JP6849483B2 - 超音波変換器及び超音波プローブ - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、超音波変換器及び超音波プローブに関する。
超音波診断装置の超音波変換器（トランスデューサー）として、圧電型トランスデューサー（ｐＭＵＴ：ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄa Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）がある。ｐＭＵＴでは、例えばシリコン単結晶薄膜と両面に電極を持つ圧電薄膜を積層してバイモルフ構造とし、圧電薄膜の伸縮により超音波の送受信が行われる。ｐＭＵＴでは、通常、複数の振動子が並べられて配置され、並列駆動する。
しかしながら、複数の振動子の間を連結する部分にも静電容量が発生するが、これらの場所にはキャビティがないため、静電容量は超音波の送受信には寄与せず、超音波の送受信効率が低下する。
また、基板に形成されるキャビティのエッジ部に圧電性があると、トランスデューサーの膜としての自由振動が阻害されるので、周波数特性が悪化する場合がある。また、これらキャビティのエッジ部分の劣化にもつながる場合がある。
特開２０１４−１２７９２１号公報
本発明が解決しようとする課題は、超音波変換器の送受信感度を改善することである。
実施形態に係る超音波変換器は、圧電層と、第１の電極と、第２の電極と、ベース層と、基板とを備える。第１の電極は、前記圧電層の正面側に位置し、第１の方向に沿って延在する。第２の電極は、前記圧電層の背面側に位置し、前記第１の方向と交差する第２の方向に沿って延在する。基板は、前記ベース層の背面側に位置する。前記第１の電極と前記第２の電極それぞれは、前記圧電層の前記正面側から見て前記第１の電極と前記第２の電極が重なり合う部分である重なり部分を含む。基板には、前記第１の電極と前記第２の電極それぞれにおける前記重なり部分の背面側にキャビティが形成される。前記第１の電極と前記第２の電極それぞれにおいて、前記重なり部分の幅は、前記重なり部分の周辺部分の幅より大きい。
図１は、実施形態に係る超音波プローブが組み込まれる超音波診断装置の一例を示した図である。 図２は、実施形態に係る超音波変換器の構造の一例を示した図である。 図３は、従来技術に係る超音波プローブに係る配線の一例について説明した図である。 図４は、従来技術に係る超音波プローブに係る配線の一例について説明した図である。 図５は、実施形態に係る背景について説明した図である。 図６は、実施形態に係る超音波プローブに係る配線の一例について説明した図である。 図７は、実施形態に係る超音波プローブに係る配線の一例について説明した図である。 図８は、実施形態に係る超音波プローブに係る配線をより詳細に説明した図である。 図９は、実施形態に係る超音波プローブに係る配線をより詳細に説明した図である。 図１０は、実施形態に係る超音波プローブに係る配線をより詳細に説明した図である。 図１１は、図１０に係る配線とは異なる配線を説明した図である。
以下、実施形態について図面を参照しながら説明する。
（実施形態）
まず、実施形態に係る超音波プローブが組み込まれる超音波診断装置の構成について説明する。図１は、実施形態に係る超音波プローブが組み込まれる超音波診断装置の構成例を示す図である。図１に例示するように、実施形態に係る超音波診断装置は、超音波プローブ１０１と、装置本体１０と、ディスプレイ１３５と、入力装置１３４とを有する。
超音波プローブ１０１は、複数の超音波変換器１００（トランスデューサー）を有し、これら複数の超音波変換器１００は、後述する装置本体１０が有する送信回路９から供給される駆動信号に基づき超音波を発生する。また、超音波プローブ１０１が有する複数の超音波変換器１００は、被検体Ｐからの反射波を受信して電気信号（反射波信号）に変換する。また、超音波プローブ１０１は、超音波変換器１００に設けられる整合層と、圧電振動子から後方への超音波の伝播を防止するバッキング材等を有する。なお、超音波プローブ１０１は、装置本体１０と着脱自在に接続される。また、一つの超音波変換器１００が超音波プローブ１０１の一つのチャネルを構成してもよいし、逆に超音波変換器１００が複数集まって、超音波プローブ１０１の１つのチャネルを構成してもよい。
