JP5643191B2 - 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、特に静電容量型マイクロマシン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。

超音波トランスデューサは可聴域（約２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ）以上の音波の放射と受信を行うデバイスであり、医療用や非破壊検査などに広く利用されている。現在、超音波トランスデューザとして最も広く利用されているのはＰＺＴ（Lead Zirconate Titanate；チタン酸ジルコン酸鉛）に代表される圧電デバイス（piezoelectric devices）である。しかし近年、静電容量型マイクロマシン超音波トランスデューサ（Capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducers：ＣＭＵＴ、以下ＣＭＵＴと呼ぶ）と呼ばれる圧電型とは異なる動作原理を利用した超音波デイバスの開発が進み、実用化されつつある。ＣＭＵＴは、半導体技術を応用して作製される。通常はシリコンなどの半導体プロセスで用いられる部材でできた基板上に電極材を埋め込み（基板そのものが電極となることもある）、微細（例えば５０μｍ）かつ薄い（例えば数μｍ）振動膜を振動膜周囲の支柱などで固定して形成する。振動膜が振動できるよう、振動膜と基板との間には空隙を設ける。この振動膜内にも電極材を埋め込む。このように基板及び振動膜に独立な電極が配置されることで、静電容量（キャパシター）として機能する。両電極に電圧を印加することで（通常バイアス電圧を予め印加しておく）、超音波トランスデューサとして動作する。両電極に交流電圧を印加すれば電極間の静電気力が変化し、振動膜が振動する。このときに振動膜に接するなんらかの媒質があれば、振動膜の振動が媒質内に音波として伝搬する。すなわち音を放射することができる。逆に、振動膜に音波が伝われば振動膜がそれに応じて振動し、両電極間の距離が変わることで電気信号が両電極間に流れる。この電気信号を取り出すことで音波を受信することができる。

ＣＭＵＴの振動膜は支柱を介して下部の基板と力学的に結合している。従って振動膜が振動すれば、その振動は媒質だけでなく、基板にも伝搬する。あるいは、振動膜と基板側の電極間に発生する静電気力は振動膜と基板の両方に同等に作用する。従って、電気的な振動が静電気力を介して基板に伝わる。このように、ＣＭＵＴは振動膜だけでなく、力学的あるいは電気的な作用で基板にも振動が伝搬することになる。この基板を伝搬する振動は、基板から再び振動膜側へ振動が反射することで再び電気信号として検知される。これらの信号は通常の超音波の送受信を行う上では不要応答となる。これらの不要応答は医療用の超音波画像診断機や非破壊検査装置などではアーチファクト（疑似信号）となり、診断や検査結果の評価を誤る危険性を増すことになる。従って、ＣＭＵＴを用いる上では、基板を介した振動の信号成分の抑圧は極めて重要となる。特許文献１は、基板厚をある厚さ以下にすることで、アーチファクト成分になり得る信号の周波数成分を、トランスデューサの感度帯域から外し、アーチファクト信号の影響を回避している。また、特許文献２は、基板厚の最適化、基板内にスロット（slot）やポーラス（porous）を設けるなどにより、基板に励起された横波が超音波の指向性を劣化することを回避している。

米国特許第６，７１４，４８４号明細書 米国特許第６，２６２，９４６号明細書 米国特許第６，３５９，３６７号明細書

基板に発生する振動には様々な振動モードがある。大きく分けると縦波（longitudinal waves）と横波（transverse/lateral waves）である。縦波は音を伝える媒質が波の進行方向に圧縮や膨張を繰り返すことで伝搬する。縦波が不要応答となるのは、振動膜付近で発生した振動が基板の裏側などの音響インピーダンスの異なる界面で反射したのち、再び振動膜側に戻り、電気信号として検知される場合や、振動膜から反射信号が放射され、放射音波特性を乱すこと、あるいは隣接する振動膜に直接伝搬し、同様の現象を引き起こす場合である。このうち、反射波の場合は基板内で多重反射を繰り返す。なぜならば、通常基板の部材に使われるシリコン内部における音波の減衰率は非常に小さく、音が伝搬する間に部材内部で十分減衰しないためである。この多重反射の周波数は基板の縦波音速と厚さで決まる。ある一定の縦波音速であれば、基板厚を薄くするほど音が往復する時間が短くなり、すなわち多重反射の時間周期は短くなり、多重反射周波数（多重反射の時間周期の逆数）は高くなる。特許文献１は、基板厚をある厚さ以下にすることで、この縦波起因の多重反射周波数を高くし、この影響を医療用超音波で使用される帯域（約１ＭＨｚから１０ＭＨｚ）より高周波側に移すことで不要応答の影響を回避するものである。

一方、基板には横波（屈曲波）が存在する。横波は板の曲げ（屈曲）が周囲に徐々に伝わることで伝搬する。従って、音の進行方向と基板の変形方向は直交している。このような横波が減衰されずに基板内を伝搬すると、その振動は音源周囲の振動膜を振動させ、アーチファクト（疑似信号）を発生させる。従って、ＣＭＵＴを用いる上では、縦波だけではなく、横波の影響を回避する必要がある。しかし、特許文献１はこのような横波の影響を回避する構成を提示していない。本発明の目的は、横波が持つある特定の周波数領域のエネルギーを効率的に基板外に放射することで、超音波探触子内の感度帯域から横波の信号成分を排除し、アーチファクト信号成分の低減を図ることである。特許文献２は本発明と同様な横波や横波と縦波が結合して振動する表面波を対象としているが、横波の放射される角度を制御することで超音波の指向性への影響を低減することや、横波の基板内伝搬を抑制することを目的としている。従って、本発明による効果とは異なり、当然ながら課課題の解決手段及び最適な構成も異なる。

