CN107174280A - 超声波器件、超声波模块以及超声波测量装置 - Google Patents

超声波器件、超声波模块以及超声波测量装置 Download PDF

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CN107174280A CN201710119627.2A CN201710119627A CN107174280A CN 107174280 A CN107174280 A CN 107174280A CN 201710119627 A CN201710119627 A CN 201710119627A CN 107174280 A CN107174280 A CN 107174280A
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Abstract

一种超声波器件(22)，具备具有平面状的超声波收发面(412A)的超声波收发部(46)以及设置在超声波收发面(412A)上的声透镜(5)，声透镜(5)具有位于与超声波收发面(412A)相反一侧的第一声透镜层(51)以及位于超声波收发面(412A)一侧的第二声透镜层(52)，第一声透镜层(51)和第二声透镜层(52)的衰减系数不同，第一声透镜层(51)和第二声透镜层(52)的交界面(5A)与超声波收发面(412A)平行。

Description

超声波器件、超声波模块以及超声波测量装置
技术领域
本发明涉及超声波器件、超声波模块以及超声波测量装置。
背景技术
目前，公开有具有振子的超声波探头，该振子基于压电体的压电效果，收发超声波(例如专利文献1)。
专利文献1中记载的超声波探头具备振子以及配置在振子上的声透镜。从振子侧依次层叠衰减系数不同的两层的声透镜层，从而构成该声透镜。另外，各声透镜层的厚度尺寸被设为在与声透镜的厚度方向交叉的平面方向上的超声波的透过量在整个声透镜上相等。
具体地，将两层声透镜层中的衰减系数较小的声透镜层的厚度尺寸设为声透镜越厚其厚度尺寸越大，声透镜越薄其厚度尺寸越小。从而实现声透镜平面方向中的超声波的透过量的均匀化。并且，通过利用衰减系数更加小的声透镜层，与单层的声透镜相比，可以增加声透镜的超声波透过率，进而提高了超声波探头中的超声波收发效率。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特公平7-121158号公报。
发明内容
发明要解决的问题
其中，当利用如上所述由多层构成的声透镜时，从振子发送的超声波有时被各声透镜层的交界面反射。这时，声透镜层的交界面与声透镜的凸面(或者凹面)对应地弯曲，所以超声波被反射到与交界面的弯曲对应的方向后，重新到达振子。被该交界面反射的超声波(以下也称为界面反射波)重新到达振子的时间根据界面反射波的反射位置的不同而不同。
即、振子在检测在生物体内反射的测量对象的超声波时，除了该测量对象的超声波之外，有时还检测出界面反射波。这时，作为测量结果，除了与测量对象的超声波对应的峰值之外，还检测出与界面反射波对应的多个峰值，出现所谓的拖尾现象，降低距离分辨率。
如上所述，在现有的构成中，在实现提高超声波收发效率的同时，也有可能由于上述的拖尾现象的影响而降低距离分辨率。
本发明的目的在于提供能够提高收发效率以及距离分辨率的下面的方式或应用例的超声波器件、超声波模块以及超声波测量装置。
解决问题的手段
根据本应用例的超声波器件的特征在于，具备：超声波收发部，具有平面状的超声波收发面；以及，声透镜，设置在所述超声波收发面上，所述声透镜具有位于与所述超声波收发面相反一侧的第一声透镜层以及位于所述超声波收发面一侧的第二声透镜层，所述第一声透镜层和所述第二声透镜层的衰减系数不同，所述第一声透镜层和所述第二声透镜层的交界面与所述超声波收发面平行。
其中，在本应用例中，超声波收发面上设有声透镜是指，从超声波收发面的法线方向观察时，至少与该超声波收发面重叠的位置上配置有声透镜。包括例如，超声波收发面与声透镜之间配置有声匹配层等其他部件。
在本应用例中，声透镜具有衰减系数彼此不同的第一声透镜层和第二声透镜层，第一声透镜层和第二声透镜层的交界面与平面状的超声波收发面平行。在这样的构成中，即使在交界面产生了界面反射波，也可以抑制如上述的交界面弯曲的构成那样、超声波收发部在不同的时机检测到界面反射波，即、可以抑制发生拖尾现象。因此，通过利用该超声波器件执行超声波测量，能够提高距离分辨率。
此外，通过将第一声透镜层和第二声透镜层中的一个衰减系数设为较小的值，从而能够增加声透镜中的超声波透过率，进而可以提高超声波的收发效率。
优选地，在本应用例的超声波器件中，所述超声波收发部具备振动膜以及设置在振动膜上的压电元件，所述第二声透镜层的衰减系数小于所述第一声透镜层的衰减系数。
