JP7028013B2 - 超音波プローブ及び超音波診断装置 - Google Patents

超音波プローブ及び超音波診断装置 Download PDF

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Description

本発明は、超音波診断に用いる超音波プローブ及び超音波診断装置に関する。
従来、複数の超音波振動子を配列して超音波放射面を形成した超音波プローブが知られている。近年では、超音波振動子として、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により実現される圧電素子（いわゆるｐＭＵＴ（Piezoelectric Micromachined Ultrasound Transducer））を適用した超音波プローブの開発が進められている（例えば、特許文献１参照）。
ｐＭＵＴを適用した超音波プローブは、例えば、圧電体を有するダイアフラムを太鼓のように振動（撓み振動）させることによって超音波の送受信を行うことができる。ｐＭＵＴは、バルクＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）をダイシング等により分割した圧電素子に比較して、より微細化が可能であるため高周波化でき高解像度が望める、３次元画像を生成するための圧電素子の２次元アレイ化に適している、小型化及び薄型化が可能であるという利点を有する。しかし、従来のｐＭＵＴのように送信と受信に同一の撓み振動を用いた場合には、狭帯域となり、利用できる周波数が共振周波数近傍に限定されてしまうという課題がある。
特許文献１には、共振周波数が異なる複数のｐＭＵＴを配列することにより広帯域化が図られたｐＭＵＴアレイが開示されている（特許文献１の図７Ｂ参照）。
特表２０１５－５１７７５２号公報
しかしながら、特許文献１に開示のｐＭＵＴアレイを有する超音波プローブでは、共振ピーク間に深い谷（不感帯）が生じるため、超音波画像の画質が劣化する虞がある。また、複数の共振周波数が混在しているため、全体として超音波プローブの送受信感度が低下する虞がある。
本発明の目的は、送受信感度が高く、かつ、周波数帯域が広い超音波プローブ及び超音波診断装置を提供することである。
本発明の一側面を反映した超音波プローブは、
複数のｐＭＵＴが配列されたｐＭＵＴアレイを備える超音波プローブであって、
前記ｐＭＵＴは、超音波送信用の第１のｐＭＵＴと、前記第１のｐＭＵＴと異なる構造を有する超音波受信用の第２のｐＭＵＴと、を有し、
前記第１のｐＭＵＴと前記第２のｐＭＵＴのセル領域は、超音波放射面内で分離しており、
前記第１のｐＭＵＴは、周波数帯域内に少なくとも一つの共振点を有し、
前記第２のｐＭＵＴは、周波数帯域内に共振点を有さないことを特徴とする。
本発明の一側面を反映した超音波診断装置は、
上記の超音波プローブと、
前記超音波プローブが接続され、前記超音波プローブからの超音波信号に基づいて超音波画像を生成する超音波診断装置本体と、
を備えることを特徴とする。
本発明によれば、送受信感度が高く、かつ、周波数帯域が広い超音波プローブ及び超音波診断装置を実現することができる。
図１は、実施の形態に係る超音波診断装置の外観を示す図である。 図２は、超音波診断装置の制御系の主要部を示すブロック図である。 図３は、超音波プローブの構成を示す図である。 図４Ａ、図４Ｂは、ｐＭＵＴの配列を示す平面図である。 図５は、第１の実施の形態に係るｐＭＵＴアレイの構成を示す断面図である。 図６は、第２の実施の形態に係るｐＭＵＴアレイの構成を示す断面図である。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の一実施の形態に係る超音波診断装置１の外観を示す図である。図２は、超音波診断装置１の制御系の主要部を示すブロック図である。
図１に示すように、超音波診断装置１は、超音波診断装置本体１０及び超音波プローブ２０を備える。超音波診断装置本体１０と超音波プローブ２０は、ケーブル３０を介して接続される。
