(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓膜、及び前記可撓膜に設けられる圧電素子を備える超音波トランスデューサーと、
前記超音波トランスデューサーを制御する制御部と、を備え、
前記圧電素子は、圧電体と、前記圧電体に接する第一電極、第二電極、第三電極、及び第四電極と、を有し、
前記第一電極と前記第二電極とは、前記第一電極と前記第二電極との間に前記圧電体を挟んで離間し、かつ、前記圧電体の厚さ方向から見た平面視において重なり、
前記第三電極と前記第四電極とは、前記第三電極と前記第四電極との間に前記圧電体を挟んで離間し、かつ、前記平面視において重なり、
前記第一電極と前記第三電極とは、前記平面視において離間し、
前記第二電極と前記第四電極とは、前記平面視において離間し、
前記第一電極及び前記第三電極を接続し、かつ、前記第二電極及び前記第四電極を接続する第一接続状態と、前記第一電極及び前記第二電極を接続し、かつ、前記第三電極及び前記第四電極を接続する第二接続状態と、を切り替える切替部を備える
ことを特徴とする超音波装置。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波装置において、
前記制御部は、前記切替部を制御し、超音波の送信時に前記第一接続状態に切り替え、超音波の受信時に前記第二接続状態に切り替える切替制御部を有する
ことを特徴とする超音波装置。
【請求項３】
可撓膜、及び前記可撓膜に設けられる圧電素子を備える超音波トランスデューサーと、
前記超音波トランスデューサーを制御する制御部と、を備え、
前記圧電素子は、圧電体と、前記圧電体に接する第一電極、第二電極、第三電極、及び第四電極と、を有し、
前記第一電極と前記第二電極とは、前記第一電極と前記第二電極との間に前記圧電体を挟んで離間し、かつ、前記圧電体の厚さ方向から見た平面視において重なり、
前記第三電極と前記第四電極とは、前記第三電極と前記第四電極との間に前記圧電体を挟んで離間し、かつ、前記平面視において重なり、
前記第一電極と前記第三電極とは、前記平面視において離間し、
前記第二電極と前記第四電極とは、前記平面視において離間し、
前記制御部は、前記第一電極と前記第二電極との間、及び、前記第三電極と前記第四電極との間に第一分極電圧を印加する第一分極処理を実施する分極制御部を有する
ことを特徴とする超音波装置。
【請求項４】
可撓膜、及び前記可撓膜に設けられる圧電素子を備える超音波トランスデューサーと、
前記超音波トランスデューサーを制御する制御部と、を備え、
前記圧電素子は、圧電体と、前記圧電体に接する第一電極、第二電極、第三電極、及び第四電極と、を有し、
前記第一電極と前記第二電極とは、前記第一電極と前記第二電極との間に前記圧電体を挟んで離間し、かつ、前記圧電体の厚さ方向から見た平面視において重なり、
前記第三電極と前記第四電極とは、前記第三電極と前記第四電極との間に前記圧電体を挟んで離間し、かつ、前記平面視において重なり、
前記第一電極と前記第三電極とは、前記平面視において離間し、
前記第二電極と前記第四電極とは、前記平面視において離間し、
前記制御部は、前記第一電極と前記第三電極との間、及び、前記第二電極と前記第四電極との間に第二分極電圧を印加する第二分極処理を実施する分極制御部を有する
ことを特徴とする超音波装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電層の圧電効果に基づいて超音波を送受信可能に構成される超音波変換器が知られている（例えば特許文献１）。
特許文献１に記載の超音波変換器は、基板と、当該基板上に設けられた圧電層と、圧電層の同じ面上に配置された第１の電極及び第２の電極と、を備える。このように構成された超音波変換器では、例えば、超音波を受信した際の圧電層の歪みに応じて生じた第１の電極と第２の電極との間の電位差を電気信号として出力可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２７１８９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、超音波を受信した際、圧電層の歪みに応じて圧電層の表面に生じる電荷Ｑに対して、電極間の電位差Ｖは、電極間の距離ｄに比例する（Ｖ∝Ｑ×ｄ）。上記特許文献１に記載の超音波変換器（すなわち超音波トランスデューサー）では、圧電層の厚みによらず電極間の距離寸法を大きくすることができるため、受信感度の向上を図ることができる。
【０００５】
しかしながら、電極間の電位差Ｖに対して、圧電層の表面に生じる電荷Ｑ（つまり圧電層の歪み量）は、電極間の距離ｄに反比例する（Ｑ∝Ｖ／ｄ）。したがって、上記従来の超音波トランスデューサーを用いて超音波を送受信する場合、超音波の送信出力（送信感度）と受信感度とをともに向上させることができないという課題があった。
【０００６】
本発明は、以下の形態又は適用例として、高い送信出力及び受信感度を有する超音波装置を提供することを一つの目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一適用例に係る超音波トランスデューサーは、可撓膜と、前記可撓膜に設けられる圧電素子と、を備え、前記圧電素子は、圧電体と、前記圧電体に接する第一電極、第二電極、第三電極、及び第四電極と、を有し、前記第一電極と前記第二電極とは、前記第一電極と前記第二電極との間に前記圧電体を挟んで離間し、かつ、前記圧電体の厚さ方向から見た平面視において重なり、前記第三電極と前記第四電極とは、前記第三電極と前記第四電極との間に前記圧電体を挟んで離間し、かつ、前記平面視において重なり、前記第一電極と前記第三電極とは、前記平面視において離間し、前記第二電極と前記第四電極とは、前記平面視において離間することを特徴とする。
【０００８】
本適用例では、圧電素子は、圧電体と、圧電体に接する第一電極、第二電極、第三電極、及び第四電極と、を有している。これらのうち第一電極と第二電極とは、圧電体を挟んで離間し、かつ、圧電体の厚さ方向から見た平面視において重なっている。また、第三電極と第四電極とは、圧電体を挟んで離間し、かつ、平面視にて重なっている。また、平面視にて、第一電極及び第三電極は離間し、第二電極及び第四電極は離間している。
このように構成された超音波トランスデューサーでは、第一電極及び第二電極の間の距離と、第三電極及び第四電極の間の距離とを小さくしつつ、第一電極及び第三電極の間の距離と、第二電極及び第四電極の間の距離とを大きくすることができる。これにより、超音波トランスデューサーの送信出力及び受信感度を同時に向上させることができる。
つまり、超音波トランスデューサーを用いて超音波を送信する際に、第一電極と第二電極との間に電圧を印加し、第三電極と第四電極との間に電圧を印加することにより、上述のように電極間距離を小さくすることにより、超音波トランスデューサーの送信出力を向上させることができる。
一方、圧電体の歪に応じて第一電極及び第三電極の間に生じた電位差（第二電極及び第四電極の間に生じた電位差）を検出して、超音波を受信することができる。この場合、第一電極及び第三電極（第二電極及び第四電極）の間の距離を大きくすることにより、上述のように受信感度を向上させることができる。
以上から、本適用例によれば、高い送信出力及び受信感度を有する超音波トランスデューサーを提供することができる。
【０００９】
また、本適用例によれば、超音波を受信する際に、第一電極と第二電極とを短絡し、第三電極と第四電極とを短絡することにより、超音波トランスデューサーと、当該超音波トランスデューサーに接続される外部回路との間でのインピーダンスマッチングを容易に行うことができる。つまり、上述のように電極を短絡することにより、第一電極と第三電極とによって形成されたキャパシターと、第二電極と第四電極とによって形成されたキャパシターとが並列に接続された構成となる。したがって、上述の圧電体の一面に互いに離間して配置された二つの電極を備える従来の超音波トランスデューサーと比べて、本適用例の超音波トランスデューサーの静電容量を大きくすることができる。これにより、外部回路が有する浮遊容量の影響を抑制でき、外部回路とのインピーダンスマッチングを容易に行うことができる。
【００１０】
本適用例の超音波トランスデューサーにおいて、前記圧電素子は、さらに、前記圧電体に接する第五電極及び第六電極を有し、前記第五電極と前記第六電極とは、前記第五電極と前記第六電極との間に前記圧電体を挟んで離間し、かつ、前記平面視において重なり、前記第五電極は、前記第一電極と前記第三電極との間に位置し、前記第六電極は、前記第二電極と前記第四電極との間に位置することが好ましい。
本適用例では、圧電素子は、平面視において、互いに重なる第五電極及び第六電極を有し、第五電極は、第一電極と第三電極との間に位置し、第六電極は、第二電極と第四電極との間に位置する。
このような構成では、超音波を受信する際に、第一電極と第二電極と第三電極と第四電極とを短絡し、さらに、第五電極と第六電極とを短絡することにより、第一電極及び第五電極によるキャパシターと、第三電極及び第五電極によるキャパシターと、第二電極及び第六電極によるキャパシターと、第四電極及び第六電極によるキャパシターと、が並列に接続された構成とすることができる。これにより、超音波トランスデューサーの静電容量をより増大させることができ、外部回路とのインピーダンスマッチングをより容易に行うことができる。
【００１１】
本適用例の超音波トランスデューサーにおいて、前記第一電極と前記第四電極との距離は、前記第一電極と前記第三電極との距離より大きいことが好ましい。
本適用例では、第一電極と第四電極との距離は、第一電極と第三電極との距離より大きいため、第一電極と第四電極とが短絡することを抑制することができる。例えば、超音波の受信時に、第一電極と第三電極との間、及び、第二電極と第四電極との間に電位差が生じた場合でも、第一電極と第四電極とが短絡することを抑制でき、超音波を受信することができる。
【００１２】
本適用例の超音波トランスデューサーにおいて、前記第一電極の前記第三電極と対向する端面は、前記第二電極の前記第四電極と対向する端面と前記平面視において重なることが好ましい。
本適用例では、第一電極の第三電極と対向する端面は、第二電極の第四電極と対向する端面と、上記平面視において重なる。このような構成では、例えば、第一電極と第二電極との間に電圧を印加する際に、第一電極及び第二電極の各端面が、上記平面視において重なっていない場合と比べて、より効果的に電圧を印加させることができる。
【００１３】
一適用例に係る超音波アレイは、可撓膜と、前記可撓膜に設けられる圧電素子と、を備える複数の超音波トランスデューサーを具備する超音波アレイであって、前記圧電素子は、圧電体と、前記圧電体に接する第一電極、第二電極、第三電極、及び第四電極と、を有し、前記第一電極と前記第二電極とは、前記第一電極と前記第二電極との間に前記圧電体を挟んで離間し、かつ、前記圧電体の厚さ方向から見た平面視において重なり、前記第三電極と前記第四電極とは、前記第三電極と前記第四電極との間に前記圧電体を挟んで離間し、かつ、前記平面視において重なり、前記第一電極と前記第三電極とは、前記平面視において離間し、前記第二電極と前記第四電極とは、前記平面視において離間することを特徴とする。
