JP2007029259A

JP2007029259A - 超音波探触子

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Publication number: JP2007029259A
Application number: JP2005214249A
Authority: JP
Inventors: Katsunori Asafusa; 勝徳浅房
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 2005-07-25
Filing date: 2005-07-25
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2025-07-25
Also published as: JP4719525B2

Abstract

【課題】バイアス電源に生じる過渡現象から振動要素を保護するのにより好適な超音波探触子を実現する。
【解決手段】超音波探触子は、超音波と電気信号を相互に変換する振動子を配列してなり、振動子は、超音波送受信感度が印加バイアスの大きさに応じて変化する振動要素１０−１（例えばｃＭＵＴ）と、振動要素１０−１に接続された上部電極１２ａ―１及び下部電極１２ｂ−１を有し、振動要素１０−１の定格電圧を超える過電圧を阻止する保護回路１４−１が振動要素１０−１とバイアス手段１６との間に配設される。
【選択図】図１

Description

本発明は、被検体に関する診断画像として超音波像を撮像するのに適用される超音波探触子に関する。

被検体との間に超音波を送受する超音波探触子は、駆動信号を超音波に変換して被検体に送波するとともに、被検体から発生した反射エコーを受波して受信信号に変換する振動子が配設されている。この振動子として、超音波送受信感度が印加バイアスの大きさに応じて変化する振動要素と、振動要素に接続された電極が形成されたものが知られている。

このような超音波探触子においては、振動要素に電極を介してバイアスを印加するに際し、バイアスの大きさを制御することにより、超音波探触子で送受される超音波ビームのビームプロファイルを改善してビーム幅を絞ることが行われる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２７４７５６号公報

ところで、特許文献１のような従前の方式では、振動要素にバイアスを印加するに際し、バイアス電源に一時的な過渡現象（例えば電源の遮断）が生じた場合、定格を超えた過電圧が振動要素に印加されることがある。その場合、振動要素に例えばなだれ降状現象や短絡の異常状態が発生して過電流が流れることがある。振動要素に過電流が流れると、振動要素の電極の温度が上昇する結果、電極導体の蒸発に起因する断線などの障害が発生するおそれがある。

本発明の課題は、バイアス電源に生じる過渡現象から振動要素を保護するのにより好適な超音波探触子を実現することにある。

上記課題を解決するため、本発明の超音波探触子は、超音波と電気信号を相互に変換する振動子を配列してなり、振動子は、超音波送受信感度が印加バイアスの大きさに応じて変化する振動要素と、振動要素に接続された電極とを有し、振動要素の定格電圧を超える過電圧を阻止する保護手段が電極とバイアス電源との間に配設されてなることを特徴とする。

これによれば、バイアス電源の過渡現象に起因して過電圧が発生した場合、その過電圧は、振動要素に印加される前に抑制される。したがって、振動要素に過電流が流れることを防止できるため、過電流が要因で生じる障害を防止できる。このようにバイアス電源に生じる過渡現象から振動要素を保護できる。

この場合において、保護手段は、電極とバイアス電源との間に直列に接続された抵抗を有し、抵抗は、振動要素に過電圧が印加されたときの振動要素の電気抵抗よりも抵抗値を大きく設定することができる。これにより、バイアス電源に生じた過渡現象に起因する過電圧は、振動要素に印加される前に抑制される。したがって、振動要素に過電流が流れることを防止できる
また、保護手段は、電極とバイアス電源との間に直列に接続されたスイッチを有し、スイッチは、電極とバイアス電源との間に流れる電流が増大するにつれてインピダンスを大きくすることができる。これにより、バイアス電源に生じた過渡現象に起因する過電流は、振動要素に流れる前に検出されて低減される。

また、保護手段は、電極とバイアス電源との間に配設された電圧リミット回路を有し、電圧リミット回路は、振動要素に印加されるバイアスの大きさを設定電圧以下に保持することができる。これにより、振動要素に印加される電圧は、振動要素に印加される前に検出された後に、設定電圧以下にシャント、クリップすることができる。