ＣＭＵＴの基板の厚さを最適な範囲に設定することで、ＣＭＵＴの感度帯域内の横波のエネルギーを効率的にトランスデューサの外部に放射し、横波の減衰を実現する。

ＣＭＵＴの基板として使用される材料（たとえばシリコン）は材料内部での音の減衰係数が小さいため、振動エネルギーを減衰させるには外部にエネルギーを放射するより方法がない。基板に発生した横波の外部への放射効率は、基板に接する媒質の縦波音速と基板の横波音速との関係より決まり、周波数依存性を持つ。最もエネルギー放射効率の高い周波数は、コインシデンス周波数（coincidence frequency）と呼ばれるある固有の周波数付近とその高域側である。従って、ＣＭＵＴの感度帯域内の横波を効率的に減衰させるには、コインシデンス周波数付近のエネルギー放射効率の高い周波数帯域をＣＭＵＴの感度帯域と重ねることである。本発明は、ＣＭＵＴとそれに接触する媒質の物理パラメータからコインシデンス周波数を求め、ＣＭＵＴの感度帯域に重なるよう最適な基板厚を設定する方法を提示する。

本発明の超音波探触子は、第１の電極を備える基板と第２の電極を備える振動膜を有し、振動膜は基板から立ち上がった支持壁によって周縁部が基板に固定され、基板と振動膜の間に空隙層が形成されている静電容量型マイクロマシン超音波トランスデューサを備え、基板内を伝搬する横波音速が、超音波探触子の感度帯域内の少なくとも一部の周波数帯域において基板又は振動膜に接する媒質の縦波音速以上であるように基板厚を設定する。

また、本発明の超音波探触子は、第１の電極を備える基板と第２の電極を備える振動膜を有し、振動膜は基板から立ち上がった支持壁によって周縁部が基板に固定され、基板と振動膜の間に空隙層が形成されている静電容量型マイクロマシン超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）及び前記静電容量型マイクロマシントランスデューサと接する少なくとも一つ以上の音響媒質を備え、超音波探触子のコインシデンス周波数が、以下の条件を満たすよう基板の厚さｈが設定されている。

ここで、ｃ_subは板の横波速度［ｍ／ｓ］、ωは角速度［rad／ｓ］、ｆは周波数［Ｈｚ］、ｋ_subは基板の横波の波数、Ｅは基板のヤング率［Ｐａ］、ｈは基板の厚さ［ｍ］、ρ_subは基板の密度［ｋｇ／ｍ³］、そしてνは基板のポアソン比である。また、トランスデューサと接する音響媒質へのエネルギー放射効率は、以下の式η(ｆ)に比例する。

ここで、ｃはトランスデューサに接するいずれかの音響媒質の縦波音速である。このとき、
ｃ_sub＞ｃ …(3)
であり、かつトランスデューサの送受信感度をＧ(ｆ)としたとき、

が最大となるような基板厚ｈを有する。

また、式(5)で表されるｆ_coをコインシデンス周波数とするとき、本発明の超音波探触子は式(6)の条件を満たす。

ｆ_co＝ｆ|(ｃ_sub＝ｃ) …(5)
ｆ_lc≦ｆ_co≦ｆ_hc …(6)
ここで、ｆ_lc及びｆ_hcはトランスデューサの送受信感度Ｇ(ｆ)の低域カットオフ周波数及び高域カットオフ周波数である。

本発明は、ＣＭＵＴの基板内を伝搬する横波を積極的かつ効率的に基板外部に放射させることで不要応答成分を抑圧し、アーチファクトを防ぐことができる。

静電容量型マイクロマシン超音波トランスデューサの断面模式図。 静電容量型マイクロマシン超音波トランスデューサアレイの平面模式図。 静電容量型マイクロマシン超音波トランスデューサを用いた超音波探触子の外観図。 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アレイとチャンネル分割の模式図。 横波伝搬の様子を示す図。 横波が超音波撮像に及ぼす影響を示す図。 横波が基板を伝搬する様子及び媒質への音響放射の様子を示す図。 横波音速の周波数依存性を示す図。 基板の音響放射インピーダンス特性を示す図。 トランスデューサの感度周波数特性と基板の横波エネルギー放射効率との関係、及び横波エネルギー放射効率最大化を示す図。 基板厚とコインシデンス周波数の関係を示す図。 基板に媒質及びバッキング材が接している状態を示す図。 基板厚とコインシデンス周波数の関係を示す図。 基板厚とコインシデンス周波数の関係を示す図。 基板に媒質が接し、バッキング材が接着剤を介して装着されている状態を示す図。 基板直下に電子回路が接している状態を示す図。 基板直下にバッキング材を介して電子回路が装着されている状態を示す図。 トランスデューサの感度周波数特性と複数の音響媒質がトランスデューサに接しているときの基板の横波エネルギー放射効率との関係を示す図。

以下に本発明を実施するための実施の形態について説明する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態のＣＭＵＴ（１０）の垂直断面図であり、図２はその平面図である。図２中のＡＡ断面が図１に相当する。図２は図１の３Ａの面上を表示している。なお、説明の便宜上、ＣＭＵＴ（１０）が超音波を送信する方向、すなわち図１の上方、及び図２の紙面に対して垂直上方向を、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ＣＭＵＴ（１０）は、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下部電極２が形成され、下部電極２の上に振動膜５が形成されている。シリコン基板が下部電極を兼ねる場合もある。振動膜５はその周縁部が基板から立ち上がった支持壁８によって基板に固定され、振動膜５と基板１の間には、周囲が支持壁８によって密閉された空隙層７が形成されている。振動膜５の中には、絶縁膜４が被覆された上部電極３Ａが配置されている。上部電極３Ａは、下部電極２と上部電極３Ａの間に電圧を印加した際、静電気力により基板側に変位する。この変位が過剰になり、上部電極３Ａが下部電極２と接触したときに導通することを防ぐために、下部電極２の上部もしくは上部電極３Ａを絶縁膜４で被覆するのが好ましい。ＣＭＵＴを実際使用する場合、振動膜５の表面は通常空気や水など超音波を伝搬させるなんらかの音響媒質６に接触させる。また、基板１の下には音の減衰を目的とした背面材（バッキング材）９を接着させることもある。

