JP2015185915A

JP2015185915A - 超音波デバイスユニット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: JP2015185915A
Application number: JP2014058546A
Authority: JP
Inventors: 一輝吉田; Kazuteru Yoshida; 一幸加納; Kazuyuki Kano; 勇祐中澤; Yusuke Nakazawa
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2014-03-20
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2015-10-22
Anticipated expiration: 2034-03-20
Also published as: US9623443B2; JP6252280B2; CN104921755B; CN104921755A; US20150266058A1

Abstract

【課題】確実な小型化に寄与する構造を有する超音波デバイスユニットを提供する。
【解決手段】超音波デバイスユニットＤＶ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超音波デバイス１７を備える。基板５５は、平面ＰＬから窪んだ凹部５６を有し、凹部５６で超音波デバイス１７に結合される。フレキシブルプリント板３８、４１は、平面ＰＬよりも高い位置で超音波デバイス１７に重ねられ接続される一端から延びて、他端で平面ＰＬに重ねられ接続される。
【選択図】図３

Description

本発明は、超音波デバイスユニット、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。

アレイ状にバルク型圧電素子が配置された超音波デバイスを備える超音波デバイスユニットは一般に知られる。例えば特許文献１に記載される超音波デバイスユニットでは、平面から窪んだ凹部が平面に形成され、その凹部に超音波デバイスが配置される。この超音波デバイスは上下から共通電極および信号電極に挟まれたバルク型圧電素子を有し、共通電極はワイヤボンディングで平面上のランドに接続され、信号電極には平面よりも低い位置でフレキシブル基板が接続されている。

特開２００８−７９９０９号公報

特許文献１に記載のものでは、平面よりも低い位置で信号電極にフレキシブル基板が接続され、フレキシブル基板は凹部の壁面と超音波デバイスとの間で湾曲する。ここで、フレキシブル基板で横幅に対して距離（長さ）が短縮されればされるほど、フレキシブル基板は湾曲しづらいため、凹部の壁面と超音波デバイスとの間に十分な距離が確保されなければ、フレキシブル基板による接続は難しかった。こうして凹部の壁面と超音波デバイスとの距離が所定長さ必要であったので、超音波デバイスユニットの小型化は困難であった。

こうした実情に鑑み、超音波デバイスユニットでは確実な小型化に寄与する構造が望まれる。

（１）本発明の一態様は、平面部および前記平面部から窪んだ凹部を有する基板と、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し、前記凹部に配置される超音波デバイスと、一端が前記超音波デバイスのアレイ面の一部に重ねられて接続され、他端が前記平面部の一部に重ねられて接続される第１フレキシブルプリント板とを備え、前記第１フレキシブルプリント板の前記一端が重ねられる前記超音波デバイスの前記アレイ面は、前記平面部を含む平面内あるいは前記凹部の外側の平面内に位置する超音波デバイスユニットに関する。

超音波デバイスは凹部に受け入れられる。超音波デバイスは平面から沈んで基板上に配置される。こうして沈んだ超音波デバイスにフレキシブルプリント板は重ねられ接続される。したがって、超音波デバイスが基板の平面部に配置される場合に比べてフレキシブルプリント板の湾曲は縮小される。フレキシブルプリント板では横幅に対して距離（長さ）が短縮されればされるほど、フレキシブルプリント板の湾曲は妨げられる。湾曲が和らげば、フレキシブルプリント板の接続にあたってフレキシブルプリント板の長さは短縮されることができる。こうして超音波デバイスユニットは確実に小型化されることができる。

ここで、「前記凹部の外側の平面内に位置する」とは、前記基板の前記平面部の凹部内部でなく反対側の外側に位置する平面内のことであり、例えば凹部深さが超音波デバイスの厚み未満であれば前記フレキシブルプリント板の前記一端が重ねられる超音波デバイスのアレイ面は前記凹部底面側とは反対側に位置するものである。加えて、厳密にアレイ面が平面に一致することのみをいうのではなく、その効果を有する範囲で平面の位置は幅を有してもよい。また、超音波デバイス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を備え、その超音波トランスデューサー素子の超音波出射面である素子表面が所定の平面であるアレイ面に位置するように配置されている。

（２）前記基板の前記平面部には前記フレキシブルプリント板上の端子に接合される端子が配置され、前記凹部は、相互に交差する２垂直面を側面に有し、前記超音波デバイスは前記側面に当接することができる。基板では平面部上の端子に対して凹部の側面は精度よく位置することができる。したがって、凹部に受け入れられた超音波デバイスが２つの側面に突き当てられると、平面上の端子に対して超音波デバイスは精度よく位置決めされる。こうして基板および超音波デバイスに対して確実なフレキシブルプリント板の接続は実現される。

