Ultrasonic transducer device, head unit, probe, and ultrasonic image apparatus

本発明は、超音波トランスデューサーデバイス、ヘッドユニット、プローブ及び超音波画像装置等に関する。

プローブ先端から対象物に向かって超音波を出射し、その対象物から反射された超音波を検出する超音波画像装置（例えば特許文献１）が知られている。 例えば、患者の体内を映像化して診断に用いる超音波診断装置などとして用いられている。 超音波を送信・受信する超音波トランスデューサー素子として、例えば圧電素子が用いられている。

特許文献１の超音波プローブでは、超音波トランスデューサー素子を並べた超音波トランスデューサーアレイを用いた超音波の送受信で、送信時と受信時において超音波トランスデューサー素子の接続関係を直列と並列との間でスイッチ回路によって切り替えることにより送受信の感度を向上させている。 しかしながら、切り替えのためのスイッチ回路やそのための配線が複雑になるという課題がある。

本発明の幾つかの態様によれば、切り替えスイッチを用いずに送受信の感度を向上できる超音波トランスデューサーデバイス、ヘッドユニット、プローブ及び超音波画像装置等を提供できる。

本発明の一態様は、第１の素子群〜第ｋの素子群（ｋはｋ≧２の自然数）を有する超音波トランスデューサー素子アレイと、信号の受信及び送信の少なくとも一方を行う制御部に接続される第１信号端子と、前記第１信号端子と前記超音波トランスデューサー素子アレイを介して接続される第２信号端子と、を含み、前記第１の素子群〜前記第ｋの素子群の各素子群に含まれる複数の超音波トランスデューサー素子は、前記各素子群内において電気的に直列接続され、前記第１の素子群〜前記第ｋの素子群は、前記第１信号端子と前記第２信号端子との間に電気的に並列接続される超音波トランスデューサーデバイスに関係する。

本発明の一態様によれば、第１の素子群〜第ｋの素子群が第１信号端子と第２信号端子との間に電気的に並列接続され、その各素子群に含まれる複数の超音波トランスデューサー素子は、各素子群内において電気的に直列接続される。 これにより、切り替えスイッチを用いずに超音波の送受信の感度を向上することが可能となる。

また本発明の一態様では、前記第１信号端子は、信号の受信及び送信を行う前記制御部に接続されていてもよい。

このようにすれば、制御部が、第１信号端子を介して信号の受信及び送信を行うことができ、超音波の送受信を行うことが可能となる。

また本発明の一態様では、電気的に直列接続される前記複数の超音波トランスデューサー素子は、スキャン方向である第１の方向に並んで配置されていてもよい。

このようにすれば、スキャン方向である第１の方向に並んで配置される複数の超音波トランスデューサー素子から同一位相・同一振幅の超音波を出射することが可能となるので、スキャン方向におけるビームプロファイルを改善することが可能となる。

また本発明の一態様では、前記第１の素子群〜前記第ｋの素子群は、前記第１の方向に交差する第２の方向に並んで配置されていてもよい。

このようにすれば、第１の方向に交差する第２の方向に並んで配置された第１の素子群〜第ｋの素子群によってチャンネルを構成でき、そのチャンネルを複数配置して送受信を制御することによりスキャン動作を行うことが可能となる。

また本発明の一態様では、前記各素子群は、前記複数の超音波トランスデューサー素子として第１の超音波トランスデューサー素子〜第ｊの超音波トランスデューサー素子を有し、前記第１の超音波トランスデューサー素子〜前記第ｊの超音波トランスデューサー素子の各超音波トランスデューサー素子は、第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極の間に設けられるトランスデューサー部と、を有し、前記第１の超音波トランスデューサー素子の前記第１の電極は、前記第１信号端子に接続され、前記第１の超音波トランスデューサー素子の前記第２の電極は、前記第１の超音波トランスデューサー素子〜前記第ｊの超音波トランスデューサー素子のうち第２の超音波トランスデューサー素子の前記第１の電極に接続されてもよい。

また本発明の一態様では、前記第１の超音波トランスデューサー素子〜前記第ｊの超音波トランスデューサー素子のうち第ｊ−１の超音波トランスデューサー素子の前記第２の電極は、前記第ｊの超音波トランスデューサー素子の前記第１の電極に接続され、前記第ｊの超音波トランスデューサー素子の前記第２の電極は、前記第２信号端子に接続されてもよい。

このようにすれば、第１の超音波トランスデューサー素子〜第ｊの超音波トランスデューサー素子を第１信号端子と第２信号端子との間に直列接続できる。 また、第１信号端子と第１の電極を接続する配線の抵抗や第２信号端子と第２の電極を接続する配線の抵抗により送信信号の位相遅延が生じる可能性があるが、本発明の一態様によれば、第１信号端子と第２信号端子との間に複数の超音波トランスデューサー素子が直列接続されるため、素子群内での位相遅延を抑制できる。

また本発明の一態様では、前記第１の方向に交差する第２の方向に形成され、前記第１信号端子に接続される第１信号電極線と、前記第２の方向に形成され、前記第２信号端子に接続される第２信号電極線と、を含み、前記第１の素子群〜前記第ｋの素子群は、前記第１信号電極線と前記第２信号電極線との間に共通接続されてもよい。

このようにすれば、第１の方向に交差する第２の方向に形成される信号電極線とコモン電極線との間に、第２の方向に配置される複数の素子群を接続できる。 これにより、チャンネルの素子群を効率よくレイアウト配置することが可能となる。

また本発明の一態様では、スキャン方向である第１の方向に交差する第２の方向に並んで配置されている前記第１の素子群〜前記第ｋの素子群と、前記第１信号端子と、前記第２信号端子とを含んで構成されるチャンネルが、前記第１の方向に並んで２つ配置され、前記制御部は、前記２つのチャンネルの各チャンネルの前記第１信号端子に対して前記信号の受信及び送信の少なくとも一方を行ってもよい。

