JP5978648B2 - 超音波装置、プローブ、電子機器、診断装置及び処理装置 - Google Patents

超音波装置、プローブ、電子機器、診断装置及び処理装置 Download PDF

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Description

本発明は、超音波装置、プローブ、電子機器、診断装置及び処理装置等に関する。
プローブ先端から対象物に向かって超音波を出射し、その対象物から反射された超音波を検出する超音波装置（例えば特許文献１）が知られている。例えば、患者の体内を映像化して診断に用いる超音波診断装置などとして用いられている。超音波を出射する超音波素子として、一般的にはピエゾ素子が用いられている。
特開２００７−１４２５５５号公報
さて、超音波素子として薄膜ピエゾ素子を用いる場合を考える。ピエゾ素子が１列に配置され、そのピエゾ素子の列に沿って駆動電極線が配線され、その駆動電極線の一端側から駆動電圧が入力されるとする。このような片側印加方式の場合、駆動電圧が印加される一端側に近いピエゾ素子に印加される電圧に対して、駆動電圧が印加されない他端側のピエゾ素子に印加される電圧が、電圧降下することが判明した。これは、ピエゾ素子と配線によりＲＣ分布定数回路が形成されることが原因と考えられる。このような電圧降下により、超音波の放射音圧分布が、駆動電圧の印加側に偏るという課題がある。
本発明の幾つかの態様によれば、超音波の放射音圧分布の偏りを抑制することが可能な超音波装置、プローブ、電子機器、診断装置及び処理装置等を提供できる。
本発明の一態様は、前記第１の方向に沿って複数の超音波素子が配置された超音波素子列が、前記第１の方向に交差する第２の方向に沿ってＮ列（Ｎは２以上の自然数）配置される超音波素子群と、前記第１の方向に沿って配線される第１〜第Ｎの駆動電極線と、第１の端子と、第２の端子と、を含み、前記Ｎ列のうち第ｉ列の超音波素子列を構成する超音波素子には、前記第１〜第Ｎの駆動電極線のうちの第ｉの駆動電極線（ｉはＮ以下の自然数）が接続され、前記第ｉの駆動電極線の一端には、前記第１の端子が接続され、前記第ｉの駆動電極線の他端には、前記第２の端子が接続される超音波装置に関係する。
本発明の一態様によれば、駆動電極線の一端に設けられた第１の端子と他端に設けられた第２の端子とに対して、超音波素子群を駆動する駆動信号を入力することが可能になる。これにより、超音波の放射音圧分布の偏りを抑制することが可能になる。
また本発明の一態様では、前記超音波素子列に配置された前記複数の超音波素子の個数Ｍは、ｍ以下（ｍは３以上の自然数）であってもよい。
所定深度における超音波素子列中央の音圧は、個数Ｍを増やしていっても、音圧最大となる個数を過ぎると、低下していく。そのため、個数Ｍの上限をｍ個に制限することで、大きな音圧を得ながら超音波素子アレイの面積（素子数）を節約することが可能になる。
また本発明の一態様では、前記超音波素子群を駆動する駆動信号が前記第１の端子にのみ入力された場合に、前記超音波素子群が出力する超音波の前記第１の方向における音圧分布特性において、前記超音波素子列の中央における音圧がピーク値の半分となるときの前記第１の方向に配列される超音波素子の個数がａ（ａは３以上の自然数）である場合、前記個数Ｍはｍ＝ａ以下であってもよい。
このようにすれば、個数Ｍの上限がｍ＝ａ個に設定されることで、超音波素子列の両端から駆動信号を供給した場合に、超音波の音圧分布特性を超音波素子列の中央に収束させることが可能になる。
また本発明の一態様では、前記第１の端子と前記第２の端子に前記駆動信号を入力した場合に、前記超音波素子群が出力する超音波の前記第１の方向における音圧分布特性が、前記第１の方向に配列される超音波素子の個数がｂ＋１（ｂは３以上の自然数）のときにダブルピークを有し、前記第１の方向に配列される超音波素子の個数がｂのときにシングルピークを有する場合、前記個数Ｍはｍ＝ｂ以下であってもよい。
このようにすれば、個数Ｍを増やした場合にシングルピークを保てる最大の個数Ｍ＝ｂを、個数Ｍの最大値ｍに設定できる。これにより、所定深度の音圧分布特性においてシングルピークを実現できる。
また本発明の一態様では、前記超音波素子群を駆動する駆動信号を、前記第１の端子と前記第２の端子に対して出力する駆動信号出力回路を含んでもよい。
また本発明の一態様では、前記駆動信号出力回路は、前記第１の端子と前記第２の端子に対して、異なる振幅の前記駆動信号を出力してもよい。
このようにすれば、第１の端子と第２の端子に対して異なる振幅の駆動信号を出力することで、超音波素子列の第１の端子側又は第２の端子側に超音波ビームのピーク位置をシフトさせることが可能になる。
また本発明の一態様では、前記駆動信号出力回路は、出力アンプと、前記出力アンプと前記第１の端子との間に設けられ、前記第１の端子に対する前記駆動信号の振幅を調節するための第１の可変抵抗と、前記出力アンプと前記第２の端子との間に設けられ、前記第２の端子に対する前記駆動信号の振幅を調節するための第２の可変抵抗と、を有してもよい。
このようにすれば、第１の可変抵抗と第２の可変抵抗の抵抗値を調整することにより、第１の端子と第２の端子に対して異なる振幅の駆動信号を出力することが可能になる。
また本発明の一態様では、前記超音波素子列に配置された前記複数の超音波素子は、Ｍ（Ｍは２以上の自然数）個の超音波素子であり、前記超音波素子群は、前記超音波素子列が前記Ｎ列配置された、Ｍ行Ｎ列のマトリックス状の超音波素子群であってもよい。
このようにすれば、超音波素子群をＭ行Ｎ列のマトリックス状に配置できる。なお、本発明の一態様では、超音波素子群の配置はマトリックス状に限定されず、例えば千鳥状の配置等であってもよい。
また本発明の一態様では、前記第２の方向に沿って配線される複数のコモン電極線を含んでもよい。
このようにすれば、複数のコモン電極線を配線することで、超音波素子により駆動電極線とコモン電極線を絶縁できる。これにより、駆動電極線とコモン電極線を絶縁するための絶縁層を、超音波素子以外に設けなくてもよくできる。
また本発明の一態様では、前記複数のコモン電極線に共通接続され、前記第１の方向に沿って配線される共通コモン電極線を、含んでもよい。
また本発明の一態様では、前記共通コモン電極線の両端に設けられ、前記超音波素子群に対してコモン電圧を供給するための端子を、含んでもよい。
このようにすれば、複数のコモン電極線を共通コモン電極線に接続することで、共通コモン電極線からコモン電圧を供給できる。また、複数のコモン電極線に対して、共通の端子からコモン電圧を供給できる。
また本発明の他の態様は、複数の超音波素子が配置された超音波素子列と、前記複数の超音波素子に接続される駆動電極線と、前記駆動電極線の一端に接続される第１の端子と、前記駆動電極線の他端に接続される第２の端子と、を有する超音波装置に関係する。
また本発明の更に他の態様は、複数の超音波素子が配置された超音波素子列と、前記複数の超音波素子に接続される駆動電極線と、を含み、前記駆動電極線の両端には、前記複数の超音波素子を駆動する駆動信号が供給されることを特徴とする超音波装置に関係する。
また本発明の更に他の態様は、上記のいずれかに記載の超音波装置を含むプローブに関係する。
また本発明の更に他の態様は、上記のいずれかに記載の超音波装置を含む電子機器に関係する。
また本発明の更に他の態様は、上記のいずれかに記載の超音波装置を含む診断装置に関係する。