（３）前記第１フレキシブルプリント板の前記一端が重ねられる前記超音波デバイスの前記アレイ面は、前記平面部を含む平面内にあることができる。第１フレキシブルプリント板では湾曲は回避される。第１フレキシブルプリント板の接続にあたって第１フレキシブルプリント板の長さは最大限に短縮されることができる。こうして超音波デバイスユニットは確実に小型化されることができる。しかも、こうした超音波デバイスユニットでは、面内の変位のみで第１フレキシブルプリント板の位置決めが可能なことから、基板に対して超音波デバイスが固定された後に超音波デバイスおよび基板に第１フレキシブルプリント板は接続されることができる。

（４）一端が前記超音波デバイスの前記アレイ面の一部に重ねられて接続され、他端が前記平面部の一部に重ねられて接続される第２フレキシブルプリント板を備え、前記第１フレキシブルプリント板の前記一端から前記他端に向かう方向は第１方向であり、前記第２フレキシブルプリント板の前記一端から前記他端に向かう方向は前記第１方向に逆向きの第２方向であることができる。超音波デバイスユニットの使用にあたって一般に超音波デバイスは被検体に押し当てられる。例えば超音波デバイスが被検体の表面に沿って第１方向にずらされると、超音波デバイスには第２方向に剪断力が作用する。このとき、第１フレキシブルプリント板は引っ張り力に曝される。第１フレキシブルプリント板は引っ張り力に耐えて超音波デバイスのずれを防止する。反対に、超音波デバイスが被検体の表面に沿って第２方向にずらされると、超音波デバイスには第１方向に剪断力が作用する。このとき、第２フレキシブルプリント板は引っ張り力に曝される。第２フレキシブルプリント板は引っ張り力に耐えて超音波デバイスのずれを防止する。こうして基板に対して超音波デバイスのずれは防止されることができる。

（５）前記第１フレキシブルプリント板の前記一端および前記第２フレキシブルプリント板の前記一端が重ねられる超音波デバイスの前記アレイ面は、前記平面部を含む平面内にあることができる。第１フレキシブルプリント板および第２フレキシブルプリント板では湾曲は回避される。第１フレキシブルプリント板および第２フレキシブルプリント板の接続にあたって各フレキシブルプリント板の長さは最大限に短縮されることができる。こうして超音波デバイスユニットは確実に小型化されることができる。しかも、こうした超音波デバイスユニットでは、基板に対して超音波デバイスが固定された後に超音波デバイスおよび基板に各フレキシブルプリント板は接続されることができる。

（６）前記超音波デバイスは、個々の前記薄膜型超音波トランスデューサー素子ごとに開口部を区画し、第１面で前記開口部を塞ぐ振動膜を有するデバイス基板と、前記デバイス基板の前記第１面とは反対側の前記デバイス基板の第２面に固定されて、前記開口部の内部空間に接続されて前記凹部の底面に向き合う面で開口する通気経路を区画する板状部材とを備えることができ、このとき、前記凹部の底面には前記基板を貫通する貫通孔が形成されることができる。デバイス基板は板状部材で補強されることから、アレイ状に開口部が形成されても、デバイス基板の剛性は確保される。取り扱い時に超音波デバイスの破損は回避される。こうして超音波デバイスの取り扱いは容易化される。このとき、開口部の内部空間は通気経路および貫通孔を通じて基板の外部空間に通じる。開口部の内部空間と基板の外部空間との間で通気は確保される。したがって、開口部の内部空間は密閉されない。開口部の内部空間は周囲の圧力変動に容易に追従することができる。こうして薄膜型超音波トランスデューサー素子の破損は確実に回避されることができる。仮に開口部の内部空間が気密に密閉されてしまうと、圧力変動に起因して薄膜型超音波トランスデューサー素子の破損が懸念されてしまう。

（７）前記超音波デバイスは、個々の前記薄膜型超音波トランスデューサー素子ごとに開口部を区画し、第１面で前記開口部を塞ぐ振動膜を有するデバイス基板と、前記デバイス基板の前記第１面とは反対側の前記デバイス基板の第２面に固定されて、前記開口部の内部空間に接続されて前記凹部の側面に向き合う面で開口する通気経路を区画する板状部材とを備えることができ、このとき、前記凹部の前記側面と前記超音波デバイスとの間には空隙が形成されることができる。デバイス基板は板状部材で補強されることから、アレイ状に開口部が形成されても、デバイス基板の剛性は確保される。取り扱い時に超音波デバイスの破損は回避される。こうして超音波デバイスの取り扱いは容易化される。このとき、開口部の内部空間は通気経路および空隙を通じて基板の外部空間に通じる。開口部の内部空間と基板の外部空間との間で通気は確保される。したがって、開口部の内部空間は密閉されない。開口部の内部空間は周囲の圧力変動に容易に追従することができる。こうして薄膜型超音波トランスデューサー素子の破損は確実に回避されることができる。仮に開口部の内部空間が気密に密閉されてしまうと、圧力変動に起因して薄膜型超音波トランスデューサー素子の破損が懸念されてしまう。

