate, which is composed of Pb
A [(Zn 1/3 Nb 2/3) 1-x Ti x] B O 3 ( here, x is 0.05 ≦ x ≦ 0.20, stoichiometric ratio A / B is 0.98 ≦ A / B <1.00), and the solid solution single crystal is, for example, [00
1] The (001) plane obtained by cutting out perpendicularly to the axis and obtaining the maximum electromechanical coupling coefficient (k 33 ′) is processed into a strip shape to be an ultrasonic transmission / reception plane, and electrodes are respectively formed on the (001) plane. It is constituted by forming. In such an ultrasonic transmitting / receiving element, the sound velocity from the ultrasonic transmitting / receiving surface having the orientation of the (001) plane is 2700 to 3000 m / s (frequency constant 1350 to 1500 Hz · m), and the k 33
'Is a large value of 80 to 85%. As a result, even when the ultrasonic probe having the ultrasonic transmitting / receiving element is connected to a diagnostic apparatus and a test is performed for about 1000 hours at a pulse voltage of 50 to 150 V, which is an actual operating condition, and a repetition frequency of 3 to 15 kHz. Good sensitivity can be maintained at the initial stage of the movement.
【0058】さらに、前記超音波送受信素子を構成する
圧電体が超音波送受信面およびこの超音波送受信面と反
対側の面がそれぞれ0.4μm以下の平均表面粗さを有
し、かつ4μm以下の最大表面粗さを有する亜鉛ニオブ
酸鉛−チタン酸鉛の固溶系単結晶から形成されると、例
えば実可動条件である50〜150Vのパルス電圧、3
〜15kHzの繰り返し周波数で1000時間以上実作
動試験を行っても感度の低下が認められず、長期信頼性
の優れた超音波プローブを実現できる。Further, the piezoelectric body constituting the ultrasonic transmitting / receiving element has an ultrasonic transmitting / receiving surface and a surface opposite to the ultrasonic transmitting / receiving surface, each having an average surface roughness of 0.4 μm or less, and a surface roughness of 4 μm or less. When formed from a solid solution single crystal of lead zinc niobate-lead titanate having the maximum surface roughness, for example, a pulse voltage of 50 to 150 V which is an actual operating condition, 3
Even if an actual operation test is performed for 1000 hours or more at a repetition frequency of 1515 kHz, no decrease in sensitivity is observed, and an ultrasonic probe with excellent long-term reliability can be realized.
【0059】本発明に係わる前述した図2に示すアレイ
形超音波プローブは、亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固
溶系単結晶からなる圧電体11を有する超音波送受信素
子を複数配列した形態をなし、前記各圧電体11は超音
波送受信面がその配列方向と直交する方向に凹状に湾曲
すると共に厚さが一定な形状を有し、かつ前記凹状超音
波送受信面の中央部が最大の電気機械結合係数を有す
る。このため、前記超音波送受信素子は前記圧電体11
の凹状超音波送受信面の端部に向かうに伴って電気機械
結合係数を減少させることができる。その結果、前記各
超音波送受信素子の超音波送受信面から放射される超音
波の周波数を一定にでき、かつ前記電気機械結合係数に
分布を持たせることができる。したがって、サイドロー
ブを抑制でき、高分解能の音波ビームを得ることができ
る。また、図2に示すアレイ型超音波プローブは、前述
した図1の超音波プローブのように音響レンズを使用せ
ずに超音波ビームを集束することができる。このため、
前記音響レンズの配置に起因する超音波減衰を回避で
き、S/Nを著しく向上することができる。The array type ultrasonic probe shown in FIG. 2 according to the present invention has a form in which a plurality of ultrasonic transmitting / receiving elements having a piezoelectric body 11 made of a solid solution single crystal of lead zinc niobate-lead titanate are arranged. None, each of the piezoelectric bodies 11 has a shape in which an ultrasonic transmitting / receiving surface is concavely curved in a direction orthogonal to the arrangement direction and has a constant thickness, and a central portion of the concave ultrasonic transmitting / receiving surface has a maximum electric power. It has a mechanical coupling coefficient. For this reason, the ultrasonic transmitting and receiving element is
, The electromechanical coupling coefficient can be reduced toward the end of the concave ultrasonic transmission / reception surface. As a result, the frequency of the ultrasonic wave radiated from the ultrasonic transmitting / receiving surface of each ultrasonic transmitting / receiving element can be kept constant, and the electromechanical coupling coefficient can have a distribution. Therefore, side lobes can be suppressed, and a high-resolution sound beam can be obtained. The array type ultrasonic probe shown in FIG. 2 can focus an ultrasonic beam without using an acoustic lens like the ultrasonic probe of FIG. 1 described above. For this reason,
Ultrasonic attenuation due to the arrangement of the acoustic lens can be avoided, and the S / N can be significantly improved.
【0060】また、前記超音波送受信素子を構成する圧
電体が凹状超音波送受信面およびこの超音波送受信面と
反対側の面(凸状面)がそれぞれ0.4μm以下の平均
表面粗さを有し、かつ4μm以下の最大表面粗さを有す
る固溶系単結晶から形成されると、例えば実可動条件で
ある50〜150Vのパルス電圧、3〜15kHzの繰
り返し周波数で1000時間以上実作動試験を行っても
感度の低下が認められず、長期信頼性の優れたアレイ形
超音波プローブを実現できる。The piezoelectric body constituting the ultrasonic transmitting / receiving element has a concave ultrasonic transmitting / receiving surface and a surface (convex surface) opposite to the ultrasonic transmitting / receiving surface, each having an average surface roughness of 0.4 μm or less. And a solid solution single crystal having a maximum surface roughness of 4 μm or less, an actual operation test is performed for 1000 hours or more at a pulse voltage of 50 to 150 V, which is an actual operating condition, and a repetition frequency of 3 to 15 kHz. However, a decrease in sensitivity is not observed, and an array-type ultrasonic probe with excellent long-term reliability can be realized.
【0061】さらに、本発明に係る超音波治療装置用送
波器は亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶系単結晶から
なる圧電体の超音波発生面およびこれと反対側の面に電
極をそれぞれ形成した超音波発生素子を備え、前記固溶
系単結晶からなる圧電体に大きな電界を印加することが
できるため、放射音波を増大することができる。その結
果、前記超音波発生素子を有する超音波治療装置用送波
器は体外から衝撃波を照射して肝石や胆石を微細に砕き
自然に排出させて治療する結石破砕装置や温熱治療装置
の衝撃波源に応用することができる。Further, in the transmitter for an ultrasonic therapy apparatus according to the present invention, electrodes are provided on the ultrasonic wave generating surface of a piezoelectric body made of a solid solution single crystal of lead zinc niobate-lead titanate and on the surface opposite to the ultrasonic generating surface. Since a large electric field can be applied to the piezoelectric body made of the solid solution single crystal provided with the formed ultrasonic wave generating elements, the radiated sound waves can be increased. As a result, a transmitter for an ultrasonic therapy apparatus having the above-mentioned ultrasonic generating element emits a shock wave from the outside of the body to crush finely hepatic stones and gallstones and naturally discharge and treat the stones. Can be applied to the source.
【0062】また、前記固溶系単結晶からなる圧電体は
比重が8.2〜8.5で、比重が7.5〜8.0である
従来のPZT系セラミックからなる圧電体の比重(7.
5〜8.0)とほぼ近似し、かつ前記従来の圧電体に比
べて薄くすることができるため、重量で約25%軽量化
できる。その結果、前記固溶系単結晶からなる圧電体を
有する超音波発生素子が組み込まれた送波器は、軽量の
結石破砕装置を実現できる。このような結石破砕装置
は、結石の微妙な位置に前記送波器を制御性よく合わせ
ることができるため、破砕効率を向上でき、かつ駆動機
構の小型化を達成することができる。The specific gravity of the piezoelectric body made of the solid solution single crystal is 8.2 to 8.5 and the specific gravity of the conventional piezoelectric body made of PZT ceramic having a specific gravity of 7.5 to 8.0 (7 .
5 to 8.0) and can be made thinner than the conventional piezoelectric body, so that the weight can be reduced by about 25%. As a result, the transmitter incorporating the ultrasonic generating element having the piezoelectric body made of the solid solution single crystal can realize a lightweight calculus breaking device. Such a calculus crushing device can adjust the transmitter to a delicate position of the calculus with good controllability, so that crushing efficiency can be improved and the drive mechanism can be downsized.
【0063】[0063]
【実施例】以下、本発明の好ましい実施例を詳細に説明
する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described below in detail.
