JP2015142629A - 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

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 Download PDF

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Abstract

【課題】生体に押し付けられる際に音響レンズの歪みを抑制することができる超音波デバイスを提供する。【解決手段】基板２１は、基材４４上にアレイ状に配置された複数の薄膜型超音波トランスデューサー素子２３を含む素子アレイ２２を有する。素子アレイ２２は音響整合層５１で覆われる。音響整合層５１の上に音響レンズ５２が配置される。音響レンズ５２および基板２１の間には構造体５３が配置される。構造体５３は音響整合層５１の圧縮強さよりも大きい圧縮強さを有する。【選択図】図４

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。
特許文献１に開示されるように、超音波診断装置といった超音波画像装置は一般に知られる。超音波画像装置はアレイ状に配置された複数の超音波トランスデューサー素子を備える。超音波トランスデューサー素子はいわゆるｃＭＵＴ（静電容量型）振動子で形成される。超音波トランスデューサー素子のアレイには音響レンズが被さる。音響レンズは接着剤で超音波トランスデューサー素子のアレイに接着される。音響レンズはシリコーンゴムから形成される。
特開２００８−１９３３５７号公報
生体とのマッチングにあたって音響レンズは生体に近い音響インピーダンスを有する。したがって、音響レンズは生体と同程度の柔らかさを有する。音響レンズが生体に押し当てられると、音響レンズには超音波トランスデューサー素子のアレイに向かって押し付け力が作用する。音響レンズは圧縮される。こうして音響レンズが歪むと、音響レンズの焦点位置にずれが生じる。鮮明な超音波画像が得られない。
そして、生体に押し付けられる際に音響レンズの歪みを抑制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、アレイ状に配置された複数の薄膜型超音波トランスデューサー素子を含む素子アレイを有する基板と、前記素子アレイを覆う音響整合層と、前記音響整合層の上に配置された音響レンズと、前記音響レンズおよび前記基板の間に配置されて、前記音響整合層の圧縮強さよりも大きい圧縮強さを有する構造体とを備える超音波デバイスに関する。
音響レンズが生体に押し当てられると、音響レンズには基板に向かって押し付け力が作用する。このとき、構造体は音響整合層の圧縮強さよりも大きい圧縮強さを有することから、押し付け力の方向に音響レンズは構造体で受け止められる。こうして音響レンズに押し付け力が加わっても、音響レンズの歪みは防止される。超音波デバイスでは押し付け力に対して十分に音響レンズの歪みは抑制される。
（２）前記構造体は、前記音響レンズの母線に平行である前記音響整合層の側面にそれぞれ接触する２つの側面で前記音響整合層を挟むことができる。音響レンズには１中心線に平行な母線で形成される部分円筒面が規定される。部分円筒面は超音波の収束に用いられる。部分円筒面で超音波の焦点位置が決定される。構造体の側面は母線に交差する方向に音響整合層を挟むことから、音響レンズの母線に平行な輪郭に沿って音響レンズは構造体で支持される。一般に、音響レンズは母線に交差する方向に比べて母線に平行な方向に長い。したがって、音響整合層を挟む構造体同士の間隔は狭まる。こうして音響レンズの歪みは効果的に抑制される。
（３）前記構造体は、前記音響レンズの母線に交差する前記音響整合層の側面にそれぞれ接触する２つの側面で前記音響整合層を挟むことができる。ここでは、構造体の側面は音響レンズの母線に沿った方向に音響整合層を挟むことから、音響レンズの母線に交差する方向の輪郭に沿って音響レンズは構造体で支持される。こうして音響レンズの歪みはさらに効果的に抑制される。
（４）前記構造体は前記基板の表面に沿って前記音響整合層を囲んでもよい。音響整合層に押し付け力が作用しても、音響整合層の潰れは構造体で防止される。音響整合層の変形は防止される。音響レンズは構造体および音響整合層で効果的に支持される。音響レンズの歪みは抑制される。
（５）前記音響レンズは、前記基板に向き合う面から前記基板に向かって突き出る柱状部を有することができ、前記音響整合層は、前記柱状部に接触する内側面を有してもよい。こうした構造によれば、音響レンズおよび音響整合層の界面に沿って剪断方向に音響レンズおよび音響整合層のずれは防止される。音響レンズおよび音響整合層は強固に重なり合って積層体を構成する。こうした積層体は音響レンズの歪みの抑制をさらに強化する。
（６）超音波デバイスは、前記基板の厚み方向の平面視で前記音響整合層の輪郭の外側で前記基板に結合されるフレキシブルプリント配線板をさらに備えてもよい。このとき、前記構造体は前記音響整合層と前記フレキシブルプリント配線板との間で前記基板上の導電体上に配置されればよい。素子アレイとフレキシブルプリント配線板とは基板上の導電体で相互に電気的に接続される。導電体は音響整合層とフレキシブルプリント配線板との間で構造体で覆われることから、導電体の露出は回避される。こうして基板上の導電体は保護される。
