JP6175780B2 - 超音波デバイス、超音波プローブ、電子機器および超音波画像装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波デバイス、超音波プローブ、電子機器および超音波画像装置に関する。

従来から、超音波を受発信する超音波素子が知られ、この超音波素子を用いた超音波デバイスが様々な用途に用いられている。
例えば、特許文献１には、超音波を受発信する超音波振動子（超音波素子）と、超音波を収束させる音響レンズと、超音波振動子と音響レンズとの間に音響整合層とを設けた超音波プローブなどに用いられる超音波デバイスが開示されている。

特開２０１２−１００９９４号公報

このような構造の超音波デバイスでは、超音波が通過する界面での反射を防止するために音響整合層の厚みは所定の厚みで形成される。音響整合層の厚みは超音波を効率よく受発信するために精度の高い厚みが要求されるが、樹脂を用いてこの音響整合層を形成する場合、所望の厚みに音響整合層を形成するのは困難である。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例にかかる超音波デバイスは、圧電体を備え、超音波の発信および受信の少なくとも一方を行う複数の超音波素子を有する超音波素子アレイ基板と、前記超音波素子アレイ基板が固定される凹部と、前記凹部の底部平面の一部が開口されて貫通孔が形成された貫通部と、を有し、前記凹部内に前記超音波素子アレイ基板の素子形成面が前記貫通部に向かって固定される固定枠と、前記固定枠の前記貫通部を覆い前記固定枠と固着され、超音波を収束させるレンズ部を有する音響レンズと、前記超音波素子アレイ基板と前記音響レンズの間に配置され、前記超音波素子アレイ基板と前記音響レンズとを固着する樹脂で形成された音響整合層と、を備え、前記音響レンズと前記固定枠とが接触し、前記音響整合層の厚みが一定に保持されることを特徴とする。

この構成によれば、固定枠の凹部内に、貫通部を通して超音波素子アレイ基板の素子形成面が露出するように固定される。そして、固定枠の貫通部を覆い音響レンズと固定枠とが接触して固着される。
このことから、超音波素子アレイ基板の表面と音響レンズのレンズ部との距離が規定でき、超音波素子アレイ基板と音響レンズとの間に形成される音響整合層の厚みを一定に保持することができる。そして、音響整合層の厚みを精度よく形成することができるので、効率よく超音波を受発信することができる。

［適用例２］上記適用例にかかる超音波デバイスにおいて、前記音響整合層は前記超音波素子アレイ基板と前記音響レンズとの間に充填され、前記超音波素子アレイ基板と前記音響レンズとに固着している樹脂であることが好ましい。

この構成によれば、音響整合層は樹脂で構成され、超音波素子アレイ基板と音響レンズとを樹脂（接着剤）を用いて固着することができる。
このため、超音波素子アレイ基板と音響レンズとを接着するとともに、硬化した樹脂（接着剤）が音響整合層としての機能を果たすことができる。

［適用例３］上記適用例にかかる超音波デバイスにおいて、前記固定枠の一部に第１突起部が形成され、前記第１突起部と前記音響レンズとが接触し、前記超音波素子アレイ基板と前記音響レンズとの間の距離が規定されることが好ましい。

この構成によれば、音響レンズが接触する固定枠の一部に第１突起部が形成されている。
このため、第１突起部にて音響レンズを受けることになり、固定面での傾きなどを生ずることなく音響レンズを精度よく固定枠に固定することができる。

［適用例４］上記適用例にかかる超音波デバイスにおいて、前記音響レンズの一部に第２突起部が形成され、前記第２突起部と前記固定枠とが接触し、前記超音波素子アレイ基板と前記音響レンズとの間の距離が規定されることが好ましい。

この構成によれば、固定枠と接触する音響レンズの一部に第２突起部が形成されている。
このため、第２突起部で固定枠を受けることになり、固定面での傾きなどを生ずることなく音響レンズを精度よく固定枠に固定することができる。

［適用例５］上記適用例にかかる超音波デバイスにおいて、前記超音波素子アレイ基板の前記素子形成面とは反対の面にバックプレートが固定され、前記固定枠の前記凹部に前記バックプレートを覆って樹脂が充填されていることが好ましい。

この構成によれば、超音波素子アレイ基板の素子形成面とは反対の面にバックプレートが固定され、固定枠の凹部に樹脂が充填されている。
このため、超音波素子アレイ基板およびバックプレートを固定枠内に確実に固定することができる。

［適用例６］上記適用例にかかる超音波デバイスにおいて、前記超音波素子アレイ基板は、複数の開口部がアレイ状に配置されたベース基板と、前記開口部を覆って形成され膜厚方向に変位可能な振動膜と、前記振動膜に設けられた圧電体部と、を有し、前記圧電体部は、前記振動膜の上に設けられる第１電極と、前記第１電極の少なくとも一部を覆って設けられる圧電体層と、前記圧電体層の少なくとも一部を覆って設けられる第２電極と、を有することが好ましい。

