超音波トランスデューサ、超音波探触子および超音波撮像装置
【課題】簡単な構造で超音波送受信の性能を向上させることができる超音波トランスデューサ、超音波探触子および超音波撮像装置を提供する。
【解決手段】超音波トランスデューサは、基板１上に形成した下部電極２（第１の電極）の上に、内部に空隙４を有する内側ダイヤフラム層５ａを形成し、その上に上部電極３（第２の電極）、外側ダイヤフラム層５ｂを順に形成し、さらに外側ダイヤフラム層５ｂの上にダイヤフラムの対向する頂点間を結ぶ梁７を形成したものである。下部電極２と上部電極３とは、内部に空隙４を有する内側ダイヤフラム層５ａを介して対向し、コンデンサを構成する。
【解決手段】超音波トランスデューサは、基板１上に形成した下部電極２（第１の電極）の上に、内部に空隙４を有する内側ダイヤフラム層５ａを形成し、その上に上部電極３（第２の電極）、外側ダイヤフラム層５ｂを順に形成し、さらに外側ダイヤフラム層５ｂの上にダイヤフラムの対向する頂点間を結ぶ梁７を形成したものである。下部電極２と上部電極３とは、内部に空隙４を有する内側ダイヤフラム層５ａを介して対向し、コンデンサを構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイヤフラム型の超音波トランスデューサ、超音波探触子および超音波撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波を送受信するトランスデューサの主流は、ＰＺＴ（lead zirconate titanate; チタン酸ジルコン酸鉛）に代表されるセラミックス系の圧電素子の圧電効果および逆圧電効果を利用して、超音波の送信および受信を行うタイプのトランスデューサである。この圧電セラミックス系超音波トランスデューサは現在も、実用に供されている超音波トランスデューサの大半を占めているが、これを置き換えるべく、半導体マイクロ加工技術によるマイクロメートルオーダの構造を有する微細なダイヤフラム型の超音波トランスデューサの研究開発が１９９０年代より始まった（非特許文献１参照）。
【０００３】
そのトランスデューサ（超音波トランスデューサ１００ｐ）の典型的な構造は、図４０の断面摸式図に示したように、空隙４を挟んで基板１と平坦な外側ダイヤフラム層５ｂの双方に設けられた下部電極２（基板側の電極。単に電極２ともいう。）および上部電極３（外側ダイヤフラム層５ｂ側の電極。単に電極３ともいう。）がコンデンサを形成するものである。
なお、説明の便宜上、超音波トランスデューサ１００ｐが超音波を受信する方向（図４０の下方向）をｚ方向とし、図４０の右手方向をｘ方向とし、さらに、図４０の紙面に対しての垂直下方向をｙ方向とする。
【０００４】
図４０に示したように、この電極２，３間に電圧を印加すれば、両電極上に反対符号の電荷が誘起され、互いに引力を及ぼしあうので、外側ダイヤフラム層５ｂが変位する。このとき、外側ダイヤフラム層５ｂの外側が水や生体に接していれば、これらの媒体中に音波を放射する。これが送信における電気・音響（超音波）変換の原理である。一方、ＤＣバイアス電圧を印加して電極２，３上に一定の電荷を誘起しておき、外側ダイヤフラム層５ｂの接している媒体から強制的に振動を加え、外側ダイヤフラム層５ｂに変位を与えると、変位に対応する電圧が両電極２，３間に付加的に生ずる。この受信における音響（超音波）・電気変換の原理は、可聴音域のマイクロフォンとして用いられているＤＣバイアス型コンデンサマイクロフォンの原理と同じである。
【０００５】
また、超音波ビームの形成においては、上記トランスデューサを多数並べ、図４３のようにアレイ化して使用する。図４３では、複数個の六角形の超音波トランスデューサ１００を超音波トランスデューサ間の結線１３で電気的に結合し、図示した破線２０で区画される一つのチャンネルを形成している。超音波トランスデューサを用いて超音波パルスの送受信を行い、エコー信号から対象物の断層像を画像化する場合において、超音波トランスデューサの電気・機械変換効率の周波数特性が平坦であるほど、時間軸上のパルス幅が狭くなり高分解能となる。また、超音波トランスデューサから対象までの距離に応じて異なる周波数を選択できるなど、装置の制御方法の自由度が広がる利点がある。このため、図４４に示すように、径の異なるダイヤフラムを有する超音波トランスデューサ１００を超音波トランスデューサ間の結線で繋いで１つの素子１４として同時に駆動して、広帯域化を図る方法が特許文献１に開示されている。
【０００６】
また、特許文献２では、膜の中央部分を補強層（stiffing layer）によって補強した容量性超音波トランスデューサが提案されている。
さらに、特許文献３では、膜の厚さ寸法内に、絶縁層部分と上部電極とを配置したものを、キャビティの上方に配置した音響トランスデューサが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第５，８７０，３５１号明細書
【特許文献２】米国特許第６，４２６，５８２号明細書
【特許文献３】米国特許第６，２７１，６２０号明細書
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】“A surface micromachined electrostatic ultrasonic air transducer”, Proceedings of 1994 IEEE Ultrasonics Symposium, pp.1241-1244
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献１の技術において、図４４に示すように、大きさが異なる多角形や、円形のダイヤフラムを敷き詰めて超音波探触子を構成した場合には、超音波トランスデューサ間に必ず隙間が生じる。この隙間によって、以下の二つの理由により、超音波探触子の性能を劣化させてしまうという問題が生じてしまう。まず、有効な素子面積が減少することによって、実効的な送受波の感度が低下する。また、ダイヤフラムが形成されていない素子部分が超音波探触子の送受波口径中に露出していると、その部分から基板内に入った音が残響音の原因となり、診断画像上の虚像の原因となる。残響音に関しては、ダイヤフラムから、ダイヤフラムが形成されていない部分を通って、伝播した超音波が隣接する超音波トランスデューサの端で反射され、再び元のダイヤフラムに戻ってくることも、その原因となりうる。
【００１０】
また、一般に、トランスデューサアレイにおいては、個々の超音波トランスデューサの大きさは、超音波の回折などを考慮した配置間隔から上限が決まり、所要の放射効率を得られる放射インピーダンスを確保する観点から下限が決まる。したがって、設計に当たっては、これらの超音波トランスデューサの大きさは、通常、狭い範囲から選ばれることとなる。
【００１１】
さらに、前記従来の静電型トランスデューサ（非特許文献１記載）では、半導体製造技術を利用しているので、製造工程において、ダイヤフラムの平面形状に応じたマスクを使用する。そして、ダイヤフラムの周波数特性を変更する一方法に、その大きさ（平面形状）を変える方法がある。しかし、これを行うには、新たにマスクを設計および製造する必要がある。このため、手間と費用がかかり、製造効率が低下する問題点があった。
【００１２】
また、ダイヤフラムの周波数特性を変更する他の方法に、ダイヤフラムの厚さを変える方法がある。しかし、前記したように、ダイヤフラムの大きさは狭い範囲に制限されるため、所望の中心周波数を得るためのダイヤフラムの厚さは、ほぼ一意に決まってしまう。そして、ダイヤフラムの大きさおよび厚さから、この超音波トランスデューサの感度および比帯域幅が決まってしまう。このため、所望の周波数特性、すなわち、中心周波数および比帯域幅の組み合わせが実現できない問題点があった。
【００１３】
さらに、前記従来の容量性超音波トランスデューサ（特許文献２参照）では、ダイヤフラムを補強層（stiffing layer）で補強しているが、補強層を設けることにより所望の中心周波数を得たとしても、比帯域幅は自動的に決まってしまい、所望の周波数特性が実現できない問題点があった。
【００１４】
さらに、前記従来の音響トランスデューサ（特許文献３記載）では、上側電極をダイヤフラム内に設けているため、感度の向上を図ることができるとしても、同様に所望の周波数特性を得るための手段は提供されていない問題点があった。
また、一枚の平坦なダイヤフラムでは、励起される振動モードと、振動モードごとの振動周波数が決まってしまい、同様に所望の周波数特性が得られない問題点があった。
【００１５】
そこで、本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、簡単な構造で超音波送受信の性能を向上させることができる超音波トランスデューサ、超音波探触子および超音波撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係る超音波トランスデューサは、その内部または表面に第１の電極を有する基板と、その内部または表面に第２の電極を有するダイヤフラムとを、空隙を介して配置している。
そして、ダイヤフラムまたは第２の電極の表面または内部に、少なくとも１つの梁を具備している。
その他の手段については、後記する実施の形態で説明する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、簡単な構造で超音波送受信の性能を向上させることができる超音波トランスデューサ、超音波探触子および超音波撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態の超音波撮像装置の構成例を示す図である。
【図２】ダイヤフラム間の距離とパルス波形の関係を説明する図である。
【図３】ダイヤフラム間の距離と反射波形の関係を説明する図である。
【図４】ダイヤフラム間の距離と反射波形の強度を説明する図である。
【図５】第１実施形態の超音波探触子を示す上面図である。
【図６】第１実施形態の半導体ダイヤフラム型の超音波トランスデューサの構造を示す図である。
【図７】第１実施形態の半導体ダイヤフラム型の超音波トランスデューサの上面図である。
【図８】第１実施形態の半導体ダイヤフラム型の超音波トランスデューサの上面図である。
【図９】広帯域化した周波数帯域の利用形態の説明図である。
【図１０】モードによって電気的な１素子の幅を切り替えて使うための超音波トランスデューサである。
【図１１】焦点までの距離に応じて副素子の束ね方を切り替える効果の説明図である。
【図１２】副素子束ね切替スイッチと周辺部分の説明図である。
【図１３】第１実施形態のトランスデューサアレイの上面図である。
【図１４】第１実施形態の半導体ダイヤフラム型の超音波トランスデューサの断面摸式図である。
【図１５】電気的な１素子の幅を切り替えて使うトランスデューサアレイの上面図である。
【図１６】第２実施形態の超音波トランスデューサの上面図である。
【図１７】第２実施形態の超音波トランスデューサの断面摸式図である。
【図１８】第３実施形態の超音波トランスデューサを示す垂直断面図である。
【図１９】第３実施形態の超音波トランスデューサを示す平面図である。
【図２０】トランスデューサアレイを示す斜視図である。
【図２１】超音波トランスデューサの周波数−感度特性例を示すグラフである。
【図２２】梁の屈曲状態を示す模式図である。
【図２３】振動体と、比較例の振動体とを模式的に示す斜視図である。
【図２４】振動体の梁の幅を、ベースの幅の２０パーセントとしたときの共振周波数および比帯域幅の計算結果を示すグラフである。
【図２５】振動体の梁の幅を、ベースの幅の８０パーセントとしたときの共振周波数および比帯域幅の計算結果を示すグラフである。
【図２６】変形例の梁を模式的に示す斜視図である。
【図２７】別の変形例の梁の形状を示す斜視図である。
【図２８】第４実施形態の超音波トランスデューサを示す垂直断面図である。
【図２９】第５実施形態の超音波トランスデューサを示す垂直断面図である。
【図３０】第６実施形態の超音波トランスデューサを示す垂直断面図である。
【図３１】第７実施形態の超音波トランスデューサを示す垂直断面図である。
【図３２】第７実施形態の超音波トランスデューサの動作を模式的に示す垂直断面図である。
【図３３】第８実施形態の外側ダイヤフラム層を示す平面図である。
【図３４】第９実施形態の超音波トランスデューサを示す平面図である。
【図３５】第１０実施形態の超音波トランスデューサを示す平面図である。
【図３６】第１１実施形態の超音波トランスデューサを示す平面図である。
【図３７】第１２実施形態の超音波トランスデューサを示す平面図である。
【図３８】第１３実施形態の超音波トランスデューサを示す垂直断面図である。
【図３９】第１４実施形態の超音波トランスデューサを示す平面図である。
【図４０】比較例（従来例）の超音波トランスデューサを示す垂直断面図である。
【図４１】縦横比が１：２の矩形の平面形状を有するダイヤフラムの周波数−感度特性を示すグラフである。
【図４２】第３実施形態の超音波トランスデューサ１００および比較例の超音波トランスデューサ１００ｐの水中における周波数特性を示したグラフである。
【図４３】トランスデューサアレイの上面図である。
【図４４】径が異なるダイヤフラムを並べた超音波トランスデューサの説明図である。
【図４５】ダイヤフラム間を反射する超音波の経路を説明する図である。
【図４６】ダイヤフラムの隙間から基板に入った超音波によるノイズ生成の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
次に、本発明による各実施形態について、図１〜図４２、図４４〜図４６を参照しながら、詳細に説明する。
なお、以下では、電気と超音波の変換器を超音波トランスデューサ、複数の超音波トランスデューサをアレイ状に集めたものをトランスデューサアレイ、複数のトランスデューサアレイを有して被検体に超音波を送受信するものを超音波探触子と呼ぶ。また、超音波探触子、画像作成部（超音波探触子によって得られた信号から画像を作成する手段）、表示部（画像を表示する手段）、制御部などを備えた超音波による撮像装置を、超音波撮像装置と呼ぶ。
【００２０】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の超音波トランスデューサを用いた超音波撮像装置の構成例を示す図である。この図１を用いて、超音波撮像装置の動作を説明する。
【００２１】
送信遅延・重み選択部２０３は、予めプログラミングされた送受信シークエンス制御部２０１の制御に基づき、送波ビームフォーマ２０４に与えるための各チャンネルの送信遅延時間、重み関数の値を選択する。これらの値に基づいて、送波ビームフォーマ２０４は送受波を切り替えるための複数のスイッチ２０５を介して、電気・音響変換素子１０１に送波パルスを与える。このとき、電気・音響変換素子１０１にはバイアス電圧制御部２０２によって、バイアス電圧も印加されており、その結果、電気・音響変換素子１０１から、ここには図示しない被検体に対して超音波が送波される。
【００２２】
そして、被検体内の散乱によって反射した超音波の一部は、再び電気・音響変換素子１０１で受信される。送受信シークエンス制御部２０１では、送波を行うタイミングから所定の時間が経過した後に、今度は受波ビームフォーマ２０６を、受信モードを起動するように制御する。前記の所定の時間とは、例えば、被検体の深さ１ｍｍより深いところから画像を取得する場合には、１ｍｍを音が往復する時間のことである。送波直後に受信モードに入らないのは、通常、送信する電圧の振幅に対して、受信する電圧の振幅は１００分の１から１０００分の１と極めて小さいからである。受波ビームフォーマ２０６では、いわゆるダイナミックフォーカスと呼ばれる、反射超音波の到達時間に応じて、連続的に遅延時間と重み関数の制御を行う。ダイナミックフォーカス後のデータは、画像作成手段、例えば、フィルタ２０７、包絡線信号検出器２０８、スキャンコンバータ２０９で画像信号に変換されたあと、表示部２１０に超音波断層像として表示される。
【００２３】
超音波トランスデューサを様々な用途で実用化する際に重要となる基本的特性の一つは、中心周波数と比帯域幅で表される周波数特性である。中心周波数ｆｃは、電気・機械変換効率（感度）が最も良い周波数のことである。また、比帯域幅ｆｈは、例えば３ｄＢ幅といった場合には、中心周波数での感度から３ｄＢ落ちた二つの周波数の間隔を中心周波数で割ったものとして定義される。比帯域幅は広いほど、一つの超音波トランスデューサを様々な周波数帯に用いることができ、あるいは時間幅の短い超音波パルスを形成できるため、超音波ビームを用いた撮像の場合には高い距離分解能が得られるなどの有益な特性が得られる。ダイヤフラム型の超音波トランスデューサにおける中心周波数ｆｃは、ダイヤフラムの共振周波数とほぼ等しい値となるので、ダイヤフラムの剛性をＤ、質量をｍとすると、次式（１）で表わされ、比帯域幅ｆｈは次式（２）で表わされる。
【００２４】
【数１】
【００２５】
振動ダイヤフラムの剛性および質量は、材料が固体の場合、振動ダイヤフラムの形状とその寸法、および振動ダイヤフラムの厚さによって決定される。したがって、原理的には適切な振動ダイヤフラムの形状と厚さを決定することによって、望みの周波数特性が得られることになる。しかし中心周波数、感度の最大値、比帯域幅と三つのパラメータを最適化するのに、Ｄとｍの二つの設計自由度だけでは不足することになる。
【００２６】
通常の２次元断層像を撮像する超音波撮像装置用の超音波探触子は、断層面に垂直な方向（短軸方向）は音響レンズによる固定フォーカスで、断層面に沿った方向（長軸方向）に振動子をアレイ化して並べ、電子フォーカスで断層面内の所望の位置に超音波ビームをフォーカスするように構成されている。そして、良好な超音波ビームを形成するには、ビームの中心周波数での波長の半分程度の幅で超音波トランスデューサをアレイ化することが理想的であり、例えば中心周波数が５ＭＨｚでは、０．１５ｍｍ程度の幅でアレイ化される。短軸方向では、超音波トランスデューサの幅が広いほど焦点でのビーム幅は狭くなり、空間分解能の高い断層像を得ることができるが、短軸の固定フォーカスの焦域があまり狭いと、長軸の電子フォーカスでフォーカス域を制御するのが難しくなる。また患者の肋骨の隙間など、患部に押し当てて操作する場合の使い勝手の観点からも、短軸幅は７〜８ｍｍ程度が望ましい。
【００２７】
つまり、電気的な１つの素子の大きさは７〜８ｍｍ×０．１５ｍｍ程度であるので、例えばダイヤフラムの直径が５０μｍ程度の場合には、１５０×３＝４５０個のダイヤフラムが電気的な１素子の中に並べられた状態で使うことになる。この数百個のダイフラムそれぞれの形状、材質を変えると、電気的な１素子全体での比帯域幅をより自由に設計できるようになる。原理的には形状、材質に関して自由度があるが、実際の半導体プロセスでは、基板の上に順に層構造を作製していくので、隣接する超音波トランスデューサ毎に材質を変えることは現実的でなく、ダイヤフラムの厚さを変えることも難しい。結果として、ダイヤフラムの直径を変えることによって所望の比帯域幅を設計するのが最も現実的な方法である。
【００２８】
米国特許第５，８７０，３５１号明細書（特許文献１）には、図４４に示すように、電気的に結合された一つの素子の中にダイヤフラムの径が異なる六角形を多数並べた例が示されている。しかし、直径が異なる円や多角形で領域を敷き詰めた場合には、充填効率が下がってしまうという問題がある。これは、（ダイヤフラムの面積）／（素子全体の面積）の比率が低下して感度が低下するという問題以上に、素子のパルス特性に大きな影響を与える。このパルス特性の劣化について、図４５を用いて説明する。図４５に示すように、大きさの異なる六角形のダイヤフラムを複数配置した場合には、着目しているダイヤフラムから、ダイヤフラムの形成されていない部分を通り、着目したダイヤフラムの周囲のダイヤフラムの端面で反射され再び着目ダイヤフラムに超音波が戻ってくる経路（図中の矢印）の長さが、単一の大きさの六角形ダイヤフラムを敷き詰めて形成されたアレイの場合に比べ、長くなる。
【００２９】
図２は、着目するダイヤフラムと隣接ダイヤフラムとの間の距離を変えたときの、超音波受波パルス特性を有限要素法によってシミュレーションした結果を示すグラフである。ここでは、ダイヤフラムの幅は６０μｍ、長さは無限の二次元モデルの例を扱っている。ダイヤフラムの材料は窒化シリコン（ＳｉＮ）で、厚みは１．２μｍである。アレイの前面から到達する超音波は、中心周波数１０ＭＨｚの正弦波で、サイクル数は１周期分である。横軸は時間であり、アレイの前面から到達する超音波パルスがダイヤフラム表面に到達した時間を原点にとっている。縦軸は、ダイヤフラム中心部分の垂直方向への速度である。４つのグラフは、隣接ダイヤフラム間の距離が、それぞれ５μｍ、２０μｍ、４０μｍ、６０μｍの場合を示している。
【００３０】
図２から、隣接ダイヤフラム間の距離を広げるに従い、パルス幅が広がっていることがわかる。隣接ダイヤフラム間の距離が５μｍのときは、ほぼ外部から到達した超音波波形と同様なダイヤフラムの変形となっており、ダイヤフラム中心部分は１周期分の正弦波の振動をしたあと（約０．１マイクロ秒後）、振動振幅が急速に小さくなり、パルス幅は狭く、超音波からダイヤフラムの変形へ変換する伝達関数の周波数特性はほぼ平坦である。一方、隣接ダイヤフラム間の距離が広がるに従い、パルス波形が伸びている。隣接ダイヤフラム間距離が６０μｍでは、隣接ダイヤフラム間距離が５μｍの場合に比べ、パルス幅がほぼ１．５倍に伸び、このような条件のアレイを用いた場合には空間分解能が劣化することを示している。
【００３１】
図３は、隣接ダイヤフラム間距離が２０μｍ、４０μｍ、６０μｍの場合の受波パルス波形から、隣接ダイヤフラム間距離が５μｍの場合の受波パルス波形を差し引いた波形を示すグラフである。隣接ダイヤフラムからの反射波の影響がほぼ無い条件である、隣接ダイヤフラム間距離が５μｍの受波波形と比べることで、隣接ダイヤフラムからの反射波を抽出することができる。この隣接ダイヤフラムからの反射波が、隣接ダイヤフラム間距離に応じて大きくなっていることが顕著に示されている。
【００３２】
この反射波の絶対値の積分値を縦軸にとり、隣接ダイヤフラム間距離を横軸にとったグラフが図４である。縦軸は、元の受波波形の絶対値の積分値で規格化してある。縦軸の値が、反射波の影響がほぼ無視できる０．１以下になるのは、隣接ダイヤフラム間距離が１０μｍ以下であることが示されている。これは、シリコン内を伝播する音速が８０００ｍ／ｓであることを考えると、１０ＭＨｚでの超音波の波長が８００μｍであるから、波長の１／８０以下という条件であることがわかる。
【００３３】
複数のダイヤフラム型の超音波トランスデューサを電気的に結合して構成される１つの素子としての超音波トランスデューサの領域にダイヤフラムが形成されていない領域が存在すると、以下に示す過程によってもパルス特性が劣化する。図４６はダイヤフラムの隙間から基板に入った超音波がノイズを生成するメカニズムの説明図であり、（ａ）はダイヤフラムとその周辺の断面模式図、（ｂ）は受波電圧信号の時間変化を表す図である。
【００３４】
