(57)【要約】【課題】インピーダンス整合効果が高く、生産性に優れた超音波アレイ振動子、超音波アレイ振動子の製造方法、超音波プローブ及び超音波診断装置を提供すること。【解決手段】本技術に係る超音波アレイ振動子は、超音波振動子（１３０）と、半導体チップと（１４０）を具備する。超音波振動子（１３０）は、アレイを構成する。半導体チップ（１４０）は、超音波振動子（１３０）のそれぞれに接合され、インピーダンス整合回路を形成する。
2017042997.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アレイを構成する超音波振動子と、  前記超音波振動子のそれぞれに接合された、インピーダンス整合回路を形成する半導体チップと  を具備する超音波アレイ振動子。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波アレイ振動子であって、  前記インピーダンス整合回路は、アンプとＴＲ（transmit-receive）スイッチを含む  超音波アレイ振動子。
【請求項３】
請求項２に記載の超音波アレイ振動子であって、  前記半導体チップは、前記アンプが設けられた第１の半導体チップと、前記ＴＲスイッチが設けられた第２の半導体チップとを含む  超音波アレイ振動子。
【請求項４】
請求項１に記載の超音波アレイ振動子であって、  前記半導体チップは、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）チップである  超音波アレイ振動子。
【請求項５】
請求項１に記載の超音波アレイ振動子であって、  前記超音波振動子は、第１の周波数を振動の中心周波数とする第１の超音波振動子と、前記第１の周波数とは異なる第２の周波数を振動の中心周波数とする第２の超音波振動子とを含む  超音波アレイ振動子。
【請求項６】
請求項１に記載の超音波アレイ振動子であって、  前記超音波振動子と共にアレイを構成するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）  をさらに具備する超音波アレイ振動子。
【請求項７】
請求項１に記載の超音波アレイ振動子であって、  前記超音波振動子と共にアレイを構成する光学素子  をさらに具備する超音波アレイ振動子。
【請求項８】
インピーダンス整合回路を形成する半導体チップが接合された超音波振動子を、ピックアンドプレイス法によって実装する  超音波アレイ振動子の製造方法。
【請求項９】
請求項８に記載の超音波アレイ振動子の製造方法であって、  前記超音波振動子は、第１の周波数を振動の中心周波数とする第１の超音波振動子と、前記第１の周波数とは異なる第２の周波数を振動の中心周波数とする第２の超音波振動子とを含む  超音波アレイ振動子の製造方法。
【請求項１０】
請求項８に記載の超音波アレイ振動子の製造方法であって、  ピックアンドプレイス法によって、前記超音波振動子と共にＭＥＭＳを実装する  超音波アレイ振動子の製造方法。
【請求項１１】
請求項８に記載の超音波アレイ振動子の製造方法であって、  ピックアンドプレイス法によって、前記超音波振動子と共に光学素子を実装する  超音波アレイ振動子の製造方法。
【請求項１２】
アレイを構成する超音波振動子と、前記超音波振動子のそれぞれに接合された、インピーダンス整合回路を形成する半導体チップとを具備する超音波アレイ振動子  を具備する超音波プローブ。
【請求項１３】
アレイを構成する超音波振動子と、前記超音波振動子のそれぞれに接合された、インピーダンス整合回路を形成する半導体チップとを有する超音波アレイ振動子を備える超音波プローブと、  前記超音波プローブが接続され、前記超音波アレイ振動子に駆動信号を供給し、前記超音波アレイ振動子から出力される検知信号に基づいて超音波画像を生成する本体と  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】  本技術は、超音波イメージングに利用可能な超音波アレイ振動子、超音波アレイ振動子の製造方法、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】  医療分野等で利用が進んでいる超音波診断装置は、超音波プローブから診断対象物に超音波を照射し、その反射波を超音波プローブによって探知することによって診断対象物の超音波画像を生成する。超音波プローブは、複数の超音波振動子が配列されたアレイ振動子を備え、各超音波振動子に入力される駆動信号や各超音波振動子から出力される検知信号の遅延時間を調整することによって、超音波の集束点を制御することが可能である。【０００３】  アレイ振動子には、超音波振動子を線状に配列した１Ｄアレイや振動子を平面状に配列した２Ｄアレイがあるが、解像度や撮像速度の向上のために一つのアレイ振動子に実装される超音波振動子数は増加する傾向にある。また、血管等に挿入される超音波カテーテル等の普及も進み、超音波プローブの小型化が求められている。このため、超音波振動子の高密度実装が求められており、個々の超音波振動子の実装面積は小さくなる傾向にある。【０００４】  一方で、超音波振動子の実装面積を小さくすると、インピーダンスが不整合となり、超音波の検知感度が劣化するおそれがある。この対策として、アンプを用いてインピーダンスを整合させることが行われ、一般的にはＡＳＩＣ（application specific integrated circuit：特定用途向け集積回路）が用いられる（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１６６９８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  しかしながら、ＡＳＩＣは一定のサイズが必要であり、個々の振動子上に設置すると設置場所の確保が困難である。