JP2020115940A - 超音波プローブ、及び超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広い周波数帯域に亘って、高い送受信感度を実現し得る超音波プローブを提供すること。【解決手段】第１領域の下面側に凹部を有する回路基板２３と、回路基板２３の第１領域とは異なる第２領域上において、絶縁材料により形成されたバッファ層４００と、バッファ層４００を介さず回路基板２３の第１領域上に形成された超音波送信用の第１圧電素子１００、及び、バッファ層４００を介して回路基板２３の第２領域上に形成された超音波受信用の第２圧電素子２００を有する素子アレー層２２と、を備え、第１圧電素子１００は、回路基板２３上において撓み振動モードで振動し、第２圧電素子２００は、回路基板２３上において厚さ振動モードで振動する、超音波プローブ。【選択図】図５

Description

本開示は、超音波プローブ、及び超音波診断装置に関する。

従来、複数の超音波振動子を配列して超音波放射面を形成した超音波プローブが知られている。近年では、超音波振動子として、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により実現される圧電素子（ｐＭＵＴ（Piezoelectric Micromachined Ultrasound Transducer）とも称される）を適用した超音波プローブの開発が進められている（例えば、特許文献１を参照）。

ｐＭＵＴを適用した超音波プローブは、例えば、圧電体を有するダイアフラムを太鼓のように振動（撓み振動）させることによって超音波の送受信を行うことができる。ｐＭＵＴは、バルクＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）をダイシング等により分割した圧電素子に比較して、より微細化が可能であるため高周波化でき高解像度が望める、３次元画像を生成するための圧電素子の２次元アレイ化に適している、小型化及び薄型化が可能であるという利点を有する。しかし、従来のｐＭＵＴのように送信と受信に同一の撓み振動を用いた場合には、狭帯域となり、利用できる周波数が共振周波数近傍に限定されてしまうという課題がある。

特許文献１には、共振周波数が異なる複数のｐＭＵＴを配列することにより広帯域化が図られたｐＭＵＴアレイ構造が開示されている（特許文献１の図７Ｂ参照）。

特表２０１５−５１７７５２号公報

しかしながら、特許文献１に開示のｐＭＵＴアレイ構造を有する超音波プローブでは、共振ピーク間に深い谷（即ち、不感帯となる周波数帯域）が生じるため、超音波画像の画質が劣化する虞がある。又、複数の共振周波数が混在しているため、全体として超音波プローブの送受信感度が低下する虞がある。

本開示は、上記問題点に鑑みてなされたもので、広い周波数帯域に亘って、高い送受信感度を実現し得る超音波プローブ及び超音波診断装置を提供することである。

前述した課題を解決する主たる本開示は、
回路基板と、
前記回路基板の上面における第１領域とは異なる第２領域上に、絶縁材料により形成されたバッファ層と、
前記回路基板の前記第１領域上に前記バッファ層を介さずに形成された超音波送信用の第１圧電素子、及び、前記バッファ層を介して前記回路基板の前記第２領域上に形成された超音波受信用の第２圧電素子を有する素子アレー層と、
を備え、
前記回路基板は、前記第１領域に対応する下面における領域に、凹部を有し、
前記第１圧電素子は、前記回路基板上において撓み振動モードで振動し、
前記第２圧電素子は、前記回路基板上において厚さ振動モードで振動する、
超音波プローブである。

又、他の局面では、
回路基板と、
絶縁材料により、前記回路基板の上面における第１領域上には第１厚さで形成され、前記第１領域とは異なる第２領域上には前記第１厚さよりも厚い第２厚さで形成されたバッファ層と、
前記回路基板の前記第１領域上に前記バッファ層を介して形成された超音波送信用の第１圧電素子、及び、前記バッファ層を介して前記回路基板の前記第２領域上に形成された超音波受信用の第２圧電素子を有する素子アレー層と、
を備え、
前記回路基板は、前記第１領域に対応する下面における領域に、凹部を有し、
前記第１圧電素子は、前記回路基板上において撓み振動モードで振動し、
前記第２圧電素子は、前記回路基板上において厚さ振動モードで振動する、
超音波プローブである。

又、他の局面では、
上記の超音波プローブを備える超音波診断装置である。

本開示に係る超音波プローブによれば、広い周波数帯域に亘って、高い送受信感度を実現することができる。

図１は、第１の実施形態に係る超音波診断装置の外観を示す図である。 図２は、第１の実施形態に係る超音波診断装置の制御系の主要部を示すブロック図である。 図３は、第１の実施形態に係る超音波プローブの構成を示す図である。 図４Ａは、第１の実施形態に係る素子アレー層の構成を示す平面図である。 図４Ｂは、第１の実施形態に係る素子アレー層の構成を示す平面図である。 図５は、第１の実施形態に係る超音波プローブの構成を示す断面図である。 図６Ａは、受信素子と基板との間に存在する寄生容量を示す図である。 図６Ｂは、受信素子により生成される受信信号を検出する受信回路の等価回路を示す図である。 第１の実施形態に係る超音波プローブの製造プロセスを時系列に示す図である。 第１の実施形態に係る超音波プローブの製造プロセスを時系列に示す図である。 第１の実施形態に係る超音波プローブの製造プロセスを時系列に示す図である。 第１の実施形態に係る超音波プローブの製造プロセスを時系列に示す図である。 第１の実施形態に係る超音波プローブの製造プロセスを時系列に示す図である。 第１の実施形態に係る超音波プローブの製造プロセスを時系列に示す図である。 図８は、第２の実施形態に係る超音波プローブの構成を示す断面図である。 図９は、第３の実施形態に係る超音波プローブの構成を示す断面図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施形態について詳細に説明する。尚、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（第１の実施形態）
［超音波診断装置の構成］
以下、図１〜図２を参照して、本実施形態に係る超音波診断装置の構成の一例について説明する。

