JP4776691B2 - 超音波探触子及び超音波撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は超音波探触子及び超音波撮像装置に関し、特にダイアフラム型超音波トランスデューサを用いた超音波探触子及び超音波撮像装置に関する。

超音波探触子などにおいて現用されている超音波トランスデューサの多くは、例えばＰＺＴ（lead zirconate titanate；チタン酸ジルコン酸鉛）などの圧電セラミックス系の圧電体の圧電効果及び逆圧電効果を利用して、超音波の送信及び受信を行うものである。

特許文献１には、振動板の支持部にコンプライアント支持部を設けた容量性超音波トランスデューサが記載され、膜（ダイアフラム）周囲の支持部が振動する構造としてダイアフラム型トランスデューサの送信及び受信感度の向上を図っている。この明細書の「感度」とは、送信時、ダイアフラム上下電極間に印加する電圧に対して発生する音圧の割合を示し、受信時、入力音圧に対して上下電極間に発生する電圧もしくは上下電極間に流れる電流を示す。
特開2005-193374号公報

特許文献１では、ダイアフラムの周囲が完全にシールされておらず、空気混入や素子内部への水分の浸入への影響について配慮されていない。従って、ダイアフラムの上下電極の適正な空隙による音圧の確保と感度の双方を両立するための未解決な問題を有していた。

本発明の目的は、ダイアフラムの上下電極の適正な空隙による音圧の確保と感度を両立可能な超音波探触子及び超音波撮像装置を提供することにある。

前記課題を解決するため、本発明の静電容量型超音波トランスデューサは、上部電極をダイアフラムとは別体としてダイアフラムの一部に支持部を介して固定し、ダイアフラムと下部電極の間に配置する構造とする。

すなわち、本発明による超音波探触子は、基板上に複数の超音波トランスデューサが設けられ、各超音波トランスデューサは、基板に設けられた固定電極と、周縁部が支持壁によって基板に固定されたダイアフラム層と、固定電極とダイアフラム層の間に形成された空隙層と、ダイアフラム層の一部に支持部を介して固定され空隙層の中に配置された可動電極とを有する。支持部は、可動電極の面に平行な方向の幅が可動電極の幅より小さく、可動電極の面に平行な断面の面積が可動電極の面積以下である。この超音波探触子は、超音波撮像装置に用いることができる。

本発明によれば、ダイアフラム型超音波トランスデューサの送信感度及び受信感度を向上させることができる。

第１実施形態の超音波トランスデューサを示す垂直断面図。 第１実施形態の超音波トランスデューサを示す平面図。 超音波トランスデューサアレイの斜視図及び探触子を示す図。 超音波撮像装置のシステム構成例を示す図。 超音波トランスデューサの周波数−感度特性例を示すグラフ。 従来の静電容量型超音波トランスデューサを示す垂直断面図。 第１実施形態の超音波トランスデューサの電極に電圧を印加した状態における垂直断面図。 超音波トランスデューサの周波数−感度特性を示すグラフ。 第２実施形態の超音波トランスデューサを示す垂直断面図。 第２実施形態の超音波トランスデューサを示す平面図。 第３実施形態の超音波トランスデューサを示す平面図。 第４実施形態の超音波トランスデューサを示す垂直断面図。 第４実施形態の超音波トランスデューサを示す平面図。 第５実施形態の超音波トランスデューサを示す垂直断面図。 第５実施形態の超音波トランスデューサを示す平面図。 第６実施形態の超音波トランスデューサ（六角形）を示す平面図。 第６実施形態の超音波トランスデューサ（円形）を示す平面図。 第７実施形態の超音波トランスデューサを示す断面図。 第７実施形態における装置構成例を示す図。 実施例及び比較例の超音波トランスデューサの水中における送信感度の周波数特性を示した図。 実施例及び比較例の超音波トランスデューサの水中における受信感度の周波数特性を示した図。

