JP2022167662A - 超音波デバイス、および超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波素子を密集して配置させることにより生じる不具合を低減しつつ、送信する信号の強度を高める。【解決手段】超音波デバイス（１）は、圧電体（１９）と、圧電体（１９）を送受信方向で挟むように位置している上部電極（２１）および下部電極（１７）と、該２つの電極のうち一方の電極の、圧電体（１９）とは反対側に位置しているキャビティ（５ｃ）とを含み、超音波の送信および受信を行う超音波素子（３）を複数有し、超音波素子（３）の少なくとも一部は、環状に配置されており、環状の中心から離れるに従って、超音波素子（３）の配置密度が低くなっている。【選択図】図１

Description

本発明は、超音波デバイス、および当該超音波デバイスを含む超音波診断装置に関する。

超音波の送受信を行う複数の超音波素子を平面上に配列して構成された超音波デバイスが知られている。例えば、特許文献１には、超音波送受波面の中央部に送信振動子を密集して配置し、周辺部に受信振動子を分散粗配置した超音波探触子が記載されている。

特開２００４－３１３４８４号公報

しかし、超音波素子を密集して配置すると、或る超音波素子の影響を、周囲の他の超音波素子が受けやすくなり、不具合が生じる可能性がある。一方で、超音波素子を粗く配置すると、送信する信号強度が弱まる、弱い強度の信号を受信しにくくなる等の可能性がある。

本開示の一態様に係る超音波デバイスは、超音波の送信および受信を行う素子であって、圧電体と、該圧電体を送受信方向で挟むように位置している２つの電極と、該２つの電極のうち一方の電極の、前記圧電体とは反対側に位置しているキャビティとを含む素子を複数有し、前記素子の少なくとも一部は、環状に配置されており、前記環状の中心から離れるに従って、前記素子の配置密度が低くなっている。

本開示の一態様に係る超音波診断装置は、前記超音波デバイスと、前記超音波デバイスからの電気信号に基づく画像を表示する画像表示装置と、を備えている。

本開示の一態様によれば、環状の中心に近いところほど超音波素子の配置密度が高いので、送信する信号の強度を高めることができる。また、全体の超音波素子の配置密度が高いのではなく、環状の中心から離れたところでは、配置密度が低いので、超音波素子を密集して配置させることにより生じる不具合を低減できる。

本発明の実施形態に係る超音波デバイスにおける超音波素子の配置例を示す平面図である。 上記超音波デバイスの一部の構成を示す斜視図である。 図２のII－II線における断面図である。 図１の領域Iの拡大図である。 配置密度の定義を説明するための図である。 パルス幅の定義を説明するためのグラフである。 低減機構の例を示す断面図である。 低減機構の例を示す断面図である。 低減機構の例を示す断面図である。 実験に用いた超音波素子の配置例を示す図である。 実験における超音波素子の振動変位を示すグラフである。 実験における超音波素子の振動変位を示すグラフである。 実験における超音波素子の振動変位を示すグラフである。 本実施形態に係る超音波診断装置の構成を示すブロック図である。

以下、本開示の一実施形態について、詳細に説明する。本開示で参照するグラフ以外の各図は模式的に示した図である。従って、各図は、図に示されていない任意の構成要素を備え得るし、各図中の構成要素は、実際の構成要素のサイズなどを忠実に表したものではない。

〔全体概要〕
まず、図１を参照して、本実施形態に係る超音波デバイス１における超音波素子３の配置例について説明する。図１は、超音波デバイス１における超音波素子３の配置例を示す平面図である。

図１に示すように、超音波デバイス１は、支持基板５に超音波素子３が略同心円上に配置されたアニュラーアレイ型である。そして、同心円の中心に近いほど、超音波素子３の配置密度が高くなるように配置されている。

ここで、図５を参照して配置密度について説明する。図５は、配置密度の定義を説明するための図であり、近接する２つの超音波素子３が示されている。配置密度とは、所定領域において超音波素子３が占める割合である。具体的には、最も近い距離にある２つの超音波素子３の中心間の距離Ｄｃを当該超音波素子の外周の距離ｄｐで除することにより算出される。式で表せば、配置密度＝Ｄｃ／ｄｐとなる。

また、超音波デバイス１は、同心円の中心からの距離に応じて区分された領域それぞれにチャンネルが割り当てられている。チャンネルとは、超音波を受信する単位であり、図１に示す例では、チャンネルＣｈ１からチャンネルＣｈ７までの７つのチャンネルが割り当てられている。ただし、チャンネル数は一例であり、これよりも多くても、少なくてもよい。

本実施形態に係る超音波デバイス１は、超音波素子３の少なくとも一部が略同心円上、つまり環状に配置されている。そして、環状の中心から離れるに従って、超音波素子３の配置密度が低くなっている。ここで、環状の中心は、上記同心円における円の中心と一致する。よって、環状の中心とは、超音波素子３が配置されている同心円における円の中心であるといえる。

〔超音波素子の構成〕
次に、図２および図３を参照して、超音波素子３の構成について説明する。

図２および図３には、便宜上、直交座標系Ｄ１－Ｄ２－Ｄ３を付している。ここでは、便宜上、Ｄ３軸方向の正側を上方として、上部または下部等の語を用いることがある。また、以下において平面視または平面透視という場合、Ｄ３軸方向に見ることをいうものとする。