図１は、本実施形態に係る超音波診断装置１の外観を示す図である。図２は、本実施形態に係る超音波診断装置１の制御系の主要部を示すブロック図である。

図１に示すように、超音波診断装置１は、超音波診断装置本体１０及び超音波プローブ２０を備える。超音波診断装置本体１０と超音波プローブ２０とは、ケーブル３０を介して接続される。

超音波診断装置１は、被検体内の形状、性状又は動態を超音波画像として可視化し、画像診断するために用いられる。尚、超音波診断装置１は、Ｂモード画像、カラードプラ画像、三次元超音波画像、又はＭモード画像等の任意の超音波画像を生成するものであってよい。同様に、超音波プローブ２０には、コンベックスプローブ、リニアプローブ、セクタプローブ、又は三次元プローブ等の任意のものを適用することができる。

超音波プローブ２０は、被検体に対して超音波を送信するとともに、被検体で反射された超音波エコーを受信し、受信信号に変換して超音波診断装置本体１０に送信する。超音波プローブ２０の詳細については後述する。

超音波診断装置本体１０は、超音波プローブ２０からの受信信号を用いて、被検体の内部状態を超音波画像として可視化する。具体的には、超音波診断装置本体１０は、操作入力部１１、送信部１２、受信部１３、画像処理部１４、表示部１５、及び、制御部１６等を備える。

操作入力部１１は、例えば、診断開始等を指示するコマンド又は被検体に関する情報の入力を受け付ける。操作入力部１１は、例えば、複数の入力スイッチを有する操作パネル、キーボード、及びマウス等を有する。

送信部１２は、制御部１６の指示に従って、送信信号を生成して、超音波プローブ２０に送信する。

受信部１３は、超音波プローブ２０にて生成された受信信号を取得し、当該受信信号に対して受信処理（例えば、整相加算処理、及びフィルタ処理）を施した後、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から取得した受信信号に対して所定の信号処理（例えば、対数圧縮処理、検波処理、及びＦＦＴ解析処理等）を施し、被検体の内部状態を示す超音波画像（例えば、Ｂモード画像、カラードプラ−画像、又は三次元超音波画像）を生成する。尚、超音波画像を生成する処理の内容は公知であるため、ここでの説明は省略する。

表示部１５は、例えば、液晶ディスプレイ等で構成され、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及び表示部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。

［超音波プローブの概略構成］
図３は、本実施形態に係る超音波プローブ２０の構成を示す図である。

超音波プローブ２０は、超音波放射面側から順に、保護層２１、素子アレー層２２、回路基板２３、及び、バッキング材２４を備える。

保護層２１は、素子アレー層２２の表面（即ち、超音波放射面）を保護する。保護層２１は、人体に接触させる際に不快感を与えることがなく、且つ、音響インピーダンスが比較的人体に近い材料（例えば、シリコーンゴム等）で形成される。尚、保護層２１は、音響レンズ又は整合層を含んでもよい。

素子アレー層２２は、超音波プローブ２０の超音波放射面内に二次元配列された複数の圧電素子によって構成され、被検体の内部に向けて超音波を送信すると共に、被検体の内部で反射された超音波エコーを受信する。

回路基板２３は、素子アレー層２２が形成される基材である。回路基板２３は、素子アレー層２２の複数の圧電素子それぞれを駆動制御するスイッチング素子を有し、当該スイッチング素子により、超音波送信用の送信信号を生成する送信回路、及び受信信号（超音波信号）を検出する受信回路が構成されている。尚、回路基板２３は、ケーブル３０を介して超音波診断装置本体１０（送信部１２及び受信部１３）に接続されている。

尚、回路基板２３には、送受信切り替え回路及びビームフォーマ（整相加算回路）等が含まれてもよい。又、回路基板２３と超音波診断装置本体１０（送信部１２及び受信部１３）との間の信号の授受は、ケーブル３０に代えて、無線通信により行われてもよい。

バッキング材２４は、素子アレー層２２で発生する不要振動を減衰する。

図４Ａ及び図４Ｂは、本実施形態に係る素子アレー層２２の構成を示す平面図であり、素子アレー層２２の上面側、つまり超音波放射面側から見た図である。図４Ｂは、図４Ａにおける太線で囲まれた領域Ａの拡大図である。

素子アレー層２２は、超音波プローブ２０の超音波放射面内に二次元配列された第１圧電素子１００、及び、第２圧電素子２００を有する。第１圧電素子１００は、超音波送信用の圧電素子であり（以下、「送信素子１００」と称する）、第２圧電素子２００は、超音波受信用の圧電素子である（以下、「受信素子２００」と称する）。

超音波プローブ２０の超音波放射面は、走査方向に沿って複数のチャンネルＣＨに分割されており、送信素子１００及び受信素子２００は、各チャンネルＣＨ内に複数設けられている。そして、送信素子１００及び受信素子２００は、チャンネルＣＨ毎に駆動制御される。

送信素子１００及び受信素子２００は、それぞれ、例えば、平面視で、円形状又は矩形状を呈している（図４Ｂを参照）。送信素子１００及び受信素子２００は、例えば、平面視で、超音波放射面内に格子縞状に交互に配置されている。ここで、「平面視」とは、超音波プローブ２０を超音波放射面側から見た状態を表す（以下同じ）。

より詳細には、送信素子１００と受信素子２００とは、互いの素子領域が、超音波放射面内で重ならないように隣接して形成されている。「素子領域」とは、超音波の送信又は受信が行われる有効領域であり、圧電体と圧電体の上面側と下面側に配置された２つの電極を有する積層構造において、圧電体及び２つの電極のすべてが重なっている領域である（図５を参照）。

尚、本実施形態においては、受信素子２００の個数を増加させる観点から、受信素子２００は、隣接するチャンネルの境界位置にも配設されている。そして、隣接するチャンネルの境界位置に配設された受信素子２００は、動作時には、交互に、いずれか一方のチャンネルに割り当てられる。