このようにすれば、第１の素子群〜第ｋの素子群と第１信号端子と第２信号端子とを含んで構成されるチャンネルが少なくとも２つ配置される。 これにより、複数のチャンネルを１つの共通の第２信号端子に接続した場合に比べて電極線の配線抵抗を低減でき、電極線の配線抵抗による送信信号の遅延等を抑制できる。 また、各チャンネルで第２信号端子を分けることで、第２信号端子やそれに接続する第２電極線を介したチャンネル間のクロストークを抑制できる。

また本発明の他の態様は、超音波トランスデューサー素子アレイと、信号の受信及び送信の少なくとも一方を行う制御部に接続される第１信号端子と、前記第１信号端子と前記超音波トランスデューサー素子アレイを介して接続される第２信号端子と、を含み、前記超音波トランスデューサー素子アレイは、１又は複数の素子群を有し、前記１又は複数の素子群の各素子群は、スキャン方向である第１の方向に並んで配置される、電気的に直列接続される複数の超音波トランスデューサー素子を有する超音波トランスデューサーデバイスに関係する。

また本発明の更に他の態様は、複数の超音波トランスデューサー素子が電気的に直列接続されている第１の素子群と、複数の超音波トランスデューサー素子が電気的に直列接続されている第２の素子群と、前記第１の素子群と前記第２の素子群を電気的に並列接続する接続配線と、を含む超音波トランスデューサーデバイスに関係する。

また本発明の更に他の態様は、プローブのヘッドユニットであって、上記のいずれかに記載された超音波トランスデューサーデバイスを含み、前記プローブのプローブ本体に対して着脱可能であるヘッドユニットに関係する。

また本発明の更に他の態様では、前記超音波トランスデューサーデバイスの一端に設けられ、前記超音波トランスデューサーデバイスの前記一端に配置される前記第１信号端子及び前記第２信号端子に接続される配線群を有する第１のフレキシブル基板を含んでもよい。

また本発明の更に他の態様では、前記超音波トランスデューサーデバイスの他端に設けられ、前記超音波トランスデューサーデバイスの前記他端に配置される前記第１信号端子及び前記第２信号端子に接続される配線群を有する第２のフレキシブル基板を含んでもよい。

このようにすれば、第１のフレキシブル基板及び第２のフレキシブル基板を介して超音波トランスデューサーデバイスの一端及び他端から送信信号を供給できる。 これにより、超音波トランスデューサーデバイスの一端のみから送信信号を供給した場合に比べて、スライス方向におけるビームプロファイルの偏りを抑制できる。

また本発明の更に他の態様は、上記のいずれかに記載された超音波トランスデューサーデバイスを含むプローブに関係する。

また本発明の更に他の態様は、上記に記載されたプローブと、表示用画像データを表示する表示部と、を含む超音波画像装置に関係する。

図１（Ａ）〜図１（Ｃ）は、超音波トランスデューサー素子の構成例。

超音波トランスデューサーデバイスの構成例。

チャンネル素子群の構成例。

チャンネル素子群のレイアウト構成例の平面視図。

図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、チャンネル素子群のレイアウト構成例の断面図。

チャンネル素子群の変形例。

ヘッドユニットの構成例。

図８（Ａ）〜図８（Ｃ）は、ヘッドユニットの詳細な構成例。

図９（Ａ）、図９（Ｂ）は、超音波プローブの構成例。

超音波画像装置の構成例。

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。 なお以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

１． 超音波トランスデューサー素子 図１（Ａ）〜図１（Ｃ）に、本実施形態の超音波トランスデューサーデバイスに適用される超音波トランスデューサー素子１０の構成例を示す。 この超音波トランスデューサー素子１０は、振動膜５０（メンブレン、支持部材）、第１電極層２１（下部電極層）、圧電体層３０（圧電体膜）、第２電極層２２（上部電極層）を含む。

超音波トランスデューサー素子１０は、基板６０に形成される。 基板６０は例えばシリコン基板である。 図１（Ａ）は、超音波トランスデューサー素子１０を、素子形成面側の基板６０に垂直な方向から見た平面図である。 図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡＡ'に沿った断面を示す断面図である。 図１（Ｃ）は、図１（Ａ）のＢＢ'に沿った断面を示す断面図である。

第１電極層２１は、振動膜５０の上層に例えば金属薄膜で形成される。 この第１電極層２１は、図１（Ａ）に示すように素子形成領域の外側へ延長され、隣接する超音波トランスデューサー素子１０に接続される配線であってもよい。

圧電体層３０は、例えばＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）薄膜により形成され、第１電極層２１の少なくとも一部を覆うように設けられる。 なお、圧電体層３０の材料は、ＰＺＴに限定されるものではなく、例えばチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ _３ ）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ _３ ）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ、Ｌａ）ＴｉＯ _３ ）などを用いてもよい。

第２電極層２２は、例えば金属薄膜で形成され、圧電体層３０の少なくとも一部を覆うように設けられる。 この第２電極層２２は、図１（Ａ）に示すように素子形成領域の外側へ延長され、隣接する超音波トランスデューサー素子１０に接続される配線であってもよい。

第１電極層２１のうちの圧電体層３０に覆われた部分及び第２電極層２２のうちの圧電体層３０を覆う部分の一方が第１の電極を形成し、他方が第２の電極を形成する。 圧電体層３０は、第１の電極と第２の電極に挟まれて設けられている。 これらの第１の電極、第２の電極、圧電体層３０を圧電素子部とも呼ぶ。

