JP2015100094A

JP2015100094A - 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

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Publication number: JP2015100094A
Application number: JP2013240275A
Authority: JP
Inventors: 清瀬　摂内; Setsunai Kiyose; 摂内清瀬
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2015-05-28
Anticipated expiration: 2033-11-20
Also published as: JP6221679B2

Abstract

【課題】できる限り振動膜の寸法誤差を回避することができる超音波デバイスは提供される。【解決手段】基板は第１開口部５９ａおよび第２開口部５９ｂをアレイ状に配列する。第１開口部５９ａおよび第２開口部５９ｂはそれぞれに対応して振動膜３１、３６が形成される。振動膜３１、３６は第１開口部５９ａおよび第２開口部５９ｂをそれぞれ塞ぐ。振動膜３１、３６上には圧電素子が配置される。第１開口部５９ａは、第１方向ＤＲ１の長さＷ１よりも第２方向ＤＲ２に大きい長さＬ１を有する第１アスペクト比を有し、第２開口部５９ｂは、第１方向ＤＲ１に第１開口部５９ａと同じ長さＷ２を有し第１アスペクト比よりも小さい第２アスペクト比を有する。【選択図】図５

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。

例えば特許文献１に開示されるように、静電容量型マイクロマシン超音波トランスデューサーは一般に知られる。基板上にアレイ状に振動膜が配列される。基板と振動膜との間には空間層が区画される。基板上の電極と振動膜上の電極とで静電気力が生成され、静電気力の変化に応じて振動膜は超音波振動する。

国際特許公開第２０１１／０３３８８７号

特許文献１は長方形の振動膜を開示する。長方形のアスペクト比は様々な値に設定されることができる。振動膜は異なる大きさで形成されることができる。振動膜の形成にあたって例えば半導体プロセス技術を利用することができる。振動膜が異なる大きさで形成されると、振動膜のレイアウトパターンに疎密が発生する。その結果、振動膜の寸法誤差が生じやすい。

そして、できる限り振動膜の寸法誤差を小さくすることができる超音波デバイスが望まれていた。

（１）本発明の一態様は、複数の第１開口部および複数の第２開口部をアレイ状に配列した基板と、前記第１開口部および前記第２開口部のそれぞれに対応して形成され、前記第１開口部または前記第２開口部を塞ぐ振動膜と、前記振動膜のそれぞれに対応して形成された圧電素子とを備え、前記第１開口部は、前記基板の厚み方向からの平面視において、第１方向の長さで当該第１方向に交差する第２方向の長さを割ったアスペクト比が１より大きい第１アスペクト比を有し、前記第２開口部は、前記平面視において前記第１方向に前記第１開口部と同じ長さを有し、かつ前記アスペクト比において前記第１アスペクト比よりも小さい第２アスペクト比を有する超音波デバイスに関する。

こういった超音波デバイスでは第１開口部および第２開口部の形成にあたって例えば半導体プロセス技術を用いることができる。第１方向に第１開口部および第２開口部は同じ長さを有することから、第１開口部および第２開口部のアレイパターンに疎密の発生は回避され、したがって、第１開口部および第２開口部の寸法誤差を小さくすることができる。その結果、第１開口部を塞ぐ振動膜の寸法誤差、および、第２開口部を塞ぐ振動膜の寸法誤差を小さくすることができる。

（２）前記第１開口部および前記第２開口部は前記第２方向に配列されてもよい。この態様によれば列ごとに第１圧電素子および第２圧電素子で電極を共通化することができる。列ごとに第１圧電素子および第２圧電素子に共通に電力を供給することができる。したがって、列ごとに振動膜は動作することができる。

（３）前記第１開口部および前記第２開口部は前記第１方向に配列されてもよい。この態様によれば列ごとに第１圧電素子および第２圧電素子で電極を共通化することができる。列ごとに第１圧電素子および第２圧電素子に共通に電力を供給することができる。したがって、列ごとに振動膜は動作することができる。

（４）前記第１開口部は前記第１方向に等ピッチで配列されてもよい。こうして確実にレイアウトパターンの疎密を回避することができる。

（５）前記第２開口部は前記第１方向に等ピッチで配列されてもよい。こうして確実にレイアウトパターンの疎密を回避することができる。

（６）超音波デバイスでは前記第２開口部のアスペクト比は１であってもよい。こうして第２開口部を塞ぐ振動膜の感度を高めることができる。

（７）前記第２開口部に対応して形成されている振動膜は、前記第１開口部に対応して形成されている振動膜の共振周波数の高調波に相当する周波数に共振周波数を有してもよい。特定周波数の超音波が被検体に向かって発信される際に、反射する超音波は特定周波数の超音波成分に加えてその高調波の超音波成分を含む。したがって、特定周波数の超音波に加えてその高調波の超音波が受信されれば、超音波デバイスの感度は高められる。

（８）超音波デバイスはプローブに組み込まれて利用することができる。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。