ＡＳＩＣを振動子と離間させて設置することも可能であるが、ＡＳＩＣと振動子を接続する配線が長くなるとインピーダンス整合の効果が小さくなる。さらに、ＡＳＩＣはアレイ振動子の構造に応じて設計する必要があり、製造コストの低減が困難である。【０００７】  以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、インピーダンス整合効果が高く、生産性に優れた超音波アレイ振動子、超音波アレイ振動子の製造方法、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】  上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る超音波アレイ振動子は、超音波振動子と、半導体チップとを具備する。  上記超音波振動子は、アレイを構成する。  上記半導体チップは、上記超音波振動子のそれぞれに接合され、インピーダンス整合回路を形成する。【０００９】  この構成によれば、超音波振動子とインピーダンス整合回路が一体化されており、両者を接続する配線が短くてよいため、高いインピーダンス整合効果が得られ、ＳＮＲ（signal-noise ratio）の向上、ひいては超音波画像のコントラスト向上が実現可能である。また、超音波振動子とインピーダンス整合回路が一体化されたモジュール（以下、振動子モジュール）を基板に実装する際にも配置の自由度が高く、周波数が異なる超音波振動子のアレイ化や配置の最適化が容易である。さらに、特定の構造の振動子モジュールを任意の形状にアレイ化することで多様な機器に対応させることが可能であり、機器間での振動子モジュールの使い回しが可能である。また、半導体チップのフットプリントを上回れば、どの大きさの超音波振動子に対しても同じ半導体チップが利用可能である。【００１０】  上記インピーダンス整合回路は、アンプとＴＲ（transmit-receive）スイッチを含んでもよい。【００１１】  超音波振動子には、超音波を生成するための駆動信号と、超音波の検知により生じる検知信号が流れるが、駆動信号と検知信号では信号強度が大きく異なる。上記構成によれば、ＴＲスイッチにより信号経路を切り替えることで検知信号のみをアンプによって増幅させることが可能であり、インピーダンス整合回路の形成が可能である。【００１２】  上記半導体チップは、上記アンプが設けられた第１の半導体チップと、上記ＴＲスイッチが設けられた第２の半導体チップとを含んでもよい。【００１３】  複数の半導体チップによってインピーダンス整合回路を形成することにより、各半導体チップのサイズを縮小することが可能であり、サイズが小さい超音波振動子にもインピーダンス整合回路を搭載することが可能である。【００１４】  上記半導体チップは、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）チップであってもよい。【００１５】  ＳＯＩチップは、サイズが小さく、漏洩電流が少ない等の利点があり、超音波振動子に接合される半導体チップとして好適である。【００１６】  上記超音波振動子は、第１の周波数を振動の中心周波数とする第１の超音波振動子と、上記第１の周波数とは異なる第２の周波数を振動の中心周波数とする第２の超音波振動子とを含んでもよい。【００１７】  超音波振動子の振動周波数は圧電体層の厚さによって異なるが、超音波振動子とインピーダンス整合回路が一体化されていることにより、振動周波数が大きく異なる超音波振動子も高い自由度で配置することが可能となる。【００１８】  上記超音波アレイ振動子は、上記超音波振動子と共にアレイを構成するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）をさらに具備してもよい。【００１９】  超音波振動子とＭＥＭＳをアレイ化することにより、超音波の生成を超音波強度が大きい超音波振動子で行い、反射波の検知を感度の高いＭＥＭＳで行うことができ、検知感度の向上を実現することが可能となる。【００２０】  上記超音波アレイ振動子は、上記超���波振動子と共にアレイを構成する光学素子をさらに具備してもよい。【００２１】  超音波振動子と光学素子をアレイ化することにより、光学素子から照射される光で生じる超音波を超音波振動子で検知する光超音波イメージングを一つのアレイで実現することが可能となる。【００２２】  上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る超音波アレイ振動子の製造方法は、インピーダンス整合回路を形成する半導体チップが接合された超音波振動子を、ピックアンドプレイス法によって実装する。【００２３】  上記超音波振動子は、第１の周波数を振動の中心周波数とする第１の超音波振動子と、上記第１の周波数とは異なる第２の周波数を振動の中心周波数とする第２の超音波振動子とを含んでもよい。【００２４】  上記超音波アレイ振動子の製造方法は、ピックアンドプレイス法によって、上記超音波振動子と共にＭＥＭＳを実装してもよい。【００２５】  上記超音波アレイ振動子の製造方法は、ピックアンドプレイス法によって、上記超音波振動子と共に光学素子を実装してもよい。【００２６】  上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る超音波プローブは、超音波アレイ振動を具備する。  上記超音波アレイ振動子は、アレイを構成する超音波振動子と、上記超音波振動子のそれぞれに接合された、インピーダンス整合回路を形成する半導体チップとを具備する。【００２７】  上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る超音波診断装置は、超音波プローブと、本体とを具備する。  上記超音波プローブは、アレイを構成する超音波振動子と、上記超音波振動子のそれぞれに接合された、インピーダンス整合回路を形成する半導体チップとを有する超音波アレイ振動子を備える。  上記本体は、上記超音波プローブが接続され、上記超音波アレイ振動子に駆動信号を供給し、上記超音波アレイ振動子から出力される検知信号に基づいて超音波画像を生成する。
