JP2008043529A - 超音波探触子の電極構造、超音波探触子、および超音波探触子の基板 - Google Patents

Abstract

【課題】１種類の半導体基板で、長軸方向の素子ピッチ、短軸方向の分割構造、外形寸法等の仕様が異なる複数の機種に対して対応可能な超音波探触子を提供する。
【解決手段】ｃＭＵＴを用いた超音波探触子において、複数の振動要素３４が直列に接続された上部長軸素子電極４６−１〜４６−Ｎが電気的に接続されているスイッチ回路５３によって上部長軸素子電極４６−１〜４６−Ｎを任意に接続することにより、別々の機種に要求される長軸方向の素子ピッチ及び寸法に対応する。スイッチ回路５８によって下部共通電極４８−１〜４８−４任意に組み合わせることにより、別々の機種に要求される短軸方向の分割構造及び寸法に対応する。
【選択図】図５

Description

本発明は、超音波探触子の電極構造および超音波探触子に係り、特にｃＭＵＴ(capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers)を用いた超音波探触子の電極構造および超音波探触子に関する。

超音波探触子とは、被検体からの反射エコー信号に基づき診断画像を撮像する超音波診断装置において被検体に超音波を走破するものである。超音波探触子には、駆動信号を超音波に変換して超音波を被検体に送波すると共に、被検体から発生した反射エコー信号を受波して電気信号に変換する超音波振動子が複数配列されている。

超音波探触子に用いられる素材として、１９４０年代にバリウムチタンセラミックスが、１９５０年代には鉛ベースセラミックスが用いられてきたが、解像度向上と広帯域化のために最近ではｃＭＵＴが用いられている。ｃＭＵＴとは、半導体微細加工プロセスにより製造される超微細容量型超音波振動子である。例えば非特許文献１には、ｃＭＵＴを用いた探触子が開示されている。

ところで、非特許文献１では、長軸方向は素子の遅延時間制御によって可変焦点に対応可能であるが、短軸方向は音響レンズによる固定焦点であった。

それに対し、長軸方向のみでなく、短軸方向においても可変焦点とする方式のものが報告されている。例えば非特許文献２には、長軸方向だけでなく短軸方向も可変焦点とすることにより、浅部から深部まで高画質の診断画像を得ることが可能となる超音波探触子が開示されている。また、特許文献１には、素子に加える直流バイアスの大きさを変えることによって、超音波ビームのビーム幅や焦点深度を任意に制御することにより、超音波増の分解能を向上させる超音波探触子が開示されている。
国際公開第０５／０３２３７４号パンフレット 「Medical Imaging with Capacitive Micromachined Ultrasound Transducer(cMUT) Arrays」 David M. Mills著 「2004 IEEE International Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency control Joint 50th Anniversary Conference U3-D-1(pp384-390)」掲載 「Elevation Performance of 1.25D and 1.5D Transducer Arrays」 Douglas G. Wildes他著 「IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS, FERROELECTRICS, AND FREQUENCY CONTROL, VOL.44, NO.5, SEPTEMBER 1997(pp1027-1037) 」掲載

しかし、使用する部位などにより適用周波数および素子ピッチを変える必要があるため、様々な機種の超音波探触子を作成する必要がある。

上記特許文献１、非特許文献１、非特許文献２に示すようなｃＭＵＴを用いた超音波探触子において、適用周波数が異なる場合には、振動する上面の膜厚を変える等で対応できるが、素子ピッチが異なる場合には、半導体基板製造時のマスクを機種毎に変更することで素子ピッチが違う基板を製造する必要がある。

また探触子の短軸方向を分割して可変焦点とする（２Ｄアレイ構造）場合、制御方法に対応して分割方法も種々考えられるが、分割構造が違う場合には、半導体基板製造時のマスクを機種毎に変更して分割構造が違う基板を製造する必要がある。

すなわち、種々の機種に対応する場合、機種ごとにマスクが必要になることから初期費用が膨大になり、多品種少量生産の観点から問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなさされたものであり、１種類の半導体基板で、長軸方向の素子ピッチ、短軸方向の分割構造、外形寸法等の仕様が異なる複数の機種に対して対応可能な超音波探触子を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、請求項１に記載の超音波探触子の電極構造は、複数の振動要素と、第１の電極と、前記複数の振動要素を挟んで前記第１の電極と対向して設けられた第２の電極とを有する超音波探触子の電極構造において、前記第１の電極は、超音波探触子の第１の方向に配列された各振動要素をそれぞれ直列に連結する基本構造と、前記基本構造を任意の本数ずつ電気的に連結する第１の連結部と、を備えたことを特徴としている。

請求項１に記載の超音波探触子の電極構造によれば、第１の電極は、複数の振動要素が直列に接続されている複数の基本構造と、基本構造を任意に連結する第１の連結部とを備え、第１の連結部によって機種別に要求される素子ピッチに対応して基本構造を連結する。これにより、１種類の基板で、長軸方向の素子ピッチの仕様が異なる複数の機種に対応することができる。

請求項２に記載の超音波探触子の電極構造は、請求項１に記載の超音波探触子の電極構造において、前記第１の連結部は前記基本構造が電気的に接続されたスイッチ部を有し、前記スイッチ部は接続されている前記基本構造を任意に分離することを特徴としている。

請求項２に記載の超音波探触子の電極構造によれば、基本構造が電気的に接続されており、この接続されている基本構造を任意に分離するスイッチ部を有することによって、第１の連結部は超音波探触子の別々の機種に要求される素子ピッチに対応して基本構造を任意に連結する。スイッチ部を制御して基本構造の接続方法を変えることにより、基板又は超音波振動子の製造後においても、要求される仕様に応じて長軸方向の素子ピッチを変えることができる。

