JP6212870B2 - 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ている。例えば、特許文献１には、基板に開口部を設け、開口部上に膜、第１の電極、圧電層、第２の電極を順に積層した構造の超音波素子（超音波変換器）が開示されている。この超音波素子の基板にはシリコン基板などが用いられ、シリコン基板上に薄膜で形成された第１、第２の電極および圧電層が設けられている。

特開２００２−２７１８９７号公報

特許文献１に示す構造の超音波素子は、脆性材料の基板に開口部を有することから外部からの力で破損しやすい構造となっている。
特に、落下などでの外部から衝撃力が音響レンズに加わると、このような構造では超音波素子または超音波素子基板が破損しやすいという問題がある。

本発明は、上記課題の少なくとも一部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、前記超音波素子アレイ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、を備え、前記支持部材は前記超音波素子アレイ基板の厚み方向の平面視において前記超音波素子アレイ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アレイ基板より曲げ剛性が小さく形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、超音波素子アレイ基板の一方の面に支持部材が固着され、他方の面に音響レンズが固着されている。また、支持部材は超音波素子アレイ基板より面積が広く曲げ剛性が大きく形成され、音響レンズは超音波素子アレイ基板より曲げ剛性が小さく形成されている。
このように、超音波素子アレイ基板は超音波素子アレイ基板より曲げ剛性の大きい支持部材に固着した構造を有するため、超音波素子アレイ基板が補強されて反りにくくなる。
さらに、超音波素子アレイ基板と音響レンズとの間には音響整合層が設けられているため、曲げ剛性の小さい音響レンズと、この音響整合層とで外部からの力を吸収し超音波素子アレイ基板に加わる外力を緩和し、超音波素子アレイ基板の破損を抑制することができる。

［適用例２］上記適用例にかかる超音波デバイスにおいて、前記超音波素子アレイ基板と前記音響レンズとの間に設けられた音響整合層を備え、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に固着している樹脂で形成されていることが好ましい。

この構成によれば、音響整合層は樹脂で構成され、接着剤を用いて超音波素子アレイ基板と音響レンズとを接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、硬化した接着剤（樹脂）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、前記音響レンズは前記超音波素子アレイ基板に接触している複数の第１凸部を有することが好ましい。

この構成によれば、音響レンズに超音波素子アレイ基板と音響レンズのレンズ部との距離を規制する第１凸部を有している。
このため、第１凸部の長さを設定することで超音波素子アレイ基板の表面とレンズ部との距離を簡単に設定することができ、超音波素子アレイ基板とレンズ部との間に配置される音響整合層の厚みを規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、前記第１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が好ましい。

この構成によれば、音響レンズの外周部に第１凸部が設けられている。
このようにすれば、音響レンズを超音波素子アレイ基板上に安定して載置することができ、超音波素子アレイ基板の表面とレンズ部との距離を精度よく設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他方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アレイ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が好ましい。

この構成によれば、超音波素子アレイ基板の音響レンズが固着される側に接続されたフレキシブル印刷配線基板を備え、フレキシブル印刷配線基板の一部は支持部材に固着されている。
フレキシブル印刷配線基板に引っ張り力が加わった際に、フレキシブル印刷配線基板の一部は支持部材に固着されているため、その力は超音波素子アレイ基板との接続部には及ばず、接続部のはがれおよび超音波素子アレイ基板の破損を防止することができる。

［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が好ましい。

この構成によれば、支持部材の外縁部の一部に斜面部が設けられ、フレキシブル印刷配線基板は斜面部に固着されていることから、フレキシブル印刷配線基板が折り曲げられることなく斜面部に沿って延出する。
このため、フレキシブル印刷配線基板の配線の断線を防止でき、信頼性の高い超音波デバイスを提供できる。

［適用例７］上記適用例にかかる超音波デバイスにおいて、前記音響レンズは前記フレキシブル印刷配線基板と接触し、前記超音波素子アレイ基板との間で前記フレキシブル印刷配線基板を押える複数の第２凸部を有することが好ましい。