符号の説明

１ 基板
２ 固定電極
３ 可動電極
４ 絶縁膜
５ 絶縁膜
６ ダイアフラム層
７ 空隙層
８，８ａ，８ｂ，８ｃ 支持部
９ 中間層
１０ 補強部
１１ 支持壁
１３ 結線
２５ 絶縁膜
２６ ダイアフラム層
１００，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅ，１００ｆ，１００ｇ，１００ｈ 超音波トランスデューサ
１０１ 連結部
２００ 従来型の超音波トランスデューサ
２１０ 音響レンズ
２２０ 音響整合層
２３０ バッキング材
２４０ 導電性膜
１０００ 超音波トランスデューサアレイ
２０００ 超音波探触子

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１は第１実施形態の超音波トランスデューサを示す垂直断面図であり、図２はその平面図である。なお、説明の便宜上、超音波トランスデューサ１００が超音波を受信する方向、すなわち図１の下方、及び、図２の紙面に対して垂直下方向を、ｚ方向とする。また、図１及び図２の右手方向をｘ方向とし、図１の紙面に対して垂直下方向及び図２の上方向を、ｙ方向とする。

図１及び図２に示すように、この超音波トランスデューサ１００は、静電容量型のダイアフラム型トランスデューサであって、シリコン単結晶などの絶縁体又は半導体からなる平板上の基板１に、アルミニウムやタングステンなどの導電体からなる薄膜状の固定電極２が形成され、固定電極２の上にダイアフラム層６が形成されている。ダイアフラム層６は周縁部が基板から立ち上がった支持壁１１によって基板に固定され、ダイアフラム層６と基板１の間には、周囲が支持壁１１によって密閉された空隙層７が形成されている。空隙層７の中には、絶縁膜５が被覆された可動電極３が配置され、可動電極３はダイアフラム層６の一部に支持部８で結合している。可動電極３は、固定電極２と可動電極３の間に電圧を印加した際、静電気力により、ほとんど変形することなく基板側に変位する。この変位が過剰になり、可動電極３が固定電極２と接触し導通することを防ぐために、固定電極２の上部に絶縁膜４を設けるか、もしくは可動電極３を絶縁膜５で被覆するのが好ましい。なお、本明細書では、絶縁膜５をも含めて、支持部８によってダイアフラム層６に接続されて空隙層７に保持される素子の全体を指して可動電極という。

本実施形態のダイアフラム層６及び可動電極３は四角形である。ダイアフラム層６と可動電極３を接続する支持部８は、その長辺方向がダイアフラム層６及び可動電極３の長辺方向（図の例の場合、ｙ軸方向）と一致する四角柱状の部材である。

ダイアフラム層６、支持壁１１、支持部８及び絶縁膜５で被覆された可動電極３は、半導体プロセス技術で加工可能な材料で作られる。例えば、米国特許6,359,367号明細書に記載された材料が使用可能である。例示すると、シリコン、サファイア、あらゆる形式のガラス材料、ポリマ（ポリイミドなど）、多結晶シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、金属薄膜（アルミニウム合金、銅合金、又はタングステンなど）、スピン・オン・グラス（ＳＯＧ）、埋め込み（implantable）ドープ剤又は拡散ドープ剤、ならびに酸化シリコン及び窒化シリコンなどから成る成長フィルムである。空隙層７の内部は真空でもよいし、空気又は何らかの気体を充填してもよい。定常時（非動作時）において、可動電極３と基板１との間隔（ｚ方向）は、主にダイアフラム層６、支持壁１１、支持部８及び可動電極３の剛性によって維持されている。