（９）超音波デバイスは電子機器に組み込まれて利用することができる。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。

（１０）超音波デバイスは超音波画像装置に組み込まれて利用することができる。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ればよい。

電子機器の一具体例すなわち超音波診断装置を概略的に示す外観図である。超音波プローブの拡大正面図である。第１実施形態に係る超音波デバイスの拡大平面図である。図３のＡ−Ａ線に沿った断面図である。第１開口部および第２開口部のレイアウトパターンを示す概念図である。超音波デバイスの製造方法であって基板上のフォトレジストを概略的に示す拡大部分断面図である。超音波デバイスの製造方法であって上段面および下段面の形成工程を概略的に示す拡大部分断面図である。超音波デバイスの製造方法であって酸化シリコン層の形成工程を概略的に示す拡大部分断面図である。超音波デバイスの製造方法であって酸化ジルコニウム層の形成工程を概略的に示す拡大部分断面図である。超音波デバイスの製造方法であって第１圧電素子および第２圧電素子の形成工程を概略的に示す拡大部分断面図である。超音波デバイスの製造方法であって第１開口部および第２開口部の形成工程を概略的に示す拡大部分断面図である。第２実施形態に係る超音波デバイスの拡大部分平面図である。第１開口部および第２開口部のレイアウトパターンを示す概念図である。第３実施形態に係る超音波デバイスの拡大部分平面図である。第１開口部および第２開口部のレイアウトパターンを示す概念図である。第３実施形態に係る超音波デバイスの拡大部分断面図である。第３実施形態の変形例に係る超音波デバイスの拡大部分断面図である。

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内には超音波デバイス１７が収容される。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。超音波デバイス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、超音波デバイス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。

（２）第１実施形態に係る超音波デバイスの構成
図３は第１実施形態に係る超音波デバイス１７の平面図を概略的に示す。超音波デバイス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は第１超音波トランスデューサー素子（以下「第１素子」という）２３および第２超音波トランスデューサー素子（以下「第２素子」という）２４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。ここでは、１列の第１素子２３と１列の第２素子２４とが行方向に交互に配列される。１列の第１素子２３と１列の第２素子２４とは１つのセグメントを形成する。１セグメントごとに複数の第１素子２３および第２素子２４は同時に送信または受信を実施する。後述されるように、基体２１の表面には相互に段差２５を有する上段面２６および下段面２７が形成され、第１素子２３は下段面２７に配置され、第２素子２４は上段面２６に配置される。上段面２６を含む平面と下段面２７を含む平面とは相互に平行に広がる。上段面２６は下段面２７よりも基体２１の裏面から遠ざかる。上段面２６の周囲で下段面２７は連続する。超音波デバイス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。

個々の第１素子２３は第１振動膜３１を備える。第１振動膜３１の詳細は後述される。図３では第１振動膜３１の膜面に直交する方向の平面視（基体２１の厚み方向の平面視）で第１振動膜３１の輪郭が点線で描かれる。第１振動膜３１上には第１圧電素子３２が形成される。第１圧電素子３２では、後述されるように、上電極３３および下電極３４の間に圧電体膜３５が挟まれる。これらは順番に重ねられる。第１振動膜３１は第１周波数に共振周波数を有する。

個々の第２素子２４は第２振動膜３６を備える。第２振動膜３６の詳細は後述される。図３では第２振動膜３６の膜面に直交する方向の平面視（基体２１の厚み方向の平面視）で第２振動膜３６の輪郭が点線で描かれる。第２振動膜３６上には第２圧電素子３７が形成される。第２圧電素子３７では、後述されるように、上電極３８および下電極３９の間に圧電体膜４１が挟まれる。これらは順番に重ねられる。前述のように、第１素子２３は下段面２７に配置され第２素子２４は上段面２６に配置されることから、第２振動膜３６の膜面は、第１振動膜３１の膜面を含む平面よりも高い位置に配置される。第２振動膜３６は第２周端数に共振周波数を有する。第２周波数は第１振動膜３１の共振周波数である第１周波数の高調波に相当する。したがって、第２振動膜３６は第１振動膜３１よりも小さい。大きさは第１振動膜３１および第２振動膜３６の膜面の面積で比較される。

基体２１の表面には複数本の第１導電体４２が形成される。第１導電体４２は配列の列方向に相互に平行に延びる。１列の第１素子２３ごとに１本の第１導電体４２が割り当てられる。１本の第１導電体４２は配列の列方向に並ぶ第１素子２３に共通に配置される。第１導電体４２は個々の第１素子２３ごとに下電極３４を形成する。第１導電体４２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導電体４２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導電体４３が形成される。第２導電体４３は配列の列方向に相互に平行に延びる。１列の第２素子２４ごとに１本の第２導電体４３が割り当てられる。１本の第２導電体４３は配列の列方向に並ぶ第２素子２４に共通に配置される。第２導電体４３は個々の第２素子２４ごとに下電極３９を形成する。第２導電体４３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２導電体４３にはその他の導電材が利用されてもよい。

