圧電デバイスおよび超音波探触子
【課題】本発明は、超音波の送受信の性能を向上させることができる超音波探触子および超音波診断装置の提供を目的とする。
【解決手段】本発明の超音波探触子５は、薄板状の基板６１と、基板６１に積層された薄板状の圧電部材６２と、前記圧電部材６２に形成されたリング状の１対の第１及び第２電極６３，６４と、前記１対の第１及び第２電極６３，６４に電圧を印加した場合に生じる電界の方向である径方向に延ばされ複数の溝７とを備えている。
【解決手段】本発明の超音波探触子５は、薄板状の基板６１と、基板６１に積層された薄板状の圧電部材６２と、前記圧電部材６２に形成されたリング状の１対の第１及び第２電極６３，６４と、前記１対の第１及び第２電極６３，６４に電圧を印加した場合に生じる電界の方向である径方向に延ばされ複数の溝７とを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波探触子やインクジェットプリンタ等に使用される圧電デバイスおよび超音波探触子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波診断装置は、非侵襲で内部組織の観察ができ、又、リアルタイムで観察ができるといった特徴を有するため、診断への応用場面が益々増加している。この超音波診断装置の超音波として、例えば基板にＰＺＴなどの圧電部材を形成したユニモルフ構造のダイヤフラムを太鼓状に振動させて超音波の送受信を行なうｐＭＵＴ（Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer）が知られている。
【０００３】
このようなｐＭＵＴの超音波探触子は、バルクＰＺＴをダイシングにより分割したものに比し、周波数帯域を広くすることができ、微細化して高解像度とすることができるとともに、３次元画像を取得するための振動子（セル）の２次元配列化に適しており、また、小型薄型化が可能であるために超音波内視鏡への応用に適している等の利点を有する。このようなｐＭＵＴの超音波探触子において、１次元配列の振動子では、取得できる画像が断層画像であるため、操作による偽陰性の危険性があることから、操作者（医師、超音波診断技師）の熟練度が要求される。このような課題を軽減するため、３次元画像を取得できる２次元配列の超音波探触子のニーズは高い。
【０００４】
このような超音波探触子においては、以下のようなエネルギ変換の動作を行う。送信では、電気エネルギを機械エネルギ（膜の振動）に、更に機械エネルギを音響エネルギ（超音波）に変換する。一方、受信では、音響エネルギ（超音波）を機械エネルギ（膜の振動）に、更に機械エネルギを電気エネルギに変換する。
【０００５】
機械エネルギと音響エネルギの相互の変換は、音響整合が重要であり、ｐＭＵＴの実効音響インピーダンスを生体の音響インピーダンスに整合させることが設計のポイントである。電気エネルギと機械エネルギの相互の変換は、圧電薄膜を含むダイヤフラム構成のエネルギ変換効率を高めることが重要である。圧電部材は、電界の方向と同じ方向（３３方向）の歪みを利用することが最も効率が良い（圧電部材の性能を表す指標ではｋ値：電気機械結合係数が高くなる）ため、超音波探触子においては、３３方向の歪みを用いる構成が有利である。又、ＰＺＴの厚み方向に電極を配置した構成に比べ、電極間隔を比較的大きく取れるため超音波受信時の感度（単位圧力に対する出力電圧）を向上できることもメリットとして挙げられる。
【０００６】
このような３３方向の歪みを利用した方式のものとして、特許文献１に超小型シェル型変換器が開示されている。このものは、支持基板上に、アーチ状の部分と二つのショルダー部分を有するソリッド電気アクティブ媒体を取り付けるとともに、それぞれのショルダー部分に一対の電極を取り付けてアーチ部分と支持基板との間にチャンバーを形成する。そして、電圧を、プラス電極からマイナス電極に沿って印加させ同方向の電界を発生させて、応力を同方向に誘導させ、アーチ部分を厚さ方向の上方又は下方に動かし湾曲させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６２２２３０４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、このような３３歪みを利用した方式の薄板状の圧電部材ａの挙動は、例えば図１３に示すように、ある任意矩形断面の歪を考えると、例えば３３方向（Ｚ−Ｚ方向）に伸びるとき、３１方向（Ｗ−Ｗ方向）には縮む。さらに、圧電部材が図１３に示すようにプラス電極ｂとマイナス電極ｃとによって電界がリング状或いは円形状に生じる構成では、ある任意断面における周方向（３１方向、Ｗ−Ｗ方向）の歪みは互いに拘束される。このような拘束状態においては、径方向（Ｚ−Ｚ方向）の歪み量が２５％程度減少することがシミュレーションにより確認されており、超音波の送受信の特性が低下してしまうという問題点がある。尚、図１３に示す圧電部材ａは、支持部材ｅに支持された薄板状の基板ｄに積層されたものである。支持部材ｅ及び基板ｄについては更に後述する。
【０００９】
本発明は、超音波の送受信の性能の向上等を図ることができる圧電デバイスおよび超音波探触子の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る圧電デバイスは、薄板状の圧電部材と、前記圧電部材に形成された１対の第１及び第２電極と、前記１対の第１及び第２電極に電圧を印加した場合に生じる電界の方向に沿って延ばされた部分を含むように形成された溝を備えることを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、溝によって、電界の方向の歪みはその電界の方向と直交する方向の歪みによる拘束が緩和され、電界の方向の歪みが当該溝がない場合に比べて増加する。これにより、この圧電部材を有するダイヤフラムの変位が増加し、超音波の送受信特性を向上させることができる。
【００１２】
他の一態様では、上記圧電デバイスにおいて、前記圧電部材とでユニモルフ構造を採る薄板状の基板を、更に備え、前記基板は、前記電圧印加による圧電部材の歪に伴って、当該基板の面に略直交する厚さ方向に撓み変形することを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、圧電部材の歪みにより基板を効率良く撓み変形させることができ、例えば超音波の送受信を行う超音波探触子に好適なものにできる。
【００１４】
他の一態様では、上記圧電デバイスにおいて、前記電極は、略円形状又は略リング形状であることを特徴とする。
【００１５】
この構成によれば、１次の共振周波数（狙いの振動モード）付近に不要な振動モードが生じないものにできる。不要な振動モードが駆動周波数付近にあると、不要な振動が励起され設計のパルス波形からパルス波形が崩れ、分解能に悪影響を与える可能性があるが、これを防止できる。
【００１６】
他の一態様では、上記圧電デバイスにおいて、前記溝は、径方向に延ばされた複数のものから構成されているとともに、互いに隣接する２つの溝の中心線同士が１０°〜２５°の中心角をなすようにして周方向に並設されていることを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、電界の方向と直交する方向の歪みによる拘束を、より一層、緩和でき、電界の方向の歪みを、より一層、増加させることができる。
【００１８】
他の一態様では、上記圧電デバイスにおいて、前記１対の第１及び第２電極は、前記圧電部材の面上に所定の距離だけ離隔して形成された矩形状であることを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、複数のダイヤフラムにより１つの素子を構成する場合、１つの素子中におけるダイヤフラムの配置効率を高くでき、ダイヤフラムの有効面積を大きくでき、超音波の送受信の特性を向上できる。又、電極を両側から容易に引き出せることができ、ロスの少ない構造が実現できる。
【００２０】
又、本発明の一態様に係る超音波探触子は、上述の何れかの圧電デバイスを備えたものである。
【００２１】
この構成によれば、電界の方向の歪みはその電界の方向と直交する方向の歪みによる拘束が緩和されて増加する。これにより、この圧電部材を用いて形成されるダイヤフラムの変位が増加し、超音波の送受信特性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明は、超音波の送受信の性能を向上させることができる圧電デバイスおよび超音波探触子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施形態における超音波診断装置の外観構成を示す図である。
