JP4605320B1

JP4605320B1 - 超音波振動子およびそれを用いた超音波診断装置

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Publication number: JP4605320B1
Application number: JP2010529190A
Authority: JP
Inventors: 賢次水本; 一睦佐藤
Original assignee: Konica Minolta Medical and Graphic Inc
Current assignee: Konica Minolta Medical and Graphic Inc
Priority date: 2009-07-23
Filing date: 2010-03-09
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2030-03-09
Also published as: JPWO2011010413A1; WO2011010413A1

Abstract

本発明の超音波振動子およびこれを用いた超音波診断装置では、複数の圧電素子を２次元アレイ状に備える例えば有機圧電素子アレイ３０と集積回路４０とが受信超音波の進行方向にこの順で配置され、集積回路４０の配線層４２には、複数の圧電素子における電極ピッチに合わせて、個々の電極を覆うようにシールド電極４７がそれぞれ形成され、各シールド電極４７は、当該シールド電極４７に対応する圧電素子からの受信信号が回路４５を介して低インピーダンスで与えられる。
【選択図】図４

Description

本発明は、超音波診断装置などに好適に用いられ、被検体に向けて超音波を送受信する超音波振動子（トランスデューサ）およびそれを用いた前記超音波診断装置に関し、特に圧電素子が２次元アレイ型のものに関する。

超音波診断装置における一般的な超音波プローブ（超音波探触子）では、圧電素子は、１次元アレイ状に配置され、各圧電素子からの信号は、各圧電素子がケーブルに接続されて直接的に本体装置へ送られる。圧電素子は、ジルコン酸チタン酸塩（ＰＺＴ（登録商標））等の無機材料製のものであり、有機材料製のものに比べて誘電率が高く、また、個々の素子も比較的大きいので、出力インピーダンスが低く、ケーブルによる信号損失も小さい。しかしながら、特許文献１では、さらに信号損失を低減し、高画質を得るために、プローブ内に低インピーダンスに変換する回路が設けられ、その回路を通して各圧電素子がケーブルに接続している。

一方、近年では、前記圧電素子を２次元に配置した２次元アレイの超音波プローブも登場してきている。２次元アレイの場合、個々の圧電素子は、非常に小さくなるので、出力インピーダンスは、前記１次元アレイの場合に比べて高く、前記ケーブルの配線容量や浮遊容量による伝送損失もそれだけ大きくなる。そのため、プローブ内に前記インピーダンス変換回路や増幅回路を設けることは、ほぼ必須となっている。

特に、特許文献２に示されるように、大パワーの出力が可能な送信用の無機圧電素子の前記ＰＺＴの上に、ハーモニックイメージングにおいてより高次の高調波の受信（広帯域化）に有利な有機圧電素子のポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を積層した構造の２次元アレイでは、有機圧電素子においてこの影響が大きいので、対応策が必要である。すなわち、有機圧電素子は、一般的に無機圧電素子に比べて誘電率が２桁ほど小さく、その分出力容量も小さく、出力インピーダンスは、高くなる。これをアレイにした場合には、さらに出力インピーダンスが高くなり、前述の配線容量や浮遊容量による信号損失は、無視できなくなる。

そして、分解能の向上や、サイドローブを抑圧して高画質を得る等の目的で、さらなる圧電素子の微細化が進むことが考えられ、その場合、各圧電素子の出力インピーダンスは、非常に高くなり、各圧電素子からインピーダンス変換回路や増幅回路への配線容量でも信号損失が無視できなくなってくる。この点、前記特許文献１でも、圧電素子からインピーダンス変換回路までの信号損失については考慮されていない。

そこで、このような問題に対応するために、特許文献３のような構造が提案されている。その従来技術によれば、バッキング層の上、圧電素子の直下に集積回路を配置することで、配線長が短くされている。

しかしながら、この特許文献３の従来技術は、前記集積回路における超音波信号の透過、減衰に関する工夫であり、圧電素子の直下に集積回路を配置しているので、確かに配線容量の減少には効果があるものの、浮遊容量による電気信号の損失に関する記述はない。

特開昭６２−１１２５３７号公報特開２００４−２０８９１８号公報特表２００７−５１３５６３号公報

本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、集積回路を内蔵する超音波振動子において、読出し信号の損失を低減することができる超音波振動子およびこれを用いた超音波診断装置を提供することである。