基体２１の表面にはさらに複数本の第３導電体４４が形成される。第３導電体４４は配列の行方向に相互に平行に延びる。１行の第１素子２３および第２素子２４に１本の第３導電体４４が割り当てられる。１本の第３導電体４４は配列の行方向に並ぶ第１素子２３および第２素子２４に共通に接続される。第３導電体４４は個々の第１素子２３または第２素子２４ごとに上電極３３、３８を形成する。第３導電体４４の両端は１対の引き出し配線４５にそれぞれ接続される。引き出し配線４５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３導電体４４は同一長さを有する。こうしてマトリクス全体の第１素子２３および第２素子２４に共通に上電極３３、３８は接続される。第３導電体４４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３導電体４４にはその他の導電材が利用されてもよい。

セグメントごとに素子２３、２４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列の第１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３３、３８および下電極３４、３９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、２４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４６ａ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４６ｂが配置される。第１端子アレイ４６ａ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４６ｂ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４６ａは１対の上電極端子４７および複数の下電極端子４８で構成される。上電極端子４７および下電極端子４８は下段面２７の同一平面上に形成される。同様に、第２端子アレイ４６ｂは１対の上電極端子４９および複数の下電極端子５１で構成される。上電極端子４９および下電極端子５１は下段面２７の同一平面上に形成される。１本の引き出し配線４５の両端にそれぞれ上電極端子４７、４９は接続される。引き出し配線４５および上電極端子４７、４９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。第１導電体４２および第２導電体４３の両端にそれぞれ下電極端子４８、５１は接続される。第１導電体４２、第２導電体４３および下電極端子４８、５１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）５２ａが連結される。第１配線板５２ａは第１端子アレイ４６ａに覆い被さる。第１配線板５２ａの一端には上電極端子４７および下電極端子４８に個別に対応して導電線すなわち第１信号線５３が形成される。第１信号線５３は上電極端子４７および下電極端子４８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）５２ｂが覆い被さる。第２配線板５２ｂは第２端子アレイ４６ｂに覆い被さる。第２配線板５２ｂの一端には上電極端子４９および下電極端子５１に個別に対応して導電線すなわち第２信号線５４が形成される。第２信号線５４は上電極端子４９および下電極端子５１に個別に向き合わせられ個別に接合される。

図４に示されるように、基体２１は基板５５および連続膜５６を備える。基板５５は例えばシリコン（Ｓｉ）から形成される。基板５５の表面には相互に段差を有する上段面５７および下段面５８が形成される。基板５５には個々の第１素子２３ごとに第１開口部５９ａが形成され個々の第２素子２４ごとに第２開口部５９ｂが形成される。第１開口部５９ａおよび第２開口部５９ｂは基板５５に対してアレイ状に配置される。第１開口部５９ａおよび第２開口部５９ｂ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。

基板５５の表面に連続膜５６が一面に形成される。連続膜５６は上段面５７および下段面５８で相互に連続する。連続膜５６は、基板５５の表面に積層される酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層５６ａと、酸化シリコン層５６ａの表面に積層される酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）層５６ｂとで構成される。連続膜５６は第１開口部５９ａおよび第２開口部５９ｂに接する。こうして第１開口部５９ａおよび第２開口部５９ｂの輪郭にそれぞれ対応して連続膜５６の一部が第１振動膜３１および第２振動膜３６を形成する。第１振動膜３１および第２振動膜３６は、連続膜５６のうち、第１開口部５９ａおよび第２開口部５９ｂに臨むことから基板５５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５６ａは上段面５７および下段面５８で均一な膜厚を有する。同様に、酸化ジルコニウム層５６ｂは上段面５７および下段面５８で均一な膜厚を有する。その結果、基板５５の上段面５７および下段面５８に倣って連続膜５６の表面すなわち基体２１の表面に上段面２６および下段面２７が現れる。酸化シリコン層５６ａの膜厚は０．１〜３．０μｍ程度である。酸化ジルコニウム層５６ｂの膜厚は０．１〜１．０μｍ程度である。

第１振動膜３１の表面に第１導電体４２、圧電体膜３５および第３導電体４４が順番に積層される。圧電体膜３５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３５にはその他の圧電材料が用いられてもよい。圧電体膜３５は下電極３４の少なくとも一部および第１振動膜３１の一部を覆う。上電極３３は圧電体膜３５の少なくとも一部を覆う。ここでは、第３導電体４４の下で圧電体膜３５は完全に第１導電体４２の表面を覆う。圧電体膜３５の働きで第１導電体４２と第３導電体４４との間で短絡は回避されることができる。

同様に、第２振動膜３６の表面に第２導電体４３、圧電体膜４１および第３導電体４４が順番に積層される。圧電体膜４１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４１にはその他の圧電材料が用いられてもよい。圧電体膜４１は下電極３９の少なくとも一部および第２振動膜３６の一部を覆う。上電極３８は圧電体膜４１の少なくとも一部を覆う。ここでは、第３導電体４４の下で上段面５７は完全に第２導電体４３の表面を覆う。圧電体膜３５の働きで第２導電体４３と第３導電体４４との間で短絡は回避されることができる。