【発明の効果】
【００２８】  以上のように、本技術によれば、インピーダンス整合効果が高く、生産性に優れた超音波アレイ振動子、超音波アレイ振動子の製造方法、超音波プローブ及び超音波診断装置を提供することが可能である。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本技術の実施形態に係る超音波診断装置の模式図である
【図２】同超音波診断装置が備える超音波アレイ振動子の断面図である。
【図３】同超音波アレイ振動子が備える振動子モジュールの斜視図である。
【図４】同超音波アレイ振動子が備える振動子モジュールの回路構成を示す模式図である。
【図５】同超音波アレイ振動子の製造方法を示す模式図である。
【図６】同超音波アレイ振動子の製造方法を示す模式図である。
【図７】同超音波アレイ振動子の製造方法を示す模式図である。
【図８】同超音波アレイ振動子の製造方法を示す模式図である。
【図９】同超音波アレイ振動子の製造方法を示す模式図である。
【図１０】同超音波アレイ振動子が備える振動子モジュールの配列を示す模式図である。
【図１１】同超音波アレイ振動子が備える振動子モジュールの、コンベックス型超音波プローブにおける配列を示す模式図である。
【図１２】同超音波アレイ振動子が備える振動子モジュールの、ハナフィーレンズ型超音波プローブにおける配列を示す模式図である。
【図１３】同超音波アレイ振動子が備える振動子モジュールの、１Ｄ配列アレイを示す斜視図である。
【図１４】同超音波アレイ振動子が備える振動子モジュールの回路構成を示す模式図である。
【図１５】比較例に係る超音波アレイ振動子を備えるＩＶＵＳの模式図である。
【図１６】本技術の実施形態に係る超音波アレイ振動子を備えるＩＶＵＳの模式図である。
【図１７】本技術の実施形態に係る、振動子モジュール及びＭＥＭＳモジュールを備える超音波アレイ振動子の断面図である。
【図１８】同超音波アレイ振動子の配列を示す模式図である。
【図１９】同超音波アレイ振動子の製造方法を示す模式図である。
【図２０】本技術の実施形態に係る、振動子モジュール及び光学素子モジュールを備える超音波アレイ振動子の断面図である。
【図２１】同超音波アレイ振動子の配列を示す模式図である。
【図２２】同超音波アレイ振動子の製造方法を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】  ［超音波診断装置の構成］  図１は、本実施形態に係る超音波診断装置１の構成を示す模式図である。同図に示すように超音波診断装置１は、本体１１、超音波プローブ１２及びケーブル１５を備える。本体１１と超音波プローブ１２はケーブル１５によって接続されている。
【００３１】  本体１１は、ケーブル１５を介して超音波プローブ１２に駆動信号を供給すると共に、超音波プローブ１２から出力された超音波の検知信号から超音波画像を生成し、ディスプレイに表示させる。
【００３２】  超音波プローブ１２は、アレイ振動子１２１を備え、診断対象物に接触して超音波を出射し、その反射波を検知する。超音波プローブ１２は、ケーブル１５を介して本体１１から駆動信号の供給を受けると共に、検知信号を本体１１に出力する。
【００３３】  超音波プローブ１２の種類は特に限定されず、リニア型、セクタ型、コンベックス型等あるいはラジアル型の各種超音波プローブのいずれであってもよく、２次元型アレイであってもよい。また、超音波プローブ１２は血管等に挿入可能な超音波カテーテルであってもよい。
【００３４】  ［アレイ振動子の構成］  図２はアレイ振動子１２１の構造を示す断面図である。同図に示すように、アレイ振動子１２１は、基板１２２、振動子層１２３、上部電極層１２４、音響整合層１２５及び音響レンズ１２６を備える。これらは、基板１２２、振動子層１２３、上部電極層１２４、音響整合層１２５及び音響レンズ１２６の順で積層されている。
【００３５】  基板１２２は、リジッドプリント基板やＦＰＣ（flexible printed circuits）基板等の基板であり、実装面には配線Ｈ及びバンプＢが形成されている。配線Ｈは、ケーブル１５を介して本体１１に接続されている。
【００３６】  振動子層１２３は、複数の振動子モジュール１２０と充填材１２７から構成されている。複数の振動子モジュール１２０は、それぞれがバンプＢによって基板１２２に実装されており、各振動子モジュール１２０の間には、充填材１２７が充填されている。充填材１２７は、アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂又は音響吸収剤とすることができる。振動子モジュール１２０の詳細については後述する。
【００３７】  なお、図２には３つの振動子モジュール１２０のみが示されているが、実際にはアレイ振動子１２１はより多数（数百から数千個程度）の振動子モジュール１２０を備えるものである。
【００３８】  上部電極層１２４は、後述する圧電体層１３１の電極として機能する。上部電極層１２４は導電性材料からなり、例えば金属メッキである。なお、上部電極層１２４は、図２に示すように複数の振動子モジュール１２０にわたって形成されていてもよく、個々の振動子モジュール１２０毎に分離されていてもよい。