この構成によれば、音響レンズの第２凸部はフレキシブル印刷配線基板と接触している。このため、フレキシブル印刷配線基板を第２凸部で押さえ、超音波素子アレイ基板とフレキシブル印刷配線基板と接続部におけるフレキシブル印刷配線基板の浮きを防止できる。

［適用例８］上記適用例にかかる超音波デバイスにおいて、前記フレキシブル印刷配線基板の前記超音波素子アレイ基板との電気的接続位置は、前記超音波素子アレイ基板の厚み方向の平面視において前記音響レンズの前記第２凸部と前記超音波素子との間に配置されていることが好ましい。

この構成によれば、フレキシブル印刷配線基板の超音波素子アレイ基板との接続位置は、音響レンズの外周より内側に配置されているため、接続部が露出せず、また音響整合層でこの接続部を保護することができる。

［適用例９］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デバイス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１０］本適用例にかかる超音波プローブは、上記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、筐体に超音波素子アレイ基板の破損を防止する超音波デバイスを備えており、信頼性の高い超音波プローブを提供できる。

［適用例１１］本適用例にかかる電子機器は、上記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。

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、超音波素子アレイ基板の破損を防止する超音波デバイスを備えており、信頼性の高い電子機器を提供できる。

［適用例１２］本適用例にかかる超音波画像装置は、上記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。

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、超音波素子アレイ基板の破損を防止する超音波デバイスを備えており、信頼性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。 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は筐体１３２内に超音波デバイス１が収容されている。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、後述する超音波デバイス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、このシール部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５，６，７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、支持部材３０、音響整合層４０、音響レンズ５０、フレキシブル印刷配線基板（ＦＰＣ）６０を備えている。

超音波素子アレイ基板２０は、素子基板２１とバックプレート２２とを有している。
素子基板２１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。この素子基板２１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、素子基板２１の素子形成面とは反対の面に、素子基板２１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は素子基板２１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。
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。

超音波素子アレイ基板２０の超音波素子が形成されていない面（一方の面）、つまり本実施形態ではバックプレート２２の面において、支持部材３０が接着層３３を介して固着されている。接着層３３は接着剤、両面テープなどにより形成されている。

支持部材３０は超音波素子アレイ基板２０を固着する平面部３６を有し、またこの平面部３６は凹部３７の底面に形成され、超音波素子アレイ基板２０を位置決めしやすいように構成されている（図６参照）。そして支持部材３０は金属またはアクリル樹脂、ＡＢＳ樹脂などの樹脂で形成されている。
このように、支持部材３０は超音波素子アレイ基板２０の厚み方向の平面視において超音波素子アレイ基板２０より面積が広く形成され、超音波素子アレイ基板２０と他部品との当接を回避している。
さらに、支持部材３０の平面部３６を支える厚さを十分に確保して、超音波素子アレイ基板２０よりも支持部材３０の曲げ剛性が大きく形成されている。

支持部材３０の超音波素子アレイ基板２０が固着される面の外縁部には斜面部３１が設けられている。斜面部３１は、図５に示すように、超音波素子アレイ基板２０から遠ざかり外周が広がるように形成されている。

また、支持部材３０には前述の超音波プローブ１３０の筐体１３２に取り付けるための取付け部３２ａ，３２ｂが形成されている。取付け部３２ａ，３２ｂにはそれぞれ貫通穴３８ａ，３８ｂを有し、貫通穴３８ａ，３８ｂを貫通する取付けネジの軸方向が直交するように配置されている（図６参照）。このため、支持部材３０を超音波プローブ１３０の筐体１３２にしっかり固定することができる。
なお、取付け部３２ａ，３２ｂの形状、配置は筐体１３２の形状により適宜設計することができる。