【0064】実施例1 まず、出発原料として化学的に高純度のPbO、Zn
O、Nb2 O5 、TiO2 を用い、これらを純度補正し
た後、亜鉛ニオブ酸鉛(PZN)とチタン酸鉛(PT)
とが91:9のモル比になるように秤量し、さらにフラ
ックスとして同量のPbOを添加した。この粉末に純水
を添加し、ZrO2 ボールが収納されたボールミルで1
時間混合した。得られた混合物の水分を除去した後、ラ
イカイ機で十分に粉砕し、さらにゴム型容器に入れ、2
トン/cm2 の圧力でラバープレスを行った。ゴム型か
ら取り出した固形物600gを直径50mm、容量25
0ccの白金製容器に入れ、900℃の温度まで4時間
で昇温して溶解した。冷却後、さらに前記固形物を40
0g入れ、白金製の蓋で密閉し、前記容器を電気炉の中
心に設置した。1250℃の温度まで5時間で昇温し、
0.8℃/hrの速度で800℃まで徐冷した後、室温
まで冷却した。その後、前記白金製容器に20%濃度の
硝酸を添加し、8時間煮沸して固溶系単結晶を取り出し
た。Example 1 First, chemically high-purity PbO and Zn were used as starting materials.
O, Nb 2 O 5 and TiO 2 are used, and after correcting their purity, lead zinc niobate (PZN) and lead titanate (PT)
Were weighed such that the molar ratio of PbO was 91: 9, and the same amount of PbO was added as a flux. Pure water is added to the powder, and the powder is added to a ball mill containing ZrO 2 balls.
Mix for hours. After removing the water content of the obtained mixture, the mixture was sufficiently pulverized by a raikai machine, and further placed in a rubber-type container.
Rubber pressing was performed at a pressure of ton / cm 2 . 600 g of the solid material taken out of the rubber mold is 50 mm in diameter, and has a capacity of 25.
The mixture was placed in a 0 cc platinum container and heated to 900 ° C. for 4 hours to dissolve. After cooling, the solids were further
Then, the container was closed with a platinum lid, and the container was placed at the center of an electric furnace. Raise the temperature to 1250 ° C in 5 hours,
After slowly cooling to 800 ° C. at a rate of 0.8 ° C./hr, it was cooled to room temperature. Thereafter, nitric acid at a concentration of 20% was added to the platinum container, and the mixture was boiled for 8 hours to take out a solid solution single crystal.
【0065】このようなフラックス法により得られた単
結晶は、不定形であるが、大きさが約7mm角であっ
た。前記単結晶の一部を粉砕し、X線回折を行なったと
ころ、良好な結晶構造を有することが確認された。前記
粉末をICPにより化学分析を行ったところ、亜鉛ニオ
ブ酸鉛(PZN)とチタン酸鉛(PT)とが91:9の
モル比を有する91PZN−9PTの組成であることが
確認された。The single crystal obtained by such a flux method was amorphous, but had a size of about 7 mm square. When a part of the single crystal was pulverized and subjected to X-ray diffraction, it was confirmed that the single crystal had a good crystal structure. Chemical analysis of the powder by ICP confirmed that lead zinc niobate (PZN) and lead titanate (PT) had a composition of 91PZN-9PT having a molar ratio of 91: 9.
【0066】また、前記単結晶をラウエカメラを用いて
[001]軸の方位を出し、この軸に垂直にカッタで切
断した。つづいて、切断した単結晶片の(001)面に
Ni/Au電極をスパッタ法によりそれぞれ形成し、1
50〜200℃のシリコーンオイル中で1kV/mmの
電界を30分間印加した後、電界を加えながら冷却し
た。この単結晶片を短冊状に切断し、容量と共振、反共
振周波数を測定した。その結果、比誘電率は2200、
音速は2850m/s、電気機械結合係数k33´は80
〜85%であることが確認された。The orientation of the [001] axis of the single crystal was determined using a Laue camera, and the single crystal was cut perpendicularly to this axis with a cutter. Subsequently, Ni / Au electrodes were formed on the (001) plane of the cut single crystal piece by a sputtering method.
After applying an electric field of 1 kV / mm in silicone oil at 50 to 200 ° C. for 30 minutes, cooling was performed while applying the electric field. This single crystal piece was cut into strips, and the capacitance, resonance, and antiresonance frequency were measured. As a result, the relative dielectric constant is 2200,
The sound velocity is 2850 m / s, and the electromechanical coupling coefficient k 33 ′ is 80
8585%.
【0067】さらに、前記91PZN−9PTの単結晶
を用いて前述した図1に示すアレイ形超音波プローブを
作製した。すなわち、まず前記91PZN−9PTの単
結晶から厚さが400μmの単結晶片を形成し、この単
結晶片の(001)面にTi/Au導体膜をスパッタ法
により蒸着し、選択エッチング技術により前記圧電体の
一方の側面に位置する前記導電膜部分および前記送受信
面と反対側の面に位置する前記導電膜の一部を除去し
た。つづいて、前記単結晶片の超音波送受信面側の前記
導電膜端部上にアース電極7を例えばはんだ付けにより
接続した後、前記単結晶片の超音波送受信面となる面に
音響マッチング層を形成した。ひきつづき、前記単結晶
片の前記超音波送受信面と反対側の面に位置する前記導
電膜端部上にフレキシブル印刷配線板8を例えばはんだ
付けにより接続した後、これらをバッキング材2上に接
着した。その後、厚さ30μmのブレードを用いて前記
音響マッチング層から前記単結晶片の前記超音波送受信
面と反対側の面に位置する前記導電膜に亘って1mmの
切り込み深さ、0.19mmのピッチで短冊状に切断し
た。この切断により、前記バッキング材2上に第1、第
2電極3、4を有する互いに分離された複数の圧電体1
と前記各圧電体1上にそれぞれ配置された複数の音響マ
ッチング層5が形成された。切断後の切り込み部を上面
および側面から顕微鏡により観察したところ、蛇行や傾
斜した切り込みは全く認められなかった。次いで、前記
音響マッチング層4に音響レンズ6を形成し、静電容量
110pF/m、長さ2mのケーブルを前記フレキシブ
ル印刷配線板7に接続してアレイ形超音波プローブを製
造した。Further, the above-mentioned array type ultrasonic probe shown in FIG. 1 was manufactured using the single crystal of 91PZN-9PT. That is, first, a single crystal piece having a thickness of 400 μm is formed from the single crystal of 91PZN-9PT, a Ti / Au conductor film is deposited on the (001) plane of the single crystal piece by a sputtering method, and the etching is performed by a selective etching technique. A part of the conductive film located on one side surface of the piezoelectric body and a part of the conductive film located on a surface opposite to the transmitting / receiving surface were removed. Subsequently, after connecting the ground electrode 7 to the end of the conductive film on the ultrasonic transmission / reception surface side of the single crystal piece by, for example, soldering, an acoustic matching layer is formed on the surface of the single crystal piece which is to be the ultrasonic transmission / reception surface. Formed. Subsequently, after connecting the flexible printed wiring board 8 to the end of the conductive film located on the surface opposite to the ultrasonic transmitting / receiving surface of the single crystal piece by, for example, soldering, these were bonded on the backing material 2. . Thereafter, using a blade having a thickness of 30 μm, a cut depth of 1 mm and a pitch of 0.19 mm are formed from the acoustic matching layer to the conductive film located on the surface of the single crystal piece opposite to the ultrasonic transmitting / receiving surface. And cut into strips. By this cutting, a plurality of piezoelectric bodies 1 having first and second electrodes 3 and 4 on the backing material 2 are separated from each other.
And a plurality of acoustic matching layers 5 respectively formed on the piezoelectric bodies 1. When the cut portion after cutting was observed from above and from the side with a microscope, no meandering or inclined cut was observed. Next, an acoustic lens 6 was formed on the acoustic matching layer 4, and a cable having a capacitance of 110 pF / m and a length of 2 m was connected to the flexible printed wiring board 7 to manufacture an array-type ultrasonic probe.
【0068】前記超音波プローブについてパルスエコー
法により反射エコーを測定したところ、全ての超音波送
受信素子から約2.5MHzの中心周波数を有するエコ
ーが受信された。When the reflected echoes of the ultrasonic probe were measured by the pulse echo method, echoes having a center frequency of about 2.5 MHz were received from all the ultrasonic transmitting and receiving elements.
【0069】比較例 比誘電率2000のPZT系セラミックからなる圧電体
を用いて実施例1と同様な超音波プローブを作製した。
この時、約2.5MHzの中心周波数を有するエコーを
放射する超音波プローブを作製するには、前記PZT系
セラミックからなる圧電体の厚さを600μmにする必
要がある。したがって、ブレードを用いて圧電体となる
PZT系セラミックブロックを切断する際にはその切り
込み深さを1.3mm程度にする必要があり、厚さ30
μmのブレードを用いて音響マッチング層から前記セラ
ミックブロック下面の導電膜に亘って短冊状に切断する
と前記ブレードが前記セラミックブロックに対して斜め
に入り込んだ。その結果、切断後の超音波送受信素子の
インピーダンス特性を測定すると、5%の素子が不良に
なった。Comparative Example An ultrasonic probe similar to that of Example 1 was manufactured using a piezoelectric body made of PZT-based ceramic having a relative dielectric constant of 2000.