本適用例では、圧電素子は、圧電体と、圧電体に接する第一電極、第二電極、第三電極、及び第四電極と、を有している。これらのうち第一電極と第二電極とは、圧電体を挟んで離間し、かつ、圧電体の厚さ方向から見た平面視において重なっている。また、第三電極と第四電極とは、圧電体を挟んで離間し、かつ、平面視において重なっている。また、平面視において、第一電極と第三電極とは離間し、第二電極と第四電極とは、平面視において離間している。
このように構成された超音波アレイでは、上記適用例の超音波トランスデューサーと同様に、第一電極及び第二電極の間の距離と、第三電極及び第四電極の間の距離とを小さくしつつ、第一電極及び第三電極の間の距離と、第二電極及び第四電極の間の距離とを大きくすることができる。これにより、超音波トランスデューサーの送信出力及び受信感度を向上させることができる。
また、各超音波トランスデューサーを用いて超音波の送受信を行うことができる。このため、送信専用の超音波トランスデューサーと、受信専用の超音波トランスデューサーとを備える超音波アレイと比べて、単位面積当たりの送信用及び受信用のそれぞれの超音波トランスデューサーの数を増大させることができ、超音波の送信出力及び受信感度を向上させることができる。
【００１４】
一適用例に係る超音波モジュールは、可撓膜、及び前記可撓膜に設けられる圧電素子を備える超音波トランスデューサーと、前記圧電素子に接続される回路基板と、を備え、前記圧電素子は、圧電体と、前記圧電体に接する第一電極、第二電極、第三電極、及び第四電極と、を有し、前記第一電極と前記第二電極とは、前記第一電極と前記第二電極との間に前記圧電体を挟んで離間し、かつ、前記圧電体の厚さ方向から見た平面視において重なり、前記第三電極と前記第四電極とは、前記第三電極と前記第四電極との間に前記圧電体を挟んで離間し、かつ、前記平面視において重なり、前記第一電極と前記第三電極とは、前記平面視において離間し、前記第二電極と前記第四電極とは、前記平面視において離間することを特徴とする。
本適用例の超音波モジュールは、圧電素子を備える超音波トランスデューサーと、圧電素子が接続された回路基板と、を備えている。これらのうち圧電素子は、圧電体と、圧電体に接する第一電極、第二電極、第三電極、及び第四電極と、を有している。これらのうち第一電極と第二電極とは、圧電体を挟んで離間し、かつ、圧電体の厚さ方向から見た平面視において重なっている。また、第三電極と第四電極とは、圧電体を挟んで離間し、かつ、平面視において重なっている。また、平面視において、第一電極と第三電極とは離間し、第二電極と第四電極とは、平面視において離間している。
このように構成された超音波モジュールでは、上記適用例の超音波トランスデューサーと同様に、第一電極及び第二電極の間の距離と、第三電極及び第四電極の間の距離とを小さくしつつ、第一電極及び第三電極の間の距離と、第二電極及び第四電極の間の距離とを大きくすることができる。これにより、超音波トランスデューサーの送信出力及び受信感度を向上させることができる。
【００１５】
本適用例の超音波モジュールにおいて、前記回路基板は、前記第一電極及び前記第三電極を接続し、かつ、前記第二電極及び前記第四電極を接続する第一接続状態と、前記第一電極及び前記第二電極を接続し、かつ、前記第三電極及び前記第四電極を接続する第二接続状態と、を切り替える切替部を有することが好ましい。
本適用例では、切替部は、第一電極及び第三電極を接続し、第二電極及び第四電極を接続する第一接続状態と、第一電極及び第二電極を接続し、かつ、第三電極及び第四電極を接続する第二接続状態と、を切り替える。
第一接続状態では、第一電極及び第三電極が接続つまり短絡され、第二電極及び第四電極が短絡されている。この第一接続状態では、超音波を送信する際に、例えば、短絡された第一電極及び第三電極に電圧を印加することにより、第一電極及び第二電極の間と、第三電極及び第四電極の間とに電位差を生じさせることができ、上述のように送信出力を向上させることができる。
また、第二接続状態では、第一電極及び第二電極が短絡され、第三電極及び第四電極が短絡されている。この第二接続状態では、超音波を受信する際に、圧電体の歪に応じて第一電極と第三電極との間に生じた電位差（第二電極と第四電極との間に生じた電位差）が電気信号として出力される。このため、当該電気信号を検出することにより、上述のように超音波の受信感度を向上させることができる。
以上から、本適用例によれば、高い送信出力及び受信感度を有する超音波モジュールを提供することができる。
【００１６】
一適用例に係る超音波プローブは、可撓膜、及び前記可撓膜に設けられる圧電素子を備える超音波トランスデューサーと、前記超音波トランスデューサーを収容する筐体と、を備え、前記圧電素子は、圧電体と、前記圧電体に接する第一電極、第二電極、第三電極、及び第四電極と、を有し、前記第一電極と前記第二電極とは、前記第一電極と前記第二電極との間に前記圧電体を挟んで離間し、かつ、前記圧電体の厚さ方向から見た平面視において重なり、前記第三電極と前記第四電極とは、前記第三電極と前記第四電極との間に前記圧電体を挟んで離間し、かつ、前記平面視において重なり、前記第一電極と前記第三電極とは、前記平面視において離間し、前記第二電極と前記第四電極とは、前記平面視において離間することを特徴とする。
本適用例の超音波プローブは、超音波トランスデューサーと、超音波トランスデューサーを収容する筐体と、を備えている。これらのうち超音波トランスデューサーは、圧電素子を備え、この圧電素子は、圧電体と、圧電体に接する第一電極、第二電極、第三電極、及び第四電極と、を有している。これらのうち第一電極と第二電極とは、圧電体を挟んで離間し、かつ、圧電体の厚さ方向から見た平面視において重なっている。また、第三電極と第四電極とは、圧電体を挟んで離間し、かつ、平面視において重なっている。また、平面視において、第一電極と第三電極とは離間し、第二電極と第四電極とは、平面視において離間している。
このように構成された超音波プローブでは、上記適用例の超音波トランスデューサーと同様に、第一電極及び第二電極の間の距離と、第三電極及び第四電極の間の距離とを小さくしつつ、第一電極及び第三電極の間の距離と、第二電極及び第四電極の間の距離とを大きくすることができる。これにより、超音波トランスデューサーの送信出力及び受信感度を向上させることができる。
【００１７】
一適用例に係る超音波装置は、可撓膜、及び前記可撓膜に設けられる圧電素子を備える超音波トランスデューサーと、前記超音波トランスデューサーを制御する制御部と、を備え、前記圧電素子は、圧電体と、前記圧電体に接する第一電極、第二電極、第三電極、及び第四電極と、を有し、前記第一電極と前記第二電極とは、前記第一電極と前記第二電極との間に前記圧電体を挟んで離間し、かつ、前記圧電体の厚さ方向から見た平面視において重なり、前記第三電極と前記第四電極とは、前記第三電極と前記第四電極との間に前記圧電体を挟んで離間し、かつ、前記平面視において重なり、前記第一電極と前記第三電極とは、前記平面視において離間し、前記第二電極と前記第四電極とは、前記平面視において離間することを特徴とする。
本適用例の超音波装置は、超音波トランスデューサーと、超音波トランスデューサーを制御する制御部と、を備えている。これらのうち超音波トランスデューサーは、圧電素子を備え、この圧電素子は、圧電体と、圧電体に接する第一電極、第二電極、第三電極、及び第四電極と、を有している。これらのうち第一電極と第二電極とは、圧電体を挟んで離間し、かつ、圧電体の厚さ方向から見た平面視において重なっている。また、第三電極と第四電極とは、圧電体を挟んで離間し、かつ、平面視において重なっている。また、平面視において、第一電極と第三電極とは離間し、第二電極と第四電極とは、平面視において離間している。
このように構成された超音波装置では、上記適用例の超音波トランスデューサーと同様に、第一電極及び第二電極の間の距離と、第三電極及び第四電極の間の距離とを小さくしつつ、第一電極及び第三電極の間の距離と、第二電極及び第四電極の間の距離とを大きくすることができる。これにより、超音波トランスデューサーの送信出力及び受信感度を向上させることができる。
【００１８】
本適用例の超音波装置において、前記第一電極及び前記第三電極を接続し、かつ、前記第二電極及び前記第四電極を接続する第一接続状態と、前記第一電極及び前記第二電極を接続し、かつ、前記第三電極及び前記第四電極を接続する第二接続状態と、を切り替える切替部を備えることが好ましい。
本適用例では、切替部は、第一電極及び第三電極を接続し、第二電極及び第四電極を接続する第一接続状態と、第一電極及び第二電極を接続し、かつ、第三電極及び第四電極を接続する第二接続状態と、を切り替える。
この第一接続状態では、第一電極及び第三電極が短絡され、第二電極及び第四電極が短絡されている。この第一接続状態では、超音波を送信する際に、例えば、短絡された第一電極及び第三電極に電圧を印加することにより、第一電極及び第二電極の間と、第三電極及び第四電極の間とに電位差を生じさせることができ、上述のように送信出力を向上させることができる。
また、第二接続状態では、第一電極及び第二電極が短絡され、第三電極及び第四電極が短絡されている。この第二接続状態では、超音波を受信する際に、圧電体の歪に応じて第一電極と第三電極との間に生じた電位差（第二電極と第四電極との間に生じた電位差）が電気信号として出力される。このため、当該電気信号を検出することにより、上述のように超音波の受信感度の向上させることができる。
以上から、本適用例によれば、高い送信出力及び受信感度を有する超音波装置を提供することができる。
【００１９】
本適用例の超音波装置において、前記制御部は、前記切替部を制御し、超音波の送信時に前記第一接続状態に切り替え、超音波の受信時に前記第二接続状態に切り替える切替制御部を有することが好ましい。
本適用例では、制御部は、超音波の送信時に切替部を第一接続状態に切り替え、超音波の受信時に切替部を第二接続状態に切り替える切替制御部を有する。このような構成では、超音波の送信時と受信時とで、切替部による各電極の接続状態を適切に設定することができる。
【００２０】
本適用例の超音波装置において、前記制御部は、前記第一電極と前記第二電極との間、及び、前記第三電極と前記第四電極との間に第一分極電圧を印加する第一分極処理を実施する分極制御部を有することが好ましい。
本適用例では、分極制御部は、第一電極と第二電極との間、及び、第三電極と第四電極との間に第一分極電圧を印加する第一分極処理を実施する。
上述のように、超音波の送信時に、第一電極と第二電極との間、及び、第三電極と第四電極との間に電圧を印加することにより、超音波トランスデューサーの送信出力を向上させることができる。本適用例では、第一分極処理を実施して圧電体に対して厚み方向の電場を印加することにより、圧電体の分極状態を、超音波の送信に適した状態とすることができる。したがって、第一分極処理を実施することにより、超音波トランスデューサーの送信出力を一層向上させることができ、ひいては超音波装置における超音波測定の測定精度を一層向上させることができる。
