JP6024154B2 - 超音波装置、プローブ、電子機器及び診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波装置、プローブ、電子機器及び診断装置等に関する。

プローブ先端から対象物に向かって超音波を出射し、その対象物から反射された超音波を検出する超音波装置（例えば特許文献１）が知られている。例えば、患者の体内を映像化して診断に用いる超音波診断機器などとして用いられている。

特開２００７−１４２５５５号公報

一般的な超音波素子アレイは、圧電素子等を用いた超音波素子をアレイ状に並べて形成されている。アレイのスキャン方向では、スキャン方向に並ぶ各超音波素子を個別に駆動することでビームフォーミングを行い、方位分解能を高めている。一方、アレイのスライス方向においても、超音波ビームを収束させることで分解能を向上するという課題がある。

例えば、スライス方向に並ぶ各超音波素子に対してそれぞれ駆動電極線を設け、それらの駆動電極線に供給する駆動信号の位相制御を行い、スライス方向において超音波ビームを収束させる手法が考えられる。しかしながら、この手法では、スキャン方向とスライス方向の両方において位相制御を行う必要があり、制御が複雑化するという課題がある。

本発明の幾つかの態様によれば、例えばスライス方向の位相制御等を行うことなく、スライス方向において超音波ビームを収束可能な超音波装置、プローブ、電子機器及び診断装置等を提供できる。

本発明の一態様は、第１の方向に沿って複数の超音波素子が配置された超音波素子列が、前記第１の方向に交差する第２の方向に沿ってＮ列（Ｎは２以上の自然数）配置された超音波素子群と、前記第１の方向に沿って配線された第１〜第Ｎの駆動電極線と、第１の端子と、を含み、前記Ｎ列のうち第ｉ列の超音波素子列を構成する超音波素子には、前記第１〜第Ｎの駆動電極線のうちの第ｉの駆動電極線（ｉはＮ以下の自然数）が接続され、前記第ｉの駆動電極線の一端には、前記第１の端子が接続され、前記第ｉ列の超音波素子列の各超音波素子は、前記第ｉの駆動電極線に接続される第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に設けられた圧電層と、により構成され、前記第ｉ列の超音波素子列において、前記第１の端子に近い第１の超音波素子の前記圧電層による容量をＣａとし、前記第１の超音波素子よりも前記第１の端子から遠い第２の超音波素子の前記圧電層による容量をＣｂとする場合に、Ｃａ＞Ｃｂである超音波装置に関係する。

本発明の一態様によれば、第ｉ列の超音波素子列において、第１の端子に近い第１の超音波素子の容量Ｃａの方が、第１の超音波素子よりも第１の端子から遠い第２の超音波素子の容量Ｃｂよりも大きい。そして、超音波素子の圧電層による容量と、例えば駆動電極線の配線抵抗等の超音波素子間の抵抗とにより、駆動信号に遅延を生じさせることが可能になる。これにより、第１の方向をスライス方向とすれば、スライス方向において超音波ビームを収束させることが可能になる。

また本発明の一態様では、前記第ｉの駆動電極線の他端に接続される第２の端子を含んでもよい。

このようにすれば、第１の方向に並ぶ超音波素子列の両端側から駆動信号を入力できるため、スライス方向において超音波ビームのプロファイルも対称となり、ビーム中心を超音波素子列の中央にすることが可能となる。

また本発明の一態様では、前記第ｉ列の超音波素子列において、前記第２の端子に近い第３の超音波素子の前記圧電層による容量をＣｃとし、前記第３の超音波素子よりも前記第２の端子から遠い第４の超音波素子の前記圧電層による容量をＣｄとする場合に、Ｃｃ＞Ｃｄであってもよい。

また本発明の一態様では、前記圧電層による容量は、前記第１の端子から前記第ｉの超音波素子列の中央部に向かって順次小さくなり、前記第２の端子から前記中央部に向かって順次小さくなってもよい。

これらの本発明の一態様によれば、所望の焦点に超音波ビームが収束するような駆動信号の遅延を生じさせることが可能になる。これにより、両端の端子に駆動信号を供給するだけで、所望の焦点に超音波ビームを収束できる。

また本発明の一態様では、前記超音波素子群を構成する超音波素子において、前記圧電層の振動により振動するダイアフラムは、矩形であり、前記超音波素子は、前記ダイアフラムの前記矩形の長辺が前記第１の方向に沿うように配置されてもよい。

このようにすれば、ダイアフラムが矩形であることで、ダイアフラムの縦横比の変更により、ダイアフラムの共振周波数は一定でありながら容量を調整することができる。また、矩形の長辺が第１の方向に沿っていることで、超音波素子アレイの設計が容易になる。

また本発明の一態様では、前記第ｉ列の超音波素子列において、超音波素子間の前記第ｉの駆動電極線の配線抵抗は、前記第１の端子から前記第ｉの超音波素子列の中央部に向かって順次小さくなり、前記第２の端子から前記中央部に向かって順次小さくなってもよい。

このようにすれば、駆動電極線の配線抵抗の調整により駆動信号の遅延を調整することで、スライス方向において超音波ビームが収束するように駆動信号の遅延を発生させることが可能になる。

また本発明の一態様では、前記第ｉの駆動電極線の他端に接続される第２の端子を含み、前記第１の端子及び前記第２の端子に供給された駆動信号が、前記第１の端子及び前記第２の端子から前記第ｉ列の超音波素子列の中央部に向かって順次遅延することにより、前記超音波素子群から出射される超音波ビームは、前記第１の方向であるスライス方向において所定位置にフォーカスしてもよい。

また本発明の一態様では、前記スライス方向においてフォーカスする所定位置は、前記第２の方向であるスキャン方向において前記超音波ビームがフォーカスする位置であってもよい。

このようにすれば、スキャン方向において位相走査により超音波ビームが収束する位置と、スライス方向において駆動電圧の遅延により超音波ビームが収束する位置を一致させることができる。これにより、３次元的に超音波ビームを収束させ、超音波ビームの効率を向上できる。

また本発明の一態様では、前記超音波素子列に配置された前記複数の超音波素子は、Ｍ（Ｍは２以上の自然数）個の超音波素子であり、前記超音波素子群は、前記超音波素子列が前記Ｎ列配置された、Ｍ行Ｎ列のマトリックス状の超音波素子群であってもよい。

このようにすれば、超音波素子群をＭ行Ｎ列のマトリックス状に配置できる。なお、本発明の一態様では、超音波素子群の配置はマトリックス状に限定されず、例えば千鳥状の配置等であってもよい。

また本発明の一態様では、前記第ｉの駆動電極線の他端に接続される第２の端子と、前記第１の端子と前記第２の端子に対して前記駆動信号を出力する駆動信号出力回路と、を含んでもよい。

このようにすれば、第１の端子と第２の端子に対して駆動信号を供給できる。各超音波素子に個別に駆動信号を供給しなくてもスライス方向にフォーカスできるため、駆動信号出力回路の構成を簡素化できる。

また本発明の他の態様は、複数の超音波素子が配置された超音波素子列と、前記複数の超音波素子に接続される駆動電極線と、前記駆動電極線の一端に接続される第１の端子と、を含み、前記超音波素子列の各超音波素子は、前記駆動電極線に接続される第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に設けられた圧電層と、により構成され、前記超音波素子列において、前記第１の端子に近い第１の超音波素子の前記圧電層による容量をＣａとし、前記第１の超音波素子よりも前記第１の端子から遠い第２の超音波素子の前記圧電層による容量をＣｂとする場合に、Ｃａ＞Ｃｂである超音波装置に関係する。