【００３９】  音響整合層１２５は、診断対象物と超音波振動子１３０の間の音響インピーダンスの差を低減し、超音波の診断対象物への反射を防止する。音響整合層１２５は、合成樹脂やセラミックス材料からなる。音響整合層１２５は、図２に示すように２層であってもよく、１層又は３層以上であってもよい。
【００４０】  音響レンズ１２６は、振動子層１２３において生成された超音波を集束させる。音響レンズ１２６は、図１に示すように超音波プローブ１２の先端部に位置し、診断対象物に接触する。音響レンズ１２６はシリコーンゴム等からなり、そのサイズや形状は特に限定されない。
【００４１】  ［振動子モジュールの構成］  図３は、振動子モジュール１２０の模式図である。同図に示すように、振動子モジュール１２０は、超音波振動子１３０と回路チップ１４０を備える。各振動子モジュール１２０には、電源配線１５１、信号配線１５２及びグランド配線１５３が接続されている。
【００４２】  超音波振動子１３０は、それぞれが、圧電体層１３１、下部電極層１３２及びバッキング層１３３を備える。これらは、バッキング層１３３、下部電極層１３２及び圧電体層１３１の順で積層されている。
【００４３】  圧電体層１３１は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電材料からなる。圧電体層１３１は、下部電極層１３２と上部電極層１２４（図２参照）の間に電圧が印加されると、逆圧電効果による振動を生じ、超音波を生成する。また、診断対象物からの反射波が圧電体層１３１に入射すると、圧電効果による分極を生じる。圧電体層１３１のサイズは特に限定されないが、例えば２５０μｍ角とすることができる。
【００４４】  下部電極層１３２は、圧電体層１３１の電極として機能する。下部電極層１３２は導電性材料からなり、例えば金属メッキである。
【００４５】  バッキング層１３３は、回路チップ１４０上に積層され超音波振動子１３０の不要な振動を吸収する。バッキング層１３３は、フィラーと合成樹脂を混合した材料等からなる。
【００４６】  回路チップ１４０は、各超音波振動子１３０に接合され、超音波振動子１３０のインピーダンス整合回路を構成する。回路チップ１４０は半導体材料からなる半導体チップであり、具体的には、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）プロセスによって作成されたＳＯＩチップとすることができる。より具体的には、回路チップ１４０は、ＢＣＤ−ＳＯＩ（バイポーラ・ＣＭＯＳ・ＤＭＯＳ）プロセスによって作成されたＢＧＤ−ＳＯＩチップとすることができる。
【００４７】  回路チップ１４０は、それぞれが超音波振動子１３０に接合されていればよく、必ずしもバッキング層１３３と基板１２２の間に配置されなくてもよい。また、回路チップ１４０は、全ての超音波振動子１３０に接合されていなくてもよく、一部の超音波振動子１３０にのみ接合されていてもよい。回路チップ１４０の大きさは、超音波振動子１３０の底面と同等又はより小さい大きさとすることができる。
【００４８】  図４は、回路チップ１４０の回路構成を示す模式図である。同図に示すように、回路チップ１４０は、第１ＴＲ（transmit-receive）スイッチ１４１、アンプ１４２及び第２ＴＲスイッチ１４３を備える。
【００４９】  電源配線１５１は、アンプ１４２に接続されている。信号配線１５２は、上部電極層１２４に接続され、アンプ１４２を経由しない信号配線１５２Ａとアンプ１４２を経由する信号配線１５２Ｂに分かれている。グランド配線１５３は、下部電極層１３２に接続されている。
【００５０】  第１ＴＲスイッチ１４１は、信号配線１５２に接続され、信号配線１５２Ａと信号配線１５２Ｂの間で信号の経路を切り替える。第１ＴＲスイッチ１４１は、トランジスタ又はダイオードとすることができる。
【００５１】  アンプ１４２は、信号配線１５２Ｂに接続され、電源配線１５１から供給された電力を利用して、信号配線１５２Ｂを流れる信号を増幅する。アンプ１４２は、ダイオードとすることができる。
【００５２】  第２ＴＲスイッチ１４３は、信号配線１５２に接続され、信号配線１５２Ａと信号配線１５２Ｂの間で信号の経路を切り替える。信号の経路を切り替える。第２ＴＲスイッチ１４３は、トランジスタ又はダイオードとすることができる。
【００５３】  振動子モジュール１２０は以上のような構成を有する。上記のように振動子モジュール１２０にはそれぞれインピーダンス整合回路を構成する回路チップ１４０が設けられているため、超音波振動子とインピーダンス整合回路の間の配線長が短く、インピーダンス整合の効果が高い。これにより、ＳＮＲ（signal-noise ratio）の向上、ひいては超音波画像のコントラスト向上が実現可能である。
【００５４】  ［超音波診断装置の動作］  超音波診断装置１の動作について説明する。超音波診断装置１の電源が投入されると、本体１１からケーブル１５を介して超音波プローブ１２に電力が供給される（図１参照）。電力は基板１２２を介して電源配線１５１に流れ、アンプ１４２に供給される（図４参照）。
【００５５】  超音波プローブ１２が診断対象物に当接され、診断開始の指示入力がなされると、本体１１は駆動信号を生成する。駆動信号は、ケーブル１５を介して超音波プローブ１２に供給され、基板１２２を介して信号配線１５２に流れる。この際、第１ＴＲスイッチ１４１及び第２ＴＲスイッチ１４３は、信号配線１５２Ａ側に切り替えられ、駆動信号は第２ＴＲスイッチ１４３及び第１ＴＲスイッチ１４１を経由して上部電極層１２４に供給される。
【００５６】  上部電極層１２４と下部電極層１３２の間の電位差により、圧電体層１３１において逆圧電効果による振動が生じ、超音波が生成する。生成した超音波は、音響整合層１２５及び音響レンズ１２６を介して診断対象物に入射する。