超音波プローブ１０１から被検体Ｐに超音波が送信されると、送信された超音波は、被検体Ｐの体内組織における音響インピーダンスの不連続面で次々と反射され、反射波として超音波プローブ１０１が有する複数の超音波変換器１００にて受信され、反射波信号に変換される。反射波信号の振幅は、超音波が反射される不連続面における音響インピーダンスの差に依存する。なお、送信された超音波パルスが、移動している血流や心臓壁等の表面で反射された場合の反射波信号は、ドプラ効果により、移動体の超音波送信方向に対する速度成分に依存して、周波数偏移を受ける。
かかる超音波変換器１００の構造の一例が、図２に断面図として示されている。図２は、実施形態に係る超音波変換器１００の構造の一例を示した図である。超音波変換器１００は、圧電層１と、第１の電極２と、第２の電極３と、ベース層４と、基板５とを備える。なお、電源７及び、電源７から第１の電極２又は第２の電極３へと至る配線部分は、超音波変換器１００には含まれない。
圧電層１は、圧電体を含んで構成される薄膜である。圧電層１は、物質に圧力を加えるとその圧力に比例した分極が生じる現象である圧電効果（piezoelectric effect）及び逆圧電効果を発現する。
第１の電極２は、圧電層１の正面側に位置する電極である。ここで、「正面側」とは、被検体Ｐに近い側、すなわち整合層に近い側を意味する。第１の電極２は、導電性物質で構成される。第１の電極２は、超音波変換器１００が超音波を送信する場合、送信回路９が有する交流電源７へと接続される。また、第１の電極２は、超音波変換器１００が超音波を受信する場合、受信回路１１へと接続される。なお、第１の電極２の圧電層１に対する配置の詳細については後ほど詳細に説明する。
第２の電極３は、圧電層１の背面側に位置する電極である。ここで、「背面側」とは、被検体Ｐから遠ざかる側、すなわち例えばバッキング材のある側を意味する。第２の電極３は、導電性物質で構成される。第２の電極３は、超音波変換器１００が超音波を送信する場合、送信回路９が有する交流電源７へと接続される。また、第２の電極３は、超音波変換器１００が超音波を受信する場合、受信回路１１へと接続される。なお、第２の電極３の圧電層１に対する配置の詳細についても後ほど詳細に説明する。
ベース層４は、両面に電極を持つ圧電層１とともにバイモルフ構造を形成するための層であり、ベース層４は第２の電極３の背面側に形成される。ベース層４は、例えばシリコン単結晶薄膜で構成される。
また、基板５が、ベース層４の背面側に形成される。基板５は、例えばシリコン系の部材で構成される。
ここで、ベース層４及び圧電層１を振動させるため、基板５には、キャビティ６が形成される。キャビティ６の形状としては、典型的には、図２に示すように円柱などの柱状の形状が選択される。しかしながら、実施形態はこれに限られず、キャビティ６の形状としては、例えば円錐台等他の形の形状でもよい。なお、キャビティ６が例えば円錐台形状等である場合、ベース層４と接する部分におけるキャビティ６の直径を、「キャビティ６の直径」と呼ぶものとする。
キャビティ６が形成されていない場所においては、ベース層４は基板５に対して固定されているので、この場所ではベース層４及び圧電層１は振動しない。これに対して、キャビティ６が形成されている場所においては、ベース層４は基板５に対して固定されておらず、自由に変位できるので、この場所ではベース層４及び圧電層１は振動しやすい。このようにして、キャビティ６の形成により、ベース層４及び圧電層１は振動しやすくなる。
以上を踏まえて、交流電源７が超音波変換器１００に印加された場合の動作について説明する。圧電層１の両端に電圧が印加されると、逆圧電効果により、圧電層１はその位置が変位する。特に、圧電層１の両端に交流電圧が印加されると、逆圧電効果により、圧電層１は、振動する。圧電層１の振動はベース層４に伝えられ、圧電層１及びベース層４は、キャビティ６が形成されている領域の直上で、特に大きく振動する。かかる振動が、超音波として送信される。このようにして、電気信号が力学的変位に変換される。
また、超音波変換器１００が振動を検出した場合の動作について説明する。前述のように、圧電層１及びベース層４は、キャビティ６が形成されている領域の直上で、特に大きく振動する。圧電層１が振動すると、圧電効果により、圧電層１の両端に交流電圧が発生する。かかる電圧が、受信回路１１により検出され、力学的変位が電気信号に変換される。