この構成によれば、超音波素子アレイ基板は、複数の開口部がアレイ状に配置されたベース基板と、開口部を覆って形成され膜厚方向に変位可能な振動膜と、振動膜に設けられた圧電体部と、を有し、圧電体部は、振動膜の上に第１電極、圧電体層、第２電極が積層して構成されている。
このような構成の超音波素子アレイ基板は小型化が可能であり、超音波デバイスの小型化を図ることができる。

［適用例７］本適用例にかかる超音波プローブは、上記適用例のいずれか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。

この構成によれば、上記の超音波デバイスと、この超音波デバイスを支持する筐体と、を備えている。
本適用例の超音波プローブは、音響整合層の厚みを適正に設定でき、効率よい超音波の受発信を行う超音波デバイスを備えており、精度の高い超音波プローブを提供できる。

［適用例８］本適用例にかかる電子機器は、前記超音波デバイスに接続され、前記超音波デバイスの出力を処理する処理回路と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、上記の超音波デバイスと、超音波デバイスの出力を処理する処理回路と、を備えている。
本適用例の電子機器は、音響整合層の厚みを適正に設定でき、効率よい超音波の受発信を行う超音波デバイスを備えており、精度の高い電子機器を提供できる。

［適用例９］本適用例にかかる超音波画像装置は、前記超音波デバイスに接続され、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回路と、前記画像を表示する表示部と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、上記の超音波デバイスと、超音波デバイスの出力を処理し画像を生成する処理回路と、画像を表示する表示部と、を備えている。
本適用例の超音波画像装置は、音響整合層の厚みを適正に設定でき、効率よい超音波の受発信を行う超音波デバイスを備えており、精度の高い超音波画像装置を提供できる。

第１実施形態の超音波画像装置の構成を示す概略外観図。 第１実施形態に係る超音波プローブの部分断面図。 第１実施形態に係る超音波プローブのヘッド部の拡大断面図。 第１実施形態の超音波画像装置の制御ブロック図。 第１実施形態に係る超音波デバイスの平面図。 第１実施形態に係る超音波デバイスの断面図。 第１実施形態に係る超音波デバイスの断面図。 第１実施形態に係る超音波デバイスの音響レンズおよび音響整合層を除去した平面図。 第１実施形態に係る超音波デバイスの固定枠の構成を示す説明図。 第１実施形態に係る超音波デバイスの音響レンズの構成を示す説明図。 第１実施形態に係る超音波素子の概略構成を示す平面図。 第１実施形態に係る超音波素子の概略構成を示す断面図。 第１実施形態に係る超音波素子アレイ基板の概略構成を示す概念図。 第１実施形態に係る超音波デバイスの変形例を示す断面図。 第１実施形態に係る超音波デバイスの変形例を示す断面図。 第２実施形態に係る超音波デバイスの断面図。 第２実施形態に係る固定枠の平面図。 第３実施形態に係る超音波デバイスの構成を示す断面図。 第３実施形態に係る音響レンズの平面図。 他の超音波画像装置の構成を示す概略外観図。

以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の寸法の割合を適宜変更している。
（第１実施形態）

本実施形態では電子機器の一例として、例えば人体の内部を検査する超音波画像装置について説明する。
（１）超音波画像装置の全体構成
図１は本実施形態の超音波画像装置の概略外観図である。図２は超音波プローブの部分断面図であり、図３は超音波プローブのヘッド部の拡大断面図である。

図１に示すように、超音波画像装置１００は装置本体１１０と超音波プローブ１３０とを備える。装置本体１１０と超音波プローブ１３０とはケーブル１２０で接続され、装置本体１１０と超音波プローブ１３０の間でケーブル１２０を通じて電気信号のやり取りをすることができる。
そして、装置本体１１０には表示部１１２としてディスプレイパネルなどが組み込まれている。本実施形態では表示部１１２はタッチパネル型のディスプレイであり、ユーザーインターフェイス部（ＵＩ部）を兼ねている。
装置本体１１０では、超音波プローブ１３０で検出された超音波に基づき画像が生成され、画像化された検出結果が表示部１１２の画面に表示される。
超音波プローブ１３０は、直方体状の筐体１３２を備え、筐体１３２の長手方向の一端にケーブル１２０が接続されている。そして、その反対側に超音波の受発信を行うヘッド部１３４を有している。
なお、本実施形態の超音波画像装置１００は、装置本体１１０と超音波プローブ１３０とをケーブル１２０で接続する形態であるが、ケーブル１２０を用いず、無線により装置本体１１０と超音波プローブ１３０との間で信号のやり取りを行う形態であっても良い。

図２、図３に示すように、超音波プローブ１３０は、支持部材３０に固定された超音波デバイス１が筐体１３２内に収容されている。超音波デバイス１の表面は筐体１３２のヘッド部１３４の表面で露出し、ヘッド部１３４の表面から対象物に対して超音波を出力するとともに、対象物からの超音波の反射波（エコー波）を受信することができる。