振動膜５０は、例えばＳｉＯ _２薄膜とＺｒＯ _２薄膜との２層構造により開口４０を塞ぐように設けられる。 この振動膜５０は、圧電体層３０及び第１電極層２１、第２電極層２２を支持すると共に、圧電体層３０の伸縮に従って振動し、超音波を発生させることができる。

開口４０（空洞領域）は、基板６０の裏面（素子が形成されない面）側から反応性イオンエッチング（RIE: Reactive Ion Etching）等によりエッチングすることで形成される。 この開口４０の形成によって振動可能になった振動膜５０のサイズによって超音波の共振周波数が決定され、その超音波は圧電体層３０側（図１（Ａ）において紙面奥から手前方向）に放射される。

圧電体層３０は、第１の電極と第２の電極との間、即ち第１電極層２１と第２電極層２２との間に電圧が印加されることで、面内方向に伸縮する。 超音波トランスデューサー素子１０は、薄手の圧電素子（圧電体層３０）と金属板（振動膜５０）を貼り合わせたモノモルフ（ユニモルフ）構造を用いており、圧電体層３０が面内で伸び縮みすると貼り合わせた振動膜５０の寸法はそのままであるため反りが生じる。 圧電体層３０に交流電圧を印加することで、振動膜５０が膜厚方向に対して振動し、この振動膜５０の振動により超音波が放射される。 この圧電体層３０に印加される電圧は、例えば１０〜３０Ｖであり、周波数は例えば１〜１０ＭＨｚである。

上記のように超音波トランスデューサー素子１０を構成することにより、バルク型の超音波トランスデューサー素子に比べて素子を小型化できるため、素子ピッチを狭くすることができる。 これにより、グレーティングローブの発生を抑制できる。 また、バルク型の超音波トランスデューサー素子に比べて小さい電圧振幅で駆動できるため、低耐圧の回路素子で駆動回路を構成できる。

２． 超音波トランスデューサーデバイス 図２に、本実施形態の超音波トランスデューサーデバイス２００の構成例を示す。 超音波トランスデューサーデバイス２００としては上述したような圧電素子（薄膜圧電素子）を用いるタイプのトランスデューサーを採用できるが、本実施形態はこれに限定されない。 例えばｃ-ＭＵＴ（Capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducers）などの容量性素子を用いるタイプのトランスデューサーを採用してもよい。

なお以下では、送受信チャンネルが第１〜第６４チャンネルで構成される場合を例に説明するが、本実施形態はこれに限定されず、ｎ＝６４以外の第１〜第ｎチャンネルで構成されてもよい。 また以下では、信号電極線及びコモン電極線の両端に端子が接続される場合を例に説明するが、本実施形態はこれに限定されず、信号電極線及びコモン電極線の一端のみに端子が接続されてもよい。 また以下では、信号端子とコモン端子との間に素子群が接続される場合を例に説明するが、本実施形態はこれに限定されない。 即ち、２つの信号端子の間に素子群を接続し、その２つの信号端子に例えば逆位相の信号を供給してもよい。

超音波トランスデューサーデバイス２００は、基板６０と、基板６０に形成された超音波トランスデューサー素子アレイ１００と、基板６０に形成された信号端子ＸＡ１〜ＸＡ６４及び信号端子ＸＢ１〜ＸＢ６４と、基板６０に形成されたコモン端子ＣＡ１〜ＣＡ６４（広義には信号端子）及びコモン端子ＣＢ１〜ＣＢ６４（広義には信号端子）と、基板６０に形成された信号電極線ＬＳ１〜ＬＳ６４と、基板６０に形成されたコモン電極線ＬＣ１〜ＬＣ６４（広義には信号電極線）と、を含む。

スライス方向ＤＬにおける超音波トランスデューサー素子アレイ１００の一方の端部には、信号端子ＸＡ１〜ＸＡ６４及びコモン端子ＣＡ１〜ＣＡ６４が配置され、他方の端部には、信号端子ＸＢ１〜ＸＢ６４及びコモン端子ＣＢ１〜ＣＢ６４が配置される。 例えば、基板６０は、スキャン方向ＤＳを長辺方向とする矩形であり、その矩形の一方の長辺に沿って信号端子ＸＡ１〜ＸＡ６４及びコモン端子ＣＡ１〜ＣＡ６４が交互に配置され、他方の長辺に沿って信号端子ＸＢ１〜ＸＢ６４及びコモン端子ＣＢ１〜ＣＢ６４が交互に配置される。

ここで、スキャン方向ＤＳ及びスライス方向ＤＬは、基板６０の平面上における方向を表す。 スキャン方向ＤＳとは、例えばセクタースキャンやリニアスキャン等のスキャン動作において超音波ビームをスキャンする方向に対応する。 スライス方向ＤＬとは、スキャン方向ＤＳに交差（例えば直交）する方向であり、例えば超音波ビームをスキャンして断層画像を得る場合、その断層に直交する方向に対応する。

信号電極線ＬＳ１〜ＬＳ６４及びコモン電極線ＬＣ１〜ＬＣ６４は、スキャン方向ＤＳに沿って交互に配置される。 各信号電極線ＬＳｉと各コモン電極線ＬＣｉは、スライス方向ＤＬに沿って配線される（ｉはｎ＝６４以下の自然数）。 信号電極線ＬＳｉの一端には信号端子ＸＡｉが接続され、他端には信号端子ＸＢｉが接続される。 コモン電極線ＬＣｉの一端にはコモン端子ＣＡｉが接続され、他端にはコモン端子ＣＢｉが接続される。

超音波トランスデューサー素子アレイ１００は、スキャン方向ＤＳに沿って配置されるチャンネル素子群ＣＨ１〜ＣＨ６４を含む。 各チャンネル素子群ＣＨｉは、電気的に接続された複数の超音波トランスデューサー素子１０で構成され、信号電極線ＬＳｉ及びコモン電極線ＬＣｉに接続されている。 チャンネル素子群ＣＨｉの詳細な構成については後述する。

