JP2017200106A - 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

超音波デバイス、超音波モジュール、及び超音波測定装置 Download PDF

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Abstract

【課題】超音波の送受信効率が高い超音波デバイス、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】超音波デバイスは、送信圧電素子４１３と、受信圧電素子４１４と、を備えている。第一開口４１１Ａと第二開口４１１Ｂとを有する基板４１１と、基板上に設けられ、第一開口４１１Ａ及び第二開口４１１Ｂを閉塞する支持膜４１２と、支持膜上に設けられ、かつ、基板４１１の厚み方向から見た際に、第一開口４１１Ａと重なる位置に設けられ、基板４１１の厚み方向において一対の電極に挟まれた送信用圧電膜４１３Ｂと、支持膜上に設けられ、かつ基板４１１の厚み方向から見た際に、第二開口４１１Ｂと重なる位置に設けられ、基板４１１の厚み方向において一対の電極に挟まれた受信用圧電膜４１４Ｂと、を備える。基板４１１の厚み方向において、送信用圧電膜４１３Ｂの厚み寸法は、受信用圧電膜４１４Ｂの厚みよりも薄い。【選択図】図６

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等に関する。
従来、超音波の送信処理及び受信処理を行う超音波トランスデューサーとして、一対の電極により挟まれた圧電体を備え、電極間に電圧を印加して圧電体自身を振動させて超音波を送信したり、超音波が入力された圧電体からの出力電圧を検出することで超音波を受信したりする、いわゆるバルク型の圧電体を用いた超音波トランスデューサーが知られている。
しかしながら、このようなバルク型の圧電体では、圧電体の厚み寸法を厚く形成する必要があり、薄型化や小型化が困難となる。
これに対して、開口を有する支持体の前記開口を覆うように設けられた振動膜と、振動膜上に設けられ、一対の電極により挟まれた圧電膜とにより構成された、薄膜型の圧電膜を用いた超音波トランスデューサーが知られている（例えば、特許文献１参照）。
このような超音波トランスデューサーでは、電極間への電圧印加によって振動膜を振動させて超音波を送信し、振動膜の振動により圧電膜からの出力電圧により超音波の受信を検出する。このような薄膜型の圧電体により振動膜を振動させる超音波トランスデューサーでは、バルク型の超音波トランスデューサーに比べて、超音波の送受信方向に対する厚み寸法を大幅に縮小でき、超音波測定装置の薄型化及び小型化を図ることができる。
特開２００２−２７１８９７号公報
ところで、薄膜型の超音波トランスデューサーでは、振動膜の振動により超音波を送信させた後、反射された超音波により振動される振動膜により圧電膜が歪むことで超音波の受信を検出する。この場合、超音波を送信させる際には、振動膜を大きく変位させることで高出力の超音波を出力し、超音波を受信する際には、振動膜の振動が小さい場合でも高感度に振動を検出して超音波の受信を検出する必要がある。したがって、それぞれの機能に応じた特性となるように、送信用の超音波トランスデューサーと受信用のトランスデューサーとを構成する必要がある。したがって、上記特許文献１に記載のような超音波トランスデューサーを送受兼用の超音波トランスデューサーとしたり、送信用と受信用とで同一構成の超音波トランスデューサーを用いたりすると、超音波の送受信効率が低下するとの課題がある。
本発明は、超音波の送受信効率が高い超音波デバイス、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の１つとし、以下に当該目的と達成可能な適用例及び実施形態について説明する。
一適用例に係る超音波デバイスは、第一開口と第二開口とを有する基板と、前記基板上に設けられ、前記第一開口及び前記第二開口を閉塞する支持膜と、前記支持膜上に設けられ、かつ前記基板の厚み方向から見た際に、前記第一開口と重なる位置に設けられ、前記基板の厚み方向において一対の電極に挟まれた送信用圧電膜と、前記支持膜上に設けられ、かつ前記基板の厚み方向から見た際に、前記第二開口と重なる位置に設けられ、前記基板の厚み方向において一対の電極に挟まれた受信用圧電膜と、を備え、前記基板の厚み方向に対する前記送信用圧電膜の厚み寸法は、前記受信用圧電膜の厚みよりも薄いことを特徴とする。
本適用例では、超音波デバイスは、送信用の超音波トランスデューサー（送信トランスデューサー）と、受信用の超音波トランスデューサー（受信トランスデューサー）と、を備える。送信トランスデューサーは、基板の第一開口を覆う支持膜（支持膜における第一開口と重なる領域である第一振動部）と、送信用圧電膜と、を含む。受信トランスデューサーは、基板の第二開口を覆う支持膜（支持膜における第二開口と重なる領域である第二振動部）と、受信用圧電膜と、を含む。そして、送信用圧電膜は、受信用圧電膜より膜厚が薄く形成されている。
このような構成では、送信トランスデューサーと、受信トランスデューサーとがそれぞれ別体として設けられているので、送信トランスデューサーにおいては、超音波の送信に適した特性とし、受信トランスデューサーにおいては、超音波の受信に適した特性とすることができる。よって、１つの超音波トランスデューサーで、超音波の送信及び受信を行う場合に比べて、超音波の送受信効率を向上させることができる。つまり、超音波の送信においては、音圧の高い超音波を送信することができ、超音波の受信においては、高い受信感度で、高精度に超音波を受信できる。
ところで、送信トランスデューサーでは、小さい駆動電圧で第一振動部を大きく変位させて、高い音圧の超音波を出す必要がある。送信用圧電膜の厚み寸法（一対の電極間の距離）をｔＡ、電極間に印加する駆動電圧をＶ１、電極間の誘電率（送信用圧電膜）の誘電離をε、送信用圧電膜の圧電定数をｅとすると、送信用圧電膜の歪み量ηは、近似的にはη＝εＶ１／ｔＡｅとなる。よって、送信用圧電膜の歪み量ηを大きくして高音圧の超音波を送信するためには、送信用圧電膜の厚み寸法ｔＡを小さくする必要がある。これに加え、送信用圧電膜の厚み寸法が大きいと、第一振動部の剛性も大きくなるため撓みにくくなるので、この点からの送信用圧電膜の厚み寸法を小さくすることが好ましい。
一方、受信トランスデューサーでは、超音波が送信された後、反射超音波を受信する。この反射超音波は、送信トランスデューサーから送信された超音波に対して大きく減衰されている可能性が高く、第二振動部の変位も小さくなる場合がある。受信トランスデューサーは、このような場合でも、高感度で反射超音波による第二振動部の振動を検出する必要がある。第二振動部の振動による受信用圧電膜の変位量（歪み量）をη、受信用圧電膜の厚み寸法（一対の電極間の距離）をｔＢ、電極間の誘電率（送信用圧電膜）の誘電離をε、受信用圧電膜の圧電定数をｅとすると、受信トランスデューサーにおいて電極から出力される出力電圧Ｖ２は、近似的にはＶ２＝ηｔＢｅ／εとなる。よって、受信用圧電膜からの出力電圧Ｖ２を大きくするためには、受信用圧電膜の厚み寸法を大きくする必要がある。
本適用例では、送信用圧電膜が、受信用圧電膜よりも厚み寸法が薄く構成されている。つまり、１つの超音波トランスデューサーにより超音波の送受信を行う場合、或いは、同じ厚み寸法の圧電膜を用いて、送信用のトランスデューサーと受信用のトランスデューサーとを構成する場合等に比べて、送信トランスデューサーにおける超音波の送信効率を高く、受信トランスデューサーにおける超音波の受信効率を高くすることができる。
本適用例の超音波デバイスにおいて、前記送信用圧電膜の厚み寸法は、３００ｎｍ以上２７５０ｎｍ以下であり、前記受信用圧電膜の厚み寸法は、６００ｎｍ以上３１００ｎｍ以下であり、前記送信用圧電膜と前記受信用圧電膜の厚み寸法の差は、３５０ｎｍ以上である。