【００５７】  診断対象物において生じた反射波は、音響レンズ１２６及び音響整合層１２５を介して圧電体層１３１に入射する。圧電体層１３１において圧電効果により分極が生じ、信号配線１５２に電流（以下、検知信号）が流れる。この際、第１ＴＲスイッチ１４１及び第２ＴＲスイッチ１４３は、信号配線１５２Ｂ側に切り替えられ、検知信号はアンプ１４２によって増幅される。増幅された検知信号は第１ＴＲスイッチ１４１から信号配線１５２に流れ、基板１２２及びケーブル１５を介して本体１１に伝達される。
【００５８】  本体１１は、検知信号に基づいて超音波画像を生成する。上記のように、駆動信号はアンプ１４２を経由せずに上部電極層１２４に伝達されるが、検知信号はアンプ１４２によって増幅され、本体１１に伝達される。駆動信号と検知信号の経路の切替は第１ＴＲスイッチ１４１及び第２ＴＲスイッチ１４３によってなされる。これにより、信号強度が大きい駆動信号と、信号強度が小さい検知信号のインピーダンスの整合が実現される。
【００５９】  ［アレイ振動子の製造方法］  図５乃至図８は、アレイ振動子１２１の製造方法を示す模式図である。図５（ａ）に示すように、犠牲基板Ｋ上に回路チップ１４０を配置する。回路チップ１４０は、ＵＶ（ultraviolet）照射によって剥離する接着剤によって犠牲基板Ｋに接着させることができる。
【００６０】  続いて、図５（ｂ）に示すように、犠牲基板Ｋ及び回路チップ１４０上にバッキング層１３３を積層する。続いて、図５（ｃ）に示すようにバッキング層１３３の一部を除去し、回路チップ１４０を露出させる。除去により形成された開口を開口１３３ａとする。
【００６１】  続いて、図６（ａ）に示すように、開口１３３ａ内及びバッキング層１３３の上層に導電体Ｄ１を配置する。導電体Ｄ１は例えば、銅等の金属からなる。続いて、図６（ｂ）に示すように、導電体Ｄ１上に導電体Ｄ２を配置する。導電体Ｄ２は導電性接着剤とすることができる。導電体Ｄ１と導電体Ｄ２は下部電極層１３２を構成する。
【００６２】  続いて、図６（ｃ）に示すように、導電体Ｄ２上に圧電体層１３１を配置し、導電体Ｄ２によって接着させる。続いて、図７（ａ）に示すように、圧電体層１３１及びバッキング層１３３をダイシングによりカットし、個々の振動子モジュール１２０に分離する。
【００６３】  続いて、振動子モジュール１２０を犠牲基板Ｋから分離する。紫外線照射によって回路チップ１４０と犠牲基板Ｋの間の接着を剥離させることができる。図７（ｂ）は、犠牲基板Ｋから分離した振動子モジュール１２０を示す模式図である。
【００６４】  続いて、図７（ｃ）に示すように、振動子モジュール１２０を基板１２２に実装する。同図に示すように、基板１２２上には配線Ｈ及びバンプＢが形成されている。なお、配線Ｈは上記電源配線１５１、信号配線１５２及びグランド配線１５３である。振動子モジュール１２０は、回路チップ１４０をバンプＢによって配線Ｈに接続することによって基板１２２に実装することができる。
【００６５】  続いて、図８（ａ）に示すように、他の振動子モジュール１２０を基板１２２にそれぞれ実装する。なお、このように実装対象物を個別に実装する方法はピックアンドプレイス（Pick＆Place)法と呼ばれる。
【００６６】  続いて、図８（ｂ）に示すように、振動子モジュール１２０の間に充填材１２７を充填し、振動子層１２３を形成する。続いて図８（ｃ）に示すように振動子層１２３上に上部電極層１２４及び音響整合層１２５を積層する。
【００６７】  続いて、音響整合層１２５上に音響レンズ１２６を積層する（図２参照）。以上のようにしてアレイ振動子１２１を製造することが可能である。上記のように、本実施形態に係るアレイ振動子１２１は、超音波振動子１３０と回路チップ１４０が一体的に構成されているため、ピックアンドプレイス法による実装が可能である。
【００６８】  ここで、超音波診断装置に用いられるアレイ振動子は、超音波振動子の数が数千個程度であり、特に医療用超音波プローブにおいては各々の診断科目によって超音波プローブの構成が異なるため、ピックアンドプレイス法によっても高コストにはならない。
【００６９】  また、従来は、アレイ振動子の形状が異なる多種の超音波プローブに対して個別にアレイ振動子を作製する必要があった。これに対し、本実施形態では、ピックアンドプレイス法により振動子モジュール１２０を自由に配置できるため、同一構造の振動子モジュール１２０を多種の超音波プローブに利用することが可能である。
【００７０】  なお、アレイ振動子１２１の製造方法は上記のものに限られない。図９は、アレイ振動子１２１の他の製造方法を示す模式図である。図５（ａ）に示すように、犠牲基板Ｋに回路チップ１４０を配置した後、図９（ａ）に示すように回路チップ１４０の厚さと同等の厚さでバッキング層１３３を形成する。
【００７１】  また、図９（ｂ）に示すように、バッキング層１３３、導電体Ｄ１及び導電体Ｄ２を積層した構造体を作製する。当該積層体を図９（ａ）に示す構造体に積層することにより図６（ｂ）に示す構造体を作製することが可能である。以後は、上記説明と同様の製造方法でアレイ振動子１２１を製造することができる。
【００７２】  ［振動子モジュールの配列について］  上記のように、本実施形態に係る超音波プローブ１２では、超音波振動子１３０にそれぞれ回路チップ１４０が設けられた振動子モジュール１２０を備え、振動子モジュール単位で基板１２２に実装することができる。このため、振動子モジュール１２０の配列の自由度が高い。
【００７３】  図１０は、振動子モジュール１２０の配列を示す模式図であり、基板１２２に垂直な方向（図２参照）から振動子モジュール１２０をみた図である。同図に示すように、振動子モジュール１２０は、ハニカム２Ｄ配列とすることができる。ハニカム２Ｄ配列は、基板１２２に垂直な方向からみた振動子モジュール１２０の中心点を結ぶ線が正六角形となる配列である。
