JP6586705B2 - 超音波振動子および超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波振動子および超音波診断装置に関する。

超音波診断装置は超音波プローブから超音波パルスを被検体内に送信し、被検体内からのエコー信号を超音波プローブで受信し、電気信号に変換する。超音波プローブは電気信号を機械振動に、また、その逆に機械振動を電気信号に変換する超音波振動子を有する。超音波振動子には、例えば、圧電材料と電極材料とを積層したバルク状の圧電体を分割した振動素子（バルク型の振動素子）が用いられる。超音波プローブの長軸方向には多数の振動素子が配列される。

電子走査法では、配列された振動素子を超音波プローブの長軸方向に１つずつ順次駆動することにより超音波ビームを走査する。超音波ビームの走査により得られたエコー信号に基づいて被検体の超音波断層像が得られる。

超音波断層像の分解能は超音波ビームの走査方向のピッチに依存する。このピッチは振動素子の幅により決定される。そのため、超音波断層像の分解能を上げるには、振動素子の小型化や高密度化が要求される。

また、一般に、振動素子に圧縮応力や引張応力などを与えて機械的歪を発生させると、振動素子に分極が起きて、この歪みに比例した電圧が発生する。よって、超音波パルスを受信したときの電圧が大きく変化するよう振動素子の歪み易さを確保して、振動素子の高感度化を図ることも要求される。

近年、振動素子の小型化や高密度化の要求に応えて、半導体微細加工技術（ＭＥＭＳ技術）を用いた超音波プローブが提案されている。例えば特許文献１に記載されている、ＭＥＭＳ技術で作製された振動素子は、下部電極を兼ねた振動板上に、圧電体膜および上部電極を順次成膜して構成されている。

また、例えば特許文献２には、振動素子を高感度にするために、振動板を除去し圧電体膜を歪み易い非平坦形状（例えば、ドーム形状）にして曲げモードに追加して伸縮モードにより高い電気機会結合を得ることが、記載されている。

特開２０１３−９３７６０号公報 米国特許第８７６７５１２号明細書

しかしながら、特許文献１に記載された振動素子においては、圧電体膜は、平板状の振動板上に成膜された形状を有する。これは歪み難い形状であるため、このような圧電体膜を備えた振動素子は、バルク型の振動素子より感度が低い点で問題がある。

また、特許文献２に記載された振動素子の振動板ドーム形状は構造が複雑であり、ＭＥＭＳ技術では作製困難である。このため、歩留まりが低下し、また、ドーム形状を作製するのに高度の製造プロセスが必要となるという問題点があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、ドーム形状などの複雑な構造とすることなく、高感度の振動素子を有する超音波振動子および超音波診断装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の超音波振動子は、振動板、下部電極、圧電体膜および上部電極がこの順で積層された複数の積層体を有し、
複数の積層体は所定数毎に分けられて複数の振動素子を構成し、
前記複数の振動素子のうち少なくとも一つの振動素子それぞれにおいて、いずれかの積層体は、他のいずれかの積層体の下部電極とは異なる材料もしくは材料組成比の下部電極を有する。

本発明によれば、振動素子を構成する積層体の構造を複雑化することなく、個々の振動素子を構成する所定数の積層体において、材料もしくは材料組成比の異なる下部電極を混在させ、その混在比率を調整することで、圧電体膜の物性、特に、圧電体膜の誘電率を適切に制御することが可能となるため、複雑な構造とすることなく積層体の小型化や高密度化つまり振動素子の小型化や高密度化が容易となり、高感度の振動素子を有する超音波振動子および超音波診断装置を提供することができる。

本発明の実施の形態における超音波診断装置の全体構成を示すブロック図である。 ＭＯＳＦＥＴによる信号検出の回路図である。 振動素子の配列を示す図である。 積層体群の一例を概略的に示す断面図である。 同一チャンネルにおける複数の積層体の混在比率を示す図である。 振動子配列を示す図であり、図６Ａは、２個の積層体の組み合わせを積層体群として配列するときの図、図６Ｂは、３個の積層体の組み合わせを積層体群として配列するときの図、図６Ｃは、４個の積層体の組み合わせを積層体群として配列するときの図である。 振動素子において、分散して配置された積層体集合部を示す図である。 同一積層体に含まれる下部電極と上部電極との面積を異ならせたときの図であり、図８Ａは上部電極を小円形状にしたときの図、図８Ｂは、上部電極をリング形状にしたときの図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施の形態における超音波診断装置Ｓの全体構成を示すブロック図である。

