JP2004274756A - 超微細加工超音波トランスデューサを用いたモザイク型アレイ - Google Patents

Abstract

【課題】構成可変型アレイを用いた超音波システムの複雑さを抑えて、消費電力及び経費を少なくすると共に可搬性を高める。
【解決手段】 超音波トランスデューサ・アレイが、多数の超小型電子スイッチ（Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３）によって相互接続されている多数の小素子（Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３）を含んでおり、各々の小素子が多数の超微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）セル（２）をそれぞれ含んでいる。特定の小素子の内部のＭＵＴセルは互いに結線されている。スイッチを用いて、多数の同心円環状素子を形成するように小素子を構成設定する。この設計は、複雑さを著しく減少させつつ、超音波画像データ取得時の仰角方向の集束を可能にする。
【選択図】 図４

Description

本発明は一般的には、超音波トランスデューサ素子のモザイク型アレイ、及びアレイにおける超微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）の利用に関する。ＭＵＴの特定的な一応用は医療診断超音波イメージング・システムにある。

従来の超音波イメージング・システムは、超音波ビームを送波し、次いで被検体から反射ビームを受波するのに用いられる超音波トランスデューサのアレイを含んでいる。かかる走査は、集束された超音波を送波し、短時間の後にシステムを受波モードに切り換えて、反射した超音波を受波し、ビームフォーミングして、表示用に処理するという一連の測定を含んでいる。典型的には、送波及び受波は各回の測定中は同一方向に集束されており、音波ビーム又は走査線に沿った一連の点からデータを取得する。受波器は、走査線に沿った一連のレンジ（距離）に動的に集束を行ないながら、反射した超音波を受波する。

超音波撮像では、アレイは典型的には、１列以上の列を成して配列されており別個の電圧で駆動される多数のトランスデューサを有している。印加電圧の時間遅延（すなわち位相）及び振幅を選択することにより、所与の列の個々のトランスデューサを制御して複数の超音波を発生することができ、これらの超音波を結合して、好ましいベクトル方向に沿って走行しておりビームに沿った選択されたゾーンに集束されている正味の超音波を形成する。

トランスデューサ・プローブを用いて受波モードで反射音波を受波するときにも同じ原理が当てはまる。受波を行なうトランスデューサに発生される電圧を、正味の信号が対象内の単一の焦点ゾーンから反射した超音波を示すものとなるように加算する。送波モードの場合と同様に、この集束式超音波エネルギ受波は、受波を行なっている各々のトランスデューサからの信号に対して別個の時間遅延（及び／又は位相シフト）並びにゲインを付与することにより達成される。帰投信号の深さの増大によって時間遅延を調節して、受波時の動的集束を行なう。

形成される画像の品質又は分解能は部分的には、トランスデューサ・アレイの送波アパーチャ及び受波アパーチャをそれぞれ構成するトランスデューサの数の関数となっている。従って、高画質を達成するためには、二次元撮像応用でも三次元撮像応用でもトランスデューサを多数にすることが望ましい。超音波トランスデューサは典型的には、手掌可搬型トランスデューサ・プローブに配設されており、プローブは可撓性のケーブルによって電子ユニットに接続されており、電子ユニットはトランスデューサ信号を処理して超音波画像を形成する。トランスデューサ・プローブは、超音波送波サーキットリ及び超音波受波サーキットリの両方を担持していてよい。

近年、半導体プロセスを用いて、容量型（ｃＭＵＴ）又は圧電型（ｐＭＵＴ）等の超微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）として公知の形式の超音波トランスデューサを製造することが行なわれている。ＭＵＴは微小なダイヤフラム様の装置であり、超音波受波信号の音響振動を変調型キャパシタンスへ変換する電極を備えている。送波については、容量電荷を変調して装置のダイヤフラムを振動させることにより、音波を送波する。

ＭＵＴの一つの利点は、「超微細加工（マイクロマシニング）」との頭語で括られる超微細製造プロセスのような半導体製造プロセスを用いて製造し得ることである。米国特許第６，３５９，３６７号（特許文献１）の説明によれば、次の通りである。

