(57)【要約】【課題】感度の方向依存性が少なく、製造容易な２次元配列超音波探触子を提供する。【解決手段】１枚の圧電板を、互いに１２０°ずつ角度が異なる３つのカット方向について、同じカットピッチで平行にカッティングする。各カット方向の平行なカッティング線同士の位置関係を適切に定めることで、正六角形の振動素子１２又は１６の周囲に正三角形の振動素子１４が配列される、六線星形構造の繰り返しパターンを有する振動素子アレイ１０を形成することができる。正六角形の振動素子１２を送受信に用い、正三角形の振動素子１４は送受信に用いないようにすることで、使用する振動素子１２同士の信号のクロストークを低減することが可能である。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波の送信又は受信の少なくとも一方に用いる複数の有効振動素子と、それら有効振動素子間に介在する超音波送受信に用いない無効振動素子とが、圧電板を互いに方向が異なる少なくとも３群の平行分割溝群により分割することにより形成された振動素子アレイ、を備える２次元配列超音波探触子。
【請求項２】
前記少なくとも３群の平行分割溝群は、互いに１２０度ずつ角度が異なる３群の平行分割溝群であり、これら各平行分割溝群は等間隔の平行な分割溝群から構成されることを特徴とする請求項１記載の２次元配列超音波探触子。
【請求項３】
前記振動素子アレイには、前記互いに１２０度ずつ角度が異なる３群の平行分割溝群により、超音波送受信面が正六角形と正三角形の振動素子からなる六線星形構造の繰り返しパターンが形成されていることを特徴とする請求項２記載の２次元配列超音波探触子。
【請求項４】
前記正六角形の振動素子を前記有効振動素子とし、前記正三角形の振動素子を前記無効振動素子としたことを特徴とする請求項３記載の２次元配列超音波探触子。
【請求項５】
前記超音波送受信面が正六角形の振動素子のうち、前記振動素子アレイの中心から所定半径以内の略円形領域に含まれる振動素子のみを前記有効振動素子としたことを特徴とする請求項４記載の２次元配列超音波探触子。
【請求項６】
前記少なくとも３群の平行分割溝群により分割された複数の振動素子のうち、辺の数が４より多い正多角形の超音波送受信面を持つ振動素子を、前記有効振動素子としたことを特徴とする請求項１記載の２次元配列超音波探触子。
【請求項７】
前記正多角形の超音波送受信面を持つ振動素子のうち、前記振動素子アレイの中心から所定半径以内の略円形領域に含まれる振動素子のみを前記有効振動素子としたことを特徴とする請求項６記載の２次元配列超音波探触子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２次元配列の振動素子アレイを備える超音波探触子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、超音波による三次元画像形成などのために、振動素子を２次元に配列した超音波探触子が普及しつつある。従来、２次元配列の振動素子アレイとしては、特許文献１に示されるように、送受信面が正方形や矩形の振動素子を縦横の格子状に配列したものが一般的である。
【０００３】
しかしながら、縦横の格子状配列の場合、格子配列方向である縦横方向と、それ以外の斜め方向とでは、超音波の指向性が大きく異なる。このため、超音波ビームの２次元走査においてビームを傾けたとき、ビーム走査方向によって感度が大きく変わるという問題があった。
【０００４】
このような問題に対し、特許文献２に示される超音波探触子では、正六角形の振動素子をハニカム状に配列したり、矩形振動素子を煉瓦積みのように互い違いに配列することで近似的にハニカム状配列を構成したりすることで、ビーム走査方向による感度の違いを低減している。
【０００５】
また特許文献３には、圧電板を１２０度ずつ異なる３方向にカットすることで、正三角形素子を敷き詰めた素子配列を形成し、その中で正三角形素子を６個ずつ同一電極に接続することで正六角形の一素子として動作させ、特許文献２と同様の正六角形素子のハニカム状配列を形成している。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−２５４０８９号公報
【特許文献２】
米国特許第６４６９４２２号明細書
【特許文献３】
米国特許第６５０３２０４号明細書
