JP6182859B2

JP6182859B2 - 超音波トランスデューサーデバイス、超音波測定装置、プローブ及び超音波診断装置、電子機器

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Description

本発明は、超音波トランスデューサーデバイス、超音波測定装置、プローブ及び超音波診断装置等に関係する。

対象物に向けて超音波を出射し、対象物内部における音響インピーダンスの異なる界面からの反射波を受信する装置として、例えば被検体である人体の内部を検査するために用いる超音波測定装置が知られている。

このような超音波測定装置では、電力により超音波ビームを対象物に対して射出し、対象物から反射してきた超音波エコーをダイアフラムで受け、その時に発生する電圧を検出する。そして、検出した電圧に基づいて、対象物の形状等を解析する。

これらの超音波トランスデューサーデバイスや超音波測定装置等に関する発明としては、特許文献１及び特許文献２に記載される従来技術がある。

特開平７−３０６１８８号公報特開２００９−２１０３９５号公報

このような超音波測定装置において用いられる超音波トランスデューサーデバイスは、圧電体を積層したダイアフラムにより形成される。そして、送信時には、小さな電圧（電力）をかけることでダイアフラムを大きく振動させることができることが望ましい。

しかし一方で、超音波ビームの送信時に、小さな電圧でダイアフラムを大きく振動させることができる場合には、それと引き換えに、超音波エコーの受信時には、ダイアフラムが大きく振動した場合でも、取り出せる電圧が非常に微弱になるという問題点がある。つまり、送信能力の向上と受信感度の向上を両立させることは困難である。

本発明の幾つかの態様によれば、超音波の送信能力と受信能力を共に向上させることができる超音波トランスデューサーデバイス、超音波測定装置、プローブ及び超音波診断装置等を提供することができる。

本発明の一態様は、開口が形成された基板と、前記基板上に形成された振動膜と、前記振動膜上に薄膜圧電素子によって形成された超音波トランスデューサー素子と、前記開口を介して前記振動膜に対して光を照射し、照射した光に対する反射光を検出する光検出部と、を含み、前記光検出部は、前記反射光を検出することにより、超音波エコーによる前記振動膜の振動を検出して、超音波の受信信号を出力する超音波トランスデューサーデバイスに関係する。

本発明の一態様では、超音波トランスデューサーデバイスは、超音波トランスデューサー素子が超音波ビームを検出対象物に対して射出する。これに対して、検出対象物から反射してきた超音波エコー（反射波）を、光検出部により検出する。

光検出部は、基板上に形成された開口を介して、振動膜に対して光を照射し、照射した光に対する反射光を検出する。そして、光検出部は、反射光を検出することにより、超音波エコーによる振動膜の振動を検出し、超音波の受信信号を出力する。

これにより、超音波ビームの送信処理と超音波エコーの受信処理をそれぞれ異なる方式で行うことが可能になり、超音波の送信能力と受信能力を共に向上させることが可能になる。

また、本発明の他の態様では、複数の開口がアレイ状に形成された基板と、前記基板上に形成された振動膜と、前記振動膜上に薄膜圧電素子によって形成された超音波トランスデューサー素子群と、前記複数の開口のうちのいずれかの開口を介して前記振動膜に対して光を照射し、照射した光に対する反射光を検出する光検出部と、を含み、前記超音波トランスデューサー素子群の各超音波トランスデューサー素子は、前記複数の開口の各開口上の前記振動膜上に形成され、前記光検出部は、前記超音波トランスデューサー素子が形成された開口を介して前記振動膜に対して光を照射し、照射した光に対する前記反射光を検出することで、前記超音波エコーによる前記振動膜の振動を検出して、超音波の前記受信信号を出力する超音波トランスデューサーデバイスに関係する。

これにより、超音波ビームの送信位置における超音波エコーを検出することができるため、より分解能を高めること等が可能になる。

また、本発明の他の態様では、前記複数の開口の開口毎に前記光検出部が設けられてもよい。

これにより、超音波ビームの送信位置と超音波エコーの受信位置を同じ位置にすること等が可能になる。

また、本発明の他の態様では、複数の開口がアレイ状に形成された基板と、前記基板上に形成された振動膜と、前記振動膜上に薄膜圧電素子によって形成された超音波トランスデューサー素子群と、前記複数の開口のうちのいずれかの開口を介して前記振動膜に対して光を照射し、照射した光に対する反射光を検出する光検出部と、を含み、前記超音波トランスデューサー素子群の各超音波トランスデューサー素子は、前記複数の開口のうちの第１の開口群の各開口上の前記振動膜上に形成され、前記光検出部は、前記複数の開口のうち、前記超音波トランスデューサー素子が非形成の第２の開口群を介して前記振動膜に対して光を照射して、照射した光に対する前記反射光を検出することにより、前記超音波の前記受信信号を出力してもよい。