在本应用例中，超声波收发部具备振动膜和压电元件，通过驱动压电元件来使振动膜振动从而发送超声波，并且由压电元件检测通过超声波导致振动的振动膜的振动，从而接收超声波。如上所述构成的超声波收发部与例如以块状压电体来代替振动膜使其振动从而发送超声波、检测超声波导致的该压电体的振动这样而构成的超声波收发部相比，如上所述构成的超声波收发部的声波阻抗更小。在本应用例中，各声透镜层中配置在超声波收发部侧的第二声透镜层的衰减系数设为比第一声透镜层小，从而即使在利用声波阻抗相对小的超声波收发部时，也能够高效率地传播超声波。
优选地，在本应用例的超声波器件中，在当从所述超声波收发面的法线方向观察时与所述超声波收发部重叠的位置，沿所述法线方向的所述第二声透镜层的厚度尺寸大于所述第一声透镜层的厚度尺寸。
在本应用例中，在从法线方向观察时与超声波收发部重叠的位置、即、传播超声波的位置，衰减系数小于第一声透镜层的第二声透镜层的厚度尺寸比第一声透镜层更大。从而，在传播超声波的位置，能够进一步增加超声波的透过率。
优选地，在本应用例的超声波器件中，当将所述第一声透镜层和所述第二声透镜层的交界面与所述超声波收发面在所述超声波收发面的法线方向上的距离为L，将从所述超声波收发部发送的超声波的波长设为λ，n设为正整数时，满足
L＝(λ/2)×n。
其中，在第一声透镜层以及第二声透镜层的交界面产生的界面反射波被超声波收发面反射后，有时透过交界面。这时，在生物体内被反射的反射波中，通过界面反射波产生的超声波比不是通过界面反射波产生的反射波(即、作为测量对象的反射波)晚些被检测到，从而测量结果中有时出现拖尾现象。
相对于此，在本应用例中，通过上述构成，能够抑制出现拖尾现象，能够提高距离分辨率。具体地，如上所述，超声波收发部的声波阻抗较小，所以界面反射波在被超声波收发面反射时，其相位反转。因此，通过上述交界面和超声波收发面的距离L满足上述数学式，从而在超声波收发面反射之后入射交界面的界面反射波与从超声波收发部发送并透过交界面的超声波变成反相位关系。因此，能够消除界面反射波，可以抑制因该界面反射波发生拖尾现象，提高距离分辨率。
优选地，在本应用例的超声波器件中，所述第一声透镜层在所述超声波收发面一侧具有凹部，所述第二声透镜层配置于所述凹部。
在本应用例中，第一声透镜层的凹部配置第二声透镜层。在这样的构成中，例如，在形成第一声透镜层之后，将第二声透镜层形成在凹部内，从而可以形成声透镜。因此，通过在第一声透镜层形成对应于第二声透镜的配置位置以及形状的凹部，从而能够简单地形成第二声透镜层。此外，也可以容易提高第一声透镜层和第二声透镜层的紧密性。
根据上述一应用例的超声波模块的特征在于，具备：超声波器件，具备具有平面状的超声波收发面的超声波收发部以及设置在所述超声波收发面上的声透镜；以及，电路基板，所述超声波器件设置在所述电路基板上，所述声透镜具有位于与所述超声波收发面相反一侧的第一声透镜层以及位于所述超声波收发面一侧的第二声透镜层，所述第一声透镜层和所述第二声透镜层的衰减系数不同，所述第一声透镜层和所述第二声透镜层的交界面与所述超声波收发面平行。
在本应用例中，声透镜具有衰减系数彼此不同的第一声透镜层和第二声透镜层，第一声透镜层和第二声透镜层的交界面与平面状的超声波收发面平行。
在这样的构成中，与涉及上述超声波器件的应用例相同地，上述交界面与平面状的超声波收发面平行，所以与交界面弯曲的构成相比，能够抑制因为在弯曲的交界面产生的界面反射波而发生拖尾现象。因此，能够提高利用该超声波模块实施超声波测量时的距离分辨率。
此外，第一声透镜层和第二声透镜层中的一个的衰减系数设为较小的值，从而能够增加声透镜中的超声波透过率，进而可以提高超声波的收发效率。
根据上述的一应用例的超声波测量装置的特征在于，具备：超声波器件，具备具有平面状的超声波收发面的超声波收发部以及设置在所述超声波收发面上的声透镜；以及，控制部，控制所述超声波器件，所述声透镜具有位于与所述超声波收发面相反一侧的第一声透镜层以及位于所述超声波收发面一侧的第二声透镜层，所述第一声透镜层和所述第二声透镜层的衰减系数不同，所述第一声透镜层和所述第二声透镜层的交界面与所述超声波收发面平行。
在本应用例中，声透镜具有衰减系数彼此不同的第一声透镜层和第二声透镜层，第一声透镜层和第二声透镜层的交界面与平面状的超声波收发面平行。
在这样的构成中，与涉及上述超声波器件的应用例相同地，上述交界面与平面状的超声波收发面平行，所以与交界面弯曲的构成相比，能够抑制因为在弯曲的交界面产生的界面反射波而发生拖尾现象。因此，能够提高利用超声波测量装置实施超声波测量时的距离分辨率。
并且，第一声透镜层和第二声透镜层中的一个的衰减系数设为较小的值，从而能够增加声透镜中的超声波透过率，进而可以提高超声波的收发效率。
附图说明
图1是示出一实施方式的超声波装置的概略构成的图。
图2是示出上述实施方式中的超声波传感器的概略构成的平面图。