At this time, in order to manufacture an ultrasonic probe that emits an echo having a center frequency of about 2.5 MHz, the thickness of the piezoelectric body made of the PZT-based ceramic needs to be 600 μm. Therefore, when cutting a PZT-based ceramic block that is to be a piezoelectric body using a blade, the cutting depth must be about 1.3 mm, and the thickness is 30 mm.
When the strip was cut from the acoustic matching layer to the conductive film on the lower surface of the ceramic block using a μm blade, the blade entered obliquely into the ceramic block. As a result, when the impedance characteristics of the ultrasonic transmitting / receiving element after cutting were measured, 5% of the elements became defective.
【0070】そこで、厚さが50μmのブレードに交換
し、同様に切断した後、前述した図1と同様な構造のア
レイ形超音波プローブを作製し、パルスエコーを測定し
た。その結果、実施例1に比べてエコー感度が−3dB
低下した。Therefore, the blade was replaced with a blade having a thickness of 50 μm and cut in the same manner. Then, an array-type ultrasonic probe having the same structure as that shown in FIG. 1 was manufactured, and pulse echo was measured. As a result, the echo sensitivity was -3 dB compared to the first embodiment.
Dropped.
【0071】また、前記実施例1および比較例の超音波
プローブについて音場測定を行い、印加パルスの遅延時
間を制御してビームを60゜偏向させた状態でサイドロ
ーブレベルを測定した。その結果、実施例1の超音波プ
ローブは比較例の同プローブに比べてサイドローブレベ
ルが約10dB低くなった。A sound field measurement was performed on the ultrasonic probes of Example 1 and Comparative Example, and the side lobe level was measured while the beam was deflected by 60 ° by controlling the delay time of the applied pulse. As a result, the ultrasonic probe of Example 1 had a side lobe level lower by about 10 dB than the same probe of Comparative Example.
【0072】さらに、前記実施例1および比較例の超音
波プローブについて縦波音速を調べた。その結果、実施
例1は2800m/sの音速になり、比較例の音速が4
000m/sであるのに比べて約30%遅くなることが
確認された。Further, the ultrasonic probes of Example 1 and Comparative Example were examined for longitudinal sound velocity. As a result, the sound speed of Example 1 was 2800 m / s, and the sound speed of Comparative Example was 4
It was confirmed that it was about 30% slower than 000 m / s.
【0073】実施例2〜4、参照例1〜3 まず、出発原料として化学的に高純度のPbO、Zn
O、Nb2 O5 、TiO2 を用い、これらを純度補正し
た後、これらの原料を所定量秤量し、さらにフラックス
として同量のPbOを添加した。この粉末にアルコール
を添加し、ZrO2 ボールが収納されたボールミルで1
時間混合した。得られた混合物のアルコールを除去した
後、ライカイ機で十分に粉砕し、さらにゴム型容器に入
れ、2トン/cm2 の圧力でラバープレスを行なった。
ゴム型から取り出した固形物1000gを直径50m
m、容量250ccの白金製容器に入れ、白金製の蓋で
密閉した後、前記容器を電気炉の中心に設置した。10
00〜1300℃の温度まで5時間で昇温し、0.5〜
5℃/hrの速度で700〜900℃まで徐冷した。こ
の徐冷工程において、前記容器の下部から10〜100
0ml/minの流速で空気を吹き付け、容器下部を選
択的に冷却し、その後室温まで冷却した。その後、前記
白金製容器に50%濃度の硝酸を添加し、8時間煮沸し
てフラックス部分を溶解し、固溶系単結晶を取り出し
た。Examples 2 to 4 and Reference Examples 1 to 3 First, chemically high-purity PbO and Zn were used as starting materials.
Using O, Nb 2 O 5 , and TiO 2 , the purity of these materials was corrected, these raw materials were weighed to a predetermined amount, and the same amount of PbO was added as a flux. Alcohol is added to this powder, and the powder is added to a ball mill containing ZrO 2 balls.
Mix for hours. After removing the alcohol from the obtained mixture, the mixture was pulverized sufficiently with a raikai machine, further placed in a rubber-type container, and subjected to rubber press at a pressure of 2 ton / cm 2 .
1000g of solid material taken out from rubber mold is 50m in diameter
m, placed in a 250 cc platinum container, sealed with a platinum lid, and then placed in the center of an electric furnace. 10
The temperature is raised to a temperature of 00 to 1300 ° C. in 5 hours,
It was gradually cooled to 700 to 900 ° C. at a rate of 5 ° C./hr. In this slow cooling step, 10 to 100
Air was blown at a flow rate of 0 ml / min to selectively cool the lower part of the vessel and then to room temperature. Thereafter, nitric acid of 50% concentration was added to the platinum container, and the mixture was boiled for 8 hours to dissolve the flux portion, and a solid solution single crystal was taken out.
【0074】前記単結晶の作製工程において、フラック
ス量、最高温度、冷却速度を制御することにより淡黄色
から濃褐色のペロブスカイト構造を有する6種の単結晶
が得られた。これらの単結晶はいずれも不定形である
が、大きさが約10mm角であった。前記各単結晶の一
部を粉砕し、X線回折を行なったところ、良好な結晶構
造を有することが確認された。前記各粉末をICPによ
り化学分析を行った結果を下記表1に示す。なお、前記
各単結晶の組成をPbA [(Zn1/3 Nb2/3 )1-x T
ix ]B O3 で表した時の化学量論比A/Bを表1に併
記する。By controlling the amount of flux, the maximum temperature, and the cooling rate in the single crystal production step, six types of single crystals having a pale yellow to dark brown perovskite structure were obtained. Each of these single crystals was amorphous, but had a size of about 10 mm square. A portion of each of the single crystals was crushed and subjected to X-ray diffraction. As a result, it was confirmed that the single crystal had a good crystal structure. The results of chemical analysis of each powder by ICP are shown in Table 1 below. The composition of each single crystal was Pb A [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) 1-x T
The i x] stoichiometric ratio A / B when expressed in B O 3 are also shown in Table 1.
【0075】[0075]
【表1】 [Table 1]
【0076】また、前記各々の単結晶をラウエカメラを
用いて[001]軸方位を出し、この軸に垂直にカッタ
で切断した。つづいて、切断した単結晶片の(001)
面にNi/Au電極をスパッタ法によりそれぞれ形成
し、150〜200℃のシリコーンオイル中で1kV/
mmの電界を30分間印加した後、電界を加えながら冷
却した。これら単結晶片を短冊状に切断し、容量と共
振、反共振周波数を測定した。その結果、比誘電率は2
000〜2800、音速は2700〜3000m/s、
電気機械結合係数k33´は80〜85%であることが確
認された。The single crystal was oriented in the [001] axis direction using a Laue camera and cut by a cutter perpendicular to this axis. Then, the cut single crystal piece (001)
Ni / Au electrodes were formed on the surfaces by sputtering, respectively, and were exposed to 1 kV /
After applying an electric field of 30 mm for 30 minutes, cooling was performed while applying an electric field. These single crystal pieces were cut into strips, and the capacitance, resonance, and antiresonance frequency were measured. As a result, the relative dielectric constant is 2
000-2800, sound speed 2700-3000m / s,
It was confirmed that the electromechanical coupling coefficient k 33 ′ was 80 to 85%.
【0077】さらに、前記各々の単結晶を用いて前記実
施例1と同様な方法により前述した図1に示すアレイ形
超音波プローブ(素子数96個)を作製した。これら超
音波プローブについてパルスエコー法により反射エコー
を測定した。その結果、全ての超音波送受信素子から約
2.5MHzの中心周波数を有するエコーが受信され
た。Further, the array type ultrasonic probe (96 elements) shown in FIG. 1 described above was manufactured in the same manner as in Example 1 using each of the single crystals. Reflection echoes of these ultrasonic probes were measured by a pulse echo method. As a result, echoes having a center frequency of about 2.5 MHz were received from all the ultrasonic transmitting / receiving elements.
【0078】前記素子数96個の実施例2〜4および参
照例1〜3のアレイ形超音波プローブについて、繰り返
し周波数5kHz、電圧100V、負荷比(デューテイ
レシオ)1:1、パルス幅0.2μsの矩形2波で10
00時間の実作動試験を行った後、反射エコーの波高値
を測定した。得られた波高値が実作動試験前の値に比べ
て30以上劣化した場合を故障と定義してプローブに組
み込まれた96個の素子の故障数を調べた。その結果を
下記表2に示す。For the array type ultrasonic probes of Examples 2 to 4 and Reference Examples 1 to 3 having 96 elements, a repetition frequency of 5 kHz, a voltage of 100 V, a load ratio (duty ratio) of 1: 1 and a pulse width of 0. It is 10 for 2 rectangular waves of 2 μs
After performing the actual operation test for 00 hours, the peak value of the reflected echo was measured. When the obtained peak value was deteriorated by 30 or more compared to the value before the actual operation test, it was defined as a failure, and the number of failures of 96 elements incorporated in the probe was examined. The results are shown in Table 2 below.