これにより、超音波の受信感度をより高めること等が可能になる。

また、本発明の他の態様では、複数の開口がアレイ状に形成された基板と、前記基板上に形成された振動膜と、前記振動膜上に薄膜圧電素子によって形成された超音波トランスデューサー素子群と、前記複数の開口のうちのいずれかの開口を介して前記振動膜に対して光を照射し、照射した光に対する反射光を検出する光検出部と、を含み、前記超音波トランスデューサー素子群の各超音波トランスデューサー素子は、前記複数の開口のうちの第１の開口群の各開口上の前記振動膜上に形成され、前記複数の開口のうち前記超音波トランスデューサー素子が非形成の第２の開口と第３の開口との間に、前記第１の開口群が設けられ、前記第２の開口と前記第３の開口のそれぞれに対して前記光検出部が設けられてもよい。

これにより、超音波の受信位置の間に、超音波の送信位置を設けること等が可能になる。

また、本発明の一態様では、前記超音波トランスデューサー素子は、前記振動膜上に設けられた下部電極、上部電極及び圧電体膜を備えていてもよい。

これにより、超音波の送信時には、例えばバルク圧電素子に比べて低電圧で駆動すること等が可能になり、一方で、超音波の受信時には、光検出部が振動膜の振動をより容易に検出すること等が可能になる。

また、本発明の他の態様では、前記超音波トランスデューサーデバイスを含む超音波測定装置に関係する。

また、本発明の他の態様では、前記超音波測定装置を含むプローブに関係する。

また、本発明の他の態様では、前記超音波測定装置と、表示用画像データを表示する表示部と、を含む超音波診断装置に関係する。

図１（Ａ）及び図１（Ｂ）は、第１の実施形態の超音波トランスデューサーデバイスの配置例。第１の実施形態の超音波トランスデューサーデバイスの他の配置例。第１の実施形態の超音波トランスデューサーデバイスの詳細な構成例。図４（Ａ）〜図４（Ｃ）は、超音波測定装置の具体的な機器構成の一例。図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、第２の実施形態の超音波トランスデューサーデバイスの配置例。第２の実施形態の超音波トランスデューサーデバイスの他の配置例。第２の実施形態の超音波トランスデューサーデバイスの詳細な構成例。光検出部の構成例。図９（Ａ）〜図９（Ｃ）は、超音波トランスデューサー素子の構成例。超音波トランスデューサーデバイスの構成例。図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）は、各チャンネルに対応して設けられる超音波トランスデューサー素子群の構成例。

以下、初めに各実施形態の背景と手法の概要をまとめて説明する。次に、第１の実施形態及び第２の実施形態について説明し、その後に、光検出部と、超音波トランスデューサー素子と、超音波トランスデューサーデバイスについて詳細に説明する。なお、以下に説明する各実施形態は、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い。また各実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１．概要
対象物に向けて超音波を出射し、対象物内部における音響インピーダンスの異なる界面からの反射波を受信する装置として、例えば被検体である人体の内部を検査するために用いる超音波測定装置が知られている。

そのため、前述した特許文献１及び特許文献２に記載される発明では、超音波ビームの送信をバルク圧電素子により行い、超音波エコーの受信を別途設けた受信用のダイアフラムにより行っている。これにより、送信能力と受信能力の連関性を無くし、それぞれの能力向上を図っている。

以下で説明する第１の実施形態では、超音波ビームの送信処理を薄膜圧電素子により行い、その薄膜圧電素子が設けられた振動膜上の各位置において、超音波エコーの受信処理を光（レーザー）により行う。

前述した特許文献１及び特許文献２に記載される発明では、超音波の送受信を行う位置が異なるため、超音波ビームの送信に用いる超音波トランスデューサーデバイス（薄膜圧電素子）が設けられている振動膜上の位置（送信位置）において、超音波エコーを検出することはできない。すなわち、送信位置と同じ位置における超音波エコーは検出することができない。

これに対して、第１の実施形態では、前述した特許文献１及び特許文献２に記載される発明とは異なり、超音波ビームの送信位置における超音波エコーを検出することができるため、より分解能を高めることが可能になる。そのため、これによれば、より高精細な診断画像を生成すること等が可能になる。

また、第２の実施形態では、超音波ビームの送信処理を薄膜圧電素子により行い、超音波ビームの送信位置と異なる位置において、光を用いて超音波エコーの受信処理を行う。

これによれば、第１の実施形態よりも超音波の受信感度をより高めることが可能になる。

また、前述した特許文献１及び特許文献２に記載される発明では、バルク圧電素子を用いて超音波の送受信を行っている。これに対して、第１の実施形態及び第２の実施形態では、薄膜圧電素子を用いて超音波の送受信を行うため、超音波の受信感度をさらに向上させることが可能になる。

