JP2016030019A - 超音波トランスデューサ及び超音波診断装置 - Google Patents

超音波トランスデューサ及び超音波診断装置 Download PDF

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Abstract

【課題】超音波トランスデューサの感度を劣化させることなく、広帯域特性を得ることができる装置を提供する。
【解決手段】圧電素子２０２は、圧電薄膜２０３と、圧電薄膜２０３の厚さ方向の一方の面に配設され、基板２０１上に接合された第１の電極２０４と、圧電薄膜２０３の厚さ方向の他方の面に配設され、第１の電極２０４とで一対となって圧電薄膜２０３に電圧を印加する第２の電極２０５と、を有し、圧電セル２００によって形成されるダイアフラムにおける駆動振動数比と位相との関係が複数の圧電セル２００間において略同一となるように、ダイアフラムの構造を表す等価単減衰振動モデルにおけるばね定数、粘性係数、質量のうち少なくとも２つ以上のパラメータには複数の圧電セル２００間において異なる値が設定されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、超音波トランスデューサ及び超音波診断装置に関する。
近年、超音波診断装置の超音波トランスデューサ（超音波探触子又は超音波プローブと称されることもある）として、半導体微細加工技術（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical System）によるｐＭＵＴ（Piezoelectric Micromachined Ultrasound Transducer）の開発が盛んに行われている（例えば、非特許文献１を参照）。
ｐＭＵＴにおいて用いられる圧電セル（振動子。以下、ｐＭＵＴセルと称することもある）は、高周波数適性及び高感度性には優れているものの、狭帯域特性が課題とされている。これに対して、例えば、特許文献１に開示された超音波トランスデューサでは、各々が狭帯域特性を有する圧電セルであって、互いに異なる共振周波数を有する複数の圧電セルを配列して同時駆動させることにより、全体として広帯域化が実現されている。例えば、特許文献１では、各圧電セルの振動膜のばね定数（例えば、振動膜の面積、厚さ、材料など）を異ならせることにより、異なる共振周波数を得ている。
特開２０１４−０１７５６５号公報
D.E.Dausch et al., "Piezoelectric Micromachined Ultrasound Transducer (pMUT) Arrays for 3D Imaging Probes," Proceedings of the IEEE Ultrasonics Symposium, vol. 1(2006), pp.930-933
上述したように、特許文献１では、圧電セルの振動膜のばね定数により、各圧電セルでの共振周波数に関する振幅特性を調整している。しかしながら、圧電セルは、振幅特性の他に、位相特性を有する。特許文献１のように振幅特性が調整されたとしても、位相特性の異なる複数の圧電セルが同時駆動すると、位相が反転した場合には圧電セル同士の音圧が互いを打ち消し合ってしまう（反結合となる）。この結果、全体の出力音圧が低下するので、超音波トランスデューサの感度が劣化してしまう。
本発明の目的は、超音波トランスデューサの感度を劣化させることなく、広帯域特性を得ることができる超音波トランスデューサ及び超音波診断装置を提供することである。
本発明の一態様に係る超音波トランスデューサは、互いに異なる共振周波数を有する複数の圧電セルが配列された超音波トランスデューサであって、前記複数の圧電セルの各々は、圧電素子と、前記圧電素子を支持する基板と、を有し、前記圧電素子は、圧電薄膜と、前記圧電薄膜の厚さ方向の一方の面に配設され、前記基板上に接合された第１の電極と、前記圧電薄膜の厚さ方向の他方の面に配設され、前記第１の電極とで一対となって前記圧電薄膜に電圧を印加する第２の電極と、を有し、前記圧電セルによって形成されるダイアフラムにおける駆動振動数比と位相との関係が前記複数の圧電セル間において略同一となるように、前記ダイアフラムの構造を表す等価単減衰振動モデルにおけるばね定数、粘性係数、質量のうち少なくとも２つ以上のパラメータには前記複数の圧電セル間において異なる値が設定されている。