また本発明の更に他の態様は、上記のいずれかに記載の超音波装置を含むプローブに関係する。

また本発明の他の態様は、上記のいずれかに記載の超音波装置を含む電子機器に関係する。

また本発明の更に他の態様は、上記のいずれかに記載の超音波装置と、表示部と、を含む診断装置に関係する。

比較例の超音波装置。 本実施形態の超音波装置の構成例。 スライス方向に超音波ビームを収束させる手法についての説明図。 スライス方向に超音波ビームを収束させる手法の変形例についての説明図。 図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、超音波素子の構成例の断面図。 共振周波数１．５ＭＨｚにおけるダイアフラム短辺の長さの特性例と、圧電層の面積の特性例。 共振周波数３．５ＭＨｚにおけるダイアフラム短辺の長さの特性例と、圧電層の面積の特性例。 共振周波数７．５ＭＨｚにおけるダイアフラム短辺の長さの特性例と、圧電層の面積の特性例。 駆動電圧の遅延がない場合における音場プロファイルの例。 駆動電圧の遅延がある場合における音場プロファイルの例。 駆動電圧出力回路の詳細な構成例。 超音波素子の構成例。 ヘッドユニットの構成例。 ヘッドユニットの詳細な構成例。 図１５（Ａ）、図１５（Ｂ）は、超音波プローブの構成例。 超音波診断装置の構成例。

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

１．比較例
まず、本実施形態の超音波装置に対する比較例について説明する。図１に、比較例の超音波装置を示す。図１に示す超音波装置は、バッキング部材ＢＫ、駆動電極線ＳＬ、圧電素子ＰＺ１〜ＰＺ５、整合層ＡＤ、音響レンズＬＮを含む。なお簡単のため、駆動電極線ＳＬに対向して設けられるコモン電極線の図示を省略している。

音響レンズＬＮ側から超音波装置を見るとバルクの圧電素子がアレイ状に配置されており、圧電素子ＰＺ１〜ＰＺ５は、スライス方向に沿って並ぶ素子列のうちの一つである。スキャン方向は、図１の紙面に対して垂直な方向である。圧電素子ＰＺ１〜ＰＺ５の電極には駆動電極線ＳＬが接続されており、圧電素子ＰＺ１〜ＰＺ５には駆動電圧のパルスが同時に印加される。そのため、スライス方向では、超音波の波面は素子列に平行な波面として出射され、その波面を焦点ＦＣにフォーカスさせるために音響レンズＬＮが必要となる。

このような場合、超音波装置を構成する部材点数や設計負担が音響レンズＬＮの分だけ増加するという課題がある。音響レンズＬＮを用いない手法として、圧電素子ＰＺ１〜ＰＺ５に対して、それぞれ個別の駆動電極線を接続し、スライス方向において超音波ビームがフォーカスするように駆動電圧のタイミングを制御（いわゆる位相制御）する手法が考えられる。しかしながら、この手法では、個別の駆動電極線に対してそれぞれ別個の駆動電圧を入力する必要があるため、端子数が増加するという課題や、制御する駆動信号の数が劇的に増加して回路規模が大きくなるという課題や、駆動電圧の制御が複雑となるという課題がある。また、このような位相制御を行う手法では、任意の焦点を設定可能という利点があるが、固定焦点で足りる場合にはオーバースペックであるという課題がある。

２．本実施形態の超音波装置
次に、上記の課題を解決可能な本実施形態の超音波装置について説明する。なお以下では薄膜圧電素子を用いて超音波素子が構成される場合を例に説明するが、本実施形態はこれに限定されない。即ち、超音波素子は電気信号を超音波に変換する素子であればよく、超音波素子の電極間に寄生容量が存在していればよい。

図２に、本実施形態の超音波装置の構成例を示す。図２に示す超音波装置は、超音波素子アレイ１００を含む。超音波素子アレイ１００は、駆動電極線ＳＬ１〜ＳＬＮ（Ｎは２以上の自然数）と、駆動電極線ＳＬ１〜ＳＬＮの一端側に接続される駆動端子Ｔａ１〜ＴａＮと、駆動電極線ＳＬ１〜ＳＬＮの他端側に接続される駆動端子Ｔｂ１〜ＴｂＮと、超音波素子Ｐ１１〜ＰＭＮ（超音波素子群）と、共通コモン電極線ＡＬ１、ＡＬ２と、共通コモン電極線ＡＬ１、ＡＬ２の一端側に接続されるコモン端子ＣＴａ１、ＣＴａ２と、共通コモン電極線ＡＬ１、ＡＬ２の他端側に接続されるコモン端子ＣＴｂ１、ＣＴｂ２と、共通コモン電極線ＡＬ１、ＡＬ２に接続されるコモン電極線ＣＬ１〜ＣＬＭ（Ｍは２以上の自然数）を含む。

超音波素子アレイ１００には、超音波素子Ｐ１１〜ＰＭＮ（振動子、狭義には圧電素子）が２次元に配列される。即ち、超音波素子Ｐ１１〜ＰＭＮの各列は、第１の方向Ｄ１に沿って配置され、超音波素子Ｐ１１〜ＰＭＮの各行は、第１の方向Ｄ１に直交する（広義には交差する）第２の方向Ｄ２に沿って配置される。

本実施形態では、素子列の両端から駆動電圧が供給される。即ち、駆動端子Ｔａ１〜ＴａＮ、Ｔｂ１〜ＴｂＮには、例えば図１１で後述する駆動電圧出力回路からの駆動電圧（広義には駆動信号）が供給される。駆動電極線ＳＬｉ（ｉはＮ以下の自然数）の両端の端子Ｔａｉ、Ｔｂｉには同一振幅で同位相の交流電圧が駆動電圧として入力される。駆動端子Ｔａ１〜ＴａＮ、Ｔｂ１〜ＴｂＮには、位相走査を行うために位相が制御された駆動電圧が供給される。即ち、第２の方向Ｄ２は位相走査におけるスキャン方向に対応し、第１の方向Ｄ１はスライス方向に対応する。なお、端子Ｔａｉ、Ｔｂｉには異なる振幅の駆動電圧が供給されてもよい。

駆動電極線ＳＬ１〜ＳＬＮは、第１の方向Ｄ１に沿って配線され、対応する列の超音波素子に接続される。具体的には、駆動電極線ＳＬ１〜ＳＬＮのうち第ｉの駆動電極線ＳＬｉは、第ｉ列の超音波素子Ｐ１ｉ〜ＰＭｉの駆動電極に接続される。

コモン電極線ＣＬ１〜ＣＬＭは、第２の方向Ｄ２に沿って配線され、対応する行の超音波素子に接続される。具体的には、コモン電極線ＣＬ１〜ＣＬＭのうち第ｊのコモン電極線ＣＬｊ（ｊは３以上Ｍ以下の自然数）は、第ｊ列の超音波素子Ｐｊ１〜ＰｊＮのコモン電極に接続される。コモン電極線ＣＬ１〜ＣＬＭの一端は、共通コモン電極線ＡＬ１に接続され、他端は、共通コモン電極線ＡＬ２に接続される。コモン電極線ＣＬ１〜ＣＬＭには、コモン端子ＣＴａ１、ＣＴａ２、ＣＴｂ１、ＣＴｂ２を介してコモン電圧が供給される。コモン端子ＣＴａ１、ＣＴａ２、ＣＴｂ１、ＣＴｂ２には、同一電圧の直流電圧が、図示しないコモン電圧出力回路から供給される。