２．第１の実施形態
まず、本実施形態の超音波トランスデューサーデバイスの配置例を図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示す。図１（Ａ）は、超音波トランスデューサーデバイスＴＲＤ１〜ＴＲＤ６が配置された振動膜ＶＦを直上から見た図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）を真横から見た図である。

図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、第１の基板ＢＤ１には、複数の開口ＯＰ１〜ＯＰ６が設けられており、第１の基板ＢＤ１上には、振動膜ＶＦが形成されている。そして、複数の開口ＯＰ１〜ＯＰ６の各開口の上に形成された振動膜ＶＦ上には、超音波トランスデューサーデバイスＴＲＤ１〜ＴＲＤ６が形成されており、これらの超音波トランスデューサーデバイスＴＲＤ１〜ＴＲＤ６が、超音波ビームを検出対象物に対して射出する。

さらに、例えば図１（Ｂ）において第１の基板ＢＤ１の下方に設けられた不図示の第２の基板に、光検出部を形成できる。そして、光検出部ＬＤ１〜ＬＤ６は、射出された超音波ビームに対する超音波エコー（反射波）によって振動させられた振動膜の振動を検出し、超音波エコーに対応する受信信号として出力する。

また、光検出部は、光を出射する光出射部と、反射光を受光する受光部と、超音波エコーを検波する検波部とを有していても良い。なお、具体的な光検出部の光検出の原理の一例については、図８を用いて後述する。

光検出部の具体的な構成例として、一つの検波部に対して複数の光出射部と受光部を設けても良い。その場合には、光出射部から射出されるレーザーを光ファイバーにより射出位置まで導き、さらに受光部で受けた反射光を光ファイバーで検波部まで導いても良い。具体的に、射出位置は、図１（Ｂ）の例では、第１の基板ＢＤ１の複数の開口ＯＰ１〜ＯＰ６の各開口に対応する位置、すなわち図における開口ＯＰ１〜ＯＰ６の直下である。この場合、図１（Ｂ）のＬＤ１〜ＬＤ６は、それぞれ光出射部と受光部とを有しており、検波部は図示していない。

一方で、光出射部と受光部と検波部の全てを有する光検出部を、第１の基板ＢＤ１の複数の開口ＯＰ１〜ＯＰ６の各開口に対応する位置、すなわち図１（Ｂ）における開口ＯＰ１〜ＯＰ６の直下に、それぞれ設けても良い。

ここで、光出射部は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザーなどにより実現できる。また、受光部は、例えばフォトダイオードなどにより実現できる。ＬＥＤやフォトダイオードは例えば半導体基板である第２の基板に形成されたＰＮ接合などにより実現できる。

ここで、発光ダイオード（ＬＥＤ）は、順方向に電圧を加えた際に発光する半導体素子のことである。発光ダイオードは、半導体を用いたＰＮ接合と呼ばれる構造で作られている。電極から半導体に注入された電子と正孔は、異なったエネルギー帯（伝導帯と価電子帯）を流れ、PN接合部付近にて禁制帯を越えて再結合する。そして、再結合時に、禁制帯幅（バンドギャップ）にほぼ相当するエネルギーが放出されることにより発光する。

また、半導体レーザーは、半導体の再結合発光を利用したレーザーである。半導体レーザーとしては、共振器を半導体基板と平行に作り込み、へき開した側面から光が出射する構造を持つ端面発光レーザー（Edge Emitting Laser、EEL）を用いても良い。また、半導体レーザーとして、光が半導体基板と垂直に出射する構造の面発光レーザー（Surface Emitting Laser、SEL）を用いても良い。さらに、面発光レーザーの中でも共振器を半導体基板と垂直に作り込んだ構造を持つ垂直共振器面発光レーザー（Vertical Cavity Surface Emitting Laser、VCSEL、ビクセル）を用いても良い。他にも、共振器を外部に持つ外部共振器型垂直面発光レーザー（VECSEL）を用いることもできる。

さらに、フォトダイオードは、光検出器として働く半導体のダイオードである。フォトダイオードは、イオン注入等により不純物領域が形成されることで形成される。例えば、フォトダイオードは、Ｐ基板上に形成されたＮ型不純物領域と、Ｐ基板との間のＰＮ接合により実現される。あるいは、ディープＮウェル（Ｎ型不純物領域）上に形成されたＰ型不純物領域と、ディープＮウェルとの間のＰＮ接合により実現される。

なお、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）の例では、超音波トランスデューサーデバイスＴＲＤ１〜ＴＲＤ６が横一列に配置されているが、超音波トランスデューサーデバイスの配置例はこれに限定されない。例えば、図２に示すような２次元アレイ状に、超音波トランスデューサーデバイスＴＲＤ１１〜ＴＲＦ６４を振動膜ＶＦ上に配置してもよい。

