JP2017163331A - 超音波デバイス、超音波モジュール、及び超音波測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】送受信効率及び距離分解能を向上させることができる超音波デバイス、超音波モジュール、及び超音波測定装置を提供する。【解決手段】超音波デバイス２２は、平面状の超音波送受面４１２Ａを有する超音波送受部４６と、超音波送受面４１２Ａ上に設けられた音響レンズ５と、を備え、音響レンズ５は、超音波送受面４１２Ａとは反対側の第１音響レンズ層５１と、超音波送受面４１２Ａ側の第２音響レンズ層５２と、を有し、第１音響レンズ層５１と第２音響レンズ層５２とは、減衰係数が異なり、第１音響レンズ層５１と第２音響レンズ層５２との界面５Ａは、超音波送受面４１２Ａと平行である。【選択図】図４
Description
本発明は、超音波デバイス、超音波モジュール、及び超音波測定装置に関する。
従来、圧電体の圧電効果に基づいて超音波を送受信する振動子を備える超音波探触子が知られている（例えば特許文献１）。
特許文献１に記載の超音波探触子は、振動子と、振動子上に配置された音響レンズと、を備えている。この音響レンズは、減衰係数が異なる二層の音響レンズ層が振動子側から順に積層され構成されている。
そして、音響レンズの厚み方向と交差する面内方向における超音波の透過量が、音響レンズの全体に亘って等しくなるように、各音響レンズ層の厚み寸法を設定している。
特許文献１に記載の超音波探触子は、振動子と、振動子上に配置された音響レンズと、を備えている。この音響レンズは、減衰係数が異なる二層の音響レンズ層が振動子側から順に積層され構成されている。
そして、音響レンズの厚み方向と交差する面内方向における超音波の透過量が、音響レンズの全体に亘って等しくなるように、各音響レンズ層の厚み寸法を設定している。
具体的には、二層の音響レンズ層のうち減衰係数が小さい方の厚み寸法を、音響レンズが厚いほど大きく、音響レンズが薄いほど小さくしている。これにより、音響レンズの面内方向における超音波の透過量の均一化を図っている。また、減衰係数がより小さい音響レンズ層を用いることにより、単層の音響レンズと比べて、音響レンズの超音波の透過率の増大、ひいては超音波探触子における超音波の送受信効率の向上を図っている。
ここで、上述のように複数層で構成された音響レンズを用いる場合、振動子から送信された超音波が、各音響レンズ層の界面で反射される場合がある。この際、音響レンズ層の界面が、音響レンズの凸面（又は凹面）に応じて湾曲しているため、超音波が、界面の湾曲に応じた方向に反射された後、再び振動子に到達する。この界面で反射された超音波（以下、界面反射波とも称する）が再び振動子に到達するまでの時間は、界面反射波の反射位置に応じて異なる。
すなわち、振動子は、生体内で反射した測定対象の超音波を検出する際に、当該測定対象の超音波以外にも、界面反射波を検出するおそれがある。この場合、測定結果として、測定対象の超音波に対応するピーク以外にも、界面反射波に対応する複数のピークが検出される、所謂、尾引きが発生し、距離分解能が低下する。
このように、従来の構成では、超音波の送受信効率の向上を図る一方で、上述の尾引きの影響により距離分解能が低下するおそれがあった。
このように、従来の構成では、超音波の送受信効率の向上を図る一方で、上述の尾引きの影響により距離分解能が低下するおそれがあった。
本発明は、送受信効率及び距離分解能を向上させることができる以下の形態又は適用例として超音波デバイス、超音波モジュール、及び超音波測定装置を提供することを目的とする。
本適用例に係る超音波デバイスは、平面状の超音波送受面を有する超音波送受部と、前記超音波送受面上に設けられた音響レンズと、を備え、前記音響レンズは、前記超音波送受面とは反対側の第１音響レンズ層と、前記超音波送受面側の第２音響レンズ層と、を有し、前記第１音響レンズ層と前記第２音響レンズ層とは、減衰係数が異なり、前記第１音響レンズ層と前記第２音響レンズ層との界面は、前記超音波送受面と平行であることを特徴とする。
ここで、本適用例において、超音波送受面上に音響レンズが設けられるとは、超音波送受面の法線方向から見て、少なくとも当該超音波送受面と重なる位置に音響レンズが配置されることを意味する。例えば、超音波送受面と音響レンズとの間に、音響整合層等の他の部材が配置されることも含む。
本適用例では、音響レンズは、互いに減衰係数が異なる第１音響レンズ層と第２音響レンズ層とを有し、第１音響レンズ層と第２音響レンズ層との界面は、平面状の超音波送受面と平行である。このような構成では、界面で界面反射波が生じたとしても、上述の界面が湾曲している構成のように、界面反射波が異なるタイミングで超音波送受部によって検出されることを抑制できる、すなわち尾引きの発生を抑制できる。したがって、当該超音波デバイスを用いて超音波測定を実施することにより、距離分解能を向上させることができる。
また、第１音響レンズ層と第２音響レンズ層とのうちの一方の減衰係数を小さい値とすることにより、音響レンズにおける超音波の透過率を増大させることができ、ひいては、超音波の送受信効率を向上させることができる。
本適用例では、音響レンズは、互いに減衰係数が異なる第１音響レンズ層と第２音響レンズ層とを有し、第１音響レンズ層と第２音響レンズ層との界面は、平面状の超音波送受面と平行である。このような構成では、界面で界面反射波が生じたとしても、上述の界面が湾曲している構成のように、界面反射波が異なるタイミングで超音波送受部によって検出されることを抑制できる、すなわち尾引きの発生を抑制できる。したがって、当該超音波デバイスを用いて超音波測定を実施することにより、距離分解能を向上させることができる。
また、第１音響レンズ層と第２音響レンズ層とのうちの一方の減衰係数を小さい値とすることにより、音響レンズにおける超音波の透過率を増大させることができ、ひいては、超音波の送受信効率を向上させることができる。
本適用例の超音波デバイスにおいて、前記超音波送受部は、振動膜と、振動膜上に設けられた圧電素子と、を備え、前記第２音響レンズ層は、前記第１音響レンズ層よりも減衰係数が小さいことが好ましい。
本適用例では、超音波送受部は、振動膜と、圧電素子と、を備え、圧電素子を駆動させて振動膜を振動させることにより超音波を送信し、超音波によって振動された振動膜の振動を圧電素子で検出することにより超音波を受信する。このように構成された超音波送受部は、例えば、振動膜の代りにバルク状の圧電体を振動させて超音波を送信したり、超音波による当該圧電体の振動を検出するように構成された超音波送受部と比べて、音響インピーダンスが小さい。本実施形態では、各音響レンズ層のうち、超音波送受部側に配置された第２音響レンズ層の方が、第１音響レンズ層よりも減衰係数を小さくすることにより、音響インピーダンスが比較的に小さい超音波送受部を用いる場合でも、超音波を効率良く伝搬させることができる。
本適用例では、超音波送受部は、振動膜と、圧電素子と、を備え、圧電素子を駆動させて振動膜を振動させることにより超音波を送信し、超音波によって振動された振動膜の振動を圧電素子で検出することにより超音波を受信する。このように構成された超音波送受部は、例えば、振動膜の代りにバルク状の圧電体を振動させて超音波を送信したり、超音波による当該圧電体の振動を検出するように構成された超音波送受部と比べて、音響インピーダンスが小さい。本実施形態では、各音響レンズ層のうち、超音波送受部側に配置された第２音響レンズ層の方が、第１音響レンズ層よりも減衰係数を小さくすることにより、音響インピーダンスが比較的に小さい超音波送受部を用いる場合でも、超音波を効率良く伝搬させることができる。
本適用例の超音波デバイスにおいて、前記超音波送受面の法線方向から見て前記超音波送受部と重なる位置において、前記法線方向に沿った前記第２音響レンズ層の厚み寸法は、前記第１音響レンズ層よりも大きいことが好ましい。
本適用例では、法線方向から見て超音波送受部と重なる位置、すなわち、超音波が伝播する位置において、第１音響レンズ層よりも減衰係数が小さい第２音響レンズ層の厚み寸法が、第１音響レンズ層よりも大きい。これにより、超音波が伝播する位置において、超音波の透過率をより一層増大させることができる。
本適用例では、法線方向から見て超音波送受部と重なる位置、すなわち、超音波が伝播する位置において、第１音響レンズ層よりも減衰係数が小さい第２音響レンズ層の厚み寸法が、第１音響レンズ層よりも大きい。これにより、超音波が伝播する位置において、超音波の透過率をより一層増大させることができる。