また、本発明の超音波探触子は、超音波と電気信号を相互に変換する振動子を配列してなり、振動子は、超音波送受信感度が印加バイアスの大きさに応じて変化する複数の振動要素と、配列方向に直交する短軸方向に分割された複数の電極とを有し、分割された電極を一又は隣接する分割部からなる組に分け、各組とバイアス電源との間に、振動要素の定格電圧を超える過電圧を阻止する保護手段が配設されるものとし、保護手段は、短軸方向の中心から端に向かうにつれて組単位で許容電圧が小さく設定して構成できる。

これによれば、短軸方向の中心部に位置する組の各振動要素は強電界にできるし、短軸方向の端に向かうにつれて組単位で弱電界にできる。したがって、中心部に対応する超音波のエネルギは比較的高めになるし、端に向かうにつれて組単位で超音波のエネルギは比較的低めになる。これにより、各組で送受される超音波ビームの短軸方向の形状をよりシャープに形成しつつ、各振動要素を過電流から保護できる。

本発明によれば、バイアス電源に生じる過渡現象から振動要素を保護するのにより好適な超音波探触子を実現できる。

（第１の実施形態）
本発明を適用した超音波探触子の第一の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の超音波探触子の構成を示す図である。

図１に示すように、超音波探触子は、超音波と電気信号を相互に変換する振動子を配列してなり、その振動子は、超音波送受信感度が印加バイアスの大きさに応じて変化する複数の振動要素１０−１,１０−２と、振動要素１０−１に接続された電極としての上部電極１２ａ−１及び下部電極１２ｂ−１と、振動要素１０−２に接続された電極としての上部電極１２ａ―２及び下部電極１２ｂ−２を有して形成されている。

ここで本実施形態の超音波探触子は、振動要素１０−１の定格電圧を超える過電圧を阻止する保護手段としての保護回路１４−１が振動要素１０−１とバイアス手段１６との間に配設されている。同様に、振動要素１０−２とバイアス手段１６の間に保護回路１４−２が配設されている。なお、振動要素をセルと称してもよいし、その数については必要に応じて増やせばよい。

より詳細に超音波探触子について説明する。超音波探触子は、超音波診断装置に接続される。超音波診断装置は、図１に示すように、超音波探触子に駆動信号を供給する送信手段１８と、超音波探触子から出力された受信信号を処理する受信手段２０と、超音波探触子にバイアスを印加するためのバイアス電源（ＤＣ電源）を有するバイアス手段１６が配設されている。なお、送信手段１８及び受信手段２０は、送受分離手段２２を介して超音波探触子との間で信号を授受する。例えば、送受分離手段２２と例えば振動要素１０−１との間に信号線と信号のリターン線がＡＣ結合されている。

超音波探触子に適用する振動要素１０−１は、印加バイアスの大きさに応じて電気機械結合係数が変化する超音波トランスデューサである。例えば図１は、ｃＭＵＴ（Capative Micromachined Ultrasonic Transducer：IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr. Vol45 pp.678-690 May 1998等）を振動要素１０−１として適用した例である。

ｃＭＵＴは、半導体基板上に太鼓状の中空膜を上部電極１２ａ-１と下部電極１２ｂ−１で挟んだいわばコンデンサ構造を有する。このようなｃＭＵＴに対してバイアス手段１６からバイアスが印加されると、上部電極１２ａ-１と下部電極１２ｂ−１間に電界が発生することで膜が緊張状態となる。この状態のｃＭＵＴに送信手段１８から駆動信号が供給されると、膜の振動に由来して超音波が被検体に対して送波される。また、被検体から発生した反射エコーがｃＭＵＴに入力されると、内部空間の容量が変化するため、その容量変化を電気信号として取り出すことで受信信号が得られる。また、ｃＭＵＴに印加するバイアスの大きさに応じて膜の緊張度が変わるため、バイアスの大きさを制御することにより超音波の強度に重みを付けることができる。なお、ｃＭＵＴを代表して説明したが、電歪材を含んで形成される素子を適用してもよい。