【図２】実施形態における超音波診断装置の電気的な構成を示すブロック図である。
【図３】実施形態の超音波診断装置における超音波探触子の構成を示す断面図である。
【図４】超音波探触子における超音波送受信部の背面図である。
【図５】超音波送受信部の要部を拡大した正面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【図７】図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。
【図８】実施例１〜３及び比較例の送受信感度を示すグラフである。
【図９】実施例１〜６の送受信特性を示すグラフである。
【図１０】（ａ）は、他の実施形態の超音波送受信部の要部を拡大した正面図、（ｂ）は、図１０（ａ）のＩＸ−ＩＸ線断面図である。
【図１１】（ａ）は、更に他の実施形態の超音波送受信部の要部を拡大した正面図、（ｂ）は、図１１（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。
【図１２】図１１（ａ）のＸＩ−ＸＩ線断面図である。
【図１３】電圧印加による圧電部材の歪を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の超音波探触子を有する超音波診断装置の一実施形態の外観構成を示す図である。図２は、本発明の超音波探触子を有する超音波診断装置の一実施形態の電気的な構成を示すブロック図である。図３は、超音波探触子の一実施形態の構成を示す断面図である。
【００２５】
この実施形態における超音波診断装置Ｓは、図１に示すように、図略の生体等の被検体に対して超音波（第１超音波信号）を送信すると共に、この第１超音波信号に基づく被検体内から来た超音波（第２超音波信号）を受信する超音波探触子２と、超音波探触子２とケーブル３を介して接続され、超音波探触子２へケーブル３を介して電気信号の送信信号を送信することによって超音波探触子２に被検体に対して第１超音波信号を送信させると共に、超音波探触子２で受信された被検体内から来た第２超音波信号に応じて超音波探触子２で生成された電気信号の受信信号に基づいて被検体内の内部状態を超音波画像として画像化する超音波診断装置本体１とを備えて構成される。
【００２６】
この第１超音波信号に基づく被検体内から来た超音波は、被検体内における音響インピーダンスの不整合によって被検体内で第１超音波信号が反射した反射波（エコー）だけでなく、例えば微小気泡（マイクロバブル）等の超音波造影剤（コントラスト剤）が用いられている場合には、第１超音波信号に基づいて超音波造影剤の微小気泡で生成される超音波もある。超音波造影剤では、超音波の照射を受けると、超音波造影剤の微小気泡は、共振もしくは共鳴し、さらに一定の閾値以上の音圧では崩壊、消失する。超音波造影剤では、微小気泡の共振によって、あるいは微小気泡の崩壊、消失によって、超音波が生じている。
【００２７】
超音波診断装置本体１は、例えば、図２に示すように、操作入力部１１と、送信部１２と、受信部１３と、画像処理部１４と、表示部１５と、制御部１６とを備えて構成されている。
【００２８】
操作入力部１１は、例えば、診断開始等を指示するコマンドや被検体の個人情報等のデータを入力するための装置であり、例えば、複数の入力スイッチを備えた操作パネルやキーボード等である。
【００２９】
送信部１２は、例えば制御部１６からの制御信号を超音波探触子２に送信する。受信部１３は、例えば超音波探触子２から送られてくる受信信号を受信して画像処理部１４へ出力する。
【００３０】
画像処理部１４は、制御部１６の制御に従って、受信部１３で受信された、第１超音波信号に基づく被検体内から来た第２超音波信号における所定の周波数成分に基づいて被検体内の内部状態を表す画像（超音波画像）を形成する回路である。前記所定の周波数成分は、例えば、基本波成分、ならびに、例えば２次高調波成分、３次高調波成分および４次高調波成分等の高調波成分を挙げることができる。画像処理部１４は、複数の周波数成分を用いて超音波画像を形成するように構成されてもよい。画像処理部１４は、例えば、受信部１３の出力に基づいて被検体の超音波画像を生成するＤＳＰ（Digital Signal Processor）、および、表示部１５に超音波画像を表示すべく、前記ＤＳＰで処理された信号をディジタル信号からアナログ信号へ変換するディジタル−アナログ変換回路（ＤＡＣ回路）等を備えて構成される。前記ＤＳＰは、例えば、Ｂモード処理回路、ドプラ処理回路およびカラーモード処理回路等を備え、いわゆるＢモード画像、ドプラ画像およびカラーモード画像の生成が可能とされている。
【００３１】
表示部１５は、制御部１６の制御に従って、画像処理部１４で生成された被検体の超音波画像を表示する装置である。表示部１５は、例えば、ＣＲＴディスプレイ、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）、有機ＥＬディスプレイおよびプラズマディスプレイ等の表示装置やプリンタ等の印刷装置等である。
【００３２】
制御部１６は、例えば、マイクロプロセッサ、記憶素子およびその周辺回路等を備えて構成され、これら超音波探触子２、操作入力部１１、送信部１２、受信部１３、画像処理部１４および表示部１５を当該機能に応じてそれぞれ制御することによって超音波診断装置Ｓの全体制御を行う回路である。
【００３３】
超音波探触子（超音波プローブ、トランスデューサ）２は、図３に示すように探触子本体４と、探触子本体４に設けられ超音波の送受信を行なう本発明の圧電デバイスである超音波送受信部５とを備えている。尚、図３のＸ方向を前方側、Ｙ方向を後方側として説明する。後述の図６、図７、図１０（ｂ）、図１１（ｂ）（ｃ）、図１２において同じである。
【００３４】
探触子本体４は、前端に設けられた被覆層４１と、後端側に設けられた信号処理回路部４２と、被覆層４１と信号処理回路部４２との間に配設されたバッキング材層４３とを備えている。
【００３５】
被覆層４１は、診断に際して、例えば被検体としての生体と当接し、その当接に際し不快感を与えることがないものであって、人体との音響整合をとるために音響インピーダンスが人体に近いシリコーンゴム等から形成されている。
【００３６】
バッキング材層４３は、超音波送受信部４に発生する不要振動を減衰する等の役割を果たす。
【００３７】
信号処理回路部４２は、ケーブル３を介して超音波診断装置Ｓと接続されているとともに、超音波送信用のパルス信号の生成、或いは、受信パルス信号の処理などを行なう。
【００３８】
詳しくは、制御部１６の制御に従って、上記送信部１２から送られてくる電気信号の送信信号を供給して超音波送受信部５に第１超音波信号を発生させる。例えば、高電圧のパルスを生成する高圧パルス発生器等を備えて構成される。この信号処理回路部４２で生成された駆動信号は、後述の複数のダイヤフラム６それぞれに対し適宜に遅延時間を個別に設定した、パルス状の複数の信号であり、ダイヤフラム６のそれぞれに供給される。この複数の駆動信号によっては、各ダイヤフラム６から放射された超音波の位相が特定方向（特定方位）（あるいは、特定の送信フォーカス点）において一致し、その特定方向にメインビームを形成した送信ビームの第１超音波信号を発生する。
【００３９】
又、信号処理回路部４２は、制御部１６の制御に従って、超音波送受信部５から電気信号の受信信号を受信し処理する。そして、送信時の送信ビームの形成と同様に、受信時もいわゆる整相加算することによって受信ビームが形成されてよい。すなわち、ダイヤフラム６それぞれから出力される複数の出力信号に対し適宜に遅延時間を個別に設定し、これら遅延された複数の出力信号を加算することによって、各出力信号の位相が特定方向（特定方位）（あるいは、特定の受信フォーカス点）において一致し、その特定方向にメインビームが形成される。このような場合において、例えば、前記増幅器で増幅された各出力信号が入力される受信ビームフォーマ等も備えてよい。尚、この信号処理回路部４２は、超音波診断装置本体１に設けるようにしてもよく、適宜変更できる。
【００４０】
超音波送受信部５は、探触子本体４の被覆層４１とバッキング材層４３との間に２次元アレイ状に配設されている。この実施形態の超音波送受信部５は、図４〜図６に示すように基板（振動板）６１と、基板６１の前面に積層されて基板６１とでユニモルフ構造を採る薄板状の圧電部材６２と、圧電部材６２の前面側に配設されたプラスマイナス１対の電極６３，６４と、これらを支持した支持部材８とを備えている。