また本発明の更に他の態様は、超音波装置に対して駆動信号を供給する駆動信号出力回路を含み、前記超音波装置は、前記第１の方向に沿って複数の超音波素子が配置された超音波素子列が、前記第１の方向に交差する第２の方向に沿ってＮ列配置される超音波素子群と、前記第１の方向に沿って配線される第１〜第Ｎの駆動電極線（Ｎは２以上の自然数）と、第１の端子と、第２の端子と、を有し、前記Ｎ列のうち第ｉ列の超音波素子列を構成する超音波素子には、前記第１〜第Ｎの駆動電極線のうちの第ｉの駆動電極線（ｉはＮ以下の自然数）が接続され、前記第ｉの駆動電極線の一端には、前記第１の端子が接続され、前記第ｉの駆動電極線の他端には、前記第２の端子が接続され、前記駆動信号出力回路は、前記第１の端子と前記第２の端子に対して前記駆動信号を出力する処理装置に関係する。
比較例の超音波装置。 比較例の超音波装置において、薄膜ピエゾ素子の電極間に印加される電圧振幅の特性例。 図３（Ａ）、図３（Ｂ）は、比較例の超音波装置における音圧分布特性のシミュレーション結果。 図４（Ａ）、図４（Ｂ）は、比較例の超音波装置における音圧分布特性のシミュレーション結果。 図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、比較例の超音波装置における音圧分布特性のシミュレーション結果。 本実施形態の超音波装置の構成例。 本実施形態の超音波装置において、薄膜ピエゾ素子の電極間に印加される電圧振幅の特性例。 図８（Ａ）、図８（Ｂ）は、本実施形態の超音波装置における音圧分布特性のシミュレーション結果。 図９（Ａ）、図９（Ｂ）は、本実施形態の超音波装置における音圧分布特性のシミュレーション結果。 図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）は、本実施形態の超音波装置における音圧分布特性のシミュレーション結果。 図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）は、素子列の個数Ｍを変化させた場合の、中心音圧の特性例。 駆動電圧出力回路の詳細な構成例。 図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）は、駆動電圧出力回路を用いた場合の、超音波素子列における電圧振幅の特性例と、音圧分布の特性例。 図１４（Ａ）、図１４（Ｂ）は、超音波素子の構成例。 ヘッドユニットの構成例。 図１６（Ａ）〜図１６（Ｃ）は、ヘッドユニットの詳細な構成例。 図１７（Ａ）、図１７（Ｂ）は、超音波プローブの構成例。 超音波診断装置の構成例。
以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。
１．比較例
まず、本実施形態の比較例として、片側印加方式の超音波装置について説明する。図１に、比較例の超音波装置を示す。
図１に示す超音波装置は、超音波素子アレイ１００を含む。超音波素子アレイ１００は、位相走査を行うための位相が制御された駆動電圧が供給される駆動端子Ｔａ１〜ＴａＮ（Ｎは２以上の自然数）と、駆動端子Ｔａ１〜ＴａＮに接続される駆動電極線ＳＬ１〜ＳＬＮと、薄膜ピエゾ素子Ｐ１１〜ＰＭＮ（Ｍは２以上の自然数）と、コモン電圧が供給されるコモン端子ＣＴａ１、ＣＴａ２と、コモン端子ＣＴａ１、ＣＴａ２に接続される共通コモン電極線ＡＬ１、ＡＬ２と、共通コモン電極線ＡＬ１、ＡＬ２に接続されるコモン電極線ＣＬ１〜ＣＬＭを含む。
なお、以下では説明を簡単にするため、薄膜ピエゾ素子Ｐ１１〜ＰＭＮのうち第ｉ列の薄膜ピエゾ素子Ｐ１ｉ〜ＰＭｉ（ｉはＮ以下の自然数）を例に説明する。
薄膜ピエゾ素子Ｐ１ｉ〜ＰＭｉの一方の電極には、駆動電極線ＳＬｉが接続され、駆動端子Ｔａｉに供給された駆動電圧が印加される。駆動電圧は、出射超音波と同一周波数の交流電圧である。他方の電極には、それぞれコモン電極線ＣＬ１〜ＣＬＭが接続され、コモン端子ＣＴａ１、ＣＴａ２に供給されたコモン電圧が印加される。コモン電圧は所定の直流電圧である。
この比較例では、駆動端子Ｔａｉが接続された駆動電極線ＳＬｉの一端側のみから駆動電圧が供給される。このような片側印加方式の場合、端子Ｔａｉに近い薄膜ピエゾ素子Ｐ１ｉに印加される電圧振幅に対して、端子Ｔａｉから遠い薄膜ピエゾ素子ほど印加される電圧振幅が小さくなる（電圧降下する）。これは、薄膜ピエゾ素子の両面に駆動電極とコモン電極が設けられる構造であるため、薄膜ピエゾ素子の電極間に寄生容量が見えることが原因である。即ち、その寄生容量と配線抵抗によりＲＣ分布定数線路が形成され、かつ駆動電極線ＳＬｉの他端側がフローティング状態であることが原因である。
図２に、片側印加方式において、薄膜ピエゾ素子の電極間に印加される電圧振幅の特性例を示す。図２には、薄膜ピエゾ素子の寄生容量と、駆動電極線及びコモン電極線の寄生抵抗をモデル化し、駆動電極線ＳＬｉの片側の電極Ｔａｉから駆動電圧を供給した場合のシミュレーション結果を示す。図２のＡ１〜Ａ６には、薄膜ピエゾ素子Ｐ１ｉ〜ＰＭｉの個数Ｍが、それぞれ７、９、１０、１５、２０、２５個である場合に、薄膜ピエゾ素子の電極間に印加される電圧振幅の特性例を示す。横軸の素子位置は、駆動端子Ｔａｉ側から何個目の薄膜ピエゾ素子であるかを示す。
Ａ１〜Ａ６に示すように、駆動端子Ｔａｉから離れた薄膜ピエゾ素子ほど電極間に印加される駆動電圧振幅は小さくなることが分かる。また、薄膜ピエゾ素子の素子数が増えるほど、同じ素子位置での電圧振幅の降下は顕著となることが分かる。このように電極間に印加される電圧振幅が小さくなると、それに比例して薄膜ピエゾ素子の変位量が小さくなるため、その薄膜ピエゾ素子から放射される音圧が小さくなる。そのため、超音波の放射音圧が駆動端子Ｔａｉから離れるほど小さくなり、放射音圧分布が駆動端子Ｔａｉ側に偏ってしまう。また、中心音圧（素子位置Ｍ／２における音圧）が低下してしまう。これらの偏りや音圧低下は、高周波であるほど顕著である。
図３（Ａ）〜図５（Ｂ）に、片側印加方式において、駆動電圧の周波数が３．５ＭＨｚである場合の音圧分布特性のシミュレーション結果を示す。図３（Ａ）〜図５（Ｂ）において、ｘ軸は、素子列に沿った方向（図１のＤ１に平行な方向）の位置を表し、ｘ＝０に図１の超音波装置が設置されており、マイナス側が駆動端子Ｔａｉ側である。図３（Ａ）、図４（Ａ）、図５（Ａ）では、ｚ軸は深度を表し、等音圧線により音圧分布を表している。深度とは、超音波の出射方向における位置、即ち、超音波素子アレイにおいて超音波を出射する面の法線に沿った方向における位置である。
図３（Ａ）、図３（Ｂ）には、素子列の個数Ｍが１０個である場合、図４（Ａ）、図４（Ｂ）には、素子列の個数Ｍが１５個である場合、図５（Ａ）、図５（Ｂ）には、素子列の個数Ｍが２０個である場合の音圧分布特性例を示す。
これらの音圧分布を見て分かるように、音圧が最も大きくなる超音波ビームのピークが駆動端子Ｔａｉ側に偏っており、その偏りが素子数Ｍが増えるに従って大きくなる。例えば、図３（Ａ）、図４（Ａ）、図５（Ａ）に示すように、超音波ビームの等音圧線は、ｘ＝０を中心として非対称であり、素子数Ｍが増えるほど非対称性が増す。また、深度３０ｍｍにおける音圧ピークは、図４（Ｂ）に示すようにＭ＝１５個ではｘ＝−１．５ｍｍに存在し、図５（Ｂ）に示すようにＭ＝２０個ではｘ＝−２．５ｍｍに存在する。深度１０ｍｍにおける音圧ピークは、素子数Ｍが増えるほどｘ＝０に対して対称でなくなり、端子側の音圧の方が大きくなり、図５（Ｂ）に示すようにＭ＝２０個ではｘ＝−１．５ｍｍに存在する。