振動要素１０−１は、上部電極１２ａ−１が頂部に形成されるとともに、底部に下部電極１２ｂ−１が底部に形成されている。上部電極１２ａ―１は、バイアス手段１６の正バイアス側に端子２４ａを介して接続されている。下部電極１２ｂ−１は、バイアス手段１６の負バイアス側に端子２４ｂを介して接続されている。このような振動要素１０−１とバイアス手段１６との間に保護回路１４−１が配設されている。配設位置について補足すると、保護回路１４−１は、送信手段１８又は受信手段２０並びに送受分離手段２２が振動要素１０−１に接続する接続位置よりもバイアス手段１６側に設けられている。この保護回路１４−１の具体例を以下の実施例１〜５で説明する。なお、振動要素１０−１を代表して説明したが、他の振動要素１０−２についても同様である。

（実施例１）
図２は、本実施形態の超音波探触子に適用する保護回路の第一の実施例を示す図である。図２Ａは、保護回路１４−１の構成及び接続形態を示す図である。図２Ｂは、バイアス手段１６の出力バイアスＶ_ｄｃと振動要素１０−１の印加バイアスＶ_ｃｅｌｌとの関係を示す特性図である。図２Ｃは、バイアス手段１６の出力バイアスＶ_ｄｃと振動要素１０−１に流れる電流Ｉ_ｃｅｌｌとの関係を示す特性図である。

図２Ａに示すように、保護回路１４−１は、上部電極１２ａ―１とバイアス手段１６との間に直列に接続された抵抗Ｒ_ｓ（図の抵抗２６）などから構成されている。抵抗Ｒ_ｓの抵抗値は、正常バイアスが印加されたときの振動要素１０−１の電気抵抗よりも小さく設定され、かつ過電圧が印加されたときの振動要素１０−１の電気抵抗よりも大きく設定されている。なお、正常バイアスとは、振動要素１０−１の定格電圧以下のバイアスである。過電圧とは、振動要素１０−１の定格電圧を超えたバイアスである。

ここで振動要素１０−１は、図２Ａに示すように、コンデンサＣ_ｃｅｌｌと、コンデンサＣ_ｃｅｌｌに並列に接続された抵抗Ｒ_ｃｅｌｌとを有した等価回路で表される。ここでのＶ_ｄｃは、バイアス手段１６のバイアス電源の出力バイアスを示す。Ｖ_ｃｅｌｌは、振動要素１０−１に印加されるバイアスを示す。Ｉ_ｃｅｌｌは、振動要素１０−１の抵抗Ｒ_ｃｅｌｌを流れる電流を示している。

まず、振動要素１０−１に正常バイアスが印加された場合、印加バイアスＶ_ｃｅｌｌは数１式のように表される。一方、振動要素１０−１に過電圧が印加された場合、印加バイアスＶ_ｃｅｌｌは数２式のように表される。なお、振動要素１０−１に過電圧が印加された場合、定格電流を超えた過電流が振動要素１０−１に流れるが、その際の振動要素１０−１の抵抗をＲ_ｃｅｌｌ´とする。

（数１式）
Ｖ_ｃｅｌｌ＝Ｖ_ｄｃ・Ｒ_ｃｅｌｌ／（Ｒ_ｓ＋Ｒ_ｃｅｌｌ）
（数２式）
Ｖ_ｃｅｌｌ＝Ｖ_ｄｃ・Ｒ_ｃｅｌｌ´／（Ｒ_ｓ＋Ｒ_ｃｅｌｌ´）

数１式および数２式において、抵抗Ｒ_ｓの抵抗値は数３式に示す条件がある。したがって、数１式および数２式は、数４式のように表される。数３式及び数４式から分かるように、数４式の右辺の出力バイアスＶ_ｄｃに対する乗算項は「１」よりも小さくなる。したがって、バイアス手段１６の出力バイアスＶ_ｄｃが振動要素１０−１の定格電圧を超えた場合、図２Ｂに示すように印加バイアスＶ_ｃｅｌｌの電圧降下が生じる。また、図２Ｃに示すように電流Ｉ_ｃｅｌｌのＤＣ負荷線の傾斜が急になるのが緩和される。その結果、振動要素１０−１に障害が生じるまでの時間を延ばすことができる。