（８）前記超音波デバイスは、個々の前記薄膜型超音波トランスデューサー素子ごとに開口部を区画し、第１面で前記開口部を塞ぐ振動膜を有するデバイス基板と、前記デバイス基板の前記第１面とは反対側の前記デバイス基板の第２面に固定されて、前記デバイス基板の厚み方向からの平面視で少なくとも前記素子アレイの輪郭を収容する面積を有して前記開口部から連続する貫通口を有する板状部材とを備えることができる。薄膜型超音波トランスデューサー素子は超音波の発信時に振動膜を超音波振動させる。超音波は振動膜から表側に伝わりデバイス基板の第１面から出射される。このとき、超音波は同様に振動膜から裏側に伝わる。超音波は開口部内を伝わる。開口部は貫通口に連続することから、超音波の伝搬経路の長さは増大する。伝播経路の長さの増大に伴い超音波は減衰する。こうして振動膜から裏側に伝わる超音波の影響は抑制される。

（９）前記凹部の底面には前記貫通口に接続されて前記基板を貫通する貫通孔が形成されることができる。開口部の内部空間は貫通口および貫通孔を通じて基板の外部空間に通じる。開口部の内部空間と基板の外部空間との間で通気は確保される。したがって、開口部の内部空間は密閉されない。開口部の内部空間は周囲の圧力変動に容易に追従することができる。こうして薄膜型超音波トランスデューサー素子の破損は確実に回避されることができる。仮に開口部の内部空間が気密に密閉されてしまうと、圧力変動に起因して薄膜型超音波トランスデューサー素子の破損が懸念されてしまう。

（１０）前記凹部の底面と前記デバイス基板との間には、前記貫通口に接続されて、前記凹部の前記側面と前記超音波デバイスとの間に形成される空隙に通じる通気路が形成されることができる。開口部の内部空間は貫通口、通気路および空隙を通じて基板の外部空間に通じる。開口部の内部空間と基板の外部空間との間で通気は確保される。したがって、開口部の内部空間は密閉されない。開口部の内部空間は周囲の圧力変動に容易に追従することができる。こうして薄膜型超音波トランスデューサー素子の破損は確実に回避されることができる。仮に開口部の内部空間が気密に密閉されてしまうと、圧力変動に起因して薄膜型超音波トランスデューサー素子の破損が懸念されてしまう。

（１１）超音波デバイスユニットはプローブに組み込まれて利用されてもよい。このとき、プローブは、超音波デバイスユニットと、前記超音波デバイスユニットを支持する筐体とを備えればよい。

（１２）超音波デバイスユニットは電子機器に組み込まれて利用されてもよい。このとき、電子機器は、超音波デバイスユニットと、前記超音波デバイスユニットに接続されて、前記超音波デバイスユニットの出力を処理する処理部とを備えることができる。

（１３）超音波デバイスユニットは超音波画像装置に組み込まれて利用されてもよい。このとき、超音波画像装置は、超音波デバイスユニットと、前記超音波デバイスユニットに接続されて、前記超音波デバイスユニットの出力を処理し、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。

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。一実施形態に係る超音波デバイスの拡大平面図である。図１のＡ−Ａ線に沿った第１実施形態に係る超音波デバイスユニットの断面図である。超音波デバイスユニットの平面図である。図３に対応し、第１実施形態の変形例に係る超音波デバイスユニットの断面図である。図３に対応し、第２実施形態に係る超音波デバイスユニットの断面図である。図３に対応し、第３実施形態に係る超音波デバイスユニットの断面図である。図３に対応し、第４実施形態に係る超音波デバイスユニットの断面図である。

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。

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ユニットＤＶが収容される。超音波デバイスユニットＤＶは超音波デバイス１７を備える。超音波デバイス１７は音響レンズ１８を備える。音響レンズ１８の外表面は部分円筒面１８ａで形成される。音響レンズ１８は例えばシリコーン樹脂から形成される。音響レンズ１８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。筐体１６には窓孔１９が区画される。窓孔１９内には音響レンズ１８が配置される。音響レンズ１８の外表面は筐体１６の表面で露出する。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。

図２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２１を備える。基体２１の表面（第１面）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薄膜型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２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。

