超音波探触子
【課題】振動膜の振動により隣接する振動子相互間に生じる干渉を抑制する。
【解決手段】超音波探触子２を、超音波と電気信号を相互に変換する振動子１２を複数配列して形成し、振動子１２は、基板１５と、基板１５上に設けられた複数の振動要素１６で構成する。そして、振動要素１６は、基板１５上に設けられた振動膜２０と、振動膜２０と基板１５との間に空間２１を形成して振動膜２０を支持する支持部２２で構成し、支持部２２の内部に、振動膜２０と基板１５との間で伝播する超音波を抑制する低音響インピダンス部２５を設ける。
【解決手段】超音波探触子２を、超音波と電気信号を相互に変換する振動子１２を複数配列して形成し、振動子１２は、基板１５と、基板１５上に設けられた複数の振動要素１６で構成する。そして、振動要素１６は、基板１５上に設けられた振動膜２０と、振動膜２０と基板１５との間に空間２１を形成して振動膜２０を支持する支持部２２で構成し、支持部２２の内部に、振動膜２０と基板１５との間で伝播する超音波を抑制する低音響インピダンス部２５を設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検体との間で超音波を送受する振動子が複数配列された超音波探触子に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波探触子は、超音波診断装置から供給される電気信号を超音波に変換して被検体に送波するとともに、被検体から発生した反射エコーを受波して受信信号に変換する振動子が複数配列されている。この振動子として、半導体製造技術などのマイクロマシン技術を用いた超微細加工により製造されるＭＵＴ（Micromachined Ultrasonic Transducers）が知られている。例えば、ＭＵＴの１形態であるｃＭＵＴ（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers）は、シリコンなどの半導体で形成される半導体基板上に複数の振動要素を設けて１つの振動子を形成している。この振動要素は、半導体基板上に設けられた振動膜を支持部で支持して、半導体基板と振動膜との間に真空又は空気などの犠牲層を形成した構造とされている。また、半導体基板と振動膜にはそれぞれ電極が設けられており、電極に電気信号を供給することにより振動膜を振動させて超音波を被検体に送波し、被検体から反射してきた超音波が振動膜を振動させることで受信信号を得ている。ここで、振動膜が振動すると、その振動に起因して発生する超音波が支持部を介して半導体基板へ伝播して、半導体基板の背面側に設けられた背面部などの影響で半導体基板内部に多重反射が発生する。これにより、ある特定の周波数が強調された超音波（以下、プレート波という）が発生し、このプレート波が、隣接する振動要素の支持部を介して隣接する振動要素の振動膜に伝播する。そして、隣接する振動要素の振動膜の不必要な振動により、時間的、周波数的、空間的な分解能の劣化が生じる。
【０００３】
特許文献１には、ｃＭＵＴ振動子の半導体基板の振動要素間部分に、表面から切り込み溝を設けることや、切り込み溝に多孔質部材を設けることが記載されている。これによれば、半導体基板内部に発生したプレート波が隣接する振動要素へ伝播するのを防ぐことができるとしている。
【０００４】
また、特許文献２には、ｃＭＵＴ振動子の半導体基板と背面部との間に音響整合層を設けることが記載されており、これにより、半導体基板に伝播した超音波が背面部材で反射するのを抑制できるとしている。
【特許文献１】米国特許第６２６２９４６号公報
【特許文献２】米国特許第６８３１３９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の技術は、半導体基板内部でプレート波の伝播を抑制するものであり、また、特許文献２に記載の技術は、半導体基板へ伝播した超音波が背面部で反射するのを抑制することによりプレート波の発生を抑制するものである。すなわち、いずれの技術も超音波が半導体基板へ伝播した後にのみ対処をしているので、隣接する振動要素の振動膜へ伝播するプレート波を十分に抑制できず、隣接する振動要素の振動膜に不必要な振動が生じる場合がある。
【０００６】
本発明は、振動膜の振動により隣接する振動要素相互間に生じる干渉を抑制することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の超音波探触子の第１態様は、超音波と電気信号を相互に変換する振動子を複数配列してなり、振動子は、基板と、基板上に設けられた複数の振動要素を備え、振動要素は、基板上に設けられた振動膜と、振動膜と基板との間に空間を形成して振動膜を支持する支持部とを備え、支持部の内部に、振動膜と基板との間で伝播する超音波を抑制する遮音部が設けられてなることを特徴とする。
【０００８】
すなわち、プレート波は、超音波が振動膜側から支持部を介して基板へ伝播することで発生するので、支持部の内部に遮音部を設けることにより、基板への超音波の伝播を抑制し、プレート波の発生を抑制することができる。また、隣接する振動要素の支持部の内部に設けられた遮音部により、基板から隣接する振動要素の振動膜に伝播するプレート波を抑制することができる。つまり、プレート波の発生を抑制し、かつ発生したプレート波が隣接する振動要素の振動膜に伝播するのを抑制するので、振動膜の振動により隣接する振動要素相互間に生じる干渉を抑制することができる。
【０００９】
この場合において、遮音部は、基板に隣接して設けられてなることが望ましい。すなわち、基板に隣接して遮音部を設けることで、振動膜側から基板へ伝播する超音波と、基板から隣接する振動要素の振動膜へ伝播するプレート波は、確実に遮音部に入射して抑制されることになり、より一層効果的に振動膜の振動により隣接する振動要素相互間に生じる干渉を抑制することができる。
【００１０】
また、遮音部は、支持部と基板のいずれよりも低い音響インピダンスを有する低音響インピダンス部であることが望ましい。すなわち、振動膜側から基板へ伝播しようとする超音波の一部は、支持部から低音響インピダンス部へ入射する際と、低音響インピダンス部から基板へ入射する際に、音響インピダンスの違いにより反射する。同様に、基板から隣接する振動要素の振動膜へ伝播しようとするプレート波の一部も、音響インピダンスの違いにより反射される。これにより、プレート波の発生を抑制し、かつ発生したプレート波が隣接する振動要素の振動膜に伝播するのを抑制することができる。
【００１１】
さらに、遮音部は、超音波を吸音する吸音部であってもよい。つまり、ベースとなる多孔質部材に音響特性の異なる金属の粉体を混在させることで、吸音部に入射した超音波やプレート波を吸音部内部で散乱させて吸音することができる。これにより、プレート波の発生を抑制し、かつ発生したプレート波が隣接する振動要素の振動膜に伝播するのを抑制することができる。
【００１２】
また、本発明の超音波探触子の第２態様は、超音波と電気信号を相互に変換する振動子を複数配列してなり、振動子は、基板と、基板上に設けられた複数の振動要素を備え、振動要素は、基板上に設けられた振動膜と、振動膜と基板との間に空間を形成して振動膜を支持する支持部とを備え、支持部の内部の基板側に、支持部と、基板のいずれよりも低い音響インピダンスを有する低音響インピダンス部が設けられ、支持部の内部であって低音響インピダンス部の基板に対向する側に、振動膜と基板との間を伝播する超音波を吸音する吸音部が設けられてなることを特徴とする。
【００１３】
このように、支持部の内部に、超音波やプレート波の伝播方向に沿って低音響インピダンス部と吸音部を設けることにより、超音波やプレート波の伝播をより効果的に抑制することができ、振動膜の振動により隣接する振動要素相互間に生じる干渉をより効果的に抑制することができる。
【００１４】
