超音波探触子および超音波診断装置
【課題】本発明は、可動膜の振動を妨げることなく、超音波を効率よく伝達でき、しかも、使用時の負荷による性能劣化を防止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は、支持部材８と、支持部材８に支持された可動膜としてのダイヤフラム６とを備えている。支持部材８は、ダイヤフラム６よりも超音波の送信方向における前方側に突出するように形成された突出部８４と、ダイヤフラム６の前記前方側を開口するように形成された開口部８１とを備えている。又、開口部８１に、突出部８４よりも剛性の低い音響伝達部材８２が充填されている。
【解決手段】本発明の超音波探触子は、支持部材８と、支持部材８に支持された可動膜としてのダイヤフラム６とを備えている。支持部材８は、ダイヤフラム６よりも超音波の送信方向における前方側に突出するように形成された突出部８４と、ダイヤフラム６の前記前方側を開口するように形成された開口部８１とを備えている。又、開口部８１に、突出部８４よりも剛性の低い音響伝達部材８２が充填されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を送受信することができる超音波探触子およびこの超音波探触子を備えた超音波診断装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波診断装置は、簡易に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探触子として、例えばシリコンなどの基板（基材層）にＰＺＴなどの圧電薄膜（駆動層）を形成したユニモルフ構造のダイヤフラム（可動膜）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、周波数帯域を広くでき、微細化して高解像度かできるとともに、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。特に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ｐＭＵＴの超音波探触子として、例えば特許文献１に開示されたものがある。この特許文献１に開示されたものは、支持部材に支持された可動膜が、超音波送信方向における支持部材の前方側に突出するように配置されたものである。（特許文献１、図１１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００６−５１６３６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、超音波探触子は、医療用途においては、人体に押し当てて使用時の不快感を無くすため、先端側にシリコーンゴムなどの被覆層が設けられるのが一般的である。
【０００７】
しかしながら、特許文献１のように、可動膜を、超音波の送信方向における支持部材の前方側に突出するように配置されていると、その前方側にシリコーンゴムなどの被覆層が配設された場合、バルクＰＺＴを用いる場合とは異なり、ゴムの弾性などが可動膜の駆動の負荷となり、十分な送信強度、受信感度を得られない。又、人体に押し当てた際に、可動膜が変形し、共振周波数が変化したり、負荷が変動するため、安定した超音波の送受信が困難になるという問題点がある。
【０００８】
本発明は、可動膜の振動を妨げることなく、超音波を効率よく伝達でき、しかも、使用時の負荷による性能劣化を防止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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る超音波探触子は、支持部材に振動可能に支持された可動膜に電界を印加することによって前記可動膜を振動させることにより超音波を所定の方向に送信させて被検体に前記超音波を送信できるようにした超音波探触子であって、前記支持部材は、前記可動膜よりも前記超音波の送信方向における前方側に突出するように形成された突出部と、前記可動膜の前記前方側を開口するように形成された開口部とを備え、前記開口部に、前記突出部よりも剛性の低い音響伝達部材が充填されていることを特徴とするものである。
【００１０】
この構成によれば、突出部によって、被覆層を設ける場合でも、被覆層と可動膜とを十分な距離を持って配設でき、例えば前方側にシリコーンゴムなどの被覆層が配設される場合でも、ゴムの弾性などが可動膜の駆動の負荷となるおそれのないものにでき、可動膜を十分な送信強度、受信感度を有するものにできる。又、突出部を人体に押し当てた際に変形し難い材料で構成しておけば、可動膜が変形するおそれのないものにでき、負荷変動による性能劣化を防止できる。
【００１１】
又、音響伝達部材によって、可動膜の振動を妨げることなく、超音波を効率よく伝達でき、より安定した高い送信強度、受信感度を得ることができる。
【００１２】
他の一態様では、上述の超音波探触子において、前記音響伝達部材は、その音響インピーダンスが前記可動膜の音響インピーダンスと人体の音響インピーダンスとの中間である物質から構成されていることを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、音響伝達部材は、その音響インピーダンスが可動膜の音響インピーダンスと人体の音響インピーダンスとの中間である物質から構成されているため、超音波の伝達を、より良好なものにできる。
【００１４】
又、他の一態様では、これら上述の超音波探触子において、前記音響伝達部材は、シリコーンゴムから構成されていることを特徴とする。
【００１５】
この構成によれば、音響伝達部材は、シリコーンゴムから構成されているため、例えば前方側に被覆層を設ける場合に、被覆層と同じ材料にでき、製作容易なものにできる。
【００１６】
他の一態様では、これら上述の超音波探触子において、前記支持部材における前記前方側に、前記支持部材を前記前方側から覆うように配設された被覆層が設けられ、前記音響伝達部材は、液体から構成され、前記被覆層は、前記音響伝達部材の前方側を覆うようにして音響伝達部材を封じ込めていることを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、液体から構成された音響伝達部材を、被覆層によって封じ込めることができ、液体からなる音響伝達部材の配設を容易なものにできる。
【００１８】
又、他の一態様では、これら上述の超音波探触子において、前記可動膜は、圧電材料からなる駆動層と基材層との積層構造のものであることを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、駆動層と基材層との積層構造のものに適したものにできる。