【００７４】  一般に、超音波プローブでの課題としてサイドローブ（超音波が指向する中心方向から外れた方向に放出される超音波）の低減が挙げられる。ハニカム２Ｄ配列は、隣接する超音波振動子１３０の間隔を大きくすることができるため、サイドローブを抑制することができる。
【００７５】  特にアレイ振動子の製造に従来から利用されているダイスアンドフィル（Dice＆Fill)法は、格子状に小さくダイシングした圧電素子上に大きなハニカム２Ｄ配列の電極を配置するが、この方法では実質的な素子ピッチが低下する。これに対し本実施形態に係るアレイ振動子１２１では、ピックアンドプレイス法により、素子加工の最小ピッチで超音波振動子１３０を配列させることが可能である。
【００７６】  図１１は、本実施形態に係る振動子モジュール１２０によって構成されたコンベックス型超音波プローブの模式図である。同図に示すように、コンベックス型超音波プローブでは、振動子モジュール１２０を湾曲面状に配列する必要がある。しかしながら、ＡＳＩＣによってインピーダンス整合回路を実現している従来構造では、湾曲面にＡＳＩＣを配置することが困難であった。
【００７７】  これに対し、本実施形態に係るアレイ振動子１２１は、超音波振動子１３０に回路チップ１４０が一体化された振動子モジュール１２０によって構成されているため、図１１に示すように、振動子モジュール１２０を高密度に実装することができる。これにより、超音波画像のコントラスト向上とスライス分解能（診断対象物の奥行き方向の分解能）の改善が可能である。
【００７８】  図１２は、本実施形態に係る振動子モジュール１２０によって構成されたハナフィーレンズ形超音波プローブを示す模式図である。ハナフィーレンズは、スライス分解能を向上させるために、生成する超音波の周波数が異なる２種以上の超音波振動子をアレイ振動子としたものである。
【００７９】  同図に示すように、アレイ振動子１２１は、振動の中心周波数が低い（開口径が大きい）超音波振動子１３０Ｌを備える振動子モジュール１２０Ｌと、振動の中心周波数が高い（開口径が小さい）超音波振動子１３０Ｈを備える振動子モジュール１２０Ｈから構成されている。なお、超音波振動子１３０の周波数は圧電体層１３１の厚さによって決まるため、超音波振動子１３０Ｌが備える圧電体層１３１と超音波振動子１３０が備える圧電体層１３１は厚さが異なる。
【００８０】  ハナフィーレンズは、内周側と外周側で超音波の焦点位置を変えることにより、深さ方向での超音波ビーム径を一様にすることができる。上記のように、超音波振動子の周波数は圧電体層の厚さによって決まるため、従来は、圧電体層を曲面状に加工するカービングと圧電体層を分離するダイシングによってアレイ振動子が作製されていた。これに対し、本実施形態では、予め圧電体層１３１の厚さが異なる超音波振動子１３０を作製し、ピックアンドプレイス法により個別に実装することができる。
【００８１】  これにより、カービングを利用する場合に比べて、超音波振動子１３０Ｌと超音波振動子１３０Ｈの周波数の差異が大きいアレイ振動子１２１を作製することが可能である。また、超音波振動子１３０Ｌと超音波振動子１３０Ｈの配置を自由に決定することも可能となる。さらに、ハナフィーレンズにおいても上記ハニカム２Ｄ配置とすることが可能であり、サイドローブの低減が可能である。
【００８２】  ［回路チップの配置及び数について］  上述のように、アレイ振動子１２１を構成する振動子モジュール１２０は、超音波振動子１３０と回路チップ１４０から構成されている。ここで、回路チップ１４０は、一つのチップではなく、複数のチップであってもよい。
【００８３】  図１３は、複数の回路チップを備える振動子モジュール１２０から構成されたアレイ振動子１２１を示す模式図である。同図に示すように、アレイ振動子１２１は、幅が狭い超音波振動子１３０が一方向に配列した狭ピッチ１Ｄ配列アレイとすることも可能である。回路チップ１４０は、回路チップ１４０Ａ、回路チップ１４０Ｂ及び回路チップ１４０Ｃの３つの回路チップを含むものとすることができる。
【００８４】  図１４は、回路チップ１４０Ａ〜Ｃの回路構成を示す模式図である。同図に示すように、回路チップ１４０Ａは第２ＴＲスイッチ１４３を、回路チップ１４０Ｂはアンプ１４２を、回路チップ１４０Ｃは第１ＴＲスイッチ１４１をそれぞれ備えるものとすることができる。第１ＴＲスイッチ１４１、アンプ１４２及び第２ＴＲスイッチ１４３の動作は上述のものと同一である。回路チップ１４０Ａ〜Ｃは、回路チップ１４０をダイシングによりカットして作製してもよく、個別に作製してもよい。
【００８５】  回路チップ１４０を、インピーダンス整合回路を構成する素子毎に分割することにより、回路チップ１４０のサイズを小型化し、狭ピッチ１Ｄ配列アレイのように超音波振動子１３０の幅が狭くても、超音波振動子１３０に接合させることが可能となる。なお、回路チップ１４０は、２つの回路チップを含むものであってもよく、例えば、アンプ１４２を備える回路チップと第１ＴＲスイッチ１４１及び第２ＴＲスイッチ１４３を備える回路チップを含むものとすることもできる。
【００８６】  ［ＩＶＵＳへの応用について］  ＩＶＵＳ（intravascular ultrasound：血管内超音波内視鏡）は、超音波プローブの一種であり、心冠状血管の血管壁の観察に利用される。ＩＶＵＳは、複数の超音波振動子が円周状に配置されたアレイ振動子と、各超音波振動子から出力される検知信号を増幅するアンプを備える。