图3是从密封板侧观察上述实施方式中的超声波器件的元件基板的平面图。
图4是通过图3的A-A线切割超声波器件时的截面图。
图5是示出比较例中的超声波器件的概略构成的截面图。
图6的(A)是示出上述比较例的超声波器件的测量结果例子的图，(B)是示出通过上述实施方式的超声波器件的测量结果例子的图。
图7是示出上述实施方式中的超声波器件的概略构成的截面图。
具体实施方式
下面，基于附图说明一实施方式的超声波装置。
[超声波测量装置的构成]
图1是示出本实施方式的超声波测量装置1的概略构成的立体图。
本实施方式的超声波测量装置1相当于电子设备，如图1所示，具备超声波探头2以及通过电缆3与超声波探头2电连接的控制装置10。
该超声波测量装置1将超声波探头2抵接于生物体(例如人体)的表面，从超声波探头2向生物体内发送超声波。此外，通过超声波探头2接收被生物体内的器官反射的超声波，基于该接收信号，例如获得生物体内的内部层析图像，或者测量生物体内的器官状态(例如血液循环等)。
[控制装置的构成]
如图1示出，控制装置10具备例如操作部11以及显示部12。此外，控制装置10具备由存储器等构成的存储部、由CPU(Central Processing Unit：中央处理单元)等构成的运算部，这一点在图中省略示出。另外，控制装置10通过运算部读取并执行存储在存储部中的各种程序，从而例如输出用于控制超声波探头2的驱动的命令，或者基于从超声波探头2输入的接收信号，形成生物体的内部结构图像并显示在显示部12，或者测量血液循环等生物体信息后显示在显示部12。即、控制装置10相当于控制部。作为这样的控制装置10，可以利用例如，平板电脑终端或智能手机、个人计算机等终端装置，还可以利用用于操作超声波探头2的专用终端装置。
[超声波探头的构成]
图2是示出超声波探头2中的超声波传感器24的概略构成的平面图。
超声波探头2具备壳体21(参照图1)、设置在壳体21内部的超声波器件22以及设有用于控制超声波器件22的驱动电路等的布线基板23。另外，由超声波器件22和布线基板23构成超声波传感器24(相当于超声波模块)。
[壳体的构成]
如图1所示，壳体21形成为例如俯视时为矩形形状的箱子形状，与厚度方向正交的一面(传感器面21A)设有传感器窗口21B，露出超声波器件22的一部分。此外，壳体21的一部分(图1示出的例子中是侧面)设有电缆3的通过孔21C，电缆3从通过孔21C插入到壳体21内部，并连接于布线基板23的连接器部231(参照图2)。此外，电缆3与通过孔21C之间的缝隙中填充有例如树脂材料等，从而确保防水性。
需要说明的是，在本实施方式中示出了利用电缆3来连接超声波探头2和控制装置10的构成例子，但是，并不限定于此，例如，超声波探头2和控制装置10可以通过无线通信连接，还可以在超声波探头2内设置控制装置10的各种构成。
[布线基板的构成]
布线基板23相当于电路基板，具有与超声波器件22所具备的电极极板414P、416P(参照图3)电连接的端子部。
此外，布线基板23上设有用于驱动超声波器件22的驱动电路等。具体地，布线基板上设有用于从超声波器件22发送超声波的发送电路、在超声波器件22接收到超声波时处理接收信号的接收电路等。另外，通过电缆3等，该布线基板上连接有控制装置10，基于来自控制装置10的命令，驱动超声波器件22。
[超声波器件的构成]
图3是从密封板42侧观察超声波器件22中的元件基板41的平面图。图4是通过图3中的A-A线切割超声波器件22的截面图。
如图4所示，超声波器件22由元件基板41、密封板42、声匹配层43以及声透镜5构成。
(元件基板的构成)
如图4所示，元件基板41具备基板主体部411、设置在基板主体部411的密封板42侧的振动膜412以及层叠在振动膜412上的压电元件413。其中，在后面的说明中，将元件基板41的与密封板42相对的面称为背面41A。此外，将振动膜412的与密封板42相反侧的面称为超声波收发面412A。此外，在从基板厚度方向观察元件基板41的俯视图中，元件基板41的中间区域成为阵列区域Ar1，该阵列区域Ar1中矩阵状配置有多个超声波换能器45。
基板主体部411是例如Si等半导体基板。基板主体部411中的阵列区域Ar1内设有与每个超声波换能器45对应的开口部411A。此外，各开口部411A通过设置在基板主体部411的背面41A侧的振动膜412闭塞。
振动膜412由例如SiO2或SiO2以及ZrO2的层叠体等构成，设置成覆盖基板主体部411的整个背面41A侧。该振动膜412的厚度尺寸形成为相对于基板主体部411充分小的厚度尺寸。在以Si构成基板主体部411，以SiO2构成振动膜412的情况下，通过例如对于基板主体部411的背面41A侧进行氧化处理，可以简单地形成期望的厚度尺寸的振动膜412。此外，这种情况下，以SiO2的振动膜412作为蚀刻终止层对基板主体部411进行蚀刻处理，可以简单地形成所述开口部411A。