【００２０】
又、本発明の一態様に係る超音波診断装置は、これら上述の何れかの超音波探触子を備えていることを特徴とする。
【００２１】
この構成によれば、可動膜の振動を妨げることなく、超音波を効率よく伝達でき、しかも、使用時の負荷による性能劣化を防止できる超音波探触子を備えたものを提供できる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の超音波探触子は、可動膜の振動を妨げることなく、超音波を効率よく伝達でき、しかも、使用時の負荷による性能劣化を防止できる。又、可動膜の振動を妨げることなく超音波を効率よく伝達でき、使用時の負荷による性能劣化を防止できる超音波探触子を備えた超音波診断装置を提供できる。
【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平面図である。
【図５】超音波送受信部の要部を拡大した背面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【図７】他の実施形態の超音波送受信部の平面図である。
【図８】図７の超音波送受信部の要部の断面図である。
【図９】更に他の実施形態の超音波送受信部の要部の断面図である。
【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、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は、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は、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。
【００２５】
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）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方向を前方側として説明する。後述の図６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、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との間に配設されている。この実施形態の超音波送受信部５は、ダイヤフラム（可動膜）６と、ダイヤフラム６を支持した支持部材８とを備えている（図４〜図６参照）。
【００４１】
ダイヤフラム６は、図６に示すように基材層６１と、基材層６１の背面側に積層された駆動層６２とを備えたユニモルフ構造を採っており、図４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セルから構成されている。
【００４２】
基材層６１は、この実施形態では、図６に示すように前面にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）６１ａを有するシリコン製の薄板状体６１ｂの一部から構成されている。詳しくは、薄板状体６１ｂは、駆動層６２が積層された複数の円形状の基材層６１と、支持部材８に保持される被保持部６１ｃとを備えている。
【００４３】
駆動層６２は、電気機械変換素子としての圧電材料から構成されている。又、この実施形態における圧電材料は、ＰＺＴから構成されている。又、この駆動層６２の前面には、図６に示すように白金等から構成された共通電極層６４が設けられている。一方、駆動層６２における背面には、金等から構成された個別電極層６３が設けられている。
【００４４】
そして、この共通電極層６４と個別電極層６３とが積層された駆動層６２は、基材層６１の背面側に積層され、これにより、複数の円形状のセルから構成された薄膜状のダイヤフラム６が形成されている。又、この実施形態では、図４、図５に示すように、４つのダイヤフラム６を１素子６６（図４、図５の一点鎖線で囲んだ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。
【００４５】
より詳しくは、図５に示すように個別電極層６３は、４つのダイヤフラム６夫々から延設されたセル連結部６３ａを備えており、このセル延設部６３ａを介して４つのダイヤフラム６ごとに配設された個別電極層６３同士が連結されている。
【００４６】
又、共通電極層６４は、個別電極層６３と同様に、４つのダイヤフラム６夫々から延設されたセル連結部６４ａを備えているとともに、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６４ｂを備えており、その素子延設部６４ｂによって上記素子６６同士を連結している。尚、図５では、素子延設部６４ｂを１つだけ表し、他を省略している。
【００４７】
支持部材８は、この実施形態では、図６に示すようにシリコン製の板状体から構成されており、支持部材本体８０と、ダイヤフラム６を支持した支持部８３と、その支持したダイヤフラム６よりも前方側（超音波送信方向の前方側）に突出するように形成された突出部８４と、ダイヤフラム６の前方側を開口するように形成された開口部８１とを備えている。
【００４８】
支持部８３は、支持部材本体８０の背面に形成されており、この支持部８３に上記薄板状体６１ｂにおける被保持部６１ｃが保持されている。これにより、ダイヤフラム６は、支持部材８の背面側に配設されて被保持部６１ｃを介して支持され、支持部材本体８０の全体がダイヤフラム６から前方側に突出している。
【００４９】
突出部８４は、人体に押し当てた際に変形し難い材料から構成されている。この実施形態では、上記のようにしてダイヤフラム６から前方側に突出した支持部材本体８０の全体から構成されている。
【００５０】
開口部８１は、ダイヤフラム６に対応する位置に、ダイヤフラム６とほぼ同じ大きさの円形状に、支持部材本体８０の前面から背面に貫通するように形成されている。
【００５１】
又、この開口部８１には、突出部８４よりも剛性の低い音響伝達部材８２が充填されている。この音響伝達部材８２は、その音響インピーダンスがダイヤフラム６と人体との夫々の音響インピーダンスの中間にあたるもの、例えばシリコーンゴム、或いは、水などの液体等から構成される。
【００５２】
音響伝達部材８２を、例えばシリコーンゴムから構成するとともに、上記被覆層４１を同じシリコーンゴムから構成すれば、両者を一体的に形成することもでき、製作を容易なものできる。又、開口部８１に充填された音響伝達部材８２は、被覆層４１によって開口部８１内に封入された状態になり、被覆層４１がキャップとして機能する。
【００５３】