図４６（ａ）に示すように、ダイヤフラムの上の方からくる超音波パルスを受信する場合を考えると、まずダイヤフラムに直接入射した超音波パルスＡは、図４６（ｂ）の横軸時間、縦軸受波電圧信号のグラフ上のＡで示されるように電気信号に変換される。一方、ダイヤフラム間の隙間の領域に到達した超音波パルスＢは、図４６（ａ）の経路ａ，ｂ，ｃに示すように、基板内で多重反射を繰り返しながら、ダイヤフラムのリム部を通ってダイヤフラムに到達する。この経路ａ，ｂ，ｃを通った超音波パルスも、ダイヤフラムを変形させて電気信号に変換され、図４６（ｂ）に示す波形Ｂ，Ｂ’，Ｂ”として、電気信号上に現れる。
【００３５】
超音波撮像装置においては、血管の内部構造を観察する場合など、血管外の組織部と血管の内腔のように、互いに反射率強度が４０ｄＢから６０ｄＢも異なるような部位を観察するために、輝度の圧縮を行って広いダイナミックレンジで画像化している。そのため、ＢやＢ’などのエコーが微弱なものであっても、血管周辺の組織からの反射信号Ａに、時間が遅れたＢやＢ’のエコーが伴うと、これが血管内部の像として観察され、血管内のプラーク（かたまり）なのか、Ｂなどの虚像なのか区別できなくなってしまう。通常の超音波撮像装置の画像のダイナミックレンジから判断すると、反射信号Ｂの振幅は反射信号Ａの振幅に比べて、１０００分の１、すなわち−６０ｄＢ程度まで小さく抑える必要がある。前述のように、ダイヤフラムの隙間の長さを波長の１／８０程度まで短くすれば、隙間を介しての音の伝播効率が低下して、Ｂの様な残響音の影響が問題とならなくなってくる。この経路ａでウエハ内に入る超音波の大きさを十分に小さくしておけば、経路ｂの多重反射の反射率を十分に小さくできなくても、Ｂの残響音を小さくできるので、結果として、経路ｂの多重反射の反射率に大きな影響を与えるウエハと背面材料の接着剤の厚みや材質に関する選定の自由度が増え、製造工程の取り得る自由度が向上する。
【００３６】
本実施形態では、このダイヤフラムの隙間の面積を最小化しつつ、互いに異なる共振周波数を持たせて比帯域幅を拡大するのに適したダイヤフラムの形状および構造を採用する。
【００３７】
図５は、本実施形態の超音波探触子の一例を示す図であり、超音波探触子を構成する半導体ダイヤフラム型トランスデューサアレイの一部を示す上面図である。図６は、図５に示したアレイ中の一つのダイヤフラム型の超音波トランスデューサを切断し、斜め上方から観察した様子を示す断面模式図である。
【００３８】
個々のダイヤフラム型の超音波トランスデューサは、図６に示すように、基板１上に形成した下部電極２（第１の電極）の上に、内部に空隙４を有する内側ダイヤフラム層５ａを形成し、その上に上部電極３（第２の電極）、外側ダイヤフラム層５ｂを順に形成し、さらに外側ダイヤフラム層５ｂの上にダイヤフラムの対向する頂点間を結ぶ梁７を形成したものである。下部電極２と上部電極３とは、内部に空隙４を有する内側ダイヤフラム層５ａを介して対向し、コンデンサを構成する。六角形の形状をした各ダイヤフラムの中心部には、ダイヤフラムの形状と相似形の膜が梁７と連続するように形成されている。
なお、内側ダイヤフラム層５ａと外側ダイヤフラム層５ｂの両方あるいは片方を、単にダイヤフラムと表記することもある。また、他の構成についても、符号を省略することがある。
【００３９】
図７に示すように、梁７のみを形成すると、ダイヤフラムの中央付近の梁７が交差する部分において、鋭角な部分が生じ、半導体のエッチングプロセスなどによって、鋭角部分を削るときにバラつきが生じる可能性がある。ここで中央に相似形部分を形成すると、鋭角な部分を作らないですむという利点がある。また、ダイヤフラム型の超音波トランスデューサにおいては、大きなＤＣバイアスを印加した方が、蓄積される電荷が多いため、送受波の感度を向上することができるが、このときに過度なＤＣバイアスを印加すると、ダイヤフラムの一部が空隙４の反対側面に接触してしまう。このような接触は、ダイヤフラムへの電荷注入の原因となり、素子の電気音響変換特性にドリフトをもたらすことになる。梁７を形成した場合、梁７の隙間の部分で、かつダイヤフラムの中心近傍の部分から接触することになる。接触なく印加できるＤＣバイアスの上限を大きくするには、凹凸なく変形したほうが有利であるので、梁７の交点部近傍にはダイヤフラムの相似形の膜を形成するのが有利である。このとき、相似形部の大きさがあまり大きいと、梁７の隙間が全て埋まってしまい、梁７を形成した意味が無くなるので、相似形部の直径はダイヤフラム全体の直径に対して５０％から８０％程度であることが望ましい。
【００４０】
ここで、梁７とは、幅が長さに比べ小さく、ダイヤフラムの一部のみを覆う形状の構造体である。梁７は、以下に示すような硬さの条件を備えることで、ダイヤフラム型の超音波トランスデューサ全体の共振周波数に影響を与える。すなわち、空隙４の上方壁部を構成するダイヤフラム部の材料の硬さに比べ梁７の硬さを十分に大きくする、もしくはダイヤフラム部の厚みに比べ梁７の厚みを十分に大きくすることで、ダイヤフラム型の超音波トランスデューサ全体の共振周波数は、梁７の形状と材質によって制御することができる。例えば、幅Ｗ、長さｌ、厚さｔの単純な直方体形状の梁７を考えると、厚み方向の共振周波数ｆｂは次式（３）で与えられる。ここで、Ｅはヤング率、Ｉは断面モーメント、ｍは質量である。
【００４１】
【数２】
【００４２】
断面形状が長方形の梁７では、断面モーメントＩはＷｔ3／３であるため、式（３）は式（４）のようになる。なお、式（４）は比例式なので、係数を省略している。
【００４３】
【数３】
【００４４】
したがって、梁７の材質が同じで、厚みｔと長さｌが一定の場合、共振周波数ｆｂは幅Ｗの平方根に比例することになる。
【００４５】
梁７が、周辺部で幅Ｗの直方体状であり、ダイヤフラムの中心部ではダイヤフラムと相似形の、図５や図６に示すような形状の場合には、近似的にダイヤフラム中心部を質量Ｍの錘とみなすと、式（３）は式（５）のようになり、前記とほぼ同じように取り扱うことが可能となる。
【００４６】
【数４】
【００４７】
このように、ダイヤフラムの共振周波数を梁７の幅Ｗの大きさで制御できるようになると、ダイヤフラムの径は一定で、ダイヤフラムの表面あるいは裏面に設けた梁７の幅Ｗが異なる超音波トランスデューサを図５に示すように敷き詰めることで、ダイヤフラム間の隙間がなく、共振周波数が異なる複数のダイヤフラム型の超音波トランスデューサで、１つの超音波トランスデューサを構成することが可能になる。図５では、１つの素子として機能する超音波トランスデューサの境界線を破線２０によって示している。このとき、下部電極２は１つの超音波トランスデューサを構成する複数のダイヤフラム型の超音波トランスデューサに共通であり、１つの超音波トランスデューサを構成する複数のダイヤフラム型の超音波トランスデューサの上部電極同士は結線１３によって電気的に相互に接続されている。
【００４８】
以下に、図６に示したダイヤフラム型の超音波トランスデューサを構成する材料と寸法の例について説明する。基板１はシリコンからなり、シリコン基板の上に、厚み５００ｎｍ程度の金属もしくはポリシリコンなどからなる下部電極２が形成されている。下部電極２の上には、酸化シリコンなどの絶縁膜が５０ｎｍ程度の厚みで形成され、その上に厚み方向の寸法が２００ｎｍ程度の空隙４が形成され、空隙４の上壁を構成する絶縁膜（第１のダイヤフラム）５が１００ｎｍ程度形成され、その上にアルミニウムなどの金属で形成される上部電極３が厚み４００ｎｍ程度形成され、この上に空隙４の全面を覆う窒化シリコンからなる外側ダイヤフラム層５ｂが厚み２００ｎｍ程度形成され、その上に梁７を構成する窒化シリコンの膜が厚み１０００ｎｍ程度形成されている。
【００４９】
ただし、これらの材質や寸法は単なる一例であり、上記に説明した通りでなくても構わない。例えば、梁７を窒化シリコンで構成し、ダイヤフラムの直径を６０μｍ、膜の厚みおよび梁７の厚みをそれぞれ２μｍと４μｍとすると、Ｗ1が０．５μｍのとき中心周波数が７．８ＭＨｚで−６ｄＢ比帯域幅が１２０％（−６ｄＢ比帯域が３〜１２．５ＭＨｚ）、Ｗ2が４μｍのとき中心周波数が１０ＭＨｚで−６ｄＢ比帯域幅が１００％（−６ｄＢ比帯域が５〜１５ＭＨｚ）、Ｗ3が２０μｍのとき中心周波数が１１．５ＭＨｚで−６ｄＢ比帯域幅が９６％（−６ｄＢ比帯域が６〜１７ＭＨｚ）となる。梁の幅Ｗ1，Ｗ2，Ｗ3を有する超音波トランスデューサの数をそれぞれ最適にすることにより（Ｗ1とＷ3の数をＷ2の数より多くした方が、より平坦な周波数特性が得られる）、−６ｄＢ帯域が３〜１７ＭＨｚすなわち、−６ｄＢ比帯域幅が１４０％となる。従来公知のダイヤフラム構造では−６ｄＢ比帯域幅は１００〜１２０％程度であるので、−６ｄＢ比帯域幅が４０〜２０ポイント改善することになる。
【００５０】
図５に示した例では、多角形の形状をしたダイヤフラムの中心部にダイヤフラムの形状と相似形の膜を梁７と連続するように形成しているが、もちろん図７に示すように、中心部にダイヤフラムの形状と相似形の膜を形成しない梁７としても、同じ効果を期待できる。一方、図８に示すように、ダイヤフラム中心部に硬い領域１５を設け、その硬い領域１５の大きさを変えることで、全体のダイヤフラムの大きさを保ったまま、個々のダイヤフラムの共振周波数を異なるように設定することも可能である。しかし、ダイヤフラムの共振周波数は、質量と、構造と材質で決まるバネの寄与に分解して考えることができるが、バネの強さに対しては、ダイヤフラムの厚みが厚い場合には、ダイヤフラムのリム部での材質、形状の寄与が支配的であるため、図８のような形状では、個々のダイヤフラムで周波数を異なるように設定するのは困難である。よって、図８に示したようにダイヤフラムの中心に大きさの異なる硬い領域１５を形成する構造よりは、図５や図７に示したように、多角形の形状をしたダイヤフラムの表面又は裏面にダイヤフラムの対向する頂点間を結ぶ幅の異なる梁７を形成した構造の方が好ましい。
【００５１】
次に、本発明による超音波探触子の広帯域特性を活用する方法に関して説明する。図９（ａ）は、比帯域幅が６０％程度の従来の探触子を使った場合の、観察部位毎の周波数の選択の仕方を説明する図である。一般的に周波数が高い方が、波長が短くなるので、空間分解能が向上する。しかし、超音波の伝播に伴う減衰は、周波数にほぼ比例して大きくなるので、被検体の深部を観察する場合には、減衰のためほとんど信号が返ってこなくなってしまう。このように、減衰による信号対雑音比の劣化と空間分解能とはトレードオフの関係にあるので、所望の信号対雑音比を満足する範囲でなるべく高い周波数を選択する。したがって、観察対象となる深さによって、ほぼ自動的に最適な周波数が決まり、体表から１５〜２０ｃｍくらいの深いところ（肝臓など）を観察するには２ＭＨｚ程度の周波数、甲状腺など体表から数センチのところを観察するには１０ＭＨｚ程度の周波数、血管内プローブのような場合にはさらに高周波が選択される。
【００５２】
従来は、このような２ＭＨｚから１５ＭＨｚ程度までの広い周波数をカバーするような超音波探触子が無かったので、それぞれの対象部位毎に探触子を最適化して、所定の中心周波数を設定したプローブを使っていた。そのため、素子の幅も一定であればよく、波長の半分から７５％程度になるような、固定素子幅の素子にアレイ化していた。しかし本発明によれば、図９（ｂ）に示すように、一つの探触子で、人体を対象にする場合に必要な周波数域をほぼカバーすることが可能となる。図９（ｂ）におけるｆ１，ｆ２，ｆ３は、各モードにおける駆動周波数である。
【００５３】
ここで、一つの探触子で、対象部位の体表からの深さによって駆動周波数を切り替えて、中心周波数を大きく異なるように動作させるために、素子幅が切り替わるように構成する必要がある。素子幅の切り替えは、対象部位の選択時に決定され、一つの撮像面内では一定の場合や、対象部位が比較的大きく、一つの画面内でも対象部位を設定する場所の変化に応じて切り替わる必要がある場合や、対象部位が体表の近傍から深い部分に広がっており、超音波を受信しながらフォーカス位置の移動に伴って素子幅も切り替えていく必要がある場合もある。例えば、受信しながら素子幅を切り替える場合に関して装置図を用いて説明する。図１の送波ビームフォーマ２０４から広帯域の超音波パルスをスイッチ２０５および副素子束ね切替用のスイッチ１７を介して、副素子１６から構成される超音波探触子に印加し、ここには図示しない被検体に超音波パルスを送波する。
【００５４】
送波ビームフォーマ２０４においては、ビームを絞って空間分解能を上げることよりも、広く超音波パルスを送波し、信号対雑音比を向上することが重要なので、１チャンネル内の副素子数は少なくして、全口径を狭くする。被検体内で散乱された超音波は浅いところから順に戻ってくるので、生体内での伝播距離が短い超音波から順に戻ってくる。この被検体から戻ってくる超音波を従来技術においては、スイッチ２０５を介して受波ビームフォーマ２０６で受け、各チャンネル間での遅延時間、重み係数を調整し、包絡線検波、スキャンコンバータを介して断層像が表示される。一方、本発明では、副素子１６とスイッチ２０５の間の副素子束ねスイッチ１７において、浅い部分からの超音波の受波時では送波した帯域の上端の帯域に対応した束ね数で束ね、深い部分からの超音波の受波時では送波した帯域の下端の帯域に対応した束ね数で束ねる。浅い部分からの超音波の受信から深い部分からの超音波の受信まで時間的には連続しているので、副素子数の切替も時間的に連続的に行う必要がある。
【００５５】
図５の例では、六角形のダイヤフラムを縦横に繋いで電気的な１素子の超音波トランスデューサとしているが、上記のモードを実現するために、図１０のように、複数の超音波トランスデューサを短軸方向にのみ結線１３によって超音波トランスデューサ間の結線を行い、この電気的に結線された超音波トランスデューサを副素子として、長軸方向（アレイ方向）に束ねる副素子の数を変えることで、モードによって素子幅を切り替えることができる。ここでモードとは、対象部位の深さによって自動的に決まる撮像条件のことである。撮像条件としては、駆動周波数、受信での周波数フィルタのカットオフ値、送波正弦波の波数、時間軸重み関数、口径重み関数などである。
【００５６】
超音波トランスデューサの操作者が対象部位を選択もしくは入力すると、通常は撮像の深さの範囲が決まり、介在物の減衰の程度が推定可能なため、最適な周波数などの諸条件が決定される。場合によっては、肝臓や心臓など、比較的大きな臓器を観察する場合などは、対象部位が決まっても、対象部位が近傍から遠方まで広く広がっていることが多いので、一つの対象部位でも複数のモードを持ち、反射エコーの生成する深度によって、自動的にモードを切り替えながら使う場合もある。副素子は、上部電極同士を導電体によって恒久的に接続されたダイヤフラム型の超音波トランスデューサの集まりで構成される。副素子はまた、ビームフォーミングをするための１素子を構成するとき、切替可能なスイッチによって束ねられる単位超音波トランスデューサとなる。図１０において、破線２０は、電気的に結線された超音波トランスデューサ副素子間の境界線を示す。図１０には、アレイ化方向に対して垂直な方向に電気的に接続された４つの副素子１６ａ〜１６ｄが示されている。
【００５７】
例えば、１個のダイヤフラム型の超音波トランスデューサを構成するダイヤフラムの直径が５０μｍであるとき、もちろんダイヤフラム一つの幅より狭い範囲では調整できないが、２ＭＨｚでの波長の７５％となる０．５５ｍｍの素子幅は直径５０μｍのダイヤフラム１１列で実現でき、２０ＭＨｚでの波長の７５％となる５５μｍの素子幅は直径５０μｍのダイヤフラム１列で実現できるので、２ＭＨｚから２０ＭＨｚの範囲で、モードごとに最適な素子ピッチを実現できる。すなわち、この場合には、超音波探触子を２ＭＨｚで駆動するときには、隣接する副素子を１１個ずつ束ねたものを１素子として同時に駆動することで素子幅０．５５ｍｍを実現することができ、超音波探触子を２０ＭＨｚで駆動するときには、個々の副素子を独立して駆動することにより素子幅５５μｍを実現することができる。
【００５８】
図１１は、この副素子を束ねる数の切替え方、およびそれによる効果を具体的に説明した図である。図１１（ａ）は、最も近い距離Ｆｎに送波もしくは受波の焦点をあわせた状態を示している。このときは、各素子は、幅Ｗｓの１つの副素子を１素子として構成されているので、チャンネル数Ｎのシステムの場合、全口径幅Ｗｎは、Ｗｎ＝Ｗｓ×Ｎとなる。一方、図１１（ｂ）は、より深い距離Ｆｆに焦点を合わせた状態を示している。このとき、幅Ｗｃの素子は、副素子を２個束ねて構成されているので、全口径幅ＷｆはＷｆ＝Ｗｃ×Ｎ＝２×Ｗｓ×Ｎとなる。さらに深い焦点に対しては、副素子を束ねる数を増やしていくことで、全口径幅を広げていくことが可能となる。このように、超音波探触子の焦点を変えても、Ｆ値、すなわち焦点距離／口径幅をほぼ一定に保つことができるので、素子幅およびチャンネル数が一定の場合に比べ、近傍においてはＦ値が小さくなり過ぎることによるグレーティングローブ（不要放射）の生成を抑えることが可能となり、遠方においては、Ｆ値が大きくなることによるフォーカスのボケを抑えることができる。
【００５９】
この副素子の束ねスイッチは、超音波撮像装置内に搭載することも可能であるが、図１２に示すように、超音波撮像装置に接続するコネクタ１９と超音波トランスデューサを結ぶケーブル１８よりも、副素子１６側に副素子の束ねスイッチ１７を設けることによって、ケーブル１８の本数を必要最小限に抑えることができる。その結果、操作者が超音波トランスデューサを手に持って操作するときの負担を極力低減することが可能となる。
【００６０】
次に、六角形以外の形状のダイヤフラムを用いるダイヤフラム型トランスデューサアレイの例について説明する。ダイヤフラムの隙間の面積を最小にしつつ、共振周波数が異なるダイヤフラムで超音波探触子の送受波面を埋めることは、長方形のダイヤフラムを用いることによっても実現可能である。このとき、長方形ダイヤフラムの長辺と短辺の比が１対１に近いと、夫々の辺の長さに対応したモード間での結合振動のため、共振モードが複雑になり、見かけは広帯域でも、周波数特性を絶対値と位相の両方で見た場合に位相が一定ではなく、結果として周波数成分毎に異なる遅延を持ち、時間軸上でのパルス特性が劣化してしまうことがある。しかし、長辺と短辺の長さが大きく異なる（例えば１：８以上など）ようにしておけば、長方形のダイヤフラムは短辺に沿って変形する樋型に振動し、ほとんど短辺の長さで共振周波数が定まるようになる。
【００６１】
図１３（ａ）は、長方形のダイヤフラムを有するダイヤフラム型の超音波トランスデューサを用いた超音波探触子の例を示す平面摸式図である。また、図１４にアレイ化方向の断面図を示す。図１４に示すように空洞部分の幅が異なるように構成することで、異なる共振周波数をもつ複数のダイヤフラムを電気的に結線された１素子中に備えることが可能となる。この超音波探触子は、それぞれが個々のダイヤフラム型の超音波トランスデューサの構成要素であるところの複数のダイヤフラムを、その長辺の方向が電気的に結線された１つの素子１４の長辺の方向と一致するように、すなわちトランスデューサアレイのアレイ化方向と直交する方向になるように配置している。個々のダイヤフラムの下方には、そのダイヤフラムとほぼ同形状の上部電極および空隙が設けられており、空隙の下方に設けられた共通の下部電極と上部電極とによってコンデンサが構成される。
【００６２】
また、長方形のダイヤフラムを備える個々の超音波トランスデューサは、そのダイヤフラムの短辺の長さによって決まる共振周波数を有する。電気的に結線された１つの素子１４の短辺を複数に分割するような、ダイヤフラムの短辺の長さの組み合わせを選ぶことで、隙間なく配置された、中心周波数が異なる複数のダイヤフラムが、電気的に同時に駆動される一つの超音波トランスデューサが得られる。例えば、Ｗ0を５００μｍ、窒化シリコンで構成された膜の厚みを３μｍとすると、Ｗ1が６０μｍのとき中心周波数が７．８ＭＨｚで−６ｄＢ比帯域幅が１２０％（−６ｄＢ比帯域が３〜１２．５ＭＨｚ）、Ｗ2が５０μｍのとき中心周波数が１０ＭＨｚで−６ｄＢ比帯域幅が１００％（−６ｄＢ比帯域が５〜１５ＭＨｚ）、Ｗ3が４０μｍのとき中心周波数が１１．５ＭＨｚで−６ｄＢ比帯域幅が１００％（−６ｄＢ比帯域が６〜１７ＭＨｚ）となる。短辺の長さＷ1，Ｗ2，Ｗ3を有する超音波トランスデューサの数をそれぞれ最適にすることにより（Ｗ1とＷ3の数をＷ2の数より多くした方が、より平坦な周波数特性が得られる）、−６ｄＢ帯域が１〜１５ＭＨｚすなわち、−６ｄＢ比帯域幅が１４０％となる。従来公知のダイヤフラム構造では−６ｄＢ比帯域幅は１００〜１２０％程度であるので、−６ｄＢ比帯域幅が２０〜４０ポイント改善することになる。
【００６３】
図１３（ｂ）は、長方形のダイヤフラムを有するダイヤフラム型トランスデューサアレイを用いた超音波探触子の他の例を示す平面摸式図である。この超音波探触子は、それぞれが個々の超音波トランスデューサの構成要素であるところの複数のダイヤフラムを、その長辺の方向が電気的な１つの素子１４の短辺と同じ向き、すなわちトランスデューサアレイのアレイ化方向と同じ方向になるように配置している。個々のダイヤフラムの下方には、そのダイヤフラムとほぼ同形状の上部電極および空隙が設けられており、空隙の下方に設けられた共通の下部電極と上部電極とによってコンデンサが構成される。このようなダイヤフラムの配置によっても、中心周波数が異なる複数のダイヤフラムで超音波探触子の表面を隙間無く充填することが可能となる。これらの、異なる中心周波数のダイヤフラムを並べるときに、規則性がなるべく出ないように配列する方が、不要なグレーティングビームを発生しないので好ましい。なお、図１３（ｂ）においても、図１３（ａ）と同じようにＷ1，Ｗ2，Ｗ3に対して共振周波数が決定されるので、選択の仕方、および効果に関しても図１３（ａ）の場合と同様である。
【００６４】
本実施形態においても、図１５に示すように、アレイの長軸方向の素子幅をモードによって自由に変えられるように設定することは、本発明の超音波撮像素子が有する広帯域特性を十分に使いこなすという観点から有益である。なお、図１５においては、複数の超音波トランスデューサをアレイ化方向と垂直な方向にのみ結線して多数の副素子を構成しておき、副素子の束ね方を変更することによってアレイの長軸方向の素子幅を変更するものであるが、図１３（ａ）あるいは図１３（ｂ）に示すように結線された複数のダイヤフラム型の超音波トランスデューサからなる素子１４を１つの副素子とし、副素子の束ね方を束ねスイッチによって変更することによって、アレイの長軸方向の素子幅をモードに応じて変更するようにしてもよい。
【００６５】
（第２実施形態）
図１６は、第２実施形態の超音波トランスデューサを示す平面模式図である。図１７（ａ）は、その断面模式図である。図１６、図１７（ａ）に示すように、幅の異なる複数の梁７ａ〜７ｅを外側ダイヤフラム層５ｂの表面に設けることによって、広帯域な超音波トランスデューサ１００ｑを実現できる。本実施形態の超音波トランスデューサ１００ｑは、１つの電気信号によって駆動される素子、すなわち電気的な１素子を１つのダイヤフラムで構成するが、１つのダイヤフラム上に中心周波数の異なる梁７を複数並べてダイヤフラム全体としての帯域幅を広げたものである。
【００６６】
図１６の例では、１つの超音波トランスデューサを構成する長方形の外側ダイヤフラム層５ｂ上に、ダイヤフラムの短辺方向を横切るように矩形の梁７ａ〜７ｅを複数形成した。梁７ａの短辺の幅はＷ1、梁７ｂの短辺の幅はＷ2、梁７ｃの短辺の幅はＷ3、梁７ｄの短辺の幅はＷ4、梁７ｅの短辺の幅はＷ5であり、幅Ｗ1〜Ｗ5は互いに異なる。図１６のダイヤフラムと梁７の関係は梁７の交差点部の寄与が大きくない場合には、図５におけるＷ1，Ｗ2，Ｗ3と共振周波数の関係と同じである。なお、図１７（ｂ）に示すように、幅の異なる梁を外側ダイヤフラム層５ｂの内部に埋め込むようにして設けてもよい。