超音波診断装置Ｓは、超音波診断装置本体１と超音波プローブ２とにより構成される。超音波診断装置本体１は、制御部３と、信号処理部１４と、画像生成部１５と、表示制御部１６と、ユーザーインターフェースＵＩとを備える。ユーザーインターフェースＵＩは、表示部１７と操作部１８とを有する。

超音波プローブ２は、プローブ制御部２Ａと、送受信部１１と、超音波振動子１０とを有する。超音波振動子１０は複数の振動素子２０（後述する）が配列された振動子配列２０Ａ（後述する）を有する。超音波プローブ２には、送受信部１１の送信部１２と受信部１３とに接続される送受信切替部（スイッチ）４が設けられている。

送受信切替部４は、プローブ制御部２Ａからの送受信切替信号に従って、各振動素子２０と送信部１２又は受信部１３との接続の切り替えを行う。送受信切替部４の切り替えによって、各振動素子２０は送信部１２又は受信部１３に接続されることになる。送信部１２に接続された振動素子２０は、送信用の振動素子２０として機能し、送信部１２から供給される電圧パルスによって超音波パルスを発生する。また、受信部１３に接続された振動素子２０は、受信用の振動素子２０として機能し、被検体からの反射（エコー）信号を受信し、受信部１３に出力する。なお、送受信部１１は、超音波プローブ２内に設けられた構成としてが、超音波診断装置本体１内に設けられた構成としてもよい。

受信部１３は、反射（エコー）信号の受信に伴って振動素子２０により誘起された電荷をその電荷量に応じた電圧信号に変換する。受信部１３は、各振動素子２０と一対一に対応付けて設けられた検出系１３０を有し、検出系１３０は、一つ以上の検出素子から構成される。検出素子としては、例えばＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）が用いられる。図２は振動素子２０と検出系１３０とが接続されたＭＯＳＦＥＴ検出の回路図である。図２に示すように、振動素子２０において受信した反射信号の圧電変換により生成された電圧信号（Ｖ）が、検出系１３０において検出信号（Ｖｉｎ）として検出される。振動素子２０を最大限に高感度化するため、振動素子２０側の第１静電容量Ｃ_ｆと検出系１３０側の第２静電容量Ｃ_ｉｎ（ゲート静電容量）との整合をとることは後述する。

プローブ制御部２Ａは、予め設定された送信用の振動素子２０と受信用の振動素子２０の位置を示す配置パターンに従って所定の切替タイミングで送受信切替部４における接続を切り替えることで、各振動素子２０を送信部１２又は受信部１３に接続し、振動素子２０を送信用又は受信用に切り替える。

信号処理部１４は、受信部１３からの電圧信号に対してＢＰＦ（Band Pass Filter）を施す処理、非線形圧縮、深度補正、検波処理などの各種処理を行う。画像生成部１５、信号処理後のデータに基づいて、被検体の組織形状を表す画像データを生成する。表示制御部１６は、操作部１８（キーボード、マウス、タッチパネルなど）による入力操作を受けて、画像データに基づいて表示部１７（液晶画面など）に断層像を表示させる。

図３は、超音波振動子１０の一例を概略的に示す図である。

図３に示すように、振動子配列２０Ａは、超音波プローブ２の長軸方向（図３にＸで示す走査方向）に１２８個の振動素子２０が配列されたものである。振動素子２０は、電子走査時において遅延時間を与える対象としての１単位（１つのチャンネル）を構成するものである。すなわち、複数の振動素子２０は複数（ここでは１２８）チャンネルのアレイを構成する。

各振動素子２０は、同一の構造を備えた所定数（ここでは２６）の積層体が長軸方向および長軸方向に直交する短軸方向（図３にＹで示すエレベーション方向）に２×１３のマトリックス状に配列されて構成される。言い換えれば、複数の積層体が、所定数毎に分けられて複数の振動素子２０を構成する。なお、個々の積層体は、圧電体を含むものであって、ＭＥＭＳ技術により作製されるとき、これを「ｐＭＵＴセル」（ｐＭＵＴ：piezoelectric Micromachined Ultrasound Transducer）と呼ぶことがあり、このような積層体の集合を「ｐＭＵＴセル群」と呼ぶことがある。