超音波トランスデューサ１００は、誘電体として機能する空隙層７及び絶縁膜４を挟んで、固定電極２と可動電極３とを配置した可変容量コンデンサとして動作する。可動電極３に力が加わりｚ方向に変位すると、固定電極２と可動電極３の間隔が変わり、コンデンサの静電容量が変化する。支持部８により可動電極３とダイアフラム層６は結合しているため、ダイアフラム層６に力が加わっても、可動電極３は変位する。このとき、固定電極２と可動電極３に電荷が蓄積されていると、固定電極２と可動電極３の間隔が変わり、静電容量が変化するため、両電極間に電圧が発生する。このようにして、超音波などの何らかの力学的変位をもたらす力がダイアフラム層６に伝播すると、その変位が電気信号に変換される。また、固定電極２と可動電極３に電位差を与えると、各々異なる符合の電荷が蓄積し、静電気力により可動電極３が基板１側に変位する。このとき、支持部８により可動電極３とダイアフラム層６は結合しているため、ダイアフラム層６も同時に変位する。こうして、ダイアフラム層上部（−ｚ方向）に、空気、水、プラスチック、ゴム、生体など音響伝播媒体が存在すれば、音が放射される。すなわち、この超音波トランスデューサ１００は、入力された電気信号を超音波信号に変換してダイアフラム層６に隣接した媒体へ放射し、媒体から入力された超音波信号を電気信号に変換して出力する機能を有する電気音響変換素子である。

図３は、超音波トランスデューサアレイ１０００を示す斜視図である。この超音波トランスデューサアレイ１０００は、超音波探触子（プローブ）２０００の送受信面をなすものであって、基板１に、前記した微細な（例えば５０μｍ）超音波トランスデューサ１００を１つのセル（素子）として、多数のセルを形成し、所定個数ごとに結線１３によって電気的に接続したものである。図中のセルは六角形をしているが、セルの形は用途に応じて適宜変えればよい。また超音波トランスデューサ１００の個数は、図示したものに限られず、半導体製造技術によって更に多数の超音波トランスデューサ１００のセルをより大型の基板に集積してもよい。

図４に示したように、個々の、又は所定個数毎にまとめられたセルは、送受切替スイッチ５１を介して、この超音波探触子２０００を具備した超音波撮像装置の送信ビームフォーマ５５及び受信ビームフォーマに５６接続されている。超音波探触子２０００は、電源５２によって駆動する送信アンプ５３及び受信アンプ５４により超音波ビームを形成するアレイとして動作し、超音波の送受信のために利用される。送受信信号は制御部５７により、目的に応じて制御される。受信信号は信号処理部５８を経てビデオ信号に変換されたのち、スキャンコンバータ５９を介して表示部６０に表示される。尚、図３に示した超音波トランスデューサ１００の配列は一例であって、蜂の巣（honeycomb）状のほか、碁盤目（grid）状など、他の配列形態でもよい。また配列面は、平面状又は曲面状のいずれでもよく、その面形状も、円形状又は多角形状などにすることができる。あるいは、超音波トランスデューサ１００を、直線状又は曲線状に並べてもよい。以下、超音波信号の送受及び画像表示までの流れを概説する。

一般的に超音波撮像装置は、生体内の構造を２次元平面あるいは３次元で表示する。このため、超音波の送信あるいは受信においては、アレイ型の超音波探触子を用いて、各チャンネルに電気的な遅延操作あるいは使用するチャンネル数を設定し、ビームフォーミングを行い、２次元あるいは３次元内において超音波の焦点を走査し撮像する。これらの操作は送信ビームフォーマ５５あるいは受信ビームフォーマ５６内部にて行われる。また、様々な撮像モードに合わせてビームフォーマの制御を制御部５７にて行う。送信ビームフォーマ５５で制御された探触子内の各チャンネルには送信アンプを介して電圧が印加され、各チャンネルから放射される超音波がある焦点で位相が重なるよう送信される。送信と受信は同じ探触子を用いて交互に行うため、送受切り替えスイッチ５１にて送信と受信の切り替えを行う必要がある。受信時は受信信号を受信アンプ５４で増幅し、受信ビームフォーマ５６を介して信号処理部５８にて信号を検出する。信号処理部５８では、各信号が整相加算され、フィルタ処理、対数圧縮、検波という過程を経て、走査変換前の音場走査に対応した２次元画像あるいは３次元画像データとなる。ドップラーを用いた血流の撮像のような場合は、また別のフィルタによる処理の後、直交検波、レンジゲート処理などを経てデータとなる。これらのデータはスキャンコンバータ５９で走査変換され表示部６０へビデオ信号として出力される。以上の制御及び表示部の調整はユーザーインターフェースを介して使用者が行うことが出来る。