本適用例では、送信用圧電膜が、３００ｎｍ以上２７５０ｎｍ以下の厚み寸法を有し、受信用圧電膜が、６００ｎｍ以上３１００ｎｍ以下の厚み寸法を有する。そして、送信用圧電膜は、受信用圧電膜よりも３５０ｎｍ以上薄く形成されている。このような構成では、送信用圧電膜の超音波の送信効率を向上でき、かつ受信用圧電膜の超音波の受信効率を向上できる。
また、送信トランスデューサーに対して所定電圧を印加した際の第一振動部の歪み量（ｎｍ）と、受信トランスデューサーにおける受信感度（ｎＶ／Ｐａ）の積を、超音波デバイスにおける超音波の送受信の性能指数（ｎｍ・ｎＶ／Ｐａ）とすると、性能指数が７５０００（ｎｍ・ｎＶ／Ｐａ）を超えることが好ましい。上述したように送信用圧電膜及び受信用圧電膜を構成することで、第一開口及び第二開口の開口幅（開口面積）によらず、十分な性能指数を得ることができ、高い送受信効率の超音波デバイスを得ることができる。
本適用例の超音波デバイスにおいて、前記第一開口の開口幅は、前記第二開口の開口幅よりも小さいことが好ましい。
本適用例では、第一開口の開口幅（開口面積）が、第二開口の開口幅（開口面積）よりも小さい。つまり、送信トランスデューサーを構成する第一振動部の面積が、受信トランスデューサーを構成する第二振動部の面積よりも小さい。
開口を閉塞する支持膜により振動部を形成し、この振動部上に一対の電極により挟まれる圧電膜を配置した超音波トランスデューサーでは、送受信する超音波の周波数（超音波トランスデューサーの固有周波数）は、開口の開口幅（振動部の面積）と、圧電膜の厚み寸法に依存する。超音波トランスデューサーの固有周波数は、開口の開口幅が大きくなるに従って低減し、圧電膜の厚み寸法が小さくなるに従って低減する。上記のように、本適用例では、送信用圧電膜の厚み寸法が、受信用圧電膜の厚み寸法よりも小さくなる。したがって、第一開口の開口幅を第二開口の開口幅に比べて小さくすることで、送信トランスデューサーから送信させる超音波と、受信トランスデューサーにて受信させる超音波の周波数とを一致若しくは略一致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、前記支持膜は、前記第一開口を閉塞する第一振動部と、前記第二開口を閉塞する第二振動部と、を含み、前記第一振動部と、前記送信用圧電膜とを含んで、送信トランスデューサーが構成され、前記第二振動部と、前記受信用圧電膜とを含んで、受信トランスデューサーが構成され、前記送信トランスデューサーの固有周波数は、前記受信トランスデューサーの固有周波数と異なることが好ましい。
本適用例では、送信トランスデューサーと受信トランスデューサーとの固有周波数が異なっている。上述したように、本適用例では、送信トランスデューサーから超音波を送信し、対象物にて反射された超音波を受信トランスデューサーにて受信するが、この際、送信トランスデューサーと受信トランスデューサーとの固有周波数を一致させると、送信トランスデューサーから超音波を送信した際に、受信トランスデューサーが共振してしまう。この場合、受信トランスデューサーからノイズ成分を含んだ出力電圧が出力され、超音波の受信精度に影響が出る。これに対して、本適用例では、送信トランスデューサーと受信トランスデューサーとの固有周波数がそれぞれ異なっているので、超音波を送信した際に、受信トランスデューサーの共振を抑制でき、出力電圧にノイズが含まれる不都合を抑制できる。
本適用例の超音波デバイスにおいて、前記送信トランスデューサーの固有周波数と、前記受信トランスデューサーの固有周波数との差が０．２ＭＨｚ以上０．８ＭＨｚ以下であることが好ましい。
送信トランスデューサーと受信トランスデューサーとの固有周波数の差が０．２ＭＨｚ未満である場合、上述したように、超音波の送信時に受信トランスデューサーが共振することで出力電圧にノイズが多く含まれ、受信トランスデューサーにおける受信精度が低下する。一方、送信トランスデューサーと受信トランスデューサーとの固有周波数の差が０．８ＭＨｚを超える場合、送信トランスデューサーにより送信される超音波の周波数と、受信トランスデューサーにて好適に受信可能な超音波の周波数との差が大きくなり、受信トランスデューサーにおける受信精度が低下する。
これに対して、本適用例では、上記のように、送信トランスデューサーと受信トランスデューサーとの固有周波数の差を０．２ＭＨｚ以上０．８ＭＨｚ以下とすることで、ノイズ成分を低減しつつ、送信トランスデューサーから送信される超音波の反射波を受信トランスデューサーにて高い受信感度で受信することができ、超音波デバイスにおける超音波の送受信効率の向上を図れる。
本適用例の超音波デバイスにおいて、前記受信トランスデューサーの固有周波数は、前記送信トランスデューサーの固有周波数よりも小さいことが好ましい。
本適用例では、受信トランスデューサーの固有周波数が、送信トランスデューサーの固有周波数よりも小さくなる。つまり、送信トランスデューサーから超音波を送信して対象物により反射された超音波を受信トランスデューサーで受信する場合では、反射された超音波が送信された超音波に比べて大きく減衰する。したがって、超音波測定においては、受信トランスデューサーにおける受信感度をより高める必要がある。本適用例では、受信トランスデューサーにおける固有周波数を小さくする、つまり、第二開口の開口幅を大きくする。これにより、受信トランスデューサーにおける第二振動部が撓みやすくなり、受信感度を上げることができる。
なお、受信用圧電膜の厚み寸法を小さくすることでも、固有周波数を低減できるが、この場合、受信トランスデューサーの受信感度が低下して、超音波デバイスにおける送受信の性能指数が低下することも考えられる。したがって、第二開口の開口幅を広げることが好ましい。
本適用例の超音波デバイスにおいて、前記送信用圧電膜に送信分極電圧を印加し、前記受信用圧電膜に受信分極電圧を印加する分極電圧出力部を有し、前記送信分極電圧は、前記受信分極電圧よりも小さいことが好ましい。
本適用例では、超音波デバイスに対して分極電圧を印加する分極電圧出力部を有する。超音波デバイスにおける超音波測定を実施する場合、送受信処理を実施する前に、分極電圧出力部から送信用圧電膜及び受信用圧電膜のそれぞれに対して分極電圧を印加して分極させることで、超音波デバイスにおける送受信効率の向上を図れる。この際、分極電圧出力部は、厚み寸法が小さい送信用圧電膜に対する送信分極電圧を、厚み寸法が大きい受信用圧電膜に対する受信分極電圧よりも小さくする。これにより、送信用圧電膜における絶縁破壊を抑制でき、各圧電膜を好適に分極させることができる。
一適用例に係る超音波モジュールは、第一開口と第二開口とを有する基板と、前記基板上に設けられ、前記第一開口及び前記第二開口を閉塞する支持膜と、前記支持膜上に設けられ、かつ前記基板の厚み方向から見た際に、前記第一開口と重なる位置に設けられ、前記基板の厚み方向において一対の電極に挟まれた送信用圧電膜と、前記支持膜上に設けられ、かつ前記基板の厚み方向から見た際に、前記第二開口と重なる位置に設けられ、前記基板の厚み方向において一対の電極に挟まれた受信用圧電膜と、を備えた超音波デバイスと、前記超音波デバイスを収納する筐体と、を備え、前記基板の厚み方向に対する前記送信用圧電膜の厚み寸法が、前記受信用圧電膜の厚みよりも薄いことを特徴とする。
本適用例では、上述したように、超音波デバイスにおける送受信効率を向上させることができる。したがって、このような超音波デバイスを収納した超音波モジュールにおいても同様の作用効果を奏することができ、超音波の送受信処理を行う際に送受信効率を向上できる。
一適用例に係る超音波測定装置は、第一開口と第二開口とを有する基板と、前記支持膜上に設けられ、かつ前記基板の厚み方向から見た際に、前記第一開口と重なる位置に設けられ、前記基板の厚み方向において一対の電極に挟まれた送信用圧電膜と、前記支持膜上に設けられ、かつ前記基板の厚み方向から見た際に、前記第二開口と重なる位置に設けられ、前記基板の厚み方向において一対の電極に挟まれた受信用圧電膜と、を備えた超音波デバイスと、前記超音波デバイスを制御する制御部と、を備え、前記基板の厚み方向に対する前記送信用圧電膜の厚み寸法が、前記受信用圧電膜の厚みよりも薄いことを特徴とする。