本発明の超音波振動子およびこれを用いた超音波診断装置では、複数の圧電素子を２次元アレイ状に備える圧電素子アレイと集積回路とが受信超音波の進行方向にこの順で配置され、前記集積回路の配線層には、前記複数の圧電素子における電極ピッチに合わせて、個々の電極を覆うようにシールド電極がそれぞれ形成され、各シールド電極は、当該シールド電極に対応する圧電素子からの受信信号が低インピーダンスで与えられる。このような構成の超音波振動子および超音波診断装置は、読出し信号の損失を低減することができる。

上記並びにその他の本発明の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な記載と添付図面から明らかになるであろう。

本発明の実施の一形態にかかる超音波診断装置の外観構成を示す図である。図１に示す超音波診断装置に用いられる超音波振動子の構造を示す分解斜視図である。図２に示す超音波振動子の縦断面図である。図２に示す超音波振動子における集積回路層を拡大して模式的に示す断面図である。図４に示す集積回路層の素子層におけるインピーダンス変換回路の一例を示す回路図である。図４に示す集積回路層の配線層を模式的に示す断面図である。圧電素子の等価回路図である。超音波振動子から、その信号を受信する回路までの構成を単純化したモデルの図である。

以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。

図１は、本発明の実施の一形態にかかる超音波診断装置１の外観構成を示す図である。超音波診断装置１は、図略の生体等の被検体に対して超音波信号を送信するとともに、被検体からの超音波信号を受信する超音波探触子２と、前記超音波探触子２とケーブル３を介して接続され、前記超音波探触子２へ送信信号を与えるとともに、超音波探触子２での受信信号に基づいて前記被検体の内部状態を超音波画像として画像化する診断装置本体４とを備えて構成される。このような構成の超音波診断装置１において、超音波探触子２に搭載され、電気信号と超音波信号との変換を行い、前記のような超音波の送受信を行う超音波振動子に本発明の特徴を有する。

図２は、超音波振動子１０の構造を示す分解斜視図であり、図３は、その縦断面図である。この超音波振動子１０は、大略的に、超音波送信用の無機圧電素子アレイ２０に、超音波受信用の有機圧電素子アレイ３０が積層されて構成される。そして、無機圧電素子アレイ２０の下層には、音響制動部材から成るバッキング層（不図示）が積層され、有機圧電素子アレイ３０の上層（被検体側の第１の面側）には、被検体（不図示）との間の音響インピーダンスの整合を図るインピーダンス整合層（不図示）が積層されている。

そして、無機圧電素子アレイ２０は、次のように構成されている。すなわち、まず、貫通電極が形成された前記バッキング層上に、個別電極層２１およびＰＺＴ層２２が音軸方向に順次に積層され、それらが個別の圧電素子に切出され、圧電素子間に音響吸収材２４が充填された後に、共通電極層２３が積層される。この音響吸収材２４には、ポリイミド樹脂やエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂等が用いられ、前記バッキング層と同様に超音波を吸収し、複数の各圧電素子間のクロストークを低減する。個別電極層２１は、前記貫通電極を介して、この超音波振動子１０の外部の集積回路に接続され、送信超音波の基となる電気信号が与えられる。

これに対して、有機圧電素子アレイ３０は、シート状のＰＶＤＦ層３１における被検体側に共通電極層３２が形成され、その無機圧電素子アレイ２０側にアレイ状の個別電極層３３が形成されて構成されている。この有機圧電素子アレイ３０は、無機圧電素子アレイ２０のように、ＰＶＤＦ層３１が切出されることはなく、個別電極層３３が個別の素子に分離されていることで、個別の素子として動作する。

そして、これら無機圧電素子アレイ２０と有機圧電素子アレイ３０とを積層して成る超音波振動子１０において、これらの間には、通常、インピーダンス整合層が介在されるところ、本実施の形態では、集積回路層４０が介在されている。図４は、図２に示す超音波振動子における集積回路層を拡大して模式的に示す断面図である。この集積回路層４０は、図４に拡大して示すように、大略的に、シリコン基板にパターン形成することによって成り、基板となる無機圧電素子アレイ２０（下層）側の素子層４１に、有機圧電素子アレイ３０（上層）側の配線層４２が積層されて構成されている。この配線層４２にはＦＰＣなどから成る外部との接続ケーブル４３（図２および図３参照）が接続されている。