超音波素子アレイ基板２０の超音波素子が形成されている面（他方の面）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。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。
ＦＰＣ６０は、支持部材３０の斜面部３１に接着剤、両面テープなどの接着部材３５により接着され、固着されている。
このように、ＦＰＣ６０の一部は支持部材３０に固着されているため、ＦＰＣ６０に引っ張り力が加わった際には超音波素子アレイ基板２０の接続部には及ばず、接続部のはがれおよび超音波素子アレイ基板２０の破損を防止することができる。
また、支持部材３０の外縁部に斜面部３１が設けられ、ＦＰＣ６０は斜面部３１に固着されていることから、ＦＰＣ６０が折り曲げられることなく斜面部３１に沿って延出する。このため、ＦＰＣ６０が折れ曲がることなく配線の断線を防止できる。

超音波素子アレイ基板２０の超音波素子が形成されている面（他方の面）の上には、平面形状が超音波素子アレイ基板２０と同じである音響レンズ５０が配置されている。音響レンズ５０はシリコーン樹脂などの樹脂で形成されている。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。
そして、音響レンズ５０は超音波素子アレイ基板２０よりも曲げ剛性が小さく形成されている。

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、硬化した接着剤が音響整合層として機能する。このように、超音波素子アレイ基板２０と音響レンズ５０の間には硬化した接着剤が隙間なく充填された状態となっている。

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。
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。つまり、音響整合層４０は、音響インピーダンスが超音波素子アレイ基板２０と音響レンズ５０との中間となるように調整されている。

ここで、この音響レンズ５０の構成を図８に示す。図８（ａ）は音響レンズ５０の上面からの平面図であり、図８（ｂ）はその裏面平面図である。図８（ｃ）は同図（ａ）のＣ−Ｃ断線に沿う部分断面図であり、図８（ｄ）は同図（ａ）のＤ−Ｄ断線に沿う部分断面図である。

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レンズ部５１と、その反対の面には突起状の凸部５２が設けられている。
図８（ｂ）に示すように、音響レンズ５０の裏面に形成された凸部５２は音響レンズ５０の短辺の外周部に設けられた第１凸部５２ａと、長辺の外周部に設けられた第２凸部５２ｂを備えている。
図８（ｃ）に示すように、第１凸部５２ａと第２凸部５２ｂとは同じ厚みの基材から立ち上がり、凸部の長さが異なるように構成されている。ここでは、第１凸部５２ａの方が第２凸部５２ｂよりも凸部の長さが長い。そして、この凸部の長さの差であるＪ寸法は、ＦＰＣ６０の厚みと同じ寸法となっている。
また図８（ｄ）に示すように、第１凸部５２ａの基材からの長さであるＫ寸法は、音響整合層４０の厚みと同じ寸法に設定されている。
なお、音響整合層４０の厚みは利用する超音波の波長λに対応し、例えば１／４λに設定されている。

図５〜図７に戻り、超音波素子アレイ基板２０に音響レンズ５０が固着された状態では、第１凸部５２ａが超音波素子アレイ基板２０の表面に接触し（図６参照）、第２凸部５２ｂがＦＰＣ６０に接触する（図７参照）。
このように、ＦＰＣ６０を第２凸部５２ｂで押さえ、超音波素子アレイ基板２０とＦＰＣ６０と接続部におけるＦＰＣ６０の浮きを防止できる。
また、第１凸部５２ａの長さ寸法を設定することで超音波素子アレイ基板２０の表面とレンズ部５１との距離を簡単に設定することができ、その間に形成される音響整合層４０の厚みを正確に設定することが可能である。
さらに、音響レンズ５０の外周部に第１凸部５２ａ、第２凸部５２ｂが設けられ、ＦＰＣ６０の超音波素子アレイ基板２０との接続位置は、音響レンズ５０の外周より内側に配置されている。このため、音響レンズ５０を超音波素子アレイ基板２０上に安定して載置することができ、また、音響整合層４０を形成する余分な接着剤は第１凸部５２ａ、第２凸部５２ｂの間の隙間から流出し、音響整合層４０内に気泡が残存することを防止できる。
さらに、ＦＰＣ６０の超音波素子アレイ基板２０との接続位置は、音響レンズ５０の外周より内側に配置されているため、接続部が露出せず、音響整合層４０でこの接続部を保護することができる。