本実施の形態では、各振動素子２０においては、高感度化を図るために２種類の積層体が混在している。以下、第１の種類の積層体を積層体３０Ａと称し、第２の種類の積層体を積層体３０Ｂと称する。なお、以下の説明では、２つ以上の積層体（積層体３０Ａ、３０Ｂ）の集合を積層体群３００と称する。また、積層体３０Ａ、３０Ｂの総称を積層体３０と称する。

図４は、積層体群３００の一例を概略的に示す断面図である。この例では、積層体群３００は、一つの積層体３０Ａと積層体３０Ｂとを含んでいる。

積層体３０Ａ、３０Ｂはいずれも、振動板（ダイヤフラム）３２、下部電極３３および圧電体膜３４、上部電極３５を有する。振動板３２、下部電極３３、圧電体膜３４および上部電極３５は、この順で積層される。なお、図示しないが、上部電極３５上には保護および絶縁のための膜が成膜される。この膜には、例えばＳｉＯ_２（酸化シリコン）などの酸化膜、エポキシ樹脂やパリレン等の有機膜が用いられる。

振動板３２は、基板３１によりその両端部が支持される。振動板３２は、基板３１と一体に形成される。例えば、振動板３２は、基板３１の材料としてのシリコン基板をエッチングにより部分的に薄くして薄膜の平板状に形成される。

下部電極３３は平板状の振動板３２上に成膜される。さらに、圧電体膜３４は下部電極３３に成膜される。さらに、上部電極３５は圧電体膜３４に成膜される。本実施の形態では、これらの積層は、平坦であり複雑ではないため、通常の成膜技術とＭＥＭＳ技術により容易にかつ微細に作製することができるため、積層体３０の小型化や高密度化ひいては振動素子２０の小型化や高密度化を図ることができる。

上部電極３５の材料には、作製のし易さから、後述する下部電極３３の材料と同じ材料を用いるとよいが、下部電極３３とは異なる材料であってもよい。

また、圧電体膜３４の材料は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛のような従来周知の材料を用いてよい。

図４に示すように、積層体３０Ａ、３０Ｂは同一の構造を有する。同一の構造とは、基板３１、振動板３２、下部電極３３、圧電体膜３４、上部電極３５など、それぞれを構成する厚みや断面形状が同一であることをいう。なお、基板３１は積層体３０Ａ及び積層体３０Ｂとの間で共有されている箇所を含むが、半分で区切ったときの構造で同一としている。また、同一の範囲には製造誤差を含む。例えば、圧電体膜３４は同一の材料からなり、かつ、同一の厚みを有する。また、上記したように振動板３２が平板状である。さらに、圧電体膜３４および上部電極３５もそれぞれ同一の製造プロセスの中で容易に作製することができる。このため、積層体３０Ａ、３０Ｂが作製し易くなり、ひいては、振動素子２０の作製を容易にする。

ここで、積層体３０の構造を非平面状とすることで、あるいは、圧電体膜３４の材料を、誘電率が異なるものとなるように積層体３０Ａと積層体３０Ｂとで互いに異ならせることで、高感度の振動素子２０を得ることも考えられるが、これでは振動素子２０の作製コストが嵩んでしまうおそれがある。

本実施の形態では、積層体３０の構造を非平面状に複雑化しなくても、そして積層体３０Ａ、３０Ｂ内の圧電体膜３４の材料を互いに異ならせなくても、個々の振動素子２０を構成する所定数の積層体３０において、材料もしくは材料組成比の異なる下部電極３３を混在させ、その混在比率を調整することで、圧電体膜３４の物性、特に、圧電体膜３４の誘電率（比誘電率ε_γ）を適切に制御することができる。これにより、作製コストを嵩ませることなく、高感度の振動素子２０を得ることができる。