又、この実施形態では、駆動層６２の背面側には、封止部材としてのスルーシリコンビア（ＴＳＶ）基板７が設けられている。このスルーシリコンビア基板７は、前面側に凹部７１を備えているとともに、はんだバンプ７２ａを有する個別電極用貫通電極７２と、はんだバンプ７３ａを有する共通電極用貫通電極７３とを備えている。これらの個別電極用貫通電極７２及び共通電極用貫通電極７３は、スルーシリコンビア基板７に設けられた貫通穴７４に銅などの電極材料をメッキなどにより充填するようにして形成されている。
【００５４】
そして、スルーシリコンビア基板７は、その凹部７１内に駆動層６２、個別電極層６３及び共通電極層６４が収納されるとともに、凹部７１内が真空空間になるようにして、スルーシリコンビア基板７の全周部が薄板状体６１ｂの全周部に封止されている。
【００５５】
又、この状態で、個別電極用貫通電極７２のはんだバンプ７２ａが個別電極層６３に通電可能に接続されていると共に、共通電極用貫通電極７３のはんだバンプ７３ａが共通電極層６４に通電可能に接続されている。尚、個別電極用貫通電極７２と共通電極用貫通電極７３との基端側は、夫々、バッキング材層４３を介して信号処理回路部４２に通電可能に接続される。
【００５６】
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。シリコン製の板状体とシリコン酸化膜６１ａとシリコン製の薄板状体６１ｂとの積層構造からなるＳＯＩウエハにおけるその薄板状体６１ｂに、白金をスパッタなどにより製膜して共通電極層６４を形成する。
【００５７】
又、共通電極層６４に、ＰＺＴを、スパッタ又はゾルゲン法などにより成膜して駆動層６２を形成する。更に、駆動層６２に、金をスパッタなどにより製膜して個別電極層６３を形成する。
【００５８】
次に、個別電極層６３、駆動層６２、共通電極層６４を、順次、パターニングによって円形状のセル形状に形成するとともに、板状体におけるダイヤフラム６に対応する位置に、開口部８１をエッチング等によって形成する。
【００５９】
これにより、個別電極層６３と駆動層６２と共通電極層６４と、薄板状体６１ｂの一部とが積層されて前方側を開口した複数のダイヤフラム６を形成できるとともに、板状体が支持部材８となって、その背面側にダイヤフラム６を支持している。
【００６０】
そして、支持部材８とスルーシリコンビア基板７とを、真空プロセスである陽極接合により接合することによって、ダイヤフラム６の背面に真空空間を形成する。又、その接合時の圧力によりはんだバンプ７２ａ、７３ａを、個別電極層６３、共通電極層６４夫々に圧接する。尚、この接合方法には、共晶接合や常温接合を用いることもできる（共晶接合の場合は、両接合面に金などの金属材料を製膜する）。
【００６１】
最後にダイシングを行い、チップ状に切り出して、超音波送受信部５を得る。尚、ＰＺＴは、接合時の高温により脱分極が発生するため、分極電圧を印加し再分極を行なう。
【００６２】
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。
【００６３】
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印加する。ダイヤフラム６は、このパルス電圧が印加されることによって駆動層６２が伸縮するが、駆動層６２に積層された基材層６１が伸縮しないため、駆動層６２と基材層６１とが太鼓状に振動する。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。
【００６４】
その際、駆動層６２の背面側に真空空間７５を設けていない場合には、ダイヤフラム６から駆動層６２の背面側へ放射された第１超音波信号は、背面側の部材に反射、帰還し、ダイヤフラム６を振動させてしまい、その結果、送信パルスの尾引きや受信時のノイズとなってしまう。しかし、この実施形態では、駆動層６２の背面側に真空空間７５を設けているため、ダイヤフラム６から駆動層６２の背面側へ放射された第１超音波信号の伝達を防止でき、受信時のノイズの発生を抑えることができる。従って、ダイヤフラム６は、第１超音波信号を、前方側（図３、図６のＸ方向）に放射する。
【００６５】
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。
【００６６】
その際、突出部８４（支持部材８）がダイヤフラム６よりも前方に突出され、被覆層２５とダイヤフラム６とを十分な距離を持って配設されているため、例えば被覆層２５をシリコーンゴムなどから構成した場合でも、ゴムの弾性などが可動膜の駆動の負荷となるおそれのないものにでき、可動膜を十分な送信強度、受信感度を有するものにできる。又、人体に押し当てた際に、突出部８４が変形し難いため、可動膜が変形するおそれのないものにでき、負荷変動による性能劣化を防止できる。
【００６７】
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。
【００６８】
その際、被覆層２５から湿気が超音波送受信部５に侵入するおそれがあるが、超音波送受信部５の基材層６１が駆動層６２よりも超音波送信方向の前方側に配設されているため、駆動層６２へ湿気が侵入するおそれの少ないものにでき、駆動層（ＰＺＴ）の絶縁破壊に対する信頼性の高いものにできる。従って、電界強度を上げることができ、大きな送信強度を得ることができる。
【００６９】
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。
【００７０】
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個別電極層６３に電荷が発生する。そして、この電気信号の受信信号は、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。
【００７１】
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までの距離が、夫々検出され、被検体の超音波画像を生成する。例えば、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。
【００７２】
以上のように、超音波探触子２における超音波送受信部５の基材層６１が駆動層６２よりも超音波送信方向の前方側に配設されているため、基材層６１に貫通配線を設ける必要がなく、スルーシリコンビアなどの従来技術によって容易に配線構造がとれるとともに、セル配置の自由度を低下させることなく、高密度化が可能である。
【００７３】