【0079】[0079]
【表2】 [Table 2]
【0080】前記表2から明らかなように化学量論比A
/Bが0.98≦A/B<1.00である単結晶からな
る圧電体を用いた実施例2〜4のアレイ形超音波プロー
ブは、長期間に亘って高い信頼性を維持できることがわ
かる。As is clear from Table 2, the stoichiometric ratio A
The array-type ultrasonic probes of Examples 2 to 4 using a piezoelectric material made of a single crystal having a ratio / B of 0.98 ≦ A / B <1.00 can maintain high reliability for a long period of time. Understand.
【0081】なお、前記亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の
固溶系単結晶中のチタン酸鉛量を5〜20モル%(モル
比で0.05〜0.20)の範囲で変化させ、これら単
結晶から切り出した圧電体を用いて図1に示す超音波プ
ローブを作製した。このような超音波プローブは、前記
化学量論比に起因する長期信頼性に及ぼす効果はほぼ同
等であった。The amount of lead titanate in the lead zinc niobate-lead titanate solid solution single crystal was changed in the range of 5 to 20 mol% (molar ratio: 0.05 to 0.20). An ultrasonic probe shown in FIG. 1 was manufactured using a piezoelectric body cut out of a single crystal. Such an ultrasonic probe had almost the same effect on the long-term reliability due to the stoichiometric ratio.
【0082】実施例5 図3は、超音波プローブおよび前記プローブの発熱制御
機能を備えた装置を示す概略図である。図中の21は、
前記実施例1と同様な91PZN−9PTの固溶系単結
晶からなる圧電体を有する前述した図1と同様な構造の
アレイ形超音波プローブである。前記91PZN−9P
Tの固溶系単結晶は、温度−比誘電率の関係を示す図4
のように50〜90℃において菱面体晶から正方晶への
相変態が生じ、これに伴ってその比誘電率が高くなると
いう性質を有する。具体的には、前記固溶系単結晶は室
温では比誘電率が約2200であるが、50℃では前記
相変態により比誘電率が3500と高くなる。Embodiment 5 FIG. 3 is a schematic diagram showing an ultrasonic probe and an apparatus having a function of controlling heat generation of the probe. 21 in the figure is
This is an array-type ultrasonic probe having the same structure as that of FIG. 1 described above having a piezoelectric body made of a solid solution single crystal of 91PZN-9PT similar to that of the first embodiment. The 91PZN-9P
FIG. 4 shows the relationship between temperature and relative permittivity of a solid solution single crystal of T.
As described above, a phase transformation from rhombohedral to tetragon occurs at 50 to 90 [deg.] C., and the relative dielectric constant increases accordingly. Specifically, the solid solution single crystal has a relative dielectric constant of about 2200 at room temperature, but has a relative dielectric constant of 3500 at 50 ° C. due to the phase transformation.
【0083】パルスを発生するためのパルサ22は、前
記超音波プローブ21にケーブルを通して接続されてい
る。レシーバ23は、前記超音波プローブ21にケーブ
ルを通して接続されている。インピーダンス検出回路2
4は、前記超音波プローブ21にケーブルを通して接続
されている。前記インピーダンス検出回路24は、前記
超音波プローブ21の比誘電率に相関するインピーダン
スの変化を検出する。前記検出回路24は、前記パルサ
22に接続され、前記パルサ22から前記超音波プロー
ブ21に印加するパルス(電圧)は前記検出回路24に
よる検出結果に基づいて制御されるにようになってい
る。例えば前記検出回路24は、前記超音波プローブ2
1が前記超音波プローブ21に電圧を印加しない時のイ
ンピーダンスに比べて2/3倍のインピーダンスになっ
た時に、前記パルサ22から前記超音波プローブ21に
印加する電圧が1/2になるように制御する。A pulser 22 for generating a pulse is connected to the ultrasonic probe 21 through a cable. The receiver 23 is connected to the ultrasonic probe 21 through a cable. Impedance detection circuit 2
4 is connected to the ultrasonic probe 21 through a cable. The impedance detection circuit 24 detects a change in impedance correlated with the relative permittivity of the ultrasonic probe 21. The detection circuit 24 is connected to the pulser 22, and a pulse (voltage) applied from the pulser 22 to the ultrasonic probe 21 is controlled based on a detection result by the detection circuit 24. For example, the detection circuit 24 includes the ultrasonic probe 2
When 1 has an impedance that is / times the impedance when no voltage is applied to the ultrasonic probe 21, the voltage applied from the pulsar 22 to the ultrasonic probe 21 is reduced to 1 /. Control.
【0084】前述した図3に示す装置の前記超音波プロ
ーブ21を体腔内に挿入し、パルサ22から前記超音波
プローブ21に電圧を印加すると、発生した超音波は生
体の所定部位に照射される以外、一部は超音波プローブ
21の構成部材である音響マッチング層、音響レンズ、
バッキング材に吸収されて熱を発生する。このように超
音波プローブ21が発熱すると、前記超音波プローブ2
1の圧電体である固溶系単結晶の比誘電率が前述した図
4に示すように高くなる。前記超音波プローブ21に
は、前記比誘電率に相関するインピーダンスを検出する
インピーダンス検出回路24が接続されているため、前
記超音波プローブ21の圧電体の比誘電率がある値以上
(例えば3500以上)になると、前記インピーダンス
検出回路24から前記パルサ22に信号が出力され、前
記パルサ22から前記超音波プローブ21に前記信号出
力前の電圧の1/2の電圧が印加され、前記超音波プロ
ーブ21の過度の発熱が抑制される。When the ultrasonic probe 21 of the apparatus shown in FIG. 3 is inserted into a body cavity and a voltage is applied from the pulsar 22 to the ultrasonic probe 21, the generated ultrasonic wave is applied to a predetermined part of the living body. Other than that, the acoustic matching layer, acoustic lens,
Generates heat when absorbed by the backing material. When the ultrasonic probe 21 generates heat as described above, the ultrasonic probe 2
The relative dielectric constant of the solid solution single crystal, which is the piezoelectric body of item 1, is increased as shown in FIG. Since the ultrasonic probe 21 is connected to an impedance detection circuit 24 for detecting an impedance correlated with the relative permittivity, the relative permittivity of the piezoelectric body of the ultrasonic probe 21 is a certain value or more (for example, 3500 or more). ), A signal is output from the impedance detection circuit 24 to the pulser 22, and a voltage that is 2 of the voltage before the signal is output is applied from the pulser 22 to the ultrasonic probe 21, and the ultrasonic probe 21 Excessive heat generation is suppressed.
【0085】事実、前記超音波プローブ21の音響レン
ズ表面に熱電対を設置し、空中放置における発熱測定を
行った。その結果、図5に示す外気との温度差の時間変
化を表した特性図が得られた。この図5から、実施例5
の装置では超音波プローブ21が室温より10℃高くな
った時にインピーダンス検出回路24からパルサ22に
フィードバックが加わり、駆動電圧を1/2にしたこと
により発生した熱を低下できることがわかる。In fact, a thermocouple was installed on the surface of the acoustic lens of the ultrasonic probe 21 to measure heat generation when left in the air. As a result, a characteristic diagram showing the time change of the temperature difference from the outside air shown in FIG. 5 was obtained. From this FIG.
It can be seen that, in the apparatus described above, when the ultrasonic probe 21 becomes higher than room temperature by 10 ° C., feedback is applied from the impedance detection circuit 24 to the pulser 22, and the heat generated by reducing the driving voltage to 1 / can be reduced.
【0086】以上のように、実施例5の装置によれば超
音波プローブ21の発熱量を前記超音波プローブ21に
組み込まれた91PZN−9PTの固溶系単結晶からな
る圧電体の比誘電率の変化からインピーダンス検出回路
24によりインピーダンス変化として読み取ることがで
きる。したがって、前記インピーダンス変化に基づいて
前記超音波プローブ21への駆動電圧を制御できるた
め、患者の体腔部が過度に加熱されて低温火傷を生じる
のを防止することができる。しかも、前記超音波プロー
ブ21の低発熱時には駆動電圧を上げることができるた
め高感度の信号を得ることができ、診断能を向上でき
る。例えば、前記インピーダンス検出回路を備えない場
合には、超音波プローブの発熱の関係から駆動電圧を5
7Vに抑える必要があったが、実施例5の装置ではそれ
よりも4.5dB高い96Vに設定することが可能とな
る。これにより、0.5dB/MHz・cmのファント
ムを用いた感度測定において、前記駆動電圧を57Vし
か設定できない従来技術に比べて駆動電圧を96Vまで
上げられる実施例5の装置では約2cmペネトレーショ
ンを向上することができた。As described above, according to the apparatus of the fifth embodiment, the calorific value of the ultrasonic probe 21 is determined by the relative dielectric constant of the piezoelectric body made of a solid solution single crystal of 91PZN-9PT incorporated in the ultrasonic probe 21. The change can be read as an impedance change by the impedance detection circuit 24. Therefore, since the drive voltage to the ultrasonic probe 21 can be controlled based on the impedance change, it is possible to prevent the body cavity of the patient from being excessively heated and causing a low-temperature burn. In addition, since the drive voltage can be increased when the ultrasonic probe 21 generates low heat, a highly sensitive signal can be obtained, and the diagnostic performance can be improved. For example, when the impedance detection circuit is not provided, the driving voltage is set to 5 due to the heat generation of the ultrasonic probe.