さらに、本発明の超音波探触子の第３態様は、超音波と電気信号を相互に変換する振動子を複数配列してなり、振動子は、基板と、基板上に設けられたベース膜と、ベース膜上に設けられた複数の振動要素とを備え、振動要素は、ベース膜に対向して設けられた振動膜と、振動膜とベース膜との間に空間を形成して振動膜を支持する支持部とを備え、ベース膜の内部に、振動膜と基板との間を伝播する超音波を抑制する遮音部が設けられてなることを特徴とする。この場合において、遮音部は、ベース膜の支持部と基板に挟まれた部分に設けられ、遮音部の端部は、振動膜とベース膜との間に形成された空間の下部にまで伸長されてなることが望ましい。
【００１５】
すなわち、遮音部を、振動膜とベース膜との間に形成された空間と異なる層に設けるので、遮音部の厚み、形状などの設計自由度が増え、遮音部の端部を、振動膜とベース膜との間に形成された空間の下部にまで伸長することができる。これにより、超音波やプレート波は、より確実に遮音部に入射して抑制されることになるので、振動膜の振動により隣接する振動要素相互間に生じる干渉をより効果的に抑制することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、振動膜の振動により隣接する振動要素相互間に生じる干渉を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を適用してなる超音波探触子及び超音波診断装置の実施例を、図１〜図１６を用いて説明する。なお、以下の説明では、同一機能部品については同一符号を付して重複説明を省略する。
【実施例１】
【００１８】
図１は、実施例１の超音波探触子及び超音波診断装置の構成を示す図である。
図１に示すように、超音波診断装置１は、駆動信号を超音波に変換して被検体に送波すると共に、被検体から発生した超音波を受波して電気信号に変換する振動子が複数配列された超音波探触子２と、超音波探触子２に駆動信号を供給する送信手段３と、超音波探触子２に供給される駆動信号に重畳して直流バイアス電圧を印加するバイアス手段４と、超音波探触子２から出力される電気信号（以下、反射エコー信号という）を処理する受信手段６と、受信手段６から出力される反射エコー信号に対しディジタル整相及び加算処理を施す整相加算手段７と、整相加算手段７から出力される反射エコー信号に基づき超音波像を再構成する画像処理手段８と、画像処理手段８から出力される超音波像を表示する表示手段９などから構成されている。また、送信手段３、バイアス手段４、受信手段６、整相加算手段７、画像処理手段８、表示手段９は、それぞれ制御手段１０と接続されており、制御手段１０から出力される制御指令に基づいて制御されている。
【００１９】
次に、超音波診断装置１の動作を説明する。被検体に接触させた超音波探触子２にバイアス手段４から直流バイアス電圧が供給され、さらに、これに重畳して送信手段３から駆動信号が供給される。供給された駆動信号は、超音波探触子２の各振動子で超音波に変換され、被検体に送波される。被検体で反射した超音波は、超音波探触子２の各振動子により受波され、各振動子によって反射エコー信号に変換される。超音波探触子２から出力される反射エコー信号は、受信手段６により増幅やアナログディジタル変換などの受信処理が施される。受信処理が施された反射エコー信号は、整相加算手段７により整相加算され、整相加算された反射エコー信号は、画像処理手段８により超音波像（例えば、断層像や血流像などの診断画像）に再構成される。再構成された診断画像は、表示手段９に表示される。
【００２０】
図２は、実施例１の超音波探触子２の斜視図である。図２に示すように、超音波探触子２は、複数の振動子１２ａ〜１２ｍ（ｍ：２以上の自然数）が短冊状に配設された１次元アレイ型に形成されている。ただし、振動子を２次元配列した２次元アレイ型や、振動子を扇型上に配設したコンベックス型など他の形態の超音波探触子にも本発明を適用できる。振動子１２ａ〜１２ｍの背面側にバッキング層１３が設けられるとともに、超音波射出側に音響レンズ１４が配設されている。なお、振動子を２次元配列することにより、音響レンズ１４を用いない構成とすることも可能である。また、振動子１２ａ〜１２ｍと音響レンズ１４の間には、必要に応じて音響整合層を設けることも可能である。
【００２１】
振動子１２ａ〜１２ｍは、送信手段３からの駆動信号を超音波に変換して被検体に超音波を送波すると共に、被検体で反射した超音波を受波して電気信号に変換する。バッキング層１３は、振動子１２ａ〜１２ｍから背面側に射出される超音波の伝搬を吸収することによって、振動子１２ａ〜１２ｍの余分な振動を抑制する。音響レンズ１４は、振動子１２ａ〜１２ｍから射出される超音波ビームを収束する。なお、振動子１２ａ〜１２ｍの配列方向を長軸方向Ｘとし、長軸方向Ｘに直交する方向を短軸方向Ｙとする。
【００２２】
図３は、図２の複数の振動子１２ａ〜１２ｍにおける一の振動子１２の拡大斜視図である。図３に示すように、振動子１２は、基板１５上に複数の振動要素１６ａ〜１６ｎ（ｎ：２以上の自然数）を有して形成されている。振動要素１６ａ〜１６ｎは、印加される直流バイアス電圧の大きさによって電気機械結合係数、つまり送受信感度が変化する電気―音響変換素子である。また、振動要素１６ａ〜１６ｎは、長軸方向Ｘ及び短軸方向Ｙに略均等間隔に配列されており、隣接する振動要素間は電極１７ａで接続されている。なお、本実施例では短軸方向Ｙに沿って上、中、下の３区間に別れて電極１７ａで接続されているが、これに限らず全ての振動要素１６ａ〜１６ｎを１まとまりで接続してもよいし、さらに区間を細分化してもよい。また、振動要素１６ａ〜１６ｎを不均等な間隔で配列することも可能である。
【００２３】
図４は、図３の基板１５及び基板１５上に設けられた複数の振動要素１６ａ〜１６ｎにおける一の振動要素１６の縦断面図である。図４に示すように、振動要素１６は、基板１５に対向して設けられた振動膜２０と、振動膜２０の内部に埋め込むように設けられた電極１７ａと、振動膜２０と基板１５の間に真空又は空気の空間（以下、空間２１という）を形成して振動膜２０を基板１５に支持する支持部２２とで構成されている。また、基板１５の下部には、電極１７ｂが設けられている。
【００２４】
電極１７ａは、送信手段３の駆動信号電源２６に接続端子２７ａを介して接続されており、電極１７ｂは、バイアス手段４の直流バイアス電源２５に接続端子２７ｂを介して接続されている。
【００２５】
ここで、基板１５は、セラミックス、ガラス、半導体などで形成するのが好ましい。また、振動膜２０は、シリコンナイトライドなどのガラス、又はセラミックなど、絶縁性を有し、かつ繰り返しの振動に対する強度を有する材料で形成するのが好ましく、支持部２２は、同様にシリコンナイトライドなどのガラス、又はセラミックなど、絶縁性を有し、かつ振動膜２０を基板１５に支持する強度を有する材料で形成するのが好ましい。さらに、電極１７ａ及び電極１７ｂは、アルミニウム又はチタンなどの金属で形成するのが好ましい。
【００２６】
次に、振動要素１６の動作を説明する。振動要素１６に直流バイアス電源２５によって直流のバイアス電圧を印加すると、印加されたバイアス電圧の大きさに応じて振動要素１６の空間２１に電界が発生する。発生した電界により振動膜２０が緊張することによって、振動要素１６の電気機械結合係数の値が定められる。そして、駆動信号電源２６から振動要素１６に駆動信号を供給すると、供給された駆動信号は、電気機械結合係数の値に基づいて超音波に変換される。また、被検体で反射した超音波を振動要素１６によって受波すると、振動要素１６の振動膜２０が電気機械結合係数の値に基づいて励起される。振動膜２０が励起されることにより空間２１の容量が変化し、その容量変化に基づく電気信号が超音波診断装置に取り込まれる。
【００２７】
次に、本発明を適用した超音波探触子２の振動要素について、図５を用いて説明する。図５は、図４における振動要素１６の支持部２２と、その周辺の断面を拡大した図である。図５に示すように支持部２２には、基板１５に隣接して振動膜２０と基板１５との間を伝播する超音波を抑制する遮音部である低音響インピダンス部２５が複数設けられている。
【００２８】
本実施例において、低音響インピダンス部２５は、真空又は空気の空間であるが、これに限らず、金属、ガラス、セラミック、フェライトなどの内部に真空又は空気の空間が形成された多孔質部材であってもよい。