下部電極３３の材料には、上層に成膜する圧電材の圧電効果が出せるもので、かつ、圧電材料中の成分元素と反応化合物を生成しないもの、表面平滑性が良いもの、圧電材料の成膜プロセス温度変化により合金相を析出しないものが望ましい。それにより圧電体膜３４と下部電極３３の密着し剥がれ難くなり、圧電特性の継時的な劣化が抑制されるという効果が得られる。

例えば、圧電体膜３４の材料として、結晶の単位格子大きさを表す格子定数が３．９〜４．１［Å］のものが用いられる場合は、上述の効果が得られる下部電極３３の材料としては、格子定数が３．９〜４．１［Å］の範囲ものが用いられる。

このような格子定数を有する下部電極３３の材料として、例えば、白金（Ｐｔ）、ＬＮＯ（ＬａＮｉＯ_３）などのペロブスカイト型化合物、銀（Ａｇ）を主成分としてパラジウム（Ｐｄ）を含む銀合金（Ａｇ−Ｐｄ）が挙げられる。

なお、下部電極３３において使用可能な材料に関する他の例としては、銅（Ｃｕ）、珪素（Ｓｉ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）のうち少なくとも１種類を含有する銀合金がある。

また、下部電極３３の材料は、格子定数が４．０〜４．１［Å］である（Ｂａ，Ｌａ）ＴｉＯ_３、（Ｂａ，Ｌａ）ＳｎＯ_３であってもよい。さらに、ＳｒＲｕＯ_３であってもよい。これらの材料は、白金（Ｐｔ）、ＬＮＯ、銀合金（Ａｇ−Ｐｄ）と同様に、圧電材の圧電効果が出るものである。

振動板３２上に下部電極３３を成膜する方法としては、スパッタリング法、イオンプレーティング法、分子線エピタキシー法、レーザアブレーション法、イオン化クラスタビーム蒸着法、並びにイオンビーム蒸着法などのＰＶＤ法が用いられる。なお、成膜方法として、上記する材料をターゲット材料としたスパッタリング法を用いることが好ましい。

振動板３２上に下部電極３３を例えば多源スパッタリング法で成膜すれば、また、ターゲット材料として銀（Ａｇ）およびパラジウム（Ｐｄ）を用いたとき、試料とターゲット材料の位置関係により、試料中に銀（Ａｇ）とパラジウム（Ｐｄ）の含有量を少しずつ異ならせた領域を一度に作製でき、格子定数の微調整が容易にでき、圧電体膜３４の格子定数と下部電極３３の格子定数を適切に調整でき、誘電率を制御できる。

下部電極３３の材料が銀合金（Ａｇ−Ｐｄ）である場合において、いずれかの積層体３０Ａ、３０Ｂの下部電極３３は、他のいずれかの積層体３０Ａ、３０Ｂの下部電極３３とは異なる、銀（Ａｇ）とパラジウム（ＰＤ）の組成比を有する。これにより、積層体３０Ａの静電容量は、積層体３０Ｂの静電容量とは異なるものとなる。

圧電体膜３４の比誘電率ε_γは、公知の測定方法で確認できる。

比誘電率ε_γの測定方法の一例を説明する。圧電体膜３４の比誘電率ε_γの測定には、例えば、比誘電率ε_γの測定対象として、下部電極３３に膜厚が１［μｍ］／１００［ｎｍ］となるようにＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）／ＰＬＴ（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ_３）を成膜したものが用いられる。この測定対象を例えばソーヤタワー回路にセットし、圧電体膜３４の両極に交流電源１［ＭＨｚ］を印加する。圧電体膜３４の両極に印加された電圧と、圧電体膜３４の両極に誘起された電荷とに基づいて、圧電体膜３４の比誘電率ε_γが測定される。

下部電極３３の材料等と圧電体膜３４の比誘電率ε_γとの関係は例えば次の通りである。材料が白金（Ｐｔ）の場合、比誘電率ε_γは４８０である。また、材料がＬＮＯ（ＬａＮｉＯ_３）の場合、比誘電率ε_γは５５０である。さらに、材料組成比が銀（Ａｇ）を主成分として４５％のパラジウム（Ｐｄ）を含む銀合金Ａｇ−Ｐｄ（４５％）の場合、比誘電率ε_γは２６０である。さらに、材料組成比が銀（Ａｇ）を主成分として２５％のパラジウム（Ｐｄ）を含む銀合金Ａｇ−Ｐｄ（２５％）の場合、比誘電率ε_γは２３０である。