素子アレー層２２において、互いに隣接する送信素子１００と受信素子２００の素子中心間距離Ｌは、超音波プローブ２０が有する周波数帯域特性の中心周波数ｆ_ｃに対する生体（代表音速１５３０ｍ/ｓeｃ）中の波長をλ_ｃとしたとき、Ｌ≦λ_ｃ／２であることが望ましい。これにより、送信素子１００と受信素子２００を同一音源としてみなすことができ、送信超音波ビームと受信超音波ビームの経路を一致させることができる。

尚、送信素子１００と受信素子２００の配置態様は、図４Ａ、図４Ｂに示すものに限定されず、例えば、それぞれが三角格子状又は籠目状に配置されてもよいし、ランダムに配置されてもよい。又、送信素子１００又は受信素子２００の配置や形状は、超音波プローブ２０の短軸方向の外側と内側で異なる態様とされてもよい。

又、各チャンネルＣＨ内における送信素子１００と受信素子２００の素子数は、同じでもよく、異なっていてもよい。例えば、少ないセル数で送信音圧強度を確保できる場合、各チャンネルＣＨ内において、送信素子１００の数を減らし、受信素子２００の数を増加させるのが望ましい。

［超音波プローブの詳細構成］
図５は、本実施形態に係る超音波プローブ２０の構成を示す断面図である。尚、図５では、バッキング材２４の図示を省略している。以下では、超音波プローブ２０の超音波放射面側を上側と称し、超音波放射面と反対側を下側と称する。

超音波プローブ２０は、回路基板２３上に、下方側から順に、絶縁層２３Ａ、素子アレー層２２及び保護層２１が積層された構造を呈する。尚、素子アレー層２２中の受信素子２００と絶縁層２３Ａとの間には、バッファ層４００が介在する構造となっている。

回路基板２３は、例えば、基板３００（例えば、Ｓｉ基板）上に、送信用トランジスタ３１０、受信用トランジスタ３２０、及び、配線層３３０が形成された回路基板である。

送信用トランジスタ３１０は、送信信号を生成して、送信素子１００の駆動を制御する。受信用トランジスタ３２０は、受信素子２００にて生成される受信信号を増幅する。尚、回路基板２３には、各送信素子１００に対応するように設けられた送信用トランジスタ３１０により各別のＣＭＯＳ回路が構成され、各受信素子２００に対応するように設けられた受信用トランジスタ３２０により各別のＣＭＯＳ回路が構成されている。

配線層３３０は、送信用トランジスタ３１０と送信素子１００とを電気的に接続する配線部、及び、受信用トランジスタ３２０と受信素子２００とを電気的に接続する配線部を有している。

基板３００は、平面視で、当該基板３００の下面（即ち、送信素子１００が形成される側と反対側を表す。以下同じ）のうち、各送信素子１００の形成領域（即ち、素子領域）に対応する部分に、薄膜部３００ａを有する。薄膜部３００ａは、送信素子１００の形成領域に対応する基板３００の下面の部分を凹状にエッチングすることにより形成されている。換言すると、薄膜部３００ａは、基板３００の下面のうち、各送信素子１００の形成領域と重なる位置に形成されている。そして、基板３００は、送信素子１００の形成領域の下方において、ダイアフラム構造を構成する。

一方、基板３００の下面のうち、基板３００の各受信素子２００の形成領域（即ち、素子領域）に対応する部分は、エッチングされておらず、薄膜部３００ａよりも厚くなっている（以下、「厚膜部３００ｂ」とも称する）。つまり、基板３００は、受信素子２００の形成領域（本発明の「第２領域」に相当）の下方においては、非ダイアフラム構造を構成する。

尚、ここで、回路基板２３の上面とは、図５において上側の面であり、超音波プローブ２０の超音波送受信面側の面を意味する（以下同じ）。回路基板２３の下面とは、図５において下側の面であり、超音波プローブ２０の超音波送受信面とは反対側の面を意味する（以下同じ）。

尚、説明の便宜として、図面上、配線層３３０を基板３００と同等の厚さで描いているが、実際には、配線層３３０は、基板３００に比較すると極めて薄い。そのため、回路基板２３の厚さは、実質的に、基板３００の厚さに相当する。

絶縁層２３Ａは、回路基板２３の上面全体を覆うように形成された回路基板２３の保護層である。絶縁層２３Ａは、素子アレー層２２の圧電膜の成膜時の加熱により、回路基板２３が劣化しないように断熱する役割を持つ。

絶縁層２３Ａ内には、送信用トランジスタ３１０と接続された配線層３３０の配線部と送信素子１００とを電気的に接続する貫通電極３３１ａ、及び、受信用トランジスタ３２０接続された配線層３３０の配線部と受信素子２００とを電気的に接続する貫通電極３３２ａが形成されている。又、絶縁層２３Ａ上には、貫通電極３３２ａと、バッファ層４００内に設けられた貫通電極４００ａとを接続する配線部３３２ｂが形成されている。

尚、絶縁層２３Ａは、例えば、ＳｉＯ_２や多孔質シリコン等で形成される。絶縁層２３Ａは、単層構造でもよいし、多層構造であってもよい。絶縁層２３Ａの厚さは、例えば、３μｍ以上である。

送信素子１００は、絶縁層２３Ａ上に下方側から順に積層された、第１下部電極１０１、第１圧電体１０２、及び、第１上部電極１０３によって構成されている。送信素子１００は、第１圧電体１０２が第１下部電極１０１と第１上部電極１０３で挟持されたユニモルフ構造を有する。尚、送信素子１００と絶縁層２３Ａとの間には、バッファ層４００が介在しない構成となっている。

第１下部電極１０１は、絶縁層２３Ａ内に設けられた貫通電極３３１ａ、及び回路基板の配線層３３０を介して、送信用トランジスタ３１０と電気的に接続される。又、第１上部電極１０３は、素子アレー層２２の上面に引き回された共通電極２２Ｇを介して、ＧＮＤに接続される。

第１下部電極１０１及び第１上部電極１０３は、例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ｔｉ等の金属材料又は導電性酸化物で形成される。尚、第１下部電極１０１及び第１上部電極１０３としては、互いに異なる複数の金属材料の積層体や、金属材料と導電性酸化物の積層体によって形成されてもよい。

