JP2015066202A - 超音波デバイスおよびプローブ並びに電子機器および超音波画像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】超音波トランスデューサー素子の高密度化を実現しつつ基体の強度を大きくすることで良好にクロストークを防止する。【解決手段】超音波デバイス１７は、アレイ状に配置された複数の開口４８を有する基体２１と、開口４８ごとに配置されて、個々に振動膜２４を有する複数の超音波トランスデューサー素子２３と、基体２１の厚み方向からの平面視において、隣り合う振動膜２４の間の領域で基体２１に対して固着されて、基体２１よりも大きいヤング率を有する補強体４５とを備える。個々の開口４８ごとに基体２１は開口４８を囲む枠体４９を形成する。枠体４９に補強体４５が固着されて複合体を形成する。【選択図】図３
Description
本発明は、超音波デバイス、並びに、それを利用したプローブ、電子機器および超音波画像装置等に関する。
超音波デバイスは一般に知られる。例えば、特許文献１に記載の超音波デバイスでは基体は複数の開口を有する。開口はアレイ状に配置される。開口ごとに超音波トランスデューサー素子が配置される。個々に超音波トランスデューサー素子は振動膜を有する。振動膜上に圧電体および電極が形成される。振動膜の超音波振動に応じて超音波は発信される。
振動膜の超音波振動時に超音波のクロストークが引き起こされる。振動膜の超音波振動は基体を伝って隣接する振動膜に伝播する。こうしたクロストークの防止にあたって、例えば特許文献２では圧電体が分断される。しかしながら、特許文献１に記載の超音波デバイスで振動膜相互の間が分断されると、振動膜の支持強度は著しく弱まってしまう。支持強度を確保しようとすれば、超音波トランスデューサー素子の高密度化は難しい。
本発明の少なくとも１つの態様によれば、超音波トランスデューサー素子の高密度化を実現しつつ基体の強度を大きくすることで良好にクロストークを防止することができる超音波デバイスは提供されることができる。
（１）本発明の一態様は、アレイ状に配置された複数の開口を有する基体と、前記開口ごとに配置されて、個々に振動膜を有する複数の超音波トランスデューサー素子と、前記基体の厚み方向からの平面視において、隣り合う前記振動膜の間の領域で前記基体に対して固着されて、前記基体よりも大きいヤング率を有する補強体とを備える超音波デバイスに関する。
超音波の送信にあたって超音波トランスデューサー素子の振動膜は超音波振動する。超音波振動に応じて超音波信号が発信される。このとき、個々の開口ごとに基体は開口を囲む枠体を形成する。枠体に補強体が重ねられて複合体を形成する。複合体の曲げ剛性は枠体単体の曲げ剛性を上回る。枠体の剛性は高められる。振動膜の超音波振動時に枠体のぶれは抑制される。こうして１つの振動膜の超音波振動時に超音波のクロストークは防止される。その結果、超音波トランスデューサー素子は高密度に配置されることができる。その一方で、枠体の剛性が低いと、振動膜の超音波振動時に枠体が歪んでしまい、１つの振動膜から隣接する振動膜に向かって超音波のクロストークが引き起こされてしまう。
（２）前記補強体は、前記基体と協働で、前記基体単体の断面二次モーメントよりも大きい断面二次モーメントを有する複合体を形成することができる。曲げ剛性はヤング率と断面二次モーメントとの積で特定される。複合体の断面二次モーメントが基体単体の断面二次モーメントよりも大きければ、曲げ剛性は高められる。補強体は効果的に曲げ剛性を補強することができる。
（３）前記補強体は、前記平面視において相互に交差する第１方向および第２方向に沿う交差部を有することができる。補強体同士が交差することで補強体の剛性は高められる。基体の曲げ剛性はさらに高められる。
（４）前記第１方向および前記第２方向の交差角は９０度であることができる。基体の曲げ剛性は確実に高められる。
（５）前記補強体は、前記平面視において前記第１方向に前記超音波トランスデューサー素子のアレイ領域を横切る形状の第１直線部を有することができる。こうしてアレイの領域全体で基体の剛性は高められる。
（６）前記補強体は、１つの信号線に共通に接続される前記超音波トランスデューサー素子群ごとに前記第２方向において分離されて配置されている複数の前記交差部を有することができる。１つの信号線に共通に接続される超音波トランスデューサー素子群に属する振動膜は駆動信号の供給に応じて同時に振動する。同時に振動する超音波トランスデューサー素子群は１セグメントを形成する。セグメントごとに補強体は途切れることから、補強体を伝ってセグメント相互の間で超音波振動の伝達は防止される。超音波のクロストークは低減される。
（７）超音波デバイスは、前記平面視において前記複数の前記交差部の間の領域に位置する前記第１直線部と、前記第２方向に沿って延設されている補助補強体部とを有する補強体を備えることができる。補強体が分断されても、分断された領域は補助補強体部で補強される。補強体の分断に拘わらず補助補強体部の働きで剛性は確保される。
（８）前記補強体は、前記平面視において前記第２方向に前記超音波トランスデューサー素子のアレイ領域を横切る形状の第２直線部を有することができる。こうしてアレイ領域全体で基体の剛性は高められる。