図２に示す超音波装置は、例えば１チップの集積回路装置として形成される。この場合、駆動端子やコモン端子はチップの端子に対応し、その端子に対してチップ外部から駆動電圧やコモン電圧が供給される。なお、本実施形態ではこれに限定されず、超音波装置は、図２の構成に加えて駆動電圧出力回路（例えば図１１に示す駆動電圧出力回路）やコモン電圧出力回路を含んでもよい。この場合、駆動電圧出力回路やコモン電圧出力回路も集積回路装置に集積され、駆動端子やコモン端子は回路ブロック間の端子に対応する。

３．スライス方向における超音波ビームの収束手法
図３を用いて、本実施形態においてスライス方向に超音波ビームを収束させる手法について説明する。図３には、スライス方向Ｄ１に沿って並ぶ超音波素子Ｐ１ｉ〜Ｐ５ｉを模式的に示し、スキャン方向Ｄ２は紙面に垂直な方向に対応する。第３の方向Ｄ３は、スライス方向Ｄ１及びスキャン方向Ｄ２に直交する方向であり、深度方向に対応する。なお簡単のためＭ＝５とし、コモン電極線は図示を省略する。

超音波素子は、薄膜の圧電層の両面に駆動電極とコモン電極が設けられた構造である（例えば図５（Ａ））。そのため図３に示すように、超音波素子Ｐ１ｉ〜Ｐ５ｉの電極間には、圧電層によってそれぞれ容量Ｃ１〜Ｃ５が生じる。共振周波数を一定にしながら圧電層の面積を調整することで、容量Ｃ１〜Ｃ５が設定される。容量の調整手法については詳細に後述する。

また、駆動電極線ＳＬｉには配線抵抗が寄生する。図３に示すように、端子Ｔａｉと超音波素子Ｐ１ｉの間の配線抵抗をＲ０とし、超音波素子Ｐ１ｉ〜Ｐ５ｉの各素子間の配線抵抗をＲ１〜Ｒ４とし、超音波素子Ｐ５ｉと端子Ｔｂｉの間の配線抵抗をＲ５とする。素子間の配線抵抗は、例えば素子の中央から次の素子の中央までの配線が持つ抵抗である。素子の中央は、例えば図５（Ｂ）の方向Ｄ１において圧電層１４０の一端からｂ２／２の位置である。配線抵抗Ｒ０〜Ｒ５は、電極線の厚さや長さ、幅を調整することにより設定される。電極線の長さは、超音波素子の方向Ｄ１における配置ピッチに対応する。

上記の容量Ｃ１〜Ｃ５と配線抵抗Ｒ０〜Ｒ５はＲＣ定数回路を形成しており、端子Ｔａｉ、Ｔｂｉから入力された駆動電圧は、このＲＣ定数回路により遅延する。即ち、駆動電圧のパルスが超音波素子に印加されるタイミングは、端子Ｔａｉ、Ｔｂｉ側の超音波素子Ｐ１ｉ、Ｐ５ｉよりも列中央の超音波素子Ｐ３ｉの方が遅くなる。本実施形態では、容量Ｃ１〜Ｃ５と配線抵抗Ｒ０〜Ｒ５を調整することにより、駆動電圧の遅延を調整し、所望の焦点ＦＣに超音波ビームをフォーカスさせる。

具体的には、超音波の波面ＷＭが焦点ＦＣを中心とする円（略円を含む）となるように遅延時間を設定する。図３に示すように、超音波素子Ｐ３ｉが超音波パルスを出力するタイミングを基準とすると、超音波素子Ｐ１ｉ、Ｐ５ｉはΔｔ１＝Δｔ５だけ早いタイミングで超音波パルスを出力し、超音波素子Ｐ２ｉ、Ｐ４ｉはΔｔ２＝Δｔ４だけ早いタイミングで超音波パルスを出力する。時間Δｔ１〜Δｔ５は、超音波素子Ｐ１ｉ〜Ｐ５ｉから円状の波面ＷＭまでの距離と、観察対象物（例えば生体や水中）での音速によって決まる。遅延時間が決まれば、駆動電圧の周波数（超音波素子の共振周波数）において、その遅延時間が実現されるように回路シミュレーション等により容量Ｃ１〜Ｃ５と配線抵抗Ｒ０〜Ｒ５を設計する。

例えば、超音波素子間の配線抵抗Ｒ１〜Ｒ４を同一とした場合、端子側から素子列中央に向かって容量は小さくなる。即ち、Ｃ１＞Ｃ２＞Ｃ３、Ｃ５＞Ｃ４＞Ｃ３である。また、隣り合う超音波素子の容量差は、端子側から素子列中央に向かって小さくなる。即ち、（Ｃ１−Ｃ２）＞（Ｃ２−Ｃ３）、（Ｃ５−Ｃ４）＞（Ｃ４−Ｃ３）である。

以上の実施形態によれば、電子フォーカスと同様のビームフォーミングを、超音波素子Ｐ１ｉ〜Ｐ５ｉや電極線ＳＬｉの形状を工夫して設計するだけで実現することが可能となる。即ち、両端の端子Ｔａｉ、Ｔｂｉに駆動電圧を与えるだけで、設計で狙った焦点ＦＣへ自然と超音波ビームを絞ることができる。図１の比較例で説明した音響レンズＬＮのような外付け部品を必要とせず、また、電子フォーカスのようにスライス方向Ｄ１の超音波素子Ｐ１ｉ〜Ｐ５ｉを独立に制御する必要もない。

また、図１の比較例で説明したようなバルクの圧電素子ＰＺ１〜ＰＺ５ではなく、本実施形態では薄膜の圧電層を用いるため、圧電層を容量として用いることができる。即ち、新たな回路素子により容量を付加することなく、遅延時間を制御して超音波ビームを収束させることが可能である。

なお、超音波素子の容量や電極線の配線抵抗は、設計段階において作り込んでおいてもよいし、超音波装置の製造時に調整してもよい。例えば、一連のプロセスが終わった後に配線の一部をトリミングしたり、金属膜を選択的に成膜したりしてもよい。

また、上記では超音波素子アレイの正面（深度方向Ｄ３に平行な方向）へ送波する場合を例に説明したが、本実施形態はこれに限定されない。例えば図４に示すように、斜め方向（深度方向Ｄ３に対して傾きをもった方向）へ超音波ビームを絞るように超音波素子の容量や電極線の配線抵抗を設計してもよい。

また、上記では駆動電極線の両端から駆動信号を入力する場合を例に説明したが、本実施形態では駆動電極線の一端のみから駆動信号を入力した場合にも超音波ビームをフォーカスさせることが可能である。例えば図４において、端子Ｔｂｉのみを設け、端子Ｔｂｉのみから駆動信号を入力してもよい。この場合、焦点ＦＣの位置は、図４に示す焦点ＦＣの位置よりも更にＤ１の反対方向（端子Ｔａｉが仮にあるとすれば、端子Ｔａｉ側）に移動する。即ち、図４の場合よりも更に傾きが大きい斜め方向に超音波ビームがフォーカスされる。