尚、上記実施形態では、超音波探触子２の超音波送受信部５のダイヤフラム６を２次元配列に配設したが、１次元配列に配設してもよく、適宜変更できる。詳しくは、例えば図７に示すように、超音波送受信部１０５のダイヤフラム１０６は、１０個（図中の一点鎖線で囲んだ１０個）が電気的に共通接続されて、同調して動作を行なう１素子１６６となるように構成されている。そして、このように１０個のダイヤフラム１０６から構成される１素子１６６が左右方向に配列されている。
【００７４】
このように構成すれば、例えば個別電極取り出し部１６３を、各素子の下方側に、共通電極取り出し部１６４を、素子全体の右方側に集中させることができるため、スルーシリコンビアなどによる貫通配線を設ける必要がなく、バッキング材層１４３に設けられた貫通電極（図示せず）で直接接続できる。
【００７５】
より詳しくは、図８に示すようにバッキング材層１４３は、前面側に凹部１４３ａを有する。そして、バッキング材層１４３の凹部１４３ａに駆動層６２を収納させるようにして、バッキング材層１４３の全周部が薄板状体６１ｂの全周部に接着剤等により直接接着されている。
【００７６】
又、その際、凹部１４３ａに、ダイヤフラム１０６から発せられた超音波を減衰するための音響減衰部材１４３ｂを収納しておくのが好ましい。この音響減衰部材１４３ｂとしては、例えばゴム状物質、ゴム状物質にタングステン等の金属粒子を分散させたもの、或いは、ゲル状物質に金属粒子を分散させたもの、更には、絶縁性のオイル等の液体などを挙げることができる。又、凹部１４３ａの深さは、超音波が十分減衰する距離とされるのが好ましい。
【００７７】
又、この図８に示すものでは、被覆層として音響レンズ１４１が用いられている。音響レンズ１４１は、超音波の波長帯域の波にレンズ作用を及ぼし、被検体に向けて送信される超音波を収束する。音響レンズ１４１は、図示しないが円弧状に膨出した形状とされている。
【００７８】
又、上記実施形態では、基材層を超音波送信方向における駆動層の前方側に配設したが、この形態のものに限らず、適宜変更できる。例えば図９に示すように、基材層２６１を超音波送信方向（図のＸ方向）における駆動層２６２の後方側に配設してもよい。以下、図９に基づいて、基材層２６１を超音波送信方向（図のＸ方向）における駆動層２６２の後方側に配設した他の実施形態を説明する。
【００７９】
図９に示す実施形態の支持部材２０８は、支持部材本体２８０と、突出部２８４と、開口部２８１とを備えている。支持部材本体２８０は、前面に、ダイヤフラム支持部２６０ａを保持した保持部２８３を備えており、これにより、ダイヤフラム２０６の基材層２６１は駆動層２６２の後方側に配設されている。
【００８０】
突出部２８４は、この実施形態では、支持部材本体２８０とは別体のガラス製の板状部材から構成されている。そして、突出部２８４は、ダイヤフラム支持部２６０ａに接着され、これにより、ダイヤフラム支持部２６０ａを介して支持部材本体２８０の前面に取り付けられており、ダイヤフラム２０６よりも前方に突出されている。
【００８１】
開口部２８１は、突出部２８４を構成した板状部材におけるダイヤフラム２０６に対応する部分にダイヤフラム２０６の径よりも径大に形成された円柱状の貫通孔から構成されている。そして、この貫通孔内に、ダイヤフラム２０６の駆動層２６２とその駆動層２６２に積層された個別電極層２６３及び共通電極層２６４とが収納されており、これにより、ダイヤフラム２０６の前方側が開口されている。
【００８２】
そして、この開口部８１に、突出部２８４よりも剛性の低い音響伝達部材２８２が充填されているとともに、開口部８１を塞ぐように配設された被覆層２４１によって音響伝達部材２８２がその状態で維持されるようになっている。
【００８３】
又、この実施形態では、支持部材本体２８０は、ダイヤフラム２０６に対応する部分にダイヤフラム２０６の径よりも径大に形成された円柱状の貫通孔が設けられている。又、支持部材本体２８０の背面に、ガラス製板状の被覆部材２０９が接着され、支持部材本体２８０の貫通孔が真空な真空部２８０ａに区画形成されている。この真空部２８０ａによって、ダイヤフラム２０６から後方側に放射された超音波が反射・帰還できないようになっている。
【００８４】
又、上記実施形態では、駆動層を、ＰＺＴから構成したが、この形態のものに限らず、例えば駆動層を、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。
【００８５】
又、上記実施形態では、ダイヤフラム（可動膜）を、圧電材料からなる駆動層と基材層との積層構造のｐＭＡＴのものから構成したが、ダイヤフラムを、例えば容量性タイプのもの（ｃＭＡＴ）から構成することもでき、適宜変更できる。
【符号の説明】
【００８６】
１ 超音波診断装置本体
２ 超音波探触子
５、１０５ 超音波送受信部
６、１０６、２０６ ダイヤフラム（可動膜）
８ 支持部材
６１ 基材層
６２ 駆動層
６３ 個別電極層
６４ 共通電極層
８１ 開口部
８２ 音響伝達部材
８４ 突出部
Ｓ 基板超音波診断装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を送受信することができる超音波探触子およびこの超音波探触子を備えた超音波診断装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波診断装置は、簡易に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探触子として、例えばシリコンなどの基板（基材層）にＰＺＴなどの圧電薄膜（駆動層）を形成したユニモルフ構造のダイヤフラム（可動膜）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、周波数帯域を広くでき、微細化して高解像度かできるとともに、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。特に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ｐＭＵＴの超音波探触子として、例えば特許文献１に開示されたものがある。この特許文献１に開示されたものは、支持部材に支持された可動膜が、超音波送信方向における支持部材の前方側に突出するように配置されたものである。（特許文献１、図１１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００６−５１６３６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、超音波探触子は、医療用途においては、人体に押し当てて使用時の不快感を無くすため、先端側にシリコーンゴムなどの被覆層が設けられるのが一般的である。
【０００７】