次に、図３に本実施形態の超音波トランスデューサーデバイス１００の詳細な構成例を示す。

超音波トランスデューサーデバイス１００は、基板１１０と、振動膜１２０と、超音波トランスデューサー素子群と、光検出部１４０と、を含む。なお、超音波トランスデューサーデバイス１００は、図３の構成に限定されず、これらの一部の構成要素を省略したり、他の構成要素を追加したりするなどの種々の変形実施が可能である。基板１１０と、振動膜１２０と、超音波トランスデューサー素子１３０と、光検出部１４０の詳細な説明は後述する。

また、超音波トランスデューサーデバイス１００を含む電子機器の例としては、超音波測定装置４００や、超音波測定装置４００を含むプローブ３００や、プローブ３００のプローブ本体に対して着脱可能であるプローブヘッド３２０などが挙げられる。さらに、超音波測定装置４００と、表示用画像データを表示する表示部４４０と、を含む超音波診断装置などもある。

ここで、本実施形態の超音波測定装置（広義には電子機器）の具体的な機器構成の例を図４（Ａ）〜図４（Ｃ）に示す。図４（Ａ）はハンディタイプの超音波測定装置４００の例であり、図４（Ｂ）は据置タイプの超音波測定装置４００の例である。図４（Ｃ）は超音波プローブ３００が本体に内蔵された一体型の超音波測定装置４００（超音波診断装置）の例である。

図４（Ａ）、図４（Ｂ）の超音波測定装置４００は、超音波プローブ３００と超音波測定装置本体４０１（広義には電子機器本体）を含み、超音波プローブ３００と超音波測定装置本体４０１はケーブル３１２により接続される。超音波プローブ３００の先端部分には、プローブヘッド３２０が設けられており、超音波測定装置本体４０１（超音波診断装置）には、画像を表示する表示部４４０が設けられている。図４（Ｃ）では、表示部４４０を有する超音波測定装置４００（超音波診断装置）に超音波プローブ３００が内蔵されている。図４（Ｃ）の場合、超音波測定装置４００（超音波診断装置）は、例えばスマートフォンなどの汎用の携帯情報端末により実現できる。

以上の本実施形態の超音波トランスデューサーデバイス１００は、開口が形成された基板１１０と、基板１１０上に形成された振動膜１２０と、振動膜１２０上に薄膜圧電素子によって形成された超音波トランスデューサー素子と、開口を介して振動膜１２０に対して光を照射し、照射した光に対する反射光を検出する光検出部１４０と、を含む。

また、本実施形態の超音波トランスデューサーデバイス１００は、複数の開口がアレイ状に形成された基板１１０と、基板１１０上に形成された振動膜１２０と、振動膜１２０上に薄膜圧電素子によって形成された超音波トランスデューサー素子群と、複数の開口のうちのいずれかの開口を介して振動膜１２０に対して光を照射し、照射した光に対する反射光を検出する光検出部１４０と、を含んでもよい。

そして、光検出部１４０は、反射光を検出することにより、超音波エコーによる振動膜１２０の振動を検出して、超音波の受信信号を出力する。

本実施形態では、超音波トランスデューサーデバイス１００は、図１（Ｂ）に示すように、超音波トランスデューサー素子群が超音波ビームを検出対象物に対して射出する。これに対して、検出対象物から反射してきた超音波エコー（反射波）を、光検出部１４０により検出する。

光検出部１４０は、図１（Ｂ）に示すように、基板１１０上に形成された複数の開口のうちのいずれかの開口を介して、振動膜１２０に対して光を照射し、照射した光に対する反射光を検出する。そして、光検出部１４０は、反射光を検出することにより、超音波エコーによる振動膜１２０の振動を検出し、超音波の受信信号を出力する。

よって、超音波ビームの送信を超音波トランスデューサー素子群に、超音波エコーの受信を光検出部に担当させることができる。すなわち、超音波ビームの送信処理と超音波エコーの受信処理をそれぞれ異なる方式で行うことが可能になるため、超音波の送信能力と受信能力を共に向上させることができる。

また、本実施形態では、薄膜圧電素子を用いて超音波の送受信を行うため、バルク圧電素子を用いて超音波の送受信を行う場合に比べて、超音波の受信感度をさらに向上させることが可能になる。

また、本実施形態の超音波トランスデューサー素子群の各超音波トランスデューサー素子は、複数の開口の各開口上の振動膜１２０上に形成されてもよい。そして、光検出部１４０は、超音波トランスデューサー素子が形成された開口を介して振動膜１２０に対して光を照射し、照射した光に対する反射光を検出することで、超音波エコーによる振動膜１２０の振動を検出して、超音波の受信信号を出力してもよい。