本適用例の超音波デバイスにおいて、前記超音波送受面の法線方向における、前記第１音響レンズ層及び前記第２音響レンズ層の界面と前記超音波送受面との距離をＬとし、前記超音波送受部から送信される超音波の波長をλとし、ｎを正の整数として、
Ｌ＝（λ／２）×ｎ
を満たすことが好ましい。
ここで、第１音響レンズ層及び第２音響レンズ層の界面で生じた界面反射波が、超音波送受面で反射した後、界面を透過する場合がある。この場合、生体内で反射された反射波のうち、界面反射波に起因する超音波が、界面反射波に起因しない反射波（すなわち測定対象である反射波）に対して遅延して検出され、測定結果に尾引きが発生するおそれがある。
これに対して、本適用例では、上述の構成により尾引きの発生を抑制でき、距離分解能を向上させることができる。具体的には、上述のように超音波送受部の音響インピーダンスが小さいため、界面反射波は、超音波送受信面にて反射される際に位相が反転する。したがって、上記界面と超音波送受面との距離Ｌが上記式を満たすことにより、超音波送受面で反射された後、界面に入射する界面反射波は、超音波送受部から送信され、界面を透過する超音波と逆位相の関係となる。したがって、界面反射波を打ち消すことができ、当該界面反射波に起因する尾引きの発生を抑制でき、距離分解能を向上させることができる。
Ｌ＝（λ／２）×ｎ
を満たすことが好ましい。
ここで、第１音響レンズ層及び第２音響レンズ層の界面で生じた界面反射波が、超音波送受面で反射した後、界面を透過する場合がある。この場合、生体内で反射された反射波のうち、界面反射波に起因する超音波が、界面反射波に起因しない反射波（すなわち測定対象である反射波）に対して遅延して検出され、測定結果に尾引きが発生するおそれがある。
これに対して、本適用例では、上述の構成により尾引きの発生を抑制でき、距離分解能を向上させることができる。具体的には、上述のように超音波送受部の音響インピーダンスが小さいため、界面反射波は、超音波送受信面にて反射される際に位相が反転する。したがって、上記界面と超音波送受面との距離Ｌが上記式を満たすことにより、超音波送受面で反射された後、界面に入射する界面反射波は、超音波送受部から送信され、界面を透過する超音波と逆位相の関係となる。したがって、界面反射波を打ち消すことができ、当該界面反射波に起因する尾引きの発生を抑制でき、距離分解能を向上させることができる。
本適用例の超音波デバイスにおいて、前記第１音響レンズ層は、前記超音波送受面側に凹部を有し、前記第２音響レンズ層は、前記凹部に配置されていることが好ましい。
本適用例では、第１音響レンズ層の凹部に、第２音響レンズ層が配置される。このような構成では、例えば、第１音響レンズ層を形成した後に、第２音響レンズ層を凹部内に形成することにより、音響レンズを形成することができる。したがって、第２音響レンズの配置位置及び形状に応じた凹部を第１音響レンズ層に形成することにより、第２音響レンズ層を容易に形成することができる。また、第１音響レンズ層と第２音響レンズ層との密着性を向上させることも容易である。
本適用例では、第１音響レンズ層の凹部に、第２音響レンズ層が配置される。このような構成では、例えば、第１音響レンズ層を形成した後に、第２音響レンズ層を凹部内に形成することにより、音響レンズを形成することができる。したがって、第２音響レンズの配置位置及び形状に応じた凹部を第１音響レンズ層に形成することにより、第２音響レンズ層を容易に形成することができる。また、第１音響レンズ層と第２音響レンズ層との密着性を向上させることも容易である。
上記の一適用例に係る超音波モジュールは、平面状の超音波送受面を有する超音波送受部、及び、前記超音波送受面上に設けられた音響レンズを備える超音波デバイスと、前記超音波デバイスが設けられる回路基板と、を備え、前記音響レンズは、前記超音波送受面とは反対側の第１音響レンズ層と、前記超音波送受面側の第２音響レンズ層と、を有し、前記第１音響レンズ層と前記第２音響レンズ層とは、減衰係数が異なり、前記第１音響レンズ層と前記第２音響レンズ層との界面は、前記超音波送受面と平行であることを特徴とする。
本適用例では、音響レンズは、互いに減衰係数が異なる第１音響レンズ層と第２音響レンズ層とを有し、第１音響レンズ層と第２音響レンズ層との界面は、平面状の超音波送受面と平行である。
このような構成では、上述の超音波デバイスに係る適用例と同様に、上記界面が平面状の超音波送受面と平行であるため、界面が湾曲している構成と比べて、湾曲した界面で生じた界面反射波に起因する尾引きの発生を抑制できる。したがって、超音波測定装置を用いて超音波測定を実施した際の距離分解能を向上させることができる。
また、第１音響レンズ層と第２音響レンズ層とのうちの一方の減衰係数を小さい値とすることにより、音響レンズにおける超音波の透過率を増大させることができ、ひいては、超音波の送受信効率を向上させることができる。
本適用例では、音響レンズは、互いに減衰係数が異なる第１音響レンズ層と第２音響レンズ層とを有し、第１音響レンズ層と第２音響レンズ層との界面は、平面状の超音波送受面と平行である。
このような構成では、上述の超音波デバイスに係る適用例と同様に、上記界面が平面状の超音波送受面と平行であるため、界面が湾曲している構成と比べて、湾曲した界面で生じた界面反射波に起因する尾引きの発生を抑制できる。したがって、超音波測定装置を用いて超音波測定を実施した際の距離分解能を向上させることができる。
また、第１音響レンズ層と第２音響レンズ層とのうちの一方の減衰係数を小さい値とすることにより、音響レンズにおける超音波の透過率を増大させることができ、ひいては、超音波の送受信効率を向上させることができる。
上記の一適用例に係る超音波測定装置は、平面状の超音波送受面を有する超音波送受部、及び、前記超音波送受面上に設けられた音響レンズを備える超音波デバイスと、前記超音波デバイスを制御する制御部と、を備え、前記音響レンズは、前記超音波送受面とは反対側の第１音響レンズ層と、前記超音波送受面側の第２音響レンズ層と、を有し、前記第１音響レンズ層と前記第２音響レンズ層とは、減衰係数が異なり、前記第１音響レンズ層と前記第２音響レンズ層との界面は、前記超音波送受面と平行であることを特徴とする。
本適用例では、音響レンズは、互いに減衰係数が異なる第１音響レンズ層と第２音響レンズ層とを有し、第１音響レンズ層と第２音響レンズ層との界面は、平面状の超音波送受面と平行である。
このような構成では、上述の超音波デバイスに係る適用例と同様に、上記界面が平面状の超音波送受面と平行であるため、界面が湾曲している構成と比べて、湾曲した界面で生じた界面反射波に起因する尾引きの発生を抑制できる。したがって、超音波測定装置を用いて超音波測定を実施した際の距離分解能を向上させることができる。
また、第１音響レンズ層と第２音響レンズ層とのうちの一方の減衰係数を小さい値とすることにより、音響レンズにおける超音波の透過率を増大させることができ、ひいては、超音波の送受信効率を向上させることができる。
本適用例では、音響レンズは、互いに減衰係数が異なる第１音響レンズ層と第２音響レンズ層とを有し、第１音響レンズ層と第２音響レンズ層との界面は、平面状の超音波送受面と平行である。
このような構成では、上述の超音波デバイスに係る適用例と同様に、上記界面が平面状の超音波送受面と平行であるため、界面が湾曲している構成と比べて、湾曲した界面で生じた界面反射波に起因する尾引きの発生を抑制できる。したがって、超音波測定装置を用いて超音波測定を実施した際の距離分解能を向上させることができる。
また、第１音響レンズ層と第２音響レンズ層とのうちの一方の減衰係数を小さい値とすることにより、音響レンズにおける超音波の透過率を増大させることができ、ひいては、超音波の送受信効率を向上させることができる。
以下、一実施形態の超音波装置について、図面に基づいて説明する。
［超音波測定装置の構成］
図１は、本実施形態の超音波測定装置１の概略構成を示す斜視図である。
本実施形態の超音波測定装置１は、電子機器に相当し、図１に示すように、超音波プローブ２と、超音波プローブ２にケーブル３を介して電気的に接続された制御装置１０と、を備えている。
この超音波測定装置１は、超音波プローブ２を生体（例えば人体）の表面に当接させ、超音波プローブ２から生体内に超音波を送出する。また、生体内の器官にて反射された超音波を超音波プローブ２にて受信し、その受信信号に基づいて、例えば生体内の内部断層画像を取得したり、生体内の器官の状態（例えば血流等）を測定したりする。
［超音波測定装置の構成］
図１は、本実施形態の超音波測定装置１の概略構成を示す斜視図である。