ここで、第１圧電素子３２の下電極３４と第２圧電素子３７の下電極３９とは同じ材質から形成される。しかも、第１圧電素子３２の下電極３４の厚さｔ_Ｌ１と第２圧電素子３７の下電極３９の厚さｔ_Ｌ２とは等しい。厚さｔ_Ｌ１、ｔ_Ｌ２は例えば０．１〜１．０μｍ程度である。また、第１圧電素子３２の圧電体膜３５と第２圧電素子３７の圧電体膜４１とは同じ材質から形成される。第１圧電素子３２の圧電体膜３５の厚さｔ_Ｐ１と第２圧電素子３７の圧電体膜４１の厚さｔ_Ｐ２とは等しい。厚さｔ_Ｐ１、ｔ_Ｐ２は例えば数μｍのオーダー程度である。さらに、第１圧電素子３２の上電極３３と第２圧電素子３７の上電極３８とは第３導電体４４で共通に形成されることから、上電極３３および上電極３８は同じ材質であって同じ膜厚を有する。上電極３３、３８の膜厚は数十ｎｍのオーダー程度である。

基体２１の表面には音響整合層６１が積層される。音響整合層６１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端子アレイ４６ａ、第２端子アレイ４６ｂ、第１配線板５２ａおよび第２配線板５２ｂは音響整合層６１で覆われる。音響整合層６１は第１素子２３および第２素子２４に被さる。第１振動膜３１、第１圧電素子３２、第２振動膜３６および第２圧電素子３７は音響整合層６１に隙間なく密着する。音響整合層６１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６１は、素子アレイ２２の構造や、第１端子アレイ４６ａおよび第１配線板５２ａの接合、第２端子アレイ４６ｂおよび第２配線板５２ｂの接合を保護する。

音響整合層６１は平らな上面を有する。第１振動膜３１の第１上面は音響整合層６１の上面６１ａから第１距離Ｄ１で離れる。第１距離Ｄ１は第１振動膜３１上で音響整合層６１の膜厚に相当する。したがって、第１距離Ｄ１は第１振動膜３１の共振周波数である第１周波数に応じて決定される。ここでは、第１距離Ｄ１は第１周波数の波長の４分の１の整数倍に設定される。第２振動膜３６の第２上面は音響整合層６１の上面から第２距離Ｄ２で離れる。第２距離Ｄ２は第２振動膜３６上で音響整合層６１の膜厚に相当する。第２距離Ｄ２は第２振動膜３６の共振周波数である第２周波数に応じて決定される。ここでは、第２距離Ｄ２は第２周波数の波長の４分の１の整数倍に設定される。第２距離Ｄ２は第１距離Ｄ１よりも小さい。第２振動膜３６の共振周波数は第１振動膜３１の共振周波数の高調波に相当することから、第１距離Ｄ１と第２距離Ｄ２との差は第２周波数の波長の４分の１の整数倍に一致する。

音響整合層６１上には音響レンズ６２が積層される。音響レンズ６２は音響整合層６１の表面に密着する。音響レンズ６２の外表面は部分円筒面で形成される。部分円筒面は第１導電体４２および第２導電体４３に平行な母線を有する。部分円筒面の曲率は、１筋の第１導電体４２または第２導電体４３に接続される１列の素子２３、２４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６２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６３が固定される。補強板６３の表面に基体２１の裏面が重ねられる。補強板６３は超音波デバイス１７の裏面で第１開口部５９ａおよび第２開口部５９ｎを閉じる。補強板６３はリジッドな基材を備えることができる。補強板６３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１００〜３００μｍ程度に設定され、補強板６３の板厚は例えば１００〜１５０μｍ程度に設定される。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、第１開口部５９ａは行方向（第１方向）ＤＲ１の長さＷ１よりも列方向（第２方向）ＤＲ２に大きい長さＬ１を有する。すなわち、第１開口部５９ａは列方向ＤＲ２に長い長方形に区画される。したがって、第１開口部５９ａは第１アスペクト比（＝Ｌ１／Ｗ１）を有する。第１アスペクト比は１より大きい。

第２開口部５９ｂは行方向ＤＲ１の長さＷ２以上に列方向ＤＲ２に長さＬ２を有する。ここでは、行方向ＤＲ１の長さＷ２は列方向ＤＲ２の長さＬ２に等しい。すなわち、第２開口部５９ｂは正方形に区画される。第２開口部５９ｂは第１アスペクト比よりも小さい第２アスペクト比（＝Ｌ２／Ｗ２）を有する。ここでは、第２アスペクト比は１に設定される。ただし、第２アスペクト比は１以外でも構わない。行方向ＤＲ１に第２開口部５９ｂの長さＷ２は第１開口部５９ａの長さＷ１に等しく設定される。

