JP2017046811A

JP2017046811A - 超音波デバイス、超音波モジュール、及び超音波測定機

Info

Publication number: JP2017046811A
Application number: JP2015171174A
Authority: JP
Inventors: 洋史松田; Yoji Matsuda
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2015-08-31
Filing date: 2015-08-31
Publication date: 2017-03-09
Also published as: US20170055950A1; CN106473772A

Abstract

【課題】簡易な処理で、高精度の超音波測定を実施可能な超音波デバイス、超音波モジュール、及び超音波測定機を提供する。
【解決手段】超音波デバイスは、超音波を送信する送信素子５１、及び、超音波を受信する受信素子５２を含み、Ｘ方向に沿って複数配置される超音波素子群５を備え、超音波素子群５において、超音波素子群に含まれる受信素子５２が配置される受信領域の重心位置は、Ｙ方向に沿った投影視において、超音波素子群５に含まれる送信素子５１が配置される送信領域と重なる。
【選択図】図６

Description

本発明は、超音波デバイス、超音波モジュール、及び超音波測定機に関する。

従来、超音波プローブを用いて超音波を送受信することにより超音波画像を形成する超音波診断装置（超音波測定装置）が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の装置では、超音波プローブは、送信用アレイと、受信用アレイと、を有する。これらのうち、送信用アレイは、基本波の超音波に対応した複数の基本波振動子が、当該基本波に対応する配列条件に従って１方向（スキャン方向）に配列された１次元アレイとして構成される。また、受信用アレイは、基本波に対する高次高調波の超音波に対応した複数の高調波振動子が、高次高調波の次数に対応する所定の配列条件に従って上記１方向に配列された１次元アレイとして構成される。これら送信用アレイと受信用アレイとが、平行に近接して配置される。

特開２０１１−１６０８５６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の超音波プローブでは、送信用アレイによって構成される送信開口に対して、受信用アレイによって構成される受信開口が、スキャン方向と直交するスライス方向に離間している。すなわち、スライス方向における送信開口及び受信開口の中心位置が異なっており、特に、特許文献１の構成では、受信開口の中心位置が、送信開口の外側に位置している。

このため、送信開口から送信された超音波（送信波）の収束領域（所謂、ホットスポット）が、超音波アレイの法線方向において、送信開口の中心位置に重なる位置よりも、スライス方向において受信開口側となるように、送信波を収束させる必要がある。このため、送信開口及び受信開口の中心位置がスライス方向に一致している場合と比べて、ホットスポットにおける音響強度が小さく、分解能が低下するため、超音波測定の精度が低下する。

また、上記のように、超音波アレイのスライス方向に対して所定角度で傾斜する方向に超音波を送信すると、受信用アレイにて受信した超音波の受信結果に基づいて、対象物の内部断層画像を生成する場合、当該角度変化を考慮して、受信信号の信号処理や、画像処理を実施する必要があり、処理が複雑になるという課題があった。

本発明は、簡易な処理で、高精度の超音波測定を実施可能な超音波デバイス、超音波モジュール、及び超音波測定機を提供することを１つの目的とする。

本発明の一適用例に係る超音波デバイスは、超音波を送信する送信素子、及び、超音波を受信する受信素子を含み、第１方向に沿って複数配置される素子群を備え、前記素子群において、前記素子群に含まれる前記受信素子が配置される受信領域の重心位置は、前記第１方向に沿った投影視において、前記素子群に含まれる前記送信素子が配置される送信領域と重なることを特徴とする。

本適用例では、素子群は、送信素子と受信素子とを有し、超音波を送受信可能に構成され、第１方向に沿って複数配置されている。これら素子群では、第１方向に沿った投影視において、受信領域の重心位置が、送信領域と重なる。
ここで、第１方向に見た際に、送信領域及び受信領域が、第１方向に交差する第２方向にずれて配置されている場合、第２方向において受信領域側に傾くように超音波を送信する必要があるので、送信波を十分に収束させることができず、分解能が低下するおそれがある。
また、第２方向において受信領域側に傾くように超音波を送信し、測定対象で反射された反射超音波を受信領域で受信する場合に、超音波の反射位置によって、受信領域に受信される反射超音波の受信領域への侵入角度（入射角度）が、変化する。従って、受信信号に基づいた信号処理を実施する際に、例えば、入射角度に応じた反射波の遅延時間の変化等、当該入射角度の変化による影響を考慮する必要があり、前記信号処理や、信号処理に基づいた画像処理が複雑となるおそれがある。
これに対して、本適用例では、第１方向に見た際に、受信領域の重心位置が送信領域と重なるため、ホットスポットにおける音響強度を高めることができ、上述の分解能の低下を抑制できる。また、送信領域から略法線方向に向かって超音波を送信すれば、対象物にて反射された超音波を受信領域で受信することができる。よって、上記入射角度の変化の影響を考慮することなく、各種信号処理を実施でき、処理の複雑化を抑制し、簡易な処理で超音波画像を形成可能である。
以上から、本適用例によれば、簡易な処理で高精度の超音波測定を実施可能な超音波デバイスを提供できる。

本適用例の超音波デバイスにおいて、前記受信領域は、前記第１方向に沿った投影視において、前記送信領域の内側に位置することが好ましい。
本適用例では、第１方向に沿った投影視において、受信領域が送信領域の内側に位置する。これにより、上述のように、送信領域及び受信領域が、第２方向にずれることによる、分解能の低下や、信号処理や画像処理の複雑化を抑制できる。

本適用例の超音波デバイスにおいて、前記受信領域の重心位置は、前記第１方向に沿った投影視において、前記送信領域の重心位置と重なることが好ましい。
本適用例では、少なくとも第１方向に沿った投影視において、受信領域の重心位置が、送信領域の重心位置と一致する。これにより、上述のように、送信領域及び受信領域の重心位置が、第２方向にずれることによる、分解能の低下や、信号処理や画像処理の複雑化をより確実に抑制できる。

本適用例の超音波デバイスにおいて、前記受信領域の重心位置は、前記送信領域の重心位置と一致することが好ましい。
本適用例では、さらに、送信領域及び受信領域の重心位置が一致する。このため、第１方向及び第２方向の両方向において、分解能の低下をより確実に抑制できる。