図３に示すように、超音波プローブ１３０は、超音波デバイス１と筐体１３２のヘッド部１３４との間には隙間があり、その隙間にはシリコーン系のシール材が充填されたシール部１３６が設けられている。このシール部１３６により、超音波プローブ１３０の筐体１３２の超音波デバイス１に水分などが侵入するのを防止している。
さらに、超音波プローブ１３０は、超音波デバイス１の支持部材３０との間でシールするシール構造を有している。ここでのシール構造は、超音波デバイス１の支持部材３０の外周部に貼り付けられた弾性を有する両面テープなどの接着部材３５と、筐体１３２に貼り付けられた弾性を有する両面テープなどの接着部材１３５とを押し付ける状態で保持する構造である。

また、このシール構造の一部には超音波デバイス１と処理回路とを接続するフレキシブル印刷配線基板（以下、ＦＰＣ（Flexible Printed Circuits）と呼ぶことがある）６０が介在し、この部分では、ＦＰＣ６０を接着部材３５，１３５で挟んで押し付けられている。
なお、接着部材３５，１３５としては、ポリエチレンまたはウレタンなどの単泡体にアクリル系の接着剤が塗布された両面テープが用いられている。
このように、本実施形態の超音波プローブ１３０では２重のシール構造が採用され、筐体１３２内に水分などが侵入するのを防止している。

図４は超音波画像装置１００の制御ブロック図である。
超音波画像装置１００は、前述したように装置本体１１０と超音波プローブ１３０とを備える。
超音波プローブ１３０は、超音波デバイス１と処理回路１５０とを備えている。
処理回路１５０は、選択回路１５２、送信回路１５３、受信回路１５４、制御部１５５を有する。この処理回路１５０は、超音波デバイス１の送信処理及び受信処理を行う。
送信回路１５３は、送信期間において、選択回路１５２を介して超音波デバイス１に対して送信信号ＶＴを出力する。具体的には、送信回路１５３は、制御部１５５の制御に基づいて送信信号ＶＴを生成し、選択回路１５２に出力する。そして選択回路１５２は、制御部１５５の制御に基づいて、送信回路１５３からの送信信号ＶＴを出力する。送信信号ＶＴの周波数及び振幅電圧は、制御部１５５により設定することができる。

受信回路１５４は、超音波デバイス１からの受信信号ＶＲの受信処理を行う。具体的には、受信回路１５４は、受信期間において、選択回路１５２を介して超音波デバイス１からの受信信号ＶＲを受け取り、受信信号の増幅、ゲイン設定、周波数設定、Ａ／Ｄ変換（アナログ／デジタル変換）などの受信処理を行う。受信処理の結果は、検出データ（検出情報）として装置本体１１０の処理部１１６に出力する。受信回路１５４は、例えば低雑音増幅器、電圧制御アッテネーター、プログラマブルゲインアンプ、ローパスフィルター、Ａ／Ｄコンバーターなどで構成することができる。
制御部１５５は、送信回路１５３及び受信回路１５４を制御する。具体的には、制御部１５５は、送信回路１５３に対して送信信号ＶＴの生成及び出力処理の制御を行い、受信回路１５４に対して受信信号ＶＲの周波数設定やゲインなどの制御を行う。
選択回路１５２は、制御部１５５の制御に基づいて、選択された送信信号ＶＴを出力する。

装置本体１１０は、表示部１１２、主制御部１１５、処理部１１６、ＵＩ部（ユーザーインターフェイス部）１１７、を含む。
主制御部１１５は、超音波プローブ１３０に対して超音波の送受信制御を行い、処理部１１６に対して検出データの画像処理等の制御を行う。
処理部１１６は、受信回路１５４からの検出データを受けて、必要な画像処理や表示用画像データの生成などを行う。
ＵＩ部１１７は、ユーザーの行う操作（例えばタッチパネル操作など）に基づいて主制御部１１５に必要な命令（コマンド）を出力する。
表示部１１２は、例えば液晶ディスプレイ等であって、処理部１１６からの表示用画像データを表示する。
なお、主制御部１１５が行う制御の一部を処理回路１５０の制御部１５５が行ってもよいし、制御部１５５が行う制御の一部を主制御部１１５が行ってもよい。

（２）超音波デバイスの構成
次に、超音波プローブに組み込まれる超音波デバイスの構成について説明する。
図５は超音波デバイスの構成を示す平面図であり、図３における超音波プローブの矢印Ｈ方向から見た図に相当する。図６は図５のＡ−Ａ断線に沿う断面図であり、図７は図５のＢ−Ｂ断線に沿う断面図である。図８は図５の音響レンズおよび音響整合層を除去した平面図である。

図５、図６、図７に示すように、超音波デバイス１は、超音波素子アレイ基板２０、音響整合層４０、音響レンズ５０、固定枠７０を備え、さらに超音波素子アレイ基板２０と接続され回路との接続を果たすフレキシブル印刷配線基板（以下、ＦＰＣと呼ぶことがある）６０を備えていても良い。