図２は、超音波デバイス１の一部の構成を示す斜視図である。超音波デバイス１の概略の外形およびその寸法は、超音波デバイス１が利用される技術分野、超音波デバイス１に要求される機能等に応じて適宜に設定されてよい。例えば、超音波デバイス１は、血管内超音波検査法（ＩＶＵＳ：intravascular ultrasound）において血管内に配置可能に比較的小さくされてもよいし、通常の超音波診断装置（例えば腹部の断層像を得るための装置）のプローブに利用可能に掌の大きさ程度とされてもよい。また、超音波デバイス１は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）として構成されてもよい。

超音波デバイス１は、支持基板５上に構成されている。図２は、支持基板５の上面の一部を示している。超音波デバイス１は、上面１ａに沿って配置された複数（図１では２つのみ示されている）の超音波素子３を有している。各超音波素子３は、超音波の送信および受信を行う。換言すれば、超音波素子３は、超音波から電気信号への変換およびその逆の変換を行うトランスデューサーである。

具体的には、超音波素子３は、所定の波形（例えば、スパイク波、矩形波又は正弦波）で電圧が変化する電気信号（駆動信号）が入力されると、その電気信号を当該電気信号の波形を反映した超音波に変換し、Ｄ３軸方向の正側へ送信する。また、超音波素子３は、Ｄ３軸方向の正側から超音波を受信し、その超音波を当該超音波の波形を反映した電気信号に変換する。ここで、超音波の送信および受信についてのＤ３軸方向の正側は、Ｄ３軸方向に平行とは限らない。

複数の超音波素子３において、一部の超音波素子３の平面視における径と、他の一部の超音波素子３の平面視における径とは同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。複数の超音波素子３は、任意の数で設けられてよい。

図３は、図２のII－II線における断面図である。超音波デバイス１は、支持基板５と、支持基板５の上面５ａに重なっている機能層７と、支持基板５の下面５ｂに重なっている減衰材９とを有している。図示しないが、超音波デバイス１は、上記以外の構成要素を有していてもよい。例えば、超音波デバイス１は、上面５ａもしくは下面５ｂまたは減衰材９のいずれかの面に実装された電子素子を有していてもよい。

支持基板５は、上面５ａに開口する複数のキャビティ５ｃを有している。各超音波素子３は、キャビティ５ｃと、機能層７のうちキャビティ５ｃに重なっている部分とを含む。機能層７のうちキャビティ５ｃに重なっている部分は、振動して超音波を生じる部分であり、超音波の送信および受信を直接的に担う。当該部分を素子本体３ａということがある。支持基板５は、機能層７を支持することに寄与し、また、機能層７の共振周波数（固有振動数）に影響を及ぼしている。減衰材９は、例えば、不要な振動の減衰に寄与する。

支持基板５は、上面５ａと、その背面の下面５ｂと、複数のキャビティ５ｃとを有している。支持基板５は、例えば、略平板状であり、上面５ａおよび下面５ｂは互いに平行な平面状である。キャビティ５ｃの内部は、真空状態または適宜な気体が封入されている。キャビティ５ｃは、機能層７のうち超音波素子３を構成する部分（素子本体３ａ）の振動を容易化することに寄与する。また、素子本体３ａは、断面視において、キャビティ５ｃの両側縁部において両端支持された状態となり、キャビティ５ｃは、素子本体３ａ（素子３）の共振周波数を規定することに寄与する。すなわち、キャビティ５ｃの径が大きくされるほど、超音波素子３の共振周波数は低くなる。

キャビティ５ｃの形状および寸法は適宜に設定されてよい。例えば、キャビティ５ｃの平面視における形状は、円形または多角形とされてよい。本実施形態では、キャビティ５ｃの開口形状が円形である場合を例に説明する。また、図示の例では、キャビティ５ｃのその深さ方向に平行な断面（Ｄ１－Ｄ３平面に平行な断面）の形状は矩形である。キャビティ５ｃのその深さ方向に直交する断面（Ｄ１－Ｄ２平面に平行な断面）の形状は、深さ方向（Ｄ３方向）の位置によらずに一定である。ただし、キャビティ５ｃのその深さ方向に直交する断面の形状は、深さ方向の位置によって異なっていてもよい。例えば、図２のような断面視において、キャビティ５ｃの形状は、上部側ほど拡径または縮径する台形状とされてもよい。キャビティ５ｃの径は適宜に設定されてよく、一例を挙げると、１０μｍ以上１００μｍ以下である。

キャビティ５ｃのその深さ方向に直交する断面の形状が深さ方向の位置によって異なる態様において、キャビティ５ｃの径は、キャビティ５ｃの上面５ａにおける開口形状の径を指すものとする。この理由は、キャビティ５ｃ（支持基板５）のうち素子３の共振周波数に影響を及ぼす部分は、主として上面５ａに開口する部分であるためである。また、キャビティ５ｃの開口形状が円形でない場合において、キャビティ５ｃの径は、キャビティ５ｃの上面５ａにおける開口の外接円の径を指すものとする。この理由は、超音波素子３の共振周波数は、キャビティ５ｃの開口形状のうち径が大きい部分の影響を受けやすいためである。

支持基板５の材料は任意である。支持基板５は、その全体が１つの材料によって構成されていてもよいし、複数の材料が組み合わされて構成されていてもよい。支持基板５の材料は、例えば、無機絶縁材料または有機絶縁材料である。具体的には、例えば、支持基板５は、シリコン（Ｓｉ）等の絶縁材料によって一体的に形成されてよい。また、例えば、支持基板５は、シリコン等の絶縁材料によって概ね全体が一体的に形成されているとともに、上面および下面にＳｉＯ_２等の他の絶縁材料からなる層を有していてもよい。