本適用例の超音波デバイスにおいて、前記素子群に含まれる前記送信素子は、前記送信領域の重心位置を通り、前記第１方向に平行な仮想線に対して線対称となる位置に配置され、前記素子群に含まれる前記受信素子は、前記仮想線に対して線対称となる位置に配置されていることが好ましい。
本適用例では、送信素子及び受信素子のそれぞれが、送信領域（受信領域）の重心位置を通り、第１方向に平行な仮想線に対して線対称となる位置に配置されている。これにより、送信領域及び受信領域の第２方向における対称性を向上させることができるため、第２方向における分解能を向上させることができ、受信精度を向上させることができる。

本適用例の超音波デバイスにおいて、前記素子群に含まれる前記送信素子は、前記送信領域の重心位置に対して、点対象となる位置に配置され、前記素子群に含まれる前記受信素子は、前記送信領域の重心位置に対して、点対象となる位置に配置されていることが好ましい。
本適用例では、送信素子が、送信領域の重心位置に対して点対称となる位置に配置され、受信素子が、受信領域の重心位置に対して点対称となる位置に配置されている。これにより、送信領域及び受信領域の平面対称性を向上させることができる。このため、送信素子から送信された超音波を収束させ、対象で反射された反射波を受信素子で受信した際の分解能を向上させることができ、受信精度を向上させることができる。

本適用例の超音波デバイスにおいて、前記素子群は、前記送信素子及び前記受信素子を含む超音波素子が、前記第１方向及び前記第１方向に交差する第２方向に沿って２次元アレイ状に配置されたアレイ構造を有することが好ましい。
本適用例では、第１方向及び第２方向に沿って超音波素子が配置されるため、超音波素子の配置における平面対称性を一層向上させることができる。このため、送信素子から三次元的により均一な超音波を送信でき、超音波測定の精度を向上させることできる。

本適用例の超音波デバイスにおいて、前記素子群は、複数の前記受信素子を有し、前記複数の受信素子は、前記送信素子から送信される超音波を基本波とする高次高調波を受信する第１受信素子と、前記第１受信素子とは異なる次数の高次高調波を受信する第２受信素子と、を含み、前記第１受信素子は、前記受信領域の重心位置に対して点対称となる位置に配置され、前記第２受信素子は、前記受信領域の重心位置に対して点対称となる位置に配置されていることが好ましい。
本適用例では、受信素子として、互いに異なる次数の高次高調波を受信する第１受信素子及び第２受信素子を有する。そして、第１受信素子及び第２受信素子が、それぞれ、受信領域の重心位置に対して点対称となる位置に配置される。これにより、異なる次数の高次高調波のそれぞれを高精度に受信できる。

本発明の一適用例に係る超音波モジュールは、超音波を送信する送信素子、及び、超音波を受信する受信素子を含み、第１方向に沿って複数配置される素子群を備える超音波デバイスと、前記超音波デバイスが設けられる回路基板と、を備え、前記素子群において、前記素子群に含まれる前記受信素子が配置される受信領域の重心位置は、前記第１方向に沿った投影視において、前記素子群に含まれる前記送信素子が配置される送信領域と重なることを特徴とする。

本適用例では、上記適用例と同様に、素子群は、送信素子と受信素子とを有し、超音波を送受信可能に構成され、第１方向に沿って複数配置されている。これら素子群では、第１方向に沿った投影視において、受信領域の重心位置が、送信領域と重なる。
これにより、ホットスポットにおける音響強度を高めることができ、上述の分解能の低下を抑制できる。また、送信領域から略法線方向に向かって超音波を送信すれば、対象物にて反射された超音波を受信領域で受信することができる。よって、超音波の反射位置に応じた、受信領域への反射超音波の入射角度の変化の影響を考慮することなく、各種信号処理を実施でき、処理の複雑化を抑制し、簡易な処理で超音波画像を形成可能である。
以上から、本適用例によれば、簡易な処理で高精度の超音波測定を実施可能な超音波モジュールを提供できる。

本発明の一適用例に係る超音波測定機は、超音波を送信する送信素子、及び、超音波を受信する受信素子を含み、第１方向に沿って複数配置される素子群を備える超音波デバイスと、前記超音波デバイスを制御する制御部と、を備え、前記素子群において、前記素子群に含まれる前記受信素子が配置される受信領域の重心位置は、前記第１方向に沿った投影視において、前記素子群に含まれる前記送信素子が配置される送信領域と重なることを特徴とする。

本適用例では、上記適用例と同様に、素子群は、送信素子と受信素子とを有し、超音波を送受信可能に構成され、第１方向に沿って複数配置されている。これら素子群では、第１方向に沿った投影視において、受信領域の重心位置が、送信領域と重なる。
これにより、ホットスポットにおける音響強度を高めることができ、上述の分解能の低下を抑制できる。また、送信領域から略法線方向に向かって超音波を送信すれば、対象物にて反射された超音波を受信領域で受信することができる。よって、超音波の反射位置に応じた、受信領域への反射超音波の入射角度の変化の影響を考慮することなく、各種信号処理を実施でき、処理の複雑化を抑制し、簡易な処理で超音波画像を形成可能である。
以上から、本適用例によれば、簡易な処理で高精度の超音波測定を実施可能な超音波測定機を提供できる。

本発明の第一実施形態に係る超音波測定機の概略構成を示す斜視図。本実施形態の超音波測定機の概略構成を示すブロック図。本実施形態の超音波プローブの概略構成を示す断面図。本実施形態の超音波デバイスの概略構成を示す平面図。本実施形態の超音波デバイスの概略構成を示す断面図。本実施形態の超音波素子群の概略構成を示す平面図。本実施形態の超音波素子群の動作例を示す図。比較例における超音波デバイスの動作例を示す図。第一実施形態の変形例の超音波素子群の概略構成を示す平面図。第二実施形態の超音波素子群の概略構成を示す平面図。第三実施形態の超音波素子群の概略構成を示す平面図。第四実施形態の超音波素子群の概略構成を示す平面図。本発明の一変形例に係る超音波素子群の概略構成を示す平面図。