しかしながら、特許文献１のように、可動膜を、超音波の送信方向における支持部材の前方側に突出するように配置されていると、その前方側にシリコーンゴムなどの被覆層が配設された場合、バルクＰＺＴを用いる場合とは異なり、ゴムの弾性などが可動膜の駆動の負荷となり、十分な送信強度、受信感度を得られない。又、人体に押し当てた際に、可動膜が変形し、共振周波数が変化したり、負荷が変動するため、安定した超音波の送受信が困難になるという問題点がある。
【０００８】
本発明は、可動膜の振動を妨げることなく、超音波を効率よく伝達でき、しかも、使用時の負荷による性能劣化を防止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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る超音波探触子は、支持部材に振動可能に支持された可動膜に電界を印加することによって前記可動膜を振動させることにより超音波を所定の方向に送信させて被検体に前記超音波を送信できるようにした超音波探触子であって、前記支持部材は、前記可動膜よりも前記超音波の送信方向における前方側に突出するように形成された突出部と、前記可動膜の前記前方側を開口するように形成された開口部とを備え、前記開口部に、前記突出部よりも剛性の低い音響伝達部材が充填されていることを特徴とするものである。
【００１０】
この構成によれば、突出部によって、被覆層を設ける場合でも、被覆層と可動膜とを十分な距離を持って配設でき、例えば前方側にシリコーンゴムなどの被覆層が配設される場合でも、ゴムの弾性などが可動膜の駆動の負荷となるおそれのないものにでき、可動膜を十分な送信強度、受信感度を有するものにできる。又、突出部を人体に押し当てた際に変形し難い材料で構成しておけば、可動膜が変形するおそれのないものにでき、負荷変動による性能劣化を防止できる。
【００１１】
又、音響伝達部材によって、可動膜の振動を妨げることなく、超音波を効率よく伝達でき、より安定した高い送信強度、受信感度を得ることができる。
【００１２】
他の一態様では、上述の超音波探触子において、前記音響伝達部材は、その音響インピーダンスが前記可動膜の音響インピーダンスと人体の音響インピーダンスとの中間である物質から構成されていることを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、音響伝達部材は、その音響インピーダンスが可動膜の音響インピーダンスと人体の音響インピーダンスとの中間である物質から構成されているため、超音波の伝達を、より良好なものにできる。
【００１４】
又、他の一態様では、これら上述の超音波探触子において、前記音響伝達部材は、シリコーンゴムから構成されていることを特徴とする。
【００１５】
この構成によれば、音響伝達部材は、シリコーンゴムから構成されているため、例えば前方側に被覆層を設ける場合に、被覆層と同じ材料にでき、製作容易なものにできる。
【００１６】
他の一態様では、これら上述の超音波探触子において、前記支持部材における前記前方側に、前記支持部材を前記前方側から覆うように配設された被覆層が設けられ、前記音響伝達部材は、液体から構成され、前記被覆層は、前記音響伝達部材の前方側を覆うようにして音響伝達部材を封じ込めていることを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、液体から構成された音響伝達部材を、被覆層によって封じ込めることができ、液体からなる音響伝達部材の配設を容易なものにできる。
【００１８】
又、他の一態様では、これら上述の超音波探触子において、前記可動膜は、圧電材料からなる駆動層と基材層との積層構造のものであることを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、駆動層と基材層との積層構造のものに適したものにできる。
【００２０】
又、本発明の一態様に係る超音波診断装置は、これら上述の何れかの超音波探触子を備えていることを特徴とする。
【００２１】
この構成によれば、可動膜の振動を妨げることなく、超音波を効率よく伝達でき、しかも、使用時の負荷による性能劣化を防止できる超音波探触子を備えたものを提供できる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の超音波探触子は、可動膜の振動を妨げることなく、超音波を効率よく伝達でき、しかも、使用時の負荷による性能劣化を防止できる。又、可動膜の振動を妨げることなく超音波を効率よく伝達でき、使用時の負荷による性能劣化を防止できる超音波探触子を備えた超音波診断装置を提供できる。
【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平面図である。
【図５】超音波送受信部の要部を拡大した背面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【図７】他の実施形態の超音波送受信部の平面図である。
【図８】図７の超音波送受信部の要部の断面図である。
【図９】更に他の実施形態の超音波送受信部の要部の断面図である。
【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、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は、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は、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。
【００２５】
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）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方向を前方側として説明する。後述の図６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、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との間に配設されている。この実施形態の超音波送受信部５は、ダイヤフラム（可動膜）６と、ダイヤフラム６を支持した支持部材８とを備えている（図４〜図６参照）。
【００４１】
ダイヤフラム６は、図６に示すように基材層６１と、基材層６１の背面側に積層された駆動層６２とを備えたユニモルフ構造を採っており、図４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セルから構成されている。
【００４２】