本発明の一態様に係る超音波診断装置は、互いに異なる共振周波数を有する複数の圧電セルが配列された超音波トランスデューサと、前記超音波トランスデューサを駆動させて、被検体への第１の超音波信号を送信する送信部と、前記超音波トランスデューサを駆動させて、前記第１の超音波信号に対する前記被検体からの第２の超音波信号を受信する受信部と、前記第２の超音波信号を用いて、超音波診断用の画像を生成する画像処理部と、前記生成された画像を表示する表示部と、を具備し、前記複数の圧電セルの各々は、圧電素子と、前記圧電素子を支持する基板と、を有し、前記圧電素子は、圧電薄膜と、前記圧電薄膜の厚さ方向の一方の面に配設され、前記基板上に接合された第１の電極と、前記圧電薄膜の厚さ方向の他方の面に配設され、前記第１の電極とで一対となって前記圧電薄膜に電圧を印加する第２の電極と、を有し、前記圧電セルによって形成されるダイアフラムにおける駆動振動数比と位相との関係が前記複数の圧電セル間において略同一となるように、前記ダイアフラムの構造を表す等価単減衰振動モデルにおけるばね定数、粘性係数、質量のうち少なくとも２つ以上のパラメータには前記複数の圧電セル間において異なる値が設定されている。
本発明によれば、超音波トランスデューサの感度を劣化させることなく、広帯域特性を得ることができる。
本開示に係る超音波診断装置の概観構成を示す図 本開示に係る超音波診断装置の構成を示すブロック図 本開示に係る超音波トランスデューサの内部構成を示す図 本開示に係るｐＭＵＴセルの配列の一例を示す図 本開示に係るｐＭＵＴセルの構造を示す図 本開示に係るκと位相βとの関係を示す図 本開示に係るばね定数を調整する場合におけるｐＭＵＴセルの構造を示す図 本開示に係るばね定数を調整する場合におけるｐＭＵＴセルの構造の拡大図 本開示に係る粘性係数を調整する場合におけるｐＭＵＴセルの構造を示す図 本開示に係る質量を調整する場合におけるｐＭＵＴセルの構造を示す図 本開示に係る位相特性の調整に用いるパラメータの評価の説明に供する図 本開示に係る位相特性の調整前後におけるκと位相βとの関係を示す図 本開示に係る各ｐＭＵＴセルにおけるκを同一にした場合の説明に供する図 本開示に係る各ｐＭＵＴセルにおけるκを異ならせた場合の説明に供する図
以下、本開示の実施の形態に係る超音波トランスデューサ及び超音波診断装置について図面を参照しながら説明する。なお、実施の形態において、同一の構成要素（同一の動作を行うシーケンス）には同一の符号を付し、その説明は重複するので省略する。
［超音波診断装置の構成］
図１は、本実施の形態に係る超音波トランスデューサを有する超音波診断装置の概観構成を示す図である。図２は、本実施の形態に係る超音波診断装置の電気的な構成を示すブロック図である。
超音波診断装置１は、超音波診断装置本体１０と、超音波トランスデューサ２０と、ケーブル３０とを有する構成を採る。
超音波トランスデューサ２０は、被検体である人体（図示せず）に対して超音波信号を送信し、送信した超音波に基づく人体から来た超音波信号を受信する。超音波トランスデューサ２０には、互いに異なる共振周波数を有する複数のｐＭＵＴセル（後述する）が配列されている。
超音波診断装置本体１０は、超音波トランスデューサ２０とケーブル３０を介して接続され、超音波トランスデューサ２０へケーブル３０を介して電気信号の送信信号を送信することによって超音波トランスデューサ２０に対して超音波信号を送信させる。また、超音波診断装置本体１０は、超音波トランスデューサ２０が受信した超音波信号に基づいて超音波トランスデューサ２０において生成された電気信号を用いて、人体の内部状態を超音波画像として画像化する。
具体的には、超音波診断装置本体１０は、操作入力部１１と、送信部１２と、受信部１３と、画像処理部１４と、表示部１５と、制御部１６と、を含む構成を採る。
操作入力部１１は、例えば、診断開始などを指示するコマンド又は被検体に関する情報を入力する。操作入力部１１は、例えば、複数の入力スイッチを備えた操作パネル又はキーボードなどである。
送信部１２は、制御部１６から受け取る制御信号をケーブル３０を介して超音波トランスデューサ２０へ送信する。すなわち、送信部１２は、超音波トランスデューサ２０を駆動させて、被検体への超音波信号を送信する。
受信部１３は、超音波トランスデューサ２０からケーブル３０を介して送信される受信信号を受信する。すなわち、受信部１３は、超音波トランスデューサ２０を駆動させて、送信した超音波信号に対する被検体からの超音波信号を受信する。そして、受信部１３は、受信した超音波信号を画像処理部１４へ出力する。
