JP4909279B2 - 超音波探触子 - Google Patents
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Description
なお、説明の便宜上、超音波トランスデューサ100pが超音波を受信する方向(図40の下方向)をz方向とし、図40の右手方向をx方向とし、さらに、図40の紙面に対しての垂直下方向をy方向とする。
さらに、特許文献3では、膜の厚さ寸法内に、絶縁層部分と上部電極とを配置したものを、キャビティの上方に配置した音響トランスデューサが提案されている。
"A surface micromachined electrostatic ultrasonic air transducer", Proceedings of 1994 IEEE Ultrasonics Symposium, pp.1241-1244
また、一枚の平坦なダイヤフラムでは、励起される振動モードと、振動モードごとの振動周波数が決まってしまい、同様に所望の周波数特性が得られない問題点があった。
前記ダイヤフラムまたは前記第2の電極の表面または内部に、当該ダイヤフラムの所定方向の剛性を変化させることにより周波数特性を変化させる梁構造をそれぞれ具備した複数の超音波トランスデューサを結線により接続させ、前記結線により接続されたトランスデューサを平面状または曲面状に複数配列した超音波トランスデューサアレイを具備し、超音波を送受信する。
そして、この超音波探触子は、前記結線で一纏まりに接続された複数の前記トランスデューサを単位として、同じ単位に属するトランスデューサの前記ダイヤフラムおよび前記梁構造は、同じ平面形状の多角形のダイヤフラムとされ、かつ、同じ梁構造とされる。
2,3 電極
4 空隙
5 ダイヤフラム
7 梁
13 結線
14 素子
17 スイッチ
100 超音波トランスデューサ
1000 トランスデューサアレイ
なお、以下では、電気と超音波の変換器を超音波トランスデューサ、複数の超音波トランスデューサをアレイ状に集めたものをトランスデューサアレイ、複数のトランスデューサアレイを有して被検体に超音波を送受信するものを超音波探触子と呼ぶ。また、超音波探触子、画像作成部(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手段)、表示部(画像を表示する手段)、制御部などを備えた超音波による撮像装置を、超音波撮像装置と呼ぶ。
図1は、第1実施形態の超音波トランスデューサを用いた超音波撮像装置の構成例を示す図である。この図1を用いて、超音波撮像装置の動作を説明する。
なお、内側ダイヤフラム層5aと外側ダイヤフラム層5bの両方あるいは片方を、単にダイヤフラムと表記することもある。また、他の構成についても、符号を省略することがある。
図16は、第2実施形態の超音波トランスデューサを示す平面模式図である。図17(a)は、その断面模式図である。図16、図17(a)に示すように、幅の異なる複数の梁7a〜7eを外側ダイヤフラム層5bの表面に設けることによって、広帯域な超音波トランスデューサ100qを実現できる。本実施形態の超音波トランスデューサ100qは、1つの電気信号によって駆動される素子、すなわち電気的な1素子を1つのダイヤフラムで構成するが、1つのダイヤフラム上に中心周波数の異なる梁7を複数並べてダイヤフラム全体としての帯域幅を広げたものである。
続いて、図18から図27の各図を参照し、本発明による第3実施形態について説明する。なお、第1実施形態や第2実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する点に関しては適宜説明を省略する。
図18は、第3実施形態の超音波トランスデューサ100を示す垂直断面図であり、図19は、この超音波トランスデューサ100を示す平面図である。