また、素子列の中心ｘ＝０における音圧は、音圧分布の偏りにともなって素子数Ｍが増えるほど小さくなる。図３（Ｂ）、図４（Ｂ）、図５（Ｂ）には、音圧分布のピーク音圧を数値で示す。このピーク電圧は、電圧振幅の降下がなければ素子数Ｍが増えるほど大きくなるのが通常である。しかしながら、ＲＣ分布定数回路により電圧が降下すると、素子数Ｍの増加が音圧にあまり寄与せず、素子数Ｍを増やしてもピーク音圧を大きくできない。
２．本実施形態における超音波装置の構成例
図６に、上記のような音圧分布の偏りや音圧低下という課題を解決可能な本実施形態の超音波装置の構成例を示す。なお以下では超音波素子（狭義には超音波トランスデューサー素子）が薄膜ピエゾ素子（圧電素子）である場合を例に説明するが、本実施形態はこれに限定されない。即ち、超音波素子は電気信号を超音波に変換する素子であればよく、超音波素子の電極間に寄生容量が存在していればよい。例えば、薄膜でないピエゾ素子等であってもよい。
図６に示す超音波装置は、超音波素子アレイ１００を含む。超音波素子アレイ１００は、駆動電極線ＳＬ１〜ＳＬＮ（Ｎは２以上の自然数）と、駆動電極線ＳＬ１〜ＳＬＮの一端側に接続される駆動端子Ｔａ１〜ＴａＮと、駆動電極線ＳＬ１〜ＳＬＮの他端側に接続される駆動端子Ｔｂ１〜ＴｂＮと、超音波素子群を構成する複数の薄膜ピエゾ素子Ｐ１１〜ＰＭＮ（広義には複数の超音波素子）と、共通コモン電極線ＡＬ１、ＡＬ２と、共通コモン電極線ＡＬ１、ＡＬ２の一端側に接続されるコモン端子ＣＴａ１、ＣＴａ２と、共通コモン電極線ＡＬ１、ＡＬ２の他端側に接続されるコモン端子ＣＴｂ１、ＣＴｂ２と、共通コモン電極線ＡＬ１、ＡＬ２に接続されるコモン電極線ＣＬ１〜ＣＬＭ（Ｍは２以上の自然数）を含む。
超音波素子アレイ１００には、複数の薄膜ピエゾ素子Ｐ１１〜ＰＭＮが２次元に配列される。即ち、超音波素子群の各列には、Ｍ個の薄膜ピエゾ素子が第１の方向Ｄ１に沿って配置され、超音波素子群の各行には、Ｎ個の薄膜ピエゾ素子が、第１の方向Ｄ１に直交する（広義には交差する）第２の方向Ｄ２に沿って配置される。薄膜ピエゾ素子は、例えばシリコン基板の上に駆動電極線、薄膜ピエゾ素子、コモン電極線の順に積層されることにより形成され、薄膜ピエゾ素子の一方の面に駆動電極が設けられ、他方の面にコモン電極が設けられた構造となっている。電極線は、例えば金属配線により形成される。
本実施形態は、素子列の両端から駆動電圧が供給される両側印加方式である。即ち、駆動端子Ｔａ１〜ＴａＮ、Ｔｂ１〜ＴｂＮには、例えば図１２で後述する駆動電圧出力回路からの駆動電圧（広義には駆動信号）が供給される。駆動電極線ＳＬｉ（ｉはＮ以下の自然数）の両端の端子Ｔａｉ、Ｔｂｉには同一振幅で同位相の交流電圧が駆動電圧として入力される。駆動端子Ｔａ１〜ＴａＮ、Ｔｂ１〜ＴｂＮには、位相走査を行うために位相が制御された駆動電圧が供給される。即ち、第２の方向Ｄ２は位相走査におけるスキャン方向に対応し、第１の方向Ｄ１はスライス方向に対応する。なお、図１２で後述するように、端子Ｔａｉ、Ｔｂｉには異なる振幅の駆動電圧が供給されてもよい。
駆動電極線ＳＬ１〜ＳＬＮは、第１の方向Ｄ１に沿って配線され、対応する列の薄膜ピエゾ素子に接続される。具体的には、駆動電極線ＳＬ１〜ＳＬＮのうち第ｉの駆動電極線ＳＬｉは、第ｉ列の薄膜ピエゾ素子Ｐ１ｉ〜ＰＭｉの駆動電極に接続される。
コモン電極線ＣＬ１〜ＣＬＭは、第２の方向Ｄ２に沿って配線され、対応する行の薄膜ピエゾ素子に接続される。具体的には、コモン電極線ＣＬ１〜ＣＬＭのうち第ｊのコモン電極線ＣＬｊ（ｊは３以上Ｍ以下の自然数）は、第ｊ列の薄膜ピエゾ素子Ｐｊ１〜ＰｊＮのコモン電極に接続される。コモン電極線ＣＬ１〜ＣＬＭの一端は、共通コモン電極線ＡＬ１に接続され、他端は、共通コモン電極線ＡＬ２に接続される。コモン電極線ＣＬ１〜ＣＬＭには、コモン端子ＣＴａ１、ＣＴａ２、ＣＴｂ１、ＣＴｂ２を介してコモン電圧が供給される。コモン端子ＣＴａ１、ＣＴａ２、ＣＴｂ１、ＣＴｂ２には、同一電圧の直流電圧が、図示しないコモン電圧出力回路から供給される。
図６に示す超音波装置は、例えば１チップの集積回路装置として形成される。この場合、駆動端子やコモン端子はチップの端子に対応し、その端子に対してチップ外部から駆動電圧やコモン電圧が供給される。なお、本実施形態ではこれに限定されず、超音波装置は、図６の構成に加えて駆動電圧出力回路（例えば図１２に示す駆動電圧出力回路）やコモン電圧出力回路を含んでもよい。この場合、駆動電圧出力回路やコモン電圧出力回路も集積回路装置に集積され、駆動端子やコモン端子は回路ブロック間の端子に対応する。
３．特性例
図７に、両側印加方式の本実施形態において、薄膜ピエゾ素子の電極間に印加される電圧振幅の特性例を示す。図７には、薄膜ピエゾ素子の寄生容量と、駆動電極線及びコモン電極線の寄生抵抗をモデル化し、駆動電極線ＳＬｉの両側の端子Ｔａｉ、Ｔｂｉから駆動電圧を供給した場合のシミュレーション結果を示す。端子Ｔａｉ、Ｔｂｉに供給する駆動電圧は比較例と同一であり、モデルの寄生容量や寄生抵抗も比較例と同一である。図７のＢ１〜Ｂ６には、薄膜ピエゾ素子Ｐ１ｉ〜ＰＭｉの個数Ｍが、それぞれ７、９、１０、１５、２０、２５個である場合に、薄膜ピエゾ素子の電極間に印加される電圧振幅の特性例を示す。横軸の素子位置は、駆動端子Ｔａｉ側から何個目の薄膜ピエゾ素子であるかを示す。
Ｂ１〜Ｂ６に示すように、薄膜ピエゾ素子の電極間に印加される電圧振幅は、素子列の両端で同一であり、図２の比較例のように端子Ｔａｉから離れるほど降下する特性ではない。また、素子列中央（素子位置Ｍ／２）に近いほど電圧振幅が降下するが、図２の比較例と比べて素子列中央における降下量が小さい（電圧振幅が大きい）。このように、素子列の両端から駆動電圧を印加することで、薄膜ピエゾ素子の電極間に印加される電圧振幅の特性が素子列中央に対して対称となり、また電圧振幅の降下が抑制される。そのため、超音波の放射音圧分布が素子列中央に対して対称となり、また同一素子数及び同一駆動電圧では比較例に比べて放射音圧が向上する。これにより、片側印加方式の比較例と比べて、少ない素子数、あるいは低い駆動電圧であっても、より高い放射音圧が得られることが期待できる。
図８（Ａ）〜図１０（Ｂ）に、両側印加方式の本実施形態において、駆動電圧の周波数が３．５ＭＨｚである場合の音圧分布特性のシミュレーション結果を示す。端子Ｔａｉ、Ｔｂｉに供給する駆動電圧は比較例と同一である。図８（Ａ）〜図１０（Ｂ）において、ｘ軸は、素子列に沿った方向（図６のＤ１に平行な方向）の位置を表し、ｘ＝０に図１の超音波装置が設置されており、マイナス側が駆動端子Ｔａｉ側である。図８（Ａ）、図９（Ａ）、図１０（Ａ）では、ｚ軸は深度を表し、等音圧線により音圧分布を表している。深度とは、図６の方向Ｄ１、Ｄ２に直交する超音波の出射方向における位置である。
図８（Ａ）、図８（Ｂ）には、素子列の個数Ｍが１０個である場合、図９（Ａ）、図９（Ｂ）には、素子列の個数Ｍが１５個である場合、図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）には、素子列の個数Ｍが２０個である場合の音圧分布特性例を示す。
これらの音圧分布を見て分かるように、音圧が最も大きくなる超音波ビームのピークが駆動端子Ｔａｉ、Ｔｂｉのいずれの側にも偏っていないことが分かる。例えば、図８（Ａ）、図９（Ａ）、図１０（Ａ）に示すように、超音波ビームの等音圧線は、ｘ＝０を中心として対称である。また、深度３０ｍｍにおける音圧ピークは、図８（Ｂ）に示すようにＭ＝１０個ではｘ＝０に存在し、図９（Ｂ）に示すようにＭ＝１５個ではｘ＝＋１．５ｍｍ、ｘ＝−１．５ｍｍに存在し、図１０（Ｂ）に示すようにＭ＝２０個ではｘ＝＋２．５ｍｍ、ｘ＝−２．５ｍｍに存在する。深度１０ｍｍにおける音圧ピークは、図８（Ｂ）、図９（Ｂ）に示すように、Ｍ＝１０、１５個ではｘ＝０に存在し、図１０（Ｂ）に示すようにＭ＝２０個ではｘ＝＋０．５ｍｍ、ｘ＝−０．５ｍｍに存在する。
