(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方方向に沿って畝状に平行に配列された複数の凸部を有する台座と、
前記複数の凸部の各々に設けられた振動素子と、
を具備する超音波プローブであって、
前記振動素子各々は、前記一方方向に沿って平行に配列された複数のＭＵＴ列を有し、
前記ＭＵＴ列各々は、１以上のＭＵＴ素子を有し、
前記振動素子各々が有する前記ＭＵＴ列のうち少なくとも２列は互いに異なる方向に超音波を放射する、
ことを特徴とする超音波プローブ。
【請求項２】
前記振動素子各々は、前記ＭＵＴ列のうち少なくとも２列を互いに異なる傾きで有する、請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項３】
前記凸部各々は、３つの平面を有し、
前記３つの平面のうちの１面は、前記凸部各々の隆起方向に直交し、
前記３つの平面の各々には、少なくとも１以上の前記ＭＵＴ列が配列される、
請求項２記載の超音波プローブ。
【請求項４】
前記凸部各々は、前記台座の平面に対して湾曲した一面を有し、
前記湾曲した一面には、３つの前記ＭＵＴ列が配列される、
請求項２記載の超音波プローブ。
【請求項５】
２次元状に配列された複数の凸部を有する台座と、
前記複数の凸部の各々に設けられた振動素子と、
を具備する超音波プローブであって、
前記振動素子各々は、環状に配置されたＭＵＴ素子と前記環状に配置されたＭＵＴ素子の中央部に配置されたＭＵＴ素子とを有し、
前記環状に配置されたＭＵＴ素子と前記中央部に配置されたＭＵＴ素子とは、互いに異なる方向に超音波を放射する、
ことを特徴とする超音波プローブ。
【請求項６】
前記凸部各々は、７つ又は９つの平面を有し、
前記７つ又は９つの平面のうちの１面は、前記凸部各々の隆起方向に直交し、
前記１面には、少なくとも１以上の前記ＭＵＴ素子が配置され、
前記１面以外の６つ又は８つの平面には、前記１面を中央部として環状に配置され、
前記１面以外の６つ又は８つの平面の各面には、少なくとも１以上の前記ＭＵＴ素子が配置される、
請求項５記載の超音波プローブ。
【請求項７】
前記凸部各々は、１つの平面と１つの曲面とを有し、
前記１つの平面は、前記凸部各々の隆起方向に直交し、
前記１つの平面には、少なくとも１以上の前記ＭＵＴ素子が配置され、
前記１つの曲面は、前記１つの平面を中央部として環状に配置され、
前記１つの曲面には、複数の前記ＭＵＴ素子が配置される、
請求項５記載の超音波プローブ。
【請求項８】
前記凸部各々は、１つの半球面を有し、
前記半球面は、前記台座の平面に対して湾曲し、
前記半球面には、複数の前記ＭＵＴ素子がそれぞれ配列される、
請求項５記載の超音波プローブ。
【請求項９】
前記振動素子各々は、１つのチャンネルを構成する、請求項１又は５記載の超音波プローブ。
【請求項１０】
請求項１又は５記載の超音波プローブと、
前記超音波プローブからのエコー信号を画像処理して画像のデータを発生する信号処理部と、
前記発生された画像のデータを表示する表示部と、
を具備する超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＵＴ（Micromachining Ultrasound Transducer）素子を用いる超音波プローブ及び超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波プローブは、複数の振動素子を駆動させることにより複数の振動素子から超音波を放射させる。被検体等によって反射された超音波は、複数の振動素子によって受信される。
【０００３】
複数の振動素子を遅延制御して超音波ビームを形成するために、位相制御された超音波が重ね合わされる。この際、振動素子の幅が中心周波数波長の約１／２に設計されることにより、振動素子の指向性の低減が防止される。
【０００４】
例えば、超音波ビームを中心から３０度傾ける場合、その音圧は、０度方向の音圧に比して３ｄＢから６ｄＢ程度低下する。これは、各振動素子から超音波が全方位に均等に放射されないことに一因がある。超音波は、高周波になるほど前方に鋭く放射され、広い範囲に均一に放射されなくなる。そのため、ハーモニックイメージング法等の高い周波数帯域で使用する場合、使用する周波数に合わせて素子幅を小さくする必要がある。しかし素子幅を小さくすると、製造上の歩留まり低下や、一素子あたりのパワーの低下を招く。
【０００５】