このことから、積層体３０Ａ、３０Ｂが同一の構造であっても、それらの下部電極３３の材料等が異なることにより、積層体３０Ａ、３０Ｂの静電容量が異なる。そのため、ＭＯＳＦＥＴ（検出素子）に接続される積層体群３００における積層体３０Ａ、３０Ｂの組み合わせを調整することで、積層体群３００（積層体３０Ａ、３０Ｂ）側の静電容量を、検出系１３０においてその積層体群３００に電気的に接続されるＭＯＳＦＥＴ（検出素子）の入力側の静電容量と整合させることが可能となり、高感度の振動素子２０が得られる。また、このように検出系１３０側の第２静電容量Ｃ_ｉｎに対して振動素子２０側の第１静電容量Ｃ_ｆを整合させる手法を採ることにより、ＭＯＳＦＥＴの製造公差（個体差）などに起因して検出系１３０側の第２静電容量Ｃ_ｉｎが常に同一とならなくても必ずその第２静電容量Ｃ_ｉｎに対して振動素子２０側の第１静電容量Ｃ_ｆを一致させることができる。

図５に積層体３０Ａ、３０Ｂの混在比率の調整例を示す。積層体３０Ａを白抜きの円で示し、積層体３０Ｂをハッチングが施された円で示す。この例では、同一チャンネルにおける積層体３０Ａ、３０Ｂの総数が一定の２６個であって、積層体３０Ａ、３０Ｂの混在比率が「１３：１３」〜「２４：２」で調整されている。このように積層体３０Ａ、３０Ｂの混在比率を変えることで、振動素子２０全体の第１静電容量Ｃ_ｆを調整することも可能である。

次に、ＭＯＳＦＥＴ（検出素子）に接続される積層体群側の第１静電容量Ｃ_ｆをＭＯＳＦＥＴ（検出素子）の入力側の第２静電容量Ｃ_ｉｎと整合させることについて表１を参照して説明する。なお、説明をわかり易くするため、ＭＯＳＦＥＴ（検出素子）に接続された積層体群３００における積層体の数が２〜４個であるものを例に挙げて説明する。

表１に、下部電極３３の材料もしくは材料組成比が異なることにより作製された積層体群３００側の第１静電容量Ｃ_ｆを表す。なお、振動素子２０の作製を容易にするため、同一チャンネル（振動素子２０）における積層体が同一構造であることから、圧電体膜３４の厚みｄが同一であり、寸法（例えば辺の長さ）Ｌが同一であることが前提条件となる。

表１において、ｄは圧電体膜３４の厚みであり、ε_γは圧電体膜３４の比誘電率であり、Ｃ_ｆは圧電体膜３４の静電容量（積層体群３００における各積層体の第１静電容量）であり、Ｌは正方形状の圧電体膜３４の辺の長さである。なお、５［ＭＨｚ］用の積層体を作製するとき長さＬが５３［μｍ］の圧電体膜３４が用いられる。また、１［ＭＨｚ］用の積層体を作製するとき長さＬが１０６［μｍ］の圧電体膜３４が用いられる。これらを式（１）に代入することで、各積層体の第１静電容量Ｃ_ｆが算出される。なお、真空の誘電率ε_ｏを８．８５［ｐＦ／ｍ］とする。
Ｃ_ｆ＝ε_ｏε_γＬ^２／ｄ （１）

表１から、例えば、ｄ＝１［μｍ］、ε_γ＝２００、Ｌ＝５３［μｍ］の圧電体膜３４のとき、積層体の第１静電容量Ｃ_ｆは５［ｐＦ］となる。また、例えば、ｄ＝１［μｍ］、ε_γ＝４００、Ｌ＝５３［μｍ］の圧電体膜３４のとき、積層体の第１静電容量Ｃｆは１０［ｐＦ］となる。なお、上記の前提条件により圧電体膜３４の厚みｄが同一であり、辺の長さＬが同一である。