超音波素子アレイ基板２０は複数の超音波素子がアレイ状に配置された基板であり、平面視で長方形の形状をしている。この超音波素子アレイ基板２０はシリコン基板を用いて形成され、厚みがおよそ１５０μｍ〜２００μｍである。そして、超音波素子アレイ基板２０の素子形成面とは反対の面に、超音波素子アレイ基板２０と同じ平面形状に形成されたバックプレート２２が接着されている。バックプレート２２は超音波素子アレイ基板２０の余分な振動を抑える役目を果たし、およそ厚みが５００μｍ〜６００μｍのシリコン基板が用いられている。このバックプレート２２はシリコン基板の他に金属板を用いてもよい。さらに、バックプレート２２として、エポキシ樹脂などの樹脂系の材料に、音響マッチング用および超音波減衰用のフィラーを混ぜたものでもよい。このときのバックプレート２２の厚みは５ｍｍ以上であることが好ましい。
なお、場合によりバックプレート２２を用いずに超音波デバイス１を構成してもよい。
超音波素子アレイ基板２０の詳細については後述する。
バックプレート２２に固定された超音波素子アレイ基板２０は、図７に示すように接着部材６５を介して固定枠７０に固定されている。

図９に固定枠の構成を示す。図９（ａ）は上平面図、図９（ｂ）は同図（ａ）のＣ−Ｃ断面図、図９（ｃ）は同図（ａ）のＤ−Ｄ断面図、図９（ｄ）は下平面図である。
固定枠７０は、外形が平面視で超音波素子アレイ基板２０より一回り大きい長方形の形状である。固定枠７０には一方の面から掘り下げられた凹部７１を有し、その凹部７１は底部平面７４に超音波素子アレイ基板２０が平面で配置できる大きさに形成されている。
この凹部７１の平面視における大きさは超音波素子アレイ基板２０の外形寸法よりも少し大きく形成されるのが好ましい。このようにすれば、超音波素子アレイ基板２０を凹部７１内で位置決めすることができ、超音波デバイス１の組み立てが容易となる。

また、固定枠７０は底部平面７４の一部が開口されて貫通孔が形成された貫通部７２を有している。貫通部７２は、固定枠７０の長手方向において底部平面７４の両端部分を残して開口されている。この残された底部平面７４が超音波素子アレイ基板２０を接着固定する固定部となる。そして、この底部平面７４に超音波素子アレイ基板２０の素子形成面を固定することで、貫通部７２から超音波素子アレイ基板２０の超音波素子が露出するように配置することができる。

さらに、固定枠７０の上平面の短手方向の２辺に、上面より掘り下げられた逃げ部７３が形成されている。この逃げ部７３は、超音波素子アレイ基板２０に接続するフレキシブル印刷配線基板（ＦＰＣ）６０が実装しやすいように形成され、フレキシブル印刷配線基板６０の厚みと同等の寸法（例えば、１２０〜１５０μｍ程度）で掘り下げられている。
なお、固定枠７０の材料として、ステンレス鋼などの金属またはアクリル樹脂などを利用することができる。

超音波素子アレイ基板２０の素子形成面には、平面視で対向する長辺に沿って複数の超音波素子に接続される複数の端子（図示せず）が表出している。図６、図８に示すように、この端子とＦＰＣ６０の端子（図示せず）とが接続され電気的接続が果たされている。この両者の接続には異方性導電接着剤、異方性導電フィルムなどが用いられ、熱と圧力をかけることで超音波素子アレイ基板２０の端子とＦＰＣ６０の端子とを容易に電気的接続することができる。
なお、超音波素子アレイ基板２０の端子と外部回路との接続にＦＰＣ６０を用いたが、これに限定されず、他の接続方法として例えばワイヤーボンディングなどの接続方法を用いても良い。

そして、図５、図６、図７に示すように、固定枠７０の貫通部７２が形成された側において貫通部７２を覆い、固定枠７０に接触して音響レンズ５０が配置されている。
この音響レンズの構成を図１０に示す。図１０（ａ）は平面図、図１０（ｂ）は同図（ａ）のＥ−Ｅ断面図、図１０（ｃ）は同図（ａ）のＧ−Ｇ断面図である。
音響レンズ５０は平面視で長方形の形状であり、その中央部にレンズ部５１を備えている。レンズ部５１は音響レンズ５０の一方の面に、所定の曲率で厚み方向に凸となるように設けられている。そして、このレンズ部５１は、後述する超音波素子アレイ基板２０の多数の超音波素子と対応する範囲をカバーできるように設けられる。また、音響レンズ５０の他方の面は平坦に形成されている。
この音響レンズ５０は、超音波素子アレイ基板２０の超音波素子から発信される超音波を効率よく対象物に導き、また、対象物から反射して戻ってくるエコー波を効率よく超音波素子に導く役割を果たす。
この音響レンズ５０はシリコーン樹脂などの樹脂で形成され、このシリコーン樹脂にはシリカなどを添加して比重を変えることで音響インピーダンスを調整することができる。

