CN104771190A - 超声波装置、超声波换能器装置及超声波图像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及超声波装置、超声波换能器装置及超声波图像装置。超声波装置，其特征在于，包括：基板，具有多个第一开口部以及第二开口部，所述第二开口部的开口面积大于所述第一开口部的开口面积；第一超声波换能器元件，对应每个所述第一开口部设置在堵塞所述第一开口部的具有第一面积的第一振动膜上，且包括夹着压电体的两个电极；以及第二超声波换能器元件，设置在堵塞第二开口部且具有比所述第一面积大的第二面积的第二振动膜上，且包括夹着压电体的两个电极，所述第一开口部配置为阵列状，且所述第二开口部配置在所述第一开口部被配置为阵列状的区域与所述基板的外缘之间。

Description

超声波装置、超声波换能器装置及超声波图像装置
技术领域
本发明涉及超声波装置、超声波换能器装置、利用他们的探测器、电子设备以及超声波图像装置等。
背景技术
如专利文献1所示，一般公知有超声波诊断装置这样的超声波图像装置。当每次形成超声波图像时，超声波探子(探测器)抵碰被检体。可以测量抵碰时的接触压力。使用cMUT(静电电容型)振子测量压力。如果压力施加，则真空间隙缩小。在cMUT振子根据真空间隙的缩小来测量静电电容。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2005/120358号
cMUT振子可以兼用于超声波图像的形成以及压力的测量。cMUT振子一律形成为同一形状。接触压力由于可以作用于所有的cMUT振子，所以如果将超声波接收信号的劣化减小则提高压力的测量敏感度是困难的。
发明内容
根据本发明的至少一个方式，提供一种在超声波接收信号的劣化小的状态下也可以高精度地测量压力的超声波装置。
(1)本发明一个方面涉及超声波装置，其包括：基板，具有多个第一开口部以及第二开口部，所述第二开口部的开口面积大于所述第一开口部的开口面积；第一超声波换能器元件，对应每个所述第一开口部设置在堵塞所述第一开口部的具有第一面积的第一振动膜上，且包括夹着压电体的两个电极；以及第二超声波换能器元件，设置在堵塞第二开口部且具有比所述第一面积大的第二面积的第二振动膜上，且包括夹着压电体的两个电极，所述第一开口部配置为阵列状，且所述第二开口部配置在所述第一开口部被配置为阵列状的区域与所述基板的外缘之间。
根据施加给第二振动膜的压力的大小，第二振动膜的谐振频率变化。根据谐振频率的变化，可以指定压力的大小。此时，由于第二振动膜大于用于形成超声波图像的第一超声波换能器元件的第一振动膜，所以在第二超声波换能器元件的第二振动膜处相对于压力灵敏度被提高。这样，压力测量的精度也被提高。第二超声波换能器元件由于部分具有与第一超声波换能器元件相同的元件构造，因此在制造超声波装置时，在第一超声波换能器元件的形成和第二超声波换能器元件的形成中，将制造工序至少部分可以共同。可以尽可能抑制制造工序的增加。
(2)可以具备多个所述第二开口部，且具备被分别配置在所述多个所述第二开口部的所述第二超声波换能器元件。当基板压碰对象物时，如果施加给各个第二超声波换能器元件的压力被指定，则根据各个压力的大小，可以相对于物体推测超声波装置的姿势。当调整超声波装置的姿势时，可以提供指标。
(3)所述多个所述第二开口部可以在包括沿第一方向相互分离的位置和沿与所述第一方向交叉的第二方向相互分离的位置的地方，被配置在三处以上。如果在三处指定相等的压力，则可以相对于对象物确立基板的水平姿势
(4)所述第二开口部在从基板的厚度方向观察到的俯视观察中可以形成为圆形。这样，相对于压力第二超声波换能器元件的灵敏度被提高。
(5)超声波装置还可以具备：衬垫材料，与所述基板结合，在所述第二开口部内，在与所述第二振动膜之间划分密封空间。这样，相对于压力第二超声波换能器元件的灵敏度被提高。
(6)超声波身背还可以具备：导电体，与所述第一超声波换能器元件的所述两个电极中的一个以及所述第二超声波换能器元件的所述两个电极中的一个共同连接。当制造超声波装置时，可以通过一个工序形成第一超声波换能器元件的一个电极、第二超声波换能器元件的一个电极、以及导电体。可以尽可能地抑制制造工序的增加。
(7)可以由共同的连续膜的一部分分别形成所述第一振动膜以及所述第二振动膜。第一振动膜的表面以及第二振动膜的表面在一个面上连续，所以通过第二振动膜检测的压力可以以高精度反映第一振动膜的姿势。
(8)超声波装置还可以具备：声透镜，在从所述基板的厚度方向观察到的俯视观察中，在所述第一开口部被配置为阵列状的区域与配置有所述第二开口部的区域之间，规定形成凹陷的表面。第一振动膜的超声波振动传播给声透镜。第二振动膜的超声波振动传播给声透镜。声透镜在第一开口部的区域和第二开口部的区域通过凹陷进行声音分断，所以可以在第一超声波换能器元件和第二超声波换能器元件之间通过声透镜避免相互影响。