１つの送受信チャンネルは、信号端子ＸＡｉ、ＸＢｉと信号電極線ＬＳｉとチャンネル素子群ＣＨｉとコモン電極線ＬＣｉとコモン端子ＣＡｉ、ＣＢｉとにより構成される。 即ち、信号端子ＸＡｉ、ＸＢｉに送信信号（例えば同一位相・同一振幅の電圧パルス）が供給されると、その送信信号をチャンネル素子群ＣＨｉの超音波トランスデューサー素子１０が超音波に変換し、超音波が出射される。 そして、対象物が反射した超音波エコーを超音波トランスデューサー素子１０が受信信号（例えば電圧信号）に変換し、その受信信号が信号端子ＸＡｉ、ＸＢｉから出力される。 なお、コモン端子ＣＡｉ、ＣＢｉにはコモン電圧（例えば一定の電圧）が供給される。

３． チャンネル素子群 さて、超音波エコーを高感度に検出するためには、送信音圧の増加及び受信感度の向上の少なくとも一方を行う必要がある。

送信音圧を増加する手法として、信号端子ＸＡｉ（及びＸＢｉ）とコモン端子ＣＡｉ（及びＣＢｉ）との間に複数の超音波トランスデューサー素子１０を並列に接続することが考えられる。 並列接続した場合、端子ＸＡｉ、ＣＡｉの間の送信電圧が複数の超音波トランスデューサー素子１０に印加されるので、超音波トランスデューサー素子１０が１個の場合に比べて送信音圧を上げることができる。

しかしながら、並列接続の場合には、各超音波トランスデューサー素子１０の受信電圧の振幅が加算されずに端子ＸＡｉに出力されるため、受信感度の向上は期待できない。 例えば体の深部を観察するためには微弱なエコーを受信する必要があり、受信におけるＳ／Ｎを上げる必要がある。 また、人体への影響等を考慮すると送信音圧には上限があるため、受信感度を上げることが必要となる。

受信感度を向上させる手法としては、信号端子ＸＡｉ（及びＸＢｉ）とコモン端子ＣＡｉ（及びＣＢｉ）との間に複数の超音波トランスデューサー素子１０を直列に接続することが考えられる。 直列接続した場合、各超音波トランスデューサー素子１０の端子間の受信電圧が加算されて端子ＸＡｉに出力されるため、受信感度を向上できる。

しかしながら、送信電圧が電圧分割されて複数の超音波トランスデューサー素子１０に印加されるため、送信音圧の向上は期待できない。 このように、送信音圧と受信感度の双方を上げ、全体として送受信の感度を向上させることは困難であるという課題がある。

図３に、上記のような課題を解決できる本実施形態のチャンネル素子群ＣＨｉの構成例を示す。 チャンネル素子群ＣＨｉは、信号電極線ＬＳｉとコモン電極線ＬＣｉとの間に並列接続される素子群ＥＧ１〜ＥＧｋ（ｋはｋ≧２の自然数）を含む。 なお以下ではｋ＝４である場合を例に説明するが、本実施形態はこれに限定さない。

素子群ＥＧ１〜ＥＧ４の各素子群は、直列接続されたｊ個の超音波トランスデューサー素子１０（ｊはｊ≧２の自然数）を有する。 なお以下ではｊ＝３である場合を例に説明するが、本実施形態はこれに限定さない。 具体的には、素子群ＥＧｔ（ｔはｔ≦４＝ｋの自然数）は、信号電極線ＬＳｉとノードＮＡｔ１との間に設けられる超音波トランスデューサー素子ＵＥｔ１と、ノードＮＡｔ１とノードＮＡｔ２との間に設けられる超音波トランスデューサー素子ＵＥｔ２と、ノードＮＡｔ２とコモン電極線ＬＣｉの間に設けられる超音波トランスデューサー素子ＵＥｔ３と、を有する。

各素子群ＥＧｔの超音波トランスデューサー素子ＵＥｔ１〜ＵＥｔ３は、スキャン方向ＤＳに沿って配置されており、素子群ＥＧ１〜ＥＧ４は、スライス方向ＤＬに沿って配置されている。 具体的には、素子群ＥＧ１〜ＥＧ４の第ｓの超音波トランスデューサー素子ＵＥ１ｓ、ＵＥ２ｓ、ＵＥ３ｓ、ＵＥ４ｓ（ｓはｓ≦３＝ｊの自然数）は、スライス方向ＤＬに沿って配置されている。

なお本実施形態では、超音波トランスデューサー素子ＵＥ１ｓ、ＵＥ２ｓ、ＵＥ３ｓ、ＵＥ４ｓがスライス方向ＤＬに沿って一直線に並ぶ場合に限定されず、例えば一直線に対して交互にずれて配置されてもよい（例えばＵＥ１ｓ、ＵＥ３ｓが紙面右にずれ、ＵＥ２ｓ、ＵＥ４ｓが紙面左にずれてもよい）。 また、各素子群が有する超音波トランスデューサー素子の数は同数のｊ個に限定されず、素子群ごとに超音波トランスデューサー素子の数が異なってもよい。

４． レイアウト構成 図４〜図５（Ｂ）に、上記チャンネル素子群ＣＨｉのレイアウト構成例を示す。 図４は、超音波出射方向側から基板６０の厚み方向に見たときの平面視図である。 図５（Ａ）は、図４のＡＡ'断面における断面図であり、図５（Ｂ）は、図４のＢＢ'断面における断面図である。 なお簡単のため、以下では２つの素子群ＥＧ１、ＥＧ２のみについて説明するが、素子群ＥＧ３、ＥＧ４についても同様である。