超音波診断装置１は、被検体内の形状、性状又は動態を超音波画像として可視化し、画像診断するために用いられる。なお、超音波診断装置１は、Ｂモード画像、カラードプラ画像、三次元超音波画像、又はＭモード画像等の任意の超音波画像を生成するものであってよい。同様に、超音波プローブ２０には、コンベックスプローブ、リニアプローブ、セクタプローブ、又は三次元プローブ等の任意のものを適用することができる。
超音波プローブ２０は、被検体に対して超音波を送信するとともに、被検体で反射された超音波（エコー）を受信し、受信信号に変換して診断装置本体１０に送信する。超音波プローブ２０の詳細については後述する。
超音波診断装置本体１０は、超音波プローブ２０からの受信信号を用いて、被検体の内部状態を超音波画像として可視化する。具体的には、図２に示すように、超音波診断装置本体１０は、操作入力部１１、送信部１２、受信部１３、画像処理部１４及び表示部１５等を備える。
操作入力部１１は、例えば、診断開始等を指示するコマンド又は被検体に関する情報の入力を受け付ける。操作入力部１１は、例えば、複数の入力スイッチを有する操作パネル、キーボード、及びマウス等を有する。
送信部１２は、制御部１６の指示に従って、送信信号（駆動信号）を生成して、超音波プローブ２０に送信する。
受信部１３は、超音波プローブ２０からの受信信号を受信し、画像処理部１４へ出力する。
画像処理部１４は、制御部１６の指示に従って、受信部１３からの受信信号に対して所定の信号処理（例えば、対数圧縮処理、検波処理、及びＦＦＴ解析処理等）を施し、被検体の内部状態を示す超音波画像（例えば、Ｂモード画像、カラードプラ－画像、三次元超音波画像）を生成する。なお、超音波画像を生成する処理の内容は公知であるため、ここでの説明は省略する。
表示部１５は、例えば、液晶ディスプレイ等で構成され、画像処理部１４において生成された超音波画像を表示する。
制御部１６は、操作入力部１１、送信部１２、受信部１３、画像処理部１４及び表示部１５を、それぞれの機能に応じて制御することによって、超音波診断装置１の全体制御を行う。
図３は、超音波プローブ２０の構成を示す図である。図３に示すように、超音波プローブ２０は、超音波放射側から順に、保護層２１、ｐＭＵＴアレイ２２、信号処理回路２３、バッキング材２４を備える。保護層２１は、音響レンズ、整合層を含んでもよい。
保護層２１は、ｐＭＵＴアレイ２２の表面（超音波放射面）を保護する。保護層２１は、人体に接触させる際に不快感を与えることがなく、音響インピーダンスが比較的人体に近い材料（例えば、シリコーンゴム等）で形成される。
信号処理回路２３は、超音波送信用の送信信号の生成や受信信号（超音波信号）の処理を行う回路である。本実施の形態では、信号処理回路２３は、ケーブル３０を介して超音波診断装置本体１０に接続されている。または、信号処理回路２３は、無線通信機能を有し、ケーブル３０なしで超音波診断装置本体１０に情報通信可能に接続されてもよい。
バッキング材２４は、ｐＭＵＴアレイ２２で発生する不要振動を減衰する。
ｐＭＵＴアレイ２２は、図４Ａ、図４Ｂに示すように、二次元配列された複数のｐＭＵＴ１００、２００を有する。図４Ａは、ｐＭＵＴアレイ２２におけるｐＭＵＴ１００、２００の配列を示す平面図であり、図４Ｂは、図４Ａにおける太線で囲まれた領域Ａの拡大図である。複数のｐＭＵＴ１００、２００は、走査方向において複数のチャンネルＣＨに分割されており、チャンネルＣＨごとに駆動される。
本実施の形態において、ｐＭＵＴ１００は、超音波送信用の第１のｐＭＵＴである（以下、「第１のｐＭＵＴ１００」と称する）。ｐＭＵＴ２００は、超音波受信用の第２のｐＭＵＴである（以下、「第２のｐＭＵＴ２００」と称する）。第１のｐＭＵＴ１００と第２のｐＭＵＴ２００は、異なる構造を有している。また、第１のｐＭＵＴ１００と第２のｐＭＵＴ２００は、互いのセル領域が、超音波放射面内で分離する（重ならない）ように形成されている。ｐＭＵＴアレイ２２に対して、ｐＭＵＴアレイ２２を構成する個々のｐＭＵＴ１００、２００は「ｐＭＵＴセル」と称される。
本実施の形態では、第１のｐＭＵＴ１００と第２のｐＭＵＴ２００は、それぞれ直交格子状に配置されている。ＭＥＭＳ技術を利用することにより、異なる構造を有する第１のｐＭＵＴ１００と第２のｐＭＵＴ２００を別々に形成することができる。