このトランスデューサアレイ1000は、超音波探触子(図示せず)の超音波送受信面をなすものであって、基板1に、前記した超音波トランスデューサ100を多数形成し、所定個数ごとに結線13によって接続したものである。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、半導体製造技術に応じてさらに多数の超音波トランスデューサ100を、より大型の基板1に集積してもよい。個々の、または、所定個数ごとにまとめられた超音波トランスデューサ100は、送受スイッチを介して、この超音波探触子を具備した超音波撮像装置の送信ビームフォーマおよび受信ビームフォーマに接続され(いずれも図示せず)、フェーズド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。なお、図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、平面状または曲面状のいずれでもよく、その面形状も、円形状または多角形状などとすることができる。あるいは、超音波トランスデューサ100を、直線状または曲線状に並べてもよい。
このグラフでは、横軸に周波数fをとり、縦軸に電気・機械変換効率を示す感度G(利得; Gain)をとって示す。感度Gが最も高くなる周波数fをピーク周波数fpとし、感度Gが、最も高い値から−3[dB]までの範囲となる周波数帯幅fwとする。周波数帯幅fwの中心となる周波数を中心周波数fcとし、周波数帯幅fwを中心周波数fcで除した値(つまり、周波数帯幅fwを、中心周波数fcで規格化した値)を比帯域幅fh(図示せず)とする。
この梁7は、力を加えない状態では、幅がw、長さがv、厚さがtの直方体状である。この梁7の厚さ方向(ダイヤフラム5の振動方向;z方向)の剛性Dは、この梁7の質量をm、ヤング率をEとすると、次式(6)の関係にある。
図23(a)に示すように、本発明による振動体6aは、第3実施形態のダイヤフラム5の振動部分5cを模したものであって、平板状のベース20aと、このベース20aに配設された1本の梁7dとを具備している。ベース20aの厚さはt1であり、梁7dの厚さはt2である。また、図23(b)に示すように、比較例の振動体6bは、前記した振動体6aから梁7dを取り除いた形状を有するものであり、平板状のベース20bからなる。ベース20bの厚さはt0である。
横軸方向は、梁の比厚さt2/t0、すなわち、振動体6aの梁7dの厚さt2を、振動体6bのベース20bの厚さt0で規格化した値の大きさを示す。また、縦軸方向は、比厚さt1/t0、すなわち、振動体6aのベース20aの厚さt1を、同様に、振動体6bのベース20bの厚さt0で規格化した値の大きさを示す。
図24と図25とを比較すると、振動体6aの梁7dの幅w2の、ベース20aの幅w1に対する比率が異なる場合、梁7dの厚さt2およびベース20aの厚さt1を同様に変化させたとき、周波数特性の変化が異なることがわかる。
したがって、梁7dの厚さt2を変えることにより、効果的に周波数特性を変化させるには、製造技術上許容される範囲内で、梁7dの幅w2を、ベース20aの幅w1に対して、なるべく小さくすればよい。なお、ベース20aおよび梁7dが同じ材質である場合について説明したが、異なる材質を用いて、同様の結果を得ることもできる。
この梁7bは、幅w2を有する梁部材7baと、これと異なる幅w22を有する梁部材7bbとを、長軸方向を一致させて厚さ方向(z方向)に接合した構成を有する。この梁7bでは、梁部材7baの厚さt21と、梁部材7bbの厚さt22とを、独立に選ぶことができる。このため、梁部材7baおよび梁部材7bbの平面形状を変えずに、梁7b全体の厚さ方向の剛性Dと質量mとの比を一定となるような、梁部材7baの厚さt21と梁部材7bbの厚さt22との組み合わせが無数に得られる。つまり、この梁7bを用いれば、共振周波数fbを一定としつつ、梁部材7baの厚さt21と梁部材7bbの厚さt22との組み合わせを変えて、比帯域幅fhを連続的に変えることができる。
例えば、図27(a)に示すように、三角形状の断面形状を有する梁7c1を用いてもよい。また、図27(b)に示すように、台形状の断面形状を有する梁7c2を用いてもよい。さらに、図27(c)に示すように、幅が長軸方向に沿って変化する梁7c3を用いることもできる。
図28は、第4実施形態の超音波トランスデューサ100bを示す垂直断面図である。
この超音波トランスデューサ100bは、梁7を、ダイヤフラム5(内側ダイヤフラム層5a)内の空隙4内に具備した構成を有する。すなわち、本実施形態において、梁7は、ダイヤフラム5表面の電極3近傍であって、基板1側の電極2に対面する側に配設されている。