（７）前記構造体は前記フレキシブルプリント配線板上に配置されることができる。構造体はフレキシブルプリント配線板の固定強度を補強することができる。
（８）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。
（９）プローブでは、前記構造体は前記筐体に固定されてもよい。プローブの製造にあたって超音波デバイスは筐体に収容される。筐体内で構造体は超音波デバイスの移動を防止する。音響レンズは確実に筐体に固定される。
（１０）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部とを備えることができる。
（１１）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に接続されて、前記超音波デバイスの出力を処理し、画像を生成する処理部と、前記画像を表示する表示装置とを備えることができる。
（１２）本発明の他の態様は、アレイ状に配置された複数の薄膜型超音波トランスデューサー素子を含む素子アレイを有する基板と、前記素子アレイを覆って、第１圧縮強さを有する音響整合層と、前記音響整合層の上に配置されて、第１圧縮強さよりも小さい第２圧縮強さを有する音響レンズとを備える超音波デバイスに関する。
音響レンズが生体に押し当てられると、音響レンズには基板に向かって押し付け力が作用する。このとき、押し付け力の方向に音響レンズは音響整合層で受け止められる。音響整合層が音響レンズと同等な圧縮強さを有する場合に比べて、音響整合層の潰れは防止される。こうして音響レンズに押し付け力が加わっても、音響レンズの歪みは防止されることができる。超音波デバイスでは押し付け力に対して十分に音響レンズの歪みは抑制されることができる。
（１３）前記音響整合層は単一層であることができる。その結果、音響整合層が複数層で形成される場合に比べて、音響整合層の形成工程は簡素化されることができる。しかも、音響整合層の膜厚は高い精度で制御されることができる。
（１４）前記音響整合層の音響インピーダンスは２μｒａｉｌｓ以下であることができる。音響レンズと薄膜型トランスデューサー素子との間で音響インピーダンスの整合は確立されることができる。例えばバルク型トランスデューサー素子に比べて音響整合層は薄膜化される。
（１５）前記音響整合層の膜厚は１００μｍ以下であることができる。薄膜化に応じて音響整合層の変形は抑制される。しかも、超音波デバイスは小型化される。
（１６）本発明の他の態様は、アレイ状に配置された複数の薄膜型超音波トランスデューサー素子を含む素子アレイを有する基板に、前記基板の厚み方向の平面視で前記素子アレイが配置される領域の両側にマスキング材を配置する工程と、前記マスキング材の間で前記素子アレイ上に音響整合層および音響レンズを配置し、前記音響レンズおよび前記基板の間に前記マスキング材を挟む工程と、前記マスキング材を外して、前記音響レンズおよび前記基板の間に配置されて、前記音響整合層の圧縮強さよりも大きい圧縮強さを有する構造体を形成する工程とを備える超音波デバイスの製造方法に関する。こうして前述の超音波デバイスを製造することができる。
（１７）超音波デバイスの製造方法は、前記マスキング材を外した後に、前記領域の両側で前記領域と前記基板の縁との間にフレキシブルプリント配線板を結合する工程と、前記音響整合層および前記フレキシブルプリント配線板の間に流動性を有する樹脂材を流し込み、当該樹脂材を硬化させて前記構造体を形成する工程とを備えてもよい。
素子アレイとフレキシブルプリント配線板とは基板上の導電体で相互に電気的に接続される。導電体は音響整合層とフレキシブルプリント配線板との間で構造体で覆われることから、導電体の露出は回避される。構造体の形成にあたって音響整合層およびフレキシブルプリント配線板の間の空間には樹脂材が流し込まれる。樹脂材は確実に導電体に被さることができる。その一方で、例えば滴下された樹脂材が他の部材で押し広げられて空間に樹脂材が充填される場合には、空間の隅に樹脂材が十分に行き渡ることができない。
（１８）超音波デバイスの製造方法では、前記音響レンズの配置にあたって前記マスキング材は両側から前記音響レンズを位置決めしてもよい。マスキング材の働きで音響レンズを高い精度で素子アレイに対して位置決めすることができる。
（１９）前記マスキング材は開口を有することができ、前記マスキング材は開口内の前記音響レンズに対して四方から位置決めを実施してもよい。マスキング材の働きで高い精度で素子アレイに対して音響レンズを位置決めすることができる。
（２０）前記音響整合層の配置にあたって前記開口には流動性を有する樹脂材が流し込まれ、前記樹脂材の厚みは前記マスキング材の厚みで制御されてもよい。開口は基板上に素子アレイを囲む枠体を区画する。枠体には音響整合層の樹脂材が流し込まれる。樹脂材の流れは堰き止められる。こうして音響整合層の形状は整えられる。こうして音響整合層の厚みを決定することができる。