本実施形態の超音波測定装置１は、電子機器に相当し、図１に示すように、超音波プローブ２と、超音波プローブ２にケーブル３を介して電気的に接続された制御装置１０と、を備えている。
この超音波測定装置１は、超音波プローブ２を生体（例えば人体）の表面に当接させ、超音波プローブ２から生体内に超音波を送出する。また、生体内の器官にて反射された超音波を超音波プローブ２にて受信し、その受信信号に基づいて、例えば生体内の内部断層画像を取得したり、生体内の器官の状態（例えば血流等）を測定したりする。
［制御装置の構成］
制御装置１０は、図１に示すように、例えば、操作部１１と、表示部１２と、を備える。また、制御装置１０は、図示は省略するが、メモリー等により構成された記憶部、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等により構成された演算部と、を備える。そして、制御装置１０は、演算部により、記憶部に記憶された各種プログラムを読み込み実行することで、例えば超音波プローブ２の駆動を制御するための指令を出力したり、超音波プローブ２から入力された受信信号に基づいて、生体の内部構造の画像を形成して表示部１２に表示させたり、血流等の生体情報を測定して表示部１２に表示させたりする。すなわち、制御装置１０は、制御部に相当する。このような制御装置１０としては、例えば、タブレット端末やスマートフォン、パーソナルコンピューター等の端末装置を用いることができ、超音波プローブ２を操作するための専用端末装置を用いてもよい。
制御装置１０は、図１に示すように、例えば、操作部１１と、表示部１２と、を備える。また、制御装置１０は、図示は省略するが、メモリー等により構成された記憶部、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等により構成された演算部と、を備える。そして、制御装置１０は、演算部により、記憶部に記憶された各種プログラムを読み込み実行することで、例えば超音波プローブ２の駆動を制御するための指令を出力したり、超音波プローブ２から入力された受信信号に基づいて、生体の内部構造の画像を形成して表示部１２に表示させたり、血流等の生体情報を測定して表示部１２に表示させたりする。すなわち、制御装置１０は、制御部に相当する。このような制御装置１０としては、例えば、タブレット端末やスマートフォン、パーソナルコンピューター等の端末装置を用いることができ、超音波プローブ２を操作するための専用端末装置を用いてもよい。
［超音波プローブの構成］
図２は、超音波プローブ２における超音波センサー２４の概略構成を示す平面図である。
超音波プローブ２は、筐体２１（図１参照）と、筐体２１内部に設けられた超音波デバイス２２と、超音波デバイス２２を制御するためのドライバ回路等が設けられた配線基板２３と、を備えている。なお、超音波デバイス２２と、配線基板２３とにより超音波センサー２４（超音波モジュールに相当）が構成される。
図２は、超音波プローブ２における超音波センサー２４の概略構成を示す平面図である。
超音波プローブ２は、筐体２１（図１参照）と、筐体２１内部に設けられた超音波デバイス２２と、超音波デバイス２２を制御するためのドライバ回路等が設けられた配線基板２３と、を備えている。なお、超音波デバイス２２と、配線基板２３とにより超音波センサー２４（超音波モジュールに相当）が構成される。
［筐体の構成］
筐体２１は、図１に示すように、例えば平面視矩形状の箱状に形成され、厚み方向に直交する一面（センサー面２１Ａ）には、センサー窓２１Ｂが設けられており、超音波デバイス２２の一部が露出している。また、筐体２１の一部（図１に示す例では側面）には、ケーブル３の通過孔２１Ｃが設けられ、ケーブル３は、通過孔２１Ｃから筐体２１の内部に挿入され、配線基板２３のコネクタ部２３１（図２参照）に接続されている。また、ケーブル３と通過孔２１Ｃとの隙間は、例えば樹脂材等が充填されることで、防水性が確保されている。
なお、本実施形態では、ケーブル３を用いて、超音波プローブ２と制御装置１０とが接続される構成例を示すが、これに限定されず、例えば超音波プローブ２と制御装置１０とが無線通信により接続されていてもよく、超音波プローブ２内に制御装置１０の各種構成が設けられていてもよい。
筐体２１は、図１に示すように、例えば平面視矩形状の箱状に形成され、厚み方向に直交する一面（センサー面２１Ａ）には、センサー窓２１Ｂが設けられており、超音波デバイス２２の一部が露出している。また、筐体２１の一部（図１に示す例では側面）には、ケーブル３の通過孔２１Ｃが設けられ、ケーブル３は、通過孔２１Ｃから筐体２１の内部に挿入され、配線基板２３のコネクタ部２３１（図２参照）に接続されている。また、ケーブル３と通過孔２１Ｃとの隙間は、例えば樹脂材等が充填されることで、防水性が確保されている。
なお、本実施形態では、ケーブル３を用いて、超音波プローブ２と制御装置１０とが接続される構成例を示すが、これに限定されず、例えば超音波プローブ２と制御装置１０とが無線通信により接続されていてもよく、超音波プローブ２内に制御装置１０の各種構成が設けられていてもよい。
［配線基板の構成］
配線基板２３は、回路基板に相当し、超音波デバイス２２が備える電極パッド４１４Ｐ，４１６Ｐ（図３参照）と電気的に接続される端子部を有する。
また、配線基板２３は、超音波デバイス２２を駆動させるためのドライバ回路等が設けられている。具体的には、配線基板は、超音波デバイス２２から超音波を送信するための送信回路、超音波デバイス２２にて超音波を受信した際の受信信号を処理する受信回路等が設けられている。そして、この配線基板には、ケーブル３等によって制御装置１０に接続されており、制御装置１０からの指令に基づいて、超音波デバイス２２を駆動させる。
配線基板２３は、回路基板に相当し、超音波デバイス２２が備える電極パッド４１４Ｐ，４１６Ｐ（図３参照）と電気的に接続される端子部を有する。
また、配線基板２３は、超音波デバイス２２を駆動させるためのドライバ回路等が設けられている。具体的には、配線基板は、超音波デバイス２２から超音波を送信するための送信回路、超音波デバイス２２にて超音波を受信した際の受信信号を処理する受信回路等が設けられている。そして、この配線基板には、ケーブル３等によって制御装置１０に接続されており、制御装置１０からの指令に基づいて、超音波デバイス２２を駆動させる。
［超音波デバイスの構成］
図３は、超音波デバイス２２における素子基板４１を、封止板４２側から見た平面図である。図４は、図３におけるＡ−Ａ線で切断した超音波デバイス２２の断面図である。
超音波デバイス２２は、図４に示すように、素子基板４１と、封止板４２と、音響整合層４３と、音響レンズ５と、により構成されている。
図３は、超音波デバイス２２における素子基板４１を、封止板４２側から見た平面図である。図４は、図３におけるＡ−Ａ線で切断した超音波デバイス２２の断面図である。
超音波デバイス２２は、図４に示すように、素子基板４１と、封止板４２と、音響整合層４３と、音響レンズ５と、により構成されている。
（素子基板の構成）
素子基板４１は、図４に示すように、基板本体部４１１と、基板本体部４１１の封止板４２側に設けられる振動膜４１２と、振動膜４１２に積層された圧電素子４１３と、を備えている。ここで、以降の説明にあたり、素子基板４１の封止板４２に対向する面を背面４１Ａと称する。また、振動膜４１２の封止板４２とは反対側の面を超音波送受面４１２Ａと称する。また、素子基板４１を基板厚み方向から見た平面視において、素子基板４１の中央領域はアレイ領域Ａｒ１となり、このアレイ領域Ａｒ１には、複数の超音波トランスデューサー４５がマトリックス状に配置されている。
素子基板４１は、図４に示すように、基板本体部４１１と、基板本体部４１１の封止板４２側に設けられる振動膜４１２と、振動膜４１２に積層された圧電素子４１３と、を備えている。ここで、以降の説明にあたり、素子基板４１の封止板４２に対向する面を背面４１Ａと称する。また、振動膜４１２の封止板４２とは反対側の面を超音波送受面４１２Ａと称する。また、素子基板４１を基板厚み方向から見た平面視において、素子基板４１の中央領域はアレイ領域Ａｒ１となり、このアレイ領域Ａｒ１には、複数の超音波トランスデューサー４５がマトリックス状に配置されている。
基板本体部４１１は、例えばＳｉ等の半導体基板である。基板本体部４１１におけるアレイ領域Ａｒ１内には、各々の超音波トランスデューサー４５に対応した開口部４１１Ａが設けられている。また、各開口部４１１Ａは、基板本体部４１１の背面４１Ａ側に設けられた振動膜４１２により閉塞されている。