「超微細加工は、次の各項の組み合わせ又は部分集合を用いた微視的構造の形成である。すなわち（Ａ）パターニング・ツール（一般的には投影露光装置又はウェーハ・ステッパ等のリソグラフィ）、（Ｂ）ＰＶＤ（物理的気相堆積）、ＣＶＤ（化学的気相堆積）、ＬＰＣＶＤ（低圧化学的気相堆積）及びＰＥＣＶＤ（プラズマ化学的気相堆積）のような堆積ツール、並びに（Ｃ）湿式化学エッチング、プラズマ・エッチング、イオン・ミリング、スパッタ・エッチング又はレーザ・エッチング等のエッチング・ツール等である。超微細加工は典型的には、シリコン、ガラス、サファイア又はセラミックス製の基材又はウェーハ上で行なわれる。かかる基材又はウェーハは一般的には、極めて平坦且つ滑らかであり、インチ単位の横寸法を有している。これらの基材又はウェーハは通常、カセット内のグループとして、加工ツールから加工ツールへ移動しながら加工される。各々の基材は、製品の多数の複製を組み入れることができて有利である（但し必須ではない）。超微細加工には大きく分けて二つの形式がある。すなわち、（１）バルク超微細加工。この場合にはウェーハ又は基材はその厚みの大部分を蝕刻される、及び（２）表面超微細加工。この場合には蝕刻は一般的には、表面、具体的には表面上の薄膜堆積フィルムに限られる。本書で用いられる超微細加工の定義は、超微細加工が可能な従来の又は公知の材料の利用を含んでおり、かかる材料としては、シリコン、サファイア、あらゆる形式のガラス材料、ポリマー（ポリイミド等）、多結晶シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、アルミニウム合金、銅合金及びタングステンのような薄膜金属、スピン・オン・グラス（ＳＯＧ）、埋め込み（implantable）ドープ剤又は拡散ドープ剤、並びに酸化シリコン及び窒化シリコンのような成長フィルム等がある。」

本書でも同じ超微細加工の定義を採用する。
米国特許第６，３５９，３６７号

超音波トランスデューサ・アレイの設計を改善することが依然として必要とされている。優れた画質を達成するために、現状の超音波イメージング・システムは非常に複雑とならざるを得ない。従来のプローブは典型的には、１２８個の信号処理チャネルを有している（また電子式仰角集束を行なうアレイでは５倍もの増大がある）。また、殆どの撮像モダリティ（超音波を含む）で正しい臨床診断を下すことを可能にするためには、スライス厚を薄くした方が有利である。動的集束ビームを仰角方向及び方位角方向の両方で具現化すると、一般的（心エコーに対して）な撮像応用では特に、極めて複雑で且つ高経費となる。また、電子部品が占める容積及び消費電力は、かかるシステムを易可搬性にすることを阻んでいる。

本発明は、超音波トランスデューサのアクティブ・アパーチャを、極く小さい小素子（subelement）から成るモザイクとして分割し、次いで、これらの小素子を電子スイッチと相互接続することにより素子を形成するという考案を採用している。これらの素子は、スイッチ構成を変更することにより、モザイク型アレイの表面に沿って電子的に「移動」して走査を実行することができる。他の素子構成は、立体データ集合を取得する能力を提供するビーム方向制御（beam steering）を可能にする。多数の同心円環状素子から成る構成にすると、素子形状が音波の位相面（phase front）に整合することにより最適な音波画像の画質が得られる。本発明の一観点は、得られるアレイの構成可変性（reconfigurability）にある。

素子を構成変更する能力及び素子を位相面に整合させる能力の両方によって、ハイ・エンド・システムの画質を達成するのに必要な素子（又はチャネル）の数を大幅に減少させることができる。チャネル数が少ないので、ビームフォーミング用電子部品によって処理される必要のある信号の数も著しく減少する。従って、モザイク型アレイについてシステム電子部品が占める空間及び消費電力が、可搬性の高い超音波システムと両立するものとなる。

本発明の一観点は、多数の小素子を含むモザイク型アレイであって、小素子の各々が多数の超微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）セルをそれぞれ含んでおり、各々のＭＵＴセルが上面電極及び底面電極を含んでいる。任意の特定の小素子を構成するＭＵＴセルの上面電極は互いに結線されており、これらの同じＭＵＴセルの底面電極も同様に互いに結線されている。

本発明のもう一つの観点は、多数の超小型電子スイッチによって相互接続されている多数の小素子を含む超音波トランスデューサ・アレイであって、各々の小素子が多数のＭＵＴセルをそれぞれ含んでおり、特定の小素子内の各々のＭＵＴセルは互いに結線されている。

本発明のさらにもう一つの観点は、超音波トランスデューサの製法であって、多数の超小型電子スイッチを内部に有する基材を製造する工程と、基材上に多数のＭＵＴセルを超微細加工する工程とを備えており、各ＭＵＴセルはクラスタを成して相互接続されており、相互接続されているＭＵＴセルから成る各々のクラスタは超小型電子スイッチの一つにそれぞれ接続されている。

本発明のさらにもう一つの観点は、互いに結線されている上面電極及び互いに結線されている底面電極をそれぞれ含む多数のＭＵＴセルと、相互接続されている上面電極又は相互接続されている底面電極に接続されている出力端子を有する超小型電子スイッチと、超小型電子スイッチの入力端子に接続されている出力端子を有しており、超小型電子スイッチがオンになったときに超音波を発生させるように多数のＭＵＴセルを駆動するドライバ回路とを備えた超音波トランスデューサである。