第１圧電体１０２は、典型的には、超音波の送信性能（即ち、送信感度、及び使用可能な周波数帯域）に優れる無機圧電材料で形成される。第１圧電体１０２は、逆圧電定数が大きな材料で形成されるのが望ましく、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）により形成される。

送信素子１００は、ダイアフラム構造を構成する基板３００の薄膜部３００ａ上に形成されている。そのため、送信素子１００は、電圧を印加された際に、回路基板２３上において、撓み振動モードで振動し、超音波を放射する。

尚、ここで、ダイアフラム構造とは、端部を保持された振動板の撓みモード共振を、超音波の送信を行う周波数帯域（−４０ｄＢ帯域幅）内に誘起する構造体を意味する。振動板の撓みとは、圧電体（ここでは、送信素子１００）が振動板（ここでは、薄膜部３００ａ）の板面の延在方向（即ち、回路基板２３の厚さ方向に直交する方向）に伸縮することによって生じる振動板の垂直方向（厚さ方向）の変位である。

送信素子１００は、超音波の送信に使用される周波数帯域内に１つ以上の共振点を有するのが望ましい。これにより、共振点近傍において大きな送信感度を得ることができる。又、送信感度特性は、超音波強度（音圧強度）であり、振動子変位と周波数の積に比例するため、共振周波数より高周波側でも急峻には減衰せず、たとえ共振点を有しても帯域幅を広くすることができる。尚、送信素子１００は、回路基板２３上で、撓み振動モードで振動するため、当該送信素子１００の共振点は、基板３００のダイアフラム構造にも依拠する。

又、送信素子１００は、実効的な音響インピーダンスが、生体の音響インピーダンスに整合するように設計されるのが望ましい。これにより、超音波を生体内で効率よく伝播させることができる。具体的には、基板３００のダイアフラム構造の剛性が最適化されればよい。又、必要とする共振周波数及び送信性能（送信感度、周波数帯域）等に応じて、基板３００の材料、薄膜部３００ａの厚さ、第１圧電体１０２の厚さ、及び、送信素子１００の素子領域等が適宜最適化される。

受信素子２００は、バッファ層４００が介在するように、絶縁層２３Ａ上に形成されている。受信素子２００は、バッファ層４００上に下方側から順に積層された、第２下部電極２０１、第２圧電体２０２、及び、第２上部電極２０３によって構成されている。受信素子２００は、第２圧電体２０２が第２下部電極２０１と第２上部電極２０３で挟持されたユニモルフ構造を有する。

第２下部電極２０１は、バッファ層４００内に設けられた貫通電極４００ａ、絶縁層２３Ａ上に設けられた配線部３３２ｂ、絶縁層２３Ａ内に設けられた貫通電極３３２ａ、及び、回路基板２３の配線層３３０を介して、受信用トランジスタ３２０と電気的に接続される。

第２上部電極２０３は、素子アレー層２２の上面に引き回された共通電極２２Ｇを介して、ＧＮＤに接続される。尚、本実施形態では、第２上部電極２０３は、共通電極２２Ｇの一部として、構成されている。

第２下部電極２０１及び第２上部電極２０３は、例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ｔｉ等の金属材料、又は導電性酸化物で形成される。尚、第２下部電極２０１及び第２上部電極２０３としては、互いに異なる複数の金属材料の積層体や、金属材料と導電性酸化物の積層体によって形成されてもよい。

第２圧電体２０２は、超音波を受信することにより電圧を発生する。第２圧電体２０２は、超音波の受信性能（即ち、受信感度、及び使用可能な周波数帯域）に優れる有機圧電材料で形成されるのが望ましく、例えば、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）樹脂（ＰＶＤＦ樹脂をベースとする共重合体を含む）により形成される。ＰＶＤＦは、ＰＺＴに比較して、超音波の送信性能は劣るが、誘電率が小さいため電圧受信性能は格段に高い。例えば、ＰＶＤＦを適用した圧電素子は、ＰＺＴを適用した圧電素子の約１０倍の電圧受信感度を有する。

受信素子２００は、非ダイアフラム構造の基板３００の厚膜部３００ｂ上に形成されている。そのため、受信素子２００は、超音波を受信した際に、厚さ方向に変形することにより、電圧を発生する。即ち、受信素子２００は、回路基板２３上において、厚さ振動モードで振動する。

受信素子２００は、周波数帯域内に共振点を有しないことが望ましい。これにより、広い受信帯域幅を得ることができる。受信感度は、電圧信号と等価であり、振動子変位に比例し、周波数帯域内に共振点を持つ場合、共振周波数より高周波側で急激に減衰して狭帯域となってしまうためである。かかる観点から、受信素子２００を共振点以下の周波数帯域で駆動させるため、受信素子２００（第２圧電体２０２）の厚さ及びバッファ層４００の厚さの総厚は、超音波の波長の１／４以下となるように設定される（詳細は後述）。

バッファ層４００は、絶縁層２３Ａと受信素子２００との間に介在するように、絶縁層２３Ａ上において、受信素子２００の形成領域の直下に形成されている。バッファ層４００は、受信用トランジスタ３２０の寄生容量（以下、「トランジスタ寄生容量」とも称する）に起因した受信信号の劣化を低減すると共に、素子アレー層２２から回路基板２３に向かう超音波の残響を抑制するバッキング材としても機能させることも可能である。尚、バッファ層４００によるトランジスタ寄生容量の低減効果については、図６Ａ、図６Ｂを参照して後述する。

但し、バッファ層４００は、送信素子１００の撓み振動を阻害して、送信素子１００の送信特性を劣化させるおそれがある。そのため、本実施形態に係る超音波プローブ２０においては、バッファ層４００は、送信素子１００の直下の領域には設けられていない。