ところで、振動素子としては、圧電セラミックスを主体とした素子や、マイクロマシーニング技術を用いて半導体基板を加工することによって製造されるｃＭＵＴ（Capacitive Micromachining Ultrasound Transducer：静電容量型トランスデューサ）素子等がある。圧電セラミックスを用いた素子は直方体であり、ｃＭＵＴ素子は平面に形成されるため、いずれのタイプにしても、振動素子の超音波放射面は平面である。特許文献１には、複数のＭＵＴ素子を平坦に並べて形成されたＭＵＴの列を湾曲させることにより、ＭＵＴの列の全体の超音波放射面を湾曲させる技術が記載されている。特許文献１に記載の振動素子（ＭＵＴ素子）は、平面型の振動素子である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５―２１０７１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、広帯域にわたって指向性を維持することを可能とする超音波プローブ及び超音波診断装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１局面に係る超音波プローブは、一方方向に沿って畝状に平行に配列された複数の凸部を有する台座と、前記複数の凸部の各々に設けられた振動素子と、を具備する超音波プローブであって、前記振動素子各々は、前記一方方向に沿って平行に配列された複数のＭＵＴ列を有し、前記ＭＵＴ列各々は、１以上のＭＵＴ素子を有し、前記振動素子各々が有する前記ＭＵＴ列のうち少なくとも２列は互いに異なる方向に超音波を放射する、ことを特徴とする。
本発明の第２局面に係る超音波プローブは、２次元状に配列された複数の凸部を有する台座と、前記複数の凸部の各々に設けられた振動素子と、を具備する超音波プローブであって、前記振動素子各々は、環状に配置されたＭＵＴ素子と前記環状に配置されたＭＵＴ素子の中央部に配置されたＭＵＴ素子とを有し、前記環状に配置されたＭＵＴ素子と前記中央部に配置されたＭＵＴ素子とは、互いに異なる方向に超音波を放射する、ことを特徴とする。
本発明の第３局面に係る超音波診断装置は、上記第１局面又は第２局面に係る超音波プローブと、前記超音波プローブからのエコー信号を画像処理して画像のデータを発生する信号処理部と、前記発生された画像のデータを表示する表示部と、を具備する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、広帯域にわたって指向性を維持することを可能とする超音波プローブ及び超音波診断装置の提供が実現する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る超音波プローブの全体構成を示す図。
【図２】図１の振動素子ユニットの斜視図。
【図３】図２の台座を示す斜視図。
【図４】図２の振動素子の構造を示す図。
【図５】図２の振動素子の寸法関係を示す図。
【図６】図２の振動素子の製造工程のステップＳ２を示す図。
【図７】図２の振動素子の製造工程のステップＳ３を示す図。
【図８】図２の振動素子の製造工程のステップＳ４を示す図。
【図９】図２の振動素子の製造工程のステップＳ５を示す図。
【図１０】図２の振動素子の製造工程のステップＳ６を示す図。
【図１１】図２の振動素子の製造工程のステップＳ７を示す図。
【図１２】図２の振動素子の製造工程のステップＳ８を示す図。
【図１３】図２の振動素子の製造工程のステップＳ９を示す図。
【図１４】図２の振動素子の製造工程のステップＳ１０を示す図。
【図１５】図２の振動素子の製造工程のステップＳ１１を示す図。
【図１６】図２の振動素子の製造工程のステップＳ１１を示す他の図。
【図１７】図２の振動素子の製造工程のステップＳ１２を示す図。
【図１８】図２のＭＵＴ素子３０の電気系統を示す平面図。
【図１９】図２の振動素子の製造工程のステップＳ１３を示す図。
【図２０】第１実施形態に係る他の台座の斜視図。
【図２１】図２０の台座を備える振動素子の構造を示す図。
【図２２】従来型振動素子、半円筒型振動素子、角型振動素子Ａ、及び角型振動素子Ｂの指向性のシミュレーション結果を示す図。
【図２３】従来型振動素子の波形マップを示す図。
【図２４】第１実施形態に係る半円筒型振動素子の波形マップを示す図。
【図２５】第１実施形態に係る角型振動素子Ａの波形マップを示す図。
【図２６】第１実施形態に係る角柱型振動素子Ｂの波形マップを示す図。
【図２７】第１実施形態に係る超音波診断装置の構成を示す図。
【図２８】本発明の第２実施形態に係る超音波プローブの全体構成を示す図。
【図２９】図２８の振動素子ユニットの斜視図。
【図３０】図２９の振動素子ユニットを上方から眺めた平面図。
【図３１】図２８の他の振動素子ユニットの斜視図。
【図３２】図３１の振動素子ユニットを上方から眺めた平面図。
【図３３】図２８のさらなる他の振動素子ユニットの斜視図。
【図３４】図３３の振動素子ユニットを上方から眺めた平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係わる超音波プローブと超音波診断装置とを説明する。