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。

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。

（２）第１実施形態に係る超音波デバイスユニットの構成
図３に示されるように、基体２１は基板（デバイス基板）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ごとに開口部４６が形成される。開口部４６は基板４４に対してアレイ状に配置される。個々の開口部４６は素子２３ごとに裏側（反対側）の面（第２面）に開口する。開口部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つの開口部４６の間には仕切り壁４７が区画される。隣接する開口部４６は仕切り壁４７で仕切られる。仕切り壁４７の壁厚みは開口部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（ＳｉＯ_２）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（ＺｒＯ_２）層４９とで構成される。被覆膜４５は開口部４６の空間を塞ぐ。こうして開口部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、開口部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上に音響レンズ１８が配置される。音響レンズ１８は部分円筒面１８ａの裏側の平面で音響整合層５１の表面に密着する。音響レンズ１８は音響整合層５１の働きで基体２１に接着される。部分円筒面１８ａの母線は第１導電体２９に平行に位置づけられる。部分円筒面１８ａ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。

基体２１の裏面にはバッキング材としての補強板（板状部材）５３が結合される。補強板５３は平板形状に形成される。補強板５３の表面に基体２１の裏面が重ねられる。補強板５３には貫通口５４が形成される。補強板５３の表面は基体２１の裏面に接合される。こうした接合にあたって補強板５３は基体２１に接着剤で接着されてもよい。補強板５３は基体２１の剛性を補強する。補強板５３の働きで基体２１の表面では平面度は良好に確保される。補強板５３は例えばリジッドな基材を備えることができる。そうした基材は例えば４２アロイ（鉄ニッケル合金）といった金属材料から形成されればよい。

貫通口５４は、基体２１の厚み方向からの平面視で少なくとも素子アレイ２２の輪郭を収容する広がりを有する。そして、貫通口５４は素子アレイ２２に含まれる素子２３の開口部４６から連続する。ここでは、開口部４６および貫通口５４は空気で満たされる。振動膜２４からの空気の厚みは超音波の波長λの４分の１（λ／４）の奇数倍に設定される。こうした空気の厚みは基板４４および補強板５３の板厚に基づき設定されることができる。

超音波デバイスユニットＤＶは配線基板５５を備える。配線基板５５は超音波デバイス１７に結合される。配線基板５５は、平面ＰＬ内で広がる平面部５５ａと、平面部５５ａから窪んだ凹部５６とを有する。凹部５６は平面視で基体２１の輪郭を象る。凹部５６は、平面ＰＬに平行に広がる底面５６ａと、底面５６ａの輪郭で底面５６ａから垂直に立ち上がる壁面５６ｂとで区画される。凹部５６に超音波デバイス１７は受け入れられる。ここでは、被覆膜４５の表面は配線基板５５の平面ＰＬに重なる。こうして超音波デバイス１７は平面ＰＬに面一に合わせ込まれる。超音波デバイス１７は配線基板５５に樹脂材で固定されてもよい。超音波デバイス１７が配線基板５５の平面ＰＬ上に設置される場合に比べて超音波デバイスユニットＤＶの厚みは減少する。被覆膜４５の表面は素子２３の超音波出射面に相当しアレイ面に位置する。

配線基板５５には配線パターン５７が形成される。超音波デバイス１７の第１配線板３８および第２配線板４１は配線パターン５７に接続される。配線パターン５７は第１導電パッド（端子）５８ａおよび第２導電パッド（端子）５８ｂを備える。第１導電パッド５８ａおよび第２導電パッド５８ｂは配線基板５５の平面ＰＬに形成される。個々の第１導電パッド５８ａおよび第２導電パッド５８ｂは個々の第１信号線３９および第２信号線４２に対応して配置される。第１導電パッド５８ａおよび第２導電パッド５８ｂは例えば銅といった導電材から形成されればよい。個々の第１導電パッド５８ａおよび第２導電パッド５８ｂには対応の第１信号線３９および第２信号線４２が接合される。

第１配線板３８の一端は配線基板５５の平面ＰＬよりも高い位置で超音波デバイス１７の平面部５５ａに重ねられ接続される。第１配線板３８は超音波デバイス１７上の一端から第１方向ＤＲ１に延びる。第１配線板３８の他端は配線基板５５の平面部５５ａに重ねられ接続される。第１配線板３８は第１導電パッド５８ａの厚み分を挟んで平面ＰＬに重なる。同様に、第２配線板４１の一端は配線基板５５の平面ＰＬよりも高い位置で超音波デバイス１７の平面部５５ａに重ねられ接続される。第２配線板４１は超音波デバイス１７上の一端から第２方向ＤＲ２に延びる。第２方向ＤＲ２が第１方向ＤＲ１に逆向きである。第２配線板４１の他端は配線基板５５の平面部５５ａに重ねられ接続される。第２配線板４１は第２導電パッド５８ｂの厚み分を挟んで平面ＰＬに重なる。ここでは、超音波デバイス１７は平面ＰＬに面一に合わせ込まれることから、第１配線板３８および第２配線板４１の湾曲は回避される。