（数３式）
Ｒ_ｃｅｌｌ>>Ｒ_ｓ>>Ｒ_ｃｅｌｌ´
（数４式）
Ｖ_ｃｅｌｌ≒Ｖ_ｄｃ・Ｒ_ｃｅｌｌ´／Ｒ_ｓ

本実施例によれば、バイアス電源に生じた過渡現象に起因する過電圧は、振動要素１０−１に印加される前に保護回路１４−１により抑制される。したがって、振動要素１０−１に過電流が流れることを防止できるため、過電流が要因で生じる障害を防止できる。その結果、例えば、超音波探触子の装置寿命を延ばすことができるし、装置の安定動作を確保できる。また、本実施例の保護回路１４−１に関しては、比較的安価かつ簡単に実現できる。

抵抗Ｒ_ｓの抵抗値について説明を加える。振動要素１０−１の抵抗Ｒ_ｃｅｌｌは、ウエハ製造工程等に起因して抵抗値がばらつくことがある。したがって、抵抗Ｒ_ｓの抵抗値を制御する第一の方法として、抵抗値のばらつきを全て吸収できるような統計的に絶縁破壊しない値に抵抗Ｒ_ｓの抵抗値を一律に合わせることができる。ただし、通常動作時の抵抗Ｒ_ｓの値よりも高めに合わせられることがある結果、電圧降下が増大して不要な電力損失が生じる場合がある。

抵抗Ｒ_ｓの抵抗値を制御する第二の方法として、抵抗Ｒ_ｓの抵抗値を個別具体的に制御することができる。例えば、電気接触導通を取るプローブを振動要素１０−１の各電極に接触させ、抵抗Ｒ_ｃｅｌｌを計測する。そして、計測値に基づき、抵抗Ｒ_ｓに対してレーザ加工装置及びレーザ加工方法（例えば特開２００１−４７２７０号公報）によりレーザ照射することにより、抵抗Ｒ_ｓの抵抗値をトリミングする。これにより、各抵抗Ｒ_ｓ単位で抵抗値が調整されるから、不要な電力損失の発生を抑制できる。また、レーザトリミング方法に代えて、半導体装置の製造方法のように金属ペーストを塗布して金属配線層を精製する技術（例えば特開２００４−２７３６７９号公報）を適用することにより、複数の抵抗パターンで構成した抵抗Ｒ_ｓの接続状況を調整することもできる。

（実施例２）
図３は、本実施形態の超音波探触子に適用する保護回路の第二の実施例を示す図である。図３Ａは、保護回路１４−１の構成及び接続形態を示す図である。図３Ｂは、スイッチ素子ＳＷの抵抗Ｒ_ｓｗと振動要素１０−１に流れる電流Ｉ_ｃｅｌｌとの関係を示す特性図である。図３Ｃは、バイアス手段１６の出力バイアスＶ_ｄｃと振動要素１０−１に流れる電流Ｉ_ｃｅｌｌとの関係を示す特性図である。

図３Ａに示すように、保護回路１４−１は、上部電極１２ａ―１とバイアス手段１６との間に直列に接続されたスイッチ素子ＳＷ（図のスイッチ素子３０）などから構成されている。ここでのスイッチ素子ＳＷは、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）や、Ｓｉを含む窒化タングステンシリサイド（ＷＳｉＮ）を含んでなる正温度係数サーミスタである。サーミスタは、自己に流れる電流の大きさに起因する温度に基づき抵抗値を変化させる特性を有する。例えば、本実施例の正温度係数サーミスタは、自己に流れる電流の増加に起因して熱が発生するため、その抵抗値が例えば１０^６〜１０^７倍増加する。

振動要素１０−１は、通常動作時では数ｐＡ〜数百ｐＡ程度の電流が流れる。通常動作時においては、スイッチ素子ＳＷは閉じた状態であり、その抵抗Ｒ_ｓｗはほぼ一定の低値である。一方、振動要素１０−１は、過電圧が印加されるとなだれ降状現象や短絡などの異常状態が発生して数μＡ〜数百ｍＡ程度の電流が流れ始める。異常状態においては、スイッチ素子ＳＷは開いた状態になり、図２Ｂ及び図２Ｃに示すように電流Ｉ_ｃｅｌｌが遮断される。これにより、振動要素１０−１に流れる過電流が抑制される。