本適用例では、上述したように、超音波デバイスにおける送受信効率を向上させることができる。したがって、このような超音波デバイスを制御部により制御することで、送受信効率の高い超音波の送受信処理により、精度の高い超音波測定を実施でき、例えば、超音波測定の測定結果に基づいて、対象物の内部断層画像を取得する場合では、精度の高い内部断層画像を取得することができる。
本発明の第一実施形態に係る超音波測定装置の概略構成を示す斜視図。 第一実施形態の超音波測定装置の概略構成を示すブロック図。 第一実施形態の超音波プローブの概略構成を示す断面図。 第一実施形態の超音波デバイスの概略構成を示す平面図。 図４において、超音波デバイスの一部を拡大した送信トランスデューサー及び受信トランスデューサーの拡大平面図。 図５のＢ−Ｂ線を切断した際の送信トランスデューサー及び受信トランスデューサーの断面図。 超音波トランスデューサーの開口の開口幅と、超音波トランスデューサーの固有周波数との関係を示す図。 送信トランスデューサーにおける送信用圧電膜の厚み寸法と、送信感度との関係を示す図。 受信トランスデューサーにおける受信用圧電膜の厚み寸法と、受信感度との関係を示す図。 第一開口及び第二開口が３０μｍの時の、送信用圧電膜の厚み寸法と、受信用圧電膜の厚み寸法と、性能指数との関係を示す図。 第一開口及び第二開口が３５μｍの時の、送信用圧電膜の厚み寸法と、受信用圧電膜の厚み寸法と、性能指数との関係を示す図。 第一開口及び第二開口が４０μｍの時の、送信用圧電膜の厚み寸法と、受信用圧電膜の厚み寸法と、性能指数との関係を示す図。 第一開口及び第二開口が４５μｍの時の、送信用圧電膜の厚み寸法と、受信用圧電膜の厚み寸法と、性能指数との関係を示す図。 図１０に対して、性能指数が７５０００以上となる領域を明示した図。 図１１に対して、性能指数が７５０００以上となる領域を明示した図。 図１２に対して、性能指数が７５０００以上となる領域を明示した図。 図１３に対して、性能指数が７５０００以上となる領域を明示した図。 従来例における超音波トランスデューサーの性能指数を示す図。
以下、本実施形態の超音波測定装置について、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。図２は、本実施形態の超音波測定装置１の概略構成を示すブロック図である。
本実施形態の超音波測定装置１は、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を対象物（例えば生体）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、対象物（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。
［超音波プローブの構成］
図３は、超音波プローブ２の概略構成を示す断面図である。
超音波プローブ２は、超音波モジュールであり、筐体２１と、超音波センサー２２と、を備える。
［筐体の構成］
筐体２１は、図１示すように、平面視矩形状の箱状に形成され、超音波センサー２２を収納する。筐体２１の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、超音波センサー２２の一部（後述する音響レンズ７）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）には通過孔が設けられ、通過孔を介してケーブル３が筐体２１の内部に挿入される。このケーブル３は、図示を省略するが、筐体２１の内部にて超音波センサー２２（後述する回路基板６）に接続されている。
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。
［超音波センサーの構成］
超音波センサー２２は、図３に示すように、超音波デバイス４と、回路基板６と、音響レンズ７と、を備える。後述するが、回路基板６には、超音波デバイス４を制御するためのドライバ回路等が設けられており、超音波デバイス４は、例えばフレキシブル基板等の配線部材５を介して回路基板６に電気的に接続される。この超音波デバイス４の超音波送受信側の面に、音響レンズ７が設けられており、当該音響レンズ７は、筐体２１の一面側から外部に露出する。
［超音波デバイスの構成］
図４は、超音波デバイス４の一例を示す平面図である。
以下の説明では、後述するように一次アレイ構造を有する超音波デバイス４のスキャン方向をＸ方向とし、スキャン方向に交差（例えば本実施形態では直交）するスライス方向をＹ方向とする。
超音波デバイス４は、超音波送信部４２と、超音波受信部４３と、信号電極線ＳＬと、コモン電極線ＣＬと、第一信号端子ＳＡと、第二信号端子ＳＢと、コモン端子ＣＡと、を備えている。
これらのうち超音波送信部４２は、送信用の超音波トランスデューサーである複数の送信トランスデューサー４２１を有し、これら複数の送信トランスデューサー４２１が、Ｙ方向に沿って配置されて構成される。また、超音波受信部４３は、受信用の超音波トランスデューサーである複数の受信トランスデューサー４３１を有し、これら複数の受信トランスデューサー４３１が、Ｙ方向に沿って配置されて構成される。
なお、本実施形態の超音波デバイス４では、複数の超音波送信部４２及び超音波受信部４３が、Ｘ方向に交互に配置され、Ｘ方向に隣り合う１組の超音波送信部４２が、１つの送信チャンネルとして機能する。また、各超音波受信部４３が、１つの受信チャンネルとして機能する。
図５は、図４に示す超音波デバイス４の一部（図４の領域Ａ）を拡大した送信トランスデューサー４２１及び受信トランスデューサー４３１の拡大平面図である。図６は、図５におけるＢ−Ｂに沿った送信トランスデューサー４２１及び受信トランスデューサー４３１の断面を示す断面図である。
超音波デバイス４は、図６に示すように、素子基板４１１と、素子基板４１１に積層された支持膜４１２と、支持膜４１２上に設けられた送信圧電素子４１３と、支持膜４１２上に設けられた受信圧電素子４１４と、を備えている。
素子基板４１１は、例えばＳｉ等の半導体基板である。この素子基板４１１には、各送信トランスデューサー４２１の配置位置と重なる位置に設けられた第一開口４１１Ａ、各受信トランスデューサー４３１の配置位置と重なる位置に設けられた第二開口４１１Ｂと、が設けられている。これらの第一開口４１１Ａ及び第二開口４１１Ｂは、素子基板４１１の背面４１Ａ側に設けられた支持膜４１２により閉塞されている。なお、第一開口４１１Ａ及び第二開口４１１Ｂの開口幅（開口面積）についての説明は後述する。
Ｓｉ基板の面方位は（１００）、（１１０）、（１１１）のいずれかであればよい。また素子基板４１１は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）などの複合基板から構成されていてもよい。さらに素子基板４１１は、アルミナ、Ｇａ２Ｏ３、ＧａＮであってもよい。
支持膜４１２は、例えばＳｉＯ２の単層や、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、及びＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニウム）の積層体等より構成され、素子基板４１１の背面４１Ａ側全体を覆って設けられている。この支持膜４１２の厚み寸法は、素子基板４１１に対して十分小さい厚み寸法となる。ＳｉＯ２のヤング率は７５ＧＰａ程度である。また、ＺｒＯ２のヤング率は２００ＧＰａ程度である。