図２は、図１で示したＣＭＵＴ（１０）を１素子とするならば、同様の無数の素子がアレイ状に並べられているＣＭＵＴアレイ３００を示している。このように、ＣＭＵＴは１素子だけでなく、複数の素子を並べて使用することもできる。また複数の素子の上部電極同士（図２中の３Ａ，３Ｂや３Ｃ）を電気的にコネクタ部３０で接続し、一つのチャンネルとして使用することもできる。通常、電気回路への上部電極３Ａの接続は引出線３１を介して上部電極接続パッド３２で接続される。同様に、下部電極接続パッド３３により下部電極も電気回路に接続できるようにする。

なお、本実施形態の振動膜５及び上部電極３は六角形で同じサイズで描かれている。しかし、本発明において、これらの形状やサイズは必ずしも六角形である必要はなく、矩形など他の多角形でもよく、またサイズも一定である必要はない。

基板１、下部電極２、振動膜５、支持壁８、絶縁膜４及び上部電極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、米国特許第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、空隙層７の間隔（ｚ方向）は、主に基板１、振動膜５、支持壁８、及び上部電極３の剛性によって維持されている。

図３は、ＣＭＵＴアレイ３００を超音波探触子（プローブ）２０００として組み立てた場合の外観図である。ＣＭＵＴアレイ３００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、ＣＭＵＴ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、電気的なシールド層として導電性膜２４０を配置し、また背面側（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９を設けて使用することができる。

図４は、超音波撮像装置の装置構成例を示す図である。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ＣＭＵＴ素子は、送受切替スイッチ４０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４８及び受信ビームフォーマ４９に接続されている。超音波探触子２０００は、電源４２によって駆動する直流電源４５、送信アンプ４３及び受信アンプ４４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。送受信の信号は制御部５０により、目的に応じて制御される。送信信号は制御部で制御され、個々のセルやセルを束ねたチャンネルの電極に、送信ビームフォーマ４８、Ｄ／Ａコンバータ４６、送信アンプ４３を介して任意の波形や振幅及び遅延時間が設定された状態で電圧が印加される。また、探触子に過大な電圧印加しないよう、あるいは送信波形制御の目的で、電圧リミッター４１を具備している。受信信号は受信アンプ４４、Ａ／Ｄコンバータ４７や受信ビームフォーマ４９を介した後、信号処理部５１にて、Ｂモード断層像処理あるいはドップラー処理を経てビデオ信号に変換され、スキャンコンバータ５２を介して表示部５３に表示される。

なお、図２に示したＣＭＵＴアレイ３００の配列は一例であって、蜂の巣（ｈｏｎｅｙｃｏｍｂ）状のほか、同心円状、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、ＣＭＵＴ（１０）を、直線状又は曲線状に並べてもよい。また、図４の機能の一部が超音波探触子２０００内に搭載されていてもよい。例えば、送受切り替えスイッチ及び受信アンプ等の電気回路が超音波探触子２０００の中に組み込まれていても機能的な差異はない。

次にＣＭＵＴの動作原理について説明する。ＣＭＵＴ（１０）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、下部電極２と上部電極３とを配置した可変容量キャパシターとして機能する。上部電極３に力が加わりｚ方向に変位すると、下部電極２と可動の上部電極３の間隔が変わり、ＣＭＵＴの静電容量が変化する。上部電極３と振動膜５は結合しているため、振動膜５に力が加わっても、上部電極３は変位する。このとき、下部電極２と上部電極３の間に電圧が印加されて電荷が蓄積されていると、下部電極２と上部電極３の間隔の時間変化は静電容量の時間変化となり、両電極間に新たに電圧が発生する。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振動膜５に伝播すると、その変位が電気信号（電圧もしくは電流）に変換される。また、下部電極２と上部電極３に電位差を与えると、各々異なる符合の電荷が各電極に蓄積し、静電気力により電極間に引力が発生し、上部電極３が基板１側に変位する。このとき、上部電極３と振動膜５は結合しているため、振動膜５も同時に変位する。こうして、振動膜上部（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、振動膜５の変位が媒質に伝わる。電極に印加する電圧を時間的に変動させることで変位も時間的に変動し、結果的に音が放射される。すなわち、このＣＭＵＴ（１０）は、入力された電気信号を振動膜５に隣接した媒体へ超音波信号として放射し、逆に媒体からの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として機能する。

次に、基板を伝搬する音波が励起されるメカニズムについて説明する。上述のように、ＣＭＵＴ（１０）は振動膜が振動することで超音波の送受信を行うことができる。一方、超音波の送信と受信は振動膜５に隣接している媒質６だけを介して行われるわけではない。例えば、下部電極２及び上部電極３に電圧が印加され、振動膜５が変位するとき、振動膜５が弾性材料である限り振動膜５内部には弾性的な力が発生する。振動膜５は支持壁８を介して基板１と力学的に結合しているため、振動膜５に発生した力は基板１にも伝わる。従って、振動膜５の振動エネルギーの一部は基板１にも伝搬する。また、電極間に発生した静電気力は振動膜５だけでなく下部電極２が埋め込まれている基板１にも作用する。従って、静電気力を介することでも振動が基板１に伝搬する。このように、ＣＭＵＴは、その構造上、原理的に基板に振動が発生し伝搬することになる。この振動は様々な振動モードとして伝搬することが可能である。例えば、弾性体が圧縮と膨張を繰り返すことで振動が伝わる縦波や、基板が屈曲し、横波（曲げ波）として伝わる場合、あるいは縦波と横波とが結合して振動する場合（表面波）などである。