【００１４】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る超音波プローブ１の全体構成を示す図である。図１に示すように超音波プローブ１は、プローブケース２を備える。プローブケース２の内部には、超音波を送受波する振動素子ユニット４が収容されている。
【００１５】
図２は振動素子ユニット４の斜視図である。図２に示すように、振動素子ユニット４は、石英（ＳｉＯ２）基板やシリコン（Ｓｉ）基板等の半導体プロセスに使用可能な材料によって形成された台座２０を有する。図３は、台座２０の一例を示す斜視図である。図２と図３とに示すように、台座２０の表面には、畝状に隆起している複数の凸部２０ａが一方向に沿って配列されている。すなわち、台座２０は、複数の凸面を有する。凸部２０ａは、例えば、半円筒形状を有する。凸部２０ａの配列方向は、凸部２０ａの中心軸方向に直交する。ここで、凸部２０ａの配列方向をＸ方向、凸部２０ａの中心軸方向をＹ方向、Ｘ方向とＹ方向とに直交する、台座２０の厚さ方向をＺ方向に規定する。凸部２０ａは、Ｚ方向に隆起している。各凸部２０ａは、Ｙ方向に互いに平行に配列される。
【００１６】
図２に示すように、台座２０の複数の凸部２０ａには、半導体プロセスにより、複数の振動素子２２がそれぞれ設けられている。各振動素子２２は、複数のＭＵＴ（Micromachining Ultrasound Transducer）列２４を有する。ＭＵＴ列２４は、Ｙ方向に沿って一列に配列された複数のＭＵＴ素子３０を有する。一つの振動素子２２に含まれる複数のＭＵＴ列２４のうちの一列は、凸部２０ａの頂上部に配置される。その他のＭＵＴ列２４は、互いに等間隔をおいて凸部２０ａの表面に配置される。各ＭＵＴ素子３０には、信号線が接続されている。これら信号線は、各振動素子２２ごとに１つにまとめられる。すなわち、１つの振動素子２２が１つのチャンネルをなす。より詳細には、各振動素子２２に配列される複数のＭＵＴ素子３０がまとまって一つのチャンネルを構成する。各ＭＵＴ素子３０は、超音波を送受波する。振動素子２２の超音波放射面は、平面ではなく、凸部２０ａの表面に沿って湾曲している。ＭＵＴ素子３０は、ｃＭＵＴ（Capacitive Micromachining Ultrasound Transducer：静電容量型トランスデューサ）素子、又はｐＭＵＴ（Piezoelectric Micromachining Ultrasound Transducer：圧電型トランスデューサ）素子のいずれも可能である。以下、ＭＵＴ素子３０は、ｃＭＵＴ素子とする。
【００１７】
図１に示すように、振動素子ユニット４の上面には、プローブケース２から露出するように、音響レンズ６が貼り付けられている。音響レンズ６は、Ｙ軸に沿って厚みが変化しており、超音波を収束させる。また、音響レンズ６は、振動素子ユニット４を保護する役割も有する。
【００１８】
振動素子ユニット４の下面には、振動素子ユニット４の後方に放射された超音波を吸収したり、減衰したりさせるためのバッキング（図示せず）と、振動素子ユニット４を支持するための支持体８とが貼り付けられている。また、振動素子ユニット４の側面には、フレキシブルプリント板（ＦＰＣ）１０が取り付けられている。フレキシブルプリント板１０は、振動素子ユニット４に含まれる複数の振動素子２２に対して独立に電気信号を入出力するための複数の信号線がプリントされている。
【００１９】
プローブケース２は、プローブケーブル１２を介してプローブコネクタ１４に接続される。プローブケーブル１２は、複数の信号線のケーブル１６をひとまとめにして被覆したものである。プローブコネクタ１４は、超音波診断装置本体に接続される。
【００２０】
次に、振動素子２２の詳細について説明する。以下、振動素子２２は、３つのＭＵＴ列２４を有するとする。図４は、一つの振動素子２２に含まれる３つのＭＵＴ列２４の３つのＭＵＴ素子３０を横切るＸＺ断面図である。図４に示すように、凸部２０ａの頂上部に第１ＭＵＴ列２４―１が、第１ＭＵＴ列の両側に第２ＭＵＴ列２４―２と第３ＭＵＴ列２４―３とがそれぞれ設けられている。なお、ＭＵＴ列２４は、３列以上配列されていてもよい。
【００２１】
各ＭＵＴ素子３０は、保護層３２を備える。保護層３２は、凸部２０ａの表面に略均等な厚さで堆積されている。保護層３２の材料は、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）である。保護層３２の内部には、下部電極３４と上部電極３６とが、空洞３８を挟んで対向するように形成されている。下部電極３４と上部電極３６とは、互いに平行に形成される。下部電極３４は、接地電位に保たれている。上部電極３６を信号電極として使用する場合は、患者保護のため、フレームグラウンドでシールドするする必要があるが、ここではその記述を省略する。上部電極３６は、図示しないが、信号線と接続されており超音波診断装置本体からの電気信号が供給される。また、保護層３２は、下部電極３４と上部電極３６とを保護する役割を有する。振動板４０は、保護層３２と同じ材料であり、保護層３２と一体に形成される。空洞３８は、空気や他の気体で満たされていても、真空でもよい。保護層３２の上面には、空洞３８を覆うように樹脂層４２が形成される。