【００６７】
図１６に示した超音波トランスデューサ１００ｑの場合も、やはり前記のように、各々の中心周波数をもつ梁７ごとの並べ方に、なるべく周期性がないように配置して、グレーティングローブ（不要放射）が形成されないように注意する必要がある。
【００６８】
上記各実施形態においては、２次元断層像を撮像するための１次元アレイの例で説明を行ったが、２次元アレイや、１．５次元アレイにおいても、電気的な１素子を構成するダイヤフラムの数は減るものの、複数のダイヤフラムで電気的な１素子を構成することに変わりはないので、本発明の特徴である、隙間を最小限に抑えた、中心周波数が異なる複数のダイヤフラムで構成される電気的な素子を配置したトランスデューサアレイを実現することができる。なお、１．５次元アレイとは、超音波ビーム位置もしくは方向を走査する方向（長軸）、すなわち撮像面に直交する方向（短軸）に関してもアレイ化することにより、短軸側のフォーカスも可変にすることができる構成をもったアレイのことである。
【００６９】
（第３実施形態）
続いて、図１８から図２７の各図を参照し、本発明による第３実施形態について説明する。なお、第１実施形態や第２実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する点に関しては適宜説明を省略する。
図１８は、第３実施形態の超音波トランスデューサ１００を示す垂直断面図であり、図１９は、この超音波トランスデューサ１００を示す平面図である。
【００７０】
なお、図４０の場合と同様に、説明の便宜上、超音波トランスデューサ１００が超音波を受信する方向、すなわち、図１８の下方、および、図１９の紙面に対しての垂直下方向を、ｚ方向とする。また、図１８および図１９の右手方向をｘ方向とし、図１８の紙面に対しての垂直下方向および図１９の上方向を、ｙ方向とする。
【００７１】
図１８および図１９に示すように、この超音波トランスデューサ１００は、静電型のダイヤフラム型トランスデューサであって、シリコン（Ｓｉ）単結晶などの絶縁体または半導体からなる平板状の基板１と、アルミニウム（Ａｌ）などの導電体からなり基板１の上面に薄膜状に形成された基板１側の電極２と、この電極２の上面に薄板状に形成されたダイヤフラム５と、このダイヤフラム５の上面に形成された１つまたは複数の梁７と、を具備している。なお、説明の便宜上、この超音波トランスデューサ１００において、ダイヤフラム５が備えられ超音波を送受する面を上面、基板１側の面を下面とする。
【００７２】
ダイヤフラム５は、内部に空隙４を有し、この空隙４の上面をカバーする部分が、振動により超音波を発生するための振動部分５ｃとなっている。ダイヤフラム５は、ダイヤフラム５の振動部分５ｃと基板１側の電極２との間隔を示す空隙４を含み、この振動部分５ｃが過剰に変位しても基板１側の電極２とダイヤフラム５側の電極３（後記）とが導通しないように絶縁する内側ダイヤフラム層５ａと、この内側ダイヤフラム層５ａの上面を覆うように形成された外側ダイヤフラム層５ｂと、電極２と同様の材質からなり内側ダイヤフラム層５ａと外側ダイヤフラム層５ｂとの間に薄膜状に形成されたダイヤフラム５側の電極３と、を具備している。
【００７３】
ダイヤフラム５および梁７の材質は、例えば、米国特許第６，３５９，３６７号明細書に記載されたものである。例示すれば、シリコン、サファイア、あらゆる形式のガラス材料、ポリマ（ポリイミドなど）、多結晶シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、金属薄膜（アルミニウム合金、銅合金、またはタングステンなど）、スピン・オン・グラス（ＳＯＧ）、埋め込み（implantable）ドープ剤または拡散ドープ剤、ならびに酸化シリコンおよび窒化シリコンなどからなる成長フィルムなどである。
【００７４】
定常時において、ダイヤフラム５の振動部分５ｃと基板１との間隔、すなわち空隙４の厚さ（ｚ方向の寸法）は、主に、内側ダイヤフラム層５ａおよび外側ダイヤフラム層５ｂの両方またはいずれかの上下方向（ｚ方向）の剛性によって維持されている。さらに、この剛性は、梁７によって所定方向に強化されている。
【００７５】
すなわち、本実施形態の超音波トランスデューサ１００の大きな特徴は、ダイヤフラム５に梁７が配設され、ダイヤフラム５の剛性が調節されていることである。超音波トランスデューサ１００は、ダイヤフラム５の厚さ（ｚ方向の長さ）と梁７の厚さ（ｚ方向の長さ）との組み合わせを適切に設定することにより、所望の共振周波数ｆｂと比帯域幅ｆｈとの組み合わせを実現できる。
【００７６】
ダイヤフラム５および梁７の平面形状（ｘ方向およびｙ方向の寸法）を変えるには、製造工程において異なるマスク（図示せず）を要するが、これらの厚さ（ｚ方向の寸法）を変えるには、ダイヤフラムの材料となる物質が所望の厚さにまで堆積する時間を調節するなど、単に製造工程の制御を変更すればよく、同一の製造設備で製造を行える利点がある。
【００７７】
この超音波トランスデューサ１００は、電気素子として概観すると、誘電体として機能する空隙４を挟んで、各々極板となる基板１側の電極２およびダイヤフラム５側の電極３を配置した可変容量コンデンサとして動作する。具体的には、ダイヤフラム５に力を加えると変位するため、電極２と電極３との間隔が変わり、このコンデンサの静電容量が変化する。また、電極２と電極３とに電位差を与えると各々異なる電荷が貯まって相互に力が作用し、ダイヤフラム５が変位する。すなわち、この超音波トランスデューサ１００は、入力された高周波電気信号を超音波信号に変換して水や生体などの媒体へ放射し、媒体から入力された超音波信号を高周波電気信号に変換して出力する機能を有する電気音響変換素子である。
【００７８】
図２０は、トランスデューサアレイ１０００を示す斜視図である。
このトランスデューサアレイ１０００は、超音波探触子（図示せず）の超音波送受信面をなすものであって、基板１に、前記した超音波トランスデューサ１００を多数形成し、所定個数ごとに結線１３によって接続したものである。超音波トランスデューサ１００の個数は、図示したものに限られず、半導体製造技術に応じてさらに多数の超音波トランスデューサ１００を、より大型の基板１に集積してもよい。個々の、または、所定個数ごとにまとめられた超音波トランスデューサ１００は、送受スイッチを介して、この超音波探触子を具備した超音波撮像装置の送信ビームフォーマおよび受信ビームフォーマに接続され（いずれも図示せず）、フェーズドアレイとして動作し、超音波の送受信のために利用される。なお、図示した超音波トランスデューサ１００の配列は一例であって、蜂の巣(honeycomb)状のほか、碁盤目（grid）状など、他の配列形態でもよい。また、配列面は、平面状または曲面状のいずれでもよく、その面形状も、円形状または多角形状などとすることができる。あるいは、超音波トランスデューサ１００を、直線状または曲線状に並べてもよい。
【００７９】
この超音波探触子は、例えば、複数の超音波トランスデューサ１００の群を短冊状に配列してアレイ型に形成したり、複数の超音波トランスデューサ１００を扇状に配列してコンベックス型に形成したりしたトランスデューサアレイ１０００を具備する。また、この超音波探触子において、超音波トランスデューサ１００の媒体（被検体）側には、超音波ビームを収束させる音響レンズと、超音波トランスデューサ１００と媒体（被検体）との音響インピーダンスを整合する音響整合層が配置されており、また、その背面側（媒体側に対して逆側）には、超音波の伝播を吸収するバッキング材が設けられている。
【００８０】
図２１は、超音波トランスデューサ１００の周波数−感度特性例を示すグラフである。
このグラフでは、横軸に周波数ｆをとり、縦軸に電気・機械変換効率を示す感度Ｇ（利得; Gain）をとって示す。感度Ｇが最も高くなる周波数ｆをピーク周波数ｆpとし、感度Ｇが、最も高い値から−３[dB]までの範囲となる周波数帯幅ｆｗとする。周波数帯幅ｆｗの中心となる周波数を中心周波数ｆｃとし、周波数帯幅ｆｗを中心周波数ｆｃで除した値（つまり、周波数帯幅ｆｗを、中心周波数ｆｃで規格化した値）を比帯域幅ｆｈ（図示せず）とする。
【００８１】
超音波トランスデューサ１００の重要な基本的特性のひとつに、感度Ｇが挙げられる。感度Ｇは、電気エネルギーと、音波などの機械エネルギーとを相互に変換する効率を意味する。したがって、送信効率を高め、また、微弱な音波信号を検出する観点から、超音波トランスデューサ１００の感度Ｇは高い方が望ましい。
【００８２】
また、超音波トランスデューサ１００の重要な基本的特性のもうひとつに、比帯域幅ｆｈが挙げられる。比帯域幅ｆｈが大きいほど、使用可能な周波数範囲が広くなり、ひとつの超音波トランスデューサ１００をさまざまな目的に共用できる利点がある。さらに、比帯域幅ｆｈが大きいほど、パルス幅の狭い（すなわち、占有周波数帯幅の広い）超音波パルスを形成でき、超音波撮像などにおいて高い距離分解能を得られる利点がある。
【００８３】
しかし、エネルギー保存の法則から導かれるとおり、感度Ｇの高さと、比帯域幅ｆｈの広さとは、相反関係にある。したがって、超音波トランスデューサ１００を設計するに当たって重要なことは、この限界内で、所望の中心周波数ｆｃと比帯域幅ｆｈとの組み合わせを選べることである。
【００８４】
超音波トランスデューサ１００は、ダイヤフラム型であるので、中心周波数ｆｃと、共振周波数ｆｂとは、ほぼ等しい。共振周波数ｆｂは、ダイヤフラム５の剛性をＤ、質量をｍとすると、前記した式（１）の関係にある。また、比帯域幅ｆｈは、前記した式（２）の関係にある。
【００８５】
ダイヤフラム５の剛性Ｄおよび質量ｍは、その材質が既定であるとき、その平面形状および厚さにより定まる。したがって、ダイヤフラム５の平面形状および厚さの両方を適切に設定できれば、所望の周波数特性（中心周波数ｆｃ（≒共振周波数ｆｂ）と比帯域幅ｆｈとの組み合わせ）が得られることになる。
【００８６】
図２２は、梁７の屈曲状態を示す模式図である。
この梁７は、力を加えない状態では、幅がｗ、長さがｖ、厚さがｔの直方体状である。この梁７の厚さ方向（ダイヤフラム５の振動方向；ｚ方向）の剛性Ｄは、この梁７の質量をｍ、ヤング率をＥとすると、次式（６）の関係にある。
【００８７】
【数５】
【００８８】
一方、梁７の質量ｍは、その密度をρとすると、次式（７）で求めることができる。
【００８９】
【数６】
【００９０】
この梁７の厚さｔ方向（ｚ方向；ダイヤフラム５の振動方向）の共振周波数ｆｂは、次式（８）の関係にある。
【００９１】
【数７】
【００９２】
したがって、梁７の共振周波数ｆｂは、厚さｔに比例することになる。
【００９３】
また、比帯域幅ｆｈは減衰定数ζに比例し、減衰定数ζは、次式（９）の関係にある。
【００９４】
【数８】
【００９５】
ここで、式（８）を式（９）に代入すると、次式（１０）が得られる。
【００９６】
【数９】
【００９７】
この式（１０）から、減衰定数ζは、共振周波数ｆｂが一定である場合、梁７の質量ｍに反比例することがわかる。つまり、梁７の幅ｗおよび長さｖが既定であれば、比帯域幅ｆｈは、厚さｔに反比例することがわかる。
【００９８】
直方体状の梁７は、その平面形状（幅ｗおよび長さｖ）が既定であるとき、所望の共振周波数ｆｂを実現するためには、その厚さtは、ひとつの値に決まる。また、梁７の材質と各寸法が決まると、質量ｍも決まるため、比帯域幅ｆｈも一意に決まる。また、例えば、ダイヤフラム５の振動部分５ｃ（梁７を除いた平板状の部分）など、均質な直方体とみなせるものについても、この梁７と同様のことがいえる。
【００９９】
図２３は、本発明による振動体６ａと、比較例の振動体６ｂとを模式的に示す斜視図である。
図２３（ａ）に示すように、本発明による振動体６ａは、第３実施形態のダイヤフラム５の振動部分５ｃを模したものであって、平板状のベース２０ａと、このベース２０ａに配設された１本の梁７ｄとを具備している。ベース２０ａの厚さはｔ１であり、梁７ｄの厚さはｔ２である。また、図２３（ｂ）に示すように、比較例の振動体６ｂは、前記した振動体６ａから梁７ｄを取り除いた形状を有するものであり、平板状のベース２０ｂからなる。ベース２０ｂの厚さはｔ０である。
【０１００】
振動体６ａのベース２０ａおよび梁７ｄ、ならびに、振動体６ｂのベース２０ｂの長さ（ｙ方向の寸法）は、いずれもｖである。また、ベース２０ａおよびベース２０ｂの幅（ｘ方向の寸法）は、いずれもｗ１であり、梁７ｄの幅（ｘ方向の寸法）は、ｗ２である。さらに、ベース２０ａ、ベース２０ｂ、および梁７ｄは、いずれも同じ材質である。
【０１０１】
図２４は、本発明による振動体６ａの梁７ｄの幅ｗ２を、ベース２０ａの幅ｗ１の２０パーセントとしたときの共振周波数ｆｂおよび比帯域幅ｆｈの計算結果を示すグラフである。
横軸方向は、梁の比厚さｔ２／ｔ０、すなわち、振動体６ａの梁７ｄの厚さｔ２を、振動体６ｂのベース２０ｂの厚さｔ０で規格化した値の大きさを示す。また、縦軸方向は、比厚さｔ１／ｔ０、すなわち、振動体６ａのベース２０ａの厚さｔ１を、同様に、振動体６ｂのベース２０ｂの厚さｔ０で規格化した値の大きさを示す。
【０１０２】
このグラフの実線は、本発明による振動体６ａの共振周波数ｆｂを、比較例の振動体６ｂの共振周波数ｆｂで規格化した値を示す。このグラフにおいて、各実線に付された数字は、この共振周波数ｆｂを規格化した値を示し、同一の実線上の任意の位置で、この共振周波数ｆｂを規格化した値が同じ値であることを意味する。
【０１０３】
また、このグラフの破線は、同様に、本発明の振動体６ａの比帯域幅ｆｈを、比較例の振動体６ｂの比帯域幅ｆｈで規格化した値を示す。このグラフにおいて、各破線に付された数字は、この比帯域幅ｆｈを規格化した値を示し、同一の破線上の任意の位置で、この比帯域幅ｆｈを規格化した値が同じ値であることを意味する。
【０１０４】
例えば、本発明による振動体６ａに梁７ｄを備えない場合（梁７ｄの厚さｔ２を０としたといってもよい）、この振動体６ａは、厚さｔ０の比較例のベース２０ｂと等価である。すなわち、この振動体６ａのベース２０ａの比厚さｔ１／ｔ０の値を１.０とし、その梁７ｄの比厚さｔ２／ｔ０の値を０.０とする。このとき、共振周波数ｆｂを一定とし、比帯域幅ｆｈを変えるには、共振周波数ｆｂを規格化した値が１.０となるように（グラフ上では、「１.０」が付された実線上をたどって）、比厚さｔ１／ｔ０と比厚さｔ２／ｔ０との組み合わせを選び、ベース２０ａの厚さｔ１および梁７ｄの厚さｔ２を求めればよい。
【０１０５】
また例えば、本発明の振動体６ａの共振周波数ｆｂを、比較例の振動体６ｂの２倍にし、所望の比帯域幅ｆｈを得るには、共振周波数ｆｂを規格化した値が２.０となるように（グラフ上では、「２.０」が付された実線上をたどって）、所望の比帯域幅ｆｈの規格化値を得ることができる比厚さｔ１／ｔ０と比厚さｔ２／ｔ０との組み合わせを選び（グラフ上では、前記した実線と所望の比帯域幅ｆｈの規格化値が付された破線との交点を探し）、ベース２０ａの厚さｔ１および梁７ｄの厚さｔ２を求めればよい。
【０１０６】
このように、振動体６ａが、ベース２０ａに梁７ｄを配設した構造を有するため、各素子（ベース２０ａおよび梁７ｄ）の平面形状を変えなくても、これらの各素子の厚さ（ｚ方向の寸法）を適切に設定することにより、所望の周波数特性（共振周波数ｆｂと比帯域幅ｆｈとの組み合わせ）を実現できる。
【０１０７】
図２５は、本発明による振動体６ａの梁７ｄの幅ｗ２をベース２０ａの幅ｗ１の８０パーセントとしたときの共振周波数ｆｂおよび比帯域幅ｆｈの計算結果を示すグラフである。
図２４と図２５とを比較すると、振動体６ａの梁７ｄの幅ｗ２の、ベース２０ａの幅ｗ１に対する比率が異なる場合、梁７ｄの厚さｔ２およびベース２０ａの厚さｔ１を同様に変化させたとき、周波数特性の変化が異なることがわかる。
【０１０８】
すなわち、ベース２０ａの幅ｗ１を一定とし、梁７ｄの幅ｗ２を大きくした場合、梁７ｄの平面形状と、ベース２０ａの平面形状とが近似することとなる。このため、共振周波数ｆｂを一定としたとき、ベース２０ａの厚さｔ１と梁７ｄの厚さｔ２との組み合わせを選択することによって、比帯域幅ｆｈを調節できる範囲が狭くなる。
したがって、梁７ｄの厚さｔ２を変えることにより、効果的に周波数特性を変化させるには、製造技術上許容される範囲内で、梁７ｄの幅ｗ２を、ベース２０ａの幅ｗ１に対して、なるべく小さくすればよい。なお、ベース２０ａおよび梁７ｄが同じ材質である場合について説明したが、異なる材質を用いて、同様の結果を得ることもできる。
【０１０９】
図２６は、変形例の梁７ｂを模式的に示す斜視図である。
この梁７ｂは、幅ｗ２を有する梁部材７ｂａと、これと異なる幅ｗ２２を有する梁部材７ｂｂとを、長軸方向を一致させて厚さ方向（ｚ方向）に接合した構成を有する。この梁７ｂでは、梁部材７ｂａの厚さｔ２１と、梁部材７ｂｂの厚さｔ２２とを、独立に選ぶことができる。このため、梁部材７ｂａおよび梁部材７ｂｂの平面形状を変えずに、梁７ｂ全体の厚さ方向の剛性Ｄと質量ｍとの比を一定となるような、梁部材７ｂａの厚さｔ２１と梁部材７ｂｂの厚さｔ２２との組み合わせが無数に得られる。つまり、この梁７ｂを用いれば、共振周波数ｆｂを一定としつつ、梁部材７ｂａの厚さｔ２１と梁部材７ｂｂの厚さｔ２２との組み合わせを変えて、比帯域幅ｆｈを連続的に変えることができる。
【０１１０】
図２７は、別の変形例の梁７ｃ１，７ｃ２，７ｃ３の形状を示す斜視図である。
例えば、図２７（ａ）に示すように、三角形状の断面形状を有する梁７ｃ１を用いてもよい。また、図２７（ｂ）に示すように、台形状の断面形状を有する梁７ｃ２を用いてもよい。さらに、図２７（ｃ）に示すように、幅が長軸方向に沿って変化する梁７ｃ３を用いることもできる。
【０１１１】
このように、梁は、直方体形状、すなわち、短軸方向および長軸方向の断面形状が矩形であるもののほか、製造工程において、厚さ（ダイヤフラム５の振動方向；ｚ方向の寸法）を制御できる形状であれば、他の形状のものを用いてもよい。例えば、梁は、台形など他の四角形や三角形などの多角形状、あるいは、円形状または楕円形状などの断面形状を有するものでもよく、所定方向に沿って断面形状が変化する形状を有するものでもよい。
【０１１２】
次に、図２８から図３９の各図を参照して、本発明による他の実施形態について説明する。これらの各実施形態における構成および動作は、以降に説明を行うほかは、原則として第３実施形態と同様としてよい。後記する第４実施形態から第１４実施形態の超音波トランスデューサ１００ｂ〜１００ｌも、前記した超音波探触子において、同様に使用できる。
【０１１３】
（第４実施形態）
図２８は、第４実施形態の超音波トランスデューサ１００ｂを示す垂直断面図である。
この超音波トランスデューサ１００ｂは、梁７を、ダイヤフラム５（内側ダイヤフラム層５ａ）内の空隙４内に具備した構成を有する。すなわち、本実施形態において、梁７は、ダイヤフラム５表面の電極３近傍であって、基板１側の電極２に対面する側に配設されている。
この超音波トランスデューサ１００ｂによれば、第３実施形態と同様な効果が得られ、また、ダイヤフラム５の表面を平坦にできる。
【０１１４】
（第５実施形態）
図２９は、第５実施形態の超音波トランスデューサ１００ｃを示す垂直断面図である。
この超音波トランスデューサ１００ｃは、ダイヤフラム５（より具体的には、外側ダイヤフラム層５ｂ）の基材内部に、梁７を埋設した構成を有する。この梁７は、ダイヤフラム５より剛性（ヤング率）の高い材質、または、ダイヤフラム５より剛性の低い材質からなる。あるいは、梁７を、空洞により構成し、空洞内を真空とするか、空気または他のガスを充填してもよい。
この超音波トランスデューサ１００ｃによれば、ダイヤフラム５の外形や厚さを変えずに、その剛性を変化させる方向および大きさを所望に調節できる。また、電極２と電極３との間隔を狭めて、電気音響変換効率を高めることができる。
【０１１５】
なお、梁７は、内側ダイヤフラム層５ａまたは外側ダイヤフラム層５ｂ内部に直接に形成してもよいし、内側ダイヤフラム層５ａまたは外側ダイヤフラム層５ｂの表面に溝を設け、内側ダイヤフラム層５ａと外側ダイヤフラム層５ｂとを接合することによりこの溝を封止して形成してもよい。
【０１１６】
（第６実施形態）
図３０は、第６実施形態の超音波トランスデューサ１００ｄを示す垂直断面図である。
この超音波トランスデューサ１００ｄは、前記したダイヤフラム側の電極３および梁７の代わりに、梁７ｚを具備した構成を有する。この梁７ｚは、例えば、前記したダイヤフラム５側の電極３と同様の材質または他の導電性の材質からなり、前記したダイヤフラム５側の電極３と同様の形状の電極層部７ｚｂと、図のｙ方向に細長い形状を有しダイヤフラム５のｙ方向の剛性を付加する梁部７ｚａと、を具備している。あるいは、梁部７ｚａは、一方向に限らず、例えば格子状に配設してもよい。
【０１１７】
この超音波トランスデューサ１００ｄによれば、梁部７ｚａおよび電極層部７ｚｂを一体に形成できるので、製造工程の簡略化を図ることができ、また、構造の堅固化を図ることができる。
【０１１８】
また、この超音波トランスデューサ１００ｄは、電極を兼ねた梁７ｚと、内側ダイヤフラム層５ａまたは外側ダイヤフラム層５ｂのいずれかによって、ダイヤフラム５の剛性の大部分を担保する構造としてもよい。これにより、内側ダイヤフラム層５ａまたは外側ダイヤフラム層５ｂのいずれかは、剛性を担保する必要がなくなり、薄型化または省略化できる。梁７ｚが剛性の大部分を担保すれば、内側ダイヤフラム層５ａは原理的に必要ではなくなる。これにより、電極２と電極３との距離を狭め、電気音響変換効率の向上を図ることができる。
【０１１９】
あるいは、梁７ｚを外部の物体（図示せず）から保護または絶縁する観点からは、外側ダイヤフラム層５ｂは、保護または絶縁に充分な厚さを有すればよい。外側ダイヤフラム層５ｂを薄型化することにより、製造工程の簡略化を図ることができ、また、梁７ｚおよび基板１側の電極２からなる電気音響変換部と、被測定媒体（図示せず）との距離が短くなるので、感度の向上を図ることができる。
【０１２０】
（第７実施形態）
図３１は、第７実施形態の超音波トランスデューサ１００ｅを示す垂直断面図である。
この超音波トランスデューサ１００ｅは、第３実施形態の梁７の代わりに、ダイヤフラム５が自身を基板１側の電極２上に保持している箇所（断面において、柱状に現れる箇所）近傍に、ダイヤフラム５の材質よりも剛性の低い材質または空洞からなる梁７ｎを設けた構成を有する。換言すれば、この箇所は、空隙４の周縁部の上方に位置する、ダイヤフラム５内部の環状部分であって、ダイヤフラム５の振動部分５ｃを囲む部分である。
【０１２１】
この超音波トランスデューサ１００ｅによれば、梁７ｎによって、ダイヤフラム５の振動部分５ｃの周縁部の剛性が低下し、相対的に振動部分５ｃ全体の剛性が向上することとなる。
【０１２２】
図３２は、第７実施形態の超音波トランスデューサ１００ｅの動作を模式的に示す垂直断面図である。
この超音波トランスデューサ１００ｅは、基板１表面の電極２上に、ダイヤフラム５ｎ（実線で示す）を支柱５ｄで保持した構造と解釈できる。なお、比較のため、梁７ｎを設けない場合のダイヤフラム５ｍ（点線で示す）を図示する。