超音波探触子２０００は、例えば、複数の超音波トランスデューサ１００の群を短冊状に配列してアレイ型に形成したり、複数の超音波トランスデューサ１００を扇状に配列してコンベックス型に形成したりしたトランスデューサアレイ１０００を具備する。また、この超音波探触子２０００において、超音波トランスデューサ１００の媒体（被検体）側には、超音波ビームを収束させる音響レンズ２１０と、超音波トランスデューサ１００と媒体（被検体）との音響インピーダンスを整合する音響整合層２２０や導電性膜２４０を配置し、またその背面側（媒体側に対して逆）には、超音波の伝播を吸収するバッキング材２３０を設けて使用することができる。

図５は、超音波トランスデューサ１００の周波数−感度特性例を示すグラフである。グラフの横軸は周波数ｆ、縦軸は電気・機械変換効率を示すＧ（利得：Gain）である。ここでは説明のため、感度Ｇが最も高くなる周波数ｆを中心周波数fp、感度Ｇが最も高い位置から−３［ｄＢ］までの範囲となる周波数帯域幅をfwとする。周波数帯域幅fwの中心を中心周波数fcとしたとき、fwをfcで除した値（つまり、周波数帯域幅を中心周波数fcで規格化した値）を比帯域幅fbとする。

超音波トランスデューサ１００の重要な基本的特性のひとつが感度Ｇである。感度Ｇは、電気エネルギーと、音波などの機械エネルギーとを相互に変換する効率を表す。従って、送信効率を高め、また微弱な音波信号を検出する観点から、超音波トランスデューサ１００の感度Ｇは高い方が望ましい。

次に、本発明によって感度Ｇが増加する原理について述べる。図６は、従来型の超音波トランスデューサ２００の固定電極２及びダイアフラム側電極３′に電位差を与えダイアフラムが変位した状態を表している。ダイアフラム側電極３′は、図示するように、ダイアフラム層２６に埋め込まれている。従来型の超音波トランスデューサ２００の固定電極２及びダイアフラム側電極３′に電位差を加えると、図６に示したように、電極間に働く静電気力で、ダイアフラム層２６が変位する。このとき、ダイアフラム層２６の中心部は、ダイアフラム層を固定している周辺部に比べて構造的に剛性が小さいため、周辺部よりも大きく変位する。ダイアフラム層に働く静電気力Ｆｅは、εを電極間の実効的な誘電率、Ｓを電極面積、ｄを電極間距離、Ｖdcを電極間に印加される直流電位差、Ｖacを電極間に印加される時間変動電圧とすると、時間ｔを変数として次式のように表される。

Ｆｅ(ｔ)≒εＳ＊Ｖdc＊Ｖac(ｔ)／ｄ² …(1)
この式(1)のように静電気力は同じ印加電圧、同じ電極面積に対しては、電極間の距離ｄが小さいほど大きくなるという性質を持つ。従って、従来型の超音波トランスデューサの構造では、ダイアフラムの中心部付近の静電気力が強く、周辺部はそれに対して小さくなる。

送信音圧はダイアフラムに作用する静電気力にほぼ比例する。ここで、送信感度Ｇtを時間変動電圧Ｖacに対する発生音圧と定義すると、式(1)から分かるとおり、送信感度Ｇtは距離ｄが小さいほど大きくなる。逆に、ｄが小さくなれば、同じ音圧を発生させるために、小さな電圧で動作することが可能となる。

図７は、本発明による超音波トランスデューサ１００の固定電極２及び可動電極３に電位差を与えダイアフラムが変位した状態を表している。従来型の超音波トランスデューサ２００に対し、本発明では固定電極２と対になる可動電極３がダイアフラム層６と完全に一体となっておらず、ダイアフラム周辺で分離され、支持部８のみでダイアフラム層６の一部と結合している。この結果、超音波トランスデューサ１００のダイアフラムが変位すると、図７に示したように、ダイアフラム層６は中心部が大きく変位するが、コンデンサを構成する可動電極３の部分は固定電極２とほぼ平行に変位する。すなわち、従来型の超音波トランスデューサ２００と異なり、電極中心部だけでなく電極の周辺部も大きく変位することが可能となり、ダイアフラム周辺部の電極間距離ｄを小さくすることが可能となる。これにより、ダイアフラムに加わる静電気力を増加させ、送信感度Ｇtを向上させることが可能となる。