【００４１】
支持部材８は、この実施形態では、シリコン製の板状体から構成されている。この支持部材８には、図４、図６に示すように、左右方向及び上下方向に配列された複数の円形状の貫通孔８１が設けられている。各貫通孔８１は、支持部材８の前面から後面に貫通するようにして形成されている。
【００４２】
基板６１は、この実施形態では、後述のＰＺＴに良好な電位分布を得るために絶縁性の物質、例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ２）或いは窒化シリコン（ＳｉＮ）から構成され、薄板状（この実施形態では、２μｍ程度の厚さ）に形成されている。そして、この基板６１は、支持部材８の前面の全体に積層されて貫通孔８１を前方側から覆うように配設されている。
【００４３】
マイナス電極６４（第２電極）は、金又は白金等から構成され、貫通孔８１ごとに、貫通孔８１よりもやや径大に形成された複数の略リング状のマイナス電極本体部６４ａを備えている（図５、図６に図示）。各マイナス電極本体部６４ａは、図５、図６に示すように、貫通孔８１と同心になるようにして、貫通孔８１を囲むように配設されている。
【００４４】
プラス電極６３（第１電極）は、金又は白金等から構成され、マイナス電極本体部６４ａに対応した複数のプラス電極本体部６３ａを備えている（図５、図６に図示）。各プラス電極本体部６３ａは、図５、図６に示すように、マイナス電極本体部６４ａよりも径小に形成され、マイナス電極本体部６４ａの径内側に同心になるように配設されており、これにより、電圧印加に伴ってプラス電極本体部６３ａからマイナス電極本体部６４ａにかけての径方向に電界が発生してそれらのプラス電極本体部６３ａとマイナス電極本体部６４ａとで区画形成されたリング状領域部６５が電界領域となるようになっている。
【００４５】
圧電部材６２は、圧電材料から構成されている。この実施形態では、圧電部材６２は、ＰＺＴから構成されている。尚、圧電部材６２は、ＰＺＴから構成されるものに限らず、例えば圧電部材を、水晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、ニオブ酸タンタル酸カリウム（Ｋ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、ＰＺＮ−ＰＴおよびＰＭＮ−ＰＴ等から構成することもでき、適宜変更できる。
【００４６】
又、この実施形態の圧電部材６２の厚さは、２μｍ程度とされている。又、この圧電部材６２は、複数（この実施形態では、１６個）の溝７を備えている。各溝７は、電界の方向である径方向に、リング状領域部６５におけるプラス電極本体部６３ａからマイナス電極本体部６４ａまで延ばされるようにして、前面から後面に貫通するように形成されている。
【００４７】
又、この実施形態では、互いに隣接する２つの溝７の中心線７１同士が１０°〜２５°の中心角θをなすようなピッチで周方向に並設されている。尚、この中心線７１は、平面視でリング状領域部６５の中心Ｏから、溝７を２分割するように径方向に延ばされた線である。
【００４８】
又、この実施形態では、溝７は、径内側から径外側に漸次幅広に形成されており、径内側での幅が１μｍ程度で、径外側での幅が２μｍ程度とされている。なお、溝７の幅及び形状は、この形態のものに限らず、例えば径内側から径外側に同幅に形成されたものでもよい、適宜変更できる。
【００４９】
そして、この圧電部材６２は、基板６１の前面に積層され、これにより、各貫通孔８１に対応する部分に、上記リング状領域部６５の中心Ｏを中心とした円形状のセルからなり基板６１とでユニモルフ構造を採る薄膜状のダイヤフラム（振動子）６が形成されている。
【００５０】
又、この実施形態では、図５に示すように、４つのダイヤフラム６を１素子６６（図５の二点鎖線で囲んだ４つ）として共通接続されて同調して動作するように構成され、複数の素子６６が左右上下に２次元的に配列されている。
【００５１】
より詳しくは、マイナス電極本体部６４ａは、４つのダイヤフラム６ごとに配設されたもの同士が図５（ａ）に示すセル連結部６４ｂを介して互いに通電可能に接続されている。
【００５２】
又、プラス電極本体部６３ａは、４つのダイヤフラム６ごとに配設されたもの同士が図５（ａ）に示すセル連結部６３ｂを介して互いに通電可能に接続されているとともに、その４つのダイヤフラム６からなる１素子６６夫々から延設された素子延設部（図示せず）によって上記素子６６同士を連結している。
【００５３】
このように構成される超音波送受信部５は、この実施形態では、次のようにして形成されている。
【００５４】
支持部材８の前面に、基板６１が、熱酸化やスパッタ、ＣＶＤなどの方法で形成される。
【００５５】
そして、基板６１の前面に、圧電部材６２が、スパッタやゾルゲルなどの方法により形成される。尚、圧電部材６２を構成したＰＺＴの特性（膜質）を向上するためにＰＺＴの下層に酸化物などのシード層を形成する方法も取り得る。
【００５６】
又、電極が、エッチングやリフトオフなどによりフォトリソグラフィを用いてパターニングされる。圧電部材６２における内側のプラス電極６３の中心側部と溝７を、エッチングにより除去する。支持部材８の貫通孔８１もエッチングにより加工、除去し、ダイヤフラム６を形成する。
【００５７】
また、圧電部材６２の分極方向を電界の方向に揃えるため、電気接続を行った後、内側のプラス電極６３〜外側のマイナス電極６４間に数Ｖ/μｍ以上の電界を印加して分極処理を行う。
【００５８】
以上のように構成された超音波診断装置Ｓで診断する場合、例えば、操作入力部１１から診断開始の指示が入力されると、制御部１６の制御に従い、信号処理回路部４２で超音波送信用のパルス信号が生成される。
【００５９】
この生成されたパルス信号は、超音波送受信部５の複数のダイヤフラム６の素子６６ごとに所定の遅延時間でパルス電圧を、リング状領域部６５に径方向に印加する。
【００６０】
これにより、ダイヤフラム６の圧電部材６２が径方向に歪み、その径方向の歪みによって、ダイヤフラム６の基板６１が厚さ方向（図６のＸ−Ｙ方向）に撓み変形する。その際、圧電部材６２が径方向に延びた複数の溝７を備えているため、径方向に直交する周方向の歪みに拘束され難くなり径方向に効率よく歪ませることができる。
【００６１】
そして、この圧電部材６２の径方向の歪みに伴う基板６１の撓み変形よってダイヤフラム６は太鼓状に振動する。この振動によって、ダイヤフラム６は、第１超音波信号を、ダイヤフラム６の厚さ方向の前後方向に放射する。尚、ダイヤフラム６の素子間に時間差を設けてパルス電圧を発信することで、超音波を所定距離、方向にフォーカスすることができる。
【００６２】
ダイヤフラム６から前方側の被覆層２５方向へ放射された第１超音波信号は、被覆層２５を介して放射される。被覆層２５が被検体に例えば当接されていると、これによって超音波探触子２から被検体に対して第１超音波信号が送信される。尚、ダイヤフラム６から後方側へ放射された第１超音波信号は、バッキング材層４３で減衰される。
【００６３】
なお、超音波探触子２は、被検体の表面上に当接して用いられてもよいし、被検体の内部に挿入して、例えば、生体の体腔内に挿入して用いられてもよい。
【００６４】
被検体に対して送信された超音波は、被検体内部における音響インピーダンスが異なる１または複数の境界面で反射され、超音波の反射波となる。あるいは超音波造影剤が被検体内に注入されている場合には、第１超音波信号に起因して超音波造影剤によって超音波が生成される。この超音波には、送信された第１超音波信号の周波数（基本波の基本周波数）成分だけでなく、基本周波数の整数倍の高調波の周波数成分も含まれる。例えば、基本周波数の２倍、３倍および４倍等の２次高調波成分、３次高調波成分および４次高調波
成分等も含まれる。この超音波は、超音波探触子２で受信される。
【００６５】
より具体的には、この超音波は、被覆層２５を介してダイヤフラム６で受信され、機械的な振動が電気信号に変換されて受信信号として受信され、信号処理回路部４２で処理され、画像処理部１４へ出力される。
【００６６】