機能層７のうち超音波素子３を構成している部分である素子本体３ａは、例えば、キャビティ５ｃ側（－Ｄ３側）およびキャビティ５ｃとは反対側（＋Ｄ３側）の少なくとも一方への撓み変形を伴う振動を生じる。当該振動は、換言すれば、面外振動である。この振動によって、超音波の送信およびは受信が行われる。すなわち、超音波素子３は、撓み振動型のものである。

撓み振動型の超音波素子としては、例えば、ｐＭＵＴ等の圧電式の素子およびｃＭＵＴ（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer）等の容量式の素子を挙げることができる。本実施形態では、ｐＭＵＴを例に挙げて説明する。また、撓み振動型の圧電素子としては、例えば、バイモルフ型の素子およびユニモルフ型の素子を挙げることができる。本実施形態では、ユニモルフ型の素子を例に挙げて説明する。

素子本体３ａは、中央が振動の腹となり、外縁が振動の節となる１次モードの振動に関して、共振周波数が超音波の周波数帯に位置するように構成されている。超音波の周波数帯は、例えば、２０ｋＨｚ以上の周波数帯である。超音波の周波数の上限について、特に規定は存在しないが、例えば、５ＧＨｚである。超音波素子３の厚さは適宜に設定されてよく、一例を挙げると、４μｍ以上４０μｍ以下である。

機能層７は、複数のキャビティ５ｃ上に位置する複数のメンブレン１１と、複数のメンブレン１１の上から上面５ａを覆っている被覆層１３とを有している。１つの超音波素子３（１つの素子本体３ａ）は、１つのキャビティ５ｃと重なる１つのメンブレン１１と、被覆層１３のうち１つのメンブレン１１に重なる領域とを有している。メンブレン１１は、超音波の送信および受信を直接に担う部分である。被覆層１３は、例えば、メンブレン１１の保護および絶縁に寄与する。

機能層７のうち、複数のメンブレン１１を含む層（機能層７のうち被覆層１３よりも下方の層）を機能本体層８とする。機能本体層８は、メンブレン１１の他、メンブレン１１の電気的接続に寄与する配線等を有してよい。機能本体層８の厚さは適宜に設定されてよく、一例を挙げると、２μｍ以上２０μｍ以下である。

メンブレン１１は、支持基板５から順に積層された、振動部１５、下部電極１７、圧電体１９および上部電極２１を有している。

圧電体１９の分極軸方向（単結晶においては電気軸・Ｘ軸）は、圧電体１９の厚み方向とされている。下部電極１７および上部電極２１によって圧電体１９に分極の向きと同じ向きで電界が印加されると、圧電体１９の下部電極１７および上部電極２１に挟まれた部分は、平面方向（Ｄ１方向及びＤ２方向）に縮小する。この縮小は、振動部１５によって規制される。その結果、メンブレン１１は、バイメタルのようにキャビティ５ｃ側へ撓む（変位する）。逆に、分極の向きと逆の向きで電界が印加されると、メンブレン１１は、キャビティ５ｃとは反対側へ撓む。

上記のような超音波素子３の変位によって、超音波素子３の周囲の媒質（例えば流体）においては圧力波が形成される。そして、所定の波形で電圧が変化する電気信号が下部電極１７および上部電極２１に入力されることによって、その電気信号の波形（例えば周波数および振幅の少なくとも何れか）を反映した超音波が生成される。

上記では、超音波の送信について記載したが、超音波の受信は、送信時とは逆の原理によって実現される。本実施形態では、１つの超音波素子３において、送信および受信の双方を行う。送信および受信の双方を行う超音波素子３は、超音波の送信を間欠的に行い、超音波の送信が行われていない間において超音波の受信を行う。これにより、超音波素子３は、自らが送信した超音波の反射波を受信する。

振動部１５は、振動層１６のうちキャビティ５ｃ上の部分である。振動層１６は、平面透視において複数のキャビティ５ｃを包含する１つの領域の全体に亘って隙間無く広がっている。換言すれば、振動層１６は、複数のキャビティ５ｃと、その間の領域とを覆っている。ただし、振動部１５は、図示の例とは異なり、超音波素子３毎に設けられていてもよい。すなわち、キャビティ５ｃ間に振動層１６の非配置領域が形成されることにより、複数の振動部１５は、互いに分離されていてもよい。振動部１５は、例えば、略一定の厚さの層状である。振動部１５の厚さは適宜に設定されてよい。例えば、振動部１５の厚さは、圧電体１９の厚さに対して、薄くてもよいし、同等でもよいし、厚くてもよい。

振動部１５は、例えば、絶縁材料によって形成されている。絶縁材料は、無機材料でも有機材料でもよく、より具体的には、例えば、シリコン、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）または窒化シリコン（ＳｉＮ_Ｘ）である。振動部１５は、例えば、１種類の材料によって一体的に構成されていてもよいし、互いに異なる材料からなる複数の層が積層されて構成されていてもよい。振動部１５は、シリコンと、その下面に重なるＳｉＯ_２とによって構成されていてもよい。特に図示しないが、振動部１５を設けず、下部電極１７または上部電極２１を振動部として機能させることも可能である。