振動膜４１２は、例えばＳｉＯ２や、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２の積層体等より構成され、基板本体部４１１の背面４１Ａ側全体を覆って設けられている。この振動膜４１２の厚み寸法は、基板本体部４１１に対して十分小さい厚み寸法となる。基板本体部４１１をＳｉにより構成し、振動膜４１２をＳｉＯ２により構成する場合、例えば基板本体部４１１の背面４１Ａ側を酸化処理することで、所望の厚み寸法の振動膜４１２を容易に形成することが可能となる。また、この場合、ＳｉＯ２の振動膜４１２をエッチングストッパとして基板本体部４１１をエッチング処理することで、容易に前記開口部４１１Ａを形成することが可能となる。
振動膜４１２は、例えばＳｉＯ２や、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２の積層体等より構成され、基板本体部４１１の背面４１Ａ側全体を覆って設けられている。この振動膜４１２の厚み寸法は、基板本体部４１１に対して十分小さい厚み寸法となる。基板本体部４１１をＳｉにより構成し、振動膜４１２をＳｉＯ２により構成する場合、例えば基板本体部４１１の背面４１Ａ側を酸化処理することで、所望の厚み寸法の振動膜４１２を容易に形成することが可能となる。また、この場合、ＳｉＯ２の振動膜４１２をエッチングストッパとして基板本体部４１１をエッチング処理することで、容易に前記開口部４１１Ａを形成することが可能となる。
また、図４に示すように、各開口部４１１Ａを閉塞する振動膜４１２上（背面４１Ａ側）には、それぞれ下部電極４１４、圧電膜４１５、及び上部電極４１６の積層体である圧電素子４１３が設けられている。ここで、開口部４１１Ａを閉塞する振動膜４１２及び圧電素子４１３により、１つの超音波トランスデューサー４５が構成される。
このような超音波トランスデューサー４５では、下部電極４１４及び上部電極４１６の間に所定周波数の矩形波電圧が印加されることで、開口部４１１Ａの開口領域内の振動膜４１２を振動させて、超音波送受面４１２Ａ側から超音波を送出することができる。また、対象物から反射され、超音波送受面４１２Ａ側から入射する超音波により振動膜４１２が振動されると、圧電膜４１５の上下で電位差が発生する。したがって、下部電極４１４及び上部電極４１６間に発生する前記電位差を検出することで、受信した超音波を検出することが可能となる。
また、本実施形態では、図３に示すように、上記のような超音波トランスデューサー４５が、素子基板４１の所定のアレイ領域Ａｒ１内に、Ｘ方向（スライス方向）、及びＸ方向に交差（本実施形態では直交）するＹ方向（スキャン方向）に沿って複数配置されることで、超音波トランスデューサーアレイ４６を構成する。なお、超音波トランスデューサーアレイ４６は、超音波送受部に相当する。
ここで、下部電極４１４は、Ｘ方向に沿う直線状に形成されている。すなわち、下部電極４１４は、Ｘ方向に沿って並ぶ複数の超音波トランスデューサー４５に跨って設けられており、圧電膜４１５と振動膜４１２との間に位置する下部電極本体４１４Ａと、隣り合う下部電極本体４１４Ａを連結する下部電極線４１４Ｂと、アレイ領域Ａｒ１外の端子領域Ａｒ２に引き出される下部端子電極線４１４Ｃとにより構成されている。よって、Ｘ方向に並ぶ超音波トランスデューサー４５では、下部電極４１４は同電位となる。
また、下部端子電極線４１４Ｃは、アレイ領域Ａｒ１外の端子領域Ａｒ２まで延出し、端子領域Ａｒ２において第一電極パッド４１４Ｐを構成する。この第一電極パッド４１４Ｐは、配線基板に設けられた端子部に接続されている。
ここで、下部電極４１４は、Ｘ方向に沿う直線状に形成されている。すなわち、下部電極４１４は、Ｘ方向に沿って並ぶ複数の超音波トランスデューサー４５に跨って設けられており、圧電膜４１５と振動膜４１２との間に位置する下部電極本体４１４Ａと、隣り合う下部電極本体４１４Ａを連結する下部電極線４１４Ｂと、アレイ領域Ａｒ１外の端子領域Ａｒ２に引き出される下部端子電極線４１４Ｃとにより構成されている。よって、Ｘ方向に並ぶ超音波トランスデューサー４５では、下部電極４１４は同電位となる。
また、下部端子電極線４１４Ｃは、アレイ領域Ａｒ１外の端子領域Ａｒ２まで延出し、端子領域Ａｒ２において第一電極パッド４１４Ｐを構成する。この第一電極パッド４１４Ｐは、配線基板に設けられた端子部に接続されている。
一方、上部電極４１６は、図３に示すように、Ｙ方向に沿って並ぶ複数の超音波トランスデューサー４５に跨って設けられた素子電極部４１６Ａと、複数の素子電極部４１６Ａの端部同士を連結する共通電極部４１６Ｂとを有する。素子電極部４１６Ａは、圧電膜４１５上に積層された上部電極本体４１６Ｃと、隣り合う上部電極本体４１６Ｃを連結する上部電極線４１６Ｄと、Ｙ方向の両端部に配置された超音波トランスデューサー４５からＹ方向に沿って外側に延出する上部端子電極４１６Ｅとを有する。
共通電極部４１６Ｂは、アレイ領域Ａｒ１の＋Ｙ側端部及び−Ｙ側端部にそれぞれ設けられている。＋Ｙ側の共通電極部４１６Ｂは、Ｙ方向に沿って複数設けられた超音波トランスデューサー４５のうちの＋Ｙ側端部に設けられた超音波トランスデューサー４５から＋Ｙ側に延出した上部端子電極４１６Ｅ同士を接続する。−Ｙ側端部の共通電極部４１６Ｂは、−Ｙ側に延出した上部端子電極４１６Ｅ同士を接続する。よって、アレイ領域Ａｒ１内の各超音波トランスデューサー４５では、上部電極４１６は同電位となる。また、これら一対の共通電極部４１６Ｂは、Ｘ方向に沿って設けられ、その端部がアレイ領域Ａｒ１から端子領域Ａｒ２まで引き出されている。そして、共通電極部４１６Ｂは、端子領域Ａｒ２において、配線基板の端子部に接続される第二電極パッド４１６Ｐを構成する。
共通電極部４１６Ｂは、アレイ領域Ａｒ１の＋Ｙ側端部及び−Ｙ側端部にそれぞれ設けられている。＋Ｙ側の共通電極部４１６Ｂは、Ｙ方向に沿って複数設けられた超音波トランスデューサー４５のうちの＋Ｙ側端部に設けられた超音波トランスデューサー４５から＋Ｙ側に延出した上部端子電極４１６Ｅ同士を接続する。−Ｙ側端部の共通電極部４１６Ｂは、−Ｙ側に延出した上部端子電極４１６Ｅ同士を接続する。よって、アレイ領域Ａｒ１内の各超音波トランスデューサー４５では、上部電極４１６は同電位となる。また、これら一対の共通電極部４１６Ｂは、Ｘ方向に沿って設けられ、その端部がアレイ領域Ａｒ１から端子領域Ａｒ２まで引き出されている。そして、共通電極部４１６Ｂは、端子領域Ａｒ２において、配線基板の端子部に接続される第二電極パッド４１６Ｐを構成する。
上記のような超音波トランスデューサーアレイ４６では、下部電極４１４で連結されたＸ方向に並ぶ超音波トランスデューサー４５により、１つの超音波トランスデューサー群４５Ａが構成され、当該超音波トランスデューサー群４５ＡがＹ方向に沿って複数並ぶ１次元アレイ構造を構成する。
（封止板の構成）
封止板４２は、厚み方向から見た際の平面形状が例えば素子基板４１と同形状に形成され、Ｓｉ等の半導体基板や、絶縁体基板により構成される。なお、封止板４２の材質や厚みは、超音波トランスデューサー４５の周波数特性に影響を及ぼすため、超音波トランスデューサー４５にて送受信する超音波の中心周波数に基づいて設定することが好ましい。
封止板４２は、厚み方向から見た際の平面形状が例えば素子基板４１と同形状に形成され、Ｓｉ等の半導体基板や、絶縁体基板により構成される。なお、封止板４２の材質や厚みは、超音波トランスデューサー４５の周波数特性に影響を及ぼすため、超音波トランスデューサー４５にて送受信する超音波の中心周波数に基づいて設定することが好ましい。
そして、この封止板４２は、素子基板４１のアレイ領域Ａｒ１に対向するアレイ対向領域には、素子基板４１の開口部４１１Ａに対応した複数の凹溝４２１が形成されている。これにより、振動膜４１２のうち、超音波トランスデューサー４５により振動される領域（開口部４１１Ａ内）では、素子基板４１との間に所定寸法のギャップ４２１Ａが設けられることになり、振動膜４１２の振動が阻害されない。また、１つの超音波トランスデューサー４５からの背面波が他の隣接する超音波トランスデューサー４５に入射される不都合（クロストーク）を抑制することができる。
また、振動膜４１２が振動すると、開口部４１１Ａ側（超音波送受面４１２Ａ側）の他、封止板４２側（背面４１Ａ側）にも背面波として超音波が放出される。この背面波は、封止板４２により反射され、再びギャップ４２１Ａを介して振動膜４１２側に放出される。この際、反射背面波と、振動膜４１２から超音波送受面４１２Ａ側に放出される超音波との位相がずれると、超音波が減衰する。したがって、本実施形態では、ギャップ４２１Ａにおける音響的な距離が、超音波の波長λの４分の１（λ／４）の奇数倍となるように、各凹溝４２１の溝深さが設定されている。言い換えれば、超音波トランスデューサー４５から発せられる超音波の波長λを考慮して、素子基板４１や封止板４２の各部の厚み寸法が設定される。