配線基板５５の裏面には第１コネクター５９ａおよび第２コネクター５９ｂが配置される。第１コネクター５９ａは第１導電パッド５８ａにビア６１ａで接続される。第２コネクター５９ｂは第２導電パッド５８ｂにビア６１ｂで接続される。ビア６１ａ、６１ｂは配線基板５５の表面から裏面に貫通する。第１コネクター５９ａおよび第２コネクター５９ｂにそれぞれ接続される配線６２ａ、６２ｂでケーブル１４は形成される。

配線基板５５の凹部５６には貫通孔６３が形成される。貫通孔６３は凹部５６の底面５６ａに位置し、配線基板５５を貫通する。貫通孔６３は凹部５６の底面５６ａで超音波デバイス１７の貫通口５４に接続される。超音波デバイス１７の開口部４６の空間は貫通口５４および貫通孔６３を通じて配線基板５５の外部空間に通じる。

図４に示されるように、凹部５６は相互に交差する２垂直面で仕切られる壁面（側面）５６ｂ（６４ａ、６４ｂ）を有する。２つの壁面６４ａ、６４ｂは直交する。２つの壁面６４ａ、６４ｂに超音波デバイス１７の側面は突き当てられ接触する。したがって、２つの壁面６４ａ、６４ｂに対して基体２１上の上電極端子３４、３６および下電極端子３５、３７は位置決めされる。２つの壁面６４ａ、６４ｂに対して予め第１導電パッド５８ａおよび第２導電パッド５８ｂは位置決めされる。ここでは、超音波デバイス１７と残余の壁面５６ｂとの間には空隙６５が形成される。空隙６５には超音波デバイス１７を固定する樹脂材が配置されてもよい。

（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、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。

前述のように、超音波デバイス１７は凹部５６に受け入れられる。超音波デバイス１７は平面ＰＬから沈んで配線基板５５上に配置される。こうして沈んだ超音波デバイス１７に第１配線板３８および第２配線板４１は重ねられ接続される。したがって、超音波デバイス１７が配線基板５５の平面ＰＬ上に配置される場合に比べて第１配線板３８および第２配線板４１の湾曲は縮小される。フレキシブルプリント配線板では横幅に対して距離（長さ）が短縮されればされるほど、フレキシブルプリント配線板の湾曲は妨げられる。湾曲が和らげば、第１配線板３８および第２配線板４１の接続にあたって第１配線板３８および第２配線板４１の長さは短縮されることができる。こうして超音波デバイスユニットＤＶは確実に小型化されることができる。

配線基板５５では平面ＰＬ上の第１導電パッド５８ａおよび第２導電パッド５８ｂに対して凹部５６の壁面６４ａ、６４ｂは精度よく位置することができる。したがって、凹部５６に受け入れられた超音波デバイス１７が２つの壁面６４ａ、６４ｂに突き当てられると、平面ＰＬ上の第１導電パッド５８ａおよび第２導電パッド５８ｂに対して超音波デバイス１７は精度よく位置決めされる。こうして配線基板５５および超音波デバイス１７に対して確実な第１配線板３８および第２配線板４１の接続は実現される。超音波デバイスユニットＤＶの製造にあたって、凹部５６内で超音波デバイス１７を固定した後に超音波デバイス１７上の上電極端子３４、３６および下電極端子３５、３７並びに配線基板５５上の第１導電パッド５８ａおよび第２導電パッド５８ｂに第１配線板３８および第２配線板４１を接合してもよく、あるいは、超音波デバイス１７上の上電極端子３４、３６および下電極端子３５、３７に第１配線板３８および第２配線板４１を接合した後に凹部５６の壁面６４ａ、６４ｂに超音波デバイス１７を突き当てながら配線基板５５上の第１導電パッド５８ａおよび第２導電パッド５８ｂに第１配線板３８および第２配線板４１を接合してもよい。その一方で、突き当てが形成されずに平面ＰＬ上に超音波デバイス１７が配置される場合には、配線基板５５上で第１導電パッド５８ａおよび第２導電パッド５８ｂに対して超音波デバイス１７は精度よく位置決めされることができなかった。その結果、予め第１配線板３８および第２配線板４１が超音波デバイス１７に接合された後でなければ配線基板５５上の第１導電パッド５８ａおよび第２導電パッド５８ｂに対して第１配線板３８および第２配線板４１は精度よく位置決めされることができなかった。