これに対し、ＭＯＳＦＥＴ（検出素子）の入力側の第２静電容量Ｃ_ｉｎが１５［ｐＦ］のとき、上記２種類の第１静電容量Ｃ_ｆを有する圧電体膜３４を用いて２種類の積層体３０Ａ、３０Ｂを作製すると、それらの第１静電容量Ｃ_ｆの合計は１５（＝５＋１０）［ｐＦ］となる。積層体３０Ａ、３０Ｂの組み合わせにより積層体群３００が構成され、その積層体群３００に１つのＭＯＳＦＥＴ（検出素子）が接続されることにより、組み合わされた積層体３０Ａ、３０Ｂ側の第１静電容量Ｃ_ｆの合計をＭＯＳＦＥＴ（検出素子）の入力側の第２静電容量Ｃ_ｉｎと整合させることができる。なお、上記の整合を行うとき、第１静電容量Ｃ_ｆの合計を第２静電容量Ｃ_ｉｎに一致させたが、必ずしも一致させる必要がない。第１静電容量Ｃ_ｆの合計が不連続な数値を示すため、一致させることが難しい場合は、振動素子２０が高感度になるように、第１静電容量Ｃ_ｆの合計が第２静電容量Ｃ_ｉｎに近づくように、積層体を組み合わせることで、第１静電容量Ｃ_ｆの合計を第２静電容量Ｃ_ｉｎとほぼ一致させるようにして整合させてもよい。なお、第１静電容量Ｃ_ｆの合計と第２静電容量Ｃ_ｉｎの差は-２０%〜＋２０％程度が望ましい。

上記のように、積層体３０Ａ、３０Ｂの組み合わせにより積層体群３００が構成されたとき、図６Ａに示すように、積層体３０Ａ、３０Ｂ（図６にＡ、Ｂで示す）同士が互い違いになるように各積層体群３００がエレベーション方向（Ｙ方向）に配列される。その理由は、異なる第１静電容量を有する積層体３０Ａ、３０Ｂ同士がなるべく混じるようにして、音響的特性の均一化を図るためである。なお、図６Ａに積層体群３００を破線で示す。積層体群３００における積層体３０Ａ、３０Ｂでは、下部電極３３同士が接続される。

また、表１から、例えば、ｄ＝１［μｍ］、ε_γ＝１００、Ｌ＝５３［μｍ］の圧電体膜３４のとき、積層体の第１静電容量Ｃ_ｆは２．５［ｐＦ］となる。また、例えば、ｄ＝１［μｍ］、ε_γ＝４００、Ｌ＝５３［μｍ］の圧電体膜３４のとき、積層体の第１静電容量Ｃ_ｆは１０［ｐＦ］となる。なお、上記の前提条件により圧電体膜３４の厚みｄが同一であり、辺の長さＬが同一である。

これに対し、ＭＯＳＦＥＴ（検出素子）の入力側の第２静電容量Ｃ_ｉｎが２２．５［ｐＦ］のとき、上記２種類の第１静電容量Ｃ_ｆを有する圧電体膜３４を用いて２種類の積層体を作製すれば、それらの第１静電容量Ｃ_ｆの合計は２２．５（＝２．５＋１０＋１０）［ｐＦ］となる。２個の積層体３０Ａと１個の積層体３０Ｂとの組み合わせにより積層体群３００が構成され、その積層体群３００に１つのＭＯＳＦＥＴ（検出素子）が接続されることにより、組み合わされた積層体３０Ａ、３０Ｂ側の第１静電容量Ｃ_ｆの合計をＭＯＳＦＥＴ（検出素子）の入力側の第２静電容量Ｃ_ｉｎと一致させることができる。

上記のように、２個の積層体３０Ａと１個の積層体３０Ｂとを組み合わせて積層体群３００を構成したとき、音響的特性の均一化を図るために、図６Ｂに示すように、２個の積層体３０Ａと１個の積層体３０Ｂとを組み合わせた積層体群３００の全体形状は、例えばＬ字形状であって、その角に１個の積層体３０Ｂが配置した形状となる。このＬ字形状が互いに組み合わさるように各積層体群３００がエレベーション方向（Ｙ方向）に配列される。なお、図６Ｂに積層体群３００を破線で示す。積層体群３００における積層体３０Ａ、３０Ｂでは下部電極３３同士が接続される。