次に、基板に発生した振動が使用上どのようにして超音波探触子の受信信号に影響するか説明する。初めにＣＭＵＴ（１０）を用いた典型的な超音波撮像方法について説明する。図５はＣＭＵＴを矩形の基板１上にアレイ化し、さらに複数の素子を電気的に束ねたチャンネルとし、そのチャンネルを１次元の短冊状に並べた様子を示している。チャンネル３００−１、３００−２、３００−３及び３００−１０は、それぞれが一まとまりの電気音響変換器のチャンネルとして機能する。このようにチャンネルとして分割することで、各チャンネルから放射される音波もしくは電気信号を独立に扱えるようになる。その結果、例えば音波の送信では、各チャンネルに印加する個々の電圧波形に各々時間的な遅延を加えることで、各チャンネルから距離の異なる媒質上の任意の点４００に各チャンネルからの音波の位相を合わすことができる。すなわち、ある一点で焦点を作ることが可能になる。同様な操作を受信信号でも行うことができる。このような操作をｘｚ平面にて行うことで媒質内の２次元の撮像が可能となる。なお、ｙ方向にもチャンネルを分割し、ｙｚ平面内において焦点を結び、これを走査すれば３次元撮像を行うことができる。

上述したように、ＣＭＵＴ（１０）を動作させると基板１に振動が伝わり、その振動は基板１内を伝搬する。通常、振動膜５は数μｍ以下の極めて薄い薄膜であり、基板１はそ振動膜よりも厚く硬い。従って基板内の振動を考える上では振動膜５を無視して基板１単体を一枚の弾性板として考えても差し支えない。基板に励起される振動には縦波と横波が存在するが、本発明では横波の影響を考える。ある弾性板に横波が伝わる様子を図６に示す。図６に示すように、板の横波は垂直方向（ｚ方向）の振動が水平方向ｘ方向（もしくはｙ方向）に伝搬する。

図７を用いて、基板に横波振動が発生した場合の課題を示す。図７は基板を＋ｙ方向に向かって見たｘｚ断面図である。あるチャンネル３００−２で横波が励起されたとする。横波は水平方向（±ｘ方向）に伝搬する。この二つの横波が減衰せずに伝搬すると、その振動は隣接するチャンネルへと伝わる。その結果、隣接チャンネル内にある振動膜も振動し、疑似的な受信信号として検知される。横波が減衰せずに伝搬すると、次々と遠方のチャンネルに到達し、同様の受信信号として検知される。通常、ＣＭＵＴのような超音波トランスデューサをチャンネル分割して使用する場合、多数のチャンネルをほぼ同時に振動させて送信音波を放射させるため、上記の横波は複数のチャンネルからほぼ同時に発生し、探触子全体に疑似的な受信信号（アーチファクト）を発生させる原因になる。ただし、通常、送信直後には受信開始までにある一定の不感時間、いわゆるデッドタイム（dead time）が存在するため、デッドタイム内の疑似信号であればアーチファクトにはならない。しかし、そのデッドタイムが過ぎても横波が減衰せずに伝搬を続ければ、超音波を送信後、媒質６からの反射信号との区別ができなくなる。送信後から信号受信までに要する時間に対象媒質の音速をかけ合わせたものが超音波トランスデューサからの距離に相当する。つまり、横波による疑似信号がある一定時間続くことで、測定対象である媒質からの受信信号で構築された断層画像には、超音波トランスデューサ表面からある一定の深さの領域７０にアーチファクトが表示されることになる。その結果、得られた結果の評価が不能となるか、もしくは評価を誤る可能性が高くなる。

次に、超音波撮像におけるアーチファクトの原因となる横波の基本的性質と減衰メカニズムについて述べる。図８に、基板を横波が伝搬する様子及び横波が基板に接する媒質に音を放射する様子を示す。ＣＭＵＴの基板のような弾性板の横波については以下の関係式が成り立つ。

ここで、ｃ_subは板の横波速度［ｍ／ｓ］、ωは角速度［rad／ｓ］、ｆは周波数［Ｈｚ］、ｋ_subは板の横波の波数、Ｅは板のヤング率［Ｐａ］、ｈは基板の厚さ［ｍ］、ρ_subは板の密度［ｋｇ／ｍ³］、そしてνは板のポアソン比である。式(7)から分かるように、横波の音速は周波数分散関係を持ち、また同じ材料であれば基板の厚さによって横波音速ｃ_subも変わる。

ＣＭＵＴの基板としてよく使用されるシリコンの横波音速を上記の式を用いて計算した結果を図９に示す。ここで用いた材料パラメータは、ヤング率Ｅ＝１３０［ＧＰａ］、密度ρ_sub＝２３００［ｋｇ／ｍ³］、ポアソン比ν＝０．２４である。また基板の厚さはそれぞれ１０［μｍ］、５０［μｍ］、２００［μｍ］、５００［μｍ］として計算した。図９は横軸が周波数、縦軸が横波音速である。基板厚１０［μｍ］の場合を見ると、周波数が高いほど横波音速は大きくなり、５［ＭＨｚ］以下で急激に音速が小さくなる。他の基板厚に対する曲線の場合も１０［μｍ］の場合と同様の周波数依存性を示している。しかし、基板が厚くなるほど横波音速の絶対値は大きくなる。

次に、この横波の音響的なエネルギーが減衰する過程について述べる。一般的にシリコンなどは材料内部によるエネルギーロスは小さい。そのため、横波が長い間伝搬し続け、アーチファクトとして信号が検出されるわけである。基板内部でエネルギーが消費されないならば、外部に放出するより方法がない。そこで、基板の外部への横波エネルギーの放射について考える。一般にＣＭＵＴの基板のような弾性板が音響伝搬可能な媒質（固体、液体、気体など弾性をもつあらゆる物質）に接しているとき、ある条件の下、横波のエネルギーは接している媒質に音響エネルギーとして放射される。以下の式は、基板がなんらかの媒質に接しているとき、横波の媒質に対する音響放射インピーダンスＺ(ｆ)と放射角θ(ｆ)を表す。