また、図３（Ａ）〜図５（Ｂ）の比較例と図８（Ａ）〜図１０（Ｂ）の本実施形態を比べると、いずれの素子数Ｍにおいても、音圧のピーク値と素子列中心ｘ＝０における音圧はともに本実施形態の方が大きい。このように両側印加方式にすることで、薄膜ピエゾ素子アレイのＲＣ定数分布回路により生じる電圧降下が軽減され、片側印加方式よりも大きな音圧を得ることが可能になる。
次に、素子列中心ｘ＝０における音圧（中心音圧）について、より詳細に説明する。図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）に、素子列の個数Ｍを変化させた場合の、中心音圧の特性例を示す。シミュレーション条件は、図３（Ａ）〜図５（Ｂ）の比較例や図８（Ａ）〜図１０（Ｂ）の本実施形態と同様である。
図１１（Ａ）には、駆動電圧の周波数が３．５ＭＨｚである場合の深度１０ｍｍにおけるシミュレーション結果を示す。Ｄ１、Ｄ２には、それぞれ片側印加方式、両側印加方式のシミュレーション結果を示す。Ｄ１、Ｄ２に示すように、個数Ｍに依らず両側印加方式の方が高い中心音圧を得られ、強い超音波ビームを出射できる。また、いずれの方式でも電圧降下により個数Ｍの増加に伴って中心音圧が低下するが、片側印加方式ではＭ＝７個で中心音圧が最大となるのに比べて、両側印加方式では、それより多いＭ＝９個で中心音圧が最大となる。これは、両側印加方式とすることで電圧降下が軽減されたことによるものであり、片側印加方式に比べて素子数Ｍを増やして、より強い中心音圧を実現できることを示している。
図１１（Ｂ）には、駆動電圧の周波数が３．５ＭＨｚである場合の深度３０ｍｍにおけるシミュレーション結果を示す。Ｄ３、Ｄ４には、それぞれ片側印加方式、両側印加方式のシミュレーション結果を示す。Ｄ３、Ｄ４に示すように、片側印加方式ではＭ＝９個で中心音圧が最大となり、両側印加方式ではＭ＝１０個で中心音圧が最大となる。図１１（Ａ）と同様に、片側印加方式に比べて素子数Ｍを増やして、より強い中心音圧を実現できることが分かる。
４．駆動電圧出力回路
図１２に、上記の駆動電圧を出力する駆動電圧出力回路の詳細な構成例を示す。図１２に示す駆動電圧出力回路５０は、駆動信号制御回路２０、駆動信号発生回路３０、駆動アンプ回路ＤＡ１〜ＤＡＮを含む。なお、駆動電圧出力回路は、超音波装置（図１８の素子チップ２００）に含まれてもよいし、処理装置（図１８の処理装置３３０）に含まれてもよい。
駆動信号制御回路２０は、ＣＰＵ１０（制御回路）からの制御指示に基づいて、駆動信号発生回路３０の制御を行う。例えば、駆動信号制御回路２０は、駆動信号Ｓ１〜ＳＮの位相を制御することで位相走査の制御を行ったり、駆動信号Ｓ１〜ＳＮの振幅を制御することで超音波の音圧を制御したりする。駆動信号発生回路３０は、駆動信号制御回路２０からの制御に基づいて、駆動アンプ回路ＤＡ１〜ＤＡＮに対して駆動信号Ｓ１〜ＳＮを出力する。
駆動アンプ回路ＤＡ１〜ＤＡＮは、駆動信号Ｓ１〜ＳＮを増幅し、増幅により得られた駆動電圧Ｖａ１〜ＶａＮ、Ｖｂ１〜ＶｂＮを駆動端子Ｔａ１〜ＴａＮ、Ｔｂ１〜ＴｂＮに対して出力する。なお以下では駆動アンプ回路ＤＡ１を例に詳細な構成例について説明するが、駆動アンプ回路ＤＡ２〜ＤＡＮについても同様である。
駆動アンプ回路ＤＡ１は、アンプ回路ＡＭ１、可変抵抗Ｒａ１、Ｒｂ１を含む。アンプ回路ＡＭ１は、信号Ｓ１を増幅して電圧Ｑ１（又は電流）を出力する。可変抵抗Ｒａ１、Ｒｂ１は、ＣＰＵ１０からの制御に基づいて抵抗が可変に制御される。Ｒａ１の抵抗値がＲｂ１の抵抗値よりも小さい値に設定された場合には、端子Ｔａ１の電圧振幅は端子Ｔｂ１の電圧振幅よりも大きくなる。一方、Ｒａ１の抵抗値がＲｂ１の抵抗値よりも大きい値に設定された場合には、端子Ｔａ１の電圧振幅は端子Ｔｂ１の電圧振幅よりも小さくなる。Ｒａ１の抵抗値とＲｂ１の抵抗値が同一値に設定された場合には、端子Ｔａ１の電圧振幅と端子Ｔｂ１の電圧振幅が同一になる。
図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）に、上記駆動電圧出力回路５０を用いた場合の、素子列Ｐ１１〜ＰＭ１における電圧振幅の特性例と、音圧分布の特性例を模式的に示す。
図１３（Ａ）に示すように、可変抵抗をＲａ１＜Ｒｂ１に設定すると、電圧振幅はＶａ１＞Ｖｂ１となり、端子Ｔａ１側から端子Ｔｂ１側に向かって電圧振幅が低下していく。そのため、超音波の放射音圧分布は、素子列中央から端子Ｔａ１側へシフトする。一方、図１３（Ｂ）に示すように、可変抵抗をＲａ１＞Ｒｂ１に設定すると、電圧振幅はＶａ１＜Ｖｂ１となり、端子Ｔｂ１側から端子Ｔａ１側に向かって電圧振幅が低下していく。そのため、超音波の放射音圧分布は、素子列中央から端子Ｔｂ１側へシフトする。このように、可変抵抗の抵抗値を調整することで、両側印加方式のメリットを得ながら音圧分布をスライス方向にシフトさせることができる。
また、可変抵抗Ｒａ１、Ｒｂ１の抵抗値を大きくすれば、駆動電圧Ｖａ１、Ｖｂ１の電圧振幅は小さくなり、放射音圧のピーク値は小さくなる。可変抵抗Ｒａ１、Ｒｂ１の抵抗値を小さくすれば、駆動電圧Ｖａ１、Ｖｂ１の電圧振幅は大きくなり、放射音圧のピーク値は大きくなる。このように、駆動信号Ｓ１〜ＳＮの調整だけでなく、可変抵抗Ｒａ１、Ｒｂ１の抵抗値を調整することでも放射音圧のピーク値を調整することが可能である。
以上の実施形態によれば、図６に示すように、超音波装置は、第１の方向Ｄ１に沿って複数の超音波素子Ｐ１ｉ〜ＰＭｉが配置された超音波素子列が、第１の方向Ｄ１に交差する第２の方向Ｄ２に沿ってＮ列配置される超音波素子群Ｐ１１〜ＰＭＮと、第１の方向Ｄ１に沿って配線される第１〜第Ｎの駆動電極線ＳＬ１〜ＳＬＮ（Ｎは２以上の自然数）と、第１の端子Ｔａｉと、第２の端子Ｔｂｉと、を有する。Ｎ列のうち第ｉ列の超音波素子列を構成する超音波素子Ｐ１ｉ〜ＰＭｉには、第１〜第Ｎの駆動電極線ＳＬ１〜ＳＬＮのうちの第ｉの駆動電極線ＳＬｉ（ｉはＮ以下の自然数）が接続される。第ｉの駆動電極線ＳＬｉの一端には、第１の端子Ｔａｉが接続され、第ｉの駆動電極線ＳＬｉの他端には、第２の端子Ｔｂｉが接続される。
なお、図６で説明したように、超音波素子は薄型ピエゾ素子に限定されず、電気信号（駆動電圧又は駆動電流）を超音波に変換する素子であればよい。また、端子Ｔａｉ、Ｔｂｉに供給される駆動信号は駆動電圧Ｖａｉ、Ｖｂｉに限定されず、駆動電流であってもよい。また、超音波素子群を構成する超音波素子列の列数は、上記Ｎ列（Ｎは２以上の自然数）に限定されず、１列であってもよい。
ここで、超音波素子列がＮ列配置された超音波素子群は、マトリックス状の配置に限定されず、複数の単位要素が２次元的に規則性を持って配置されたアレイ状の配置であればよい。例えば、超音波素子群は千鳥状の配置であってもよい。マトリックス状の配置とは、Ｍ行Ｎ列の格子状配置であり、格子が矩形状の場合だけでなく、格子が平行四辺形状に変形した場合を含む。千鳥状の配置とは、超音波素子Ｍ個の列と超音波素子Ｍ−１個の列が交互に並び、Ｍ個の列の超音波素子が、（２Ｍ−１）行の中の奇数行に配置され、Ｍ−１個の列の超音波素子が、（２Ｍ−１）行の中の偶数行に配置される配置である。
さて、図１〜図５（Ｂ）で説明したように、超音波素子の寄生容量と配線の寄生抵抗によりＲＣ定数分布回路が形成されるため、駆動信号の入力端から遠い超音波素子ほど、その電極間に印加される駆動信号の振幅が低下する。そのため、片側印加方式では、超音波の放射音圧分布が非対称な特性になったり、音圧が低下するという課題がある。