４．超音波素子の容量の調整手法
上記の容量Ｃ１〜Ｃ５の調整手法について詳細に説明する。まず図５（Ａ）、図５（Ｂ）に、超音波素子の構成例を示す。図５（Ａ）には、スライス方向Ｄ１を紙面垂直方向とする断面図を示し、図５（Ｂ）には、ダイアフラムの平面視図を示す。なお図５（Ｂ）では、簡単のため配線層１３０、１５０の図示を省略する。

図５（Ａ）に示すように、シリコン基板１１０に絶縁層１２０、配線層１３０、圧電層１４０、配線層１５０が積層されることで、超音波素子が形成される。例えば、配線層１３０が駆動電極線であり、配線層１５０がコモン電極線である。この場合、圧電層１４０の配線層１３０側の面が駆動電極であり、配線層１５０側の面がコモン電極である。シリコン基板１１０が取り除かれた部分が、超音波素子のダイアフラム（振動板、振動膜）となる。圧電層１４０の変位によりダイアフラムが振動し、深度方向Ｄ３に超音波が出射される。

図５（Ｂ）に示すように、ダイアフラムと圧電層１４０は矩形に形成される。ダイアフラムの長辺はスライス方向Ｄ１に沿っており、長さａ１である。ダイアフラムの短辺はスキャン方向Ｄ２に沿っており、長さａ２＜ａ１である。ダイアフラムの各辺から長さｄ内側に圧電層１４０が形成される。即ち、圧電層１４０の長辺の長さはｂ１＝ａ１−２ｄであり、短辺の長さはｂ２＝ａ２−２ｄである。例えば、ｂ２＝０．８×ａ２であり、ｄ＝０．１×ａ２である。圧電層１４０の容量は圧電層１４０の面積ｂ１×ｂ２に比例し、ダイアフラムの共振周波数は主にダイアフラム短辺の長さａ２に依存するため、ダイアフラム長辺の長さａ１（縦横比ａ１／ａ２）を変えることで、同一の共振周波数を持ちながら容量が異なる超音波素子を形成できる。

図６〜図８に、それぞれ共振周波数１．５ＭＨｚ、３．５ＭＨｚ、７．５ＭＨｚにおけるダイアフラム短辺の長さａ２の特性例と、圧電層の面積ｂ１×ｂ２の特性例を示す。横軸は、ダイアフラムの縦横比ａ１／ａ２である。なお以下では図６を例に説明するが、図７、図８についても定性的には同様である。

図６に示すように、共振周波数が一定の場合、ダイアフラム短辺の長さａ２は、縦横比ａ１／ａ２が変わってもほぼ一定である。縦横比ａ１／ａ２が１０より小さいときには、ダイアフラムが正方形に近づくにつれて短辺の長さａ２が増加する。これは、観察対象物によるダイアフラムの付加質量を算出する式に、縦横比ａ１／ａ２に依存する係数が含まれるためである。縦横比ａ１／ａ２が１０以上では、ダイアフラム短辺の長さａ２は一定である。

圧電層の面積ｂ１×ｂ２は、ダイアフラムの縦横比ａ１／ａ２が大きくなるに従って増加する。例えば、図６のＢ１に示すように、設計した容量を実現するために面積ｂ１×ｂ２＝３４３５７ｕｍ^２の圧電層が必要な場合、Ｂ２に示すようにダイアフラム短辺の長さはａ２＝５４ｕｍとなり、Ｂ３に示すようにダイアフラムの縦横比はａ１／ａ２＝１５となる。図５（Ｂ）の長さｄは予め決まった所定値であるため、ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２は一意に決まる。このようにして、ダイアフラムと圧電層の寸法を設計することができる。

５．音場プロファイルの例
図９、図１０に、音場シミュレーションにより計算した音場プロファイルの例を示す。超音波素子の駆動周波数は３．５ＭＨｚであり、スライス方向における超音波素子の個数は１５個であり、スライス方向における超音波素子のピッチは５００ｕｍであり、ダイアフラムの短辺は４０ｕｍである。横軸は、スライス方向Ｄ１に沿った距離ｘを表し、縦軸は、深度方向Ｄ３に沿った深度ｚを表す。超音波素子アレイは、ｘ＝０、ｚ＝０に設置されている。

図９には、遅延時間を考慮せず、スライス方向に並ぶ超音波素子に同一の駆動電圧を印加した場合の音場プロファイルを示す。図１０には、深度ｚ＝３０ｍｍに焦点を設定して遅延時間設計を行い、その遅延時間に従って超音波素子に駆動電圧を印加した場合の音場プロファイルを示す。

図９と図１０を比べると、超音波素子の容量と配線抵抗により駆動電圧を遅延させることで、超音波ビームを収束できることが分かる。例えば、深度ｚ＝３０ｍｍにおいて、図９よりも図１０の音場プロファイルの方がビームの幅（５０００Ｐａの等音圧線の幅）が狭く、ビーム中心（ｘ＝０）における音圧も高い。ビーム幅が狭く、ビーム中心の音圧が高いことで、観察対象物を高分解能で検出できる。

以上の実施形態によれば、図２に示すように、超音波装置は超音波素子群Ｐ１ｉ〜ＰＭｉと、第１の方向Ｄ１に沿って配線された第１〜第Ｎの駆動電極線ＳＬ１〜ＳＬＮと、第１の端子Ｔａｉを含む。超音波素子群Ｐ１ｉ〜ＰＭｉでは、第１の方向Ｄ１に沿って複数の超音波素子が配置された超音波素子列が、第１の方向Ｄ１に交差する第２の方向Ｄ２に沿ってＮ列（Ｎは２以上の自然数）配置される。Ｎ列のうち第ｉ列（ｉはＮ以下の自然数）の超音波素子列（Ｐ１ｉ〜ＰＭｉ）には、第１〜第Ｎの駆動電極線ＳＬ１〜ＳＬＮの中の第ｉの駆動電極線ＳＬｉが接続される。第１の端子Ｔａｉは、第ｉの駆動電極線ＳＬｉの一端に接続される。

図５（Ａ）に示すように、第ｉ列の超音波素子列（Ｐ１ｉ〜ＰＭｉ）の各超音波素子は、第ｉの駆動電極線ＳＬｉに接続される第１の電極（例えば圧電層１４０の配線層１３０側の面）と、第２の電極（例えば圧電層１４０の配線層１５０側の面）と、第１の電極と第２の電極との間に設けられた圧電層１４０と、により構成される。

図３で説明したように、第ｉ列の超音波素子列（Ｐ１ｉ〜Ｐ５ｉ）において、第１の端子Ｔａｉに近い第１の超音波素子Ｐ１ｉの圧電層１４０による容量をＣａ＝Ｃ１とし、第１の超音波素子Ｐ１ｉよりも第１の端子Ｔａｉから遠い第２の超音波素子Ｐ２ｉの圧電層１４０による容量をＣｂ＝Ｃ２とする。この場合、Ｃａ＞Ｃｂ（Ｃ１＞Ｃ２）である。

なお上記では、端子Ｔａｉ直近の素子Ｐ１ｉを第１の超音波素子とし、Ｐ１ｉに隣接する素子Ｐ２ｉを第２の超音波素子としたが、本実施形態はこれに限定されない。例えば、Ｐ１ｉ、Ｐ３ｉを第１、第２の超音波素子としても、あるいはＰ２ｉ、Ｐ３ｉを第１、第２の超音波素子としても、Ｃａ＞Ｃｂが成り立つ。