此外，如图4所示，闭塞各开口部411A的振动膜412上(背面41A侧)分别设有压电元件413，该压电元件413是下部电极414、压电膜415以及上部电极416的层叠体。其中，由闭塞开口部411A的振动膜412以及压电元件413构成一个超声波换能器45。
在这样的超声波换能器45中，通过下部电极414以及上部电极416之间施加预定频率的矩形波电压，从而使开口部411A的开口区域内的振动膜412振动，可以从超声波收发面412A侧发出超声波。此外，通过被对象物反射并且从超声波收发面412A侧入射的超声波使振动膜412振动时，压电膜415的上下产生电位差。因此，通过检测下部电极414以及上部电极416之间产生的所述电位差，从而可以检测接收到的超声波。
此外，在本实施方式中，如图3所示，在元件基板41的预定的阵列区域Ar1内，沿X方向(层(slice)方向)以及与X方向交叉(在本实施方式中是正交)的Y方向(扫描方向)配置有多个如上所述的超声波换能器45，从而构成超声波换能器阵列46。需要说明的是，超声波换能器阵列46相当于超声波收发部。
其中，下部电极414形成为沿X方向的直线形状。即、下部电极414由跨沿X方向排列的多个超声波换能器45设置且位于压电膜415与振动膜412之间的下部电极主体414A、连结相邻的下部电极主体414A的下部电极线414B、被拉出到阵列区域Ar1外的端子区域Ar2的下部端子电极线414C构成。因此，在X方向排列的超声波换能器45中，下部电极414的电位相同。
另外，下部端子电极线414C延伸到阵列区域Ar1外的端子区域Ar2，在端子区域Ar2内构成第一电极极板414P。该第一电极极板414P连接于设置在布线基板上的端子部。
另一方面，如图3所示，上部电极416具有跨沿Y方向排列的多个超声波换能器45设置的元件电极部416A以及连结多个元件电极部416A的端部之间的公共电极部416B。元件电极部416A具有层叠在压电膜415上的上部电极主体416C、连结相邻的上部电极主体416C的上部电极线416D以及从配置在Y方向两端部的超声波换能器45沿Y方向向外侧延伸的上部端子电极416E。
公共电极部416B分别设置在阵列区域Ar1的+Y侧端部以及-Y侧端部。+Y侧的公共电极部416B用于实现从沿Y方向设置的多个超声波换能器45中设在+Y侧端部的超声波换能器45向+Y侧延伸的上部端子电极416E之间的连接。-Y侧端部的公共电极部416B用于实现向-Y侧延伸的上部端子电极416E之间的连接。因此，在阵列区域Ar1内的各超声波换能器45中，上部电极416的电位相同。此外，这些一对公共电极部416B沿X方向设置，其端部从阵列区域Ar1被拉出到端子区域Ar2。另外，在端子区域Ar2中，公共电极部416B构成连接于布线基板的端子部的第二电极极板416P。
在如上所述的超声波换能器阵列46中，通过下部电极414连结的X方向排列的超声波换能器45构成一个超声波换能器群45A，由该超声波换能器群45A构成在Y方向排列多个的一维阵列结构。
(密封板的构成)
密封板42形成为从厚度方向观察时的平面形状与例如元件基板41的形状相同，由Si等半导体基板或者绝缘体基板构成。需要说明的是，密封板42的材质和厚度对超声波换能器45的频率特性带来影响，所以优选地，根据在超声波换能器45收发的超声波的中心频率来设定。
另外，该密封板42在与元件基板41的阵列区域Ar1相对的阵列相对区域形成有与元件基板41的开口部411A对应的多个凹槽421。从而，在振动膜412中的、通过超声波换能器45进行振动的区域(开口部411A内)，在与元件基板41之间形成预定尺寸的间隙421A，不妨碍振动膜412的振动。此外，可以抑制来自一个超声波换能器45的背面波入射到其他相邻的超声波换能器45的问题(串音)。
此外，振动膜412振动时，除了开口部411A侧(超声波收发面412A侧)之外，密封板42侧(背面41A侧)也发出作为背面波的超声波。该背面波被密封板42反射后再次经由间隙421A朝振动膜412侧发出。这时，如果反射背面波与从振动膜412向超声波收发面412A侧发出的超声波的相位错开，则将衰减超声波。因此，在本实施方式中，各凹槽421的槽深度被设为间隙421A中的声学距离是超声波波长λ的四分之一(λ/4)的奇数倍。换言之，鉴于从超声波换能器45发射的超声波的波长λ来设定元件基板41和密封板42的各部的厚度尺寸。
此外，可以形成为密封板42在与元件基板41的端子区域Ar2相对的位置，与设置在端子区域Ar2的各电极极板414P、416P对应地设置开口部(未图示)的构成等。这时，通过在该开口部设置在厚度方向贯通密封板42的贯通电极(TSV：Through-Silicon Via)，从而经由该贯通电极，各电极极板414P、416P连接于布线基板中的端子部。此外，还可以形成为在开口部插入FPC(Flexible printed circuits：柔性印制电路)或电缆线、电线等，连接各电极极板414P、416P和布线基板的构成等。