Although it was necessary to suppress the voltage to 7 V, the apparatus of the fifth embodiment can set the voltage to 96 V, which is 4.5 dB higher than that. As a result, in the sensitivity measurement using a phantom of 0.5 dB / MHz · cm, the apparatus of the fifth embodiment, in which the drive voltage can be increased to 96 V, is improved by about 2 cm in comparison with the prior art in which the drive voltage can be set only to 57 V. We were able to.
【0087】実施例6 前記実施例1により得られた91PZN−9PTの単結
晶を(001)面で切り出した後、(001)面が中央
部となるように凹状に加工して厚さが一定の単結晶片を
形成した。この単結晶片の凹状面(超音波放射面)およ
び凸状面にTi/Au電極をスパッタ法によりそれぞれ
形成し、150〜200℃のシリコーンオイル中で1k
V/mmの電界を30分間印加した後、電界を加えなが
ら冷却した。前記単結晶片および前記電極を前記単結晶
片の前記湾曲方向に沿って短冊状に切断して湾曲した圧
電体の凹状面および凸状面に電極が形成された超音波送
受信素子を作製した。前記素子を前記圧電体の湾曲方向
と直交する方向に5つに分割して電気機械結合係数(k
33´)を測定した。その結果を図6に示す。なお、図6
中の横軸は前記超音波送受信素子の湾曲方向の長さをl
0とし、前記素子の一端から前記5つの分割素子までの
長さをlとした時、前記各分割素子の位置をl/l0と
して示している。Example 6 A single crystal of 91PZN-9PT obtained in Example 1 was cut out at the (001) plane, and then processed into a concave shape so that the (001) plane was at the center, and the thickness was constant. Was formed. Ti / Au electrodes were formed on the concave surface (ultrasonic radiation surface) and the convex surface of this single crystal piece by sputtering, respectively, and were placed in a silicone oil at 150 to 200 ° C. for 1 k.
After applying an electric field of V / mm for 30 minutes, cooling was performed while applying the electric field. The single crystal piece and the electrode were cut into strips along the bending direction of the single crystal piece to produce an ultrasonic transmitting and receiving element in which electrodes were formed on concave and convex surfaces of a curved piezoelectric body. The element is divided into five in a direction orthogonal to the bending direction of the piezoelectric body, and the electromechanical coupling coefficient (k
33 ') was measured. FIG. 6 shows the result. FIG.
The horizontal axis represents the length of the ultrasonic transmitting / receiving element in the bending direction.
0, and indicates the length from one end of the element to the five division elements when a l, a position of the respective dividing element as l / l 0.
【0088】図6から明らかなように超音波放射面が凹
状で、その中央部が(001)面の結晶方位を有する圧
電体を備えた素子は、中心部の電気機械結合係数が大き
く、端部に向かうにしたがって小さくなることがわか
る。As is clear from FIG. 6, an element having a piezoelectric body having an ultrasonic radiation surface having a concave shape and having a (001) crystal orientation at the center has a large electromechanical coupling coefficient at the center, It turns out that it becomes small as it goes to a part.
【0089】また、(001)面が中央部となるように
凹状に加工した厚さが一定の91PZN−9PTの単結
晶片を用いて前述した図2に示すアレイ形超音波プロー
ブを作製した。すなわち、前記単結晶片の凹状面および
凸状面にTi/Auの導電膜をスパッタ法によりそれぞ
れ形成した。つづいて、前記単結晶片の凹状面側の導電
膜端部上にアース電極17を前記単結晶片の湾曲方向と
直交する方向に沿って導電ペーストを用いて接着した。
前記アース電極17を含む前記凹状面側の導体膜上に前
記単結晶片と同様に表面が凹状に湾曲すると共に厚さが
一定な形状を有する音響マッチング層を形成した。ひき
つづき、前記単結晶片の前記凸状面に位置する前記導電
膜端部上に複数の導体(ケーブル)を有するフレキシブ
ル印刷配線板18を前記単結晶片の湾曲方向と直交する
方向に沿って導電ペーストを用いて接着した後、これら
をバッキング材12上にエポキシ樹脂で接着する。次い
で、厚さ30μmのブレードを用いて前記音響マッチン
グ層から前記単結晶片に亘って前記単結晶片の湾曲方向
と平行になるように1mmの切り込み深さ、0.19m
mのピッチで短冊状に切断した。この切断により、前記
バッキング材12上に第1、第2電極13、14を有す
る互いに分離された複数の圧電体11と前記各々の圧電
体11上に配置された複数の音響マッチング層5が形成
され、アレイ形超音波プローブが作製された。The above-mentioned array type ultrasonic probe shown in FIG. 2 was manufactured by using a 91PZN-9PT single crystal piece having a constant thickness processed so as to be concave so that the (001) plane was the center. That is, a conductive film of Ti / Au was formed on the concave surface and the convex surface of the single crystal piece by sputtering. Subsequently, a ground electrode 17 was adhered to the end of the conductive film on the concave surface side of the single crystal piece by using a conductive paste along a direction orthogonal to the bending direction of the single crystal piece.
On the conductor film on the concave surface side including the ground electrode 17, an acoustic matching layer having a shape whose surface is curved concavely and has a constant thickness is formed similarly to the single crystal piece. Subsequently, the flexible printed wiring board 18 having a plurality of conductors (cables) on the end of the conductive film located on the convex surface of the single crystal piece is electrically conductive along a direction orthogonal to the bending direction of the single crystal piece. After bonding using a paste, these are bonded on the backing material 12 with an epoxy resin. Then, using a 30 μm-thick blade, a 1 mm cut depth of 0.19 m was formed from the acoustic matching layer to the single crystal piece so as to be parallel to the bending direction of the single crystal piece.
It was cut into strips at a pitch of m. By this cutting, a plurality of separated piezoelectric bodies 11 having first and second electrodes 13 and 14 on the backing material 12 and a plurality of acoustic matching layers 5 arranged on each of the piezoelectric bodies 11 are formed. As a result, an array-type ultrasonic probe was manufactured.
【0090】前記超音波プローブを用いて前記圧電体の
切断方向の音場測定を行った。その結果を図7に示す。Using the ultrasonic probe, a sound field was measured in a cutting direction of the piezoelectric body. FIG. 7 shows the result.
【0091】また、比較のために前記91PZN−9P
Tの単結晶からなる圧電体を平板状にし、かつ音響マッ
チング層に音響レンズを設けた以外、前述した図2と同
様な構造のアレイ形超音波プローブを作製した。この超
音波プローブについて同様な音場測定を行った結果を図
8に示す。For comparison, 91PZN-9P was used for comparison.
An array-type ultrasonic probe having the same structure as that of FIG. 2 described above was manufactured except that the piezoelectric body made of a single crystal of T was made flat and an acoustic lens was provided on the acoustic matching layer. FIG. 8 shows the result of the same sound field measurement performed on this ultrasonic probe.
【0092】図7、図8から明らかなように実施例6の
超音波プローブは平板状の圧電体を有する超音波プロー
ブに比べて特に−20dBのビーム幅に顕著な差が認め
られた。また、実施例6の超音波プローブはサイドロー
ブレベルが抑制されることにより細いビームになること
が確認された。さらに、実施例6の超音波プローブは信
号のS/Nが音響レンズを用いた超音波プローブに比べ
て5dB向上したことが確認された。As is clear from FIGS. 7 and 8, the ultrasonic probe of Example 6 showed a remarkable difference particularly in the beam width of −20 dB as compared with the ultrasonic probe having a flat piezoelectric material. Further, it was confirmed that the ultrasonic probe of Example 6 became a narrow beam due to suppression of the side lobe level. Further, it was confirmed that the ultrasonic probe of Example 6 improved the signal S / N by 5 dB as compared with the ultrasonic probe using the acoustic lens.
【0093】なお、実施例6において前記アース電極板
17と前記導体膜との接合、および前記フレキシブル印
刷配線板18と前記導体膜との接合は導電ペーストによ
る方法以外に、はんだ付けや抵抗溶接による方法で行っ
てもよい。In the sixth embodiment, the bonding between the ground electrode plate 17 and the conductive film and the bonding between the flexible printed wiring board 18 and the conductive film are performed by soldering or resistance welding in addition to the method using the conductive paste. The method may be performed.