また、封止板４２は、素子基板４１の端子領域Ａｒ２に対向する位置に、端子領域Ａｒ２に設けられた各電極パッド４１４Ｐ，４１６Ｐに対応して、開口部（図示略）が設けられる構成などとしてもよい。この場合、当該開口部に封止板４２を厚み方向に貫通する貫通電極（ＴＳＶ；Through-Sillicon Via）を設けることで、当該貫通電極を介して、各電極パッド４１４Ｐ，４１６Ｐが配線基板における端子部に接続される。また、開口部にＦＰＣ（Flexible printed circuits）やケーブル線、ワイヤ等を挿入して、各電極パッド
４１４Ｐ，４１６Ｐと配線基板とを接続する構成などとしてもよい。
４１４Ｐ，４１６Ｐと配線基板とを接続する構成などとしてもよい。
（音響整合層の構成）
音響整合層４３は、図４に示すように、超音波送受面４１２Ａ側に設けられている。具体的には、音響整合層４３は、素子基板４１の開口部４１１Ａ内に充填され、かつ、超音波送受面４１２Ａから所定の厚み寸法で形成される。なお、これらの音響整合層４３は、後述する音響レンズ５とともに、超音波トランスデューサー４５から送信された超音波を測定対象である生体に効率良く伝搬させ、また、生体内で反射した超音波を効率良く超音波トランスデューサー４５に伝搬させる。このため、音響整合層４３は、素子基板４１の超音波トランスデューサー４５の音響インピーダンスと、生体の音響インピーダンスとの中間の音響インピーダンスに設定されている。このような音響インピーダンスを有する材料としては、例えばシリコーン等の樹脂材料を挙げることができる。
音響整合層４３は、図４に示すように、超音波送受面４１２Ａ側に設けられている。具体的には、音響整合層４３は、素子基板４１の開口部４１１Ａ内に充填され、かつ、超音波送受面４１２Ａから所定の厚み寸法で形成される。なお、これらの音響整合層４３は、後述する音響レンズ５とともに、超音波トランスデューサー４５から送信された超音波を測定対象である生体に効率良く伝搬させ、また、生体内で反射した超音波を効率良く超音波トランスデューサー４５に伝搬させる。このため、音響整合層４３は、素子基板４１の超音波トランスデューサー４５の音響インピーダンスと、生体の音響インピーダンスとの中間の音響インピーダンスに設定されている。このような音響インピーダンスを有する材料としては、例えばシリコーン等の樹脂材料を挙げることができる。
（音響レンズの構成）
音響レンズ５は、音響整合層４３上に設けられ、第１音響レンズ層５１と、第１音響レンズ層５１の超音波送受面４１２Ａ側（−Ｚ側）に配置される第２音響レンズ層５２と、を備える。この音響レンズ５は、図１に示すように、筐体２１のセンサー窓２１Ｂから外部に露出する。そして、音響レンズ５は、第１音響レンズ層５１が生体表面に密着されることにより、音響整合層４３を介して、超音波トランスデューサー４５から送信された超音波を生体内で効率良く収束させ、また、生体内で反射した超音波を効率良く超音波トランスデューサー４５に伝搬させる。
音響レンズ５は、音響整合層４３上に設けられ、第１音響レンズ層５１と、第１音響レンズ層５１の超音波送受面４１２Ａ側（−Ｚ側）に配置される第２音響レンズ層５２と、を備える。この音響レンズ５は、図１に示すように、筐体２１のセンサー窓２１Ｂから外部に露出する。そして、音響レンズ５は、第１音響レンズ層５１が生体表面に密着されることにより、音響整合層４３を介して、超音波トランスデューサー４５から送信された超音波を生体内で効率良く収束させ、また、生体内で反射した超音波を効率良く超音波トランスデューサー４５に伝搬させる。
第１音響レンズ層５１は、図４に示すように、平板部５１１と、平板部５１１よりも超音波送受面４１２Ａとは反対側に突出する突出部５１２と、を備える。
平板部５１１は、超音波送受面４１２Ａの法線方向から見た平面視において、アレイ領域Ａｒ１よりも外側で、かつ、音響整合層４３上に配置される板状部分である。
平板部５１１は、超音波送受面４１２Ａの法線方向から見た平面視において、アレイ領域Ａｒ１よりも外側で、かつ、音響整合層４３上に配置される板状部分である。
突出部５１２は、超音波送受面４１２Ａとは反対側（生体側）に向かって突出する円筒面５１２Ａと、超音波送受面４１２Ａ側に開口する凹部５１２Ｂと、を有し、センサー窓２１Ｂから突出している。
円筒面５１２Ａは、Ｘ方向（スライス方向）に沿った断面視における形状が円弧状であり、かつ、Ｙ方向（スキャン方向）に沿った断面視における形状が直線状の面である。この円筒面５１２Ａの曲率は、１つの超音波トランスデューサー群４５Ａから送信される超音波の焦点位置に応じて決定される。また、突出部５１２のＸ方向における寸法、すなわち円筒面５１２Ａが形成された領域のＸ方向における寸法は、少なくともアレイ領域Ａｒ１よりも大きい。これにより、アレイ領域Ａｒ１に配置された各超音波トランスデューサー群４５Ａから送信された超音波を焦点位置に効率良く収束させることができる。
円筒面５１２Ａは、Ｘ方向（スライス方向）に沿った断面視における形状が円弧状であり、かつ、Ｙ方向（スキャン方向）に沿った断面視における形状が直線状の面である。この円筒面５１２Ａの曲率は、１つの超音波トランスデューサー群４５Ａから送信される超音波の焦点位置に応じて決定される。また、突出部５１２のＸ方向における寸法、すなわち円筒面５１２Ａが形成された領域のＸ方向における寸法は、少なくともアレイ領域Ａｒ１よりも大きい。これにより、アレイ領域Ａｒ１に配置された各超音波トランスデューサー群４５Ａから送信された超音波を焦点位置に効率良く収束させることができる。
凹部５１２Ｂは、超音波送受面４１２Ａの法線方向から見た平面視においてアレイ領域Ａｒ１を覆う位置に形成され、開口寸法がアレイ領域Ａｒ１よりも大きい。凹部５１２Ｂは、超音波送受面４１２Ａと略平行な平面状の底面を有する。この凹部５１２Ｂの底面は、後述するように凹部５１２Ｂに配置された第２音響レンズ層５２と、第１音響レンズ層５１の界面５Ａである。
上述の第１音響レンズ層５１は、素子基板４１の超音波トランスデューサー４５の音響インピーダンスと、生体の音響インピーダンスとの中間の音響インピーダンスを有する材料で形成されている。また、第１音響レンズ層５１は、第２音響レンズ層５２に比べてショア硬度が大きい材料で形成されることが好ましい。これにより、第１音響レンズ層５１が、生体に接触することによる摩耗を抑制することができる。
この第１音響レンズ層５１の形成材料として、例えばミラブル型シリコーンゴムを例示できる。ミラブル型シリコーンゴムは、例えばビニル基を含むジメチルポリシロキサン構造のシリコーンゴム、シリカ、及び加硫剤を含有する。具体的には、シリカは、シリコーンゴムに対する質量比４０質量％以上５０質量％以下の重量平均粒子径１５μｍ〜３０μｍのシリカ粒子として、シリコーンゴムに混入される。加硫剤として、例えば２，５−ジメチル−２，５−ジターシャリーブチルパーオキシシヘキサンを用いることができる。
この第１音響レンズ層５１の形成材料として、例えばミラブル型シリコーンゴムを例示できる。ミラブル型シリコーンゴムは、例えばビニル基を含むジメチルポリシロキサン構造のシリコーンゴム、シリカ、及び加硫剤を含有する。具体的には、シリカは、シリコーンゴムに対する質量比４０質量％以上５０質量％以下の重量平均粒子径１５μｍ〜３０μｍのシリカ粒子として、シリコーンゴムに混入される。加硫剤として、例えば２，５−ジメチル−２，５−ジターシャリーブチルパーオキシシヘキサンを用いることができる。
第２音響レンズ層５２は、第１音響レンズ層５１の凹部５１２Ｂ内に配置されている。すなわち、第２音響レンズ層５２は、超音波送受面４１２Ａの法線方向（Ｚ方向に平行な方向）から見た平面視でアレイ領域Ａｒ１と重なる位置に配置され、外形寸法がアレイ領域Ａｒ１よりも大きい。これにより、アレイ領域Ａｒ１に配置された超音波トランスデューサー４５から送信された超音波を、第２音響レンズ層５２を介して第１音響レンズ層５１に伝播させることができる。
また、第２音響レンズ層５２の超音波送受面４１２Ａとは反対側の面は、第１音響レンズ層５１と第２音響レンズ層５２との界面５Ａであり、超音波送受面４１２Ａと略平行である。なお、第２音響レンズ層５２の超音波送受面４１２Ａ側の面は、第１音響レンズ層５１の平板部５１１のアレイ領域Ａｒ１側の面と同一平面である。
