JP6123171B2 - 超音波トランスデューサー、超音波プローブおよび超音波検査装置 - Google Patents
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Description
この超音波トランスデューサーは、複数の開口を有する基板と、その基板上に設けられ、前記各開口を閉塞する支持膜と、その支持膜の前記各開口に対応する部位上に設けられた圧電素子とを備えている。支持膜のうち、平面視で支持膜の開口と一致している部位である開口対応部位により、ダイアフラムが構成される。そして、ダイアフラムとそのダイアフラム上に設けられた圧電素子とで、超音波素子が構成される。
また、超音波トランスデューサーの支持膜の厚さ、すなわち平面視で支持膜の開口と一致している開口対応部位の厚さは、一定に設定されている(例えば、特許文献1参照)。なお、超音波トランスデューサーにおいて、超音波の送信の際は、ダイアフラムが大きく撓み、超音波の受信の際は、ダイアフラムが小さく撓む。
一方、ダイアフラムの強度を向上させるために、ダイアフラムの厚さを厚くすると、ダイアフラムが撓み難くなる。これにより、特に、超音波素子で超音波を受信したとき、ダイアフラムの撓み量がさらに小さくなり、これにより、圧電素子に生じる応力が非常に小さくなってしまい、その圧電素子から出力される受信信号のレベルが低下してしまうという問題がある。すなわち、超音波の送受信特性、特に、受信の際の感度が低下する。
本発明の超音波トランスデューサーは、開口を有する基板と、
前記基板上に設けられ、前記開口を閉塞する支持膜と、
前記支持膜上に設けられ、かつ、平面視で前記開口と重なる領域である開口対応部位上に設けられた圧電素子とを備え、
前記支持膜の前記開口対応部位の中心部の厚さは、前記支持膜の前記開口対応部位の外縁部の厚さよりも薄いことを特徴とする。
すなわち、超音波の送受信において、特に、送信の際、支持膜の開口対応部位が大きく撓んでも、その開口対応部位の外縁部付近における割れや欠け等の破損を防止することができる。また、支持膜の開口対応部位の中心部が局所的に撓み易くなるので、超音波の送受信において、特に、その開口対応部位の撓み量が小さい受信の際、圧電素子の撓み量を大きくすることができ、これにより、圧電素子に大きな応力が生じ、その圧電素子から出力される受信信号のレベルを向上させることができる。すなわち、超音波の受信の際の感度を向上させることができる。
これにより、支持膜の開口対応部位の外縁部側から中心部側に向かってその開口対応部位が撓み易くなるので、超音波の受信の際の感度をより確実に向上させることができる。
前記基板上に設けられ、前記開口を閉塞する支持膜と、
前記支持膜上に設けられ、かつ、平面視で前記開口と重なる領域である開口対応部位上に設けられた圧電素子とを備え、
前記支持膜の前記開口対応部位の前記開口側の面は、湾曲した凹面を有することを特徴とする。
すなわち、超音波の送受信において、特に、送信の際、支持膜の開口対応部位が大きく撓んでも、その開口対応部位の外縁部付近における割れや欠け等の破損を防止することができる。また、支持膜の開口対応部位の中心部が局所的に撓み易くなるので、超音波の送受信において、特に、その開口対応部位の撓み量が小さい受信の際、圧電素子の撓み量を大きくすることができ、これにより、圧電素子に大きな応力が生じ、その圧電素子から出力される受信信号のレベルを向上させることができる。すなわち、超音波の受信の際の感度を向上させることができる。
これにより、支持膜の開口対応部位の外縁部付近における割れや欠け等の破損をより確実に防止することができる。
本発明の超音波トランスデューサーでは、前記厚さ一定部は、前記支持膜の前記開口対応部位の1周に亘って設けられていることが好ましい。
これにより、支持膜の開口対応部位の外縁部付近における割れや欠け等の破損をより確実に防止することができる。
これにより、超音波の受信の際の感度をより確実に向上させることができる。