第１開口部５９ａおよび第２開口部５９ｂは行方向ＤＲ１に列を形成する。当該列中で行方向ＤＲ１に第１開口部５９ａおよび第２開口部５９ｂは交互に配置される。第１開口部５９ａは行方向ＤＲ１に第１ピッチＰ１で等ピッチに配置される。同様に、第２開口部５９ｂは行方向ＤＲ１に第２ピッチＰ２で等ピッチに配置される。第１ピッチＰ１および第２ピッチＰ２は相互に等しい。第１開口部５９ａは列方向ＤＲ２にピッチＥＰ１で等ピッチに配置され、第２開口部５９ｂは同様に列方向ＤＲ２にピッチＥＰ２で等ピッチに配置される。ピッチＥＰ１およびピッチＥＰ２は相互に等しい。

（３）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第１圧電素子３２には第１周波数のパルス信号が供給される。パルス信号は第１導電体４２に連なる下電極端子４８、５１および第３導電体４４に連なる上電極端子４７、４９を通じて列ごとに第１素子２３に供給される。個々の第１素子２３では下電極３４および上電極３３の間で圧電体膜３５に電界が作用する。圧電体膜３５は第１周波数の超音波で振動する。圧電体膜３５の振動は第１振動膜３１に伝わる。第１振動膜３１は第１周波数の超音波に共振する。振動は増強される。こうして第１振動膜３１は超音波振動する。その結果、被検体（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。

超音波の反射波は音響整合層６１を伝って第１振動膜３１および第２振動膜３６を振動させる。第１振動膜３１は第１周波数の共振周波数で超音波振動する。第２振動膜３６は第２周波数の共振周波数で超音波振動する。第１振動膜３１および第２振動膜３６の振動に応じて第１圧電素子３２および第２圧電素子３７で圧電効果が発揮される。個々の第１素子２３および第２素子２４では上電極３３、３８と下電極３４、３９との間で電位が生成される。第１圧電素子３２および第２圧電素子３７でそれぞれ起電圧が電気信号として取り出される。こうして第１振動膜３１および第２振動膜３６は異なる周波数の超音波を受信する。振動膜の共振周波数ごとに音響整合層６１の膜厚は設定されることから、超音波の周波数ごとに精度よく音響結合は実現されることができる。こうして第１周波数の超音波が被検体に向かって発信される際に、反射する超音波は第１周波数の超音波成分に加えてその高調波の（第２周波数の）超音波成分を含む。したがって、第１周波数の超音波に加えて第２周波数の超音波が受信されれば、超音波デバイス１７の感度は高められる。

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。

超音波デバイス１７では音響整合層６１の膜厚（＝第１距離Ｄ１および第２距離Ｄ２）に応じて第１振動膜３１および第２振動膜３６に伝わる超音波の周波数は調整される。こうして第１振動膜３１および第２振動膜３６は異なる周波数の超音波を受信する。基板５５の表面で連続膜５６の表面は精度よく加工されることができることから、第１振動膜３１および第２振動膜３６では精度よく第１距離Ｄ１および第２距離Ｄ２は確保されることができる。超音波の周波数ごとに精度よく音響結合は実現されることができる。

前記のように、第１圧電素子３２の下電極３４と第２圧電素子３７の下電極３９とは同じ材質であって同じ厚さを有する。したがって、第１圧電素子３２の下電極３４と第２圧電素子３７の下電極３９とは同一の製造工程で形成されることができる。同様に、第１圧電素子３２の上電極３３と第２圧電素子３７の上電極３８とは同じ材質であって同じ厚さを有する。したがって、第１圧電素子３２の上電極３３と第２圧電素子３７の上電極３８とは同一の製造工程で形成されることができる。さらに、第１圧電素子３２の圧電体膜３５と第２圧電素子３７の圧電体膜４１とは同じ材質であって同じ厚さを有する。第１圧電素子３２の圧電体膜３５と第２圧電素子３７の圧電体膜４１とは同一の製造工程で形成されることができる。いずれも製造工程の複雑化は回避されることができる。しかも、連続膜５６は第１振動膜３１および第２振動膜３６で均一な膜厚を有する。連続膜５６は一様に形成されることができる。一様な連続膜５６は比較的に簡単に精度よく形成されることができる。

後述されるように、超音波デバイス１７では第１開口部５９ａおよび第２開口部５９ｂの形成にあたって例えば半導体プロセス技術が用いられることができる。行方向ＤＲ１に第１開口部５９ａおよび第２開口部５９ｂは同じ長さＷ１、Ｗ２を有することから、第１開口部５９ａおよび第２開口部５９ｂのアレイパターンに疎密の発生はできるだけ抑制されることができる。したがって、第１開口部５９ａおよび第２開口部５９ｂの寸法誤差すなわち第１振動膜３１および第２振動膜３６の寸法誤差は回避されることができる。加えて、第１開口部５９ａおよび第２開口部５９ｂは行方向ＤＲ１に等ピッチで配列されることから、確実にレイアウトパターンの疎密は回避されることができる。第２開口部５９ｂのアスペクト比は１であることから、第２振動膜３６の感度は高められる。