そして、画像処理部１４は、制御部１６の制御によって、受信された受信信号に基づいて、送信から受信までの時間により被検体までの距離が、素子間の時間差により被検体の方向が、夫々検出され、被検体の超音波画像を生成する。さらに、画像処理部１４では、フィルタ法によって受信信号から高調波成分が抽出され、この抽出された高調波成分に基づいてハーモニックイメージング技術を用いて被検体内部の内部状態の超音波画像が生成される。また例えば、画像処理部１４では、位相反転法（パルスインバージョン法）によって受信信号から高調波成分が抽出され、この抽出された高調波成分に基づいてハーモニックイメージング技術を用いて被検体内部の内部状態の超音波画像が生成される。そして、表示部１５は、制御部１６の制御によって、画像処理部１４で生成された被検体の超音波画像を表示する。
【００６７】
次に、圧電部材６２における溝７の効果を検証するシミュレーションを行ったので、以下に説明する。このシミュレーションは、上記溝７のピッチとなる中心線７１同士の中心角θ（図５参照）が異なるように溝を配置した３種類の実施例１〜３の圧電部材と、比較例として溝７を有しない圧電部材とを製作し評価を行った。又、実施例１は、上記中心角θが１５°のものであり、実施例２は、上記中心角θが３０°のものである。又、実施例３は、上記中心角θが４５°のものである。
【００６８】
シミュレーションは、上記圧電部材を有する圧電デバイスとその超音波放射方向に音響媒質（水）を配置したモデルを作成し、送信時の入力電圧Ｖｉｎ［Ｖ］に対する発生音圧Ｐｏｕｔ［Ｐａ］と、受信時の圧電デバイスが受ける音圧Ｐｉｎ［Ｐａ］に対して発生する電圧Ｖｏｕｔ［Ｖ］をそれぞれシミュレーションにより周波数ごとに求め、その結果から、送受信の感度として、出力電圧Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ（入力電圧に対して、帰還した超音波によって出力される電圧を示す）をデシベル（ｄＢ）換算し求めた。
【００６９】
その結果を、図８に示す。この図８における感度は、溝を有しない比較例のピーク値で正規化して示している。
【００７０】
又、図８の周波数特性より、超音波探触子の総合的な性能指標（感度＋周波数帯域）にて評価すると、比較例に対して、実施例１では、２．２ｄＢ、実施例２では、１．８ｄＢ、実施例３では、１．７ｄＢ、夫々、大きかった。ここで、上記性能指標は、例えば図８中の比較例のデータについて示したように、ピーク値から−６ｄＢとなる周波数幅ｆｂｗを中心周波数ｆｃで除した周波数帯域幅ＢＷをｄＢ換算し、ｆｃの感度Ｓｆｃ（ｄＢ）との合計で示したもの（送受信特性）である。
【００７１】
以上、実施例１〜３は、全て、比較例よりも性能指標（送受信特性）が大きく、溝の効果を確認できた。
【００７２】
又、圧電部材６２における溝７の上記中心角による効果を検証するシミュレーションを併せて行ったので、以下に説明する。
【００７３】
このシミュレーションでは、上記実施例１〜３に加えて、実施例４として上記中心角θが１０°のもの、実施例５として上記中心角θが２０°のもの、実施例６として上記中心角θが２５°のものを、夫々、作成した。そして、それらの実施例１〜６について、上記性能指標とした送受信特性（感度＋周波数帯域）を算出した。
【００７４】
その結果は、図９に示すように、特に、上記中心角θが１０°〜２５°の範囲で送受信特性の値が大きく、送受信特性を、より一層、向上させることができる。従って、溝７のピッチとなる中心線７１同士の中心角θが１０°〜２５°になるように複数の溝７を周方向に配設するのが特に好ましい。
【００７５】
尚、上記実施形態では、圧電部材６２は、貫通孔８１よりも大きく形成されているが、この形態のものに限らず、適宜変更できる。
【００７６】
例えば図１０（ａ）（ｂ）に示すように、圧電部材１６２は、貫通孔１８１よりも小さい円形状のものから構成され、この圧電部材１６２の中心部にプラス電極１６３のプラス電極本体部１６３ａが配設され、圧電部材１６２の外周側にマイナス電極１６４のマイナス電極本体部１６４ａが配設されている。
【００７７】
そして、電圧印加に伴ってプラス電極１６３のプラス電極本体部１６３ａからマイナス電極１６４のマイナス電極本体部１６４ａ側への径方向に電界が発生してそれらのプラス電極本体部１６３ａとマイナス電極本体部６４ａとで区画形成された円形状領域部１６５が電界領域となるように構成されている。
【００７８】
又、上記実施形態では、プラス電極のプラス電極本体部とマイナス電極のマイナス電極本体部とで電界領域をリング状領域部或いは円形状領域部に形成したが、この形態のものに限らず、電界領域を矩形状の領域に形成してもよく、適宜変更できる。
【００７９】
詳しくは、例えば図１１、図１２に示すように、プラス電極２６３は、圧電部材２６２の左端（一端）に、幅方向に沿って直線的に延ばされた矩形状のプラス電極本体部２６３ａを備えている。又、マイナス電極２６４は、プラス電極本体部２６３ａと所定の距離だけ離隔した圧電部材２６２の右端（他端）に、プラス電極本体部２６３ａと平行に延ばされた矩形状のマイナス電極本体部２６４ａを備えている。
【００８０】
圧電部材２６２は、支持部材２０８の貫通孔２８１よりもやや小さい矩形状のものから構成されている。又、プラス電極本体部２６３ａとマイナス電極本体部２６４ａとの間に、長手方向に延ばされた複数の溝２０７を備えている。
【００８１】
この実施形態では、溝２０７は、１μm程度の溝幅で、１０μm程度のピッチ間隔で配設されている。尚、溝幅あるいは、ピッチ間隔は、この形態のものに限らず、適宜変更できる。
【００８２】
そして、電圧印加に伴ってプラス電極本体部２６３ａとマイナス電極本体部２６４ａとの間に形成された矩形状領域部２６５に電界が発生して矩形状領域部２６５が電界領域となり、これにより、圧電部材２６２がプラス電極本体部２６３ａからマイナス電極本体部２６４ａにかけての長手方向に歪み、その圧電部材２６２の長手方向の歪みによって、ダイヤフラム２０６の基板２６１が厚さ方向（Ｘ−Ｙ方向）に撓み変形する。
【００８３】
その際、圧電部材２６２が長手方向に延びた複数の溝２０７によって、圧電部材２６２の長手方向の歪を、幅方向の歪みに拘束され難くでき、長手方向に効率よく歪ませることができる。
【００８４】
以上のように、電界領域を矩形状領域２６５に形成すれば、例えば上述のように圧電部材を含むダイヤフラムが４つで１つの素子（図５の二点鎖線で囲んだ部分）を構成する場合、１つの素子中におけるダイヤフラムの配置効率を高くでき、ダイヤフラムの有効面積を大きくでき、超音波の送受信の特性を向上できる。又、プラス電極２６３とマイナス電極２６４とを両側から容易に引き出せることができ、ロスの少ない構造にできる。
【００８５】
又、上記実施形態では、溝は、圧電部材を前面から後面に貫通するように形成されているが、この形態のものに限らず、適宜変更できる。例えば溝は、圧電部材の前面から所定の深さで形成されたものでもよい。ただし、溝が圧電部材を前面から後面に貫通するように形成されていれば、電界の方向と直交する方向の歪みによる拘束を緩和し易くでき電界の方向の歪みを増加させ易くできる点で好ましい。
【００８６】
又、上記実施形態では、本発明の圧電デバイスは、超音波探触子の超音波送受信部として使用されたが、超音波探触子に用いられる形態のものに限らず、例えばインクジェットプリンタのインク吐出ヘッドに使用することもでき、適宜変更できる。
【符号の説明】
【００８７】
１ 超音波診断装置本体
２ 超音波探触子
５ 超音波送受信部（圧電デバイス）
６ ダイヤフラム
７ 溝
６１ 基板
６２ 圧電部材
６３ プラス電極
６４ マイナス電極
Ｓ 超音波診断装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波探触子やインクジェットプリンタ等に使用される圧電デバイスおよび超音波探触子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波診断装置は、非侵襲で内部組織の観察ができ、又、リアルタイムで観察ができるといった特徴を有するため、診断への応用場面が益々増加している。この超音波診断装置の超音波として、例えば基板にＰＺＴなどの圧電部材を形成したユニモルフ構造のダイヤフラムを太鼓状に振動させて超音波の送受信を行なうｐＭＵＴ（Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer）が知られている。
【０００３】
このようなｐＭＵＴの超音波探触子は、バルクＰＺＴをダイシングにより分割したものに比し、周波数帯域を広くすることができ、微細化して高解像度とすることができるとともに、３次元画像を取得するための振動子（セル）の２次元配列化に適しており、また、小型薄型化が可能であるために超音波内視鏡への応用に適している等の利点を有する。このようなｐＭＵＴの超音波探触子において、１次元配列の振動子では、取得できる画像が断層画像であるため、操作による偽陰性の危険性があることから、操作者（医師、超音波診断技師）の熟練度が要求される。このような課題を軽減するため、３次元画像を取得できる２次元配列の超音波探触子のニーズは高い。