【００２２】
下部電極３４と上部電極３６との間に、図示しない信号線を介して時間的に変化する電圧が印加されると、クーロン力により、時間に応じて下部電極３４と上部電極３６との間に引力又は斥力が発生する。この引力と斥力との繰り返しによって、上部電極３６の下面に配置された振動板４０が下部電極３４や上部電極３６に略垂直な方向（すなわち、凸部２０ａの表面に垂直な方向）に振動する。そして振動板４０が振動することにより、振動方向に超音波が放射される。上述のように、振動素子２２は、互いに振動方向の異なる複数のＭＵＴ素子３０を有する。振動素子２２に配列された複数のＭＵＴ素子３０が超音波診断装置本体からの駆動信号を同時に受けることによって、振動素子２２は、球面波に近い超音波を放射することが可能である。各振動素子２２へ供給される駆動信号を遅延制御することで、鋭い超音波ビームが形成される。
【００２３】
次に、振動素子ユニット４の製造方法の一例を説明する。図５は、振動素子２２の寸法関係の一例を示す図である。なお、振動素子ユニット４の各構成要素の寸法は、この例に限定されないことをここに明記しておく。図５に示すように、振動素子２２の幅ＷＶ＝２５０μｍ、隣合う振動素子２２間の間隔Ｉ＝５０μｍ、振動素子２２の長さＬ＝５ｍｍ、振動素子２２の高さＨ＝３３．５μｍ、開口角ＡＡ＝３０°、ＭＵＴ素子３０の幅ＷＭ＝６０μｍ、振動素子２２の端での台座仰角ＥＡ＝３０°である。なお開口角ＡＡとは、振動素子２２の第２ＭＵＴ列２４―２の振動方向と第３ＭＵＴ列２４―３の振動方向とが成す角度である。また、台座仰角ＥＡは、凸部２０ａの端部における接面とＺＹ平面とがなす角度である。
【００２４】
振動素子２２は、台座２０上に半導体プロセスを用いて製造される。まず、半導体プロセスにおけるリソグラフィ工程で用いられる露光システムの概要について説明する。第１実施形態に係る光学系の概略設計は、下記の式（１）と式（２）とを用いて行なう。
【００２５】
ＤＯＦ＝±０．５・λ／ＮＡ２      ・・・（１）  
Ｒ＝ｋ・λ／ＮＡ                 ・・・（２）  
ＤＯＦ：被写界深度（Depth Of Focus）  
Ｒ：分解能  
λ：露光に使用する光の波長  
ＮＡ：レンズの開口数  
ｋ：プロセス係数（プロセス条件やレジストなどの材料によって決定される係数）
第１実施形態では、ｋ＝０．８として光学系を設計した。また、ＤＯＦを台座２０の凸部２０ａの高さの２倍程度、つまり２×３３μｍ＝６６μｍに設定した。露光システムの光源としてフッ化クリプトン（ＫｒＦ）エキシマレーザーを使用し、その波長はλ＝０．２８４μｍである。これら設定値と（１）式と（２）式とから、分解能Ｒ＝４．６μｍ、開口数ＮＡ＝０．０４が算出される。また、信号線の幅（パターンルール）を１０μｍに設定した。
【００２６】
なお、台座２０が平面形状を有する場合における開口数ＮＡに比して、第１実施形態における開口数ＮＡは小さくなる。従って、第１実施形態における露光時間を、台座２０が平面形状を有する場合に比して長く設定した。
【００２７】
まず、ダイシング等の機械加工とエッチングとにより石英基板上に半円筒形状の凸部２０ａを複数形成し、図３に示すような台座２０を形成する（ステップＳ１）。なお、凸部２０ａの形成方法は、上記方法のみに限定されない。例えば、自己組織化法を用いてもよい。また、鋳型に台座２０の材料を流し込むことにより、台座２０と凸部２０ａとを一体形成してもよい。
【００２８】
台座２０が形成されると、図６に示すように、台座２０に例えば窒化シリコンからなる第１の保護層６１を形成する。形成された第１の保護層６１の上面に、スパッタにより第１の電極層６２を形成する。形成された第１の電極層６２の上面に下部電極パターニング用の第１のレジスト層６３を形成する（ステップＳ２）。次に図７に示すように、上記のように設定された露光システムを用いて、下部電極３４のためのレジストパターン６３´を形成する（ステップＳ３）。形成されたレジストパターン６３´の大きさは、下部電極３４と略同等である。次に図８に示すように、形成されたレジストパターン６３´をマスクとして第１の電極層６２をエッチングする。これにより、下部電極３４が形成される（ステップＳ４）。
【００２９】