セル領域とは、超音波の送信又は受信が行われる有効領域であり、圧電体と圧電体を挟持する２枚の電極を有する積層構造において、すべてが重なっている領域である（図５参照）。すなわち、セル領域は、圧電体と電極のうち、最も小さいものの平面形状及び大きさで規定される。図４Ｂは、第１のｐＭＵＴ１００と第２のｐＭＵＴ２００のセル領域が、超音波放射面内で重なっていないことを示している。
ｐＭＵＴアレイ２２において、隣接する第１のｐＭＵＴ１００と第２のｐＭＵＴのセル中心間距離Ｌは、超音波診断装置１で用いられる超音波周波数帯域の中心周波数Ｆｃに対する生体（代表音速１５３０ｍ/ｓeｃ）中の波長をλｃとしたとき、Ｌ≦λｃ／２であることが好ましい。これにより、第１のｐＭＵＴ１００と第２のｐＭＵＴを同一音源としてみなすことができ、送信超音波ビームと受信超音波ビームの経路を一致させることができる。
なお、第１のｐＭＵＴ１００と第２のｐＭＵＴ２００の配置態様は、図４Ａ、図４Ｂに示すものに限定されず、例えば、それぞれが三角格子状又は籠目状に配置されてもよいし、ランダムに配置されてもよい。
また、チャンネル内における第１のｐＭＵＴ１００と第２のｐＭＵＴのセル数は、異なっていてもよい。例えば、低周波数領域において、少ないセル数で送信音圧強度を確保できる場合、第１のｐＭＵＴ１００の数を減らし、第２のｐＭＵＴ２００の数を増加させるのがよい。
図５は、第１の実施の形態に係るｐＭＵＴアレイ２２の構成を示す断面図である。
以下において、第１の実施の形態に係る超音波プローブ２０を「超音波プローブ２０－１」、ｐＭＵＴアレイ２２を「ｐＭＵＴアレイ２２－１」、第１のｐＭＵＴ１００を「第１のｐＭＵＴ１００－１」、第２のｐＭＵＴ２００を「第２のｐＭＵＴ２００－１」と称する。
図５に示すように、第１の実施の形態に係るｐＭＵＴアレイ２２－１は、電子回路基板２２Ａ、圧電素子基板２２Ｂ、及び接続部２２Ｃを有している。
電子回路基板２２Ａは、第１のｐＭＵＴ１００－１及び第２のｐＭＵＴ２００－１の圧電素子部Ｐ１、Ｐ２の駆動制御および受信制御を行う。電子回路基板２２Ａは、例えば、基板１１１上に、送信用回路１１２、受信用回路１１３及び配線層１１４が形成されたＣＭＯＳ基板である。
送信用回路１１２は、第１のｐＭＵＴ１００－１の駆動を制御する。受信用回路１１３は、第２のｐＭＵＴ２００からの信号を検出する。配線層１１４は、送信用回路１１２及び受信用回路１１３と圧電素子部Ｐ１、Ｐ２を電気的に接続する。
圧電素子基板２２Ｂは、第１の圧電素子部Ｐ１、第２の圧電素子部Ｐ２及び基板１０１を有する。
第１の圧電素子部Ｐ１は、基板１０１上に順に積層された、第１の下部電極１０２、第１の圧電体１０３、第１の上部電極１０４を有する。第１の圧電素子部Ｐ１は、第１の圧電体１０３が下部電極１０２と上部電極１０４で挟持されたユニモルフ構造を有する。
下部電極１０２は、基板１０１に設けられた貫通電極１０５を介して基板１０１の裏面に設けられた接続電極（バンプ）１０７に引き出される。接続電極１０７は、接続部２２Ｃ及び電子回路基板２２Ａの配線層１１４を介して、送信用回路１１２と電気的に接続される。
上部電極１０４は、基板１０１に設けられた貫通電極１０６を介して基板１０１の裏面に設けられた接続電極１０８に引き出される。接続電極１０８は、接続部２２Ｃ及び電子回路基板２２Ａの配線層１１４を介して、共通電極（ＧＮＤ）１１６に接続される。
下部電極１０２、上部電極１０４及び接続電極１０７、１０８は、例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ｔｉ等の金属材料又は導電性酸化物で形成される。貫通電極１０５、１０６は、例えば、Ｃｕ，Ｗ、Ａｌ等の金属材料で形成されてもよいし、基板１０１にＢ（ホウ素）等の不純物をドープして導電性を持たせることにより形成されてもよい。
第１の圧電体１０３は、超音波の送信性能（送信感度及び周波数帯域）に優れる圧電材料で形成される。第１の圧電体１０３は、電圧を印加することにより大きく変形する、すなわち逆圧電定数が大きな材料が望ましい。本実施の形態では、第１の圧電体１０３は、ＰＺＴで形成されている。
なお、第１の圧電体１０３は、ＰＺＴ以外の無機圧電材料（例えば、ＰＭＮ－ＰＴ（マグネシウムニオブ酸チタン酸鉛）、ＰＭＮ－ＰＺＴ（マグネシウムニオブ酸ジルコンチタン酸鉛）など）で形成されてもよい。