まず、各素子群のレイアウト構成について素子群ＥＧ２を例にとり説明する。 素子群ＥＧ２は、第１電極層７１ａ、７２ａ〜７２ａ”、７３ａ〜７３ａ”、７４ａ、第２電極層８１ａ〜８３ａ、圧電体層９１ａ〜９３ａで構成される。 これらの構成要素は、図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示すように振動膜５０の上に配置されている。 ここで「上」とは、基板６０の厚み方向のうち超音波出射方向に基板６０から遠ざかる方向である。

図４に示すように、平面視において、矩形の第１電極層７１ａ〜７３ａがスキャン方向ＤＳに沿って配置されており、その矩形の長辺がスライス方向ＤＬに沿うように配置されている。 圧電体層９１ａ〜９３ａは、スキャン方向ＤＳに沿って等間隔に、第１電極層７１ａ〜７３ａの上を覆うように配置されている。 圧電体層９１ａ〜９３ａは、平面視において矩形であり、その矩形の長辺がスライス方向ＤＬに沿うように配置されている。 第２電極層８１ａ〜８３ａは、圧電体層９１ａ〜９３ａの上を覆うように配置されており、圧電体層９１ａ〜９３ａにより第１電極層７１ａ〜７３ａと絶縁されている。

これらの圧電体層９１ａ〜９３ａ及びその上下の電極層は、素子群ＥＧ２の超音波トランスデューサー素子ＵＥ２１〜ＵＥ２３に対応する。 素子ＵＥ２１の第１電極層７１ａは、信号電極線ＬＳｉに対応している。 また、素子ＵＥ２１の第２電極層８１ａは、矩形の長辺がスライス方向ＤＬに沿うように配置された第１電極層７２ａ”の上に配置されており、第１電極層７２ａ”は第１電極層７２ａ'により素子ＵＥ２２の第１電極層７２ａに接続されている。 即ち、素子ＵＥ２１の第２電極層８１ａと素子ＵＥ２２の第１電極層７２ａは導通している。 同様に、素子ＵＥ２２の第２電極層８２ａと素子ＵＥ２３の第１電極層７３ａは導通している。 素子ＵＥ２３の第２電極層８３ａは、長手方向がスライス方向ＤＬに沿うように配置された第１電極線７４ａの上に配置される。 この第１電極線７４ａは、コモン電極線ＬＣｉに対応する。 このように、素子ＵＥ２１〜ＵＥ２３が信号電極線ＬＳｉとコモン電極線ＬＣｉとの間に直列接続された構成となっている。

なお、第１電極層７１ａ、７１ｂ、第１電極層７２ａ〜７２ａ”、第１電極層７３ａ〜７３ａ”、第１電極層７２ｂ〜７２ｂ”、第１電極層７３ｂ〜７３ｂ”は、便宜的に分割したもの（図４において点線で示す）であり、それぞれ１つの電極層（実線で示す）で構成される。

直列接続された圧電体層９１ａ〜９３ａは、その電極層に挟まれた部分の面積が同一である。 この場合、圧電体層９１ａ〜９３ａを挟む電極間に印加される電圧は等しく、出射される超音波の位相や音圧も同一となる。 そのため、スキャン方向ＤＳに等間隔に配置された素子から同一位相・同一音圧の超音波が出射されることになるので、スキャン方向ＤＳにおけるビームプロファイルを向上できる。

より具体的に説明すると、例えば素子群ＥＧ１の素子ＵＥ１１〜ＵＥ１３が信号端子ＸＡｉとコモン端子ＣＡｉとの間に並列接続されていたとする。 この場合、各素子までの配線長（即ち配線抵抗）の違いなどによって送信信号の位相や振幅が各素子で異なる可能性がある。 そうすると、同一チャンネルの素子であるにも関わらず、位相や音圧の異なる超音波が出射されてしまう。 この点、本実施形態では直列接続により同一位相・同一音圧の超音波を出射できる。

次に、素子群ＥＧ１〜ＥＧ４のレイアウト構成について説明する。 素子群ＥＧ１〜ＥＧ４の素子ＵＥ１１〜ＵＥ４１の第１電極層（図４ではＥＧ１の７１ｂ、ＥＧ２の７１ａ）は、導通した１つの電極層又は電気的に接続された電極層であり、信号電極線ＬＳｉに対応する。 また、素子群ＥＧ１〜ＥＧ４の素子ＵＥ１３〜ＵＥ４３の第２電極層が接続される第１電極層（図４では７４ｂ、７４ａ）は、導通した１つの電極層又は電気的に接続された電極層であり、コモン電極線ＬＣｉに対応する。 即ち、素子群ＥＧ１〜ＥＧ４が信号電極線ＬＳｉとコモン電極線ＬＣｉとの間に並列接続された構成となっている。

素子群ＥＧ１〜ＥＧ４の素子ＵＥ１１〜ＵＥ４１の圧電体層（図４では９１ｂ、９１ａ）は、スライス方向ＤＬに沿って等間隔に配置されている。 同様に、素子ＵＥ１２〜ＵＥ４２の圧電体層（図４では９２ｂ、９２ａ）、素子ＵＥ１３〜ＵＥ４３の圧電体層（図４では９３ｂ、９３ａ）は、スライス方向ＤＬに沿って等間隔に配置されている。 即ち、スキャン方向ＤＳ及びスライス方向ＤＬに等間隔に３×４個の圧電体層が配置されており、その３×４個の超音波トランスデューサー素子により１チャンネルが構成されている。

なお、上記では平面視において圧電体層（９１ａ〜９３ａ等）が矩形であり、その矩形の長辺がスライス方向ＤＬに沿っている配置を例に説明したが、本実施形態はこれに限定されず、例えば圧電体層は正方形（略正方形）等であってもよい。