ここで、図５及び図６に示すように、支持膜４１２のうち、素子基板４１１及び支持膜４１２の厚み方向から見た際に、第一開口４１１Ａ（送信トランスデューサー４２１）と重なる領域は第一振動部４１２Ａを構成する。また、図５及び図６に示すように、支持膜４１２のうち、素子基板４１１及び支持膜４１２の厚み方向から見た際に、第二開口４１１Ｂ（受信トランスデューサー４３１）と重なる領域は第二振動部４１２Ｂを構成する。つまり、第一振動部４１２Ａは、第一開口４１１Ａを囲う隔壁部４１１Ｃにより支持され、第二振動部４１２Ｂは、第二開口４１１Ｂを囲う隔壁部４１１Ｃにより支持されている。
送信圧電素子４１３は、第一開口４１１Ａを閉塞する第一振動部４１２Ａとともに、送信トランスデューサー４２１を構成する。
この送信圧電素子４１３は、下部電極４１３Ａ、送信用圧電膜４１３Ｂ、及び上部電極４１５の積層体であり、第一振動部４１２Ａ上に設けられる。
下部電極４１３Ａは、素子基板４１１の厚み方向において送信用圧電膜４１３Ｂを挟む一対の電極の一方を構成し、上部電極４１５は、前記一対の電極の他方を構成する。
下部電極４１３Ａは、Ｙ方向に沿う直線状に形成されており、複数の送信トランスデューサー４２１に跨って設けられる。従って、Ｙ方向に並ぶ送信トランスデューサー４２１において、下部電極４１３Ａは同電位となる。この下部電極４１３Ａは、図４に示すように、信号電極線ＳＬによって、支持膜４１２の±Ｙ側の外周部に配置された対応する第一信号端子ＳＡに接続され、第一信号端子ＳＡにおいて回路基板６に電気的に接続されている。
本実施形態では、Ｙ方向における超音波送信部４２の２つを１組として、１つの送信チャンネルが構成される。すなわち、図５に示すように、隣り合う２つの超音波送信部４２は、同一の第一信号端子ＳＡに接続される。
送信用圧電膜４１３Ｂは、ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）等の圧電体の薄膜により形成され、第一振動部４１２Ａ上で下部電極４１３Ａを覆うように構成される。
上部電極４１５は、Ｘ方向に沿う直線状に形成されており、Ｘ方向に並ぶ複数の超音波トランスデューサー（送信トランスデューサー４２１及び受信トランスデューサー４３１）に跨って設けられる。また、各上部電極４１５は、コモン電極線ＣＬによって接続されており、支持膜４１２の外周部（例えば±Ｙ側）に設けられたコモン端子ＣＡに接続され（図４参照）、コモン端子ＣＡにおいて回路基板６に電気的に接続される。つまり、本実施形態では、上部電極４１５は、Ｘ方向に並ぶ送信圧電素子４１３と受信圧電素子４１４とにおいて共通であり、各送信トランスデューサー４２１及び各受信トランスデューサー４３１において互いに接続されて、同一のコモン電圧を印加する。
受信圧電素子４１４は、第二開口４１１Ｂを閉塞する第二振動部４１２Ｂとともに、受信トランスデューサー４３１を構成する。
この受信圧電素子４１４は、図５及び図６に示すように、下部電極４１４Ａ、受信用圧電膜４１４Ｂ、及び上部電極４１５の積層体であり、第二振動部４１２Ｂ上に設けられる。
下部電極４１４Ａは、受信用圧電膜４１４Ｂを挟む一対の電極の一方を構成し、上部電極４１５は、前記一対の電極の他方を構成する。
下部電極４１４Ａは、送信圧電素子４１３の下部電極４１３Ａと同様、Ｙ方向に沿う直線状に形成されており、複数の受信トランスデューサー４３１に跨って設けられる。従って、Ｙ方向に並ぶ受信トランスデューサー４３１において、下部電極４１４Ａは同電位となる。この下部電極４１４Ａは、図４に示すように、信号電極線ＳＬによって、支持膜４１２の±Ｙ側の外周部に配置された対応する第二信号端子ＳＢに接続され、第二信号端子ＳＢにおいて回路基板６に電気的に接続されている。
受信用圧電膜４１４Ｂは、送信用圧電膜４１３Ｂと同様、ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）等の圧電体の薄膜により形成され、第二振動部４１２Ｂ上で下部電極４１４Ａを覆うように構成される。
送信用圧電膜４１３Ｂおよび受信用圧電膜４１４Ｂを構成するＰＺＴは、ＺｒとＴｉの組成比が５２：４８であることが高い圧電特性を得るうえで好ましい。また、モノクリニックな結晶構造を有していると、より高い圧電特性を得ることができる。圧電体はＰＺＴに限らず、ＢｉＦｅＭｎＯ３−ＢａＴｉＯ３、ＫＮａＮｂＯ３などのＰｂフリー材料であってもよい。ＰＺＴのヤング率は、薄膜では８０ＧＰａ程度である。
本明細書のシミュレーションで用いた圧電体ＰＺＴの圧電定数ｅｉｊ、比誘電率εｉｊ、スティッフネスｃｉｊの値はＰＺＴ−５Ｈのデータを採用している。薄膜（スパッタリング等で形成された膜）のＰＺＴは、バルク（焼結体から切り出した比較的大きなサイズの固体）のＰＺＴとほぼ同等の物理定数を有することが知られている。
下部電極４１３Ａ，４１４Ａおよび上部電極４１５は、導電性、材料の安定性、およびＰＺＴへの薄膜応力の観点から、Ｔｉ、Ｉｒ、ＴｉＯ２、ＩｒＯ２、Ｐｔのうち、複数の材料を複合させて用いることが好ましい。下部電極４１３Ａ，４１４Ａおよび上部電極４１５のヤング率は２００ＧＰａ程度である。
このような構成の超音波デバイス４では、下部電極４１３Ａ及び上部電極４１５の間に所定周波数の矩形波電圧が印加されることで、第一振動部４１２Ａが振動され、送信トランスデューサー４２１から超音波を送信される。また、生体により反射された超音波により第二振動部４１２Ｂが振動されると、受信用圧電膜４１４Ｂを挟む下部電極４１４Ａから受信用圧電膜４１４Ｂの歪み量に応じた出力電圧が出力され、超音波の受信が検出される。
また、図示は省略するが、支持膜４１２の素子基板４１１とは反対側には、補強板が配置されている。この補強板は、例えば、素子基板４１１の隔壁部４１１Ｃ上に位置する支持膜４１２に対して、樹脂層等により接合され、素子基板４１１及び支持膜４１２を補強する。
さらに、素子基板４１１の第一開口４１１Ａ及び第二開口４１１Ｂには、シリコーン等により構成された音響整合層が充填され、この音響整合層上に音響レンズ７が設けられる。
［送信トランスデューサー及び受信トランスデューサーの寸法］
次に、上述したような送信トランスデューサー４２１及び受信トランスデューサー４３１の寸法について、以下に説明する。
なお、以下の説明において、図７、図８、図９〜図１８は、有限要素法に基づき、COMSOL Multiphysics（登録商標：ＣＯＭＳＯＬ社）を用いて計算された結果である。COMSOL Multiphysicsでは、構造計算と圧電計算がマルチフィジックスとして連成させて計算されている。
送信感度については、上下電極間に一定電圧２５Vを印加し、そのときのダイアフラムの変位量を評価した。送信感度の単位はｎｍである。受信感度については、ダイアフラムに一定の静水圧を印加し、そのときに上下電極に発生する電圧を評価した。受信感度の単位はｎＶ／Ｐａである。
図７は、超音波トランスデューサーの開口（第一開口４１１Ａや第二開口４１１Ｂ）の開口幅と、超音波トランスデューサーの固有周波数（送受信可能な超音波の周波数）との関係を示す図である。
一般に、生体への超音波測定を行う場合の超音波の周波数は、３〜１４ＭＨｚ程度である。超音波トランスデューサー（送信トランスデューサー４２１や受信トランスデューサー４３１）において、上記３〜１４ＭＨｚの超音波を送受信する場合、図７に示すように、当該周波数に対応した開口幅（短軸方向の幅寸法）は、３０μｍ〜４５μｍ程度となる。従って、以下の説明において、第一開口４１１Ａ及び第二開口４１１Ｂの開口幅を、３０μｍ〜４５μｍの範囲で変化させた場合の、送信トランスデューサー４２１及び受信トランスデューサー４３１の各特性について説明する。
図８は、送信トランスデューサー４２１における送信用圧電膜４１３Ｂの厚み寸法と、送信感度との関係を示す図である。なお、ここで述べる送信感度とは、所定の駆動電圧（例えば２５Ｖ）を下部電極４１３Ａ及び上部電極４１５間に印加した際の送信用圧電膜４１３Ｂの歪み量（開口方向、つまり支持膜４１２の厚み方向への撓み量（ｎｍ））を示している。