超音波デバイス１７では列ごとに第１圧電素子３２および第２圧電素子３７で上電極３３、３８は第３導電体４４で共通に接続される。列ごとに第１圧電素子３２および第２圧電素子３７に共通に電力は供給される。したがって、第１振動膜３１および第２振動膜３６は列ごとに動作することができる。

（４）超音波デバイスの製造方法
次に、超音波デバイス１７の製造方法を簡単に説明する。基板７１が用意される。基板７１は例えばシリコンから形成される。図６に示されるように、基板７１の表面（第１面）７１ａにはフォトレジスト７２のパターンが形成される。パターンは上段面５７の形状を象る。基板７１の表面７１ａにエッチング処理が施される。図７に示されるように、基板７１の表面７１ａが彫り込まれ、相互に段差を有する上段面７３および下段面７４が形成される。フォトリソグラフィ技術によれば、上段面７３および下段面７４は、精度よく平面に、かつ、相互に平行に形成されることができる。

図８に示されるように、基板７１の表面には例えば熱処理が施され酸化膜が形成される。基板７１のシリコンは酸化されて酸化シリコンを形成する。酸化膜は均一な膜厚を有する。こうして基板７１から基板５５および酸化シリコン層５６ａが形成される。上段面７３および下段面７４がそのまま酸化されることから、酸化シリコン層５６ａの表面は精度よく平面かつ平行度を維持することができる。こうして基板５５の表面に上段面５７および下段面５８が確立される。

その後、図９に示されるように、酸化シリコン層５６ａの表面には一面に酸化ジルコニウム層５６ｂが形成される。形成にあたって例えばスパッタリングが用いられる。ジルコニウム膜が均一な膜厚で形成される。ジルコニウム膜には酸化処理が施される。こうして酸化ジルコニウム層５６ｂは均一な膜厚で形成される。酸化シリコン層５６ａと酸化ジルコニウム層５６ｂとの積層で連続膜５６は確立される。酸化ジルコニウム層５６ｂの表面は平面な酸化シリコン層５６ａの表面形状を反映する。こうして基板５５の表面で連続膜５６の表面は精度よく加工されることができる。

その後、図１０に示されるように、連続膜５６の表面には第１圧電素子３２および第２圧電素子３７が形成されていく。例えば、酸化ジルコニウム層５６ｂの表面に一面に導電材の素材層７５が形成される。形成にあたって例えばスパッタリングが用いられる。素材層７５は均一な膜厚に形成される。素材層７５の表面にフォトレジスト７６のパターンが形成される。パターンは第１導電体４２および第２導電体４３の形状を象る。素材層７５の表面からエッチング処理が施される。その結果、素材層７５から第１導電体４２および第２導電体４３が形成される。第１導電体４２および第２導電体４３は共通の素材層から形成されることから、第１圧電素子３２の下電極３４と第２圧電素子３７の下電極３９とは同一の素材であって同じ厚さを有する。こうして下電極３４、３９は同一の製造工程で形成される。製造工程の複雑化は回避される。

同様に、連続膜５６の表面には圧電体膜３５、４１および上電極３３、３８が形成される。いずれも共通の素材層から形成される。フォトレジストのパターンに従ってエッチング処理が施される。したがって、第１圧電素子３２の圧電体膜３５および上電極３３と第２圧電素子３７の圧電体膜４１および上電極３８とは同一の素材であって同じ厚さを有する。こうして圧電体膜３５、４１および上電極３３、３８はそれぞれ同一の製造工程で形成される。製造工程の複雑化は回避される。

こうして第１圧電素子３２および第２圧電素子３７のほか、第１導電体４２、第２導電体４３、第３導電体４４、上電極端子４７、４９および下電極端子４８、５１が形成されると、図１１に示されるように、基板５５には基板７１の裏面（第２面）７１ｂから第１開口部５９ａおよび第２開口部５９ｂが形成される。第１開口部５９ａは下段面の裏側から形成される。第２開口部５９ｂは上段面の裏側から形成される。形成にあたって基板５５は裏面からエッチング処理に曝される。基板７１の裏面７１ｂにはフォトレジスト７７のパターンが形成される。パターンは第１開口部５９ａおよび第２開口部５９ｂの輪郭を象る。エッチング処理に応じてフォトレジスト７７の外側で基板７１の裏面７１ｂが彫り込まれる。このとき、酸化シリコン層５６ａはエッチングストップ層として機能する。その結果、第１開口部５９ａおよび第２開口部５９ｂで連続膜５６に第１振動膜３１および第２振動膜３６が確立される。こうした半導体プロセス技術の実施にあたって、前述のように行方向ＤＲ１に第１開口部５９ａおよび第２開口部５９ｂは同じ長さＷ１、Ｗ２を有することから、第１開口部５９ａおよび第２開口部５９ｂのアレイパターンに疎密の発生はできるだけ抑制されることができる。したがって、第１開口部５９ａおよび第２開口部５９ｂの寸法誤差すなわち第１振動膜３１および第２振動膜３６の寸法誤差は回避されることができる。加えて、第１開口部５９ａおよび第２開口部５９ｂは行方向ＤＲ１に等ピッチで配列されることから、確実にレイアウトパターンの疎密は回避されることができる。