バッファ層４００としては、トランジスタ寄生容量を低減する観点から、比誘電率が４以下の絶縁材料が望ましく、例えば、酸化シリコン、パリレン、ポリイミド、ポリエチレン、又は、シリコンゴム等によって形成されている。本実施形態では、バッファ層４００としてポリイミドが用いられている。

但し、バッキング材としての機能を効果的に発揮させる観点からは、バッファ層４００としては、パリレン、ポリイミド、ポリエチレン、又は、シリコンゴム等の有機系絶縁材料が用いられるのが望ましい。特に、バッファ層４００は、下記式（１）又は下記式（２）の条件を充足する材料によって形成されるのが望ましい。尚、バッファ層４００として異方性材料を用いる場合には、下記式（２）における弾性率は、送信圧電材の伸び方向（法斜面と垂直面内方向）の引っ張りまたは圧縮の弾性率のうち大きい方の弾性率を意味する。
ｇ２／ｇ１＜１０ …式（１）
（但し、ｇ１は第２圧電体２０２の弾性率、ｇ２はバッファ層４００の弾性率）
Ｚ２／Ｚ１＜１ …式（２）
（但し、Ｚ１は第２圧電体２０２の音響インピーダンス、Ｚ２はバッファ層４００の音響インピーダンス）

バッファ層４００は、例えば、印刷法を用いて形成される。図５では、印刷法で、バッファ層４００を形成した態様を示しており、バッファ層４００は、例えば、送信素子１００の周囲を囲繞し、且つ、当該バッファ層４００の上端の位置が送信素子１００の上端の位置よりも高くなるように形成されている。

このようにバッファ層４００の上端の位置を送信素子１００の上端の位置よりも高くすることによって、バッファ層４００を絶縁層２３Ａ上に形成する際、送信素子１００をカバーするように、絶縁層２３Ａ上の全領域に形成することができる（図７Ｃを参照して後述）。これにより、バッファ層４００の表面が滑らかになり、その後、受信素子２００の第２圧電体２０２を塗布形成する際に、均一な膜を形成することが可能となる。

尚、バッファ層４００として弾性率の小さい材料を用いていれば、バッファ層４００が送信素子１００の側部と接触した状態であっても、バッファ層４００が送信素子１００の駆動を阻害することを低減することができる。好ましくは、バッファ層４００は、送信素子１００の圧電材料の弾性率の１／１０以下の弾性率の材料を用いて形成され、この条件を満たす材料としては、フィラーを含有しない有機材料を用いることができる。

次に、図６Ａ、図６Ｂを参照して、バッファ層４００によるトランジスタ寄生容量の低減効果について、説明する。

図６Ａは、受信素子２００と基板３００との間に存在する寄生容量を示す図であり、図６Ｂは、受信素子２００により生成される受信信号を検出する受信回路の等価回路を示す図である。

図６Ａ、図６Ｂにおいて、Ｖ_ｓｉｇは信号源（即ち、受信素子２００）、Ｃ_ｐｄは受信素子２００の静電容量、Ｃ_ｂｕｆｆはバッファ層４００の静電容量、Ｃ_ｐａｒａは受信用トランジスタ３２０の寄生容量、Ｃ_ｇは受信用トランジスタ３２０の入力容量（即ち、ゲート容量）、Ｖ_ｇは受信用トランジスタ３２０へのゲート入力電圧を表している。

一般に、超音波プローブ２０の受信性能を向上させるためには、受信素子２００が受信信号を生成した際に、受信用トランジスタ３２０への入力信号（即ち、ゲート入力電圧）を最大化することが重要となる。

又、受信素子２００から受信用トランジスタ３２０への信号経路のインピーダンス整合を行う観点から、受信用トランジスタ３２０の入力容量Ｃ_ｇと受信素子２００の静電容量Ｃ_ｐｄとが一致するように、受信用トランジスタ３２０及び受信素子２００を設定するのが望ましい。

かかる観点から、信号源Ｖ_ｓｉｇから受信用トランジスタ３２０側を見たときに、当該受信用トランジスタ３２０の寄生容量Ｃ_ｐａｒａを等価的にゼロに近づけることが求められる。

尚、受信用トランジスタ３２０の寄生容量Ｃ_ｐａｒａとは、例えば、ゲート（ここでは、入力電極）と基板３００間に形成される受信用トランジスタ３２０の入力容量Ｃ_ｇと並列に表れるゲート-ソース間容量及びゲート−ドレイン間容量等である。かかる受信用トランジスタ３２０の寄生容量Ｃ_ｐａｒａは、受信素子２００が生成した受信信号の信号劣化を引き起こす要因となる。

この点、バッファ層４００により形成される静電容量は、図６Ｂに示すように、信号源Ｖ_ｓｉｇから受信用トランジスタ３２０側を見たときに、受信用トランジスタ３２０の寄生容量Ｃ_ｐａｒａと直列に接続された静電容量Ｃ_ｂｕｆｆと等価である。つまり、信号源Ｖ_ｓｉｇから受信用トランジスタ３２０側を見た合成容量Ｃ_ａｌｌは、以下の式（３）のように表すことができる。
Ｃ_ａｌｌ＝Ｃ_ｇ＋（Ｃ_ｐａｒａ×Ｃ_ｂｕｆｆ）／（Ｃ_ｐａｒａ＋Ｃ_ｂｕｆｆ） …式（３）

ここで、バッファ層４００の静電容量Ｃ_ｂｕｆｆを小さくすることによって、バッファ層４００の静電容量Ｃ_ｂｕｆｆと受信用トランジスタ３２０の寄生容量Ｃ_ｐａｒａとの直列合成容量（式（３）の第２項）を、ゼロに近づけることができる。このとき、信号源Ｖ_ｓｉｇから受信用トランジスタ３２０側を見た合成容量Ｃ_ａｌｌは、等価的に、受信用トランジスタ３２０のゲートと基板３００間に形成される受信用トランジスタ３２０の入力容量Ｃ_ｇのみとなる。