この超音波トランスデューサ100bによれば、第3実施形態と同様な効果が得られ、また、ダイヤフラム5の表面を平坦にできる。
図29は、第5実施形態の超音波トランスデューサ100cを示す垂直断面図である。
この超音波トランスデューサ100cは、ダイヤフラム5(より具体的には、外側ダイヤフラム層5b)の基材内部に、梁7を埋設した構成を有する。この梁7は、ダイヤフラム5より剛性(ヤング率)の高い材質、または、ダイヤフラム5より剛性の低い材質からなる。あるいは、梁7を、空洞により構成し、空洞内を真空とするか、空気または他のガスを充填してもよい。
この超音波トランスデューサ100cによれば、ダイヤフラム5の外形や厚さを変えずに、その剛性を変化させる方向および大きさを所望に調節できる。また、電極2と電極3との間隔を狭めて、電気音響変換効率を高めることができる。
図30は、第6実施形態の超音波トランスデューサ100dを示す垂直断面図である。
この超音波トランスデューサ100dは、前記したダイヤフラム側の電極3および梁7の代わりに、梁7zを具備した構成を有する。この梁7zは、例えば、前記したダイヤフラム5側の電極3と同様の材質または他の導電性の材質からなり、前記したダイヤフラム5側の電極3と同様の形状の電極層部7zbと、図のy方向に細長い形状を有しダイヤフラム5のy方向の剛性を付加する梁部7zaと、を具備している。あるいは、梁部7zaは、一方向に限らず、例えば格子状に配設してもよい。
図31は、第7実施形態の超音波トランスデューサ100eを示す垂直断面図である。
この超音波トランスデューサ100eは、第3実施形態の梁7の代わりに、ダイヤフラム5が自身を基板1側の電極2上に保持している箇所(断面において、柱状に現れる箇所)近傍に、ダイヤフラム5の材質よりも剛性の低い材質または空洞からなる梁7nを設けた構成を有する。換言すれば、この箇所は、空隙4の周縁部の上方に位置する、ダイヤフラム5内部の環状部分であって、ダイヤフラム5の振動部分5cを囲む部分である。
この超音波トランスデューサ100eは、基板1表面の電極2上に、ダイヤフラム5n(実線で示す)を支柱5dで保持した構造と解釈できる。なお、比較のため、梁7nを設けない場合のダイヤフラム5m(点線で示す)を図示する。
図33は、第8実施形態の外側ダイヤフラム層5pを示す平面図である。
第8実施形態の超音波トランスデューサ100f(図示せず)は、前記した外側ダイヤフラム層5bの代わりに、外側ダイヤフラム層5pを具備した構成である。
この外側ダイヤフラム層5pは、平面形の周縁部に、多数の穴(または空洞)状の梁7pを多数設けた構成を有する。この多数の梁7pは、前記した梁7nと同様に、外側ダイヤフラム層5pの周縁部の剛性を低下させ、これに囲まれた平板状部分の剛性を相対的に向上させる。
したがって、この第8実施形態の超音波トランスデューサ100fによれば、前記した第7実施形態の超音波トランスデューサ100eと同様の効果を得られる。
図34は、第9実施形態の超音波トランスデューサ100gを示す平面図である。
この超音波トランスデューサ100gは、円形状のダイヤフラム5gと、このダイヤフラム5gの上面に配設された放射状の梁7grと、同様に配設された環状の梁7gcとを含んでいる。また、ダイヤフラム5gは、楕円形状でもよい。
図35は、第10実施形態の超音波トランスデューサ100hを示す平面図である。
この超音波トランスデューサ100hは、六角形状のダイヤフラム5hと、このダイヤフラム5hの上面に配設された放射状の梁7hrと、同様にダイヤフラム5hの内縁に沿って配設された環状の梁7hcとを含んでいる。六角形状は一例であって、三角形状、五角形状、七角形状など、ダイヤフラム5hは、他の多角形状でもよい。
図36は、第11実施形態の超音波トランスデューサ100iを示す平面図である。
この超音波トランスデューサ100iは、y方向に細長い複数の梁7を、不均等な間隔で配設した構成を有する。
第11実施形態の超音波トランスデューサ100iによれば、これら複数の梁7を配設する間隔を適切に設定することにより、ダイヤフラム5の振動部分5cの剛性の分布が部分的に調整され、所望の振動モードを抑制または励起できる。