(9)超声波装置还可以包括：第一声透镜，由第一材料形成，覆盖所述第一超声波换能器元件；以及第二声透镜，由与所述第一材料不同的第二材料形成，覆盖所述第二超声波换能器元件。第一振动膜的超声波振动传播给声透镜。第二振动膜的超声波振动传播给声透镜。这样，可以形成配合第一振动膜以及第二振动膜各自的振动的材料的声透镜。但是，由于第一声透镜和第二声透镜在第一开口部的区域和第二开口部的区域被声音分断，所以在第一超声波换能器元件和第二超声波换能器元件之间通过声透镜可以避免相互影响。
(10)一种超声波换能器装置，包括超声波装置和控制部，所述控制部可以具备根据所述第二超声波换能器元件的谐振频率的变化计算接触压力的运算部。这样，运算部根据谐振频率的变化，指定接触压力的大小。可以以高精度检测谐振频率，其结果是，可以提高接触压力的检测灵敏度。
(11)所述控制部可以具备：第一驱动控制部，输出以第一频率驱动所述第一超声波换能器元件的驱动信号；以及第二驱动控制部，输出以低于所述第一频率的第二频率驱动所述第二超声波换能器元件的驱动信号。这样，在第二超声波换能器元件相对于接触压力的灵敏度被提高。
(12)所述第二驱动控制部可以在从所述第一驱动控制部输出所述驱动信号之后的接收期间，输出所述驱动信号。可以相对于第一超声波换能器元件的超声波振动，将第二超声波换能器的超声波振动的影响抑制到最小限度。
(13)可以将超声波装置或超声波换能器装置装入探测器加以利用。此时，探测器可以具备：超声波装置或超声波换能器装置；以及框体，支撑所述超声波装置或所述超声波换能器装置。
(14)可以将超声波装置或超声波换能器装置装入电子设备加以利用。此时，电子设备可以具备：超声波装置或超声波换能器装置；以及处理部，与所述超声波装置或所述超声波换能器装置连接，对所述超声波装置或所述超声波换能器装置的输出进行处理。
(15)可以将超声波装置或超声波换能器装置装入超声波图像装置加以利用。此时，超声波图像装置可以具备：根据权利要求1至12中任一项所述的超声波装置或超声波换能器装置；处理部，与所述超声波装置或所述超声波换能器装置连接，对所述超声波装置或所述超声波换能器装置的输出进行处理，并生成图像；以及显示装置，显示所述图像。
附图说明
图1是简要示出一个实施方式涉及的电子设备的一个具体例即超声波诊断装置的外观图。
图2是超声波探测器的放大正视图。
图3是第一实施方式涉及的超声波装置的放大俯视观察图。
图4是第二超声波换能器元件的放大俯视观察图。
图5是沿图3的A-A线的垂直截面图。
图6是简要示出超声波诊断装置的电路结构的框图。
图7是简要示出第二超声波换能器元件的放大垂直截面图以及相关的电路结构的框图。
图8是简要示出第一超声波换能器元件以及第二超声波换能器元件的动作时间的图。
图9是简要示出在显示画面上映出的图像的一个具体例的图。
图10是简要示出安装于超声波探测器的发光元件的一个具体例的俯视观察图。
图11是第二实施方式涉及的超声波装置的放大俯视观察图。
图12是第三实施方式涉及的超声波装置的放大俯视观察图。
图13是简要示出变形例涉及的电路结构的一部分的框图。
图14是根据一个具体例概念性地示出第二超声波换能器元件的配置的超声波装置的俯视观察图。
图15是根据其他具体例概念性地示出第二超声波换能器元件的配置的超声波装置的俯视观察图。
图16是进一步根据其他具体例概念性地示出第二超声波换能器元件的配置的超声波装置的俯视观察图。
图17是第四实施方式涉及的超声波装置的放大俯视观察图。
图18是与图7相对应，概念性地示出在第四实施方式中第二超声波换能器元件的放大垂直截面图以及相关的电路结果的框图。
符号说明
11作为电子设备的超声波图像装置(超声波诊断装置)；12处理部(装置终端)；13探测器(超声波探测器)；15显示装置(显示面板)；16框体；17超声波装置；17a超声波装置；17b超声波装置；23第一超声波换能器元件；24第二超声波换能器元件；25第一振动膜(振动膜)；27电极(上电极)；28电极(下电极)；29压电体(压电体膜)；45第二振动膜(振动膜)；54电极(上电极)；55压电体(压电体膜)；56电极(下电极)；58基板；59连续膜(可挠膜)；61第一开口部；66a声透镜；66b第一声透镜；66c第二声透镜；67衬垫材料(衬板)；68控制部(集成电路芯片)；77第一驱动控制部(脉冲发生器)；86第二开口部；91运算部(压力运算电路)；88第二驱动控制部(自激振荡电路)；99凹陷；105电极(上电极)；106压电体(第一压电体膜)；107电极(中间电极)；108压电体(第二压电体)；109电极(下电极)；111第二驱动控制部(自激信号电路)；113运算部(压力运算电路)；FS区域；Rp接收期间。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的一个实施方式进行说明。此外，在下面说明的本实施方式并不是不当地限定权利要求书所记载的本发明的内容，在本实施方式中说明的全部结构作为本发明的解决单元并不是必须的。
(1)超声波诊断装置的整体结构
图1简要示出本发明的一个实施方式涉及的电子设备的一个具体例即超声波诊断装置(超声波图像装置)11的结构。超声波诊断装置11具备装置终端12和超声波探测器(探测器)13。装置终端12和超声波探测器13通过电缆14相互连接。装置终端12和超声波探测器13通过电缆14交换电信号。在装置终端12中组入显示面板(显示装置)15。显示面板15的画面中装置终端12的表面露出。如后所述，装置终端12根据由超声波探测器13检测出的超声波生成图像。在显示面板15的画面上显示被图像化后的检测结果。