【００８７】  図１５は、従来構造を有するＩＶＵＳ３００の模式図である。同図に示すように、ＩＶＵＳ３００は、カテーテル３０１、アレイ振動子３０２、信号処理チップ３０３及び配線３０４を備える。アレイ振動子３０２において生成された超音波は、血管に挿入されるカテーテル３０１を介して血管壁に照射され、その反射波はカテーテル３０１を介してアレイ振動子３０２に入射し、検知される。検知信号は信号処理チップ３０３において増幅され、配線３０４を介して本体に伝達される。
【００８８】  このようにＩＶＵＳ３００においては、アレイ振動子３０２とは別に信号処理チップ３０３を設ける必要があり、信号処理チップ３０３によってＩＶＵＳ３００の屈折が妨げられ、カテーテル３０１の操作が困難となっていた。
【００８９】  図１６は、本実施形態に係るアレイ振動子１２１を利用したＩＶＵＳ４００の模式図である。同図に示すように、ＩＶＵＳ４００は、カテーテル４０１、アレイ振動子１２１、及び配線４０２を備える。アレイ振動子１２１において生成された超音波は、血管に挿入されるカテーテル４０１を介して血管壁に照射され、その反射波はカテーテル４０１を介してアレイ振動子１２１に入射し、検知される。検知信号はアレイ振動子１２１が備える回路チップ１４０において増幅され、配線４０２を介して本体に伝達される。
【００９０】  アレイ振動子１２１は回路チップ１４０を備えるため、ＩＶＵＳ４００には、アレイ振動子１２１とは別に信号処理チップを設ける必要がない。したがって、ＩＶＵＳ４００の屈折が信号処理チップによって妨げられず、カテーテル４０１の操作が容易となる。なお、ＩＶＵＳ４００にはインピーダンス整合回路とは別の信号処理チップが設けられる場合もあるが、その場合でもインピーダンス整合回路が不用であるため、信号処理チップのサイズを縮小することが可能である。
【００９１】  ［超音波振動子とＭＥＭＳの混載について］  本実施形態に係る振動子モジュール１２０は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を備えるＭＥＭＳモジュールと混載することも可能である。
【００９２】  図１７は、振動子モジュールとＭＥＭＳモジュールを混載したアレイ振動子１６０を示す模式図である。同図に示すように、アレイ振動子１６０は、振動子モジュール１２０とＭＥＭＳモジュール１６１を備える。アレイ振動子１６０のこの他の構成は、上記アレイ振動子１２１と同一である
【００９３】  ＭＥＭＳモジュール１６１は、ＭＥＭＳ１６２、下部電極層１６３、バッキング層１６４及び回路チップ１６５を備える。ＭＥＭＳ１６２は、ＭＥＭＳにより形成された超音波センサであり、具体的なＭＥＭＳの構造は特に限定されない。下部電極層１６３、バッキング層１６４及び回路チップ１６５の構成は、振動子モジュール１２０の各構成と同一である。なお、ＭＥＭＳモジュール１６１は、この構成に限られず、少なくともＭＥＭＳ１６２を備えるものであればよい。
【００９４】  図１８は、アレイ振動子１６０における振動子モジュール１２０とＭＥＭＳモジュール１６１の配列を示す模式図であり、基板１２２に垂直な方向からみた図である。同図に示すように、振動子モジュール１２０とＭＥＭＳモジュール１６１は基板１２２上に混載され、アレイを構成している。なお、振動子モジュール１２０とＭＥＭＳモジュール１６１の配列は図１８に示すものに限られない。
【００９５】  この構成により、超音波の生成には超音波強度が大きい振動子モジュール１２０を利用し、反射波の検知には感度の高いＭＥＭＳモジュール１６１を利用することが可能となる。これにより、超音波検知感度の向上が可能となる。
【００９６】  図１９は、アレイ振動子１６０の製造方法を示す模式図である。同図に示すように、振動子モジュール１２０とＭＥＭＳモジュール１６１は共にピックアンドプレイス法によって基板１２２に実装することが可能である。両モジュールを基板１２２に実装後、アレイ振動子１２１と同様に充填材１２７、上部電極層１２４、音響整合層１２５及び音響レンズ１２６を形成し、図１７に示すアレイ振動子１６０を製造することが可能である。
【００９７】  ［超音波振動子と光学素子の混載について］  本実施形態に係る振動子モジュール１２０は、光学素子を備える光学素子モジュールと混載することも可能である。
【００９８】  図２０は、振動子モジュールと光学素子モジュールを混載したアレイ振動子１７０を示す模式図である。同図に示すように、アレイ振動子１７０は、振動子モジュール１２０と光学素子モジュール１７１を備える。アレイ振動子１７０のこの他の構成は、上記アレイ振動子１２１と同一である
【００９９】  光学素子モジュール１７１は、光学素子１７２、下部電極層１７３、バッキング層１７４及び回路チップ１７５を備える。光学素子１７２は、発光する素子であり、例えば、レーザーダイオードである。下部電極層１７３、バッキング層１７４及び回路チップ１７５の構成は、振動子モジュール１２０の各構成と同一である。なお、光学素子モジュール１７１は、この構成に限られず、少なくとも光学素子１７２を備えるものであればよい。
【０１００】  図２１は、アレイ振動子１７０における振動子モジュール１２０と光学素子モジュール１７１の配列を示す模式図であり、基板１２２に垂直な方向からみた図である。同図に示すように、振動子モジュール１２０と光学素子モジュール１７１は基板１２２上に混載され、アレイを構成している。なお、振動子モジュール１２０と光学素子モジュール１７１の配列は図２１に示すものに限られない。
【０１０１】  この構成により、光学素子モジュール１７１から生成する光を診断対象物に照射し、発生する熱を振動子モジュール１２０で検知してイメージング化する光超音波イメージングが可能となる。
【０１０２】  従来は、光超音波イメージングのためには光学素子を備える発光デバイスと音響素子を備える音響デバイスを別々に容易する必要があった。本技術によれば上記のように超音波振動子１３０と光学素子１７２をひとつのアレイとして構成することが可能であり、単一の超音波プローブによって光超音波イメージングを実現することが可能となる。