【００２１】
本適用例の超音波装置において、前記制御部は、前記第一電極と前記第三電極との間、及び、前記第二電極と前記第四電極との間に第二分極電圧を印加する第二分極処理を実施する分極制御部を有することが好ましい。
本適用例では、分極制御部は、第一電極と第三電極との間、及び、第二電極と第四電極との間に第二分極電圧を印加する第二分極処理を実施する。
上述のように、超音波の受信時に、第一電極と第三電極との間、及び、第二電極と第四電極との間の電圧を検出することにより、超音波トランスデューサーの受信感度を向上させることができる。本適用例では、第二分極処理を実施して圧電体に対して厚み方向と交差する方向に電場を印加することにより、圧電体の分極状態を、超音波の受信に適した状態とすることができる。したがって、第二分極処理を実施することにより、超音波トランスデューサーの受信感度を一層向上させることができ、ひいては超音波装置における超音波測定の測定精度を一層向上させることができる。
【００２２】
本適用例の超音波装置において、前記制御部は、前記超音波トランスデューサーを制御して超音波の送信及び受信を行う送受信制御部と、前記切替部を制御し、超音波の送信時に前記第一接続状態に切り替え、超音波の受信時に前記第二接続状態に切り替える切替制御部と、前記第一電極と前記第二電極との間、及び、前記第三電極と前記第四電極との間に第一分極電圧を印加する第一分極処理と、前記第一電極と前記第三電極との間、及び、前記第二電極と前記第四電極との間に第二分極電圧を印加する第二分極処理と、を実施する分極制御部と、を有し、前記切替制御部によって前記第一接続状態に切り替え、前記分極制御部によって前記第一分極処理を実施し、前記送受信制御部によって前記超音波トランスデューサーから超音波を送信し、前記切替制御部によって前記第二接続状態に切り替え、前記分極制御部によって前記第二分極処理を実施し、前記送受信制御部によって前記超音波トランスデューサーを用いて超音波を受信することが好ましい。
本適用例では、超音波装置は、第一接続状態に切り替え、第一分極処理を実施した後に、超音波を送信することができるため、超音波の送信出力を向上させることができる。また、超音波装置は、第二接続状態に切り替え、第二分極処理を実施した後に、超音波を受信することができるため、超音波の受信感度を向上させることができる。したがって、本適用例の超音波装置では、高精度の超音波測定を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第一実施形態の超音波装置の概略構成を示す斜視図。
【図２】第一実施形態の超音波装置の概略構成を示すブロック図。
【図３】第一実施形態の超音波デバイスにおける素子基板の概略構成を示す平面図。
【図４】図３におけるＡ−Ａ線で切断した超音波センサーの断面図。
【図５】第一実施形態の超音波トランスデューサーの概略構成を示す平面図。
【図６】第一実施形態の超音波トランスデューサーの概略構成を示す断面図。
【図７】第一実施形態における第一接続状態を模式的に示す図。
【図８】第一実施形態における第二接続状態を模式的に示す図。
【図９】第一実施形態における超音波測定処理の一例を示すフローチャート。
【図１０】第二実施形態の超音波トランスデューサーの概略構成を示す平面図。
【図１１】第二実施形態の超音波トランスデューサーの概略構成を示す断面図。
【図１２】第二実施形態における超音波トランスデューサーと電極パッドとの関係を模式的に示す図。
【図１３】超音波トランスデューサーの一変形例の概略構成を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
［第一実施形態］
以下、第一実施形態の超音波装置について、図面に基づいて説明する。
［超音波装置の構成］
図１は、本実施形態の超音波装置１の概略構成を示す斜視図である。図２は、超音波装置１の概略構成を示すブロック図である。
本実施形態の超音波装置１は、図１に示すように、超音波プローブ２と、超音波プローブ２にケーブル３を介して電気的に接続された制御装置１０と、を備えている。
この超音波装置１は、超音波プローブ２を生体（例えば人体）の表面に当接させ、超音波プローブ２から生体内に超音波を送出する。また、生体内の器官にて反射された超音波を超音波プローブ２にて受信し、その受信信号に基づいて、例えば生体内の内部断層画像を取得したり、生体内の器官の状態（例えば血流等）を測定したりする。
【００２５】
［超音波プローブの構成］
超音波プローブ２は、筐体２１（図１参照）と、超音波デバイス２２（図２参照）と、超音波デバイス２２を制御するためのドライバ回路等が設けられた回路基板２３（図２参照）と、を備えている。なお、超音波デバイス２２と、回路基板２３とにより超音波モジュールに相当する超音波センサー２４が構成され、筐体２１に収容されている。
【００２６】
［筐体の構成］
筐体２１は、図１示すように、例えば平面視矩形状の箱状に形成され、厚み方向に直交する一面（センサー面２１Ａ）には、センサー窓２１Ｂが設けられており、超音波デバイス２２の一部が露出している。また、筐体２１の一部（図１に示す例では側面）には、ケーブル３の通過孔２１Ｃが設けられ、ケーブル３は、通過孔２１Ｃから筐体２１の内部の回路基板２３に接続されている。また、ケーブル３と通過孔２１Ｃとの隙間は、例えば樹脂材等が充填されることで、防水性が確保されている。
なお、本実施形態では、ケーブル３を用いて、超音波プローブ２と制御装置１０とが接続される構成例を示すが、これに限定されず、例えば超音波プローブ２と制御装置１０とが無線通信により接続されていてもよく、超音波プローブ２内に制御装置１０の各種構成が設けられていてもよい。
【００２７】
［超音波デバイスの構成］
図３は、超音波デバイス２２における素子基板４１を、音響レンズ４４側から見た平面図である。図４は、図３におけるＡ−Ａ線で切断した超音波センサー２４の断面図である。図５は、音響レンズ４４側から見た超音波トランスデューサー４５を模式的に示す平面図である。
超音波センサー２４を構成する超音波デバイス２２は、図４に示すように、素子基板４１と、封止板４２と、音響整合層４３と、音響レンズ４４と、により構成されている。この素子基板４１には、図３に示すように、超音波を送受信する超音波トランスデューサー４５の複数がマトリクス状に配置されている。これら複数の超音波トランスデューサー４５により超音波アレイＡＬが構成されている。
【００２８】
（素子基板の構成）
素子基板４１は、基板本体部４１１と、基板本体部４１１に積層された振動膜４１２と、を備えている。この素子基板４１の中央領域は、超音波アレイＡＬが形成されたアレイ領域Ａｒ１である。
基板本体部４１１は、例えばＳｉ等の半導体基板である。基板本体部４１１におけるアレイ領域Ａｒ１内には、各々の超音波トランスデューサー４５に対応した開口部４１１Ａが設けられている。また、各開口部４１１Ａは、基板本体部４１１の音響レンズ４４側（＋Ｚ側）に設けられた振動膜４１２により閉塞されている。
【００２９】
振動膜４１２は、例えばＳｉＯ２や、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２の積層体等より構成され、基板本体部４１１の＋Ｚ側全体を覆って設けられている。この振動膜４１２の厚み寸法は、基板本体部４１１に対して十分小さい厚み寸法となる。基板本体部４１１をＳｉにより構成し、振動膜４１２をＳｉＯ２により構成する場合、例えば基板本体部４１１を酸化処理することで、所望の厚み寸法の振動膜４１２を容易に形成することが可能となる。また、この場合、ＳｉＯ２の振動膜４１２をエッチングストッパとして基板本体部４１１をエッチング処理することで、容易に前記開口部４１１Ａを形成することが可能となる。
【００３０】
また、各開口部４１１Ａを閉塞する振動膜４１２上には、それぞれ第一下部電極４１４、第二下部電極４１５、圧電膜４１６、第一上部電極４１７、及び第二上部電極４１８を含み構成される圧電素子４１３が設けられている（図４及び図５参照）。ここで、振動膜４１２の開口部４１１Ａを閉塞する部分が、超音波の送受信時に変形する可撓膜４１２Ａとなる。この可撓膜４１２Ａ及び圧電素子４１３により、１つの超音波トランスデューサー４５が構成される。この超音波トランスデューサー４５については後に詳述する。
【００３１】
また、本実施形態では、図３に示すように、上記のような超音波トランスデューサー４５が、素子基板４１の所定のアレイ領域Ａｒ１内に、Ｙ方向（スライス方向）、及びＹ方向に交差（本実施形態では直交）するＸ方向（スキャン方向）に沿って複数配置されることで超音波アレイＡＬを構成する。
また、Ｙ方向に並ぶ超音波トランスデューサー４５により、１つの送受信チャンネルを構成する超音波トランスデューサー群４５Ａが構成され、当該超音波トランスデューサー群４５ＡがＸ方向に沿って複数並ぶ１次元アレイ構造を構成する。つまり、超音波アレイＡＬは、Ｘ方向に沿って複数の送受信チャンネルが配置され構成される一次元アレイである。
【００３２】
ここで、図３に示すように、超音波トランスデューサー群４５Ａを構成する複数の超音波トランスデューサー４５の第一下部電極４１４は、連結されている。つまり、Ｙ方向に沿って隣りあう超音波トランスデューサー４５の第一下部電極４１４は、第一下部電極線４１４Ａによって互いに連結されている。また、Ｙ方向における両端に配置された超音波トランスデューサー４５の第一下部電極４１４は、第一下部引出線４１４Ｂによって、アレイ領域Ａｒ１外の端子領域Ａｒ２に形成された第一下部電極パッド４１４Ｐに連結されている。この第一下部電極パッド４１４Ｐは、回路基板２３の後述するスイッチ回路２３１に接続されている。
【００３３】
同様に、超音波トランスデューサー群４５Ａを構成する複数の超音波トランスデューサー４５のうち、隣りあう超音波トランスデューサー４５の第二下部電極４１５は、第二下部電極線４１５Ａによって互いに連結されている。また、Ｙ方向における両端に配置された超音波トランスデューサー４５の第二下部電極４１５は、第二下部引出線４１５Ｂによって、端子領域Ａｒ２に形成された第二下部電極パッド４１５Ｐに連結されている。この第二下部電極パッド４１５Ｐは、回路基板２３に接続されている。
【００３４】
一方、超音波トランスデューサー群４５Ａを構成する複数の超音波トランスデューサー４５の第一上部電極４１７は、第一上部連結電極４１７Ａ及び第一上部引出線４１７Ｂによって、端子領域Ａｒ２に形成された第一上部電極パッド４１７Ｐに連結されている。すなわち、第一上部連結電極４１７Ａは、第一上部電極４１７から−Ｘ方向に引き出され、第一上部引出線４１７Ｂに連結している。第一上部引出線４１７Ｂは、Ｙ方向に沿って、端子領域Ａｒ２まで引き出され、第一上部電極パッド４１７Ｐに連結する。
【００３５】