第２の圧電素子部Ｐ２は、基板１０１上に順に積層された、第２の下部電極２０２、第２の圧電体２０３、第２の上部電極２０４を有する。第２の圧電素子部Ｐ２は、第１の圧電素子部Ｐ２と同様に、第２の圧電体２０３が下部電極２０２と上部電極２０４で挟持されたユニモルフ構造を有する。
下部電極２０２は、基板１０１に設けられた貫通電極２０５を介して基板１０１の裏面に設けられた接続電極２０７に引き出される。接続電極２０７は、接続部２２Ｃ及び電子回路基板２２Ａの配線層１１４を介して、受信用回路１１３と電気的に接続される。
上部電極２０４は、基板１０１に設けられた貫通電極２０６を介して基板１０１の裏面に設けられた接続電極２０８に引き出される。接続電極２０８は、接続部２２Ｃ及び電子回路基板２２Ａの配線層１１４を介して、共通電極（ＧＮＤ）１１８に接続される。
下部電極２０２、上部電極２０４及び接続電極２０７、２０８は、例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ｔｉ等の金属材料又は導電性酸化物で形成される。貫通電極２０５、２０６は、例えば、Ｃｕ，Ｗ、Ａｌ等の金属材料で形成されてもよいし、基板１０１に不純物をドープして形成されてもよい。
第２の圧電体２０３は、超音波の受信性能（受信感度及び周波数帯域）に優れる圧電材料で形成される。第２の圧電体２０３は、超音波を受信することにより電圧を発生する。本実施の形態では、第２の圧電体２０３は、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）樹脂で形成されている。ＰＶＤＦは、ＰＺＴに比較して、超音波の送信性能は劣るが、誘電率が小さいため電圧受信性能は格段に高い。例えば、ＰＶＤＦを適用したｐＭＵＴは、ＰＺＴを適用したｐＭＵＴの約１０倍の電圧受信感度を有する。
ここで、第２の圧電体２０３の厚さｔは、超音波診断装置１で用いられる超音波周波数帯域の最大周波数Ｆｍａｘに対する圧電体２０３中の波長λｐの１／４以下であることが好ましい。第２の圧電体２０３は片面が固定端となっているので、ｔ≦λｐ／４とすることで、厚さ方向における共振が生じるのを防止することができ、広い帯域幅を確保することができる。
超音波診断装置１で用いられる超音波周波数帯域の中心周波数をＦｃとすると、最大周波数Ｆｍａｘ＝２Ｆｃなので、第２の圧電体２０３が帯域内において共振しない条件は、ｔ≦λｐ／４＝Ｖ／４Ｆｍａｘ＝Ｖ／８Ｆｃとなる。一般に、医療用の超音波診断装置１で用いられる超音波の中心周波数Ｆｃは、最大で２０ＭＨｚ程度であるので、ＰＶＤＦ内の音速Ｖを２５６０ｍ／ｓｅｃとすると、ｔ≦２５６０／（８×２０）＝１６［μｍ］となる。すなわち、超音波プローブ２０－１においては、第２の圧電体２０３の厚さを１６μｍ以下とすることで、厚さ方向における共振が生じるのを防止することができる。
なお、第２の圧電体２０３は、ＰＶＤＦ以外の有機圧電材料（例えば、ウレア樹脂など）で形成されてもよい。また、第２の圧電体２０３は、圧電材料のみからなる単層構造を有していてもよいし、圧電材料の複数回の塗布により厚膜化する場合、圧電材料で金属又は非金属の薄膜層を挟んだ積層構造を有していてもよい。
基板１０１は、例えば、Ｓｉ基板である。基板１０１は、第１の圧電素子部Ｐ１に対応する部分に、薄膜部１０１ａを有する。基板１０１の裏面側（第１の圧電素子部Ｐ１が形成される側と反対側）において、第１の圧電素子部Ｐ１に対応する領域が凹状にエッチングされることにより、薄膜部１０１ａが形成される。一方、基板１０１の第２の圧電素子部Ｐ２に対応する部分はエッチングされておらず、薄膜部１０１ａよりも厚くなっている（厚膜部１０１ｂ）。
すなわち、第１のｐＭＵＴ１００－１は、第１の圧電素子部Ｐ１と薄膜部１０１ａからなるダイアフラム構造を有している。第１のｐＭＵＴ１００－１は、電圧を印加することにより撓み振動モードで振動し、超音波を放射する。ここで、ダイアフラムとは、端部を保持された振動板の撓みモード共振を、送受信感度特性の周波数帯域（-４０ｄＢ帯域幅）内に誘起する構造体を意味する。振動板の撓みとは、圧電体（ここでは、第１のｐＭＵＴ１００－１）が振動板（ここでは、薄膜部１０１ａ）の長さ方向に伸縮することによって生じる振動板の垂直方向（厚み方向）の変位である。