また、本実施形態の超音波トランスデューサーデバイス１００には、複数の開口の開口毎に光検出部１４０が設けられてもよい。

例えば、図１（Ｂ）に示す状態のことである。すなわち、開口ＯＰ１に対しては光検出部ＬＤ１が設けられており、開口ＯＰ２に対しては光検出部ＬＤ２が、開口ＯＰ３に対しては光検出部ＬＤ３が設けられている。開口ＯＰ４〜ＯＰ６のそれぞれに対しての光検出部ＬＤ４〜ＬＤ６についても同様である。

これにより、超音波ビームの送信位置と超音波エコーの受信位置を同じ位置にすること等が可能になる。超音波エコーの受信位置を超音波ビームの送信位置と別の位置にする場合に比べて、超音波エコーの受信位置を増やすことができるため、分解能を高めて、例えばより高精細な診断画像を生成すること等が可能になる。

また、例えば図３に示すように、本実施形態の超音波トランスデューサー素子群の各超音波トランスデューサー素子は、振動膜１２０上に設けられた下部電極、上部電極及び圧電体膜を備えていてもよい。なお、このことは後述する第２の実施形態にも適用することが可能である。

これにより、超音波の送信時には、例えばバルク圧電素子に比べて低電圧で駆動すること等が可能になる。一方で、超音波の受信時には、薄膜圧電素子が形成されている位置に対応する振動膜が振動しやすくなる。その結果、光検出部が振動膜の振動をより容易に検出すること等が可能になる。

３．第２の実施形態
次に、本実施形態の超音波トランスデューサーデバイスの配置例を図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示す。図５（Ａ）は、超音波トランスデューサーデバイスＴＲＤ１〜ＴＲＤ４が配置された振動膜ＶＦを直上から見た図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）を真横から見た図である。

図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すように、第１の基板ＢＤ１には、複数の開口ＯＰ１〜ＯＰ６が設けられており、第１の基板ＢＤ１上には、振動膜ＶＦが形成されている。この点は、前述した第１の実施形態と同様である。

しかし、本実施形態では第１の実施形態とは異なり、開口ＯＰ１及び開口ＯＰ６の上に形成された振動膜ＶＦ上には、超音波トランスデューサーデバイスを形成せず、開口ＯＰ２〜ＯＰ５の各開口の上に形成された振動膜ＶＦ上にのみ、超音波トランスデューサーデバイスＴＲＤ１〜ＴＲＤ４を形成する。そして、これらの超音波トランスデューサーデバイスＴＲＤ１〜ＴＲＤ４が、超音波ビームを検出対象物に対して射出する。

また、本実施形態でも第１の実施形態と同様に、例えば図５（Ｂ）において第１の基板ＢＤ１の下方に設けられた不図示の第２の基板に、光検出部を形成できる。ただし、図５（Ｂ）の例では、第２の基板上において、第１の基板ＢＤ１の複数の開口ＯＰ２〜ＯＰ５の各開口に対応する位置には、光検出部を設けず、開口ＯＰ１に対応する位置に光検出部ＬＤ１を設け、開口ＯＰ６に対応する位置に光検出部ＬＤ２を設けている。すなわち、超音波トランスデューサーデバイスＴＲＤ１〜ＴＲＤ４が設けられている開口に対応する位置には、光検出部を設けず、超音波トランスデューサーデバイスが非形成の開口に対応する位置にのみ、光検出部を設けて、超音波の送受信位置をずらしている。この点が、第１の実施形態と異なる。

そして、光検出部ＬＤ１及びＬＤ２は、射出された超音波ビームに対する超音波エコー（反射波）によって振動させられた振動膜の振動を検出し、超音波エコーに対応する受信信号として出力する。

なお、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）の例では、超音波トランスデューサーデバイスＴＲＤ１〜ＴＲＤ４が横一列に配置されているが、超音波トランスデューサーデバイスの配置例はこれに限定されない。例えば、図６に示すように、超音波の受信位置ＲＸ１及びＲＸ２の間に、超音波トランスデューサーデバイスＴＲＤ１１〜ＴＲＦ６４を振動膜ＶＦ上において２次元アレイ状に配置してもよい。

次に、図７に本実施形態の超音波トランスデューサーデバイス１００の詳細な構成例を示す。

超音波トランスデューサーデバイス１００は、第１の実施形態と同様に、基板１１０と、振動膜１２０と、超音波トランスデューサー素子群と、光検出部１４０と、を含む。ただし、第１の実施形態とは各部の配置位置が異なる。この点については、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）を用いて説明した通りである。なお、超音波トランスデューサーデバイス１００は、図７の構成に限定されず、これらの一部の構成要素を省略したり、他の構成要素を追加したりするなどの種々の変形実施が可能である。基板１１０と、振動膜１２０と、超音波トランスデューサー素子１３０と、光検出部１４０の詳細な説明は後述する。