図６、図７に示すように、超音波素子アレイ基板２０と音響レンズ５０の間には音響整合層４０が形成されている。音響整合層４０はシリコーン系の接着剤が用いられ、接着剤が硬化することで超音波素子アレイ基板２０と音響レンズ５０とを固着（接着）させ、硬化した接着剤（樹脂）が音響整合層として機能する。この音響整合層４０の厚みは利用する超音波の波長λとして、例えば１／４λに設定されている。そして、音響整合層４０は超音波素子と音響レンズ５０の間の音響インピーダンスの不整合を緩和する役割を果たす。
また、音響レンズ５０の超音波素子と対向する側に、耐湿性向上のためのポリイミドを熱圧着させた構造であっても良い。
さらに、音響レンズ５０の超音波素子と対向する側に、第２の音響整合層を設けた構造であっても良い。

ここで、本実施形態の超音波デバイス１において、音響整合層４０の厚みＴ（超音波素子アレイ基板２０の素子形成面の表面から音響レンズ５０のレンズ部５１までの寸法）は、図７に示すように、接着部材６５の厚みｔ１と固定枠７０の厚みｔ２との和（Ｔ＝ｔ１＋ｔ２）で決定される。
このように、本実施形態の超音波デバイス１において、音響整合層４０の厚みＴは固定枠７０と音響レンズ５０とが接触することで適正に設定でき、その設定は容易である。そして、音響整合層４０の厚みを適正に設定できることから、効率よく超音波を受発信することができる。
また、本実施形態の超音波デバイス１は、固定枠７０に超音波素子アレイ基板２０が固定されているため、落下などの大きな衝撃が加わっても超音波素子アレイ基板２０が破損することがなく、超音波デバイス１の耐衝撃性を向上できる。さらに、本実施形態の超音波デバイス１は超音波素子アレイ基板２０と音響レンズ５０との間に樹脂で形成された音響整合層４０が配置され、音響レンズ５０からの衝撃力は４０にて吸収でき、耐衝撃性を向上させることができる。
なお、本実施形態では音響整合層４０を流動性のある接着剤を硬化させて利用したが、シート状の材料を用いて音響整合層を構成することもできる。また、本実施形態では音響整合層４０を１層で構成したが、多層で音響整合層４０を構成しても良い。

さらに、固定枠７０の凹部７１には超音波素子アレイ基板２０に固着したバックプレート２２を覆う樹脂２４が充填されている。この樹脂２４は超音波素子アレイ基板２０およびバックプレート２２を保護して凹部７１に固定する役割と、超音波素子アレイ基板２０から漏れる振動をバックプレート２２とともに用いることで減衰させる役割を果たす。
この樹脂２４はバックプレート２２と音響インピーダンスの整合性がとれていればどのようなものでもよく、特に材料を限定するものではない。
なお、振動の漏れの防止においてバックプレート２２で充分に振動を抑制できる場合には樹脂２４を用いなくても良い。

（３）超音波素子および超音波素子アレイ基板
次に、本実施形態の超音波素子および超音波素子アレイ基板について、薄膜圧電素子で構成した超音波素子を例にとって説明する。
図１１は、本実施形態の超音波素子の概略平面図である。図１２は、図１１のＨ−Ｈ断線に沿った断面を示す概略断面図である。図１３は本実施形態の超音波素子アレイ基板の概略構成を示す説明図である。

図１１、図１２に示すように、超音波素子１０は、ベース基板１１と、ベース基板１１に形成された振動膜（メンブレン）１３と、振動膜１３上に設けられた圧電体部１８とを有する。そして圧電体部１８は、第１電極１４、圧電体層１５、第２電極１６を有する。

超音波素子１０は、シリコンなどのベース基板１１に開口部１２を有し、開口部１２を覆って閉塞する振動膜１３を備えている。
開口部１２は、ベース基板１１の裏面（素子が形成されない面）側から反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等によりエッチングすることで形成される。
振動膜１３は、例えばＳｉＯ₂層とＺｒＯ₂層との２層構造により構成される。ここで、ＳｉＯ₂層は、ベース基板１１がＳｉ基板である場合、基板表面を熱酸化処理することで成膜することができる。また、ＺｒＯ₂層は、ＳｉＯ₂層上に例えばスパッタリングなどの手法により成膜される。ここで、ＺｒＯ₂層は、後述する圧電体層１５として例えばＰＺＴを用いる場合に、ＰＺＴを構成するＰｂがＳｉＯ₂層に拡散することを防止するための層である。また、ＺｒＯ₂層は、圧電体層の歪みに対する撓み効率を向上させるなどの効果もある。

振動膜１３の上には第１電極１４が形成され、第１電極１４の上に圧電体層１５が形成され、さらに圧電体層１５の上に第２電極１６が形成されている。
つまり、第１電極１４と第２電極１６との間に圧電体層１５が挟まれている構造となり、圧電体部１８を構成している。