画像処理部１４は、制御部１６の指示に従って、受信部１３から受け取る超音波信号を用いて被検体内の内部状態を表す超音波診断用の画像（超音波画像）を生成する。
表示部１５は、制御部１６の指示に従って、画像処理部１４において生成された超音波画像を表示する。
制御部１６は、操作入力部１１、送信部１２、受信部１３、画像処理部１４、表示部１５をそれぞれの機能に応じて制御することによって、超音波診断装置１の全体制御を行う。
［超音波トランスデューサの構成］
図３は、本実施の形態に係る超音波トランスデューサ２０の基本構成の一例を示す図である。図３に示す超音波トランスデューサ２０は、保護層２１と、超音波送受信部２２と、バッキング材２３と、信号処理回路２４と、を含む構成を採る。
保護層２１は、例えば、人体に接触させる際に不快感を与えることがないように、超音波送受信部２２を覆うようにしてシリコーンゴムなどから形成される。
超音波送受信部２２は、保護層２１とバッキング材２３との間に配設され、超音波の送受信を行う。超音波送受信部２２は、複数のｐＭＵＴセル（後述する）を備える。
バッキング材２３は、超音波送受信部２２において発生する不要振動を減衰させる。
信号処理回路２４は、ケーブル３０を介して超音波診断装置本体１０と接続されており、超音波送信用のパルス信号の生成、又は、受信パルス信号の処理を行う。
［ｐＭＵＴセルの構成］
以下、図３に示す超音波送受信部２２が備えるｐＭＵＴセルの構成について詳細に説明する。
超音波送受信部２２は、基板と、基板上に形成された複数のｐＭＵＴセルとを含む構成を採る。例えば、図４Ａ又は図４Ｂに示すように、複数のｐＭＵＴセル２００は基板上に配列され、又は、電気的に並列接続されている。なお、図４Ａは２ｃｈの１Ｄアレイの構成例を示し、図４Ｂは、２ｃｈ×２ｃｈの２Ｄアレイの構成例を示す。ただし、複数のｐＭＵＴセル２００の配列は、図４Ａ又は図４Ｂに示す配列に限定されるものではない。
図５は、ｐＭＵＴセル２００の基本的な構造を示す。図５ＡはｐＭＵＴセル２００の平面図を示し、図５Ｂは、図５ＡのＡ−Ａ’線断面図を示す。なお、図５Ａ及び図５Ｂでは、電極配線を省略している。
ｐＭＵＴセル２００は、圧電素子２０２と、圧電素子２０２を支持する基板２０１とから構成される。
また、圧電素子２０２は、圧電薄膜（圧電部材）２０３と、圧電薄膜２０３の後面（厚さ方向の一方の面）に配設され基板２０１上に接合された下部電極２０４と、圧電薄膜２０３の前面（厚さ方向の他方の面）に配設され、下部電極２０４とで一対となって圧電薄膜２０３に電圧を印加する上部電極２０５とから構成される。
上部電極２０５及び下部電極２０４の電極材料としては、例えば、プラチナ、金、アルミニウムなどが挙げられる。
図５Ｂに示すｐＭＵＴセル２００は、基板２０１を支持体とし、圧電素子２０２によって形成されるダイアフラムを太鼓状に振動させて超音波の送受信を行うダイアフラム構造である。
図５Ｃは、図５Ｂに示すｐＭＵＴセル２００によって形成されるダイアフラムの構造を表す等価単減衰振動モデルを示す。図５Ｃにおいて、ｋはダイアフラム構造における振動のばね定数を示し、ｃは粘性係数（減衰係数と称することもある）を示し、ｍは集中質量（以下、単に質量と称することもある）を示し、ｘは基準位置からの変位（ばねの伸び／縮み）を示し、Ｆ０は周期的外力（すなわち、駆動信号の強度）を示す。
図５Ｃに示すダイアフラム構造（振動モデル）には、次式に示す関係が成立する。
Figure 2016030019
式（１）においてωはｐＭＵＴセル２００の駆動振動数（つまり駆動周波数に対応）を示す。また、図５Ｃに示すダイアフラム構造における変位速度応答ｖ（出力音圧に比例）は、次式で表される。
Figure 2016030019
式（２）において、ｘ０は最大変位を示し、外力F0とバネ定数kの比で求まり、ｔは時間を示す。また、βは位相角を示し、次式で表される。
Figure 2016030019
式（３）に示されるκ（駆動振動数比）及びζ（粘性係数比）は次式（４）、（５）でそれぞれ表される。
Figure 2016030019
Figure 2016030019
式（４）、（５）において、ω０は固有振動数（つまり共振周波数に対応）を示し、ｃｃは臨界粘性係数（臨界減衰係数と称することもある）を示す。式（３）より、κ＝１の場合（ω＝ω０、つまり、共振周波数にて駆動時）、変位速度ｖ（出力音圧）が最大となることが分かる。