本発明の他の観点については、以下に開示すると共に特許請求の範囲で請求する。

以下、図面を参照して説明する。図面では異なる図面で類似の要素に同じ参照番号を付す。

本書に開示する新規技術は、超微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）によってモザイク型アレイを具現化する独自の方法である。説明の目的で容量型超微細加工超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）を用いた本発明の様々な実施形態を説明する。但し、本書に開示する本発明の各観点は、ｃＭＵＴの利用に限らず、ｐＭＵＴ、又は下層の切換層への相互接続手段によってダイス加工型小素子の各々が接続されているようなダイス加工型圧電セラミックス・アレイにも適用され得ることを理解されたい。

ｃＭＵＴは、超音波エネルギの送受が可能な小型（例えば、５０μｍ）の容量型「ドラムヘッド」又はセルを含むシリコン系装置である。図１には、典型的なＭＵＴトランスデューサ・セル２の断面図が示されている。かかるＭＵＴトランスデューサ・セルから成るアレイが典型的にはシリコン・ウェーハのような基材４上に製造される。各々のＭＵＴトランスデューサ・セル毎に、基材４の上方に、窒化シリコン製等の薄膜又はダイヤフラム８が懸吊されている。膜８は、酸化シリコン又は窒化シリコン製等の絶縁性支持体６によって周縁で支持されている。膜８と基材４との間の空洞部２０は、空気若しくはガスを充填されていてもよいし、又は完全排気若しくは部分排気されていてもよい。アルミニウム合金又はその他適当な導電性材料のような導電性材料のフィルム又は層が膜８上で電極１２を形成しており、また導電性材料製のもう一つのフィルム又は層が基材４上で電極１０を形成している。代替的には、電極１０は基材４に埋め込まれていてもよい。また、電極１２は図１に示すように膜８の内部に埋め込まれているのではなく、膜８の表層に位置していてもよい。

２個の電極１０及び１２は、空洞部２０によって離隔されて、キャパシタンスを形成する。入射した音響信号が膜８を振動させると、付設の電子部品（図１には示されていない）を用いてキャパシタンスの変化を検出することができ、これにより音響信号を電気信号へ変換する。逆に、一方の電極に印加されたＡＣ信号が電極上の電荷を変調させると、電極同士の間の容量力に変調が生じ、後者の変調によってダイヤフラムが移動することにより音響信号を送波する。

動作について述べると、ＭＵＴセルは典型的には、電極に跨がって印加される時間変化型の電圧ｖ（ｔ）よりも有意に高いＤＣバイアス電圧Ｖｂｉａｓを有している。バイアスはクーロン力によって上面電極を底面に向かって引き付ける。大きいバイアスを印加するこの例では、ＭＵＴのドラムヘッドは、次の式のように与えられる膜変位ｕを生ずる。

式中、ｄは各電極すなわちキャパシタの各プレートの間の距離であり、εはセルの実効誘電率である。ＭＵＴセルの感度は、バイアス電圧が高く且つ各電極が相対的に近接している場合に最大となることが分かっている。

典型的なＭＵＴの寸法はミクロン単位であるので、多数のＭＵＴセルが典型的には近接して製造されて、単一のトランスデューサ素子を形成する。個々のセルは、円形、矩形、六角形又は他の周囲形状を有していてよい。六角形にするとトランスデューサ素子のＭＵＴセルを稠密に充填することができる。各ＭＵＴセルは、トランスデューサ素子が異なるセル寸法による複合的な特性を有することによりトランスデューサに広帯域特性を与えるように、異なる寸法を有していてよい。

ＭＵＴセルは、超微細加工プロセスにおいて互いに結線されて、小素子すなわち何らかの高度と考えられる態様でグループ化された個々のＭＵＴセルから成るクラスタを形成することができる。（「小素子」という用語は、以下ではかかるクラスタを記述するために用いられる）。これらの小素子は、ＭＵＴ小素子を構築する基材となるシリコン層の内部に超小型電子スイッチを配置することにより、かかる超小型電子スイッチ（結線ではなく）によって相互接続されて、円環のような相対的に大きい要素を形成する。この構築は、大量の量において低経費で実行され得る半導体プロセスに基づいて行なわれる。

最良の音響性能を得るモザイクを設計する多くの方法が存在する。例えば、送波時及び受波時の両方での位相面を整合させる、隣接する小素子の間に間隙を設けて素子間クロストークを低減する、モザイク格子のテセレーション（tessellation、領域充填）を形成するように様々な小素子パターンを選択する、並びに送波及び受波について様々な素子パターンを選択する等を行なって、特定応用における最高の音響性能を得ることができる。