なお、スイッチ素子ＳＷが開放状態になった後は、熱管理を行うために、バイアス手段１６のバイアス電源をリセットするまでスイッチ素子ＳＷの開放状態を継続するように蓄熱設計してもよい。あるいは、スイッチ素子ＳＷが開放状態になってからの経過時間に従って徐々に閉じるように放熱設計してもよい。また、スイッチ素子ＳＷとして正温度係数サーミスタを適用した例を説明したが、これに限られず、要は、自己を流れる電流の大きさに応じてインピダンスが変化する素子を適用すればよい。

本実施例によれば、バイアス電源に生じた過渡現象に起因する過電流は、振動要素１０−１に流れる前に保護回路１４−１により検出されて確実に低減される。したがって、振動要素１０−１に過電流が流れることを防止できる。

（実施例３）
図４は、本実施形態の超音波探触子に適用する保護回路の第三の実施例を示す図である。図４Ａは、保護回路１４−１の構成及び接続形態を示す図である。図４Ｂは、バイアス手段１６の出力バイアスＶ_ｄｃと振動要素１０−１に流れる電流Ｉ_ｃｅｌｌとの関係を示す特性図である。本実施例は、振動要素１０−１とバイアス手段１６との間に電圧リミット回路を保護回路１４−１として配設した例である。

図４Ａに示すように、保護回路１４−１は、上部電極１２ａ−１とバイアス手段１６の間に直列接続された抵抗４０と、振動要素１０−１とバイアス手段１６の間に配列接続された定電圧源４２などから構成されている。抵抗４０は、抵抗値が第一の実施例の抵抗Ｒ_ｓと同じである。また、定電圧源４２は、例えばツェナーダイオードであり、振動要素１０−１の最大電圧定格に合わせて定電圧値Ｖｚが設定されている。要するに、保護回路１４−１は、振動要素１０−１に印加されるバイアスの大きさを定電圧値Ｖｚ以下に保持する。

このような保護回路１４−１は、バイアス手段１６の出力バイアスＶ_ｄｃが振動要素１０−１の最大電圧定格以下のときは作動しない。そして、出力バイアスＶ_ｄｃが振動要素１０−１の最大電圧定格に達すると、保護回路１４−１は、出力電圧を定電圧値Ｖｚに保持する電圧リミッタ回路として作動する。例えば、定電圧源４２としてツェナーダイオードを用いた場合、出力バイアスＶ_ｄｃが定電圧値Ｖｚに達するとトンネル効果が発揮される。ここでのツェナーダイオードについては、所定の定電圧値Ｖｚになるようにツェナーダイオードのドナー配合比が制御されている。また、所定の定電圧値Ｖｚになるようにツェナーダイオードに流す電流量制御のための抵抗Ｒ_ｓをトリミングなどで制御してもよい。

本実施例によれば、振動要素１０−１に印加される電圧は、振動要素１０−１に印加される前に保護回路１４−１により検出された後に、確実に定電圧値Ｖｚ以下にシャント、クリップされる。したがって、振動要素１０−１に過電流が流れることを防止できるため、過電流が要因で生じる障害を防止できる。

なお、ツェナーダイオードに代えて、トランジスタを含んで構成された定電圧源を適用してもよい。また、抵抗４０に代えて、第二の実施例の正温度係数サーミスタであるスイッチ素子ＳＷを適用してもよい。

（実施例４）
図５は、本実施形態の超音波探触子に適用する保護回路の第四の実施例を示す図である。図５Ａは、保護回路１４−１の構成及び接続形態を示す図である。図５Ｂは、バイアス手段１６の出力バイアスＶ_ｄｃと振動要素１０−１に流れる電流Ｉ_ｃｅｌｌとの関係を示す特性図である。本実施例は、振動要素１０−１とバイアス手段１６との間に電圧リミット回路を保護回路１４−１として配設した他の例である。