（９）前記補強体は、１つの信号線に共通に接続される前記超音波トランスデューサー素子群ごとに前記第１方向において分離されて配置されている複数の前記交差部を有することができる。１つの信号線に共通に接続される超音波トランスデューサー素子群に属する振動膜は駆動信号の供給に応じて同時に振動する。同時に振動する超音波トランスデューサー素子群は１セグメントを形成する。セグメントごとに補強体は途切れることから、補強体を伝ってセグメント相互の間で超音波振動の伝達は防止される。超音波のクロストークは低減される。セグメントはアレイ状に配置される。
（１０）前記補強体は絶縁材料から形成され、前記超音波デバイスは、複数の前記超音波トランスデューサー素子に共通に第１方向に延びる第１導電膜と、前記超音波トランスデューサー素子ごとに前記第１導電膜上に形成される圧電体膜と、複数の前記超音波トランスデューサー素子に共通に第２方向に延びる第２導電膜と、前記補強体から連続しつつ、前記圧電体膜上で前記第２導電膜から前記第１導電膜を隔てる絶縁膜とを備えることができる。第１導電膜および第２導電膜は圧電体膜上で相互に離隔される。圧電体膜の表面には第１導電膜と第２導電膜との間に圧電体膜に接する空間が形成される。空間は絶縁膜で占められる。絶縁膜は空間への水分の進入を防止する。その結果、超音波デバイスが水分に曝されても、第１導電膜と第２導電膜との間で電気的短絡は回避されることができる。
（１１）前記第１導電膜は、隣り合う前記第２導電膜相互の間で前記第２導電膜の膜厚よりも大きい膜厚を有することができる。第１導電膜には十分な膜厚が確保されることから、配線抵抗の増加は回避されることができる。したがって、超音波の検出感度は十分に確保されることができる。
（１２）超音波デバイスはプローブに組み込まれて利用されることができる。このとき、プローブは、超音波デバイスと、前記超音波デバイスを支持する筐体とを備えればよい。
（１３）超音波デバイスは電子機器に組み込まれて利用されることができる。このとき、電子機器は、超音波デバイスと、前記超音波デバイスに接続されて、前記超音波デバイスの出力を処理する処理装置とを備えればよい。
（１４）超音波デバイスは超音波画像装置に組み込まれて利用されることができる。このとき、超音波画像装置は、超音波デバイスと、前記超音波デバイスの出力から生成される画像を表示する表示装置とを備えることができる。
以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。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）超音波診断装置の全体構成
図１は電子機器の一具体例すなわち超音波診断装置（超音波画像装置）１１の構成を概略的に示す。超音波診断装置１１は装置端末（処理装置）１２と超音波プローブ（プローブ）１３とを備える。装置端末１２と超音波プローブ１３とはケーブル１４で相互に接続される。装置端末１２と超音波プローブ１３とはケーブル１４を通じて電気信号をやりとりする。装置端末１２にはディスプレイパネル（表示装置）１５が組み込まれる。ディスプレイパネル１５の画面は装置端末１２の表面で露出する。装置端末１２では、超音波プローブ１３で検出された超音波に基づき画像が生成される。画像化された検出結果がディスプレイパネル１５の画面に表示される。
図１は電子機器の一具体例すなわち超音波診断装置（超音波画像装置）１１の構成を概略的に示す。超音波診断装置１１は装置端末（処理装置）１２と超音波プローブ（プローブ）１３とを備える。装置端末１２と超音波プローブ１３とはケーブル１４で相互に接続される。装置端末１２と超音波プローブ１３とはケーブル１４を通じて電気信号をやりとりする。装置端末１２にはディスプレイパネル（表示装置）１５が組み込まれる。ディスプレイパネル１５の画面は装置端末１２の表面で露出する。装置端末１２では、超音波プローブ１３で検出された超音波に基づき画像が生成される。画像化された検出結果がディスプレイパネル１５の画面に表示される。
図２に示されるように、超音波プローブ１３は筐体１６を有する。筐体１６内には超音波トランスデューサー素子ユニット（以下「素子ユニット」という）１７が収容される。素子ユニット（超音波デバイス）１７の表面は筐体１６の表面で露出することができる。素子ユニット１７は表面から超音波を出力するとともに超音波の反射波を受信する。その他、超音波プローブ１３は、プローブ本体１３ａに着脱自在に連結されるプローブヘッド１３ｂを備えることができる。このとき、素子ユニット１７はプローブヘッド１３ｂの筐体１６内に組み込まれることができる。
図３は第１実施形態に係る素子ユニット１７の平面図を概略的に示す。素子ユニット１７は基体２１を備える。基体２１には素子アレイ２２が形成される。素子アレイ２２は超音波トランスデューサー素子（以下「素子」という）２３の配列で構成される。配列は複数行複数列のマトリクスで形成される。その他、配列では千鳥配置が確立されてもよい。千鳥配置では偶数列の素子２３群は奇数列の素子２３群に対して行ピッチの２分の１でずらされればよい。奇数列および偶数列の一方の素子数は他方の素子数に比べて１つ少なくてもよい。