【００２９】
ここで、図６を用いて図５における振動要素１６の全体構成を説明する。図６は、図５の振動要素１６のVI−VI線での断面図である。このように、振動要素１６は、空間２１の外周を囲むように３層に渡って低音響インピダンス部２５が設けられ、空間２１と最内周の低音響インピダンス部２５の間、各低音響インピダンス部２５間、最外周の低音響インピダンス部２５の外周側に支持部２２が設けられている。なお、本実施例のように低音響インピダンス部２５を環状に配置する例に限らず、超音波の抑制能力及び支持部２２の支持強度などを考慮して環状の低音響インピダンス部２５を複数に分割して配置することもできる。
【００３０】
次に、本実施例の超音波探触子２の動作と効果を説明する。図７〜図１０は、超音波探触子２の振動子１２の断面の一部を模式的に示した図である。ここでは、図７〜図１０において左側の４個の振動要素をまとめて振動要素群３０、右側の２個の振動要素をまとめて振動要素群３１とし、振動要素群３０を同時に駆動して、振動要素群３１を駆動していない場合を例に説明する。
【００３１】
超音波診断装置１が振動要素群３０の振動膜２０及び基板１５に設けられている電極１７ａ、１７ｂに駆動信号を供給すると、駆動信号に起因して振動膜２０が振動して超音波を被検体（図７において、矢印３２方向）に送波する。また、振動膜２０は、被検体から反射してきた超音波を受波して振動する。このような送受波の際に発生する振動膜２０の振動によって、図７に示すように、超音波は支持部２２を介して矢印３３方向へ伝播する。
【００３２】
ここで、音響インピダンスがＺ１（ＭＲａｙｌｓ）である媒質Ａから、音響インピダンスがＺ２（ＭＲａｙｌｓ）である媒質Ｂへ超音波が進行した場合、両媒質の境界面で超音波が反射する割合Ｒ（反射率）は、以下の式で表される。
【００３３】
（数１式）
Ｒ＝│（Ｚ１―Ｚ２）／（Ｚ１＋Ｚ２）│
つまり、ある媒質から別のある媒質へ超音波が進行した場合の境界面での超音波の反射率は、両媒質の音響インピダンスの比率に依存し、両媒質間の音響インピダンスの比率の違いが大きければ大きい程その両媒質の境界面で超音波は反射する。
【００３４】
本実施例では、シリコンナイトライドなどで形成された支持部２２の音響インピダンスは、例えば約２０（ＭＲａｙｌｓ）であり、シリコンなどで形成された基板１５の音響インピダンスも例えば約２０（ＭＲａｙｌｓ）である。これに対して低音響インピダンス部２５は、真空又は空気なので支持部２２や基板１５と比べると、音響インピダンスは、例えばほとんど０（ＭＲａｙｌｓ）とみることができる。したがって、図８に示すように、振動膜２０から基板１５に伝播しようとする超音波の一部は、支持部２２と支持部２２の下部に設けられた低音響インピダンス部２５との音響インピダンスの違い及び低音響インピダンス部２５と基板１５との音響インピダンスの違いにより矢印３４方向へ反射するので、基板１５への超音波の伝播は抑制される。これにより、基板１５内部での超音波の多重反射によるプレート波の発生が抑制される。
【００３５】
しかしながら、基板１５へ伝播する超音波を完全に抑制することはできないので、図９に示すように、基板１５内部では矢印３５などに示すように超音波が多重反射してプレート波が発生する。このプレート波は、振動要素群３０の各振動要素や振動要素群３１の各振動要素に伝播しようとする。しかし、上記と同様の理由により、図１０に示すように、基板１５と各支持部２２の下部に設けられた低音響インピダンス部２５との音響インピダンスの違い及び低音響インピダンス部２５と支持部２２との音響インピダンスの違いにより矢印３６方向へ反射する。したがって、振動要素郡３０を駆動することによって、駆動していない振動要素郡３１の振動膜に不要な振動が生じることを抑制することができる。
【００３６】
なお、本実施例では、振動要素郡３０を同時に駆動し、振動要素郡３１を駆動していない場合を例に説明したが、例えば、振動要素郡３０の中で駆動する振動要素と駆動していない振動要素があるような場合は、駆動する振動要素の振動に起因する超音波が、駆動していない振動要素に伝播することを抑制することになる。
【００３７】
本実施例によれば、プレート波の発生を抑制し、かつ抑制しきれずに発生したプレート波が、隣接する振動要素の振動膜に伝播するのを抑制するので、振動膜の振動により隣接する振動要素相互間に生じる干渉を抑制することができる。
【００３８】
また、本実施例の超音波探触子２の振動要素は、空間２１と低音響インピダンス部２５を同一の層に設けているので、製造工数を低減することができ、開発コストを抑制することができる。
【００３９】
なお、本実施例では、低音響インピダンス部２５を複数に分割して基板１５に隣接させて設けているが、低音響インピダンス部２５は、振動膜２０と基板１５の間を伝播する超音波を抑制するために設けられるものなので、複数に分割せず一体とすることもできるし、配置位置も限定されるものではない。しかし、低音響インピダンス部２５を極端に大きくすると、振動膜２０を基板１５に支持する支持部２２の体積が小さくなり、支持強度が保てなくなる。したがって、低音響インピダンス部２５は、超音波伝播の抑制能力及び支持強度などを考慮して適宜大きさや間隔を決定して設ければ良い。例えば、図１１に示すように低音響インピダンス部２５を多層状に、かつ、下層の低音響インピダンス部２５と上層の低音響インピダンス部２５を互い違いに設けることも可能である。このような構成によれば、支持部２２の支持強度を保ちつつ、超音波伝播の抑制能力を増大することができる。
【実施例２】
【００４０】
本発明の実施例２を図１２、図１３を用いて説明する。実施例１の超音波探触子２との違いは、支持部２２の内部に設けられた低音響インピダンス部２５に替えて吸音部を設けることのみであるので、重複部分の説明は省略する。図１２は、図４の振動要素１６の支持部２２とその周辺部材の断面を拡大した図である。図１２に示すように、吸音部３９は、基板１５に隣接して設けられるのではなく、支持部２２の内部に設けられている。
【００４１】
吸音部３９は、金属、ガラス、セラミック、フェライトなどの部材に複数の空気又は真空などの空間を多層状で、かつ迷路状に混在させた部材、又はこのような部材に、タングステンや白金などの金属粉体など音響特性の異なる物質の粉体を混在させた部材などが好ましい。
【００４２】
次に、本実施例の超音波探触子１の動作について図１３を用いて説明する。ここでは、吸音部３９として、シリコンナイトライド４０にタングステン粉体４１を混在した部材を使用した場合を例に説明する。実施例１と同様に、超音波の送受波の際に振動膜２０が振動することにより超音波が支持部２２に伝播し、矢印４２に示すように吸音部３９に入射する。吸音部３９に入射した超音波は、吸音部３９内部のタングステン粉体４１に入射すると、図に示すように四方八方へ反射して散乱する。吸音部３９の内部でこのような散乱を繰り返すうちに、超音波の機械的エネルギーは熱エネルギーへと変換され、その結果、超音波は吸音部３９の内部で吸音される。つまり、吸音部３９に入射した超音波は、実質的に減衰される。
【００４３】
これにより、超音波が基板１５に伝播するのを抑制することができ、プレート波の発生を抑制することができる。また、実施例１と同様に、抑制しきれずに基板１５へ伝播した超音波が多重反射してプレート波が発生し、基板１５から隣接する振動要素に伝播しようとするが、吸音部３９内部で上記と同様に吸音されるので、隣接する振動要素の振動膜に伝播するプレート波を抑制することができる。
【００４４】
なお、本実施例による超音波の伝播抑制の効果は、吸音部３９の厚みが大きければ大きいほど増大する。したがって、本実施例のような吸音部３９の配置に限らず、例えば、支持部２２全体を吸音部３９で形成することもできるし、多層状に形成することもできる。
【実施例３】
【００４５】