［第一実施形態］
以下、本発明に係る第一実施形態の電子機器としての超音波測定機について、図面に基づいて説明する。
［超音波測定機の構成］
図１は、本実施形態の超音波測定機１の概略構成を示す斜視図である。図２は、超音波測定機１の概略構成を示すブロック図である。
本実施形態の超音波測定機１は、図１に示すように、超音波プローブ２と、超音波プローブ２にケーブル３を介して電気的に接続された制御装置１０と、を備えている。
この超音波測定機１は、超音波プローブ２を生体（例えば人体）の表面に当接させ、超音波プローブ２から生体内に超音波を送出する。また、生体内の器官にて反射された超音波のうち、上記基本波に対する高次高調波を超音波プローブ２にて受信し、その受信信号に基づいて、例えば生体内の内部断層画像を取得したり、生体内の器官の状態（例えば血流等）を測定したりする。

［超音波プローブの構成］
図３は、図１のIII−III線で切断した超音波プローブ２の概略構成を示す断面図である。
超音波プローブ２は、筐体２１と、超音波センサー２２と、を備える。
［筐体の構成］
筐体２１は、図１に示すように、平面視矩形状の箱状に形成され、超音波センサー２２を支持する。筐体２１の厚み方向に直交する一面（センサー面２１Ａ）には、センサー窓２１Ｂが設けられており、超音波センサー２２の一部（後述する音響レンズ８）が露出している。また、筐体２１の一部（図１に示す例では側面）には、ケーブル３の通過孔２１Ｃが設けられ、筐体２１の内部に挿入される。このケーブル３は、図示を省略するが、筐体２１の内部にて超音波センサー２２（後述する回路基板６）に接続されている。また、ケーブル３と通過孔２１Ｃとの隙間は、例えば樹脂材等が充填されることで、防水性が確保されている。
なお、本実施形態では、ケーブル３を用いて、超音波プローブ２と制御装置１０とが接続される構成例を示すが、これに限定されず、例えば超音波プローブ２と制御装置１０とが無線通信により接続されていてもよく、超音波プローブ２内に制御装置１０の各種構成が設けられていてもよい。

［超音波センサーの構成］
超音波センサー２２は、本発明の超音波モジュールに相当し、図３に示すように、超音波デバイス４と、回路基板６と、フレキシブル基板７と、音響レンズ８と、を備える。後述するが、回路基板６には、超音波デバイス４を制御するためのドライバ回路等が設けられており、超音波デバイス４は、フレキシブル基板７を介して回路基板６に電気的に接続される。この超音波デバイス４の超音波送受信側の面に、音響レンズ８が配置される。この超音波センサー２２は、音響レンズ８が露出するように筐体２１に収納され、露出部分から超音波を対象に送出し、対象からの反射波を受信する。

［音響レンズの構成］
音響レンズ８は、超音波デバイス４から送信された超音波を測定対象である生体に効率よく伝搬させ、また、生体内で反射した超音波を効率よく超音波デバイス４に伝搬させる。この音響レンズ８は、超音波デバイス４が超音波を送受信する面に沿って配置される。なお、図示を省略するが、超音波デバイス４と音響レンズ８との間には、音響整合層が設けられる。これら、音響レンズ８及び音響整合層は、素子基板４１の超音波素子５０（送信素子５１及び受信素子５２）の音響インピーダンスと、生体の音響インピーダンスとの中間の音響インピーダンスに設定されている。

［超音波デバイスの構成］
図４は、音響レンズ８側から見た超音波デバイス４の概略構成を示す平面図である。
以下の説明では、後述するように１次元アレイ構造を有する超音波デバイス４のスキャン方向（第１方向）をＸ方向とし、スキャン方向に直交するスライス方向（第２方向）をＹ方向とする。
超音波デバイス４は、複数の超音波素子５０（図５参照）を有する複数の超音波素子群５が、Ｙ方向に並ぶように素子基板４１に設けられ、構成される。スライス方向に配置された複数の超音波素子群５は、それぞれ、超音波素子５０を用いて超音波を送受信する１つの送受信チャンネルである。この送受信チャンネルである超音波素子群５が、Ｙ方向に複数配置され、１次元アレイとしての超音波アレイ５００を構成する。
なお、素子基板４１には、複数の超音波素子５０を駆動させるための配線（図示省略）や、当該配線が接続され、かつ、フレキシブル基板７によって回路基板６に接続される信号端子Ｓｃが設けられる。なお、図示例では、信号端子Ｓｃは、素子基板４１のＹ方向の両側の端部に、Ｘ方向に沿って設けられる。

（素子基板の構成）
図５に、素子基板４１及び超音波素子５０の構成の一例を示す。図５（Ａ）は、超音波素子５０の平面図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＢ−Ｂに沿った断面を示す断面図であり、図５（Ｃ）は、図５（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面を示す断面図である。
素子基板４１は、図５に示すように、基板本体部４１１と、基板本体部４１１に積層された振動膜４１２と、を備えている。
基板本体部４１１は、例えばＳｉ等の半導体基板である。この基板本体部４１１のアレイ領域内には、各々の超音波素子に対応した開口部４１１Ａが設けられている。また、各開口部４１１Ａは、基板本体部４１１の背面４１Ａ側に設けられた振動膜４１２により閉塞されている。

振動膜４１２は、例えばＳｉＯ_２や、ＳｉＯ_２及びＺｒＯ_２の積層体等より構成され、基板本体部４１１の背面４１Ａ側全体を覆って設けられている。この振動膜４１２の厚み寸法は、基板本体部４１１に対して十分小さい厚み寸法となる。基板本体部４１１をＳｉにより構成し、振動膜４１２をＳｉＯ_２により構成する場合、例えば基板本体部４１１の背面４１Ａ側を酸化処理することで、所望の厚み寸法の振動膜４１２を容易に形成することが可能となる。また、この場合、ＳｉＯ_２の振動膜４１２をエッチングストッパとして基板本体部４１１をエッチング処理することで、容易に前記開口部４１１Ａを形成することができる。