本書に開示する実施形態では、トランスデューサは、ビーム方向、焦点位置、並びに最小のサイドローブ及びグレーティング・ローブ（grating lobe）に関して特定の音響出力を提供するように多くの方法で相互接続することのできるＭＵＴ小素子のアレイを用いて製造される。

説明の目的で、図２は、中央のセルを６個のセルの環で包囲した７個の六角形ＭＵＴセル２で構成される「デイジー型」小素子１４を示しており、環を成す各々のセルは中央セルの各辺と連続しており且つ環を成す隣接セルとも連続している。各々のセルの上面電極は互いに結線されている。同様に、各々のセルの底面電極も互いに結線されており、７倍の大きさの容量型小素子を形成している。

代替的な「六角型」小素子１６を図３に示しており、この小素子１６は１９個のＭＵＴセルで構成されている。各々のグループのセルの上面電極は互いに結線されており、同様に、各々のグループのセルの底面電極も接続されており、これによりさらに大きい容量型小素子を形成している。ＭＵＴセルは極めて小形に製造され得るので、極微細ピッチのモザイク型アレイを完成することが可能である。

本発明の範囲内にあるＭＵＴセル及び小素子を用いてトランスデューサ・アレイを形成し得る方法は多数存在する。図４及び図５は、モザイク型アレイを形成するための小素子のテセレーションの実例を示す。図４に示す実施形態では、「デイジー型」小素子（小素子当たり７個のＭＵＴセルが互いに結線されている）のテセレーションを各々含む４個の近似的に円環状の素子（参照番号２２、２４、２６及び２８によってそれぞれ示す）が、近似的に等しい素子当たり面積を有するように構成されている。図５に示す実施形態では、「デイジー型」小素子のテセレーションを各々含む６個の近似的に円環状の素子（参照番号３０、３２、３４、３６、３８及び４０によってそれぞれ示す）が、近似的に等しい素子当たり面積を有するように構成されている。各々の例でのテセレーションは、多数の小素子形式で構成されていてよい。アレイのパターンはテセレーションである必要はなく、音響小素子の存在しない区域を有していてもよい。例えば、ＭＵＴ小素子又はセルの上面電極接続をアレイの下方に誘導するバイアが存在していてもよい。

本発明の構成を、ビーム幅、サイドローブ・レベル又は焦点深さのような様々な音響パラメータを最適化するように変更してもよい。代替的には、小素子を送波動作について一つのアパーチャを形成するようにグループ化し、受波部分については他のアパーチャに直ちに切り換えてもよい。図４及び図５は近似的に円環状の素子を示しているが、例えば不連続環、八角環（octal ring）又は円弧等のような他の構成を具現化してもよい。パターンの選択は応用からの要求に応じたものとなる。

図６及び図７は、「六角型」小素子のテセレーションを含む素子パターンの幾つかの実例を示す。図６に示す実施形態は、「六角型」小素子（小素子当たり１９個のＭＵＴセルが互いに結線されている）のテセレーションを各々含む４個の素子（参照番号４２、４４、４６及び４８によってそれぞれ示す）を有している。素子は円形ではない。具体的には、第三の素子は不連続環となっており、又はさらに正確に述べると、複数の「六角型」小素子が等角度間隔で円周に分配されている。図７に示す実施形態は、「六角型」小素子のテセレーションから各々成る６個の素子（参照番号５０、５２、５４、５６、５８及び６０によってそれぞれ示す）を有している。本実施形態では、第四の素子は不連続環となっており、第一の素子（すなわち中央素子）は円形ではなく六角形となっている。

尚、図４〜図７に示す各パターンは説明のみを目的とすることを理解されたい。その他多くのパターンを画定することができ、この開示は本新規技術を本書に明示的に示すものに限定する訳ではない。

モザイク型円環状アレイの場合には、これらの円環によって、ビームフォーミング用電子部品によって処理されねばならない信号の数を大幅に減少させることが可能になる。例えば、ｃＭＵＴセルが８素子の円環状アレイに分配されているとすると、ビームフォーミング用電子部品はこれらの円環によって出力される８つの信号のみを扱えばよいことを意味する。このことは、従来のプローブの場合には信号処理チャネルの数が典型的には１２８個（また電子式仰角集束を行なうアレイではこの数の５倍になる）であることと全く対照的である。

本発明のさらにもう一つの観点では、構成可変型アレイでの素子間のクロストークを、小素子の間に小さな間隙を導入することにより低減することができる。図８は、「デイジー型」小素子１４のテセレーションを示しており、同図では各々の「デイジー型」小素子が間隙６２によって隣接する小素子から離隔されている。図９は、「六角型」小素子１６のテセレーションを示しており、同図では各々の「六角型」小素子が間隙６４によって隣接する小素子から離隔されている。クロストークをさらに低減するためには、各々の小素子の周りのシリコン基材に溝を具現化することができる。