同様に、超音波トランスデューサー群４５Ａを構成する複数の超音波トランスデューサー４５の第二上部電極４１８は、第二上部連結電極４１８Ａ及び第二上部引出線４１８Ｂによって、端子領域Ａｒ２に形成された第二上部電極パッド４１８Ｐに連結されている。すなわち、第二上部連結電極４１８Ａは、第二上部電極４１８から＋Ｘ方向に引き出され、第二上部引出線４１８Ｂに連結している。第二上部引出線４１８Ｂは、Ｙ方向に沿って端子領域Ａｒ２まで引き出され、第二上部電極パッド４１８Ｐに連結する。
【００３６】
（封止板、音響整合層、及び音響レンズの構成）
封止板４２は、素子基板４１の強度を補強するために設けられ、例えば４２アロイ等の金属板や、半導体基板等により構成され、素子基板４１に接合されている。封止板４２の材質や厚みは、超音波トランスデューサー４５の周波数特性に影響を及ぼすため、送受信する超音波の中心周波数に基づいて設定することが好ましい。
【００３７】
音響整合層４３は、図４に示すように、素子基板４１の封止板４２とは反対側の面に設けられている。具体的には、音響整合層４３は、素子基板４１と音響レンズ４４との間に充填され、かつ、基板本体部４１１の表面から所定の厚み寸法で形成される。
音響レンズ４４は、音響整合層４３上に設けられ、図１に示すように、筐体２１のセンサー窓２１Ｂから外部に露出する。この音響レンズ４４は、＋Ｚ側の面がＹ方向（スライス方向）に沿って湾曲するシリンドリカル形状を有する。
【００３８】
これらの音響整合層４３や音響レンズ４４は、超音波トランスデューサー４５から送信された超音波を測定対象である生体に効率良く伝搬させ、また、生体内で反射した超音波を効率良く超音波トランスデューサー４５に伝搬させる。このため、音響整合層４３及び音響レンズ４４は、素子基板４１の超音波トランスデューサー４５の音響インピーダンスと、生体の音響インピーダンスとの中間の音響インピーダンスに設定されている。このような音響インピーダンスの素材としては、例えばシリコーン等を挙げることができる。
【００３９】
［超音波トランスデューサーの構成］
図６は、超音波トランスデューサーの断面を模式的に示す断面図である。
超音波トランスデューサー４５は、可撓膜４１２Ａと、可撓膜４１２Ａに設けられた圧電素子４１３と、を含み構成される。
可撓膜４１２Ａは、振動膜４１２における、基板本体部４１１の開口部４１１Ａを閉塞する部分である。可撓膜４１２Ａは、Ｚ方向から見た平面視において、開口部４１１Ａの開口形状に応じた平面形状を有する。つまり、可撓膜４１２Ａの固有振動数は、上記開口形状に応じた値となる。つまり、開口部４１１Ａの形状によって、超音波トランスデューサー４５によって送受信する超音波の周波数を調整することができる。
【００４０】
圧電素子４１３は、第一下部電極４１４と、第二下部電極４１５と、圧電膜４１６と、第一上部電極４１７と、第二上部電極４１８と、を含み構成される。これら各電極４１４，４１５，４１７，４１８は、圧電膜４１６に接し、かつ、互いに離間している。
【００４１】
第一下部電極４１４は、第一電極に相当し、Ｚ方向（圧電膜４１６の厚さ方向）に沿って見た平面視（以下、単に平面視とも称する）において、可撓膜４１２Ａの＋Ｚ側の面における圧電膜４１６と重なる位置に設けられる（図５参照）。本実施形態では、第一下部電極４１４は、図５に示すように略矩形状の平面形状を有し、＋Ｘ側の端面４１４Ｃは、第二下部電極４１５とＸ方向に所定寸法のギャップＧ１だけ離間している。なお、第一下部電極４１４は、第一下部電極線４１４Ａによって、Ｙ方向に沿って隣りあう他の超音波トランスデューサー４５の第一下部電極４１４と連結されている。
このような第一下部電極４１４は、例えば、Ｉｒ，Ｐｔ，ＩｒＯｘ，Ｔｉ，ＴｉＯｘ等の導電性の電極材料により形成される。この際、振動膜４１２の＋Ｚ側の表面を遷移金属酸化物であるＺｒＯ２により構成することにより、電極材料を振動膜４１２上に好適に密着させることができる。
【００４２】
第二下部電極４１５は、第三電極に相当し、平面視において、可撓膜４１２Ａの＋Ｚ側の面における圧電膜４１６と重なる位置に設けられる（図５参照）。この第二下部電極４１５は、第一下部電極４１４と同様の材料で形成され、圧電膜４１６の中心を通りＹ方向に平行な仮想線Ｌに対して、第一下部電極４１４と略鏡像対称な関係を有する。第二下部電極４１５の−Ｘ側の端面４１５Ｃは、第一下部電極４１４の端面４１４ＣとＸ方向に所定寸法のギャップＧ１だけ離間している。なお、第二下部電極４１５は、第二下部電極線４１５Ａによって、Ｙ方向に沿って隣りあう他の超音波トランスデューサー４５の第二下部電極４１５と連結されている。
また、上記第一下部電極４１４と第二下部電極４１５とは、平面視において、圧電膜４１６を介して離間し、互いに絶縁されている。換言すると、上記第一下部電極４１４と第二下部電極４１５とは、平面視において、上記第一下部電極４１４と第二下部電極４１５との間に圧電膜４１６を挟んで離間し、互いに絶縁されている。
【００４３】
圧電膜４１６は、圧電体に相当し、平面視において開口部４１１Ａ内に位置し、第一下部電極４１４、第二下部電極４１５、及び可撓膜４１２Ａのいずれかの上に積層されている。圧電膜４１６は、例えば、ペロブスカイト構造を有する遷移金属酸化物、より具体的には、鉛（Ｐｂ）、チタン（Ｔｉ）及びジルコニウム（Ｚｒ）を含むチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いて形成される。この圧電膜４１６は、ＺｒとＴｉとの組成比が５２：４８となるように形成される。上記組成比となるように、ＰＺＴを成膜することにより、良好な圧電特性、すなわち特に高い圧電定数（ｅ定数）を有する圧電膜４１６を形成することができる。
【００４４】
第一上部電極４１７は、第二電極に相当し、圧電膜４１６の＋Ｚ側に設けられている。また、第一上部電極４１７は、平面視において、第一下部電極４１４と重なる位置に設けられている。すなわち、第一下部電極４１４と第一上部電極４１７とは、圧電膜４１６を介して所定寸法のギャップＧ２だけ離間し、平面視において重なっている。換言すると、第一下部電極４１４と第一上部電極４１７とは、第一下部電極４１４と第一上部電極４１７との間に圧電膜４１６を挟んで所定寸法のギャップＧ２だけ離間し、平面視において重なっている。本実施形態では、第一上部電極４１７は、図５に示すように略矩形状の平面形状を有し、＋Ｘ側の端面４１７Ｃは、第二上部電極４１８とＸ方向に所定寸法のギャップＧ１だけ離間している。この第一上部電極４１７は、第一下部電極４１４と同様の電極材料により形成されている。
なお、第一上部電極４１７は、第一上部連結電極４１７Ａ及び第一上部引出線４１７Ｂによって、Ｙ方向に沿って隣りあう他の超音波トランスデューサー４５の第一上部電極４１７及び第一上部電極パッド４１７Ｐと連結されている。
【００４５】
第二上部電極４１８は、第四電極に相当し、圧電膜４１６の＋Ｚ側に設けられている。また、第二上部電極４１８は、平面視において、第二下部電極４１５の少なくとも一部と重なる位置に設けられている。すなわち、第二下部電極４１５と第二上部電極４１８とは、圧電膜４１６を介して所定寸法のギャップＧ２だけ離間し、平面視において重なっている。換言すると、第二下部電極４１５と第二上部電極４１８とは、第二下部電極４１５と第二上部電極４１８との間に圧電膜４１６を挟んで所定寸法のギャップＧ２だけ離間し、平面視において重なっている。本実施形態では、第二上部電極４１８は、図５に示すように略矩形状の平面形状を有し、−Ｘ側の端面４１８Ｃは、第一上部電極４１７の端面４１７ＣとＸ方向に所定寸法のギャップＧ１だけ離間している。この第二上部電極４１８は、第一下部電極４１４と同様の電極材料により形成されている。
なお、第二上部電極４１８は、第二上部連結電極４１８Ａ及び第二上部引出線４１８Ｂによって、Ｙ方向に沿って隣りあう他の超音波トランスデューサー４５の第二上部電極４１８及び第二上部電極パッド４１８Ｐと連結されている。
また、上記第一上部電極４１７と第二上部電極４１８とは、平面視において、離間し、互いに絶縁されている。
【００４６】
本実施形態において、第一下部電極４１４と第二上部電極４１８との距離は、第二下部電極４１５の−Ｘ側の端面４１５Ｃと第一下部電極４１４の端面４１４ＣとのギャップＧ１の寸法（距離）より大きい。また、第一下部電極４１４と第二上部電極４１８との距離は、第一下部電極４１４と第一上部電極４１７とのギャップＧ２の寸法（距離）より大きい。
より好適には、上記条件を満たすとともに、第一下部電極４１４の端面４１４Ｃは、第一上部電極４１７の端面４１７Ｃと平面視において重なっている。なお、端面４１４Ｃと端面４１７Ｃとが重なるとは、上記条件を満たす構成であれば製造上の誤差を許容するものである。
このような構成とすることで、意図しない電極同士の短絡（例えば、第一下部電極４１４と第二上部電極４１８との短絡）が生じる恐れを低減できる。
【００４７】
また、本実施形態において、第二下部電極４１５と第一上部電極４１７との距離は、第二下部電極４１５の−Ｘ側の端面４１５Ｃと第一下部電極４１４の端面４１４ＣとのギャップＧ１の寸法（距離）より大きい。また、第二下部電極４１５と第一上部電極４１７との距離は、第二下部電極４１５と第二上部電極４１８とのギャップＧ２の寸法（距離）より大きい。
より好適には、上記条件を満たすとともに、第二下部電極４１５の端面４１５Ｃは、第二上部電極４１８の端面４１８Ｃと平面視において重なっている。なお、端面４１５Ｃと端面４１８Ｃとが重なるとは、上記条件を満たす構成であれば製造上の誤差を許容するものである。
このような構成とすることで、意図しない電極同士の短絡（例えば、第二下部電極４１５と第一上部電極４１７との短絡）が生じる恐れを低減できる。
【００４８】
上述の超音波トランスデューサー４５は、超音波を送信する場合、第一下部電極４１４と第二下部電極４１５と、及び、第一上部電極４１７と第二上部電極４１８とが短絡された状態で、第一下部電極４１４と第一上部電極４１７との間、及び第二下部電極４１５と第二上部電極４１８との間に電圧が印加される。
また、超音波トランスデューサー４５は、超音波を受信する場合、第一下部電極４１４と第一上部電極４１７と、及び、第二下部電極４１５と第二上部電極４１８とが短絡された状態で、第一下部電極４１４と第二下部電極４１５との間、及び、第一上部電極４１７と第二上部電極４１８との間に発生する電位差に応じた電気信号を出力する。
【００４９】
［回路基板の構成］
回路基板２３は、各超音波トランスデューサー４５を制御するためのドライバ回路等が設けられ、例えばＦＰＣ（Flexible Printed Circuits）等の配線部材（図示省略）を介して超音波デバイス２２が接合される。この回路基板２３は、図２に示すように、スイッチ回路２３１、選択回路２３２、送信回路２３３、受信回路２３４、及び分極回路２３５を備えている。
【００５０】
（選択回路、送信回路、受信回路の構成）
選択回路２３２は、スイッチ回路２３１を介して超音波センサー２４に接続され、制御装置１０の制御に基づいて、超音波センサー２４と送信回路２３３とを接続する送信接続、及び超音波センサー２４と受信回路２３４とを接続する受信接続を切り替える。
送信回路２３３は、制御装置１０の制御により送信接続に切り替えられた際に、選択回路２３２を介して超音波センサー２４に超音波を発信させる旨の送信信号を出力する。