基材層６１は、この実施形態では、図６に示すように前面にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）６１ａを有するシリコン製の薄板状体６１ｂの一部から構成されている。詳しくは、薄板状体６１ｂは、駆動層６２が積層された複数の円形状の基材層６１と、支持部材８に保持される被保持部６１ｃとを備えている。
【００４３】
駆動層６２は、電気機械変換素子としての圧電材料から構成されている。又、この実施形態における圧電材料は、ＰＺＴから構成されている。又、この駆動層６２の前面には、図６に示すように白金等から構成された共通電極層６４が設けられている。一方、駆動層６２における背面には、金等から構成された個別電極層６３が設けられている。
【００４４】
そして、この共通電極層６４と個別電極層６３とが積層された駆動層６２は、基材層６１の背面側に積層され、これにより、複数の円形状のセルから構成された薄膜状のダイヤフラム６が形成されている。又、この実施形態では、図４、図５に示すように、４つのダイヤフラム６を１素子６６（図４、図５の一点鎖線で囲んだ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。
【００４５】
より詳しくは、図５に示すように個別電極層６３は、４つのダイヤフラム６夫々から延設されたセル連結部６３ａを備えており、このセル延設部６３ａを介して４つのダイヤフラム６ごとに配設された個別電極層６３同士が連結されている。
【００４６】
又、共通電極層６４は、個別電極層６３と同様に、４つのダイヤフラム６夫々から延設されたセル連結部６４ａを備えているとともに、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６４ｂを備えており、その素子延設部６４ｂによって上記素子６６同士を連結している。尚、図５では、素子延設部６４ｂを１つだけ表し、他を省略している。
【００４７】
支持部材８は、この実施形態では、図６に示すようにシリコン製の板状体から構成されており、支持部材本体８０と、ダイヤフラム６を支持した支持部８３と、その支持したダイヤフラム６よりも前方側（超音波送信方向の前方側）に突出するように形成された突出部８４と、ダイヤフラム６の前方側を開口するように形成された開口部８１とを備えている。
【００４８】
支持部８３は、支持部材本体８０の背面に形成されており、この支持部８３に上記薄板状体６１ｂにおける被保持部６１ｃが保持されている。これにより、ダイヤフラム６は、支持部材８の背面側に配設されて被保持部６１ｃを介して支持され、支持部材本体８０の全体がダイヤフラム６から前方側に突出している。
【００４９】
突出部８４は、人体に押し当てた際に変形し難い材料から構成されている。この実施形態では、上記のようにしてダイヤフラム６から前方側に突出した支持部材本体８０の全体から構成されている。
【００５０】
開口部８１は、ダイヤフラム６に対応する位置に、ダイヤフラム６とほぼ同じ大きさの円形状に、支持部材本体８０の前面から背面に貫通するように形成されている。
【００５１】
又、この開口部８１には、突出部８４よりも剛性の低い音響伝達部材８２が充填されている。この音響伝達部材８２は、その音響インピーダンスがダイヤフラム６と人体との夫々の音響インピーダンスの中間にあたるもの、例えばシリコーンゴム、或いは、水などの液体等から構成される。
【００５２】
音響伝達部材８２を、例えばシリコーンゴムから構成するとともに、上記被覆層４１を同じシリコーンゴムから構成すれば、両者を一体的に形成することもでき、製作を容易なものできる。又、開口部８１に充填された音響伝達部材８２は、被覆層４１によって開口部８１内に封入された状態になり、被覆層４１がキャップとして機能する。
【００５３】
又、この実施形態では、駆動層６２の背面側には、封止部材としてのスルーシリコンビア（ＴＳＶ）基板７が設けられている。このスルーシリコンビア基板７は、前面側に凹部７１を備えているとともに、はんだバンプ７２ａを有する個別電極用貫通電極７２と、はんだバンプ７３ａを有する共通電極用貫通電極７３とを備えている。これらの個別電極用貫通電極７２及び共通電極用貫通電極７３は、スルーシリコンビア基板７に設けられた貫通穴７４に銅などの電極材料をメッキなどにより充填するようにして形成されている。
【００５４】
そして、スルーシリコンビア基板７は、その凹部７１内に駆動層６２、個別電極層６３及び共通電極層６４が収納されるとともに、凹部７１内が真空空間になるようにして、スルーシリコンビア基板７の全周部が薄板状体６１ｂの全周部に封止されている。
【００５５】
又、この状態で、個別電極用貫通電極７２のはんだバンプ７２ａが個別電極層６３に通電可能に接続されていると共に、共通電極用貫通電極７３のはんだバンプ７３ａが共通電極層６４に通電可能に接続されている。尚、個別電極用貫通電極７２と共通電極用貫通電極７３との基端側は、夫々、バッキング材層４３を介して信号処理回路部４２に通電可能に接続される。
【００５６】
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。シリコン製の板状体とシリコン酸化膜６１ａとシリコン製の薄板状体６１ｂとの積層構造からなるＳＯＩウエハにおけるその薄板状体６１ｂに、白金をスパッタなどにより製膜して共通電極層６４を形成する。
【００５７】
又、共通電極層６４に、ＰＺＴを、スパッタ又はゾルゲン法などにより成膜して駆動層６２を形成する。更に、駆動層６２に、金をスパッタなどにより製膜して個別電極層６３を形成する。
【００５８】
次に、個別電極層６３、駆動層６２、共通電極層６４を、順次、パターニングによって円形状のセル形状に形成するとともに、板状体におけるダイヤフラム６に対応する位置に、開口部８１をエッチング等によって形成する。
【００５９】
これにより、個別電極層６３と駆動層６２と共通電極層６４と、薄板状体６１ｂの一部とが積層されて前方側を開口した複数のダイヤフラム６を形成できるとともに、板状体が支持部材８となって、その背面側にダイヤフラム６を支持している。
【００６０】
そして、支持部材８とスルーシリコンビア基板７とを、真空プロセスである陽極接合により接合することによって、ダイヤフラム６の背面に真空空間を形成する。又、その接合時の圧力によりはんだバンプ７２ａ、７３ａを、個別電極層６３、共通電極層６４夫々に圧接する。尚、この接合方法には、共晶接合や常温接合を用いることもできる（共晶接合の場合は、両接合面に金などの金属材料を製膜する）。
【００６１】
最後にダイシングを行い、チップ状に切り出して、超音波送受信部５を得る。尚、ＰＺＴは、接合時の高温により脱分極が発生するため、分極電圧を印加し再分極を行なう。
【００６２】
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。
【００６３】