受信用の有機圧電素子アレイ３０の各素子では、その位置での受信超音波が、強度に対応した電気信号（以下、受信信号）に変換され、各個別電極層３３に接続された信号線４４を介して、下層側の素子層４１に入力される。素子層４１には、前記受信信号を受けて低インピーダンスの信号で出力するインピーダンス変換回路４５に、その他の回路４６が形成されている。図５は、図４に示す集積回路層の素子層におけるインピーダンス変換回路の一例を示す回路図である。このようなインピーダンス変換回路４５は、一例として、図５に示す回路を挙げることができる。この図５に示す例では、インピーダンス変換回路４５は、トランジスタ素子と電流源との直列回路を備えて構成され、前記直列回路は、電源ラインＶｃｃと接地ラインＧＮＤとの間に設けられる。すなわち、前記トランジスタ素子がＦＥＴである場合では、前記トランジスタ素子のゲート端子は、入力端子となり、そのソース端子は、前記電源ラインＶｃｃに接続され、前記ドレイン端子は、前記電流源を介して接地ラインＧＮＤに接続され、そして、前記ドレイン端子は、出力端子となる。前記その他の回路４６としては、前記受信信号を該集積回路層４０の出力端子へ導出するにあたって、前記低インピーダンスで出力された受信信号を増幅する増幅回路や、ビームフォーミングを行うサブアレイビームフォーミング回路などであり、前記増幅回路を搭載することで高いＳ／Ｎを得ることができ、サブアレイビームフォーミング回路を搭載することで出力信号線数を減らすことができる。前記出力端子は、この集積回路層４０の一対の外周縁部に配列され、半田付けや、異方導電性接着剤などを用いて接続ケーブル４３と接続される。

一方、集積回路層４０において、上層側の配線層４２には、有機圧電素子アレイ３０の第２の面側の各個別電極層３３に対向するシールド電極４７が形成されている。このシールド電極４７は、当該シールド電極４７に対応する圧電素子で受信され、インピーダンス変換回路４５で低インピーダンスで出力された信号が、信号線４８を介して与えられて駆動される。シールド電極４７は、有機圧電素子アレイ３０の各個別電極層３３の電極ピッチに合わせて形成され、各個別電極層３３からの信号線４４が挿通する開口部分４７１を除いて、各個別電極層３３を覆う。

こうして有機圧電素子アレイ３０に集積回路層４０を搭載することから、該集積回路層４０に送受信切替回路を搭載して、有機圧電素子アレイ３０を送信用としても使用し、無機圧電素子アレイ２０を搭載しないようにすることも可能である。しかしながら、無機圧電素子は、有機圧電素子より大パワーでの送信が可能であることから、ハーモニックイメージングのための微弱な高調波の受信レベルを向上することができる。

上述のように構成される超音波振動子１０において、有機圧電素子アレイ３０は、被検体からの超音波を受けると、共通電極層３２と個別電極層３３との間に、その位置での超音波強度に応じた信号電圧を発生する。共通電極層３２は、固定電位（通常はＧＮＤ）に接続されているので、有機圧電素子アレイ３０で発生した信号電圧は、前述のように、個別電極層３３から集積回路層４０の配線層４２に形成された信号線４４を通って、素子層４１に形成されたインピーダンス変換回路４５に入力される。インピーダンス変換回路４５で信号は、低インピーダンスで出力され、信号線４８を通して前記配線層４２に形成されたシールド電極４７を駆動する。

ここで、インピーダンス変換回路４５は、電圧増幅率が１のアンプから成り、したがって、個別電極層３３とシールド電極４７とは、同じ振幅で固定電位に対して電位が変動していることになる。換言すると、個別電極層３３とシールド電極４７との間の電位差は、常に一定である。そのため、両電極間の容量への充放電は、起こらないので、この容量による信号の損失は、無い。また、シールド電極４７があるので、個別電極層３３と配線層４２の他の配線４９や集積回路層４０のシリコン基板との間に浮遊容量は、ほとんど存在せず、信号損失がほとんど発生しない。

これに対して、このシールド電極４７が無い場合、個別電極層３３と配線層４２の他の配線４９や集積回路層４０のシリコン基板との間の浮遊容量による信号損失がどの程度になるか、以下に概算する。モデルとして、図６で示すように、他の配線４９が配線層４２の中間で、５０％の密度で配置されているとする。一般に、集積回路の配線層４２の厚さは、数μｍと非常に薄く、通常、絶縁材にはＳｉＯ_２が用いられる。