本発明の超音波トランスデューサーでは、前記支持膜の前記開口対応部位の外縁の厚さをD1、前記開口対応部位の重心位置の厚さをD2としたとき、D2/D1は、0.1以上0.9以下であることが好ましい。
これにより、支持膜の開口対応部位の外縁部付近における割れや欠け等の破損をより確実に防止することができ、また、超音波の受信の際の感度をより確実に向上させることができる。
前記筐体に収納され、本発明の超音波トランスデューサーとを有することを特徴とする。
これにより、支持膜の開口対応部位の外縁部の強度が高くなり、かつ、開口対応部位、特に、開口対応部位の中心部側が撓み易くなり、これによって、良好な送受信特性を有しつつ、開口対応部位の割れや欠け等の破損を防止することができる。
すなわち、超音波の送受信において、特に、送信の際、支持膜の開口対応部位が大きく撓んでも、その開口対応部位の外縁部付近における割れや欠け等の破損を防止することができる。また、支持膜の開口対応部位の中心部が局所的に撓み易くなるので、超音波の送受信において、特に、その開口対応部位の撓み量が小さい受信の際、圧電素子の撓み量を大きくすることができ、これにより、圧電素子に大きな応力が生じ、その圧電素子から出力される受信信号のレベルを向上させることができる。すなわち、超音波の受信の際の感度を向上させることができる。
前記超音波プローブから送信される信号に基づいて信号処理を行う信号処理部を有する装置本体とを備えることを特徴とする。
これにより、支持膜の開口対応部位の外縁部の強度が高くなり、かつ、開口対応部位、特に、開口対応部位の中心部側が撓み易くなり、これによって、良好な送受信特性を有しつつ、開口対応部位の割れや欠け等の破損を防止することができる。
すなわち、超音波の送受信において、特に、送信の際、支持膜の開口対応部位が大きく撓んでも、その開口対応部位の外縁部付近における割れや欠け等の破損を防止することができる。また、支持膜の開口対応部位の中心部が局所的に撓み易くなるので、超音波の送受信において、特に、その開口対応部位の撓み量が小さい受信の際、圧電素子の撓み量を大きくすることができ、これにより、圧電素子に大きな応力が生じ、その圧電素子から出力される受信信号のレベルを向上させることができる。すなわち、超音波の受信の際の感度を向上させることができる。
<超音波トランスデューサー、超音波プローブの実施形態>
図1は、本発明の超音波プローブの実施形態を示す斜視図、図2は、図1に示す超音波プローブの超音波トランスデューサーを示す平面図、図3は、図2に示す超音波トランスデューサーの一部を拡大して示す平面図、図4は、図3中のA−A線での断面図、図5は、図4に示す超音波トランスデューサーの一部を拡大して示す断面図、図6〜図8は、図1に示す超音波プローブの超音波トランスデューサーの製造方法を説明するための断面図である。
なお、以下では、図3〜図7中の上側を「上」、下側を「下」、右側を「右」、左側を「左」として説明を行う。
また、各図に示すように、互いに直交するX軸、Y軸を想定する。X軸方向が方位方向に対応し、Y軸方向がスライス方向に対応している。
また、本実施形態では、超音波トランスデューサー1の表面、すなわち後述する音響整合部6の表面は、外部に露出している。この音響整合部6は、超音波プローブ10および超音波トランスデューサー1の保護層として機能する。音響整合部6の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、シリコーンゴム等、音響インピーダンスが生体とほぼ同等の素材が用いられる。なお、音響整合部6の表面が外部に露出しないように構成してもよい。
また、超音波プローブ10は、ケーブル210を介して、後述する超音波検査装置100の装置本体300(図9参照)と電気的に接続される。
基板2の形状は、それぞれ、特に限定されないが、図示の構成では、平面視で四角形をなしている。なお、基板2の平面視での他の形状としては、それぞれ、例えば、五角形、六角形等の他の多角形、円形、楕円形等が挙げられる。
また、基板2の構成材料としては、それぞれ、特に限定されないが、例えば、シリコン(Si)等の半導体形成素材が用いられる。これにより、エッチング等により容易に加工することができる。