ここで、ｃ_sub及びｃはそれぞれ、基板の横波音速及び隣接する媒質の縦波音速を表し、ρは媒質の密度、Ｓは基板が媒質に接触している面積を表す。また、ここで言う媒質内へ伝搬する振動は縦波である。すなわち、弾性板の横波が縦波へと変換され媒質に放射される。式(8)の二つの式はいずれもｃ_subに依存し、ｃ_subは周波数依存性を持つため、Ｚ及びcosθも周波数ｆに依存する。

図８に示すように、基板を伝搬する横波の媒質への縦波放射の放射角度θ(ｆ)は、ｃ_sub及びｃから決まり、放射音波は波面８０を形成して伝搬する。上式(8)からわかるように、
ｃ_sub＞ｃ …(9)
の条件を満たすとき、式(8)の第１式の音響放射インピーダンスＺ(ｆ)が実数となり、音響放射として意味を持つ。従って、媒質への音響エネルギー放射は式(9)の条件を満たしたときのみ起こりうる。また、
ｃ_sub＝ｃ …(10)
のとき、理論上音響放射インピーダンスは無限大に発散する。これは、横波の速度と媒質の音速が等しくなり、弾性板表面では常に横波と媒質の振動が同期した状態（位相が一致した状態）、いわゆる共振状態になるからである。この周波数をコインシデンス周波数ｆ_co（Coincidence frequency）と言う。実際には摩擦等の何らかの抵抗成分が存在することで無限大の放射効率はあり得ないが、コインシデンス周波数のときが横波の放射効率が最も高く、この周波数の横波は瞬時に基板からエネルギーを失い減衰する。一方、
ｃ_sub＜ｃ …(11)
の条件では、式(8)より、Ｚ(ｆ)が虚数となり、理論的に外部に横波の音響エネルギーが放射されない。従って、横波はほとんど減衰されない。放射角はｃ_sub及びｃに依存し、ｃ_subは周波数及び基板の物理パラメータ（厚さ、ヤング率、密度、ポアソン比）によっても変化する。ある周波数の横波が１サイクル（１波）あたり媒質に放射するエネルギーは、式(8)の音響放射インピーダンスＺ(ｆ)に比例し、媒質へのエネルギー放射効率η(ｆ)（Radiation energy efficiency）は放射インピーダンスＺ(ｆ)の係数（ρｃ／Ｓ）で規格化した以下の式で表現される。

図１０に、基板をシリコンとした場合の放射インピーダンスを示す。ここでは媒質として、医療用診断機の超音波探触子で使用される音響レンズを想定する。音響レンズは音速が１０００［ｍ／ｓ］付近であることが多いことから、ここでは媒質の音速を１０００［ｍ／ｓ］とする。また、図１０から分かるように、たとえば基板厚が５０［μｍ］の場合、１．５［ＭＨｚ］付近がコインシデンス周波数となり、エネルギー放射効率が極めて大きくなる。コインシデンス周波数より高周波側では急激にエネルギー放射効率が低くなり、ほぼ１に収束する。一方、コインシデンス周波数より低周波側では、エネルギー放射効率は０になり、横波のエネルギーは基板から放射されない。コインシデンス周波数の基板厚に対する依存性を見ると、基板厚が薄いほどコインシデンス周波数が高周波側に移動することが分かる。

上述の基板厚とエネルギー放射効率の関係性から、横波起因のアーチファクトの低減には以下の方法が有効である。一般に、実際使用するＣＭＵＴには実効的に使用可能な感度帯域が存在する。従って、実際の使用上はＣＭＵＴの感度帯域内における横波の減衰効率が実効的な意味を持つ。そこで、発生した横波のうち減衰効率の高い周波数帯とＣＭＵＴトランスデューサの感度帯域が重なるようにすれば、効率的に関心帯域内の横波による影響を低減させることができる。

図１１にその概念図を示す。感度帯域９１を持つＣＭＵＴの感度周波数特性をＧ(ｆ)で表わす。感度帯域の低域カットオフ周波数をｆ_lcとし、高域カットオフ周波数をｆ_hcとするとき、基板のコインシデンス周波数ｆ_coがｆ_lc付近になるように厚さを調整すれば、横波のエネルギー放射効率η_A(ｆ)はトランスデューサの感度帯域と重なる部分が多くなる。ここで言う、低域カットオフ周波数及び高域カットオフ周波数は、通常、探触子にインパルス状の電圧を印加したときの送受信号から算出された送受感度曲線において、送受感度の最大値から−６ｄＢの感度となる周波数で、低周波側を低域カットオフ周波数、高周波側を高域カットオフとする。

一方、図１１のη_B(ｆ)のように、高域カットオフ周波数よりさらに高域側にコインシデンス周波数を持つような基板厚にすると、ＣＭＵＴの感度帯域内の横波はエネルギーをほとんど基板外部に放射しないため、一度発生した横波が暫く減衰されず、より大きな疑似信号となる。また、疑似信号を検出する時間が長くなる。このように、横波に起因するアーチファクトを低減し、ＣＭＵＴの実用価値を高めるためには、ＣＭＵＴの感度帯域に応じて適切な基板厚を設定する必要がある。

本発明の最も効果的な実施方法は、ＣＭＵＴの基板厚をＣＭＵＴの送受信感度Ｇ(ｆ)と基板の横波エネルギー放射効率η(ｆ)の積が最大になるようにした場合である。つまり以下の評価関数Ｆを最大化することである。

これにより、感度帯域内の横波成分を最も効率的に基板外部に放射し、アーチファクトの影響を低減することができる。

式(13)を完全に満足できない場合においては、少なくとも基板のコインシデンス周波数ｆ_coがＣＭＵＴの送受感度の周波数特性の高域カットオフ周波数以下となるように基板厚を設定すべきである。これにより、少なくとも感度帯域内の横波エネルギーのうち、ある程度は基板の外部に放射することができる。つまり、以下の式を満足するように基板を選択することが効果的である。