圧電体１９は、略一定の厚さの層状である。圧電体１９は、超音波素子３毎に設けられている。複数の圧電体１９は、互いに分離されている。平面透視において、圧電体１９の形状および広さは、キャビティ５ｃと略同等である。例えば、平面透視において、圧電体１９の９０％以上とキャビティ５ｃの９０％以上とが重なっている。ただし、圧電体１９は、平面透視において、キャビティ５ｃの開口形状とは全く異なる形状、広さであってもよい。圧電体１９の厚さは適宜に設定されてよい。一例を挙げると、圧電体１９の厚さは、０．５μｍ以上１０μｍ以下である。

圧電体１９は、例えば、上面側ほど縮径するようにテーパ状に形成されている。換言すれば、圧電体１９の側面は、圧電体１９が支持基板５側ほど拡径する向きで傾斜する斜面を有している。これにより、例えば、上部電極２１に接続される上部配線２５（後述する）の断線が生じにくくなる。また、後述するように、超音波の送信および受信の効率を向上させることができる。上述した斜面は、圧電体１９の側面の一部であってもよいし、全部であってもよい。圧電体１９のテーパ面（側面）は、図２のような横断面において平面状であってもよいし、曲面状であってもよい。また、テーパ面の傾斜角度も任意である。図示の例とは異なり、圧電体１９は、上面と下面とが概ね重なる形状、すなわち側面が鉛直壁である形状であってもよい。

圧電体１９は、単結晶によって構成されていてもよいし、多結晶によって構成されていてもよい。圧電体１９の材料は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、チタン酸バリウム（ＢＴＯ：ＢａＴｉＯ_３）、ニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ：（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ_３）、チタン酸ビスマスナトリウム（ＮＢＴ：Ｎａ_０．５Ｂｉ_０．５ＴｉＯ_３）およびチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ_ｘ，Ｔｉ_１－ｘ）Ｏ_３）である。上記の例示からも理解されるように、圧電体は、強誘電体であってもなくてもよいし、焦電体であってもなくてもよい。また、結晶構造は、ペロブスカイト型またはウルツ鉱型等の適宜なものであってよい。

下部電極１７は、略一定の厚さの層状である。下部電極１７は、超音波素子３毎に設けられている。複数の下部電極１７は、互いに分離されている。平面透視において、下部電極１７の形状および広さは、キャビティ５ｃおよび圧電体１９の下面と略同等とされている。例えば、平面透視において、下部電極１７の９０％以上とキャビティ５ｃ（その上面５ａにおける開口）および圧電体１９の下面の９０％以上とが重なっている。ただし、下部電極１７は、平面透視において、キャビティ５ｃの開口形状とは全く異なる形状および広さであってもよい。

上記の下部電極１７に係る説明は、上部電極２１に援用されてよい。この際、「下部電極１７」は「上部電極２１」に、「圧電体１９の下面」は「圧電体１９の上面」に、「下部電極層」は「上部電極層」に、それぞれ置き換える。下部電極１７および上部電極２１は、その形状および大きさが互いに同一であってもよいし、互いに異なっていてもよい。図示の例では、圧電体１９がテーパ状とされている。そして、下部電極１７が圧電体１９の下面と概ね同等の形状および大きさとされており、上部電極２１が圧電体１９の上面と概ね同等の形状および大きさとされている。その結果、上部電極２１は、下部電極１７よりも一回り小さい。

下部電極１７および上部電極２１の厚さは適宜に設定されてよい。通常、それぞれの電極の厚さは、圧電体１９および振動層１６の厚さに比較して薄い。例えば、下部電極１７および上部電極２１の厚さは、圧電体１９の厚さの１／１０以下である。下部電極１７の厚さと上部電極２１の厚さとは互いに同一であってもよいし、互いに異なっていてもよい。

下部電極１７および上部電極２１の材料は、例えば、適宜な金属および酸化物導電薄膜の層とされてよい。金属は、例えば、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）若しくはクロム（Ｃｒ）またはこれらを含む合金である。また、酸化物導電薄膜は、例えば、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳＲＯ）またはニッケル酸ランタン（ＬＮＯ）等のペロブスカイト構造の導電材料である。下部電極１７および上部電極２１は、上記で示した互いに異なる材料からなる複数の層が積層されて構成されていてもよい。下部電極１７の材料と上部電極２１の材料とは互いに同一であってもよいし、互いに異なっていてもよい。

複数の下部電極１７は、互いに接続されていてもよいし、互いに非接続とされていてもよい。同様に、複数の上部電極２１は、互いに接続されていてもよいし、互いに非接続とされていてもよい。本実施形態の説明では、主として、複数の下部電極１７が互いに接続されており、かつ複数の上部電極２１が互いに接続されている態様を例に挙げて説明する。

複数のメンブレン１１を含む機能本体層８は、上述したように、メンブレン１１の他、メンブレン１１の電気的接続に係る配線を含んでよい。例えば、上記のように、本実施形態では、上部電極２１同士が接続される態様としており、機能本体層８は、Ｄ１方向に並んでいる複数の上部電極２１を互いに接続する上部配線２５を有している。

上部配線２５は、例えば、メンブレン１１の上から支持基板５に重なる導体層によって構成されている。上部配線２５は、Ｄ１方向において互いに隣り合う上部電極２１の一方から他方へ延びており、両者を接続している。このような上部配線２５の具体的な形状および寸法は適宜に設定されてよい。