【０００４】
このような超音波探触子においては、以下のようなエネルギ変換の動作を行う。送信では、電気エネルギを機械エネルギ（膜の振動）に、更に機械エネルギを音響エネルギ（超音波）に変換する。一方、受信では、音響エネルギ（超音波）を機械エネルギ（膜の振動）に、更に機械エネルギを電気エネルギに変換する。
【０００５】
機械エネルギと音響エネルギの相互の変換は、音響整合が重要であり、ｐＭＵＴの実効音響インピーダンスを生体の音響インピーダンスに整合させることが設計のポイントである。電気エネルギと機械エネルギの相互の変換は、圧電薄膜を含むダイヤフラム構成のエネルギ変換効率を高めることが重要である。圧電部材は、電界の方向と同じ方向（３３方向）の歪みを利用することが最も効率が良い（圧電部材の性能を表す指標ではｋ値：電気機械結合係数が高くなる）ため、超音波探触子においては、３３方向の歪みを用いる構成が有利である。又、ＰＺＴの厚み方向に電極を配置した構成に比べ、電極間隔を比較的大きく取れるため超音波受信時の感度（単位圧力に対する出力電圧）を向上できることもメリットとして挙げられる。
【０００６】
このような３３方向の歪みを利用した方式のものとして、特許文献１に超小型シェル型変換器が開示されている。このものは、支持基板上に、アーチ状の部分と二つのショルダー部分を有するソリッド電気アクティブ媒体を取り付けるとともに、それぞれのショルダー部分に一対の電極を取り付けてアーチ部分と支持基板との間にチャンバーを形成する。そして、電圧を、プラス電極からマイナス電極に沿って印加させ同方向の電界を発生させて、応力を同方向に誘導させ、アーチ部分を厚さ方向の上方又は下方に動かし湾曲させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６２２２３０４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、このような３３歪みを利用した方式の薄板状の圧電部材ａの挙動は、例えば図１３に示すように、ある任意矩形断面の歪を考えると、例えば３３方向（Ｚ−Ｚ方向）に伸びるとき、３１方向（Ｗ−Ｗ方向）には縮む。さらに、圧電部材が図１３に示すようにプラス電極ｂとマイナス電極ｃとによって電界がリング状或いは円形状に生じる構成では、ある任意断面における周方向（３１方向、Ｗ−Ｗ方向）の歪みは互いに拘束される。このような拘束状態においては、径方向（Ｚ−Ｚ方向）の歪み量が２５％程度減少することがシミュレーションにより確認されており、超音波の送受信の特性が低下してしまうという問題点がある。尚、図１３に示す圧電部材ａは、支持部材ｅに支持された薄板状の基板ｄに積層されたものである。支持部材ｅ及び基板ｄについては更に後述する。
【０００９】
本発明は、超音波の送受信の性能の向上等を図ることができる圧電デバイスおよび超音波探触子の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る圧電デバイスは、薄板状の圧電部材と、前記圧電部材に形成された１対の第１及び第２電極と、前記１対の第１及び第２電極に電圧を印加した場合に生じる電界の方向に沿って延ばされた部分を含むように形成された溝を備えることを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、溝によって、電界の方向の歪みはその電界の方向と直交する方向の歪みによる拘束が緩和され、電界の方向の歪みが当該溝がない場合に比べて増加する。これにより、この圧電部材を有するダイヤフラムの変位が増加し、超音波の送受信特性を向上させることができる。
【００１２】
他の一態様では、上記圧電デバイスにおいて、前記圧電部材とでユニモルフ構造を採る薄板状の基板を、更に備え、前記基板は、前記電圧印加による圧電部材の歪に伴って、当該基板の面に略直交する厚さ方向に撓み変形することを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、圧電部材の歪みにより基板を効率良く撓み変形させることができ、例えば超音波の送受信を行う超音波探触子に好適なものにできる。
【００１４】
他の一態様では、上記圧電デバイスにおいて、前記電極は、略円形状又は略リング形状であることを特徴とする。
【００１５】
この構成によれば、１次の共振周波数（狙いの振動モード）付近に不要な振動モードが生じないものにできる。不要な振動モードが駆動周波数付近にあると、不要な振動が励起され設計のパルス波形からパルス波形が崩れ、分解能に悪影響を与える可能性があるが、これを防止できる。
【００１６】
他の一態様では、上記圧電デバイスにおいて、前記溝は、径方向に延ばされた複数のものから構成されているとともに、互いに隣接する２つの溝の中心線同士が１０°〜２５°の中心角をなすようにして周方向に並設されていることを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、電界の方向と直交する方向の歪みによる拘束を、より一層、緩和でき、電界の方向の歪みを、より一層、増加させることができる。
【００１８】
他の一態様では、上記圧電デバイスにおいて、前記１対の第１及び第２電極は、前記圧電部材の面上に所定の距離だけ離隔して形成された矩形状であることを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、複数のダイヤフラムにより１つの素子を構成する場合、１つの素子中におけるダイヤフラムの配置効率を高くでき、ダイヤフラムの有効面積を大きくでき、超音波の送受信の特性を向上できる。又、電極を両側から容易に引き出せることができ、ロスの少ない構造が実現できる。
【００２０】
又、本発明の一態様に係る超音波探触子は、上述の何れかの圧電デバイスを備えたものである。
【００２１】
この構成によれば、電界の方向の歪みはその電界の方向と直交する方向の歪みによる拘束が緩和されて増加する。これにより、この圧電部材を用いて形成されるダイヤフラムの変位が増加し、超音波の送受信特性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明は、超音波の送受信の性能を向上させることができる圧電デバイスおよび超音波探触子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施形態における超音波診断装置の外観構成を示す図である。
【図２】実施形態における超音波診断装置の電気的な構成を示すブロック図である。
【図３】実施形態の超音波診断装置における超音波探触子の構成を示す断面図である。
【図４】超音波探触子における超音波送受信部の背面図である。
【図５】超音波送受信部の要部を拡大した正面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【図７】図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。
【図８】実施例１〜３及び比較例の送受信感度を示すグラフである。
【図９】実施例１〜６の送受信特性を示すグラフである。
【図１０】（ａ）は、他の実施形態の超音波送受信部の要部を拡大した正面図、（ｂ）は、図１０（ａ）のＩＸ−ＩＸ線断面図である。
【図１１】（ａ）は、更に他の実施形態の超音波送受信部の要部を拡大した正面図、（ｂ）は、図１１（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。
【図１２】図１１（ａ）のＸＩ−ＸＩ線断面図である。
【図１３】電圧印加による圧電部材の歪を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の超音波探触子を有する超音波診断装置の一実施形態の外観構成を示す図である。図２は、本発明の超音波探触子を有する超音波診断装置の一実施形態の電気的な構成を示すブロック図である。図３は、超音波探触子の一実施形態の構成を示す断面図である。
【００２５】
この実施形態における超音波診断装置Ｓは、図１に示すように、図略の生体等の被検体に対して超音波（第１超音波信号）を送信すると共に、この第１超音波信号に基づく被検体内から来た超音波（第２超音波信号）を受信する超音波探触子２と、超音波探触子２とケーブル３を介して接続され、超音波探触子２へケーブル３を介して電気信号の送信信号を送信することによって超音波探触子２に被検体に対して第１超音波信号を送信させると共に、超音波探触子２で受信された被検体内から来た第２超音波信号に応じて超音波探触子２で生成された電気信号の受信信号に基づいて被検体内の内部状態を超音波画像として画像化する超音波診断装置本体１とを備えて構成される。