受信回路２３４は、制御装置１０の制御により受信接続に切り替えられた際に、選択回路２３２を介して超音波センサー２４から入力された受信信号を制御装置１０に出力する。受信回路２３４は、例えば低雑音増幅回路、電圧制御アッテネーター、プログラマブルゲインアンプ、ローパスフィルター、Ａ／Ｄコンバーター等を含んで構成されており、受信信号のデジタル信号への変換、ノイズ成分の除去、所望信号レベルへの増幅等の各信号処理を実施した後、処理後の受信信号を制御装置１０に出力する。
【００５１】
（スイッチ回路の構成）
スイッチ回路２３１は、切替部に相当し、複数の超音波トランスデューサー群４５Ａの各電極パッド４１４Ｐ，４１５Ｐ，４１７Ｐ，４１８Ｐのそれぞれに接続されている。このスイッチ回路２３１は、制御装置１０の制御に基づいて、各超音波トランスデューサー群４５Ａについて、超音波の送信時に対応する第一接続状態と、超音波の受信時に対応する第二接続状態と、を切り替え可能に構成されている。
具体的には、スイッチ回路２３１は、第一接続状態において、第一下部電極パッド４１４Ｐ及び第二下部電極パッド４１５Ｐを接続し、かつ、第一上部電極パッド４１７Ｐ及び第二上部電極パッド４１８Ｐを接続する。また、スイッチ回路２３１は、第二接続状態において、第一下部電極パッド４１４Ｐ及び第一上部電極パッド４１７Ｐを接続し、かつ、第二下部電極パッド４１５Ｐ及び第二上部電極パッド４１８Ｐを接続する。
【００５２】
（超音波送信時の第一接続状態）
図７は、第一接続状態における超音波トランスデューサー４５の各電極４１４，４１５，４１７，４１８の接続状態を模式的に示す図である。
スイッチ回路２３１は、超音波の送信時に、制御装置１０の制御に基づいて、図７に示す第一接続状態に切り替える。この第一接続状態では、スイッチ回路２３１は、第一下部電極パッド４１４Ｐ及び第二下部電極パッド４１５Ｐを接続し、かつ、第一上部電極パッド４１７Ｐ及び第二上部電極パッド４１８Ｐを接続する。これにより、超音波トランスデューサー４５の第一下部電極４１４及び第二下部電極４１５が短絡され、第一上部電極４１７及び第二上部電極４１８が短絡される。
【００５３】
なお、本実施形態では、各超音波トランスデューサー群４５Ａの第二上部電極パッド４１８Ｐは、例えばグラウンド回路等に接続されており、所定の共通電位（例えば０電位）に設定される。つまり、第二上部電極４１８は、接続状態に関わらず共通電位に設定された共通電極（ＣＯＭ電極）として機能する。
また、各超音波トランスデューサー群４５Ａの第一下部電極パッド４１４Ｐは、スイッチ回路２３１を介して選択回路２３２に接続され、超音波の送信時は、送信回路２３３から送信信号が入力され、超音波の受信時は、受信信号を受信回路２３４に出力する。つまり、第一下部電極４１４は、接続状態に関わらず送信信号の入力や、受信信号の出力を行うための信号電極（ＳＩＧ電極）として機能する。
【００５４】
図７に示す第一接続状態では、第一上部電極４１７及び第二上部電極４１８がＣＯＭ電極として機能し、第一下部電極４１４及び第二下部電極４１５がＳＩＧ電極として機能する。つまり、第一下部電極４１４及び第二下部電極４１５に所定周波数の矩形波電圧が印加されることで、第一下部電極４１４と第一上部電極４１７との間、及び、第二下部電極４１５と第二上部電極４１８との間に電位差が生じ、圧電膜４１６が、面内方向に伸縮する。圧電膜４１６の可撓膜４１２Ａ側と、反対側とでは伸縮量が異なり、この差によって圧電膜４１６が膜厚方向に変位して振動する。この圧電膜４１６の振動により、可撓膜４１２Ａが振動し、超音波が送出される。
【００５５】
（超音波受信時の第二接続状態）
図８は、第二接続状態における超音波トランスデューサー４５の各電極４１４，４１５，４１７，４１８の接続状態を模式的に示す図である。
スイッチ回路２３１は、超音波の受信時に、制御装置１０の制御に基づいて、図８に示す第二接続状態に切り替える。この第二接続状態では、スイッチ回路２３１は、第一下部電極パッド４１４Ｐ及び第一上部電極パッド４１７Ｐを接続し、かつ、第二下部電極パッド４１５Ｐ及び第二上部電極パッド４１８Ｐを接続する。これにより、超音波トランスデューサー４５の第一下部電極４１４及び第一上部電極４１７が短絡され、第二下部電極４１５及び第二上部電極４１８が短絡される。
【００５６】
図８に示す第二接続状態では、第二下部電極４１５及び第二上部電極４１８がＣＯＭ電極として機能し、第一下部電極４１４及び第一上部電極４１７がＳＩＧ電極として機能する。つまり、超音波により可撓膜４１２Ａが振動されると、当該振動に応じた電位差が圧電膜４１６に発生し、第一下部電極４１４と第二下部電極４１５との間、及び、第一上部電極４１７と第二上部電極４１８との間に、電位差が生じる。この電位差に応じて第一下部電極４１４及び第一上部電極４１７から出力された電気信号が、受信回路２３４を介して制御装置１０に入力されることにより、超音波が検出される。
【００５７】
ここで、図８に示す第二接続状態では、第一下部電極４１４と第一上部電極４１７との間で構成されたキャパシターと、第二下部電極４１５と第二上部電極４１８との間で構成されたキャパシターとが、並列に接続されている。このため、超音波トランスデューサー４５から、第一下部電極４１４及び第一上部電極４１７の間の電位差と、第二下部電極４１５及び第二上部電極４１８の間の電位差との和に相当する電気信号が出力され、超音波トランスデューサー４５の超音波の検出感度が向上する。
なお、超音波トランスデューサー群４５Ａの各超音波トランスデューサー４５も並列に接続されている。このため、超音波トランスデューサー群４５Ａから、各超音波トランスデューサー４５の各キャパシターに生じた電位差の和に相当する電気信号が出力され、超音波トランスデューサー群４５Ａの検出感度が向上する。
【００５８】
（分極回路の構成）
分極回路２３５は、後述する分極制御部１４２による制御に基づいて、ＣＯＭ電極とＳＩＧ電極との間に電圧を印加し、圧電素子４１３の圧電膜４１６の分極処理を行う。
具体的には、分極回路２３５は、超音波の送信前に、圧電膜４１６の分極状態を超音波の送信に適した状態とする第一分極処理を行う。この第一分極処理では、分極回路２３５は、図７に示す第一接続状態において、第一下部電極４１４と第一上部電極４１７との間、及び、第二下部電極４１５と第二上部電極４１８との間に第一分極電圧を印加し、圧電膜４１６の分極処理を行う。
【００５９】
また、分極回路２３５は、超音波の受信前に、圧電膜４１６の分極状態を超音波の受信に適した状態とする第二分極処理を行う。この第二分極処理では、分極回路２３５は、図８に示す第二接続状態において、第一下部電極４１４と第二下部電極４１５との間、及び、第一上部電極４１７と第二上部電極４１８との間に、第二分極電圧を印加し、圧電膜４１６の分極処理を行う。
【００６０】
［制御装置の構成］
制御装置１０は、図２に示すように、例えば、操作部１１と、表示部１２と、記憶部１３と、制御部１４と、を備えて構成されている。この制御装置１０は、例えば、タブレット端末やスマートフォン、パーソナルコンピューター等の端末装置を用いてもよく、超音波プローブ２を操作するための専用端末装置であってもよい。
操作部１１は、ユーザーが超音波装置１を操作するためのＵＩ（user interface）であり、例えば表示部１２上に設けられたタッチパネルや、操作ボタン、キーボード、マウス等により構成することができる。
表示部１２は、例えば液晶ディスプレイ等により構成され、画像を表示させる。
記憶部１３は、超音波装置１を制御するための各種プログラムや各種データを記憶する。
制御部１４は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算回路や、メモリー等の記憶回路により構成されている。そして、制御部１４は、記憶部１３に記憶された各種プログラムを読み込み実行することで、切替制御部１４１、分極制御部１４２、及び送受信制御部１４３として機能し、超音波センサー２４を制御する。
【００６１】
切替制御部１４１は、スイッチ回路２３１を制御し、超音波の送信時には第一接続状態に切り替え、超音波の受信時には第二接続状態に切り替える。
分極制御部１４２は、選択回路２３２及び分極回路２３５を制御して、圧電膜４１６の分極処理を行う。すなわち、分極制御部１４２は、選択回路２３２を制御して、スイッチ回路２３１と分極回路２３５とを接続させる。また、分極制御部１４２は、分極回路２３５を制御し、超音波の送信前に第一分極処理を行い、超音波の受信前に第二分極処理を行う。
送受信制御部１４３は、超音波の送信及び受信を制御する。送受信制御部１４３は、例えば、選択回路２３２を制御して、超音波の送信時にスイッチ回路２３１と送信回路２３３とを接続させ、超音波の受信時にはスイッチ回路２３１と受信回路２３４と接続させる。また、送受信制御部１４３は、送信回路２３３に対して送信信号の生成及び出力処理の制御を行い、受信回路２３４に対して受信信号の周波数設定やゲイン設定などの制御を行う。
【００６２】
［超音波装置における超音波測定処理］
図９は、超音波装置１における超音波測定処理の一例を示すフローチャートである。
制御部１４は、例えば操作部１１による入力操作等の測定開始指示を受け付けると、超音波測定処理を開始する。
先ず、切替制御部１４１は、スイッチ回路２３１を制御して、接続状態を第一接続状態（図７参照）に切り替える（ステップＳ１）。
第一接続状態では、第一下部電極パッド４１４Ｐ及び第二下部電極パッド４１５Ｐが短絡され、第一上部電極パッド４１７Ｐ及び第二上部電極パッド４１８Ｐが短絡される。
【００６３】
次に、分極制御部１４２は、選択回路２３２及び分極回路２３５を制御して、第一分極処理を行う（ステップＳ２）。
分極制御部１４２は、選択回路２３２を制御し、スイッチ回路２３１と分極回路２３５とを接続させる。また、分極制御部１４２は、分極回路２３５を制御し、第一下部電極４１４と第一上部電極４１７との間、及び、第二下部電極４１５と第二上部電極４１８との間に第一分極電圧を印加し、圧電膜４１６の分極処理を行う。
【００６４】
次に、送受信制御部１４３は、超音波の送信処理を行う（ステップＳ３）。
送受信制御部１４３は、選択回路２３２を制御して、スイッチ回路２３１と送信回路２３３とを接続させる。そして、送受信制御部１４３は、送信回路２３３に対して送信信号の生成及び出力処理の制御を行う。送信信号が入力された超音波トランスデューサー４５では、第一下部電極４１４と第一上部電極４１７との間、及び、第二下部電極４１５と第二上部電極４１８との間に生じた電位差により圧電膜４１６が振動し、この圧電膜４１６の振動により可撓膜４１２Ａが振動して、超音波が送出される。
【００６５】
先ず、切替制御部１４１は、スイッチ回路２３１を制御して、接続状態を第二接続状態（図８参照）に切り替える（ステップＳ４）。第二接続状態では、超音波トランスデューサー４５の第一下部電極４１４及び第一上部電極４１７が短絡され、第二下部電極４１５及び第二上部電極４１８が短絡される。
【００６６】
次に、分極制御部１４２は、選択回路２３２及び分極回路２３５を制御して、第二分極処理を行う（ステップＳ５）。