例えば、上部配線２５は、略一定の幅でＤ１方向に延びる長尺状である。その幅は、例えば、上部電極２１のＤ２方向の径よりも小さい。上部配線２５の一端は、互いに隣り合う上部電極２１の一方の上に重なり、上部配線２５の他端は、互いに隣り合う上部電極２１の他方の上に重なっている。同一の上部電極２１上に位置している２つの上部配線２５の端部は、互いに間隔を空けてＤ１方向において対向している。当該間隔は、キャビティ５ｃの中央上に位置している。

また、例えば、上部配線２５の厚さは、下部電極１７、上部電極２１および下部配線（図示せず）よりも厚くされている。これにより、例えば、上部配線２５のうち圧電体１９の厚みによって構成された段差を超える部分において断線が生じにくくなる。上部配線２５の厚さは、圧電体１９の厚さの１／２０以上１／５以下とされてよい。

下部電極１７および下部配線に対して上から重なり、かつ上部配線２５の下に位置し、前者と後者との短絡が生じにくい絶縁膜２７が設けられてもよい。絶縁膜２７の材料、形状及び寸法等は任意である。例えば、絶縁膜２７は、上部配線２５よりも薄く形成されており、また、少なくとも圧電体１９の上部を露出させている。絶縁膜２７の材料は、無機材料であってもよいし、有機材料であってもよい。図示の例とは異なり、絶縁膜２７を設けず、上部配線２５を圧電体１９のみによって下部電極１７および下部配線と絶縁してもよい。

被覆層１３は、超音波デバイス１の上面１ａを構成している。従って、超音波デバイス１の周囲の流体は、被覆層１３の上面に接する。ただし、被覆層１３は、超音波デバイス１の上面１ａを構成していなくてもよい。例えば、不図示の層が被覆層１３上に重ねられていてもよい。

被覆層１３は、平面透視において複数の超音波素子３を包含する１つの領域の全体に隙間無く広がっている。被覆層１３は、略一定の厚さで広がっている。従って、被覆層１３の上面は、図２および図３に示すように、機能本体層８の上面の凹凸を反映している。すなわち、被覆層１３は、いわゆるコンフォーマル（conformal、共形）な層である。ただし、被覆層１３の上面の凹凸は、機能本体層８の上面の凹凸に比較して滑らかになっている。また、図示の例とは異なり、機能本体層８の上面の凹凸の有無に関わらず、被覆層１３の上面は、平面状とされてもよい。被覆層１３の厚さは適宜に設定されてよい。

より具体的には、本実施形態では、複数の圧電体１９が互いに分離して設けられている。これにより、機能本体層８の上面は、キャビティ５ｃ上に凸部を有している。ひいては、被覆層１３の上面は、キャビティ５ｃ上に凸部１３ａを有している。凸部１３ａの形状は、圧電体１９の形状を反映しており、図示の例では、略円錐台である。また、本実施形態では、比較的厚い上部配線２５が設けられていることによっても、機能本体層８の上面に凸部が生じている。その結果、被覆層１３の表面には、Ｄ１方向に延びる凸部１３ｂが形成されている。

被覆層１３の材料は、絶縁性を有する材料とされてよい。例えば、被覆層１３の材料の体積抵抗率は、１０１４Ωｍ以上である。絶縁材料は、有機材料であってもよいし、無機材料であってもよい。被覆層１３は、一の材料から構成されていてもよいし、互いに異なる材料の層が積層されて構成されていてもよい。

減衰材９は、音響に係る減衰定数（ｍ^－１・Ｈｚ^－１）が支持基板５よりも大きい材料によって構成されている。これにより、例えば、素子３で生じた振動が外部へ漏れにくくなり、逆に、外部からの振動が素子３へ伝わりにくくなる。減衰材９が絶縁性材料によって構成されている場合においては、減衰材９は、回路基板の絶縁体のように機能可能である。従って、減衰材９の＋Ｄ３側もしくは－Ｄ３側の表面に電子部品が実装されたり、減衰材９の内部に配線または電子素子が設けられたりしてもよい。減衰材９の材料は、適宜なものとされてよく、例えば、樹脂またはセラミックとされてよい。減衰材９は設けられなくてもよい。

〔超音波素子３の配置の詳細〕
次に、図４を参照して超音波素子３の配置例の詳細について説明する。図４は、図１の領域Iの拡大図である。以下では、超音波素子３として特定の素子を示す必要が無い場合は、単に「超音波素子３」と記載し、特定の素子を示す場合は、「超音波素子３－１ａ」というように、「超音波素子３」の後に枝番を付して説明する。

まず、チャンネルＣｈ１に配置された超音波素子３－１ａに着目する。超音波素子３－１ａと同じチャンネルＣｈ１内に配置され、超音波素子３－１ａから最も近い位置に配置されている超音波素子３－１ｂと超音波素子３－１ａとの距離をｄ１１とする。

また、チャンネルＣｈ２に配置された超音波素子３のうち、超音波素子３－１ａから最も近い位置に配置された超音波素子３－２ａと超音波素子３－１ａとの距離をｄ２１とする。

本実施形態では、距離ｄ１１＜距離ｄ２１となっている。すなわち、同じチャンネル内に配置された超音波素子３間の最短距離は、チャンネルをまたいで配置された超音波素子３間の最短距離よりも短い。これにより、他のチャンネル内に配置された超音波素子３の影響を受けてしまうことを低減できる。

また、超音波素子３－２ａと同じチャンネルＣｈ２内に配置され、超音波素子３－２ａから最も近い位置に配置されている超音波素子３－２ｂと超音波素子３－２ａとの距離をｄ２２とする。