以上の実施形態によれば、超音波トランスデューサーデバイス２００は、第１〜第ｋの素子群（例えばＥＧ１〜ＥＧ４（ｋ＝４））を有する超音波トランスデューサー素子アレイ１００と、信号の受信及び送信の少なくとも一方を行う制御部（例えば図１０の処理装置３３０）に接続される第１信号端子（ＸＡｉ）と、第１信号端子（ＸＡｉ）と超音波トランスデューサー素子アレイ１００を介して接続される第２信号端子（ＣＡｉ）と、を含む。 第１〜第ｋの素子群の各素子群ＥＧｔに含まれる複数の超音波トランスデューサー素子（ＵＥｔ１〜ＵＥｔ３）は、各素子群ＥＧｔ内において電気的に直列接続される。 第１〜第ｋの素子群（ＥＧ１〜ＥＧ４）は、第１信号端子（ＸＡｉ）と第２信号端子（ＣＡｉ）との間に電気的に並列接続される。

このようにすれば、各素子群ＥＧｔの超音波トランスデューサー素子（ＵＥｔ１〜ＵＥｔ３）を直列接続することで、受信電圧の振幅を加算できるため、受信感度を向上できる。 また、素子群ＥＧ１〜ＥＧ４を端子ＸＡｉ、ＣＡｉの間に並列接続することで、送信音圧を大きくできる。 このようにして、送信音圧の増大と受信感度の向上を両立でき、送信超音波による人体への影響を抑えながら人体深部からの微小なエコーを高Ｓ／Ｎで受信することが可能となる。

ここで素子群とは、２つのノード間に電気的に接続されている複数の超音波トランスデューサー素子のことである。 その複数の超音波トランスデューサー素子は、直列に接続されてもよいし、並列に接続されてもよいし、或は直列及び並列の組み合わせで接続されてもよい。

また本実施形態では、電気的に直列接続される複数の超音波トランスデューサー素子（ＵＥｔ１〜ＵＥｔ３）は、スキャン方向ＤＳである第１の方向に並んで配置されている。

このようにすれば、図４等で説明したように、スキャン方向ＤＳにおけるビームプロファイルを改善することが可能となる。 即ち、スキャン方向ＤＳに沿って並ぶ複数の素子から同一位相・同一振幅の超音波を出射することが可能となる。

ここで、「第１の方向に並んで配置される」とは、例えば、第１の方向に沿って配置されることである。 例えば複数の超音波トランスデューサー素子が第１の方向に並んで配置される場合、複数の超音波トランスデューサー素子が第１の方向に沿った直線上に並ぶ場合に限らず、例えば複数の超音波トランスデューサー素子が第１の方向に沿った直線に対してジグザグに配置されてもよい。

また本実施形態では、第１〜第ｋの素子群（ＥＧ１〜ＥＧ４）は、第１の方向に交差（例えば直交）する第２の方向に沿って配置されている。 例えば本実施形態では、第２の方向はスライス方向ＤＬである。

このようにすれば、スライス方向ＤＬに沿って配置された第１〜第ｋの素子群（ＥＧ１〜ＥＧ４）によって１チャンネルを構成できる。 これにより、複数のチャンネルをスキャン方向に沿って配置し、その複数のチャンネルによる送受信を制御することによりスキャン動作を行うことが可能になる。

また本実施形態では、第２の方向に形成され、第１信号端子（ＸＡｉ）に接続される第１信号電極線（ＬＳｉ）と、第２の方向に形成され、第２信号端子（ＣＡｉ）に接続される第２信号電極線（ＬＣｉ）と、を含む。 第１〜第ｋの素子群（ＥＧ１〜ＥＧ４）は、第２信号電極線（ＬＳｉ）と第２信号電極線（ＬＣｉ）との間に共通接続される。 例えば本実施形態では、第２の方向はスライス方向ＤＬである。

このようにすれば、スライス方向ＤＬに沿って配線される第１信号電極線（ＬＳｉ）と第２信号電極線（ＬＣｉ）との間に、素子群（ＥＧ１〜ＥＧ４）をスライス方向ＤＬに沿って配置できる。 これにより、１チャンネルの素子群を効率よく配置することが可能となる。

例えば本実施形態では、第１信号電極線（ＬＳｉ）は第２の方向（スライス方向ＤＬ）に沿って延在形成される。 ここで延在とは、例えばＭＥＭＳプロセスや半導体プロセス等によって基板６０に導電層（配線層）が積層され、その導電層により少なくとも２点間（例えば超音波トランスデューサー素子から信号端子まで）が接続されていることである。

また本実施形態では、第２の方向（スライス方向ＤＬ）に並んで配置される第１〜第ｋの素子群（ＥＧ１〜ＥＧ４）と第１信号端子（ＸＡｉ）と第２信号端子（ＣＡｉ）とを含んで構成されるチャンネルが、スキャン方向ＤＳである第１の方向に並んで２つ（例えば図２のＣＨ１、ＣＨ２）配置される。 そして、制御部（例えば図１０の処理装置３３０）は、２つのチャンネルの各チャンネルの第１信号端子（ＸＡｉ）に対して信号の受信及び送信の少なくとも一方を行う。

このようにすれば、各チャンネルにコモン端子ＣＡｉが接続されるため、複数のチャンネルに共通のコモン端子を接続した場合に比べてコモン電極線ＬＣｉの配線抵抗を低減できる。 これにより、コモン電極線ＬＣｉの配線抵抗による送信信号の遅延や振幅低下を抑制できる。 また、各チャンネルでコモン端子ＣＡｉを分けることで、コモン端子ＣＡｉやコモン電極線ＬＣｉを介したチャンネル間のクロストークを抑制できる。

なお、上記の実施形態では１チャンネルに１本のコモン電極線が接続される場合を例に説明したが、本実施形態はこれに限定されず、１本のコモン電極線を複数のチャンネルで共有してもよい。