個々の素子２３は振動膜２４を備える。振動膜２４の詳細は後述される。図３では振動膜２４の膜面に直交する方向の平面視（基板の厚み方向の平面視）で振動膜２４の輪郭が点線で描かれる。輪郭の内側は振動膜２４の領域内に相当する。輪郭の外側は振動膜２４の領域外に相当する。振動膜２４上には圧電素子２５が形成される。圧電素子２５では、後述されるように、上電極２６および下電極２７の間に圧電体膜２８が挟まれる。これらは順番に重ねられる。素子ユニット１７は１枚の超音波トランスデューサー素子チップとして構成される。
基体２１の表面には複数本の第１導電膜２９が形成される。第１導電膜２９は配列の列方向に相互に平行に延びる。１列の素子２３ごとに１本の第１導電膜２９が割り当てられる。１本の第１導電膜２９は配列の列方向に並ぶ素子２３に共通に配置される。第１導電膜２９は個々の素子２３ごとに下電極２７を形成する。このように第１導電膜２９は振動膜２４の領域内および領域外に配置される。第１導電膜２９には例えばチタン（Ｔｉ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）およびチタン（Ｔｉ）の積層膜が用いられることができる。ただし、第１導電膜２９にはその他の導電材が利用されてもよい。
基体２１の表面には複数本の第２導電膜３１が形成される。第２導電膜３１は配列の行方向に相互に平行に延びる。１行の素子２３ごとに１本の第２導電膜３１が割り当てられる。１本の第２導電膜３１は配列の行方向に並ぶ素子２３に共通に接続される。第２導電膜３１は個々の素子２３ごとに上電極２６を形成する。第２導電膜３１の両端は１対の引き出し配線３２にそれぞれ接続される。引き出し配線３２は配列の列方向に相互に平行に延びる。したがって、全ての第２導電膜３１は同一長さを有する。こうしてマトリクス全体の素子２３に共通に上電極２６は接続される。このように第２導電膜３１は振動膜２４の内側領域および外側領域に配置される。第２導電膜３１は例えばイリジウム（Ｉｒ）で形成されることができる。ただし、第２導電膜３１にはその他の導電材が利用されてもよい。
列ごとに素子２３の通電は切り替えられる。こうした通電の切り替えに応じてリニアスキャンやセクタースキャンは実現される。１列の素子２３は同時に超音波を出力することから、１列の個数すなわち配列の行数は超音波の出力レベルに応じて決定されることができる。行数は例えば１０〜１５行程度に設定されればよい。図中では省略されて５行が描かれる。配列の列数はスキャンの範囲の広がりに応じて決定されることができる。列数は例えば１２８列や２５６列に設定されればよい。図中では省略されて８列が描かれる。上電極２６および下電極２７の役割は入れ替えられてもよい。すなわち、マトリクス全体の素子２３に共通に下電極が接続される一方で、配列の列ごとに共通に上電極が接続されてもよい。
基体２１の輪郭は、相互に平行な１対の直線で仕切られて対向する第１辺２１ａおよび第２辺２１ｂを有する。第１辺２１ａと素子アレイ２２の輪郭との間に１ラインの第１端子アレイ３３ａが配置される。第２辺２１ｂと素子アレイ２２の輪郭との間に１ラインの第２端子アレイ３３ｂが配置される。第１端子アレイ３３ａは第１辺２１ａに平行に１ラインを形成することができる。第２端子アレイ３３ｂは第２辺２１ｂに平行に１ラインを形成することができる。第１端子アレイ３３ａは１対の上電極端子３４および複数の下電極端子３５で構成される。同様に、第２端子アレイ３３ｂは１対の上電極端子３６および複数の下電極端子３７で構成される。１本の引き出し配線３２の両端にそれぞれ上電極端子３４、３６は接続される。引き出し配線３２および上電極端子３４、３６は素子アレイ２２を二等分する垂直面で面対称に形成されればよい。１本の第２導電膜３１の両端にそれぞれ下電極端子３５、３７は接続される。第２導電膜３１および下電極端子３５、３７は素子アレイ２２を二等分する垂直面で面対称に形成されればよい。ここでは、基体２１の輪郭は矩形に形成される。基体２１の輪郭は正方形であってもよく台形であってもよい。
基体２１には第１フレキシブルプリント配線板（以下「第１配線板」という）３８が連結される。第１配線板３８は第１端子アレイ３３ａに覆い被さる。第１配線板３８の一端には上電極端子３４および下電極端子３５に個別に対応して導電線すなわち第１信号線３９が形成される。第１信号線３９は上電極端子３４および下電極端子３５に個別に向き合わせられ個別に接合される。同様に、基体２１には第２フレキシブルプリント配線板（以下「第２配線板」という）４１が覆い被さる。第２配線板４１は第２端子アレイ３３ｂに覆い被さる。第２配線板４１の一端には上電極端子３６および下電極端子３７に個別に対応して導電線すなわち第２信号線４２が形成される。第２信号線４２は上電極端子３６および下電極端子３７に個別に向き合わせられ個別に接合される。