本発明の実施例３を、図１４を用いて説明する。実施例１の超音波探触子２との違いは、支持部２２の内部の低音響インピダンス部２５及び吸音部３９の構成のみであるので、重複部分の説明は省略する。図１４は、図４の振動要素１６の支持部２２とその周辺部材の断面を拡大した図である。本実施例は、実施例１と実施例２の組み合わせであり、具体的には、図１４に示すように、実施例１で説明した低音響インピダンス部２５を基板１５に隣接して設け、実施例２で説明した吸音部３９を支持部２２の内部に設けている。つまり、支持部２２の内部に、超音波又はプレート波の伝播方向に沿って低音響インピダンス部２５及び吸音部３９が設けられている。
【００４６】
本実施例によれば、支持部２２の内部を伝播する超音波又はプレート波をより効果的に抑制することができ、振動膜の振動により隣接する振動要素相互間に生じる干渉をより効果的に抑制することができる。
【実施例４】
【００４７】
本発明の実施例４を図１５、図１６を用いて説明する。実施例１の超音波探触子１との違いは、振動要素１６と基板１５との間にベース膜４５を設ける点と、低音響インピダンス部２５の配置位置のみであるので、重複部分の説明は省略する。図１５は、本実施例の振動要素１６とベース膜４５と基板１５の断面を拡大した図である。図１５に示すように、基板１５上にベース膜４５が設けられ、ベース膜４５上に振動要素１６が設けられている。そして、低音響インピダンス部２５は、ベース膜４５の内部に、支持部２２の下部から空間２１の下部に渡って設けられている。ここで、ベース膜４５は、振動膜２０や支持部２２と同様に、シリコンナイトライドなどのガラス、又はセラミックなどの部材であるのが好ましい。
【００４８】
本実施例によれば、空間２１と低音響インピダンス部２５を異なる層に設けているので、空間２１の厚みと低音響インピダンス部２５の厚みを異ならせたり、形状を異ならせたりすることができ、また、本実施例のように、空間２１と低音響インピダンス部２５を上下方向に一部重複させて設けることができる。これにより、超音波やプレート波をより確実に低音響インピダンス部２５に入射させることができるので、振動膜の振動により隣接する振動要素相互間 に生じる干渉をより効果的に抑制することができる。
【００４９】
なお、実施例１で説明したのと同様に、本実施例においても、低音響インピダンス部２５の形状、大きさ及び配置位置などは、超音波伝播の抑制能力及び支持強度などを考慮して適宜決定すればよい。
【００５０】
また、図１６に示すように、支持部２２の下部のベース膜４５に低音響インピダンス部２５を設けるのみではなく、ベース膜４５の振動要素１６ａが設けられていない箇所にも低音響インピダンス部２５を設けることにより、被検体側からみた支持部２２及び基板１５の音響インピダンスを低くすることができる。これにより、支持部２２と基板１５の音響インピダンスは、被検体のそれと近づくので、被検体から反射してきた超音波（図１６において、矢印４８方向）が、支持部２２や基板１５で反射するのを抑制できる。つまり、被検体の音響インピダンスは、例えば約１．５（ＭＲａｙｌｓ）であるのに対し、支持部２２及び基板１５の音響インピダンスは、例えば約２０（ＭＲａｙｌｓ）であるので、低音響インピダンス部２５を設けない場合は、実施例１において説明したように音響インピダンスの比率の違いにより、被検体から反射してきた超音波４８が支持部２２及び基板１５でほとんど反射してしまう。しかし、本実施例のようにベース膜４５を設けることで、振動要素１６が設けられている場所に限らず、振動要素１６が設けられていない場所でも被検体から反射してきた超音波が再度反射することを抑制することができる。
【００５１】
また、実施例１〜実施例３においても、同様に被検体からみた支持部２２の音響インピダンスを低くして、被検体から反射してきた超音波が支持部２２で反射するのを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】実施例１における超音波探触子及び超音波診断装置の構成を示す図である。
【図２】実施例１における超音波探触子の斜視図である。
【図３】実施例１における振動子の拡大斜視図である。
【図４】実施例１における振動子の基板及び基板上に設けられた振動要素の縦断面図である。
【図５】実施例１における振動要素の支持部とその周辺の断面を拡大した図である。
【図６】図５における振動要素のVI−VI線での断面図である。
【図７】実施例１における超音波探触子の動作例を説明する図である。
【図８】実施例１における超音波探触子の動作例を説明する図である。
【図９】実施例１における超音波探触子の動作例を説明する図である。
【図１０】実施例１における超音波探触子の動作例を説明する図である。
【図１１】実施例１における振動要素の遮音部の配置変形例を示す図である。
【図１２】実施例２における振動要素の支持部とその周辺の断面を拡大した図である。
【図１３】実施例２における超音波探触子の動作例を説明する図である。
【図１４】実施例３における振動要素の支持部とその周辺の断面を拡大した図である。
【図１５】実施例４における振動要素とベース膜と基板の断面を拡大した図である。
【図１６】実施例４の超音波探触子の動作例を説明する図である。
【符号の説明】
【００５３】
１ 超音波診断装置
２ 超音波探触子
１２ 振動子
１５ 基板
１６ 振動要素
２０ 振動膜
２１ 空間
２２ 支持部
２５ 低音響インピダンス部
３９ 吸音部
４１ タングステン粉体
４５ ベース膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検体との間で超音波を送受する振動子が複数配列された超音波探触子に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波探触子は、超音波診断装置から供給される電気信号を超音波に変換して被検体に送波するとともに、被検体から発生した反射エコーを受波して受信信号に変換する振動子が複数配列されている。この振動子として、半導体製造技術などのマイクロマシン技術を用いた超微細加工により製造されるＭＵＴ（Micromachined Ultrasonic Transducers）が知られている。例えば、ＭＵＴの１形態であるｃＭＵＴ（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers）は、シリコンなどの半導体で形成される半導体基板上に複数の振動要素を設けて１つの振動子を形成している。この振動要素は、半導体基板上に設けられた振動膜を支持部で支持して、半導体基板と振動膜との間に真空又は空気などの犠牲層を形成した構造とされている。また、半導体基板と振動膜にはそれぞれ電極が設けられており、電極に電気信号を供給することにより振動膜を振動させて超音波を被検体に送波し、被検体から反射してきた超音波が振動膜を振動させることで受信信号を得ている。ここで、振動膜が振動すると、その振動に起因して発生する超音波が支持部を介して半導体基板へ伝播して、半導体基板の背面側に設けられた背面部などの影響で半導体基板内部に多重反射が発生する。これにより、ある特定の周波数が強調された超音波（以下、プレート波という）が発生し、このプレート波が、隣接する振動要素の支持部を介して隣接する振動要素の振動膜に伝播する。そして、隣接する振動要素の振動膜の不必要な振動により、時間的、周波数的、空間的な分解能の劣化が生じる。
【０００３】
特許文献１には、ｃＭＵＴ振動子の半導体基板の振動要素間部分に、表面から切り込み溝を設けることや、切り込み溝に多孔質部材を設けることが記載されている。これによれば、半導体基板内部に発生したプレート波が隣接する振動要素へ伝播するのを防ぐことができるとしている。
【０００４】
また、特許文献２には、ｃＭＵＴ振動子の半導体基板と背面部との間に音響整合層を設けることが記載されており、これにより、半導体基板に伝播した超音波が背面部材で反射するのを抑制できるとしている。
【特許文献１】米国特許第６２６２９４６号公報
【特許文献２】米国特許第６８３１３９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の技術は、半導体基板内部でプレート波の伝播を抑制するものであり、また、特許文献２に記載の技術は、半導体基板へ伝播した超音波が背面部で反射するのを抑制することによりプレート波の発生を抑制するものである。すなわち、いずれの技術も超音波が半導体基板へ伝播した後にのみ対処をしているので、隣接する振動要素の振動膜へ伝播するプレート波を十分に抑制できず、隣接する振動要素の振動膜に不必要な振動が生じる場合がある。