その後、基板５５には第１配線板５２ａおよび第２配線板５２ｂが接合される。第１配線板５２ａおよび第２配線板５２ｂが実装されると、基板７１の裏面７１ｂに補強板６３が接合される。続いて、連続膜５６の表面に音響レンズ６２が接着される。音響レンズ６２の接着にあたって連続膜５６の表面に音響整合層６１の素材が塗布される。塗布にあたって例えばスピンコーティングが用いられる。流動性の素材が硬化して音響整合層６１を形成する。音響整合層６１の表面は容易に平面化する。音響整合層６１は第１圧電素子３２および第２圧電素子３７に被さる。こうして超音波デバイス１７は製造される。

（５）第２実施形態に係る超音波デバイスの構成
図１２は第２実施形態に係る超音波デバイス１７ａの拡大部分平面図を概略的に示す。超音波デバイス１７ａでは第１素子２３と第２素子２４とが千鳥配置で配列される。千鳥配置では偶数列の第２素子２４群は奇数列の第１素子２３群に対して互い違いにずらされればよい。ここでは、第３導電体４４ａ、４４ｂはそれぞれ対応の第１素子２３および第２素子２４の大きさに対応して幅を有することができる。第２素子２４に接続される第３導電体４４ｂの幅は第１素子２３に接続される第３導電体４４ａの幅よりも小さい。このとき、１列の第１素子２３群では第１導電体４２と第３導電体４４ａとの間には絶縁膜８１が挟まれる。絶縁膜８１は第１導電体４２から第３導電体４４ａを隔てる。同様に、１列の第２素子２４群では第２導電体４３と第３導電体４４ｂとの間には絶縁膜８２が挟まれる。絶縁膜８２は第２導電体４３から第３導電体４４ｂを隔てる。こうして短絡は回避される。その他の構成は第１実施形態のものと同様である。図１３に示されるように、第１開口部５９ａおよび第２開口部５９ｂの長さＬ１、Ｗ１、Ｌ２、Ｗ２やピッチＰ１、Ｐ２、ＥＰ１、ＥＰ２は第１実施形態のそれらと同様である。

（６）第３実施形態に係る超音波デバイスの構成
図１４は第３実施形態に係る超音波デバイス１７ｂの拡大部分平面図を概略的に示す。超音波デバイス１７ｂでは行ごとに第１素子２３および第２素子２４が纏められる。列方向に第１素子２３および第２素子２４は交互に配置される。１列ごとに第１素子２３と第２素子２４とは共通の第１導電体４２に接続される。装置端末１２では例えばフーリエ変換などに基づき出力信号から第１周波数および第２周波数の出力成分は分離される。その他の構成は第１実施形態または第２実施形態のものと同様である。図１５に示されるように、第１開口部５９ａおよび第２開口部５９ｂの長さＬ１、Ｗ１、Ｌ２、Ｗ２やピッチＰ１、Ｐ２、ＥＰ１、ＥＰ２は第１実施形態のそれらと同様である。ここでは、第１開口部５９ａおよび第２開口部５９ｂは列方向ＤＲ２に列を形成する。