(声匹配层的构成)
如图4所示，声匹配层43设置在超声波收发面412A侧。具体地，声匹配层43填充在元件基板41的开口部411A内，而且从超声波收发面412A形成有预定的厚度尺寸。需要说明的是，这些声匹配层43与后述的声透镜5一起将从超声波换能器45发送的超声波高效率地传播到作为测量对象的生物体，并且，将在生物体内反射的超声波高效率地传播到超声波换能器45。因此，声匹配层43被设为元件基板41的超声波换能器45的声波阻抗与生物体的声波阻抗的中间的声波阻抗。作为具有这样的声波阻抗的材料，可以例举例如硅酮等树脂材料。
(声透镜的构成)
声透镜5设置在声匹配层43上，具备第一声透镜层51以及配置在第一声透镜层51的超声波收发面412A侧(-Z侧)的第二声透镜层52。如图1所示，该声透镜5从壳体21的传感器窗口21B露在外部。另外，声透镜5通过将第一声透镜层51紧贴在生物体表面，通过声匹配层43，使从超声波换能器45发送的超声波在生物体内高效率地收敛，此外，将在生物体内反射的超声波高效率地传播到超声波换能器45。
如图4所示，第一声透镜层51具备平板部511以及比平板部511更加朝与超声波收发面412A相反侧突出的突出部512。
在从超声波收发面412A的法线方向观察的俯视图中，平板部511是位于阵列区域Ar1的外侧且配置在声匹配层43上的板状部分。
突出部512具有朝与超声波收发面412A相反侧(生物体侧)突出的圆柱面512A以及朝超声波收发面412A侧开口的凹部512B，并且从传感器窗口21B突出。
圆柱面512A是在沿X方向(层(slice)方向)的截面图中的形状是圆弧状、沿Y方向(扫描方向)的截面图中的形状是直线状的平面。该圆柱面512A的曲率根据从一个超声波换能器群45A发送的超声波的焦点位置决定。此外，突出部512的X方向的尺寸、即形成圆柱面512A的区域的X方向的尺寸至少大于阵列区域Ar1。从而，能够将从配置在阵列区域Ar1的各超声波换能器群45A发送的超声波高效率地收敛在焦点位置。
凹部512B形成在从超声波收发面412A的法线方向观察的俯视图中覆盖阵列区域Ar1的位置，开口尺寸大于阵列区域Ar1。凹部512B具有与超声波收发面412A大致平行的平面状的底面。如后述，该凹部512B的底面是配置在凹部512B的第二声透镜层52和第一声透镜层51的交界面5A。
上述的第一声透镜层51由具有元件基板41的超声波换能器45的声波阻抗与生物体的声波阻抗的中间的声波阻抗的材料形成。此外，优选地，第一声透镜层51由反弹硬度(Shore硬度：肖氏硬度)比第二声透镜层52大的材料形成。从而，能够抑制第一声透镜层51因为接触到生物体而磨损。
作为该第一声透镜层51的形成材料，可以例举例如混炼型硅橡胶。混炼型硅橡胶包含例如含乙烯基的二甲聚硅氧烷结构的硅橡胶、硅石以及硫化剂。具体地，硅石以相对于硅橡胶的质量比在40质量％以上50质量％以下且重量平均粒径在15μm～30μm的硅石粒子的方式混入硅橡胶。作为硫化剂，可以采用例如2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧化)己烷(2,5-Dimethyl-2,5-di(tert-butylperoxy)hexane)。
第二声透镜层52配置在第一声透镜层51的凹部512B内。即、第二声透镜层52配置在从超声波收发面412A的法线方向(与Z方向平行的方向)观察的俯视图中与阵列区域Ar1重叠的位置，外形尺寸大于阵列区域Ar1。从而，可以将从配置在阵列区域Ar1的超声波换能器45发送的超声波通过第二声透镜层52传播到第一声透镜层51。
此外，第二声透镜层52的与超声波收发面412A相反侧的面是第一声透镜层51和第二声透镜层52的交界面5A，与超声波收发面412A大致平行。需要说明的是，第二声透镜层52的超声波收发面412A侧的面与第一声透镜层51的平板部511的阵列区域Ar1侧的面是同一平面。
此外，第二声透镜层52的厚度D2比第一声透镜层51的厚度D1更大。需要说明的是，第一声透镜层51的厚度D1设为突出部512中的最大厚度(参照图7)。从而，与第一声透镜层51的厚度D1比第二声透镜层52的厚度D2更大的构成相比，可以进一步抑制超声波的衰减。
该第二声透镜层52由衰减系数比第一声透镜层51更小的材料形成，而且由具有超声波换能器45与生物体的中间的声波阻抗的材料形成。作为形成第二声透镜层52的材料，可以采用例如不包含硅石等填料的RTV硅橡胶。从而，能够使得声透镜5中配置在传播超声波的位置上的第二声透镜层52的衰减系数小于第一声透镜层51的衰减系数，能够抑制超声波的衰减。