図５Ａに示すように、保護回路１４−１は、上部電極１２ａ−１とバイアス手段１６との間に直列に接続されたＦＥＴ５０と、ＦＥＴ５０の出力端子側に接続されたソース抵抗５２を有した定電流源として構成される。この定電流源は、出力バイアスＶ_ｄｃにかかわらず、特定の電流を作りだす回路である。例えば、本実施例の定電流源は、振動要素１０−１の最大電流定格に合わせて定電流値Ｉ_ｄが設定されている。より具体的には、ソース抵抗５２を流れる電流Ｉ_ｃｅｌｌでＦＥＴ５０のゲートソース間電圧を発生させ、出力電流が定電流値Ｉ_ｄになると電流リミッタ回路として作動する。その出力電流が定電流値Ｉ_ｄ以下の場合は、定電流源は作動しない。ここでの定電流値Ｉ_ｄの具体的制御方法は、所望の電流値になるようにソース抵抗５２をトリミングなどにより調整することで実現する。

本実施例によれば、振動要素１０−１に流れる電流は、振動要素１０−１を流れる前に保護回路１４−１により検出された後に、確実に定電流値Ｉ_ｄ以下にシャント、クリップされる。したがって、振動要素１０−１に過電流が流れることを防止できるため、過電流が要因で生じる障害を防止できる。

（実施例５）
図６は、本実施形態の超音波探触子に適用する保護回路の第五の実施例を示す図である。図６Ａは、保護回路１４−１の構成及び接続形態を示す図である。図６Ｂは、スイッチ素子ＳＷの抵抗Ｒ_ｓｗと振動要素１０−１に流れる電流Ｉ_ｃｅｌｌとの関係を示す特性図である。図６Ｃは、バイアス手段１６の出力バイアスＶ_ｄｃと振動要素１０−１に流れる電流Ｉ_ｃｅｌｌとの関係を示す特性図である。

図６Ａに示すように、保護回路１４−１は、過電圧検出手段６０とスイッチ素子制御手段６２に大別される。過電圧検出手段６０は、抵抗６４と抵抗６６を直列に接続したものが振動要素１０−１とバイアス手段１６に並列に接続されている。スイッチ素子制御手段６２は、上部電極１２ａ−１とバイアス手段１６の間に直列に接続されたスイッチ素子６８と、このスイッチ素子６８を開閉制御するスイッチ素子制御用ＦＥＴ７０などから構成されている。スイッチ素子制御用ＦＥＴ７０のゲートは、過電圧検出手段６０の抵抗６４と抵抗６６の共通接続点に接続され、ソースは下部電極１２ｂ−１に接続され、ドレンは抵抗７２を介して設定電圧Ｖ_ｃｃに接続されている。そして、ドレンの電位によってスイッチ素子６８を制御するようになっている。

本実施例の保護回路１４−１は、抵抗６４及び抵抗６６の抵抗分圧の電圧値に基づき、スイッチ素子制御用ＦＥＴ７０のドレイン電圧を設定電圧値Ｖ_ｃｃから０Ｖまで切替えることによりスイッチ素子を制御する点で、自己に流れる電流に基づきスイッチ素子を制御する第二の実施形態と異なる。例えば、バイアス手段１６の出力バイアスＶ_ｄｃが振動要素１０−１の定格電圧以下である通常状態の場合、スイッチ素子６８は閉じられている。出力バイアスＶ_ｄｃが振動要素１０−１の定格電圧に達すると、抵抗６４及び抵抗６６の抵抗分圧の電圧値がスイッチ素子制御用ＦＥＴ７０を作動させる。スイッチ素子制御用ＦＥＴは、スイッチ素子６８に開放指令を出力する。

本実施例によれば、バイアス電源に生じた過渡現象に起因する過電圧は、振動要素１０−１に印加される前に保護回路１４−１により検出された後に、確実に設定電圧以下にシャント、クリップされる。したがって、振動要素１０−１に過電流が流れることを防止できるため、過電流が要因で生じる障害を防止できる。

また、過電圧検出手段６０については、所望の電圧値が得られるように抵抗６４と抵抗６６の比をトリミングなどで調整して実現できる。また、抵抗６４及び抵抗６６に代えて、サーミスタを適用できる。その場合、サーミスタの温度又は自己電流により抵抗値を制御することにより、温度又は電流を補償できる。