圧電体7の形状は、特に限定されないが、図示の構成では、平面視で円形をなしている。なお、圧電体7の平面視での他の形状としては、それぞれ、例えば、四角形(正方形、長方形)、五角形、六角形等の多角形、楕円形等が挙げられる。なお、圧電体7およびその配線については後で述べる。
開口21の形状は、特に限定されないが、図示の構成では、平面視で円形をなしている。なお、開口21の平面視での他の形状としては、それぞれ、例えば、四角形(正方形、長方形)、五角形、六角形等の多角形、楕円形等が挙げられる。
また、下部電極71には、例えば図3に示すように、支持膜5上でY軸方向に沿って延出する下部電極用導線71aが接続されている。この下部電極用導線71aは、Y軸方向に並ぶ各超音波素子8の共通の導線となる。すなわち、下部電極用導線71aは、図3、図4に示すように、Y軸方向に隣り合う超音波素子8の下部電極71に接続されている。これにより、Y軸方向に並ぶ各超音波素子8の集合体を独立して駆動することができる。
なお、前記とは逆に、下部電極用導線71aをGNDに接続してもよい。
この超音波の送信の際は、圧電膜72に超音波素子8の共振周波数と等しいか、またはその共振周波数に近い周波数の交流電圧を印加し、超音波素子8を共振駆動する。これにより、ダイアフラム51が大きく撓み、高出力の超音波を送信することができる。
また、このような超音波プローブ10では、X軸方向に沿って並設された各超音波素子8から超音波を発信させるタイミングを遅延させてずらすことで、所望の方向に超音波の平面波を送信することが可能となる。
これにより、ダイアフラム51の外縁部、すなわち厚さ一定部511の強度が高くなり、かつ、ダイアフラム51の厚さ漸増部512、特に、厚さ漸増部512の中心部側が撓み易くなり、これによって、良好な送受信特性を有しつつ、ダイアフラム51の割れや欠け等の破損を防止することができる。
また、圧電体7は、ダイアフラム51上の厚さ一定部511よりも中心部側に配置されている。これにより、超音波の受信の際の感度をより確実に向上させることができる。
また、ダイアフラム51の重心位置の厚さD2は、0.15μm以上1.35μm以下であることが好ましい。これにより、超音波の受信の際の感度をより確実に向上させることができる。
なお、本実施形態では、ダイアフラム51は、厚さ一定部511を有しているが、その厚さ一定部511を省略してもよい。
まず、図6(a)に示すように、各開口21が未形成の基板2上に、各凹部52が未形成の支持膜5が設けられ、その支持膜5上に、各圧電体7が設けられた構造体を製造する。なお、この構造体の製造方法としては、例えば、従来公知の方法等を用いることができるので、その説明は省略する。
次に、図6(c)〜図6(d)、図7(a)〜図7(c)、図8に示すように、基板2に対して、レジスト膜91をマスクとして、エッチング処理と、保護膜92の形成とを交互に複数回繰り返すボッシュプロセス(サイクルエッチング)により、開口21を形成する。また、このボッシュプロセスには、誘導結合型(ICP)反応性イオンエッチング装置を用いる。すなわち、エッチング処理においては、誘導結合型反応性イオンエッチング装を用いて、基板2に対して、誘導結合型反応性イオンエッチングを行い、その後、誘導結合型反応性イオンエッチング装を用いて、基板2に対して、保護膜92を形成する。
なお、図6および図7には、エッチング処理を3回、保護膜92の形成を2回まで行った場合が図示されているが、エッチング処理、保護膜92の形成の回数は、それぞれ、その回数に限定されるものではなく、実際の回数は、もっと多くなる。
また、エッチング処理の際の処理ガスの流量は、特に限定されず、諸条件に応じて適宜設定されるものであるが、例えば、100sccm以上1000sccm以下の範囲内に設定されることが好ましく、200sccm以上700sccm以下の範囲内に設定されることがより好ましい。
また、エッチング処理の際の誘導結合プラズマのコイルパワーは、特に限定されず、諸条件に応じて適宜設定されるものであるが、例えば、300W以上3000W以下の範囲内に設定されることが好ましい。