基体２１の表面には格子状の補強体４３が固定される。補強体４３は基体２１の表面に重ねられる。補強体４３は、素子アレイ２２の列方向（第１方向）に延びる複数の第１長尺片（第１直線部）４４と、素子アレイ２２の行方向（第２方向）に延びる複数の第２長尺片（第２直線部）４５とを備える。個々の第１長尺片４４は列方向に完全に素子アレイ２２の領域を横切る形状を有する。個々の第２長尺片は行方向に完全に素子アレイ２２の領域を横切る形状を有する。第１長尺片４４と第２長尺片４５とは９０度の交差角で相互に交差して交差部を形成する。第１長尺片４４は相互に平行に配列される。第２長尺片４５は相互に平行に配列される。第１長尺片４４および第２長尺片４５は基体２１の表面に平行な方向に素子２３からずれた位置に配置される。隣接する第１長尺片４４の間に１列の素子２３が配置される。隣接する第２長尺片４５の間に１行の素子２３が配置される。補強体４３は例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）といった絶縁材から形成される。アルミナや酸化ジルコニウムはシリコンや酸化シリコンよりも大きいヤング率を有する。補強体４３は例えばフォトリソグラフィ技術で形成されればよい。
図４に示されるように、基体２１は本体４６および可撓膜４７を備える。本体４６の表面に可撓膜４７が一面に形成される。本体４６は例えばシリコン（Ｓｉ）から形成される。本体４６には個々の素子２３ごとに開口４８が形成される。開口４８は本体４６に対してアレイ状に配置される。開口４８が配置される領域の輪郭は素子アレイ２２の輪郭に相当する。隣接する２つの開口４８の間には仕切り壁４９が区画される。隣接する開口４８は仕切り壁４９で仕切られる。仕切り壁４９の壁厚みは開口４８の間隔に相当する。仕切り壁４９は相互に平行に広がる平面内に２つの壁面を規定する。壁厚みは２つの壁面の距離に相当する。すなわち、壁厚みは壁面に直交して壁面の間に挟まれる垂線の長さで規定されることができる。
可撓膜４７は、本体４６の表面に積層される酸化シリコン（ＳｉＯ２）層５１と、酸化シリコン層５１の表面に積層される酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）層５２とで構成される。可撓膜４７は開口４８に接する。こうして開口４８の輪郭に対応して可撓膜４７の一部が振動膜２４を形成する。振動膜２４は、可撓膜４７のうち、開口４８に臨むことから本体４６の厚み方向に膜振動することができる部分である。酸化シリコン層５１の膜厚は共振周波数に基づき決定されることができる。
仕切り壁４９上で可撓膜４７の表面に補強体４３（第２長尺片４５）は重ねられる。梁として機能する仕切り壁４９に第２長尺片４５が重ねられて複合体を形成する。重ね合わせに応じて複合体は基体２１単体の断面二次モーメントよりも大きい断面二次モーメントを有することができる。ここでは、複合体では基体２１の表面に直交する方向に曲げ剛性が高められる。
振動膜２４の表面に第１導電膜２９、圧電体膜２８および第２導電膜３１が順番に積層される。圧電体膜２８は例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）で形成されることができる。圧電体膜２８にはその他の圧電材料が用いられてもよい。圧電体膜２８は下電極２７の少なくとも一部および振動膜２４の一部を覆う。上電極２６は圧電体膜２８の少なくとも一部を覆う。ここでは、第２導電膜３１の下で圧電体膜２８は完全に第１導電膜２９の表面を覆う。圧電体膜２８の働きで第１導電膜２９と第２導電膜３１との間で短絡は回避されることができる。
基体２１の表面には音響整合層５４が積層される。音響整合層５４は例えば全面にわたって基体２１の表面に覆い被さる。その結果、素子アレイ２２や第１および第２端子アレイ３３ａ、３３ｂ、第１および第２配線板３８、４１は音響整合層５４で覆われる。音響整合層５４は素子２３の表面に密着する。音響整合層５４には例えばシリコーン樹脂膜が用いられることができる。音響整合層５４は、素子アレイ２２の構造や、第１端子アレイ３３ａおよび第１配線板３８の接合、第２端子アレイ３３ｂおよび第２配線板４１の接合を保護する。
音響整合層５４上には音響レンズ５５が積層される。音響レンズ５５は音響整合層５４の表面に密着する。音響レンズ５５の外表面は部分円筒面で形成される。部分円筒面は第１導電膜２９に平行な母線を有する。部分円筒面の曲率は、１筋の第１導電膜２９に接続される１行の素子２３から発信される超音波の焦点位置に応じて決定される。音響レンズ５５は例えばシリコーン樹脂から形成される。
基体２１の裏面には補強板５６が固定される。補強板５６の表面に基体２１の裏面が重ねられる。補強板５６は素子ユニット１７の裏面で開口４８を閉じる。補強板５６はリジッドな基材を備えることができる。補強板５６は例えばシリコン基板から形成されることができる。基体２１の板厚は例えば１００μｍ程度に設定され、補強板５６の板厚は例えば１００〜１５０μｍ程度に設定される。ここでは、仕切り壁４９は補強板５６に結合される。補強板５６は個々の仕切り壁４９に少なくとも１カ所の接合域で接合される。接合にあたって接着剤は用いられることができる。
図５に示されるように、圧電体膜２８は第１導電膜２９に覆い被さる。圧電体膜２８は第１導電膜２９の縁から外側に広がる範囲で振動膜２４の表面に接触する。圧電体膜２８は第１導電膜２９と第２導電膜３１とを相互に完全に分離する。第１導電膜２９と第２導電膜３１との短絡は回避される。
仕切り壁４９上で可撓膜４７の表面に補強体４３（第１長尺片４４）は重ねられる。梁として機能する仕切り壁４９に第１長尺片４４が重ねられて複合体を形成する。重ね合わせに応じて複合体は基体２１単体の断面二次モーメントよりも大きい断面二次モーメントを有することができる。ここでは、複合体では基体２１の表面に直交する方向に曲げ剛性が高められる。