ＳｉＯ_２の誘電率は、４．１であり、配線層４２の厚さを４μｍとし、したがって配線４９の深さを２μｍとし、個別電極層３３の面積を２５０μｍ×２５０μｍとし、そして、配線４９の面積を１２５μｍ×２５０μｍとすると、前記式２から、個別電極層３３と、配線４９との間の浮遊容量Ｃｓ１は、０．５７［ｐＦ］となり、シリコン基板との間の浮遊容量Ｃｓ２は、０．２８［ｐＦ］となる。したがって、個別電極層３３の浮遊容量Ｃｓは、Ｃｓ＝Ｃｓ１＋Ｃｓ２＝０．８５［ｐＦ］となる。

ここで、圧電材料の静電容量Ｃｄは、前に求めたように、ＰＺＴ＝２．８［ｐＦ］、ＰＶＤＦ＝０．１４［ｐＦ］であるので、それぞれの検出信号Ｖｏは、前記式１から、
ＰＺＴの場合、Ｖｏ＝０．７６・Ｖｓ
ＰＶＤＦの場合、Ｖｏ＝０．１４・Ｖｓ
となり、圧電層３１がＰＺＴの場合の信号損失は、２６％となり、ＰＶＤＦの場合の信号損失は、８６％となる。

これに対して、前記シールド電極４７を設けることで、これらの損失をほぼ無くすことが可能であり、信号損失の低減に効果が大きいことが理解される。特に、有機系のＰＶＤＦにおいて、その効果が顕著である。なお、圧電材料として、無機系のＰＺＴと有機系のＰＶＤＦとで説明したが、これらに限るものではなく、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）等の無機圧電素子やＰ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）やポリウレア等の有機圧電素子でも、同様のことが言える。

一方、図４や図６では、分り易くするために、集積回路層４０の厚さを長さに比べて大幅に厚く示している。このため、実際には、前記信号線４４の配線長は、非常に短く、たとえば配線幅を１μｍとし、配線長を図６のように４μｍとし、仮に１μｍの間隔で四方を囲むように別の配線があったとしても、これまでと同様の計算によれば、配線容量Ｃｓは、１［ｆＦ］以下となる。実際は、このような状態にはなく、さらに小さい値と考えられる。仮にＣｓ＝１［ｆＦ］として、圧電材料がＰＶＤＦ（Ｃｄ＝０．１４［ｐＦ］）の場合でも、信号損失は、１％以下であり、ほぼ影響のないことが理解される。

また、配線層４２は、数μｍ以下と非常に薄く、したがってシールド電極４７も非常に薄く、これに対して隣接素子間のシールド電極４７の距離は、配線層４２に比較して非常に大きい（数１０μｍ）ので、シールド電極４７にインピーダンス変換回路４５から個別電極層３３での受信信号と同相の信号を与えても、ビームフォーミングなどでタイミングにずれのある隣接素子のシールド電極４７に対し、この信号による影響は、小さい。

ここで、シールド電極４７は、集積回路層４０の配線と考えられるので、通常の集積回路の製造プロセスで製造することが可能である。より具体的には、膜（絶縁膜や金属膜）形成、レジスト塗布、露光、エッチングを繰り返すフォトリソグラフィという工程でシールド電極４７は、製造することができる。

一方、有機圧電素子アレイ３０の個別電極層３３は、通常、焼付けや蒸着などでＰＶＤＦ層３１に形成されており、集積回路層４０に形成された信号線４４とは、両者の位置合わせを行って、バンプによる金属接合や、異方性導電接着剤（あるいはフィルム）あるいは通常の接着剤を使った接触接合や、バンプレスの表面活性化接合などの方法で接続される。

そこで、個別電極層３３を集積回路層４０側に形成することで、シールド電極４７、すなわち信号線４４と個別電極層３３との位置合わせは、集積回路の製造プロセスで行われることになる。したがって、前述のシート状のＰＶＤＦ層３１に対して、集積回路層４０の接着時に、一体の個別電極層３３および信号線４４の位置合わせが、不要となり、容易に組立を行うことができる。しかも個別電極層３３は、配線層４２の表層において、シールド電極４７と同様に通常の集積回路の製造プロセスで製造することができる。