一実施形態に係る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。 超音波デバイスの斜視図である。 図５のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 超音波デバイスの製造方法を示す図であって、基板上に形成されたマスキング材を概略的に示す部分拡大断面図である。 超音波デバイスの製造方法を示す図であって、素子アレイ上に流し込まれた樹脂材を概略的に示す部分拡大断面図である。 超音波デバイスの製造方法を示す図であって、マスキング材の開口に設置された音響レンズを概略的に示す部分拡大断面図である。 超音波デバイスの製造方法を示す図であって、マスキング材が外された後に基板に結合された第１配線板および第２配線板を概略的に示す部分拡大断面図である。 超音波デバイスの製造方法を示す図であって、基板上に形成された保護膜を概略的に示す部分拡大断面図である。 第１変形例に係る超音波デバイスを概略的に示す垂直断面図である。 図４に対応し、第２変形例に係る超音波デバイスを概略的に示す断面図である。 図４に対応し、第３変形例に係る超音波デバイスを概略的に示す断面図である。
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は本発明の一実施形態に係る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（処理部）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。
図３は超音波デバイス１７の平面図を概略的に示す。超音波デバイス１７は基体（基材）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はアレイ状に配置された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。図３では振動膜２４の膜面に直交する方向の平面視（基板の厚み方向からの平面視）で振動膜２４の輪郭が点線で描かれる。振動膜２４上には圧電素子２５が形成される。圧電素子２５は上電極２６、下電極２７および圧電体膜２８で構成される。個々の素子２３ごとに上電極２６および下電極２７の間に圧電体膜２８が挟まれる。これらは下電極２７、圧電体膜２８および上電極２６の順番で重ねられる。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（基板）として構成される。
基体２１の表面には複数本の第１導電体２９が形成される。第１導電体２９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１導電体２９が割り当てられる。１本の第１導電体２９は配列の行方向に並ぶ素子２３の圧電体膜２８に共通に接続される。第１導電体２９は個々の素子２３ごとに上電極２６を形成する。第１導電体２９の両端は１対の引き出し配線３１にそれぞれ接続される。引き出し配線３１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１導電体２９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。第１導電体２９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１導電体２９にはその他の導電材が利用されてもよい。第１導電体２９および引き出し配線３１は積層された導電層をパターニングすることで形成された配線部に相当する。
基体２１の表面には複数本の第２導電体３２が形成される。第２導電体３２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２導電体３２が割り当てられる。１本の第２導電体３２は配列の列方向に並ぶ素子２３の圧電体膜２８に共通に配置される。第２導電体３２は個々の素子２３ごとに下電極２７を形成する。第２導電体３２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３２にはその他の導電材が利用されてもよい。第２導電体３２は積層された導電層をパターニングすることで形成された配線部に相当する。
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素子２３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３１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３１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導電体３２の両端にそれぞれ下電極端子３５、３７は接続される。第２導電体３２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。