（超音波送信部の構成）
超音波素子５０は、図５に示すように、振動膜４１２と、圧電素子４１３とを含み構成される。
圧電素子４１３は、下部電極４１４、圧電膜４１５、及び上部電極４１６の積層体であり、図５に示すように、各開口部４１１Ａを閉塞する振動膜４１２上に設けられる。
下部電極４１４は、図示しない信号線を介して信号端子に接続され、駆動電圧が印加される。なお、１つの送受信チャンネルに含まれる超音波素子５０のうちの、後述する送信素子５１の下部電極４１４は、信号線を介して互いに電気的に接続される。同様に、１つの送受信チャンネルに含まれる超音波素子５０のうちの、後述する受信素子５２の下部電極４１４は、信号線を介して互いに電気的に接続される。

圧電膜４１５は、ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）等の薄膜により形成され、下部電極４１４を少なくとも覆うように構成される。
上部電極４１６は、図示しない信号線を介してコモン端子に接続されコモン電圧が印加される。なお、複数の上部電極４１６が、信号線を介して電気的に接続される。

ここで、超音波素子５０は、後述するように、超音波（基本波）を送信する送信素子５１と、基本波に対する高次高調波を受信可能な受信素子５２と、を含む。
送信素子５１は、所定の周波数の基本波を所望の効率で送出可能に構成されている。すなわち、送信素子５１では、下部電極４１４及び上部電極４１６の間に所定周波数の矩形波電圧が印加されることで、開口部４１１Ａの開口領域内の振動膜４１２を振動させて超音波を送出できる。この送信素子５１では、基本波の周波数に応じて、振動膜４１２の形状（開口部４１１Ａの開口形状）が設定されており、基本波を所望の効率で送出できる。
受信素子５２は、基本波に対する所定次数の高次高調波を所望の効率で送出可能に構成されているものの、基本的に、受信素子５２と同様に構成され、基本波に対する高次高調波の周波数に応じて、振動膜４１２の形状が設定されており、高次高調波を所望の効率で受信できる。

（超音波素子群の構成）
図６は、音響レンズ８側から素子基板４１を見た際の超音波素子群５の概略構成を示す平面図である。
超音波素子群５は、送信素子５１及び受信素子５２を含む複数の超音波素子５０が、Ｘ方向及びＹ方向に沿って２次元アレイ状に配置され構成される。この超音波素子群５は、送信素子５１から送信された基本波に対する高次高調波を受信素子５２で受信する。なお、以下の説明では、超音波素子群５を構成する複数の超音波素子５０の配置位置を囲む領域を送受信領域Ａｒ０とする。この送受信領域Ａｒ０は、例えば、素子基板４１の厚み方向から見た平面視において、超音波素子群５を構成する複数の超音波素子５０に外接するように囲む矩形状の領域のうちの最大の領域である。換言すると、超音波素子群５を構成する全超音波素子５０を囲む矩形状の領域のうち、最小の領域である。また、送受信領域Ａｒ０の中心を中心位置Ｐ０とし、中心位置Ｐ０を通りＸ方向に平行な仮想線を中心線Ｌ０とする。

送信素子５１は、中心線Ｌ０上を除き、Ｘ方向及びＹ方向に複数配置される。複数の送信素子５１のうち、中心線Ｌ０よりも＋Ｙ側に配置された送信素子５１によって第１送信開口５１１が構成され、中心線Ｌ０よりも−Ｙ側に配置された送信素子５１によって第２送信開口５１２が構成される。

これら第１送信開口５１１及び第２送信開口５１２によって合成送信開口５１３が構成される。この合成送信開口５１３が設定された第１領域Ａｒ１は、第１送信開口５１１及び第２送信開口５１２を囲む矩形状の領域（送信領域）である。本実施形態では、当該第１領域Ａｒ１は、送受信領域Ａｒ０に一致している。この送信領域は、上記送受信領域と同様に、平面視において、超音波素子群５を構成する複数の送信素子５１に外接するように囲む矩形状の領域のうちの最大の領域である。換言すると、全送信素子５１を囲む矩形状の領域のうち、最小の領域である。
また、これら第１送信開口５１１及び第２送信開口５１２が、中心線Ｌ０に対して線対称の関係となり、かつ、中心位置Ｐ０に対して点対称となるように、送信素子５１が配置されている。すなわち、送信素子５１が配置された領域（送信領域）の重心位置は、中心位置Ｐ０と一致する。送信素子５１は、中心線Ｌ０に対して線対称となり、かつ、重心位置である中心位置Ｐ０に対して点対称となる位置に配置される。

受信素子５２は、中心線Ｌ０に沿って、Ｘ方向に複数配置され、受信開口５２１が構成される。この受信開口５２１として設定される第２領域Ａｒ２は、受信開口５２１を囲む矩形状の領域（受信領域）であり、素子基板４１の法線方向から見た平面視において、送受信領域Ａｒ０に含まれている。この受信領域は、上記送受信領域と同様に、平面視において、超音波素子群５を構成する複数の受信素子５２に外接するように囲む矩形状の領域のうちの最大の領域である。換言すると、全受信素子５２を囲む矩形状の領域のうち、最小の領域である。
受信開口５２１では、中心線Ｌ０に対して線対称となり、中心位置Ｐ０に対して点対称となるように、受信素子５２が配置されている。すなわち、受信素子５２が配置された領域（受信領域）の重心位置は、中心位置Ｐ０に一致する。受信素子５２は、中心線Ｌ０に対して線対称となり、かつ、重心位置である中心位置Ｐ０に対して点対称となる位置に配置される。また、受信開口５２１（受信領域）は、Ｘ方向に見て、合成送信開口５１３（送信領域）の内側に位置する。

（超音波素子群による超音波の送受信）
図７は、超音波素子群５を駆動して超音波を送受信する様子を模式的に示す図である。図８は、送信開口及び受信開口がスライス方向に並ぶように構成された比較例を模式的に示す図である。なお、図７では、音響レンズ８を省略しているが、本実施形態では、音響レンズ８によってスライス方向に超音波が収束される。
図７に示すように、超音波素子群５の送信素子５１を同時に駆動して、超音波を送信すると、音響レンズ８によって収束される。本実施形態の超音波素子群５では、送信素子５１による合成送信開口５１３の中心位置と、受信素子５２による受信開口５２１の中心位置とが一致している。このため、受信素子５２は、当該中心位置を通る超音波アレイの法線Ｎ上とその近傍に位置する対象Ｘからの反射波を受信することができる。これにより、対象の深さ方向の位置が異なる場合でも、受信素子５２への反射波の入射角度が変化することを抑制できる。