ｆ_lc≦ｆ_co≦ｆ_hc …(14)
逆に、コインシデンス周波数ｆ_coをＣＭＵＴの送受感度の低域カットオフ周波数ｆ_lcよりも極端に低くすると、横波を最も効率的に放射できる周波数帯と感度帯域が重ならず、非効率である。ここで言う極端な低い周波数について定義する。ＣＭＵＴトランスデューサを医療用超音波診断機の探触子として使用することを仮定する。生体の撮像を目的とするならば、標準的な撮像領域は体表より深さ１０ｃｍ程度であり、使用する探触子の低域カットオフ周波数は概ね１０ＭＨｚ以下である。生体の減衰係数は水とほぼ同じで０．５［ｄＢ／ｃｍ／ＭＨｚ］である。従って、１０ＭＨｚで１０ｃｍの深さまで撮像しようとするとき、探触子から送信された信号は、生体内の反射点からの往復で、０．５［ｄＢ／ｃｍ／ＭＨｚ］×１０［ｃｍ］×２×１０［ＭＨｚ］＝１００ｄＢの減衰が起こる。従って、このような場合、探触子の持つ信号のダイナミックレンジは１００ｄＢ程度要求される。このような理由から、通常、医療用超音波診断装置等では、送受感度のダイナミックレンジとして１００ｄＢ程度は保持している。逆に、探触子の送受感度から−１００ｄＢ以下となる低域側の周波数はほとんど場合においてノイズレベルに埋もれた信号となり、意味をなさない。従って、探触子の送受感度Ｇ(ｆ)の最大値から−１００ｄＢとなる低周波側の周波数を低域限界周波数ｆ_lminと定義し、本発明においては、少なくともｆ_coを低域限界周波数ｆ_lmin以上とするように設定することが妥当である。

図１２には、一例として、基板をシリコン、基板に接している媒質を音響レンズ（音速＝１０００［ｍ／ｓ］）としたときの、基板のコインシデンス周波数と基板厚との関係１００を示す。図１２より、基板が厚くなるほどコインシデンス周波数は低くなる。一般に医療用で使用されるトランスデューサは１〜２０［ＭＨｚ］の範囲に帯域を持つものが多い。仮に３［ＭＨｚ］に低域カットオフ周波数をもつＣＭＵＴで音響レンズを使用するならば、基板厚は２５［μｍ］付近にすべきである。これ以下、たとえば３．８［μｍ］、にするとコインシデンス周波数が２０［ＭＨｚ］以上となり、感度帯域内の横波の放射効率が極端に下がる。逆にあまり厚くしすぎると、図１０や図１２からも分かるように、コインシデンス周波数が低周波化するため、放射はするものの、最も放射効率のよい領域がＣＭＵＴの感度帯域外になってしまう。従って、基板をあまり厚くしすぎることも得策ではない。この場合では、７０［μｍ］にすると、コインシデンス周波数が１．０［ＭＨｚ］となり、医療用一般用途に用いられる感度帯域外へ外れる。従って、この場合、基板厚は３．８［μｍ］以上、７０［μｍ］以下の範囲に基板を設定すべきで、２５［μｍ］前後が望ましい。当然ながら、ＣＭＵＴの感度帯域に合わせて最も望ましい基板厚は変わるが、本発明方法による基板の最適化方法、つまり上記にあげた式(7)から式(14)を用いて求まるコインシデンス周波数を求め、ＣＭＵＴの感度帯域と重なるよう基板厚を設定することで制御すればよい。

尚、特許文献１においては、基板厚を２１０［μｍ］以下としており、基板厚の範囲が本発明による範囲と重なる場合がある。しかし、特許文献１の発明による効果は、縦波の多重反射が影響する周波数を探触子の感度帯域外（１０ＭＨｚ以上）に移動することであり、本発明のように横波を対象としていない。さらに、特許文献１はエネルギー的観点からは全く考慮されておらず、縦波のエネルギーが減衰することは想定してない。そのため、発明の手段が異なる。また、特許文献１は、基板厚が薄いほど効果があることになるが、本発明によれば、基板が薄すぎる場合は、横波が放射されないため効果がない。このように、本発明は、特許文献１とは課題としている現象、手段、効果、発明効果として望ましい形態が本質的に異なっている。

特許文献２においては、横波を対象としており、本発明と同じである。しかし、特許文献２は、横波が基板から放射される角度を課題としており、放射角度がある許容値内となるような基板厚ｄと周波数ｆの関係（ｆ×ｄ）を定義している。この場合も、特許文献１同様、単に基板が薄いほど実施形態として望ましいことになっている。これに対して、本発明は横波起因の影響が、根本的には横波のエネルギーが有限であることによる点に注目し、横波のエネルギーを基板外部に積極的かつ効率的に放射することでその影響を回避するものである。本発明によれば、横波のエネルギーが効率的に外部に放射されるためには、上記で記述したような関係式(7)から式(14)を用いて、コインシデンス周波数をＣＭＵＴ帯域感度と重なるような基板厚とすべきである。従って基板厚はある特定の範囲に限定される。このように特許文献２とは発明の手段と得られる効果が本質的に異なっている。

［第２実施形態］
第１実施形態の説明では、媒質に音響レンズ（音速＝１０００ｍ／ｓ）を仮定した。しかし、実際の使用状況では、図１３に示すように水や生体１２が直接ＣＭＵＴに接触する場合がある。なお、図１３ではＣＭＵＴの振動部構造については図示を省略している。水や生体は縦波音速が１５００［ｍ／ｓ］程度である。コインシデンス周波数は、基板１の横波音速と基板に接触している材料の音速で決まるため、接触している材料が変わると最適な基板厚も変わる。