図４に示されるように、基体２１は基板４４および被覆膜４５を備える。基板４４の表面に被覆膜４５が一面に形成される。基板４４には個々の素子２３ごとに開口４６が形成される。開口４６は基板４４に対してアレイ状に配置される。開口４６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４６の間には仕切り壁４７が区画される。隣接する開口４６は仕切り壁４７で仕切られる。仕切り壁４７の壁厚みは開口４６の間隔に相当する。仕切り壁４７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。基板４４は例えばシリコン基板で形成されればよい。
被覆膜４５は、基板４４の表面に積層される酸化シリコン（ＳｉＯ２）層４８と、酸化シリコン層４８の表面に積層される酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）層４９とで構成される。被覆膜４５は開口４６に接する。こうして開口４６の輪郭に対応して被覆膜４５の一部が振動膜２４を形成する。振動膜２４は、被覆膜４５のうち、開口４６に臨むことから基板４４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４８の膜厚は共振周波数に基づき決定されることができる。
振動膜２４の表面に下電極２７、圧電体膜２８および上電極２６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。ここでは、第１導電体２９の下で圧電体膜２８は完全に第２導電体３２を覆う。圧電体膜２８の働きで第１導電体２９と第２導電体３２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５１が積層される。音響整合層５１は素子アレイ２２を覆う。音響整合層５１の膜厚は振動膜２４の共振周波数に応じて決定される。音響整合層５１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５１は第１端子アレイ３３ａおよび第２端子アレイ３３ｂの間の空間に収まる。音響整合層５１の縁は基体２１の第１辺２１ａおよび第２辺２１ｂから離れる。音響整合層５１は基体２１の輪郭よりも小さい輪郭を有する。
音響整合層５１上には音響レンズ５２が配置される。音響レンズ５２の輪郭は音響整合層５１の輪郭よりも外側に描かれる。したがって、音響整合層５１の輪郭の周囲では音響レンズ５２と基体２１の表面との間に空間が形成される。音響レンズ５２の縁は基体２１の第１辺２１ａおよび第２辺２１ｂから離れる。音響レンズ５２は音響整合層５１の表面に密着する。音響レンズ５２は音響整合層５１の働きで基体２１に接着される。音響レンズ５２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２９に平行な母線を有する。部分円筒面の曲率は、１筋の第２導電体３３に接続される１列の素子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５２は例えばシリコーン樹脂から形成される。音響レンズ５２は生体の音響インピーダンスに近い音響インピーダンスを有する。
基体２１には保護膜（構造体）５３が固定される。保護膜５３は例えばエポキシ樹脂といった遮水性を有する素材から形成される。ただし、保護膜５３はその他の樹脂材から形成されてもよい。少なくとも基体２１の表面に直交する方向に保護膜５３は音響整合層５１の圧縮強さよりも大きい圧縮強さを有する。保護膜５３は音響整合層５１の周囲で音響レンズ５２および基体２１の間に挟まれる。一般に、シリコーン樹脂の圧縮強さは概ね５８．８［ＭＰａ］以上９８．０６［ＭＰａ］未満であって、エポキシ樹脂の圧縮強さは概ね９８．０６［ＭＰａ］以上１９６．１２［ＭＰａ］以下であることから、エポキシ樹脂の保護膜５３はシリコーン樹脂の音響整合層５１よりも大きい圧縮強さを有する。圧縮強さは日本工業規格（ＪＩＳ）Ｋ７１８１に則って計測されたものである。
ここでは、保護膜５３は音響レンズ５２および音響整合層５１の側面５２ａ、５１ａに固着される。側面５２ａ、５１ａは基体２１の表面に垂直に広がる。図４では、保護膜５３は、音響レンズ５２の母線に平行に広がり基体２１に直角に交差する２つの仮想平面５４ａ、５４ｂにそれぞれ沿った接触面５３ａ、５３ｂで音響整合層５１および音響レンズ５２をそれぞれ挟む。保護膜５３は、音響整合層５１と第１および第２配線板３８、４１との間で基体２１表面の第２導電体３２や引き出し配線３１に被さる。同様に、保護膜５３は、基体２１上で第１配線板３８および第２配線板４１の端部に被さる。
基体２１の裏面にはバッキング材５６が固定される。バッキング材５６の表面に基体２１の裏面が重ねられる。バッキング材５６は超音波デバイス１７の裏面で開口４６を閉じる。バッキング材５６はリジッドな基材を備えることができる。ここでは、仕切り壁４７はバッキング材５６に結合される。バッキング材５６は個々の仕切り壁４７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、保護膜５３は平面視で音響レンズ５２の輪郭に沿って音響レンズ５２を囲む。保護膜５３は音響レンズ５２の輪郭と基体２１の周縁との間で枠形状に広がる。図６に示されるように、枠形状の形成にあたって保護膜５３は音響レンズ５２および音響整合層５１の側面５２ｂ、５１ｂに固着される。側面５２ｂ、５１ｂは基体２１の表面に垂直に基体２１の表面から立ち上がり側面５２ｂ、５１ｂに垂直に接続される。保護膜５３は、音響レンズ５２の母線に直角に交差しつつ基体２１に直角に交差する２つの仮想平面５７ａ、５７ｂにそれぞれ沿った接触面５３ｃ、５３ｄで音響整合層５１および音響レンズ５２をそれぞれ挟む。