この点、本実施形態によれば、超音波素子群Ｐ１１〜ＰＭＮに駆動信号を供給するための端子Ｔａｉ、Ｔｂｉが、駆動電極線ＳＬｉの両端に設けられる。これにより、図７等で説明したように、駆動電極線ＳＬｉに接続された超音波素子列に対して両端から駆動信号を印加できるため、駆動信号の振幅が素子列両端から中央に向かって低下する特性にでき、音圧分布を素子列中央に収束させることができる。また、駆動信号の振幅低下を抑制できるため、超音波素子数を増加させなくとも片側印加方式に比べて放射音圧を向上できる。また、同等の放射音圧を実現するために片側印加方式よりも少ない超音波素子数で良いため、超音波素子アレイ１００を小型化することが可能になる。
また本実施形態では、前記超音波素子列に配置された前記複数の超音波素子Ｐ１ｉ〜ＰＭｉの個数Ｍは、ｍ以下（ｍは３以上の自然数）である。
図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）等で説明したように、所定深度における素子列中央の音圧は、個数Ｍを変化させた場合に最大値が存在し、個数Ｍを増やしたからといって素子列中央の音圧が上昇するわけではない。この点、本実施形態によれば、個数Ｍの上限を制限することで、大きな音圧を得ながら超音波素子アレイ１００の面積を節約できる。具体的には、音圧最大となる個数Ｍが３以上ｍ以下の範囲内に入るようにｍを設定すればよい。例えば、ピーク音圧が、個数Ｍを変化させた場合の最大値の１／２となるときの個数Ｍを、ｍとして設定すればよい。
また本実施形態では、第１の端子Ｔａｉにのみ駆動信号が入力された場合に、超音波素子アレイ１００が出力する超音波の第１の方向Ｄ１における音圧分布特性において、超音波素子列の中央における音圧がピークの半分となるときの第１の方向Ｄ１に配列される超音波素子の個数がａ（ａは３以上の自然数）である場合、個数Ｍはｍ＝ａ以下に設定されてもよい。
ここで、超音波素子列の中央とは、超音波素子列を構成する超音波素子Ｐ１ｉ〜ＰＭｉの個数を半分に分ける位置のことである。即ち、個数Ｍが偶数の２ｋ個（ｋは自然数）である場合、超音波素子列の一端からｋ個目の超音波素子と、ｋ＋１個目の超音波素子との中間の位置が、超音波素子列の中央である。個数Ｍが奇数の２ｋ＋１個である場合、超音波素子列の一端からｋ＋１個目の超音波素子の位置が、超音波素子列の中央である。
また、第１の端子Ｔａｉにのみ駆動信号が入力された場合における「音圧のピーク」とは、超音波ビームの音圧特性において、音圧が最大のピークのことである。例えば、図４（Ｂ）に示す深度１０ｍｍの音圧特性には、音圧６９８０Ｐａのピーク以外にも複数の小さなピークが存在するが、最大音圧６９８０Ｐａのピークを「音圧のピーク」と呼ぶ。なお、第１、第２の端子Ｔａｉ、Ｔｂｉの両方に駆動信号が入力された場合における「音圧のピーク」は、（例えば図９（Ｂ）の８７５７Ｐａ）と、ｘ＝０に対して最大音圧のピークと対称な位置のピーク（８３５２Ｐａ）である。図８（Ｂ）に示すようにｘ＝０に最大音圧のピーク（１２２７７Ｐａ）があるときは、そのピークが「音圧のピーク」である。
例えば本実施形態において深度３０ｍｍの音圧分布特性を例にとり、片側印加方式と両側印加方式を比較する。片側印加方式では、図３（Ｂ）に示すように、Ｍ＝１０個では素子列中央ｘ＝０にピーク７１６０Ｐａがあり、図４（Ｂ）、図５（Ｂ）に示すように、Ｍ＝１５、２０個では素子列中央ｘ＝０での音圧はピーク６９８０Ｐａ、６８７５Ｐａの半分より小さい。即ち、素子列中央ｘ＝０での音圧がピークの半分となる個数Ｍは１０より大きく１５より小さいことがわかる。この場合、両側印加方式では、図８（Ｂ）に示すように、Ｍ＝１０個では素子列中央ｘ＝０にピーク１２２７７Ｐａがあり、図９（Ｂ）、図１０（Ｂ）に示すように、Ｍ＝１５、２０個では素子列中央ｘ＝０がピークとならず超音波ビームが中央に収束しないことがわかる。
この点、本実施形態によれば、片側印加方式において超音波素子列の中央における音圧がピークの半分となるときの個数Ｍ＝ａである場合に、個数Ｍをａ以下に設定できる。これにより、超音波ビームを中央（又は１つに）収束することが可能になる。例えば上記深度３０ｍｍの例では、片側印加方式においてａは１０より大きく１５より小さい個数であり、両側印加方式において個数Ｍをａ以下とすることで、超音波ビームが収束しない個数Ｍ＝１５個、２０個を排除できる。
また本実施形態では、第１の端子Ｔａｉと第２の端子Ｔｂｉに駆動信号を入力した場合に、超音波素子群Ｐ１１〜ＰＭＮが出力する超音波の第１の方向Ｄ１における音圧分布特性が、第１の方向Ｄ１に配列される超音波素子の個数がｂ＋１（ｂは３以上の自然数）のときにダブルピークを有し、第１の方向Ｄ１に配列される超音波素子の個数がｂのときにシングルピークを有する場合、ｍ＝ｂに設定されてもよい。
ここで、シングルピークとは、所定深度の音圧分布特性においてピークが一つであることをいう。即ち、例えば図８（Ｂ）に示す深度３０ｍｍの音圧分布特性のように、対称軸（例えば素子列中央ｘ＝０）を中心に左右対称な特性であり、その対称軸上に音圧の最大値が存在する場合である。
また、ダブルピークとは、所定深度の音圧分布特性においてピークが二つであることをいう。即ち、例えば図９（Ｂ）に示す深度３０ｍｍの音圧分布特性のように、対称軸（例えば素子列中央ｘ＝０）を中心に左右対称な特性であり、その対称軸上が音圧の最大値ではなく、音圧が最大の第１ピーク８７５７Ｐａと、第１ピークの音圧と同等（例えば第１ピーク音圧の９０パーセント以上）の第２ピーク８３５２Ｐａが、対称軸を中心に対称な位置ｘ＝±１．５ｍｍに存在する場合である。
このようにすれば、個数Ｍを増やした場合にシングルピークを保てる最大の個数Ｍ＝ｂを、個数Ｍの最大値ｍに設定できる。これにより、所定深度の音圧分布特性においてシングルピークを実現でき、超音波ビームを１つに収束させることが可能になる。
また本実施形態では、図１２に示すように、超音波装置は、超音波素子群Ｐ１１〜ＰＭＮを駆動する駆動信号（駆動電圧Ｖａｉ、Ｖｂｉ）を、第１の端子Ｔａｉと第２の端子Ｔｂｉに対して出力する駆動信号出力回路（駆動電圧出力回路５０）を含む。
具体的には、駆動信号出力回路は、第１の端子Ｔａｉと第２の端子Ｔｂｉに対して、異なる振幅の駆動信号（駆動電圧Ｖａｉ、Ｖｂｉ）を出力する。
このようにすれば、図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）で説明したように、端子Ｔａｉ、Ｔｂｉに出力する駆動信号の振幅を調整することで、スライス方向（図６のＤ１）において超音波ビームのピーク位置を調整できる。
また本実施形態では、図１２に示すように、駆動信号出力回路は、出力アンプＡＭｉ（例えば駆動アンプ回路ＤＡ１ではｉ＝１）と、出力アンプＡＭｉと第１の端子Ｔａｉとの間に設けられ、第１の端子Ｔａｉに対する駆動信号の振幅を調節するための第１の可変抵抗Ｒａｉと、出力アンプＡＭｉと第２の端子Ｔｂｉとの間に設けられ、第２の端子Ｔｂｉに対する駆動信号の振幅を調節するための第２の可変抵抗Ｒｂｉと、を有する。
このようにすれば、可変抵抗Ｒａｉ、Ｒｂｉの抵抗値を調整することにより、端子Ｔａｉ、Ｔｂｉに出力する駆動信号（駆動電圧Ｖａｉ、Ｖｂｉ）の振幅を調整することができる。
また本実施形態では、図６に示すように、超音波装置は、第２の方向Ｄ２に沿って配線される複数のコモン電極線ＣＬ１〜ＣＬＭを含む。
具体的には、第ｉ列の超音波素子列を構成する第１〜第Ｍの超音波素子Ｐ１ｉ〜ＰＭｉのうち第ｊの超音波素子Ｐｊｉには、複数のコモン電極線である第１〜第Ｍのコモン電極線ＣＬ１〜ＣＬＭのうち第ｊのコモン電極線ＣＬｊが接続される。