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印加する。ダイヤフラム６は、このパルス電圧が印加されることによって駆動層６２が伸縮するが、駆動層６２に積層された基材層６１が伸縮しないため、駆動層６２と基材層６１とが太鼓状に振動する。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。
【００６４】
その際、駆動層６２の背面側に真空空間７５を設けていない場合には、ダイヤフラム６から駆動層６２の背面側へ放射された第１超音波信号は、背面側の部材に反射、帰還し、ダイヤフラム６を振動させてしまい、その結果、送信パルスの尾引きや受信時のノイズとなってしまう。しかし、この実施形態では、駆動層６２の背面側に真空空間７５を設けているため、ダイヤフラム６から駆動層６２の背面側へ放射された第１超音波信号の伝達を防止でき、受信時のノイズの発生を抑えることができる。従って、ダイヤフラム６は、第１超音波信号を、前方側（図３、図６のＸ方向）に放射する。
【００６５】
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。
【００６６】
その際、突出部８４（支持部材８）がダイヤフラム６よりも前方に突出され、被覆層２５とダイヤフラム６とを十分な距離を持って配設されているため、例えば被覆層２５をシリコーンゴムなどから構成した場合でも、ゴムの弾性などが可動膜の駆動の負荷となるおそれのないものにでき、可動膜を十分な送信強度、受信感度を有するものにできる。又、人体に押し当てた際に、突出部８４が変形し難いため、可動膜が変形するおそれのないものにでき、負荷変動による性能劣化を防止できる。
【００６７】
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。
【００６８】
その際、被覆層２５から湿気が超音波送受信部５に侵入するおそれがあるが、超音波送受信部５の基材層６１が駆動層６２よりも超音波送信方向の前方側に配設されているため、駆動層６２へ湿気が侵入するおそれの少ないものにでき、駆動層（ＰＺＴ）の絶縁破壊に対する信頼性の高いものにできる。従って、電界強度を上げることができ、大きな送信強度を得ることができる。
【００６９】
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。
【００７０】
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個別電極層６３に電荷が発生する。そして、この電気信号の受信信号は、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。
【００７１】
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までの距離が、夫々検出され、被検体の超音波画像を生成する。例えば、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。
【００７２】
以上のように、超音波探触子２における超音波送受信部５の基材層６１が駆動層６２よりも超音波送信方向の前方側に配設されているため、基材層６１に貫通配線を設ける必要がなく、スルーシリコンビアなどの従来技術によって容易に配線構造がとれるとともに、セル配置の自由度を低下させることなく、高密度化が可能である。
【００７３】
尚、上記実施形態では、超音波探触子２の超音波送受信部５のダイヤフラム６を２次元配列に配設したが、１次元配列に配設してもよく、適宜変更できる。詳しくは、例えば図７に示すように、超音波送受信部１０５のダイヤフラム１０６は、１０個（図中の一点鎖線で囲んだ１０個）が電気的に共通接続されて、同調して動作を行なう１素子１６６となるように構成されている。そして、このように１０個のダイヤフラム１０６から構成される１素子１６６が左右方向に配列されている。
【００７４】
このように構成すれば、例えば個別電極取り出し部１６３を、各素子の下方側に、共通電極取り出し部１６４を、素子全体の右方側に集中させることができるため、スルーシリコンビアなどによる貫通配線を設ける必要がなく、バッキング材層１４３に設けられた貫通電極（図示せず）で直接接続できる。
【００７５】
より詳しくは、図８に示すようにバッキング材層１４３は、前面側に凹部１４３ａを有する。そして、バッキング材層１４３の凹部１４３ａに駆動層６２を収納させるようにして、バッキング材層１４３の全周部が薄板状体６１ｂの全周部に接着剤等により直接接着されている。
【００７６】
又、その際、凹部１４３ａに、ダイヤフラム１０６から発せられた超音波を減衰するための音響減衰部材１４３ｂを収納しておくのが好ましい。この音響減衰部材１４３ｂとしては、例えばゴム状物質、ゴム状物質にタングステン等の金属粒子を分散させたもの、或いは、ゲル状物質に金属粒子を分散させたもの、更には、絶縁性のオイル等の液体などを挙げることができる。又、凹部１４３ａの深さは、超音波が十分減衰する距離とされるのが好ましい。
【００７７】
又、この図８に示すものでは、被覆層として音響レンズ１４１が用いられている。音響レンズ１４１は、超音波の波長帯域の波にレンズ作用を及ぼし、被検体に向けて送信される超音波を収束する。音響レンズ１４１は、図示しないが円弧状に膨出した形状とされている。
【００７８】
又、上記実施形態では、基材層を超音波送信方向における駆動層の前方側に配設したが、この形態のものに限らず、適宜変更できる。例えば図９に示すように、基材層２６１を超音波送信方向（図のＸ方向）における駆動層２６２の後方側に配設してもよい。以下、図９に基づいて、基材層２６１を超音波送信方向（図のＸ方向）における駆動層２６２の後方側に配設した他の実施形態を説明する。
【００７９】
図９に示す実施形態の支持部材２０８は、支持部材本体２８０と、突出部２８４と、開口部２８１とを備えている。支持部材本体２８０は、前面に、ダイヤフラム支持部２６０ａを保持した保持部２８３を備えており、これにより、ダイヤフラム２０６の基材層２６１は駆動層２６２の後方側に配設されている。
【００８０】
突出部２８４は、この実施形態では、支持部材本体２８０とは別体のガラス製の板状部材から構成されている。そして、突出部２８４は、ダイヤフラム支持部２６０ａに接着され、これにより、ダイヤフラム支持部２６０ａを介して支持部材本体２８０の前面に取り付けられており、ダイヤフラム２０６よりも前方に突出されている。
【００８１】