残留したレジストパターン６３´を除去剤で取り除いた後、図９に示すように、形成された下部電極３４と第１の保護層６１との上面に、下部電極３４を保護するための第２の保護層６４を形成する（ステップＳ５）。第２の保護層６４は、例えば窒化シリコンからなる。第２の保護層６４が形成されると、図１０に示すように、空洞３８を形成するためのレジストの犠牲層６５を第２の保護層６４の上面に形成する（ステップＳ６）。次に図１１に示すように、犠牲層６５の上面に上部電極３６の保護層及び振動板４０として機能する第３の保護層６６を形成する（ステップＳ７）。第３の保護層６６は、例えば窒化シリコンからなる。次に図１２に示すように、第３の保護層６６の上面に、第２の電極層６７をスパッタにより形成する。形成された第２の電極層６７の上面に上部電極パターニング用のレジスト層６８を形成する（ステップＳ８）。次に図１３に示すように、上記の露光システムを用いて、上部電極３６のためのレジストパターン６８´を形成し、形成されたレジストパターン６８´をマスクとして第２の電極層６７をエッチングする。これにより、上部電極３６が形成すされる（ステップＳ９）。
【００３０】
残留したレジストパターン６８´部分を除去剤で取り除いた後、図１４に示すように、形成された上部電極３６の上面に、上部電極３６を保護するための第４の保護層６９を形成する（ステップＳ１０）。第４の保護層６９は、例えば窒化シリコンからなる。第１の保護層６１、第２の保護層６４、第３の保護層６６、及び第４の保護層６９により保護層３２が構成される。
【００３１】
次に図１５と図１６とに示すように、第３の保護層６６と第４の保護層６９とに溝７０と竪穴７１とを形成する。溝７０と竪穴７１とは、第４の保護層６９から犠牲層６５へ達するように形成される。溝７０と竪穴７１とが形成されることにより、ＭＵＴ素子３０の輪郭が形成される（ステップＳ１１）。より詳細には、上部電極３６と振動板４０とを支持するための４つの支持部７２を残すように、上部電極３６の周りを囲む第１の溝７０―１、第２の溝７０―２、第１の竪穴７１―１、及び第２の竪穴７１―２を形成する。
【００３２】
次に図１７に示すように、形成された竪穴７１を利用して除去剤で犠牲層６５を除去し、空洞３８を形成する（ステップＳ１２）。
【００３３】
図１８は、ＭＵＴ素子３０の電気系統を示す平面図である。樹脂層４２を形成する前に、第４の保護層６９に、下部電極３４を引き出すための第１の貫通ビアと上部電極３６を引き出すための第２の貫通ビアとを形成する。そして、第３の保護層６６又は第４の保護層６９上において第１の貫通ビアにグランド線７３を、第２の貫通ビアに信号線７４を接続する。これにより電極３４と３６とからそれぞれ信号線とグランド線とが引き出される。一つのＭＵＴ列２４に含まれる複数のＭＵＴ素子３０は、一つの信号線に接続され、一つの振動素子２２に含まれる３つのＭＵＴ列２４の３つの信号線は、第２の貫通ビアを介して一つの信号線に接続される。すなわち、一つの振動素子２２は一チャンネルを構成する。
【００３４】
信号線とグランド線とが引き出された後、図１９に示すように、空洞３８（竪穴７１）を覆うための樹脂層４２を第４の保護層６９の上部に形成する（ステップＳ１３）。
【００３５】
上記の説明では凸部２０ａは半円筒形状を有するとした。しかしながらこれに限定する必要はない。例えば、図２０に示すように、凸部２０ｂは、角柱形状を有していても良い。凸部２０ｂは、ＸＺ断面に関して台形形状を有している。この台形形状を有する凸部２０ｂに形成される振動素子を角柱型振動素子と呼ぶことにする。また、上記のような半円筒形状を有する凸部２０ａに形成される振動素子２２を半円筒型振動素子２２と呼ぶことにする。
【００３６】
図２１は、角柱型振動素子５２のＺＸ断面を示す図である。図２１に示すように、凸部２０ｂはＺ軸に直交する第１の平面ＨＭ１と、互いに非平行な第２の平面ＨＭ２と第３の平面ＨＭ３とを有する。第１の平面ＨＭ１には第１のＭＵＴ列２４―１が、第２の平面ＨＭ２には第２のＭＵＴ列２４―２が、第３の平面ＨＭ３には第３のＭＵＴ列２４―３が配置されている。角ＭＵＴ素子３０は、その振動方向が設置される平面ＨＭに対して直交するように取り付けられる。平面ＨＭ１、ＨＭ２、及びＨＭ３は、完全に平坦でもよいし、多少歪んでいてもよい。ＭＵＴ列２４に含まれる各ＭＵＴ素子３０の構造は、半円筒型振動素子２２のＭＵＴ素子３０の構造と同様である。
【００３７】
次に、半円筒型振動素子２２と角柱型振動素子５２との超音波特性を従来型振動素子の超音波特性と比較しながら説明する。図２２は、従来型振動素子、半円筒型振動素子、角柱型振動素子Ａ、及び角柱型振動素子Ｂの指向性のシミュレーション結果を示す図である。
【００３８】