（７）第４実施形態に係る超音波デバイスの構成
図１６は第４実施形態に係る超音波デバイス１７ｃの拡大部分断面図を概略的に示す。超音波デバイス１７ｃの素子アレイは第１素子８４、第２素子８５、第３超音波トランスデューサー素子（「以下「第３素子」という」８６および第４超音波トランスデューサー素子（以下「第４素子」という）８７を含む。第１素子〜第４素子８４〜８７は第３実施形態と同様に列方向ＤＲ２に順番に配置されることができる。１列ごとに第１素子８４〜第４素子８７は共通の第１導電体４２に接続される。基体２１には、個々の第１素子８４ごとに第１開口部８８ａが形成され、個々の第２素子８５ごとに第２開口部８８ｂが形成され、個々の第３素子８６ごとに第３開口部８８ｃが形成され、個々の第４素子８７ごとに第４開口部８８ｄが形成される。したがって、連続膜５６には、個々の第１開口部８８ａごとに第１振動膜８９ａが形成され、個々の第２開口部８８ｂごとに第２振動膜８９ｂが形成され、個々の第３開口部８８ｃごとに第３振動膜８９ｃが形成され、個々の第４開口部８８ｄごとに第４振動膜８９ｄが形成される。第１開口部８８ａは行方向ＤＲ１の長さＷ１よりも列方向ＤＲ２に大きい長さＬ１を有し、第２開口部８８ｂは行方向ＤＲ１の長さＷ１よりも列方向ＤＲ２に大きい長さＬ２を有し、第３開口部８８ｃは行方向ＤＲ１の長さＷ１よりも列方向ＤＲ２に大きい長さＬ３を有し、第４開口部８８ｄは行方向ＤＲ１の長さＷ１以上の大きさに列方向ＤＲ２に長さＬ４を有する。このように第１開口部８８ａ〜第４開口部８８ｄでは行方向ＤＲ１に長さＷ１は同一値に設定される。第１開口部８８ａの長さＬ１に比べて第２開口部８８ｂの長さＬ２は小さく、第２開口部８８ｂの長さＬ２に比べて第３開口部８８ｃの長さＬ３は小さく、第３開口部８８ｃの長さＬ３に比べて第４開口部８８ｄの長さＬ４は小さい。言い換えると、第１開口部８８ａのアスペクト比（＝Ｌ１／Ｗ１）に対して第２開口部８８ｂのアスペクト比（＝Ｌ２／Ｗ１）は小さく、第２開口部８８ｂのアスペクト比（＝Ｌ２／Ｗ１）に対して第３開口部８８ｃのアスペクト比（＝Ｌ３／Ｗ１）は小さく、第３開口部８８ｃのアスペクト比（＝Ｌ３／Ｗ１）に対して第４開口部８８ｄのアスペクト比（＝Ｌ４／Ｗ１）は小さい。こうして第１〜第４振動膜８９ａ〜８９ｄは面積の大きさに応じて固有の共振周波数を有する。こうして超音波デバイス１７ｃでは受信する超音波信号の広帯域化は実現される。その他の構成は先行する実施形態のものと同様である。なお、第１〜第４素子８４〜８７の構造は第１素子２３および第２素子２４と同様に構成されればよい。

その他、図１７に示されるように、第２開口部８８ｂおよび第３開口部８８ｃの長さＬ２、Ｌ３の設定にあたって第１振動膜８９ａの共振周波数の高調波成分が参照されてもよい。この場合には、第２開口部８８ｂの長さＬ２は２倍の高調波に相当する共振周波数に基づき設定されることができ、第３開口部８８ｃの長さＬ３は３倍の高調波に相当する共振周波数に基づき設定されることができる。こうして超音波画像はさらに鮮明化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や装置端末１２、超音波プローブ１３、ディスプレイパネル１５、素子２３、２４といった配線構造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）、１６筐体、１７超音波デバイス、１７ａ超音波デバイス、１７ｂ超音波デバイス、１７ｃ超音波デバイス、３１振動膜（第１振動膜）、３６振動膜（第２振動膜）、５５基板、５９ａ第１開口部、５９ｂ第２開口部、８８ａ第１開口部、８８ｂ第２開口部、８８ｃ第２開口部（第３開口部）、８８ｄ第２開口部（第４開口部）、８９ａ振動膜（第１振動膜）、８９ｂ振動膜（第２振動膜）、８９ｃ振動膜（第３振動膜）、８９ｄ振動膜（第４振動膜）、ＤＲ１第１方向（行方向）、ＤＲ２第２方向（列方向）、Ｌ１長さ、Ｌ２長さ、Ｗ１長さ、Ｗ２長さ。

Claims

複数の第１開口部および複数の第２開口部をアレイ状に配列した基板と、
前記第１開口部および前記第２開口部のそれぞれに対応して形成され、前記第１開口部または前記第２開口部を塞ぐ振動膜と、
前記振動膜のそれぞれに対応して形成された圧電素子と、を備え、
前記第１開口部は、前記基板の厚み方向からの平面視において、第１方向の長さで当該第１方向に交差する第２方向の長さを割ったアスペクト比が１より大きい第１アスペクト比を有し、
前記第２開口部は、前記平面視において前記第１方向に前記第１開口部と同じ長さを有し、かつ前記アスペクト比において前記第１アスペクト比よりも小さい第２アスペクト比を有する
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、前記第１開口部および前記第２開口部は前記第２方向に配列されてい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、前記第１開口部および前記第２開口部は前記第１方向に配列されていることを特徴とする超音波デバイス。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波デバイスにおいて、前記第１開口部は前記第１方向に等ピッチで配列されていることを特徴とする超音波デバイス。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波デバイスにおいて、前記第２開口部は前記第１方向に等ピッチで配列されていることを特徴とする超音波デバイス。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波デバイスにおいて、前記第２開口部のアスペクト比は１であることを特徴とする超音波デバイス。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の超音波デバイスにおいて、前記第２開口部に対応して形成されている振動膜は、前記第１開口部に対応して形成されている振動膜の共振周波数の高調波に相当する周波数に共振周波数を有することを特徴とする超音波デバイス。
請求項１〜７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１〜７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１〜７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。