（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は超音波の周波数で振動する。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。
超音波画像の形成にあたって音響レンズ５２は生体に押し当てられる。音響レンズ５２が生体に押し当てられると、音響レンズ５２には基体２１に向かって押し付け力が作用する。このとき、保護膜５３は音響整合層５１の圧縮強さよりも大きい圧縮強さを有することから、押し付け力の方向に音響レンズ５２は保護膜５３で受け止められる。こうして音響レンズ５２に押し付け力が加わっても、音響レンズ５２の歪みは防止されることができる。超音波デバイス１７では押し付け力に対して十分に音響レンズ５２の歪みは抑制されることができる。
前述のように、音響レンズ５２には１中心線に平行な母線で形成される部分円筒面が規定される。部分円筒面は超音波の収束に用いられる。部分円筒面で超音波の焦点位置が決定される。保護膜５３の接触面５３ａは母線に直角に交差する方向に音響整合層５１を挟むことから、音響レンズ５２の母線に平行な輪郭に沿って音響レンズ５２は保護膜５３で支持される。音響レンズ５２は母線に交差する方向に比べて母線に平行な方向に長い。したがって、母線に直角に交差する方向に保護膜５３同士の間隔は狭まる。こうして音響レンズ５２の歪みは効果的に抑制される。音響レンズ５２の焦点位置は決められた位置に維持されることができる。音響レンズ５２に歪みが生じてしまうと、音響レンズ５２の焦点位置にずれが生じることが懸念される。焦点位置がずれてしまうと、精密な超音波画像は描き出されることができない。しかも、本実施形態では、保護膜５３は音響レンズ５２の母線に沿った方向に接触面５３ｃで音響整合層５１を挟む。音響レンズ５２の母線に交差する方向の輪郭に沿って音響レンズ５２は保護膜５３で支持される。こうして音響レンズ５２の歪みはさらに効果的に抑制される。特に、保護膜５３は基体２１の表面に沿って音響整合層５１を囲む。したがって、音響整合層５１は基体２１の表面、音響レンズ５２および保護膜５３で封入される。封入された空間では音響整合層５１の移動は防止されることから、音響整合層５１に押し付け力が作用しても音響整合層５１の潰れは防止される。音響整合層５１の変形は防止される。音響レンズ５２は保護膜５３および音響整合層５１で効果的に支持される。音響レンズ５２の歪みは抑制される。
超音波デバイス１７では素子アレイ２２と第１および第２配線板３８、４１とは基体２１上の第２導電体３３や引き出し配線３１で相互に電気的に接続される。保護膜５３は音響整合層５１と第１および第２配線板３８、４１との間で基体２１上の第２導電体３２や引き出し配線３１に被さる。こうして第２導電体３３や引き出し配線３１は音響整合層５１と第１および第２配線板３８、４１との間で保護膜５３で覆われることから、第２導電体３３や引き出し配線３１の露出は回避される。こうして基体２１上の導電体は保護される。特に、保護膜５３に遮水性が付与されると、第２導電体３３や引き出し配線３１は水分や湿気から保護され、第２導電体３３や引き出し配線３１といった導電材同士の短絡は防止されることができる。前述のように、保護膜５３が第１および第２配線板３８、４１の端部に被さると、保護膜５３は第１および第２配線板３８、４１の固定強度を補強することができる。
（３）超音波デバイスの製造方法
次に超音波デバイス１７の製造方法を説明する。図７に示されるように、基板６１が用意される。基板６１は、基材６２上にアレイ状に配置された複数の素子２３を含む素子アレイ２２を有する。基材６２は前述の基体２１に相当する。基材６２上にマスキング材６３が積層される。マスキング材６３は平面視で素子アレイ２２の輪郭と基材６２の周縁との間に囲い形状に形成される。マスキング材６３は素子アレイ２２上に開口６４を形成する。開口６４は基材６２上に素子アレイ２２を囲む枠体を区画する。したがって、マスキング材６３は平面視で第２導電体３３の延伸方向に素子アレイ２２の輪郭の両側に配置されると同時に第１導電体２９の延伸方向に素子アレイ２２の輪郭の両側に配置される。ここでは、マスキング材６３は２層の積層構造に形成される。下層６３ａの厚みは音響整合層５１の膜厚に一致する。下層６３ａで形成される枠体は下側開口６４ａを区画する。上層６３ｂは、平面視で下側開口６４ａの輪郭よりも外側に広がる上側開口６４ｂを区画する。したがって、下側開口６４ａと上側開口６４ｂとの間には段差が形成される。マスキング材６３には例えばフォトレジストが用いられることができる。