また、上述した、ｋ、ｍ、ｃｃは、次の関係がそれぞれ成立する。なお、ρは電極の材料密度を示し、ｔは電極の厚みを示し、Ａは電極の面積を示す。
Figure 2016030019
ここで、図６は、変数ζが異なる場合における、変数κと位相角βとの関係（位相特性）を示す。図６に示すように、κ＝１（ω＝ω０）では、ζが何れの値であっても位相βが一致することが分かる。ただし、κが１以外の場合、すなわち、κ＜１（ω＜ω０）又はκ＞１（ω＞ω０）の場合には、ζの値によって位相βが異なる。特に、κ＝１付近での位相βの変動は、κ＝０又は２付近（つまり、κ＝１から十分離れた値）での位相βの変動と比較して急であることが分かる。
このように、超音波送受信部２２に含まれる複数のｐＭＵＴセル２００の各々のダイアフラム構造において、ζの値が異なる場合には、各ｐＭＵＴセル２００における位相特性が異なってしまう。上述したように、複数のｐＭＵＴセル２００での位相特性が異なると、ｐＭＵＴセル２００同士の音圧が互いを打ち消し合ってしまい、超音波トランスデューサ２０の感度が劣化してしまう。
そこで、本実施の形態では、ｐＭＵＴセル２００のダイアフラム構造を調整することによって、複数のｐＭＵＴセルにおける位相特性を同程度に揃える。ここでは、式（５）に示すζの関係式に着目する。
式（６）に示すように、臨界粘性係数ｃｃは、ばね定数ｋ及び質量ｍによって表される。すなわち、式（５）に示すζは、ばね定数ｋ、粘性係数ｃ、及び、質量ｍによって決定される。換言すると、ζは、ばね定数ｋ、粘性係数ｃ、又は、質量ｍを変化させることによって調整可能である。
ここで、ばね定数ｋは、ｐＭＵＴセル２００のダイアフラムの支持体（つまり、基板２０１）の構造に応じて変化する。また、粘性係数ｃは、ｐＭＵＴセル２００のダイアフラム全面又は背面の摩擦、粘性に応じて変化する。また、質量ｍは、ｐＭＵＴセル２００の上部電極２０５の構成（面積、厚み、又は密度）に応じて変化する。
本実施の形態では、例えば、上述したばね定数ｋ、粘性係数ｃ、及び質量ｍのうち少なくとも２つのパラメータを変化させて位相特性（β）を調整することにより、各ｐＭＵＴセル２００の位相特性（つまり、ζ）を同程度に揃える。つまり、本実施の形態では、図５Ｃに示すｐＭＵＴセル２００によって形成されるダイアフラムにおけるκと位相βとの関係（位相特性）が複数のｐＭＵＴセル２００間において略同一となるように、ダイアフラムの構造を表す等価単減衰振動モデルにおけるばね定数ｋ、粘性係数ｃ、質量ｍのうち少なくとも２つ以上のパラメータには複数のｐＭＵＴセル２００間において異なる値が設定されている。
以下、ばね定数ｋ、粘性係数ｃ、及び質量ｍの各々における位相特性の調整方法について詳細に説明する。
［ばね定数ｋ］
図７は、本実施の形態に係るばね定数ｋを調整する場合のｐＭＵＴセル２００の構造を示す。図７ＡはｐＭＵＴセル２００の平面図を示し、図７Ｂは、図７ＡのＢ−Ｂ’線断面図を示す。なお、図７Ａ及び図７Ｂでは、電極配線を省略している。
図７Ａに示すように、ｐＭＵＴセル２００の基板２０１ａの圧電素子２０２に接する面には、圧電素子２０２の外周部分に部分的に穴が形成される。このように、複数のｐＭＵＴセル２００毎にダイアフラムの支持構造を変化させて、断面二次モーメントを変えることにより、バネ係数ｋが調整される。図７Ａ及び図７Ｂに示すように、基板２０１ａに形成される穴を調整することにより、圧電素子２０２の径（ダイアフラム径と称することもある）を変えることなくばね係数ｋが調整され、結果として、粘性係数比ζが調整される。すなわち、複数のｐＭＵＴセル２００では、図７Ａ及び図７Ｂに示す穴の大きさに応じてばね定数がそれぞれ異なる。
図８Ａは、穴の大きさに応じたばね係数ｋの変化の説明に供する図である。具体的には、図８Ａは、図７Ａに示す領域Ｃにおける基板２０１ａを拡大した斜視図である。図８Ａに示すように、長さＬは、圧電素子２０２の外周部に形成される穴の径方向の長さに相当し、Ｌが大きいほど穴の径方向の長さが長くなる。また、幅ｂは、形成される穴の円周方向の長さに対応し、ｂが大きいほど穴の円周方向の長さが短くなる。また、厚みｈは、穴が形成される円周部における基板２０１ａの厚みに相当する。つまり、図８Ａに示すＬ、ｂ、ｈの長さを調整することにより、穴の大きさが調整される。
このように、図８Ａ及び図８Ｂに示すｐＭＵＴセル２００では、ダイアフラムの支持体の形状を変化させることにより、ばね定数ｋが調整される。