請求項３に記載の超音波探触子は、請求項１に記載の超音波探触子の電極構造において、前記第１の連結部は、前記基本構造を超音波探触子の前記第１の方向に直交する第２の方向に沿った端部において連結する第１の共通電極を有し、前記第１の共通電極は任意に分離可能に形成されていることを特徴としている。

請求項３に記載の超音波探触子の電極構造によれば、複数の基本構造が接続されている第１の共通電極を有し、その第１の共通電極を任意に分離することによって、第１の連結部は超音波探触子の別々の機種に要求される素子ピッチに対応して基本構造を任意に連結する。基板の製造時に第１の共通電極を分割することにより、要求される仕様に応じて長軸方向の素子ピッチを変えることができる。

請求項４に記載の超音波探触子は、複数の振動要素と、第１の電極と、前記複数の振動要素を挟んで前記第１の電極と対向して設けられた第２の電極とを有する超音波探触子の電極構造において、前記第２の電極は、超音波探触子の第１の方向に隣接して配列された複数の短冊状の電極と、前記短冊状の電極を任意にそれぞれ組み合わせて電気的に連結する第２の連結部と、を備えたことを特徴としている。

請求項４に記載の超音波探触子の電極構造によれば、第２の電極は、超音波探触子の前記第１の方向に直交する第２の方向に配列された複数の短冊状の電極と、短冊状の電極を任意に組み合わせる第２の連結部とを備え、第２の連結部によって機種別に要求される分割構造に対応して短冊状の電極を任意に組み合わせる。これにより、１種類の基板で、短軸方向の分割構造の仕様が異なる複数の機種に対応することができる。

請求項５に記載の超音波探触子は、請求項４に記載の超音波探触子の電極構造において、前記第２の連結部は前記短冊状の電極が電気的に接続されたスイッチ部を有し、前記スイッチ部は接続されている前記短冊状の電極を任意の組み合わせで分離することを特徴としている。

請求項５に記載の超音波探触子の電極構造によれば、短冊状の電極が電気的に接続されており、この接続されている短冊状の電極を任意に組み合わせるスイッチ部を有することによって、第２の連結部は超音波探触子の別々の機種に要求される分割構造に対応して短冊状の電極を任意に組み合わせる。スイッチ部を制御して短冊状の電極の組み合わせを変えることにより、基板又は超音波振動子の製造後においても、要求される仕様に応じて短軸方向の分割構造を変えることができる。

請求項６に記載の超音波探触子は、請求項４に記載の超音波探触子の電極構造において、前記第２の連結部は、前記短冊状の電極の一端を超音波探触子の前記第１の方向に沿って連結する第２の共通電極を有し、前記第２の共通電極は任意に分離可能に形成されていることを特徴としている。

請求項６に記載の超音波探触子の電極構造によれば、短冊状の電極の一端を第１の方向に沿って連結する第２の共通電極を有し、その第２の共通電極を任意に分離することによって、第２の連結部は超音波探触子の別々の機種に要求される分割構造に対応して短冊状の電極を任意に組み合わせる。基板の製造時に第２の共通電極を分割することにより、要求される仕様に応じて短軸方向の分割構造を変えることができる。

請求項７に記載の超音波探触子は、請求項４に記載の超音波探触子の電極構造において、前記複数の短冊状の電極は、前記振動要素の形状にあった波型であることを特徴としている。

請求項７に記載の超音波探触子によれば、短冊状の電極は振動要素の形状に合うように、波型をしている。これにより、振動要素がある１つの短冊状の電極によって確実に駆動される。

請求項８に記載の超音波探触子は、請求項１〜３のうちいずれか１に記載の超音波探触子の電極構造を有する超音波探触子であって、超音波探触子の別々の機種に要求される素子ピッチに対応して任意に連結された前記基本構造は、信号の入出力パターンを有する第１の基板と電気的に接続されていることを特徴としている。

請求項８に記載の超音波探触子によれば、別々の機種に要求される素子ピッチに対応して基本構造を連結することで、任意の素子ピッチで超音波振動子を駆動することができる。これにより、１種類の基板で、長軸方向の素子ピッチの仕様が異なる複数の機種に対応することができる。

請求項９に記載の超音波探触子は、請求項４〜６のうちいずれか１に記載の超音波探触子の電極構造を有する超音波探触子であって、超音波探触子の別々の機種に要求される分割構造に対応して任意に連結された前記短冊状の電極は、信号の入出力パターンを有する第２の基板と電気的に接続されていることを特徴としている。

請求項９に記載の超音波探触子によれば、別々の機種に要求される分割構造に対応して短冊状の電極を組み合わせることで、任意の分割構造で超音波振動子を駆動することができる。これにより、１種類の基板で、短軸方向の分割構造の仕様が異なる複数の機種に対応することができる。

請求項１０に記載の超音波探触子は、請求項２又は５に記載の超音波探触子の電極構造を有する超音波探触子であって、前記スイッチ部は、フォーカス設定条件に応じて制御されることを特徴としている。

請求項１０に記載の超音波探触子によれば、別々の機種に要求されるフォーカス設定条件に応じて短冊状の電極を組み合わせることで、素子ピッチ及び／又は任意の分割構造で超音波振動子を駆動することができる。これにより、１種類の基板で、長軸方向の素子ピッチ及び／又は短軸方向の分割構造の仕様が異なる複数の機種に対応することができる。