第１のｐＭＵＴ１００－１は、周波数帯域内に１つ以上の共振点を有することが好ましい。これにより、共振点近傍において大きな送信感度を得ることができる。さらに、送信感度特性は、超音波強度（音圧強度）であり、振動子変位と周波数の積に比例するため、共振周波数より高周波側でも急峻には減衰せず、たとえ共振点を有しても帯域幅を広くすることができる。
なお、第１のｐＭＵＴ１００－１におけるダイアフラム構造は、実効的な音響インピーダンスが、生体の音響インピーダンスに整合するように設計される。これにより、超音波を生体内で効率よく伝播させることができる。具体的には、ダイアフラム構造の剛性が最適化されればよい。さらに好適には、共振周波数、送信性能（送信感度、周波数帯域）等に応じて、基板１０１の材料及び薄膜部１０１ａの厚さ、第１の圧電体１０３の厚さ、第１のｐＭＵＴ１００－１のセル領域等が適宜最適化される。
一方、第２のｐＭＵＴ２００－１は、第２の圧電素子部Ｐ２と厚膜部１０１ｂからなる非ダイアフラム構造を有している。第２のｐＭＵＴ２００－１は、超音波を受信して厚み方向に変形することにより、電圧を発生する。
第２のｐＭＵＴ２００－１は、非ダイアフラム構造であり、基板１０１に凹部を形成する必要がないので、第１のｐＭＵＴ１００－１の密度を低下させることなく、同一放射面内に形成することができる。
また、第２のｐＭＵＴ２００－１は、周波数帯域内に共振点がないことが好ましい。これにより、広い受信帯域幅を得ることができる。なぜなら、受信感度特性は電圧信号であり、振動子変位に比例し、共振点を持つ場合、共振周波数より高周波側で急激に減衰して狭帯域となってしまうためである。
なお、第２のｐＭＵＴ２００－１は、有機圧電膜であるＰＶＤＦ自身が生体の音響インピーダンスに近いためダイアフラム構造とする必要はないが、撓みモード共振周波数が帯域内に存在しない程度に厚膜部１０１ｂを浅くエッチングしてもよい。
接続部２２Ｃは、電子回路基板２２Ａと圧電素子基板２２Ｂとの間に介在し、両者を物理的かつ電気的に接続する。これにより、電子回路基板２２Ａと圧電素子基板２２Ｂを、それぞれに適した製造方法により独立して製造することができる。
接続部２２Ｃは、例えば、異方性導電フィルム（ＡＣＦ：Anisotropic Conductive Film）を適用して形成するのが好ましい。すなわち、電子回路基板２２Ａと圧電素子基板２２Ｂとの間に、フィルム状の絶縁樹脂材料に微細な導電性粒子を分散させたＡＣＦを挟み、加熱及び加圧することにより、両者を接着することができる。これにより、電子回路基板２２Ａと圧電素子基板２２Ｂの接続電極（バンプ）を導電性粒子により導通させることができるとともに、導通部分同士を絶縁樹脂材料により確実に絶縁することができる。また、電子回路基板２２Ａと圧電素子基板２２Ｂを貼り合わせることによる性能劣化も抑えることができる。
なお、電子回路基板２２Ａと圧電素子基板２２Ｂは、その他の方法により接合されてもよい。例えば、導電性接着剤と金属被覆ガラス球を利用した接着、拡散接合（熱圧着）、共晶接合、又は溶接を適用することができる。
このように、第１の実施の形態に係る超音波プローブ２０－１は、複数のｐＭＵＴ１００－１、２００－１が配列されたｐＭＵＴアレイ２２－１を備える超音波プローブであって、ｐＭＵＴ１００－１、２００－１は、超音波送信用の第１のｐＭＵＴ１００－１と、第１のｐＭＵＴ１００－１と異なる構造を有する超音波受信用の第２のｐＭＵＴ２００－１と、を有する。第１のｐＭＵＴ１００－１と第２のｐＭＵＴ２００－１のセル領域は、超音波放射面内で分離している。
また、第１のｐＭＵＴ１００－１は、基板１０１上に、第１の下部電極１０２、第１の圧電体１０３、第１の上部電極１０４が順に積層された構造を有し、第２のｐＭＵＴ２００－１は、基板１０１上に、第２の下部電極２０２、第２の圧電体２０３、第２の上部電極２０４が順に積層された構造を有する。第１の圧電体１０３と第２の圧電体２０３は、異なる材料で形成されている。
具体的には、第１の圧電体１０３は、超音波送信に適した性能を有する無機圧電材料（例えば、ＰＺＴ）で形成され、第２の圧電体２０３は、超音波受信に適した性能を有する
有機圧電材料（例えば、ＰＶＤＦ）で形成されている。