（２）超音波診断装置の動作
次に超音波診断装置１１の動作を簡単に説明する。超音波の送信にあたって圧電素子２５にはパルス信号が供給される。パルス信号は下電極端子３５、３７および上電極端子３４、３６を通じて列ごとに素子２３に供給される。個々の素子２３では下電極２７および上電極２６の間で圧電体膜２８に電界が作用する。圧電体膜２８は超音波で振動する。圧電体膜２８の振動は振動膜２４に伝わる。こうして振動膜２４は超音波振動する。その結果、対象物（例えば人体の内部）に向けて所望の超音波ビームは発せられる。
次に超音波診断装置１１の動作を簡単に説明する。超音波の送信にあたって圧電素子２５にはパルス信号が供給される。パルス信号は下電極端子３５、３７および上電極端子３４、３６を通じて列ごとに素子２３に供給される。個々の素子２３では下電極２７および上電極２６の間で圧電体膜２８に電界が作用する。圧電体膜２８は超音波で振動する。圧電体膜２８の振動は振動膜２４に伝わる。こうして振動膜２４は超音波振動する。その結果、対象物（例えば人体の内部）に向けて所望の超音波ビームは発せられる。
超音波の反射波は振動膜２４を振動させる。振動膜２４の超音波振動は所望の周波数で圧電体膜２８を超音波振動させる。圧電素子２５の圧電効果に応じて圧電素子２５から電圧が出力される。個々の素子２３では上電極２６と下電極２７との間で電位が生成される。電位は下電極端子３５、３７および上電極端子３４、３６から電気信号として出力される。こうして超音波は検出される。
超音波の送信および受信は繰り返される。その結果、リニアスキャンやセクタースキャンは実現される。スキャンが完了すると、出力信号のデジタル信号に基づき画像が形成される。形成された画像はディスプレイパネル１５の画面に表示される。
素子ユニット１７では個々の開口４８ごとに仕切り壁４９は開口４８を囲む枠体を形成する。枠体に第１長尺片４４や第２長尺片４５が重ねられて複合体を形成する。複合体の曲げ剛性は枠体単体の曲げ剛性を上回る。枠体の剛性は高められる。振動膜２４の超音波振動時に枠体のぶれは抑制される。こうして１つの振動膜２４の超音波振動時に超音波のクロストークは防止される。枠体の剛性が低いと、振動膜２４の超音波振動時に枠体が歪んでしまい、１つの振動膜２４から隣接する振動膜２４に向かって超音波のクロストークが引き起こされてしまう。
曲げ剛性はヤング率と断面二次モーメントとの積で特定される。前述のように、仕切り壁４９および補強体４３で形成される複合体の断面二次モーメントが仕切り壁４９単体の断面二次モーメントよりも大きければ、曲げ剛性は高められる。補強体４３は効果的に曲げ剛性を補強することができる。
特に、第１長尺片４４および第２長尺片４５は相互に交差する列方向および行方向に延びて相互に交差する。Ｔ字形や十字形に第１長尺片４４および第２長尺片４５が交差することで補強体４３ひいては複合体の剛性は高められる。こうして基体２１の曲げ剛性はさらに高められる。さらに、第１長尺片４４および第２長尺片４５の交差角は９０度に設定されることから、基体２１の曲げ剛性は均等な方向に確実に高められる。
（３）第２実施形態に係る素子ユニット
図６は第２実施形態に係る素子ユニット１７ａの構成を概略的に示す。この素子ユニット１７ａでは１セグメント６１ａ、６１ｂ…は複数列の素子２３群から形成される。図示では３筋の第１導電膜２９に共通に接続される素子２３群で１セグメント６１ａ、６１ｂが形成される。１セグメント６１ａ、６１ｂに属する振動膜２４は駆動信号の供給に応じて同時に振動する。
図６は第２実施形態に係る素子ユニット１７ａの構成を概略的に示す。この素子ユニット１７ａでは１セグメント６１ａ、６１ｂ…は複数列の素子２３群から形成される。図示では３筋の第１導電膜２９に共通に接続される素子２３群で１セグメント６１ａ、６１ｂが形成される。１セグメント６１ａ、６１ｂに属する振動膜２４は駆動信号の供給に応じて同時に振動する。
補強体６２は、セグメント６１ａ、６１ｂ相互の間で素子アレイ２２の列方向（第１方向）に延びる複数の第１長尺片（第１直線部）６３と、個々のセグメント６１ａ、６１ｂ内で素子アレイ２２の行方向（第２方向）に延びて列方向に隣接する素子２３相互の間に配置される複数の第２長尺片（第２直線部）６４と、個々のセグメント６１ａ、６１ｂ内で素子アレイ２２の列方向に延びて行方向に隣接する素子２３相互の間に配置される複数の第３長尺片（第１直線部）６５とを備える。第１長尺片６３および第３長尺片６５は相互に平行に配置される。第１長尺片６３および第３長尺片６５は一方から他方まで行方向に素子アレイ２２の領域を横切る形状を有する。補強体６２は、１つの信号線に共通に接続される素子２３群ごとに行方向において分離されて配置されている複数の交差部を有する。第２長尺片６４はセグメント６１ａ、６１ｂごとに途切れる。セグメント６１ａ、６１ｂの境界線で第２長尺片６４相互の間に空間６６が形成される。こうして第２長尺片６４は、第３長尺片６５に交差するものの、行方向に第１長尺片６３から空間で隔てられる。こうして補強体４３は１つの信号線に共通に接続される素子２３群ごとに行方向に分断される。セグメント６１ａ、６１ｂごとに補強体４３は途切れることから、補強体４３を伝ってセグメント６１ａ、６１ｂ相互の間で超音波振動の伝達は防止される。超音波のクロストークは低減される。