また、保護膜92を形成する際の処理ガスの流量は、特に限定されず、諸条件に応じて適宜設定されるものであるが、例えば、50sccm以上600sccm以下の範囲内に設定されることが好ましい。
また、保護膜92を形成する際の誘導結合プラズマのコイルパワーは、特に限定されず、諸条件に応じて適宜設定されるものであるが、例えば、100W以上2500W以下の範囲内に設定されることが好ましい。
なお、基板2をSiで構成することにより、その基板2の上面および下面に対して垂直な開口21が形成される。
また、エッチング処理の際の処理ガスの流量は、特に限定されず、諸条件に応じて適宜設定されるものであるが、例えば、100sccm以上1000sccm以下の範囲内に設定されることが好ましく、200sccm以上700sccm以下の範囲内に設定されることがより好ましい。
また、エッチング処理の際の誘導結合プラズマのコイルパワーは、特に限定されず、諸条件に応じて適宜設定されるものであるが、例えば、300W以上3000W以下の範囲内に設定されることが好ましい。
また、保護膜を形成する際の処理ガスの流量は、特に限定されず、諸条件に応じて適宜設定されるものであるが、例えば、50sccm以上600sccm以下の範囲内に設定されることが好ましい。
また、保護膜を形成している時間は、特に限定されず、諸条件に応じて適宜設定されるものであるが、例えば、0.5秒以上10秒以下の範囲内に設定されることが好ましい。
なお、支持膜5をSiO2で構成することにより、お椀型に湾曲した湾曲面を有する凹部52が形成される。
以上のようにして、超音波トランスデューサー1が製造される。
なお、凹部52の湾曲の度合い等の凹部52の形状については、例えば、Si/SiO2の選択比等を調整することにより、適宜設定することができる。
また、厚さ一定部511を形成するか否かや、厚さ一定部511を形成する場合のその厚さ一定部511の寸法等については、例えば、エッチング処理における処理ガスの流量、エッチング処理の処理時間、エッチング処理における誘導結合プラズマのコイルパワー、保護膜を形成する際の処理ガスの流量、保護膜を形成している時間、保護膜を形成する際の誘導結合プラズマのコイルパワー等を調整することにより、適宜設定することができる。
以上説明したような超音波プローブ10は、超音波検査装置に好適に適用することができる。
まず、基板2に対してのエッチング処理では、処理ガスとしてSF6とO2との混合ガスを用い、処理ガスの流量を450sccmとし、コイルパワーを2500Wとする。
また、基板2に対して保護膜92を形成する際は、処理ガスとしてC4F8とO2との混合ガスを用い、処理ガスの流量を150sccmとし、コイルパワーを1500Wとする。
そして、エッチング処理の処理時間を10秒、保護膜92を形成している時間を6秒とし、エッチング処理と、保護膜92の形成とを交互に、合計で36分行う。
また、支持膜5に対して保護膜92を形成する際は、処理ガスとしてC4F8とO2との混合ガスを用い、処理ガスの流量を150sccmとし、コイルパワーを1500Wとする。
そして、エッチング処理の処理時間を10秒、保護膜92を形成している時間を6秒とし、エッチング処理と、保護膜92の形成とを交互に、合計で14分24秒行う。以上で、処理を終了する。
まず、基板2に対してのエッチング処理では、処理ガスとしてSF6とO2との混合ガスを用い、処理ガスの流量を450sccmとし、コイルパワーを2500Wとする。
また、基板2に対して保護膜92を形成する際は、処理ガスとしてC4F8とO2との混合ガスを用い、処理ガスの流量を150sccmとし、コイルパワーを1500Wとする。
そして、エッチング処理の処理時間を10秒、保護膜92を形成している時間を6秒とし、エッチング処理と、保護膜92の形成とを交互に、合計で36分行う。
また、支持膜5に対して保護膜92を形成する際は、処理ガスとしてC4F8とO2との混合ガスを用い、処理ガスの流量を150sccmとし、コイルパワーを1500Wとする。