請求項１１に記載の超音波探触子の基板は、請求項１乃至６のいずれかに記載の超音波探触子の電極構造を有する基板であって、超音波探触子の別々の機種に要求される素子ピッチ、分割構造、寸法に応じて切断が可能であることを特徴としている。

請求項１１に記載の超音波探触子の基板によれば、上記に記載の電極構造を有する基板を任意に切断することで、別々の機種に要求される長軸方向の素子ピッチ、短軸方向の分割構造、基板の寸法に対応している。これにより、１種類の基板で、長軸方向の素子ピッチ、短軸方向の分割構造、寸法の仕様が異なる複数の機種に対応することができる。

本発明によれば、１種類の基板で、長軸方向の素子ピッチ、短軸方向の分割構造、外形寸法等の仕様が異なる複数の機種に対して対応可能な超音波探触子を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて説明する。

＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明に係る第１の実施の形態の超音波探触子２を用いた超音波診断装置１のブロック図である。

超音波診断装置１は、超音波探触子２と、送信手段４と、バイアス手段６と、受信手段８と、整相加算部１０、画像処理手段１２、表示手段１４と、制御手段１６と、操作手段１８とから構成されている。

超音波探触子２は、被検体に接触させて、被検体との間で超音波を送受波するものである。超音波探触子２から超音波が被検体に射出され、被検体から発生した反射エコー信号は、超音波探触子２により受波される。

送信手段４及びバイアス手段６は、制御手段１６によって制御され、超音波探触子２に駆動信号を供給するものである。

受信手段８は超音波探触子２から出力される反射エコー信号を受信するものである。

整相加算部１０は、受信された反射エコー信号を整相加算するものである。

画像処理手段１２は、整相加算された反射エコー信号に基づいて診断画像（例えば、断層像、血流像等）を構成する。

表示手段１４は、ＣＲＴモニタ、液晶モニタ等のモニタからなり、画像処理された診断画像を表示画面に表示する。

制御手段１６は上述した各構成要素を制御するものである。

操作手段１８は制御手段１６に指示を与えるものであり、トラックボールやキーボード等からなる。

次に、超音波探触子２の構造について説明する。

図２は、超音波探触子２の斜視図である。超音波探触子２は、複数の振動子２６ａ〜２６ｎ（ｎ：１以上の整数）が短柵状に配設された1次元アレイ型のものである。ここで、振動子２６ａ〜２６ｎの配列方向を長軸方向Ｘと定義し、長軸方向Ｘに直交する方向を短軸方向Ｙと定義する。すなわち、長軸方向は、超音波ビームを電子走査する方向に対応し、短軸方向Ｙは、振動子２６ａの長手方向に対応する。

超音波探触子２は、図２に示すように、振動子２６ａ〜２６ｎと、振動子２６ａ〜２６ｎの超音波射出面側に設けられたマッチング層３０と、マッチング層３０の被検体側に設けられた音響レンズ３２と、振動子２６の背面側に設けられたバッキング材２８とで構成される。

振動子２６ａ〜２６ｎは、振動要素３４ａ〜３４ｍ（ｍ：２以上の整数）が複数並んで形成されており、電気信号を超音波信号に、あるいはその逆に超音波信号を電気信号へと変換する電気音響変換器である。なお、詳細な構成および動作方法については後述する。

バッキング材２８は、振動子２６ａ〜２６ｎから背面側に射出される超音波の伝搬を吸収し、余分な振動を抑制するものである。

マッチング層３０は、振動子２６ａ〜２６ｎと被検体との音響インピーダンスの整合させることによって、超音波の境界面での反射を軽減し、超音波の伝送効率を向上させるものである。

音響レンズ３２は、振動子２６ａ〜２６ｎから送波される超音波ビームを収束させるものであり、１つの焦点距離に基づいて曲率が定められている。

なお、図２においては、１次元アレイ型の超音波探触子を示したが、振動子２６ａ〜２６ｎを二次元配列した２次元アレイ型や、振動子２６ａ〜２６ｎを扇型状に配列したコンベックス型など他の形態にも本発明を適用できる。また、音響レンズ３２を用いない構成でもよい。

次に、振動子２６ａ〜２６ｎの構造について説明する。

図３は、振動子２６ａを短軸方向Ｙにそって切断したときの断面図である。振動子２６は、センサ部４２と、センサ部４２の背面に設けられた下部短軸共通電極４８と、下部短軸共通電極４８の背面に設けられた半導体基板４０と、センサ部４２の被検体側に設けられた上部長軸素子電極４６と、上部長軸素子電極４６の被検体側に設けられた膜体４４とで形成されている。

センサ部４２は、振動要素３４ａ〜３４ｍが複数並んで形成されている。ここで、振動要素３４ａ〜３４ｍは、送信手段４及びバイアス手段６より供給される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、被検体で反射された超音波を受渡して電気信号に変換する、数マイクロメートルの超微細加工超音波トランスデューサであり、ｃＭｕｔ（Capative Micromachined Ultrasonic Transducer: IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr. Vol45 pp. 678-690 May 1998）などを適用することができる。詳細な構成および動作方法については後述する。

下部短軸共通電極４８は、長軸方向Ｘに延在して形成されている複数の下部短軸共通電極４８−１〜４８−５から構成されており、短軸方向Ｙに並べて配設されている。なお、図３においては、下部短軸共通電極４８は５つの下部短軸共通電極４８−１〜４８−５で構成されているが、構成する下部短軸共通電極の数は５つに限らない。