ここでは、第１長尺片６３は、第２長尺片６４相互の間に形成される空間６６を突き抜ける。第２長尺片６４の分断で形成される空間６６に並列に行方向に補助補強体６７が延びる。補助補強体６７は補強体６２と同様に可撓膜４７の表面に重ねられる。第１長尺片６３は補助補強体６７にＴ字形に交差する。こうして補助補強体６７は第１長尺片６３に接続される。その結果、第２長尺片６４が分断されても、分断された領域は補助補強体６７で補強される。補強体６２の分断に拘わらず補助補強体６７の働きで剛性は確保されることができる。その他、この第２実施形態に係る素子ユニット１７ａでは、以上の説明で言及される構成以外の構成は前述の第１実施形態に係る素子ユニット１７のそれと同様である。
その他、素子ユニット１７ａでは、例えば図７に示されるように、個々のセグメント６１ａ、６１ｂがさらに小セグメントに細分化されてもよい。ここでは、１つのセグメント６１ａ、６１ｂはそれぞれ３つの小セグメントＦ、Ｇ、Ｈに分割される。分割にあたって２筋の第２導電膜３１ごとに共通にグラウンド線が確立される。こうして２列３行の素子２３群ごとに小セグメントＦ、Ｇ、Ｈが形成される。補強体６２は、第１方向において分離されて配置されている複数の交差部を有する。個々の小セグメントＦ、Ｇ、Ｈに属する振動膜２４は駆動信号の供給に応じて同時に振動する。補強体６２の第１長尺片６３および第３長尺片６５は２行の素子２３群ごとに分断される。こうして小セグメントＦ、Ｇ、Ｈはアレイ状に配置されることができる。
（４）第３実施形態に係る素子ユニット
図８は第３実施形態に係る素子ユニット１７ｂの構成を概略的に示す。この素子ユニット１７ｂでは第２導電膜３１の膜厚ｔｓは隣接する圧電体膜２８の間で増大する。圧電体膜２８の間では第２導電膜３１の膜厚ｔｓは第１導電膜２９の膜厚ｔｆよりも大きい。そして、圧電体膜２８相互の間の第２導電膜３１から圧電体膜２８上に保護導電膜６８が連続する。保護導電膜６８は圧電体膜２８の側面に被さる。こうして保護導電膜６８は例えば湿気から圧電体膜２８の側面を保護する。
図８は第３実施形態に係る素子ユニット１７ｂの構成を概略的に示す。この素子ユニット１７ｂでは第２導電膜３１の膜厚ｔｓは隣接する圧電体膜２８の間で増大する。圧電体膜２８の間では第２導電膜３１の膜厚ｔｓは第１導電膜２９の膜厚ｔｆよりも大きい。そして、圧電体膜２８相互の間の第２導電膜３１から圧電体膜２８上に保護導電膜６８が連続する。保護導電膜６８は圧電体膜２８の側面に被さる。こうして保護導電膜６８は例えば湿気から圧電体膜２８の側面を保護する。
圧電体膜２８上で第１導電膜２９と保護導電膜６８との間には圧電体膜２８に接する空間７１が形成される。空間７１は第１導電膜２９から保護導電膜６８を絶縁する。空間７１は絶縁膜７２で占められる。したがって、保護導電膜６８は絶縁膜７２で第１導電膜２９から隔てられる。絶縁膜７２は補強体４３（６２）から連続する。すなわち、絶縁膜７２は補強体４３（６２）に一体に形成される。
ここでは、補強体４３上に分離壁７３が形成される。分離壁７３は、音響整合層５４の音響インピーダンスよりも大きい音響インピーダンスを有する物体であって、音響整合層５４のヤング率よりも大きいヤング率を有する固体から構成される。分離壁７３は例えば焼き固められたフォトレジスト膜で形成されることができる。
音響レンズ５５は１平面内で広がる接合面７４を有する。音響レンズ５５は接合面７４で途切れなく音響整合層５４および分離壁７３の頂上面７５に密着する。分離壁７３の頂上面７５には音響レンズ５５との接合面から凹む窪み７６が形成される。窪み７６内の空間は接着剤層７７で占められる。分離壁７３の頂上面７５は接着剤層７７で音響レンズ５５に結合される。接着剤層７７は音響整合層５４と同じ材質で形成される。
超音波の送信にあたって振動膜２４は超音波振動する。超音波振動は音響整合層５４内を伝達されて音響整合層５４の界面から発信される。超音波振動は界面を横切って音響レンズ５５に伝達される。このとき、隣接する素子２３の間には分離壁７３が形成される。音響インピーダンスの差に応じて隣接する素子２３の間で音響整合層５４には界面が形成される。界面は超音波振動の伝達を防止する。その結果、超音波振動する１つの振動膜２４から隣接する素子２３の振動膜２４に向かって超音波振動の伝達は防止される。１つの振動膜２４の超音波振動時に超音波のクロストークは防止される。
分離壁７３は、音響整合層５４のヤング率よりも大きいヤング率を有する固体で構成される。その結果、音響整合層５４の剛性は分離壁７３で補強される。厚み方向に音響整合層５４の潰れは防止される。振動膜２４と音響整合層５４の界面との距離は一定に維持される。超音波は効率的に界面から出射されることができる。このとき、音響レンズ５５は接合面７４で音響整合層５４の表面および分離壁７３の頂上面７５に密着する。したがって、音響レンズ５５は分離壁７３で支持される。厚み方向に音響整合層５４の潰れは確実に防止されることができる。