如图2所示，超声波探测器13具有框体16。在框体16内收容有超声波装置17。超声波装置17的表面可以在框体16的表面露出。超声波装置17从表面输出超声波同时接收超声波的反射波。此外，超声波探测器13可以具备与探测器主体13a可自由装卸地连接的探头13b。此时，超声波装置17可以被组装入探头13b的框体16内。
(2)第一实施方式涉及的超声波装置的结构
图3简要示出了超声波装置17的俯视观察图。超声波装置17具备基体21。在基体21上形成有元件阵列22。元件阵列22由第一超声波换能器元件(以下称为“第一元件”)23的阵列构成。阵列由多行多列的矩阵形成。此外，在阵列中也可以确立交错配置。在交错配置中，偶数列的第一元件23组相对于奇数列的第一元件23组错开行间距的二分之一即可。奇数列以及偶数列的一个元件数相对于另一个的元件数可以少一个。元件阵列22的区域和基体21的外缘之间配置有第二超声波换能器元件(以下称为“第二元件”)24。这里，在基体21上形成有多个第二元件24。
各个第一元件23具备振动膜(第一振动膜)25。在图3中，在于振动膜25的膜面正交的方向上的俯视观察图(从基板的厚度方向看的俯视观察图。以下，仅称为“俯视观察图”)中，以虚线描绘出振动膜25的轮廓。在振动膜25上形成有压电元件26。压电元件26由上电极(电极)27、下电极(电极)28以及压电体膜(压电体)29构成。对应每个第一元件23，在上电极27和下电极28之间夹着压电体膜29。这些以下电极28、压电体膜29以及上电极27的顺序重叠。超声波装置17构成作为一个超声波换能器元件芯片。
在基体21的表面形成有多个第一导电体31。第一导电体31沿阵列的行方向相互平行地延伸。对每一行的第一元件23分配一个第一导电体31。一个第一导电体31与在阵列的行方向上排列的第一元件23的压电体膜29共同连接。第一导电体31对应每个第一元件23形成上电极27。第一导电体31的两端分别连接于一对引出配线32。引出配线32沿阵列的列方向相互平行地延伸。因此，所有的第一导电体31具有相同的长度。这样，上电极27共同地连接于整个矩阵的第一元件23。第一导电体31可以由例如铱(Ir)形成。但是，第一导电体31也可以利用其它导电材料。
在基体21的表面形成有多个第二导电体33。第二导电体33沿阵列的列方向相互平行地延伸。对每一列的第一元件23分配一个第二导电体33。一个第二导电体33与在阵列的列方向上排列的第一元件23的压电体膜29共同配置。第二导电体33对应每个第一元件23形成下电极28。在第二导电体33也可以使用例如钛(Ti)、铱(Ir)、铂(Pt)以及钛(Ti)的层压膜。但是，第二导电体33也可以利用其它导电材料。
对应每列切换第一元件23的通电。这样，根据通电的切换，可以实现线性扫描和中心扫描。一列的第一元件23由于同时输出超声波，所以可以根据超声波的输出电平确定一列的个数即阵列的行数。行数被设定为例如10～15行左右即可。在图中省略而描绘了五行。阵列的列数可以根据扫描范围的宽窄来确定。列数被设定为例如128列或256列即可。在图中省略而描绘了8列。上电极27以及下电极28的作用也可以更换。也就是说，在整个矩阵的第一元件23共同连接有下电极，另一方面，对应阵列的每列，在第一元件23共同地连接有上电极。
基体21的轮廓具有相互平行的以一对直线分割而相对的第一边21a以及第二边21b。第一边21a与元件阵列22的轮廓之间配置有一线的第一端子阵列34a。第二边21b与元件阵列22的轮廓之间配置有一线的第二端子阵列34b。第一端子阵列34a可以与第一边21a平行地形成一线。第一端子阵列34b可以与第二边21b平行地形成一线。第一端子阵列34a由一对上电极端子35和多个下电极端子36构成。同样地，第二端子阵列34b由一对上电极端子37和多个下电极端子38构成。在一条引出配线32的两端分别连接有上电极端子35、37。引出配线32以及上电极端子35、37在将元件阵列22二等分的垂直面中呈面对称地形成即可。在一个第二导电体33的两端分别连接有下电极端子36、38。第二导电体33以及下电极端子36、38在将元件阵列22二等分的垂直面中呈面对称地形成即可。这里，基体21的轮廓被形成为矩形。基体21的轮廓也可以是正方形也可以是梯形。矩形、正方形以及梯形中，第二元件24对应每个角被分配。
在基体21上连接有第一柔性印刷配线班(下面称为“第一配线板”)39。第一配线板39覆盖第一端子阵列34a。在第一配线板39的一端，单独对应上电极端子35以及下电极端子36形成有导电线即第一信号线41。第一信号线41单独配合上电极端子35以及下电极端子36且单独接合。同样地，第二柔性印刷配线板(以下称为“第二配线板”)覆盖基体21。第二配线板42覆盖第二端子阵列34b。在第二配线板42的一端，单独对应上电极端子37以及下电极端子38，形成有导电线即第二信号线43。第二信号线43单独配合上电极端子37以及下电极端子38且单独接合。