このようにすれば、図３で説明したように、スライス方向Ｄ１において超音波ビームを所望の焦点ＦＣに収束させることが可能になる。圧電層の容量や配線抵抗を設計しておくだけでよいため、音響レンズが不要となり、個々の超音波素子を個別に制御する必要もなくなる。

ここで、超音波素子列がＮ列配置された超音波素子群は、マトリックス状の配置に限定されず、複数の単位要素が２次元的に規則性を持って配置されたアレイ状の配置であればよい。例えば、超音波素子群は千鳥状の配置であってもよい。マトリックス状の配置とは、Ｍ行Ｎ列の格子状配置であり、格子が矩形状の場合だけでなく、格子が平行四辺形状に変形した場合を含む。千鳥状の配置とは、超音波素子Ｍ個の列と超音波素子Ｍ−１個の列が交互に並び、Ｍ個の列の超音波素子が、（２Ｍ−１）行の中の奇数行に配置され、Ｍ−１個の列の超音波素子が、（２Ｍ−１）行の中の偶数行に配置される配置である。

また本実施形態では、図２に示すように、第ｉの駆動電極線ＳＬｉの他端に接続される第２の端子Ｔｂｉを含む。

さて、スライス方向Ｄ１に並ぶ超音波素子列の一端側のみから駆動信号を入力すると、超音波素子と電極線が形成するＲＣ定数回路により駆動電圧の振幅が降下する可能性がある。超音波素子列の一端側から他端側に向かって駆動電圧の振幅が降下していくので、超音波ビームの中心が列中央から一端側にシフトする可能性がある。

この点、本実施形態によれば、スライス方向Ｄ１に並ぶ超音波素子列の両端側から駆動信号を入力できる。これにより、振幅の降下が起きたとしても列中央に対して対称となるため、スライス方向Ｄ１において超音波ビームのプロファイルも対称となり、ビーム中心を列中央にすることが可能となる。

また本実施形態では、図３で説明したように、第ｉ列の超音波素子列（Ｐ１ｉ〜Ｐ５ｉ）において、第２の端子Ｔｂｉに近い第３の超音波素子Ｐ５ｉの圧電層１４０による容量をＣｃ＝Ｃ５とし、第３の超音波素子Ｐ５ｉよりも第２の端子Ｔｂｉから遠い第４の超音波素子Ｔ４ｉの圧電層１４０による容量をＣｄ＝Ｃ４とする場合に、Ｃｃ＞Ｃｄ（Ｃ５＞Ｃ４）である。

また本実施形態では、図３で説明したように、圧電層１４０による容量Ｃ１〜Ｃ５は、第１の端子Ｔａｉから第ｉの超音波素子列の中央部に向かって順次小さくなり（Ｃ１＞Ｃ２＞Ｃ３）、第２の端子Ｔｂｉから第ｉの超音波素子列の中央部に向かって順次小さくなる（Ｃ５＞Ｃ４＞Ｃ３）。

このようにすれば、図３等で説明したように、列の両端側から駆動電圧を印加することで、所望の焦点ＦＣに超音波ビームが収束する波面ＷＭとなるように駆動電圧が遅延する。これにより、所望の焦点ＦＣに超音波ビームを収束できる。

また本実施形態では、図５（Ａ）、図５（Ｂ）で説明したように、超音波素子群を構成する超音波素子Ｐ１１〜ＰＭＮにおいて、圧電層１４０の振動により振動するダイアフラム（又はシリコン基板１１０の開口）は、矩形である。超音波素子は、ダイアフラムの矩形の長辺（長さａ１）が第１の方向Ｄ１に沿うように配置される。

このようにすれば、ダイアフラムの長辺の長さａ１を調整すれば超音波素子の容量を設定できるため、超音波素子アレイ１００の設計が容易になる。具体的には、図６〜図８で説明したように、ダイアフラムの共振周波数（超音波の周波数）は主にダイアフラム短辺の長さａ２に依存している。超音波素子アレイ１００全体で共振周波数は一定であるため、容量を調整するにはダイアフラム長辺の長さａ１を調整すればよく、ダイアフラム短辺の長さａ２はほとんど変わらない。そのため、ダイアフラム長辺をスライス方向Ｄ１にすれば、駆動電極線の幅（圧電層の短辺の長さｂ２）を列内でほぼ一定にできるし、スキャン方向Ｄ２の素子ピッチとは関係なく容量を調整できる。

また、ダイアフラムを円形にした場合には、共振周波数はダイアフラムの半径に依存するため、共振周波数を一定にするとダイアフラムの面積を変更できなくなり、容量を調整することができない。この点、本実施形態によれば、矩形にすることで共振周波数を一定にしながら容量を調整できる。

また本実施形態では、第ｉ列の超音波素子列（例えば図３のＰ１ｉ〜Ｐ５ｉ）において、超音波素子間の第ｉの駆動電極線ＳＬｉの配線抵抗Ｒ１〜Ｒ４は、第１の端子Ｔａｉから第ｉの超音波素子列の中央部に向かって順次小さくなり（Ｒ１＞Ｒ２）、第２の端子Ｔｂｉから中央部に向かって順次小さくなる（Ｒ４＞Ｒ３）。

例えば本実施形態では、超音波素子列の容量Ｃ１〜Ｃ５を同一とすると、超音波素子間の配線抵抗は、両端から中央部に向かって順次小さくなり、Ｒ１＞Ｒ２、Ｒ４＞Ｒ３となる。なお本実施形態はこれに限定されず、所望の焦点ＦＣにフォーカスする遅延時間が得られるように、回路シミュレーション等により容量Ｃ１〜Ｃ５及び配線抵抗Ｒ１〜Ｒ４が設定されていればよい。

このようにすれば、配線抵抗の調整により駆動電圧の遅延を調整し、スライス方向Ｄ１に並ぶ超音波素子列の両端から中央部に向かって駆動電圧を遅延させることが可能になる。

また本実施形態では、スライス方向Ｄ１においてフォーカスする所定位置（焦点ＦＣ）は、第２の方向Ｄ２であるスキャン方向において超音波ビームがフォーカスする位置である。

このようにすれば、スキャン方向Ｄ２において位相走査により超音波ビームが収束する位置と、スライス方向Ｄ１において駆動電圧の遅延により超音波ビームが収束する位置を一致させることができる。これにより、３次元的に超音波ビームを収束させ、超音波ビームの効率を向上できる。

また本実施形態では、超音波装置は、第１の端子Ｔａｉと第２の端子Ｔｂｉに対して駆動信号（例えば図１１で後述する駆動電圧Ｖｉ）を出力する駆動信号出力回路（例えば図１１で後述する駆動電圧出力回路５０）を含んでもよい。

このようにすれば、第１の端子Ｔａｉと第２の端子Ｔｂｉに対して駆動信号を供給できる。各超音波素子に個別に駆動信号を供給しなくてもスライス方向にフォーカスできるため、駆動信号出力回路の構成を簡素化できる。

なお上記では超音波素子アレイ１００に含まれる超音波素子列がＮ列（Ｎは２以上の自然数）である場合を例に説明したが、本実施形態ではこれに限定されず、超音波素子アレイ１００に含まれる超音波素子列が１列であってもよい。

６．駆動電圧出力回路
図１１に、超音波素子アレイの駆動電圧を出力する駆動電圧出力回路の詳細な構成例を示す。図１１に示す駆動電圧出力回路５０は、駆動信号制御回路２０、駆動信号発生回路３０、アンプ回路ＡＭ１〜ＡＭＮを含む。