なお、過電圧検出手段６０については、２つの抵抗６４、６６による分圧の例を示したが、２つの抵抗のうち一方をＦＥＴと置換することで定電流源として作動させてもよい。また、スイッチ素子制御手段６２については、スイッチ素子制御用ＦＥＴに代えて、コンパレータなどの比較器を適用してもよい。

上述のとおり、実施形態１〜５により説明した保護回路１４−１は、半導体加工プロセスにより超音波探触子の振動子の一部として一体的に形成できる。例えば、抵抗、ドナーによるツェナーダイオード、トランジスタ以外にも窒化タングステンシリサイド（ＷＳｉＮ）などのセラミック、ＭＥＭＳによる電磁マイクロリレースイッチまたは静電マイクロリレースイッチを用いて一体成形できるし、マルチチップモジュール（Multi Chip Module）で実装できる。要するに、保護回路１４−１を超音波探触子に実装できる。ただし、例えば既設の超音波探触子に実装するために、超音波探触子に外付けする形態に構成してもよい。

（比較例）
図７は、本実施形態の超音波探触子と比較するための形態を示した図である。図７に示すように、振動要素１０−１に出力バイアスＶ_ｄｃを印加するに際し、バイアス手段１６のバイアス電源に一時的な過渡現象（例えば電源の遮断）が生じた場合、定格を超えた過電圧が振動要素１０−１に印加されると、振動要素１０−１に定格を超えた過電流が流れる場合がある。ここで、上部電極１２ａ−１と下部電極１２ｂ−１との間に絶縁体が配設されている場合、その絶縁体が破壊する電圧は例えば８ＭＶ／ｃｍである。また、その絶縁体の厚みが２００ｎｍである場合、なだれ降状現象が生じる電圧は例えば１６０Ｖである。さらに、上部電極１２ａ−１と下部電極１２ｂ−１との間に絶縁体が配設されていない場合、短絡などが生じて振動要素１０−１の等価インピダンスが低下する結果、振動要素１０−１に過電流が流れ始める。このような過電流が流れると、振動要素１０−１の電極の温度が上昇するため、上部電極１２ａ―１又は下部電極１２ｂ−１の導体蒸発に起因する断線などの障害が発生するおそれがある。

（第２の実施形態）
本発明を適用した超音波探触子の第二の実施形態について図面を参照して説明する。図８は、本実施形態の超音波探触子の構成を示す図である。本実施形態は、複数の振動要素からなる組単位で保護回路を設ける点で、振動要素単位で保護回路を設けた第一の実施形態と異なる。

図８に示すように、超音波探触子は、超音波と電気信号を相互に変換する振動子を短冊状に配列してなり、その振動子は、超音波送受信感度が印加バイアスの大きさに応じて変化する複数の振動要素と、短冊軸に直交する短軸方向に分割され振動要素に接続する複数の電極とを有して形成されている。

そして、複数の電極を一又は隣接する分割部からなる組Ｓ１〜ＳＭに分け、各組とバイアス手段１６との間に複数の保護回路８０−１〜８０−Ｍが配設されている。例えば、組Ｓ１とバイアス手段１６の間に保護回路８０−１が設けられている。要するに、本実施形態は、各振動要素をブロック単位で保護する点で、各振動要素をセル単位で保護する。なお、Ｍは、短軸方向の組の数に対応する。

このような保護回路８０−１〜８０−Ｍは、短軸方向の中心部と端部で特性を異ならせて構成されている。例えば、保護回路８０−１〜８０−Ｍは、短軸方向の中心から端に向かうにつれて組単位で許容電圧が小さく設定されている。より具体的には、短軸方向の中心部に位置する組に対応する保護回路は、許容電圧が比較的高めの値（例えば１６０Ｖ）に設定される。短軸方向の端部に位置する組に対応する保護回路は、許容電圧が比較的低めの値（例えば１４０Ｖ）に設定される。