なお、表１には示さないが、４種類の積層体３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄの組み合わせにより積層体群３００が構成され、その積層体群３００に１つのＭＯＳＦＥＴ（検出素子）が接続されることにより、積層体群３００（積層体３０Ａ、３０Ｂ）側の第１静電容量Ｃ_ｆをＭＯＳＦＥＴ（検出素子）の入力側の第２静電容量Ｃ_ｉｎと整合させることができる。４種類の積層体３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄを組み合わせて積層体群３００を構成したとき、音響的特性の均一化を図るため、積層体群３００の全体形状は、図６Ｃに示すように、積層体３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄを四隅に配置した四角形状となる。この四角形状の積層体群３００がエレベーション方向（Ｙ方向）に配列される。図６Ｃに積層体群３００を破線で示す。積層体群３００における積層体３０Ａ、３０Ｂでは下部電極３３同士が接続される。

以上のようにして、面積に応じて第２静電容量Ｃ_ｉｎが変化するＭＯＳＦＥＴ（検出素子）に合わせて、そのＭＯＳＦＥＴに電気的に接続される積層体群３００の第１静電容量Ｃ_ｆを調整することができる。なお、言うまでもないが、個々のＭＯＳＦＥＴに一つずつ積層体３０を電気的に接続するだけで互いの静電容量が一致する場合は、これらを一対一で電気的に接続すればよい。

図６Ａ〜６Ｃに示したように、振動素子２０において異なる種類の積層体３０Ａ、３０Ｂを分散して配置することができるが、静電容量調整上、同じ種類の積層体３０Ａまたは積層体３０Ｂを隣接して配置することもあり得る。その一例を図７に示す。この例では、８個の隣接配置された積層体３０Ａからなる積層体集合体３０１と、８個の隣接配置された積層体３０Ｂからなる積層体集合体３０１とが、振動素子２０において交互に配置されている。

積層体集合部３０１がこのように配置された振動素子２０では、個々の積層体集合部３０１の寸法は、受信対象の超音波の半波長以下である。図７に示すように、例えば、Ｌを積層体集合部３０１（積層体３０Ａの集合又は積層体３０Ｂの集合）のエレベーション方向（Ｙ方向）の寸法、λは受信対象の超音波の波長とすれば、音響的特性の均一化を図るために許容される積層体集合部３０１の配置条件は、Ｌ≦λ／２となる。

なお、上記実施の形態では、同一の積層体３０Ａ、３０Ｂに含まれる下部電極３３と上部電極３５との面積が同一であるものを示した。これに対し、同一の積層体３０Ａ、３０Ｂに含まれる下部電極３３と上部電極３５との面積が異なることで感度が上がる場合がある。感度を上げるために、一方の電極の面積より他方の電極の面積を小さくすればよいが、ここでは、下部電極３３の面積より上部電極３５の面積を小さくする。それは、下部電極３３はその上に圧電体膜３４が成膜されることから、一定の面積を確保する必要があるためである。

例えば、図８Ａに示すように、下部電極３３の円の直径Ｒより上部電極３５の円の直径Ｒ１を小さくすることで、下部電極３３の面積より上部電極３５の面積を小さくする。

また、例えば、図８Ｂに示すように、下部電極３３が円形状を有し、上部電極３５がリング形状を有し、下部電極３３が円の直径Ｒ２と上部電極３５のリング形状の外径Ｒ３とは等しいとき、上部電極３５をリング形状にすることで（リング形状の内径Ｒ４で示す）、下部電極３３の面積より上部電極３５の面積を小さくする。

上記する超音波振動子１０において、積層体が積層体３０Ａ（本発明の「第１の積層体」に対応）および積層体３０Ｂ（本発明の「第２の積層体」に対応）を含み、複数の振動素子が複数のチャンネルのアレイを構成するとき、一つのチャンネルにおいて、積層体３０Ａ同士が隣り合わないように配置されるとよい。これにより、積層体３０Ａがそれとは異なる種類の積層体（例えば積層体３０Ｂ）等と混じり合うことになるため、音響的特性の均一化を図ることができる。