続いて、マスキング材６３の開口６４内で素子アレイ２２上に音響整合層５１および音響レンズ５２は配置される。これらの配置にあたって、図８に示されるように、マスキング材６３の開口６４に音響整合層５１の樹脂材６６は流し込まれる。樹脂材６６は流動性を有する。樹脂材６６は下層６３ａの下側開口６４ａを満たす。樹脂材６６の流れはマスキング材６３の下層６３ａで堰き止められる。こうして音響整合層５１の形状は整えられる。樹脂材６６は下層６３ａの下側開口６４ａ内で満遍なく広がる。ここでは、下層６３ａの厚みに基づき樹脂材６６の容量は調整される。下層６３ａの厚みの働きで樹脂材６６の厚みは高い精度で制御されることができる。
図９に示されるように、マスキング材６３の開口６４内で樹脂材６６上に音響レンズ５２が重ねられる。音響レンズ５２と基材６２との間にマスキング材６３の下層６３ａは挟まれる。音響レンズ５２は予め決められた形状に加工されていればよい。マスキング材６３の上層６３ｂは、平面視で第２導電体３３の延伸方向に両側から音響レンズ５２を位置決めし、同時に、第１導電体２９の延伸方向に両側から音響レンズ５２を位置決めする。したがって、マスキング材６３の上層６３ｂは上側開口６４ｂ内の音響レンズ５２に対して四方から位置決めを実施する。マスキング材６３の上層６３ｂの働きで音響レンズ５２は高い精度で素子アレイ２２に対して位置決めされることができる。ここでは、音響レンズ５２の縁は上層６３ｂの壁面に面接触する。樹脂材６６は熱や紫外線の照射に応じて硬化する。樹脂材６６は硬化して音響整合層５１を形成する。こうして音響レンズ５２は素子アレイ２２に接着される。
図１０に示されるように、音響整合層５１が硬化すると、マスキング材６３は外される。マスキング材６３は例えばエッチング処理その他で除去されればよい。下層６３ａの段差の働きで音響レンズ５２と基材６２との間には空間が区画される。
マスキング材６３が外されると、基材６２の表面で素子アレイ２２の輪郭と基材６２の周縁との間で第１端子アレイ３３ａおよび第２端子アレイ３３ｂは露出する。マスキング材６３が外された後に、素子アレイ２２の輪郭と基材６２の周縁との間に第１配線板３８および第２配線板４１がそれぞれ結合される。第１配線板３８は第１端子アレイ３３ａに被さる。第２配線板４１は第２端子アレイ３３ｂに被さる。第１配線板３８の第１信号線３９は上電極端子３４および下電極端子３５に個々に接続される。第２配線板４１の第２信号線４２は上電極端子３６および下電極端子３７に個々に接続される。接合には圧着その他の接合方法が用いられればよい。
その後、図１１に示されるように、基材６２上で保護膜５３が形成される。音響整合層５１と第１配線板３８との間および音響整合層５１と第２配線板４１との間に樹脂材６７が流し込まれる。樹脂材６７の供給にあたって例えばノズルが用いられてもよい。ノズルは音響レンズ５２の母線に平行に第１配線板３８の縁および第２配線板４１の縁に沿って移動すればよい。樹脂材６７は流動性を有する。樹脂材６７の流し込みにあたって第１配線板３８および第２配線板４１上には囲い６８が区画されてもよい。囲い６８は例えば金型から形成されることができる。囲い６８は樹脂材６７の流れを堰き止めることができる。樹脂材６７は熱や紫外線の照射に応じて硬化する。樹脂材６７は硬化して保護膜５３を形成する。樹脂材６６および樹脂材６７にはエポキシ樹脂が用いられてもよい。その場合には音響レンズ５２はエポキシ樹脂から形成されてもよい。
（４）変形例に係る超音波デバイス
図１２は第１変形例に係る超音波デバイス１７ａを概略的に示す。超音波プローブ１３の筐体１６は開口７６を形成する。開口７６には音響レンズ５２が配置される。超音波デバイス１７ａは支持部材７７に支持される。支持部材７７は筐体１６の内側に結合される。結合にあたって支持部材７７と筐体１６との間に第１配線板３８および第２配線板４１は挟まれる。音響レンズ５２および音響整合層５１の周囲で基体２１と筐体１６との間に空間７８が区画される。空間７８は保護材７９で充填される。保護材７９は音響レンズ５２と基体２１との間に挟まれる。保護材７９は音響整合層５１の圧縮強さよりも大きい圧縮強さを有する。保護材７９は筐体１６に音響レンズ５２、音響整合層５１および基体２１を固定する。保護材７９は前述の保護膜５３と同様に機能することができる。その他の構造は前述の超音波デバイス１７と同様である。
超音波プローブ１３の製造にあたって超音波デバイス１７ａおよび支持部材７７は筐体１６に収容される。支持部材７７が筐体１６に固定されると、音響レンズ５２は開口７６に臨む。このとき、音響レンズ５２および音響整合層５１の周囲で基体２１と筐体１６との間に空間７８が区画される。開口７６の隙間から空間７８に流動性を有する樹脂材は充填される。樹脂材が硬化すると、保護材７９が形成される。保護材７９は開口７６内で音響レンズ５２の移動を防止する。音響レンズ５２は確実に筐体１６に固定される。