【０１２３】
この超音波トランスデューサ１００ｅでは、超音波の送受信に伴いダイヤフラム５が振動するとき、梁７ｎ付近は大きく変形するが、ダイヤフラム５（ダイヤフラム５ｍとして示す）の振動部分５ｃ全体は良好な平面性を保って均等に変位する。したがって、ダイヤフラム５の最大変位量を変えなくても平均変位量を大きくでき、また、空隙４の厚さ（ｚ方向の長さ）を小さくし、電極２と電極３との距離を縮めることができる。これらにより、電気音響変換効率の向上を図ることができ、高感度化および高出力化を実現できる。
【０１２４】
この梁７ｎを設けたダイヤフラム５ｎを、梁７ｎを設けないダイヤフラム５ｍと比較すると、たわみが小さくなり、その中央部が基板１表面の電極２に接触しにくいことがわかる。
【０１２５】
（第８実施形態）
図３３は、第８実施形態の外側ダイヤフラム層５ｐを示す平面図である。
第８実施形態の超音波トランスデューサ１００ｆ（図示せず）は、前記した外側ダイヤフラム層５ｂの代わりに、外側ダイヤフラム層５ｐを具備した構成である。
この外側ダイヤフラム層５ｐは、平面形の周縁部に、多数の穴（または空洞）状の梁７ｐを多数設けた構成を有する。この多数の梁７ｐは、前記した梁７ｎと同様に、外側ダイヤフラム層５ｐの周縁部の剛性を低下させ、これに囲まれた平板状部分の剛性を相対的に向上させる。
したがって、この第８実施形態の超音波トランスデューサ１００ｆによれば、前記した第７実施形態の超音波トランスデューサ１００ｅと同様の効果を得られる。
【０１２６】
（第９実施形態）
図３４は、第９実施形態の超音波トランスデューサ１００ｇを示す平面図である。
この超音波トランスデューサ１００ｇは、円形状のダイヤフラム５ｇと、このダイヤフラム５ｇの上面に配設された放射状の梁７ｇｒと、同様に配設された環状の梁７ｇｃとを含んでいる。また、ダイヤフラム５ｇは、楕円形状でもよい。
【０１２７】
（第１０実施形態）
図３５は、第１０実施形態の超音波トランスデューサ１００ｈを示す平面図である。
この超音波トランスデューサ１００ｈは、六角形状のダイヤフラム５ｈと、このダイヤフラム５ｈの上面に配設された放射状の梁７ｈｒと、同様にダイヤフラム５ｈの内縁に沿って配設された環状の梁７ｈｃとを含んでいる。六角形状は一例であって、三角形状、五角形状、七角形状など、ダイヤフラム５ｈは、他の多角形状でもよい。
【０１２８】
前記した第９実施形態の放射状の梁７ｇｒは、４本（中心から８方向）配設し、この第１０実施形態の放射状の梁７ｈｒは、３本（中心から６方向）配設した場合を例示的に図示したが、ダイヤフラム５ｇ，５ｈの形状や所望の周波数特性などによって、適切な本数を配設するとよい。また、第９実施形態の環状の梁７ｇｃ、および、第１０実施形態の素子形状の梁７ｈｒは、それぞれ１つ配設した場合を例示的に図示したが、ダイヤフラム５ｇ，５ｈの形状や所望の周波数特性などによって、例えば同心状に、適切な本数を配設するとよい。
【０１２９】
（第１１実施形態）
図３６は、第１１実施形態の超音波トランスデューサ１００ｉを示す平面図である。
この超音波トランスデューサ１００ｉは、ｙ方向に細長い複数の梁７を、不均等な間隔で配設した構成を有する。
第１１実施形態の超音波トランスデューサ１００ｉによれば、これら複数の梁７を配設する間隔を適切に設定することにより、ダイヤフラム５の振動部分５ｃの剛性の分布が部分的に調整され、所望の振動モードを抑制または励起できる。
【０１３０】
（第１２実施形態）
図３７は、梁７同士の長軸方向が異なるように配設した第１２実施形態の超音波トランスデューサ１００ｊを示す平面図である。
この超音波トランスデューサ１００ｊは、ｘ方向に細長く、ダイヤフラム５の振動部分５ｃのｘ方向よりも長軸方向が短い梁７ｘと、ｙ方向に細長く、ダイヤフラム５の振動部分５ｃのｙ方向よりも長軸方向が短い梁７ｙと、を外側ダイヤフラム層５ｂに配設した構成を有する。
このように、長軸方向が異なる梁７ｘおよび梁７ｙを、同一のダイヤフラム５上の異なる箇所に混在させて配設してもよい。また、梁７ｘおよび梁７ｙは、目的に応じて、振動部分５ｃの平面方向の寸法に渡る長さを有さなくてもよい。また、梁７ｘ，７ｙの寸法は、各々異なっていてもよい。
第１２実施形態の超音波トランスデューサ１００ｊによれば、梁７ｙおよび梁７ｘの配設位置、配設間隔、および配設本数などを適切に設定することにより、振動部分５ｃの部分ごとに、所望の振動モードを抑制または励起できる。
【０１３１】
（第１３実施形態）
図３８は、第１３実施形態の超音波トランスデューサ１００ｋを示す垂直断面図である。
この超音波トランスデューサ１００ｋは、ｙ方向に細長く、長軸を横切る断面形状が各々異なる梁７ｉ，７ｊ，７ｋを、ダイヤフラム５上に混在させて配設した構成を有する。
【０１３２】
この例では、ダイヤフラム５上において、最も断面形状が大きい梁７ｉが中央近傍に配設され、この梁７ｉより断面形状が小さい梁７ｊがその外側に配設され、この梁７ｊより断面形状が小さい梁７ｋがさらにその外側に配設されている。このため、ダイヤフラム５の中央近傍の剛性は大きく強化され、ダイヤフラム５の周縁部に向かっては、より小さくその剛性が強化される。この配設方法は一例であって、梁７ｉ，７ｊ，７ｋの配設順序を変えてもよい。
【０１３３】
第１３実施形態の超音波トランスデューサ１００ｋによれば、ダイヤフラム５の剛性の分布を調節することができるので、所望の振動モードと、振動モードごとの共振周波数ｆｂを得ることができる。
【０１３４】
（第１４実施形態）
図３９は、梁７の長軸方向が相互に交差するように配設した第１４実施形態の超音波トランスデューサ１００ｌを示す平面図である。
この超音波トランスデューサ１００ｌは、外側ダイヤフラム層５ｂの上面に、ｘ方向（図の横方向）に細長い梁７ｑと、ｙ方向（図の縦方向）に細長い梁７ｒとを具備した構成を有する。
【０１３５】
この超音波トランスデューサ１００ｌでは、横長の梁７ｑによって、ダイヤフラム５のｘ方向（図の横方向）の剛性を変えることができ、また、縦長の梁７ｒによって、ダイヤフラム５のｙ方向（図の縦方向）の剛性を変えることができる。このため、ダイヤフラム５の振動部分５ｃの平面形状や大きさが既定であっても、ｘ方向の振動モードの共振周波数ｆｂｘと、ｙ方向の振動モードの共振周波数ｆｂｙとを、独立して、任意に設定できる。
【０１３６】
この超音波トランスデューサ１００ｌでは、ダイヤフラム５の振動部分５ｃの平面形状は、概略正方形状である。しかし、この振動部分５ｃは、ｘ方向に細長い１本の梁７ｑ、および、ｙ方向に細長い３本の梁７ｒによって、剛性が強化されている。ここで、梁７ｑおよび梁７ｒの剛性がそれぞれ同等とすると、ダイヤフラム５の振動部分５ｃは、概略正方形状であるにも拘わらず、ｘ方向の剛性は小さく、ｙ方向の剛性は大きい。
【０１３７】
このように、梁７ｑおよび梁７ｒの剛性（短軸方向の断面積や材質）、配設方向、配設本数などを変えることにより、所望の振動モードと、振動モードごとに所望の共振周波数ｆｂとを設定できる。なお、梁７ｑと梁７ｒとは、結合していてもよいし、ｚ方向（図の紙面と垂直方向）に層をなして交差していてもよい。
【０１３８】
各実施形態の超音波トランスデューサ１００，１００ｂ〜１００ｌによれば、例えば、次の効果が得られる。
（１）ダイヤフラム（５など）に梁（７など）を配設したため、ダイヤフラム（５など）の厚さと梁（７など）の厚さとを独立して変えることができ、振動部分５ｃの剛性と質量のバランスを自由に設定して、所望の中心周波数ｆｃを実現しつつ感度Ｇと比帯域幅ｆｈとを制御できる。
【０１３９】
（２）ダイヤフラム（５など）および梁（７など）の厚さを調節することにより、ダイヤフラム（５など）および梁（７など）の平面形状（縦横の寸法）を変えることなく、ダイヤフラム（５など）の周波数特性（共振周波数ｆｂおよび比帯域幅ｆｈ）を変更できる。
【０１４０】
（３）ダイヤフラム（５など）および梁（７など）の平面形状（ｘ方向およびｙ方向の寸法）を変えずに、周波数特性を変更できるので、製造工程の制御を変更すれば、同一のマスク（図示せず）を用いて同一の製造設備で製造を行えるため、手間および費用を低減できる。
【０１４１】
（比較例）
次に、図４０および図４１を参照して、比較例について説明する。
図４０は、比較例の超音波トランスデューサ１００ｐを示す垂直断面図である。
この超音波トランスデューサ１００ｐは、梁７を有しないほかは、第３実施形態の超音波トランスデューサ１００（図１８参照）と同様の構成である。
【０１４２】
図４１は、縦横比が１：２の矩形の平面形状を有するダイヤフラム５の周波数−感度特性を示すグラフである。
このグラフには、０.８ＭＨｚ付近にノッチ（感度Ｇが急峻に低下する箇所）が現れている。このため、ダイヤフラム５の周波数−感度特性が、平坦な値とならない問題点がある。このノッチは、縦の振動モードと横の振動モードとの結合により発生する。したがって、縦横の剛性を変えれば、一方の振動モードを抑圧し、ノッチを抑制できることがわかる。
【０１４３】
例えば、縦横比を１：２とせず、縦横比を極端に大きくするか極端に小さくすれば（つまり、ダイヤフラム５の平面形状を極端に細長くすれば）、縦横いずれかの振動モードの影響を実質的に排除し、ノッチを抑制して、広帯域に渡って平坦な周波数特性が得られるはずである。しかし、ノッチを抑制できる程度に縦横比が極端に大きいかまたは小さいダイヤフラム５は、非常に製造が困難であり、また、実用性に乏しい問題点がある。
【実施例】
【０１４４】
本発明による第３実施形態の超音波トランスデューサ１００（図１８参照）および比較例の超音波トランスデューサ１００ｐの設計例を後記のとおり作成した。そして、計算機に詳細な設計値を与え、水中での特性について高精度の数値シミュレーションを行わせ、前記した計算結果（図２４参照）と比較した。
【０１４５】
これらの超音波トランスデューサ１００および１００ｐでは、いずれも、基板１の材質はシリコン（Ｓｉ）とし、ダイヤフラム５の材質は窒化シリコンとし、電極２および電極３の材質はアルミニウムとした。また、ダイヤフラム５の縦方向（図１９の上下方向；ｙ方向）の寸法は４０μｍとし、同一板面上でこれと直角な方向（図１９の左右方向；ｘ方向）の長さは４００μｍ程度とした。これは、縦／横比を十分小さくし、不要な振動モードが励起しないように配慮したためである。また、基板１側の電極２と基板１と合わせた厚さは充分に大きいので、実質的に変位は無視できる。なお、超音波トランスデューサ１００の梁７の材質は、ダイヤフラム５と同じとした。
【０１４６】
第３実施形態の超音波トランスデューサ１００では、梁７の幅ｗを梁７同士の配設間隔（ピッチ）の２０パーセントとした。ダイヤフラム５の共振周波数ｆｂを、比較例のダイヤフラム５の共振周波数ｆｂと同じとし、比帯域幅ｆｈを１.５倍にするため、計算結果（図２３参照）から、超音波トランスデューサ１００のダイヤフラム５の厚さを、比較例の超音波トランスデューサ１００ｐのダイヤフラム５の厚さの０.５４倍とし、梁７の厚さを、このダイヤフラム５の０.６６倍とした。なお、電極２、空隙４および電極３の厚さは、比較例の超音波トランスデューサ１００ｐのものと同じとした。
【０１４７】
比較例の超音波トランスデューサ１００ｐでは、基板１側の電極２上に空隙４を３００nmの厚さとし、内側ダイヤフラム層５ａを２００nmの厚さで形成した。そして、ダイヤフラム５側の電極３を４００nmの厚さで形成し、さらに外側ダイヤフラム層５ｂを２０００nmの厚さで作成した。
【０１４８】
図４２は、第３実施形態の超音波トランスデューサ１００および比較例の超音波トランスデューサ１００ｐの水中における周波数特性を示したグラフである。
横軸方向に周波数ｆの高さを示し、縦軸方向に感度（利得）の高さを対数目盛で示す。このグラフにおいて、曲線３１は第３実施形態の超音波トランスデューサ１００の測定値を示し、曲線３０は比較例の超音波トランスデューサ１００ｐの測定値を示す。
【０１４９】
第３実施形態の超音波トランスデューサ１００では、中心周波数ｆｃは、１５.４ＭＨｚであり、比帯域幅ｆｈは１５７％であった。
また、比較例の超音波トランスデューサ１００ｐでは、中心周波数ｆｃは、１４.８ＭＨｚであり、比帯域幅ｆｈは、１２０％であった。
したがって、第３実施形態の超音波トランスデューサ１００は、比較例の超音波トランスデューサ１００ｐと比較すると、中心周波数ｆｃはほぼ同じ値を保ち、比帯域幅ｆｈは、より大きい値を示していることがわかる。この結果は、前記した計算結果の傾向と一致する。
【０１５０】
しかし、計算結果（図２４参照）によれば、本発明による超音波トランスデューサ１００の比帯域幅ｆｈは、比較例の超音波トランスデューサ１００ｐの比帯域幅ｆｈの１.５倍程度となるべきところであるが、数値シミュレーション結果（図４２参照）によれば、１.３倍程度となっている。これは、この計算結果（図２４参照）が、各要素が均質であることを前提としているのに対し、この数値シミュレーション（図４２参照）では、実際の素子構造をより忠実に模しており、ダイヤフラム５には電極３などが含まれ、均質ではないからである。
【０１５１】
このような若干の差異は、実用上、たいてい問題とならない。しかし、さらに正確な計算結果を求めるには、電極３など他の要素の影響を加味してさらに高精度な計算を行うか、試作を行って試作品の実測値と計算値との違いを定量的に把握しておき、計算値を補正すればよい。
【符号の説明】
【０１５２】
１ 基板
２，３ 電極
４ 空隙
５ ダイヤフラム
７ 梁
１３ 結線
１４ 素子
１７ スイッチ
１００ 超音波トランスデューサ
１０００ トランスデューサアレイ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイヤフラム型の超音波トランスデューサ、超音波探触子および超音波撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波を送受信するトランスデューサの主流は、ＰＺＴ（lead zirconate titanate; チタン酸ジルコン酸鉛）に代表されるセラミックス系の圧電素子の圧電効果および逆圧電効果を利用して、超音波の送信および受信を行うタイプのトランスデューサである。この圧電セラミックス系超音波トランスデューサは現在も、実用に供されている超音波トランスデューサの大半を占めているが、これを置き換えるべく、半導体マイクロ加工技術によるマイクロメートルオーダの構造を有する微細なダイヤフラム型の超音波トランスデューサの研究開発が１９９０年代より始まった（非特許文献１参照）。
【０００３】
そのトランスデューサ（超音波トランスデューサ１００ｐ）の典型的な構造は、図４０の断面摸式図に示したように、空隙４を挟んで基板１と平坦な外側ダイヤフラム層５ｂの双方に設けられた下部電極２（基板側の電極。単に電極２ともいう。）および上部電極３（外側ダイヤフラム層５ｂ側の電極。単に電極３ともいう。）がコンデンサを形成するものである。
なお、説明の便宜上、超音波トランスデューサ１００ｐが超音波を受信する方向（図４０の下方向）をｚ方向とし、図４０の右手方向をｘ方向とし、さらに、図４０の紙面に対しての垂直下方向をｙ方向とする。
【０００４】
図４０に示したように、この電極２，３間に電圧を印加すれば、両電極上に反対符号の電荷が誘起され、互いに引力を及ぼしあうので、外側ダイヤフラム層５ｂが変位する。このとき、外側ダイヤフラム層５ｂの外側が水や生体に接していれば、これらの媒体中に音波を放射する。これが送信における電気・音響（超音波）変換の原理である。一方、ＤＣバイアス電圧を印加して電極２，３上に一定の電荷を誘起しておき、外側ダイヤフラム層５ｂの接している媒体から強制的に振動を加え、外側ダイヤフラム層５ｂに変位を与えると、変位に対応する電圧が両電極２，３間に付加的に生ずる。この受信における音響（超音波）・電気変換の原理は、可聴音域のマイクロフォンとして用いられているＤＣバイアス型コンデンサマイクロフォンの原理と同じである。
【０００５】
また、超音波ビームの形成においては、上記トランスデューサを多数並べ、図４３のようにアレイ化して使用する。図４３では、複数個の六角形の超音波トランスデューサ１００を超音波トランスデューサ間の結線１３で電気的に結合し、図示した破線２０で区画される一つのチャンネルを形成している。超音波トランスデューサを用いて超音波パルスの送受信を行い、エコー信号から対象物の断層像を画像化する場合において、超音波トランスデューサの電気・機械変換効率の周波数特性が平坦であるほど、時間軸上のパルス幅が狭くなり高分解能となる。また、超音波トランスデューサから対象までの距離に応じて異なる周波数を選択できるなど、装置の制御方法の自由度が広がる利点がある。このため、図４４に示すように、径の異なるダイヤフラムを有する超音波トランスデューサ１００を超音波トランスデューサ間の結線で繋いで１つの素子１４として同時に駆動して、広帯域化を図る方法が特許文献１に開示されている。
【０００６】
また、特許文献２では、膜の中央部分を補強層（stiffing layer）によって補強した容量性超音波トランスデューサが提案されている。
さらに、特許文献３では、膜の厚さ寸法内に、絶縁層部分と上部電極とを配置したものを、キャビティの上方に配置した音響トランスデューサが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第５，８７０，３５１号明細書
【特許文献２】米国特許第６，４２６，５８２号明細書
【特許文献３】米国特許第６，２７１，６２０号明細書
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】“A surface micromachined electrostatic ultrasonic air transducer”, Proceedings of 1994 IEEE Ultrasonics Symposium, pp.1241-1244
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献１の技術において、図４４に示すように、大きさが異なる多角形や、円形のダイヤフラムを敷き詰めて超音波探触子を構成した場合には、超音波トランスデューサ間に必ず隙間が生じる。この隙間によって、以下の二つの理由により、超音波探触子の性能を劣化させてしまうという問題が生じてしまう。まず、有効な素子面積が減少することによって、実効的な送受波の感度が低下する。また、ダイヤフラムが形成されていない素子部分が超音波探触子の送受波口径中に露出していると、その部分から基板内に入った音が残響音の原因となり、診断画像上の虚像の原因となる。残響音に関しては、ダイヤフラムから、ダイヤフラムが形成されていない部分を通って、伝播した超音波が隣接する超音波トランスデューサの端で反射され、再び元のダイヤフラムに戻ってくることも、その原因となりうる。
【００１０】
また、一般に、トランスデューサアレイにおいては、個々の超音波トランスデューサの大きさは、超音波の回折などを考慮した配置間隔から上限が決まり、所要の放射効率を得られる放射インピーダンスを確保する観点から下限が決まる。したがって、設計に当たっては、これらの超音波トランスデューサの大きさは、通常、狭い範囲から選ばれることとなる。
【００１１】
さらに、前記従来の静電型トランスデューサ（非特許文献１記載）では、半導体製造技術を利用しているので、製造工程において、ダイヤフラムの平面形状に応じたマスクを使用する。そして、ダイヤフラムの周波数特性を変更する一方法に、その大きさ（平面形状）を変える方法がある。しかし、これを行うには、新たにマスクを設計および製造する必要がある。このため、手間と費用がかかり、製造効率が低下する問題点があった。
【００１２】
また、ダイヤフラムの周波数特性を変更する他の方法に、ダイヤフラムの厚さを変える方法がある。しかし、前記したように、ダイヤフラムの大きさは狭い範囲に制限されるため、所望の中心周波数を得るためのダイヤフラムの厚さは、ほぼ一意に決まってしまう。そして、ダイヤフラムの大きさおよび厚さから、この超音波トランスデューサの感度および比帯域幅が決まってしまう。このため、所望の周波数特性、すなわち、中心周波数および比帯域幅の組み合わせが実現できない問題点があった。
【００１３】
さらに、前記従来の容量性超音波トランスデューサ（特許文献２参照）では、ダイヤフラムを補強層（stiffing layer）で補強しているが、補強層を設けることにより所望の中心周波数を得たとしても、比帯域幅は自動的に決まってしまい、所望の周波数特性が実現できない問題点があった。
【００１４】
さらに、前記従来の音響トランスデューサ（特許文献３記載）では、上側電極をダイヤフラム内に設けているため、感度の向上を図ることができるとしても、同様に所望の周波数特性を得るための手段は提供されていない問題点があった。
また、一枚の平坦なダイヤフラムでは、励起される振動モードと、振動モードごとの振動周波数が決まってしまい、同様に所望の周波数特性が得られない問題点があった。
【００１５】
そこで、本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、簡単な構造で超音波送受信の性能を向上させることができる超音波トランスデューサ、超音波探触子および超音波撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係る超音波トランスデューサは、その内部または表面に第１の電極を有する基板と、その内部または表面に第２の電極を有するダイヤフラムとを、空隙を介して配置している。
そして、ダイヤフラムまたは第２の電極の表面または内部に、少なくとも１つの梁を具備している。
その他の手段については、後記する実施の形態で説明する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、簡単な構造で超音波送受信の性能を向上させることができる超音波トランスデューサ、超音波探触子および超音波撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態の超音波撮像装置の構成例を示す図である。
【図２】ダイヤフラム間の距離とパルス波形の関係を説明する図である。
【図３】ダイヤフラム間の距離と反射波形の関係を説明する図である。
【図４】ダイヤフラム間の距離と反射波形の強度を説明する図である。
【図５】第１実施形態の超音波探触子を示す上面図である。
【図６】第１実施形態の半導体ダイヤフラム型の超音波トランスデューサの構造を示す図である。
【図７】第１実施形態の半導体ダイヤフラム型の超音波トランスデューサの上面図である。
【図８】第１実施形態の半導体ダイヤフラム型の超音波トランスデューサの上面図である。
【図９】広帯域化した周波数帯域の利用形態の説明図である。
【図１０】モードによって電気的な１素子の幅を切り替えて使うための超音波トランスデューサである。
【図１１】焦点までの距離に応じて副素子の束ね方を切り替える効果の説明図である。
【図１２】副素子束ね切替スイッチと周辺部分の説明図である。
【図１３】第１実施形態のトランスデューサアレイの上面図である。
【図１４】第１実施形態の半導体ダイヤフラム型の超音波トランスデューサの断面摸式図である。
【図１５】電気的な１素子の幅を切り替えて使うトランスデューサアレイの上面図である。
【図１６】第２実施形態の超音波トランスデューサの上面図である。
【図１７】第２実施形態の超音波トランスデューサの断面摸式図である。