上記する超音波振動子１０は、振動素子２０が１つのチャンネルを構成するものであったが、同一チャンネルの振動素子２０を構成する所定数の積層体３０Ａ、３０Ｂは、複数のサブチャンネルに分割されてもよい。このとき、複数のサブチャンネルのうち同一サブチャンネルに含まれる下部電極３３は、互いに電気的に接続される。電子走査に用いられるサブチャンネルにおける積層体の数は、１つのチャンネルにおける積層体の数より少ないが、被検体内の浅い部位を走査することが可能である。

その他、上記実施の形態は、何れも本発明の実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本発明は、超音波振動子を備えた超音波診断装置に適用できる。小型、高密度に作製された振動素子を用いることで、超音波プローブが小型、軽量となり、超音波プローブの操作性を向上させることができる。

Ｓ 超音波診断装置
１ 超音波診断装置本体
２ 超音波プローブ
１０ 超音波振動子
２０Ａ 振動子配列
２０ 振動素子
３０ 積層体
３０Ａ 積層体
３０Ｂ 積層体
３１ 基板
３２ 振動板
３３ 下部電極
３４ 圧電体膜
３５ 上部電極
１３０ 検出系
３００ 積層体群

Claims (13)

1. 振動板、下部電極、圧電体膜および上部電極がこの順で積層された複数の積層体を有する超音波振動子であって、
   前記複数の積層体は所定数毎に分けられて複数の振動素子を構成し、
   前記複数の振動素子のうち少なくとも一つの振動素子それぞれにおいて、いずれかの積層体は、他のいずれかの積層体の下部電極とは異なる材料もしくは材料組成比の下部電極を有する、超音波振動子。
2. 前記複数の積層体の間で、前記圧電体膜は、同一の材料からなり、かつ、同一の厚みを有する、請求項１に記載の超音波振動子。
3. 前記複数の積層体は、同一の構造を有する、請求項１または２に記載の超音波振動子。
4. 同一の積層体に含まれる前記下部電極と前記上部電極とが、異なる面積を有する、請求項１から３のいずれか一つに記載の超音波振動子。
5. 前記少なくとも一つの振動素子それぞれを構成する前記所定数の積層体は、一つずつ、あるいは２個以上の積層体を組み合わせた積層体群毎に、一つの検出素子に電気的に接続し、積層体一つずつの静電容量あるいは積層体群毎の静電容量は、電気的に接続された前記一つの検出素子の静電容量と整合する、請求項１から４のいずれか一つに記載の超音波振動子。
6. 積層体一つずつの静電容量あるいは積層体群毎の静電容量は、電気的に接続された前記一つの検出素子の静電容量と一致する、請求項５に記載の超音波振動子。
7. 前記積層体は第１の積層体と、前記第１の積層体の下部電極とは材料もしくは材料組成比の異なる下部電極を有する第２の積層体を含み、
   前記複数の振動素子は、複数チャンネルのアレイを構成し、
   一つのチャンネルにおいて前記第１の積層体同士が隣り合わないように配置される請求項１〜６のいずれか一つに記載の超音波振動子。
8. 前記少なくとも一つの振動素子それぞれにおいて、同じ材料もしくは材料組成比の前記下部電極を有する二つ以上の積層体が隣接配置されている積層体集合部が分散して配置されており、
   個々の積層体集合部の寸法は、受信対象の超音波の半波長以下である、請求項１から７のいずれか一つに記載の超音波振動子。
9. 前記下部電極の材料に、格子定数３．９〜４．１［Å］を有する材料が用いられる、請求項１から５のいずれか一つに記載の超音波振動子。
10. 前記下部電極の材料として、ＡｇにＰｄが含有された銀合金が用いられる、請求項９に記載の超音波振動子。
11. 前記複数の振動素子は、複数チャンネルのアレイを構成する、請求項１から１０のいずれか一つに記載の超音波振動子。
12. 前記複数の振動素子のうち同一チャンネルの振動素子を構成する前記所定数の積層体は、複数のサブチャンネルに分割され、
    前記複数のサブチャンネルのうち同一サブチャンネルに含まれる前記下部電極は、互いに電気的に接続されている、請求項１１に記載の超音波振動子。
13. 請求項１から１２のいずれか一つに記載の超音波振動子を有する超音波診断装置。
    

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