分極制御部１４２は、選択回路２３２を制御し、スイッチ回路２３１と分極回路２３５とを接続させる。また、分極制御部１４２は、第一下部電極４１４と第二下部電極４１５との間、及び、第一上部電極４１７と第二上部電極４１８との間に、第二分極電圧を印加し、圧電膜４１６の分極処理を行う。
【００６７】
ここで、本実施形態では、第一下部電極４１４及び第一上部電極４１７の間のギャップＧ２（図６参照）の寸法よりも、第一下部電極４１４及び第二下部電極４１５（第一上部電極４１７及び第二上部電極４１８）の間のギャップＧ１の寸法の方が大きく、圧電膜４１６の圧電特性を十分に高めるためには、第一分極電圧よりも大きい第二分極電圧が必要となる。この第二分極電圧は、各超音波トランスデューサー４５の第一下部電極４１４及び第二下部電極４１５（第一上部電極４１７及び第二上部電極４１８）の間に、１０ｋＶ／ｃｍ以上の電界が加わるように設定されている。
なお、本実施形態では、第一下部電極４１４及び第二下部電極４１５（第一上部電極４１７及び第二上部電極４１８）の間の距離は、例えば６μｍであり、第二分極電圧として３０Ｖが印加される。したがって、各超音波トランスデューサー４５の圧電膜４１６に５００ｋＶ／ｃｍの電界が印加されることになる。
【００６８】
次に、送受信制御部１４３は、超音波の受信処理を行う（ステップＳ６）。
送受信制御部１４３は、選択回路２３２を制御して、スイッチ回路２３１と受信回路２３４とを接続させる。上述のように、超音波による可撓膜４１２Ａ及び圧電膜４１６の振動によって、第一下部電極４１４と第二下部電極４１５との間、及び、第一上部電極４１７と第二上部電極４１８との間に生じた電位差に応じた電気信号が、超音波トランスデューサー４５（超音波トランスデューサー群４５Ａ）から受信回路２３４に出力される。受信回路２３４は、受信信号に各種処理を施したのち、制御装置１０に出力する。このようにして、超音波トランスデューサー４５を用いて超音波が検出される。
【００６９】
制御装置１０の制御部１４は、超音波の検出結果に基づいて、内部断層画像を取得したり、生体内の器官の状態（例えば血流等）を測定したりする。このように構成された超音波装置１は、測定処理の終了指示を受けるまで、ステップＳ１からステップＳ６を繰り返し実施する。
【００７０】
［第一実施形態の作用効果］
本実施形態の超音波トランスデューサー４５は、圧電素子４１３は、圧電膜４１６と、当該圧電膜４１６に接し、互いに離間する第一下部電極４１４、第二下部電極４１５、第一上部電極４１７、及び第二上部電極４１８と、を有している。これらのうち第一下部電極４１４と第一上部電極４１７とは、圧電膜４１６を介して（挟んで）離間し、かつ、圧電膜４１６の厚さ方向から見た平面視において重なっている。また、第二下部電極４１５と第二上部電極４１８とは、圧電膜４１６を介して（挟んで）離間し、かつ、平面視において重なっている。また、Ｘ方向に沿って、第一下部電極４１４と第二下部電極４１５とは離間し、第一上部電極４１７と第二上部電極４１８とは離間している。
このように構成された超音波トランスデューサー４５では、第一下部電極４１４及び第一上部電極４１７（第二下部電極４１５及び第二上部電極４１８）との間の距離（つまりギャップＧ２）を小さくしつつ、第一下部電極４１４及び第二下部電極４１５（第一上部電極４１７及び第二上部電極４１８）との間の距離（つまりギャップＧ１）を大きくすることができる。これにより、超音波トランスデューサー４５の送信出力及び受信感度を同時に向上させることができる。
【００７１】
つまり、超音波トランスデューサー４５を用いて超音波を送信する際に、回路基板２３のスイッチ回路２３１により、各電極接続状態を送信時に対応する第一接続状態に切り替え、第一下部電極４１４と第一上部電極４１７との間、及び第二下部電極４１５と第二上部電極４１８との間に電圧を印加することにより、圧電膜４１６の厚み方向に沿った電界を圧電膜４１６に印加する。ここで、電極間の印加電圧に対して、圧電膜４１６の歪み量は、電極間の距離に反比例する。このため、第一下部電極４１４及び第一上部電極４１７（第二下部電極４１５及び第二上部電極４１８）の間の距離（ギャップＧ２）を小さくすることにより、超音波トランスデューサー４５の送信出力を増大させることができる。
【００７２】
一方、超音波を受信する際に、回路基板２３のスイッチ回路２３１により、各電極接続状態を受信時に対応する第二接続状態に切り替え、圧電膜４１６の歪量に応じて第一下部電極４１４と第二下部電極４１５との間に生じた電位差（第一上部電極４１７と第二上部電極４１８との間に生じた電位差）が電気信号として出力される。ここで、圧電体の歪量に対して、電極間の電位差は、電極間の距離に比例する。このため、第一下部電極４１４及び第二下部電極４１５（第一上部電極４１７及び第二上部電極４１８）の間の距離（ギャップＧ１）を大きくすることにより、超音波トランスデューサー４５の受信感度を増大させることができる。
このように、本実施形態の超音波トランスデューサー４５では、ギャップＧ２を小さくして送信出力を増大させるとともに、ギャップＧ１を大きくして受信感度を増大させることができる。
【００７３】
第一接続状態において、電圧が印加される第一下部電極４１４の端面４１４Ｃと、第一上部電極４１７の端面４１７Ｃは、圧電膜４１６の厚み方向（Ｚ方向）から見た平面視において重なっている。このような構成では、第一下部電極４１４と第一上部電極４１７との重なり量を大きくすることができ、圧電膜４１６に効率良く電圧を印加させることができる。また、同様に、第二下部電極４１５の端面４１５Ｃと、第二上部電極４１８の端面４１８Ｃは、上記平面視において重なっているため、第二下部電極４１５と第二上部電極４１８との間に位置する圧電膜４１６に効率良く電圧を印加させることができる。したがって、超音波トランスデューサー４５の送信出力を向上させることができる。
【００７４】
また、第二接続状態では、超音波トランスデューサー４５と、当該超音波トランスデューサー４５に接続される外部回路（例えば回路基板２３に構成された各回路）との間でのインピーダンスマッチングを容易に行うことができる。つまり、上述の第二接続状態では、第一下部電極４１４と第二下部電極４１５とによって形成されたキャパシターと、第一上部電極４１７と第二上部電極４１８とによって形成されたキャパシターとが並列に接続されることとなる。このような構成では、超音波トランスデューサー４５の静電容量を大きくすることができる。これにより、回路基板２３等の外部回路が有する浮遊容量の影響を抑制でき、外部回路とのインピーダンスマッチングを容易に行うことができる。したがって、超音波トランスデューサー４５から出力される受信信号の損失を抑制でき、超音波の検出精度や受信感度を向上させることができる。
【００７５】
また、第二接続状態においてキャパシターを構成する第一下部電極４１４と第二下部電極４１５との間の距離は、同様にキャパシターを構成する第一上部電極４１７と第二上部電極４１８との間の距離と同じである。このような構成では、超音波を受信する際に、電極間の距離寸法が小さい方のキャパシターに電荷が集中することを抑制でき、各キャパシターをより均等に機能させることができる。したがって、超音波トランスデューサー４５の静電容量をより確実に増大させることができる。
【００７６】
また、第二接続状態においてキャパシターを構成する第一下部電極４１４と第二下部電極４１５とは、Ｘ方向に沿って圧電膜４１６の中央部を挟んで離間している。ここで、超音波を受信する際に、圧電膜４１６の歪みが外周部よりも大きい中央部を挟むように、第一下部電極４１４と第二下部電極４１５とが配置されている。このため、超音波を受信した際に、第一下部電極４１４と第二下部電極４１５との間の電位差を大きくすることができ、超音波の受信感度を向上させることができる。また、第一上部電極４１７及び第二上部電極４１８についても同様である。
【００７７】
第一下部電極４１４と第二上部電極４１８との距離は、第一下部電極４１４と第二下部電極４１５との間のギャップＧ１の寸法や、第一下部電極４１４と第一上部電極４１７との間のギャップＧ２の寸法よりも大きい。これにより、第一下部電極４１４と第二上部電極４１８との短絡を抑制できる。また、同様に、第二下部電極４１５と第一上部電極４１７との距離は、上記ギャップＧ１及びギャップＧ２の寸法よりも大きいため、第二下部電極４１５と第一上部電極４１７との短絡を抑制できる。
【００７８】
また、本実施形態では、スイッチ回路２３１によって、超音波トランスデューサー４５の各電極の接続状態を第一接続状態と第二接続状態との間で切り替え可能に構成されている。このような構成では、超音波トランスデューサー４５を駆動する際に、切替制御部１４１によってスイッチ回路２３１を制御して、第一接続状態と第二接続状態とを切り替えることにより、超音波の送信時と受信時とで各電極の接続状態を適切に設定することができる。
【００７９】
また、スイッチ回路２３１を備えることにより、制御部１４の処理負荷を低減させることができる。例えば、本実施形態では、超音波を送信する際に、切替制御部１４１によって、スイッチ回路２３１を第一接続状態に切り替える。これにより、送受信制御部１４３は、ＳＩＧ電極である各下部電極４１４，４１５に共通の駆動信号を出力させるように送信回路２３３を制御すればよく、各下部電極４１４，４１５を個別に駆動する必要がある場合と比べて、処理負荷が低減される。また、超音波を受信する際も同様に、ＳＩＧ電極である第一下部電極４１４と第一上部電極４１７とから出力される信号を個別に検出する必要がなく、処理負荷が低減される。
さらに、スイッチ回路２３１によって入出力される信号数を低減させることができ、選択回路２３２、送信回路２３３及び受信回路２３４の構成を簡略化できる。
【００８０】
本実施形態では、圧電膜４１６に分極電圧を印加する分極回路２３５を備える。そして、分極制御部１４２は、分極回路２３５を制御して、スイッチ回路２３１が第一接続状態に切り替えられた後で、かつ、超音波を送信する前に第一分極処理を実施する。第一分極処理では、第一下部電極４１４と第一上部電極４１７との間、及び、第二下部電極４１５と第二上部電極４１８との間に配置された圧電膜４１６に対して厚み方向の電場を印加する。これにより、圧電膜４１６の分極状態を、超音波の送信に適した状態とすることができる。この第一分極処理を超音波の送信前に実施することにより、超音波トランスデューサー４５の送信出力を一層向上させることができ、ひいては超音波装置１における超音波測定の測定精度を一層向上させることができる。
【００８１】
また、分極制御部１４２は、分極回路２３５を制御して、スイッチ回路２３１が第二接続状態に切り替えられた後で、かつ、超音波を受信する前に第二分極処理を実施する。第二分極処理では、圧電膜４１６の厚み方向から見た平面視において、第一下部電極４１４と第二下部電極４１５との間、及び、第一上部電極４１７と第二上部電極４１８との間に配置された圧電膜４１６に対して厚み方向と交差する方向に（Ｘ方向）沿った電場を印加する。これにより、圧電膜４１６の分極状態を、超音波の受信に適した状態とすることができる。この第二分極処理を超音波の受信前に実施することにより、超音波トランスデューサー４５の受信感度を一層向上させることができ、ひいては超音波装置１における超音波測定の測定精度を一層向上させることができる。