このようにすれば、１つながりのベタのコモン電極線でなく複数のコモン電極線ＣＬ１〜ＣＬＭを配線することで、超音波素子（薄膜ピエゾ素子）により駆動電極線とコモン電極線を絶縁できる。これにより、駆動電極線とコモン電極線を絶縁するための絶縁層を、超音波素子以外に設けなくてもよくできる。
また本実施形態では、図６に示すように、超音波装置は、複数のコモン電極線ＣＬ１〜ＣＬＭに共通接続され、第１の方向Ｄ１に沿って配線される共通コモン電極線ＡＬ１、ＡＬ２を、含む。
また本実施形態では、超音波装置は、共通コモン電極線ＡＬ１、ＡＬ２の両端に設けられ、超音波素子群Ｐ１１〜ＰＭＮに対してコモン電圧を供給するための端子ＣＴａ１、ＣＴｂ１、ＣＴａ２、ＣＴｂ２を、含む。
このようにすれば、複数のコモン電極線ＣＬ１〜ＣＬＭを共通コモン電極線ＡＬ１、ＡＬ２にまとめることができる。また、複数のコモン電極線ＣＬ１〜ＣＬＭに対して、共通の端子ＣＴａ１、ＣＴｂ１、ＣＴａ２、ＣＴｂ２からコモン電圧を供給できる。
５．超音波素子
図１４（Ａ）、図１４（Ｂ）に、超音波素子群Ｐ１１〜ＰＭＮを構成する超音波素子の構成例を示す。なお以下では適宜、超音波素子を超音波トランスデューサー素子とも呼ぶ。
図１４（Ａ）、図１４（Ｂ）に示す超音波トランスデューサー素子ＵＥは、第１電極層ＥＬ１、圧電体層ＰＥ、第２電極層ＥＬ２、メンブレン（支持部材）ＭＢ、空洞領域（空洞部）ＣＡＶを含む。なお、本実施形態の超音波トランスデューサー素子ＵＥは図１４の構成に限定されず、その構成要素の一部を省略したり、他の構成要素に置き換えたり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。
図１４（Ａ）は、基板（シリコン基板）ＳＵＢに形成された超音波トランスデューサー素子ＵＥの、素子形成面側の基板に垂直な方向から見た平面図である。図１４（Ｂ）は、図１４（Ａ）のＡ−Ａ’に沿った断面を示す断面図である。
第１電極層ＥＬ１は、メンブレンＭＢの上層に例えば金属薄膜で形成される。この第１電極層（下部電極層）ＥＬ１は、図１４（Ａ）に示すように素子形成領域の外側へ延長され、隣接する超音波トランスデューサー素子ＵＥに接続される配線であってもよい。
圧電体層ＰＥは、例えばＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）薄膜により形成され、第１電極層ＥＬ１の少なくとも一部を覆うように設けられる。なお、圧電体層ＰＥの材料は、ＰＺＴに限定されるものではなく、例えばチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ、Ｌａ）ＴｉＯ３）などを用いてもよい。
第２電極層（上部電極層）ＥＬ２は、例えば金属薄膜で形成され、圧電体層ＰＥの少なくとも一部を覆うように設けられる。この第２電極層ＥＬ２は、図１４（Ａ）に示すように素子形成領域の外側へ延長され、隣接する超音波トランスデューサー素子ＵＥに接続される配線であってもよい。
メンブレンＭＢは、例えばＳｉＯ２薄膜とＺｒＯ２薄膜との２層構造により空洞領域ＣＡＶの上層に設けられる。このメンブレンＭＢは、圧電体層ＰＥ及び第１、第２電極層ＥＬ１、ＥＬ２を支持すると共に、圧電体層ＰＥの伸縮に従って振動し、超音波を発生させることができる。
空洞領域ＣＡＶは、シリコン基板ＳＵＢの裏面（素子が形成されない面）側から反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等によりエッチングすることで形成される。この空洞領域ＣＡＶの開口部ＯＰより超音波が放射される。
超音波トランスデューサー素子ＵＥの第１の電極は、第１電極層ＥＬ１により形成され、第２の電極は、第２電極層ＥＬ２により形成される。具体的には、第１電極層ＥＬ１のうちの圧電体層ＰＥに覆われた部分が第１の電極を形成し、第２電極層ＥＬ２のうちの圧電体層ＰＥを覆う部分が第２の電極を形成する。即ち、圧電体層ＰＥは、第１の電極と第２の電極に挟まれて設けられる。
圧電体層ＰＥは、第１の電極と第２の電極との間、即ち第１電極層ＥＬ１と第２電極層ＥＬ２との間に電圧が印加されることで、面内方向に伸縮する。圧電体層ＰＥの一方の面は第１電極層ＥＬ１を介してメンブレンＭＢに接合されているが、他方の面には第２電極層ＥＬ２が形成されるものの、第２電極層ＥＬ２上には他の層が形成されない。そのため圧電体層ＰＥのメンブレンＭＢ側が伸縮しにくく、第２電極層ＥＬ２側が伸縮し易くなる。従って、圧電体層ＰＥに電圧を印加すると、空洞領域ＣＡＶ側に凸となる撓みが生じ、メンブレンＭＢを撓ませる。圧電体層ＰＥに交流電圧を印加することで、メンブレンＭＢが膜厚方向に対して振動し、このメンブレンＭＢの振動により超音波が開口部ＯＰから放射される。圧電体層ＰＥに印加される電圧は、例えば１０〜３０Ｖであり、周波数は例えば１〜１０ＭＨｚである。
６．ヘッドユニット
図１５に、図６の超音波装置が搭載されるヘッドユニット２２０の構成例を示す。図１５に示すヘッドユニット２２０は、素子チップ２００、接続部２１０、支持部材ＳＵＰを含む。なお、本実施形態のヘッドユニット２２０は図１５の構成に限定されず、その構成要素の一部を省略したり、他の構成要素に置き換えたり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。
素子チップ２００は、図６で説明した超音波装置に対応する。素子チップ２００は、超音波素子アレイＵＡＲ、信号端子（広義には第１のチップ端子群）Ｘ１〜Ｘ１２、信号端子（広義には第２のチップ端子群）Ｘ１’〜Ｘ１２’及びコモン端子ＣＯＭ１、ＣＯＭ２、ＣＯＭ１’、ＣＯＭ２’を含む。信号端子Ｘ１〜Ｘ１２は、図６の端子Ｔａ１〜Ｔａ１２（例えばＮ＝１２）に対応し、信号端子Ｘ１’〜Ｘ１２’は、図６のＴｂ１〜Ｔｂ１２に対応する。コモン端子ＣＯＭ１、ＣＯＭ２、ＣＯＭ１’、ＣＯＭ２’は、図６の端子ＣＴａ１、ＣＴａ２、ＣＴｂ１、ＣＴｂ２に対応する。素子チップ２００は、接続部２１０を介してプローブ本体が有する処理装置（例えば図１８の処理装置３３０）と電気的に接続される。
接続部２１０は、プローブ本体とヘッドユニット２２０とを電気的に接続するものであって、複数の接続端子を有するコネクターＣＮと、コネクターＣＮと素子チップ２００とを接続する配線が形成されるフレキシブル基板ＦＰとを有する。具体的には、接続部２１０は、コネクターとして第１のコネクターＣＮ１及び第２のコネクターＣＮ２を有し、フレキシブル基板として第１のフレキシブル基板ＦＰ１及び第２のフレキシブル基板ＦＰ２を有する。
第１のフレキシブル基板ＦＰ１には、素子チップ２００の第１の辺側に設けられる第１のチップ端子群Ｘ１〜Ｘ１２と第１のコネクターＣＮ１とを接続する第１の配線群が形成される。また、第２のフレキシブル基板ＦＰ２には、素子チップ２００の第１の辺に対向する第２の辺側に設けられる第２のチップ端子群Ｘ１’〜Ｘ１２’と第２のコネクターＣＮ２とを接続する第２の配線群が形成される。
コネクターＣＮ１は、フレキシブル基板ＦＰ１に形成された第１の配線群を介して、第１のチップ端子群Ｘ１〜Ｘ１２の信号が入力又は出力される複数の接続端子と、を有する。コネクターＣＮ２は、フレキシブル基板ＦＰ２に形成された第２の配線群を介して、第２のチップ端子群Ｘ１’〜Ｘ１２’の信号が入力又は出力される複数の接続端子を有する。
接続部２１０は、図１５に示す構成に限定されるものではない。接続部２１０は、素子チップ２００の第１の辺側に設けられる第１のチップ端子群の信号が入力又は出力される第１の接続端子群と、素子チップ２００の第１の辺に対向する第２の辺側に設けられる第２のチップ端子群の信号が入力又は出力される第２の接続端子群とを有してもよい。