このように、受信素子２００と絶縁層２３Ａとの間にバッファ層４００を設けることによって、受信用トランジスタ３２０における感度を大きくすることが可能である。換言すると、これにより、受信用トランジスタ３２０におけるゲート入力信号を増大することが可能である。

次に、バッファ層４００の厚さの設定手法について、説明する。

バッファ層４００は、第２圧電体（例えば、ＰＶＤＦ）２０２と同様に、弾性率の低い材料（例えば、ポリイミド）によって構成されているため、当該バッファ層４００は、受信素子２００と共に一体的に振動する。そのため、受信素子２００が共振する周波数は、第２圧電体２０２の厚さとバッファ層４００の厚さの総厚に基づいて定まる。尚、この際、絶縁層２３Ａが、受信素子２００及びバッファ層４００の厚さ振動における固定端とみなせる。

従って、受信素子２００を共振点以下の周波数帯域で駆動するためには、以下の式（４）に示すように、第２圧電体２０２の厚さとバッファ層４００の厚さの総厚を、送受信に使用する超音波の波長の１／４以下とする必要がある。
ｔ≦ｖ／４ｆ_ｍａｘ …式（４）
但し、上記式（４）において、ｔは受信素子２００の厚さとバッファ層４００の厚さの総厚を表す。ｖは受信素子２００（即ち、第２圧電体２０２）内における音速とバッファ層４００内における音速との平均音速を表す。ｆ_ｍａｘは超音波の送受信に用いられる周波数帯域における最大周波数であり、例えば、超音波プローブ２０が有する周波数帯域特性の中心周波数（送信周波数）の２倍の周波数を表す。

これによって、受信素子２００において、厚さ方向における共振が生じるのを防止することができ、広い帯域幅を確保することができる。

ここで、バッファ層４００の厚さは、当該バッファ層４００の静電容量を低減する観点からは厚膜化することが望ましい。一方、バッファ層４００の厚さを厚くすることは、超音波の送受信で使用可能な最大周波数を低下させることになる。他方、上記式（４）の条件下において、バッファ層４００の厚さを厚くすることは、受信素子２００の第２圧電体２０２の厚さを薄くすることになり、受信素子２００の受信感度を低下させることにつながる。そのため、バッファ層４００の厚さは、当該バッファ層４００の静電容量に加えて、超音波の送受信で使用する最大周波数、及び、受信素子２００の受信感度の観点を踏まえて、適宜設定されるのが望ましい。

次表１は、バッファ層４００の材料及び厚さを変更した際における、ゲート入力電圧Ｖ_ｇ、バッファ層４００による増幅感度、最大周波数ｆ_ｍａｘの一例を示す。尚、最大周波数ｆ_ｍａｘは、上記式（４）と同様に、ｆ_ｍａｘ＝ｖ／４ｔにより算出している。又、ここでは、受信素子２００の第２圧電体２０２としてはＰＶＤＦが用いられている。

一般に、医療用の超音波診断装置１で用いられる超音波の最大周波数としては、１０ＭＨｚ程度の周波数帯域が求められる。この点、表１から、バッファ層４００として、無機系材料及び有機系材料のいずれが用いられた場合でも、バッファ層４００の厚さが、３０μｍ以下の場合には、１０ＭＨｚ程度の超音波の最大周波数を確保できることが分かる。

他方、表１から、バッファ層４００として、無機系材料及び有機系材料のいずれが用いられた場合でも、バッファ層４００の厚さが、２μｍ以上の場合には、ゲート入力電圧の増幅効果を得ることができる。

かかる観点から、バッファ層４００の厚さは、２μｍ以上で且つ３０μｍ以下とされるのが望ましい。但し、当該バッファ層４００の厚さは、受信素子２００の第２圧電体２０２の材料や、要求する超音波の最大周波数等に応じて、上記範囲から適宜変更されてもよい。尚、バッファ層４００の厚さが２μｍよりも薄くなると寄生容量の低減効果が消失し、バッファ層４００の厚さ３０μｍよりも厚くなると共振周波数の低周波化により狭帯域化が起きる。

［超音波プローブの製造プロセス］
次に、図７Ａ〜図７Ｆを参照して、本実施形態に係る超音波プローブ２０の製造プロセスについて説明する。

図７Ａ〜図７Ｆは、本実施形態に係る超音波プローブ２０の製造プロセスを時系列に示す図である。

図７Ａは、回路基板２３を準備する工程を示す。この工程では、基板３００上に、受信用トランジスタ３２０等の受信回路、及び送信用トランジスタ３１０等の送信回路を形成し、その後、当該受信回路及び当該送信回路の上に、配線層３３０及び絶縁層２３Ａを形成する。又、絶縁層２３Ａを形成した後、絶縁層２３Ａ内に貫通電極３３１ａ、３３２ａを形成すると共に、絶縁層２３Ａ上に配線部３３２ｂを形成する。又、この工程で、基板３００の下面の送信素子１００の形成予定領域に対応する部分には、凹部３００ａを形成する。

図７Ｂは、送信素子１００の形成工程を示す。この工程では、絶縁層２３Ａ上に、第１下部電極１０１、第１圧電体１０２及び第１上部電極１０３を形成するための材料を順に形成する。そして、その後、送信素子１００の形成予定領域の上部にレジストパターンを設けた状態で、これらをエッチングすることによって、第１下部電極１０１、第１圧電体１０２及び第１上部電極１０３をパターニングし、送信素子１００を形成する。

図７Ｃは、バッファ層４００の形成工程を示す。この工程では、例えば、印刷法によって、絶縁層２３Ａ上に、送信素子１００の上端よりも高い位置まで、バッファ層４００を形成する。そして、その後、バッファ層４００内に貫通電極４００ａを形成する。

図７Ｄは、受信素子２００の形成工程を示す。この工程では、まず、バッファ層４００上に第２下部電極２０１のパターンを形成する。その後、第２圧電体２０２を形成するための材料（ここでは、ＰＶＤＦ）を、例えば、印刷法によって、バッファ層４００上の全面に形成する。