【0094】実施例7 前記実施例1により得られた91PZN−9PTの単結
晶をラウエカメラを用いて[001]軸方位を出し、こ
の軸に垂直にカッタで切断した。つづいて、切断した単
結晶片の(001)面にTi/Au電極をスパッタ法に
よりそれぞれ形成し、150〜200℃のシリコーンオ
イル中で1kV/mmの電界を30分間印加した後、電
界を加えながら冷却した。ひきつづき、前記単結晶片お
よび前記電極を正六角形状に切断し、容量と共振、反共
振周波数を測定した。その結果、比誘電率は2200、
音速は3250m/s、電気機械結合係数kt は70〜
75%であることが確認された。Example 7 The single crystal of 91PZN-9PT obtained in Example 1 was oriented in the [001] axis direction using a Laue camera and cut with a cutter perpendicular to this axis. Subsequently, a Ti / Au electrode was formed on the (001) plane of the cut single crystal piece by sputtering, and an electric field of 1 kV / mm was applied in silicone oil at 150 to 200 ° C. for 30 minutes. While cooling. Subsequently, the single crystal piece and the electrode were cut into a regular hexagon, and the capacitance, resonance, and antiresonance frequency were measured. As a result, the relative dielectric constant is 2200,
Speed of sound is 3250m / s, the electromechanical coupling coefficient k t 70~
It was confirmed to be 75%.
【0095】さらに、前記91PZN−9PTの単結晶
を用いて図9に示す複数の超音波発生素子35を備えた
送波器36を作製した。すなわち、図10に示すように
前記単結晶から共振周波数が500kHzになるように
厚さを設定した圧電体31を切り出し、この圧電体31
の(001)面にTi/Au電極32、33をスパッタ
法によりそれぞれ形成した後、前記上部電極32側に音
響マッチング層34を形成して超音波発生素子35を作
製した。つづいて、複数の前記超音波発生素子35を直
径330mm、曲率260mmの略球殻状に稠密配置し
て前述した図9に示す送波器36を構成した。Further, using the single crystal of 91PZN-9PT, a transmitter 36 having a plurality of ultrasonic generating elements 35 shown in FIG. 9 was manufactured. That is, as shown in FIG. 10, a piezoelectric body 31 having a thickness set so as to have a resonance frequency of 500 kHz is cut out from the single crystal.
After the Ti / Au electrodes 32 and 33 were formed on the (001) plane by sputtering, respectively, an acoustic matching layer 34 was formed on the upper electrode 32 side to produce an ultrasonic wave generating element 35. Subsequently, a plurality of the ultrasonic wave generating elements 35 were densely arranged in a substantially spherical shell shape having a diameter of 330 mm and a curvature of 260 mm to constitute the above-described transmitter 36 shown in FIG.
【0096】前記送波器36は、前記各々の超音波発生
素子35に組み込まれる前記圧電体31の厚さが約3.
2mmと従来のPZT系セラミックからなる圧電体の厚
さ(4mm)に比べて薄くできた。その結果、前記各々
の超音波発生素子35はPZT系セラミックからなる圧
電体を有する超音波発生素子に比べて前記圧電体31に
電極32、33から25%大きい電界を印加することが
でき、放射音圧も電界に比例して増大させることができ
た。また、前記各々の超音波発生素子35の重量は従来
の超音波発生素子に比べて20%低減でき、軽量化が図
られた。In the transmitter 36, the thickness of the piezoelectric body 31 incorporated in each of the ultrasonic wave generating elements 35 is about 3.
The thickness was 2 mm, which was smaller than the thickness (4 mm) of a piezoelectric body made of a conventional PZT ceramic. As a result, each of the ultrasonic wave generating elements 35 can apply an electric field 25% larger than the electrodes 32 and 33 to the piezoelectric body 31 as compared with the ultrasonic wave generating element having a piezoelectric body made of PZT-based ceramic. The sound pressure could also be increased in proportion to the electric field. Further, the weight of each of the ultrasonic generating elements 35 can be reduced by 20% as compared with the conventional ultrasonic generating element, and the weight is reduced.
【0097】なお、前記実施例7では正六角形の超音波
発生素子を用い、これらを稠密配置して送波器を構成し
たが、これに限定されない。例えば、図11(a)、
(b)に示すように扇型の超音波発生素子351 および
長さの異なる対向辺を曲率とした台形状の超音波発生素
子352 を球殻状に稠密配置して送波器36を構成して
もよい。In the seventh embodiment, although a regular hexagonal ultrasonic wave generating element is used and these elements are densely arranged to constitute a transmitter, the present invention is not limited to this. For example, FIG.
The transmitters 36 and ultrasonic wave generating element 35 2 of the trapezoid and fan-shaped ultrasonic generating elements 35 1 and different opposing sides curvature lengths densely arranged in spherical shell as shown in (b) You may comprise.
【0098】実施例8〜12および参照例4、5 まず、出発原料として化学的に高純度のPbO、Zn
O、Nb2 O5 、TiO2 を用い、これらを純度補正し
た後、これらの原料を所定量秤量し、さらにフラックス
として同量のPbOを添加した。この粉末にアルコール
を添加し、ZrO2 ボールが収納されたボールミルで1
時間混合した。得られた混合物のアルコールを除去した
後、ライカイ機で十分に粉砕し、さらにゴム型容器に入
れ、2トン/cm2 の圧力でラバープレスを行なった。
ゴム型から取り出した固形物1000gを直径50m
m、容量250ccの白金製容器に入れ、白金製の蓋で
密閉した後、前記容器を電気炉の中心に設置した。10
00〜1280℃の温度まで5時間で昇温し、0.5〜
5℃/hrの速度で700〜900℃まで徐冷した。そ
の後、前記白金製容器に30%濃度の硝酸を添加し、2
4時間煮沸してフラックス部分を溶解し、固溶系単結晶
を取り出した。このようなフラックス法により得られた
単結晶は、不定形であるが、大きなものは約20mm角
であった。前記単結晶の一部を粉砕し、X線回折を行な
ったところ、良好な結晶構造を有することが確認され
た。前記粉末をICPにより化学分析を行ったところ、
亜鉛ニオブ酸(PZN)とチタン酸鉛(PT)とが9
1:9のモル比を有する91PZN−9PTの組成であ
ることが確認された。Examples 8 to 12 and Reference Examples 4 and 5 First, as a starting material, chemically high-purity PbO and Zn were used.
Using O, Nb 2 O 5 , and TiO 2 , the purity of these materials was corrected, these raw materials were weighed to a predetermined amount, and the same amount of PbO was added as a flux. Alcohol is added to this powder, and the powder is added to a ball mill containing ZrO 2 balls.
Mix for hours. After removing the alcohol from the obtained mixture, the mixture was pulverized sufficiently with a raikai machine, further placed in a rubber-type container, and subjected to rubber press at a pressure of 2 ton / cm 2 .
1000g of solid material taken out from rubber mold is 50m in diameter
m, placed in a 250 cc platinum container, sealed with a platinum lid, and then placed in the center of an electric furnace. 10
The temperature is raised to a temperature of 00 to 1280 ° C in 5 hours,
It was gradually cooled to 700 to 900 ° C. at a rate of 5 ° C./hr. Then, 30% nitric acid was added to the platinum container,
The mixture was boiled for 4 hours to dissolve the flux portion, and a solid solution single crystal was taken out. The single crystal obtained by such a flux method was amorphous, but the large one was about 20 mm square. When a part of the single crystal was pulverized and subjected to X-ray diffraction, it was confirmed that the single crystal had a good crystal structure. When the powder was subjected to chemical analysis by ICP,
Zinc niobate (PZN) and lead titanate (PT) are 9
It was confirmed that the composition was 91PZN-9PT having a molar ratio of 1: 9.