本実施形態では、距離ｄ１１＜距離ｄ２２となっている。また、チャンネルＣｈ３内に配置されている超音波素子３－３ａと同じチャンネルＣｈ３内で超音波素子３－３ａから最短距離に配置されている超音波素子３－３ｂとの距離ｄ３２は、距離ｄ２２よりも長い。すなわち、本実施形態では、距離ｄ２２＜距離ｄ３２となっている。このように、本実施形態では、同一のチャンネル内に配置された超音波素子３間の最短距離は、同心円の中心から離れるに従って長くなる構成である。同心円の中心から離れるほど円の直径が大きくなるので、半径方向外側のチャンネルになればなるほど、同じチャンネル内に配置される超音波素子３の配置間隔を長くしても、所望の数の超音波素子３素子を配置することは可能である。そして、同一のチャンネル内に配置された超音波素子３間の距離を長くすることにより、信号強度を下げることなく、チャンネル内の他の素子から受ける影響を低減できる。

また、本実施形態では、チャンネルＣｈ１における超音波素子３の配置密度、および、チャンネルＣｈ２における超音波素子３の配置密度が、チャンネルＣｈ３以降における超音波素子３の配置密度よりも高くなっている。換言すれば、チャンネルＣｈ２とチャンネルＣｈ３における超音波素子３の配置密度の差が、他のチャンネル間における前記配置密度の差よりも大きい。

チャンネルＣｈ１およびチャンネルＣｈ２の超音波素子３の配置密度を他のチャンネルよりも高めることにより、他のチャンネルよりも面積が小さいチャンネルＣｈ１およびチャンネルＣｈ２において、信号強度が弱まることを低減できる。

また、本実施形態では、チャンネルＣｈ３内に配置されている超音波素子３－３ａと、チャンネルＣｈ４内に配置され、超音波素子３－３ａと最短距離にある超音波素子３－４ａとの距離ｄ４３は、距離ｄ２１および距離ｄ３１よりも短くなっている。すなわち、距離ｄ４３＜距離ｄ２１、および距離ｄ４３＜距離ｄ３１となっている。また、チャンネルＣｈ４以降についても同様に、チャンネル間をまたぐ超音波素子３の最短距離は、距離ｄ２１および距離ｄ３１よりも短くなっている。

これにより、配置密度が高いチャンネルＣｈ１およびチャンネルＣｈ２の影響がチャンネルＣｈ３以降に及ぶことを低減できる。

また、本実施形態では、支持基板５の端部５ｂに最も近い位置に配置されている超音波素子３－７ａと、当該超音波素子３－７ａと同じチャンネルＣｈ７内に配置され、超音波素子３－７ａともっと近い位置に配置されている超音波素子３－７ｂとの距離ｄ７１は、超音波素子３－７ｂと超音波素子３－７ａ以外の超音波素子３－７ｃとの距離ｄ７２よりも長い。すなわち、距離ｄ７１＞距離ｄ７２である。換言すれば、超音波素子３の配置密度は支持基板５の端部５ｂに近いほど低い。

これにより、支持基板５の端部の近傍に配置された超音波素子３の振動が、支持基板５基板の端部で反射されることにより他の超音波素子３へ影響を及ぼしてしまうことを低減できる。

以上のように、本実施形態に係る超音波デバイス１は、超音波の送信および受信を行う超音波素子３を複数有する。そして、超音波素子３は、圧電体１９と、該圧電体１９を送受信方向で挟むように位置している２つの電極（上部電極２１、および下部電極１７）と、該２つの電極のうち一方の電極の、前記圧電体１９とは反対側に位置しているキャビティ５ｃとを含む。さらに、超音波素子３の少なくとも一部は、環状に配置されており、環状の中心から離れるに従って、超音波素子３の配置密度が低くなっている。

これにより、環状の中心に近いところほど超音波素子３の配置密度が高くなるので、送信する信号の強度を高めることができる。また、超音波素子３の全体の配置密度が高いのではなく、環状の中心から離れたところでは、配置密度が低いので、超音波素子３を密集して配置させることにより生じる不具合を低減することができる。

〔低減機構〕
次に、図７～図９を参照して低減機構の例について説明する。低減機構とは、チャンネル間に配置されることにより、或るチャンネルにおける超音波素子３の振動の影響が他のチャンネルにおける超音波素子３に及ぶことを低減するものである。

図７は、低減機構として、チャンネルをまたぐ超音波素子３の間に溝（凹構造）が設けられている例を示す。図７に示す例における超音波素子３－１はチャンネルＣｈ１に配置されている超音波素子３を示し、超音波素子３－２はチャンネルＣｈ２に配置されている超音波素子３を示す。そして、チャンネルをまたぐように配置されている超音波素子３-１および超音波素子３－２の間に溝７１が設けられている。溝７１が設けられることにより、チャンネルＣｈ１における超音波素子３の振動の影響がチャンネルＣｈｎ２における超音波素子３に及ぶことを低減できる。また、逆に、チャンネルＣｈ２における超音波素子３の振動の影響がチャンネルＣｈ１における超音波素子３に及ぶことを低減できる。ここでは、チャンネルＣｈ１とチャンネルＣｈ２との間に溝７１が設けられる例を説明したが、溝７１は全てのチャンネル間に設けられてよい。