第１電極１４は、金属薄膜で形成され、複数の超音波素子を備える場合、図１１のように素子形成領域の外側へ延長され、隣接する超音波素子に接続される配線であってもよい。
圧電体層１５は、例えばＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）薄膜により形成され、第１電極１４の少なくとも一部を覆うように設けられる。なお、圧電体層１５の材料は、ＰＺＴに限定されるものではなく、例えばチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ₃）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ₃）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ、Ｌａ）ＴｉＯ₃）などを用いてもよい。
第２電極１６は、金属薄膜で形成され、圧電体層１５の少なくとも一部を覆うように設けられる。この第２電極１６は、複数の超音波素子を備える場合、図１１のように素子形成領域の外側へ延長され、隣接する超音波素子に接続される配線であってもよい。
また、図１２に示すように、超音波素子１０を覆い、外部からの透湿を防止する防湿層１９が備えられている。この防湿層１９はアルミナなどの材料で形成され、超音波素子１０の全面あるいは一部に設けられている。なお、この防湿層１９は使用する状態や環境により適宜設ければよく、防湿層１９を設けない構造であっても良い。

圧電体層１５は、第１電極１４と第２電極１６との間、即ち第１電極１４と第２電極１６との間に電圧が印加されることで、面内方向に伸縮する。従って、圧電体層１５に電圧を印加すると、開口部１２側に凸となる撓みが生じ、振動膜１３を撓ませる。圧電体層１５に交流電圧を印加することで、振動膜１３が膜厚方向に対して振動し、この振動膜１３の振動により超音波が開口部１２から放射される。圧電体層１５に印加される電圧（駆動電圧）は、例えばピークからピークで１０〜３０Ｖであり、周波数は例えば１〜１０ＭＨｚである。

超音波素子１０は、出射された超音波が対象物で反射されて戻ってくるエコー波を受信する受信素子としても動作する。エコー波により振動膜１３が振動し、この振動によって圧電体層１５に応力が加わり、第１電極１４と第２電極１６との間に電圧が発生する。この電圧を受信信号として取り出すことができる。

次に、上記の超音波素子１０をアレイ状に配置した超音波素子アレイ基板について説明する。
図１３に、本実施形態の超音波素子アレイ基板の構成を示す。
超音波素子アレイ基板２０は、アレイ状に配置された複数の超音波素子１０、駆動電極線ＤＬ、コモン電極線ＣＬを含む。
複数の超音波素子１０は、ｍ行ｎ列のマトリックス状に配置される。本実施形態では第１の方向Ｄ１に沿って８行、そして第１の方向Ｄ１に交差する第２の方向Ｄ２に沿って１２列に配置される。
駆動電極線ＤＬ１〜ＤＬ１２は、第１の方向Ｄ１に沿って配線される。

超音波を出射する送信期間には、前述した処理回路１５０が出力する送信信号ＶＴ１〜ＶＴ１２が駆動電極線ＤＬ１〜ＤＬ１２を介して各超音波素子１０に供給される。また、超音波エコー信号を受信する受信期間には、超音波素子１０からの受信信号ＶＲ１〜ＶＲ１２が駆動電極線ＤＬ１〜ＤＬ１２を介して処理回路１５０に出力される。
コモン電極線ＣＬ１〜ＣＬ８は、第２の方向Ｄ２に沿って配線される。
コモン電極線ＣＬ１〜ＣＬ８には、コモン電圧ＶＣＯＭが供給される。このコモン電圧は一定の直流電圧であればよく、０Ｖすなわちグランド電位（接地電位）でなくてもよい。

なお、超音波素子１０の配置は、図１３に示すｍ行ｎ列のマトリックス配置に限定されない。
送信期間では、送信信号電圧とコモン電圧との差の電圧が各超音波素子１０に印加され、所定の周波数の超音波が放射される。

以上のように、本実施形態の超音波画像装置１００および超音波プローブ１３０は、音響整合層の厚みを適正に設定でき、効率よい超音波の受発信を行う超音波デバイス１を備えており、精度の高い超音波画像装置１００および超音波プローブ１３０を提供できる。
（第１実施形態の変形例）

次に第１実施形態の超音波デバイスの変形例について説明する。
図１４および図１５は超音波デバイスの変形例の構成を示す断面図である。本変形例では第１実施形態と同様な構成については同符号を付し、説明を省略する。
図１４に示す超音波デバイス２は、音響整合層４０と音響レンズ５０との間に、防湿層６６を有している。
防湿層６６は外部より透湿する水分が超音波素子アレイ基板２０に到達することを防止し、超音波デバイス２の信頼性を向上させることができる。
防湿層６６の材質としてはポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）などのフィルム材料が用いられるが、この材料に限定されない。

図１５に示す超音波デバイス３は、固定枠７０の音響レンズ５０と面する部分に段差部７５が設けられている。段差部７５は、第１実施形態の図７で示した、固定枠と音響レンズの接触部分の一部を掘り下げて形成されている。
音響整合層４０として流動性を有する接着剤を用いた場合、硬化前の接着剤が外にはみ出すおそれがあり、この段差部７５にてはみ出す接着剤を吸収することができる。また、接着剤に気泡が含まれた際に段差部７５が気泡の逃げ場となり、音響整合層４０の有効部分から気泡を分離することができる。
（第２実施形態）

