JP6405737B2 - 音響センサー及び超音波探触子 - Google Patents
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Description
近年、このような変換器が複数所定のパターンで配列された超音波の音響センサーの小型化、高精度化が進んでいる。特許文献1には、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)などの圧電体材料とICチップなどの製造技術とを用いて、超音波の送受信に係る圧電素子及びダイヤフラムが積層され、二次元マトリクス状に配置された小型のイメージセンシング配列を生成する技術について開示されている。
複数の圧電体薄膜部が平面状に配置された超音波の送受信素子と、
当該複数の圧電体薄膜部を電気的に接続して電気信号を入出力する配線と、
超音波の送信時と受信時とで当該配線の少なくとも一部を切り替えて電気インピーダンスを変化させる切替部と、
を備え、
前記複数の圧電体薄膜部は、強誘電体で形成され、
前記複数の圧電体薄膜部に各々分極特性を設定するための所定電圧を供給する電圧供給部を備える
ことを特徴とする音響センサーである。
また、請求項2記載の発明は、
複数の圧電体薄膜部が平面状に配置された超音波の送受信素子と、
当該複数の圧電体薄膜部を電気的に接続して電気信号を入出力する配線と、
超音波の送信時と受信時とで当該配線の少なくとも一部を切り替えて電気インピーダンスを変化させる切替部と、
前記送受信素子がなす平面の一方に接合されて、前記複数の圧電体薄膜部に対して共通に設けられた振動板と、
を備え、
前記複数の圧電体薄膜部は、強誘電体で形成され、前記振動板の超音波振動に係る振動モードの節及び腹の位置にそれぞれ応じて前記圧電体薄膜部の分極特性及び前記配線の接続順のうち少なくとも一方を定める
ことを特徴とする音響センサーである。
前記配線は、前記切り替えによって、当該配線で接続される前記圧電体薄膜部により送受信される超音波の音軸が変化しないようになされていることを特徴としている。
前記配線は、超音波の送信時と受信時とで、前記複数の圧電体薄膜部の接続を並列接続と直列接続との間で切り替えることを特徴としている。
前記配線は、接続される前記圧電体薄膜部の数を異ならせることで電気インピーダンスを変化させることを特徴としている。
前記配線は、超音波の送信時と受信時に、それぞれ前記複数の圧電体薄膜部の全てを接続することを特徴としている。
前記送受信素子がなす平面の一方に接合されて設けられた振動板を備えることを特徴としている。
前記複数の圧電体薄膜部に各々分極特性を設定するための所定電圧を供給する電圧供給部を備える
ことを特徴としている。
前記複数の圧電体薄膜部は、強誘電体で形成され、前記振動板の超音波振動に係る振動モードの節及び腹の位置にそれぞれ応じて前記圧電体薄膜部の分極特性及び前記配線の接続順のうち少なくとも一方を定めることを特徴としている。
前記複数の圧電体薄膜部は、半導体基板に対してそれぞれ直接又は間接的に積層配置され、
当該圧電体薄膜に入射した音圧に応じて前記圧電体薄膜部に誘起される電荷の量に基づいて、前記半導体基板における所定の領域の通電状態が変化し、
当該通電状態に応じた信号を前記配線に出力する
ことを特徴としている。
前記切替部は、トランジスターにより前記配線の接続を切り替えることを特徴としている。
所定のパターンで複数配列された請求項1〜11の何れか一項に記載の音響センサーを備えることを特徴とする超音波探触子である。
前記配線は、前記切替手段による切り替えにより前記複数の圧電体薄膜部を複数段階の電気インピーダンスとなるように接続し、
前記配線切替制御手段は、前記音響センサーの配置に応じて当該音響センサーの電気インピーダンスを切り替えることで、超音波の送受信に係るアポダイゼーションの設定を行う
ことを特徴としている。
[第1実施形態]
図1は、本実施形態の音響センサーを用いた超音波探触子を備える超音波診断装置Uの全体図である。図2は、超音波診断装置Uの内部構成を示すブロック図である。
また、図2に示すように、超音波診断装置本体1は、これらに加えて、制御部11と、送信部12と、受信部13と、送受信切替部14(切替部)と、電圧供給部15と、画像処理部16と、記憶部17と、などを備えている。
また、送受信切替部14は、送信又は受信の何れかに応じて各振動子21の後述する配線の切り替えに係る切替信号を出力し、振動子21の電気インピーダンスを変化させる。
本実施の形態の超音波探触子2では、振動子配列210には、所定のパターン、例えば、二次元アレイ状に配置された192個の振動子21が含まれる。或いは、これら複数の振動子21は、所定の走査方向に沿って設けられた一次元アレイ状に配置されていても良い。また、振動子21の個数を任意に設定することが出来る。超音波探触子2は、電子走査方式或いは機械走査方式の何れを採用したものであっても良く、また、走査方式として、リニア走査方式、セクター走査方式或いはコンベックス走査方式の何れの方式を採用したものであっても良い。また、超音波探触子2における超音波の受信周波数の帯域幅を任意に設定することが出来る。