各个第二元件24具备振动膜(第二振动膜)45。在图3中，俯视观察图中，通过虚线描绘出振动膜45的轮廓。振动膜45的面积(第二面积)大于振动膜25的面积(第一面积)。在振动膜45上形成有压电元件46。在压电元件46上连接有第三导电体47及第四导电体48。第三导电体47及第四导电体48形成于基体21的表面。第三导电体47与检测端子52连接。检测端子52形成作为第一端子阵列34a以及第二端子阵列34b的一个构成要素。各个检测端子52分别对应于第一配线板39的第一信号线或第二配线板42的第二信号线43。检测端子52与对应的第一信号线41或第二信号线43相对且单个地与他们相接合。在第三导电体47上可以使用例如钛(Ti)、铱(Ir)铂(Pt)以及钛(Ti)的层压膜。但是，在第三导电体47上也可以利用其它导电材料。第四导电体48连接于引出配线32。第四导电体48、引出配线32、第一导电体31以及上电极27由连续膜形成。
如图4所示，压电元件46由上电极(电极)54、压电体膜(压电体)55以及下电极(电极)56构成。如后所述，对应每个第二元件24，在上电极54以及下电极56之间夹着压电体膜55。这些按照下电极56、压电体膜55以及上电极54的顺序重叠。第三导电体47分别连接于对应的下电极56。第四导电体48分别连接于对应的上电极54。
如图5所示，基体21具备基板58以及可挠膜(连续膜)59。在基板58的表面，可挠膜59整面地形成。在基板58针对每个第一元件23而形成有第一开口部61。第一开口部61相对于基板58被配置为阵列状。配置有第一开口部61的区域的轮廓相当于元件阵列22的轮廓。在相邻的两个第一开口部61之间划分有间隔壁62。相邻的开口部61被间隔壁62分隔。间隔壁62的壁厚相当于第一开口部61的间隔。间隔壁62在相互平行扩展的平面内规定两个避面。壁厚相当于两个壁面的距离。也就是说，壁厚可以通过与壁面正交且被壁面夹着的垂线的长度来规定。基板58通过例如硅基板形成即可。
可挠膜59由层叠在基板58的表面的氧化硅(SiO2)层63以及层叠于氧化硅层63的表面的氧化锌(ZrO2)层64构成。可挠膜59与第一开口部61接触。这样，对应第一开口部61的轮廓，可挠膜59的一部分形成振动膜25。振动膜25是可挠膜59中的由于面对着第一开口部61而沿基板58的厚度方向进行膜振动的部分。振动膜25堵塞第一开口部61。氧化硅层63的膜厚可以根据谐振频率而确定。氧化硅层63根据硅基板的加热氧化形成即可。氧化锌层64例如可以通过溅镀等着氧化硅层63的表面均匀地形成。
在振动膜25的表面依次层叠有下电极28、压电体膜29以及上电极27。压电体膜29可以由例如钛锆酸铅(PZT)形成。在压电体膜29可以使用其他压电材料。这里，在第一导电体31下，压电体膜29完全覆盖第二导电体33。通过压电体膜29的作用，在第一导电体31和第二导电体33之间可以避免短路。
在基体21的表面层叠有声整合层65。声整合层65例如整面地覆盖基体21的表面。其结果是，元件阵列22、第一及第二端子阵列34a、34b、第一及第二配线板39、42被声整合层65覆盖。在声整合层65可以使用例如硅树脂。声整合层65保护元件阵列22的构造、第一端子阵列34a及第一配线板39的接合、第二端子阵列34b及第二配线板42的接合。
在声整合层65上层叠有声透镜66。声透镜66贴紧于声整合层65。声透镜66的外表面由部分圆筒面形成。部分圆筒面具有与第一导电体31平行的母线。部分圆筒面的曲率通过与一根第二导电体33连接的一列第一元件23发送的超声波的焦点位置而确定。声透镜66由例如硅树脂形成。
在基体21的里面固定有衬板(衬垫材料)67。基体21的背面与衬板67的表面重叠。衬板67在超声波装置17的背面打开第一开口部61。衬板67可以具备坚硬的基材。这里，间隔壁62与衬板67结合。衬板67在各个间隔壁62处通过至少一处的接合区域而接合。每次接合时都可以使用粘结剂。
(3)超声波诊断装置的电路结构
如图6所示，超声波诊断装置11具备与超声波装置17电连接的集成电路芯片68。集成电路芯片68具备多路调制器69以及发送接收电路71。多路调制器69具备超声波装置17侧的端口组69a以及发送接收电路71侧的端口组69b。在超声波装置17侧的端口组69a经由配线72而连接有第一信号线41以及第二信号线43。这样，端口组69a连接于元件阵列22。这里，在发送接收电路71侧的端口组69b连接有集成电路芯片68内的规定数的信号线73。规定数相当于每次扫描时同时输出的第一元件23的列数。多路调制器69在电缆14侧的端口和超声波装置17侧的端口之间管理相互连接。集成电路芯片68及超声波装置17构成实施方式涉及的超声波换能器装置。
发送接收电路71具备规定数的切换开关74。各个切换开关74分别单个连接于对应的信号线73。发送接收电路71针对各个切换开关74而具备发送路径75以及接收路径76。在切换开关74并联有发送路径75以及接收路径76。切换开关74选择性地将发送路径75或接收路径76连接于多路调制器69。在发送路径75装入脉冲发生器(第一驱动控制部)77。脉冲发生器77以与振动膜25的谐振频率相对应的频率输出脉冲信号。在接收路径76装入放大器78、低通滤波器(LPF)79以及模拟数字转换器(ADC)81。各个第一元件23的输出信号被放大后被转换为数字信号。