以上の本実施形態における超音波トランスデューサー素子群の各超音波トランスデューサー素子は、複数の開口のうちの第１の開口群の各開口上の振動膜１２０上に形成されてもよい。そして、光検出部１４０は、複数の開口のうち、超音波トランスデューサー素子が非形成の第２の開口群を介して振動膜１２０に対して光を照射して、照射した光に対する反射光を検出することにより、超音波の受信信号を出力してもよい。

本実施形態では、超音波ビームの送信処理を薄膜圧電素子により行い、超音波ビームの送信位置と異なる位置において、光を用いて超音波エコーの受信処理を行う。光を用いた超音波エコーの受信処理の内容については、第１の実施形態と同様である。

具体的に図５（Ａ）及び図５（Ｂ）の例では、第１の開口群は開口ＯＰ２〜ＯＰ５に相当し、第２の開口群は開口ＯＰ１及び開口ＯＰ６に相当する。

このように、超音波の受信位置に超音波トランスデューサーデバイスを設けないことにより、超音波エコーによって、振動膜がより振動しやすい状態を作ることが可能になり、光を用いた振動膜の振動検出をより容易にすること等が可能になる。すなわち、第１の実施形態よりも超音波の受信感度をより高めること等が可能になる。

また、本実施形態の超音波トランスデューサーデバイス１００には、複数の開口のうち、超音波トランスデューサー素子が非形成の第２の開口と第３の開口との間に、第１の開口群が設けられ、第２の開口と第３の開口のそれぞれに対して光検出部１４０が設けられてもよい。

具体的に図５（Ａ）及び図５（Ｂ）の例で説明すると、第２の開口は開口ＯＰ１に相当し、第３の開口は開口ＯＰ６に相当する。なお、第２の開口ＯＰ１及び第３の開口ＯＰ６は、前述した第２の開口群のうちの一つである。そして、第２の開口ＯＰ１に対応するように光検出部ＬＤ１を設け、第３の開口ＯＰ６に対応するように光検出部ＬＤ２を設ける。

４．光検出部
図８に、前述した第１の実施形態及び第２の実施形態において用いる光検出部の光検出の原理の一例を示す。図８では、光検出部の一例として、ドップラー効果を利用したレーザードップラ振動計測器を挙げている。振動表面から反射したレーザーには、振動によって光の周波数に変化が生じる。レーザードップラ振動計測器は、この性質を利用して、その周波数の変化を感知することにより、正確な光学振動測定を行うものである。

具体的に、レーザードップラ振動計測器では、まずレーザーＬＳが周波数ｆ_０のレーザービームを射出する。そして、射出されたレーザービームは、ビームスプリッターＢＳ１により、参照ビームＲＢＭと測定ビームＴＢＭの２本に分光される。ここで、測定ビームＴＢＭの光路上には、Bragg Cellと呼ばれる音響光学変調器ＢＣが設けられている。ビームスプリッターＢＳ１により分光された測定ビームＴＢＭは、この音響光学変調器ＢＣを通過することにより、周波数をｆ_０からｆ_０＋ｆ_ｂへとシフトされる。さらに、測定ビームＴＢＭは、２つ目のビームスプリッターＢＳ２を透過して、測定対象物ＴＧに照射され、反射する。この反射したビームは、測定対象物ＴＧが振動している場合には、周波数がｆ_０＋ｆ_ｂからｆ_０＋ｆ_ｂ＋ｆ_ｄへとシフトしており、ビームスプリッターＢＳ２によって図８に示す方向に偏光される。

一方で、参照ビームＲＢＭはミラーＭＲにより反射されて、３つ目のビームスプリッターＢＳ３において測定ビームＴＢＭと結合される。そして、結合されたビームは、フォトディテクタＰＤに向かって照射される。

参照ビームＲＢＭの光路長は、一部例外を除いて時間に対して一定であるため、測定対象物ＴＧの運動により、フォトディテクタＰＤ上に干渉縞が発生する。ここで、フォトディテクタに現れる１つの明暗の縞は、使用している光の波長のちょうど１／２の測定対象物ＴＧの変位に相当する。

また、単位時間当たりの光路長の変化は、測定ビームのドップラー周波数として現れる。

このように、レーザードップラ振動計測器では、測定ビームＴＢＭのドップラー周波数の変化を感知することにより、測定対象物の光学振動測定を行うことができる。

５．超音波トランスデューサー素子
図９（Ａ）〜図９（Ｃ）に、超音波トランスデューサーデバイス１００の超音波トランスデューサー素子１３０の構成例を示す。この超音波トランスデューサー素子１３０は、圧電素子部を有する。圧電素子部は、第１電極層（下部電極）２１、圧電体層（圧電体膜）３０、第２電極層（上部電極）２２を有する。