【図１８】第３実施形態の超音波トランスデューサを示す垂直断面図である。
【図１９】第３実施形態の超音波トランスデューサを示す平面図である。
【図２０】トランスデューサアレイを示す斜視図である。
【図２１】超音波トランスデューサの周波数−感度特性例を示すグラフである。
【図２２】梁の屈曲状態を示す模式図である。
【図２３】振動体と、比較例の振動体とを模式的に示す斜視図である。
【図２４】振動体の梁の幅を、ベースの幅の２０パーセントとしたときの共振周波数および比帯域幅の計算結果を示すグラフである。
【図２５】振動体の梁の幅を、ベースの幅の８０パーセントとしたときの共振周波数および比帯域幅の計算結果を示すグラフである。
【図２６】変形例の梁を模式的に示す斜視図である。
【図２７】別の変形例の梁の形状を示す斜視図である。
【図２８】第４実施形態の超音波トランスデューサを示す垂直断面図である。
【図２９】第５実施形態の超音波トランスデューサを示す垂直断面図である。
【図３０】第６実施形態の超音波トランスデューサを示す垂直断面図である。
【図３１】第７実施形態の超音波トランスデューサを示す垂直断面図である。
【図３２】第７実施形態の超音波トランスデューサの動作を模式的に示す垂直断面図である。
【図３３】第８実施形態の外側ダイヤフラム層を示す平面図である。
【図３４】第９実施形態の超音波トランスデューサを示す平面図である。
【図３５】第１０実施形態の超音波トランスデューサを示す平面図である。
【図３６】第１１実施形態の超音波トランスデューサを示す平面図である。
【図３７】第１２実施形態の超音波トランスデューサを示す平面図である。
【図３８】第１３実施形態の超音波トランスデューサを示す垂直断面図である。
【図３９】第１４実施形態の超音波トランスデューサを示す平面図である。
【図４０】比較例（従来例）の超音波トランスデューサを示す垂直断面図である。
【図４１】縦横比が１：２の矩形の平面形状を有するダイヤフラムの周波数−感度特性を示すグラフである。
【図４２】第３実施形態の超音波トランスデューサ１００および比較例の超音波トランスデューサ１００ｐの水中における周波数特性を示したグラフである。
【図４３】トランスデューサアレイの上面図である。
【図４４】径が異なるダイヤフラムを並べた超音波トランスデューサの説明図である。
【図４５】ダイヤフラム間を反射する超音波の経路を説明する図である。
【図４６】ダイヤフラムの隙間から基板に入った超音波によるノイズ生成の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
次に、本発明による各実施形態について、図１〜図４２、図４４〜図４６を参照しながら、詳細に説明する。
なお、以下では、電気と超音波の変換器を超音波トランスデューサ、複数の超音波トランスデューサをアレイ状に集めたものをトランスデューサアレイ、複数のトランスデューサアレイを有して被検体に超音波を送受信するものを超音波探触子と呼ぶ。また、超音波探触子、画像作成部（超音波探触子によって得られた信号から画像を作成する手段）、表示部（画像を表示する手段）、制御部などを備えた超音波による撮像装置を、超音波撮像装置と呼ぶ。
【００２０】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の超音波トランスデューサを用いた超音波撮像装置の構成例を示す図である。この図１を用いて、超音波撮像装置の動作を説明する。
【００２１】
送信遅延・重み選択部２０３は、予めプログラミングされた送受信シークエンス制御部２０１の制御に基づき、送波ビームフォーマ２０４に与えるための各チャンネルの送信遅延時間、重み関数の値を選択する。これらの値に基づいて、送波ビームフォーマ２０４は送受波を切り替えるための複数のスイッチ２０５を介して、電気・音響変換素子１０１に送波パルスを与える。このとき、電気・音響変換素子１０１にはバイアス電圧制御部２０２によって、バイアス電圧も印加されており、その結果、電気・音響変換素子１０１から、ここには図示しない被検体に対して超音波が送波される。
【００２２】
そして、被検体内の散乱によって反射した超音波の一部は、再び電気・音響変換素子１０１で受信される。送受信シークエンス制御部２０１では、送波を行うタイミングから所定の時間が経過した後に、今度は受波ビームフォーマ２０６を、受信モードを起動するように制御する。前記の所定の時間とは、例えば、被検体の深さ１ｍｍより深いところから画像を取得する場合には、１ｍｍを音が往復する時間のことである。送波直後に受信モードに入らないのは、通常、送信する電圧の振幅に対して、受信する電圧の振幅は１００分の１から１０００分の１と極めて小さいからである。受波ビームフォーマ２０６では、いわゆるダイナミックフォーカスと呼ばれる、反射超音波の到達時間に応じて、連続的に遅延時間と重み関数の制御を行う。ダイナミックフォーカス後のデータは、画像作成手段、例えば、フィルタ２０７、包絡線信号検出器２０８、スキャンコンバータ２０９で画像信号に変換されたあと、表示部２１０に超音波断層像として表示される。
【００２３】
超音波トランスデューサを様々な用途で実用化する際に重要となる基本的特性の一つは、中心周波数と比帯域幅で表される周波数特性である。中心周波数ｆｃは、電気・機械変換効率（感度）が最も良い周波数のことである。また、比帯域幅ｆｈは、例えば３ｄＢ幅といった場合には、中心周波数での感度から３ｄＢ落ちた二つの周波数の間隔を中心周波数で割ったものとして定義される。比帯域幅は広いほど、一つの超音波トランスデューサを様々な周波数帯に用いることができ、あるいは時間幅の短い超音波パルスを形成できるため、超音波ビームを用いた撮像の場合には高い距離分解能が得られるなどの有益な特性が得られる。ダイヤフラム型の超音波トランスデューサにおける中心周波数ｆｃは、ダイヤフラムの共振周波数とほぼ等しい値となるので、ダイヤフラムの剛性をＤ、質量をｍとすると、次式（１）で表わされ、比帯域幅ｆｈは次式（２）で表わされる。
【００２４】
【数１】
【００２５】
振動ダイヤフラムの剛性および質量は、材料が固体の場合、振動ダイヤフラムの形状とその寸法、および振動ダイヤフラムの厚さによって決定される。したがって、原理的には適切な振動ダイヤフラムの形状と厚さを決定することによって、望みの周波数特性が得られることになる。しかし中心周波数、感度の最大値、比帯域幅と三つのパラメータを最適化するのに、Ｄとｍの二つの設計自由度だけでは不足することになる。
【００２６】
通常の２次元断層像を撮像する超音波撮像装置用の超音波探触子は、断層面に垂直な方向（短軸方向）は音響レンズによる固定フォーカスで、断層面に沿った方向（長軸方向）に振動子をアレイ化して並べ、電子フォーカスで断層面内の所望の位置に超音波ビームをフォーカスするように構成されている。そして、良好な超音波ビームを形成するには、ビームの中心周波数での波長の半分程度の幅で超音波トランスデューサをアレイ化することが理想的であり、例えば中心周波数が５ＭＨｚでは、０．１５ｍｍ程度の幅でアレイ化される。短軸方向では、超音波トランスデューサの幅が広いほど焦点でのビーム幅は狭くなり、空間分解能の高い断層像を得ることができるが、短軸の固定フォーカスの焦域があまり狭いと、長軸の電子フォーカスでフォーカス域を制御するのが難しくなる。また患者の肋骨の隙間など、患部に押し当てて操作する場合の使い勝手の観点からも、短軸幅は７〜８ｍｍ程度が望ましい。
【００２７】
つまり、電気的な１つの素子の大きさは７〜８ｍｍ×０．１５ｍｍ程度であるので、例えばダイヤフラムの直径が５０μｍ程度の場合には、１５０×３＝４５０個のダイヤフラムが電気的な１素子の中に並べられた状態で使うことになる。この数百個のダイフラムそれぞれの形状、材質を変えると、電気的な１素子全体での比帯域幅をより自由に設計できるようになる。原理的には形状、材質に関して自由度があるが、実際の半導体プロセスでは、基板の上に順に層構造を作製していくので、隣接する超音波トランスデューサ毎に材質を変えることは現実的でなく、ダイヤフラムの厚さを変えることも難しい。結果として、ダイヤフラムの直径を変えることによって所望の比帯域幅を設計するのが最も現実的な方法である。
【００２８】
米国特許第５，８７０，３５１号明細書（特許文献１）には、図４４に示すように、電気的に結合された一つの素子の中にダイヤフラムの径が異なる六角形を多数並べた例が示されている。しかし、直径が異なる円や多角形で領域を敷き詰めた場合には、充填効率が下がってしまうという問題がある。これは、（ダイヤフラムの面積）／（素子全体の面積）の比率が低下して感度が低下するという問題以上に、素子のパルス特性に大きな影響を与える。このパルス特性の劣化について、図４５を用いて説明する。図４５に示すように、大きさの異なる六角形のダイヤフラムを複数配置した場合には、着目しているダイヤフラムから、ダイヤフラムの形成されていない部分を通り、着目したダイヤフラムの周囲のダイヤフラムの端面で反射され再び着目ダイヤフラムに超音波が戻ってくる経路（図中の矢印）の長さが、単一の大きさの六角形ダイヤフラムを敷き詰めて形成されたアレイの場合に比べ、長くなる。
【００２９】
図２は、着目するダイヤフラムと隣接ダイヤフラムとの間の距離を変えたときの、超音波受波パルス特性を有限要素法によってシミュレーションした結果を示すグラフである。ここでは、ダイヤフラムの幅は６０μｍ、長さは無限の二次元モデルの例を扱っている。ダイヤフラムの材料は窒化シリコン（ＳｉＮ）で、厚みは１．２μｍである。アレイの前面から到達する超音波は、中心周波数１０ＭＨｚの正弦波で、サイクル数は１周期分である。横軸は時間であり、アレイの前面から到達する超音波パルスがダイヤフラム表面に到達した時間を原点にとっている。縦軸は、ダイヤフラム中心部分の垂直方向への速度である。４つのグラフは、隣接ダイヤフラム間の距離が、それぞれ５μｍ、２０μｍ、４０μｍ、６０μｍの場合を示している。
【００３０】
図２から、隣接ダイヤフラム間の距離を広げるに従い、パルス幅が広がっていることがわかる。隣接ダイヤフラム間の距離が５μｍのときは、ほぼ外部から到達した超音波波形と同様なダイヤフラムの変形となっており、ダイヤフラム中心部分は１周期分の正弦波の振動をしたあと（約０．１マイクロ秒後）、振動振幅が急速に小さくなり、パルス幅は狭く、超音波からダイヤフラムの変形へ変換する伝達関数の周波数特性はほぼ平坦である。一方、隣接ダイヤフラム間の距離が広がるに従い、パルス波形が伸びている。隣接ダイヤフラム間距離が６０μｍでは、隣接ダイヤフラム間距離が５μｍの場合に比べ、パルス幅がほぼ１．５倍に伸び、このような条件のアレイを用いた場合には空間分解能が劣化することを示している。
【００３１】
図３は、隣接ダイヤフラム間距離が２０μｍ、４０μｍ、６０μｍの場合の受波パルス波形から、隣接ダイヤフラム間距離が５μｍの場合の受波パルス波形を差し引いた波形を示すグラフである。隣接ダイヤフラムからの反射波の影響がほぼ無い条件である、隣接ダイヤフラム間距離が５μｍの受波波形と比べることで、隣接ダイヤフラムからの反射波を抽出することができる。この隣接ダイヤフラムからの反射波が、隣接ダイヤフラム間距離に応じて大きくなっていることが顕著に示されている。
【００３２】
この反射波の絶対値の積分値を縦軸にとり、隣接ダイヤフラム間距離を横軸にとったグラフが図４である。縦軸は、元の受波波形の絶対値の積分値で規格化してある。縦軸の値が、反射波の影響がほぼ無視できる０．１以下になるのは、隣接ダイヤフラム間距離が１０μｍ以下であることが示されている。これは、シリコン内を伝播する音速が８０００ｍ／ｓであることを考えると、１０ＭＨｚでの超音波の波長が８００μｍであるから、波長の１／８０以下という条件であることがわかる。
【００３３】
複数のダイヤフラム型の超音波トランスデューサを電気的に結合して構成される１つの素子としての超音波トランスデューサの領域にダイヤフラムが形成されていない領域が存在すると、以下に示す過程によってもパルス特性が劣化する。図４６はダイヤフラムの隙間から基板に入った超音波がノイズを生成するメカニズムの説明図であり、（ａ）はダイヤフラムとその周辺の断面模式図、（ｂ）は受波電圧信号の時間変化を表す図である。
【００３４】
図４６（ａ）に示すように、ダイヤフラムの上の方からくる超音波パルスを受信する場合を考えると、まずダイヤフラムに直接入射した超音波パルスＡは、図４６（ｂ）の横軸時間、縦軸受波電圧信号のグラフ上のＡで示されるように電気信号に変換される。一方、ダイヤフラム間の隙間の領域に到達した超音波パルスＢは、図４６（ａ）の経路ａ，ｂ，ｃに示すように、基板内で多重反射を繰り返しながら、ダイヤフラムのリム部を通ってダイヤフラムに到達する。この経路ａ，ｂ，ｃを通った超音波パルスも、ダイヤフラムを変形させて電気信号に変換され、図４６（ｂ）に示す波形Ｂ，Ｂ’，Ｂ”として、電気信号上に現れる。
【００３５】
超音波撮像装置においては、血管の内部構造を観察する場合など、血管外の組織部と血管の内腔のように、互いに反射率強度が４０ｄＢから６０ｄＢも異なるような部位を観察するために、輝度の圧縮を行って広いダイナミックレンジで画像化している。そのため、ＢやＢ’などのエコーが微弱なものであっても、血管周辺の組織からの反射信号Ａに、時間が遅れたＢやＢ’のエコーが伴うと、これが血管内部の像として観察され、血管内のプラーク（かたまり）なのか、Ｂなどの虚像なのか区別できなくなってしまう。通常の超音波撮像装置の画像のダイナミックレンジから判断すると、反射信号Ｂの振幅は反射信号Ａの振幅に比べて、１０００分の１、すなわち−６０ｄＢ程度まで小さく抑える必要がある。前述のように、ダイヤフラムの隙間の長さを波長の１／８０程度まで短くすれば、隙間を介しての音の伝播効率が低下して、Ｂの様な残響音の影響が問題とならなくなってくる。この経路ａでウエハ内に入る超音波の大きさを十分に小さくしておけば、経路ｂの多重反射の反射率を十分に小さくできなくても、Ｂの残響音を小さくできるので、結果として、経路ｂの多重反射の反射率に大きな影響を与えるウエハと背面材料の接着剤の厚みや材質に関する選定の自由度が増え、製造工程の取り得る自由度が向上する。
【００３６】
本実施形態では、このダイヤフラムの隙間の面積を最小化しつつ、互いに異なる共振周波数を持たせて比帯域幅を拡大するのに適したダイヤフラムの形状および構造を採用する。
【００３７】
図５は、本実施形態の超音波探触子の一例を示す図であり、超音波探触子を構成する半導体ダイヤフラム型トランスデューサアレイの一部を示す上面図である。図６は、図５に示したアレイ中の一つのダイヤフラム型の超音波トランスデューサを切断し、斜め上方から観察した様子を示す断面模式図である。
【００３８】
個々のダイヤフラム型の超音波トランスデューサは、図６に示すように、基板１上に形成した下部電極２（第１の電極）の上に、内部に空隙４を有する内側ダイヤフラム層５ａを形成し、その上に上部電極３（第２の電極）、外側ダイヤフラム層５ｂを順に形成し、さらに外側ダイヤフラム層５ｂの上にダイヤフラムの対向する頂点間を結ぶ梁７を形成したものである。下部電極２と上部電極３とは、内部に空隙４を有する内側ダイヤフラム層５ａを介して対向し、コンデンサを構成する。六角形の形状をした各ダイヤフラムの中心部には、ダイヤフラムの形状と相似形の膜が梁７と連続するように形成されている。
なお、内側ダイヤフラム層５ａと外側ダイヤフラム層５ｂの両方あるいは片方を、単にダイヤフラムと表記することもある。また、他の構成についても、符号を省略することがある。
【００３９】
図７に示すように、梁７のみを形成すると、ダイヤフラムの中央付近の梁７が交差する部分において、鋭角な部分が生じ、半導体のエッチングプロセスなどによって、鋭角部分を削るときにバラつきが生じる可能性がある。ここで中央に相似形部分を形成すると、鋭角な部分を作らないですむという利点がある。また、ダイヤフラム型の超音波トランスデューサにおいては、大きなＤＣバイアスを印加した方が、蓄積される電荷が多いため、送受波の感度を向上することができるが、このときに過度なＤＣバイアスを印加すると、ダイヤフラムの一部が空隙４の反対側面に接触してしまう。このような接触は、ダイヤフラムへの電荷注入の原因となり、素子の電気音響変換特性にドリフトをもたらすことになる。梁７を形成した場合、梁７の隙間の部分で、かつダイヤフラムの中心近傍の部分から接触することになる。接触なく印加できるＤＣバイアスの上限を大きくするには、凹凸なく変形したほうが有利であるので、梁７の交点部近傍にはダイヤフラムの相似形の膜を形成するのが有利である。このとき、相似形部の大きさがあまり大きいと、梁７の隙間が全て埋まってしまい、梁７を形成した意味が無くなるので、相似形部の直径はダイヤフラム全体の直径に対して５０％から８０％程度であることが望ましい。
【００４０】
ここで、梁７とは、幅が長さに比べ小さく、ダイヤフラムの一部のみを覆う形状の構造体である。梁７は、以下に示すような硬さの条件を備えることで、ダイヤフラム型の超音波トランスデューサ全体の共振周波数に影響を与える。すなわち、空隙４の上方壁部を構成するダイヤフラム部の材料の硬さに比べ梁７の硬さを十分に大きくする、もしくはダイヤフラム部の厚みに比べ梁７の厚みを十分に大きくすることで、ダイヤフラム型の超音波トランスデューサ全体の共振周波数は、梁７の形状と材質によって制御することができる。例えば、幅Ｗ、長さｌ、厚さｔの単純な直方体形状の梁７を考えると、厚み方向の共振周波数ｆｂは次式（３）で与えられる。ここで、Ｅはヤング率、Ｉは断面モーメント、ｍは質量である。
【００４１】
【数２】
【００４２】
断面形状が長方形の梁７では、断面モーメントＩはＷｔ3／３であるため、式（３）は式（４）のようになる。なお、式（４）は比例式なので、係数を省略している。
【００４３】
【数３】
【００４４】
したがって、梁７の材質が同じで、厚みｔと長さｌが一定の場合、共振周波数ｆｂは幅Ｗの平方根に比例することになる。
【００４５】
梁７が、周辺部で幅Ｗの直方体状であり、ダイヤフラムの中心部ではダイヤフラムと相似形の、図５や図６に示すような形状の場合には、近似的にダイヤフラム中心部を質量Ｍの錘とみなすと、式（３）は式（５）のようになり、前記とほぼ同じように取り扱うことが可能となる。
【００４６】
【数４】
【００４７】
このように、ダイヤフラムの共振周波数を梁７の幅Ｗの大きさで制御できるようになると、ダイヤフラムの径は一定で、ダイヤフラムの表面あるいは裏面に設けた梁７の幅Ｗが異なる超音波トランスデューサを図５に示すように敷き詰めることで、ダイヤフラム間の隙間がなく、共振周波数が異なる複数のダイヤフラム型の超音波トランスデューサで、１つの超音波トランスデューサを構成することが可能になる。図５では、１つの素子として機能する超音波トランスデューサの境界線を破線２０によって示している。このとき、下部電極２は１つの超音波トランスデューサを構成する複数のダイヤフラム型の超音波トランスデューサに共通であり、１つの超音波トランスデューサを構成する複数のダイヤフラム型の超音波トランスデューサの上部電極同士は結線１３によって電気的に相互に接続されている。
【００４８】
以下に、図６に示したダイヤフラム型の超音波トランスデューサを構成する材料と寸法の例について説明する。基板１はシリコンからなり、シリコン基板の上に、厚み５００ｎｍ程度の金属もしくはポリシリコンなどからなる下部電極２が形成されている。下部電極２の上には、酸化シリコンなどの絶縁膜が５０ｎｍ程度の厚みで形成され、その上に厚み方向の寸法が２００ｎｍ程度の空隙４が形成され、空隙４の上壁を構成する絶縁膜（第１のダイヤフラム）５が１００ｎｍ程度形成され、その上にアルミニウムなどの金属で形成される上部電極３が厚み４００ｎｍ程度形成され、この上に空隙４の全面を覆う窒化シリコンからなる外側ダイヤフラム層５ｂが厚み２００ｎｍ程度形成され、その上に梁７を構成する窒化シリコンの膜が厚み１０００ｎｍ程度形成されている。
【００４９】
ただし、これらの材質や寸法は単なる一例であり、上記に説明した通りでなくても構わない。例えば、梁７を窒化シリコンで構成し、ダイヤフラムの直径を６０μｍ、膜の厚みおよび梁７の厚みをそれぞれ２μｍと４μｍとすると、Ｗ1が０．５μｍのとき中心周波数が７．８ＭＨｚで−６ｄＢ比帯域幅が１２０％（−６ｄＢ比帯域が３〜１２．５ＭＨｚ）、Ｗ2が４μｍのとき中心周波数が１０ＭＨｚで−６ｄＢ比帯域幅が１００％（−６ｄＢ比帯域が５〜１５ＭＨｚ）、Ｗ3が２０μｍのとき中心周波数が１１．５ＭＨｚで−６ｄＢ比帯域幅が９６％（−６ｄＢ比帯域が６〜１７ＭＨｚ）となる。梁の幅Ｗ1，Ｗ2，Ｗ3を有する超音波トランスデューサの数をそれぞれ最適にすることにより（Ｗ1とＷ3の数をＷ2の数より多くした方が、より平坦な周波数特性が得られる）、−６ｄＢ帯域が３〜１７ＭＨｚすなわち、−６ｄＢ比帯域幅が１４０％となる。従来公知のダイヤフラム構造では−６ｄＢ比帯域幅は１００〜１２０％程度であるので、−６ｄＢ比帯域幅が４０〜２０ポイント改善することになる。
【００５０】
図５に示した例では、多角形の形状をしたダイヤフラムの中心部にダイヤフラムの形状と相似形の膜を梁７と連続するように形成しているが、もちろん図７に示すように、中心部にダイヤフラムの形状と相似形の膜を形成しない梁７としても、同じ効果を期待できる。一方、図８に示すように、ダイヤフラム中心部に硬い領域１５を設け、その硬い領域１５の大きさを変えることで、全体のダイヤフラムの大きさを保ったまま、個々のダイヤフラムの共振周波数を異なるように設定することも可能である。しかし、ダイヤフラムの共振周波数は、質量と、構造と材質で決まるバネの寄与に分解して考えることができるが、バネの強さに対しては、ダイヤフラムの厚みが厚い場合には、ダイヤフラムのリム部での材質、形状の寄与が支配的であるため、図８のような形状では、個々のダイヤフラムで周波数を異なるように設定するのは困難である。よって、図８に示したようにダイヤフラムの中心に大きさの異なる硬い領域１５を形成する構造よりは、図５や図７に示したように、多角形の形状をしたダイヤフラムの表面又は裏面にダイヤフラムの対向する頂点間を結ぶ幅の異なる梁７を形成した構造の方が好ましい。
【００５１】
次に、本発明による超音波探触子の広帯域特性を活用する方法に関して説明する。図９（ａ）は、比帯域幅が６０％程度の従来の探触子を使った場合の、観察部位毎の周波数の選択の仕方を説明する図である。一般的に周波数が高い方が、波長が短くなるので、空間分解能が向上する。しかし、超音波の伝播に伴う減衰は、周波数にほぼ比例して大きくなるので、被検体の深部を観察する場合には、減衰のためほとんど信号が返ってこなくなってしまう。このように、減衰による信号対雑音比の劣化と空間分解能とはトレードオフの関係にあるので、所望の信号対雑音比を満足する範囲でなるべく高い周波数を選択する。したがって、観察対象となる深さによって、ほぼ自動的に最適な周波数が決まり、体表から１５〜２０ｃｍくらいの深いところ（肝臓など）を観察するには２ＭＨｚ程度の周波数、甲状腺など体表から数センチのところを観察するには１０ＭＨｚ程度の周波数、血管内プローブのような場合にはさらに高周波が選択される。
【００５２】
従来は、このような２ＭＨｚから１５ＭＨｚ程度までの広い周波数をカバーするような超音波探触子が無かったので、それぞれの対象部位毎に探触子を最適化して、所定の中心周波数を設定したプローブを使っていた。そのため、素子の幅も一定であればよく、波長の半分から７５％程度になるような、固定素子幅の素子にアレイ化していた。しかし本発明によれば、図９（ｂ）に示すように、一つの探触子で、人体を対象にする場合に必要な周波数域をほぼカバーすることが可能となる。図９（ｂ）におけるｆ１，ｆ２，ｆ３は、各モードにおける駆動周波数である。