図37は、梁7同士の長軸方向が異なるように配設した第12実施形態の超音波トランスデューサ100jを示す平面図である。
この超音波トランスデューサ100jは、x方向に細長く、ダイヤフラム5の振動部分5cのx方向よりも長軸方向が短い梁7xと、y方向に細長く、ダイヤフラム5の振動部分5cのy方向よりも長軸方向が短い梁7yと、を外側ダイヤフラム層5bに配設した構成を有する。
このように、長軸方向が異なる梁7xおよび梁7yを、同一のダイヤフラム5上の異なる箇所に混在させて配設してもよい。また、梁7xおよび梁7yは、目的に応じて、振動部分5cの平面方向の寸法に渡る長さを有さなくてもよい。また、梁7x,7yの寸法は、各々異なっていてもよい。
第12実施形態の超音波トランスデューサ100jによれば、梁7yおよび梁7xの配設位置、配設間隔、および配設本数などを適切に設定することにより、振動部分5cの部分ごとに、所望の振動モードを抑制または励起できる。
図38は、第13実施形態の超音波トランスデューサ100kを示す垂直断面図である。
この超音波トランスデューサ100kは、y方向に細長く、長軸を横切る断面形状が各々異なる梁7i,7j,7kを、ダイヤフラム5上に混在させて配設した構成を有する。
図39は、梁7の長軸方向が相互に交差するように配設した第14実施形態の超音波トランスデューサ100lを示す平面図である。
この超音波トランスデューサ100lは、外側ダイヤフラム層5bの上面に、x方向(図の横方向)に細長い梁7qと、y方向(図の縦方向)に細長い梁7rとを具備した構成を有する。
(1)ダイヤフラム(5など)に梁(7など)を配設したため、ダイヤフラム(5など)の厚さと梁(7など)の厚さとを独立して変えることができ、振動部分5cの剛性と質量のバランスを自由に設定して、所望の中心周波数fcを実現しつつ感度Gと比帯域幅fhとを制御できる。
次に、図40および図41を参照して、比較例について説明する。
図40は、比較例の超音波トランスデューサ100pを示す垂直断面図である。
この超音波トランスデューサ100pは、梁7を有しないほかは、第3実施形態の超音波トランスデューサ100(図18参照)と同様の構成である。
このグラフには、0.8MHz付近にノッチ(感度Gが急峻に低下する箇所)が現れている。このため、ダイヤフラム5の周波数−感度特性が、平坦な値とならない問題点がある。このノッチは、縦の振動モードと横の振動モードとの結合により発生する。したがって、縦横の剛性を変えれば、一方の振動モードを抑圧し、ノッチを抑制できることがわかる。
横軸方向に周波数fの高さを示し、縦軸方向に感度(利得)の高さを対数目盛で示す。このグラフにおいて、曲線31は第3実施形態の超音波トランスデューサ100の測定値を示し、曲線30は比較例の超音波トランスデューサ100pの測定値を示す。
また、比較例の超音波トランスデューサ100pでは、中心周波数fcは、14.8MHzであり、比帯域幅fhは、120%であった。
したがって、第3実施形態の超音波トランスデューサ100は、比較例の超音波トランスデューサ100pと比較すると、中心周波数fcはほぼ同じ値を保ち、比帯域幅fhは、より大きい値を示していることがわかる。この結果は、前記した計算結果の傾向と一致する。
Claims (1)
- その内部または表面に第1の電極を有する基板と、その内部または表面に第2の電極を有するダイヤフラムとを、空隙を介して配置し、
前記ダイヤフラムまたは前記第2の電極の表面または内部に、当該ダイヤフラムの所定方向の剛性を変化させることにより周波数特性を変化させる梁構造をそれぞれ具備した複数の超音波トランスデューサを結線により接続させ、前記結線により接続されたトランスデューサを平面状または曲面状に複数配列した超音波トランスデューサアレイを具備し、超音波を送受信する超音波探触子であって、
前記結線で一纏まりに接続された複数の前記トランスデューサを単位として、同じ単位に属するトランスデューサの前記ダイヤフラムおよび前記梁構造は、同じ平面形状の多角形のダイヤフラムとされ、かつ、同じ梁構造とされること
を特徴とする超音波探触子。
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