一方、受信感度Ｇrは、直流電圧Ｖdcを印加した状態における超音波トランスデューサの静電容量をＣdc、音波が入射したことによるダイアフラムの変位量をΔｄとすれば、以下の式のように表される。

Ｇr∝Ｃdc＊Δｄ／ｄ＊Ｖdc …(2)
式(2)から分かるとおり、受信感度Ｇrも、同じ直流印加電圧Ｖdc、同じ静電容量を持つ超音波トランスデューサでは、電極間距離ｄが小さいほど高い値となる。

以上のように、送信感度Ｇt及び受信感度Ｇrは、同じ電極面積、同じ印加電圧においては、電極間距離が小さい領域が多いほど高くなることが分かる。すなわち、本発明の有効性は、従来構造においてダイアフラム周辺の変位が、十分変位する空隙層７を有しながらも変位できない構造となっていることに着目し、空隙層７を最大限に利用してダイアフラムの周辺部でも電極が十分変位できる構造としたことに基づいている。

次に、支持部８の寸法について説明する。本発明の目的からして、支持部８の水平方向の幅は、当然ながら可動電極３もしくは可動電極３を覆う膜の水平方向の幅よりも小さい必要がある。さらに、超音波トランスデューサに求められる基本特性の観点から支持部の寸法を決める条件について以下に述べる。

前記の感度Ｇ以外に、超音波トランスデューサ１００の重要な基本的特性のひとつに周波数帯域幅がある。超音波トランスデューサ１００を使用する際において、ある関心周波数帯域が存在する。この周波数帯域幅が大きいほど、超音波トランスデューサ１００から放射される音波の波形の時間幅や受信時の電気信号の時間波形の時間幅が小さくなる。時間波形の時間幅が小さいほど、超音波探触子等では媒質内の物質を高分解能で観測できる。また周波数帯域幅が広いほど、様々な周波数帯を用いた信号処理が可能となるため、実用上有益となる。

静電容量型トランスデューサはダイアフラムを振動させるため、様々な振動モードが発生する。この振動モードが発生するために、感度の周波数特性は図８に示したようにモードに応じて複数のピークを持つ。従って、超音波トランスデューサ１００の構造は、使用する周波数帯域内において、実用上有効な感度を持つ帯域幅が使用目的を満たすだけ十分確保されていなくてはいけない。例えば、図８において、使用帯域にモード１がある場合、有効感度が最大感度からＡ［ｄＢ］ある場合、帯域幅fwが使用目的に対して十分確保（例えば図８中のfa）されている必要がある。ただし、ここでの有効感度とは、様々な電気回路フィルタや信号処理によって比較的自由に変更可能であるため、超音波トランスデューサのみによっては決まらず、装置全体の性能によって決められるものである。

図１及び図２に示したように、本発明では、ダイアフラム側の可動電極３をダイアフラム周辺部から切り離し、ダイアフラム層６と可動電極３の間を支持部８で結合している。本発明の目的上、当然ながら支持部８の水平方向の幅（図２中、wx2又はwy2）は空隙層７の水平方向の最大幅（図２中のwx0又はwy0）よりも小さい。本構造は、支持部８での剛性が、可動電極３を分離する前よりも低くなるために、支持部８で新たに固有の振動が発生する。これにより、可動電極３の分離前と分離後では、モードによる感度ピークの位置や大きさが異なる。支持部８における剛性は、支持部８の水平方向の幅だけでなく、垂直方向（ｚ方向）の厚さ（図１中のd2）にも依存する。また、使用する材料によっても異なる。従って、使用目的に応じた帯域幅確保のための支持部８における剛性の調整は、支持部８の水平方向と垂直方向の幅及び材料選択により可能となる。

しかし、本発明の目的からして支持部８が空隙の端、つまりダイアフラム層６の辺縁部付近にまで達している場合はその効果が極端に小さくなる。一方、可動電極３は、可動電極３がダイアフラム層６の支持壁１１に接触せずに空隙層７に納まる範囲で可能な限り大きな面積とするのが有利である。