図８は有限要素法によるシミュレーション結果である。送信用圧電膜４１３Ｂの厚み寸法をｔＡ、下部電極４１３Ａ及び上部電極４１５間に印加する駆動電圧をＶ１、電極間の誘電率（送信用圧電膜）の誘電離をε、送信用圧電膜４１３Ｂの圧電定数をｅとすると、駆動電圧Ｖ１を印加した際の送信用圧電膜４１３Ｂの歪み量η（送信感度）は、η＝εＶ１／ｔＡｅとなる。駆動電圧Ｖ１を印加した際の送信用圧電膜４１３Ｂの歪み量η（送信感度）は、有限要素法によるシミュレーションによって得られる。
従って、図８に示すように、厚み寸法ｔＡが増大する程、送信感度が低下する。ここで、厚み寸法ｔＡが３００ｎｍ未満である場合は、例えば、分極処理時の分極電圧や駆動電圧の印加により絶縁破壊が起こる可能性があるため好ましくない。
また、厚み寸法が２７５０ｎｍを超える場合では、送信用圧電膜４１３Ｂの剛性の影響により第一振動部４１２Ａが撓みにくくなる（送信感度が低下する）。特に、超音波測定装置１では、送信トランスデューサー４２１から送信した超音波が、生体内で減衰され、減衰された反射超音波が受信トランスデューサー４３１にて受信される。この場合、送信トランスデューサー４２１の送信感度として、第一振動部４１２Ａの撓み量を少なくとも約１００ｎｍ以上確保することが好ましい。第一開口４１１Ａの開口幅が、送信感度が最も低くなる３０μｍとなる場合において、上記条件を満たすために、送信用圧電膜４１３Ｂの厚み寸法としては、２７５０ｎｍ以下とすることが好ましい。
つまり、本実施形態では、送信用圧電膜４１３Ｂは、厚み寸法ｔＡが３００ｎｍ以上２７５０ｎｍ以下の範囲で形成されることが好ましい。
図９は、受信トランスデューサー４３１における受信用圧電膜４１４Ｂの厚み寸法と、受信感度（ｎＶ／Ｐａ）との関係を示す図である。
受信用圧電膜４１４Ｂの歪み量をη、受信用圧電膜４１４Ｂの厚み寸法をｔＢ、電極間の誘電率（送信用圧電膜）の誘電離をε、受信用圧電膜４１４Ｂの圧電定数をｅとすると、受信トランスデューサー４３１において下部電極４１４Ａから出力される出力電圧Ｖ２は、Ｖ２＝ηｔＢｅ／εとなる。
このため、厚み寸法ｔＢを３００ｎｍから大きくしていくと、出力電圧Ｖ２が増大する。一方、厚み寸法ｔＢが大きすぎる場合、第二振動部４１２Ｂの剛性も大きくなり撓みにくくなる。よって、受信トランスデューサー４３１の受信感度は、図９に示すように、厚み寸法ｔＢの増大に伴って受信感度が増大した後、１３００ｎｍから１７００ｎｍの間で、受信感度がピークとなり、さらに厚み寸法ｔＢを大きくすると、緩やかに受信感度が低下していく。
受信トランスデューサー４３１では、減衰された反射超音波を受信するため、少なくとも３００（ｎＶ／Ｐａ）以上の受信感度が求められる。ここで、受信用圧電膜４１４Ｂの厚み寸法ｔＢが６００ｎｍ未満である場合は、上記の条件を満たすことができず、受信効率が低下する。
また、厚み寸法ｔＢが３１００ｎｍを超える場合では、受信用圧電膜４１４Ｂの剛性の影響により第二振動部４１２Ｂが撓みにくくなり、受信感度が低下する。
つまり、本実施形態では、受信用圧電膜４１４Ｂは、厚み寸法ｔＢが６００ｎｍ以上３１００ｎｍ以下の範囲で形成されていることが好ましい。
ところで、超音波デバイス４では、送信トランスデューサー４２１による超音波の送信処理と、受信トランスデューサー４３１による超音波の受信処理を行う。このため、いずれか一方の特性のみが適切であっても、他方が適切でない場合、送受信効率が低下する。
ここで、本願発明の発明者は、送信トランスデューサー４２１における送信感度、受信トランスデューサー４３１における受信感度との積を、超音波デバイスにおける送受信処理の性能指数と定義し、高精度な送受信処理を実施するためには、性能指数が７５０００以上となる必要があることを見出した。
図１０は、第一開口４１１Ａ及び第二開口４１１Ｂが３０μｍの時の、送信用圧電膜４１３Ｂの厚み寸法ｔＡと、受信用圧電膜４１４Ｂの厚み寸法ｔＢと、性能指数との関係を示す図である。図１１は、第一開口４１１Ａ及び第二開口４１１Ｂが３５μｍの時の、送信用圧電膜４１３Ｂの厚み寸法ｔＡと、受信用圧電膜４１４Ｂの厚み寸法ｔＢと、性能指数との関係を示す図である。図１２は、第一開口４１１Ａ及び第二開口４１１Ｂが４０μｍの時の、送信用圧電膜４１３Ｂの厚み寸法ｔＡと、受信用圧電膜４１４Ｂの厚み寸法ｔＢと、性能指数との関係を示す図である。図１３は、第一開口４１１Ａ及び第二開口４１１Ｂが４５μｍの時の、送信用圧電膜４１３Ｂの厚み寸法ｔＡと、受信用圧電膜４１４Ｂの厚み寸法ｔＢと、性能指数との関係を示す図である。また、図１４から図１７は、図１０から図１３において、性能指数が７５０００以上となる領域をそれぞれに明示した図である。なお、図１０から図１３に示す等高線は、性能指数７５０００の等高線である。
また、図１８は、従来例における超音波トランスデューサーの性能指数を示す図である。従来例として、１つの超音波トランスデューサーにおいて、超音波の送受信を行う（送信用圧電膜の厚み寸法ｔＡと、受信用圧電膜の厚み寸法ｔＢとが同値）である例を示している。
図１０から図１８に示すように、性能指数は、第一開口４１１Ａ及び第二開口４１１Ｂの開口幅が大きくなるに従って大きくなる。
ここで、従来のように、送信用圧電膜の厚み寸法ｔＡと、受信用圧電膜の厚み寸法ｔＢとが同値である場合、第一振動部や第二振動部の開口幅が３０μｍの場合、性能指数が７５０００未満となる。また、開口幅が３５μｍの場合であっても、性能指数を超える範囲は、圧電膜の膜厚が４００ｎｍ〜１８００ｎｍの範囲であり、設計の自由度が低下する。
これに対して、図１０及び図１４に示すように、本実施形態では、第一開口４１１Ａ及び第二開口４１１Ｂの開口幅が３０μｍであっても、性能指数が７５０００を超える超音波デバイス４が得られる。例えば、送信用圧電膜４１３Ｂの厚み寸法ｔＡを、送信感度が最大となる３００ｎｍとする場合では、受信用圧電膜４１４Ｂの厚み寸法ｔＢを６５０ｎｍ程度にすれば、性能指数が７５０００近傍となる超音波デバイス４が得られる。また、送信用圧電膜４１３Ｂの厚み寸法ｔＡが９００ｎｍ近傍であっても、受信用圧電膜４１４Ｂの厚み寸法ｔＢが、６５０ｎｍ程度にすれば性能指数が７５０００近傍となる超音波デバイス４が得られる。つまり、開口幅が３０μｍの場合では、送信用圧電膜４１３Ｂの厚み寸法ｔＡとして３００ｎｍ以上９００ｎｍ以下の範囲であれば、当該厚み寸法ｔＡよりも３５０ｎｍ以上大きい厚み寸法ｔＢの受信用圧電膜４１４Ｂを設計すれば、性能指数が７５０００以上となる超音波デバイス４が得られる。
また、第一開口４１１Ａ及び第二開口４１１Ｂの開口幅が３５μｍ以上の場合では、開口幅が３０μｍの場合に比べて、更に、性能指数が７５０００を超える領域が大きくなる。また、図１８と比較すると分かるように、従来例に対して極めて高い性能指数を得ることができる。
以上のように、図１０から図１７から、送信用圧電膜４１３Ｂの厚み寸法ｔＡは、３００ｎｍ以上２７５０ｎｍ以下であり、受信用圧電膜４１４Ｂの厚み寸法ｔＢは、６００ｎｍ以上３１００ｎｍ以下であり、かつ、送信用圧電膜４１３Ｂが受信用圧電膜４１４Ｂよりも厚み寸法が小さく、ｔＢ−ｔＡ≧３５０（ｎｍ）を満たすことが好ましい。
ところで、図７に示すように、超音波トランスデューサーの固有周波数を所定値に設定する場合、当該超音波トランスデューサーを構成する圧電膜（送信用圧電膜４１３Ｂや受信用圧電膜４１４Ｂ）の厚み寸法にも依存し、厚み寸法が増大する程、固有周波数が高く、厚み寸法が減少する程、固有周波数が低くなる。
上述したように、送信用圧電膜４１３Ｂの厚み寸法ｔＡは、受信用圧電膜４１４Ｂの厚み寸法ｔＢよりも小さい。超音波デバイス４において、所定の周波数の超音波の送受信処理を実施するためには、送信トランスデューサー４２１の固有周波数と、受信トランスデューサー４３１の固有周波数とを略揃える必要がある。よって、本実施形態では、送信トランスデューサー４２１と重なる第一開口４１１Ａの開口幅ＬＡは、受信トランスデューサー４３１と重なる第二開口４１１Ｂの開口幅ＬＢよりも小さく形成されている。
例えば、８ＭＨｚの超音波の送受信処理を行う際に、送信用圧電膜４１３Ｂの厚み寸法ｔＡが３００ｎｍであり、受信用圧電膜４１４Ｂの厚み寸法ｔＢが１３５０ｎｍである場合、第一開口４１１Ａの開口幅ＬＡは約３３μｍとなり、第二開口の開口幅ＬＢは約３５μｍとなる。