超音波プローブ２０－１によれば、ＭＥＭＳ技術を利用することにより、超音波送信用の第１のｐＭＵＴ１００－１と超音波受信用の第２のｐＭＵＴ２００－１が超音波放射面に別々に配列されているので、送受信感度が高く、かつ、周波数帯域が広い超音波プローブが実現される。また、超音波プローブ２０－１を備える超音波診断装置１によれば、高画質の超音波画像を得ることができる。
［第２の実施の形態］
図６は、第２の実施の形態に係るｐＭＵＴアレイ２２の構成を示す断面図である。
以下において、第２の実施の形態に係る超音波プローブ２０を「超音波プローブ２０－２」、ｐＭＵＴアレイ２２を「ｐＭＵＴアレイ２２－２」、第１のｐＭＵＴ１００を「第１のｐＭＵＴ１００－２」、第２のｐＭＵＴ２００を「第２のｐＭＵＴ２００－２」と称する。また、第１の実施の形態と実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付し、重複説明を省略する。
図６に示すように、第２の実施の形態に係るｐＭＵＴアレイ２２－２は、電子回路基板２２Ａを有し、電子回路基板２２Ａ上に、絶縁層１２０を介して第１の圧電素子部Ｐ１及び第２の圧電素子部Ｐ２が形成されている。
電子回路基板２２Ａは、第１のｐＭＵＴ１００－２及び第２のｐＭＵＴ２００－２の圧電素子部Ｐ１、Ｐ２の制御および受信制御を行う。電子回路基板２２Ａは、例えば、基板１１１上に、送信用回路１１２、受信用回路１１３及び配線層１１４が形成されたＣＭＯＳ基板である。
第１の圧電素子部Ｐ１は、絶縁層１２０上に順に積層された、第１の下部電極１０２、第１の圧電体１０３、第１の上部電極１０４を有する。第１の圧電素子部Ｐ１は、第１の圧電体１０３が下部電極１０２と上部電極１０４で挟持されたユニモルフ構造を有する。
下部電極１０２は、絶縁層１２０に設けられた貫通電極１０５を介して電子回路基板２２Ａの接続電極１１５と電気的に接続され、さらに、配線層１１４を介して送信用回路１１２と電気的に接続される。
上部電極１０４は、絶縁層１２０に設けられた貫通電極１０６を介して電子回路基板２２Ａの共通電極（ＧＮＤ）１１６に接続される。
第２の圧電素子部Ｐ２は、絶縁層基板１２０上に順に積層された、第２の下部電極２０２、第２の圧電体２０３、第２の上部電極２０４を有する。第２の圧電素子部Ｐ２は、第１の圧電素子部Ｐ２と同様に、第２の圧電体２０３が下部電極２０２と上部電極２０４で挟持されたユニモルフ構造を有する。
下部電極２０２は、絶縁層１２０に設けられた貫通電極２０５を介して電子回路基板２２Ａの接続電極１１７と電気的に接続され、さらに、配線層１１４を介して受信用回路１１３と電気的に接続される。
上部電極２０４は、絶縁層１２０に設けられた貫通電極２０６を介して電子回路基板２２Ａの共通電極（ＧＮＤ）１１８に接続される。
電子回路基板２２Ａの基板１１１は、例えば、Ｓｉ基板である。基板１１１は、第１の圧電素子部Ｐ１に対応する部分に、薄膜部１１１ａを有する。基板１１１の裏面側（第１の圧電素子部Ｐ１が形成される側と反対側）において、第１の圧電素子部Ｐ１に対応する領域が凹状にエッチングされることにより、薄膜部１１１ａが形成される。一方、基板１１１の第２の圧電素子部Ｐ２に対応する部分はエッチングされておらず、薄膜部１１１ａよりも厚くなっている（厚膜部１１１ｂ）。
すなわち、第１のｐＭＵＴ１００－２は、第１の圧電素子部Ｐ１と薄膜部１１１ａからなるダイアフラム構造を有している。第１のｐＭＵＴ１００－２は、電圧を印加することにより撓み振動モードで振動し、超音波を放射する。なお、電子回路基板２２Ａにおいて、基板１１１上に形成される配線層１４等は、基板１１１に比較すると極めて薄い。つまり、電子回路基板２２Ａの厚さは、基板１１１の厚さに依存する。したがって、薄膜部１１１ａが形成されている第１のｐＭＵＴ１００－２は、ダイアフラム構造とみなすことができる。
一方、第２のｐＭＵＴ２００－２は、第２の圧電素子部Ｐ２と厚膜部１１１ｂからなる非ダイアフラム構造を有している。第２のｐＭＵＴ２００－１は、超音波を受信して厚み方向に変形することにより、電圧を発生する。
第２のｐＭＵＴ２００－２は、非ダイアフラム構造であり、基板１０１に凹部を形成する必要がないので、第１のｐＭＵＴ１００－２の密度を低下させることなく、同一放射面内に形成することができる。
絶縁層１２０は、例えば、ＳｉＯ２や多孔質シリコン等で形成される。絶縁層１２０は、単層構造でもよいし、多層構造であってもよい。絶縁層１２０の厚さは、例えば、３μｍ以上である。