各小素子（「デイジー型」、「六角型」又は他の形状）は、アレイの下方のスイッチを用いて動的に接続することができ、任意の素子パターンの形成を可能にし、すなわち換言すると構成可変型アレイの形成を可能にする。これらのスイッチは別個にパッケージ化されている構成要素であってよいが、ＭＵＴアレイを製造する基材となる同じ半導体基材の内部にスイッチを実際に製造することも可能である。ＭＵＴアレイを形成するのに用いられる超微細加工プロセスは、この集積型電子部品には何ら悪影響を及ぼさない。

本発明の一観点では、パルス発生回路を用いることにより高電圧スイッチの数を減少させることが可能であり、パルス発生回路は、高インピーダンスＭＵＴが必要とする電流が極めて限定されているため小型化することができる。

各々のＭＵＴ小素子は、二極動作を可能にするように接して接続されている２個のＤＭＯＳ ＦＥＴ（ソース・ノードが共に短絡されている。図１０のスイッチＸ１〜Ｘ３を参照）を含む高電圧切換回路によって駆動され得る。かかる切換回路は、米国特許出願１０／２４８，９６８号“Integrated High-Voltage Switching Circuit for Ultrasound Transducer Array”に開示されている。この切換回路では、両方のＦＥＴがオンになっているときには常に、スイッチ端子に電流が流れる。スイッチをオンにするためには、これらの装置のゲート電圧は、ソース電圧よりも閾電圧分だけ高くなければならない。閾電圧を上回ると、スイッチのオン抵抗はゲート電圧に反比例して変化する。ソース電圧がドレイン電圧に近くなるので（オン抵抗が小さく電流が小さいため）、ソース電圧は超音波送波パルス電圧に追随する。ゲート−ソース電圧を一定にしておくために、ゲート電圧もまた送波パルス電圧に追随しなければならない。このことは、スイッチ制御サーキットリからソース及びゲートを切り離して、ソースを参照としてゲートでの電位を固定することにより達成することができる。このことは好ましくは、ダイナミック・レベル・シフタを用いて達成される。

上述の米国特許出願１０／２４８，９６８号は、ダイオードを介してＤＭＯＳ ＦＥＴの共通ゲートにドレインを接続した高電圧ＰＭＯＳトランジスタを含むオン切換回路を開示している。ＰＭＯＳトランジスタのゲートは、スイッチのゲート・オン切換電圧ＶＰを受け取る。ＰＭＯＳトランジスタのソースはグローバル・スイッチ・ゲート・バイアス電圧（ノミナルで５Ｖ）にバイアスされている。スイッチをオンに切り換えるために、ＰＭＯＳトランジスタのゲート電圧ＶＰは高電圧（５Ｖ）から低電圧（０Ｖ）へ移行し、ＰＭＯＳトランジスタを介してＤＭＯＳ ＦＥＴの共有ゲート端子へグローバル・バイアス電圧を印加する。スイッチ・ゲート電圧ＶＰがグローバル・スイッチ・ゲート・バイアス電圧を上回ってドリフトしたときにＰＭＯＳトランジスタがオンにならないようにするためにダイオードを設けている。一旦、スイッチ・ゲート電圧ＶＰがスイッチ・ゲート・バイアス電圧に到達したら、ＤＭＯＳ ＦＥＴの寄生ゲート・キャパシタンスはこの電圧を保持する。この理由から、一旦、ゲート電圧ＶＰが安定したら、ＰＭＯＳトランジスタをオフにして節電することができる。スイッチのオン状態がスイッチ・ゲート・キャパシタンスに実効的に記憶されるという事実は、スイッチがスイッチ自体のメモリを有していることを意味する。

図１０（上で参照した米国特許出願１０／２４８，９６８号から引用）に示すように、この切換回路をスイッチの縦続接続の一部として用いることができる。図１０に示す縦続接続の例は直列接続されている３個のスイッチＸ１、Ｘ２及びＸ３を含んでいるが、図示の態様で３個よりも多いスイッチを縦続接続してよいことを理解されたい。スイッチＸ１〜Ｘ３の状態は、それぞれのスイッチ制御回路Ｃ１〜Ｃ３によって制御される。ゲート・オフ切換電圧ＶＮ及びゲート・オン切換電圧ＶＰを制御するディジタル回路（図示されていない）が存在している。このディジタル回路は、スイッチの状態に関するローカル・メモリを有している。外部の制御システム（図１０のプログラミング回路６８）が、スイッチ・メモリの全てがオン、オフ又はＮＯ＿ＣＨＡＮＧＥのいずれかの状態になるようにプログラムしている。次いで、グローバル選択線７０（図１０を参照）を用いてこの状態を実際のスイッチ制御回路に適用する。従って、選択線が起動されるまで、ＶＮ及びＶＰは両方ともゼロである。この状態で、スイッチ自体は最終の状態を保持している。グローバル選択線７０が起動されると、ＶＮを高にする（スイッチをオフにする）か、ＶＰを低にする（スイッチをオンにする）か、又はＶＮ及びＶＰを両方とも低にする（スイッチ状態を変化させない）のいずれかにより、記憶されているスイッチ状態をスイッチ自体に伝達する。図１０の各々のスイッチＸ１〜Ｘ３のグローバル・スイッチ・ゲート・バイアス電圧端子はバス７２に接続されている。グローバル選択線７０をグローバル・スイッチ・ゲート・バイアス電圧バス７２と組み合わせると、各々のスイッチＸ１〜Ｘ３のオン切換電圧を独立にプログラムすることが可能になる。さらに明確に述べると、各々のスイッチはスイッチ自体の一意のゲート・オン切換電圧でプログラムされることができ、ゲート・オン切換電圧を用いて、アレイ内の全てのスイッチのオン切換抵抗を調節して、処理によるばらつきを補正することができる。