図１３は第２変形例に係る超音波デバイス１７ｂを概略的に示す。音響レンズ８１に、基体２１に向き合う面から基体２１に向かって突き出る柱状部８２が形成される。その一方で、音響整合層８３には柱状部８２が嵌め込まれる溝（窪み）８４が形成される。溝８４は音響整合層８３を貫通することができ、その際、柱状部８２の先端は基体２１に接触する。こうした構造によれば、音響レンズ８１および音響整合層８３の界面に沿って剪断方向に音響レンズ８１および音響整合層８３のずれは防止される。音響レンズ８１および音響整合層８３は強固に重なり合って積層体を構成する。こうした積層体は音響レンズ８１の歪みの抑制をさらに強化する。その他の構造は前述の超音波デバイス１７と同様である。その他、超音波デバイス１７ｂでは、前述の超音波デバイス１７ａと同様に、保護膜５３に代わる保護材で音響レンズ８１、音響整合層８３および基体２１は超音波プローブ１３の筐体１６に固定されてもよい。
図１４は第３変形例に係る超音波デバイス１７ｃを概略的に示す。音響整合層８６は素子アレイ２２を覆う。音響整合層８６は第１圧縮強さを有する。音響整合層８６は単一層であって１００［μｍ］以下の膜厚を有し２［μｒａｉｌｓ］以下の音響インピーダンスを有する。ここでは、音響整合層８６はエポキシ樹脂から形成される。音響整合層８６上には音響レンズ８７が配置される。前述と同様に、音響レンズ８７は音響整合層８６の第１圧縮強さよりも大きい第２圧縮強さを有する。したがって、音響レンズ８７はシリコーン樹脂から形成されることができる。平面視で音響レンズ８７の輪郭は音響整合層８６の輪郭に一致することができる。
基体２１には保護膜（構造体）８８が固定される。保護膜８８は例えばエポキシ樹脂といった遮水性を有する素材から形成される。ただし、保護膜８８はその他の樹脂材から形成されてもよい。保護膜８８は音響レンズ８７および音響整合層８６に接触する。ここでは、保護膜８８は、音響レンズ８７の母線に平行に広がり基体２１に直角に交差する２つの仮想平面５４ａ、５４ｂにそれぞれ沿った接触面８８ａで音響レンズ８７および音響整合層８６を挟む。このとき、音響レンズ８７および音響整合層８６の側面８７ａ、８６ａは面一に広がる。保護膜８８は、音響整合層８６と第１および第２配線板３８、４１との間で基体２１表面の第２導電体３２や引き出し配線３１に被さる。同様に、保護膜８８は、基体２１上で第１配線板３８および第２配線板４１の端部に被さる。その他の構造は前述の超音波デバイス１７と同様である。その他、超音波デバイス１７ｃでは、前述の超音波デバイス１７ａと同様に、保護膜８８に代わる保護材で音響レンズ８７、音響整合層８６および基体２１は超音波プローブ１３の筐体１６に固定されてもよい。
音響レンズ８７が生体に押し当てられると、音響レンズ８７には基体２１に向かって押し付け力が作用する。このとき、押し付け力の方向に音響レンズ８７は音響整合層８６で受け止められる。音響整合層８６が音響レンズ８７と同等な圧縮強さを有する場合に比べて、音響整合層８６の潰れは防止される。こうして音響レンズ８７に押し付け力が加わっても、音響レンズ８７の歪みは防止されることができる。超音波デバイス１７ｃでは押し付け力に対して十分に音響レンズ８７の歪みは抑制されることができる。音響整合層８６は単一層であることから、音響整合層８６が複数層で形成される場合に比べて、音響整合層８６の形成工程は簡素化されることができる。しかも、音響整合層８６の膜厚は高い精度で制御されることができる。ここでは、音響整合層８６の音響インピーダンスは２［μｒａｉｌｓ］以下であることから、音響レンズ８７と素子２３との間で音響インピーダンスの整合は確立されることができる。例えばバルク型トランスデューサー素子に比べて音響整合層８６は薄膜化される。音響整合層８６の膜厚は１００［μｍ］以下に薄膜化されることができ、薄膜化に応じて音響整合層８６の変形は抑制される。加えて、超音波デバイス１７ｃは小型化される。
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。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、筐体１６、基体２１、素子２３、第１および第２配線板３８、４１、音響整合層５１、８３、８６、音響レンズ５２、８１、８７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 電子機器および超音波画像装置としての超音波診断装置、１２ 処理部（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、２１ 基板（基体）、２２ 素子アレイ、２３ 薄膜型超音波トランスデューサー素子、３８ フレキシブルプリント配線板（第１フレキシブルプリント配線板）、４１ フレキシブルプリント配線板（第２フレキシブルプリント配線板）、５１ 音響整合層、５２ 音響レンズ、５３ 構造体（保護膜）、５３ａ 側面（接触面）、５３ｂ 側面（接触面）、５３ｃ 側面（接触面）、５３ｄ 側面（接触面）、６１ 基板、６３ マスキング材、６４ 開口、６７ 樹脂材、７９ 構造体（保護材）、８１ 音響レンズ、８２ 柱状部、８３ 音響整合層、８４ 窪み（溝）、８６ 音響整合層、８７ 音響レンズ、８８ 構造体（保護膜）。

Claims (20)

  1. アレイ状に配置された複数の薄膜型超音波トランスデューサー素子を含む素子アレイを有する基板と、
    前記素子アレイを覆う音響整合層と、
    前記音響整合層の上に配置された音響レンズと、
    前記音響レンズおよび前記基板の間に配置されて、前記音響整合層の圧縮強さよりも大きい圧縮強さを有する構造体と、