このように、支持部８は、可動電極３の面積に対してある面積以下で作られ、かつ使用目的の帯域幅が確保され、製造工程において制御可能な限りにおいて、様々な材料及び形状を取りうる。例えば、水平方向の断面形状が円形や矩形、台形、三角形などの多角形、あるいは垂直方向の断面形状が矩形でなく厚さ（垂直）方向に変化するものであってもよい。

周波数特性に影響を及ぼすものとして、支持部８以外に、可動電極３の形状が上げられる。被覆絶縁膜を含む可動電極３の材料、厚さ及び水平方向の幅により可動電極の剛性が変化し、発生する固有振動数、すなわち感度の周波数特性が変化する。しかし、支持部８同様に、本発明においては、使用目的に応じて可動電極３の材料や形状を調整することができる。

次に図９から図１５を参照して、本発明による他の実施形態について説明する。これらの各実施形態における構成及び動作は、以降に説明を行う他は、原則として第１実施形態と同様としてよい。

図９及び図１０は、第２実施形態の超音波トランスデューサ１００ｂを示す垂直断面図及び平面図である。この超音波トランスデューサ１００ｂは、支持部がダイアフラムの中央に１個あるのではなく、複数（支持部８ａ及び８ｂ）に分離した構成を有する。このように、支持部８はダイアフラムの中央になくても、本発明の効果を発揮することができる。また、複数の支持部は全く同じ形状である必要はない。また、各支持部の間には、中間層９として、真空もしくは支持部とは別の物質が挿入されていてもよい。例えば、空気又はガスが充填されていてもよく、あるいは支持部とは異なる材質の固体（例えば支持部よりヤング率の十分小さく、支持部８ａ及び８ｂによる剛性に影響が小さいもの）であってもよい。

図１１は、第３実施形態の超音波トランスデューサ１００ｃを示す平面図である。この超音波トランスデューサ１００ｃは、支持部８ｃの水平断面形状が図２で示したような矩形ではなく、支持部の一部が可動電極３上に張り出して広がった水平断面形状を有する。本形態にすることで、本発明の効果を維持しつつ、可動電極３の剛性を確保し、比帯域幅を確保することができる。図１１に示した支持部の張り出し形状は一例であって、他の形状でもよい。

図１２及び図１３は、第４実施形態の超音波トランスデューサ１００ｄを示す垂直断面図及び平面図である。この超音波トランスデューサ１００ｄは、可動電極３のダイアフラム層側に補強部１０を有する。補強部１０によって可動電極３の剛性を高めることにより、使用帯域内から不要な振動モードを除外する効果が得られる。この補強部は可動電極３上であれば、いかなる場所いかなる形状のものがいくつ配置されてもよい。また、補強部１０の一部がダイアフラム層６又は支持部８に接触していてもよい。つまり、可動電極３の形状は直方体である必要はなく、製造技術の許すかぎりいかなる形状であってもよい。

図１４は、第５実施形態の超音波トランスデューサ１００ｅを示す垂直断面図、図１５は、その平面図である。支持部８の幅が小さい場合、可動電極３の辺縁部の剛性が低下するため、不要な振動が発生する場合がある。この不要振動の抑制のために、本実施形態の超音波トランスデューサ１００ｅは、可動電極３の辺縁部が外側ダイフラム層６の支持壁１１と連結部１０１を介して一部結合している構造とする。しかし、連結部１０１により、可動電極３の辺縁部が支持壁１１と完全に結合すると、本発明の効果を失ってしまう。従って、可動電極３の辺縁部と支持壁１１を結合する連結部１０１の剛性は、支持部８の剛性よりも低くなくてはならない。具体的には、連結部１０１の剛性は、固定電極２と可動電極３に電位差を与えた場合、可動電極３の中心から最も離れた部分の変位量がそれに対応するダイアフラム層６の部分の変位量よりも大きくなるよう作製しなくてはならない。