駆動信号制御回路２０は、ＣＰＵ１０（制御回路）からの制御指示に基づいて、駆動信号発生回路３０の制御を行う。例えば、駆動信号制御回路２０は、駆動信号Ｓ１〜ＳＮの位相を制御することで位相走査の制御を行ったり、駆動信号Ｓ１〜ＳＮの振幅を制御することで超音波の音圧を制御したりする。駆動信号発生回路３０は、駆動信号制御回路２０からの制御に基づいて、アンプ回路ＡＭ１〜ＡＭＮに対して駆動信号Ｓ１〜ＳＮ（電圧あるいは電流）を出力する。アンプ回路ＡＭ１〜ＡＭＮは、駆動信号Ｓ１〜ＳＮを増幅し、増幅により得られた駆動電圧Ｖ１〜ＶＮを駆動端子Ｔａ１〜ＴａＮ、Ｔｂ１〜ＴｂＮに対して出力する。

７．超音波素子
図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）に、超音波素子群Ｐ１１〜ＰＭＮを構成する超音波素子の構成例を示す。なお以下では適宜、超音波素子を超音波トランスデューサー素子とも呼ぶ。

図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）に示す超音波トランスデューサー素子ＵＥは、第１電極層ＥＬ１、圧電体層ＰＥ、第２電極層ＥＬ２、メンブレン（支持部材）ＭＢ、空洞領域（空洞部）ＣＡＶを含む。なお、本実施形態の超音波トランスデューサー素子ＵＥは図１２の構成に限定されず、その構成要素の一部を省略したり、他の構成要素に置き換えたり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。

図１２（Ａ）は、基板（シリコン基板）ＳＵＢに形成された超音波トランスデューサー素子ＵＥの、素子形成面側の基板に垂直な方向から見た平面図である。図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）のＡ−Ａ’に沿った断面を示す断面図である。

第１電極層ＥＬ１は、メンブレンＭＢの上層に例えば金属薄膜で形成される。この第１電極層（下部電極層）ＥＬ１は、図１２（Ａ）に示すように素子形成領域の外側へ延長され、隣接する超音波トランスデューサー素子ＵＥに接続される配線であってもよい。

圧電体層ＰＥは、例えばＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）薄膜により形成され、第１電極層ＥＬ１の少なくとも一部を覆うように設けられる。なお、圧電体層ＰＥの材料は、ＰＺＴに限定されるものではなく、例えばチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ、Ｌａ）ＴｉＯ_３）などを用いてもよい。

第２電極層（上部電極層）ＥＬ２は、例えば金属薄膜で形成され、圧電体層ＰＥの少なくとも一部を覆うように設けられる。この第２電極層ＥＬ２は、図１２（Ａ）に示すように素子形成領域の外側へ延長され、隣接する超音波トランスデューサー素子ＵＥに接続される配線であってもよい。

メンブレンＭＢは、例えばＳｉＯ_２薄膜とＺｒＯ_２薄膜との２層構造により空洞領域ＣＡＶの上層に設けられる。このメンブレンＭＢは、圧電体層ＰＥ及び第１、第２電極層ＥＬ１、ＥＬ２を支持すると共に、圧電体層ＰＥの伸縮に従って振動し、超音波を発生させることができる。

空洞領域ＣＡＶは、シリコン基板ＳＵＢの裏面（素子が形成されない面）側から反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等によりエッチングすることで形成される。この空洞領域ＣＡＶの開口部ＯＰより超音波が放射される。

超音波トランスデューサー素子ＵＥの第１の電極は、第１電極層ＥＬ１により形成され、第２の電極は、第２電極層ＥＬ２により形成される。具体的には、第１電極層ＥＬ１のうちの圧電体層ＰＥに覆われた部分が第１の電極を形成し、第２電極層ＥＬ２のうちの圧電体層ＰＥを覆う部分が第２の電極を形成する。即ち、圧電体層ＰＥは、第１の電極と第２の電極に挟まれて設けられる。

圧電体層ＰＥは、第１の電極と第２の電極との間、即ち第１電極層ＥＬ１と第２電極層ＥＬ２との間に電圧が印加されることで、面内方向に伸縮する。圧電体層ＰＥの一方の面は第１電極層ＥＬ１を介してメンブレンＭＢに接合されているが、他方の面には第２電極層ＥＬ２が形成されるものの、第２電極層ＥＬ２上には他の層が形成されない。そのため圧電体層ＰＥのメンブレンＭＢ側が伸縮しにくく、第２電極層ＥＬ２側が伸縮し易くなる。従って、圧電体層ＰＥに電圧を印加すると、空洞領域ＣＡＶ側に凸となる撓みが生じ、メンブレンＭＢを撓ませる。圧電体層ＰＥに交流電圧を印加することで、メンブレンＭＢが膜厚方向に対して振動し、このメンブレンＭＢの振動により超音波が開口部ＯＰから放射される。圧電体層ＰＥに印加される電圧は、例えば１０〜３０Ｖであり、周波数は例えば１〜１０ＭＨｚである。

８．ヘッドユニット
図１３に、図２の超音波装置が搭載されるヘッドユニット２２０の構成例を示す。図１３に示すヘッドユニット２２０は、素子チップ２００、接続部２１０、支持部材ＳＵＰを含む。なお、本実施形態のヘッドユニット２２０は図１３の構成に限定されず、その構成要素の一部を省略したり、他の構成要素に置き換えたり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。

素子チップ２００は、図２で説明した超音波装置に対応する。素子チップ２００は、超音波素子アレイＵＡＲ、信号端子（広義には第１のチップ端子群）Ｘ１〜Ｘ１２、信号端子（広義には第２のチップ端子群）Ｘ１’〜Ｘ１２’及びコモン端子ＣＯＭ１、ＣＯＭ２、ＣＯＭ１’、ＣＯＭ２’を含む。信号端子Ｘ１〜Ｘ１２は、図２の端子Ｔａ１〜Ｔａ１２（例えばＮ＝１２）に対応し、信号端子Ｘ１’〜Ｘ１２’は、図２のＴｂ１〜Ｔｂ１２に対応する。コモン端子ＣＯＭ１、ＣＯＭ２、ＣＯＭ１’、ＣＯＭ２’は、図２の端子ＣＴａ１、ＣＴａ２、ＣＴｂ１、ＣＴｂ２に対応する。素子チップ２００は、接続部２１０を介してプローブ本体が有する処理装置（例えば図１６の処理装置３３０）と電気的に接続される。

接続部２１０は、プローブ本体とヘッドユニット２２０とを電気的に接続するものであって、複数の接続端子を有するコネクターＣＮと、コネクターＣＮと素子チップ２００とを接続する配線が形成されるフレキシブル基板ＦＰとを有する。具体的には、接続部２１０は、コネクターとして第１のコネクターＣＮ１及び第２のコネクターＣＮ２を有し、フレキシブル基板として第１のフレキシブル基板ＦＰ１及び第２のフレキシブル基板ＦＰ２を有する。

第１のフレキシブル基板ＦＰ１には、素子チップ２００の第１の辺側に設けられる第１のチップ端子群Ｘ１〜Ｘ１２と第１のコネクターＣＮ１とを接続する第１の配線群が形成される。また、第２のフレキシブル基板ＦＰ２には、素子チップ２００の第１の辺に対向する第２の辺側に設けられる第２のチップ端子群Ｘ１’〜Ｘ１２’と第２のコネクターＣＮ２とを接続する第２の配線群が形成される。