【0099】次いで、前記単結晶をラウエカメラを用い
て[001]軸方位を出し、この軸に垂直にカッタで切
断して7個の単結晶片を形成した。前記各単結晶片の両
面、つまり超音波送受信面および前記送受信面の反対側
の面となる(001)面を#400〜#8000のアル
ミナまたは炭化珪素からなる砥粒または1μmの酸化セ
リウム粉末を含むペーストで研摩した。研摩後の各単結
晶片の表面粗さを接触式表面粗さ計を用いて1mmの間
隔で10箇所測定した。この測定による最大表面粗さお
よび平均表面粗さを下記表3に示す。つづいて、前記各
単結晶片の研摩面(両面)にNi/Au電極をスパッタ
法によりそれぞれ形成し、150〜200℃のシリコー
ンオイル中で0.5〜1kV/mmの電界を15分間印
加した後、電界を加えながら40℃まで冷却した。ひき
つづき、前記各単結晶片および前記電極を80μmの幅
に短冊状に切断し、容量と共振、反共振周波数を測定し
た。その結果、比誘電率は3000、音速は2850m
/sであることが確認された。また、電気機械結合係数
k33´は下記表3に示す値であった。Next, the [001] axis orientation of the single crystal was determined using a Laue camera, and the single crystal was cut perpendicularly to this axis by a cutter to form seven single crystal pieces. Both surfaces of each single crystal piece, that is, the (001) surface which is the surface opposite to the ultrasonic transmitting / receiving surface and the transmitting / receiving surface is made of abrasive grains of alumina or silicon carbide of # 400 to # 8000 or cerium oxide powder of 1 μm. The paste was polished. The surface roughness of each polished single crystal piece was measured at 10 points at intervals of 1 mm using a contact surface roughness meter. Table 3 below shows the maximum surface roughness and average surface roughness obtained by this measurement. Subsequently, Ni / Au electrodes were formed on the polished surfaces (both surfaces) of each of the single crystal pieces by a sputtering method, and an electric field of 0.5 to 1 kV / mm was applied in silicone oil at 150 to 200 ° C. for 15 minutes. Then, it cooled to 40 degreeC, applying an electric field. Subsequently, the single crystal pieces and the electrodes were cut into strips each having a width of 80 μm, and the capacitance, resonance, and antiresonance frequency were measured. As a result, the relative dielectric constant is 3000 and the sound speed is 2850 m
/ S. The electromechanical coupling coefficient k 33 ′ was a value shown in Table 3 below.
【0100】[0100]
【表3】 [Table 3]
【0101】さらに、前記単結晶を振動方向の厚さが3
00μmになるように切りだし、前述したように砥粒ま
たは酸化セリユウム粉末を含むペーストで研摩して作製
した7個の単結晶片を用いて実施例1とほぼ同様な方法
により96個の素子数を有する前述した図1に示すアレ
イ形超音波プローブを作製した。なお、30μm幅のブ
レードによる切断は1mmの切り込み深さ、0.13m
mのピッチで行なわれ、得られた96個の圧電体は幅が
約80μmであった。Further, the thickness of the single crystal in the vibration direction is 3
Cut out to a thickness of 00 μm and polished with a paste containing abrasive grains or cerium oxide powder as described above. The array type ultrasonic probe shown in FIG. In addition, cutting with a blade of 30 μm width is performed with a cutting depth of 1 mm and 0.13 m.
The measurement was performed at a pitch of m, and the obtained 96 piezoelectric bodies had a width of about 80 μm.
【0102】前記各超音波プローブについてパルスエコ
ー法により反射エコーを測定したところ、全ての超音波
送受信素子から約2.5MHzの中心周波数を有するエ
コーが受信された。The reflection echo was measured for each of the ultrasonic probes by the pulse echo method. As a result, echoes having a center frequency of about 2.5 MHz were received from all the ultrasonic transmission / reception elements.
【0103】また、前記各アレイ形超音波プローブにつ
いて、繰り返し周波数5kHz、電圧100V、負荷比
(デューテイレシオ)1:1、パルス幅0.2μsの矩
形2波で1000時間および3000時間の実作動試験
を行った後、反射エコーの波高値を測定した。得られた
波高値が実作動試験前の値に比べて30以上劣化した場
合を故障と定義してプローブに組み込まれた96個の素
子の故障数を調べた。その結果を下記表4に示す。For each of the array-type ultrasonic probes, two rectangular waves having a repetition frequency of 5 kHz, a voltage of 100 V, a load ratio (duty ratio) of 1: 1 and a pulse width of 0.2 μs were operated for 1000 hours and 3000 hours. After the test, the peak value of the reflected echo was measured. When the obtained peak value was deteriorated by 30 or more compared to the value before the actual operation test, it was defined as a failure, and the number of failures of 96 elements incorporated in the probe was examined. The results are shown in Table 4 below.
【0104】[0104]
【表4】 [Table 4]
【0105】前記表3および表4から明らかなように超
音波送受信面およびこの超音波送受信面の反対側の面の
平均表面粗さがそれぞれ0.4μm以下、最大表面粗さ
が4μm以下の圧電体を有する実施例8〜12の超音波
プローブは、高い電気機械結合係数k33´を有するばか
りか、長期信頼性が優れていることがわかる。As is evident from Tables 3 and 4, the piezoelectric surface having an average surface roughness of 0.4 μm or less and a maximum surface roughness of 4 μm or less on the ultrasonic transmitting / receiving surface and the surface opposite to the ultrasonic transmitting / receiving surface, respectively. ultrasonic probe of example 8-12 with body, not only has high electromechanical coupling coefficient k 33 ', it can be seen that the long-term reliability is excellent.
【0106】なお、前記亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の
固溶系単結晶中のチタン酸鉛量を5〜20モル%(モル
比で0.05〜0.20)の範囲で変化させたり、マグ
ネシウムまたはジルコニウムを一部含む組成の単結晶か
ら切り出した圧電体を用いて図1に示す超音波プローブ
を作製した。このような超音波プローブは、前記表面粗
さに起因する長期信頼性に及ぼす効果ほぼ同等であっ
た。The amount of lead titanate in the lead zinc niobate-lead titanate solid solution single crystal may be changed in the range of 5 to 20 mol% (molar ratio of 0.05 to 0.20), The ultrasonic probe shown in FIG. 1 was manufactured using a piezoelectric material cut out of a single crystal having a composition partially containing magnesium or zirconium. Such an ultrasonic probe had almost the same effect on the long-term reliability due to the surface roughness.
【0107】[0107]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば低
周波駆動を達成できると共に、圧電体の振動方向の厚さ
を薄くできるため、送受信回路とのマッチングが取り易
く、さらに高感度化が可能な超音波送受信素子を提供で
きる。As described above, according to the present invention, low-frequency driving can be achieved, and the thickness of the piezoelectric body in the vibration direction can be reduced, so that matching with the transmitting / receiving circuit can be easily achieved, and higher sensitivity can be achieved. It is possible to provide an ultrasonic transmitting / receiving element capable of performing the above.
【0108】また、本発明によれば低周波駆動を達成で
きると共に、圧電体の振動方向の厚さを薄くできるた
め、送受信回路とのマッチングが取り易く、さらに高感
度化が可能な超音波送受信素子を備え、医療用診断装置
等に有用な超音波プローブを提供できる。Further, according to the present invention, low-frequency driving can be achieved, and the thickness of the piezoelectric body in the vibration direction can be reduced, so that matching with the transmission / reception circuit is easy, and the ultrasonic transmission / reception which can further increase the sensitivity is achieved. It is possible to provide an ultrasonic probe having an element and useful for a medical diagnostic apparatus and the like.
【0109】さらに、強力で制御性が良好な衝撃波を発
生することができ、結石破砕装置や温熱治療装置の衝撃
波源として好適な超音波治療装置用送波器を提供でき
る。Further, it is possible to provide a powerful ultrasonic wave transmitting device for an ultrasonic therapy apparatus which can generate a shock wave with good controllability and is suitable as a shock wave source for a calculus crushing apparatus and a thermal therapy apparatus.
【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]
【図1】本発明に係わる超音波プローブを示す斜視図。FIG. 1 is a perspective view showing an ultrasonic probe according to the present invention.
【図2】本発明に係わる別の超音波プローブを示す斜視
図。FIG. 2 is a perspective view showing another ultrasonic probe according to the present invention.
【図3】本発明の実施例5における超音波プローブの発
熱制御機能を備えた装置を示す概略図。FIG. 3 is a schematic diagram showing an apparatus having a function of controlling heat generation of an ultrasonic probe according to a fifth embodiment of the present invention.
【図4】図3の超音波プローブに用いられる圧電体とし
ての91PZN−9PTの固溶系単結晶における温度−
比誘電率の関係を示す線図。FIG. 4 shows a temperature of a solid solution single crystal of 91PZN-9PT as a piezoelectric material used in the ultrasonic probe of FIG. 3;
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between relative dielectric constants.
【図5】図3の装置において超音波プローブの発熱制御
を行った時の外気との温度差の時間変化を示す特性図。FIG. 5 is a characteristic diagram showing a time change of a temperature difference from outside air when heat generation control of an ultrasonic probe is performed in the apparatus of FIG. 3;
【図6】超音波送受信面が凹状をなす圧電体を有する超
音波送受信素子における前記圧電体のスライス方向に沿
う電気機械結合係数を示す特性図。FIG. 6 is a characteristic diagram showing an electromechanical coupling coefficient along a slice direction of the piezoelectric body in an ultrasonic transmitting / receiving element having a piezoelectric body having a concave ultrasonic transmitting / receiving surface.
【図7】実施例6のアレイ形超音波プローブにおける音
場測定結果を示す特性図。FIG. 7 is a characteristic diagram showing a sound field measurement result of the array type ultrasonic probe according to the sixth embodiment.