電子回路基板２２Ａ上に、絶縁層１２０を介して第１の圧電素子部Ｐ１及び第２の圧電素子部Ｐ２を形成することにより、貫通電極１０５、１０６、２０５、２０６同士の絶縁性を確保できるとともに、電子回路基板２２Ａの寄生容量をキャンセルすることができる。
ｐＭＵＴアレイ２２－２の製造方法は、電子回路基板２２Ａ上に絶縁層１２０を形成する第１工程と、ＭＥＭＳ技術を利用して、第１の圧電素子部Ｐ１及び第２の圧電素子部Ｐ２を形成する第２工程と、を含む。第２工程において、電子回路基板２２Ａは、第１の圧電素子部Ｐ１及び第２の圧電素子部Ｐ２を成膜する際の熱により劣化する虞があるが、絶縁層１２０が断熱層として機能するので、電子回路基板２２Ａの劣化を防止することができる。
このように、第２の実施の形態に係る超音波プローブ２０－２は、複数のｐＭＵＴ１００－２、２００－２が配列されたｐＭＵＴアレイ２２－２を備える超音波プローブであって、ｐＭＵＴ１００－２、２００－２は、超音波送信用の第１のｐＭＵＴ１００－２と、第１のｐＭＵＴ１００－２と異なる構造を有する超音波受信用の第２のｐＭＵＴ２００－２と、を有する。第１のｐＭＵＴ１００－２と第２のｐＭＵＴ２００－２のセル領域は、超音波放射面内で分離している。
また、第１のｐＭＵＴ１００－２は、電子回路基板２２Ａ上に、第１の下部電極１０２、第１の圧電体１０３、第１の上部電極１０４が順に積層された構造を有し、第２のｐＭＵＴ２００－２は、電子回路基板２２Ａ上に、第２の下部電極２０２、第２の圧電体２０３、第２の上部電極２０４が順に積層された構造を有する。第１の圧電体１０３と第２の圧電体２０３は、異なる材料で形成されている。
具体的には、第１の圧電体１０３は、超音波送信に適した性能を有する無機圧電材料（例えば、ＰＺＴ）で形成され、第２の圧電体２０３は、超音波受信に適した性能を有する
有機圧電材料（例えば、ＰＶＤＦ）で形成されている。
超音波プローブ２０－２によれば、ＭＥＭＳ技術を利用することにより、超音波送信用の第１のｐＭＵＴ１００－２と超音波受信用の第２のｐＭＵＴ２００－２が超音波放射面に別々に配列されているので、送受信感度が高く、かつ、周波数帯域が広い超音波プローブが実現される。また、超音波プローブ２０－２を備える超音波診断装置１によれば、高画質の超音波画像を得ることができる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、第１のｐＭＵＴ１００と第２のｐＭＵＴ２００は、セル領域が超音波放射面内で分離していればよく、第２の圧電体２０３や第２の上部電極２０４が、第１の圧電素子部Ｐ１の上方（超音波放射側）に延在していてもよい。例えば、第１の上部電極１０４と第２の上部電極２０４は、第１のｐＭＵＴ１００と第２のｐＭＵＴ２００の全面を覆うように、共通部材として設けられてもよい。
また例えば、上部電極１０４、２０４は、音響送受信時には共通電位、多くはＧＮＤとして動作するが、圧電体１０３、２０３の分極処理用電極としてＧＮＤと分離独立していることが好ましい。分極処理前は分割した状態で分極用電極として使用し、分極処理後は、電気的にＧＮＤと接続してプローブとして使用する。また、プログラマブルに接続、分離できるようにしておくことで製品化後の分極制御が可能になる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１ 超音波診断装置
１０ 超音波診断装置本体
２０ 超音波プローブ
２２、２２－１、２２－２ ｐＭＵＴアレイ
２２Ａ 電子回路基板
２２Ｂ 圧電素子基板
２２Ｃ 接続部
１００、１００－１、１００－２ 第１のｐＭＵＴ
１０１ 基板
１０２ 第１の下部電極
１０３ 第１の圧電体
１０４ 第１の上部電極
１２０ 絶縁層
２００、２００－１、２００－２ 第２のｐＭＵＴ
２０２ 第２の下部電極
２０３ 第２の圧電体
２０４ 第２の上部電極

Claims (14)

  1. 複数のｐＭＵＴが配列されたｐＭＵＴアレイを備える超音波プローブであって、
    前記ｐＭＵＴは、超音波送信用の第１のｐＭＵＴと、前記第１のｐＭＵＴと異なる構造を有する超音波受信用の第２のｐＭＵＴと、を有し、
    前記第１のｐＭＵＴと前記第２のｐＭＵＴのセル領域は、超音波放射面内で分離しており、