コネクターＣＮ１は、フレキシブル基板ＦＰ１に形成された第１の配線群を介して、第１のチップ端子群Ｘ１〜Ｘ１２の信号が入力又は出力される複数の接続端子と、を有する。コネクターＣＮ２は、フレキシブル基板ＦＰ２に形成された第２の配線群を介して、第２のチップ端子群Ｘ１’〜Ｘ１２’の信号が入力又は出力される複数の接続端子を有する。

接続部２１０は、図１３に示す構成に限定されるものではない。接続部２１０は、素子チップ２００の第１の辺側に設けられる第１のチップ端子群の信号が入力又は出力される第１の接続端子群と、素子チップ２００の第１の辺に対向する第２の辺側に設けられる第２のチップ端子群の信号が入力又は出力される第２の接続端子群とを有してもよい。

接続部２１０を設けることで、プローブ本体とヘッドユニット２２０とを電気的に接続することができ、さらにヘッドユニット２２０をプローブ本体に脱着可能にすることができる。

支持部材ＳＵＰは、素子チップ２００を支持する部材であって、後述するように、支持部材ＳＵＰの第１の面側に複数の接続端子が設けられ、支持部材ＳＵＰの第１の面の裏面である第２の面側に素子チップ２００が支持される。なお、素子チップ２００、接続部２１０及び支持部材ＳＵＰの具体的な構造については後述する。

図１４（Ａ）、図１４（Ｂ）、図１４（Ｃ）に、ヘッドユニット２２０の詳細な構成例を示す。図１４（Ａ）は支持部材ＳＵＰの第２の面ＳＦ２側を示し、図１４（Ｂ）は支持部材ＳＵＰの第１の面ＳＦ１側を示し、図１４（Ｃ）は支持部材ＳＵＰの側面側を示す。なお、本実施形態のヘッドユニット２２０は、図１４（Ａ）、図１４（Ｂ）、図１４（Ｃ）の構成に限定されず、その構成要素の一部を省略したり、他の構成要素に置き換えたり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。

支持部材ＳＵＰの第１の面ＳＦ１側には、コネクターＣＮ１、ＣＮ２（広義には複数の接続端子）が設けられる。コネクターＣＮ１、ＣＮ２には、フレキシブル基板ＦＰ１、ＦＰ２の一端がそれぞれ接続される。フレキシブル基板ＦＰ１、ＦＰ２には、例えばプリアンプＰＡ１、ＰＡ２などの回路を設けることができる。コネクターＣＮ１、ＣＮ２は、プローブ本体側の対応するコネクターに脱着可能である。

支持部材ＳＵＰの第１の面ＳＦ１の裏面である第２の面ＳＦ２側には、素子チップ２００が支持される。素子チップ２００の端子にはフレキシブル基板ＦＰ１、ＦＰ２の他端が接続される。固定用部材ＨＬは、支持部材ＳＵＰの各コーナー部に設けられ、ヘッドユニット２２０をプローブ筐体に固定するために用いられる。

ここで支持部材ＳＵＰの第１の面側とは、支持部材ＳＵＰの第１の面ＳＦ１の法線方向側であり、支持部材ＳＵＰの第２の面側とは、支持部材ＳＵＰの第１の面ＳＦ１の裏面である第２の面ＳＦ２の法線方向側である。

図１４（Ｃ）に示すように、素子チップ２００の裏面（図１２（Ｂ）において開口部ＯＰが設けられる面）には、素子チップ２００を保護する保護部材（保護膜）ＰＦが設けられる。

９．超音波プローブ
図１５（Ａ）、図１５（Ｂ）に、上記のヘッドユニット２２０が適用される超音波プローブ３００の構成例を示す。図１５（Ａ）はプローブヘッド３１０がプローブ本体３２０に装着された場合を示し、図１５（Ｂ）はプローブヘッド３１０がプローブ本体３２０から分離された場合を示す。

プローブヘッド３１０は、ヘッドユニット２２０、被検体と接触する接触部材２３０及びヘッドユニット２２０を格納するプローブ筐体２４０を含む。素子チップ２００は、接触部材２３０と支持部材ＳＵＰとの間に設けられる。

プローブ本体３２０は、処理装置３３０及びプローブ本体側コネクターＣＮｂを含む。処理装置３３０は、送信部ＴＸ、アナログフロントエンド部ＡＦＥ及び制御部ＣＴＬを含む。送信部ＴＸは、制御部ＣＴＬの制御に基づいて、超音波トランスデューサー素子を駆動する駆動信号の送信処理を行い、アナログフロントエンド部ＡＦＥは、超音波トランスデューサー素子からの超音波エコー信号（受信信号）の受信処理を行う。

制御部ＣＴＬは、送信部ＴＸ及びアナログフロントエンド部ＡＦＥの制御を行う。プローブ本体側コネクターＣＮｂは、ヘッドユニット（又はプローブヘッド）側コネクターＣＮａと接続される。プローブ本体３２０は、ケーブルＣＢにより電子機器（例えば超音波診断装置）本体に接続される。

ヘッドユニット２２０は、プローブ筐体２４０に格納されているが、ヘッドユニット２２０をプローブ筐体２４０から取り外すことができる。こうすることで、ヘッドユニット２２０だけを交換することができる。或いは、プローブ筐体２４０に格納された状態で、即ちプローブヘッド３１０として交換することもできる。

１０．超音波診断装置
図１６に、超音波診断装置の構成例を示す。超音波診断装置は、超音波プローブ３００、電子機器本体４００を含む。超音波プローブ３００は、超音波ヘッドユニット２２０、処理装置３３０を含む。電子機器本体４００は、制御部４１０、処理部４２０、ユーザーインターフェース部４３０、表示部４４０を含む。

処理装置３３０は、選択部ＭＵＸ、スイッチ部Ｔ／Ｒ＿ＳＷ、送信部ＨＶ＿Ｐ、送受信制御部ＣＮＴＬ、受信部ＡＦＥ（アナログフロントエンド部）を含む。超音波ヘッドユニット２２０は、素子チップ２００（超音波装置）と、素子チップ２００を回路基板に接続する接続部２１０（コネクター部）を含む。回路基板には、ＭＵＸ、ＨＶ＿Ｐ、ＣＮＴＬ、Ｔ／Ｒ＿ＳＷ、ＡＦＥが実装されている。

超音波を送信する場合には、ＣＮＴＬがＨＶ＿Ｐに対して送信指示を行い、ＨＶ＿Ｐがその送信指示を受けて駆動信号を高電圧に増幅して駆動電圧を出力し、ＭＵＸがその駆動信号を素子チップ２００に対して出力する。このときＴ／Ｒ＿ＳＷはオフになっている。超音波の反射波を受信する場合には、Ｔ／Ｒ＿ＳＷはオンになっており、ＭＵＸは、素子チップ２００により検出された反射波の信号をＴ／Ｒ＿ＳＷに対して出力し、Ｔ／Ｒ＿ＳＷは、その反射波の信号をＡＦＥに対して出力する。このときＭＵＸは、ＨＶ＿Ｐからの駆動電圧を素子チップ２００に対して送信しない状態となっている。ＡＦＥは、ＣＮＴＬからの受信指示に基づいて、反射波の信号を処理（例えば増幅処理や、Ａ／Ｄ変換処理等）し、処理後の信号を処理部４２０に送信する。処理部４２０は、その信号を映像化して表示部４４０に表示させる。