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献２に示されるハニカム状配列は製造が困難であるという問題があった。すなわち、一般的な正方形乃至矩形の格子配列は、圧電板をダイシング・ソーにより縦横の直線でカットしていくという比較的簡単な工程で実現できるのに対し、ハニカム状配列は直線的なカットでは実現できず、カットした正六角形や矩形の振動素子をハニカム状に配列する等の繁雑な作業が必要であった。
【０００８】
このような製造上の問題に対し、特許文献２では、圧電板を縦横に直線カットして矩形のサブ素子からなる格子を形成したあと、隣り合うサブ素子２個ずつを電気的に結合して１つの振動素子として機能するようにし、この結合の組合せを段ごとに互い違いにすることで、近似的なハニカム状配列を実現するという方式を提案している。
【０００９】
この方式は、圧電板を直線カットでダイシングすればよく、ハニカム状に配列し直す必要はないので、工程はかなり容易になる。しかし、この方式では、電気的に結合するサブ素子同士の隙間を導電性の充填材で充填する一方、結合しない素子同士の隙間は、空間のまま残しておくか非導電性の充填材で充填するといった具合に、隙間によって取り扱いを変える必要があり、この点が工程上煩雑であった。また、矩形素子の互い違い配列による近似的なハニカム状配列では、配列構造はハニカム状であっても素子自体の形状が矩形であるため、正六角形のハニカム状配列よりも感度の方向依存性が大きいという問題がある。
【００１０】
特許文献３の方式は、正六角形のハニカム構造を比較的容易に形成できるが、隣り合う振動素子の辺同士が接しているため、それら素子間での信号のクロストークが生じやすいという問題がある。
【００１１】
本発明はこのような問題に鑑みなされたものであり、感度の方向依存性が少なく、製造も比較的容易で、振動素子間の信号のクロストークが低減できる２次元配列超音波探触子を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る２次元配列超音波探触子は、超音波の送信又は受信の少なくとも一方に用いる複数の有効振動素子と、それら有効振動素子間に介在する超音波送受信に用いない無効振動素子とが、圧電板を互いに方向が異なる少なくとも３群の平行分割溝群により分割することにより形成された振動素子アレイ、を備える。
【００１３】
本発明の好適な態様では、前記少なくとも３群の平行分割溝群は、互いに１２０度ずつ角度が異なる３群の平行分割溝群であり、これら各平行分割溝群は等間隔の平行な分割溝群から構成される。
【００１４】
更に好適な態様では、前記振動素子アレイには、前記互いに１２０度ずつ角度が異なる３群の平行分割溝群により、超音波送受信面が正六角形と正三角形の振動素子からなる六線星形構造の繰り返しパターンが形成されていることを特徴とする。
【００１５】
更に好適な態様では、前記正六角形の振動素子を前記有効振動素子とし、前記正三角形の振動素子を前記無効振動素子としたことを特徴とする。
【００１６】
更に好適な態様では、前記超音波送受信面が正六角形の振動素子のうち、前記振動素子アレイの中心から所定半径以内の略円形領域に含まれる振動素子のみを前記有効振動素子としたことを特徴とする。
【００１７】
また本発明の別の好適な態様では、前記少なくとも３群の平行分割溝群により分割された複数の振動素子のうち、辺の数が４より多い正多角形の超音波送受信面を持つ振動素子を前記有効振動素子としたことを特徴とする。
【００１８】
更に好適な態様では、前記正多角形の超音波送受信面を持つ振動素子のうち、前記振動素子アレイの中心から所定半径以内の略円形領域に含まれる振動素子のみを前記有効振動素子としたことを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１は、本発明に係る超音波探触子の振動素子アレイ１０の構成例を示す図である。
【００２１】
この図に示すように、本実施形態の振動素子アレイ１０は、正六角柱状の振動素子１２及び１６と、正三角柱状の振動素子１４とから構成される。超音波送受信面を見た場合、この振動素子アレイ１０は、正六角形（正六角柱状）の振動素子１２及び１６の各辺に正三角形（正三角柱状）の振動素子１４が分割溝１８を隔てて接する、いわゆる六線星形（ヘキサグラム）構造の繰り返しパターンを有している。すなわち、各振動素子１２及び１６の正六角形の面は同じサイズで同じ向きに整列するとともに、振動素子１４の正三角形の面は、隣り合う振動素子１２又は１６の正六角形の面同士の間に存在し、それら正三角形と正六角形の各辺の長さは等しい。