図７Ｅは、共通電極２２Ｇの形成工程を示す。この工程では、まず、エッチング（例えば、Ｏ_２プラズマによるドライエッチング）によって、第２圧電体２０２用の圧電材料及びバッファ層４００内に、送信素子１００の第１上部電極１０３に連通する開口部を形成する。そして、第２圧電体２０２上、及び送信素子１００の第１上部電極１０３上に全体的に、共通電極２２Ｇを形成する。尚、これにより、共通電極２２Ｇの一部が第２上部電極２０３となって、受信素子２００が形成されている。

図７Ｆは、保護層２１の形成工程を示す。この工程では、送信素子１００及び受信素子２００の全体を覆うように、保護層２１を形成する。

以上のように、本実施形態に係る超音波プローブ２０の構成を採用することにより、簡易な製造プロセスにて、広い周波数帯域に亘って、高い送受信感度を有する超音波プローブ２０を製造することが可能である。

［効果］
このように、本実施形態に係る超音波プローブ２０によれば、送信素子１００を撓み振動モードで振動するように構成し、受信素子２００を厚さ振動モードで振動するように構成する。これによって、広い周波数帯域に亘って、高い送受信感度を実現することができる。尚、かかる構成においては、受信素子２００の形成領域においては、基板３００に凹部（薄膜部３００ａ）を形成する必要がないので、送信素子１００を高密度に形成することができるという利点もある。

又、特に、本実施形態に係る超音波プローブ２０によれば、受信素子２００の直下領域に設けたバッファ層４００により、送信素子１００の送信特性の劣化を生じさせることなく、実質的に、受信素子２００の受信感度を増大させることが可能である。

加えて、本実施形態に係る超音波プローブ２０によれば、バッファ層４００がバッキング材としても機能するため、回路基板２３からの反射に起因した、受信素子２００の受信性能の悪化を抑制することができる。又、これによって、互いに隣接する２つの送信素子１００間におけるクロストークを低減することもできる。

（第２の実施形態）
次に、図８を参照して、第２の実施形態に係る超音波プローブ２０の構成について説明する。図８は、第２の実施形態に係る超音波プローブ２０の構成を示す断面図である。

本実施形態に係る超音波プローブ２０は、バッファ層４００が送信素子１００と非接触状態とされている点で、第１の実施形態と相違する。尚、第１の実施形態と共通する構成については、説明を省略する（以下、他の実施形態についても同様）。

上記したように、バッファ層４００としては、弾性率が小さい材料（典型的には、有機絶縁材料）が用いられるため、当該バッファ層４００が送信素子１００と接触状態であっても、当該バッファ層４００が送信素子１００の駆動を阻害する度合いは小さい。しかしながら、バッファ層４００として、圧電材料の１／１０より大きい弾性率の無機材料（例えば、酸化シリコン）を用いる場合には、当該バッファ層４００が送信素子１００の駆動を阻害するおそれがある。加えて、バッファ層４００が、送信素子１００から放射される超音波ビームの進行を阻害し、超音波ビームの開口を狭めるおそれもある。

そこで、本実施形態に係る超音波プローブ２０においては、バッファ層４００が送信素子１００と非接触状態となるように、当該バッファ層４００を形成している。具体的には、本実施形態に係るバッファ層４００は、送信素子１００の周囲を囲繞する領域において、送信素子１００から離間して設けられている。かかる構成は、例えば、図７Ｃの工程でバッファ層４００を形成した後、図７Ｄの工程で第２圧電体２０２用の圧電材料を形成する前に、バッファ層４００を所望のパターンにエッチングすることによって実現される。

この際、バッファ層４００の位置は、送信素子１００の下面側中心位置とバッファ層４００の上端部の送信素子１００に対向する位置とを結んだ線が、送信素子１００の超音波ビームの送信方向（即ち、法線方向）に対して６０度以上の角度となるのが望ましい（図８の角度θを参照）。これによって、送信素子１００から放射される超音波ビームの開口を十分に確保することができる。

以上のように、本実施形態に係る超音波プローブ２０によれば、送信素子１００の振動が、バッファ層４００によって、阻害されることを抑制することができる。これにより、送信素子１００の送信特性を向上させることができる。

（第３の実施形態）
次に、図９を参照して、第３の実施形態に係る超音波プローブ２０の構成について説明する。図９は、第３の実施形態に係る超音波プローブ２０の構成を示す断面図である。

本実施形態に係る超音波プローブ２０は、薄膜のバッファ層４００が送信素子１００の直下に形成されている点で、第１の実施形態と相違する。

上記したように、バッファ層４００は、送信素子１００の撓み振動を阻害して、送信素子１００の送信特性を劣化させるおそれがある。但し、バッファ層４００は、バッキング材としても機能するため、回路基板２３からの反射を抑制することを考慮する場合、必要に応じて、送信素子１００の直下にも薄膜のバッファ層４００が設けられてもよい。

かかる構成は、例えば、図７Ｂの工程で、薄膜のバッファ層４００を形成した後に、送信素子１００を形成し、その後、再度、バッファ層４００を形成することによって実現できる。

（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態に限らず、種々に変形態様が考えられる。

上記実施形態では、基板３００の下面側の送信素子１００の直下の領域にのみ凹部を設ける態様を示した。しかしながら、基板３００の下面側の受信素子２００の直下の領域にも、撓み振動モードの共振周波数が、超音波の送受信に使用される周波数帯域内に存在しない程度の凹部を設けてもよい。

又、上記実施形態では、バッファ層４００を印刷法により形成する態様を示した。しかしながら、バッファ層４００として用いる材料によっては、バッファ層４００を印刷法以外の手法（例えば、ＣＶＤ）等で形成してもよい。

又、上記実施形態では、バッファ層４００を送信素子１００の上端位置よりも高い位置まで、形成する態様を示した。しかしながら、バッファ層４００の形成方法によっては、バッファ層４００の上端位置が送信素子１００の上端位置よりも低い位置となるように、バッファ層４００を形成してもよい。