なお、本実施形態の超音波装置は、上記のような医療用の超音波診断装置に限らず、種々の電子機器に適用可能である。例えば、超音波装置が適用された電子機器として、建築物等の内部を非破壊検査する診断機器や、ユーザーの指の動きを超音波の反射により検出するユーザーインターフェース機器等が想定される。

なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また超音波装置、超音波プローブ、超音波診断機器、電子機器等の構成、動作も本実施形態で説明したものに限定に限定されず、種々の変形実施が可能である。

２０ 駆動信号制御回路、３０ 駆動信号発生回路、５０ 駆動電圧出力回路、
１００ 超音波素子アレイ、１１０ シリコン基板、１２０ 絶縁層、
１３０ 配線層、１４０ 圧電層、１５０ 配線層、
２００ 素子チップ、２１０ 接続部、２２０ ヘッドユニット、
２３０ 接触部材、２４０ プローブ筐体、３００ 超音波プローブ、
３１０ プローブヘッド、３２０ プローブ本体、３３０ 処理装置、
４１０ 制御部、４２０ 処理部、４３０ ＵＩ部、４４０ 表示部、
ＡＦＥ 受信部、ＡＬ１，ＡＬ２ 共通コモン電極線、
ＡＭ１〜ＡＭＮ アンプ回路、ａ１ ダイアフラムの長辺の長さ、
ａ２ ダイアフラムの短辺の長さ、ｂ１ 圧電層の長辺の長さ、
ｂ２ 圧電層の短辺の長さ、Ｃ１〜Ｃ５ 容量、ＣＬ１〜ＣＬＭ コモン電極線、
ＣＮＴＬ 送受信制御部、ＣＴａ１，ＣＴｂ１，ＣＴａ２、ＣＴｂ２ コモン端子、
Ｄ１〜Ｄ３ 第１〜第３の方向、ＦＣ 焦点、ＨＶ＿Ｐ 送信部、ＭＵＸ 選択部、
Ｐ１１〜ＰＭＮ 超音波素子、Ｒ０〜Ｒ５ 配線抵抗、
ＳＬ１〜ＳＬＮ 駆動電極線、Ｔ／Ｒ＿ＳＷ スイッチ部、
Ｔａ１〜ＴａＮ，Ｔｂ１〜ＴｂＮ 駆動端子、Ｖ１〜ＶＮ 駆動電圧、
ＷＭ 波面、Δｔ１〜Δｔ５ 遅延時間

Claims (14)

1. 第１の方向に沿って複数の超音波素子が配置された超音波素子列が、前記第１の方向に交差する第２の方向に沿ってＮ列（Ｎは２以上の自然数）配置された超音波素子群と、
   前記第１の方向に沿って配線された第１〜第Ｎの駆動電極線と、
   第１の端子と、
   を含み、
   前記Ｎ列のうち第ｉ列の超音波素子列を構成する超音波素子には、前記第１〜第Ｎの駆動電極線のうちの第ｉの駆動電極線（ｉはＮ以下の自然数）が接続され、
   前記第ｉの駆動電極線の一端には、前記第１の端子が接続され、
   前記第ｉ列の超音波素子列の各超音波素子は、前記第ｉの駆動電極線に接続される第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に設けられた圧電層と、により構成され、
   前記第ｉ列の超音波素子列において、前記第１の端子に近い第１の超音波素子の前記圧電層による容量をＣａとし、前記第１の超音波素子よりも前記第１の端子から遠い第２の超音波素子の前記圧電層による容量をＣｂとする場合に、
   Ｃａ＞Ｃｂであることを特徴とする超音波装置。
2. 請求項１において、
   前記第ｉの駆動電極線の他端に接続される第２の端子を含むことを特徴とする超音波装置。
3. 請求項２において、
   前記第ｉ列の超音波素子列において、前記第２の端子に近い第３の超音波素子の前記圧電層による容量をＣｃとし、前記第３の超音波素子よりも前記第２の端子から遠い第４の超音波素子の前記圧電層による容量をＣｄとする場合に、
   Ｃｃ＞Ｃｄであることを特徴とする超音波装置。
4. 請求項２において、
   前記圧電層による容量は、前記第１の端子から前記第ｉの超音波素子列の中央部に向かって順次小さくなり、前記第２の端子から前記中央部に向かって順次小さくなることを特徴とする超音波装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、
   前記超音波素子群を構成する超音波素子において、前記圧電層の振動により振動するダイアフラムは、矩形であり、
   前記超音波素子は、前記ダイアフラムの前記矩形の長辺が前記第１の方向に沿うように配置されることを特徴とする超音波装置。
6. 請求項２において、
   前記第ｉ列の超音波素子列において、超音波素子間の前記第ｉの駆動電極線の配線抵抗は、前記第１の端子から前記第ｉの超音波素子列の中央部に向かって順次小さくなり、前記第２の端子から前記中央部に向かって順次小さくなることを特徴とする超音波装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかにおいて、
   前記第ｉの駆動電極線の他端に接続される第２の端子を含み、
   前記第１の端子及び前記第２の端子に供給された駆動信号が、前記第１の端子及び前記第２の端子から前記第ｉ列の超音波素子列の中央部に向かって順次遅延することにより、前記超音波素子群から出射される超音波ビームは、前記第１の方向であるスライス方向において所定位置にフォーカスすることを特徴とする超音波装置。
8. 請求項７において、
   前記スライス方向においてフォーカスする前記所定位置は、
   前記第２の方向であるスキャン方向において前記超音波ビームがフォーカスする位置であることを特徴とする超音波装置。
9. 請求項１乃至８のいずれかにおいて、
   前記超音波素子列に配置された前記複数の超音波素子は、Ｍ（Ｍは２以上の自然数）個の超音波素子であり、
   前記超音波素子群は、
   前記超音波素子列が前記Ｎ列配置された、Ｍ行Ｎ列のマトリックス状の超音波素子群であることを特徴とする超音波装置。
10. 請求項１乃至９のいずれかにおいて、
    前記第ｉの駆動電極線の他端に接続される第２の端子と、
    前記第１の端子と前記第２の端子に対して前記駆動信号を出力する駆動信号出力回路と、
    を含むことを特徴とする超音波装置。
11. 複数の超音波素子が配置された超音波素子列と、
    前記複数の超音波素子に接続される駆動電極線と、
    前記駆動電極線の一端に接続される第１の端子と、
    を含み、
    前記超音波素子列の各超音波素子は、前記駆動電極線に接続される第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に設けられた圧電層と、により構成され、
    前記超音波素子列において、前記第１の端子に近い第１の超音波素子の前記圧電層による容量をＣａとし、前記第１の超音波素子よりも前記第１の端子から遠い第２の超音波素子の前記圧電層による容量をＣｂとする場合に、
    Ｃａ＞Ｃｂであることを特徴とする超音波装置。
12. 請求項１乃至１１のいずれかに記載の超音波装置を含むことを特徴とするプローブ。
13. 請求項１乃至１１のいずれかに記載の超音波装置を含むことを特徴とする電子機器。
14. 請求項１乃至１１のいずれかに記載の超音波装置と、
    表示部と、
    を含むことを特徴とする診断装置。

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