集成电路芯片68具备驱动/接收电路82。发送路径75以及接收路径76与驱动/接收电路82连接。驱动/接收电路82根据扫描形态同时控制脉冲发生器77。驱动/接收电路82根据扫描形态接收输出信号的数字信号。驱动/接收电路82通过控制线83连接于多路调制器69。多路调制器69根据从驱动/接收电路82供给的控制信号实施相互连接的管理。
在装置终端12装入处理电路84。处理电路84可以具备例如中央运算处理装置(CPU)以及存储器。根据处理电路84的处理控制超声波诊断装置11的整体动作。根据从用户输入的指示，处理电路84控制驱动/接收电路82。处理电路84根据第一元件23的输出信号生成图像。图像通过描绘数据被指定。
在装置终端12装入描绘电路85。描绘电路85连接于处理电路84。在描绘电路85连接有显示面板15。描绘电路85根据通过处理电路84生成的描绘数据生成驱动信号。驱动信号被送入显示面板15。其结果是，在显示面板15映出图像。
如图7所示，在基板58针对每个第二元件24形成有第二开口部86。可挠膜59与第二开口部86接触。这样，对应第二开口部86的轮廓，可挠膜59的一部分形成振动膜45。振动膜45是可挠膜59中的由于面对着第二开口部86而沿基板58的厚度方向进行膜振动的部分。振动膜45堵塞第二开口部86。这里，通过振动膜45及衬板67密封第二开口部86。
在振动膜45的表面依次层叠有下电极56、压电体膜55以及上电极54。在下电极56及上电极54连接有自激振荡电路(第二驱动控制部)88。自激振荡电路88输出自激信号。根据自激信号的供给，振动膜45以与固有振动数相对应的频率振荡。可以确立振动膜45的谐振。自激振荡电路88形成在集成电路芯片68上即可。下电极28、第二导电体33、下电极端子36、38、下电极56、第四导电体48以及检测端子52可以根据光刻技术从均匀的导电材料的固体膜形成。压电体膜55及压电体膜29同样也可以根据光刻技术从均匀的压电体的固体膜形成。上电极27、第一导电体31、引出配线32、上电极端子35、37、上电极54及第三导电体47同样也可以根据光刻技术从均匀的压电体的固体膜形成。
在自激振荡电路88连接有压力运算电路91。压力运算电路91根据振动膜45的谐振而指定压力。每次指定压力时，压力运算电路91指定振动膜45的谐振频率。在压力运算电路91，可以根据振动膜45的谐振频率计算压力值。在压力运算电路91，可以预先指定振动膜45的谐振频率和压力值之间的相关关系。这样的相关关系也可以通过数式这样的关系式指定，还可以通过检查表这样的形式指定。压力值信号被提供给例如处理电路84。这样，可以针对各个第二元件24计测压力。压力运算电路91形成至集成电路芯片68上即可。
(4)超声波诊断装置的动作
下面，对超声波诊断装置11的动作进行简单说明。在每次形成超声波图像时，将超声波探测器13按压于被检体。在声透镜66和被检体之间夹着例如胶体这样的声音结合材料。处理电路84向驱动/接收电路82指示超声波的发送及接收。驱动/接收电路82向多路调制器69提供控制信号的同时向每个脉冲发生器77提供驱动信号。脉冲发生器77根据驱动信号的供给输出脉冲信号。多路调制器69根据控制信号的指示，在端口组69b的端口连接端口组69a的端口。根据端口的选择通过下电极端子36、38以及上电极端子35、37针对各列向第一元件23供给脉冲信号。在各个第一元件23，在上电极27及下电极28之间，电场作用于压电体膜29。压电体膜29通过超声波振动。压电体膜29的振动传递给振动膜25。这样，振动膜25通过超声波振动。其结果是，向对象物(例如人体的内部)发送想要的超声波束。
在发送超声波后，切换开关74被切换。多路调制器69维持端口的连接关系。切换开关74确立接收路径76及信号线73的连接以代替发送路径75及信号线73的连接。超声波的反射波使振动膜25振动。其结果是，从第一元件23输出输出信号。上电极27及下电极28之间，压电体膜29由于变形而生成电位。这样，通过上电极27及下电极28取出输出信号。输出信号被转换为数字信号，发送给驱动/接收电路82。
反复超声波的发送及接收。当反复时，多路调制器69变更端口的连接关系。其结果是，可以实现线性扫描和中心扫描。如果扫描结束，则处理电路84根据输出信号的数字信号形成图像。形成的图像被显示在显示面板15的画面上。
如图8所示，根据确定的周期Pd发送脉冲发生器77的脉冲信号93。第一元件23针对每列92同时进行超声波振动。脉冲信号93的供给可以针对每列92微妙地错开以用于形成焦点。发送脉冲信号93之后，根据切换开关74的切换来确保接收期间Rp。振动膜25通过超声波的反射波而振动。在接收期间Rp结束之前，在各个第二元件24从自激振荡电路88供给自激信号94。此时，声透镜66被按压于被检体，所以在第二元件24，振动膜45的谐振频率上升。自激信号的频率上升。压力运算电路91对应指定的谐振频率指定接触压力的压力值。这样，针对每个第二元件24计测接触压力。