【０１０３】  図２２は、アレイ振動子１７０の製造方法を示す模式図である。同図に示すように、振動子モジュール１２０と光学素子モジュール１７１は共にピックアンドプレイス法によって基板１２２に実装することが可能である。両モジュールを基板１２２に実装後、アレイ振動子１２１と同様に充填材１２７、上部電極層１２４、音響整合層１２５及び音響レンズ１２６を形成し、図２０に示すアレイ振動子１７０を製造することが可能である。
【０１０４】  なお、アレイ振動子１７０は、振動子モジュール１２０に代えて、上述したＭＥＭＳモジュール１６１を備えるものとすることも可能である。また、アレイ振動子１７０は、振動子モジュール１２０、ＭＥＭＳモジュール１６１及び光学素子モジュール１７１の３種のモジュールをひとつのアレイとして構成することも可能である。
【０１０５】  アレイ振動子１６０及びアレイ振動子１７０の他にも、ピックアンドプレイス法によって実装が可能なあらゆる素子を振動子モジュール１２０と共に実装し、振動子モジュール１２０と共にアレイ化させることができる。
【０１０６】  なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
【０１０７】  （１）  アレイを構成する超音波振動子と、  上記超音波振動子のそれぞれに接合された、インピーダンス整合回路を形成する半導体チップと  を具備する超音波アレイ振動子。
【０１０８】  （２）  上記（１）に記載の超音波アレイ振動子であって、  上記インピーダンス整合回路は、アンプとＴＲ（transmit-receive）スイッチを含む  超音波アレイ振動子。
【０１０９】  （３）  上記（１）に記載の超音波アレイ振動子であって、  上記半導体チップは、上記アンプが設けられた第１の半導体チップと、上記ＴＲスイッチが設けられた第２の半導体チップとを含む  超音波アレイ振動子。
【０１１０】  （４）  上記（１）から（３）のうちいずれか一つに記載の超音波アレイ振動子であって、  上記半導体チップは、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）チップである  超音波アレイ振動子。
【０１１１】  （５）  上記（１）から（４）のうちいずれか一つに記載の超音波アレイ振動子であって、  上記超音波振動子は、第１の周波数を振動の中心周波数とする第１の超音波振動子と、上記第１の周波数とは異なる第２の周波数を振動の中心周波数とする第２の超音波振動子とを含む  超音波アレイ振動子。
【０１１２】  （６）  上記（１）から（５）のうちいずれか一つに記載の超音波アレイ振動子であって、  上記超音波振動子と共にアレイを構成するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）  をさらに具備する超音波アレイ振動子。
【０１１３】  （７）  上記（１）から（６）のうちいずれか一つに記載の超音波アレイ振動子であって、  上記超音波振動子と共にアレイを構成する光学素子  をさらに具備する超音波アレイ振動子。
【０１１４】  （８）  インピーダンス整合回路を形成する半導体チップが接合された超音波振動子を、ピックアンドプレイス法によって実装する  超音波アレイ振動子の製造方法。
【０１１５】  （９）  上記（８）に記載の超音波アレイ振動子の製造方法であって、  上記超音波振動子は、第１の周波数を振動の中心周波数とする第１の超音波振動子と、上記第１の周波数とは異なる第２の周波数を振動の中心周波数とする第２の超音波振動子とを含む  超音波アレイ振動子の製造方法。
【０１１６】  （１０）  上記（８）又は（９）に記載の超音波アレイ振動子の製造方法であって、  ピックアンドプレイス法によって、上記超音波振動子と共にＭＥＭＳを実装する  超音波アレイ振動子の製造方法。
【０１１７】  （１１）  上記（８）から（１０）のいずれか一つに記載の超音波アレイ振動子の製造方法であって、  ピックアンドプレイス法によって、上記超音波振動子と共に光学素子を実装する  超音波アレイ振動子の製造方法。
【０１１８】  （１２）  アレイを構成する超音波振動子と、上記超音波振動子のそれぞれに接合された、インピーダンス整合回路を形成する半導体チップとを具備する超音波アレイ振動子  を具備する超音波プローブ。
【０１１９】  （１３）  アレイを構成する超音波振動子と、上記超音波振動子のそれぞれに接合された、インピーダンス整合回路を形成する半導体チップとを有する超音波アレイ振動子を備える超音波プローブと、  上記超音波プローブが接続され、上記超音波アレイ振動子に駆動信号を供給し、上記超音波アレイ振動子から出力される検知信号に基づいて超音波画像を生成する本体と  を具備する超音波診断装置。
【符号の説明】
【０１２０】  １…超音波診断装置  １１…本体  １２…超音波プローブ  １２０…振動子モジュール  １２１…アレイ振動子  １２２…基板  １２３…振動子層  １２４…上部電極層  １２５…音響整合層  １２６…音響レンズ  １２７…充填材  １３０…超音波振動子  １３１…圧電体層  １３２…下部電極層  １３３…バッキング層  １６０…アレイ振動子  １６１…ＭＥＭＳモジュール  １７０…アレイ振動子  １７１…光学素子モジュール
【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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【国際調査報告】
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