また、第２音響レンズ層５２の厚みＤ２は、第１音響レンズ層５１の厚みＤ１よりも大きい。なお、第１音響レンズ層５１の厚みＤ１は、突出部５１２における最大厚みとする（図７参照）。これにより、第１音響レンズ層５１の厚みＤ１が、第２音響レンズ層５２の厚みＤ２よりも大きい構成と比べて、超音波の減衰を一層抑制することができる。
この第２音響レンズ層５２は、第１音響レンズ層５１よりも減衰係数が小さい材料で形成され、かつ、超音波トランスデューサー４５と生体との中間の音響インピーダンスを有する材料で形成される。第２音響レンズ層５２の形成材料として、例えばシリカなどのフィラーを含有しないＲＴＶシリコーンゴムを用いることができる。これにより、音響レンズ５において超音波が伝播する位置に配置される第２音響レンズ層５２の減衰係数を、第１音響レンズ層５１の減衰係数よりも小さくすることができ、超音波の減衰を抑制することができる。
上述のように構成される音響レンズ５では、超音波送受面４１２Ａと界面５Ａとの間の距離Ｌは、超音波トランスデューサー４５から送信される超音波の波長をλとし、１以上の整数をｎとして、下記式（１）を満たす。ここで、距離Ｌは、音響整合層４３の厚みｄ（図７参照）と、第２音響レンズ層の厚みＤ２との和である。すなわち、本実施形態では、距離Ｌが下記式（１）を満たすように、音響整合層４３の厚みｄと、第２音響レンズ層の厚みＤ２との各値が設定されている。なお、距離Ｌが下記式（１）を満たすことによる作用効果については後述する。
［数１］
Ｌ＝（λ／２）×ｎ ・・・（１）
Ｌ＝（λ／２）×ｎ ・・・（１）
上述の音響レンズ５は、金属等で形成された型を用いて圧縮成形等によって形成することができる。例えば、先ず、第１音響レンズ層５１の外形を形成する第１の型内に、第１音響レンズ層５１の形成材料の流動体を充填し、硬化させる。このようにして形成された第１音響レンズ層５１の凹部５１２Ｂの内部に、第２音響レンズ層５２の形成材料の流動体を充填する。そして、第２音響レンズ層５２のアレイ領域側の面を平面とするための型を、凹部５１２Ｂを覆う位置に配置して、第２音響レンズ層５２の形成材料を硬化させる。このように、第１音響レンズ層５１に凹部５１２Ｂを形成した後に、第２音響レンズ層５２を凹部５１２Ｂ内に形成することにより、第１音響レンズ層５１と第２音響レンズ層５２との密着性を向上させることができる。
［超音波デバイス２２による尾引きの抑制］
本実施形態の超音波デバイス２２では、界面５Ａが超音波送受面４１２Ａと略平行であることにより、後述するように尾引きの発生を抑制できる（第１の作用）。
また、超音波デバイス２２では、界面５Ａと超音波送受面４１２Ａとの距離Ｌが上記式（１）を満たすことによっても、尾引きの発生を抑制できる（第２の作用）。
以下、超音波デバイス２２による上記第１の作用及び第２の作用について説明する。
本実施形態の超音波デバイス２２では、界面５Ａが超音波送受面４１２Ａと略平行であることにより、後述するように尾引きの発生を抑制できる（第１の作用）。
また、超音波デバイス２２では、界面５Ａと超音波送受面４１２Ａとの距離Ｌが上記式（１）を満たすことによっても、尾引きの発生を抑制できる（第２の作用）。
以下、超音波デバイス２２による上記第１の作用及び第２の作用について説明する。
（第１の作用）
図５は、比較例における音響レンズ７の断面の概略構成を示す図である。
また、図６は、超音波デバイスによる超音波測定の測定結果の一例を示す図であり、（Ａ）は、上記比較例の超音波デバイスによる測定結果を示し、（Ｂ）は、本実施形態の超音波デバイス２２による測定結果を示す。
ここで、図５に示す、音響レンズ７は、第１音響レンズ層７１と、第２音響レンズ層７２とを備え、第１音響レンズ層７１と第２音響レンズ層７２との界面７Ａが湾曲している点で本実施形態の音響レンズ５と相違している。なお、図５では、界面７Ａが第１音響レンズ層７１の湾曲面７１Ａに沿って湾曲している音響レンズ７を例示している。以下、音響レンズ７を備える超音波デバイスとの比較により、第１の作用について説明する。
図５は、比較例における音響レンズ７の断面の概略構成を示す図である。
また、図６は、超音波デバイスによる超音波測定の測定結果の一例を示す図であり、（Ａ）は、上記比較例の超音波デバイスによる測定結果を示し、（Ｂ）は、本実施形態の超音波デバイス２２による測定結果を示す。
ここで、図５に示す、音響レンズ７は、第１音響レンズ層７１と、第２音響レンズ層７２とを備え、第１音響レンズ層７１と第２音響レンズ層７２との界面７Ａが湾曲している点で本実施形態の音響レンズ５と相違している。なお、図５では、界面７Ａが第１音響レンズ層７１の湾曲面７１Ａに沿って湾曲している音響レンズ７を例示している。以下、音響レンズ７を備える超音波デバイスとの比較により、第１の作用について説明する。
図５に示す、比較例の音響レンズ７を備える超音波デバイスにおいて、超音波トランスデューサー群４５Ａの各超音波トランスデューサー４５からＺ方向に送信された超音波は、音響レンズ７の第２音響レンズ層７２を伝播した後、第１音響レンズ層７１と第２音響レンズ層７２との界面７Ａに入射する。この界面７Ａに入射した超音波のうち、図５に示すように一部が反射される場合がある。そして、界面７Ａで反射された超音波（以下、界面反射波とも称する）が、超音波トランスデューサー４５によって受信されると、図６（Ａ）に示すように、生体内での反射波によるピークＰ１とは異なる複数のピークＰ２が検出される、所謂、尾引きが発生する。
すなわち、図５に示すように、音響レンズ７の界面７Ａは、湾曲しており、超音波送受面４１２Ａと平行ではないため、界面反射波は、Ｚ方向に対して交差する方向に伝播する。また、超音波の界面７Ａへの入射位置がＸ方向に沿って異なると、界面反射波の伝播方向（超音波の反射方向）が異なる。さらに、超音波送受面４１２Ａと界面７Ａとの距離Ｌが、Ｘ方向に沿って異なるため、超音波トランスデューサー４５から送信された後、界面反射波となって再び超音波トランスデューサー４５に到達するまでの超音波の伝播距離が、界面７Ａへの入射位置に応じて異なる。したがって、界面反射波が超音波トランスデューサー４５に到達するまでの時間が、Ｘ方向における界面７Ａへの入射位置に応じて異なる。
この界面反射波が、超音波トランスデューサー４５によって受信されることにより、図６（Ａ）に示すように、複数のピークＰ２が検出される、すなわち尾引きが発生する。このような尾引きが発生すると、生体内で生じた反射波の反射位置の検出精度（距離分解能）が低下する。
この界面反射波が、超音波トランスデューサー４５によって受信されることにより、図６（Ａ）に示すように、複数のピークＰ２が検出される、すなわち尾引きが発生する。このような尾引きが発生すると、生体内で生じた反射波の反射位置の検出精度（距離分解能）が低下する。
これに対して、本実施形態の音響レンズ５を備える超音波デバイス２２では、音響レンズ５の界面５Ａは、超音波送受面４１２Ａに略平行である。このため、界面５Ａにて界面反射波が生じたとしても、当該界面反射波の伝播方向がＺ方向に略平行となる。また、超音波送受面４１２Ａと界面５Ａとの距離も略一定である。したがって、図６（Ｂ）に示すように、超音波トランスデューサー４５への到達時間が異なる界面反射波に起因する複数のピークＰ２の検出されることを抑制することができる、すなわち尾引きの発生を抑制することができる。したがって、超音波デバイス２２の距離分解能を向上させることができる。
（第２の作用）
図７は、本実施形態の超音波デバイス２２による尾引きの抑制作用を説明するための図であり、超音波デバイス２２の断面を模式的に示している。なお、図７では、超音波デバイス２２の構成を簡略化して図示している。
本実施形態の超音波デバイス２２では、超音波送受面４１２Ａから界面５Ａまでの距離Ｌが、上記式（１）を満たすことにより、界面反射波が超音波送受面４１２Ａで反射された後、生体内で反射されて、超音波トランスデューサー４５で受信されることによる尾引きの発生を抑制できる。
すなわち、超音波トランスデューサー４５から法線方向に送信され、界面５Ａに入射する超音波Ｓ０のうち、界面５Ａを透過する超音波（第１波）Ｓ１の他に、界面５Ａにて反射され界面反射波（第２波）Ｓ２が発生する場合がある。これらのうち第２波Ｓ２は、超音波送受面４１２Ａにて反射された後、再び、音響レンズ５を伝播して生体内に出射されることがある。超音波測定を実施する際に、第１波Ｓ１が生体内で反射した反射波を測定するが、上述の場合に、第１波Ｓ１に遅れて生体内で反射された第２波Ｓ２の反射波が検出されることにより尾引きが生じる場合がある。