図１に戻り、装置本体１０は、超音波プローブ１０１が受信した反射波信号に基づいて超音波画像データを生成する装置である。装置本体１０は、図１に例示するように、送信回路９と、受信回路１１と、Ａ／Ｄ変換回路１０２と、直交検波回路１０３と、記憶回路１３２と、処理回路１５０とを有する。処理回路１５０は、Ｂモード処理機能１５１と、ドプラ処理機能１５２と、制御機能１５３と、画像生成機能１５４とを備える。
送信回路９は、レートパルス発生器と、送信遅延回路と、送信パルサとを有し、超音波プローブ１０１に駆動信号を供給する。レートパルス発生器は、所定のレート周波数で、送信超音波を形成するためのレートパルスを繰り返し発生する。レートパルスは、送信遅延回路を通ることで異なる送信遅延時間を有した状態で送信パルサへ電圧を印加する。すなわち、送信遅延回路は、超音波プローブ１０１から発生される超音波をビーム状に集束して送信指向性を決定するために必要な圧電振動子ごとの送信遅延時間を、レートパルス発生器が発生する各レートパルスに対し与える。なお、ビーム状に集束された超音波のことを「超音波ビーム」と呼ぶ。
送信パルサは、かかるレートパルスに基づくタイミングで、超音波プローブ１０１に駆動信号（駆動パルス）を印加する。駆動パルスは、送信パルサからケーブルを介して超音波プローブ１０１内の超音波変換器１００まで伝達した後に、超音波変換器１００において電気信号から機械的振動に変換される。この機械的振動は、生体内部で超音波として送信される。ここで、超音波変換器１００ごとに異なる送信遅延時間を持った超音波は、収束されて、所定方向に伝搬していく。すなわち、送信遅延回路は、各レートパルスに対し与える送信遅延時間を変化させることで、超音波変換器１００の振動面からの送信方向を任意に調整する。
送信回路９は、処理回路１５０の制御機能１５３により、送信開口（超音波ビームの送信時に用いる圧電振動子の数及び位置）を制御することで、送信指向性を与える。送信回路９は、１本の走査線での超音波送信が完了する度に、送信開口を移動する。また、送信回路９は、送信開口の各圧電振動子が駆動するタイミングを、送信遅延回路を用いて制御することで、超音波をビーム状に集束させる。
なお、送信回路９は、後述する制御機能１５３の指示に基づいて、所定のスキャンシーケンスを実行するために、送信周波数、送信駆動電圧等を瞬時に変更可能な機能を有している。特に、送信駆動電圧の変更は、瞬間にその値を切り替え可能なリニアアンプ型の発信回路、または、複数の電源ユニットを電気的に切り替える機構によって実現される。
受信回路１１は、超音波プローブ１０１から反射波信号を受信する。より具体的には、超音波プローブ１０１が送信した超音波の反射波が超音波プローブ１０１内部の超音波変換器１００まで到達した後、超音波変換器１００において、機械的振動から電気信号（反射波信号）に変換され、受信回路１１に入力される。受信回路１１は、プリアンプと、受信遅延加算回路とを有し、超音波プローブ１０１が受信した反射波信号に対して各種処理を行なって、アナログデータである反射波データを生成する。
プリアンプは、チャンネルごとに反射波信号を増幅してゲイン調整を行なう。受信遅延加算回路は、反射波信号に受信指向性を決定するのに必要な受信遅延時間を与える。また、受信遅延加算回路は、受信遅延時間が与えられたことで時相が揃えられた反射波信号の加算処理（整相加算処理）を行なって反射波データを生成する。受信遅延加算回路の整相加算処理により、反射波信号の受信指向性に応じた方向からの反射成分が強調される。
受信回路１１は、制御機能１５３により、受信開口（反射波信号の受信時に用いる圧電振動子の数及び位置）を制御することで、受信指向性を与える。受信回路１１は、送信開口が移動される度に、受信開口を移動する。受信回路１１は、受信開口の各圧電振動子が受信した反射波信号を整相加算することで、１本の走査線における反射波データを生成する。
このように、送信回路９及び受信回路１１は、超音波の送受信における送信指向性と受信指向性とを制御する。
Ａ／Ｄ変換回路１０２は、受信回路１１によって受信した収集信号列をデジタル変換する。また、直交検波回路１０３は、受信回路１１によって受信した反射波データをベースバンド帯域の同相信号（Ｉ信号、Ｉ：In-phase）と直交信号（Ｑ信号、Ｑ：Quadrature-phase）とに変換する。例えば、Ｉ信号は、ドプラ変位した波のコサイン部分（実部）である信号であり、Ｑ信号は、ドプラ変位した波のサイン部分（虚部）である信号である。