図１４には、基板に接触する媒質を水（音速＝１５００［ｍ／ｓ］）としたときのコインシデンス周波数と基板厚の関係を曲線１１０に示す。仮に３［ＭＨｚ］にカットオフ周波数を持つＣＭＵＴであれば、媒質が水の場合、基板厚が約５０［μｍ］のとき、コインシデンス周波数が３［ＭＨｚ］となり、本発明の条件を満たす。最適なコインシデンス周波数はＣＭＵＴの感度帯域によって変わるため、一意に決定はできないが、最もよく使用されるトンランスデューサの帯域が概ね１〜２０［ＭＨｚ］と想定すると、本発明によれば図１４から分かるように基板厚は８［μｍ］から１７０［μｍ］の範囲に入ることが分かる。個々のＣＭＵＴの感度帯域における最適値は、本発明による基板厚決定手順に従い、コインシデンス周波数がＣＭＵＴの感度帯域に重なるように設定すればよい。なお、図１４には、図１２に示した、基板に接している媒質が音響レンズ（音速＝１０００［ｍ／ｓ］）の場合の、基板のコインシデンス周波数と基板厚との関係１００も同時に示した。

［第３実施形態］
上記２つの実施形態においては、媒質はＣＭＵＴの上部側（＋ｚ側）への横波のエネルギー放射を考えていた。超音波探触子の使用方法としては、図１３に示すように、下部側（−ｚ側）にはバッキング材１３が接着される場合がある。バッキング材は主に音速が２０００−３０００［ｍ／ｓ］の樹脂や金属が使用されることが多い。第２実施形態と同様に、コインシデンス周波数は基板１の横波音速と接触している材料の音速で決まるため、接触している材料が変わると最適な基板厚も変わる。

図１５には、音響エネルギーが放射される媒質をバッキング材（音速＝２５００［ｍ／ｓ］）としたときの、コインシデンス周波数と基板厚の関係を曲線１２０に示す。コインシデンス周波数を３［ＭＨｚ］に設定したときの基板厚は、媒質がバッキング材料の場合、約１５０［μｍ］となる。最もよく使用されるトンランスデューサの帯域が概ね１〜２０［ＭＨｚ］ことを想定すると、本発明によれば図１５から分かるように基板厚は１２［μｍ］から４４０［μｍ］の範囲に入ることが分かる。個々のＣＭＵＴの送受感度帯域における最適値は、本発明による基板厚決定手順に従い、コインシデンス周波数がＣＭＵＴの感度帯域に重なるように設定すればよい。

［第４実施形態］
第３実施形態においては、直接バッキング材が基板に密着している状態を想定している。しかし、実際は図１６に示すように、何らかの接着剤１４により基板とバッキング材を接着させる場合が多い。このとき、横波のバッキング材へのエネルギー放射は接着材を介して行われるため、第３実施形態とは若干異なる基板厚が最適な値となる。接着層の厚さは通常数μｍから数十μｍあり、またその音速は１０００〜２０００［ｍ／ｓ］程度のものが多い。このとき１０［ＭＨｚ］の波長は１００〜２００［μｍ］となる。従って、接着層の厚さは接着材内部の縦波の波長に対して十分薄いとはいえない。波長に対して十分薄くない場合、音響的には無視できず、接着層が媒質として機能してくる。このため、バッキング材が接着剤を介して基板に接着されている場合は、接着材の音速が重要になる。第２実施形態及び第３実施形態で述べたように、水の音速が１５００［ｍ／ｓ］程度、またバッキング材の音速が２０００〜３０００［ｍ／ｓ］程度であるため、接着材の音速はこれらの中間的な値である。従って、最適な基板厚は水の場合とバッキング材の場合の間に含まれる。本発明による手順にしたがい、上記第１実施形態から第３実施形態同様の計算を行うと、概ね、１５−３００［μｍ］が横波エネルギーの放射にとって望ましい基板厚になる。

［第５実施形態］
本発明においては、図１７に示すようにＣＭＵＴ下部側に電子回路１５を装着することができる。ＣＭＵＴに接触する部分の電子回路の材質が一般的なプラスチック基板の場合、音速は上記第３実施形態もしくは第４実施形態で記載した接着剤やバッキング材料程度であるので、最適基板厚も第３実施形態もしくは第４実施形態程度となる。一方、電子回路を半導体プロセスにより直接基板直下に構築させる場合は、電子回路の音速はシリコン基板に近いものとなり、相当高速（たとえば８０００［ｍ／ｓ］）となる。この場合、通常のＣＭＵＴの送受感度帯域内にコインシデンス周波数が収まらなくなるため、横波エネルギーの多くは前面より放射させるしなかい。この場合、最適基板厚は第１実施形態もしくは第２実施形態で記載のものとなる。

また、図１８に示したように、電子回路１５は基板に直接接触させずに、バッキング材１３を介して配置することもできる。この場合、横波を減衰させるための最適な基板厚は第３実施形態もしくは第４実施形態と同程度となることは当然である。

［第６実施形態］
上記の第１実施形態から第５実施形態においては、単一の音響媒質と基板との関係しか述べていない。しかし、実際に探触子として使用されるＣＭＵＴは前面及び背面の両側に音響媒質が接触している場合が多い。この場合、横波のエネルギーは前面と背面の両側に放射されることになる。前面と背面の音響媒質が異なる場合、特に音速が異なる場合は、当然ながら前面と背面にとっての最適な基板厚が異なる。このような複数の音響媒質にＣＭＵＴが接しているときの基板厚の設定方法について以下に提示する。図１９に本実施形態の概念図を示す。二つの異なる音響媒質がＣＭＵＴの前面及び背面に接触しているとき、それぞれの音響媒質への横波のエネルギー放射効率をη₁(ｆ)及びη₂(ｆ)で表す。それぞれの音響媒質の音速が異なる場合、それぞれのコインシデンス周波数ｆ_co1及びｆ_co2も異なり、その結果、送受感度Ｇ(ｆ)と重なる範囲も異なる。このような場合、横波エネルギーの放射効率の最大化の観点からは、以下の条件を満たすときが望ましい。