従来型振動素子は、圧電セラミックからなる圧電素子である。圧電素子の幅は、２５０μｍのものが用いられている。圧電素子の幅は、超音波波長の１／２に設計される。従って、幅２５０μｍの圧電素子は、送信超音波周波数３ＭＨｚ帯に最適である。一方ハーモニックイメージング法を用いる場合、送信超音波周波数には６ＭＨｚ帯のような高帯域が要求される。ここでは、性能比較を容易にするため、より高い帯域である１０ＭＨｚ帯を例にとりシミュレーションした。参考として、１０ＭＨｚ帯の場合、従来方法における最適な圧電素子の幅は約７５μｍである。ここでは、従来技術で理想とされている素子幅よりも大幅に大きい２５０μｍを想定して、シミュレーションを行なった。つまり、図２２に示す従来型振動素子の幅は、２５０μｍとした。
【００３９】
角柱型振動素子Ａは、振動素子幅ＷＶ＝２５０μｍ、３つの平面ＨＭ１、ＨＭ２及びＨＭ３に内接する内接円の半径Ｒｅ＝１７０μｍである。角柱型振動素子Ｂは、素子幅ＷＶ＝３６６μｍ、３つの平面に内接する内接円の半径Ｒｅ＝２５０μｍである。角柱型振動素子Ａと角柱型振動素子ＢとのＭＵＴ素子の幅は、何れも６０μｍである。
【００４０】
図２２のシミュレーション結果は、各振動素子ともに送信超音波１０ＭＨｚの場合の結果である。０ｄｅｇは、超音波放射面の中心を上記のＸＹＺ座標の原点に一致させた場合のＺ軸方向である。角度［ｄｅｇ］は、超音波放射面の中心から一定距離にある点の、Ｚ軸からＸ軸への傾き角度を示す。音圧［ｄＢ］は、０ｄｅｇでの音圧を０ｄＢとしたときの相対音圧である。理想的には、角度によって音圧が変化しないことが望ましい。なお、半円筒型振動素子、角柱型振動素子Ａ、及び角柱型振動素子Ｂに含まれる複数のＭＵＴ素子は同時に超音波を放射するものとする。すなわち、ＭＵＴ素子への駆動信号に遅延制御しないとする。
【００４１】
図２２に示すように、従来型振動素子の指向性は、０ｄｅｇにおける音圧に比して４５ｄｅｇにおける音圧は約−１５ｄＢも低下してしまっている。半円筒型振動素子の指向性は、従来型振動素子の指向性よりも改善されており、０ｄｅｇにおける音圧に比して４５ｄｅｇにおける音圧は約−１１ｄＢ程度の低下に抑えている。角柱型振動素子Ａの指向性は、従来型振動素子の指向性よりも改善されており、０ｄｅｇにおける音圧に比して４５ｄｅｇにおける音圧は約−９ｄＢの低下に抑えている。角柱型振動素子Ｂの指向性は、半円筒型振動素子の指向性よりも改善されており、０ｄｅｇにおける音圧に比して４５ｄｅｇにおける音圧は約−８ｄＢ程度の低下に抑えている。
【００４２】
図２３、図２４、図２５、及び図２６は、それぞれ従来型振動素子、半円筒型振動素子、角柱型振動素子Ａ、及び角柱型振動素子Ｂの波形マップを示す図である。波形マップは、超音波放射面の中心からの距離［ｍｍ］を横軸に、角度［ｄｅｇ］を縦軸にとり、各点における音圧値をグレーの濃さで表現した図である。グレーの濃い部分が、縦に真っ直ぐなのが理想である。換言すれば、音圧の高い又は低い部分が、一定距離にあるのが理想である。図２３、図２４、図２５、及び図２６に示すように、第１実施形態に係る半円筒型振動素子と角柱型振動素子Ａとの指向性は、従来型振動素子の指向性に比して良好である。角柱型振動素子Ｂの指向性は理想から弱冠ずれているが、その原因は振動素子の設計パラメータを大きくしすぎたことにある。以上、音圧分布と波形マップとから、素子形状は、角柱型振動素子Ａが妥当であることが分かる。この角柱型振動素子Ａの形状は、図５や図２１の説明に用いたものと同様である。
【００４３】
次に超音波プローブ１を備えた超音波診断装置について説明する。図２７は、超音波診断装置１００の構成を示す図である。図２７に示すように、超音波診断装置１００は、超音波プローブ１と超音波診断装置本体１１０とを備える。超音波診断装置本体１１０は、制御回路１１２を中枢として、送受信回路１１４、信号処理回路１１６、及び表示装置１１８を備える。
【００４４】
送受信回路１１４は、超音波を放射させるための駆動信号を発生し、発生した駆動信号を各振動素子２２に供給することにより、各振動素子２２に超音波を放射させる。また、送受信回路１１４は、各振動素子２２から供給されるエコー信号を遅延加算処理する。信号処理回路１１６は、送受信回路１１４から供給されるエコー信号を画像処理して画像のデータを発生する。発生される画像としては、Ｂモード画像やドプラ画像が挙げられる。表示装置１１８は、発生された画像（例えば、Ｂモード画像やドプラ画像）を表示する。
【００４５】
上記構成により振動素子ユニット４は、凸部２０ａ又は凸部２０ｂに複数のＭＵＴ素子３０が配置された振動素子２２又は振動素子５２を有する。従って、振動素子２２又は振動素子５２の超音波放射面は平面形状ではなく凸形状を有する。その結果、個々の振動素子２２又は振動素子５２は、高周波数帯域において、従来の平面形状の超音波放射面を有する振動素子に比して、球面波に近い超音波を放射することが可能となる。かくして第１実施形態によれば、振動素子幅を無理に小さくすることなく、広帯域にわたって指向性を維持できる超音波プローブと超音波診断装置とを提供することが可能となる。
【００４６】