在如上所述构成的声透镜5中，将从超声波换能器45发送的超声波的波长设为λ，n表示1以上的整数时，超声波收发面412A与交界面5A之间的距离L满足下面的数学式(1)。其中，距离L是声匹配层43的厚度d(参照图7)和第二声透镜层的厚度D2的和。即、在本实施方式中，声匹配层43的厚度d和第二声透镜层的厚度D2的各值被设为使距离L满足下面的数学式(1)。另外，在后面说明当距离L满足下面的数学式(1)时的作用效果。
[数学式1]
L＝(λ/2)×n……(1)
可以利用以金属等形成的模具，通过压缩成形等方法形成上述的声透镜5。例如，首先，在形成第一声透镜层51外形的第一模具内填充第一声透镜层51的形成材料的流体，并进行固化。在如上所述形成的第一声透镜层51的凹部512B内部填充第二声透镜层52的形成材料的流体。之后，在覆盖凹部512B的位置配置用于将第二声透镜层52的阵列区域侧的面形成为平面的模具，并使第二声透镜层52的形成材料固化。如上所述，在第一声透镜层51形成凹部512B之后，将第二声透镜层52形成在凹部512B内，从而能够提高第一声透镜层51和第二声透镜层52的紧密性。
[通过超声波器件22实现的拖尾现象的抑制]
在本实施方式的超声波器件22中，交界面5A与超声波收发面412A大致平行，从而如后述，可以抑制拖尾现象发生(第一作用)。
并且，在超声波器件22中，交界面5A与超声波收发面412A的距离L满足上述数学式(1)，也可以抑制拖尾现象发生(第二作用)。
下面，说明通过超声波器件22实现的上述第一作用以及第二作用。
(第一作用)
图5是示出比较例中的声透镜7的截面的概略构成的图。
并且，图6是示出超声波器件进行超声波测量的测量结果例子的图，(A)示出了上述比较例的超声波器件的测量结果，(B)示出了本实施方式的超声波器件22的测量结果。
其中，图5示出的声透镜7具备第一声透镜层71以及第二声透镜层72，与本实施方式的声透镜5的区别在于，第一声透镜层71与第二声透镜层72的交界面7A弯曲。需要说明的是，在图5中示出了交界面7A沿着第一声透镜层71的弯曲面71A弯曲的声透镜7例子。下面，通过与具备声透镜7的超声波器件的对比来说明第一作用。
在具备图5示出的比较例的声透镜7的超声波器件中，从超声波换能器群45A的各超声波换能器45向Z方向发送的超声波在传播到声透镜7的第二声透镜层72之后，入射到第一声透镜层71与第二声透镜层72的交界面7A。如图5所示，有时入射到该交界面7A的超声波中的一部分被反射。另外，通过超声波换能器45来接收到被交界面7A反射的超声波(以下也称为界面反射波)时，如图6的(A)所示，检测到与生物体内的反射波的峰值P1不同的多个峰值P2，发生所谓的拖尾现象。
即、如图5所示，声透镜7的交界面7A是弯曲的，未与超声波收发面412A平行，所以界面反射波向与Z方向交叉的方向传播。另外，如果入射到超声波的交界面7A的入射位置在X方向上不同，则界面反射波的传播方向(超声波的反射方向)也不同。而且，超声波收发面412A与交界面7A的距离L在X方向上不同，所以从超声波换能器45发送之后，变成界面反射波并再次到达超声波换能器45的超声波的传播距离根据入射到交界面7A的入射位置的不同而不同。因此，界面反射波到达超声波换能器45的时间因X方向上的入射到交界面7A的入射位置的不同而不同。
如图6的(A)所示，通过超声波换能器45接收该界面反射波，从而检测到多个峰值P2，即发生拖尾现象。一旦发生这样的拖尾现象，则降低生物体内产生的反射波的反射位置的检测精度(距离分辨率)。
相对于此，在具备本实施方式的声透镜5的超声波器件22中，声透镜5的交界面5A与超声波收发面412A大致平行。因此，即使在交界面5A产生了界面反射波，该界面反射波的传播方向也与Z方向大致平行。此外，超声波收发面412A与交界面5A的距离也设为大致一定。因此，如图6的(B)所示，能够抑制检测到由到达超声波换能器45的时间不同的界面反射波引起的多个峰值P2，即可以抑制拖尾现象的发生。因此，能够提高超声波器件22的距离分辨率。
(第二作用)
图7是用于说明通过本实施方式的超声波器件22实现的抑制拖尾作用的图，概略示出了超声波器件22的截面。另外，在图7中，简化示出超声波器件22的构成。
在本实施方式的超声波器件22中，从超声波收发面412A到交界面5A的距离L满足上述数学式(1)，从而可以抑制界面反射波被超声波收发面412A反射之后在生物体内被反射、并且通过超声波换能器45接收而发生的拖尾现象。
即、从超声波换能器45沿法线方向发送，并且入射到交界面5A的超声波S0中，除了透过交界面5A的超声波(第一波)S1之外，还存在被交界面5A反射而产生界面反射波(第二波)S2的超声波。这些超声波中的第二波S2被超声波收发面412A反射之后，有可能再次在声透镜5中传播并发射到生物体内。在实施超声波测量时，检测第一波S1在生物体内反射的反射波，但是，在如上述情况下，检测到在第一波S1之后在生物体内被反射的第二波S2的反射波，从而发生拖尾现象。