５． チャンネル素子群の変形例 以上の実施形態では、チャンネル素子群ＣＨｉが複数の素子群ＥＧ１〜ＥＧ４を含む場合を例に説明したが、本実施形態はこれに限定されず、チャンネル素子群ＣＨｉが１つの素子群のみを含んでもよい。 図６に、この場合のチャンネル素子群ＣＨｉの変形例を示す。

図６に示すチャンネル素子群ＣＨｉは、スキャン方向ＤＳに沿って配置される超音波トランスデューサー素子ＵＥ１〜ＵＥｊ（例えばｊ＝３）を含む。 超音波トランスデューサー素子ＵＥ１〜ＵＥ３は、信号電極線ＬＳｉとコモン電極線ＬＣｉとの間に直列接続される。 具体的には、ＵＥ１は信号電極線ＬＳｉとノードＮＢ１との間に接続され、ＵＥ２はノードＮＢ１とノードＮＢ２との間に接続され、ＵＥ３はノードＮＢ２とコモン電極線ＬＣｉとの間に接続される。

レイアウト構成については、図４等で説明した１つの素子群のレイアウト構成と同様に構成できる。

上記の変形例においても、図４等で説明したようなスキャン方向ＤＳにおけるビーム形状の改善を実現できる。 即ち、直列接続された複数の超音波トランスデューサー素子ＵＥ１〜ＵＥ３をスキャン方向ＤＳに沿って配置することで、スキャン方向ＤＳにおいて各超音波トランスデューサー素子の端子間に同一位相・同一振幅の送信電圧を印加できる。 これにより、同位相・同音圧の超音波が各超音波トランスデューサー素子から出射され、スキャン方向ＤＳにおいて理想的なビーム形状に近づけることが可能となる。

６． ヘッドユニット 図７に、本実施形態の超音波トランスデューサーデバイス２００が搭載されるヘッドユニット２２０の構成例を示す。 図７に示すヘッドユニット２２０は、超音波トランスデューサーデバイス２００（以下では「素子チップ」とも呼ぶ）、接続部２１０、支持部材２５０を含む。

素子チップ２００は、超音波トランスデューサー素子アレイ１００と、素子チップ２００の第１の辺側に設けられる第１のチップ端子群（信号端子ＸＡ１〜ＸＡ６４、コモン端子ＣＡ１〜ＣＡ６４）と、素子チップ２００の第２の辺側に設けられる第２のチップ端子群（信号端子ＸＢ１〜ＸＢ６４、コモン端子ＣＢ１〜ＣＢ６４）と、を含む。 素子チップ２００は、接続部２１０を介してプローブ本体が有する処理装置（例えば図１０の処理装置３３０）と電気的に接続される。

接続部２１０は、プローブ本体とヘッドユニット２２０とを電気的に接続するものである。 接続部２１０は、素子チップ２００の第１の辺側に設けられる第１のフレキシブル基板１３０と、端子群（複数の接続端子）を有するコネクター４２１と、素子チップ２００の第２の辺側に設けられる第２のフレキシブル基板１４０と、端子群（複数の接続端子）を有するコネクター４２２と、を有する。 フレキシブル基板１３０には、第１のチップ端子群とコネクター４２１の端子群とを接続する配線群（複数の信号線、複数のコモン線）が形成される。 フレキシブル基板１４０には、第２のチップ端子群とコネクター４２２の端子群とを接続する配線群（複数の信号線、複数のコモン線）が形成される。

以上のように、接続部２１０を設けることで、プローブ本体とヘッドユニット２２０とを電気的に接続することができ、さらにヘッドユニット２２０をプローブ本体に脱着可能にすることができる。

さて、素子チップ２００の信号端子（図２、図３のＸＡｉ）に印加された送信信号は、素子の容量成分や電極線の配線抵抗の影響により、チャンネル内において信号端子から離れるに従って位相が遅延し、振幅が小さくなる。 そのため、チャンネルの一端のみから送信信号を印加すると、スライス方向ＤＬにおいて超音波のビームプロファイルに偏りが生じる。 この点、本実施形態では第１、第２のフレキシブル基板１３０、１４０を設けることで、チャンネルの両端（図２、図３の信号端子ＸＡｉ、ＸＢｉ）から送信信号を入力できる。 これにより、スライス方向ＤＬにおけるビームプロファイルの偏りを抑制できる。

図８（Ａ）〜図８（Ｃ）に、ヘッドユニット２２０の詳細な構成例を示す。 図８（Ａ）は支持部材２５０の第２の面ＳＦ２側を示し、図８（Ｂ）は支持部材２５０の第１の面ＳＦ１側を示し、図８（Ｃ）は支持部材２５０の側面側を示す。

支持部材２５０は、素子チップ２００を支持する部材である。 支持部材２５０の第１の面ＳＦ１側には、コネクター４２１、４２２が設けられる。 このコネクター４２１、４２２は、プローブ本体側の対応するコネクターに脱着可能である。 支持部材２５０の第１の面ＳＦ１の裏面である第２の面ＳＦ２側には、素子チップ２００が支持される。 固定用部材２６０は、支持部材２５０の各コーナー部に設けられ、ヘッドユニット２２０をプローブ筐体に固定するために用いられる。

ここで支持部材２５０の第１の面ＳＦ１側とは、支持部材２５０の第１の面ＳＦ１の法線方向側であり、支持部材２５０の第２の面ＳＦ２側とは、支持部材２５０の第１の面ＳＦ１の裏面である第２の面ＳＦ２の法線方向側である。

図８（Ｃ）に示すように、素子チップ２００の表面（図１（Ｂ）において圧電体層３０が形成される面）には、素子チップ２００を保護する保護部材２７０（保護膜）が設けられる。 保護部材２７０は、例えば音響整合層や音響レンズ等を兼ねてもよい。