    を備えることを特徴とする超音波デバイス。
  2. 請求項１に記載の超音波デバイスにおいて、前記構造体は、前記音響レンズの母線に平行である前記音響整合層の側面にそれぞれ接触する２つの側面で前記音響整合層を挟むことを特徴とする超音波デバイス。
  3. 請求項２に記載の超音波デバイスにおいて、前記構造体は、前記音響レンズの母線に交差する前記音響整合層の側面にそれぞれ接触する２つの側面で前記音響整合層を挟むことを特徴とする超音波デバイス。
  4. 請求項３に記載の超音波デバイスにおいて、前記構造体は前記基板の表面に沿って前記音響整合層を囲むことを特徴とする超音波デバイス。
  5. 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、前記音響レンズは、前記基板に向き合う面から前記基板に向かって突き出る柱状部を有し、前記音響整合層は、前記柱状部に接触する内側面を有することを特徴とする超音波デバイス。
  6. 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、前記基板の厚み方向の平面視で前記音響整合層の輪郭の外側で前記基板に結合されるフレキシブルプリント配線板をさらに備え、前記構造体は前記音響整合層と前記フレキシブルプリント配線板との間で前記基板上の導電体に被さることを特徴とする超音波デバイス。
  7. 請求項６に記載の超音波デバイスにおいて、前記構造体は前記フレキシブルプリント配線板上に配置されていることを特徴とする超音波デバイス。
  8. 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。
  9. 請求項８に記載のプローブにおいて、前記構造体は前記筐体に固定されることを特徴とするプローブ。
  10. 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部とを備えることを特徴とする電子機器。
  11. 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し、画像を生成する処理部と、前記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。
  12. アレイ状に配置された複数の薄膜型超音波トランスデューサー素子を含む素子アレイを有する基板と、
    前記素子アレイを覆って、第１圧縮強さを有する音響整合層と、
    前記音響整合層の上に配置されて、第１圧縮強さよりも小さい第２圧縮強さを有する音響レンズと、
    を備えることを特徴とする超音波デバイス。
  13. 請求項１２に記載の超音波デバイスにおいて、前記音響整合層は単一層であることを特徴とする超音波デバイス。
  14. 請求項１３に記載の超音波デバイスにおいて、前記音響整合層の音響インピーダンスは２μｒａｉｌｓ以下であることを特徴とする超音波デバイス。
  15. 請求項１４に記載の超音波デバイスにおいて、前記音響整合層の膜厚は１００μｍ以下であることを特徴とする超音波デバイス。
  16. アレイ状に配置された複数の薄膜型超音波トランスデューサー素子を含む素子アレイを有する基板に、前記基板の厚み方向の平面視で前記素子アレイが配置される領域の両側にマスキング材を配置する工程と、
    前記マスキング材の間で前記素子アレイ上に音響整合層および音響レンズを配置し、前記音響レンズおよび前記基板の間に前記マスキング材を挟む工程と、
    前記マスキング材を外して、前記音響レンズおよび前記基板の間に配置されて、前記音響整合層の圧縮強さよりも大きい圧縮強さを有する構造体を形成する工程と、
    を備えることを特徴とする超音波デバイスの製造方法。
  17. 請求項１６に記載の超音波デバイスの製造方法において、
    前記マスキング材を外した後に、前記領域の両側で前記領域と前記基板の縁との間にフレキシブルプリント配線板を結合する工程と、
    前記音響整合層および前記フレキシブルプリント配線板の間に流動性を有する樹脂材を流し込み、当該樹脂材を硬化させて前記構造体を形成する工程と、
    を備えることを特徴とする超音波デバイスの製造方法。
  18. 請求項１６または１７に記載の超音波デバイスの製造方法において、
    前記音響レンズの配置にあたって前記マスキング材は両側から前記音響レンズを位置決めすることを特徴とする超音波デバイスの製造方法。
  19. 請求項１８に記載の超音波デバイスの製造方法において、
    前記マスキング材は開口を有し、前記マスキング材は開口内の前記音響レンズに対して四方から位置決めを実施することを特徴とする超音波デバイスの製造方法。
  20. 請求項１９に記載の超音波デバイスの製造方法において、前記音響整合層の配置にあたって前記開口には流動性を有する樹脂材が流し込まれ、前記樹脂材の厚みは前記マスキング材の厚みで制御されることを特徴とする超音波デバイスの製造方法。
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