本実施形態によれば、短軸方向の中心部に位置する組は強電界にできるし、短軸方向の端に向かうにつれて組単位で弱電界にできる。したがって、中心部に対応する超音波のエネルギは比較的高めになるし、端に向かうにつれて組単位で超音波のエネルギは比較的低めになる。これにより、各組で送受される超音波ビームの短軸方向の形状をよりシャープに形成しつつ、各振動要素を過電流から保護できる。

また、複数の振動要素を短軸方向に分けた場合を説明したが、図９に示すように、振動子単位で保護回路９０−１〜９０−Ｎを配設することもできる。ここでＮは、振動子の配列数に対応する数である。

また、組Ｓ１に属する各振動要素の抵抗Ｒ_ｃｅｌｌは、ウエハ製造工程等に起因して抵抗値がばらつくことがある。したがって、組Ｓ１に過電圧が印加されると、断線などの障害が生じる振動要素が統計的にばらついて発生する。そこで、そのような統計分布に応じて制御するパラメータを調整すればよい。

また、保護回路８０−１〜８０−Ｍの複数個が同時に作動した場合でも、組単位又は振動子単位では個別素子の電流が集中して許容値を超える場合がある。そこで、個別セル単位、ブロック単位、振動子単位の保護回路の設置を組み合わせることにより、バイアス電源に生じる過渡現象から各振動要素をより安全に保護できる。

また、フレネルリング型のビームフォーカスの場合においても、保護回路８０−１〜８０−Ｍは、リングフォーカスビームの中心部と端部とで電圧の許容値を異ならせて構成できる。また、図９に示すように、振動子単位で保護回路９０−１〜９０Ｎを配設する場合も、保護回路９０−１〜９０−Ｎの許容電圧については、ビーム中心部から端部に向かうにつれて電圧の許容値を振動子単位で徐々に小さく設定すればよい。

本発明を適用した第一の実施形態の超音波探触子の構成を示す図である。図１の保護回路の第一の実施例を示す図である。図１の保護回路の第二の実施例を示す図である。図１の保護回路の第二の実施例を示す図である。図１の保護回路の第四の実施例を示す図である。図１の保護回路の第五の実施例を示す図である。本発明を適用した第一の実施形態の超音波探触子と比較するための形態を示した図である。本発明を適用した第二の実施形態の超音波探触子の構成を示す図である。本発明を適用した第二の実施形態の超音波探触子の他の例を示す図である。

符号の説明

１０−１振動要素
１２ａ―１上部電極
１２ｂ−１下部電極
１４保護回路
１６バイアス手段
１８送信手段
２０受信手段
２２送受分離手段

Claims

超音波と電気信号を相互に変換する振動子を配列してなり、前記振動子は、超音波送受信感度が印加バイアスの大きさに応じて変化する振動要素と、該振動要素に接続された電極とを有し、
前記振動要素の定格電圧を超える過電圧を阻止する保護手段が前記電極とバイアス電源との間に配設されてなることを特徴とする超音波探触子。
前記保護手段は、前記電極と前記バイアス電源との間に直列に接続された抵抗を有し、該抵抗は、前記振動要素に過電圧が印加されたときの該振動要素の電気抵抗よりも抵抗値が大きく設定されてなることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
前記保護手段は、前記電極と前記バイアス電源との間に直列に接続されたスイッチを有し、該スイッチは、前記電極と前記バイアス電源との間に流れる電流が増大するにつれてインピダンスが大きくなることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
前記保護手段は、前記電極と前記バイアス電源との間に配設された電圧リミット回路を有し、該電圧リミット回路は、前記振動要素に印加される前記バイアスの大きさを設定電圧以下に保持することを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
超音波と電気信号を相互に変換する振動子を配列してなり、前記振動子は、超音波送受信感度が印加バイアスの大きさに応じて変化する複数の振動要素と、前記配列方向に直交する短軸方向に分割された複数の電極とを有し、
前記分割された電極を一又は隣接する分割部からなる組に分け、該各組とバイアス電源との間に、前記振動要素の定格電圧を超える過電圧を阻止する保護手段が配設されるものとし、前記保護手段は、前記短軸方向の中心から端に向かうにつれて組単位で許容電圧が小さく設定されてなることを特徴とする超音波探触子。