音響整合層５４の表面は接着剤の機能を果たす。その結果、音響レンズ５５は音響整合層５４に密着する。密着は維持される。音響整合層５４の表面は分離壁７３で途切れるものの、接着剤層７７の働きで音響レンズ５５は分離壁７３の頂上面７５に密着する。密着は維持される。分離壁７３が形成されても、音響レンズ５５の密着領域の減少は最小限に抑制される。しかも、音響レンズ５５が分離壁７３に接合されると、音響レンズ５５および分離壁７３は構造体を形成することができる。構造体はさらに確実に音響整合層５４の変形を防止することができる。
分離壁７３の頂上面７５には窪み７６が形成される。窪み７６は接着剤層７７で占められる。音響レンズ５５は接着剤層７７で分離壁７３の頂上面７５に結合される。このとき、音響レンズ５５は分離壁７３の頂上面７５で受け止められる。したがって、音響整合層５４の厚みは分離壁７３の頂上面７５の位置で決定される。分離壁７３の寸法精度に応じて音響整合層５４の厚みは精度よく設定されることができる。しかも、音響レンズ５５の密着領域の減少は最小限に抑制される。
素子ユニット１７ｂでは接着剤層７７は音響整合層５４と同じ材質で形成される。したがって、後述されるように、接着剤層７７は音響整合層５４と同一の製造工程で形成されることができる。製造工程の複雑化は回避される。製造コストの増加は回避される。
次に素子ユニット１７ｂの製造方法を簡単に説明する。基板８１が用意される。基板８１は例えばシリコンから形成される。基板８１の表面には例えば熱処理が施され酸化膜が形成される。こうして基板８１から本体４６および酸化シリコン層５１が形成される。酸化シリコン層５１の表面には一面に酸化ジルコニウム層５２が形成される。酸化ジルコニウム層５２の表面には第１導電膜２９が形成される。形成にあたってフォトリソグラフィ技術が用いられればよい。続いて酸化ジルコニウム層５２上で圧電体膜２８が形成される。図９に示されるように、形成にあたって同様にフォトリソグラフィ技術が用いられる。圧電体膜２８の素材膜はレジスト膜のパターンに従ってエッチング処理される。このとき、レジスト膜８３から外れた位置で第１導電膜２９は表面から削られる。第１導電膜２９の膜厚は減少する。こうして第１導電膜２９の膜厚は下電極２７の膜厚よりも小さくなる。エッチング処理が終了すると、レジスト膜８３は除去される。
続いて酸化ジルコニウム層５２上では第２導電膜３１が形成される。第２導電膜３１の形成にあたって、図１０に示されるように、酸化ジルコニウム層５２の表面に一面に素材膜８４が形成される。素材膜８４は均一な膜厚を有する。素材膜８４は導電材料から形成される。こうして素材膜８４は少なくとも第１導電膜２９および圧電体膜２８の露出面に被さる。第１導電膜２９の膜厚は増大する。素材膜８４上には所定のパターンに従ってレジスト膜８５が形成される。レジスト膜８５の形成にあたって例えばフォトリソグラフィ技術が用いられればよい。レジスト膜８５は第２導電膜３１の形状を象る。
図１１に示されるように、素材膜８４には所定のパターンに従ってエッチング処理が施される。レジスト膜８５から外れた位置で素材膜８４は除去されていく。こうして第２導電膜３１は素材膜８４から形成される。圧電体膜２８上で上電極２６の輪郭は仕切られる。圧電体膜２８上では上電極２６から隔てられて保護導電膜６８が形成される。素材膜８４には空間７１が形成される。空間７１で保護導電膜６８は上電極２６から分離される。エッチング処理が終了すると、レジスト膜８５は除去される。
続いて酸化ジルコニウム層５２上では補強体４３が形成される。補強体４３の形成にあたって、図１２に示されるように、酸化ジルコニウム層５２の表面に一面に素材膜８６が形成される。素材膜８６は均一な膜厚を有する。素材膜８６は絶縁材料から形成される。素材膜８６は基板８１のヤング率よりも大きいヤング率を有する。素材膜８６は空間７１に充填される。素材膜８６上には所定のパターンに従ってレジスト膜８７が形成される。レジスト膜８７の形成にあたって例えばフォトリソグラフィ技術が用いられればよい。レジスト膜８７は補強体４３の形状を象る。
素材膜８６には所定のパターンに従ってエッチング処理が施される。レジスト膜８７から外れた位置で素材膜８６は除去されていく。こうして補強体４３（６２）は素材膜８６から形成される。エッチング処理が終了すると、レジスト膜８７は除去される。その後、基板８１の表面には音響整合層５４が形成される。基板８１の裏面に開口４８が形成される。振動膜２４は確立される。補強板５６が貼り付けられる。こうして素子ユニット１７ｂは製造される。
本実施形態に係る製造方法によれば、圧電体膜２８の形成にあたってエッチング処理が施される。このとき、圧電体膜２８の周囲では第１導電膜２９がエッチング処理に曝される。その結果、第１導電膜２９の膜厚は下電極２７に比べて減少する。その後、第１導電膜２９には素材膜８４が積層される。こうして第１導電膜２９の膜厚は増加する。下電極２７に接続される配線膜には十分な膜厚が確保されることができる。配線抵抗の増加は回避されることができる。したがって、超音波の検出感度は十分に確保されることができる。
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。したがって、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれる。例えば、明細書または図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語とともに記載された用語は、明細書また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られることができる。また、超音波診断装置１１、超音波プローブ１３、素子ユニット１７、１７ａ、１７ｂ、素子２３、圧電素子２５等の構成および動作も本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形が可能である。