    前記第１のｐＭＵＴは、周波数帯域内に少なくとも一つの共振点を有し、
    前記第２のｐＭＵＴは、周波数帯域内に共振点を有さないことを特徴とする超音波プローブ。
  2. 前記第１のｐＭＵＴは、基板上に、第１の下部電極、第１の圧電体、第１の上部電極が順に積層された構造を有し、
    前記第２のｐＭＵＴは、前記基板上に、第２の下部電極、第２の圧電体、第２の上部電極が順に積層された構造を有し、
    前記第１の圧電体と前記第２の圧電体は、異なる材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
  3. 前記第１の圧電体は、無機圧電材料で形成されていることを特徴とする請求項２に記載の超音波プローブ。
  4. 前記無機圧電材料は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）であることを特徴とする請求項３に記載の超音波プローブ。
  5. 前記第２の圧電体は、有機圧電材料で形成されていることを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
  6. 前記有機圧電材料は、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）樹脂であることを特徴とする請求項５に記載の超音波プローブ。
  7. 前記第２の圧電体の厚さｔは、用いられる超音波周波数帯域における最大周波数をＦｍａｘ、前記第２の圧電体中の音速をＶとしたとき、ｔ≦Ｖ／４Ｆｍａｘであることを特徴とする請求項２から６のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
  8. 前記第１のｐＭＵＴは、ダイアフラム構造を有し、撓み振動モードにより超音波を送信することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
  9. 前記第２のｐＭＵＴは、非ダイアフラム構造を有し、厚み振動モードにより超音波を受信することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
  10. 隣接する前記第１のｐＭＵＴと前記第２のｐＭＵＴのセル中心間距離Ｌは、用いられる超音波周波数帯域の中心周波数Ｆｃに対する生体（代表音速１５３０ｍ/ｓeｃ）中の波長をλｃとしたとき、Ｌ≦λｃ／２であることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
  11. 前記複数のｐＭＵＴは、複数のチャンネルに分割され、
    チャンネル内における前記第１のｐＭＵＴと前記第２のｐＭＵＴの数が異なることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
  12. 前記ｐＭＵＴアレイは、
    前記第１のｐＭＵＴ及び前記第２のｐＭＵＴの圧電素子部の駆動制御を行う電子回路基板と、
    同一基板上に、前記圧電素子部が形成された圧電素子基板と、
    前記電子回路基板と前記圧電素子基板との間に介在する接続部と、を有し、
    前記電子回路基板と前記圧電素子基板が、前記接続部によって物理的かつ電気的に接続されていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
  13. 前記ｐＭＵＴアレイは、
    前記第１のｐＭＵＴ及び前記第２のｐＭＵＴの圧電素子部の駆動制御を行う電子回路基板を有し、
    前記電子回路基板上に、絶縁層を介して前記圧電素子部が形成され、
    前記電子回路基板と前記圧電素子部が、前記絶縁層に設けられた貫通電極により電気的に接続されていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
  14. 請求項１から１３のいずれか一項に記載の超音波プローブと、
    前記超音波プローブが接続され、前記超音波プローブからの超音波信号に基づいて超音波画像を生成する超音波診断装置本体と、
    を備えることを特徴とする超音波診断装置。
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