处理电路84接收压力值信号。例如，如果在四个第二元件24检测有相等的压力值，则处理电路84认定超声波探测器13的直立姿势。可以在与被检体的表面垂直的界面拍摄超声波图像。此外，处理电路84可以根据压力值信号，支援超声波探测器13的姿势控制。例如，如图9所示，在显示面板15的画面上显示有超声波探测器13的俯视观察图像95。对应各个第二元件24，在俯视观察图像95上配置有点图像96。如果检测到指定的第二元件24比剩余的第二元件24低的压力，则如图9所示，处理电路84通过与指定第二元件24相对应的点图像96提高明亮度。超声波诊断装置11的操作者可以根据点图像96的点亮在适合的位置使按压力增加。这样，操作者被点图像96的点亮所提示，可以确立超声波探测器13的直立姿势。处理电路84在确认检测出的压力值的平衡的基础上，可以结束点图像96的点亮。处理电路84在形成超声波图像之前通过第二元件24测量压力值。在这种情况下，当确认超声波探测器13的直立姿势时，处理电路84也可以在显示面板15的画面上映出超声波图像97。如果在确认直立姿势之前都未映出超声波图像97，则操作者可以根据有无超声波图像97来确认超声波探测器13的直立姿势。
这样，也可以使用LED(发光元件)这样的发光体来代替图像显示。如图10所示，可以在超声波探测器13的框体16上，在与第二元件24相对应的位置安装有例如LED98。同样地，如果通过指定的第二元件24检测出低的压力，则处理电路84使对应的LED98点亮。操作者被LED98的点亮所提示，可以确立超声波探测器13的直立姿势。
根据施加给第二元件24的振动膜45的压力的大小，振动膜45的谐振频率变化。根据谐振频率的变化来指定压力的大小。此时，由于振动膜45大于用于形成超声波图像的第一元件23的振动膜25，所以在第二元件24的振动膜45处相对于压力灵敏度被提高。这样，压力测量的精度也被提高。第二元件24由于具有与第一元件23相同的元件构造，因此在制造超声波装置17时，在第一元件23的形成和第二元件24的形成中，制造工序可以共同。可以避免增加制造工序。
在超声波装置17，在多个第二开口部86单个地配置有第二元件24。当超声波装置17压碰被检体时，如果施加给各个第二元件24的压力被指定，则根据各个压力的大小，可以相对于被检体推测超声波装置17的姿势。当调整超声波装置17的姿势时，可以提供指标。尤其在沿第一方向夹着元件阵列22的区域的位置和沿与第一方向交叉的第二方向夹着元件阵列22的区域的位置，在三处以上配置有第二开口部86。如果在三处指定相等的压力，则可以相对于被检体确立基板58的水平姿势(超声波探测器13的直立姿势)。
第二开口部86在从基板58的厚度方向看的俯视观察图中形成为圆形。这样，相对于压力可以提高第二元件24的灵敏度。同样地，衬板67在第二开口部86内在与振动膜45之间划分密封空间。这样，相对于压力可以提高第二元件24的灵敏度。
在超声波装置17中，第四导电体48共同连接于在第一元件23的上电极27和第二元件24的上电极54。当制造超声波装置17时，可以通过一个工序形成第一元件23的上电极27、第二元件24的上电极54、以及导电体31、48。可以尽可能地抑制制造工序的增加。
如前所述，振动膜25和振动膜45可以从共同的连续膜的一部分分别形成。振动膜25的表面以及振动膜45的表面在一个面上连续，所以通过振动膜45检测的压力可以以高精度反映振动膜25的姿势。这样，可以高精度地检测超声波装置17的姿势。
集成电路芯片68的压力运算电路91根据第二元件24的谐振频率的变化计算接触压力。压力运算电路91根据谐振频率的变化指定接触压力的大小。可以以高精度检测谐振频率，其结果是，可以提高接触压力的检测灵敏度。
集成电路芯片68的脉冲发生器77输出以第一频率驱动第一元件23的驱动信号。集成电路芯片68的自激振荡电路88输出以低于第一频率的第二频率驱动第二元件24的驱动信号。这样，通过第二元件24提高相对于接触压力的灵敏度。
自激振荡电路88在从脉冲发生器77输出驱动信号之后的接收期间，输出驱动信号。可以将第二元件24的超声波振动相对于第一元件23的超声波振动的影响抑制到最小限度。
(5)第二实施方式涉及的超声波装置的结构
图11简要示出第二实施方式涉及的超声波装置17a的部分垂直截面图。在超声波装置17a，声透镜66a规定形成凹陷99的表面。凹陷99俯视观察时配置在元件阵列22的区域FS和配置有第二开口部86的区域SS之间。凹陷99可以分断两个区域FS、SS，也可以是线状凹部、V字槽、U字槽等。当检测接触压力时，第二元件24的振动膜45的超声波振动传播给声透镜66a。第一元件23的振动膜25的超声波振动同样传播给声透镜66a。声透镜66a在第一开口部61的区域FS和第二开口部86的区域SS通过凹陷99进行声音分断，所以可以在第一元件23和第二元件24之间通过声透镜66避免相互影响。其他的结构与第一实施方式的超声波装置17相同。
(6)第三实施方式涉及的超声波装置的结构