【００５３】
ここで、一つの探触子で、対象部位の体表からの深さによって駆動周波数を切り替えて、中心周波数を大きく異なるように動作させるために、素子幅が切り替わるように構成する必要がある。素子幅の切り替えは、対象部位の選択時に決定され、一つの撮像面内では一定の場合や、対象部位が比較的大きく、一つの画面内でも対象部位を設定する場所の変化に応じて切り替わる必要がある場合や、対象部位が体表の近傍から深い部分に広がっており、超音波を受信しながらフォーカス位置の移動に伴って素子幅も切り替えていく必要がある場合もある。例えば、受信しながら素子幅を切り替える場合に関して装置図を用いて説明する。図１の送波ビームフォーマ２０４から広帯域の超音波パルスをスイッチ２０５および副素子束ね切替用のスイッチ１７を介して、副素子１６から構成される超音波探触子に印加し、ここには図示しない被検体に超音波パルスを送波する。
【００５４】
送波ビームフォーマ２０４においては、ビームを絞って空間分解能を上げることよりも、広く超音波パルスを送波し、信号対雑音比を向上することが重要なので、１チャンネル内の副素子数は少なくして、全口径を狭くする。被検体内で散乱された超音波は浅いところから順に戻ってくるので、生体内での伝播距離が短い超音波から順に戻ってくる。この被検体から戻ってくる超音波を従来技術においては、スイッチ２０５を介して受波ビームフォーマ２０６で受け、各チャンネル間での遅延時間、重み係数を調整し、包絡線検波、スキャンコンバータを介して断層像が表示される。一方、本発明では、副素子１６とスイッチ２０５の間の副素子束ねスイッチ１７において、浅い部分からの超音波の受波時では送波した帯域の上端の帯域に対応した束ね数で束ね、深い部分からの超音波の受波時では送波した帯域の下端の帯域に対応した束ね数で束ねる。浅い部分からの超音波の受信から深い部分からの超音波の受信まで時間的には連続しているので、副素子数の切替も時間的に連続的に行う必要がある。
【００５５】
図５の例では、六角形のダイヤフラムを縦横に繋いで電気的な１素子の超音波トランスデューサとしているが、上記のモードを実現するために、図１０のように、複数の超音波トランスデューサを短軸方向にのみ結線１３によって超音波トランスデューサ間の結線を行い、この電気的に結線された超音波トランスデューサを副素子として、長軸方向（アレイ方向）に束ねる副素子の数を変えることで、モードによって素子幅を切り替えることができる。ここでモードとは、対象部位の深さによって自動的に決まる撮像条件のことである。撮像条件としては、駆動周波数、受信での周波数フィルタのカットオフ値、送波正弦波の波数、時間軸重み関数、口径重み関数などである。
【００５６】
超音波トランスデューサの操作者が対象部位を選択もしくは入力すると、通常は撮像の深さの範囲が決まり、介在物の減衰の程度が推定可能なため、最適な周波数などの諸条件が決定される。場合によっては、肝臓や心臓など、比較的大きな臓器を観察する場合などは、対象部位が決まっても、対象部位が近傍から遠方まで広く広がっていることが多いので、一つの対象部位でも複数のモードを持ち、反射エコーの生成する深度によって、自動的にモードを切り替えながら使う場合もある。副素子は、上部電極同士を導電体によって恒久的に接続されたダイヤフラム型の超音波トランスデューサの集まりで構成される。副素子はまた、ビームフォーミングをするための１素子を構成するとき、切替可能なスイッチによって束ねられる単位超音波トランスデューサとなる。図１０において、破線２０は、電気的に結線された超音波トランスデューサ副素子間の境界線を示す。図１０には、アレイ化方向に対して垂直な方向に電気的に接続された４つの副素子１６ａ〜１６ｄが示されている。
【００５７】
例えば、１個のダイヤフラム型の超音波トランスデューサを構成するダイヤフラムの直径が５０μｍであるとき、もちろんダイヤフラム一つの幅より狭い範囲では調整できないが、２ＭＨｚでの波長の７５％となる０．５５ｍｍの素子幅は直径５０μｍのダイヤフラム１１列で実現でき、２０ＭＨｚでの波長の７５％となる５５μｍの素子幅は直径５０μｍのダイヤフラム１列で実現できるので、２ＭＨｚから２０ＭＨｚの範囲で、モードごとに最適な素子ピッチを実現できる。すなわち、この場合には、超音波探触子を２ＭＨｚで駆動するときには、隣接する副素子を１１個ずつ束ねたものを１素子として同時に駆動することで素子幅０．５５ｍｍを実現することができ、超音波探触子を２０ＭＨｚで駆動するときには、個々の副素子を独立して駆動することにより素子幅５５μｍを実現することができる。
【００５８】
図１１は、この副素子を束ねる数の切替え方、およびそれによる効果を具体的に説明した図である。図１１（ａ）は、最も近い距離Ｆｎに送波もしくは受波の焦点をあわせた状態を示している。このときは、各素子は、幅Ｗｓの１つの副素子を１素子として構成されているので、チャンネル数Ｎのシステムの場合、全口径幅Ｗｎは、Ｗｎ＝Ｗｓ×Ｎとなる。一方、図１１（ｂ）は、より深い距離Ｆｆに焦点を合わせた状態を示している。このとき、幅Ｗｃの素子は、副素子を２個束ねて構成されているので、全口径幅ＷｆはＷｆ＝Ｗｃ×Ｎ＝２×Ｗｓ×Ｎとなる。さらに深い焦点に対しては、副素子を束ねる数を増やしていくことで、全口径幅を広げていくことが可能となる。このように、超音波探触子の焦点を変えても、Ｆ値、すなわち焦点距離／口径幅をほぼ一定に保つことができるので、素子幅およびチャンネル数が一定の場合に比べ、近傍においてはＦ値が小さくなり過ぎることによるグレーティングローブ（不要放射）の生成を抑えることが可能となり、遠方においては、Ｆ値が大きくなることによるフォーカスのボケを抑えることができる。
【００５９】
この副素子の束ねスイッチは、超音波撮像装置内に搭載することも可能であるが、図１２に示すように、超音波撮像装置に接続するコネクタ１９と超音波トランスデューサを結ぶケーブル１８よりも、副素子１６側に副素子の束ねスイッチ１７を設けることによって、ケーブル１８の本数を必要最小限に抑えることができる。その結果、操作者が超音波トランスデューサを手に持って操作するときの負担を極力低減することが可能となる。
【００６０】
次に、六角形以外の形状のダイヤフラムを用いるダイヤフラム型トランスデューサアレイの例について説明する。ダイヤフラムの隙間の面積を最小にしつつ、共振周波数が異なるダイヤフラムで超音波探触子の送受波面を埋めることは、長方形のダイヤフラムを用いることによっても実現可能である。このとき、長方形ダイヤフラムの長辺と短辺の比が１対１に近いと、夫々の辺の長さに対応したモード間での結合振動のため、共振モードが複雑になり、見かけは広帯域でも、周波数特性を絶対値と位相の両方で見た場合に位相が一定ではなく、結果として周波数成分毎に異なる遅延を持ち、時間軸上でのパルス特性が劣化してしまうことがある。しかし、長辺と短辺の長さが大きく異なる（例えば１：８以上など）ようにしておけば、長方形のダイヤフラムは短辺に沿って変形する樋型に振動し、ほとんど短辺の長さで共振周波数が定まるようになる。
【００６１】
図１３（ａ）は、長方形のダイヤフラムを有するダイヤフラム型の超音波トランスデューサを用いた超音波探触子の例を示す平面摸式図である。また、図１４にアレイ化方向の断面図を示す。図１４に示すように空洞部分の幅が異なるように構成することで、異なる共振周波数をもつ複数のダイヤフラムを電気的に結線された１素子中に備えることが可能となる。この超音波探触子は、それぞれが個々のダイヤフラム型の超音波トランスデューサの構成要素であるところの複数のダイヤフラムを、その長辺の方向が電気的に結線された１つの素子１４の長辺の方向と一致するように、すなわちトランスデューサアレイのアレイ化方向と直交する方向になるように配置している。個々のダイヤフラムの下方には、そのダイヤフラムとほぼ同形状の上部電極および空隙が設けられており、空隙の下方に設けられた共通の下部電極と上部電極とによってコンデンサが構成される。
【００６２】
また、長方形のダイヤフラムを備える個々の超音波トランスデューサは、そのダイヤフラムの短辺の長さによって決まる共振周波数を有する。電気的に結線された１つの素子１４の短辺を複数に分割するような、ダイヤフラムの短辺の長さの組み合わせを選ぶことで、隙間なく配置された、中心周波数が異なる複数のダイヤフラムが、電気的に同時に駆動される一つの超音波トランスデューサが得られる。例えば、Ｗ0を５００μｍ、窒化シリコンで構成された膜の厚みを３μｍとすると、Ｗ1が６０μｍのとき中心周波数が７．８ＭＨｚで−６ｄＢ比帯域幅が１２０％（−６ｄＢ比帯域が３〜１２．５ＭＨｚ）、Ｗ2が５０μｍのとき中心周波数が１０ＭＨｚで−６ｄＢ比帯域幅が１００％（−６ｄＢ比帯域が５〜１５ＭＨｚ）、Ｗ3が４０μｍのとき中心周波数が１１．５ＭＨｚで−６ｄＢ比帯域幅が１００％（−６ｄＢ比帯域が６〜１７ＭＨｚ）となる。短辺の長さＷ1，Ｗ2，Ｗ3を有する超音波トランスデューサの数をそれぞれ最適にすることにより（Ｗ1とＷ3の数をＷ2の数より多くした方が、より平坦な周波数特性が得られる）、−６ｄＢ帯域が１〜１５ＭＨｚすなわち、−６ｄＢ比帯域幅が１４０％となる。従来公知のダイヤフラム構造では−６ｄＢ比帯域幅は１００〜１２０％程度であるので、−６ｄＢ比帯域幅が２０〜４０ポイント改善することになる。
【００６３】
図１３（ｂ）は、長方形のダイヤフラムを有するダイヤフラム型トランスデューサアレイを用いた超音波探触子の他の例を示す平面摸式図である。この超音波探触子は、それぞれが個々の超音波トランスデューサの構成要素であるところの複数のダイヤフラムを、その長辺の方向が電気的な１つの素子１４の短辺と同じ向き、すなわちトランスデューサアレイのアレイ化方向と同じ方向になるように配置している。個々のダイヤフラムの下方には、そのダイヤフラムとほぼ同形状の上部電極および空隙が設けられており、空隙の下方に設けられた共通の下部電極と上部電極とによってコンデンサが構成される。このようなダイヤフラムの配置によっても、中心周波数が異なる複数のダイヤフラムで超音波探触子の表面を隙間無く充填することが可能となる。これらの、異なる中心周波数のダイヤフラムを並べるときに、規則性がなるべく出ないように配列する方が、不要なグレーティングビームを発生しないので好ましい。なお、図１３（ｂ）においても、図１３（ａ）と同じようにＷ1，Ｗ2，Ｗ3に対して共振周波数が決定されるので、選択の仕方、および効果に関しても図１３（ａ）の場合と同様である。
【００６４】
本実施形態においても、図１５に示すように、アレイの長軸方向の素子幅をモードによって自由に変えられるように設定することは、本発明の超音波撮像素子が有する広帯域特性を十分に使いこなすという観点から有益である。なお、図１５においては、複数の超音波トランスデューサをアレイ化方向と垂直な方向にのみ結線して多数の副素子を構成しておき、副素子の束ね方を変更することによってアレイの長軸方向の素子幅を変更するものであるが、図１３（ａ）あるいは図１３（ｂ）に示すように結線された複数のダイヤフラム型の超音波トランスデューサからなる素子１４を１つの副素子とし、副素子の束ね方を束ねスイッチによって変更することによって、アレイの長軸方向の素子幅をモードに応じて変更するようにしてもよい。
【００６５】
（第２実施形態）
図１６は、第２実施形態の超音波トランスデューサを示す平面模式図である。図１７（ａ）は、その断面模式図である。図１６、図１７（ａ）に示すように、幅の異なる複数の梁７ａ〜７ｅを外側ダイヤフラム層５ｂの表面に設けることによって、広帯域な超音波トランスデューサ１００ｑを実現できる。本実施形態の超音波トランスデューサ１００ｑは、１つの電気信号によって駆動される素子、すなわち電気的な１素子を１つのダイヤフラムで構成するが、１つのダイヤフラム上に中心周波数の異なる梁７を複数並べてダイヤフラム全体としての帯域幅を広げたものである。
【００６６】
図１６の例では、１つの超音波トランスデューサを構成する長方形の外側ダイヤフラム層５ｂ上に、ダイヤフラムの短辺方向を横切るように矩形の梁７ａ〜７ｅを複数形成した。梁７ａの短辺の幅はＷ1、梁７ｂの短辺の幅はＷ2、梁７ｃの短辺の幅はＷ3、梁７ｄの短辺の幅はＷ4、梁７ｅの短辺の幅はＷ5であり、幅Ｗ1〜Ｗ5は互いに異なる。図１６のダイヤフラムと梁７の関係は梁７の交差点部の寄与が大きくない場合には、図５におけるＷ1，Ｗ2，Ｗ3と共振周波数の関係と同じである。なお、図１７（ｂ）に示すように、幅の異なる梁を外側ダイヤフラム層５ｂの内部に埋め込むようにして設けてもよい。
【００６７】
図１６に示した超音波トランスデューサ１００ｑの場合も、やはり前記のように、各々の中心周波数をもつ梁７ごとの並べ方に、なるべく周期性がないように配置して、グレーティングローブ（不要放射）が形成されないように注意する必要がある。
【００６８】
上記各実施形態においては、２次元断層像を撮像するための１次元アレイの例で説明を行ったが、２次元アレイや、１．５次元アレイにおいても、電気的な１素子を構成するダイヤフラムの数は減るものの、複数のダイヤフラムで電気的な１素子を構成することに変わりはないので、本発明の特徴である、隙間を最小限に抑えた、中心周波数が異なる複数のダイヤフラムで構成される電気的な素子を配置したトランスデューサアレイを実現することができる。なお、１．５次元アレイとは、超音波ビーム位置もしくは方向を走査する方向（長軸）、すなわち撮像面に直交する方向（短軸）に関してもアレイ化することにより、短軸側のフォーカスも可変にすることができる構成をもったアレイのことである。
【００６９】
（第３実施形態）
続いて、図１８から図２７の各図を参照し、本発明による第３実施形態について説明する。なお、第１実施形態や第２実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する点に関しては適宜説明を省略する。
図１８は、第３実施形態の超音波トランスデューサ１００を示す垂直断面図であり、図１９は、この超音波トランスデューサ１００を示す平面図である。
【００７０】
なお、図４０の場合と同様に、説明の便宜上、超音波トランスデューサ１００が超音波を受信する方向、すなわち、図１８の下方、および、図１９の紙面に対しての垂直下方向を、ｚ方向とする。また、図１８および図１９の右手方向をｘ方向とし、図１８の紙面に対しての垂直下方向および図１９の上方向を、ｙ方向とする。
【００７１】
図１８および図１９に示すように、この超音波トランスデューサ１００は、静電型のダイヤフラム型トランスデューサであって、シリコン（Ｓｉ）単結晶などの絶縁体または半導体からなる平板状の基板１と、アルミニウム（Ａｌ）などの導電体からなり基板１の上面に薄膜状に形成された基板１側の電極２と、この電極２の上面に薄板状に形成されたダイヤフラム５と、このダイヤフラム５の上面に形成された１つまたは複数の梁７と、を具備している。なお、説明の便宜上、この超音波トランスデューサ１００において、ダイヤフラム５が備えられ超音波を送受する面を上面、基板１側の面を下面とする。
【００７２】
ダイヤフラム５は、内部に空隙４を有し、この空隙４の上面をカバーする部分が、振動により超音波を発生するための振動部分５ｃとなっている。ダイヤフラム５は、ダイヤフラム５の振動部分５ｃと基板１側の電極２との間隔を示す空隙４を含み、この振動部分５ｃが過剰に変位しても基板１側の電極２とダイヤフラム５側の電極３（後記）とが導通しないように絶縁する内側ダイヤフラム層５ａと、この内側ダイヤフラム層５ａの上面を覆うように形成された外側ダイヤフラム層５ｂと、電極２と同様の材質からなり内側ダイヤフラム層５ａと外側ダイヤフラム層５ｂとの間に薄膜状に形成されたダイヤフラム５側の電極３と、を具備している。
【００７３】
ダイヤフラム５および梁７の材質は、例えば、米国特許第６，３５９，３６７号明細書に記載されたものである。例示すれば、シリコン、サファイア、あらゆる形式のガラス材料、ポリマ（ポリイミドなど）、多結晶シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、金属薄膜（アルミニウム合金、銅合金、またはタングステンなど）、スピン・オン・グラス（ＳＯＧ）、埋め込み（implantable）ドープ剤または拡散ドープ剤、ならびに酸化シリコンおよび窒化シリコンなどからなる成長フィルムなどである。
【００７４】
定常時において、ダイヤフラム５の振動部分５ｃと基板１との間隔、すなわち空隙４の厚さ（ｚ方向の寸法）は、主に、内側ダイヤフラム層５ａおよび外側ダイヤフラム層５ｂの両方またはいずれかの上下方向（ｚ方向）の剛性によって維持されている。さらに、この剛性は、梁７によって所定方向に強化されている。
【００７５】
すなわち、本実施形態の超音波トランスデューサ１００の大きな特徴は、ダイヤフラム５に梁７が配設され、ダイヤフラム５の剛性が調節されていることである。超音波トランスデューサ１００は、ダイヤフラム５の厚さ（ｚ方向の長さ）と梁７の厚さ（ｚ方向の長さ）との組み合わせを適切に設定することにより、所望の共振周波数ｆｂと比帯域幅ｆｈとの組み合わせを実現できる。
【００７６】
ダイヤフラム５および梁７の平面形状（ｘ方向およびｙ方向の寸法）を変えるには、製造工程において異なるマスク（図示せず）を要するが、これらの厚さ（ｚ方向の寸法）を変えるには、ダイヤフラムの材料となる物質が所望の厚さにまで堆積する時間を調節するなど、単に製造工程の制御を変更すればよく、同一の製造設備で製造を行える利点がある。
【００７７】
この超音波トランスデューサ１００は、電気素子として概観すると、誘電体として機能する空隙４を挟んで、各々極板となる基板１側の電極２およびダイヤフラム５側の電極３を配置した可変容量コンデンサとして動作する。具体的には、ダイヤフラム５に力を加えると変位するため、電極２と電極３との間隔が変わり、このコンデンサの静電容量が変化する。また、電極２と電極３とに電位差を与えると各々異なる電荷が貯まって相互に力が作用し、ダイヤフラム５が変位する。すなわち、この超音波トランスデューサ１００は、入力された高周波電気信号を超音波信号に変換して水や生体などの媒体へ放射し、媒体から入力された超音波信号を高周波電気信号に変換して出力する機能を有する電気音響変換素子である。
【００７８】
図２０は、トランスデューサアレイ１０００を示す斜視図である。
このトランスデューサアレイ１０００は、超音波探触子（図示せず）の超音波送受信面をなすものであって、基板１に、前記した超音波トランスデューサ１００を多数形成し、所定個数ごとに結線１３によって接続したものである。超音波トランスデューサ１００の個数は、図示したものに限られず、半導体製造技術に応じてさらに多数の超音波トランスデューサ１００を、より大型の基板１に集積してもよい。個々の、または、所定個数ごとにまとめられた超音波トランスデューサ１００は、送受スイッチを介して、この超音波探触子を具備した超音波撮像装置の送信ビームフォーマおよび受信ビームフォーマに接続され（いずれも図示せず）、フェーズドアレイとして動作し、超音波の送受信のために利用される。なお、図示した超音波トランスデューサ１００の配列は一例であって、蜂の巣(honeycomb)状のほか、碁盤目（grid）状など、他の配列形態でもよい。また、配列面は、平面状または曲面状のいずれでもよく、その面形状も、円形状または多角形状などとすることができる。あるいは、超音波トランスデューサ１００を、直線状または曲線状に並べてもよい。
【００７９】
この超音波探触子は、例えば、複数の超音波トランスデューサ１００の群を短冊状に配列してアレイ型に形成したり、複数の超音波トランスデューサ１００を扇状に配列してコンベックス型に形成したりしたトランスデューサアレイ１０００を具備する。また、この超音波探触子において、超音波トランスデューサ１００の媒体（被検体）側には、超音波ビームを収束させる音響レンズと、超音波トランスデューサ１００と媒体（被検体）との音響インピーダンスを整合する音響整合層が配置されており、また、その背面側（媒体側に対して逆側）には、超音波の伝播を吸収するバッキング材が設けられている。
【００８０】
図２１は、超音波トランスデューサ１００の周波数−感度特性例を示すグラフである。
このグラフでは、横軸に周波数ｆをとり、縦軸に電気・機械変換効率を示す感度Ｇ（利得; Gain）をとって示す。感度Ｇが最も高くなる周波数ｆをピーク周波数ｆpとし、感度Ｇが、最も高い値から−３[dB]までの範囲となる周波数帯幅ｆｗとする。周波数帯幅ｆｗの中心となる周波数を中心周波数ｆｃとし、周波数帯幅ｆｗを中心周波数ｆｃで除した値（つまり、周波数帯幅ｆｗを、中心周波数ｆｃで規格化した値）を比帯域幅ｆｈ（図示せず）とする。
【００８１】
超音波トランスデューサ１００の重要な基本的特性のひとつに、感度Ｇが挙げられる。感度Ｇは、電気エネルギーと、音波などの機械エネルギーとを相互に変換する効率を意味する。したがって、送信効率を高め、また、微弱な音波信号を検出する観点から、超音波トランスデューサ１００の感度Ｇは高い方が望ましい。
【００８２】
また、超音波トランスデューサ１００の重要な基本的特性のもうひとつに、比帯域幅ｆｈが挙げられる。比帯域幅ｆｈが大きいほど、使用可能な周波数範囲が広くなり、ひとつの超音波トランスデューサ１００をさまざまな目的に共用できる利点がある。さらに、比帯域幅ｆｈが大きいほど、パルス幅の狭い（すなわち、占有周波数帯幅の広い）超音波パルスを形成でき、超音波撮像などにおいて高い距離分解能を得られる利点がある。
【００８３】
しかし、エネルギー保存の法則から導かれるとおり、感度Ｇの高さと、比帯域幅ｆｈの広さとは、相反関係にある。したがって、超音波トランスデューサ１００を設計するに当たって重要なことは、この限界内で、所望の中心周波数ｆｃと比帯域幅ｆｈとの組み合わせを選べることである。
【００８４】
超音波トランスデューサ１００は、ダイヤフラム型であるので、中心周波数ｆｃと、共振周波数ｆｂとは、ほぼ等しい。共振周波数ｆｂは、ダイヤフラム５の剛性をＤ、質量をｍとすると、前記した式（１）の関係にある。また、比帯域幅ｆｈは、前記した式（２）の関係にある。
【００８５】
ダイヤフラム５の剛性Ｄおよび質量ｍは、その材質が既定であるとき、その平面形状および厚さにより定まる。したがって、ダイヤフラム５の平面形状および厚さの両方を適切に設定できれば、所望の周波数特性（中心周波数ｆｃ（≒共振周波数ｆｂ）と比帯域幅ｆｈとの組み合わせ）が得られることになる。
【００８６】
図２２は、梁７の屈曲状態を示す模式図である。
この梁７は、力を加えない状態では、幅がｗ、長さがｖ、厚さがｔの直方体状である。この梁７の厚さ方向（ダイヤフラム５の振動方向；ｚ方向）の剛性Ｄは、この梁７の質量をｍ、ヤング率をＥとすると、次式（６）の関係にある。
【００８７】
【数５】
【００８８】
一方、梁７の質量ｍは、その密度をρとすると、次式（７）で求めることができる。
【００８９】
【数６】
【００９０】
この梁７の厚さｔ方向（ｚ方向；ダイヤフラム５の振動方向）の共振周波数ｆｂは、次式（８）の関係にある。
【００９１】
【数７】
【００９２】
したがって、梁７の共振周波数ｆｂは、厚さｔに比例することになる。
【００９３】
また、比帯域幅ｆｈは減衰定数ζに比例し、減衰定数ζは、次式（９）の関係にある。
【００９４】