この場合、ＰＶＤＦ層３１と個別電極層３３とは、接着剤による接合となり、電気的には、容量結合となる。その容量Ｃｃは、ＰＶＤＦ層３１の容量Ｃｄに直列に結合されるので、前記容量Ｃｄより充分に大きくすれば、この容量Ｃｃの影響は、ほとんどなくなる。したがって、前記容量Ｃｄの小さいＰＶＤＦ等の有機系圧電素子に好適である。詳細は、省略するが、圧電素子がＰＶＤＦで、接着剤が比誘電率４程度のエポキシ系の場合、接着剤厚さ１μｍ以下で接着すれば、容量Ｃｃによる信号への影響は、約５％以下に抑えられる。

以上のように、本実施の形態の超音波振動子１０では、２次元の有機圧電素子アレイ３０の被検体とは反対方向の該有機圧電素子アレイ３０の直下に、各圧電素子での受信信号が入力される集積回路層４０が、設けられ、その集積回路層４０の素子層４１に形成されるインピーダンス変換回路４５で前記受信信号が、低インピーダンスで出力され、読出し信号として出力される。これによって超音波振動子１０から診断装置本体４などとの間における配線容量による信号損失を低減することができる超音波振動子において、本実施の形態の超音波振動子１０は、以下の特徴を有する。すなわち、集積回路層４０の配線層４２に、有機圧電素子アレイ３０における各圧電素子の電極ピッチに合わせて、個別電極層３３を覆うようにシールド電極４７を形成し、そのシールド電極４７に、インピーダンス変換回路４５で低インピーダンスで出力された前記受信信号を与える。

したがって、各圧電素子の個別電極層３３と集積回路層４０内の回路との間にシールド電極４７が配置されるので、浮遊容量Ｃｓの影響は、小さく、本実施形態の超音波振動子１０は、読み出しに伴う受信信号の損失を低減することができる。また、個別電極層３３とシールド電極４７との間の容量による影響は、両電極が同電位であるので、本実施の形態の超音波振動子１０は、信号損失が無い。こうして、本実施の形態の超音波振動子１０は、圧電素子の各個別電極層３３と集積回路層４０の配線層４２や基板との間の配線容量の減少に加えて、浮遊容量Ｃｓによる読出し信号の損失を低減することができる。特に、各圧電素子が、ハーモニックイメージングのための高調波受信に好適な広帯域の有機圧電素子である場合、この有機圧電素子は、それ自体の出力インピーダンスが高いので、さらに効果が大きい。

また、本実施の形態の超音波振動子１０は、シールド電極４７に、対応する圧電素子の個別電極層３３で得られる受信信号と同相の信号をインピーダンス変換回路４５から与える場合に、インピーダンス変換回路４５のアンプゲインが１であることによって、高周波である高調波の受信信号に対する遅れが少なく、また広帯域化も容易になる。

また、本実施の形態の超音波振動子１０では、前記シールド電極４７は、集積回路層４０の製造プロセスで形成できるので、製造も容易である。合わせて、個別電極層３３を、集積回路層４０の配線層４２に形成することで、有機圧電素子アレイ３０と集積回路層４０との接合に位置合わせの必要がなく、組立が容易になるとともに、個別電極層３３も集積回路層４０の製造プロセスで形成できるので、製造も容易である。

さらにまた、本実施の形態の超音波振動子１０では、有機圧電素子アレイ３０は、受信用として使用し、送信用として、集積回路層４０の反対（下層）側に無機圧電素子アレイ２０を配置するので、この無機圧電素子アレイ２０によって有機圧電素子アレイ３０より大パワーでの送信が可能であり、高いＳ／Ｎの受信信号を得ることができる。また、シールド電極４７が受信用有機圧電素子アレイ３０の個別電極層３３と送信用無機圧電素子アレイ２０の共通電極層２３との間に介在されるので、それらの間の浮遊容量の影響も低減することができる。

また、本実施の形態の超音波振動子１０では、前記集積回路層４０は、シリコン基板に作成され、その厚みは、送信超音波の波長の１／４に形成される。これは、受信信号のインピーダンス変換を行う集積回路層４０を送信用の無機圧電素子アレイ２０と受信用の有機圧電素子アレイ３０との間に配置すると、送信超音波がこの集積回路層４０を通過して被検体側へ出て行くことになるので、集積回路層４０を、音響インピーダンスが無機圧電素子アレイ２０より小さく、有機圧電素子アレイ３０より大きいシリコンの基板に形成し、その厚みを送信超音波の波長の１／４とすることで、該シリコン基板が音響整合層として働くためである。これによって、送信超音波の損失が小さくなり、その分、高いＳ／Ｎの受信信号を得ることができる。