【０００６】
本発明は、振動膜の振動により隣接する振動要素相互間に生じる干渉を抑制することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の超音波探触子の第１態様は、超音波と電気信号を相互に変換する振動子を複数配列してなり、振動子は、基板と、基板上に設けられた複数の振動要素を備え、振動要素は、基板上に設けられた振動膜と、振動膜と基板との間に空間を形成して振動膜を支持する支持部とを備え、支持部の内部に、振動膜と基板との間で伝播する超音波を抑制する遮音部が設けられてなることを特徴とする。
【０００８】
すなわち、プレート波は、超音波が振動膜側から支持部を介して基板へ伝播することで発生するので、支持部の内部に遮音部を設けることにより、基板への超音波の伝播を抑制し、プレート波の発生を抑制することができる。また、隣接する振動要素の支持部の内部に設けられた遮音部により、基板から隣接する振動要素の振動膜に伝播するプレート波を抑制することができる。つまり、プレート波の発生を抑制し、かつ発生したプレート波が隣接する振動要素の振動膜に伝播するのを抑制するので、振動膜の振動により隣接する振動要素相互間に生じる干渉を抑制することができる。
【０００９】
この場合において、遮音部は、基板に隣接して設けられてなることが望ましい。すなわち、基板に隣接して遮音部を設けることで、振動膜側から基板へ伝播する超音波と、基板から隣接する振動要素の振動膜へ伝播するプレート波は、確実に遮音部に入射して抑制されることになり、より一層効果的に振動膜の振動により隣接する振動要素相互間に生じる干渉を抑制することができる。
【００１０】
また、遮音部は、支持部と基板のいずれよりも低い音響インピダンスを有する低音響インピダンス部であることが望ましい。すなわち、振動膜側から基板へ伝播しようとする超音波の一部は、支持部から低音響インピダンス部へ入射する際と、低音響インピダンス部から基板へ入射する際に、音響インピダンスの違いにより反射する。同様に、基板から隣接する振動要素の振動膜へ伝播しようとするプレート波の一部も、音響インピダンスの違いにより反射される。これにより、プレート波の発生を抑制し、かつ発生したプレート波が隣接する振動要素の振動膜に伝播するのを抑制することができる。
【００１１】
さらに、遮音部は、超音波を吸音する吸音部であってもよい。つまり、ベースとなる多孔質部材に音響特性の異なる金属の粉体を混在させることで、吸音部に入射した超音波やプレート波を吸音部内部で散乱させて吸音することができる。これにより、プレート波の発生を抑制し、かつ発生したプレート波が隣接する振動要素の振動膜に伝播するのを抑制することができる。
【００１２】
また、本発明の超音波探触子の第２態様は、超音波と電気信号を相互に変換する振動子を複数配列してなり、振動子は、基板と、基板上に設けられた複数の振動要素を備え、振動要素は、基板上に設けられた振動膜と、振動膜と基板との間に空間を形成して振動膜を支持する支持部とを備え、支持部の内部の基板側に、支持部と、基板のいずれよりも低い音響インピダンスを有する低音響インピダンス部が設けられ、支持部の内部であって低音響インピダンス部の基板に対向する側に、振動膜と基板との間を伝播する超音波を吸音する吸音部が設けられてなることを特徴とする。
【００１３】
このように、支持部の内部に、超音波やプレート波の伝播方向に沿って低音響インピダンス部と吸音部を設けることにより、超音波やプレート波の伝播をより効果的に抑制することができ、振動膜の振動により隣接する振動要素相互間に生じる干渉をより効果的に抑制することができる。
【００１４】
さらに、本発明の超音波探触子の第３態様は、超音波と電気信号を相互に変換する振動子を複数配列してなり、振動子は、基板と、基板上に設けられたベース膜と、ベース膜上に設けられた複数の振動要素とを備え、振動要素は、ベース膜に対向して設けられた振動膜と、振動膜とベース膜との間に空間を形成して振動膜を支持する支持部とを備え、ベース膜の内部に、振動膜と基板との間を伝播する超音波を抑制する遮音部が設けられてなることを特徴とする。この場合において、遮音部は、ベース膜の支持部と基板に挟まれた部分に設けられ、遮音部の端部は、振動膜とベース膜との間に形成された空間の下部にまで伸長されてなることが望ましい。
【００１５】
すなわち、遮音部を、振動膜とベース膜との間に形成された空間と異なる層に設けるので、遮音部の厚み、形状などの設計自由度が増え、遮音部の端部を、振動膜とベース膜との間に形成された空間の下部にまで伸長することができる。これにより、超音波やプレート波は、より確実に遮音部に入射して抑制されることになるので、振動膜の振動により隣接する振動要素相互間に生じる干渉をより効果的に抑制することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、振動膜の振動により隣接する振動要素相互間に生じる干渉を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を適用してなる超音波探触子及び超音波診断装置の実施例を、図１〜図１６を用いて説明する。なお、以下の説明では、同一機能部品については同一符号を付して重複説明を省略する。
【実施例１】
【００１８】
図１は、実施例１の超音波探触子及び超音波診断装置の構成を示す図である。
図１に示すように、超音波診断装置１は、駆動信号を超音波に変換して被検体に送波すると共に、被検体から発生した超音波を受波して電気信号に変換する振動子が複数配列された超音波探触子２と、超音波探触子２に駆動信号を供給する送信手段３と、超音波探触子２に供給される駆動信号に重畳して直流バイアス電圧を印加するバイアス手段４と、超音波探触子２から出力される電気信号（以下、反射エコー信号という）を処理する受信手段６と、受信手段６から出力される反射エコー信号に対しディジタル整相及び加算処理を施す整相加算手段７と、整相加算手段７から出力される反射エコー信号に基づき超音波像を再構成する画像処理手段８と、画像処理手段８から出力される超音波像を表示する表示手段９などから構成されている。また、送信手段３、バイアス手段４、受信手段６、整相加算手段７、画像処理手段８、表示手段９は、それぞれ制御手段１０と接続されており、制御手段１０から出力される制御指令に基づいて制御されている。
【００１９】
次に、超音波診断装置１の動作を説明する。被検体に接触させた超音波探触子２にバイアス手段４から直流バイアス電圧が供給され、さらに、これに重畳して送信手段３から駆動信号が供給される。供給された駆動信号は、超音波探触子２の各振動子で超音波に変換され、被検体に送波される。被検体で反射した超音波は、超音波探触子２の各振動子により受波され、各振動子によって反射エコー信号に変換される。超音波探触子２から出力される反射エコー信号は、受信手段６により増幅やアナログディジタル変換などの受信処理が施される。受信処理が施された反射エコー信号は、整相加算手段７により整相加算され、整相加算された反射エコー信号は、画像処理手段８により超音波像（例えば、断層像や血流像などの診断画像）に再構成される。再構成された診断画像は、表示手段９に表示される。
【００２０】
図２は、実施例１の超音波探触子２の斜視図である。図２に示すように、超音波探触子２は、複数の振動子１２ａ〜１２ｍ（ｍ：２以上の自然数）が短冊状に配設された１次元アレイ型に形成されている。ただし、振動子を２次元配列した２次元アレイ型や、振動子を扇型上に配設したコンベックス型など他の形態の超音波探触子にも本発明を適用できる。振動子１２ａ〜１２ｍの背面側にバッキング層１３が設けられるとともに、超音波射出側に音響レンズ１４が配設されている。なお、振動子を２次元配列することにより、音響レンズ１４を用いない構成とすることも可能である。また、振動子１２ａ〜１２ｍと音響レンズ１４の間には、必要に応じて音響整合層を設けることも可能である。