图12简要示出第三实施方式涉及的超声波装置17b的部分垂直截面图。在超声波装置17b，声透镜66a被分割为第一声透镜66b和第二声透镜66c。第一声透镜66b由第一材料形成。第一声透镜66b俯视观察时在元件阵列22的区域FS覆盖第一元件23。第二声透镜66c由不同于第一材料的第二材料形成。第二声透镜66c在第二元件24的区域SS覆盖第二元件24。当检测检出压力时，第一元件23的振动膜25的超声波振动传播给第一声透镜66b。第二元件24的振动膜45的超声波振动传播给第二声透镜66c。这样，可以形成配合振动膜25以及振动膜45各自的振动的材料的声透镜66b、66c。但是，如果在第一声透镜66b和第二声透镜66c声音阻抗相反，则第一声透镜66b和第二声透镜66c在第一元件23的区域FS和第二元件24的区域SS被声音分断，在第一元件23和第二元件24之间通过声透镜66a可以避免相互影响。其他结构与第一实施方式的超声波装置17相同。
此外，在超声波装置17、17a、17b，通过信号处理，也可以从第一元件23的接收信号中除去第二元件24的超声波振动。在这种情况下，如图13所示，也可以在接收路径76连接高通滤波器(HPF)101。HPF101可以从接收信号除去频率低于第一元件23的谐振频率的信号。这样，可以排除第二元件24相对于第一元件23的影响。
如图14所示，在沿第一方向DR1相互分离的位置及沿与第一方向DR1相交的第二方向DR2相互分离的位置，在三处以上配置有第二元件24。如果在三处指定相等的压力，则可以相对于被检体确立超声波探测器13的直立姿势即基板58的水平姿势。俯视观察时在超声波探测器13压碰元件阵列22的区域FS的外侧时，在必须与被检体接触的范围内，希望在相互分离最大限度的位置上配置第二元件24。如图15所示，可以沿第一方向DR1及第二方向DR2在夹着元件阵列22的区域FS的两对位置配置第二元件24，如图16所示，也可以在相互分离最大响度的位置之间在中间位置追加第二元件24。
(7)第四实施方式涉及的超声波装置的结构
图17简要示出第四实施方式涉及的超声波装置17c的结构。在超声波装置17c，在第二元件24的压电元件46，除连接有第三导电体47及第四导电体48以外还连接有第五导电体103。第五导电体103形成于基体21的表面。第五导电体103连接于驱动端子104。驱动端子104形成作为第一端子阵列34a及第二端子阵列34b的一个构成要素。各个驱动端子104分别对应于第一配线板39的第一信号线41或第二配线板42的第二信号线43。驱动端子104面对对应的第一信号线41或第二信号线43且单个地接合于他们。在第五导电体103可以使用例如钛(Ti)、铱(Ir)、铂(Pt)以及钛(Ti)的层压膜。但是，第五导电体103也可以利用其它导电材料。
如图18所示，压电元件46由上电极(电极)105、第一压电体膜(压电体)106、中间电极(电极)107、第二压电体膜(压电体)108以及下电极(电极)109构成。上电极105及中间电极107之间夹着第一压电体膜106，在中间电极107及下电极109之间夹着第二压电体膜108。这些以下电极109、第二压电体膜108、中间电极107、第一压电体膜106以及上电极105的顺序重叠。第三导电体47分别连接于对应的上电极105。第四导电体48分别连接于对应的中间电极107。第五导电体103分别连接于对应的下电极109。
在下电极109以及中间电极107连接有自激信号电路(第二驱动控制部)111。自激信号电路111输出自激信号。根据自激信号的供给，振动膜45以与指定的频率振荡。自激信号电路111也可以形成在集成电路芯片68上。下电极28、第二导电体33、下电极端子36、38、下电极109、第三导电体47以及检测端子52可以根据光刻技术从均匀的导电材料的固体膜形成。第二压电体膜108及压电体膜29同样也可以根据光刻技术从均匀的压电体的固体膜形成。上电极27、第一导电体31、引出配线32、上电极端子35、37、中间电极107及第四导电体48同样也可以根据光刻技术从均匀的压电体的固体膜形成。
在中间电极107及上电极105连接有增益测量电路112。增益测量电路112测量振动膜45的振动增益。增益测量电路112提取谐振时的振动增益。如果通过振动膜45确立谐振，则振动增益示出最大值。增益测量电路112将控制信号提供给自激信号电路111。控制信号指定自激信号的频率。增益测量电路112对自激信号电路111进行反馈控制，并确立振动膜45的谐振。增益测量电路112也可以形成在集成电路芯片68上。
在增益测量电路112连接有压力运算电路113。压力运算电路113根据振动膜45的谐振而指定压力。在压力运算电路113，根据振动膜45的谐振频率可以计算压力值。在压力运算电路113，可以预先指定振动膜45的谐振频率和压力值之间的相关关系。这样的相关关系也可以通过数式这样的关系式指定，还可以通过检查表这样的形式指定。压力运算电路113输出压力值信号。通过压力值信号指定压力值。压力值信号例如可以提供给处理电路84。这样，可以针对每个第二元件24计测压力。压力运算电路113也可以形成在集成电路芯片68上。其他结构与上述实施方式相同。