処理回路１５０は、ドプラ処理機能１５２により、Ａ／Ｄ変換回路１０２及び直交検波回路１０３によってデジタルデータに変換された反射波データを周波数解析することで、ドプラ効果に基づく移動体（血流や組織、造影剤エコー成分等）の運動情報を抽出したデータ（ドプラデータ）を生成する。具体的には、ドプラ処理機能１５２は、移動体の運動情報として、平均速度、分散値、パワー値等を多点にわたり抽出したドプラデータを生成する。
ドプラモードが選択されている場合、同一走査線上で複数回の超音波を送信することで、複数の反射波データが収集されている。このため、直交検波回路１０３は、同一走査線上の各サンプル点で複数のＩＱ信号を生成することになる。
なお、ドプラモードにおいて、同一方向に複数回照射したデータの同一深度からの反射波データを時系列に並べた複数のＩＱ信号の列を、「パケット」と呼ぶ。処理回路１５０は、ドプラ処理機能１５２により、受信回路１１によって受信した反射波データを基に、パケットを生成する。
Ｂモード処理機能１５１は、Ａ／Ｄ変換回路１０２及び直交検波回路１０３によってデジタルデータに変換された反射波データに対して、対数増幅、包絡線検波処理、対数圧縮などを行なって、信号強度（振幅強度）が輝度の明るさで表現されるデータ（Ｂモードデータ）を生成する。また、Ｂモード処理機能１５１は、検波周波数を変化させることで、映像化する周波数帯域を変えることができる。
実施形態では、Ｂモード処理機能１５１、ドプラ処理機能１５２、制御機能１５３、画像生成機能１５４にて行われる各処理機能は、コンピュータによって実行可能なプログラムの形態で記憶回路１３２へ記憶されている。処理回路１５０はプログラムを記憶回路１３２から読み出し、実行することで各プログラムに対応する機能を実現するプロセッサである。換言すると、各プログラムを読み出した状態の処理回路１５０は、図１の処理回路１５０内に示された各機能を有することになる。なお、図１においては単一の処理回路１５０にて、Ｂモード処理機能１５１、ドプラ処理機能１５２、制御機能１５３、画像生成機能１５４にて行われる各機能が実現されるものとして説明したが、複数の独立したプロセッサを組み合わせて処理回路１５０を構成し、各プロセッサがプログラムを実行することにより機能を実現するものとしても構わない。
換言すると、上述のそれぞれの機能がプログラムとして構成され、１つの処理回路が各プログラムを実行する場合であってもよいし、特定の機能が専用の独立したプログラム実行回路に実装される場合であってもよい。
上記説明において用いた「プロセッサ」という文言は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）或いは、特定用途向け集積回路（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ：ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理デバイス（例えば、単純プログラマブル論理デバイス（Ｓｉｍｐｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ：ＳＰＬＤ）、複合プログラマブル論理デバイス（Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）、及びフィールドプログラマブルゲートアレイ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ：ＦＰＧＡ））等の回路を意味する。プロセッサは記憶回路１３２に保存されたプログラムを読み出し実行することで機能を実現する。
なお、記憶回路１３２にプログラムを保存する代わりに、プロセッサの回路内にプログラムを直接組み込むよう構成しても構わない。この場合、プロセッサは回路内に組み込まれたプログラムを読み出し実行することで機能を実現する。
処理回路１５０は、制御機能１５３により、超音波診断装置の処理全体を制御する。具体的には、処理回路１５０は、制御機能１５３により、入力装置１３４を介して操作者から入力された各種設定要求や、記憶回路１３２から読み込んだ各種制御プログラム及び各種データに基づき、送信回路９、受信回路１１、Ｂモード処理機能１５１、ドプラ処理機能１５２、及び画像生成機能１５４の処理を制御する。