図８は、低減機構として、チャンネルをまたぐ超音波素子３の間におもり（凸構造）が設けられている例を示す。図８に示す例における超音波素子３－１はチャンネルＣｈ１に配置されている超音波素子３を示し、超音波素子３－２はチャンネルＣｈ２に配置されている超音波素子３を示す。そして、チャンネルをまたぐように配置されている超音波素子３-１および超音波素子３－２の間におもり８１が設けられている。おもり８１が設けられることにより、チャンネルＣｈ１における超音波素子３の振動の影響がチャンネルＣｈｎ２における超音波素子３に及ぶことを低減できる。また、逆に、チャンネルＣｈ２における超音波素子３の振動の影響がチャンネルＣｈ１における超音波素子３に及ぶことを低減できる。ここでは、チャンネルＣｈ１とチャンネルＣｈ２との間におもり８１が設けられる例を説明したが、おもり８１は全てのチャンネル間に設けられてよい。

おもり８１は、チャンネル間に配置され、或るチャンネルにおける超音波素子３の振動の影響が他のチャンネルにおける超音波素子３に及ぼされないようにできるものであればよく、例えば銅または金などでパターニングが施された構造体である。

また、図９に示すように、チャンネル間の距離を広げることにより、低減機構の役割を果たしてもよい。

図９の９０１は、チャンネルＣｈ１における超音波素子３－１とチャンネルＣｈ２における超音波素子３－２との関係を示す図である。図９に示すように、超音波素子３－１と超音波素子３－２との距離はｄ１２－１である。この距離を図９の９０２に示すようにｄ１２－２（＞ｄ１２－１）としてもよい。このように、チャンネルをまたぐ超音波素子３の距離を広げることにより、チャンネルＣｈ１における超音波素子３の振動の影響がチャンネルＣｈｎ２における超音波素子３に及ぶことを低減できる。また、逆に、チャンネルＣｈ２における超音波素子３の振動の影響がチャンネルＣｈ１における超音波素子３に及ぶことを低減できる。このように、低減機構として溝７１および／またはおもり８１を設けた場合と同様の効果を奏することができる。ただし、チャンネルＣｈ１とチャンネルＣｈ２との間のみ、間隔をひろげるのではなく、他のチャンネル間の距離も広げてもよい。

以上のように、低減機構は、チャンネル間に設けられた、送信方向と反対側に凹んだ溝７１（凹構造）、または、チャンネル間に設けられた、送信方向に突出したおもり８１（凸構造）であってよい。これにより、或るチャンネル内に配置された超音波素子３の振動が、他のチャンネルに配置された超音波素子３へ影響を及ぼすことを低減できる。

〔実験結果〕
図１０～図１３を参照して、本願発明者らが行った実験の結果について説明する。本願発明者らは、超音波素子の振動の影響について、実験を行い、図１０～図１３に示す結果を得た。

まず、図１０は、実験に用いた超音波素子の配置を示す。図１０の１００１は、１つの超音波素子３００１を用いた場合を示し、図１０の１００２は、１３×１３のマトリクス状に配置された超音波素子を用いた例を示す。ここでは、注目する超音波素子について３０１１～３０１５の符号を付している。

図１１の１１０１は、図１０の１００１に示す超音波素子３００１にある振動を与えたときの振動変位を示すグラフである。当該グラフの縦軸は振動変位（ｎｍ）を示し、横軸は時間（ｎｓｅｃ）を示す。

図１１の１１０２は、同じ振動を図１０の１００２に示す超音波素子に与えたときの超音波素子３０１１の振動変位を示すグラフである。１１０１と同様に、縦軸は振動変位（ｎｍ）を示し、横軸は時間（ｎｓｅｃ）を示す。１１０２に示すように、超音波素子が１つではなく複数、配列されている場合、１１０２の領域１１００で示すように、１１０１の場合と比較してリンギングが顕著になっていることが分かる。

ここで、リンギングとは、パルス幅が増大していることをいう。図６を参照してパルス幅について説明する。パルス幅とは、横軸に時間、縦軸に電圧をとったグラフで考えた場合、最大振幅の－２０ｄＢ以上の電圧が観測される時間幅のことをいう。すなわち、最大振幅の２倍をＶ１とした場合、振幅の２倍であるＶ２がＶ２＞Ｖ１／１０となる時間幅をパルス幅という。

よって、振幅が、最大振幅の１０分の１（－２０ｄＢ）を超える期間が増大すれば、パルス幅が増大していることになり、リンギングが顕著になっているということができる。

図１２は、図１０の１００２における超音波素子３０１１～３０１４の振動変位を示すグラフである。図１１に示すグラフと同様に図１２に示すグラフも、縦軸は振動変位（ｎｍ）を示し、横軸は時間（ｎｓｅｃ）を示す。

図１２のグラフの１２０１～１２０３に示すように、マトリクス状に配置された超音波素子のうち、外側に配置された超音波素子ほど、リンギングが小さいことが分かる。

図１３の１３０１は、図１０の１００２における超音波素子３０１６における振動変位を示すグラフである。１３０２は、超音波素子３０１１における振動変位を示すグラフである。１３０３は、超音波素子３０１５における振動変位を示すグラフである。１３０１の領域１３１１、１３０２の領域１３２１、および１３０３の領域１３３１に示すように、リンギングの影響は超音波素子３０１６、超音波素子３０１１、超音波素子３０１５の順で小さい。すなわち、マトリクス状に配置された超音波素子のうち、端部に近づくほどリンギングの影響が小さいことが分かる。