上部長軸素子電極４６は、短軸方向Ｙに延在して形成されており、長軸方向Ｘに並べて複数配設されている。

膜体４４は、上部長軸素子電極４６に駆動信号が供給されたときや、被検体から発生した反射エコーが入力したときに振動する。

なお、図３では、説明の便宜上、振動要素３４ａ〜３４ｍの数を簡単化しているが、この形態に限られるものではない。

次に、振動要素３４ａ〜３４ｍの構造について説明する。

図４は、振動要素３４ａの縦断面の模式図である。振動要素３４ａは、半導体プロセスによる微細加工により形成されたものであり、半導体基板４０と、半導体基板４０の上面に形成された絶縁膜４３と、絶縁膜４３の上面に形成された膜体４４と、上部電極４６と、下部電極４８とで構成される。

絶縁膜４３は、半導体化合物（例えばPTEOS、TEOS）から形成されており、半導体基板４０の超音波射出側の面に載置されている。絶縁膜４３の内部空間４５は真空状態、あるいは所定のガスが充填された状態にされている。

膜体４４は、半導体化合物（例えば、シリコン化合物）から形成された絶縁膜であり、絶縁膜４３の超音波射出側の面に載置されている。

上部電極４６は、膜体４４の超音波射出側の面、すなわち膜体４４と絶縁膜４３との間に設けられている。

下部電極４８は、半導体基板４０の背面に設けられている。

上部電極４６、下部電極４８は、駆動信号を供給する電源を含む送信手段４と、直流のバイアス電圧（電界強度）を印加するバイアス手段６とに接続されている。

上記のように構成された超音波診断装置１の動作方法について説明する。

操作手段１８から制御手段１６に入力された条件等に応じて超音波探触子２から超音波が被検体に送波される。被検体の例えば体表に音響レンズ３２を接触させた状態で振動子２６ａ〜２６ｎを駆動させると、振動子２６ａ〜２６ｎからマッチング層３０と音響レンズ３２とを介して被検体に超音波が射出される。

バイアス手段１４の直流バイアス電源６１から下部電極５２および上部電極５８に直流のバイアス電圧（Ｖａ）が印加されると、内部空間４５に電解が生じる。その電解により膜体４４が緊張する。

発生した電解により膜体４４が緊張することで電気機械結合係数がＳａになる。そして、膜体４４に送信手段４から駆動信号が供給されることにより、電気機械結合係数（Ｓａ）に基づいて超音波が膜体４４から射出される。

また、バイアス電圧（Ｖａ）に代えて、バイアス電圧（Ｖｂ）を振動要素２８−１〜２８−１８に印加する。この場合、電気機械結合係数はＳｂになる。そして、膜体４４に送信手段４からから駆動信号が供給されることにより、電気機械結合係数（Ｓｂ）に基づいて超音波が膜体４４から射出される。なお、Ｖａ＜Ｖｂのとき、Ｓａ＜Ｓｂとなる。

すなわち、振動要素３４ａ〜３４ｍの電気機械結合係数は膜体４４の緊張度により決められる。したがって、振動要素３４ａ〜３４ｍに印加するバイアス電圧の大きさを変えることで膜体４４の緊張度を制御すれば、同一振幅の駆動信号が入力されたときでも、振動要素３４ａ〜３４ｍから射出される超音波の音圧（例えば振幅）を変化させることができる。

なお、短軸、長軸共に、超音波探触子２の中央付近ではバイアス電圧を大きくし、端部付近ではバイアス電圧を小さくすることで、超音波を所定の位置にフォーカスすることができる。

超音波が被検体内を伝播する過程で反射エコーが発生する。発生した反射エコー信号により膜体４４が励振される。膜体４４の励振により内部空間４５の容量が変化する。受信手段８において容量変化を電圧として取り込むことにより、超音波を電気信号に変換する。受信信号は、アナログディジタル変換などの処理が施されたあと、整相加算部１０へ入力される。整相加算部１０で整相加算された受信信号は、画像処理手段１２に入力され、診断画像（例えば、断層像、血流像等）が構成される。構成された診断画像は、表示手段１４に加えられ、診断画像が表示される。

上記のような各振動要素３４ａ〜３４ｍを順次駆動させることによって、超音波探触子２から被検体へ超音波を射出しているが、被検体の部位によって振動要素３４ａ〜３４ｍの素子ピッチ（長軸方向Ｘの幅）および短軸方向Ｙの分割構造（短軸方向Ｙの分割数および幅）を変える必要がある。以下、駆動させる振動要素３４ａ〜３４ｍの素子ピッチおよび短軸方向Ｙの分割構造を変える方法について説明する。

図５は、振動子２６の基本構造を示した説明図であり、（ａ）は振動子２６の全体図であり、（ｂ）は半導体基板４０の一部拡大図である。

半導体基板４０と、スイッチ回路５３、５８と、信号パターン５１ａ〜５１ｐ（ｐ：２以上の整数）が配設された外部基板５０と、信号パターン５６−１〜５６−４が配設された外部基板５５とがバッキング材２８上に固定されている。

半導体基板４０には、短軸方向Ｙに沿って、振動要素３４−１−１〜３４−１−９が基本構造である上部長軸素子電極４６−１によってお互いに直列に接続されている。振動要素３４−１−１〜３４−１−９に隣接して配設されている振動要素３４−２−１〜３４−２−９は、上部長軸素子電極４６−２によってお互いに直列に接続されている。同様に、振動要素３４−Ｎ―１〜３４−Ｎ−９（Ｎ：２以上の整数）が上部長軸素子電極４６−Ｎによって直列に接続されている。