図９（Ａ）は、基板（シリコン基板）１１０に形成された超音波トランスデューサー素子１３０の、素子形成面側の基板１１０に垂直な方向から見た平面図である。図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のＡ−Ａ’に沿った断面を示す断面図である。図９（Ｃ）は、図９（Ａ）のＢ−Ｂ’に沿った断面を示す断面図である。

第１電極層２１は、振動膜（メンブレン、支持部材）１２０の上層に例えば金属薄膜で形成される。この第１電極層２１は、図９（Ａ）に示すように素子形成領域の外側へ延長され、隣接する超音波トランスデューサー素子１３０に接続される配線であってもよい。

圧電体層３０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電極層２１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３０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（ＰｂＴｉＯ_３）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ、Ｌａ）ＴｉＯ_３）などを用いてもよい。

第２電極層２２は、例えば金属薄膜で形成され、圧電体層３０の少なくとも一部を覆うように設けられる。この第２電極層２２は、図９（Ａ）に示すように素子形成領域の外側へ延長され、隣接する超音波トランスデューサー素子１３０に接続される配線であってもよい。

振動膜（メンブレン）１２０は、例えばＳｉＯ_２薄膜とＺｒＯ_２薄膜との２層構造により開口４０を塞ぐように設けられる。この振動膜１２０は、圧電体層３０及び第１、第２電極層２１、２２を支持すると共に、圧電体層３０の伸縮に従って振動し、超音波を発生させることができる。

開口（空洞領域）４０は、基板１１０にアレイ状に配置される。開口４０は、基板１１０（シリコン基板）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。この開口４０の開口部４５のサイズによって超音波の共振周波数が決定され、その超音波は圧電体層３０側（図９（Ａ）において紙面奥から手前方向）に放射される。

超音波トランスデューサー素子１３０の下部電極（第１電極）は、第１電極層２１により形成され、上部電極（第２電極）は、第２電極層２２により形成される。具体的には、第１電極層２１のうちの圧電体層３０に覆われた部分が下部電極を形成し、第２電極層２２のうちの圧電体層３０を覆う部分が上部電極を形成する。即ち、圧電体層３０は、下部電極と上部電極に挟まれて設けられる。

６．超音波トランスデューサーデバイス
図１０に、超音波トランスデューサーデバイス１００（素子チップ）の構成例を示す。本構成例の超音波トランスデューサーデバイス１００は、複数の超音波トランスデューサー素子群ＵＧ１〜ＵＧ６４、駆動電極線ＤＬ１〜ＤＬ６４（広義には第１〜第ｎの駆動電極線。ｎは２以上の整数）、コモン電極線ＣＬ１〜ＣＬ８（広義には第１〜第ｍのコモン電極線。ｍは２以上の整数）を含む。なお、駆動電極線の本数（ｎ）やコモン電極線の本数（ｍ）は、図１０に示す本数には限定されない。

複数の超音波トランスデューサー素子群ＵＧ１〜ＵＧ６４は、第２の方向Ｄ２（スキャン方向）に沿って６４列に配置される。ＵＧ１〜ＵＧ６４の各超音波トランスデューサー素子群は、第１の方向Ｄ１（スライス方向）に沿って配置される複数の超音波トランスデューサー素子を有する。

図１１（Ａ）に、超音波トランスデューサー素子群ＵＧ（ＵＧ１〜ＵＧ６４）の例を示す。図１１（Ａ）では、超音波トランスデューサー素子群ＵＧは第１〜第４の素子列により構成される。第１の素子列は、第１の方向Ｄ１に沿って配置される超音波トランスデューサー素子ＵＥ１１〜ＵＥ１８により構成され、第２の素子列は、第１の方向Ｄ１に沿って配置される超音波トランスデューサー素子ＵＥ２１〜ＵＥ２８により構成される。第３の素子列（ＵＥ３１〜ＵＥ３８）、第４の素子列（ＵＥ４１〜ＵＥ４８）も同様である。これらの第１〜第４の素子列には、駆動電極線ＤＬ（ＤＬ１〜ＤＬ６４）が共通接続される。また、第１〜第４の素子列の超音波トランスデューサー素子にはコモン電極線ＣＬ１〜ＣＬ８が接続される。

そして図１１（Ａ）の超音波トランスデューサー素子群ＵＧが、超音波トランスデューサーデバイスの１チャンネルを構成する。即ち、駆動電極線ＤＬが１チャンネルの駆動電極線に相当し、送信回路からの１チャンネルの送信信号は駆動電極線ＤＬに入力される。また駆動電極線ＤＬからの１チャンネルの受信信号は駆動電極線ＤＬから出力される。なお、１チャンネルを構成する素子列数は図１１（Ａ）のような４列には限定されず、４列よりも少なくてもよいし、４列よりも多くてもよい。例えば図１１（Ｂ）に示すように、素子列数は１列であってもよい。