一方、図８に示すように、送信開口５３１と受信開口５３２とが、スライス方向に並ぶように構成された超音波素子群５３０では、超音波素子群５３０の超音波送受信面に対する法線Ｎに沿った方向、すなわち深さ方向において反射波の発生位置Ｐｎが変化すると、反射波の受信開口５３２への入射角度θｎも変化する（図８では、ｎ＝１，２，３の３つの発生位置Ｐｎについて例示する）。このため、反射波の受信タイミングの他にも、反射波の入射角度を考慮して、対象の位置を算出する必要があり、処理が複雑となるおそれがある。
これに対して、図７に示す本実施形態の超音波素子群５では、対象の深さ方向の位置に応じて、受信素子５２への反射波の入射角度が変化することを抑制できるため、入射角度の変化を考慮して対象の位置を算出することによる処理の複雑化を抑制できる。

［回路基板の構成］
図２に示す回路基板６は、駆動信号端子（図示省略）と、コモン端子（図示省略）とを備え、フレキシブル基板７によって超音波デバイス４が接続される。また、回路基板６は、ケーブル３を介して制御装置１０に接続されている。
この回路基板６は、超音波デバイス４を駆動させるためのドライバ回路等が設けられている。具体的には、回路基板６は、図２に示すように、選択回路６１、送信回路６２、及び受信回路６３を備えている。

選択回路６１は、制御装置１０の制御に基づいて、送信回路６２と接続する送信素子５１を選択する。
送信回路６２は、制御装置１０の制御により、選択回路６１を介して超音波デバイス４に超音波を発信させる旨の送信信号を出力する。なお、選択回路６１によって選択された超音波素子群５に含まれる送信素子５１は、当該送信信号の出力に応じて駆動され、超音波を送信する。
受信回路６３は、超音波センサー２２から入力された受信信号を制御装置１０に出力する。受信回路６３は、例えば低雑音増幅回路、電圧制御アッテネーター、プログラマブルゲインアンプ、ローパスフィルター、Ａ／Ｄコンバーター、整相加算回路等を含んで構成されており、受信信号のデジタル信号への変換、ノイズ成分の除去、所望信号レベルへの増幅、各チャンネル毎の整相加算処理等の各信号処理を実施した後、処理後の受信信号を制御装置１０に出力する。

［制御装置の構成］
制御装置１０は、図２に示すように、例えば、操作部１１と、表示部１２と、記憶部１３と、制御部１４と、を備えて構成されている。この制御装置１０は、例えば、タブレット端末やスマートフォン、パーソナルコンピューター等の端末装置を用いてもよく、超音波プローブ２を操作するための専用端末装置であってもよい。
操作部１１は、ユーザーが超音波測定機１を操作するためのＵＩ（user interface）であり、例えば表示部１２上に設けられたタッチパネルや、操作ボタン、キーボード、マウス等により構成することができる。
表示部１２は、例えば液晶ディスプレイ等により構成され、画像を表示させる。
記憶部１３は、超音波測定機１を制御するための各種プログラムや各種データを記憶する。

制御部１４は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算回路や、後述する各処理を実施する処理回路や、メモリー等の記憶回路により構成されている。そして、制御部１４は、記憶部１３に記憶された各種プログラムを読み込み実行することで、送受信制御部１４１、ハーモニック処理部１４２、信号処理部１４３として機能する。

送受信制御部１４１は、選択回路６１に対して駆動対象の送信チャンネルＴを選択させる制御を行う。また、送受信制御部１４１は、送信回路６２に対して送信信号の生成及び出力処理の制御を行う。また、送受信制御部１４１は、受信回路６３に対して受信信号の周波数設定やゲイン設定などの制御を行う。
ハーモニック処理部１４２は、チャンネル毎の受信信号に基づいて、チャンネル毎にハーモニック成分（高調波成分ともいう）を抽出する。

信号処理部１４３は、ハーモニック処理された受信信号に対して、良好な断層画像を取得するための各種処理を実施する。各種処理としては、受信信号の信号強度の最大部分と最小部分を同時に碓認しやすいように、表現形式を変換する対数変換処理等の非線形圧縮処理や、反射波の伝播時間（すなわち深さ）に応じて増幅度（明るさ）を補正するＳＴＣ（Sensitive Time Control）処理等を例示できる。また、信号処理部１４３は、Ｂモード画像やＭモード画像等の各種超音波画像を生成し、表示部１２に表示させる。

［第一実施形態の作用効果］
超音波素子群５は、送信素子５１と受信素子５２とを有し、超音波を送受信可能に構成され、Ｘ方向（スキャン方向）に沿って複数配置され、一つの送受信チャンネルとして機能する。これら超音波素子群５では、受信素子５２が配置された受信領域の重心位置が、送信素子５１が配置された送信領域の重心位置（中心位置Ｐ０）と一致し、送信領域及び受信領域が重なっている。
ここで、Ｘ方向に見た際に、送信領域及び受信領域が、Ｙ方向（スライス方向）にずれて配置されている場合、スライス方向において受信領域側に傾くように超音波を送信する必要があるので、送信波を十分に収束させることができず、分解能が低下するおそれがある。これに対して、本実施形態では、第１領域Ａｒ１及び第２領域Ａｒ２が重なっているため、上述の分解能の低下を抑制できる。
また、受信領域の重心位置が、送信領域の重心位置と一致するため、スライス方向のみならず、スキャン方向における分解能の低下をより確実に抑制できる。

また、Ｘ方向に見た際に、送信領域及び受信領域が、Ｙ方向にずれて配置されている場合、図８に示すように、反射波の入射角度は、法線Ｎに沿った方向における、受信領域から反射位置までの距離に応じて変化する。従って、受信信号を処理する際に、当該入射角度の変化を考慮して、受信信号に対する信号処理や、その後の画像処理を実施する必要があり（例えば、反射波の遅延時間の設定処理や、伝播距離に対する信号強度の補正処理等）、処理が複雑となるおそれがある。これに対して、本実施形態では、上記入射角度変化を抑制でき、上記処理の複雑化を抑制できるため、簡易な処理で超音波画像を形成可能である。