また、半導体基板４０には、短冊状の複数の下部共通電極４８−１〜４８−４が長軸方向Ｙに沿って配設されている。下部共通電極４８−１〜４８−４は、図５（ｂ）に示すように、振動要素（ｃＭＵＴ素子）３４−１−１〜３４−Ｎ−９の６角形の形状に合った波型であり、隣り合う下部電極は絶縁されている。そのため、それぞれの下部共通電極４８―１〜４８−４をｃＭＵＴ素子に対応させて配列することができる。１つのｃＭＵＴ素子に２つの下部共通電極が被ることなく、１つの下部共通電極で制御することができる。

スイッチ回路５３には、上部長軸素子電極４６−１〜４６−Ｎの端部が電気的に接続されている。また、スイッチ回路５３には、外部基板５０に配設された信号パターン５１ａ〜５１ｐがワイヤボンディングによる金属線５２ａ〜５２ｐにより接続されている。

スイッチ回路５８には、下部共通電極４８−１〜４８−４が電気的に接続されている。また、スイッチ回路５８には、外部基板５５に配設された信号パターン５６−１〜５６−４がワイヤボンディングによる金属線５７−１〜５７−４により接続されている。

なお、図５において、振動要素が直列に９個配設されているが、数はこれに限らない。また、下部共通電極４８−１〜４８−４が４個配設されているが、数はこれに限らない。また、信号パターンとスイッチ回路がワイヤボンディングにより接続されているが、これに限らず、パッド同士で接続するフリップチップボンディング方式でもよい。

次に、素子ピッチ（長軸方向Ｘの幅）を変える方法について説明する。

スイッチ回路５３は、信号パターン５１ａ〜５１ｐに上部長軸素子電極４６−１〜４６−Ｎを選択して接続するためのものである。例えば、スイッチ回路５３は、接続する上部長軸素子電極４６−１〜４６−Ｎの数を３つ又は４つずつに均等に割り振る。また、真ん中付近を多く、端部付近を少なく任意にグループ化することができる。

スイッチ回路５３は制御手段１６により制御され、操作手段１８から入力されるフォーカス設定条件（フォーカス深度、ビームモード等）によって接続する上部長軸素子電極の数を任意に設定する。すなわち、スイッチ回路５３は、フォーカス条件設定条件により制御される。

具体的には、サイドローブの影響を小さくするため、周波数が高い場合にはピッチ幅を小さくし、周波数が低い場合にはピッチ幅を大きくする。

周波数が高い場合には、図６に示すように、信号パターン５１ａはスイッチ回路５３により上部長軸素子電極４６−１〜４６−３に接続される。そして、信号パターン５１ｂはスイッチ回路５３により上部長軸素子電極４６−４〜４６−６に接続される。このように、１本の信号パターンに３本の上部長軸素子電極を接続する。

周波数が低い場合には、図７に示すように、信号パターン５１ａはスイッチ回路５３により上部長軸素子電極４６−１〜４６−４に接続される。そして、信号パターン５１ｂはスイッチ回路５３により上部長軸素子電極４６−５〜４６−８に接続される。このように、１本の信号パターンに４本の上部長軸素子電極を接続する。

なお、ピッチ幅は、ピッチ幅＝波長／２となるようにすることが好ましい。

上記のように、上部長軸素子電極４６−１〜４６−Ｎを分割する最後の方の段階において、ピッチの合わない振動子が生じてしまう等の問題が発生することが予想される。これはウエハから半導体基板４０をダイシングなどにより切り出す際に、素子ピッチと振動子の数を考慮した寸法に合わせて加工することで対応可能である。なお、素子ピッチと振動子の数に対応して半導体基板４０をウエハから切り出すのみでなく、機種毎に要求される寸法に応じて半導体基板４０をウエハから切り出すようにしてもよい。

このようにスイッチ回路５３を制御することにより、要求される仕様に応じて長軸方向の素子ピッチを変えることができる。

次に、短軸方向Ｙの分割構造（短軸方向Ｙの分割数および幅）を変える方法について説明する。

スイッチ回路５８は、信号パターン５６−１〜５６−４に下部短軸共有電極４８−１〜４８−４を選択して接続するためのものである。例えば、信号パターン５６−１は、スイッチ回路５８により下部短軸共有電極４８−１〜４８−４を選択して接続することができる。

スイッチ回路５８は制御手段１６により制御され、操作手段１８から入力されるフォーカス設定条件（フォーカス深度、ビームモード等）によって接続する上部長軸素子電極の組み合わせを任意に設定する。すなわち、スイッチ回路５８は、フォーカス条件設定条件により制御される。

短軸方向を分解しない場合には、信号パターン５６−１は、スイッチ回路５８により下部短軸共有電極４８−１〜４８−４に接続される。

短軸方向を２つに分解する場合には、図８に示すように、信号パターン５６−１はスイッチ回路５８により下部短軸共有電極４８−１及び下部短軸共有電極４８−２に接続される。そして、信号パターン５６−２は、スイッチ回路５８により下部短軸共有電極４８−３及び下部短軸共有電極４８−４に接続される。

可変口径を行う場合には次のように行う。口径Ｄである矩形振動子の焦点における方位分解能Δｘは、波長をλ，フォーカス距離をＦとすると、Δｘ＝λＦ／Ｄであり、口径の大きさに反比例することが知られている。そこで、フォーカス距離に応じて口径を変え、良好なビームを得る方法が広く採用されている。

具体的には、図９に示すように、信号パターン５６−１は、スイッチ回路５８により下部短軸共有電極４８−１及び下部短軸共有電極４８−４に接続される。そして、信号パターン５６−２は、スイッチ回路５８により下部短軸共有電極４８−２及び下部短軸共有電極４８−３に接続される。