【数８】
【００９５】
ここで、式（８）を式（９）に代入すると、次式（１０）が得られる。
【００９６】
【数９】
【００９７】
この式（１０）から、減衰定数ζは、共振周波数ｆｂが一定である場合、梁７の質量ｍに反比例することがわかる。つまり、梁７の幅ｗおよび長さｖが既定であれば、比帯域幅ｆｈは、厚さｔに反比例することがわかる。
【００９８】
直方体状の梁７は、その平面形状（幅ｗおよび長さｖ）が既定であるとき、所望の共振周波数ｆｂを実現するためには、その厚さtは、ひとつの値に決まる。また、梁７の材質と各寸法が決まると、質量ｍも決まるため、比帯域幅ｆｈも一意に決まる。また、例えば、ダイヤフラム５の振動部分５ｃ（梁７を除いた平板状の部分）など、均質な直方体とみなせるものについても、この梁７と同様のことがいえる。
【００９９】
図２３は、本発明による振動体６ａと、比較例の振動体６ｂとを模式的に示す斜視図である。
図２３（ａ）に示すように、本発明による振動体６ａは、第３実施形態のダイヤフラム５の振動部分５ｃを模したものであって、平板状のベース２０ａと、このベース２０ａに配設された１本の梁７ｄとを具備している。ベース２０ａの厚さはｔ１であり、梁７ｄの厚さはｔ２である。また、図２３（ｂ）に示すように、比較例の振動体６ｂは、前記した振動体６ａから梁７ｄを取り除いた形状を有するものであり、平板状のベース２０ｂからなる。ベース２０ｂの厚さはｔ０である。
【０１００】
振動体６ａのベース２０ａおよび梁７ｄ、ならびに、振動体６ｂのベース２０ｂの長さ（ｙ方向の寸法）は、いずれもｖである。また、ベース２０ａおよびベース２０ｂの幅（ｘ方向の寸法）は、いずれもｗ１であり、梁７ｄの幅（ｘ方向の寸法）は、ｗ２である。さらに、ベース２０ａ、ベース２０ｂ、および梁７ｄは、いずれも同じ材質である。
【０１０１】
図２４は、本発明による振動体６ａの梁７ｄの幅ｗ２を、ベース２０ａの幅ｗ１の２０パーセントとしたときの共振周波数ｆｂおよび比帯域幅ｆｈの計算結果を示すグラフである。
横軸方向は、梁の比厚さｔ２／ｔ０、すなわち、振動体６ａの梁７ｄの厚さｔ２を、振動体６ｂのベース２０ｂの厚さｔ０で規格化した値の大きさを示す。また、縦軸方向は、比厚さｔ１／ｔ０、すなわち、振動体６ａのベース２０ａの厚さｔ１を、同様に、振動体６ｂのベース２０ｂの厚さｔ０で規格化した値の大きさを示す。
【０１０２】
このグラフの実線は、本発明による振動体６ａの共振周波数ｆｂを、比較例の振動体６ｂの共振周波数ｆｂで規格化した値を示す。このグラフにおいて、各実線に付された数字は、この共振周波数ｆｂを規格化した値を示し、同一の実線上の任意の位置で、この共振周波数ｆｂを規格化した値が同じ値であることを意味する。
【０１０３】
また、このグラフの破線は、同様に、本発明の振動体６ａの比帯域幅ｆｈを、比較例の振動体６ｂの比帯域幅ｆｈで規格化した値を示す。このグラフにおいて、各破線に付された数字は、この比帯域幅ｆｈを規格化した値を示し、同一の破線上の任意の位置で、この比帯域幅ｆｈを規格化した値が同じ値であることを意味する。
【０１０４】
例えば、本発明による振動体６ａに梁７ｄを備えない場合（梁７ｄの厚さｔ２を０としたといってもよい）、この振動体６ａは、厚さｔ０の比較例のベース２０ｂと等価である。すなわち、この振動体６ａのベース２０ａの比厚さｔ１／ｔ０の値を１.０とし、その梁７ｄの比厚さｔ２／ｔ０の値を０.０とする。このとき、共振周波数ｆｂを一定とし、比帯域幅ｆｈを変えるには、共振周波数ｆｂを規格化した値が１.０となるように（グラフ上では、「１.０」が付された実線上をたどって）、比厚さｔ１／ｔ０と比厚さｔ２／ｔ０との組み合わせを選び、ベース２０ａの厚さｔ１および梁７ｄの厚さｔ２を求めればよい。
【０１０５】
また例えば、本発明の振動体６ａの共振周波数ｆｂを、比較例の振動体６ｂの２倍にし、所望の比帯域幅ｆｈを得るには、共振周波数ｆｂを規格化した値が２.０となるように（グラフ上では、「２.０」が付された実線上をたどって）、所望の比帯域幅ｆｈの規格化値を得ることができる比厚さｔ１／ｔ０と比厚さｔ２／ｔ０との組み合わせを選び（グラフ上では、前記した実線と所望の比帯域幅ｆｈの規格化値が付された破線との交点を探し）、ベース２０ａの厚さｔ１および梁７ｄの厚さｔ２を求めればよい。
【０１０６】
このように、振動体６ａが、ベース２０ａに梁７ｄを配設した構造を有するため、各素子（ベース２０ａおよび梁７ｄ）の平面形状を変えなくても、これらの各素子の厚さ（ｚ方向の寸法）を適切に設定することにより、所望の周波数特性（共振周波数ｆｂと比帯域幅ｆｈとの組み合わせ）を実現できる。
【０１０７】
図２５は、本発明による振動体６ａの梁７ｄの幅ｗ２をベース２０ａの幅ｗ１の８０パーセントとしたときの共振周波数ｆｂおよび比帯域幅ｆｈの計算結果を示すグラフである。
図２４と図２５とを比較すると、振動体６ａの梁７ｄの幅ｗ２の、ベース２０ａの幅ｗ１に対する比率が異なる場合、梁７ｄの厚さｔ２およびベース２０ａの厚さｔ１を同様に変化させたとき、周波数特性の変化が異なることがわかる。
【０１０８】
すなわち、ベース２０ａの幅ｗ１を一定とし、梁７ｄの幅ｗ２を大きくした場合、梁７ｄの平面形状と、ベース２０ａの平面形状とが近似することとなる。このため、共振周波数ｆｂを一定としたとき、ベース２０ａの厚さｔ１と梁７ｄの厚さｔ２との組み合わせを選択することによって、比帯域幅ｆｈを調節できる範囲が狭くなる。
したがって、梁７ｄの厚さｔ２を変えることにより、効果的に周波数特性を変化させるには、製造技術上許容される範囲内で、梁７ｄの幅ｗ２を、ベース２０ａの幅ｗ１に対して、なるべく小さくすればよい。なお、ベース２０ａおよび梁７ｄが同じ材質である場合について説明したが、異なる材質を用いて、同様の結果を得ることもできる。
【０１０９】
図２６は、変形例の梁７ｂを模式的に示す斜視図である。
この梁７ｂは、幅ｗ２を有する梁部材７ｂａと、これと異なる幅ｗ２２を有する梁部材７ｂｂとを、長軸方向を一致させて厚さ方向（ｚ方向）に接合した構成を有する。この梁７ｂでは、梁部材７ｂａの厚さｔ２１と、梁部材７ｂｂの厚さｔ２２とを、独立に選ぶことができる。このため、梁部材７ｂａおよび梁部材７ｂｂの平面形状を変えずに、梁７ｂ全体の厚さ方向の剛性Ｄと質量ｍとの比を一定となるような、梁部材７ｂａの厚さｔ２１と梁部材７ｂｂの厚さｔ２２との組み合わせが無数に得られる。つまり、この梁７ｂを用いれば、共振周波数ｆｂを一定としつつ、梁部材７ｂａの厚さｔ２１と梁部材７ｂｂの厚さｔ２２との組み合わせを変えて、比帯域幅ｆｈを連続的に変えることができる。
【０１１０】
図２７は、別の変形例の梁７ｃ１，７ｃ２，７ｃ３の形状を示す斜視図である。
例えば、図２７（ａ）に示すように、三角形状の断面形状を有する梁７ｃ１を用いてもよい。また、図２７（ｂ）に示すように、台形状の断面形状を有する梁７ｃ２を用いてもよい。さらに、図２７（ｃ）に示すように、幅が長軸方向に沿って変化する梁７ｃ３を用いることもできる。
【０１１１】
このように、梁は、直方体形状、すなわち、短軸方向および長軸方向の断面形状が矩形であるもののほか、製造工程において、厚さ（ダイヤフラム５の振動方向；ｚ方向の寸法）を制御できる形状であれば、他の形状のものを用いてもよい。例えば、梁は、台形など他の四角形や三角形などの多角形状、あるいは、円形状または楕円形状などの断面形状を有するものでもよく、所定方向に沿って断面形状が変化する形状を有するものでもよい。
【０１１２】
次に、図２８から図３９の各図を参照して、本発明による他の実施形態について説明する。これらの各実施形態における構成および動作は、以降に説明を行うほかは、原則として第３実施形態と同様としてよい。後記する第４実施形態から第１４実施形態の超音波トランスデューサ１００ｂ〜１００ｌも、前記した超音波探触子において、同様に使用できる。
【０１１３】
（第４実施形態）
図２８は、第４実施形態の超音波トランスデューサ１００ｂを示す垂直断面図である。
この超音波トランスデューサ１００ｂは、梁７を、ダイヤフラム５（内側ダイヤフラム層５ａ）内の空隙４内に具備した構成を有する。すなわち、本実施形態において、梁７は、ダイヤフラム５表面の電極３近傍であって、基板１側の電極２に対面する側に配設されている。
この超音波トランスデューサ１００ｂによれば、第３実施形態と同様な効果が得られ、また、ダイヤフラム５の表面を平坦にできる。
【０１１４】
（第５実施形態）
図２９は、第５実施形態の超音波トランスデューサ１００ｃを示す垂直断面図である。
この超音波トランスデューサ１００ｃは、ダイヤフラム５（より具体的には、外側ダイヤフラム層５ｂ）の基材内部に、梁７を埋設した構成を有する。この梁７は、ダイヤフラム５より剛性（ヤング率）の高い材質、または、ダイヤフラム５より剛性の低い材質からなる。あるいは、梁７を、空洞により構成し、空洞内を真空とするか、空気または他のガスを充填してもよい。
この超音波トランスデューサ１００ｃによれば、ダイヤフラム５の外形や厚さを変えずに、その剛性を変化させる方向および大きさを所望に調節できる。また、電極２と電極３との間隔を狭めて、電気音響変換効率を高めることができる。
【０１１５】
なお、梁７は、内側ダイヤフラム層５ａまたは外側ダイヤフラム層５ｂ内部に直接に形成してもよいし、内側ダイヤフラム層５ａまたは外側ダイヤフラム層５ｂの表面に溝を設け、内側ダイヤフラム層５ａと外側ダイヤフラム層５ｂとを接合することによりこの溝を封止して形成してもよい。
【０１１６】
（第６実施形態）
図３０は、第６実施形態の超音波トランスデューサ１００ｄを示す垂直断面図である。
この超音波トランスデューサ１００ｄは、前記したダイヤフラム側の電極３および梁７の代わりに、梁７ｚを具備した構成を有する。この梁７ｚは、例えば、前記したダイヤフラム５側の電極３と同様の材質または他の導電性の材質からなり、前記したダイヤフラム５側の電極３と同様の形状の電極層部７ｚｂと、図のｙ方向に細長い形状を有しダイヤフラム５のｙ方向の剛性を付加する梁部７ｚａと、を具備している。あるいは、梁部７ｚａは、一方向に限らず、例えば格子状に配設してもよい。
【０１１７】
この超音波トランスデューサ１００ｄによれば、梁部７ｚａおよび電極層部７ｚｂを一体に形成できるので、製造工程の簡略化を図ることができ、また、構造の堅固化を図ることができる。
【０１１８】
また、この超音波トランスデューサ１００ｄは、電極を兼ねた梁７ｚと、内側ダイヤフラム層５ａまたは外側ダイヤフラム層５ｂのいずれかによって、ダイヤフラム５の剛性の大部分を担保する構造としてもよい。これにより、内側ダイヤフラム層５ａまたは外側ダイヤフラム層５ｂのいずれかは、剛性を担保する必要がなくなり、薄型化または省略化できる。梁７ｚが剛性の大部分を担保すれば、内側ダイヤフラム層５ａは原理的に必要ではなくなる。これにより、電極２と電極３との距離を狭め、電気音響変換効率の向上を図ることができる。
【０１１９】
あるいは、梁７ｚを外部の物体（図示せず）から保護または絶縁する観点からは、外側ダイヤフラム層５ｂは、保護または絶縁に充分な厚さを有すればよい。外側ダイヤフラム層５ｂを薄型化することにより、製造工程の簡略化を図ることができ、また、梁７ｚおよび基板１側の電極２からなる電気音響変換部と、被測定媒体（図示せず）との距離が短くなるので、感度の向上を図ることができる。
【０１２０】
（第７実施形態）
図３１は、第７実施形態の超音波トランスデューサ１００ｅを示す垂直断面図である。
この超音波トランスデューサ１００ｅは、第３実施形態の梁７の代わりに、ダイヤフラム５が自身を基板１側の電極２上に保持している箇所（断面において、柱状に現れる箇所）近傍に、ダイヤフラム５の材質よりも剛性の低い材質または空洞からなる梁７ｎを設けた構成を有する。換言すれば、この箇所は、空隙４の周縁部の上方に位置する、ダイヤフラム５内部の環状部分であって、ダイヤフラム５の振動部分５ｃを囲む部分である。
【０１２１】
この超音波トランスデューサ１００ｅによれば、梁７ｎによって、ダイヤフラム５の振動部分５ｃの周縁部の剛性が低下し、相対的に振動部分５ｃ全体の剛性が向上することとなる。
【０１２２】
図３２は、第７実施形態の超音波トランスデューサ１００ｅの動作を模式的に示す垂直断面図である。
この超音波トランスデューサ１００ｅは、基板１表面の電極２上に、ダイヤフラム５ｎ（実線で示す）を支柱５ｄで保持した構造と解釈できる。なお、比較のため、梁７ｎを設けない場合のダイヤフラム５ｍ（点線で示す）を図示する。
【０１２３】
この超音波トランスデューサ１００ｅでは、超音波の送受信に伴いダイヤフラム５が振動するとき、梁７ｎ付近は大きく変形するが、ダイヤフラム５（ダイヤフラム５ｍとして示す）の振動部分５ｃ全体は良好な平面性を保って均等に変位する。したがって、ダイヤフラム５の最大変位量を変えなくても平均変位量を大きくでき、また、空隙４の厚さ（ｚ方向の長さ）を小さくし、電極２と電極３との距離を縮めることができる。これらにより、電気音響変換効率の向上を図ることができ、高感度化および高出力化を実現できる。
【０１２４】
この梁７ｎを設けたダイヤフラム５ｎを、梁７ｎを設けないダイヤフラム５ｍと比較すると、たわみが小さくなり、その中央部が基板１表面の電極２に接触しにくいことがわかる。
【０１２５】
（第８実施形態）
図３３は、第８実施形態の外側ダイヤフラム層５ｐを示す平面図である。
第８実施形態の超音波トランスデューサ１００ｆ（図示せず）は、前記した外側ダイヤフラム層５ｂの代わりに、外側ダイヤフラム層５ｐを具備した構成である。
この外側ダイヤフラム層５ｐは、平面形の周縁部に、多数の穴（または空洞）状の梁７ｐを多数設けた構成を有する。この多数の梁７ｐは、前記した梁７ｎと同様に、外側ダイヤフラム層５ｐの周縁部の剛性を低下させ、これに囲まれた平板状部分の剛性を相対的に向上させる。
したがって、この第８実施形態の超音波トランスデューサ１００ｆによれば、前記した第７実施形態の超音波トランスデューサ１００ｅと同様の効果を得られる。
【０１２６】
（第９実施形態）
図３４は、第９実施形態の超音波トランスデューサ１００ｇを示す平面図である。
この超音波トランスデューサ１００ｇは、円形状のダイヤフラム５ｇと、このダイヤフラム５ｇの上面に配設された放射状の梁７ｇｒと、同様に配設された環状の梁７ｇｃとを含んでいる。また、ダイヤフラム５ｇは、楕円形状でもよい。
【０１２７】
（第１０実施形態）
図３５は、第１０実施形態の超音波トランスデューサ１００ｈを示す平面図である。
この超音波トランスデューサ１００ｈは、六角形状のダイヤフラム５ｈと、このダイヤフラム５ｈの上面に配設された放射状の梁７ｈｒと、同様にダイヤフラム５ｈの内縁に沿って配設された環状の梁７ｈｃとを含んでいる。六角形状は一例であって、三角形状、五角形状、七角形状など、ダイヤフラム５ｈは、他の多角形状でもよい。
【０１２８】
前記した第９実施形態の放射状の梁７ｇｒは、４本（中心から８方向）配設し、この第１０実施形態の放射状の梁７ｈｒは、３本（中心から６方向）配設した場合を例示的に図示したが、ダイヤフラム５ｇ，５ｈの形状や所望の周波数特性などによって、適切な本数を配設するとよい。また、第９実施形態の環状の梁７ｇｃ、および、第１０実施形態の素子形状の梁７ｈｒは、それぞれ１つ配設した場合を例示的に図示したが、ダイヤフラム５ｇ，５ｈの形状や所望の周波数特性などによって、例えば同心状に、適切な本数を配設するとよい。
【０１２９】
（第１１実施形態）
図３６は、第１１実施形態の超音波トランスデューサ１００ｉを示す平面図である。
この超音波トランスデューサ１００ｉは、ｙ方向に細長い複数の梁７を、不均等な間隔で配設した構成を有する。
第１１実施形態の超音波トランスデューサ１００ｉによれば、これら複数の梁７を配設する間隔を適切に設定することにより、ダイヤフラム５の振動部分５ｃの剛性の分布が部分的に調整され、所望の振動モードを抑制または励起できる。
【０１３０】
（第１２実施形態）
図３７は、梁７同士の長軸方向が異なるように配設した第１２実施形態の超音波トランスデューサ１００ｊを示す平面図である。
この超音波トランスデューサ１００ｊは、ｘ方向に細長く、ダイヤフラム５の振動部分５ｃのｘ方向よりも長軸方向が短い梁７ｘと、ｙ方向に細長く、ダイヤフラム５の振動部分５ｃのｙ方向よりも長軸方向が短い梁７ｙと、を外側ダイヤフラム層５ｂに配設した構成を有する。
このように、長軸方向が異なる梁７ｘおよび梁７ｙを、同一のダイヤフラム５上の異なる箇所に混在させて配設してもよい。また、梁７ｘおよび梁７ｙは、目的に応じて、振動部分５ｃの平面方向の寸法に渡る長さを有さなくてもよい。また、梁７ｘ，７ｙの寸法は、各々異なっていてもよい。
第１２実施形態の超音波トランスデューサ１００ｊによれば、梁７ｙおよび梁７ｘの配設位置、配設間隔、および配設本数などを適切に設定することにより、振動部分５ｃの部分ごとに、所望の振動モードを抑制または励起できる。
【０１３１】
（第１３実施形態）
図３８は、第１３実施形態の超音波トランスデューサ１００ｋを示す垂直断面図である。
この超音波トランスデューサ１００ｋは、ｙ方向に細長く、長軸を横切る断面形状が各々異なる梁７ｉ，７ｊ，７ｋを、ダイヤフラム５上に混在させて配設した構成を有する。
【０１３２】
この例では、ダイヤフラム５上において、最も断面形状が大きい梁７ｉが中央近傍に配設され、この梁７ｉより断面形状が小さい梁７ｊがその外側に配設され、この梁７ｊより断面形状が小さい梁７ｋがさらにその外側に配設されている。このため、ダイヤフラム５の中央近傍の剛性は大きく強化され、ダイヤフラム５の周縁部に向かっては、より小さくその剛性が強化される。この配設方法は一例であって、梁７ｉ，７ｊ，７ｋの配設順序を変えてもよい。
【０１３３】
第１３実施形態の超音波トランスデューサ１００ｋによれば、ダイヤフラム５の剛性の分布を調節することができるので、所望の振動モードと、振動モードごとの共振周波数ｆｂを得ることができる。
【０１３４】
（第１４実施形態）
図３９は、梁７の長軸方向が相互に交差するように配設した第１４実施形態の超音波トランスデューサ１００ｌを示す平面図である。
この超音波トランスデューサ１００ｌは、外側ダイヤフラム層５ｂの上面に、ｘ方向（図の横方向）に細長い梁７ｑと、ｙ方向（図の縦方向）に細長い梁７ｒとを具備した構成を有する。
【０１３５】
この超音波トランスデューサ１００ｌでは、横長の梁７ｑによって、ダイヤフラム５のｘ方向（図の横方向）の剛性を変えることができ、また、縦長の梁７ｒによって、ダイヤフラム５のｙ方向（図の縦方向）の剛性を変えることができる。このため、ダイヤフラム５の振動部分５ｃの平面形状や大きさが既定であっても、ｘ方向の振動モードの共振周波数ｆｂｘと、ｙ方向の振動モードの共振周波数ｆｂｙとを、独立して、任意に設定できる。
【０１３６】
この超音波トランスデューサ１００ｌでは、ダイヤフラム５の振動部分５ｃの平面形状は、概略正方形状である。しかし、この振動部分５ｃは、ｘ方向に細長い１本の梁７ｑ、および、ｙ方向に細長い３本の梁７ｒによって、剛性が強化されている。ここで、梁７ｑおよび梁７ｒの剛性がそれぞれ同等とすると、ダイヤフラム５の振動部分５ｃは、概略正方形状であるにも拘わらず、ｘ方向の剛性は小さく、ｙ方向の剛性は大きい。
【０１３７】
このように、梁７ｑおよび梁７ｒの剛性（短軸方向の断面積や材質）、配設方向、配設本数などを変えることにより、所望の振動モードと、振動モードごとに所望の共振周波数ｆｂとを設定できる。なお、梁７ｑと梁７ｒとは、結合していてもよいし、ｚ方向（図の紙面と垂直方向）に層をなして交差していてもよい。
【０１３８】
各実施形態の超音波トランスデューサ１００，１００ｂ〜１００ｌによれば、例えば、次の効果が得られる。
（１）ダイヤフラム（５など）に梁（７など）を配設したため、ダイヤフラム（５など）の厚さと梁（７など）の厚さとを独立して変えることができ、振動部分５ｃの剛性と質量のバランスを自由に設定して、所望の中心周波数ｆｃを実現しつつ感度Ｇと比帯域幅ｆｈとを制御できる。
【０１３９】
（２）ダイヤフラム（５など）および梁（７など）の厚さを調節することにより、ダイヤフラム（５など）および梁（７など）の平面形状（縦横の寸法）を変えることなく、ダイヤフラム（５など）の周波数特性（共振周波数ｆｂおよび比帯域幅ｆｈ）を変更できる。
【０１４０】
（３）ダイヤフラム（５など）および梁（７など）の平面形状（ｘ方向およびｙ方向の寸法）を変えずに、周波数特性を変更できるので、製造工程の制御を変更すれば、同一のマスク（図示せず）を用いて同一の製造設備で製造を行えるため、手間および費用を低減できる。
【０１４１】
（比較例）
次に、図４０および図４１を参照して、比較例について説明する。
図４０は、比較例の超音波トランスデューサ１００ｐを示す垂直断面図である。
この超音波トランスデューサ１００ｐは、梁７を有しないほかは、第３実施形態の超音波トランスデューサ１００（図１８参照）と同様の構成である。
【０１４２】
図４１は、縦横比が１：２の矩形の平面形状を有するダイヤフラム５の周波数−感度特性を示すグラフである。
このグラフには、０.８ＭＨｚ付近にノッチ（感度Ｇが急峻に低下する箇所）が現れている。このため、ダイヤフラム５の周波数−感度特性が、平坦な値とならない問題点がある。このノッチは、縦の振動モードと横の振動モードとの結合により発生する。したがって、縦横の剛性を変えれば、一方の振動モードを抑圧し、ノッチを抑制できることがわかる。
【０１４３】
例えば、縦横比を１：２とせず、縦横比を極端に大きくするか極端に小さくすれば（つまり、ダイヤフラム５の平面形状を極端に細長くすれば）、縦横いずれかの振動モードの影響を実質的に排除し、ノッチを抑制して、広帯域に渡って平坦な周波数特性が得られるはずである。しかし、ノッチを抑制できる程度に縦横比が極端に大きいかまたは小さいダイヤフラム５は、非常に製造が困難であり、また、実用性に乏しい問題点がある。
【実施例】
【０１４４】
本発明による第３実施形態の超音波トランスデューサ１００（図１８参照）および比較例の超音波トランスデューサ１００ｐの設計例を後記のとおり作成した。そして、計算機に詳細な設計値を与え、水中での特性について高精度の数値シミュレーションを行わせ、前記した計算結果（図２４参照）と比較した。
【０１４５】
これらの超音波トランスデューサ１００および１００ｐでは、いずれも、基板１の材質はシリコン（Ｓｉ）とし、ダイヤフラム５の材質は窒化シリコンとし、電極２および電極３の材質はアルミニウムとした。また、ダイヤフラム５の縦方向（図１９の上下方向；ｙ方向）の寸法は４０μｍとし、同一板面上でこれと直角な方向（図１９の左右方向；ｘ方向）の長さは４００μｍ程度とした。これは、縦／横比を十分小さくし、不要な振動モードが励起しないように配慮したためである。また、基板１側の電極２と基板１と合わせた厚さは充分に大きいので、実質的に変位は無視できる。なお、超音波トランスデューサ１００の梁７の材質は、ダイヤフラム５と同じとした。
【０１４６】
第３実施形態の超音波トランスデューサ１００では、梁７の幅ｗを梁７同士の配設間隔（ピッチ）の２０パーセントとした。ダイヤフラム５の共振周波数ｆｂを、比較例のダイヤフラム５の共振周波数ｆｂと同じとし、比帯域幅ｆｈを１.５倍にするため、計算結果（図２３参照）から、超音波トランスデューサ１００のダイヤフラム５の厚さを、比較例の超音波トランスデューサ１００ｐのダイヤフラム５の厚さの０.５４倍とし、梁７の厚さを、このダイヤフラム５の０.６６倍とした。なお、電極２、空隙４および電極３の厚さは、比較例の超音波トランスデューサ１００ｐのものと同じとした。