【００２１】
振動子１２ａ〜１２ｍは、送信手段３からの駆動信号を超音波に変換して被検体に超音波を送波すると共に、被検体で反射した超音波を受波して電気信号に変換する。バッキング層１３は、振動子１２ａ〜１２ｍから背面側に射出される超音波の伝搬を吸収することによって、振動子１２ａ〜１２ｍの余分な振動を抑制する。音響レンズ１４は、振動子１２ａ〜１２ｍから射出される超音波ビームを収束する。なお、振動子１２ａ〜１２ｍの配列方向を長軸方向Ｘとし、長軸方向Ｘに直交する方向を短軸方向Ｙとする。
【００２２】
図３は、図２の複数の振動子１２ａ〜１２ｍにおける一の振動子１２の拡大斜視図である。図３に示すように、振動子１２は、基板１５上に複数の振動要素１６ａ〜１６ｎ（ｎ：２以上の自然数）を有して形成されている。振動要素１６ａ〜１６ｎは、印加される直流バイアス電圧の大きさによって電気機械結合係数、つまり送受信感度が変化する電気―音響変換素子である。また、振動要素１６ａ〜１６ｎは、長軸方向Ｘ及び短軸方向Ｙに略均等間隔に配列されており、隣接する振動要素間は電極１７ａで接続されている。なお、本実施例では短軸方向Ｙに沿って上、中、下の３区間に別れて電極１７ａで接続されているが、これに限らず全ての振動要素１６ａ〜１６ｎを１まとまりで接続してもよいし、さらに区間を細分化してもよい。また、振動要素１６ａ〜１６ｎを不均等な間隔で配列することも可能である。
【００２３】
図４は、図３の基板１５及び基板１５上に設けられた複数の振動要素１６ａ〜１６ｎにおける一の振動要素１６の縦断面図である。図４に示すように、振動要素１６は、基板１５に対向して設けられた振動膜２０と、振動膜２０の内部に埋め込むように設けられた電極１７ａと、振動膜２０と基板１５の間に真空又は空気の空間（以下、空間２１という）を形成して振動膜２０を基板１５に支持する支持部２２とで構成されている。また、基板１５の下部には、電極１７ｂが設けられている。
【００２４】
電極１７ａは、送信手段３の駆動信号電源２６に接続端子２７ａを介して接続されており、電極１７ｂは、バイアス手段４の直流バイアス電源２５に接続端子２７ｂを介して接続されている。
【００２５】
ここで、基板１５は、セラミックス、ガラス、半導体などで形成するのが好ましい。また、振動膜２０は、シリコンナイトライドなどのガラス、又はセラミックなど、絶縁性を有し、かつ繰り返しの振動に対する強度を有する材料で形成するのが好ましく、支持部２２は、同様にシリコンナイトライドなどのガラス、又はセラミックなど、絶縁性を有し、かつ振動膜２０を基板１５に支持する強度を有する材料で形成するのが好ましい。さらに、電極１７ａ及び電極１７ｂは、アルミニウム又はチタンなどの金属で形成するのが好ましい。
【００２６】
次に、振動要素１６の動作を説明する。振動要素１６に直流バイアス電源２５によって直流のバイアス電圧を印加すると、印加されたバイアス電圧の大きさに応じて振動要素１６の空間２１に電界が発生する。発生した電界により振動膜２０が緊張することによって、振動要素１６の電気機械結合係数の値が定められる。そして、駆動信号電源２６から振動要素１６に駆動信号を供給すると、供給された駆動信号は、電気機械結合係数の値に基づいて超音波に変換される。また、被検体で反射した超音波を振動要素１６によって受波すると、振動要素１６の振動膜２０が電気機械結合係数の値に基づいて励起される。振動膜２０が励起されることにより空間２１の容量が変化し、その容量変化に基づく電気信号が超音波診断装置に取り込まれる。
【００２７】
次に、本発明を適用した超音波探触子２の振動要素について、図５を用いて説明する。図５は、図４における振動要素１６の支持部２２と、その周辺の断面を拡大した図である。図５に示すように支持部２２には、基板１５に隣接して振動膜２０と基板１５との間を伝播する超音波を抑制する遮音部である低音響インピダンス部２５が複数設けられている。
【００２８】
本実施例において、低音響インピダンス部２５は、真空又は空気の空間であるが、これに限らず、金属、ガラス、セラミック、フェライトなどの内部に真空又は空気の空間が形成された多孔質部材であってもよい。
【００２９】
ここで、図６を用いて図５における振動要素１６の全体構成を説明する。図６は、図５の振動要素１６のVI−VI線での断面図である。このように、振動要素１６は、空間２１の外周を囲むように３層に渡って低音響インピダンス部２５が設けられ、空間２１と最内周の低音響インピダンス部２５の間、各低音響インピダンス部２５間、最外周の低音響インピダンス部２５の外周側に支持部２２が設けられている。なお、本実施例のように低音響インピダンス部２５を環状に配置する例に限らず、超音波の抑制能力及び支持部２２の支持強度などを考慮して環状の低音響インピダンス部２５を複数に分割して配置することもできる。
【００３０】
次に、本実施例の超音波探触子２の動作と効果を説明する。図７〜図１０は、超音波探触子２の振動子１２の断面の一部を模式的に示した図である。ここでは、図７〜図１０において左側の４個の振動要素をまとめて振動要素群３０、右側の２個の振動要素をまとめて振動要素群３１とし、振動要素群３０を同時に駆動して、振動要素群３１を駆動していない場合を例に説明する。
【００３１】
超音波診断装置１が振動要素群３０の振動膜２０及び基板１５に設けられている電極１７ａ、１７ｂに駆動信号を供給すると、駆動信号に起因して振動膜２０が振動して超音波を被検体（図７において、矢印３２方向）に送波する。また、振動膜２０は、被検体から反射してきた超音波を受波して振動する。このような送受波の際に発生する振動膜２０の振動によって、図７に示すように、超音波は支持部２２を介して矢印３３方向へ伝播する。
【００３２】
ここで、音響インピダンスがＺ１（ＭＲａｙｌｓ）である媒質Ａから、音響インピダンスがＺ２（ＭＲａｙｌｓ）である媒質Ｂへ超音波が進行した場合、両媒質の境界面で超音波が反射する割合Ｒ（反射率）は、以下の式で表される。
【００３３】
（数１式）
Ｒ＝│（Ｚ１―Ｚ２）／（Ｚ１＋Ｚ２）│
つまり、ある媒質から別のある媒質へ超音波が進行した場合の境界面での超音波の反射率は、両媒質の音響インピダンスの比率に依存し、両媒質間の音響インピダンスの比率の違いが大きければ大きい程その両媒質の境界面で超音波は反射する。
【００３４】
本実施例では、シリコンナイトライドなどで形成された支持部２２の音響インピダンスは、例えば約２０（ＭＲａｙｌｓ）であり、シリコンなどで形成された基板１５の音響インピダンスも例えば約２０（ＭＲａｙｌｓ）である。これに対して低音響インピダンス部２５は、真空又は空気なので支持部２２や基板１５と比べると、音響インピダンスは、例えばほとんど０（ＭＲａｙｌｓ）とみることができる。したがって、図８に示すように、振動膜２０から基板１５に伝播しようとする超音波の一部は、支持部２２と支持部２２の下部に設けられた低音響インピダンス部２５との音響インピダンスの違い及び低音響インピダンス部２５と基板１５との音響インピダンスの違いにより矢印３４方向へ反射するので、基板１５への超音波の伝播は抑制される。これにより、基板１５内部での超音波の多重反射によるプレート波の発生が抑制される。
【００３５】
しかしながら、基板１５へ伝播する超音波を完全に抑制することはできないので、図９に示すように、基板１５内部では矢印３５などに示すように超音波が多重反射してプレート波が発生する。このプレート波は、振動要素群３０の各振動要素や振動要素群３１の各振動要素に伝播しようとする。しかし、上記と同様の理由により、図１０に示すように、基板１５と各支持部２２の下部に設けられた低音響インピダンス部２５との音響インピダンスの違い及び低音響インピダンス部２５と支持部２２との音響インピダンスの違いにより矢印３６方向へ反射する。したがって、振動要素郡３０を駆動することによって、駆動していない振動要素郡３１の振動膜に不要な振動が生じることを抑制することができる。
【００３６】
なお、本実施例では、振動要素郡３０を同時に駆動し、振動要素郡３１を駆動していない場合を例に説明したが、例えば、振動要素郡３０の中で駆動する振動要素と駆動していない振動要素があるような場合は、駆動する振動要素の振動に起因する超音波が、駆動していない振動要素に伝播することを抑制することになる。