また、制御手段１６は、これら上記区分された電極において、短軸方向の中心部に向かうにつれて重みを大きくすることができる。

なお、長軸方向Ｘと同様に、短軸方向Ｙについても、ウエハから半導体基板４０をダイシングなどにより切り出す際に、下部短軸共有電極の幅、要求される外径寸法等の所定幅寸法に合わせて加工することで、組み合わせる下部短軸共有電極の数が合わない等の問題に対応可能である。

このようにスイッチ回路５８を制御することにより、要求される仕様に応じて短軸方向の分割構造を変えることができる。

本実施の形態によれば、１種類の半導体基板で、長軸方向の素子ピッチ、短軸方向の分割構造の仕様が異なる様々な機種に対して対応することができる。すなわち、複数の振動要素が直列に接続されている複数の上部長軸素子電極（基本構造）がスイッチ回路に電気的に接続されており、この接続されている基本構造を任意に分離することにより、１種類の基板で、長軸方向の素子ピッチの仕様が異なる複数の機種に対応することができる。また、長軸方向Ｘに配列された複数の短冊状の下部短軸共有電極がスイッチ回路に電気的に接続されており、この接続されている下部短軸共有電極を任意に組み合わせることにより、１種類の基板で、短軸方向の分割構造の仕様が異なる複数の機種に対応することができる。また、スイッチ回路を制御して上部長軸素子電極（基本構造）の接続方法、下部短軸共有電極の組み合わせを変えることにより、基板の製造後においても、要求される仕様に応じて長軸方向の素子ピッチ、短軸方向の分割構造を変えることができる。

また、本実施の形態によれば、振動要素を接続する基本となる構造である上部長軸素子電極及び下部短軸共有電極を任意に組み合わせることで超音波探触子を駆動させるため、基板の外径を任意に切断した場合においても上部長軸素子電極及び下部短軸共有電極を信号パターンに接続することで超音波探触子を駆動できる。基板の外径を所定の大きさに切り出せるため、１種類の半導体基板で長軸方向の素子ピッチ、短軸方向の分割構造、外径寸法が異なる様々な機種に対して対応することができる。１種類の半導体基板を作成するためには１枚のマスクを用意すればよいため、初期費用を小さくすることができる。また、初期費用を小さくできるため、多品種少量生産にも対応することができる。

＜第２の実施の形態＞
上記第１の実施の形態の超音波探触子では、スイッチ回路を制御して長軸方向の素子ピッチ、短軸方向の分割構造を変えているが、これに限定されるものではない。

本実施の形態の超音波探触子は、上部長軸素子電極、下部短軸共有電極がそれぞれ接続された共通電極を用いるものである。図１０は、本発明に係る第２の実施の形態の超音波探触子２に用いられる振動子２６の基本構造を示した説明図である。なお、図中、第１の実施の形態と同一の部分については、同一の符号を付し、説明を省略する。

半導体基板４０と、信号パターン７１ａ〜７１ｑ（ｑ：２以上の整数）が配設された外部基板７０と、信号パターン７６−１〜７６−４が配設された外部基板７５とがバッキング材２８上に固定されている。

半導体基板４０には、長軸方向Ｘに沿って共通電極パッド４７が配設されており、上部長軸素子電極４６−１〜４６−Ｎの端部が接続されている。

また、半導体基板４０には、短冊状の複数の下部共通電極４８−１〜４８−４が長軸方向Ｙに沿って配設されており、端部が接続されて一体となった構造となっている。

外部基板７０にはが信号パターン７１ａ〜７１ｑが配設されており、信号パターン７１ａ〜７１ｑと共通電極パッド４７とがワイヤボンディングによる金属線７２ａ〜７２ｑにより接続されている。

外部基板７５に信号パターン７６−１〜７６−４が配設されており、信号パターン７６−１〜７６−４と下部共通電極４８−１〜４８−４を一体に形成している端部とがワイヤボンディングによる金属線７７−１〜７７−４により接続されている。

なお、図１０において、下部共通電極４８−１〜４８−４が４個配設されているが、数はこれに限らない。また、信号パターンと共通電極パッド又は下部共通電極とがワイヤボンディングにより接続されているが、これに限らず、パッド同士で接続するフリップチップボンディング方式でもよい。

次に、素子ピッチ（長軸方向Ｘの幅）を変える方法について説明する。

図１０に示すように、共通電極パッド４７によって上部長軸素子電極３列が接続されるように、共通電極パッド４７に対して溝８１ａ〜８１ｑを追加工する。加工方法としては、例えばレーザや電子ビーム照射による方法などがある。具体的には、共通電極パッド４７の上部長軸素子電極４６−１〜４６−３が接続されている部分（電極パッド４７ａ）とそれ以外の部分とを分割するように、共通電極パッド４７に溝８１ａを加工する。同様にして、電極パッド４７ｂ〜４７ｑを共通電極パッド４７から分割するように、共通電極パッド４７に溝８１ｂ〜８１ｑを加工する。溝８１ａ〜８１ｑによって共通電極パッド４７から形成された電極パッド４７ａ〜４７ｑと、振動要素を駆動させる駆動信号が伝達される信号パターン７１ａ〜７１ｑとをワイヤボンディング７２ａ〜７２ｑにより接続することで、振動要素を長軸方向Ｘに所定の素子ピッチで分割する。