ここで、Ｎは基板に接触している音響媒質の番号（Ｎ＝１，２，‥‥）、η_N(ｆ)は個々の音響媒質への横波エネルギー放射効率、Ｇ(ｆ)はＣＭＵＴ探触子の送受感度である。式(15)を満たすとき、撮像に影響を及ぼす横波エネルギーは最も効率的に基板から放射される。

［第７実施形態］
第６実施形態において、複数のコインシデンス周波数が必ずしもすべて同時にＣＭＵＴの送受感度帯域内に入るとは限らない。このような場合、背面材側のコインシデンス周波数が感度帯域内に入ることを優先すべきである。なぜならば、前面に放射された横波のエネルギーが撮像対象物内の何らかの反射源から音としてエネルギーが反射され、不要な信号成分になる可能性があるからである。従って、前面及び背面でコインシデンス周波数が大きく異なり、両者が同時にＣＭＵＴの送受信感度帯域内に収まらない場合は、撮像対象物とは反対である基板の背面に接する媒質に対応するコインシデンス周波数が、式(13)に従って最適となるように基板厚を設定すべきである。

１：基板
２：下部電極
３Ａ：上部電極
３Ｂ：上部電極
３Ｃ：上部電極
４：絶縁膜
５：振動膜
６：媒質
７：空隙層
８：支持壁
９：バッキング材
１０：静電容量型マイクロマシン超音波トランスデューサ
１２：前面媒質
１３：背面材（バッキング材）
１４：接着剤
１５：電子回路
３０：コネクタ部
３１：引出線
３２：上部電極接続パッド
３３：下部電極接続パッド
４０：送受切替スイッチ
４１：電圧リミッター
４２：電源
４３：送信アンプ
４４：受信アンプ
４５：直流電源
４６：Ｄ／Ａコンバータ
４７：Ａ／Ｄコンバータ
４８：送信ビームフォーマ
４９：受信ビームフォーマ
５０：制御部
５１：信号処理部
５２：スキャンコンバータ
５３：表示部
５４：ユーザインターフェース
７０：アーチファクト領域
８０：横波による媒質への音響放射によって形成される音波の波面
９１：感度帯域
１００：コインシデンス周波数と基板厚の関係（媒質が音響レンズ）
１１０：コインシデンス周波数と基板厚の関係（媒質が水）
１２０：コインシデンス周波数と基板厚の関係（媒質がバッキング材）
２１０：音響レンズ
２２０：音響整合層
２４０：導電性膜
３００：超音波トランスデューサアレイ
４００：焦点
２０００：超音波探触子（プローブ）
Ｇ(ｆ)：感度周波数特性
η_A (ｆ)：コインシデンス周波数が感度帯域の低域カットオフ付近の横波エネルギー放射効率特性
η_B (ｆ)：コインシデンス周波数が感度帯域の高域カットオフ付近の横波エネルギー放射効率特性
Ｆ(ｆ)：横波エネルギー放射の評価関数
η₁ (ｆ)：媒質１に対するコインシデンス周波数
η₂ (ｆ)：媒質２に対するコインシデンス周波数

Claims (15)

1. 第１の電極を備える基板と第２の電極を備える振動膜を有し、前記振動膜は前記基板から立ち上がった支持壁によって周縁部が前記基板に固定され、前記基板と前記振動膜の間に空隙層が形成されている静電容量型マイクロマシン超音波トランスデューサを備える超音波探触子において、
   前記基板内を伝搬する横波音速は、当該超音波探触子の感度帯域内の少なくとも一部の周波数帯域において前記基板又は前記振動膜に接する媒質の縦波音速以上であることを特徴とする超音波探触子。
2. 請求項１に記載の超音波探触子において、前記基板あるいは前記振動膜と接する媒質に対する前記基板のコインシデンス周波数が前記感度帯域内に存在することを特徴とする超音波探触子。
3. 請求項１に記載の超音波探触子において、前記基板あるいは前記振動膜と接する媒質に対する前記基板のコインシデンス周波数が前記感度帯域の低域限界周波数以上、高域カットオフ周波数以下であることを特徴とする超音波探触子。
4. 請求項１に記載の超音波探触子において、前記基板あるいは前記振動膜と接する媒質に対する前記基板のコインシデンス周波数が１MHｚ以上、２０MHｚ以下であることを特徴とする超音波探触子。
5. 請求項１に記載の超音波探触子において、前記超音波トランスデューサの音響放射面に音響レンズを備えることを特徴とする超音波探触子。
6. 請求項５に記載の超音波探触子において、前記基板は厚さが３．８μｍ以上７０μｍ以下であることを特徴とする超音波探触子。
7. 請求項１に記載の超音波探触子において、使用時、前記超音波トランスデューサの音響放射面に水又は生体を接触させることを特徴とする超音波探触子。
8. 請求項７に記載の超音波探触子において、前記基板は厚さが１２μｍ以上１７０μｍ以下であることを特徴とする超音波探触子。
9. 請求項１に記載の超音波探触子において、前記超音波トランスデューサは基板側にバッキング材を備えることを特徴とする超音波探触子。
10. 請求項１に記載の超音波探触子において、前記超音波トランスデューサの音響放射面に音響レンズもしくは水もしくは生体を接触させ、かつ基板側にバッキング材を備えることを特徴とする超音波探触子。
11. 請求項９又は１０に記載の超音波探触子において、前記基板は厚さが１２μｍ以上４４０μｍ以下であることを特徴とする超音波探触子。
12. 請求項１に記載の超音波探触子において、前記超音波トランスデューサの基板側に接着剤によってバッキング材を接着したことを特徴とする超音波探触子。
13. 請求項１２に記載の超音波探触子において、前記基板は厚さが１５μｍ以上３００μｍ以下であることを特徴とする超音波探触子。
14. 請求項１に記載の超音波探触子において、前記超音波トランスデューサの基板側に電子回路を備えることを特徴とする超音波探触子。
15. 請求項１４に記載の超音波探触子において、前記基板は厚さが１５μｍ以上３００μｍ以下であることを特徴とする超音波探触子。

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