前述のように、第１配線板３８は、平面ＰＬと、平面ＰＬに面一に合わせ込まれる超音波デバイス１７とに重ねられる。第１配線板３８では湾曲は回避される。第１配線板３８の接続にあたって第１配線板３８の長さは最大限に短縮されることができる。こうして超音波デバイスユニットＤＶは確実に小型化されることができる。しかも、こうした超音波デバイスユニットＤＶでは、面内の変位のみで第１配線板３８の位置決めが可能なことから、配線基板５５に対して超音波デバイス１７が固定された後に超音波デバイス１７および配線基板５５に第１配線板３８は接続されることができる。ここでは、第１配線板３８は凹部５６の壁面６４ａを横切る。したがって、第１配線板３８は壁面６４ａに対して超音波デバイス１７の突き当てを拘束する役割を担うことができる。

第１配線板３８は超音波デバイス１７から第１方向ＤＲ１に延びる。第２配線板４１は超音波デバイス１７から第１方向ＤＲ１に逆向きの第２方向ＤＲ２に延びる。超音波デバイスユニットＤＶの使用にあたって超音波デバイス１７は被検体に押し当てられる。例えば超音波デバイス１７が被検体の表面に沿って第１方向ＤＲ１にずらされると、超音波デバイス１７には第２方向ＤＲ２に剪断力が作用する。このとき、第１配線板３８は引っ張り力に曝される。第１配線板３８は引っ張り力に耐えて超音波デバイス１７のずれを防止する。反対に、超音波デバイス１７が被検体の表面に沿って第２方向ＤＲ２にずらされると、超音波デバイス１７には第１方向ＤＲ１に剪断力が作用する。このとき、第２配線板４１は引っ張り力に曝される。第２配線板４１は引っ張り力に耐えて超音波デバイス１７のずれを防止する。こうして配線基板５５に対して超音波デバイス１７のずれは防止されることができる。

超音波の発信時に素子２３が振動膜２４を超音波振動させると、超音波は振動膜２４から表側に伝わり基板４４の第１面から出射される。このとき、超音波は同様に振動膜２４から裏側に伝わる。超音波は開口部４６内を伝わる。開口部４６は貫通口５４に連続することから、超音波の伝搬経路の長さは増大する。伝播経路の長さの増大に伴い超音波は減衰する。こうして振動膜２４から裏側に伝わる超音波の影響は抑制される。このとき、開口部４６の内部空間は貫通口５４および貫通孔６３を通じて配線基板５５の外部空間に通じる。開口部４６の内部空間と配線基板５５の外部空間との間で通気は確保される。したがって、開口部４６の内部空間は密閉されない。開口部４６の内部空間は周囲の圧力変動に容易に追従することができる。こうして素子２３の破損は確実に回避されることができる。仮に開口部４６の内部空間が気密に密閉されてしまうと、圧力変動に起因して素子２３の破損が懸念されてしまう。開口部４６の内部空間と配線基板５５の外部空間との接続にあたって、例えば図５に示されるように、貫通孔６３に代えて凹部５６の底面５６ａと超音波デバイス１７の補強板５３との間には通気路（通気経路）６６が形成されてもよい。通気路６６は、貫通口５４に接続されて、凹部５６の壁面５６ｂと超音波デバイス１７との間に形成される空隙６５に通じる。通気路６６の形成にあたって、凹部５６の底面５６ａおよび補強板５３の裏面の少なくともいずれか一方に溝が形成されればよい。こうして開口部４６の内部空間は貫通口５４、通気路６６および空隙６５を通じて配線基板５５の外部空間に通じる。

（４）第２実施形態に係る超音波デバイスユニットの構成
図６は第２実施形態に係る超音波デバイスユニットＤＶａの構成を概略的に示す。超音波デバイスユニットＤＶａでは補強板（板状部材）５３ａは連続する板として形成される。すなわち、貫通口５４は形成されない。補強板５３ａは基体２１の裏面から開口部４６を塞ぐ。ここで、補強板５３ａの表面には複数の直線状の溝６８が配置される。溝６８は補強板５３ａの表面を複数の平面に分割する。溝６８は例えば素子アレイ２２の行ごとに共通に１本の通気経路を形成する。通気経路は１行の開口部４６に接続される。溝６８の断面形状は四角形であってもよく三角形であってもよく半円形その他の形状であってもよい。

補強板５３ａには個々の溝６８ごとに縦孔（通気経路）６９が形成される。縦孔６９は、溝６８の空間に接続されて、補強板５３ａの裏面で開口する。凹部５６の底面５６ａには複数の縦孔６９に対応して通気溜まり７１が形成される。通気溜まり７１は例えば凹部５６の底面５６ａに形成される凹部で形成される。縦孔６９の開口は通気溜まり７１に接続される。通気溜まり７１には例えば１つの貫通孔７２が接続される。貫通孔７２は凹部５６の底面５６ａに形成されて配線基板５５を貫通する。