【００３７】
本実施例によれば、プレート波の発生を抑制し、かつ抑制しきれずに発生したプレート波が、隣接する振動要素の振動膜に伝播するのを抑制するので、振動膜の振動により隣接する振動要素相互間に生じる干渉を抑制することができる。
【００３８】
また、本実施例の超音波探触子２の振動要素は、空間２１と低音響インピダンス部２５を同一の層に設けているので、製造工数を低減することができ、開発コストを抑制することができる。
【００３９】
なお、本実施例では、低音響インピダンス部２５を複数に分割して基板１５に隣接させて設けているが、低音響インピダンス部２５は、振動膜２０と基板１５の間を伝播する超音波を抑制するために設けられるものなので、複数に分割せず一体とすることもできるし、配置位置も限定されるものではない。しかし、低音響インピダンス部２５を極端に大きくすると、振動膜２０を基板１５に支持する支持部２２の体積が小さくなり、支持強度が保てなくなる。したがって、低音響インピダンス部２５は、超音波伝播の抑制能力及び支持強度などを考慮して適宜大きさや間隔を決定して設ければ良い。例えば、図１１に示すように低音響インピダンス部２５を多層状に、かつ、下層の低音響インピダンス部２５と上層の低音響インピダンス部２５を互い違いに設けることも可能である。このような構成によれば、支持部２２の支持強度を保ちつつ、超音波伝播の抑制能力を増大することができる。
【実施例２】
【００４０】
本発明の実施例２を図１２、図１３を用いて説明する。実施例１の超音波探触子２との違いは、支持部２２の内部に設けられた低音響インピダンス部２５に替えて吸音部を設けることのみであるので、重複部分の説明は省略する。図１２は、図４の振動要素１６の支持部２２とその周辺部材の断面を拡大した図である。図１２に示すように、吸音部３９は、基板１５に隣接して設けられるのではなく、支持部２２の内部に設けられている。
【００４１】
吸音部３９は、金属、ガラス、セラミック、フェライトなどの部材に複数の空気又は真空などの空間を多層状で、かつ迷路状に混在させた部材、又はこのような部材に、タングステンや白金などの金属粉体など音響特性の異なる物質の粉体を混在させた部材などが好ましい。
【００４２】
次に、本実施例の超音波探触子１の動作について図１３を用いて説明する。ここでは、吸音部３９として、シリコンナイトライド４０にタングステン粉体４１を混在した部材を使用した場合を例に説明する。実施例１と同様に、超音波の送受波の際に振動膜２０が振動することにより超音波が支持部２２に伝播し、矢印４２に示すように吸音部３９に入射する。吸音部３９に入射した超音波は、吸音部３９内部のタングステン粉体４１に入射すると、図に示すように四方八方へ反射して散乱する。吸音部３９の内部でこのような散乱を繰り返すうちに、超音波の機械的エネルギーは熱エネルギーへと変換され、その結果、超音波は吸音部３９の内部で吸音される。つまり、吸音部３９に入射した超音波は、実質的に減衰される。
【００４３】
これにより、超音波が基板１５に伝播するのを抑制することができ、プレート波の発生を抑制することができる。また、実施例１と同様に、抑制しきれずに基板１５へ伝播した超音波が多重反射してプレート波が発生し、基板１５から隣接する振動要素に伝播しようとするが、吸音部３９内部で上記と同様に吸音されるので、隣接する振動要素の振動膜に伝播するプレート波を抑制することができる。
【００４４】
なお、本実施例による超音波の伝播抑制の効果は、吸音部３９の厚みが大きければ大きいほど増大する。したがって、本実施例のような吸音部３９の配置に限らず、例えば、支持部２２全体を吸音部３９で形成することもできるし、多層状に形成することもできる。
【実施例３】
【００４５】
本発明の実施例３を、図１４を用いて説明する。実施例１の超音波探触子２との違いは、支持部２２の内部の低音響インピダンス部２５及び吸音部３９の構成のみであるので、重複部分の説明は省略する。図１４は、図４の振動要素１６の支持部２２とその周辺部材の断面を拡大した図である。本実施例は、実施例１と実施例２の組み合わせであり、具体的には、図１４に示すように、実施例１で説明した低音響インピダンス部２５を基板１５に隣接して設け、実施例２で説明した吸音部３９を支持部２２の内部に設けている。つまり、支持部２２の内部に、超音波又はプレート波の伝播方向に沿って低音響インピダンス部２５及び吸音部３９が設けられている。
【００４６】
本実施例によれば、支持部２２の内部を伝播する超音波又はプレート波をより効果的に抑制することができ、振動膜の振動により隣接する振動要素相互間に生じる干渉をより効果的に抑制することができる。
【実施例４】
【００４７】
本発明の実施例４を図１５、図１６を用いて説明する。実施例１の超音波探触子１との違いは、振動要素１６と基板１５との間にベース膜４５を設ける点と、低音響インピダンス部２５の配置位置のみであるので、重複部分の説明は省略する。図１５は、本実施例の振動要素１６とベース膜４５と基板１５の断面を拡大した図である。図１５に示すように、基板１５上にベース膜４５が設けられ、ベース膜４５上に振動要素１６が設けられている。そして、低音響インピダンス部２５は、ベース膜４５の内部に、支持部２２の下部から空間２１の下部に渡って設けられている。ここで、ベース膜４５は、振動膜２０や支持部２２と同様に、シリコンナイトライドなどのガラス、又はセラミックなどの部材であるのが好ましい。
【００４８】
本実施例によれば、空間２１と低音響インピダンス部２５を異なる層に設けているので、空間２１の厚みと低音響インピダンス部２５の厚みを異ならせたり、形状を異ならせたりすることができ、また、本実施例のように、空間２１と低音響インピダンス部２５を上下方向に一部重複させて設けることができる。これにより、超音波やプレート波をより確実に低音響インピダンス部２５に入射させることができるので、振動膜の振動により隣接する振動要素相互間 に生じる干渉をより効果的に抑制することができる。
【００４９】
なお、実施例１で説明したのと同様に、本実施例においても、低音響インピダンス部２５の形状、大きさ及び配置位置などは、超音波伝播の抑制能力及び支持強度などを考慮して適宜決定すればよい。
【００５０】
また、図１６に示すように、支持部２２の下部のベース膜４５に低音響インピダンス部２５を設けるのみではなく、ベース膜４５の振動要素１６ａが設けられていない箇所にも低音響インピダンス部２５を設けることにより、被検体側からみた支持部２２及び基板１５の音響インピダンスを低くすることができる。これにより、支持部２２と基板１５の音響インピダンスは、被検体のそれと近づくので、被検体から反射してきた超音波（図１６において、矢印４８方向）が、支持部２２や基板１５で反射するのを抑制できる。つまり、被検体の音響インピダンスは、例えば約１．５（ＭＲａｙｌｓ）であるのに対し、支持部２２及び基板１５の音響インピダンスは、例えば約２０（ＭＲａｙｌｓ）であるので、低音響インピダンス部２５を設けない場合は、実施例１において説明したように音響インピダンスの比率の違いにより、被検体から反射してきた超音波４８が支持部２２及び基板１５でほとんど反射してしまう。しかし、本実施例のようにベース膜４５を設けることで、振動要素１６が設けられている場所に限らず、振動要素１６が設けられていない場所でも被検体から反射してきた超音波が再度反射することを抑制することができる。
【００５１】
また、実施例１〜実施例３においても、同様に被検体からみた支持部２２の音響インピダンスを低くして、被検体から反射してきた超音波が支持部２２で反射するのを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】実施例１における超音波探触子及び超音波診断装置の構成を示す図である。
【図２】実施例１における超音波探触子の斜視図である。
【図３】実施例１における振動子の拡大斜視図である。
【図４】実施例１における振動子の基板及び基板上に設けられた振動要素の縦断面図である。