【０１４７】
比較例の超音波トランスデューサ１００ｐでは、基板１側の電極２上に空隙４を３００nmの厚さとし、内側ダイヤフラム層５ａを２００nmの厚さで形成した。そして、ダイヤフラム５側の電極３を４００nmの厚さで形成し、さらに外側ダイヤフラム層５ｂを２０００nmの厚さで作成した。
【０１４８】
図４２は、第３実施形態の超音波トランスデューサ１００および比較例の超音波トランスデューサ１００ｐの水中における周波数特性を示したグラフである。
横軸方向に周波数ｆの高さを示し、縦軸方向に感度（利得）の高さを対数目盛で示す。このグラフにおいて、曲線３１は第３実施形態の超音波トランスデューサ１００の測定値を示し、曲線３０は比較例の超音波トランスデューサ１００ｐの測定値を示す。
【０１４９】
第３実施形態の超音波トランスデューサ１００では、中心周波数ｆｃは、１５.４ＭＨｚであり、比帯域幅ｆｈは１５７％であった。
また、比較例の超音波トランスデューサ１００ｐでは、中心周波数ｆｃは、１４.８ＭＨｚであり、比帯域幅ｆｈは、１２０％であった。
したがって、第３実施形態の超音波トランスデューサ１００は、比較例の超音波トランスデューサ１００ｐと比較すると、中心周波数ｆｃはほぼ同じ値を保ち、比帯域幅ｆｈは、より大きい値を示していることがわかる。この結果は、前記した計算結果の傾向と一致する。
【０１５０】
しかし、計算結果（図２４参照）によれば、本発明による超音波トランスデューサ１００の比帯域幅ｆｈは、比較例の超音波トランスデューサ１００ｐの比帯域幅ｆｈの１.５倍程度となるべきところであるが、数値シミュレーション結果（図４２参照）によれば、１.３倍程度となっている。これは、この計算結果（図２４参照）が、各要素が均質であることを前提としているのに対し、この数値シミュレーション（図４２参照）では、実際の素子構造をより忠実に模しており、ダイヤフラム５には電極３などが含まれ、均質ではないからである。
【０１５１】
このような若干の差異は、実用上、たいてい問題とならない。しかし、さらに正確な計算結果を求めるには、電極３など他の要素の影響を加味してさらに高精度な計算を行うか、試作を行って試作品の実測値と計算値との違いを定量的に把握しておき、計算値を補正すればよい。
【符号の説明】
【０１５２】
１ 基板
２，３ 電極
４ 空隙
５ ダイヤフラム
７ 梁
１３ 結線
１４ 素子
１７ スイッチ
１００ 超音波トランスデューサ
１０００ トランスデューサアレイ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
その内部または表面に第１の電極を有する基板と、その内部または表面に第２の電極を有するダイヤフラムとを、空隙を介して配置してなる超音波トランスデューサであって、
前記ダイヤフラムまたは前記第２の電極の表面または内部に、少なくとも１つの梁を具備したことを特徴とする超音波トランスデューサ。
【請求項２】
前記梁は複数であり、その複数の前記梁が結合して構造体をなしていることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項３】
前記梁は複数であり、その複数の前記梁は、当該梁の長軸方向が相互に交差するように配設されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項４】
前記梁は、前記ダイヤフラムよりヤング率が大きい材質、または、前記ダイヤフラムよりヤング率が小さい材質からなることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項５】
前記梁は、前記第２の電極と同一の材質からなり当該第２の電極と一体に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項６】
前記梁は、前記ダイヤフラムと同一の材質からなることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項７】
前記梁は、前記ダイヤフラムに設けられた穴または空洞であることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項８】
前記梁は、前記ダイヤフラムの前記空隙の外縁付近に沿って設けられていることを特徴とする請求項７に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項９】
前記梁は、その長軸方向または短軸方向の断面形状が、円形状または多角形状であることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１０】
前記ダイヤフラムは、円盤状もしくは多角形盤状であることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１１】
前記梁は複数であり、その複数の前記梁は、不均等な間隔で配設されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１２】
前記梁は複数であり、その複数の前記梁は、当該梁同士の長軸方向が異なるように配設されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１３】
前記梁は、前記ダイヤフラムに当接した第１の梁部材と、当該第１の梁部材より短軸方向の寸法が小さい第２の梁部材とを、相互に長軸方向を一致させて接合した形状を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサを複数配列してなるトランスデューサアレイを具備したことを特徴とする超音波探触子。
【請求項１５】
基板と、前記基板上に設けられた複数の超音波トランスデューサとを有する超音波探触子において、
前記複数の超音波トランスデューサは、それぞれ下部電極と、上部電極と、前記上部電極と共に振動するダイヤフラムと、前記下部電極および上部電極の間に設けられた空隙と、を有し、
前記ダイヤフラムは多角形の形状を有し、当該ダイヤフラムの表面に梁が設けられていることを特徴とする超音波探触子。
【請求項１６】
請求項１５に記載の超音波探触子において、前記ダイヤフラムは六角形であることを特徴とする超音波探触子。
【請求項１７】
請求項１６に記載の超音波探触子において、前記梁は前記ダイヤフラムの対向する頂点間を結ぶように形成されていることを特徴とする超音波探触子。
【請求項１８】
請求項１５に記載の超音波探触子において、前記ダイヤフラムは長方形であることを特徴とする超音波探触子。
【請求項１９】
請求項１８に記載の超音波探触子において、前記梁は長方形のダイヤフラムの長辺と長辺との間を結ぶように設けられていることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２０】
請求項１５に記載の超音波探触子において、幅の異なる複数の梁を有し、１つのダイヤフラムに対して設けられた梁の幅は同じであることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２１】
請求項１５に記載の超音波探触子において、隣接するダイヤフラム間の間隔は前記基板内を伝播する超音波の最も成分の多い周波数における波長の１／８０以下であることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２２】
請求項１５に記載の超音波探触子において、当該超音波探触子のアレイ化方向と直交する方向に配置された複数の超音波トランスデューサは、それぞれの上部電極が電気的に接続されて副素子を構成していることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２３】
請求項２２に記載の超音波探触子において、前記副素子の束ね方を変更する束ねスイッチを有することを特徴とする超音波探触子。
【請求項２４】
基板と、前記基板上に設けられた複数の超音波トランスデューサとを有する超音波探触子において、
前記複数の超音波トランスデューサは、それぞれ下部電極と、上部電極と、前記上部電極と共に振動する長方形のダイヤフラムと、前記下部電極と上部電極の間に設けられた空隙とを有し、長辺と短辺の長さの比が異なるダイヤフラムを含んでいることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２５】
請求項２４に記載の超音波探触子において、前記長方形のダイヤフラムは、長辺が当該超音波探触子のアレイ化方向と直交する方向になるように配置されていることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２６】
請求項２４に記載の超音波探触子において、前記長方形のダイヤフラムは、長辺が当該超音波探触子のアレイ化方向と同じ方向になるように配置されていることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２７】
請求項２４に記載の超音波探触子において、隣接するダイヤフラム間の間隔は前記基板内を伝播する超音波の波長の１／８０以下であることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２８】
請求項２４に記載の超音波探触子において、当該超音波探触子のアレイ化方向と直交する方向に配置された複数の超音波トランスデューサは、それぞれの上部電極が電気的に接続されて副素子を構成していることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２９】
請求項２８に記載の超音波探触子において、前記副素子の束ね方を変更する束ねスイッチを有することを特徴とする超音波探触子。
【請求項３０】
被検体に超音波を送受波する超音波探触子と、
前記超音波探触子によって得られた信号から画像を作成する画像作成部と、
前記画像を表示する表示部と、
被検体の測定部位の深さに応じて前記超音波探触子の焦点を制御する制御部とを備える超音波撮像装置において、
前記超音波探触子は基板上に、それぞれ下部電極と、上部電極と、前記上部電極と共に振動するダイヤフラムと、前記下部電極と上部電極の間に設けられた空隙とを有する複数の超音波トランスデューサを有し、前記ダイヤフラムは多角形の形状を有し、当該ダイヤフラムの表面に梁が設けられていることを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項３１】
請求項３０に記載の超音波撮像装置において、前記ダイヤフラムは六角形であり、前記梁は前記ダイヤフラムの対向する頂点間を結ぶように形成されているとともに、幅の異なる複数の梁が設けられ、１つのダイヤフラムに対して設けられた梁の幅は同じであることを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項３２】
請求項３０に記載の超音波撮像装置において、隣接するダイヤフラム間の間隔は前記基板内を伝播する超音波の最も成分の多い周波数における波長の１／８０以下であることを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項３３】
被検体に超音波を送受波する超音波探触子と、
前記超音波探触子によって得られた信号から画像を作成する画像作成部と、
前記画像を表示する表示部と、
被検体の測定部位の深さに応じて前記超音波探触子の焦点を制御する制御部とを備える超音波撮像装置において、
前記超音波探触子は基板上に、それぞれ下部電極と、上部電極と、前記上部電極と共に振動する長方形のダイヤフラムと、前記下部電極と上部電極の間に設けられた空隙とを有する複数の超音波トランスデューサを有し、長辺と短辺の長さの比が異なるダイヤフラムを含んでいることを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項３４】
請求項３３に記載の超音波撮像装置において、隣接するダイヤフラム間の間隔は前記基板内を伝播する超音波の最も成分の多い周波数における波長の１／８０以下であることを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項１】
その内部または表面に第１の電極を有する基板と、その内部または表面に第２の電極を有するダイヤフラムとを、空隙を介して配置してなる超音波トランスデューサであって、
前記ダイヤフラムまたは前記第２の電極の表面または内部に、少なくとも１つの梁を具備したことを特徴とする超音波トランスデューサ。
【請求項２】
前記梁は複数であり、その複数の前記梁が結合して構造体をなしていることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項３】
前記梁は複数であり、その複数の前記梁は、当該梁の長軸方向が相互に交差するように配設されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項４】
前記梁は、前記ダイヤフラムよりヤング率が大きい材質、または、前記ダイヤフラムよりヤング率が小さい材質からなることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項５】
前記梁は、前記第２の電極と同一の材質からなり当該第２の電極と一体に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項６】
前記梁は、前記ダイヤフラムと同一の材質からなることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項７】
前記梁は、前記ダイヤフラムに設けられた穴または空洞であることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項８】
前記梁は、前記ダイヤフラムの前記空隙の外縁付近に沿って設けられていることを特徴とする請求項７に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項９】
前記梁は、その長軸方向または短軸方向の断面形状が、円形状または多角形状であることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１０】
前記ダイヤフラムは、円盤状もしくは多角形盤状であることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１１】
前記梁は複数であり、その複数の前記梁は、不均等な間隔で配設されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１２】
前記梁は複数であり、その複数の前記梁は、当該梁同士の長軸方向が異なるように配設されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１３】
前記梁は、前記ダイヤフラムに当接した第１の梁部材と、当該第１の梁部材より短軸方向の寸法が小さい第２の梁部材とを、相互に長軸方向を一致させて接合した形状を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサを複数配列してなるトランスデューサアレイを具備したことを特徴とする超音波探触子。
【請求項１５】
基板と、前記基板上に設けられた複数の超音波トランスデューサとを有する超音波探触子において、
前記複数の超音波トランスデューサは、それぞれ下部電極と、上部電極と、前記上部電極と共に振動するダイヤフラムと、前記下部電極および上部電極の間に設けられた空隙と、を有し、
前記ダイヤフラムは多角形の形状を有し、当該ダイヤフラムの表面に梁が設けられていることを特徴とする超音波探触子。
【請求項１６】
請求項１５に記載の超音波探触子において、前記ダイヤフラムは六角形であることを特徴とする超音波探触子。
【請求項１７】
請求項１６に記載の超音波探触子において、前記梁は前記ダイヤフラムの対向する頂点間を結ぶように形成されていることを特徴とする超音波探触子。
【請求項１８】
請求項１５に記載の超音波探触子において、前記ダイヤフラムは長方形であることを特徴とする超音波探触子。
【請求項１９】
請求項１８に記載の超音波探触子において、前記梁は長方形のダイヤフラムの長辺と長辺との間を結ぶように設けられていることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２０】
請求項１５に記載の超音波探触子において、幅の異なる複数の梁を有し、１つのダイヤフラムに対して設けられた梁の幅は同じであることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２１】
請求項１５に記載の超音波探触子において、隣接するダイヤフラム間の間隔は前記基板内を伝播する超音波の最も成分の多い周波数における波長の１／８０以下であることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２２】
請求項１５に記載の超音波探触子において、当該超音波探触子のアレイ化方向と直交する方向に配置された複数の超音波トランスデューサは、それぞれの上部電極が電気的に接続されて副素子を構成していることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２３】
請求項２２に記載の超音波探触子において、前記副素子の束ね方を変更する束ねスイッチを有することを特徴とする超音波探触子。
【請求項２４】
基板と、前記基板上に設けられた複数の超音波トランスデューサとを有する超音波探触子において、
前記複数の超音波トランスデューサは、それぞれ下部電極と、上部電極と、前記上部電極と共に振動する長方形のダイヤフラムと、前記下部電極と上部電極の間に設けられた空隙とを有し、長辺と短辺の長さの比が異なるダイヤフラムを含んでいることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２５】
請求項２４に記載の超音波探触子において、前記長方形のダイヤフラムは、長辺が当該超音波探触子のアレイ化方向と直交する方向になるように配置されていることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２６】
請求項２４に記載の超音波探触子において、前記長方形のダイヤフラムは、長辺が当該超音波探触子のアレイ化方向と同じ方向になるように配置されていることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２７】
請求項２４に記載の超音波探触子において、隣接するダイヤフラム間の間隔は前記基板内を伝播する超音波の波長の１／８０以下であることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２８】
請求項２４に記載の超音波探触子において、当該超音波探触子のアレイ化方向と直交する方向に配置された複数の超音波トランスデューサは、それぞれの上部電極が電気的に接続されて副素子を構成していることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２９】
請求項２８に記載の超音波探触子において、前記副素子の束ね方を変更する束ねスイッチを有することを特徴とする超音波探触子。
【請求項３０】
被検体に超音波を送受波する超音波探触子と、
前記超音波探触子によって得られた信号から画像を作成する画像作成部と、
前記画像を表示する表示部と、
被検体の測定部位の深さに応じて前記超音波探触子の焦点を制御する制御部とを備える超音波撮像装置において、
前記超音波探触子は基板上に、それぞれ下部電極と、上部電極と、前記上部電極と共に振動するダイヤフラムと、前記下部電極と上部電極の間に設けられた空隙とを有する複数の超音波トランスデューサを有し、前記ダイヤフラムは多角形の形状を有し、当該ダイヤフラムの表面に梁が設けられていることを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項３１】
請求項３０に記載の超音波撮像装置において、前記ダイヤフラムは六角形であり、前記梁は前記ダイヤフラムの対向する頂点間を結ぶように形成されているとともに、幅の異なる複数の梁が設けられ、１つのダイヤフラムに対して設けられた梁の幅は同じであることを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項３２】
請求項３０に記載の超音波撮像装置において、隣接するダイヤフラム間の間隔は前記基板内を伝播する超音波の最も成分の多い周波数における波長の１／８０以下であることを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項３３】
被検体に超音波を送受波する超音波探触子と、
前記超音波探触子によって得られた信号から画像を作成する画像作成部と、
前記画像を表示する表示部と、
被検体の測定部位の深さに応じて前記超音波探触子の焦点を制御する制御部とを備える超音波撮像装置において、
前記超音波探触子は基板上に、それぞれ下部電極と、上部電極と、前記上部電極と共に振動する長方形のダイヤフラムと、前記下部電極と上部電極の間に設けられた空隙とを有する複数の超音波トランスデューサを有し、長辺と短辺の長さの比が異なるダイヤフラムを含んでいることを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項３４】
請求項３３に記載の超音波撮像装置において、隣接するダイヤフラム間の間隔は前記基板内を伝播する超音波の最も成分の多い周波数における波長の１／８０以下であることを特徴とする超音波撮像装置。
【図１】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【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１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−２３７３５（Ｐ２０１２−２３７３５Ａ）
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６２７６６（Ｐ２０１１−１６２７６６）
【出願日】平成２３年７月２６日（２０１１．７．２６）
【分割の表示】特願２００７−５４０８９０（Ｐ２００７−５４０８９０）の分割
【原出願日】平成１８年８月２日（２００６．８．２）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【出願人】（０００１５３４９８）株式会社日立メディコ (1,613)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２６日（２０１１．７．２６）
【分割の表示】特願２００７−５４０８９０（Ｐ２００７−５４０８９０）の分割
【原出願日】平成１８年８月２日（２００６．８．２）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【出願人】（０００１５３４９８）株式会社日立メディコ (1,613)
【Ｆターム（参考）】
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