たとえば無機圧電素子であるＰＺＴやＢａＴｉＯ_３の音響インピーダンスは、３０［１０６Ｋｇ／ｍ^２ｓ］程度であり、集積回路層４０のシリコン基板の音響インピーダンスは、２０［１０６Ｋｇ／ｍ^２ｓ］程度であり、有機圧電素子であるＰＶＤＦやＰ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）やポリウレアの音響インピーダンスは、３〜５［１０６Ｋｇ／ｍ^２ｓ］程度であり、そして、人体の音響インピーダンスは、１．６［１０６Ｋｇ／ｍ^２ｓ］であるので、受信用圧電素子を有機圧電素子とすることで、前述の音響インピーダンスの条件を満たすことができる。

集積回路層４０の厚さに関し、シリコン中での音速をｃとし、送信超音波の周波数をｆとすると、波長λは、λ＝ｃ／ｆと表すことができ、たとえば送信超音波の周波数を４ＭＨｚとすると、シリコン中の音速は、８ｋｍ／ｓであるので、λ／４＝５００［μｍ］となり、集積回路層４０の厚さを５００［μｍ］とすればよい。集積回路層４０において、配線層４２の厚さは、数μｍ程度であり、５００［μｍ］に比べて非常に薄いので、超音波の透過にはほとんど影響しない。

なお、ＰＶＤＦ層３１自体も分離されてアレイを構成していてもよい。この場合、有機圧電素子アレイ３０と集積回路層４０との接着時に、個別電極層３３と信号線４４との位置合わせを行う。
ここで、以下に、前記特許文献３に開示の技術と、本実施形態の超音波振動子との対比を説明する。

前記特許文献３に開示の技術における信号損失の概算を以下に示す。図７は、圧電素子の等価回路図である。圧電素子は、大略的に、直列抵抗（機械損失）Ｒｍと、直列容量（機械系のコンプライアンス）Ｃｍと、直列インダクタンス（質量）Ｌｍとの直列回路に、並列容量（圧電材料による静電容量）Ｃｄが接続されて構成される。

図８は、前記信号損失の概算値を求めるために、超音波振動子１００から、その信号を最初に受信する回路までの構成を単純化したモデルである。すなわち、圧電素子の出力インピーダンスは、ほとんど容量性であり、その値は、ほぼ前記並列容量の値Ｃｄとしても、概算には充分である。そして、Ｖｓを超音波の受信信号を電圧信号に変換した値、Ｃｓを超音波振動子１００から前記回路までにおける配線１０１の容量や浮遊容量とする場合に、前記回路側の受信信号の電圧Ｖｏは、下式１となる。

Ｖｏ＝Ｖｓ・Ｃｄ／（Ｃｄ＋Ｃｓ）・・・（１）
ここで、並列容量Ｃｄは、電極面積Ｓ、電極間距離ｄ、圧電材料の比誘電率ε、および真空の誘電率ε０（＝８．８５４×１０^−１２［Ｆ／ｍ］）から、次式２で計算することができる。

Ｃｄ＝ε・ε０・Ｓ／ｄ・・・（２）
したがって、先ず無機圧電素子であるＰＺＴの並列容量Ｃｄを計算する。ＰＺＴの比誘電率εは、非常に大きく、２０００程度である。厚さは、超音波の波長の１／２にすることが多く、大体、０．３ｍｍ〜１ｍｍ程度である。２次元アレイの個々の圧電素子のサイズ（電極面積）Ｓは、超音波の周波数、超音波ビームの走査角や加工上の限界等から決まり、０．２ｍｍ□〜０．４ｍｍ□程度である。ここでは、厚さをｄ＝０．４ｍｍ、サイズをＳ＝０．２５ｍｍ×０．２５ｍｍ、ε＝２０００とし、前記式２から、ＰＺＴの並列容量Ｃｄは、２．８［ｐＦ］となる。

次に、有機圧電素子であるＰＶＤＦの並列容量Ｃｄを計算する。ＰＶＤＦの比誘電率εは、１３程度である。厚さは、ＰＺＴと同様に波長に応じて設定することもあるが、ＰＶＤＦは、前述のように広帯域での受信が可能であり、厚さによる感度の影響は、ＰＺＴほど厳しくないので、並列容量Ｃｄをできるだけ大きくするために薄く設定されることが多い。ここでは、厚さをｄ＝０．０５ｍｍ、サイズをＰＺＴの場合と同じＳ＝０．２５ｍｍ×０．２５ｍｍ、ε＝１３とし、前記式２から、ＰＶＤＦの並列容量Ｃｄは、０．１４［ｐＦ］となる。