７． 超音波プローブ 図９（Ａ）、図９（Ｂ）に、上記のヘッドユニット２２０が適用される超音波プローブ３００（プローブ）の構成例を示す。 図９（Ａ）はプローブヘッド３１０がプローブ本体３２０に装着された場合を示し、図９（Ｂ）はプローブヘッド３１０がプローブ本体３２０から分離された場合を示す。

プローブヘッド３１０は、ヘッドユニット２２０、被検体と接触する接触部材２３０及びヘッドユニット２２０を格納するプローブ筐体２４０を含む。 素子チップ２００は、接触部材２３０と支持部材２５０との間に設けられる。

プローブ本体３２０は、処理装置３３０及びプローブ本体側コネクター４２６を含む。 処理装置３３０は、送信部３３２、受信部３３５（アナログフロントエンド部）、送受信制御部３３４を含む。 送信部３３２は、素子チップ２００への駆動パルス（送信信号）の送信処理を行う。 受信部３３５は、素子チップ２００からの超音波エコー信号（受信信号）の受信処理を行う。 送受信制御部３３４は、送信部３３２や受信部３３５の制御を行う。 プローブ本体側コネクター４２６は、ヘッドユニット側コネクター４２５（又はプローブヘッド側コネクター）と接続される。 プローブ本体３２０は、ケーブル３５０により電子機器（例えば超音波画像装置）本体に接続される。

ヘッドユニット２２０は、プローブ筐体２４０に格納されているが、ヘッドユニット２２０をプローブ筐体２４０から取り外すことができる。 こうすることで、ヘッドユニット２２０だけを交換することができる。 或いは、プローブ筐体２４０に格納された状態で、即ちプローブヘッド３１０として交換することもできる。

８． 超音波画像装置 図１０に、超音波画像装置の構成例を示す。 超音波画像装置は、超音波プローブ３００、電子機器本体４００を含む。 超音波プローブ３００は、ヘッドユニット２２０（超音波ヘッドユニット）、処理装置３３０を含む。 電子機器本体４００は、制御部４１０、処理部４２０、ユーザーインターフェース部４３０、表示部４４０を含む。

処理装置３３０は、送信部３３２、送受信制御部３３４、受信部３３５（アナログフロントエンド部）を含む。 ヘッドユニット２２０は、素子チップ２００と、素子チップ２００を回路基板（例えばリジッド基板）に接続する接続部２１０（コネクター部）と、を含む。 回路基板には、送信部３３２、送受信制御部３３４、受信部３３５が実装されている。 送信部３３２は、パルサーの電源電圧を発生する高電圧生成回路（例えば昇圧回路）を含んでもよい。

超音波を送信する場合には、送受信制御部３３４が送信部３３２に対して送信指示を行い、送信部３３２がその送信指示を受けて駆動信号を高電圧に増幅して駆動電圧を出力する。 超音波の反射波を受信する場合には、素子チップ２００により検出された反射波の信号を受信部３３５が受信する。 受信部３３５は、送受信制御部３３４からの受信指示に基づいて、反射波の信号を処理（例えば増幅処理や、Ａ／Ｄ変換処理等）し、処理後の信号を処理部４２０に送信する。 処理部４２０は、その信号を映像化して表示部４４０に表示させる。

なお、本実施形態の超音波トランスデューサーデバイスは、上記のような医療用の超音波画像装置に限らず、種々の電子機器に適用可能である。 例えば、超音波トランスデューサーデバイスが適用された電子機器として、建築物等の内部を非破壊検査する診断機器や、ユーザーの指の動きを超音波の反射により検出するユーザーインターフェース機器等が想定される。

なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。 従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。 例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。 また本実施形態及び変形例の全ての組み合わせも、本発明の範囲に含まれる。 また超音波トランスデューサーデバイス、プローブ、超音波画像装置の構成・動作等も、本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。

１０ 超音波トランスデューサー素子、２１ 第１電極層、２２ 第２電極層、
３０ 圧電体層、４０ 開口、５０ 振動膜、６０ 基板、
７１ａ〜７４ａ，７２ａ'，７３ａ'，７２ａ”，７３ａ” 第１電極層、
８１ａ〜８３ａ 第２電極層、９１ａ〜９３ａ 圧電体層、
１００ 超音波トランスデューサー素子アレイ、
１３０ 第１のフレキシブル基板、１４０ 第２のフレキシブル基板、
２００ 超音波トランスデューサーデバイス、２１０ 接続部、
２２０ ヘッドユニット、２３０ 接触部材、２４０ プローブ筐体、
２５０ 支持部材、２６０ 固定用部材、２７０ 保護部材、
３００ 超音波プローブ、３１０ プローブヘッド、３２０ プローブ本体、
３３０ 処理装置、３３２ 送信部、３３４ 送受信制御部、３３５ 受信部、
３５０ ケーブル、４００ 電子機器本体、４１０ 制御部、４２０ 処理部、
４２１，４２２ コネクター、４２５ ヘッドユニット側コネクター、
４２６ プローブ本体側コネクター、４３０ ユーザーインターフェース部、
４４０ 表示部、
ＣＡ１〜ＣＡ６４，ＣＢ１〜ＣＢ６４ コモン端子、
ＣＨ１〜ＣＨ６４ チャンネル素子群、ＤＬ スライス方向、
ＤＳ スキャン方向、ＥＧ１〜ＥＧ４ 素子群、
ＬＣ１〜ＬＣ６４ コモン電極線、ＬＳ１〜ＬＳ６４ 信号電極線、
ＵＥ１〜ＵＥ３，ＵＥ１１〜ＵＥ４３ 超音波トランスデューサー素子、
ＸＡ１〜ＸＡ６４，ＸＢ１〜ＸＢ６４ 信号端子