接続部２１０を設けることで、プローブ本体とヘッドユニット２２０とを電気的に接続することができ、さらにヘッドユニット２２０をプローブ本体に脱着可能にすることができる。
支持部材ＳＵＰは、素子チップ２００を支持する部材であって、後述するように、支持部材ＳＵＰの第１の面側に複数の接続端子が設けられ、支持部材ＳＵＰの第１の面の裏面である第２の面側に素子チップ２００が支持される。なお、素子チップ２００、接続部２１０及び支持部材ＳＵＰの具体的な構造については後述する。
図１６（Ａ）〜図１６（Ｃ）に、ヘッドユニット２２０の詳細な構成例を示す。図１６（Ａ）は支持部材ＳＵＰの第２の面ＳＦ２側を示し、図１６（Ｂ）は支持部材ＳＵＰの第１の面ＳＦ１側を示し、図１６（Ｃ）は支持部材ＳＵＰの側面側を示す。なお、本実施形態のヘッドユニット２２０は、図１６（Ａ）〜図１６（Ｃ）の構成に限定されず、その構成要素の一部を省略したり、他の構成要素に置き換えたり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。
支持部材ＳＵＰの第１の面ＳＦ１側には、コネクターＣＮ１、ＣＮ２（広義には複数の接続端子）が設けられる。コネクターＣＮ１、ＣＮ２には、フレキシブル基板ＦＰ１、ＦＰ２の一端がそれぞれ接続される。フレキシブル基板ＦＰ１、ＦＰ２には、例えばプリアンプＰＡ１、ＰＡ２などの回路を設けることができる。コネクターＣＮ１、ＣＮ２は、プローブ本体側の対応するコネクターに脱着可能である。
支持部材ＳＵＰの第１の面ＳＦ１の裏面である第２の面ＳＦ２側には、素子チップ２００が支持される。素子チップ２００の端子にはフレキシブル基板ＦＰ１、ＦＰ２の他端が接続される。固定用部材ＨＬは、支持部材ＳＵＰの各コーナー部に設けられ、ヘッドユニット２２０をプローブ筐体に固定するために用いられる。
ここで支持部材ＳＵＰの第１の面側とは、支持部材ＳＵＰの第１の面ＳＦ１の法線方向側であり、支持部材ＳＵＰの第２の面側とは、支持部材ＳＵＰの第１の面ＳＦ１の裏面である第２の面ＳＦ２の法線方向側である。
図１６（Ｃ）に示すように、素子チップ２００の裏面（図１４（Ｂ）において開口部ＯＰが設けられる面）には、素子チップ２００を保護する保護部材（保護膜）ＰＦが設けられる。
７．超音波プローブ
図１７（Ａ）、図１７（Ｂ）に、上記のヘッドユニット２２０が適用される超音波プローブ３００の構成例を示す。図１７（Ａ）はプローブヘッド３１０がプローブ本体３２０に装着された場合を示し、図１７（Ｂ）はプローブヘッド３１０がプローブ本体３２０から分離された場合を示す。
プローブヘッド３１０は、ヘッドユニット２２０、被検体と接触する接触部材２３０及びヘッドユニット２２０を格納するプローブ筐体２４０を含む。素子チップ２００は、接触部材２３０と支持部材ＳＵＰとの間に設けられる。
プローブ本体３２０は、処理装置３３０及びプローブ本体側コネクターＣＮｂを含む。処理装置３３０は、送信部ＴＸ、アナログフロントエンド部ＡＦＥ及び制御部ＣＴＬを含む。送信部ＴＸは、制御部ＣＴＬの制御に基づいて、超音波トランスデューサー素子を駆動する駆動信号の送信処理を行い、アナログフロントエンド部ＡＦＥは、超音波トランスデューサー素子からの超音波エコー信号（受信信号）の受信処理を行う。
制御部ＣＴＬは、送信部ＴＸ及びアナログフロントエンド部ＡＦＥの制御を行う。プローブ本体側コネクターＣＮｂは、ヘッドユニット（又はプローブヘッド）側コネクターＣＮａと接続される。プローブ本体３２０は、ケーブルＣＢにより電子機器（例えば超音波診断装置）本体に接続される。
ヘッドユニット２２０は、プローブ筐体２４０に格納されているが、ヘッドユニット２２０をプローブ筐体２４０から取り外すことができる。こうすることで、ヘッドユニット２２０だけを交換することができる。或いは、プローブ筐体２４０に格納された状態で、即ちプローブヘッド３１０として交換することもできる。
８．超音波診断装置
図１８に、超音波診断装置の構成例を示す。超音波診断装置は、超音波プローブ３００、電子機器本体４００を含む。超音波プローブ３００は、超音波ヘッドユニット２２０、処理装置３３０を含む。電子機器本体４００は、制御部４１０、処理部４２０、ユーザーインターフェース部４３０、表示部４４０を含む。
処理装置３３０は、選択部ＭＵＸ、スイッチ部Ｔ／Ｒ＿ＳＷ、送信部ＨＶ＿Ｐ、送受信制御部ＣＮＴＬ、受信部ＡＦＥ（アナログフロントエンド部）を含む。超音波ヘッドユニット２２０は、素子チップ２００（超音波装置）と、素子チップ２００を回路基板に接続する接続部２１０（コネクター部）を含む。回路基板には、ＭＵＸ、ＨＶ＿Ｐ、ＣＮＴＬ、Ｔ／Ｒ＿ＳＷ、ＡＦＥが実装されている。
超音波を送信する場合には、ＣＮＴＬがＨＶ＿Ｐに対して送信指示を行い、ＨＶ＿Ｐがその送信指示を受けて駆動信号を高電圧に増幅して駆動電圧を出力し、ＭＵＸがその駆動信号を素子チップ２００に対して出力する。このときＴ／Ｒ＿ＳＷはオフになっている。超音波の反射波を受信する場合には、Ｔ／Ｒ＿ＳＷはオンになっており、ＭＵＸは、素子チップ２００により検出された反射波の信号をＴ／Ｒ＿ＳＷに対して出力し、Ｔ／Ｒ＿ＳＷは、その反射波の信号をＡＦＥに対して出力する。このときＭＵＸは、ＨＶ＿Ｐからの駆動電圧を素子チップ２００に対して送信しない状態となっている。ＡＦＥは、ＣＮＴＬからの受信指示に基づいて、反射波の信号を処理（例えば増幅処理や、Ａ／Ｄ変換処理等）し、処理後の信号を処理部４２０に送信する。処理部４２０は、その信号を映像化して表示部４４０に表示させる。
なお、本実施形態の超音波装置は、上記のような医療用の超音波診断装置に限らず、種々の電子機器に適用可能である。例えば、超音波装置が適用された電子機器として、建築物等の内部を非破壊検査する診断装置や、ユーザーの指の動きを超音波の反射により検出するユーザーインターフェース機器等が想定される。
なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また超音波装置、超音波プローブ、超音波診断装置、電子機器等の構成、動作も本実施形態で説明したものに限定に限定されず、種々の変形実施が可能である。
２０ 駆動信号制御回路、３０ 駆動信号発生回路、５０ 駆動電圧出力回路、
１００ 超音波素子アレイ、２００ 素子チップ、２１０ 接続部、
２２０ ヘッドユニット、２３０ 接触部材、２４０ プローブ筐体、
３００ 超音波プローブ、３１０ プローブヘッド、３２０ プローブ本体、
３３０ 処理装置、４１０ 制御部、４２０ 処理部、４３０ ＵＩ部、
４４０ 表示部、
ＡＦＥ 受信部、ＡＬ１，ＡＬ２ 共通コモン電極線、ＡＭ１ アンプ回路、
ＣＬ１〜ＣＬＭ コモン電極線、ＣＮＴＬ 送受信制御部、
ＣＴａ１，ＣＴｂ１，ＣＴａ２，ＣＴｂ２ コモン端子、
Ｄ１ 第１の方向、Ｄ２ 第２の方向、ＤＡ１〜ＤＡＮ 駆動アンプ回路、
ＨＶ＿Ｐ 送信部、ＭＵＸ 選択部、Ｐ１１〜ＰＭＮ 薄膜ピエゾ素子、
Ｒａ１，Ｒｂ２ 可変抵抗、ＳＬ１〜ＳＬＮ 駆動電極線、
Ｔ／Ｒ＿ＳＷ スイッチ部、Ｔａ１〜ＴａＮ 駆動端子、
Ｖａ１〜ＶａＮ，Ｖｂ１〜ＶｂＮ 駆動電圧

Claims (14)

  1. 第１の方向に沿って複数の超音波素子が配置された超音波素子列が、前記第１の方向に交差する第２の方向に沿ってＮ列（Ｎは２以上の自然数）配置される超音波素子群と、
    前記第１の方向に沿って配線される第１〜第Ｎの駆動電極線と、
    第１の端子と、
    第２の端子と、
    を含み、