さらに図１０の説明を続ける。スイッチＸ１がオンになったときには超音波ドライバ６６によって第一の超音波トランスデューサＵ１を駆動することができ、スイッチＸ１及びＸ２が共にオンになったときには超音波ドライバ１０によって第二の超音波トランスデューサＵ２を駆動することができ、スイッチＸ１、Ｘ２及びＸ３が全てオンになったときには超音波ドライバ１０によって第三の超音波トランスデューサＵ３を駆動することができる。各々の超音波トランスデューサは、本書に開示した各形式の一つの小素子であってよい。

（実施例１）
（構成可変型ＭＵＴによるモザイク型アレイの応用）
本発明は、アレイの構成可変性の概念を活用している。以下の実施例は、活用できる可能性の集合全体を網羅するためではなく、説明の目的のために掲げられるものとする。

ａ．円環状アレイ
公知の非モザイク型円環状アレイでは、中央素子及び各円環が全て等しい面積を有しているという等面積近似を用いてアレイを構築することが一般に行なわれている。このアプローチでは、各々の素子間での位相シフトは強制的に一定とされる。また、全ての素子インピーダンスを一様であるものとし、これにより、素子を駆動したり素子から受波したりするサーキットリに等しい負荷を与えている。このことを助けとして各々の素子のスペクトル内容が近似的に一様になり、従って、送波及び受波時のビームフォーミング過程の一貫性が最大限になる。

しかしながら、コンピュータ・シミュレーションによれば、等面積アプローチでは、近距離音場に与かる素子の数が限定されるため、アレイの近距離音場性能が限定される。代替的な一設計は、定数Ｆ数設計と呼ばれ、平坦な（予め集束されていない）円環状アレイに関するものである。このアプローチでは、アパーチャから外れない限り関心のあるレンジ全体にわたって一定のＦ数を保とうとする。これらの設計及び他の変形設計は、本書に開示したＭＵＴ小素子の構成可変型アレイによって容易に具現化される。

ｂ．非円環状アレイ
ＭＵＴの構成可変性によって、モザイク型アレイ素子の形状及び寸法に際立った一般性が可能になることが理解されよう。臨床応用によっては、楕円設計（仰角撮像を用いる場合）又は可能性としては疎分散アレイ設計のような他の構成を必要とする場合もある。

ｃ．送波対受波での異なる構成
ＭＵＴアレイ基材の内部の集積型電子部品は、アレイ素子のパターン又は構成を迅速に切り換える能力を提供する。このことが音響性能に齎す一つの利点は、受波アパーチャとは異なる送波アパーチャを用いる能力である。送波時には、固定された焦点深さに最適なアパーチャを構成することができ、受波時には動的に変化する焦点（又はアパーチャ若しくはアポダイゼーション）に適したアパーチャを具現化することができる。本実施例は、アパーチャの寸法の変更に限定されない（例えば、全てのシステム・チャネルを送波及び受波の両方に用いることができる）。

ｄ．ビーム方向制御
構成可変型アレイは、所与のビームについて同様の遅延値を有する小素子を共にグループ化することによりビームを方向制御する可能性を齎す。側面方向（broadside）のビームは円環様に成形されたグループを形成する一方、垂線から離隔するように方向制御されるビームは円弧形状のグループを形成する。

ビームを三次元で方向制御することもでき、すなわち方位角方向及び仰角方向の両方に方向制御することができる。構成可変型設計による付加価値は、典型的なフェーズド・アレイは浅い方向制御角での音場を著しくオーバサンプリングしているため、より少数のシステム・チャネルでこれらの方向制御されたビームを実現し得るということである。このように、所要の時間遅延に従ってモザイク設計において素子を共に実効的にグループ化することにより、限定された数のチャネルでビーム方向制御を達成することができる。所要の離散的な遅延の数は、空間サンプリングの粗さが増すにつれて生ずるサイドローブのレベルに関係する。