超音波デバイスユニットＤＶａでは基板４４は補強板５３ａで補強されることから、アレイ状に開口部４６が形成されても、超音波デバイス１７の剛性は確保される。取り扱い時に超音波デバイス１７の破損は回避される。こうして超音波デバイス１７の取り扱いは容易化される。このとき、開口部４６の内部空間は溝６８、縦孔６９、通気溜まり７１および貫通孔７２を通じて配線基板５５の外部空間に通じる。開口部４６の内部空間と配線基板５５の外部空間との間で通気は確保される。したがって、開口部４６の内部空間は密閉されない。開口部４６の内部空間は周囲の圧力変動に容易に追従することができる。こうして素子２３の破損は確実に回避されることができる。その他の構造は前述の超音波デバイスユニットＤＶと同様である。

（５）第３実施形態に係る超音波デバイスユニットの構成
図７は第３実施形態に係る超音波デバイスユニットＤＶｂの構成を概略的に示す。超音波デバイスユニットＤＶａでは補強板（板状部材）５３ａは連続する板として形成される。すなわち、貫通口５４は形成されない。補強板５３ａは基体２１の裏面から開口部４６を塞ぐ。ここで、補強板５３ａの表面には複数の直線状の溝６８が配置される。溝６８は補強板５３ａの表面を複数の平面に分割する。溝６８は例えば素子アレイ２２の列ごとに共通に１本の通気経路を形成する。通気経路は１列の開口部４６に接続される。溝６８の断面形状は四角形であってもよく三角形であってもよく半円形その他の形状であってもよい。溝６８の両端は凹部５６の壁面５６ｂに向き合う補強板５３ａの端面で開口する。こうして溝６８の通気経路は空隙６５に接続される。

基板４４は補強板５３ａで補強されることから、アレイ状に開口部４６が形成されても、超音波デバイス１７の剛性は確保される。取り扱い時に超音波デバイス１７の破損は回避される。こうして超音波デバイス１７の取り扱いは容易化される。このとき、開口部４６の内部空間は溝６８の通気経路および空隙６５を通じて配線基板５５の外部空間に通じる。開口部４６の内部空間と配線基板５５の外部空間との間で通気は確保される。したがって、開口部４６の内部空間は密閉されない。開口部４６の内部空間は周囲の圧力変動に容易に追従することができる。こうして素子２３の破損は確実に回避されることができる。その他の構造は前述の超音波デバイスユニットＤＶと同様である。

（６）第４実施形態に係る超音波デバイスユニットの構成
図８は第４実施形態に係る超音波デバイスユニットＤＶｃの構成を概略的に示す。超音波デバイスユニットＤＶｃでは前述の補強板５３、５３ａは省略される。基板４４の裏面に直接に凹部５６の底面５６ａが接着される。基板４４の開口部４６は凹部５６の底面５６ａで塞がれる。こうして超音波デバイスユニットＤＶｃはさらに小型化されることができる。このとき、凹部５６には、前述と同様に、開口部４６に接続される通気溜まり７１および貫通孔７２が形成されてもよく、開口部４６に接続されて空隙６５に通じる通気経路が形成されてもよい。こうして開口部４６の内部空間は配線基板５５の外部空間に接続される。その他の構造は前述の超音波デバイスユニットＤＶと同様である。

いずれの超音波デバイスユニットＤＶ、ＤＶａ、ＤＶｂ、ＤＶｃでも、凹部５６の深さが超音波デバイス１７の厚みに一致してもよく、凹部５６の深さが超音波デバイス１７の厚み未満であってもよい。凹部５６の深さが超音波デバイス１７の厚み未満であれば、超音波デバイス１７のアレイ面は凹部５６の底面５６ａから遠ざかるように平面ＰＬよりも高い位置に位置する。

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、音響レンズ５２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、２２素子アレイ、２３薄膜型超音波トランスデューサー素子、２４振動膜、３８第１フレキシブルプリント板（第１フレキシブルプリント配線板）、４１第２フレキシブルプリント板（第２フレキシブルプリント配線板）、４４デバイス基板（基板）、４６開口部、５３板状部材（補強板）、５３ａ板状部材（補強板）、５４貫通口、５５基板（配線基板）、５５ａ平面部、５６凹部、５６ａ底面、５６ｂ壁面、５８ａ端子（第１導電パッド）、５８ｂ端子（第２導電パッド）、６３貫通孔、６４ａ側面（壁面）、６４ｂ側面（壁面）、６５空隙、６６通気経路（通気路）、６８通気経路（溝）、６９通気経路（縦孔）、７２貫通孔、ＤＲ１第１方向、ＤＲ２第２方向、ＤＶ超音波デバイスユニット、ＤＶａ超音波デバイスユニット、ＤＶｂ超音波デバイスユニット、ＰＬ平面。