しかしながら、送信トランスデューサー４２１及び受信トランスデューサー４３１の固有周波数を同じ値とすると、送信トランスデューサー４２１から超音波を送信した際に、受信トランスデューサー４３１が共振し、当該共振に起因する出力電圧が受信トランスデューサー４３１から出力され、ノイズ成分となる。
したがって、本実施形態では、送信トランスデューサー４２１の固有周波数は、受信トランスデューサー４３１の固有周波数とは異なる値に設定されている。具体的には、受信トランスデューサー４３１の固有周波数は、送信トランスデューサー４２１の固有周波数に比べて、０．２ＭＨｚ以上０．８ＭＨｚ以下の範囲で小さく設定されることが好ましく、より好ましくは、受信トランスデューサー４３１の固有周波数よりも０．５ＭＨｚ小さく設定される。
例えば、８ＭＨｚの超音波の送受信処理において、送信トランスデューサー４２１の固有周波数を８ＭＨｚに設定する場合には、受信トランスデューサー４３１の固有周波数は、７．５ＭＨｚに設定される。したがって、送信用圧電膜４１３Ｂの厚み寸法ｔＡが３００ｎｍであり、受信用圧電膜４１４Ｂの厚み寸法ｔＢが１３５０ｎｍである場合、第一開口４１１Ａの開口幅ＬＡは約３３μｍとなり、第二開口４１１Ｂの開口幅ＬＢは約３７μｍとなる。
この場合、受信トランスデューサー４３１に対応する第二開口４１１Ｂの開口幅ＬＢが大きくなり、第二振動部４１２Ｂが振動しやすくなるので、受信感度も向上する。
本実施形態の超音波デバイス４では、生体における測定部位（深度）に応じた超音波の周波数に合わせて送信トランスデューサー４２１の固有周波数ｆＡを設定し、当該送信トランスデューサー４２１の固有周波数よりも例えば０．５ＭＨｚ小さい周波数を受信トランスデューサー４３１の固有周波数ｆＢとして設定する。そして、上記設定された固有周波数ｆＡを満たす送信用圧電膜４１３Ｂの厚み寸法ｔＡ、及び第一開口４１１Ａの開口幅ＬＡの組合せと、固有周波数ｆＢを満たす受信用圧電膜４１４Ｂの厚み寸法ｔＢ、及び第二開口４１１Ｂの開口幅ＬＢの組合せとのうち、超音波の送受信処理における性能指数７５０００を超える組合せ、より好ましくは、性能指数が最大となる組み合わせを求める。このように求められた送信用圧電膜４１３Ｂの厚み寸法ｔＡ、第一開口４１１Ａの開口幅ＬＡ、受信用圧電膜４１４Ｂの厚み寸法ｔＢ、及び第二開口４１１Ｂの開口幅ＬＢとなるように、送信トランスデューサー４２１及び受信トランスデューサー４３１が形成される。
これにより、所望の超音波周波数に対して送受信効率が最適となる超音波デバイス４が構成されている。
［音響レンズの構成］
図３に戻り、超音波センサー２２を構成する音響レンズ７について説明する。
音響レンズ７は、超音波デバイス４から送信された超音波を測定対象である生体に効率よく伝搬させ、また、生体内で反射した超音波を効率よく超音波デバイス４に伝搬させる。この音響レンズ７は、超音波デバイス４が超音波を送受信する面に沿って配置される。なお、図示を省略するが、超音波デバイス４と音響レンズ７との間には、音響整合層が設けられる。これら、音響レンズ７及び音響整合層は、例えばシリコーン等により構成され、素子基板４１１の超音波トランスデューサー（送信トランスデューサー４２１及び受信トランスデューサー４３１）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。
［回路基板の構成］
次に、図２に戻り、回路基板６について説明する。
回路基板６は、複数の駆動信号端子（図示省略）と、複数の受信信号端子（図示略）と、複数のコモン信号端子（図示省略）とを備え、配線部材５によって超音波デバイス４が接続される。具体的には、複数の駆動信号端子のそれぞれは、送信トランスデューサー４２１の下部電極４１３Ａに接続された対応する第一信号端子ＳＡに接続され、複数の受信信号端子のそれぞれは、受信トランスデューサー４３１の下部電極４１４Ａに接続された対応する第二信号端子ＳＢに接続され、複数のコモン信号端子のそれぞれは、コモン端子ＣＡに接続されている。
また、この回路基板６は、超音波デバイス４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、回路基板６は、図２に示すように、送信回路６１、受信回路６２、分極電圧出力部６３、送信選択回路６４、及び受信選択回路６５等を含んで構成されている。
送信回路６１は、制御装置１０の制御により送信トランスデューサー４２１を駆動させるためのパルス波形の駆動電圧を送信選択回路６４に出力する。
受信回路６２は、受信トランスデューサー４３１から出力された出力電圧（受信信号）を制御装置１０に出力する。受信回路６２は、例えば増幅回路、ローパスフィルター、Ａ／Ｄコンバーター、整相加算回路等を含んで構成されており、受信信号のデジタル信号への変換、ノイズ成分の除去、所望信号レベルへの増幅、各受信チャンネル毎の整相加算処理等の各信号処理を実施した後、処理後の受信信号を制御装置１０に出力する。
分極電圧出力部６３は、送信用圧電膜４１３Ｂ及び受信用圧電膜４１４Ｂの分極処理を行うための分極電圧を出力する。
送信トランスデューサー４２１及び受信トランスデューサー４３１の送受信効率を維持するためには、超音波の送受信処理を実施する前（又は一定周期毎に）に、送信用圧電膜４１３Ｂ及び受信用圧電膜４１４Ｂの双方に対して、２００ｋＶ／ｃｍ以上の電界をかけて、分極方向を初期化する必要がある。２００ｋＶ／ｃｍ未満の電界では、各圧電膜の分極方向の初期化が不十分となり、送受信効率の低下を招く。
また、上述したように、送信用圧電膜４１３Ｂの厚み寸法ｔＡは、受信用圧電膜４１４Ｂの厚み寸法ｔＢよりも小さい。したがって、分極電圧出力部６３は、受信用圧電膜４１４Ｂを分極するための受信分極電圧ＶＢとして、送信用圧電膜４１３Ｂを分極するための送信分極電圧ＶＡよりも大きい電圧を出力する。下記表１には、各圧電膜（送信用圧電膜４１３Ｂ、受信用圧電膜４１４Ｂ）の厚み寸法と、その厚み寸法に対する分極電圧（送信分極電圧ＶＡ、受信分極電圧ＶＢ）の一例を示す。分極電圧出力部６３は、表１に示すような送信分極電圧ＶＡを、送信選択回路６４に出力し、受信分極電圧ＶＢを、受信選択回路６５に出力する。
Figure 2017200106
送信選択回路６４は、制御装置１０の制御に基づいて、各超音波送信部４２（第一信号端子ＳＡ）と送信回路６１とを接続する超音波送信接続と、各超音波送信部４２（第一信号端子ＳＡ）と分極電圧出力部６３とを接続する送信分極接続と、に切り替える。
受信選択回路６５は、制御装置１０の制御に基づいて、各超音波受信部４３（第二信号端子ＳＢ）と受信回路６２とを接続する超音波受信接続と、各超音波受信部４３（第二信号端子ＳＢ）と分極電圧出力部６３とを接続する受信分極接続と、に切り替える。
［制御装置の構成］
制御装置１０は、図２に示すように、例えば、操作部１１と、表示部１２と、記憶部１３と、制御部１４と、を備えて構成されている。この制御装置１０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てもよく、超音波プローブ２を操作するための専用端末装置であってもよい。
操作部１１は、ユーザーが超音波測定装置１を操作するためのＵＩ（User Interface）であり、例えば表示部１２上に設けられたタッチパネルや、操作ボタン、キーボード、マウス等により構成することができる。
表示部１２は、例えば液晶ディスプレイ等により構成され、画像を表示させる。
記憶部１３は、超音波測定装置１を制御するための各種プログラムや各種データを記憶する。
制御部１４は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算回路や、後述する各処理を実施する処理回路や、メモリー等の記憶回路により構成されている。そして、制御部１４は、記憶部１３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、送受信制御部１４１、信号処理部１４２、及び分極制御部１４３等として機能する。