    前記Ｎ列のうち第ｉ列の超音波素子列を構成する超音波素子には、前記第１〜第Ｎの駆動電極線のうちの第ｉの駆動電極線（ｉはＮ以下の自然数）が接続され、
    前記第ｉの駆動電極線の一端には、前記第１の端子が接続され、
    前記第ｉの駆動電極線の他端には、前記第２の端子が接続され、
    前記超音波素子群を駆動する駆動信号が前記第１の端子にのみ入力された場合に、前記超音波素子群が出力する超音波の前記第１の方向における音圧分布特性において、前記超音波素子列の中央における音圧がピーク値の半分となるときの前記第１の方向に配列される超音波素子の個数がａ（ａは３以上の自然数）である場合、前記超音波素子列に配置された前記複数の超音波素子の個数はａ以下であることを特徴とする超音波装置。
  2. 第１の方向に沿って複数の超音波素子が配置された超音波素子列が、前記第１の方向に交差する第２の方向に沿ってＮ列（Ｎは２以上の自然数）配置される超音波素子群と、
    前記第１の方向に沿って配線される第１〜第Ｎの駆動電極線と、
    第１の端子と、
    第２の端子と、
    を含み、
    前記Ｎ列のうち第ｉ列の超音波素子列を構成する超音波素子には、前記第１〜第Ｎの駆動電極線のうちの第ｉの駆動電極線（ｉはＮ以下の自然数）が接続され、
    前記第ｉの駆動電極線の一端には、前記第１の端子が接続され、
    前記第ｉの駆動電極線の他端には、前記第２の端子が接続され、
    前記第１の端子と前記第２の端子に駆動信号を入力した場合に、前記超音波素子群が出力する超音波の前記第１の方向における音圧分布特性が、前記第１の方向に配列される超音波素子の個数がｂ＋１（ｂは３以上の自然数）のときにダブルピークを有し、前記第１の方向に配列される超音波素子の個数がｂのときにシングルピークを有する場合、前記超音波素子列に配置された前記複数の超音波素子の個数はｂ以下であることを特徴とする超音波装置。
  3. 第１の方向に沿って複数の超音波素子が配置された超音波素子列が、前記第１の方向に交差する第２の方向に沿ってＮ列（Ｎは２以上の自然数）配置される超音波素子群と、
    前記第１の方向に沿って配線される第１〜第Ｎの駆動電極線と、
    第１の端子と、
    第２の端子と、
    前記超音波素子群を駆動する駆動信号を、前記第１の端子と前記第２の端子に対して出力する駆動信号出力回路と、
    を含み、
    前記Ｎ列のうち第ｉ列の超音波素子列を構成する超音波素子には、前記第１〜第Ｎの駆動電極線のうちの第ｉの駆動電極線（ｉはＮ以下の自然数）が接続され、
    前記第ｉの駆動電極線の一端には、前記第１の端子が接続され、
    前記第ｉの駆動電極線の他端には、前記第２の端子が接続され、
    前記駆動信号出力回路は、
    前記第１の端子と前記第２の端子に対して、異なる振幅の前記駆動信号を出力することを特徴とする超音波装置。
  4. 請求項３において、
    前記駆動信号出力回路は、
    出力アンプと、
    前記出力アンプと前記第１の端子との間に設けられ、前記第１の端子に対する前記駆動信号の振幅を調節するための第１の可変抵抗と、
    前記出力アンプと前記第２の端子との間に設けられ、前記第２の端子に対する前記駆動信号の振幅を調節するための第２の可変抵抗と、
    を有することを特徴とする超音波装置。
  5. 第１の方向に沿って複数の超音波素子が配置された超音波素子列が、前記第１の方向に交差する第２の方向に沿ってＮ列（Ｎは２以上の自然数）配置される超音波素子群と、
    前記第１の方向に沿って配線される第１〜第Ｎの駆動電極線と、
    第１の端子と、
    第２の端子と、
    を含み、
    前記Ｎ列のうち第ｉ列の超音波素子列を構成する超音波素子には、前記第１〜第Ｎの駆動電極線のうちの第ｉの駆動電極線（ｉはＮ以下の自然数）が接続され、
    前記第ｉの駆動電極線の一端には、前記第１の端子が接続され、
    前記第ｉの駆動電極線の他端には、前記第２の端子が接続され、
    前記超音波素子群を駆動する駆動信号が前記第１の端子にのみ入力された場合に、前記超音波素子群が出力する超音波の前記第１の方向における音圧分布特性において、前記超音波素子列の中央における音圧がピーク値の半分以上であることを特徴とする超音波装置。
  6. 第１の方向に沿って複数の超音波素子が配置された超音波素子列が、前記第１の方向に交差する第２の方向に沿ってＮ列（Ｎは２以上の自然数）配置される超音波素子群と、
    前記第１の方向に沿って配線される第１〜第Ｎの駆動電極線と、
    第１の端子と、
    第２の端子と、
    を含み、
    前記Ｎ列のうち第ｉ列の超音波素子列を構成する超音波素子には、前記第１〜第Ｎの駆動電極線のうちの第ｉの駆動電極線（ｉはＮ以下の自然数）が接続され、
    前記第ｉの駆動電極線の一端には、前記第１の端子が接続され、
    前記第ｉの駆動電極線の他端には、前記第２の端子が接続され、
    前記第１の端子と前記第２の端子に駆動信号を入力した場合に、前記超音波素子群が出力する超音波の前記第１の方向における音圧分布特性が、シングルピークを有することを特徴とする超音波装置。
  7. 請求項１乃至６のいずれかにおいて、
    前記超音波素子列に配置された前記複数の超音波素子は、Ｍ（Ｍは２以上の自然数）個の超音波素子であり、
    前記超音波素子群は、
    前記超音波素子列が前記Ｎ列配置された、Ｍ行Ｎ列のマトリックス状の超音波素子群であることを特徴とする超音波装置。
  8. 請求項１乃至７のいずれかにおいて、
    前記第２の方向に沿って配線される複数のコモン電極線を含むことを特徴とする超音波装置。
  9. 請求項８において、
    前記複数のコモン電極線に共通接続され、前記第１の方向に沿って配線される共通コモン電極線を、含むことを特徴とする超音波装置。
  10. 請求項９において、
    前記共通コモン電極線の両端に設けられ、前記超音波素子群に対してコモン電圧を供給するための端子を、含むことを特徴とする超音波装置。
  11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載の超音波装置を含むことを特徴とするプローブ。
  12. 請求項１乃至１０のいずれかに記載の超音波装置を含むことを特徴とする電子機器。
  13. 請求項１乃至１０のいずれかに記載の超音波装置と、
    表示部と、
    を含むことを特徴とする診断装置。
  14. 超音波装置に対して駆動信号を供給する駆動信号出力回路を含み、
    前記超音波装置は、
    前記第１の方向に沿って複数の超音波素子が配置された超音波素子列が、前記第１の方向に交差する第２の方向に沿ってＮ列配置される超音波素子群と、
    前記第１の方向に沿って配線される第１〜第Ｎの駆動電極線（Ｎは２以上の自然数）と、
    第１の端子と、
    第２の端子と、
    を有し、
    前記Ｎ列のうち第ｉ列の超音波素子列を構成する超音波素子には、前記第１〜第Ｎの駆
    動電極線のうちの第ｉの駆動電極線（ｉはＮ以下の自然数）が接続され、
    前記第ｉの駆動電極線の一端には、前記第１の端子が接続され、
    前記第ｉの駆動電極線の他端には、前記第２の端子が接続され、
    前記駆動信号出力回路は、
    前記第１の端子と前記第２の端子に対して、異なる振幅の前記駆動信号を出力することを特徴とする処理装置。
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