なお、第１実施形態において台座２０は、複数の凸部２０ａ，２０ｂを有するとした。しかしながら第１実施形態はこれのみに限定されず、台座２０は複数の凹部を有するとしてもよい。この場合、複数の振動素子は、複数の凹部にそれぞれ配置される。また、複数の凹部のそれぞれには、複数のＭＵＴ素子３０が配列される。
【００４７】
［第２実施形態］
図２８は、本発明の第２実施形態に係る超音波プローブ２００の全体構成を示す図である。図２８に示すように超音波プローブ２００は、プローブケース２０２を備える。プローブケース２０２の内部には、超音波を送受波する振動素子ユニット２０４が収容されている。振動素子ユニット２０４の上面には、プローブケース２０２から露出するように、音響レンズ２０６が貼り付けられている。音響レンズ２０６は、例えば、略正方形に形成される。振動素子ユニット２０４の下面には、支持体２０８が取り付けられている。また、振動素子ユニット２０４の下面には、複数のフレキシブルプリント板２１０が支持体２０８を貫通して取り付けられている。フレキシブルプリント板２１０は、振動素子２２２に対して独立に電気信号を入出力するための複数の信号線２１６がプリントされている。プローブケース２０２は、プローブケーブル２１２を介してプローブコネクタ２１４に接続される。プローブコネクタ２１４は、超音波診断装置本体に接続される。
【００４８】
図２９は、振動素子ユニット２０４の斜視図である。図３０は、振動素子ユニット２０４を上方から眺めた平面図である。図２９と図３０とに示すように、振動素子ユニット２０４は、石英基板やシリコン基板等の半導体プロセスに使用可能な材料によって形成された台座２２０を有する。台座２２０の表面には、複数の凸部２２１が２次元状に離散的に配列されている。すなわち、台座２２０は、複数の凸面を有する。凸部２２１は、ＸＹ平面に略平行な平面２２１ａを頂点とする立体構造を有する。平面２２１ａは、完全に平坦でもよいが、多少のゆがみがあっても構わない。平面２２１ａの縁を取り囲むように曲面２２１ｂが設けられる。曲面２２１ｂは、平面２２１ａに対して斜めに形成され、平面２２１ａと台座２２０の表面を接続する。換言すれば、凸部２２１は、図２９に示すように、円錐の先端部が除去されたような立体構造を有する。すなわち、凸部２２１は、ＸＹ平面上において円形状を有している。凸部２２１は、台座平面（ＸＹ平面）に直交するＺ方向に隆起している。
【００４９】
平面２２１ａの直径ＷＰは、例えば、１５０μｍに設計される。また、凸部２２１の底面の直径ＷＣは、例えば、３００μｍに設計される。隣合う凸部２２１の中心間の間隔は、一定であることが好ましい。しかし、隣合う凸部２２１の中心間の間隔は、必ずしも一定でなくともよい。
【００５０】
複数の凸部２２１には、半導体プロセスにより、複数の振動素子２２２がそれぞれ設けられている。ここで、円錐の先端部が除去されたような立体構造を有する凸部２２１に配置された振動素子２２２を、半円錐型振動素子２２２と呼ぶことにする。半円錐型振動素子２２２は、平面２２１ａと曲面２２１ｂとに配列された複数のＭＵＴ素子２３０を有する。各ＭＵＴ素子２３０には、信号線２１６が接続されている。これら信号線２１６は、台座２２０内で各半円錐型振動素子２２２ごとに１つにまとめられる。すなわち、１つの半円錐型振動素子２２２が１つのチャンネルをなす。より詳細には、各半円錐型振動素子２２２に配列される複数のＭＵＴ素子２３０がまとまって一つのチャンネルを構成する。各ＭＵＴ素子２３０は、超音波を送受波する。半円錐型振動素子２２２の超音波放射面は、凸部２２１の表面に沿って湾曲している。ＭＵＴ素子２３０の構造は、第１実施形態に係わるＭＵＴ素子３０の構造を同様である。
【００５１】
各ＭＵＴ素子２３０は、超音波診断装置本体１１０（より詳細には、送受信回路１１４）からの駆動信号を受けて平面又は曲面に垂直な方向に振動する。従って、半円錐型振動素子２２２は、互いに３次元方向に振動方向の異なる複数のＭＵＴ素子２３０を有することになる。半円錐型振動素子２２２に配列された複数のＭＵＴ素子２３０が超音波診断装置本体１１０（より詳細には、送受信回路１１４）からの駆動信号を同時に受けることによって、半円錐型振動素子２２２は、より球面波に近い超音波を放射することが可能である。各半円錐型振動素子２２２へ供給される駆動信号を遅延制御することで、３次元的に鋭い超音波ビームが形成される。
【００５２】
なお、凸部２２１は、円錐の先端部が除去されたような立体構造のみに限定されない。例えば、凸部は、球の半分が除去されたような半球構造を有していてもよい。以下、半球構造を有する凸部に形成された振動素子を、半球型振動素子と呼ぶことにする。
【００５３】