如果将声透镜66按压于被检体，则在第二元件24，振动膜45的谐振频率上升。振动膜45的谐振频率由于从自激信号94的频率背离，所以振动膜45的振动增益下降。接受振动增益的下降，增益测量电路112将控制信号提供给自激信号电路111。控制信号指定到目前为止更高的频率。这样，可以提高自激信号94的频率。可以检测最大值的振动增益。最大值的振动增益相当于谐振时的振动增益。这样，谐振频率通过增加测量电路112被指定。压力运算电路113根据指定的谐振频率，指定接触压力的压力值。这样，可以针对每个第二元件24计测接触压力。
此外，如上所述，已经对本实施方式进行了详细说明，但本领域技术人员应该容易理解在实际不脱离本发明的新事项和效果的范围内可以进行多种变形。因此，这些变形例也全部包含在本发明的范围内。例如，在说明书或附图中，至少一次、更广义或意思不同的用语一起记载的用语在说明书或附图中的任一地方，也可以被置换为其他不同的用语。并且，装置终端12、超声波探测器13、显示面板15、集成电路芯片68等的结构以及动作也并不限于本实施方式说明的内容，可以进行各种变形。

Claims (15)

1.一种超声波装置，其特征在于，包括：
基板，具有多个第一开口部以及第二开口部，所述第二开口部的开口面积大于所述第一开口部的开口面积；
第一超声波换能器元件，对应每个所述第一开口部设置在堵塞所述第一开口部的具有第一面积的第一振动膜上，且包括夹着压电体的两个电极；以及
第二超声波换能器元件，设置在堵塞第二开口部且具有比所述第一面积大的第二面积的第二振动膜上，且包括夹着压电体的两个电极，
所述第一开口部配置为阵列状，且所述第二开口部配置在所述第一开口部被配置为阵列状的区域与所述基板的外缘之间。
2.根据权利要求1所述的超声波装置，其特征在于，具备多个所述第二开口部，且具备被分别配置在所述多个所述第二开口部的所述第二超声波换能器元件。
3.根据权利要求2所述的超声波装置，其特征在于，所述多个所述第二开口部在包括沿第一方向相互分离的位置和沿与所述第一方向交叉的第二方向相互分离的位置的地方，被配置在三处以上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的超声波装置，其特征在于，所述第二开口部在从基板的厚度方向观察到的俯视观察中形成为圆形。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的超声波装置，其特征在于，还具备：衬垫材料，与所述基板结合，在所述第二开口部内，在与所述第二振动膜之间划分密封空间。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的超声波装置，其特征在于，还具备：导电体，与所述第一超声波换能器元件的所述两个电极中的一个以及所述第二超声波换能器元件的所述两个电极中的一个共同连接。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的超声波装置，其特征在于，由共同的连续膜的一部分分别形成所述第一振动膜以及所述第二振动膜。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的超声波装置，其特征在于，还具备：声透镜，在从所述基板的厚度方向观察到的俯视观察中，在所述第一开口部被配置为阵列状的区域与配置有所述第二开口部的区域之间，规定形成凹陷的表面。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的超声波装置，其特征在于，还包括：第一声透镜，由第一材料形成，覆盖所述第一超声波换能器元件；以及第二声透镜，由与所述第一材料不同的第二材料形成，覆盖所述第二超声波换能器元件。
10.一种超声波换能器装置，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的超声波装置以及控制部，所述控制部具备根据所述第二超声波换能器元件的谐振频率的变化计算接触压力的运算部。
11.根据权利要求10所述的超声波换能器装置，其特征在于，所述控制部具备：第一驱动控制部，输出以第一频率驱动所述第一超声波换能器元件的驱动信号；以及第二驱动控制部，输出以低于所述第一频率的第二频率驱动所述第二超声波换能器元件的驱动信号。
12.根据权利要求11所述的超声波换能器装置，其特征在于，所述第二驱动控制部在从所述第一驱动控制部输出所述驱动信号之后的接收期间，输出所述驱动信号。
13.一种探测器，其特征在于，具备：
权利要求1至12中任一项所述的超声波装置或超声波换能器装置；以及
框体，支撑所述超声波装置或所述超声波换能器装置。
14.一种电子设备，其特征在于，具备：
权利要求1至12中任一项所述的超声波装置或超声波换能器装置；以及
处理部，与所述超声波装置或所述超声波换能器装置连接，对所述超声波装置或所述超声波换能器装置的输出进行处理。
15.一种超声波图像装置，其特征在于，具备：
权利要求1至12中任一项所述的超声波装置或超声波换能器装置；
处理部，与所述超声波装置或所述超声波换能器装置连接，对所述超声波装置或所述超声波换能器装置的输出进行处理，并生成图像；以及
显示装置，显示所述图像。
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