次に第２実施形態の超音波デバイスについて説明する。
図１６は本実施形態の超音波デバイスの構成を示す断面図である。図１７は固定枠の構成を示し、裏面（超音波素子アレイ基板と接する面）から見た平面図である。
本実施形態は固定枠の構造が第１実施形態と異なり、他は第１実施形態の構成と同様である。このため、第１実施形態と同様な構成については同符号を付し、説明を省略する。

図１６に示す超音波デバイス４は、固定枠７０ａの音響レンズ５０と接触する部分に複数の第１突起部７６が設けられている。第１突起部７６は、図１７に示すように固定枠７０ａの長手方向の両側に設けられている。第１突起部７６は固定枠７０ａの上面より少し低い位置に形成され、さらに第１突起部７６の周辺は第１突起部７６から掘り下げられて段差部７７が形成されている。段差部７７は音響レンズ５０が嵌め込まれ位置決めされる形状に設けられている。
このように、固定枠７０ａの第１突起部７６と音響レンズ５０とが接触して、音響レンズ５０が固定枠７０ａに固定される。

ここで、本実施形態の超音波デバイス４において、音響整合層４０の厚みＴ（超音波素子アレイ基板２０の素子形成面の表面から音響レンズ５０のレンズ部５１までの寸法）は、図１６に示すように、接着部材６５の厚みｔ１と固定枠の厚み（第１突起部７６を含む固定枠の厚み）ｔ３との和（Ｔ＝ｔ１＋ｔ３）で決定される。
このように、本実施形態の超音波デバイス４において、音響整合層４０の厚みＴは固定枠７０ａと音響レンズ５０とが接触することで適正に設定でき、その設定は容易である。そして、音響整合層４０の厚みを適正に設定できることから、効率よく超音波を受発信することができる。
また、第１突起部７６にて音響レンズ５０を受けることになり、固定面での傾きなどを生ずることなく音響レンズ５０を精度よく固定枠７０ａに固定することができる。
さらに、固定枠７０ａの第１突起部７６の周辺に段差部７７が形成されており、音響整合層４０として流動性を有する接着剤を用いた場合、はみ出す接着剤を吸収することができる。また、接着剤に気泡が含まれた際に段差部７７が気泡の逃げ場となり、音響整合層４０の有効部分から気泡を分離することができる。
（第３実施形態）

次に第３実施形態の超音波デバイスについて説明する。
図１８は本実施形態の超音波デバイスの構成を示す断面図である。図１９は音響レンズの構成を示す平面図である。
本実施形態は音響レンズおよび固定枠の構造が第１実施形態と異なり、他は第１実施形態の構成と同様である。このため、第１実施形態と同様な構成については同符号を付し、説明を省略する。

図１８に示す超音波デバイス５は、音響レンズ５０ａの固定枠７０ｂと接触する部分に複数の第２突起部５２が設けられている。第２突起部５２は、図１９に示すように音響レンズ５０ａの長手方向の両側に設けられている。
固定枠７０ｂの第２突起部５２と接触する部分は、固定枠７０ｂの上面より少し低い位置に形成されている。また固定枠７０ｂは音響レンズ５０ａが嵌め込まれ位置決めされるように固定枠７０ｂの上面が掘り下げて形成されている。
このように、音響レンズ５０ａの第２突起部５２と固定枠７０ｂとが接触して、音響レンズ５０ａが固定枠７０ｂに固定される。

ここで、本実施形態の超音波デバイス５において、音響整合層４０の厚みＴ（超音波素子アレイ基板２０の素子形成面の表面から音響レンズ５０ａのレンズ部５１までの寸法）は、図１８に示すように、接着部材６５の厚みｔ１と固定枠の厚みｔ４と音響レンズ５０ａの第２突起部の厚みｔ５との和（Ｔ＝ｔ１＋ｔ４＋ｔ５）で決定される。
このように、本実施形態の超音波デバイス５において、音響整合層４０の厚みＴは固定枠７０ｂと音響レンズ５０ａとが接触することで適正に設定でき、その設定は容易である。そして、音響整合層４０の厚みを適正に設定できることから、効率よく超音波を受発信することができる。
また、第２突起部５２にて固定枠７０ｂを受けることになり、固定面での傾きなどを生ずることなく音響レンズ５０ａを精度よく固定枠７０ｂに固定することができる。

次に、上記第１実施形態では携帯型の超音波画像装置を示したが、図２０に、他の実施形態の超音波画像装置の具体的な構成例を示す。
超音波画像装置１０１は据置型の超音波画像装置であり、超音波プローブ１３０を備えている。
超音波画像装置１０１は、装置本体（電子機器本体）１１１、表示用画像データを表示する表示部１１３、ユーザーインターフェイス部（ＵＩ部）１１７、超音波プローブ１３０、ケーブル１２０を有している。
このような据置型の超音波画像装置であっても、本発明の効果を奏することができる。
また、本実施形態の超音波画像装置は、生体の脂肪厚み、筋肉厚み、血流、骨密度などの測定に利用することができる。