図７は、本実施形態の超音波デバイス２２による尾引きの抑制作用を説明するための図であり、超音波デバイス２２の断面を模式的に示している。なお、図７では、超音波デバイス２２の構成を簡略化して図示している。
本実施形態の超音波デバイス２２では、超音波送受面４１２Ａから界面５Ａまでの距離Ｌが、上記式（１）を満たすことにより、界面反射波が超音波送受面４１２Ａで反射された後、生体内で反射されて、超音波トランスデューサー４５で受信されることによる尾引きの発生を抑制できる。
すなわち、超音波トランスデューサー４５から法線方向に送信され、界面５Ａに入射する超音波Ｓ０のうち、界面５Ａを透過する超音波（第１波）Ｓ１の他に、界面５Ａにて反射され界面反射波（第２波）Ｓ２が発生する場合がある。これらのうち第２波Ｓ２は、超音波送受面４１２Ａにて反射された後、再び、音響レンズ５を伝播して生体内に出射されることがある。超音波測定を実施する際に、第１波Ｓ１が生体内で反射した反射波を測定するが、上述の場合に、第１波Ｓ１に遅れて生体内で反射された第２波Ｓ２の反射波が検出されることにより尾引きが生じる場合がある。
これに対して、本実施形態では、超音波送受面４１２Ａから界面５Ａまでの距離Ｌが、上記式（１）を満たすことにより、第２波Ｓ２による尾引きの発生を抑制することができる。
具体的には、第２波Ｓ２は、超音波送受面４１２Ａにて反射される際に位相が反転する。そして、上述のように、距離Ｌが、上記式（１）を満たすことにより、第２波Ｓ２の位相が、再び界面５Ａに入射する際に第１波Ｓ１と逆位相となる。これにより、界面５Ａにて第２波Ｓ２の少なくとも一部を打ち消すことができる。したがって、第２波Ｓ２に起因する尾引きの発生を抑制でき、超音波デバイス２２の距離分解能を向上させることができる。
具体的には、第２波Ｓ２は、超音波送受面４１２Ａにて反射される際に位相が反転する。そして、上述のように、距離Ｌが、上記式（１）を満たすことにより、第２波Ｓ２の位相が、再び界面５Ａに入射する際に第１波Ｓ１と逆位相となる。これにより、界面５Ａにて第２波Ｓ２の少なくとも一部を打ち消すことができる。したがって、第２波Ｓ２に起因する尾引きの発生を抑制でき、超音波デバイス２２の距離分解能を向上させることができる。
［本実施形態の作用効果］
音響レンズ５は、互いに減衰係数が異なる第１音響レンズ層５１と第２音響レンズ層５２とを有し、第１音響レンズ層５１と第２音響レンズ層５２との界面５Ａは、平面状の超音波送受面４１２Ａと略平行である。これにより、上述のように、界面５Ａにて、界面反射波が生じたとしても、界面が湾曲している構成（図５参照）のように、湾曲した界面で生じた界面反射波が異なるタイミングで超音波トランスデューサーアレイ４６によって検出されることによる尾引きの発生を抑制できる。したがって、当該超音波デバイス２２を用いて超音波測定を実施することにより、距離分解能を向上させることができる。
また、第１音響レンズ層５１よりも減衰係数が小さい第２音響レンズ層５２を設けることにより、音響レンズ５における超音波の透過率を増大させることができ、ひいては、超音波の送受信効率を向上させることができる。
したがって、本実施形態の超音波デバイス２２では、超音波の送受信効率と、距離分解能と、同時に向上させることができる。
音響レンズ５は、互いに減衰係数が異なる第１音響レンズ層５１と第２音響レンズ層５２とを有し、第１音響レンズ層５１と第２音響レンズ層５２との界面５Ａは、平面状の超音波送受面４１２Ａと略平行である。これにより、上述のように、界面５Ａにて、界面反射波が生じたとしても、界面が湾曲している構成（図５参照）のように、湾曲した界面で生じた界面反射波が異なるタイミングで超音波トランスデューサーアレイ４６によって検出されることによる尾引きの発生を抑制できる。したがって、当該超音波デバイス２２を用いて超音波測定を実施することにより、距離分解能を向上させることができる。
また、第１音響レンズ層５１よりも減衰係数が小さい第２音響レンズ層５２を設けることにより、音響レンズ５における超音波の透過率を増大させることができ、ひいては、超音波の送受信効率を向上させることができる。
したがって、本実施形態の超音波デバイス２２では、超音波の送受信効率と、距離分解能と、同時に向上させることができる。
また、第２音響レンズ層５２の厚み寸法Ｄ２は、第１音響レンズ層５１の厚み寸法Ｄ１よりも大きい。これにより、超音波の透過率をより一層増大させることができる。
また、本実施形態では、第２音響レンズ層５２は、超音波送受面４１２Ａの法線方向から見た平面視において、アレイ領域Ａｒ１よりも外形寸法が大きい。これにより、超音波トランスデューサーアレイ４６から送信された超音波を、生体に向かって効率良く伝播させることができる。
また、本実施形態では、第２音響レンズ層５２は、超音波送受面４１２Ａの法線方向から見た平面視において、アレイ領域Ａｒ１よりも外形寸法が大きい。これにより、超音波トランスデューサーアレイ４６から送信された超音波を、生体に向かって効率良く伝播させることができる。
また、超音波トランスデューサーアレイ４６は、振動膜４１２と、振動膜４１２上に形成された圧電素子４１３とを含む超音波トランスデューサー４５を複数備える。この超音波トランスデューサー４５は、例えば、振動膜４１２を備えずに、バルク状の圧電体を振動させて超音波を送信したり、超音波による当該圧電体の振動を検出するように構成された超音波トランスデューサーや生体と比べて、音響インピーダンスが小さい。本実施形態では、各音響レンズ層のうち、超音波トランスデューサーアレイ４６側に配置された第２音響レンズ層５２の減衰係数を、第１音響レンズ層５１の減衰係数よりも小さくすることにより、音響インピーダンスが小さい超音波トランスデューサーアレイ４６を用いる場合でも、超音波を効率良く伝搬させることができる。
また、本実施形態では、第１音響レンズ層５１及び第２音響レンズ層５２の界面５Ａと超音波送受面４１２Ａとの距離Ｌが、上記式（１）を満たすように超音波デバイス２２が構成されている。このような構成では、上述のように界面５Ａで界面反射波が生じたとしても、界面反射波が、超音波送受面４１２Ａで反射された後、界面５Ａに再び入射する際に、当該界面反射波の少なくとも一部を打ち消すことができる。したがって、界面５Ａに再入射した後、生体内に出射される界面反射波の発生を抑制でき、当該界面反射波に起因する尾引きの発生を抑制できる。
第１音響レンズ層５１の凹部５１２Ｂに、第２音響レンズ層５２が配置される。このような構成では、例えば、第１音響レンズ層５１を形成した後に、第２音響レンズ層５２を凹部５１２Ｂ内に形成することにより、音響レンズ５を形成することができる。したがって、第２音響レンズ層５２の配置位置及び形状に応じた凹部５１２Ｂを第１音響レンズ層５１に形成しておくことにより、第２音響レンズ層５２を容易に形成することができる。また、第１音響レンズ層５１と第２音響レンズ層５２との密着性を向上させることも容易である。
［変形例］
なお、上記各実施形態は、各実施形態に記載された構成に限定されるものではなく、変形、改良、及び各実施形態を適宜組み合わせる等を行ってもよい。
なお、上記各実施形態は、各実施形態に記載された構成に限定されるものではなく、変形、改良、及び各実施形態を適宜組み合わせる等を行ってもよい。
例えば、上記実施形態では、第２音響レンズ層５２の厚み寸法Ｄ２が、第１音響レンズ層５１の厚み寸法Ｄ１よりも大きい構成を例示したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、第１音響レンズ層５１の厚み寸法Ｄ１が、第２音響レンズ層５２の厚み寸法Ｄ２よりも大きくてもよく、第２音響レンズ層５２の厚み寸法Ｄ２と同じであってもよい。このような場合でも、第１音響レンズ層５１よりも、減衰係数が小さい第２音響レンズ層５２を配置することにより、超音波の透過率を向上させることができる。
上記実施形態では、第２音響レンズ層５２は、第１音響レンズ層５１の凹部５１２Ｂ内に配置される構成を例示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、第１音響レンズ層５１は、凹部５１２Ｂを備えず、超音波送受面４１２Ａ側に平坦面を有し、第２音響レンズ層５２は、第１音響レンズ層５１の超音波送受面４１２Ａ側の平坦面に沿って配置されていてもよい。
また、上記実施形態では、音響レンズ５を形成した後に、音響整合層４３上に音響レンズ５を配置するとしたが、第２音響レンズ層５２と音響整合層４３とを一体的に形成してもよい。すなわち、超音波デバイス２２の超音波送受面４１２Ａ側に音響整合層４３及び第２音響レンズ層５２の形成材料を配置した後に、当該形成材料上に第１音響レンズ層５１を配置してもよい。この場合、例えば、素子基板４１の外周部等の＋Ｚ側の面に、第１音響レンズ層５１の位置決め用部材を配置又は形成することにより、第２音響レンズ層５２の厚み寸法や、超音波送受面４１２Ａに対する第１音響レンズ層５１の姿勢（平行度）を適切に設定することができる。