（実施例２）
（音響性能の向上）
ａ．小素子間でのバイアス電圧のばらつき
送波アパーチャでの急激な振幅変化からギプス現象に関連する過程を介して相対的に大振幅のサイドローブが発生することは周知である。一次元アレイの場合には、殆どの製造者はこれらのサイドローブを減少させるように加重（又はアポダイゼーション）を適用している。アレイの表面に対して垂直な方向に送波するモザイク型円環状アレイの場合には、アポダイゼーションをアレイの個々の環に対して適用することができる。ビーム方向制御を行なうモザイク型円環状アレイでは、円弧の各々に一定の振幅を適用しなければならず、これらの円弧はモザイク型円環状アレイのアパーチャの辺縁で終端しているため、上述のアポダイゼーションは最早可能でない。この問題点を解決するために、アパーチャに跨がるバイアス電圧を修正して、ＭＵＴセルの全体にわたって球面型（又は他の形状の）変調を生成し、これによりビーム形成過程を所望に応じて変化させることができる。一般的には、このことは、アクティブ・アパーチャにわたってバイアス電圧を制御することを意味する。この場合にもやはり、この制御の離散性は、所望のビーム品質及び許容され得る回路の複雑さによって決定される。バイアス電圧を用いてアポダイゼーションの形態を確定することにより、円環を用いている場合でも、アポダイゼーション関数の形状は円環ではなく小素子によって決まるので、アポダイゼーションはさらに制御し易くなる。

さらに、プロセスばらつきのため小素子の音響感度はアレイ全体で一様でなくなる可能性がある。感度はバイアス電圧に依存するので、各々の小素子のこの電圧を独立に調節することにより感度のばらつきを補償することができる。

ｂ．適応型音響応用
ビームフォーミングの品質は、アレイ内の任意の小素子（又は複数の小素子から成る任意のグループ）によって受波されるエコーを単離して、モザイク型アレイの全ての素子からの和（ビーム和）のエコーに対する上述のエコーの時間的関係を比較することにより定期的に検査することができる。次いで、この小素子（又はグループ）を、ビーム和信号に対する位相関係又は時間遅延関係に応じて異なる円環又は円弧に再度割り当てることができる。

ｃ．高調波応用
本書に開示するモザイク型アレイはまた、広い帯域幅という利点を与える。モザイク型アレイを用いると、特にモザイク型円環構成の場合には、音場に対する可能な制御性が高くなるため、矩形アパーチャで達成可能であるものよりも大量の高調波エネルギを発生することが期待される。さらに、ＭＵＴの帯域幅が広いので、この付加的な高調波エネルギはさらに容易に検出されるものと期待される。

広帯域幅性能に関して、第三高調波撮像の可能性は、本書に開示するモザイク型アレイによるアプローチであれば遥かに高まる（現行のシステムは第二高調波のみを用いている）。

さらに、本書に開示するモザイク型アレイはビーム形状についての利点を与える。組織特徴評価（キャラクタリゼーション）のような手法は、ＭＵＴのような広帯域幅素子の利用によって直接的に利得を得る。この理由は、組織特徴が、優れた分解能のためさらに十分にサンプリングされるからである。

要約すると、本書に開示する発明は、スライス厚を薄くすること、仰角方向で動的に集束されるビーム、及びアレイの構成可変性を含めた優れたビーム性能を提供して、具体的な診断環境での音響性能を高める。本発明はまた、チャネル数が減少したことによりシステムの複雑さを抑えて、消費電力及び経費を少なくすると共に可搬性を高めている。

ＭＵＴ技術をモザイク型アレイと併用することにより、微小ピッチの素子を構成変更して、多くの異なる超音波応用にわたって優れた画質を与えるのに必要とされる音響位相面に整合させる能力が提供される。ＭＵＴセルはまた、非共振構造でもある。結果として、ＭＵＴセルは、従来の圧電セラミックス・アレイよりも遥かに広い周波数範囲にわたって動作することが可能である。モザイク型アレイ技術によって、実時間二次元撮像及び電子駆動式三次元撮像を既存の最新型アレイよりも遥かに細かいビーム成形及び遥かに細かい制御で行なうことができる。

好適実施形態を参照して本発明を説明したが、当業者であれば本発明の範囲から逸脱せずに様々な変形を施しまた各実施形態の要素を均等構成で置換し得ることが理解されよう。加えて、発明の本質的な範囲から逸脱せずに本発明の教示に合わせて具体的な状況を適応構成する多くの改変を施すことができる。従って、本発明は、本発明を実施するのに想到される最良の態様として開示した特定的な実施形態に限定されているのではなく、特許請求の範囲に含まれる全ての実施形態を包含するものとする。