【図５】実施例１における振動要素の支持部とその周辺の断面を拡大した図である。
【図６】図５における振動要素のVI−VI線での断面図である。
【図７】実施例１における超音波探触子の動作例を説明する図である。
【図８】実施例１における超音波探触子の動作例を説明する図である。
【図９】実施例１における超音波探触子の動作例を説明する図である。
【図１０】実施例１における超音波探触子の動作例を説明する図である。
【図１１】実施例１における振動要素の遮音部の配置変形例を示す図である。
【図１２】実施例２における振動要素の支持部とその周辺の断面を拡大した図である。
【図１３】実施例２における超音波探触子の動作例を説明する図である。
【図１４】実施例３における振動要素の支持部とその周辺の断面を拡大した図である。
【図１５】実施例４における振動要素とベース膜と基板の断面を拡大した図である。
【図１６】実施例４の超音波探触子の動作例を説明する図である。
【符号の説明】
【００５３】
１ 超音波診断装置
２ 超音波探触子
１２ 振動子
１５ 基板
１６ 振動要素
２０ 振動膜
２１ 空間
２２ 支持部
２５ 低音響インピダンス部
３９ 吸音部
４１ タングステン粉体
４５ ベース膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波と電気信号を相互に変換する振動子を複数配列してなり、前記振動子は、基板と、該基板上に設けられた複数の振動要素を備え、前記振動要素は、前記基板上に設けられた振動膜と、該振動膜と前記基板との間に空間を形成して前記振動膜を支持する支持部とを備え、前記支持部の内部に、前記振動膜と前記基板との間を伝播する超音波を抑制する遮音部が設けられてなることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
前記遮音部は、前記基板に隣接して設けられてなることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
【請求項３】
前記遮音部は、前記支持部と前記基板のいずれよりも低い音響インピダンスを有する低音響インピダンス部、又は前記超音波を吸音する吸音部であることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波探触子。
【請求項４】
前記低音響インピダンス部は、空間、又は金属、ガラス、セラミック、フェライトを基材とする多孔質部材であることを特徴とする請求項３に記載の超音波探触子。
【請求項５】
前記吸音部は、金属、ガラス、セラミック、フェライトを基材とする多孔質部材、又は前記多孔質部材に金属の粉体を混在させた部材であることを特徴とする請求項３に記載の超音波探触子。
【請求項６】
超音波と電気信号を相互に変換する振動子を複数配列してなり、前記振動子は、基板と、該基板上に設けられた複数の振動要素を備え、前記振動要素は、前記基板上に設けられた振動膜と、該振動膜と前記基板との間に空間を形成して前記振動膜を支持する支持部とを備え、前記支持部の内部の前記基板側に、前記支持部と、前記基板のいずれよりも低い音響インピダンスを有する低音響インピダンス部が設けられ、前記支持部の内部であって前記低音響インピダンス部の前記基板に対向する側に、前記振動膜と前記基板との間を伝播する超音波を吸音する吸音部が設けられてなることを特徴とする超音波探触子。
【請求項７】
超音波と電気信号を相互に変換する振動子を複数配列してなり、前記振動子は、基板と、該基板上に設けられたベース膜と、該ベース膜上に設けられた複数の振動要素を備え、前記振動要素は、前記ベース膜上に設けられた振動膜と、該振動膜と前記ベース膜との間に空間を形成して前記振動膜を支持する支持部とを備え、前記ベース膜の内部に、前記振動膜と前記基板との間を伝播する超音波を抑制する遮音部が設けられてなることを特徴とする超音波探触子。
【請求項８】
前記遮音部は、前記ベース膜の前記支持部と前記基板に挟まれた部分に設けられ、前記遮音部の端部は、前記振動膜と前記ベース膜との間に形成された空間の下部にまで伸長されてなることを特徴とする請求項７に記載の超音波探触子。
【請求項１】
超音波と電気信号を相互に変換する振動子を複数配列してなり、前記振動子は、基板と、該基板上に設けられた複数の振動要素を備え、前記振動要素は、前記基板上に設けられた振動膜と、該振動膜と前記基板との間に空間を形成して前記振動膜を支持する支持部とを備え、前記支持部の内部に、前記振動膜と前記基板との間を伝播する超音波を抑制する遮音部が設けられてなることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
前記遮音部は、前記基板に隣接して設けられてなることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
【請求項３】
前記遮音部は、前記支持部と前記基板のいずれよりも低い音響インピダンスを有する低音響インピダンス部、又は前記超音波を吸音する吸音部であることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波探触子。
【請求項４】
前記低音響インピダンス部は、空間、又は金属、ガラス、セラミック、フェライトを基材とする多孔質部材であることを特徴とする請求項３に記載の超音波探触子。
【請求項５】
前記吸音部は、金属、ガラス、セラミック、フェライトを基材とする多孔質部材、又は前記多孔質部材に金属の粉体を混在させた部材であることを特徴とする請求項３に記載の超音波探触子。
【請求項６】
超音波と電気信号を相互に変換する振動子を複数配列してなり、前記振動子は、基板と、該基板上に設けられた複数の振動要素を備え、前記振動要素は、前記基板上に設けられた振動膜と、該振動膜と前記基板との間に空間を形成して前記振動膜を支持する支持部とを備え、前記支持部の内部の前記基板側に、前記支持部と、前記基板のいずれよりも低い音響インピダンスを有する低音響インピダンス部が設けられ、前記支持部の内部であって前記低音響インピダンス部の前記基板に対向する側に、前記振動膜と前記基板との間を伝播する超音波を吸音する吸音部が設けられてなることを特徴とする超音波探触子。
【請求項７】
超音波と電気信号を相互に変換する振動子を複数配列してなり、前記振動子は、基板と、該基板上に設けられたベース膜と、該ベース膜上に設けられた複数の振動要素を備え、前記振動要素は、前記ベース膜上に設けられた振動膜と、該振動膜と前記ベース膜との間に空間を形成して前記振動膜を支持する支持部とを備え、前記ベース膜の内部に、前記振動膜と前記基板との間を伝播する超音波を抑制する遮音部が設けられてなることを特徴とする超音波探触子。
【請求項８】
前記遮音部は、前記ベース膜の前記支持部と前記基板に挟まれた部分に設けられ、前記遮音部の端部は、前記振動膜と前記ベース膜との間に形成された空間の下部にまで伸長されてなることを特徴とする請求項７に記載の超音波探触子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【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】
【公開番号】特開２００７−３０１０２３（Ｐ２００７−３０１０２３Ａ）
【公開日】平成１９年１１月２２日（２００７．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１３０５３８（Ｐ２００６−１３０５３８）
【出願日】平成１８年５月９日（２００６．５．９）
【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１９年１１月２２日（２００７．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月９日（２００６．５．９）
【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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