図３１は、半球型振動素子２４２を有する振動素子ユニット２４０の斜視図である。図３２は、振動素子ユニット２４０を上方から眺めた平面図である。台座２２０の表面には、複数の凸部２４４が２次元状に離散的に配列されている。凸部２４４は、球の半分が除去されたような立体構造を有する。すなわち、凸部２４４は、Ｚ軸方向に隆起した１つの半球形状の面（半球面）を有する。半球型振動素子２４２は、凸部２４４に配列された複数のＭＵＴ素子２３０を有する。典型的には、複数のＭＵＴ素子２３０のうちの１つが凸部２４４の頂点に配置される。
【００５４】
凸部２４４の開口角は、例えば、６０度に設計される。半球面に内接する球の半径は、例えば、２５０μｍに設計される。
【００５５】
なお、凸部２４４は、完全に球の半分でなくでもよく、球の一部分が除去されたような形状でもよい。また、凸部２４４は、数学的に厳密な球である必要はなく、歪んだ球形状であってよい。
【００５６】
さらに、第２実施形態に係わる凸部２２１及び２４４の形状は、ＸＹ平面に関して円形のみに限定されない。例えば、凸部は、ＸＹ平面に関して多角形形状を有してもよい。多角形としては、３角形以上の如何なる多角形が第２実施形態の凸部に可能であるが、特に６角形や８角形が好適である。以下、ＸＹ平面に関して６角形形状を有する凸部に形成された振動素子を、６角型振動素子と呼ぶことにする。
【００５７】
図３３は、６角型振動素子２６２を有する振動素子ユニット２６０の斜視図である。図３４は、振動素子ユニット２６０を上方から眺めた平面図である。台座２２０の表面には、ＸＹ平面に関して６角形形状を有する複数の凸部２６１が２次元状に離散的に配列されている。凸部２６１は、ＸＹ平面に略平行な平面２６１ａを頂点とする立体構造を有する。平面２６１ａは、ＸＹ平面に関して６角形形状を有する。平面２６１ａの６つの辺のそれぞれには、側面２６１ｂが設けられる。６つの側面２６１ｂは、平面である。また、６つの側面２６１ｂのそれぞれは、平面２６１ａに対して斜めに形成され、台座２２０の表面に接続される。すなわち、凸部２６１は、図３３に示すように、６角錐の先端部が除去されたような立体構造を有する。６角型振動素子２６２は、平面２６１ａと６つの側面２６１ｂとに配列された複数のＭＵＴ素子２３０を有する。
【００５８】
半円錐型振動素子２２２と半球型振動素子２４２と６角型振動素子２６２との製造方法は、第１実施形態に記載の製造方法を３次元に拡張したものと略同様である。従って、半円錐型振動素子２２２と半球型振動素子２４２と６角型振動素子２６２との製造方法の説明は省略する。また、半円錐型振動素子２２２や半球型振動素子２４２、６角型振動素子２６２から放射される超音波の超音波特性は、第１実施形態に記載の超音波特性を３次元に拡張したものと略同様である。従って、半円錐型振動素子２２２と半球型振動素子２４２と６角型振動素子２６２とから放射される超音波の超音波特性についての説明は省略する。
【００５９】
上記構成により、半円錐型振動素子２２２と半球型振動素子２４２と６角型振動素子２６２とは、２次元状に離散的に配列された複数の凸部２２１と凸部２４４と凸部２６１とにそれぞれ配置されている。従って、半円錐型振動素子２２２と半球型振動素子２４２と６角型振動素子２６２との超音波放射面は３次元的に凸形状を有する。その結果、個々の半円錐型振動素子２２２と半球型振動素子２４２と６角型振動素子２６２とは、高周波数帯域において、従来の平面形状の超音波放射面を有する振動素子に比して、３次元的に球面波に近い超音波を放射することが可能となる。かくして第２実施形態によれば、振動素子幅を無理に小さくすることなく、広帯域にわたって指向性を維持できる超音波プローブと超音波診断装置とを提供することが可能となる。
【００６０】
なお、第２実施形態において台座２２０は、複数の凸部２２１や凸部２４４、凸部２６１を有するとした。しかしながら第２実施形態はこれのみに限定されない。例えば、台座２２０は、複数の凹部を有してもよい。凹部は、ＸＹ断面に関して円形形状や多角形形状を有する。複数の凹部には、複数の振動素子がそれぞれ配置される。また、複数の凹部のそれぞれには、複数のＭＵＴ素子２３０が配列される。
【００６１】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
以上本発明によれば、広帯域にわたって指向性を維持することを可能とする超音波プローブ及び超音波診断装置の提供を実現することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１…超音波プローブ、２…プローブケース、４…振動素子ユニット、６…音響レンズ、８…支持体、１０…フレキシブルプリント板、１２…プローブケーブル、１４…プローブコネクタ、１６…信号線ケーブル、２０…台座、２０ａ…凸部、２２…振動素子、２４…ＭＵＴ列、３０…ＭＵＴ素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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