【００８２】
本実施形態では、超音波アレイＡＬは、複数の超音波トランスデューサー４５を備え構成される。上述のように超音波トランスデューサー４５は、超音波の送信感度及び受信感度を向上させることができるため、超音波の送信及び受信のいずれにも好適に用いることができる。したがって、送信専用の超音波トランスデューサーと、受信専用の超音波トランスデューサーとを備える超音波アレイと比べて、単位面積当たりの送信用及び受信用のそれぞれの超音波トランスデューサーの数を増大させることができ、超音波の送信出力及び受信感度を向上させることが容易である。
【００８３】
また、超音波アレイＡＬは、複数の超音波トランスデューサー４５がＹ方向に沿って配置され互いに接続されて一つの送受信チャンネルを構成する超音波トランスデューサー群４５Ａを複数備える。超音波トランスデューサー群４５Ａでは、第二接続状態において、各超音波トランスデューサー４５の第一下部電極４１４及び第二下部電極４１５によって形成されるキャパシターが並列に接続される。また、第一上部電極４１７及び第二上部電極４１８によって形成されるキャパシターも並列に接続される。したがって、一つの超音波トランスデューサー４５によって一つの送受信チャンネルが構成される場合と比べて、第二接続状態における一つの送受信チャンネルの静電容量を増大させることができ、外部回路とのインピーダンスマッチングを容易に行うことができる。
【００８４】
［第二実施形態］
次に、第二実施形態について説明する。
上記第一実施形態では、超音波トランスデューサー４５は、可撓膜４１２Ａ上に第一下部電極４１４及び第二下部電極４１５が配置され、圧電膜４１６上に第一上部電極４１７及び第二上部電極４１８が対向して配置されていた。これに対して、第二実施形態では、第一下部電極４１４及び第二下部電極４１５の間に第三下部電極が配置され、第一上部電極４１７及び第二上部電極４１８の間に第三上部電極が配置される点で相違する。
以下、本実施形態に係る受信用トランスデューサーについて説明する。なお、以降の説明にあたり、第一実施形態と同様の構成については、同符号を付し、その説明を省略又は簡略化する。
【００８５】
図１０は、音響レンズ４４側から見た超音波トランスデューサー４６を模式的に示す平面図である。また、図１１は、超音波トランスデューサー４６の断面を模式的に示す断面図である。また、図１２は、超音波トランスデューサー４６に含まれる各電極と各電極に対応する電極パッドとの関係を模式的に示す図である。
超音波トランスデューサー４６は、可撓膜４１２Ａと、可撓膜４１２Ａに設けられた圧電素子４１３Ａと、を含み構成される。本実施形態においても、Ｙ方向に沿って配置された複数の超音波トランスデューサー４６によって、１つの送受信チャンネルを構成する超音波トランスデューサー群が構成される。また、複数の超音波トランスデューサー群がＸ方向に沿って配置され、超音波アレイＡＬを構成する。
【００８６】
本実施形態では、図１０及び図１１に示すように、圧電素子４１３Ａは、第一下部電極４１４と、第二下部電極４１５と、圧電膜４１６と、第一上部電極４１７と、第二上部電極４１８と、に加え、第三下部電極４６１と、第三上部電極４６２と、を含み構成される。これら各電極４１４，４１５，４１７，４１８，４６１，４６２は、圧電膜４１６に接し、かつ、互いに離間している。
【００８７】
第三下部電極４６１は、第五電極に相当し、図１０に示すように、Ｚ方向に沿って見た平面視において、可撓膜４１２Ａの＋Ｚ側の面に圧電膜４１６と重なる位置に設けられている。また、第三下部電極４６１は、図１０に示すように、略矩形状の平面形状を有し、圧電膜４１６の中央位置を通りＹ方向に平行な仮想線Ｌと重なる位置に配置されている。また、図１１に示すように、第三下部電極４６１の−Ｘ側の端面４６１Ｂは、第一下部電極４１４の＋Ｘ側の端面４１４ＣとＸ方向に所定寸法のギャップＧ３だけ離間している。また、第三下部電極４６１の＋Ｘ側の端面４６１Ｃは、第二下部電極４１５の−Ｘ側の端面４１５ＣとＸ方向に所定寸法のギャップＧ３だけ離間している。
【００８８】
また、第三下部電極４６１は、第一下部電極４１４等と同様に、第三下部電極線４６１Ａによって、Ｙ方向に沿って隣りあう他の超音波トランスデューサー４６の第三下部電極４６１と連結されている。なお、図示を省略するが、超音波トランスデューサー群のＹ方向における両端に配置された超音波トランスデューサー４６の第三下部電極４６１は、第三下部電極引出線（図示略）によって端子領域Ａｒ２に形成された第三下部電極パッド４６１Ｐ（図１２参照）に連結されている。
【００８９】
第三上部電極４６２は、第六電極に相当し、図１０に示すように、Ｚ方向に沿って見た平面視において、圧電膜４１６の＋Ｚ側の面における、第三下部電極４６１と重なる位置に設けられている。すなわち、第三下部電極４６１と第三上部電極４６２とは、圧電膜４１６を介して（挟んで）離間し、平面視において重なっている。この第三上部電極４６２の−Ｘ側の端面４６２Ｂは、第一上部電極４１７の＋Ｘ側の端面４１７ＣとＸ方向に所定寸法のギャップＧ３だけ離間している。また、第三上部電極４６２の＋Ｘ側の端面４６２Ｃは、第二上部電極４１８の−Ｘ側の端面４１８ＣとＸ方向に所定寸法のギャップＧ３だけ離間している。
【００９０】
また、第三上部電極４６２は、第三下部電極４６１と同様に、第三上部電極線４６２Ａによって、Ｙ方向に沿って隣りあう他の超音波トランスデューサー４６の第三上部電極４６２と連結されている。なお、図示を省略するが、超音波トランスデューサー群のＹ方向における両端に配置された超音波トランスデューサー４６の第三上部電極４６２は、第三下部電極引出線（図示略）によって端子領域Ａｒ２に形成された第三上部電極パッド４６２Ｐ（図１２参照）に連結されている。
【００９１】
このように構成された超音波トランスデューサー４６は、図１２に示す各電極パッド４１４Ｐ，４１５Ｐ，４１７Ｐ，４１８Ｐ，４６１Ｐ，４６２Ｐを介して、回路基板２３のスイッチ回路２３１に接続されている。本実施形態においても、スイッチ回路２３１は、各電極パッド４１４Ｐ，４１５Ｐ，４１７Ｐ，４１８Ｐの接続を、超音波の送信時に対応する第一接続状態と、超音波の受信時に対応する第二接続状態と、の間で切り替える。
【００９２】
具体的には、超音波の送信時に対応する第一接続状態では、スイッチ回路２３１は、第一下部電極パッド４１４Ｐ、第二下部電極パッド４１５Ｐ、及び第三下部電極パッド４６１Ｐを接続する。これにより、各下部電極４１４，４１５，４６１が短絡される。ここで、本実施形態では、第三下部電極４６１は、接続状態に関わらずＳＩＧ電極として機能するように配線されている。つまり、第一接続状態では、互いに短絡された各下部電極４１４，４１５，４６１が、ＳＩＧ電極として機能する。
【００９３】
また、第一接続状態では、スイッチ回路２３１は、第一上部電極パッド４１７Ｐ、第二上部電極パッド４１８Ｐ、及び第三上部電極パッド４６２Ｐを接続する。これにより、上部電極４１７，４１８，４６２が短絡される。ここで、本実施形態では、第一上部電極４１７及び第二上部電極４１８は、接続状態に関わらずＣＯＭ電極として機能するように配線されている。つまり、互いに短絡された各上部電極４１７，４１８，４６２が、ＣＯＭ電極として機能する。
この第一接続状態において、第一下部電極４１４と第一上部電極４１７との間、第二下部電極４１５と第二上部電極４１８との間、及び、第三下部電極４６１と第三上部電極４６２との間に電圧を印加することにより、圧電素子４１３Ａが駆動され、超音波が送出される。
【００９４】
一方、超音波の受信時に対応する第二接続状態では、スイッチ回路２３１は、第一下部電極パッド４１４Ｐ、第二下部電極パッド４１５Ｐ、第一上部電極パッド４１７Ｐ、及び第二上部電極パッド４１８Ｐを接続する。つまり、第二接続状態では、第一下部電極４１４、第二下部電極４１５、第一上部電極４１７、及び第二上部電極４１８は、互いに短絡され、ＣＯＭ電極として機能する。
また、第二接続状態では、スイッチ回路２３１は、第三下部電極パッド４６１Ｐ及び第三上部電極パッド４６２Ｐを接続する。つまり、第二接続状態では、第三下部電極４６１及び第三上部電極４６２は、短絡され、ＳＩＧ電極として機能する。
この第二接続状態において、第一下部電極４１４（第二下部電極４１５）と第三下部電極４６１との間の電位差（つまり、第一上部電極４１７（第二上部電極４１８）と第三上部電極４６２との間の電位差）に応じた信号が、受信回路２３４に出力される。
【００９５】
なお、本実施形態では、第二接続状態において、第一下部電極４１４、第二下部電極４１５、第一上部電極４１７、及び第二上部電極４１８をＣＯＭ電極とし、第三下部電極４６１及び第三上部電極４６２をＳＩＧ電極として機能させるようにスイッチ回路２３１を構成したが、これに限定されない。例えば、第一下部電極４１４、第二下部電極４１５、第一上部電極４１７、及び第二上部電極４１８をＳＩＧ電極とし、第三下部電極４６１及び第三上部電極４６２をＣＯＭ電極として機能させるように、スイッチ回路２３１を構成してもよい。
【００９６】
［第二実施形態の作用効果］
本実施形態では、圧電素子４１３Ａは、平面視において、互いに重なる第三下部電極４６１及び第三上部電極４６２を有し、第三下部電極４６１は、第一下部電極４１４と第二下部電極４１５との間に位置し、第三上部電極４６２は、第一上部電極４１７と第二上部電極４１８との間に位置する。
また、スイッチ回路２３１は、超音波を受信する際に、第一下部電極４１４と第一上部電極４１７と第二下部電極４１５と第二上部電極４１８とを短絡し、さらに、第三下部電極４６１と第三上部電極４６２とを短絡する第二接続状態に切り替える。これにより、第一下部電極４１４及び第三下部電極４６１によるキャパシターと、第二下部電極４１５及び第三下部電極４６１によるキャパシターと、第一上部電極４１７及び第三上部電極４６２によるキャパシターと、第二上部電極４１８及び第三上部電極４６２によるキャパシターと、を並列に接続とすることができる。したがって、上記キャパシターが並列に接続されていない構成と比べて、超音波トランスデューサー４６の静電容量を増大させることができ、外部回路とのインピーダンスマッチングをより容易に行うことができる。
【００９７】
また、スイッチ回路２３１は、超音波を送信する際に、各下部電極４１４，４１５，４６１を短絡し、各上部電極４１７，４１８，４６２を短絡する第二接続状態に切り替える。ここで、第三下部電極４６１及び第三上部電極４６２は、Ｚ方向から見て、圧電膜４１６の中央部に配置されている。したがって、超音波を送信する際に、圧電素子４１３Ａの中央部を駆動させることができ、超音波の送信出力を向上させることができる。
【００９８】
［変形例］
なお、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良、及び各実施形態を適宜組み合わせる等によって得られる構成は本発明に含まれるものである。
【００９９】