また、処理回路１５０は、制御機能１５３により、記憶回路１３２が記憶する表示用の超音波画像データをディスプレイ１３５にて表示するように制御する。なお、記憶回路１３２は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の半導体メモリ素子であり、又は、ハードディスク、光ディスク等の記憶装置などである。また、Ｂモード処理機能１５１、直交検波回路１０３、処理回路１５０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro Processing Unit）などの電子回路やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などの集積回路である。
処理回路１５０は、画像生成機能１５４により、Ｂモード処理機能１５１及びドプラ処理機能１５２により生成したデータから超音波画像データを生成する。すなわち、画像生成機能１５４を有する処理回路１５０は、Ｂモード処理機能１５１により処理回路１５０が生成したＢモードデータから反射波の強度を輝度にて表したＢモード画像データを生成する。また、画像生成機能１５４は、処理回路１５０によりドプラ処理機能１５２が生成したドプラデータから移動体情報を表す平均速度画像、分散画像、パワー画像、又は、これらの組み合わせ画像としてのカラードプラ画像データを生成する。
記憶回路１３２は、画像生成機能１５４により処理回路１５０が生成した画像データを記憶するメモリである。また、記憶回路１３２は、処理回路１５０がＢモード処理機能１５１やドプラ処理機能１５２により生成したデータを記憶することも可能である。
入力装置１３４は、マウス、キーボード、ボタン、パネルスイッチ、タッチコマンドスクリーン、フットスイッチ、トラックボール、ジョイスティック等を有する。入力装置１３４は、超音波診断装置の操作者からの各種設定要求を受け付け、装置本体１０に対して受け付けた各種設定要求を転送する。
ディスプレイ１３５は、超音波診断装置の操作者が入力装置１３４を用いて各種設定要求を入力するためのＧＵＩ（Graphical User Interface）を表示したり、装置本体１０において生成された超音波画像データ等を表示したりする。
続いて、図３〜５を用いて、実施形態に係る背景について簡単に説明する。
超音波診断装置の超音波変換器（トランスデューサー）として、圧電型トランスデューサー（ｐＭＵＴ：ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）がある。ｐＭＵＴでは、例えばシリコン単結晶薄膜と両面に電極を持つ圧電薄膜を積層してバイモルフ構造とし、圧電薄膜の伸縮により超音波の送受信が行われる。ｐＭＵＴでは、通常、複数の振動子が並べられて配置され、並列駆動する。
図３及び図４に、従来技術に係る超音波プローブに係る配線の一例が示されている。図３は、従来技術に係る第１の電極２（上面電極）の配線を示した図である。より具体的には、図３は、正面側から、すなわち図２の上方側から、複数の超音波変換器１００に対する第１の電極２の配線を示した図である。すなわち、実線で囲まれた領域が、第１の電極２となる。なお、点線で示されているキャビティ６の一つ一つが図２のキャビティ６に対応し、従って図３の点線で示された円一つ一つに、超音波変換器１００が配置される。図４は、従来技術に係る第２の電極３の配線を示した図である。同様に、図４は、正面側から、すなわち図２の上方側から、複数の超音波変換器１００に対する第２の電極３（下面電極）の配線を示した図である。図４からわかるように、平面すべてが第２の電極３となる。なお、第２の電極３の配線は、図３においても、参考のため点線で示されている。また、説明の便宜上、図３及び図４において、実施形態に係る超音波プローブ１０１と同じ符号を用いて説明する。
図３及び図４からわかるように、従来技術においては、第２の電極３は、典型的には、全面ベタ導体となるような配線で、行われる。