【図8】平板状の圧電体を有するアレイ形超音波プロー
ブにおける音場測定結果を示す特性図。FIG. 8 is a characteristic diagram showing a sound field measurement result of an array-type ultrasonic probe having a flat piezoelectric body.
【図9】本発明の実施例7にける送波器を示す平面図。FIG. 9 is a plan view showing a transmitter according to a seventh embodiment of the present invention.
【図10】図9の送波器に組み込まれる超音波発生素子
を示す斜視図。FIG. 10 is a perspective view showing an ultrasonic generator incorporated in the transmitter of FIG. 9;
【図11】本発明の送波器の他の例を示す概略図。FIG. 11 is a schematic view showing another example of the transmitter of the present invention.
1、11、31…圧電体、3、4、13、14、32、
33…電極、5、15、34…音響マッチング層、6…
音響レンズ、7、16…アース電極、8、17…フレキ
シブル印刷配線板、36…送波器。1, 11, 31 ... piezoelectric body, 3, 4, 13, 14, 32,
33 ... electrode, 5, 15, 34 ... acoustic matching layer, 6 ...
Acoustic lens, 7, 16 ... ground electrode, 8, 17 ... flexible printed wiring board, 36 ... wave transmitter.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 泉 守 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 橋本 新一 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝研究開発センター内 (56)参考文献 特開 昭54−34581(JP,A) 特開 昭56−115582(JP,A) 特開 昭56−115586(JP,A) 実開 昭56−71211(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) A61B 8/00 - 8/15 G01N 29/00 - 29/28 H01L 41/18 H04R 17/00 332 JICSTファイル(JOIS)──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing from the front page (72) Inventor Mamoru Izumi 1 Tokoba, Komukai Toshiba-cho, Saisaki-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Prefecture (72) Inventor Shinichi Hashimoto Toshiba Komukai, Kochi-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa No. 1, Toshiba Research and Development Center Co., Ltd. (56) References JP-A-54-34581 (JP, A) JP-A-56-115882 (JP, A) JP-A-56-115586 (JP, A) 56-71211 (JP, U) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) A61B 8/00-8/15 G01N 29/00-29/28 H01L 41/18 H04R 17/00 332 JICST file (JOIS)
Claims (7)
結晶からなる圧電体と、この圧電体の超音波送受信面お
よび前記送受信面と反対側の面にそれぞれ設けられた一
対の電極とを有し、 前記圧電体は、前記超音波送受信面およびこの超音波送
受信面と反対側の面がそれぞれ0.4μm以下の平均表
面粗さを有し、かつ4μm以下の最大表面粗さを有する
ことを特徴とする超音波送受信素子。1. A piezoelectric body made of a solid solution single crystal of lead zinc niobate-lead titanate, and a pair of electrodes provided on an ultrasonic transmitting / receiving surface of the piezoelectric body and a surface opposite to the transmitting / receiving surface, respectively. Wherein the piezoelectric body has an average surface roughness of 0.4 μm or less and a maximum surface roughness of 4 μm or less, respectively, on the ultrasonic transmission / reception surface and the surface opposite to the ultrasonic transmission / reception surface. An ultrasonic transmitting / receiving element characterized by the above-mentioned.
系単結晶は、 PbA [(Zn1/3 Nb2/3 )1-x Tix ]B O3 (た
だし、xは0.05≦x≦0.20、化学量論比A/B
は0.98≦A/B<1.00を示す)で表される組成
からなることを特徴とする請求項1記載の超音波送受信
素子。Wherein said zinc niobate - solid-solution single crystal of lead titanate, Pb A [(Zn 1/3 Nb 2/3) 1-x Ti x] B O 3 ( here, x is 0. 05 ≦ x ≦ 0.20, stoichiometric ratio A / B
The ultrasonic transmission / reception element according to claim 1, wherein the composition is represented by the following formula: 0.98 ≦ A / B <1.00.
子と、 前記超音波送受信素子の前記超音波送受信面上に設けら
れた音響マッチング層と、 前記音響マッチング層上に設けられた音響レンズと、 前記超音波送受信素子の前記超音波送受信面と反対側の
面上に設けられたバッキング材とを具備したことを特徴
とする超音波プローブ。3. The ultrasonic transmitting / receiving element according to claim 1, wherein: an acoustic matching layer provided on the ultrasonic transmitting / receiving surface of the ultrasonic transmitting / receiving element; and an acoustic lens provided on the acoustic matching layer. An ultrasonic probe, comprising: a backing material provided on a surface of the ultrasonic transmitting / receiving element opposite to the ultrasonic transmitting / receiving surface.
結晶からなる圧電体と、この圧電体の超音波送受信面お
よびこの超音波送受信面と反対側の面にそれぞれ設けら
れた一対の電極とを有する超音波送受信素子; 前記超音波送受信素子の前記超音波送受信面上に設けら
れた音響マッチング層; 前記音響マッチング層上に設けられた音響レンズ; 前記超音波送受信素子の前記超音波送受信面と反対側の
面上に設けられたバッキング材; を具備したことを特徴とする超音波プローブ。4. A piezoelectric body made of a solid solution single crystal of lead zinc niobate-lead titanate, and a pair of ultrasonic transmitting / receiving surfaces of the piezoelectric body and a pair of surfaces provided on the surface opposite to the ultrasonic transmitting / receiving surface. An ultrasonic transmitting / receiving element having an electrode; an acoustic matching layer provided on the ultrasonic transmitting / receiving surface of the ultrasonic transmitting / receiving element; an acoustic lens provided on the acoustic matching layer; An ultrasonic probe, comprising: a backing material provided on a surface opposite to the transmitting / receiving surface.
系単結晶は、 PbA [(Zn1/3 Nb2/3 )1-x Tix ]B O3 (た
だし、xは0.05≦x≦0.20、化学量論比A/B
は0.98≦A/B<1.00を示す)で表される組成
からなることを特徴とする請求項4記載の超音波プロー
ブ。Wherein said zinc niobate - solid-solution single crystal of lead titanate, Pb A [(Zn 1/3 Nb 2/3) 1-x Ti x] B O 3 ( here, x is 0. 05 ≦ x ≦ 0.20, stoichiometric ratio A / B
5. The ultrasonic probe according to claim 4, comprising a composition represented by: 0.98 ≦ A / B <1.00.
結晶からなる圧電体と、この圧電体の超音波送受信面お
よびこの超音波送受信面と反対側の面にそれぞれ設けら
れた一対の電極とを有する複数の超音波送受信素子; 前記複数の超音波送受信素子の前記超音波送受信面上に
それぞれ設けられた音響マッチング層; 前記音響マッチング層上に設けられた音響レンズ; 前記各超音波送受信素子の前記超音波送受信面と反対側
の面上に設けられたバッキング材; を具備し前記圧電体は、前記超音波送受信面がその配列
方向と直交する方向に凹状に湾曲すると共に厚さが一定
な形状を有し、かつ前記凹状超音波送受信面の中央部が
最大の電気機械結合係数を有することを特徴とする超音
波プローブ。6. A piezoelectric body made of a solid solution single crystal of lead zinc niobate-lead titanate, and a pair of ultrasonic transmitting and receiving surfaces of the piezoelectric body and a pair of surfaces provided on the surface opposite to the ultrasonic transmitting and receiving surface. A plurality of ultrasonic transmitting / receiving elements having electrodes; an acoustic matching layer provided on each of the ultrasonic transmitting / receiving surfaces of the plurality of ultrasonic transmitting / receiving elements; an acoustic lens provided on the acoustic matching layer; A backing material provided on a surface of the transmitting / receiving element opposite to the ultrasonic transmitting / receiving surface; and the piezoelectric body has a thickness such that the ultrasonic transmitting / receiving surface is concavely curved in a direction orthogonal to the arrangement direction thereof and has a thickness. Has a constant shape, and a central portion of the concave ultrasonic transmitting / receiving surface has a maximum electromechanical coupling coefficient.
結晶からなる圧電体と、この圧電体の超音波発生面およ
びこの超音波発生面と反対側の面にそれぞれ設けられた
一対の電極とを有する複数の超音波発生素子; 前記複数の超音波送発生素子の前記超音波送受信面上に
それぞれ設けられた音響マッチング層; を具備し、 前記複数の超音波送発生素子は、稠密配置されることを
特徴とする超音波治療装置用送波器。7. A piezoelectric body made of a solid solution single crystal of lead zinc niobate-lead titanate, and a pair of ultrasonic wave generating surfaces of the piezoelectric body and a pair of surfaces provided on a surface opposite to the ultrasonic wave generating surface. A plurality of ultrasonic wave generating elements having electrodes; an acoustic matching layer provided on each of the ultrasonic transmitting and receiving surfaces of the plural ultrasonic wave transmitting and generating elements; A transmitter for an ultrasonic therapy device, which is disposed.
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