【００２２】
この振動素子アレイ１０は、図２（ａ）に示すように、圧電材料で形成された１枚の圧電板を、ダイシング・ソー等により３つのカット方向α、β、γにカットすることにより形成することができる。ここで、これらカット方向α、β、γは図２（ｂ）に示すように互いに１２０°の角度をなしており（６０°ずつ異なるととらえることもできる）、これら各カット方向α、β、γについてそれぞれ同じカットピッチＰｃで平行にカットを行う。各カット方向の平行線同士の位置関係を適切に規定することで、図１のような六線星形の繰り返し構造を構成するように素子分割することができる。カッティングにより形成された各カット方向の溝が、分割溝１８となる。分割溝１８は、後で充填材で充填することができる。
【００２３】
このような振動素子アレイ１０は、例えば、両面に電極を形成した圧電板の一方の面から、ダイシング・ソー等で上記のカッティングを施すことにより形成することができる。この場合のカッティングは、圧電板の一方の面から他方の面まで完全に切断する場合と、途中までしか切断しない場合の両方を含む。いずれの場合も、少なくとも一方の面の電極は各振動素子１２，１４，１６ごとに分割されているので、各振動素子１２，１４，１６を個別に動作させることができる。
【００２４】
図１の構成は、矩形の圧電板に対して上記のカッティングを施した場合の例を示している。
【００２５】
好適な構成では、上記のごとく素子分割した振動素子アレイ１０のうち、正六角形の振動素子１２及び１６のみを送信又は受信の少なくとも一方に使用し、正三角形の振動素子１は送信及び受信のいずれにも使用しない。すなわち、この場合、正六角形の振動素子１２及び１６が有効な振動素子として機能し、正三角形の振動素子１４は無効な振動素子となる。この構成では、図３に示すように、有効な正六角形の振動素子１２又は１６の中心同士を結ぶ素子間ピッチＰｅ  は、３つのカット方向α、β、γについて互いに等しくなる。例えば、カットピッチＰｃを０．３ｍｍとした場合、素子間ピッチＰｅは０．３４６ｍｍとなる。
【００２６】
このように超音波送受信面が正六角形の振動素子１２及び１６を用いることで、正方形又は矩形の超音波送受信面を持つ振動素子よりも、感度の方向依存性を小さくすることができる。方向依存性の観点からは、超音波送受信面を円形とすることが理想的であるが、このような円形の振動素子からなるアレイは製造がきわめて困難である。これに対し、本実施形態の場合は、圧電板を３方向の平行線群に沿ってカットするという比較的簡単な工程で、従来よりも円形素子に近い特性を持つ振動素子のアレイを構成することができる。
【００２７】
また、同じカット方向についての正六角形の振動素子１２の並びは、図３に示すように、奇数列（第２ｎ±１列）と偶数列（第２ｎ列）とで１／２Ｐｅ  ずつずれた配列となっている。これはすべてのカット方向α、β、γについていえることである。したがって、振動素子アレイ１０全体としてみれば、これら各カット方向に振動素子１２が素子間ピッチＰｅ  の半分の間隔で配列したものとして機能する。このため、同等の送受信面サイズを持つ正方格子の振動素子アレイと比べて、各カット方向についてのビームプロファイルのグレーティングローブを少なくすることができる。
【００２８】
また、この構成では、隣り合う正六角形の振動素子１２又は１６の各辺は、送受信に使用しない正三角形の振動素子１４により隔てられている。このような構成により、送受信の少なくとも一方に使用する有効振動素子同士は互いにその頂点で接触するのみとなるので、隣接する振動素子間の送信又は受信信号のクロストークも低減される。
【００２９】
また、更に好適な構成では、図１に示すように、正六角形の振動素子１２及び１６のうち、振動素子アレイ１０の中心点を中心とする正六角形の領域に含まれる振動素子１２のみを有効な振動素子として用い、その外側の振動素子１６は送受信に使用しない。このようにすることで、有効な振動素子群全体の形状も円形に近づけることができ、その結果感度の方向依存性を低減できる。また、振動素子アレイ１０の中心から所定半径内の略円形領域内に含まれる正六角形の振動素子を有効振動素子として用いる構成も好適である。なお、図１では、無効な振動素子にハッチングを付すことで、有効な素子と無効な素子の区別をわかりやすく示している。
【００３０】