ここで、式（６）に示す臨界粘性係数ｃｃは、変数Ｌ、ｂ、ｈを用いると次式のように表される。
Figure 2016030019
式（７）において、ｍは質量を示し、Ｅはヤング率を示す。よって、ばね定数ｋは、変数Ｌ、ｂ、ｈを用いて次式で表される。
Figure 2016030019
そして、変数ｂ、ｈ、Ｌの各々を変化させてダイアフラム支持構造を調整した場合におけるζの変化量は次式（９）−（１１）でそれぞれ表される。
Figure 2016030019
Figure 2016030019
Figure 2016030019
式（９）−（１１）より、図８Ｂに示すように、幅ｂの増加はζの負方向への変化に寄与し、厚みｈの増加はζの負方向への変化に寄与し、長さＬの増加は、ζの正方向への変化に寄与する。
このようにして、複数のｐＭＵＴセル２００毎にダイアフラム支持構造を調整することにより、各ｐＭＵＴセル２００の位相特性（ζ）をｐＭＵＴセル２００間において同程度に揃えることができる。
［粘性係数ｃ］
図９Ａ及び図９Ｂは、本実施の形態に係る粘性係数ｃを調整する場合のｐＭＵＴセル２００の構造を示す。なお、図９Ａ及び図９Ｂでは、電極配線を省略している。
図９Ａに示すｐＭＵＴセル２００の基板２０１は、圧電素子２０２の厚み方向に向かって圧電素子２０２を基板２０１へ投影した部分（つまり、ダイアフラムの背面側）に中空部（内部空間）を有する。本実施の形態では、ダイアフラムの背面側である基板２０１の内部空間に、流体又は樹脂などの充填材２０６が封入される。充填材２０６としては、例えば、可撓性エポキシ樹脂、シリコンオイル類、フルオロエーテル類、フルオロカーボン類、純水などが挙げられる。
一方、図９Ｂに示すｐＭＵＴセル２００では、タイヤフラムの前面側に、圧電素子２０２を覆うようにして、樹脂材２０７から成る絶縁層が形成される。樹脂材２０７としては、例えば、可撓性エポキシ樹脂などが挙げられる。
すなわち、図９Ａ及び図９Ｂに示すｐＭＵＴセル２００では、ダイアフラムの前面又は背面に絶縁層の形成又は充填材２０６の封入により、粘性係数ｃが調整される。すなわち、図９Ａに示す複数のｐＭＵＴセル２００では、基板２０１の内部空間に充填材２０６が封入されるか否か又は充填材２０６の材料に応じて、粘性係数ｃがそれぞれ異なる。また、図９Ｂに示す複数のｐＭＵＴセル２００では、絶縁層の材料（樹脂材２０７）に応じて粘性係数ｃがそれぞれ異なる。
ここで、式（５）（式（７））において粘性係数ｃを変化させた場合におけるζの変化量は次式で表される。
Figure 2016030019
式（１２）より、図９Ｃに示すように、充填材２０６又樹脂材２０７による粘性係数ｃの増加はζの正方向への変化に寄与する。なお、充填材２０６又樹脂材２０７の種別によって粘性係数ｃの増加度合いは異なる。
このようにして、複数のｐＭＵＴセル２００毎に充填材２０６又樹脂材２０７の有り／無、及び、種別を調整することにより、各ｐＭＵＴセル２００の位相特性（ζ）を同程度に揃えることができる。
［質量ｍ］
図１０Ａ及び図１０Ｂは、本実施の形態に係る質量ｍを調整する場合のｐＭＵＴセル２００の構造を示す。なお、図１０Ａ及び図１０Ｂでは、電極配線を省略している。
式（６）に示すように、質量ｍは、電極材料の密度ρ、厚みｔ、面積Ａによって表される。そこで、本実施の形態では、電極材料の密度ρ、厚みｔ、面積Ａを変化させて、複数のｐＭＵＴセル２００間での質量ｍを調整する。
例えば、図１０Ａに示すｐＭＵＴセル２００では、例えば、図５Ｂに示す上部電極２０５と比較して、上部電極２０５ａの厚みが大きくなっている。
また、図１０Ｂに示すｐＭＵＴセル２００では、例えば、図５Ｂに示す上部電極２０５と比較して、上部電極２０５ｂの径が短くなっている。つまり、図１０Ｂでは、図５Ｂと比較して、上部電極２０５ｂの面積が小さくなっている。
また、上部電極２０５の電極材料の種別によって電極材料の密度は異なる。
このように、ｐＭＵＴセル２００では、圧電素子２０２の上部電極のサイズ又は材料を変化させることにより、質量ｍが調整される。すなわち、複数のｐＭＵＴセル２００では、圧電素子２０２の上部電極の電極材料の密度ρ（図示せず）、厚みｔ（図１０Ａ参照）又は面積Ａ（図１０Ｂ参照）に応じて質量ｍがそれぞれ異なる。
ここで、式（５）（式（７））において質量ｍを変化させた場合におけるζの変化量は次式で表される。
Figure 2016030019