また、本実施形態では、送信素子５１及び受信素子５２が、中心線Ｌ０に対して線対称となる位置に配置されている。これにより、送信領域及び受信領域のＹ方向すなわちスライス方向における対称性を向上させることができる。従って、スライス方向における分解能を向上させることができ、受信精度を向上させることができる。

また、送信素子５１及び受信素子５２が、中心位置Ｐ０（送信領域及び受信領域の重心位置）に対して点対称となる位置に配置されている。すなわち、これにより、送信領域及び受信領域の平面対称性を向上させることができる。このため、送信素子５１から送信された超音波を収束させ、対象で反射された反射波を受信素子５２で受信した際の分解能を向上させることができ、受信精度を向上させることができる。

超音波素子群５では、Ｘ方向及びＹ方向に沿って超音波素子５０が配置されるため、超音波素子５０の配置における平面対称性を一層向上させることができる。このため、送信素子５１から三次元的により均一な超音波を送信でき、超音波測定の精度を向上させることできる。

［第一実施形態の変形例］
図９は第一実施形態の変形例１に係る超音波素子群５Ａを模式的に示す平面図である。
上記第一実施形態では、複数の受信素子５２がＸ方向に一列に配置されていたが、図９に示す図９に示す超音波素子群５Ａでは、複数の受信素子５２がＸ方向及びＹ方向に並ぶように配置されている。図９では９個の受信素子５２が配置された構成を例示している。このような構成では、受信素子５２の個数を増大させることにより、受信感度を向上させることができる。

［第二実施形態］
次に、本発明に係る第二実施形態について説明する。
上記第一実施形態では、受信素子５２が隣接して配置されていた。これに対して、第二実施形態では、超音波素子群において、受信素子５２のＸ方向及びＹ方向に送信素子５１が配置される点で相違する。
なお、以降の説明にあたり、第一実施形態と同様の構成については、同符号を付し、その説明を省略又は簡略化する。

図１０は、第二実施形態の超音波素子群５Ｂを模式的に示す平面図である。
図１０に示すように、複数の受信素子５２は、矩形状の第２領域Ａｒ２内に、複数の送信素子５１及び受信素子５２が配置される。これら受信素子５２が配置された受信領域の重心位置が、超音波素子群５Ｂの送受信領域Ａｒ０の中心位置Ｐ０と一致している。すなわち、複数の受信素子５２の一つは、中心位置Ｐ０と重なる位置に配置される。また、複数の受信素子５２は、Ｘ方向及びＹ方向に、送信素子５１を挟むように配置される。

なお、送受信領域Ａｒ０内にて、送信素子５１が配置された送信領域の重心位置は、送受信領域Ａｒ０の中心位置Ｐ０、及び、受信素子５２が配置された受信領域の重心位置と一致する。また、送信素子５１及び受信素子５２は、それぞれ中心線Ｌ０に対して線対称となる位置に配置されている。

［第二実施形態の作用効果］
第二実施形態では、送受信領域Ａｒ０の中心付近に設定された第２領域Ａｒ２において、送信素子５１及び受信素子５２が、Ｘ方向及びＹ方向に交互に配置されるため、中心位置Ｐ０近傍からの送信波の出力が低下することを抑制できる。また、受信素子５２の配置における平面対称性が低下することによる、超音波画像の画質の低下を抑制できる。

［第三実施形態］
次に、本発明に係る第三実施形態について説明する。
第二実施形態では、第２領域Ａｒ２内において、送信素子５１及び受信素子５２が、Ｘ方向及びＹ方向に交互に配置されていた。これに対して、第三実施形態では、受信領域の対角線に沿って配置される点で相違する。

図１１は、第三実施形態の超音波素子群５Ｃを模式的に示す平面図である。
図１１に示すように、複数の受信素子５２は、＋Ｘ側及び＋Ｙ側に１つずつずれるように、第２領域Ａｒ２の対角線Ｌ１に沿って配置される。また、１つの受信素子５２は、中心位置Ｐ０と重なる位置に配置される。受信素子５２が配置された受信領域の重心位置が、超音波素子群５Ｃの送受信領域Ａｒ０の中心位置Ｐ０と一致し、受信素子５２は、中心位置Ｐ０に対して点対称となる位置に配置される。
なお、送信素子５１が配置された送信領域の重心位置は、中心位置Ｐ０に一致し、送信素子５１は、中心位置Ｐ０に対して点対称となる位置に配置される。

また、受信素子５２は、スキャン方向において、所定間隔ｄで配置される。すなわち、１つの超音波素子群５Ｃに含まれる受信チャンネルが、スキャン方向に所定間隔ｄで配置される。なお、当該所定間隔ｄは、送信素子５１から送信される基本波に対する受信対象の高次高調波の周波数（波長）に応じた値に設定される。

なお、本実施形態では、受信素子５２が、＋Ｘ側及び＋Ｙ側に１つずつずれるように配置される構成に限定されず、受信素子５２が、＋Ｘ側及び−Ｙ側に１つずつずれるように配置される構成等、第２領域Ａｒ２内において、受信素子５２が中心位置Ｐ０に対して点対称に配置され、かつ、スキャン方向において受信素子５２が所定間隔ｄで配置される構成であれば、各種受信素子５２の配置態様を採用できる。

［第三実施形態の作用効果］
本実施形態では、受信素子５２が、第２領域Ａｒ２の対角線Ｌ１に沿って配置されているため、中心位置Ｐ０近傍からの送信波の出力が低下することを抑制できる。
また、送信素子５１及び受信素子５２が、中心位置Ｐ０に対して点対称となる位置に配置されている。これにより、送受信領域Ａｒ０にて、送信素子５１及び受信素子５２の配置に係る平面対称性を向上させることができ、受信精度を向上させることができる。