図１６は、第６実施形態の超音波トランスデューサ１００ｆを示す平面図である。この超音波トランスデューサ１００ｆは、基板１、固定電極２、絶縁膜４、可動電極３、ダイアフラム層６、空隙層７及び支持部８が六角形構造を有する。ここで示した例は一例に過ぎず、六角形でなくても、発明の効果が損なわれるものではない。例えば、図１７のような円形であってもよい。また、ダイアフラム層６と可動電極３の形状が一致している必要はなく、各要素の形状は自由に選択が可能である。また、可動電極３と支持部８の形状が必ずしも相似形である必要性はない。

図１８は、第７実施形態の超音波トランスデューサ１００ｈを示す断面図である。この超音波トランスデューサ１００ｈは、可動電極３が絶縁体で覆われていない構造を有する。可動電極３が基板側に接触した際、絶縁耐圧を保証するだけの絶縁膜４が基板側の固定電極２の表面にあれば、動作上問題とはならない。

あるいは、電気的に短絡したことを感知し、機器や媒質側への影響が発生しないような機構を備えた超音波探触子あるいは超音波撮像装置であれば、基板側の絶縁膜が存在しない場合においても、本トランスデューサは機能する。例えば、図１９に示すように、電源５２と超音波トランスデューサ１００ｈの間に抵抗６１を挿入し、その間に流れる電流量を電圧モニタ６２にて検出するシステムとする。これにより、超音波トランスデューサ１００ｈの可動電極３が固定電極２と接触した際に流れる過大な電流を感知し、超音波トランスデューサ１００ｈに印加する電圧を制御し、不具合なく動作させることが可能となる。

以下に、より具体的な実施例を用いて本発明を説明する。

本発明による第１実施形態の超音波トランスデューサ１００（図１参照）、及び比較例として従来型トランスデューサ２００（図６参照）の設計例を下記に示す。そして、計算機に詳細な設計値を与え、水中での特性について高精度数値シミュレーションを行わせた。

本実施例の超音波トランスデューサ１００及び比較例の超音波トランスデューサ２００は、いずれも、基板１の材質はＳｉとし、ダイアフラム層６及びダイアフラム層２６の材質は窒化シリコン（ＳｉＮ）とし、絶縁膜４，５，２５の材質は酸化シリコン（ＳｉＯ）とし、固定電極２、可動電極３及び電極３′の材質はアルミニウムとした。また、空隙層７の内部は真空とした。

水平方向の形状について述べる。本実施例の超音波トランスデューサ１００及び比較例の超音波トランスデューサ２００の各要素は、すべて円形とした。超音波トランスデューサ１００の空隙層７の最大直径は５４μｍとし、可動電極３及び電極３′の直径は５１μmとした。支持部８の直径は可動電極３の最大直径の７０％とした。比較例の超音波トランスデューサ２００の空隙層７の直径も５４μｍとした。固定電極２の直径は空隙層７の直径と同じとした。

垂直方向の構造について述べる。本実施例の超音波トランスデューサ１００の厚さは、ダイアフラム層６が１２００ｎｍ、支持部８が１００ｎｍ、絶縁層５のうち可動電極３と支持部の間の厚さが８００ｎｍ、電極が４００ｎｍ、絶縁層５のうち可動電極３と空隙の間の厚さが２００ｎｍ、可動電極３の下側の絶縁層５の下端と絶縁膜４の間の空隙層７の厚さを１００ｎｍ、絶縁層４の厚さを２００ｎｍとした。比較例の超音波トランスデューサ２００については、ダイアフラム層の厚さを１２００ｎｍ、電極３′の厚さを４００ｎｍ、絶縁層４の厚さを２００ｎｍ、空隙層７の厚さを１００ｎｍとした。

図２０は、前記実施例の超音波トランスデューサ１００と比較例の超音波トランスデューサ２００の水中における送信感度Ｇtの周波数特性を示したグラフである。横軸は周波数ｆであり、縦軸は感度（［ｄＢ］）である。このグラフにおいて、曲線３０は実施例の超音波トランスデューサ１００の送信感度特性を示し、曲線３１は比較例の超音波トランスデューサ２００の送信感度特性を示す。