式（１３）より、図１０Ｃに示すように、圧電素子２０２の上部電極による質量ｍの増加はζの正方向への変化に寄与する。
このようにして、複数のｐＭＵＴセル２００毎に圧電素子２０２の上部電極２０５の形状又は種別を調整することにより、各ｐＭＵＴセル２００の位相特性（ζ）を同程度に揃えることができる。
以上、ばね定数ｋ、粘性係数ｃ、及び質量ｍの各々における位相特性の調整方法について説明した。
例えば、ｐＭＵＴセル２００の製造時に、ばね定数ｋ、粘性係数ｃ、及び質量ｍのうち少なくとも２つのパラメータを調整することにより、複数のｐＭＵＴセル２００の位相特性を同程度に揃えればよい。例えば、ばね定数ｋ、粘性係数ｃ、及び質量ｍのうち何れか２つを調整してもよく、すべてのパラメータを調整してもよい。
図１１は、一例として、位相特性の調整に際して、所定の評価基準における各パラメータの評価を示す。ただし、位相特性の調整において用いるパラメータの決定方法は図１１に示すものに限定されるものではない。
例えば、図１１では、ばね定数ｋを決定するパラメータとして、図８に示す長さＬ、厚みｈ、幅ｂを用いて、質量ｍを決定するパラメータとして、上部電極２０５の面積Ａ、厚みｔ、電極材料密度ρを用いる場合について説明する。また、図１１では、各パラメータの評価基準として、（１）ｐＭＵＴセル２００の構造（形状、厚みなど）を調整する際の精度管理の容易性、（２）製造時におけるフォトマスク数又はリソグラフィプロセス数に影響する、圧電素子２０２の厚み方向の構造の少なさ、（３）ｐＭＵＴセル２００を構成する構成材料の少なさ、について考慮している。
図１１では、評価基準に対する各パラメータの評価を「○（優れている）」と「×（劣っている）」とで決定し、総合点（「○」の数）が決定される。そして、総合点の最も高いパラメータを複数のｐＭＵＴセル２００において異なるように調整することにより、各ｐＭＵＴセル２００での位相特性を同程度に揃えればよい。例えば、図１１では、長さＬ及び幅ｂによってばね定数ｋが調整され、上部電極２０５の面積Ａによって質量ｍが調整されることにより、ｐＭＵＴセル２００での位相特性を同程度に揃える。これにより、製造プロセスが複雑になることを防ぎ、製造されるｐＭＵＴセル２００の品質の劣化を防ぎつつ、複数のｐＭＵＴセル２００の位相特性を同程度に揃えることが可能となる。
このようにして、ｐＭＵＴセル２００の各々において複数のパラメータ（ばね定数ｋ、粘性係数ｃ、又は、質量ｍ）を用いることにより、例えば、１つのパラメータのみを用いる場合と比較して、位相特性（ζの値）の調整精度をより向上させることが可能となる。
図１２は、調整前と調整後における各ｐＭＵＴセル２００（図１２ではセル１〜３）での位相特性の一例を示す。図１２に示すように調整前にはセル１〜３の位相特性がそれぞれ異なっていたのに対して、調整後にはセル１〜３の位相特性がほぼ一致している。
この際、超音波トランスデューサ２０の駆動時における複数のｐＭＵＴセル２００の各々のκ（駆動振動比）を同一にすればよい。例えば、図１２において、各ｐＭＵＴセル２００（セル１〜３）は、κの値が同一になるような駆動周波数によって駆動されればよい。こうすることで、各ｐＭＵＴセル２００での位相はほぼ同一となる。
例えば、図１３Ａのように、ｐＭＵＴセル２００であるセル１〜３の共振周波数（ｆｒ１，ｆｒ２，ｆｒ３）がそれぞれ異なる８ＭＨｚ、１０ＭＨｚ、１２ＭＨｚである場合について説明する。また、図１３Ｂに示すようにセル１〜３の位相特性が同程度に調整されているものとする。また、ここでは、図１３Ｂに示すように、セル１〜３がκ＝０．８の同一の値で駆動される。この場合、図１３Ａに示すように、セル１〜３は、それぞれ６．４ＭＨｚ、８ＭＨｚ、９．６ＭＨｚの駆動周波数によって駆動することになる。
つまり、図１３Ｂに示すように、異なる共振周波数を有するｐＭＵＴセル２００に対して、同一の位相特性かつ同一のκの値を用いることにより、同一の位相βが得られる。つすなわち、複数のｐＭＵＴセル２００において共振周波数（つまり、ω０）が異なる場合でも、同程度の位相特性においてκ（式（４）を参照）が同一となるような駆動周波数（つまり、ω）で各ｐＭＵＴセル２００を同時駆動させることにより、複数のｐＭＵＴセル２００における位相特性（位相β）を揃えることができる。
よって、本実施の形態によれば、複数のｐＭＵＴセル２００が同時駆動しても、互いの位相が反転して各ｐＭＵＴセル２００での出力音圧が互いを打ち消し合うことが無いので、超音波送受信部２２全体の出力音圧の低下を防ぐことができる。すなわち、超音波トランスデューサ２０の感度の劣化を防ぐことができる。