【００２６】
この第１超音波信号に基づく被検体内から来た超音波は、被検体内における音響インピーダンスの不整合によって被検体内で第１超音波信号が反射した反射波（エコー）だけでなく、例えば微小気泡（マイクロバブル）等の超音波造影剤（コントラスト剤）が用いられている場合には、第１超音波信号に基づいて超音波造影剤の微小気泡で生成される超音波もある。超音波造影剤では、超音波の照射を受けると、超音波造影剤の微小気泡は、共振もしくは共鳴し、さらに一定の閾値以上の音圧では崩壊、消失する。超音波造影剤では、微小気泡の共振によって、あるいは微小気泡の崩壊、消失によって、超音波が生じている。
【００２７】
超音波診断装置本体１は、例えば、図２に示すように、操作入力部１１と、送信部１２と、受信部１３と、画像処理部１４と、表示部１５と、制御部１６とを備えて構成されている。
【００２８】
操作入力部１１は、例えば、診断開始等を指示するコマンドや被検体の個人情報等のデータを入力するための装置であり、例えば、複数の入力スイッチを備えた操作パネルやキーボード等である。
【００２９】
送信部１２は、例えば制御部１６からの制御信号を超音波探触子２に送信する。受信部１３は、例えば超音波探触子２から送られてくる受信信号を受信して画像処理部１４へ出力する。
【００３０】
画像処理部１４は、制御部１６の制御に従って、受信部１３で受信された、第１超音波信号に基づく被検体内から来た第２超音波信号における所定の周波数成分に基づいて被検体内の内部状態を表す画像（超音波画像）を形成する回路である。前記所定の周波数成分は、例えば、基本波成分、ならびに、例えば２次高調波成分、３次高調波成分および４次高調波成分等の高調波成分を挙げることができる。画像処理部１４は、複数の周波数成分を用いて超音波画像を形成するように構成されてもよい。画像処理部１４は、例えば、受信部１３の出力に基づいて被検体の超音波画像を生成するＤＳＰ（Digital Signal Processor）、および、表示部１５に超音波画像を表示すべく、前記ＤＳＰで処理された信号をディジタル信号からアナログ信号へ変換するディジタル−アナログ変換回路（ＤＡＣ回路）等を備えて構成される。前記ＤＳＰは、例えば、Ｂモード処理回路、ドプラ処理回路およびカラーモード処理回路等を備え、いわゆるＢモード画像、ドプラ画像およびカラーモード画像の生成が可能とされている。
【００３１】
表示部１５は、制御部１６の制御に従って、画像処理部１４で生成された被検体の超音波画像を表示する装置である。表示部１５は、例えば、ＣＲＴディスプレイ、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）、有機ＥＬディスプレイおよびプラズマディスプレイ等の表示装置やプリンタ等の印刷装置等である。
【００３２】
制御部１６は、例えば、マイクロプロセッサ、記憶素子およびその周辺回路等を備えて構成され、これら超音波探触子２、操作入力部１１、送信部１２、受信部１３、画像処理部１４および表示部１５を当該機能に応じてそれぞれ制御することによって超音波診断装置Ｓの全体制御を行う回路である。
【００３３】
超音波探触子（超音波プローブ、トランスデューサ）２は、図３に示すように探触子本体４と、探触子本体４に設けられ超音波の送受信を行なう本発明の圧電デバイスである超音波送受信部５とを備えている。尚、図３のＸ方向を前方側、Ｙ方向を後方側として説明する。後述の図６、図７、図１０（ｂ）、図１１（ｂ）（ｃ）、図１２において同じである。
【００３４】
探触子本体４は、前端に設けられた被覆層４１と、後端側に設けられた信号処理回路部４２と、被覆層４１と信号処理回路部４２との間に配設されたバッキング材層４３とを備えている。
【００３５】
被覆層４１は、診断に際して、例えば被検体としての生体と当接し、その当接に際し不快感を与えることがないものであって、人体との音響整合をとるために音響インピーダンスが人体に近いシリコーンゴム等から形成されている。
【００３６】
バッキング材層４３は、超音波送受信部４に発生する不要振動を減衰する等の役割を果たす。
【００３７】
信号処理回路部４２は、ケーブル３を介して超音波診断装置Ｓと接続されているとともに、超音波送信用のパルス信号の生成、或いは、受信パルス信号の処理などを行なう。
【００３８】
詳しくは、制御部１６の制御に従って、上記送信部１２から送られてくる電気信号の送信信号を供給して超音波送受信部５に第１超音波信号を発生させる。例えば、高電圧のパルスを生成する高圧パルス発生器等を備えて構成される。この信号処理回路部４２で生成された駆動信号は、後述の複数のダイヤフラム６それぞれに対し適宜に遅延時間を個別に設定した、パルス状の複数の信号であり、ダイヤフラム６のそれぞれに供給される。この複数の駆動信号によっては、各ダイヤフラム６から放射された超音波の位相が特定方向（特定方位）（あるいは、特定の送信フォーカス点）において一致し、その特定方向にメインビームを形成した送信ビームの第１超音波信号を発生する。
【００３９】
又、信号処理回路部４２は、制御部１６の制御に従って、超音波送受信部５から電気信号の受信信号を受信し処理する。そして、送信時の送信ビームの形成と同様に、受信時もいわゆる整相加算することによって受信ビームが形成されてよい。すなわち、ダイヤフラム６それぞれから出力される複数の出力信号に対し適宜に遅延時間を個別に設定し、これら遅延された複数の出力信号を加算することによって、各出力信号の位相が特定方向（特定方位）（あるいは、特定の受信フォーカス点）において一致し、その特定方向にメインビームが形成される。このような場合において、例えば、前記増幅器で増幅された各出力信号が入力される受信ビームフォーマ等も備えてよい。尚、この信号処理回路部４２は、超音波診断装置本体１に設けるようにしてもよく、適宜変更できる。
【００４０】
超音波送受信部５は、探触子本体４の被覆層４１とバッキング材層４３との間に２次元アレイ状に配設されている。この実施形態の超音波送受信部５は、図４〜図６に示すように基板（振動板）６１と、基板６１の前面に積層されて基板６１とでユニモルフ構造を採る薄板状の圧電部材６２と、圧電部材６２の前面側に配設されたプラスマイナス１対の電極６３，６４と、これらを支持した支持部材８とを備えている。
【００４１】
支持部材８は、この実施形態では、シリコン製の板状体から構成されている。この支持部材８には、図４、図６に示すように、左右方向及び上下方向に配列された複数の円形状の貫通孔８１が設けられている。各貫通孔８１は、支持部材８の前面から後面に貫通するようにして形成されている。
【００４２】
基板６１は、この実施形態では、後述のＰＺＴに良好な電位分布を得るために絶縁性の物質、例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ２）或いは窒化シリコン（ＳｉＮ）から構成され、薄板状（この実施形態では、２μｍ程度の厚さ）に形成されている。そして、この基板６１は、支持部材８の前面の全体に積層されて貫通孔８１を前方側から覆うように配設されている。
【００４３】
マイナス電極６４（第２電極）は、金又は白金等から構成され、貫通孔８１ごとに、貫通孔８１よりもやや径大に形成された複数の略リング状のマイナス電極本体部６４ａを備えている（図５、図６に図示）。各マイナス電極本体部６４ａは、図５、図６に示すように、貫通孔８１と同心になるようにして、貫通孔８１を囲むように配設されている。
【００４４】
プラス電極６３（第１電極）は、金又は白金等から構成され、マイナス電極本体部６４ａに対応した複数のプラス電極本体部６３ａを備えている（図５、図６に図示）。各プラス電極本体部６３ａは、図５、図６に示すように、マイナス電極本体部６４ａよりも径小に形成され、マイナス電極本体部６４ａの径内側に同心になるように配設されており、これにより、電圧印加に伴ってプラス電極本体部６３ａからマイナス電極本体部６４ａにかけての径方向に電界が発生してそれらのプラス電極本体部６３ａとマイナス電極本体部６４ａとで区画形成されたリング状領域部６５が電界領域となるようになっている。
【００４５】