又、上記実施形態では、送信素子１００の第１圧電体１０２をＰＺＴで形成する態様を示した。しかしながら、第１圧電体１０２としては、ＰＺＴ以外の無機圧電材料（例えば、ＰＭＮ−ＰＴ（マグネシウムニオブ酸チタン酸鉛）、ＰＭＮ−ＰＺＴ（マグネシウムニオブ酸ジルコンチタン酸鉛）等）が用いられてもよい。

又、上記実施形態では、受信素子２００の第２圧電体２０２をＰＶＤＦで形成する態様を示した。しかしながら、第２圧電体２０２としては、ＰＶＤＦ以外の有機圧電材料（例えば、ウレア樹脂等）で形成されてもよい。又、第２圧電体２０２は、圧電材料のみからなる単層構造を有していてもよいし、圧電材料で金属又は非金属の薄膜層を挟んだ積層構造を有していてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

本開示に係る超音波プローブによれば、広い周波数帯域に亘って、高い送受信感度を実現することができる。

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 超音波プローブ
２１ 保護層
２２ 素子アレー層
２２Ｇ 共通電極
２３ 回路基板
２３Ａ 絶縁層
２４ バッキング材
３０ ケーブル
１００ 送信素子（第１圧電素子）
１０１ 第１下部電極
１０２ 第１圧電体
１０３ 第１上部電極
２００ 受信素子（第２圧電素子）
２０１ 第２下部電極
２０２ 第２圧電体
２０３ 第２上部電極
３００ 基板
３００ａ 薄膜部
３００ｂ 厚膜部
３１０ 送信用トランジスタ
３２０ 受信用トランジスタ
３３０ 配線層
３３１ａ 貫通電極
３３２ａ 貫通電極
３３２ｂ 配線部
４００ バッファ層
４００ａ 貫通電極

Claims (16)

1. 回路基板と、
   前記回路基板の上面における第１領域とは異なる第２領域上に、絶縁材料により形成されたバッファ層と、
   前記回路基板の前記第１領域上に前記バッファ層を介さずに形成された超音波送信用の第１圧電素子、及び、前記バッファ層を介して前記回路基板の前記第２領域上に形成された超音波受信用の第２圧電素子を有する素子アレー層と、
   を備え、
   前記回路基板は、前記第１領域に対応する下面における領域に、凹部を有し、
   前記第１圧電素子は、前記回路基板上において撓み振動モードで振動し、
   前記第２圧電素子は、前記回路基板上において厚さ振動モードで振動する、
   超音波プローブ。
2. 回路基板と、
   絶縁材料により、前記回路基板の上面における第１領域上には第１厚さで形成され、前記第１領域とは異なる第２領域上には前記第１厚さよりも厚い第２厚さで形成されたバッファ層と、
   前記回路基板の前記第１領域上に前記バッファ層を介して形成された超音波送信用の第１圧電素子、及び、前記バッファ層を介して前記回路基板の前記第２領域上に形成された超音波受信用の第２圧電素子を有する素子アレー層と、
   を備え、
   前記回路基板は、前記第１領域に対応する下面における領域に、凹部を有し、
   前記第１圧電素子は、前記回路基板上において撓み振動モードで振動し、
   前記第２圧電素子は、前記回路基板上において厚さ振動モードで振動する、
   超音波プローブ。
3. 前記バッファ層は、比誘電率が４以下の絶縁材料である、
   請求項１又は２に記載の超音波プローブ。
4. 前記バッファ層は、有機材料によって形成されている、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
5. 前記バッファ層は、パリレン、ポリイミド、ポリエチレン、又は、シリコンゴムによって形成されている、
   請求項４に記載の超音波プローブ。
6. 前記バッファ層は、以下の式（１）を充足する材料によって形成されている、
   ｇ２／ｇ１＜１０ …式（１）
   （但し、ｇ１は前記第２圧電素子の圧電体の弾性率、ｇ２は前記バッファ層の弾性率）
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
7. 前記バッファ層は、以下の式（２）を充足する材料によって形成されている、
   Ｚ２／Ｚ１＜１ …式（２）
   （但し、Ｚ１は前記第２圧電素子の圧電体の音響インピーダンス、Ｚ２は前記バッファ層の音響インピーダンス）
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
8. 前記第２圧電素子の厚さと前記バッファ層の厚さの総厚は、以下の式（３）を充足する
   ｔ≦ｖ／４ｆ_ｍａｘ …式（３）
   （但し、ｔは前記第２圧電素子の厚さと前記バッファ層の厚さの総厚、ｆ_ｍａｘは超音波の送受信に用いられる周波数帯域における最大周波数、ｖは前記第２圧電素子内における音速と前記バッファ層内における音速との平均音速）
   請求項１乃至７のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
9. 前記バッファ層は、前記第１圧電素子の周囲を囲繞し、且つ、当該バッファ層の上端の位置が前記第１圧電素子の上端の位置よりも高くなるように形成されている、
   請求項１乃至８のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
10. 前記第１圧電素子は、前記バッファ層と非接触状態である、
    請求項９に記載の超音波プローブ。
11. 前記バッファ層の厚さは、２μｍ以上で且つ３０μｍ以下である、
    請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
12. 前記第１圧電素子は、前記回路基板側から、第１下部電極、第１圧電体、及び第１上部電極が順に積層された構造を有し、
    前記第２圧電素子は、前記回路基板側から、第２下部電極、第２圧電体、及び第２上部電極が順に積層された構造を有し、
    前記第１圧電体と前記第２圧電体とは、異なる材料で形成されている、
    請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
13. 前記第１圧電体は、無機圧電材料で形成され、
    前記第２圧電体は、有機圧電材料で形成されている、
    請求項１２に記載の超音波プローブ。
14. 前記第１圧電体は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）で形成されている
    請求項１３に記載の超音波プローブ。
15. 前記第２圧電体は、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）樹脂で形成されている
    請求項１３又は１４に記載の超音波プローブ。
16. 請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の超音波プローブを備える超音波診断装置。

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