Claims

平面部および前記平面部から窪んだ凹部を有する基板と、
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し、前記凹部に配置される超音波デバイスと、
一端が前記超音波デバイスのアレイ面の一部に重ねられて接続され、他端が前記平面部の一部に重ねられて接続される第１フレキシブルプリント板と、
を備える超音波デバイスユニットであって、
前記第１フレキシブルプリント板の前記一端が重ねられる前記超音波デバイスの前記アレイ面は、前記平面部を含む平面内あるいは前記凹部の外側の平面内に位置することを特徴とする超音波デバイスユニット。
請求項１に記載の超音波デバイスユニットにおいて、前記基板の前記平面部には前記第１フレキシブルプリント板上の端子に接合される端子が配置され、前記凹部は、相互に交差する２垂直面を側面に有し、前記超音波デバイスは前記側面に当接していることを特徴とする超音波デバイスユニット。
請求項１または２に記載の超音波デバイスユニットにおいて、前記第１フレキシブルプリント板の前記一端が重ねられる前記超音波デバイスの前記アレイ面は、前記平面部を含む平面内にあることを特徴とする超音波デバイスユニット。
請求項１または２に記載の超音波デバイスユニットにおいて、
一端が前記超音波デバイスの前記アレイ面の一部に重ねられて接続され、他端が前記平面部の一部に重ねられて接続される第２フレキシブルプリント板を備え、
前記第１フレキシブルプリント板の前記一端から前記他端に向かう方向は第１方向であり、
前記第２フレキシブルプリント板の前記一端から前記他端に向かう方向は前記第１方向に逆向きの第２方向であることを特徴とする超音波デバイスユニット。
請求項４に記載の超音波デバイスユニットにおいて、前記第１フレキシブルプリント板の前記一端および前記第２フレキシブルプリント板の前記一端が重ねられる超音波デバイスの前記アレイ面は、前記平面部を含む平面内にあることを特徴とする超音波デバイスユニット。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波デバイスユニットにおいて、
前記超音波デバイスは、個々の前記薄膜型超音波トランスデューサー素子ごとに開口部を区画し、第１面で前記開口部を塞ぐ振動膜を有するデバイス基板と、前記デバイス基板の前記第１面とは反対側の前記デバイス基板の第２面に固定されて、前記開口部の内部空間に接続されて前記凹部の底面に向き合う面で開口する通気経路を区画する板状部材とを備え、
前記凹部の底面には前記基板を貫通する貫通孔が形成されていることを特徴とする超音波デバイスユニット。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波デバイスユニットにおいて、
前記超音波デバイスは、個々の前記薄膜型超音波トランスデューサー素子ごとに開口部を区画し、第１面で前記開口部を塞ぐ振動膜を有するデバイス基板と、前記デバイス基板の前記第１面とは反対側の前記デバイス基板の第２面に固定されて、前記開口部の内部空間に接続されて前記凹部の側面に向き合う面で開口する通気経路を区画する板状部材とを備え、
前記凹部の前記側面と前記超音波デバイスとの間には空隙が形成されていることを特徴とする超音波デバイスユニット。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波デバイスユニットにおいて、前記超音波デバイスは、
個々の前記薄膜型超音波トランスデューサー素子ごとに開口部を区画し、第１面で前記開口部を塞ぐ振動膜を有するデバイス基板と、
前記デバイス基板の前記第１面とは反対側の前記デバイス基板の第２面に固定されて、前記デバイス基板の厚み方向からの平面視で少なくとも前記素子アレイの輪郭を収容する面積を有して前記開口部から連続する貫通口を有する板状部材と
を備えることを特徴とする超音波デバイスユニット。
請求項８に記載の超音波デバイスユニットにおいて、前記凹部の底面には前記貫通口に接続されて前記基板を貫通する貫通孔が形成されていることを特徴とする超音波デバイスユニット。
請求項８に記載の超音波デバイスユニットにおいて、前記凹部の底面と前記デバイス基板との間には、前記貫通口に接続されて、前記凹部の前記側面と前記超音波デバイスとの間に形成される空隙に通じる通気路が形成されていることを特徴とする超音波デバイスユニット。
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の超音波デバイスユニットと、前記超音波デバイスユニット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１〜１０のいずれか１項に記載の超音波デバイスユニットと、前記超音波デバイスユニットに接続されて、前記超音波デバイスユニット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。
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の超音波デバイスユニットと、前記超音波デバイスユニットに接続されて、前記超音波デバイスユニットの出力を処理し、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。