一方、配線容量Ｃｓの概算値を求める場合には、個々の圧電素子から、前記回路まで、前記配線１０１として、フレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）で配線した場合を想定する。ＦＰＣの基材は、ポリイミドで、片面に信号配線、他方の面にアース配線を形成してあり、前記信号配線の幅は、実用化されている最小レベル程度の０．０５ｍｍ、ポリイミドの厚さは、実用化レベルの０．０１２５ｍｍ、配線長は、３０ｍｍとすると、ｄ＝０．０１２５ｍｍ、Ｓ＝０．０５ｍｍ×３０ｍｍ、ポリイミドの比誘電率εは、ε＝３．２となるので、前記式２から、配線容量Ｃｓは、３．４［ｐＦ］となる。

したがって、ＰＺＴおよびＰＶＤＦでの検出信号の電圧Ｖｏは、式１から、
ＰＺＴの場合、Ｖｏ＝０．４５・Ｖｓ
ＰＶＤＦの場合、Ｖｏ＝０．０４・Ｖｓ
となる。すなわち、配線容量Ｃｓによる信号損失は、ＰＺＴで５０％以上、ＰＶＤＦでは９０％以上になる。

そこで、前記特許文献３の従来技術では、圧電素子の直下に集積回路を配置しているので、配線長を極力短くし、前記配線容量Ｃｓ影響を低減することができる。しかしながら、そうなると、圧電素子の個別電極と、集積回路の配線層や基板との間の浮遊容量が大きくなり、この浮遊容量で信号損失が大きくなる。この点、本実施形態では、上述したように、各圧電素子の個別電極層３３と集積回路層４０内の回路との間にシールド電極４７が配置されるので、浮遊容量Ｃｓの影響は、小さく、読み出しに伴う受信信号の損失を低減することができる。また、個別電極層３３とシールド電極４７との間の容量による影響は、両電極が同電位であるので、信号損失は、無い。こうして、圧電素子の各個別電極層３３と集積回路層４０の配線層４２や基板との間の配線容量の減少に加えて、浮遊容量Ｃｓによる読出し信号の損失を低減することができる。

本明細書は、上記のように様々な態様の技術を開示しているが、そのうち主な技術を以下に纏める。

一態様にかかる超音波振動子は、被検体に対向する第１の面と、該第１の面の反対側の第２の面とを有し、２次元アレイ状に配置された圧電素子を備えた圧電素子アレイと、前記圧電素子アレイの第２の面側に配置されて、各圧電素子での超音波の受信信号が入力される集積回路とを備え、前記集積回路は、各圧電素子での受信信号を受けて、低インピーダンスで出力するインピーダンス変換回路と、前記各圧電素子の個別電極に対向し、対応する圧電素子での受信信号に基づく前記インピーダンス変換回路の出力信号で駆動されるシールド電極とを含むものである。

この構成によれば、前記集積回路の配線層に、前記圧電素子アレイにおける各圧電素子の電極ピッチに合わせて、個々の電極を覆うようにシールド電極が形成され、そのシールド電極に、前記インピーダンス変換回路から低インピーダンスの前記受信信号が与えられる。

このように各圧電素子の個別電極と集積回路内の回路との間にシールド電極が配置されるので、浮遊容量の影響は、小さく、信号損失を低減することができる。また、個別電極とシールド電極との間の容量による影響は、両電極が同電位であるので、信号損失は、無い。こうして、上記構成の超音波振動子は、圧電素子の各個別電極と集積回路の配線層や基板との間の配線容量の減少に加えて、浮遊容量による読出し信号の損失を低減することができる。また、前記シールド電極は、集積回路の製造プロセスで形成できるので、製造も容易である。

また、他の一態様では、上述の超音波振動子において、好ましくは、前記各圧電素子は、有機圧電素子である。

この構成によれば、有機圧電素子は、それ自体の出力インピーダンスが高いので、さらに効果が大きく、また、有機圧電素子は、広帯域であるため、ハーモニックイメージングのための高調波受信に好適である。

また、他の一態様では、上述の超音波振動子において、好ましくは、前記各圧電素子の個別電極は、前記集積回路の配線層に形成される。

ＰＺＴなどの無機圧電素子は、個別の素子に切出されるのに対して、ＰＶＤＦなどから成る有機圧電素子は、シート状に形成され、個別電極を形成することによって個別の素子となる。この構成によれば、前記各圧電素子の個別電極を、前記集積回路の配線層に形成することで、圧電素子と集積回路との接合に位置合わせの必要がなく、組立が容易となる。また、電極は、集積回路の製造プロセスで形成できるので、製造も容易である。