図４は、図１に例示した振動素子アレイ１０を備える超音波探触子１００の外観を模式的に示した図である。このような超音波探触子１００を用いれば、超音波ビームを２次元走査する際、ビーム方向による感度の違いを正方格子のアレイよりも小さくすることができ、特許文献２に示した正六角形のハニカム構造と同等の良好な感度特性を実現できる。
【００３１】
以上説明したように、本実施形態の振動素子アレイ１０は、特許文献２に示した正六角形のハニカム構造よりもはるかに簡単な製造工程にて製造できるとともに、それと同等の良好な感度特性を実現できる。
【００３２】
図５は、本発明に係る別の振動素子アレイ２０の構造を示す図である。この図は、振動素子アレイを超音波送受信方向から見た状態を模式的に示した図である。
【００３３】
図５の例では、圧電板を、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４方向について平行にカッティングすることにより、正八角形の超音波送受信面を持つ正八角柱状の振動素子２２の２次元配列を形成している。
【００３４】
ここでＡ方向とＢ方向とは互いに直交している。また、Ｃ方向とＤ方向はＡ方向に対して４５°の角度をなすとともに、互いに直交している。Ｃ，Ｄの各方向については、同じカットピッチＰ１で平行にカッティングを行う。Ａ，Ｂの各方向については、Ｐ１（Ｃ，Ｄ方向と同じピッチ）とそれより小さいＰ２という２つのカットピッチを交互に繰り返し、平行なカッティングを行う。カットピッチＰ１とＰ２の比と、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの各カット方向の平行線（これが分割溝２４となる）の位置関係を適切に定めることで、図５に示したような正八角形の有効振動素子２２の２次元配列を形成することができる。
【００３５】
このように形成された振動素子アレイ２０のうち、正八角形の振動素子２２のみを有効な振動素子として送信又は受信の少なくとも一方に用い、他の振動素子は無効な振動素子とする。これにより、正六角形よりも更に円形に近い正八角形の振動素子２２により超音波を送受信できるので、超音波探触子の感度の方向依存性を改善することができる。
【００３６】
このように図５の例も、圧電板を直線に沿ってカッティングするという簡単な作業で方向依存性の少ない振動素子２２の２次元配列を形成することができる。
【００３７】
なお、図５の例でも、また、振動素子アレイ２０の中心から所定半径内の略円形領域内に含まれる正八角形の振動素子２２のみを有効振動素子として用いる構成とすることで、超音波探触子全体での感度の方向依存性を改善できる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る超音波探触子では、３以上の異なる方向の平行分割溝群により素子分割を行うので、異なる方向を向いた辺を３以上持つ超音波送受信面を備えた振動素子が形成される。従来の正方格子状の振動素子アレイでは、各振動素子の超音波受信面の辺の方向は２方向のみであったのに対し、本発明では３方向以上になるので、感度の方向依存性を改善できる。また、本発明に係る振動素子アレイは、平行な分割溝群の組合せで複数の振動素子に分割される構造なので、素子分割のためのカッティング等の処理を平行な直線に沿って行い、これを複数の方向について繰り返すという比較的簡単な作業で振動素子アレイを形成できる。また、本発明では、有効振動素子同士の間に無効振動素子とが介在するので、有効振動素子同士の間の信号のクロストークを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波探触子の振動素子アレイの構成例を示す図である。
【図２】本発明に係る超音波探触子の振動素子アレイの製造工程の主要部を説明するための図である。
【図３】有効な各振動素子間の関係を説明するための図である。
【図４】図１に例示した振動素子アレイを備える超音波探触子の外観を模式的に示した図である。
【図５】本発明に係る別の振動素子アレイの構造を示す図である。
【符号の説明】
１０  振動素子アレイ、１２，１６  振動素子（正六角形）、１４  振動素子（正三角形）、１８  分割溝。
【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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