送受信制御部１４１は、例えば操作部１１から超音波測定を実施する旨の操作信号が入力された際に、送信選択回路６４を超音波送信接続に切り替え、受信選択回路６５を超音波受信接続に切り替える。そして、送受信制御部１４１は、送信回路６１から駆動電圧を出力させ、各送信トランスデューサー４２１から超音波を送信させる。また、送受信制御部１４１は、受信回路６２から出力された受信信号を取得する。
信号処理部１４２は、受信回路６２から取得した受信信号に基づいて、所定の処理を実施する。例えば、信号処理部１４２は、受信信号に基づいて、生体の内部断層画像を生成して、表示部１２に出力したり、血流や血圧の測定処理を実施したりする。
分極制御部１４３は、例えば所定のタイミングで送信選択回路６４を送信分極接続に切り替え、受信選択回路６５を受信分極接続に切り替える。このタイミングとしては、例えば、超音波測定装置１の電源がオフ状態からオン状態に切り替わった際や、送受信制御部１４１による測定処理を実施する直前、あるいは一定周期毎等が例示できる。
［本実施形態の作用効果］
本実施形態の超音波デバイス４は、送信トランスデューサー４２１と、受信トランスデューサー４３１とを備える。送信トランスデューサー４２１は、素子基板４１１の第一開口４１１Ａを覆う支持膜４１２（第一振動部４１２Ａ）と、第一振動部４１２Ａ上に設けられた送信圧電素子４１３により構成されており、送信圧電素子４１３は、厚み方向において下部電極４１３Ａ及び上部電極４１５により挟まれた送信用圧電膜４１３Ｂを備える。また、受信トランスデューサー４３１は、素子基板４１１の第二開口４１１Ｂを覆う支持膜４１２（第二振動部４１２Ｂ）と、第二振動部４１２Ｂ上に設けられた受信圧電素子４１４により構成されており、受信圧電素子４１４は、厚み方向において下部電極４１４Ａ及び上部電極４１５により挟まれた受信用圧電膜４１４Ｂを備える。そして、本実施形態では、送信用圧電膜４１３Ｂの厚み寸法ｔＡは、受信用圧電膜４１４Ｂの厚み寸法ｔＢより小さく形成されている。
送信トランスデューサー４２１では、送信用圧電膜４１３Ｂの厚み寸法ｔＡが小さくなる程、送信感度が高くなる。一方、受信トランスデューサー４３１では、受信用圧電膜４１４Ｂの厚み寸法ｔＢを３００ｎｍから大きくすると、受信感度が急峻に高まり、厚み寸法ｔＢが１３００ｎｍから１７００ｎｍとなる際にピークとなり、その後、徐々に受信感度が低下する。したがって、送信用圧電膜４１３Ｂの厚み寸法ｔＡを、受信用圧電膜４１４Ｂの厚み寸法ｔＢよりも小さくすることで、１つの超音波トランスデューサーにより超音波の送受信を行う場合や、送信トランスデューサーと受信トランスデューサーとにおいて同じ厚み寸法の圧電膜を用いる場合等に比べて、送信トランスデューサー４２１における超音波の送信効率を高く、受信トランスデューサー４３１における超音波の受信効率を高くすることができる。
また、本実施形態では、送信用圧電膜４１３Ｂの厚み寸法ｔＡは、３００ｎｍ以上２７５０ｎｍ以下であり、受信用圧電膜４１４Ｂの厚み寸法ｔＢは、６００ｎｍ以上３１００ｎｍ以下であり、ｔＢ−ｔＡ≧３５０ｎｍとなる。このような構成では、図１０から図１８に示すように、超音波デバイス４における超音波の送受信の性能指数（ｎｍ・ｎＶ／Ｐａ）が７５０００（ｎｍ・ｎＶ／Ｐａ）を超え、高い送受信効率の超音波デバイスを得ることができる。
本実施形態では、第一開口４１１Ａの開口幅ＬＡは、第二開口４１１Ｂの開口幅ＬＢよりも小さい。送信トランスデューサー４２１や受信トランスデューサー４３１の固有周波数は、第一開口４１１Ａの開口幅ＬＡや第二開口４１１Ｂの開口幅ＬＢ、送信用圧電膜４１３Ｂの厚み寸法ｔＡや受信用圧電膜４１４Ｂの厚み寸法ｔＢに依存し、開口幅ＬＡ，ＬＢが大きくなるに従って、また、厚み寸法ｔＡ，ｔＢが小さくなるに従って低減する。本実施形態では、送信用圧電膜４１３Ｂの厚み寸法ｔＡが、受信用圧電膜４１４Ｂの厚み寸法ｔＢよりも小さくなる。従って、第一開口４１１Ａの開口幅ＬＡを第二開口４１１Ｂの開口幅ＬＢよりも小さくすることで、送信トランスデューサー４２１から送信させる超音波の周波数と、受信トランスデューサー４３１にて受信させる超音波の周波数とを略一致させることができる。
本実施形態では、送信トランスデューサー４２１の固有周波数ｆＡは、受信トランスデューサー４３１の固有周波数ｆＢよりも、０．２ＭＨｚ〜０．８ＭＨｚ（より好ましくは０．５ＭＨｚ）大きく設定されている。
送信トランスデューサー４２１と受信トランスデューサー４３１との固有周波数を一致させると、送信トランスデューサー４２１から超音波を送信した際に、受信トランスデューサー４３１が共振し、ノイズ成分を含んだ出力電圧が出力され、超音波の受信精度に影響が出る。これに対して、本実施形態では、送信トランスデューサー４２１と受信トランスデューサー４３１との固有周波数がそれぞれ異なるため、上記のような共振によるノイズを低減でき、受信精度を向上できる。
ここで、ｆＡ−ｆＢ＜０．２ＭＨｚとなる場合では、超音波の送信時に受信トランスデューサー４３１の共振を十分に抑制できず受信精度が低下する。また、ｆＡ−ｆＢ＞０．８ＭＨｚとなる場合、送信トランスデューサー４２１により送信される超音波の周波数と、受信トランスデューサー４３１にて好適に受信可能な超音波の周波数との差が大きくなるので、受信トランスデューサーにおける受信精度が低下する。これに対して、上記のような範囲とすることで、受信トランスデューサー４３１から出力される出力電圧へのノイズ成分の混入を抑制しつつ、送信トランスデューサー４２１から送信される超音波の反射波を、受信トランスデューサー４３１にて高い受信感度で受信することができ、超音波デバイス４における超音波の送受信効率の向上を図れる。
また、受信トランスデューサー４３１の固有周波数ｆＢを、送信トランスデューサー４２１の固有周波数ｆＡよりも小さくする。この場合、受信トランスデューサー４３１における第二開口４１１Ｂの開口幅ＬＢを大きくすることになるので、第二振動部４１２Ｂが撓みやすくなり、受信トランスデューサー４３１における受信感度の向上を図れる。
本実施形態では、回路基板６には、分極電圧出力部６３が設けられ、この分極電圧出力部６３は、例えば超音波デバイス４における超音波の送受信処理を実施する前に、送信用圧電膜４１３Ｂに対して送信分極電圧ＶＡを印加して分極処理を行い、受信用圧電膜４１４Ｂに対して送信分極電圧ＶＡよりも大きい受信分極電圧ＶＢを印加して分極処理を行う。送信用圧電膜４１３Ｂに対して、受信分極電圧ＶＢを印加すると、電圧が大きすぎることで送信用圧電膜４１３Ｂに絶縁破壊が発生するおそれがあり、受信用圧電膜４１４Ｂに対して、送信分極電圧ＶＡを印加すると、十分な分極処理ができず受信感度が低下することが考えられる。これに対して、本実施形態では、送信用圧電膜４１３Ｂ及び受信用圧電膜４１４Ｂのそれぞれに対して最適な分極電圧を印加することができ、送信トランスデューサー４２１及び受信トランスデューサー４３１における送受信効率を高く維持することができる。
以上のように、本実施形態では、超音波デバイス４における送受信効率が高くなるので、超音波プローブ２を用いた生体への超音波測定を実施する場合においても、好適に超音波の送受信処理を行うことができる。また、制御装置１０は、当該超音波デバイス４により得られた超音波測定の結果に基づいて、高精度な測定処理（例えば内部断層画像の生成や、血圧や血流の測定等）を行うことができる。
［変形例］
なお、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良、及び各実施形態を適宜組み合わせる等によって得られる構成は本発明に含まれるものである。
上記実施形態において、送信用圧電膜４１３Ｂと受信用圧電膜４１４Ｂの厚み寸法の差が３５０ｎｍ以上であるとしたが、これに限定されない。例えば図１４に示すように、送信用圧電膜４１３Ｂの厚み寸法ｔＡを６５０ｎｍとし、受信用圧電膜４１４Ｂの厚み寸法ｔＢを８００ｎｍとしてもよい。