ところで、超音波変換器１００による超音波送受信による振動が大きくなるのは、一般に、第１の電極２と第２の電極３と、キャビティ６とのすべての重なり部分となる。ここで、第１の電極２と第２の電極３との重なり部分とは、例えば、圧電層１の正面側から見て第１の電極２と第２の電極３とが重なり合う部分を意味する。また、例えば、電極とキャビティ６との重なり部分とは、例えば、圧電層１の正面側から見て電極とキャビティ６とが重なり合う部分を意味する。
ここで、図３において、第１の電極２と第２の電極３とキャビティ６との重なり部分について考察すると、図３、４のように、全面ベタ導体となるような配線を含む場合、配線の特徴としては、例えば以下のような２点の特徴が挙げられる。
第１の特徴として、複数の超音波変換器１００の間を連結する部分、例えば図３のキャビティ６同士の間にも静電容量が発生するが、これらの場所にはキャビティ６がないため、静電容量は超音波の送受信には寄与せず、従って、超音波の送受信効率が低下する。
第２の特徴として、図３において、第１の電極２と第２の電極３とキャビティ６との重なり部分が、キャビティ６のエッジ部分（すなわち円の点線部分）を含む。従って、キャビティ６のエッジ部分が圧電性を持つ場合がある。この場合、トランスデューサーの膜としての自由振動が阻害されるので、周波数特性が悪化する場合がある。また、キャビティ６のエッジ部分の圧電性は、キャビティ６のエッジ自体の劣化を引き起こす場合もある。
図５に、かかるシミュレーション結果の一例が示されている。図５において、点線は、キャビティ６のエッジを表しており、キャビティ６に対応する位置それぞれに、超音波変換器１００が設けられている。図５（ａ）は、電位を表し、濃い色ほど高電位を表す。また、図５（ｂ）は、各場所にかかる応力を表し、濃い色ほど応力集中が大きいことを意味する。例えば、図５（ｂ）で示されている高負荷領域１２では、応力が集中し、キャビティ６のエッジの劣化を引き起こす可能性がある。
実施形態に係る超音波変換器１００は、以上の背景に鑑みたものである。実施形態において、第１の電極２は、第１の方向に沿って延在する。第２の電極３は、第１の方向と交差する第２の方向に沿って延在する。圧電層１の正面側から見て第１の電極２と第２の電極３とが重なり合う部分を重なり部分と呼ぶと、第１の電極２と第２の電極３それぞれにおいて、重なり部分の幅は、重なり部分の周辺部分の幅より大きい。また、キャビティ６が、第１の電極２と第２の電極３それぞれにおける重なり部分の背面側に、重なり部分とキャビティ６の輪郭とが重ならないように、例えば構成される。
かかる構成について、図６〜１０を用いて説明する。図６及び図７は、実施形態に係る
超音波プローブ１０１の配線の例を示した図である。図６においては、第１の電極２の配線例を示している。図７においては、第２の電極３の配線の例を示している。図６及び図７において、点線で示された円それぞれは、キャビティ６を表している。キャビティ６の一つ一つに対して、超音波変換器１００が配置される。また、参考のため、図６においては、第２の電極３の配線が、図７においては、第１の電極２の配線が、それぞれ点線で示されている。
まずはじめに、超音波変換器１００の配列について説明する。図６及び図７からわかるように、実施形態に係る超音波プローブ１０１において、超音波変換器１００は、第１の電極２及び第２の電極３によって並列接続される。
超音波変換器１００は、図６及び図７に示されているように、例えば最密充填である三角格子状に配置される。これにより、超音波変換器１００同士の距離を保ちながら、超音波変換器１００の密度を最大限大きくすることができる。超音波変換器１００が三角格子状に配置されている場合、第１の電極２の配線パターン及び第２の電極３の配線パターンは、例えば図６及び図７に示されているように、圧電層１の正面側から見て、ストライプ状に交差する。この場合、第１の電極２は、超音波変換器１００の周辺で、第１の方向、すなわち図６の上下方向に沿って延在する。また、第２の電極３は、超音波変換器１００の周辺で、第１の方向と交差する第２の方向、に沿って延在する。ここで、第２の方向は、例えば第１の方向と直交する方向、例えば図７の左右方向である。
また、超音波変換器１００は、例えば正方格子状に配置されてもよい。この場合、第１の電極２の配線パターン及び第２の電極３の配線パターンは、圧電層１の正面側から見て、メッシュ状に交差する。