なお、本実施の形態では、図１３Ｂに示すように、各ｐＭＵＴセル２００がκ＝０．８を用いる場合について説明した。しかし、各ｐＭＵＴセル２００が用いるκの値は０．８に限らず、例えば、κ＞１の値でもよい。
一般に、κと位相βとの間の特性（例えば、図６を参照）において、κ＝１（ω＝ω０）ではζの値によらず位相βは一定の値を採るものの、κ＝１付近での位相βの変動は急である。つまり、κ＝１付近では、κの値の変動に対する位相βの変動量は大きい。一方、図６に示すように、κがより小さいほど（ω＜＜ω０）、又は、κが大きいほど（ω＞＞ω０）、κの値の変動に対する位相βの変動量はより小さくなる。
また、ｐＭＵＴセル２００の構成を調整したとしても、例えば、製造プロセスでの誤差などに起因して、各ｐＭＵＴセル２００の位相特性が完全には揃わないことも想定される。この場合、各ｐＭＵＴセル２００においてκ＝１付近の値を用いたのでは、各ｐＭＵＴセル２００の位相βが異なってしまい、出力音圧が互いを打ち消し合うことを回避できなくなってしまう。そこで、本実施の形態では、各ｐＭＵＴセル２００において用いるκの値として、κ＝１よりも十分に小さい値（例えば、図６ではκ＝０付近）、又は、κ＝１よりも十分に大きい値（例えば、図６ではκ＝２付近）を用いてもよい。こうすることで、各ｐＭＵＴセル２００の位相βの調整精度をより向上させることができる。これにより、各ｐＭＵＴセル２００でのζを調整して位相特性を揃えた結果にずれが生じる場合であっても、当該ずれに起因して各ｐＭＵＴセル２００の位相差が大きくなることを抑えることができる。
また、本実施の形態では、図１３Ｂに示すように、各ｐＭＵＴセル２００がκとして同一の値を用いる場合について説明した。しかし、各ｐＭＵＴセル２００が用いるκの値は異なってもよい。例えば、図１４Ａのように、ｐＭＵＴセル２００であるセル１〜３の共振周波数（ｆｒ１，ｆｒ２，ｆｒ３）がそれぞれ異なる８ＭＨｚ、１０ＭＨｚ、１２ＭＨｚである場合について説明する。ここでは、図１４Ｂに示すように、各ｐＭＵＴセル２００（セル１〜３）での位相βの差（最大値と最小値との差）が所定の閾値（例えば２０度）未満となるように、各ｐＭＵＴセル２００において用いられるκの値が決定されてもよい。例えば、図１４Ｂでは、セル１〜３はκ＝０．６２５、０．５、０．４１６でそれぞれ駆動される。この場合、図１３Ａに示すように、セル１〜３の各々は５ＭＨｚの駆動周波数によって駆動することになる。こうすることで、例えば、各ｐＭＵＴセル２００でのζを調整して位相特性を揃えた結果にずれが生じる場合であっても、当該ずれに起因する、各ｐＭＵＴセル２００の位相差が大きくなることを抑えることが可能となる。
また、上述したように、κの値として、κ＝１よりも十分に小さい値（例えば、図６ではκ＝０付近）、又は、κ＝１よりも十分に大きい値（例えば、図６ではκ＝２付近）では、位相βの変動量は小さい（つまり、位相差は小さいので）。そこで、図１３Ｂに示すκ＝０．８の代わりに、κ＝０付近の値又はκ＝２付近の異なる値が各ｐＭＵＴセル２００に対して使用されてもよい。こうすることで、各ｐＭＵＴセル２００における位相差が大きくなることを抑えつつ、駆動周波数（ω）を柔軟に設定することができる。
なお、上記では、各ｐＭＵＴセル２００に対するκの設定例について説明したが、上記κの設定例については、所定数のｐＭＵＴセル２００によって構成されるセルグループ毎に適用してもよい。
本開示は、複数のｐＭＵＴを備えた超音波トランスデューサに対して有用である。
１ 超音波診断装置
１０ 超音波診断装置本体
１１ 操作入力部
１２ 送信部
１３ 受信部
１４ 画像処理部
１５ 表示部
１６ 制御部
２０ 超音波トランスデューサ
２１ 保護層
２２ 超音波送受信部
２３ バッキング材
２４ 信号処理回路２４
３０ ケーブル
２００ ｐＭＵＴセル
２０１，２０１ａ 基板
２０２ 圧電素子
２０３ 圧電薄膜
２０４ 下部電極
２０５，２０５ａ，２０５ｂ 上部電極
２０６ 充填材
２０７ 樹脂材

Claims (11)

  1. 互いに異なる共振周波数を有する複数の圧電セルが配列された超音波トランスデューサであって、
    前記複数の圧電セルの各々は、
    圧電素子と、
    前記圧電素子を支持する基板と、を有し、
    前記圧電素子は、
    圧電薄膜と、