１１ 電子機器としての超音波画像装置（超音波診断装置）、１２ 処理装置（装置端末）、１３ プローブ（超音波プローブ）、１５ 表示装置（ディスプレイパネル）、１７ 超音波デバイス（超音波トランスデューサー素子ユニット）、１７ａ 超音波デバイス（超音波トランスデューサー素子ユニット）、１７ｂ 超音波デバイス（超音波トランスデューサー素子ユニット）、２１ 基体、２２ アレイ（素子アレイ）、２３ 超音波トランスデューサー素子、２４ 振動膜、２８ 圧電体膜、２９ 信号線（第１導電膜）、３１ 第２導電膜、４３ 補強体、４４ 第１直線部（第１長尺片）、４５ 第２直線部（第２長尺片）、６３ 第１直線部（第１長尺片）、６４ 第２直線部（第２長尺片）、６５ 第１直線部（第３長尺片）、６７ 補助補強体部、７２ 絶縁膜。
Claims (14)
- アレイ状に配置された複数の開口を有する基体と、
前記開口ごとに配置されて、個々に振動膜を有する複数の超音波トランスデューサー素子と、
前記基体の厚み方向からの平面視において、隣り合う前記振動膜の間の領域で前記基体に対して固着されて、前記基体よりも大きいヤング率を有する補強体と、
を備えることを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項１に記載の超音波デバイスにおいて、前記補強体は、前記基体と協働で、前記基体単体の断面二次モーメントよりも大きい断面二次モーメントを有する複合体を形成することを特徴とする超音波デバイス。
- 請求項２に記載の超音波デバイスにおいて、前記補強体は、前記平面視において相互に交差する第１方向および第２方向に沿う交差部を有することを特徴とする超音波デバイス。
- 請求項３に記載の超音波デバイスにおいて、前記第１方向および前記第２方向の交差角は９０度であることを特徴とする超音波デバイス。
- 請求項３または４に記載の超音波デバイスにおいて、前記補強体は、前記平面視において前記第１方向に前記超音波トランスデューサー素子のアレイ領域を横切る形状の第１直線部を有することを特徴とする超音波デバイス。
- 請求項３または４に記載の超音波デバイスにおいて、前記補強体は、１つの信号線に共通に接続される前記超音波トランスデューサー素子群ごとに前記第２方向において分離されて配置されている複数の前記交差部を有することを特徴とする超音波デバイス。
- 請求項６に記載の超音波デバイスにおいて、前記平面視において前記複数の前記格子状部の間の領域に位置する前記第１直線部と、前記第２方向に沿って延設されている補助補強体部とを有する補強体を備えることを特徴とする超音波デバイス。
- 請求項５〜７のいずれか１項に記載の超音波デバイスにおいて、前記補強体は、前記平面視において前記第２方向に前記超音波トランスデューサー素子のアレイ領域を横切る形状の第２直線部を有することを特徴とする超音波デバイス。
- 請求項５〜７のいずれか１項に記載の超音波デバイスにおいて、前記補強体は、１つの信号線に共通に接続される前記超音波トランスデューサー素子群ごとに前記第１方向において分離されて配置されている複数の前記交差部を有することを特徴とする超音波デバイス。
- 請求項１または２に記載の超音波デバイスにおいて、前記補強体は絶縁材料から形成され、前記超音波デバイスは、
複数の前記超音波トランスデューサー素子に共通に第１方向に延びる第１導電膜と、
前記超音波トランスデューサー素子ごとに前記第１導電膜上に形成される圧電体膜と、
複数の前記超音波トランスデューサー素子に共通に第２方向に延びる第２導電膜と、
前記補強体から連続しつつ、前記圧電体膜上で前記第２導電膜から前記第１導電膜を隔てる絶縁膜と、
を備えることを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項１０に記載の超音波デバイスにおいて、前記第１導電膜は、隣り合う前記第２導電膜相互の間で前記第２導電膜の膜厚よりも大きい膜厚を有することを特徴とする超音波デバイス。
- 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の超音波デバイスと、前記超音波デバイスを支持する筐体とを備えることを特徴とするプローブ。
- 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の超音波デバイスと、前記超音波デバイスに接続されて、前記超音波デバイスの出力を処理する処理装置とを備えることを特徴とする電子機器。
- 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の超音波デバイスと、前記超音波デバイスの出力から生成される画像を表示する表示装置とを備えることを特徴とする超音波画像装置。
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