また、他の一態様では、これら上述の超音波振動子において、好ましくは、前記有機圧電素子は、受信用として使用され、前記集積回路の前記有機圧電素子とは反対側には、送信を行う無機圧電素子が配置される。

この構成によれば、集積回路において、有機圧電素子が配置される側とは反対側に、送信用の無機圧電素子が配置され、前記有機圧電素子は、受信用として使用される。

このため、このような構成の超音波振動子は、無機圧電素子によって、有機圧電素子より大パワーで送信することができ、高いＳ／Ｎの受信信号を得ることができる。また、前記シールド電極が受信用有機圧電素子の個別電極と送信用無機圧電素子の共通電極との間に介在されるので、このような構成の超音波振動子は、それらの間の浮遊容量の影響も低減することができる。

また、他の一態様では、上述の超音波振動子において、好ましくは、前記集積回路は、シリコン基板に作成され、その厚みは、送信超音波の波長の１／４である。

この構成によれば、受信信号のインピーダンス変換を行う集積回路を送信用の無機圧電素子と受信用の有機圧電素子との間に配置すると、送信超音波がこの集積回路を通過して被検体側へ出てゆくことになる。そこで、前記集積回路を、音響インピーダンスが無機圧電素子より小さく有機圧電素子より大きいシリコンの基板に形成し、その厚みを送信超音波の波長の１／４とすることによって、該シリコン基板が音響整合層として働く。

このため、このような構成の超音波振動子は、送信超音波の損失が小さくなり、その分、高いＳ／Ｎの受信信号を得ることができる。

また、他の一態様では、これら上述の超音波振動子において、好ましくは、前記インピーダンス変換回路のゲインは、１である。

この構成によれば、シールド電極に、対応する圧電素子の個別電極で得られる受信信号と同相の信号をインピーダンス変換回路から与える場合に、前記インピーダンス変換回路のアンプゲインが１であることで、高周波である高調波の受信信号に対する遅れが少なく、また広帯域化も容易である。

また、他の一態様にかかる超音波診断装置は、被検体に対し超音波を送受信する超音波探触子と、前記被検体に対し超音波を送信するために前記超音波探触子へ送信信号を出力するとともに、前記被検体からの超音波を前記超音波探触子で受信することによって得られた受信信号に基づいて前記被検体の内部状態を超音波画像として画像化する診断装置本体とを備え、前記超音波探触子は、これら上述のいずれかの超音波振動子を用いるものである。

この構成によれば、読出し信号の損失の少ない超音波診断装置を実現することができる。

この出願は、２００９年７月２３日に出願された日本国特許出願特願２００９−１７１９８１を基礎とするものであり、その内容は、本願に含まれるものである。

本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。

本発明によれば、超音波振動子およびそれを用いた超音波診断装置を提供することができる。

Claims

被検体に対向する第１の面と、該第１の面の反対側の第２の面とを有し、２次元アレイ状に配置された圧電素子を備えた圧電素子アレイと、
前記圧電素子アレイの第２の面側に配置されて、各圧電素子での超音波の受信信号が入力される集積回路とを備え、
前記集積回路は、
各圧電素子での受信信号を受けて、低インピーダンスで出力するインピーダンス変換回路と、
前記各圧電素子の個別電極に対向し、対応する圧電素子での受信信号に基づく前記インピーダンス変換回路の出力信号で駆動されるシールド電極とを含むこと
を特徴とする超音波振動子。
前記各圧電素子は、有機圧電素子であること
を特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
前記各圧電素子の個別電極を、前記集積回路の配線層に形成すること
を特徴とする請求項２に記載の超音波振動子。
前記有機圧電素子は、受信用として使用され、
前記集積回路の前記有機圧電素子とは反対側には、送信を行う無機圧電素子を配置すること
を特徴とする請求項２または請求項３に記載の超音波振動子。
前記集積回路は、シリコン基板に作成され、その厚みは、送信超音波の波長の１／４であること
を特徴とする請求項４に記載の超音波振動子。
前記インピーダンス変換回路のゲインは、１であること
を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の超音波振動子。
前記請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の超音波振動子を用いること
を特徴とする超音波診断装置。