また、図６及び図７に示されているように、キャビティ６のサイズとしては、大小さまざまな異なったサイズのキャビティ６が、一つの超音波プローブ１０１に用いられる。キャビティ６のサイズにより、送受信超音波の周波数が互いに異なることから、互いに異なるサイズのキャビティ６を有する超音波変換器１００を組み合わせることにより、幅広い周波数帯域において、送受信超音波の周波数特性を安定させることができる。
次に、図８〜図１０を用いて、配線の詳細について説明する。図８〜図１０は、実施形態に係る超音波プローブ１０１に係る配線をより詳細に説明した図である。具体的には、図８〜図１０においては、一つの超音波変換器１００に着目し、その配線について示している。図８は、圧電層１の正面側から見た、第１の電極２の配線を示している。図９は、圧電層１の正面側から見た、第２の電極３の配線を示している。また、参考のため、図８においては、第２の電極３の配線が、図９においては、第１の電極２の配線が、それぞれ点線で示されている。図１０は、図８及び図９を重ねて表示したものである。
図８に示されているように、第１の電極２は、超音波変換器１００がある領域から離れた周辺領域において、直線状に第１の方向に沿って延在し、超音波変換器１００がある中心領域において、円形の形状を有する。また、図９に示されているように、第２の電極３は、超音波変換器１００がある領域から離れた周辺領域において、直線状に、第１の方向と交差する第２の方向に沿って延在し、超音波変換器１００がある中心領域において、円形の形状を有する。
これらを重ね合わせて表示させると、図１０のようになる。重なり領域５０は、圧電層１の正面側から見て、第１の電極２と第２の電極３とが重なりあう部分である重なり部分の領域を表す。周辺領域２ａ及び周辺領域２ｂは、第１の電極２における周辺部分を表す。また、周辺領域３ａ及び周辺領域３ｂは、第２の電極３における周辺部分を表す。ここで、周辺部分とは、例えば別の重なり部分との間のパターン部分であって、重なり部分に隣接する部分や、圧電層１の正面側からみてキャビティ６に重なるパターン部分であって、重なり部分に隣接する部分を指す。
換言すると、図８に示されているように、第１の電極２は、重なり領域５０において円形の形状を有し、重なり領域５０の周辺部分において、直線状に第１の方向に沿って延在する。また、図９に示されているように、第２の電極３は、重なり領域５０において円形の形状を有し、重なり領域５０の周辺部分において、直線状に、第１の方向と交差する第２の方向に沿って延在する。
ここで、重なり領域５０の輪郭の形状は、キャビティ６の輪郭の形状と略相似形状となるように構成される。すなわち、キャビティ６の輪郭が円形である場合、重なり領域５０の輪郭も、円形となるように構成される。キャビティ６の振動モードは、キャビティ６の輪郭の形状により定まるが、重なり領域５０の輪郭の形状がこれと同一であると、圧電効果による外力のパターンと、キャビティ６の振動モードとがおおむね一致する。従って、超音波送受信の精度が低下しにくくなる。
また、第１の電極２と第２の電極３それぞれにおいて、重なり領域５０の幅は、重なり領域５０の周辺部分の幅より大きくなる。ここで、第１の電極２における重なり領域５０の幅とは、例えば、重なり領域５０において、第１の電極２の長手方向（図１０の上下方向）に垂直な方向の長さ、すなわちＬ２となる。また、第１の電極２における重なり領域５０の周辺部分の幅とは、例えば、周辺領域２ａ及び周辺領域２ｂにおいて、第１の電極２の長手方向（図１０の上下方向）に垂直な方向の長さ、すなわちｌ２となる。従って、第１の電極２において、重なり領域５０の幅Ｌ２は、重なり領域５０の周辺部分の幅ｌ２より大きくなる。また、第２の電極３における重なり領域５０の幅とは、例えば、重なり領域５０において、第２の電極３の長手方向（図１０の左右方向）に垂直な方向の長さ、すなわちＬ１となる。また、第２の電極３における重なり領域５０の周辺部分の幅とは、例えば、周辺領域３ａ及び周辺領域３ｂにおいて、第２の電極３の長手方向（図１０の左右方向）に垂直な方向の長さ、すなわちｌ１となる。従って、第２の電極３において、重なり領域５０の幅Ｌ１は、重なり領域５０の周辺部分の幅ｌ１より大きくなる。