長軸方向Ｘの素子ピッチを上記の素子ピッチと異なる素子ピッチに設定する場合には、図１１に示すように、共通電極パッド４７によって上部長軸素子電極４列が接続されるように、共通電極パッド４７に対して溝８１ａ’〜８１ｑ ’を追加工する。具体的には、共通電極パッド４７の上部長軸素子電極４６−１〜４６−４が接続されている部分（電極パッド４７ａ’）とそれ以外の部分とを分割するように、共通電極パッド４７に溝８１ａ’を加工する。同様にして、電極パッド４７ｂ’〜４７ｑ ’を共通電極パッド４７から分割するように、共通電極パッド４７に溝８１ｂ’〜８１ｑ ’を加工する。溝８１ａ’〜８１ｑ ’によって共通電極パッド４７から形成された電極パッド４７ａ’〜４７ｑ ’と、信号パターン７１ａ’〜７１ｑ ’とをワイヤボンディング７２ａ’〜７２ｑ ’により接続する。これにより、長軸方向Ｘの素子ピッチが変更できる。

なお、本実施例では、上部長軸素子電極を３列又は４列で端子パッドを構成したが、接続される上部長軸素子電極の列数はこれに限らない。また、本実施例では、分割後の共通電極パッド４７ａ〜４７ｑの数と、信号パターン７１ａ〜７１ｑの数と、ワイヤボンディング７２ａ〜７２ｑの数とを同数にしたが、異なる数でもよい。

共通電極パッドに溝を追加工する場合において、素子ピッチを変えたことにより上部長軸素子電極の列数が合わない振動子が生じてしまうことが容易に予想されるが、これはウエハから半導体基板４０をダイシングなどにより切り出す際にピッチと振動子数を考慮した寸法に合わせて加工することで対応可能である。なお、素子ピッチと振動子の数に対応して半導体基板４０をウエハから切り出すのみでなく、機種毎に要求される寸法に応じて半導体基板４０をウエハから切り出すようにしてもよい。

次に、短軸方向Ｙの分割構造（短軸方向Ｙの分割数および幅）を変える方法について説明する。

図１０に示すように、下部共通電極４８−１〜４８−４を一体としている端部に対して溝８２−１〜８２−３を追加工することにより、下部短軸共通電極４８−１〜４８−４を分割する。加工方法としては、共通電極パッド４７の場合と同様に、例えばレーザや電子ビーム照射による方法などがある。下部短軸共通電極４８−１〜４８−４と、振動要素を駆動させる駆動信号が伝達される信号パターン７６−１〜７６−４とをワイヤボンディング７７−１〜７７−４により接続することで、振動要素を短軸方向Ｙに所定の分割数で分割する。

短軸方向Ｙの分割構造を上記とは異なる分割構造に設定する場合には、例えば、以下のように分割構造を設定する。

短軸方向Ｙを分割しない場合には、下部共通電極４８−１〜４８−４を一体に形成している端部に溝を追加工することなく、そのままとする。下部共通電極４８−１〜４８−４を一体に形成している端部と、信号パターン７６−１とをワイヤボンディング７７−１により接続することで、下部共通電極４８−１〜４８−４を同時に駆動させる。

隣り合う２列が共通になるように分割する場合には、図１２に示すように、下部共通電極４８−１〜４８−４を一体に形成している端部に溝８２’を追加工することで、下部短軸共通電極４８−１〜４８−２と、下部短軸共通電極４８−３〜４８−４とを分割する。下部短軸共通電極４８−１〜４８−２と信号パターン７６−１’とをワイヤボンディング７７−１’により接続し、下部短軸共通電極４８−３〜４８−４と信号パターン７６−２’ とをワイヤボンディング７７−２’により接続することで、下部短軸共通電極４８−１〜４８−２と下部短軸共通電極４８−３〜４８−４とを別々に駆動させる。

内側２列と外側２列とに分割する場合には、図１３に示すように、下部共通電極４８−１〜４８−４を一体に形成している端部に溝８２’’を追加工することで、下部短軸共通電極４８−１、４８−４と、下部短軸共通電極４８−２、４８−３とを分割する。下部短軸共通電極４８−２、４８−３と信号パターン７６−１’’とをワイヤボンディング７７−１’’により接続し、下部短軸共通電極４８−１、４８−４と信号パターン７６−２’’とをワイヤボンディング７７−２’’により接続することで、下部短軸共通電極４８−１、４８−４と下部短軸共通電極４４８−２、４８−３とを別々に駆動させる。

これにより、短軸方向Ｙの分割構造が変更できる。

また、長軸方向Ｘと同様に、短軸方向Ｙについても、ウエハから半導体基板４０をダイシングなどにより切り出す際に、下部短軸共有電極の幅、要求される外径寸法等の所定幅寸法に合わせて加工することで、組み合わせる下部短軸共有電極の数が合わない等の問題に対応可能である。

本実施の形態によれば、１種類の半導体基板で、長軸方向の素子ピッチ、短軸方向の分割構造の仕様が異なる複数の機種に対応することができる。すなわち、複数の振動要素が直列に接続されている複数の上部長軸素子電極（基本構造）が接続されている第１の共通電極を基板又は超音波探触子の製造時に任意に分割することにより、１種類の半導体基板で、要求される仕様に応じて長軸方向の素子ピッチを変えることができる。また、短軸方向Ｙに複数配列された短冊状の下部短軸共通電極の一端が短軸方向Ｙに沿って連結されており、連結された下部短軸共通電極の端部を基板又は超音波探触子の製造時に任意に分割することにより、１種類の半導体基板で、要求される仕様に応じて短軸方向の分割構造を変えることができる。