典型的なｃＭＵＴセルの断面図である。 上面電極及び底面電極がそれぞれ互いに結線されている７個の六角形ＭＵＴセルから形成される「デイジー型」小素子を示す図である。 上面電極及び底面電極がそれぞれ互いに結線されている１９個の六角形ＭＵＴセルから形成される「六角型」小素子を示す図である。 本発明の一実施形態による４個の円環状素子を含むモザイク型アレイの一部を示す図であって、各々の円環状素子が近似的に等しい素子当たり面積を有するように構成されている「デイジー型」小素子のテセレーションから成っている場合の図である。 本発明のもう一つの実施形態による６個の円環状素子を含むモザイク型アレイの一部を示す図であって、各々の円環状素子が近似的に等しい素子当たり面積を有するように構成されている「デイジー型」小素子のテセレーションから成っている場合の図である。 本発明のさらにもう一つの実施形態による４個の素子を含むモザイク型アレイの一部を示す図であって、各々の素子が「六角型」小素子のテセレーションから成っている場合の図である。 本発明のさらにもう一つの実施形態による６個の素子を含むモザイク型アレイの一部を示す図であって、各々の素子が「六角型」小素子のテセレーションから成っている場合の図である。 信号クロストークの低減のための間隙によって離隔されている「デイジー型」小素子のテセレーションを示す図である。 信号クロストークの低減のための間隙によって離隔されている「六角型」小素子のテセレーションを示す図である。 本発明の一実施形態によるモザイク型アレイの超音波トランスデューサを選択的に駆動する高電圧切換回路の縦続接続の図である。

符号の説明

２ ＭＵＴトランスデューサ・セル
４ 基材
６ 絶縁支持体
８ ダイヤフラム
１０、１２ 電極
１４ デイジー型小素子
１６ 六角型小素子
２０ 空洞部
２２、２４、２６、２８ デイジー型小素子による４素子型円環状素子
３０、３２、３４、３６、３８、４０ デイジー型小素子による６素子型素子
４２、４４、４６、４８ 六角型小素子による４素子型素子
５０、５２、５４、５６、５８、６０ 六角型小素子による６素子型素子
６２、６４ 素子間間隙
７０ グローバル選択線
７２ バス

Claims (10)

1. 多数の小素子（Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３）を備えたモザイク型アレイであって、前記小素子の各々が多数の超微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）セル（２）をそれぞれ含んでおり、各々の超微細加工超音波トランスデューサ・セルが上面電極（１２）及び底面電極（１０）を含んでおり、任意の特定の小素子を構成する前記超微細加工超音波トランスデューサ・セルの上面電極は互いに結合されており、同じ超微細加工超音波トランスデューサ・セルの底面電極は互いに結合されている、モザイク型アレイ。
2. 前記小素子のそれぞれ一つに各々接続されている多数のスイッチ（Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３）をさらに含んでいる請求項１に記載のモザイク型アレイ。
3. 半導体基材（４）をさらに含んでおり、前記スイッチは前記半導体基材の内部に作製されており、前記容量型超微細加工超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）セルは前記半導体基材の上に作製されている、請求項２に記載のモザイク型アレイ。
4. 前記多数のスイッチを制御するプログラミング回路（６６）をさらに含んでいる請求項２に記載のモザイク型アレイ。
5. 前記プログラミング回路は、オンに切り換えられた小素子が全体的に円環状の環を形成するように前記スイッチを制御する、請求項４に記載のモザイク型アレイ。
6. 多数の超小型電子スイッチにより相互接続されている多数の小素子（Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３）を備えた超音波トランスデューサ・アレイであって、各々の小素子が多数の超微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）セルをそれぞれ含んでおり、特定の小素子内の各々の超微細加工超音波トランスデューサ・セルが互いに結線されている、超音波トランスデューサ・アレイ。
7. それぞれの素子を形成するように選択された小素子を相互接続するプログラミング手段（６８）をさらに含んでいる請求項６に記載のアレイ。
8. 前記それぞれの素子は、電子的に形成される円環状アレイの多数の同心円環を形成する、請求項７に記載のアレイ。
9. 前記小素子は送波時には第一の構成で相互接続され、受波時には前記第一の構成と異なる第二の構成で相互接続される、請求項７に記載のアレイ。
10. 互いに結線されている上面電極（１２）及び互いに結線されている底面電極（１０）をそれぞれ含む多数の超微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）セル（２）と、
    前記相互接続されている上面電極又は前記相互接続されている底面電極に接続されている出力端子を有する超小型電子スイッチ（Ｘ１）と、
    該超小型電子スイッチの入力端子に接続されている出力端子を有しており、前記超小型電子スイッチがオンになったときに超音波を発生させるように前記多数の超微細加工超音波トランスデューサ・セルを駆動するドライバ回路（６６）とを備えた超音波トランスデューサ。

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