相对于此，在本实施方式中，从超声波收发面412A起到交界面5A的距离L满足上述数学式(1)，从而能够抑制第二波S2带来的拖尾现象的发生。
具体地，第二波S2在被超声波收发面412A反射时，其相位被反转。另外，如上所述，距离L满足上述数学式(1)，从而第二波S2的相位在再次入射到交界面5A时变为与第一波S1相反的相位。从而，在交界面5A能够消除至少一部分第二波S2。因此，能够抑制第二波S2带来的拖尾现象的发生，能够提高超声波器件22的距离分辨率。
[本实施方式的作用效果]
声透镜5具有衰减系数彼此不同的第一声透镜层51和第二声透镜层52，第一声透镜层51和第二声透镜层52的交界面5A与平面状的超声波收发面412A大致平行。从而，如上所述，即使在交界面5A产生了界面反射波，也能够抑制如交界面弯曲的构成(参照图5)那样而发生的拖尾现象，其中，如交界面弯曲的构成(参照图5)那样，在弯曲的交界面产生的界面反射波在不同的时机通过超声波换能器阵列46被检测到从而发生拖尾现象。因此，通过利用该超声波器件22实施超声波测量，能够提高距离分辨率。
另外，通过设置衰减系数比第一声透镜层51更小的第二声透镜层52，从而能够增加声透镜5中的超声波透过率，进而可以提高超声波的收发效率。
因此，在本实施方式的超声波器件22中，可以同时提高超声波的收发效率和距离分辨率。
另外，第二声透镜层52的厚度尺寸D2比第一声透镜层51的厚度尺寸D1更大。从而，能够进一步增加超声波的透过率。
另外，在本实施方式中，在从超声波收发面412A的法线方向观察的俯视图中，第二声透镜层52的外形尺寸比阵列区域Ar1更大。从而，能够向生物体高效率地传播从超声波换能器阵列46发送的超声波。
另外，超声波换能器阵列46具备多个超声波换能器45，超声波换能器45包括振动膜412以及形成在振动膜412上的压电元件413。与例如不具备振动膜412而使块状的压电体进行振动从而发送超声波、检测通过超声波引起的该压电体的振动这样而构成的超声波换能器或生物体相比，该超声波换能器45的声波阻抗更小。在本实施方式中，各声透镜层中配置在超声波换能器阵列46侧的第二声透镜层52的衰减系数比第一声透镜层51的衰减系数更小，从而即使在使用声波阻抗较小的超声波换能器阵列46时，也能够高效率地传播超声波。
另外，在本实施方式中，超声波器件22构成为第一声透镜层51以及第二声透镜层52的交界面5A与超声波收发面412A的距离L满足上述数学式(1)。在这样的构成中，如上所述，即使在交界面5A产生界面反射波，界面反射波在被超声波收发面412A反射之后再次入射到交界面5A时，能够消除该界面反射波的至少一部分。因此，再次入射到交界面5A之后，能够抑制发射到生物体内的界面反射波的发生，能够抑制因该界面反射波而发生拖尾现象。
第一声透镜层51的凹部512B配置有第二声透镜层52。在这样的构成中，例如，在形成第一声透镜层51之后，将第二声透镜层52形成在凹部512B内，从而能够形成声透镜5。因此，通过在第一声透镜层51形成对应于第二声透镜层52的配置位置以及形状的凹部512B，从而能够简单地形成第二声透镜层52。另外，可以容易提高第一声透镜层51与第二声透镜层52的紧密性。
[变形例]
需要说明的是，上述的各实施方式并不限定于各实施方式中记载的构成，可以进行变形、改良以及各实施方式的适当组合等。
例如，在上述实施方式中，示出了第二声透镜层52的厚度尺寸D2比第一声透镜层51的厚度尺寸D1更大的构成例子，但是，本发明并不限定于此。即、第一声透镜层51的厚度尺寸D1可以比第二声透镜层52的厚度尺寸D2更大，还可以与第二声透镜层52的厚度尺寸D2相同。在这种情况下，通过配置衰减系数比第一声透镜层51更小的第二声透镜层52，能够提高超声波的透过率。
在上述实施方式中，示出了第二声透镜层52配置在第一声透镜层51的凹部512B内的构成例子，但是，本发明并不限定于此。例如，还可以是第一声透镜层51不具备凹部512B，在超声波收发面412A侧具有平整面，沿第一声透镜层51的超声波收发面412A侧的平整面配置第二声透镜层52。
另外，在上述实施方式中，在形成声透镜5之后，将声透镜5配置在声匹配层43上，但是，还可以将第二声透镜层52和声匹配层43一体形成。即、可以在超声波器件22的超声波收发面412A侧配置声匹配层43以及第二声透镜层52的形成材料之后，在该形成材料上配置第一声透镜层51。这时，例如，在元件基板41的外周部等+Z侧的表面配置或形成第一声透镜层51的定位用部件，从而可以适当地设定第二声透镜层52的厚度尺寸和相对于超声波收发面412A的第一声透镜层51的姿势(平行程度)。
在上述实施方式中，声透镜5具有第一声透镜层51和第二声透镜层52，但是，本发明并不限定于此，还可以形成为具备三层以上的声透镜层的构成。在具备三层以上的声透镜层时，也通过将各透镜层的交界面形成为与超声波收发面412A平行的平面，从而如上所述，可以抑制拖尾现象的发生。