図１０に示すように、駆動電極線ＤＬ１〜ＤＬ６４（第１〜第ｎの駆動電極線）は、第１の方向Ｄ１に沿って配線される。駆動電極線ＤＬ１〜ＤＬ６４のうちの第ｊ（ｊは１≦ｊ≦ｎである整数）の駆動電極線ＤＬｊ（第ｊのチャンネル）は、第ｊの超音波トランスデューサー素子群ＵＧｊの超音波トランスデューサー素子が有する第１の電極（例えば下部電極）に接続される。

超音波を出射する送信期間には、送信信号ＶＴ１〜ＶＴ６４が駆動電極線ＤＬ１〜ＤＬ６４を介して超音波トランスデューサー素子に供給される。また、超音波エコー信号を受信する受信期間には、超音波トランスデューサー素子からの受信信号ＶＲ１〜ＶＲ６４が駆動電極線ＤＬ１〜ＤＬ６４を介して出力される。

コモン電極線ＣＬ１〜ＣＬ８（第１〜第ｍのコモン電極線）は、第２の方向Ｄ２に沿って配線される。超音波トランスデューサー素子が有する第２の電極は、コモン電極線ＣＬ１〜ＣＬ８のうちのいずれかに接続される。具体的には、例えば図１０に示すように、コモン電極線ＣＬ１〜ＣＬ８のうちの第ｉ（ｉは１≦ｉ≦ｍである整数）のコモン電極線ＣＬｉは、第ｉ行に配置される超音波トランスデューサー素子が有する第２の電極（例えば上部電極）に接続される。

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ＶＣＯＭは一定の直流電圧であればよく、０Ｖ、即ちグランド電位（接地電位）でなくてもよい。

そして送信期間では、送信信号電圧とコモン電圧との差の電圧が超音波トランスデューサー素子に印加され、所定の周波数の超音波が放射される。

なお、超音波トランスデューサー素子の配置は、図１０に示すマトリックス配置に限定されず、いわゆる千鳥配置等であってもよい。

また図９（Ａ）〜図１１（Ｂ）では、１つの超音波トランスデューサー素子が送信素子及び受信素子の両方に兼用される場合について示したが、本実施形態はこれに限定されない。例えば送信素子用の超音波トランスデューサー素子、受信素子用の超音波トランスデューサー素子を別々に設けて、アレイ状に配置してもよい。

以上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。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又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ることができる。また、超音波トランスデューサーデバイス、超音波測定装置、プローブ及び超音波診断装置の構成、動作も本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。

２１第１電極層（下部電極）、２２第２電極層（上部電極）、
３０圧電体層（圧電体膜）、４０開口（空洞領域）、４５開口部、
１００超音波トランスデューサーデバイス、１１０基板、１２０振動膜、
１３０超音波トランスデューサー素子、１４０光検出部、３００プローブ、
３００超音波プローブ、３１２ケーブル、３２０プローブヘッド、
４００超音波測定装置、４０１超音波測定装置本体、４４０表示部

Claims

複数の開口がアレイ状に形成された基板と、
前記基板上に形成された振動膜と、
前記振動膜上に形成され、圧電体を備えた超音波トランスデューサー素子と、
前記基板の厚み方向からの平面視において、前記超音波トランスデューサー素子と重なる位置に形成された開口を介して、前記基板の振動膜が形成された面と反対の面から前記振動膜に対して光を照射し、照射した光に対する反射光を検出する光検出部と、
を含み、
前記光検出部は、
前記反射光を検出することで、前記超音波エコーによる前記振動膜の振動を検出して、超音波の前記受信信号を出力することを特徴とする超音波トランスデューサーデバイス。
請求項１において、
前記複数の開口の開口毎に前記光検出部が設けられることを特徴とする超音波トランスデューサーデバイス。
請求項１又は２において、
前記超音波トランスデューサー素子は、
前記振動膜上に設けられた下部電極、上部電極及び圧電体膜を備えることを特徴とする超音波トランスデューサーデバイス。
請求項１乃至３のいずれかに記載の超音波トランスデューサーデバイスを含むことを特徴とする超音波測定装置。
請求項４に記載の超音波測定装置を含むことを特徴とするプローブ。
請求項５に記載の超音波測定装置と、
表示用画像データを表示する表示部と、
を含むことを特徴とする超音波診断装置。
請求項１乃至３のいずれかに記載の超音波トランスデューサーデバイスを含むことを特徴とする電子機器。