また、本実施の形態によれば、振動要素を接続する基本となる構造である上部長軸素子電極及び下部短軸共有電極を任意に組み合わせることで超音波探触子を駆動させるため、基板の外径を任意に切断しても上部長軸素子電極及び下部短軸共有電極を信号パターンに接続することで超音波探触子を駆動できる。基板の外径を所定の大きさに切り出せるため、１種類の半導体基板で長軸方向の素子ピッチ、短軸方向の分割構造、外径寸法が異なる様々な機種に対して対応することができる。１種類の半導体基板を作成するためには１枚のマスクを用意すればよいため、初期費用を小さくすることができる。また、初期費用を小さくできるため、多品種少量生産にも対応することができる。

なお、上記実施の形態では、振動要素としてｃＭＵＴを適用したが、ｃＭＵＴに限らず、超微細加工超音波トランスデューサ等、他の形態の振動要素を適用することができる。また、上記実施の形態では、直方体の超音波振動子の場合について説明したが、直方体に限らず、円筒形や扇形等、他の形状の超音波探触子の場合にも適用できる。

本発明が適用された超音波診断装置の全体構成を示す概略図である。 本発明が適用された超音波診断装置における超音波探触子の第１の実施の形態の構成図である。 上記超音波探触子の振動子の模式図である。 上記超音波探触子の振動要素の模式図である。 上記超音波探触子の振動子の基本構造を示した説明図であり、（ａ）は振動子の全体図を示し、（ｂ）は半導体基板の一部拡大図を示す。 上記超音波探触子の振動子の長軸方向Ｘピッチの変更方法の説明図である。 上記超音波探触子の振動子の長軸方向Ｘピッチの変更方法の説明図である。 上記超音波探触子の振動子の短軸方向Ｙの分割構造の変更方法の説明図である。 上記超音波探触子の振動子の短軸方向Ｙの分割構造の変更方法の説明図である。 本発明が適用された超音波診断装置における超音波探触子の第２の実施の形態の振動子の基本構造を示した説明図である。 上記超音波探触子の振動子の長軸方向Ｘピッチの変更方法の説明図である。 上記超音波探触子の振動子の短軸方向Ｙの分割構造の変更方法の説明図である。 上記超音波探触子の振動子の短軸方向Ｙの分割構造の変更方法の説明図である。

符号の説明

１：超音波診断装置、２：超音波探触子、２６：振動子、２８：バッキング材、３０：マッチング層、３２：音響レンズ、３４：振動要素、４０：半導体基板、４２：センサ部、４３：枠体、４４：膜体、４５：内部空間、４６：上部長軸素子電極、４７：共通電極パッド、４８：下部短軸共通電極、５２：下部電極、５０、５５、７０、７５：外部基板、５３、５８：スイッチ回路、８１、８２：溝

Claims (11)

1. 複数の振動要素と、第１の電極と、前記複数の振動要素を挟んで前記第１の電極と対向して設けられた第２の電極とを有する超音波探触子の電極構造において、
   前記第１の電極は、超音波探触子の第１の方向に配列された各振動要素をそれぞれ直列に連結する基本構造と、前記基本構造を任意の本数ずつ電気的に連結する第１の連結部と、を備えたことを特徴とする超音波探触子の電極構造。
2. 前記第１の連結部は前記基本構造が電気的に接続されたスイッチ部を有し、前記スイッチ部は前記基本構造を任意の本数ずつ電気的に連結することを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子の電極構造。
3. 前記第１の連結部は、前記基本構造を超音波探触子の前記第１の方向に直交する第２の方向に沿った端部において連結する第１の共通電極を有し、前記第１の共通電極は任意に分離可能に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子の電極構造。
4. 複数の振動要素と、第１の電極と、前記複数の振動要素を挟んで前記第１の電極と対向して設けられた第２の電極とを有する超音波探触子の電極構造において、
   前記第２の電極は、超音波探触子の第１の方向に隣接して配列された複数の短冊状の電極と、前記短冊状の電極を任意にそれぞれ組み合わせて電気的に連結する第２の連結部と、を備えたことを特徴とする超音波探触子の電極構造。
5. 前記第２の連結部は前記短冊状の電極が電気的に接続されたスイッチ部を有し、前記スイッチ部は接続されている前記短冊状の電極を任意に組み合わせて電気的に連結することを特徴とする請求項４に記載の超音波探触子の電極構造。
6. 前記第２の連結部は、前記短冊状の電極の一端を超音波探触子の前記第１の方向に沿って連結する第２の共通電極を有し、前記第２の共通電極は任意に分離可能に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の超音波探触子の電極構造。
7. 前記複数の短冊状の電極は、前記振動要素の形状にあった波型であることを特徴とする請求項４に記載の超音波探触子の電極構造。
8. 請求項１〜３のうちいずれか１に記載の超音波探触子の電極構造を有する超音波探触子であって、
   前記基本構造は、信号の入出力パターンを有する第１の基板と電気的に接続されていることを特徴とする超音波探触子。
9. 請求項４〜７のうちいずれか１に記載の超音波探触子の電極構造を有する超音波探触子であって、
   前記短冊状の電極は、信号の入出力パターンを有する第２の基板と電気的に接続されていることを特徴とする超音波探触子。
10. 請求項２又は５に記載の超音波探触子の電極構造を有する超音波探触子であって、
    前記スイッチ部は、フォーカス設定条件に応じて制御されることを特徴とする超音波探触子。
11. 請求項１〜７のうちいずれか１に記載の超音波探触子の電極構造を有する基板であって、超音波探触子の別々の機種に要求される素子ピッチ、分割構造、寸法に応じて切断が可能であることを特徴とする超音波探触子の基板。

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