開口部２８１は、突出部２８４を構成した板状部材におけるダイヤフラム２０６に対応する部分にダイヤフラム２０６の径よりも径大に形成された円柱状の貫通孔から構成されている。そして、この貫通孔内に、ダイヤフラム２０６の駆動層２６２とその駆動層２６２に積層された個別電極層２６３及び共通電極層２６４とが収納されており、これにより、ダイヤフラム２０６の前方側が開口されている。
【００８２】
そして、この開口部８１に、突出部２８４よりも剛性の低い音響伝達部材２８２が充填されているとともに、開口部８１を塞ぐように配設された被覆層２４１によって音響伝達部材２８２がその状態で維持されるようになっている。
【００８３】
又、この実施形態では、支持部材本体２８０は、ダイヤフラム２０６に対応する部分にダイヤフラム２０６の径よりも径大に形成された円柱状の貫通孔が設けられている。又、支持部材本体２８０の背面に、ガラス製板状の被覆部材２０９が接着され、支持部材本体２８０の貫通孔が真空な真空部２８０ａに区画形成されている。この真空部２８０ａによって、ダイヤフラム２０６から後方側に放射された超音波が反射・帰還できないようになっている。
【００８４】
又、上記実施形態では、駆動層を、ＰＺＴから構成したが、この形態のものに限らず、例えば駆動層を、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。
【００８５】
又、上記実施形態では、ダイヤフラム（可動膜）を、圧電材料からなる駆動層と基材層との積層構造のｐＭＡＴのものから構成したが、ダイヤフラムを、例えば容量性タイプのもの（ｃＭＡＴ）から構成することもでき、適宜変更できる。
【符号の説明】
【００８６】
１ 超音波診断装置本体
２ 超音波探触子
５、１０５ 超音波送受信部
６、１０６、２０６ ダイヤフラム（可動膜）
８ 支持部材
６１ 基材層
６２ 駆動層
６３ 個別電極層
６４ 共通電極層
８１ 開口部
８２ 音響伝達部材
８４ 突出部
Ｓ 基板超音波診断装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持部材に振動可能に支持された可動膜に電界を印加することによって前記可動膜を振動させることにより超音波を所定の方向に送信させて被検体に前記超音波を送信できるようにした超音波探触子であって、
前記支持部材は、前記可動膜よりも前記超音波の送信方向における前方側に突出するように形成された突出部と、前記可動膜の前記前方側を開口するように形成された開口部とを備え、
前記開口部に、前記突出部よりも剛性の低い音響伝達部材が充填されていることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
前記音響伝達部材は、その音響インピーダンスが前記可動膜の音響インピーダンスと人体の音響インピーダンスとの中間である物質から構成されていることを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。
【請求項３】
前記音響伝達部材は、シリコーンゴムから構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の超音波探触子。
【請求項４】
前記支持部材における前記前方側に、前記支持部材を前記前方側から覆うように配設された被覆層が設けられ、
前記音響伝達部材は、液体から構成され、
前記被覆層は、前記音響伝達部材の前方側を覆うようにして音響伝達部材を封じ込めていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の超音波探触子。
【請求項５】
前記可動膜は、圧電材料からなる駆動層と基材層との積層構造のものであることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の超音波探触子。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一項に記載の超音波探触子を備えていることを特徴とする超音波診断装置。
【請求項１】
支持部材に振動可能に支持された可動膜に電界を印加することによって前記可動膜を振動させることにより超音波を所定の方向に送信させて被検体に前記超音波を送信できるようにした超音波探触子であって、
前記支持部材は、前記可動膜よりも前記超音波の送信方向における前方側に突出するように形成された突出部と、前記可動膜の前記前方側を開口するように形成された開口部とを備え、
前記開口部に、前記突出部よりも剛性の低い音響伝達部材が充填されていることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
前記音響伝達部材は、その音響インピーダンスが前記可動膜の音響インピーダンスと人体の音響インピーダンスとの中間である物質から構成されていることを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。
【請求項３】
前記音響伝達部材は、シリコーンゴムから構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の超音波探触子。
【請求項４】
前記支持部材における前記前方側に、前記支持部材を前記前方側から覆うように配設された被覆層が設けられ、
前記音響伝達部材は、液体から構成され、
前記被覆層は、前記音響伝達部材の前方側を覆うようにして音響伝達部材を封じ込めていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の超音波探触子。
【請求項５】
前記可動膜は、圧電材料からなる駆動層と基材層との積層構造のものであることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の超音波探触子。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一項に記載の超音波探触子を備えていることを特徴とする超音波診断装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−２５９２７４（Ｐ２０１１−２５９２７４Ａ）
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３２８２１（Ｐ２０１０−１３２８２１）
【出願日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【出願人】（３０３０００４２０）コニカミノルタエムジー株式会社 (2,950)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【出願人】（３０３０００４２０）コニカミノルタエムジー株式会社 (2,950)
【Ｆターム（参考）】
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