本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の実施の際の具体的な構造および手順は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造などに適宜変更することができる。そして、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有するものにより可能である。

１，２，３，４，５…超音波デバイス、１０…超音波素子、１１…ベース基板、１２…開口部、１３…振動膜、１４…第１電極、１５…圧電体層、１６…第２電極、１８…圧電体部、１９…防湿層、２０…超音波素子アレイ基板、２２…バックプレート、２４…樹脂、３０…支持部材、３５…接着部材、４０…音響整合層、５０，５０ａ…音響レンズ、５１…レンズ部、５２…第２突起部、６０…フレキシブル印刷配線基板（ＦＰＣ）、６５…接着部材、６６…防湿層、７０，７０ａ，７０ｂ…固定枠、７１…凹部、７２…貫通部、７３…逃げ部、７４…底部平面、７５…段差部、７６…第１突起部、７７…段差部、１００，１０１…超音波画像装置、１１０，１１１…装置本体（電子機器本体）、１１２，１１３…表示部、１１５…主制御部、１１６…処理部、１１７…ユーザーインターフェイス部（ＵＩ部）、１２０…ケーブル、１３０…超音波プローブ、１３２…筐体、１３４…ヘッド部、１３５…接着部材、１３６…シール部、１５０…処理回路、１５２…選択回路、１５３…送信回路、１５４…受信回路、１５５…制御部、ｔ１…接着部材の厚み、ｔ２…固定枠の厚み、ｔ３…突起部を含む固定枠の厚み、ｔ４…固定枠の厚み、ｔ５…音響レンズの突起部の厚み、Ｔ…音響整合層の厚み。

Claims (10)

1. 圧電体を備え、超音波の発信および受信の少なくとも一方を行う超音波素子を有する超
   音波素子基板と、
   前記超音波素子基板の前記超音波素子が形成された面に音響整合層を介して固着され超
   音波を収束させるレンズ部を有する音響レンズと、
   前記超音波素子基板の前記超音波素子が形成された面とは反対の面に固着された支持部
   材と、
   超音波素子基板と前記音響レンズとの間に位置し、前記音響整合層を貫通させる貫通部で隔てられ、互いに対向する第１突出部および第２突出部を有する枠部と、を備え、
   前記支持部材は前記超音波素子基板の厚み方向の平面視において前記超音波素子基板より面積が広く、かつ曲げ剛性が大きく形成され、
   前記音響レンズは前記超音波素子基板より曲げ剛性が小さく形成され、
   前記第１突出部および前記第２突出部は前記超音波素子基板に固着され、前記音響レンズに接触する
   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、
   前記超音波素子基板と前記音響レンズとの間に充填された前記音響整合層を備え、
   前記音響整合層は前記超音波素子基板と前記音響レンズとに固着している樹脂で形成されていることを特徴とする超音波デバイス。
3. 請求項１または２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第１突出部に接触している第１凸部と、前記第２突出部に接触している第２凸部を有する
   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、
   前記第１凸部および前記第２凸部は前記平面視において前記音響レンズの外周部に設けられている
   ことを特徴とする超音波デバイス。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の超音波デバイスにおいて、
   前記超音波素子基板の前記反対の面にて接続するフレキシブル印刷配線基板を備え、
   前記フレキシブル印刷配線基板は前記超音波素子基板に電気的に接続し、前記フレキシ
   ブル印刷配線基板の一部は前記支持部材に固着されている
   ことを特徴とする超音波デバイス。
6. 請求項５に記載の超音波デバイスにおいて、
   前記支持部材の外縁部の一部に斜面部が設けられ、前記フレキシブル印刷配線基板は前
   記斜面部に固着されている
   ことを特徴とする超音波デバイス。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の超音波デバイスにおいて、
   前記超音波素子基板は、
   開口部が形成されたベース基板と、
   前記開口部を覆って形成され膜厚方向に変位可能な振動膜と、
   前記振動膜に設けられた圧電体部と、を有し、
   前記圧電体部は、
   前記振動膜の上に設けられる第１電極と、
   前記第１電極の少なくとも一部を覆って設けられる圧電体層と、
   前記圧電体層の少なくとも一部を覆って設けられる第２電極と、を有する
   ことを特徴とする超音波デバイス。
8. 請求項１乃至７のいずれか一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超音波プローブ。
9. 請求項１乃至７のいずれか一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、前記超音波デバイスの出力を処理する処理回路と、
   を備えることを特徴とする電子機器。
10. 請求項１乃至７のいずれか一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、前記超音波デバイスの出力を処理し画像を生成する処
    理回路と、
    前記画像を表示する表示部と、
    を備えることを特徴とする超音波画像装置。

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