そして、エッチング処理の処理時間を5秒、保護膜92を形成している時間を3秒とし、エッチング処理と、保護膜92の形成とを交互に、合計で20分行う。以上で、処理を終了する。
図9は、本発明の超音波検査装置の実施形態を示すブロック図である。
図9に示すように、超音波検査装置100は、前述した超音波プローブ10と、超音波プローブ10とケーブル210を介して電気的に接続される装置本体300とを備えている。
制御部310は、例えば、マイクロコンピュータ等で構成され、駆動信号発生部320、画像信号処理部340等、装置本体300全体の制御を行う。また、画像表示部350は、例えば、CRT、LCD等のディスプレイ装置で構成されている。
検査の際は、超音波プローブ10の音響整合部6の表面を検査対象である生体に当接し、超音波検査装置100を作動させる。
まず、制御部310が駆動信号発生部320に送信命令を出力すると、駆動信号発生部320は、各超音波素子8に対して、それぞれ、所定のタイミングで、その超音波素子8を駆動する駆動信号を送信する。これにより、各超音波素子8が、それぞれ、所定のタイミングで駆動する。これによって、超音波プローブ10の超音波トランスデューサー1から超音波が発信される。
そして、超音波トランスデューサー1からは、入力した超音波に応じた検出信号が出力される。この検出信号は、ケーブル210を介して装置本体300の検出信号処理部330に送信され、検出信号処理部330において、所定の信号処理が施され、検出信号処理部330に含まれている図示しないA/D変換器によってディジタル信号に変換される。
そして、画像処理が施された画像データは、画像信号処理部340の2次記憶部から読みだされ、画像表示部350に入力される。画像表示部350は、画像データに基づいて画像を表示する。医師等の医療従事者は、前記画像表示部350に表示された画像を見て、診断等を行う。
なお、前記実施形態では、超音波素子の数、すなわち、圧電素子および支持膜の開口対応部位の数は、それぞれ、複数であるが、本発明では、これに限らず、単数であってもよい。
Claims (7)
- 開口を有する基板と、
前記基板上に設けられ、前記開口を閉塞する支持膜と、
前記支持膜上に設けられ、かつ、平面視において前記開口と重なる領域である開口対応部位上に設けられた圧電素子とを備え、
前記支持膜の前記開口対応部位は、前記支持膜の前記開口対応部位の中心部から外縁部に向かって厚さが漸増する部位を有し、
前記中心部は、前記平面視において前記圧電素子の幅よりも内側の領域に位置し、
前記支持膜の前記開口対応部位の前記開口側の面は、湾曲した凹面を有することを特徴とする超音波トランスデューサー。 - 請求項1に記載の超音波トランスデューサーであって、
前記支持膜の前記開口対応部位は、前記外縁部に、厚さが一定である厚さ一定部を有する超音波トランスデューサー。 - 請求項2に記載の超音波トランスデューサーであって、
前記厚さ一定部は、前記支持膜の前記開口対応部位の1周に亘って設けられている超音波トランスデューサー。 - 請求項2又は3に記載の超音波トランスデューサーであって、
前記圧電素子は、前記支持膜上の前記厚さ一定部よりも前記中心部側に設けられている超音波トランスデューサー。 - 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサーであって、
前記支持膜の前記開口対応部位の外縁の厚さをD1、前記開口対応部位の重心位置の厚さをD2としたとき、D2/D1は、0.1以上0.9以下である超音波トランスデューサー。 - 筐体と、
前記筐体に収納され、請求項1乃至5のいずれかに記載の超音波トランスデューサーとを有することを特徴とする超音波プローブ。 - 筐体と、前記筐体に収納され、請求項1乃至5のいずれかに記載の超音波トランスデューサーとを有する超音波プローブと、
前記超音波プローブから送信される信号に基づいて信号処理を行う信号処理部を有する装置本体とを備えることを特徴とする超音波検査装置。
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