一方、図１１には、重なり領域８０の幅が、重なり領域８０の周辺部分の幅より大きくならない場合を示している。図１１は、図１０とは異なる配線を説明した図である。図１１は、図１０と同様に、第１の電極２及び第２の電極３の配線を重ね合わせて表示させたものである。重なり領域８０は、第１の電極２及び第２の電極３との重なり領域を表す。周辺領域６０ａ、６０ｂは、第１の電極２において、重なり領域８０の周辺部分を表す。周辺領域７０ａ、７０ｂは、第２の電極３において、重なり領域８０の周辺部分を表す。図１１の場合、第１の電極２において、重なり領域８０の幅Ｌ２は、重なり領域８０の周辺部分の幅ｌ２と等しい。また、第２の電極３において、重なり領域８０の幅Ｌ１は、重なり領域８０の周辺部分の幅ｌ１と等しい。
図１０と図１１を比較するとわかるように、重なり領域５０の幅が大きいことは、圧電効果に寄与する面積である、圧電膜の有効面積が大きいことを意味する。従って、実施形態に係る超音波プローブ１０１においては、圧電膜の有効面積が大きく、超音波送受信の効率が向上する。
一方で、第１の電極２と第２の電極３それぞれにおける重なり領域５０の幅及び重なり領域５０の周辺部分の幅は、キャビティ６の直径より小さく設計される。図１０の例では、第１の電極２において、重なり領域５０の幅Ｌ２及び重なり領域５０の周辺部分の幅ｌ２は、キャビティ６の直径より小さく設計されている。また、第２の電極３において、重なり領域５０の幅Ｌ１及び重なり領域５０の周辺部分の幅ｌ１は、キャビティ６の直径より小さく設計されている。
これにより、重なり領域５０と、キャビティ６の輪郭とが、重ならないような設計が可能となる。例えば、重なり領域５０の幅Ｌ１、Ｌ２の幅を、キャビティ６の直径の６０％程度とすることで、重なり領域５０と、キャビティ６の輪郭とが、重ならないような設計が可能となる。前述のように、重なり領域５０と、キャビティ６の輪郭とが重なってしまうと、キャビティ６のエッジの劣化が生じる。実施形態の構成をとることにより、キャビティ６のエッジの劣化の低減に寄与することができる。
以上のように、実施形態によれば、超音波変換器の送受信感度を改善することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
１ 圧電層
２ 第１の電極
３ 第２の電極
４ ベース層
５ 基板
６ キャビティ
１００ 超音波変換器
１０１ 超音波プローブ

Claims (10)

  1. 圧電層と、
    前記圧電層の正面側に位置し、第１の方向に沿って延在する第１の電極と、
    前記圧電層の背面側に位置し、前記第１の方向と交差する第２の方向に沿って延在する第２の電極と、
    前記第２の電極の背面側に位置するベース層と、
    前記ベース層の背面側に位置する基板とを備え、
    前記第１の電極と前記第２の電極それぞれは、前記圧電層の前記正面側から見て前記第１の電極と前記第２の電極が重なり合う部分である重なり部分を含み、
    前記基板には、前記第１の電極と前記第２の電極それぞれにおける前記重なり部分の背面側にキャビティが形成され、
    前記第１の電極と前記第２の電極それぞれにおいて、前記重なり部分の幅は、前記重なり部分の周辺部分の幅より大きく、
    前記基板には、互いに異なるサイズの前記キャビティが組み合わせられて形成される、
    超音波変換器。
  2. 前記第１の電極と前記第２の電極それぞれにおける前記重なり部分の幅及び前記重なり部分の周辺部分の幅は、前記キャビティの直径より小さい、請求項１に記載の超音波変換器。
  3. 前記重なり部分の輪郭は、円形である、請求項１又は２に記載の超音波変換器。
  4. 前記キャビティの輪郭は、円形である、請求項１〜３のいずれか一つに記載の超音波変換器。
  5. 前記重なり部分の輪郭と前記キャビティの輪郭とは、略相似形状を有する、請求項１〜４のいずれか一つに記載の超音波変換器。
  6. 前記重なり部分と前記キャビティの輪郭とは、重ならない、請求項１〜４のいずれか一つに記載の超音波変換器。
  7. 請求項１〜６のいずれか一つに記載の超音波変換器を複数備える、超音波プローブ。
  8. 複数の前記超音波変換器は、前記第１の電極及び前記第２の電極の配線によって並列接続される、請求項７に記載の超音波プローブ。
  9. 前記第１の電極の配線パターン及び前記第２の電極の配線パターンは、前記圧電層の前記正面側から見て、メッシュ状又はストライプ状に交差する、請求項８に記載の超音波プローブ。
  10. 複数の前記超音波変換器は、三角格子状に配置される、請求項８に記載の超音波プローブ。
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