また、この超音波診断装置Uは、診断対象に応じて異なる複数の超音波探触子2の何れかを超音波診断装置本体1に接続して利用することが出来る構成とすることが出来る。
本実施形態の各振動子21に係る圧電体は、それぞれ、二次元マトリクス状に更に細かい領域(圧電体薄膜部)に分割されており、各々の領域に対してそれぞれ個別に電圧が印加され、また、入射した超音波に応じて電荷が取得されて電圧に変換される。各領域は、配線を用いて所定のパターンで電気的に互いに接続されており、この配線パターンとしては、ここでは、超音波送信用と超音波受信用の二種類が設けられている。これら二種類の配線は、超音波の送信時と受信時とで切り替えて用いられる。各領域への電圧の印加の制御は、個別に行われても一括して行われても良い。また、各領域は、絶縁層や空隙部などを介して完全に区切られていても良いし、単に一枚の圧電体薄膜に各領域を定めただけであっても良い。
配線の順番を振動子21の中心に対して対称に設けることが困難な場合には、音軸が振動子21の中心に対して多少ずれる配線となっても良い。このような場合も、当該ずれを考慮して超音波の送信時と受信時とで音軸がずれないように配線を振動子21の中心から偏ったものとすることが出来る。
これらの振動子21及び当該振動子21一つ分に係る配線及び切り替えの構成により音響センサーが構成される。
次に、第2実施形態の超音波診断装置について説明する。
この第2実施形態の超音波診断装置Uの構成は、第1実施形態の超音波診断装置Uの構成と同一であり、同一の符号を用いることとして説明を省略する。
本実施形態の振動子21に係る各領域は、半導体基板100上にゲート絶縁膜111を挟んで強誘電体薄膜層112と、ゲート電極113とが積層配置された積層構造として形成されている。強誘電体薄膜層112の両側面には、側壁114、115が設けられている。半導体基板100の上面には、ゲート電極113下の領域(チャンネル領域となる部分)を間に挟んでソース領域101、ドレイン領域102及び図示略のエクステンション領域が形成される。ソース領域101及びドレイン領域102は、それぞれ金属配線103、104に接続されている。なお、側壁114、115は、強誘電体薄膜層112の伸縮変形を妨げないように形成される必要があり、或いは、形成されなくても良い。
なお、薄板構造100bは、各振動子21に応じて各々別個に形成されても良い。
複数の振動子21及び各領域に対応する強誘電体薄膜層112は、個別に形成されることも可能であるが、一枚又は少ない枚数のウェハー上に複数個まとめて形成されることで、複数の振動子21を精度良く配置しながら容易且つ低コストで振動子配列210を形成することが出来る。
上述のように、薄板構造100bは、複数の振動子21に対して共通に設けられることが可能であるが、以降では説明の簡略化のため、一つの振動子21の大きさに応じて各々設けられる場合を例に挙げて説明する。
次に、第3実施形態の超音波探触子2を含む超音波診断装置Uについて説明する。
この超音波診断装置Uは、第2実施形態の超音波診断装置Uと同一の構成であり、同一の符号を付して説明を省略する。
一方、超音波受信時には、エコーに伴う強誘電体薄膜層112の圧電定数d33に応じた伸縮をその中心付近で薄板構造100bの振動によって補強して効率良く受信させることが出来る。
各領域には、抗電界電圧以上の電圧を供給することで、各々分極状態を定めることが出来る。本実施形態の超音波探触子2では、この分極状態を各領域で適切に設定することで超音波の送受信効率を上げることが出来る。ソース領域101及びドレイン領域102を接地状態にしながら電圧供給回路からゲート電極113に供給されるバイアス電圧の絶対値を抗電界電圧以上とすることで、強誘電体薄膜層112の分極特性が変更される。
例えば、上記実施の形態では、圧電体薄膜として各種強誘電体材料を用いることとして説明したが、強誘電性を有しない圧電体材料が用いられても良い。
この超音波探触子2は、振動子配列210に加えて内部に受信部23、送信部24、送受信切替部28、駆動制御部25及び通信部26を備え、ケーブル22を介して通信部26により外部の超音波診断装置本体1から取得された設定に基づいて、駆動制御部25が自律的に振動子21からの超音波の送受信を切り替えて適切なタイミングで適切な振動子21から超音波の送信又は受信を行わせることが出来る。そして、受信部23において各種処理がなされた受信データのみが通信部26によりケーブル22を介して超音波診断装置本体1に送信される。
また、通信部26は無線通信に係る通信インターフェイスであっても良く、この場合には、ケーブル22を用いずに無線通信、例えば、無線LAN(IEEE802.11nなど)、Bluetooth通信(登録商標:Bluetooth)やボディエリアネットワーク(IEEE802.15.6)に基づく各周波数帯の通信方式が用いられる。