圧電部材６２は、圧電材料から構成されている。この実施形態では、圧電部材６２は、ＰＺＴから構成されている。尚、圧電部材６２は、ＰＺＴから構成されるものに限らず、例えば圧電部材を、水晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、ニオブ酸タンタル酸カリウム（Ｋ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、ＰＺＮ−ＰＴおよびＰＭＮ−ＰＴ等から構成することもでき、適宜変更できる。
【００４６】
又、この実施形態の圧電部材６２の厚さは、２μｍ程度とされている。又、この圧電部材６２は、複数（この実施形態では、１６個）の溝７を備えている。各溝７は、電界の方向である径方向に、リング状領域部６５におけるプラス電極本体部６３ａからマイナス電極本体部６４ａまで延ばされるようにして、前面から後面に貫通するように形成されている。
【００４７】
又、この実施形態では、互いに隣接する２つの溝７の中心線７１同士が１０°〜２５°の中心角θをなすようなピッチで周方向に並設されている。尚、この中心線７１は、平面視でリング状領域部６５の中心Ｏから、溝７を２分割するように径方向に延ばされた線である。
【００４８】
又、この実施形態では、溝７は、径内側から径外側に漸次幅広に形成されており、径内側での幅が１μｍ程度で、径外側での幅が２μｍ程度とされている。なお、溝７の幅及び形状は、この形態のものに限らず、例えば径内側から径外側に同幅に形成されたものでもよい、適宜変更できる。
【００４９】
そして、この圧電部材６２は、基板６１の前面に積層され、これにより、各貫通孔８１に対応する部分に、上記リング状領域部６５の中心Ｏを中心とした円形状のセルからなり基板６１とでユニモルフ構造を採る薄膜状のダイヤフラム（振動子）６が形成されている。
【００５０】
又、この実施形態では、図５に示すように、４つのダイヤフラム６を１素子６６（図５の二点鎖線で囲んだ４つ）として共通接続されて同調して動作するように構成され、複数の素子６６が左右上下に２次元的に配列されている。
【００５１】
より詳しくは、マイナス電極本体部６４ａは、４つのダイヤフラム６ごとに配設されたもの同士が図５（ａ）に示すセル連結部６４ｂを介して互いに通電可能に接続されている。
【００５２】
又、プラス電極本体部６３ａは、４つのダイヤフラム６ごとに配設されたもの同士が図５（ａ）に示すセル連結部６３ｂを介して互いに通電可能に接続されているとともに、その４つのダイヤフラム６からなる１素子６６夫々から延設された素子延設部（図示せず）によって上記素子６６同士を連結している。
【００５３】
このように構成される超音波送受信部５は、この実施形態では、次のようにして形成されている。
【００５４】
支持部材８の前面に、基板６１が、熱酸化やスパッタ、ＣＶＤなどの方法で形成される。
【００５５】
そして、基板６１の前面に、圧電部材６２が、スパッタやゾルゲルなどの方法により形成される。尚、圧電部材６２を構成したＰＺＴの特性（膜質）を向上するためにＰＺＴの下層に酸化物などのシード層を形成する方法も取り得る。
【００５６】
又、電極が、エッチングやリフトオフなどによりフォトリソグラフィを用いてパターニングされる。圧電部材６２における内側のプラス電極６３の中心側部と溝７を、エッチングにより除去する。支持部材８の貫通孔８１もエッチングにより加工、除去し、ダイヤフラム６を形成する。
【００５７】
また、圧電部材６２の分極方向を電界の方向に揃えるため、電気接続を行った後、内側のプラス電極６３〜外側のマイナス電極６４間に数Ｖ/μｍ以上の電界を印加して分極処理を行う。
【００５８】
以上のように構成された超音波診断装置Ｓで診断する場合、例えば、操作入力部１１から診断開始の指示が入力されると、制御部１６の制御に従い、信号処理回路部４２で超音波送信用のパルス信号が生成される。
【００５９】
この生成されたパルス信号は、超音波送受信部５の複数のダイヤフラム６の素子６６ごとに所定の遅延時間でパルス電圧を、リング状領域部６５に径方向に印加する。
【００６０】
これにより、ダイヤフラム６の圧電部材６２が径方向に歪み、その径方向の歪みによって、ダイヤフラム６の基板６１が厚さ方向（図６のＸ−Ｙ方向）に撓み変形する。その際、圧電部材６２が径方向に延びた複数の溝７を備えているため、径方向に直交する周方向の歪みに拘束され難くなり径方向に効率よく歪ませることができる。
【００６１】
そして、この圧電部材６２の径方向の歪みに伴う基板６１の撓み変形よってダイヤフラム６は太鼓状に振動する。この振動によって、ダイヤフラム６は、第１超音波信号を、ダイヤフラム６の厚さ方向の前後方向に放射する。尚、ダイヤフラム６の素子間に時間差を設けてパルス電圧を発信することで、超音波を所定距離、方向にフォーカスすることができる。
【００６２】
ダイヤフラム６から前方側の被覆層２５方向へ放射された第１超音波信号は、被覆層２５を介して放射される。被覆層２５が被検体に例えば当接されていると、これによって超音波探触子２から被検体に対して第１超音波信号が送信される。尚、ダイヤフラム６から後方側へ放射された第１超音波信号は、バッキング材層４３で減衰される。
【００６３】
なお、超音波探触子２は、被検体の表面上に当接して用いられてもよいし、被検体の内部に挿入して、例えば、生体の体腔内に挿入して用いられてもよい。
【００６４】
被検体に対して送信された超音波は、被検体内部における音響インピーダンスが異なる１または複数の境界面で反射され、超音波の反射波となる。あるいは超音波造影剤が被検体内に注入されている場合には、第１超音波信号に起因して超音波造影剤によって超音波が生成される。この超音波には、送信された第１超音波信号の周波数（基本波の基本周波数）成分だけでなく、基本周波数の整数倍の高調波の周波数成分も含まれる。例えば、基本周波数の２倍、３倍および４倍等の２次高調波成分、３次高調波成分および４次高調波
成分等も含まれる。この超音波は、超音波探触子２で受信される。
【００６５】
より具体的には、この超音波は、被覆層２５を介してダイヤフラム６で受信され、機械的な振動が電気信号に変換されて受信信号として受信され、信号処理回路部４２で処理され、画像処理部１４へ出力される。
【００６６】
そして、画像処理部１４は、制御部１６の制御によって、受信された受信信号に基づいて、送信から受信までの時間により被検体までの距離が、素子間の時間差により被検体の方向が、夫々検出され、被検体の超音波画像を生成する。さらに、画像処理部１４では、フィルタ法によって受信信号から高調波成分が抽出され、この抽出された高調波成分に基づいてハーモニックイメージング技術を用いて被検体内部の内部状態の超音波画像が生成される。また例えば、画像処理部１４では、位相反転法（パルスインバージョン法）によって受信信号から高調波成分が抽出され、この抽出された高調波成分に基づいてハーモニックイメージング技術を用いて被検体内部の内部状態の超音波画像が生成される。そして、表示部１５は、制御部１６の制御によって、画像処理部１４で生成された被検体の超音波画像を表示する。
【００６７】
次に、圧電部材６２における溝７の効果を検証するシミュレーションを行ったので、以下に説明する。このシミュレーションは、上記溝７のピッチとなる中心線７１同士の中心角θ（図５参照）が異なるように溝を配置した３種類の実施例１〜３の圧電部材と、比較例として溝７を有しない圧電部材とを製作し評価を行った。又、実施例１は、上記中心角θが１５°のものであり、実施例２は、上記中心角θが３０°のものである。又、実施例３は、上記中心角θが４５°のものである。
【００６８】
シミュレーションは、上記圧電部材を有する圧電デバイスとその超音波放射方向に音響媒質（水）を配置したモデルを作成し、送信時の入力電圧Ｖｉｎ［Ｖ］に対する発生音圧Ｐｏｕｔ［Ｐａ］と、受信時の圧電デバイスが受ける音圧Ｐｉｎ［Ｐａ］に対して発生する電圧Ｖｏｕｔ［Ｖ］をそれぞれシミュレーションにより周波数ごとに求め、その結果から、送受信の感度として、出力電圧Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ（入力電圧に対して、帰還した超音波によって出力される電圧を示す）をデシベル（ｄＢ）換算し求めた。
【００６９】
その結果を、図８に示す。この図８における感度は、溝を有しない比較例のピーク値で正規化して示している。
【００７０】
又、図８の周波数特性より、超音波探触子の総合的な性能指標（感度＋周波数帯域）にて評価すると、比較例に対して、実施例１では、２．２ｄＢ、実施例２では、１．８ｄＢ、実施例３では、１．７ｄＢ、夫々、大きかった。ここで、上記性能指標は、例えば図８中の比較例のデータについて示したように、ピーク値から−６ｄＢとなる周波数幅ｆｂｗを中心周波数ｆｃで除した周波数帯域幅ＢＷをｄＢ換算し、ｆｃの感度Ｓｆｃ（ｄＢ）との合計で示したもの（送受信特性）である。