    前記圧電薄膜の厚さ方向の一方の面に配設され、前記基板上に接合された第１の電極と、
    前記圧電薄膜の厚さ方向の他方の面に配設され、前記第１の電極とで一対となって前記圧電薄膜に電圧を印加する第２の電極と、を有し、
    前記圧電セルによって形成されるダイアフラムにおける駆動振動数比と位相との関係が前記複数の圧電セル間において略同一となるように、前記ダイアフラムの構造を表す等価単減衰振動モデルにおけるばね定数、粘性係数、質量のうち少なくとも２つ以上のパラメータには前記複数の圧電セル間において異なる値が設定されている、
    超音波トランスデューサ。
  2. 前記基板の前記圧電素子に接する面において、前記圧電素子の外周部分に穴が部分的に形成され、
    前記複数の圧電セルでは、前記穴の大きさに応じて前記ばね定数がそれぞれ異なる、
    請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
  3. 前記基板は、前記圧電素子の厚み方向に向かって前記圧電素子を前記基板へ投影した部分に中空部を有し、
    前記複数の圧電セルでは、前記中空部に充填材が封入されるか否か又は前記充填材の材料に応じて、前記粘性係数がそれぞれ異なる、
    請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
  4. 前記圧電素子を覆うように形成される絶縁層を、更に有し、
    前記複数の圧電セルでは、前記絶縁層の材料に応じて前記粘性係数がそれぞれ異なる、
    請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
  5. 前記複数の圧電セルでは、前記第２の電極の厚みに応じて前記質量がそれぞれ異なる、
    請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
  6. 前記複数の圧電セルでは、前記第２の電極の径に応じて前記質量がそれぞれ異なる、
    請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
  7. 前記複数の圧電セルでは、前記第２の電極の材料に応じて前記質量がそれぞれ異なる、
    請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
  8. 互いに異なる共振周波数を有する複数の圧電セルが配列された超音波トランスデューサと、
    前記超音波トランスデューサを駆動させて、被検体への第１の超音波信号を送信する送信部と、
    前記超音波トランスデューサを駆動させて、前記第１の超音波信号に対する前記被検体からの第２の超音波信号を受信する受信部と、
    前記第２の超音波信号を用いて、超音波診断用の画像を生成する画像処理部と、
    前記生成された画像を表示する表示部と、
    を具備し、
    前記複数の圧電セルの各々は、
    圧電素子と、
    前記圧電素子を支持する基板と、を有し、
    前記圧電素子は、
    圧電薄膜と、
    前記圧電薄膜の厚さ方向の一方の面に配設され、前記基板上に接合された第１の電極と、
    前記圧電薄膜の厚さ方向の他方の面に配設され、前記第１の電極とで一対となって前記圧電薄膜に電圧を印加する第２の電極と、を有し、
    前記圧電セルによって形成されるダイアフラムにおける駆動振動数比と位相との関係が前記複数の圧電セル間において略同一となるように、前記ダイアフラムの構造を表す等価単減衰振動モデルにおけるばね定数、粘性係数、質量のうち少なくとも２つ以上のパラメータには前記複数の圧電セル間において異なる値が設定されている、
    超音波診断装置。
  9. 前記超音波トランスデューサの駆動時における前記複数の圧電セルの各々の前記駆動振動比は同一である、
    請求項８に記載の超音波診断装置。
  10. 前記駆動振動比の値は、１未満又は１より大きい、
    請求項９に記載の超音波診断装置。
  11. 前記超音波トランスデューサの駆動時における前記複数の圧電セルの各々の前記駆動振動比は異なり、
    前記複数の圧電セルにおける最大位相と最小位相との差が所定の閾値未満である、
    請求項８に記載の超音波診断装置。
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