超音波トランスデューサ１００及び超音波トランスデューサ２００の帯域（各々の最大感度から−３ｄＢの周波数帯域幅）は両方とも約２．５ＭＨｚから１０．５ＭＨｚである。従って比帯域幅は、帯域幅を中心周波数で除し、
（１０．５−２．５）／（（２．５＋１０．５）／２）＊１００＝１２３％
となり、超音波撮像用のものとして十分な幅を有している。また、感度の大きさは、曲線３０の方が曲線３１に対し約２ｄＢほど高く、本発明による効果が現れている。

図２１は、前記実施例の超音波トランスデューサ１００と比較例の超音波トランスデューサ２００の水中における受信感度Ｇrの周波数特性を示したグラフである。曲線４０は実施例の超音波トランスデューサ１００の送信感度特性を示し、曲線４１は比較例の超音波トランスデューサ２００の送信感度特性を示す。超音波トランスデューサ１００及び超音波トランスデューサ２００の帯域（各々の最大感度がら−３ｄＢの周波数帯域幅）は両方とも約２.2ＭＨｚから９.2ＭＨｚである。比帯域幅は
（９．２−２．２）／（（９．２＋２．２）／２）＊１００＝１２２％
である。感度の大きさは、曲線４０の方が４１に対して約１ｄＢほど高く、本発明による効果が現れている。

このように、本発明により、送信及び受信感度において、従来型の超音波トランスデューサと同程度の帯域幅を有しながらも、感度向上が達成される。感度向上は、本実施例においては送受で約３ｄＢ向上しているが、これは１０進数で表記すれば約１．４倍の感度向上を意味する。超音波撮像器において、送受信の感度が１．４倍となることは、実用上十分有益である。

本実施例は、一つの例に過ぎず、六角形状など前記の各実施形態を組み合わせることで、同様の効果、あるいはさらなる感度向上が可能である。また、超音波トランスデューサ構造の寸法を変えることで、目的に応じた特性を得ることが可能となる。

Claims (10)

1. 基板上に複数の超音波トランスデューサが設けられ、
   各超音波トランスデューサは、前記基板に設けられた固定電極と、周縁部が支持壁によって前記基板に固定されたダイアフラム層と、前記固定電極と前記ダイアフラム層の間に形成された空隙層と、前記ダイアフラム層の一部に支持部を介して固定され前記空隙層の中に配置された可動電極とを有することを特徴とする超音波探触子。
2. 請求項1記載の超音波探触子において、前記可動電極は絶縁層で覆われていることを特徴とする超音波探触子。
3. 請求項1記載の超音波探触子において、前記支持部は、前記可動電極の面に平行な方向の幅が前記可動電極の幅より小さいことを特徴とする超音波探触子。
4. 請求項1記載の超音波探触子において、前記固定電極の上に絶縁膜が形成されていることを特徴とする超音波探触子。
5. 請求項1記載の超音波探触子において、前記支持部を複数有することを特徴とする超音波探触子。
6. 請求項1記載の超音波探触子において、前記支持部は、前記可動電極の面に平行な断面の形状が円形又は多角形であることを特徴とする超音波探触子。
7. 請求項1記載の超音波探触子において、前記可動電極は、前記ダイアフラムに対向する側の面に剛性を高めるための補強部材が設けられていることを特徴とする超音波探触子。
8. 請求項1記載の超音波探触子において、前記可動電極は、周縁部の一部が前記支持壁と結合していることを特徴とする超音波探触子。
9. 請求項1記載の超音波探触子において、前記ダイアフラム層の形状は円形又は多角形であることを特徴とする超音波探触子。
10. 被検体に超音波を送受波する超音波探触子と、
    前記超音波探触子によって得られた信号から画像を作成する画像作成部と、
    前記画像を表示する表示部と、
    被検体の測定部位の深さに応じて前記超音波探触子の焦点を制御する制御部とを備える超音波撮像装置において、
    前記超音波探触子は、請求項１〜９のいずれか１項に記載の超音波探触子であることを特徴とする超音波撮像装置。

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