如图4所示，在上述实施方式中示出了在元件基板41的工作面41B侧设有开口部411A，背面41A侧设有压电元件413，朝工作面41B侧(开口部411A侧)发送超声波的构成例子，但是，并不限定于此。
还可以是例如在元件基板41的背面41A侧设置开口部411A，工作面41B侧设置压电元件413，向工作面41B侧(压电元件413侧)发送超声波的构成等。另外，还可以是在元件基板41的工作面41B侧设置开口部411A，该开口部411A的槽底面(振动膜412)的工作面41B侧设置压电元件413的构成。还可以是在元件基板41的背面41A侧设置开口部411A，该开口部411A的槽底面(振动膜412)的背面41A侧设置压电元件413的构成。
另外，作为压电元件413，示出了由在厚度方向层叠有下部电极414、压电膜415、上部电极416的层叠体构成的例子，但是，并不限定于此。还可以是例如在与压电膜415的厚度方向正交的一面，彼此相对地配置一对电极的构成等。此外，可以以在沿压电膜的厚度方向的侧面夹住压电膜的方式配置电极。
并且，在上述实施方式中，作为超声波换能器45，示出了由振动膜412以及在该振动膜412上层叠下部电极414、压电膜415以及上部电极416而构成的压电元件413的构成的例子，但是，本发明并不限定于此。即、作为超声波换能器，还可以采用具有块状压电体的压电元件，以此代替振动膜，使块状压电体振动从而发送超声波，检测超声波引起的该压电体的振动。这时，超声波收发面是压电体的生物体侧的面。
另外，通常，如上所述构成的超声波换能器的声波阻抗比生物体更大。因此，将构成声透镜的多个声透镜层的声波阻抗设为从超声波换能器侧朝向生物体侧逐渐变小，从而能够高效率地接收或发送超声波。
在上述实施方式中，示出了将生物体作为测量对象的超声波测量装置的例子，但是，本发明并不限定于此。例如，本发明还可以用于以各种结构体为测量对象、检测该结构体的缺陷或检测该结构体的老化的电子设备中。另外，例如，本发明还可以用于以半导体封装或晶片等作为检测对象、检测该检测对象的缺陷的电子设备中。
除此之外，实施本发明时的具体结构可以在实现本发明的目的的范围内通过适当地组合上述各实施方式以及变形例来构成，并且还可以适当地变更为其他结构等。
将2016年3月9日提交的日本专利申请第2016-045885号的全部公开内容通过引用方式并入本文。

Claims (7)

1.一种超声波器件，其特征在于，具备：
超声波收发部，具有平面状的超声波收发面；以及
声透镜，设置在所述超声波收发面上，
所述声透镜具有位于与所述超声波收发面相反一侧的第一声透镜层以及位于所述超声波收发面一侧的第二声透镜层，
所述第一声透镜层和所述第二声透镜层的衰减系数不同，
所述第一声透镜层和所述第二声透镜层的交界面与所述超声波收发面平行。
2.根据权利要求1所述的超声波器件，其特征在于，
所述超声波收发部具备：振动膜以及设置在振动膜上的压电元件，
所述第二声透镜层的衰减系数小于所述第一声透镜层的衰减系数。
3.根据权利要求2所述的超声波器件，其特征在于，
在当从所述超声波收发面的法线方向观察时与所述超声波收发部重叠的位置，沿所述法线方向的所述第二声透镜层的厚度尺寸大于所述第一声透镜层的厚度尺寸。
4.根据权利要求2或3所述的超声波器件，其特征在于，
当将所述第一声透镜层和所述第二声透镜层的交界面与所述超声波收发面在所述超声波收发面的法线方向上的距离设为L，将从所述超声波收发部发送的超声波的波长设为λ，n设为正整数时，满足L＝(λ/2)×n。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的超声波器件，其特征在于，
所述第一声透镜层在所述超声波收发面一侧具有凹部，
所述第二声透镜层配置于所述凹部。
6.一种超声波模块，其特征在于，具备：
超声波器件，具备具有平面状的超声波收发面的超声波收发部以及设置在所述超声波收发面上的声透镜；以及
电路基板，所述超声波器件设置在所述电路基板上，
所述声透镜具有位于与所述超声波收发面相反一侧的第一声透镜层以及位于所述超声波收发面一侧的第二声透镜层，
所述第一声透镜层和所述第二声透镜层的衰减系数不同，
所述第一声透镜层和所述第二声透镜层的交界面与所述超声波收发面平行。
7.一种超声波测量装置，其特征在于，具备：
超声波器件，具备具有平面状的超声波收发面的超声波收发部以及设置在所述超声波收发面上的声透镜；以及
控制部，控制所述超声波器件，
所述声透镜具有位于与所述超声波收发面相反一侧的第一声透镜层以及位于所述超声波收发面一侧的第二声透镜层，
所述第一声透镜层和所述第二声透镜层的衰减系数不同，
所述第一声透镜层和所述第二声透镜层的交界面与所述超声波收发面平行。
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