この場合、強誘電体キャパシターの一方の電極面に接して振動板や圧電部材を別途設けることが出来る。振動板には、超音波周波数帯で振動可能な各種材質を用いることが出来る。また、この場合、振動板と半導体基板の間には、空間を設けることが出来る。また、第3実施形態に示したものと同様に、振動板や圧電部材の振動モード、当該振動モードにおける振動の節や腹の位置などに応じて強誘電体キャパシターにおける強誘電体薄膜層の各領域の配線接続状態を切り替え設定することが出来る。
その他、上記実施の形態で示した具体的な構成、構造や配置などは、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
2 超音波探触子
11 制御部
12 送信部
13 受信部
14 送受信切替部
15 電圧供給部
16 画像処理部
17 記憶部
18 操作入力部
19 出力表示部
21 振動子
22 ケーブル
23 受信部
24 送信部
25 駆動制御部
26 通信部
28 送受信切替部
100 半導体基板
100a 孔部
100b 薄板構造
101 ソース領域
102 ドレイン領域
103 金属配線
104 金属配線
111 ゲート絶縁膜
112 強誘電体薄膜層
113 ゲート電極
114、115 側壁
210 振動子配列
U 超音波診断装置
Claims (13)
- 複数の圧電体薄膜部が平面状に配置された超音波の送受信素子と、
当該複数の圧電体薄膜部を電気的に接続して電気信号を入出力する配線と、
超音波の送信時と受信時とで当該配線の少なくとも一部を切り替えて電気インピーダンスを変化させる切替部と、
を備え、
前記複数の圧電体薄膜部は、強誘電体で形成され、
前記複数の圧電体薄膜部に各々分極特性を設定するための所定電圧を供給する電圧供給部を備える
ことを特徴とする音響センサー。 - 複数の圧電体薄膜部が平面状に配置された超音波の送受信素子と、
当該複数の圧電体薄膜部を電気的に接続して電気信号を入出力する配線と、
超音波の送信時と受信時とで当該配線の少なくとも一部を切り替えて電気インピーダンスを変化させる切替部と、
前記送受信素子がなす平面の一方に接合されて、前記複数の圧電体薄膜部に対して共通に設けられた振動板と、
を備え、
前記複数の圧電体薄膜部は、強誘電体で形成され、前記振動板の超音波振動に係る振動モードの節及び腹の位置にそれぞれ応じて前記圧電体薄膜部の分極特性及び前記配線の接続順のうち少なくとも一方を定める
ことを特徴とする音響センサー。 - 前記配線は、前記切り替えによって、当該配線で接続される前記圧電体薄膜部により送受信される超音波の音軸が変化しないようになされていることを特徴とする請求項1又は2記載の音響センサー。
- 前記配線は、超音波の送信時と受信時とで、前記複数の圧電体薄膜部の接続を並列接続と直列接続との間で切り替えることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の音響センサー。
- 前記配線は、接続される前記圧電体薄膜部の数を異ならせることで電気インピーダンスを変化させることを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の音響センサー。
- 前記配線は、超音波の送信時と受信時に、それぞれ前記複数の圧電体薄膜部の全てを接続することを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の音響センサー。
- 前記送受信素子がなす平面の一方に接合されて設けられた振動板を備えることを特徴とする請求項1記載の音響センサー。
- 前記複数の圧電体薄膜部に各々分極特性を設定するための所定電圧を供給する電圧供給部を備える
ことを特徴とする請求項2記載の音響センサー。 - 前記複数の圧電体薄膜部は、強誘電体で形成され、前記振動板の超音波振動に係る振動モードの節及び腹の位置にそれぞれ応じて前記圧電体薄膜部の分極特性及び前記配線の接続順のうち少なくとも一方を定めることを特徴とする請求項7記載の音響センサー。
- 前記複数の圧電体薄膜部は、半導体基板に対してそれぞれ直接又は間接的に積層配置され、
当該圧電体薄膜部に入射した音圧に応じて前記圧電体薄膜部に誘起される電荷の量に基づいて、前記半導体基板における所定の領域の通電状態が変化し、
当該通電状態に応じた信号を前記配線に出力する
ことを特徴とする請求項1〜9の何れか一項に記載の音響センサー。 - 前記切替部は、トランジスターにより前記配線の接続を切り替えることを特徴とする請求項1〜10の何れか一項に記載の音響センサー。
- 所定のパターンで複数配列された請求項1〜11の何れか一項に記載の音響センサーを備えることを特徴とする超音波探触子。
- 前記配線は、前記切替部による切り替えにより前記複数の圧電体薄膜部を複数段階の電気インピーダンスとなるように接続し、
前記切替部は、前記音響センサーの配置に応じて当該音響センサーの電気インピーダンスを切り替えることで、超音波の送受信に係るアポダイゼーションの設定を行う
ことを特徴とする請求項12記載の超音波探触子。
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