〔超音波診断装置１０１〕
次に、図１４を参照して、超音波診断装置１０１について説明する。図１４は、超音波デバイス１の応用例として、超音波デバイス１を含む超音波診断装置１０１の構成を模式的に示すブロック図である。

超音波診断装置１０１は、例えば、ＩＶＵＳ用のものであってよい。超音波診断装置１０１は、患者の血管内に挿入されるカテーテル１０３と、カテーテル１０３に接続されている装置本体１０７とを備えている。カテーテル１０３は、概略チューブ状のカテーテル本体１０３ａと、カテーテル本体１０３ａ内に収容されている超音波デバイス１とを有している。

超音波デバイス１は、カテーテル本体１０３ａを介してカテーテル本体１０３ａの径方向外側へ超音波を送信し、その反射波を受信する。

装置本体１０７は、カテーテル本体１０３ａ内の不図示の配線を介してデバイス４０１と接続されている送受信部１０９を有している。送受信部１０９は、超音波デバイス１に送信信号を出力するとともに超音波デバイス１ら受信信号が入力されるものであってもよい。カテーテル１０３における電気的構成と送受信部１０９との間の役割分担は適宜に設定されてよい。

装置本体１０７は、例えば、ユーザ（例えば医師または技師）の操作を受け付ける入力部１１１と、入力部１１１からの信号に基づいて送受信部１０９を制御する制御部１１３と、を有している。また、装置本体１０７は、送受信部１０９からの信号及び制御部１１３からの信号に基づいて画像処理を行う画像処理部１１５と、画像処理部１１５からの信号に基づいて画像を表示する表示部１１７（画像表示装置）とを備えている。表示部１１７には、例えば、超音波の送受信によって得られた患者の断層画像（ここでは血管の断面画像）が表示される。

特に図示しないが、カテーテル１０３は、カテーテル本体１０３ａを屈曲運動させたり、カテーテル本体１０３ａ内のデバイス４０１の向きを変えたりする機構を有していてもよい。また、装置本体１０７は、そのような機構に対応した制御部を有していてよい。

以上、本開示に係る発明について、諸図面および実施例に基づいて説明してきた。しかし、本開示に係る発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。すなわち、本開示に係る発明は本開示で示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本開示に係る発明の技術的範囲に含まれる。つまり、当業者であれば本開示に基づき種々の変形または修正を行うことが容易であることに注意されたい。また、これらの変形または修正は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。

１ 超音波デバイス
３ 超音波素子
５ 支持基板
５ｃ キャビティ
１７ 下部電極
１９ 圧電体
２１ 上部電極
１０１ 超音波診断装置
１１７ 表示部（画像表示装置）
Ｃｈ１，Ｃｈ２，Ｃｈ３，Ｃｈ４，Ｃｈ５，Ｃｈ６，Ｃｈ７ チャンネル

Claims (10)

1. 超音波の送信および受信を行う素子であって、圧電体と、該圧電体を送受信方向で挟むように位置している２つの電極と、該２つの電極のうち一方の電極の、前記圧電体とは反対側に位置しているキャビティとを含む素子を複数有し、
   前記素子の少なくとも一部は、環状に配置されており、
   前記環状の中心から離れるに従って、前記素子の配置密度が低くなっている、超音波デバイス。
2. 前記超音波を受信する単位であるチャンネルが、前記中心からの距離に応じて区分された複数の領域それぞれに割り当てられており、
   前記チャンネル内に配置された前記素子間の最短距離は、前記チャンネルをまたいで配置された前記素子間の最短距離よりも短い、請求項１に記載の超音波デバイス。
3. 同一の前記チャンネル内に配置された前記素子間の最短距離は、前記中心から離れるに従って長くなる、請求項２に記載の超音波デバイス。
4. 前記中心から２番目に近い前記領域と３番目に近い前記領域とに割り当てられたチャンネルにおける前記配置密度の差が、他のチャンネル間における前記配置密度の差よりも大きい、請求項２または３に記載の超音波デバイス。
5. 前記中心から最も近い前記領域と２番目に近い前記領域とに割り当てられたチャンネルをまたいで配置された前記素子間の最短距離、および前記中心から２番目に近い前記領域と３番目に近い前記領域とに割り当てられたチャンネルをまたいで配置された前記素子間の最短距離は、他のチャンネル間をまたいで配置された前記素子間の最短距離よりも長い、請求項２～４のいずれか１項に記載の超音波デバイス。
6. 前記チャンネルの間に、当該チャンネル間をまたいで伝わる振動を低減する低減機構が備えられている、請求項２～５のいずれか１項に記載の超音波デバイス。
7. 前記低減機構は、前記チャンネル間に設けられた、送信方向と反対側に凹んだ凹構造、または、前記チャンネル間に設けられた、送信方向に突出した凸構造である、請求項６に記載の超音波デバイス。
8. 前記素子は支持基板上に配置されており、
   前記支持基板の端部に最も近い位置に配置された前記素子と当該素子に最も近い素子との間の距離は、他の素子間の距離よりも長い、請求項１～７のいずれか１項に記載の超音波デバイス。
9. 前記配置密度とは、前記領域における前記素子が占める割合である、請求項１～８のいずれか１項に記載の超音波デバイス。
10. 請求項１～９のいずれか１項に記載の超音波デバイスと、
    前記超音波デバイスからの電気信号に基づく画像を表示する画像表示装置と、を備えた超音波診断装置。

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