また、受信素子５２が第２領域Ａｒ２の対角線Ｌ１に沿って配置されて構成される受信チャンネルが、スキャン方向（Ｘ方向）に所定間隔ｄで配置される。当該所定間隔ｄを、受信対象の高次高調波の周波数（波長）等に応じて設定することにより、高次高調波の受信精度を向上させることができる。

［第四実施形態］
次に、本発明に係る第四実施形態について説明する。
上記各実施形態では、超音波素子群は、受信素子５２として所定次数の高次高調波を受信可能な同種の超音波素子を備えていた。これに対して、第四実施形態では、異なる次数の高次高調波を適切に受信可能に構成された複数種類の受信素子を備える点で、上記各実施形態と相違する。

図１２は、第四実施形態の超音波素子群５Ｄを模式的に示す平面図である。
図１２に示す超音波素子群５Ｄは、受信素子５２として、互いに異なる次数の高次高調波を受信可能に構成された第１受信素子５２Ａと、第２受信素子５２Ｂとを、備える。
第１受信素子５２Ａは、所定次数、例えば、基本波に対する二次高調波を受信する超音波素子である。すなわち、第１受信素子５２Ａは、当該二次高調波の周波数（波長）に応じた、振動膜４１２の振動領域の形状（すなわち開口部４１１Ａの開口形状）や、圧電素子４１３の特性を有し、三次高調波を好適に受信可能に構成される。
第２受信素子５２Ｂは、第１受信素子５２Ａとは異なる次数、例えば、三次高調波を受信する超音波素子であり、三次高調波を好適に受信可能に構成される。

図１２では、第１受信素子５２Ａ及び第２受信素子５２Ｂを含む４つの受信素子５２によって第２領域Ａｒ２が構成される。受信素子５２が配置された受信領域の重心位置は、送受信領域Ａｒ０の中心位置Ｐ０と、第２領域Ａｒ２の中心位置と一致する。この第２領域Ａｒ２において、Ｘ方向及びＹ方向において、第１受信素子５２Ａと第２受信素子５２Ｂとが交互に配置される。このように、第２領域Ａｒ２において、第１受信素子５２Ａ及び第２受信素子５２Ｂのそれぞれが、受信領域の重心位置に対して点対称となる位置に配置される。
また、複数の超音波素子群５ＤがＸ方向に配置され、第１受信素子５２Ａ及び第２受信素子５２Ｂが、複数の超音波素子群５Ｄに亘って、Ｘ方向に沿って交互に配置される。

［第四実施形態の作用効果］
本実施形態では、受信素子５２として、互いに異なる次数の高次高調波を受信する第１受信素子５２Ａ及び第２受信素子５２Ｂを有する。これにより、異なる次数の高次高調に対する受信精度を向上させることができる。
また、第１受信素子５２Ａ及び第２受信素子５２Ｂが、第２領域Ａｒ２の中心位置、すなわち本実施形態では中心位置Ｐ０に対して点対称となる位置に配置される。これにより、第１受信素子５２Ａ及び第２受信素子５２Ｂのそれぞれについて、配置位置の平面対称性を向上させることができ、それぞれ対応する次数の高次高調波を高精度に受信できる。

［変形例］
なお、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良、及び各実施形態を適宜組み合わせる等によって得られる構成は本発明に含まれるものである。
図１３は、本発明に係る超音波デバイスの一変形例における超音波素子群の概略構成を示す平面図である。
上記各実施形態では、Ｙ方向（スライス方向）に配置された複数の超音波素子５０として送信素子５１及び受信素子５２を備える構成を例示したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、図１３に示すように、Ｙ方向に複数の送信素子５１が配置された送信チャンネルＴと、Ｙ方向に複数の受信素子５２が配置された受信チャンネルＲとが、Ｘ方向に並置され構成される超音波素子群５Ｅを採用してもよい。

図１３に示すように、送信チャンネルＴの中心位置Ｐ１は、送信チャンネルＴ及び受信チャンネルＲを囲む矩形状の送受信領域Ａｒ０の中心を通る中心線Ｌ０上に位置する。同様に、受信チャンネルＲの中心位置Ｐ２は、中心線Ｌ０上に位置する。すなわち、Ｘ方向における投影視にて、送信領域の重心位置と、受信領域の重心位置とが重なる。また、各超音波素子群５Ｅでは、送信素子５１及び受信素子５２が、中心線Ｌ０に対して線対称となる位置に配置される。
また、複数の超音波素子群５ＥがＹ方向に配置されて構成される超音波アレイにおいて、送信チャンネルＴ及び受信チャンネルＲが、それぞれＹ方向に所定間隔で配置される。なお、当該所定間隔は、受信チャンネルＲが受信する高次高調波の周波数に応じた間隔である。すなわち、高次高調波を所望の精度で受信可能な受信チャンネルＲ間の最大間隔以下の間隔で、受信チャンネルＲが配置される。

このような構成では、送信チャンネルＴ及び受信チャンネルＲの各中心位置（重心位置）Ｐ１，Ｐ２が、送受信領域Ａｒ０の中心位置Ｐ１を通る中心線Ｌ０上に位置し、スキャン方向における投影視において一致している。このため、送信チャンネルＴ及び受信チャンネルＲが、スライス方向に並置されている構成（図８参照）と比べて、スライス方向における分解能を向上させることができ、かつ、受信信号に基づく超音波画像の生成に係る処理の複雑化を抑制することができる。
また、送信チャンネルＴと受信チャンネルＲとをスキャン方向に並置することにより、送信開口の面積の減少を抑制しつつ、受信開口の面積を増大させることができる。従って、分解能の低下を抑制しつつ、反射波の受信精度を向上させることができ、超音波画像の画質の低下を抑制できる。

上記各実施形態では、Ｙ方向（スライス方向）において、受信領域の重心位置が、送信領域の重心位置に一致する構成を例示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、Ｘ方向（スキャン方向）における投影視において、受信領域の重心位置が、送信領域に重なるように構成されてもよい。このような構成では、Ｘ方向に見た際に、送信領域及び受信領域が、Ｙ方向（スライス方向）にずれて配置されている場合と比べて、受信領域の重心位置と送信領域の重心位置と、すなわち、第１領域Ａｒ１の中心位置と第２領域Ａｒ２の中心位置との距離を近づけることができ、分解能の低下を抑制できる。