上記第二実施形態において、超音波トランスデューサー４６を用いて超音波を送信する場合、スイッチ回路２３１によって第一接続状態に切り替えた後、第一下部電極４１４及び第一上部電極４１７と、第二下部電極４１５及び第二上部電極４１８と、第三下部電極４６１及び第三上部電極４６２とのそれぞれの間に電圧を印加する構成を例示した。しかしながらこれに限定されない。例えば、超音波を送信する場合、第三下部電極４６１及び第三上部電極４６２との間のみに電圧を印加する構成としてもよい。
この場合、スイッチ回路２３１は、超音波の送信時に、第三下部電極４６１及び第三上部電極４６２が個別に選択回路２３２に接続する第一接続状態に切り替え、超音波の受信時に、第三下部電極４６１及び第三上部電極４６２が短絡する第二接続状態に切り替えるように構成してもよい。
また、この場合、第一下部電極４１４、第一上部電極４１７、第二下部電極４１５、及び第二上部電極４１８をＣＯＭ電極として用いることができる。つまり、スイッチ回路２３１が、第一下部電極４１４、第一上部電極４１７、第二下部電極４１５、及び第二上部電極４１８を、送信時も受信時も短絡する構成を採用することができる。これにより、超音波トランスデューサー４６の駆動処理を簡略化でき、処理負荷の増大を抑制できる。
なお、超音波を送信する際に、第三下部電極４６１及び第三上部電極４６２のみに電圧を印加する上記変形例の構成と、各電極間に電圧を印加する第二実施形態の構成と、選択可能なようにスイッチ回路２３１を構成してもよい。
【０１００】
上記第二実施形態では、第一下部電極４１４と第二下部電極４１５との間、及び、第一上部電極４１７と第二上部電極４１８との間に、それぞれ一つの電極を備える構成を例示したが、これに限定されず、二以上の複数の電極が配置する構成を採用してもよい。
図１３は一変形例に係る超音波トランスデューサー４７の平面図である。
図１３に示す例では、超音波トランスデューサー４７は、可撓膜４１２Ａ上に圧電素子４１３Ｂが配置され構成されている。この圧電素子４１３Ｂでは、第一下部電極４１４及び第二下部電極４１５の間に、−Ｘ側から第三下部電極４６１と、第四下部電極４６３と、が順に配置されている。
各下部電極４１４，４１５，４６１，４６３は、平面視において、仮想線Ｌに対して略鏡面対称性を有するように配置されている。また、各下部電極４１４，４１５，４６１，４６３は、Ｘ方向に所定寸法のギャップＧ４を介して離間している。
第四下部電極４６３は、第三下部電極４６１と略同様に構成され、第四下部電極線４６３Ａによって、Ｙ方向に隣接する超音波トランスデューサー４７の第四下部電極４６３と接続されている。また、Ｙ方向に沿って配置された複数の超音波トランスデューサー４７によって構成された超音波トランスデューサー群における、Ｙ方向の両端に配置された超音波トランスデューサー４７では、第四下部電極４６３は、第四下部電極パッド（図示略）に接続される。
【０１０１】
また、第一上部電極４１７と第二上部電極４１８との間に、−Ｘ側から第三上部電極４６２と、第四上部電極４６４と、が順に配置されている。各上部電極４１７，４１８，４６２，４６４は、平面視において、仮想線Ｌに対して略鏡面対称性を有するように配置されている。また、各上部電極４１７，４１８，４６２，４６４は、Ｘ方向に所定寸法のギャップＧ４を介して離間している。
第四上部電極４６４は、第三上部電極４６２と略同様に構成され、第四上部電極線４６４Ａによって、Ｙ方向に隣接する超音波トランスデューサー４７の第四上部電極４６４と接続されている。また、超音波トランスデューサー群における、Ｙ方向の両端に配置された超音波トランスデューサー４７では、第四上部電極４６４は、第四上部電極パッド（図示略）に接続される。
【０１０２】
上述の超音波トランスデューサー４７を用いて超音波を送信する場合、例えば、スイッチ回路２３１は、各下部電極４１４，４１５，４６１，４６３を短絡し、かつ、各上部電極４１７，４１８，４６２，４６４を短絡する第一接続状態に切り替えるように構成される。この第一接続状態において、各下部電極４１４，４１５，４６１，４６３をＳＩＧ電極とし、各上部電極４１７，４１８，４６２，４６４をＣＯＭ電極として、Ｚ方向に重なるように配置された電極間に電圧を印加することにより、超音波トランスデューサー４７から超音波が送信される。
【０１０３】
また、超音波トランスデューサー４７を用いて超音波を受信する場合、例えば、スイッチ回路２３１は、第一下部電極４１４、第一上部電極４１７、第四下部電極４６３、及び第四上部電極４６４を短絡し、かつ、第二下部電極４１５、第二上部電極４１８、第三下部電極４６１、及び第三上部電極４６２を短絡する第二接続状態に切り替えるように構成される。この第二接続状態において、第一下部電極４１４、第一上部電極４１７、第四下部電極４６３、及び第四上部電極４６４をＳＩＧ電極とし、第二下部電極４１５、第二上部電極４１８、第三下部電極４６１、及び第三上部電極４６２をＣＯＭ電極として、圧電膜４１６の歪みに応じた電気信号を超音波トランスデューサー４７から出力させる。
【０１０４】
上述のように構成された超音波トランスデューサー４７では、第二接続状態において超音波トランスデューサー４７の静電容量をより確実に増大させることができる。
また、第一実施形態と同様に、第二接続状態においてキャパシターを構成する第三下部電極４６１と第四下部電極４６３とは、Ｘ方向に沿って圧電膜４１６の中央部を挟んで離間している。また、第三上部電極４６２及び第四上部電極４６４についても同様である。したがって、超音波を受信した際に、キャパシターを構成する第三下部電極４６１及び第四下部電極４６３の間と、第三上部電極４６２及び第四上部電極４６４の間の電位差を大きくすることができ、超音波の受信感度を向上させることができる。
【０１０５】
上記各実施形態では、各下部電極が、圧電膜４１６の可撓膜４１２Ａ側の面（−Ｚ側の面）に設けられ、各上部電極が、圧電膜４１６の可撓膜４１２Ａとは反対側の面（＋Ｚ側の面）に設けられる構成を例示したが、これに限定されない。例えば、各上部電極が、可撓膜４１２Ａの＋Ｚ側の面よりも−Ｚ側に設けられてもよい。このような構成では、圧電膜４１６の一部で上部電極を覆うことにより、上部電極の劣化を抑制できる。また、同様に、各下部電極が、圧電膜４１６の−Ｚ側の面よりも＋Ｚ側、つまり圧電膜４１６の内部に配置されてもよい。
【０１０６】
また、Ｚ方向に重なる電極組である第一下部電極４１４と第一上部電極４１７との間にさらに電極を配置してもよく、第二下部電極４１５と第二上部電極４１８との間にさらに電極を配置してもよい。また、第二実施形態においては、第三下部電極４６１と第三上部電極４６２との間にさらに電極を配置してもよい。また、上記各実施形態では、Ｚ方向に重なる電極により構成された電極組がＸ方向に沿って複数配置され、各電極を構成する電極の数が同数である構成を例示したが、電極組の数が異なっていてもよい。
【０１０７】
上記各実施形態では、各下部電極が、Ｚ方向に直交する同一面内に配置されている構成を例示したが、これに限定されず、各下部電極のＺ方向における位置が異なっていてもよい。また、各上部電極についても同様である。
【０１０８】
上記各実施形態では、超音波装置１は、第一接続状態に切り替えた後、超音波を送信する前に第一分極処理を行い、次に第二接続状態に切り替えた後、超音波を送信する前に第二分極処理を行う構成を例示したが、これに限定されない。例えば、超音波を送信する際に必ず第一分極処理を実施せずに、例えば所定のタイミング（例えば所定時間経過する度）にのみ第一分極処理を実施してもよい。また、第二分極処理も同様に、超音波を受信する際に必ず実施しなくてもよく、例えば所定のタイミングにのみ実施されてもよい。
また、第一分極処理のみを実施してもよいし、第二分極処理のみを実施してもよい。
【０１０９】
上記各実施形態では、超音波トランスデューサーの各電極の接続状態を第一接続状態と第二接続状態との間で切り替えるスイッチ回路２３１を備える構成を例示したが、これに限定されず、例えば、スイッチ回路２３１を備えない構成を採用してもよい。例えば、第一実施形態の超音波トランスデューサー４５において、超音波を送信する際は、Ｚ方向に重なる一対の電極間に電圧が印加されるように、各電極パッド間（例えば、第一下部電極パッド４１４Ｐ及び第一上部電極パッド４１７Ｐの間）に電圧を印加することにより、超音波の送信出力を向上させることができる。また、超音波を受信する際は、各下部電極４１４，４１５間に発生した電位差と、各上部電極４１７，４１８間に発生した電位差と、をそれぞれ検出することにより、超音波を検出することができ、上述のように受信感度を向上させることもできる。
【０１１０】
上記各実施形態では、振動膜４１２（可撓膜４１２Ａ）の基板本体部４１１とは反対側に、音響整合層４３及び音響レンズ４４が設けられる構成を例示したが、これに限定されない。
例えば、音響整合層４３及び音響レンズ４４が振動膜４１２（可撓膜４１２Ａ）の基板本体部４１１側に設けられ、開口部４１１Ａ内に音響整合層４３が充填される構成としてもよい。この場合、封止板４２は、振動膜４１２の基板本体部４１１とは反対側に設けられ、平面視において、開口部４１１Ａに対向する位置に凹溝を備える構成とする。このような構成では、超音波トランスデューサーの圧電素子や各配線が、音響整合層４３側に露出せず、超音波デバイス２２における防水性を高めることができる。
【０１１１】
上記各実施形態では、生体内の器官を測定対象とする超音波装置を例示したが、これに限定されない。例えば、各種構造物を測定対象として、当該構造物の欠陥の検出や老朽化の検査を行う測定機に、本発明を適用することができる。また、例えば、半導体パッケージやウェハ等を測定対象として、当該測定対象の欠陥を検出する測定機にも本発明を適用することができる。
【０１１２】
その他、本発明の実施の際の具体的な構造は、本発明の目的を達成できる範囲で上記各実施形態及び変形例を適宜組み合わせることで構成してもよく、また他の構造などに適宜変更してもよい。
【符号の説明】
【０１１３】
１…超音波装置、２…超音波プローブ、１０…制御装置、１４…制御部、２１…筐体、２２…超音波デバイス、２３…回路基板、２４…超音波センサー、４１…素子基板、４５…，４６，４７…超音波トランスデューサー、１４１…切替制御部、１４２…分極制御部、１４３…送受信制御部、２３１…スイッチ回路、２３５…分極回路、４１１…基板本体部、４１１Ａ…開口部、４１２…振動膜、４１２Ａ…可撓膜、４１３，４１３Ａ，４１３Ｂ…圧電素子、４１４…第一下部電極、４１４Ｃ…端面、４１５…第二下部電極、４１５Ｃ…端面、４１６…圧電膜、４１７…第一上部電極、４１７Ａ…第一上部連結電極、４１７Ｂ…第一上部引出線、４１７Ｃ…端面、４１８…第二上部電極、４１８Ａ…第二上部連結電極、４１８Ｂ…第二上部引出線、４１８Ｃ…端面、４６１…第三下部電極、４６２…第三上部電極、ＡＬ…超音波アレイ、Ｇ１…ギャップ、Ｇ２…ギャップ。
【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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