上記実施形態では、音響レンズ５は、第１音響レンズ層５１と第２音響レンズ層５２とを有するとしたが、本発明はこれに限定されず、３層以上の音響レンズ層を備える構成でもよい。３層以上の音響レンズ層を備える場合でも、各レンズ層の界面を超音波送受面４１２Ａと平行な平面とすることにより、上述のように尾引きの発生を抑制することができる。
上記実施形態では、図４に示すように、素子基板４１の作動面４１Ｂ側に開口部４１１Ａ、背面４１Ａ側に圧電素子４１３が設けられ、作動面４１Ｂ側（開口部４１１Ａ側）に超音波を送信する構成を例示したがこれに限定されない。
例えば、素子基板４１の背面４１Ａ側に開口部４１１Ａが設けられ、作動面４１Ｂ側に圧電素子４１３が設けられ、作動面４１Ｂ側（圧電素子４１３側）に超音波が送信される構成などとしてもよい。また、素子基板４１の作動面４１Ｂ側に開口部４１１Ａが設けられ、当該開口部４１１Ａの溝底面（振動膜４１２）の作動面４１Ｂ側に圧電素子４１３が設けられる構成としてもよい。素子基板４１の背面４１Ａ側に開口部４１１Ａが設けられ、当該開口部４１１Ａの溝底面（振動膜４１２）の背面４１Ａ側に圧電素子４１３が設けられる構成としてもよい。
例えば、素子基板４１の背面４１Ａ側に開口部４１１Ａが設けられ、作動面４１Ｂ側に圧電素子４１３が設けられ、作動面４１Ｂ側（圧電素子４１３側）に超音波が送信される構成などとしてもよい。また、素子基板４１の作動面４１Ｂ側に開口部４１１Ａが設けられ、当該開口部４１１Ａの溝底面（振動膜４１２）の作動面４１Ｂ側に圧電素子４１３が設けられる構成としてもよい。素子基板４１の背面４１Ａ側に開口部４１１Ａが設けられ、当該開口部４１１Ａの溝底面（振動膜４１２）の背面４１Ａ側に圧電素子４１３が設けられる構成としてもよい。
また、圧電素子４１３として、下部電極４１４、圧電膜４１５、上部電極４１６が厚み方向に積層される積層体により構成される例を示したが、これに限定されない。例えば、圧電膜４１５の厚み方向に直交する一面側に、一対の電極を互いに対向させて配置する構成などとしてもよい。また、圧電膜の厚み方向に沿った側面で圧電膜を挟み込むように電極を配置してもよい。
また、上記実施形態では、超音波トランスデューサー４５として、振動膜４１２と、当該振動膜４１２上に、下部電極４１４、圧電膜４１５、及び上部電極４１６が積層され構成された圧電素子４１３と、を備える構成を例示したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、超音波トランスデューサーとして、バルク状の圧電体を有する圧電素子を用い、振動膜の代りにバルク状の圧電体を振動させて超音波を送信したり、超音波による当該圧電体の振動を検出してもよい。この場合、超音波送受面は、圧電体の生体側の面である。
また、このように構成された超音波トランスデューサーは、通常、音響インピーダンスが生体よりも大きい。したがって、音響レンズを構成する複数の音響レンズ層の音響インピーダンスを、超音波トランスデューサー側から生体側に向かうに従って小さくすることにより、超音波を効率良く送受信することができる。
また、このように構成された超音波トランスデューサーは、通常、音響インピーダンスが生体よりも大きい。したがって、音響レンズを構成する複数の音響レンズ層の音響インピーダンスを、超音波トランスデューサー側から生体側に向かうに従って小さくすることにより、超音波を効率良く送受信することができる。
上記実施形態では、生体を測定対象とする超音波測定装置を例示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、各種構造物を測定対象として、当該構造物の欠陥の検出や老朽化の検査を行う電子機器に、本発明を適用することができる。また、例えば、半導体パッケージやウェハ等を測定対象として、当該測定対象の欠陥を検出する電子機器にも本発明を適用することができる。
その他、本発明の実施の際の具体的な構造は、本発明の目的を達成できる範囲で上記各実施形態及び変形例を適宜組み合わせることで構成してもよく、また他の構造などに適宜変更してもよい。
１…超音波測定装置、２…超音波プローブ、５…音響レンズ、５Ａ…界面、１０…制御装置（制御部）、２２…超音波デバイス、２３…配線基板（回路基板）、２４…超音波センサー（超音波モジュール）、４１…素子基板、４１Ａ…背面、４１Ｂ…作動面、４２…封止板、４３…音響整合層、４５…超音波トランスデューサー、４６…超音波トランスデューサーアレイ、５１…第１音響レンズ層、５２…第２音響レンズ層、４１１…基板本体部、４１１Ａ…開口部、４１２…振動膜、４１２Ａ…超音波送受面、４１３…圧電素子、４１４…下部電極、４１４Ａ…下部電極本体、４１４Ｂ…下部電極線、４１４Ｃ…下部端子電極線、４１５…圧電膜、４１６…上部電極、４１６Ｃ…上部電極本体、４１６Ｄ…上部電極線、４２１…凹溝、４２１Ａ…ギャップ、５１１…平板部、５１２…突出部、５１２Ａ…円筒面、５１２Ｂ…凹部、Ａｒ１…アレイ領域、Ｄ１…第１音響レンズ層の厚み寸法、Ｄ２…第２音響レンズ層の厚み寸法、Ｌ…超音波送受面と界面との距離、ｄ…音響整合層の厚み寸法。
Claims (7)
- 平面状の超音波送受面を有する超音波送受部と、
前記超音波送受面上に設けられた音響レンズと、を備え、
前記音響レンズは、前記超音波送受面とは反対側の第１音響レンズ層と、前記超音波送受面側の第２音響レンズ層と、を有し、
前記第１音響レンズ層と前記第２音響レンズ層とは、減衰係数が異なり、
前記第１音響レンズ層と前記第２音響レンズ層との界面は、前記超音波送受面と平行である
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、
前記超音波送受部は、振動膜と、振動膜上に設けられた圧電素子と、を備え、
前記第２音響レンズ層は、前記第１音響レンズ層よりも減衰係数が小さい
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、
前記超音波送受面の法線方向から見て前記超音波送受部と重なる位置において、前記法線方向に沿った前記第２音響レンズ層の厚み寸法は、前記第１音響レンズ層よりも大きい
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項２又は請求項３に記載の超音波デバイスにおいて、
前記超音波送受面の法線方向における、前記第１音響レンズ層及び前記第２音響レンズ層の界面と前記超音波送受面との距離をＬとし、前記超音波送受部から送信される超音波の波長をλとし、ｎを正の整数として、
Ｌ＝（λ／２）×ｎ
を満たすことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項１から請求項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１音響レンズ層は、前記超音波送受面側に凹部を有し、
前記第２音響レンズ層は、前記凹部に配置されている
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 平面状の超音波送受面を有する超音波送受部、及び、前記超音波送受面上に設けられた音響レンズを備える超音波デバイスと、
前記超音波デバイスが設けられる回路基板と、を備え、
前記音響レンズは、前記超音波送受面とは反対側の第１音響レンズ層と、前記超音波送受面側の第２音響レンズ層と、を有し、
前記第１音響レンズ層と前記第２音響レンズ層とは、減衰係数が異なり、
前記第１音響レンズ層と前記第２音響レンズ層との界面は、前記超音波送受面と平行である
ことを特徴とする超音波モジュール。 - 平面状の超音波送受面を有する超音波送受部、及び、前記超音波送受面上に設けられた音響レンズを備える超音波デバイスと、
前記超音波デバイスを制御する制御部と、を備え、
前記音響レンズは、前記超音波送受面とは反対側の第１音響レンズ層と、前記超音波送受面側の第２音響レンズ層と、を有し、
前記第１音響レンズ層と前記第２音響レンズ層とは、減衰係数が異なり、
前記第１音響レンズ層と前記第２音響レンズ層との界面は、前記超音波送受面と平行である
ことを特徴とする超音波測定装置。
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