【００７１】
以上、実施例１〜３は、全て、比較例よりも性能指標（送受信特性）が大きく、溝の効果を確認できた。
【００７２】
又、圧電部材６２における溝７の上記中心角による効果を検証するシミュレーションを併せて行ったので、以下に説明する。
【００７３】
このシミュレーションでは、上記実施例１〜３に加えて、実施例４として上記中心角θが１０°のもの、実施例５として上記中心角θが２０°のもの、実施例６として上記中心角θが２５°のものを、夫々、作成した。そして、それらの実施例１〜６について、上記性能指標とした送受信特性（感度＋周波数帯域）を算出した。
【００７４】
その結果は、図９に示すように、特に、上記中心角θが１０°〜２５°の範囲で送受信特性の値が大きく、送受信特性を、より一層、向上させることができる。従って、溝７のピッチとなる中心線７１同士の中心角θが１０°〜２５°になるように複数の溝７を周方向に配設するのが特に好ましい。
【００７５】
尚、上記実施形態では、圧電部材６２は、貫通孔８１よりも大きく形成されているが、この形態のものに限らず、適宜変更できる。
【００７６】
例えば図１０（ａ）（ｂ）に示すように、圧電部材１６２は、貫通孔１８１よりも小さい円形状のものから構成され、この圧電部材１６２の中心部にプラス電極１６３のプラス電極本体部１６３ａが配設され、圧電部材１６２の外周側にマイナス電極１６４のマイナス電極本体部１６４ａが配設されている。
【００７７】
そして、電圧印加に伴ってプラス電極１６３のプラス電極本体部１６３ａからマイナス電極１６４のマイナス電極本体部１６４ａ側への径方向に電界が発生してそれらのプラス電極本体部１６３ａとマイナス電極本体部６４ａとで区画形成された円形状領域部１６５が電界領域となるように構成されている。
【００７８】
又、上記実施形態では、プラス電極のプラス電極本体部とマイナス電極のマイナス電極本体部とで電界領域をリング状領域部或いは円形状領域部に形成したが、この形態のものに限らず、電界領域を矩形状の領域に形成してもよく、適宜変更できる。
【００７９】
詳しくは、例えば図１１、図１２に示すように、プラス電極２６３は、圧電部材２６２の左端（一端）に、幅方向に沿って直線的に延ばされた矩形状のプラス電極本体部２６３ａを備えている。又、マイナス電極２６４は、プラス電極本体部２６３ａと所定の距離だけ離隔した圧電部材２６２の右端（他端）に、プラス電極本体部２６３ａと平行に延ばされた矩形状のマイナス電極本体部２６４ａを備えている。
【００８０】
圧電部材２６２は、支持部材２０８の貫通孔２８１よりもやや小さい矩形状のものから構成されている。又、プラス電極本体部２６３ａとマイナス電極本体部２６４ａとの間に、長手方向に延ばされた複数の溝２０７を備えている。
【００８１】
この実施形態では、溝２０７は、１μm程度の溝幅で、１０μm程度のピッチ間隔で配設されている。尚、溝幅あるいは、ピッチ間隔は、この形態のものに限らず、適宜変更できる。
【００８２】
そして、電圧印加に伴ってプラス電極本体部２６３ａとマイナス電極本体部２６４ａとの間に形成された矩形状領域部２６５に電界が発生して矩形状領域部２６５が電界領域となり、これにより、圧電部材２６２がプラス電極本体部２６３ａからマイナス電極本体部２６４ａにかけての長手方向に歪み、その圧電部材２６２の長手方向の歪みによって、ダイヤフラム２０６の基板２６１が厚さ方向（Ｘ−Ｙ方向）に撓み変形する。
【００８３】
その際、圧電部材２６２が長手方向に延びた複数の溝２０７によって、圧電部材２６２の長手方向の歪を、幅方向の歪みに拘束され難くでき、長手方向に効率よく歪ませることができる。
【００８４】
以上のように、電界領域を矩形状領域２６５に形成すれば、例えば上述のように圧電部材を含むダイヤフラムが４つで１つの素子（図５の二点鎖線で囲んだ部分）を構成する場合、１つの素子中におけるダイヤフラムの配置効率を高くでき、ダイヤフラムの有効面積を大きくでき、超音波の送受信の特性を向上できる。又、プラス電極２６３とマイナス電極２６４とを両側から容易に引き出せることができ、ロスの少ない構造にできる。
【００８５】
又、上記実施形態では、溝は、圧電部材を前面から後面に貫通するように形成されているが、この形態のものに限らず、適宜変更できる。例えば溝は、圧電部材の前面から所定の深さで形成されたものでもよい。ただし、溝が圧電部材を前面から後面に貫通するように形成されていれば、電界の方向と直交する方向の歪みによる拘束を緩和し易くでき電界の方向の歪みを増加させ易くできる点で好ましい。
【００８６】
又、上記実施形態では、本発明の圧電デバイスは、超音波探触子の超音波送受信部として使用されたが、超音波探触子に用いられる形態のものに限らず、例えばインクジェットプリンタのインク吐出ヘッドに使用することもでき、適宜変更できる。
【符号の説明】
【００８７】
１ 超音波診断装置本体
２ 超音波探触子
５ 超音波送受信部（圧電デバイス）
６ ダイヤフラム
７ 溝
６１ 基板
６２ 圧電部材
６３ プラス電極
６４ マイナス電極
Ｓ 超音波診断装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄板状の圧電部材と、前記圧電部材に形成された１対の第１及び第２電極と、前記１対の第１及び第２電極に電圧を印加した場合に生じる電界の方向に沿って延ばされた部分を含むように形成された溝を備えることを特徴とする圧電デバイス。
【請求項２】
前記圧電部材とでユニモルフ構造を採る薄板状の基板を、更に備え、
前記基板は、前記電圧印加による圧電部材の歪に伴って当該基板の面に略直交する厚さ方向に撓み変形することを特徴とする請求項１記載の圧電デバイス。
【請求項３】
前記１対の第１及び第２電極は、略円形状又は略リング形状であることを特徴とする請求項１又は２記載の圧電デバイス。
【請求項４】
前記溝は、径方向に延ばされた複数のものから構成されているとともに、互いに隣接する２つの溝の中心線が１０°〜２５°の中心角をなすようにして周方向に並設されていることを特徴とする請求項３の記載の圧電デバイス。
【請求項５】
前記１対の第１及び第２電極は、前記圧電部材の面上に所定の距離だけ離隔して形成された矩形状であることを特徴とする請求項１又は２記載の圧電デバイス。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一項に記載の圧電デバイスを備えた超音波探触子。
【請求項１】
薄板状の圧電部材と、前記圧電部材に形成された１対の第１及び第２電極と、前記１対の第１及び第２電極に電圧を印加した場合に生じる電界の方向に沿って延ばされた部分を含むように形成された溝を備えることを特徴とする圧電デバイス。
【請求項２】
前記圧電部材とでユニモルフ構造を採る薄板状の基板を、更に備え、
前記基板は、前記電圧印加による圧電部材の歪に伴って当該基板の面に略直交する厚さ方向に撓み変形することを特徴とする請求項１記載の圧電デバイス。
【請求項３】
前記１対の第１及び第２電極は、略円形状又は略リング形状であることを特徴とする請求項１又は２記載の圧電デバイス。
【請求項４】
前記溝は、径方向に延ばされた複数のものから構成されているとともに、互いに隣接する２つの溝の中心線が１０°〜２５°の中心角をなすようにして周方向に並設されていることを特徴とする請求項３の記載の圧電デバイス。
【請求項５】
前記１対の第１及び第２電極は、前記圧電部材の面上に所定の距離だけ離隔して形成された矩形状であることを特徴とする請求項１又は２記載の圧電デバイス。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一項に記載の圧電デバイスを備えた超音波探触子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−５５５６４（Ｐ２０１３−５５５６４Ａ）
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９３４６７（Ｐ２０１１−１９３４６７）
【出願日】平成２３年９月６日（２０１１．９．６）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月６日（２０１１．９．６）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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