上記実施形態において、第一開口４１１Ａの開口幅ＬＡが、第二開口４１１Ｂの開口幅ＬＢよりも小さいとしたが、これに限定されない。
上述したように、送信トランスデューサー４２１における固有周波数と、受信トランスデューサー４３１の固有周波数とを異なる周波数とすることで、超音波の送信時に、受信トランスデューサー４３１の共振を避けることができる。この際、送信トランスデューサー４２１の固有周波数を、受信トランスデューサー４３１の固有周波数よりも小さくしてもよい。例えば、送信トランスデューサー４２１の固有周波数を７．５ＭＨｚとし、受信トランスデューサー４３１の固有周波数を８ＭＨｚとしてもよい。この場合では、例えば、図７に示すように、送信用圧電膜４１３Ｂの厚み寸法ｔＡを８００ｎｍとし、受信用圧電膜４１４Ｂの厚み寸法ｔＢを１３００ｎｍとし、第一開口４１１Ａ及び第二開口４１１Ｂの開口幅ＬＡ，ＬＢを３５μｍとしてもよい。この場合、図１１や図１７に示すように、送受信の性能指数も７５０００を超える値となり、超音波デバイス４において、高い送受信効率での送受信処理が可能である。
上記実施形態において、送信分極電圧ＶＡが、受信分極電圧ＶＢよりも小さい例を示したが、これに限定されない。分極電圧としては、送信用圧電膜４１３Ｂや、受信用圧電膜４１４Ｂにおいて、絶縁破壊が発生せず、かつ、２００ｋＶ／ｃｍ以上の電界が印加されればよい。したがって、受信分極電圧ＶＢを送信用圧電膜４１３Ｂに印加した差に、絶縁破壊が発生しない場合では、送信用圧電膜４１３Ｂ及び受信用圧電膜４１４Ｂに対して、受信分極電圧ＶＢを印加してもよい。
上記実施形態において、第一開口４１１Ａ及び第二開口４１１Ｂが、素子基板４１１の厚み方向から見た際に正方形状となる構成を例示したが、これに限定されない。例えば、円形状であってもよく、長方形状であってもよい。
上記実施形態では、超音波デバイス４は、素子基板４１１の第一開口４１１Ａに超音波を送信し、第二開口４１１Ｂから入射する超音波を受信する構成例を示したが、これに限定されない。例えば、素子基板４１１の支持膜４１２とは反対側に図示略の補強板が設けられ、第一開口４１１Ａとは反対側（送信圧電素子４１３側）に超音波を送信し、第二開口４１１Ｂとは反対側（受信圧電素子４１４側）から入射する超音波を受信する構成としてもよい。
上記各実施形態では、生体の一部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超音波測定装置に、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超音波測定装置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（超音波モジュール）、４…超音波デバイス、６…回路基板、１０…制御装置、１４…制御部、２１…筐体、２２…超音波センサー、４０…超音波トランスデューサー、４１…素子基板、４２…超音波送信部、４３…超音波受信部、６１…送信回路、６２…受信回路、６３…分極電圧出力部、６４…送信選択回路、６５…受信選択回路、４１１…素子基板、４１１Ａ…第一開口、４１１Ｂ…第二開口、４１１Ｃ…隔壁部、４１２…支持膜、４１２Ａ…第一振動部、４１２Ｂ…第二振動部、４１３…送信圧電素子、４１３Ａ…下部電極、４１３Ｂ…送信用圧電膜、４１４…受信圧電素子、４１４Ａ…下部電極、４１４Ｂ…受信用圧電膜、４１５…上部電極、４２１…送信トランスデューサー、４３１…受信トランスデューサー、ＬＡ…第一開口の開口幅、ＬＢ…第二開口の開口幅、ｔＡ…送信用圧電膜の厚み寸法、ｔＢ…受信用圧電膜の厚み寸法。

Claims (9)

  1. 第一開口と第二開口とを有する基板と、
    前記基板上に設けられ、前記第一開口及び前記第二開口を閉塞する支持膜と、
    前記支持膜上に設けられ、かつ前記基板の厚み方向から見た際に、前記第一開口と重なる位置に設けられ、前記基板の厚み方向において一対の電極に挟まれた送信用圧電膜と、
    前記支持膜上に設けられ、かつ前記基板の厚み方向から見た際に、前記第二開口と重なる位置に設けられ、前記基板の厚み方向において一対の電極に挟まれた受信用圧電膜と、
    を備え、
    前記基板の厚み方向に対する前記送信用圧電膜の厚み寸法は、前記受信用圧電膜の厚みよりも薄い
    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、
    前記送信用圧電膜の厚み寸法は、３００ｎｍ以上２７５０ｎｍ以下であり、
    前記受信用圧電膜の厚み寸法は、６００ｎｍ以上３１００ｎｍ以下であり、
    前記送信用圧電膜と前記受信用圧電膜の厚み寸法の差は、３５０ｎｍ以上である
    ことを特徴とする超音波デバイス。
  3. 請求項１又は請求項２に記載の超音波デバイスにおいて、
    前記第一開口の開口幅は、前記第二開口の開口幅よりも小さい
    ことを特徴とする超音波デバイス。
  4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波デバイスにおいて、
    前記支持膜は、前記第一開口を閉塞する第一振動部と、前記第二開口を閉塞する第二振動部と、含み、
    前記第一振動部と、前記送信用圧電膜とを含んで、送信トランスデューサーが構成され、
    前記第二振動部と、前記受信用圧電膜とを含んで、受信トランスデューサーが構成され、
    前記送信トランスデューサーの固有周波数は、前記受信トランスデューサーの固有周波数と異なる
    ことを特徴とする超音波デバイス。
  5. 請求項４に記載の超音波デバイスにおいて、
    前記送信トランスデューサーの固有周波数と、前記受信トランスデューサーの固有周波数との差が０．２ＭＨｚ以上０．８ＭＨｚ以下である
    ことを特徴とする超音波デバイス。
  6. 請求項４又は請求項５に記載の超音波デバイスにおいて、
    前記受信トランスデューサーの固有周波数は、前記送信トランスデューサーの固有周波数よりも小さい
    ことを特徴とする超音波デバイス。
  7. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超音波デバイスにおいて、
    前記送信用圧電膜に送信分極電圧を印加し、前記受信用圧電膜に受信分極電圧を印加する分極電圧出力部を有し、
    前記送信分極電圧は、前記受信分極電圧よりも小さい
    ことを特徴とする超音波デバイス。
  8. 第一開口と第二開口とを有する基板と、前記基板上に設けられ、前記第一開口及び前記第二開口を閉塞する支持膜と、前記支持膜上に設けられ、かつ前記基板の厚み方向から見た際に、前記第一開口と重なる位置に設けられ、前記基板の厚み方向において一対の電極に挟まれた送信用圧電膜と、前記支持膜上に設けられ、かつ前記基板の厚み方向から見た際に、前記第二開口と重なる位置に設けられ、前記基板の厚み方向において一対の電極に挟まれた受信用圧電膜と、を備えた超音波デバイスと、
    前記超音波デバイスを収納する筐体と、を備え、
    前記基板の厚み方向に対する前記送信用圧電膜の厚み寸法が、前記受信用圧電膜の厚みよりも薄い
    ことを特徴とする超音波モジュール。
  9. 第一開口と第二開口とを有する基板と、前記支持膜上に設けられ、かつ前記基板の厚み方向から見た際に、前記第一開口と重なる位置に設けられ、前記基板の厚み方向において一対の電極に挟まれた送信用圧電膜と、前記支持膜上に設けられ、かつ前記基板の厚み方向から見た際に、前記第二開口と重なる位置に設けられ、前記基板の厚み方向において一対の電極に挟まれた受信用圧電膜と、を備えた超音波デバイスと、
    前記超音波デバイスを制御する制御部と、を備え、
    前記基板の厚み方向に対する前記送信用圧電膜の厚み寸法が、前記受信用圧電膜の厚みよりも薄い
    ことを特徴とする超音波測定装置。
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