上記各実施形態では、Ｘ方向（スライス方向）に沿った投影視において、受信領域（受信開口）が、送信領域（合成送信開口）の内側に位置する構成を例示したが、本発明はこれに限定されず、ない。例えば、投影視において、受信領域の重心位置が、送信領域に重なる範囲ないで、受信領域と送信領域がＹ方向にオフセットし、受信領域の一部が、送信領域の外側に位置していてもよい。このような構成では、Ｘ方向に見た際に、送信領域及び受信領域が、Ｙ方向（スライス方向）にずれて配置されている場合と比べて、受信領域の重心位置と送信領域の重心位置と、すなわち、第１領域Ａｒ１の中心位置と第２領域Ａｒ２の中心位置との距離を近づけることができ、分解能の低下を抑制できる。

上記第四実施形態では、２種類の受信素子５２を備える構成を例示したが、互いに異なる次数の高次高調波を好適に受信する３種類以上の受信素子５２を同時に備える構成としてもよい。
また、Ｘ方向に沿った受信素子５２の列が、Ｙ方向に２列配置される構成を例示したが、１列のみの構成や３列以上配置される構成を採用してもよい。また、Ｙ方向にのみ複数の受信素子５２が配置される構成でもよい。さらに、異なる種類の受信素子５２が交互に配置されず、Ｘ方向及びＹ方向に隣り合って配置されていてもよい。

上記各実施形態では、超音波デバイスとして、超音波素子群を構成する各送信素子５１を同時に駆動するように構成され、１次元アレイ構造を有する構成を例示したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、１つの超音波素子群において、少なくとも一部の送信素子５１を個別に駆動可能に構成してもよい。例えば、スキャン方向に並置された送信素子５１は、スライス方向において遅延させながら個別に駆動可能なように構成されてもよい。

上記各実施形態では、生体を測定対象とする超音波測定装置を例示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、各種構造物を測定対象として、当該構造物の欠陥の検出や老朽化の検査を行う電子機器に、本発明を適用することができる。また、例えば、半導体パッケージやウェハ等を測定対象として、当該測定対象の欠陥を検出する電子機器にも本発明を適用することができる。

その他、本発明の実施の際の具体的な構造は、本発明の目的を達成できる範囲で上記各実施形態及び変形例を適宜組み合わせることで構成してもよく、また他の構造などに適宜変更してもよい。

１…超音波測定機、４…超音波デバイス、５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ，５Ｅ…超音波素子群、６…回路基板、１０…制御装置、２２…超音波センサー（超音波モジュール）、５０…超音波素子、５１…送信素子、５２…受信素子、５２Ａ…第１受信素子、５２Ｂ…第２受信素子、Ｌ０…中心線（仮想線）、Ｐ０…中心位置（重心位置）。

Claims

超音波を送信する送信素子、及び、超音波を受信する受信素子を含み、第１方向に沿って複数配置される素子群を備え、
前記素子群において、前記素子群に含まれる前記受信素子が配置される受信領域の重心位置は、前記第１方向に沿った投影視において、前記素子群に含まれる前記送信素子が配置される送信領域と重なる
ことを特徴とする超音波デバイス。
請求項１に記載の超音波デバイスにおいて、
前記受信領域は、前記第１方向に沿った投影視において、前記送信領域の内側に位置する
ことを特徴とする超音波デバイス。
請求項１又は請求項２に記載の超音波デバイスにおいて、
前記受信領域の重心位置は、前記第１方向に沿った投影視において、前記送信領域の重心位置と重なる
ことを特徴とする超音波デバイス。
請求項３に記載の超音波デバイスにおいて、
前記受信領域の重心位置は、前記送信領域の重心位置と一致する
ことを特徴とする超音波デバイス。
請求項４に記載の超音波デバイスにおいて、
前記素子群に含まれる前記送信素子は、前記送信領域の重心位置を通り、前記第１方向に平行な仮想線に対して線対称となる位置に配置され、
前記素子群に含まれる前記受信素子は、前記仮想線に対して線対称となる位置に配置されている
ことを特徴とする超音波デバイス。
請求項４又は請求項５に記載の超音波デバイスにおいて、
前記素子群に含まれる前記送信素子は、前記送信領域の重心位置に対して、点対象となる位置に配置され、
前記素子群に含まれる前記受信素子は、前記送信領域の重心位置に対して、点対象となる位置に配置されている
ことを特徴とする超音波デバイス。
請求項６に記載の超音波デバイスにおいて、
前記素子群は、前記送信素子及び前記受信素子を含む超音波素子が、前記第１方向及び前記第１方向に交差する第２方向に沿って２次元アレイ状に配置されたアレイ構造を有する
ことを特徴とする超音波デバイス。
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の超音波デバイスにおいて、
前記素子群は、複数の前記受信素子を有し、
前記複数の受信素子は、前記送信素子から送信される超音波を基本波とする高次高調波を受信する第１受信素子と、前記第１受信素子とは異なる次数の高次高調波を受信する第２受信素子と、を含み、
前記第１受信素子は、前記受信領域の重心位置に対して点対称となる位置に配置され、
前記第２受信素子は、前記受信領域の重心位置に対して点対称となる位置に配置されている
ことを特徴とする超音波デバイス。
超音波を送信する送信素子、及び、超音波を受信する受信素子を含み、第１方向に沿って複数配置される素子群を備える超音波デバイスと、
前記超音波デバイスが設けられる回路基板と、を備え、
前記素子群において、前記素子群に含まれる前記受信素子が配置される受信領域の重心位置は、前記第１方向に沿った投影視において、前記素子群に含まれる前記送信素子が配置される送信領域と重なる
ことを特徴とする超音波モジュール。
超音波を送信する送信素子、及び、超音波を受信する受信素子を含み、第１方向に沿って複数配置される素子群を備える超音波デバイスと、
前記超音波デバイスを制御する制御部と、を備え、
前記素子群において、前記素子群に含まれる前記受信素子が配置される受信領域の重心位置は、前記第１方向に沿った投影視において、前記素子群に含まれる前記送信素子が配置される送信領域と重なる
ことを特徴とする超音波測定機。