以上、上記の超音波デバイス１は、超音波素子アレイ基板２０の一方の面に支持部材３０が固着され、他方の面に音響レンズ５０が固着されている。また、支持部材３０は超音波素子アレイ基板２０より面積が広く曲げ剛性が大きく形成され、音響レンズ５０は超音波素子アレイ基板２０より曲げ剛性が小さく形成されている。
このように、超音波素子アレイ基板２０は超音波素子アレイ基板２０より曲げ剛性の大きい支持部材３０と固着した構造を有するため、超音波素子アレイ基板２０が補強されて外部の力による破損を防止することができる。
さらに、超音波素子アレイ基板２０と音響レンズ５０との間には音響整合層４０が設けられているため、曲げ剛性の小さい音響レンズ５０とこの音響整合層とで外部からの力を吸収し超音波素子アレイ基板２０に加わる外力を緩和する効果を有する。
また、超音波デバイス１は、超音波素子アレイ基板２０、支持部材３０、音響レンズ５０、音響整合層４０が一体となっており、超音波素子アレイ基板２０の交換が必要な際に超音波デバイス１を交換すればよく、交換が容易である。

（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（素子基板）について説明する。
図９は、本実施形態の超音波素子の概略平面図である。図１０は、図９のＥ−Ｅ断線に沿った断面を示す概略断面図である。図１１は本実施形態の超音波素子アレイ基板２０の概略構成を示す説明図である。

図９、図１０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９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９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、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超音波エコーを受信する受信素子としても動作する。超音波エコーにより振動膜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。

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１１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即ちグランド電位（接地電位）でなくてもよい。

なお、超音波素子１０の配置は、図１１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および超音波プローブは、超音波素子アレイ基板２０の破損を防止する超音波デバイス１を備えており、信頼性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。

上記実施形態では携帯型の超音波画像装置を示したが、図１２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…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、２０…超音波素子アレイ基板、２１…素子基板、２２…バックプレート、３０…支持部材、３１…斜面部、３２ａ，３２ｂ…取付け部、３３…接着層、３５…接着部材、３６…平面部、３７…凹部、３８ａ，３８ｂ…貫通穴、４０…音響整合層、５０…音響レンズ、５１…レンズ部、５２…凸部、５２ａ…第１凸部、５２ｂ…第２凸部、６０…フレキシブル印刷配線基板（ＦＰＣ）、１００，１０１…超音波画像装置、１１０…装置本体、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、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。

Claims (15)

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、を備え、
   前記支持部材は、前記超音波素子基板が設けられた凹部を備える
   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に電気的に接続するフレキシブル印刷配線基板を備え、
   前記音響レンズは前記フレキシブル印刷配線基板と接触し、前記超音波素子基板との間で前記フレキシブル印刷配線基板を押える複数の第２凸部を有する
   ことを特徴とする超音波デバイス。
3. 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、を備え、
   前記支持部材の外縁部の一部に斜面部が設けられ、
   前記超音波素子基板に電気的に接続する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。
4. 請求項３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フレキシブル印刷配線基板と接触し、前記超音波素子基板との間で前記フレキシブル印刷配線基板を押える複数の第２凸部を有する
   ことを特徴とする超音波デバイス。
5. 請求項２または４に記載の超音波デバイスにおいて、
   前記フレキシブル印刷配線基板の前記超音波素子基板との電気的接続位置は、前記超音波素子基板の厚み方向の平面視において前記音響レンズの前記第２凸部と前記超音波素子との間に配置されている
   ことを特徴とする超音波デバイス。
6. 請求項１乃至５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と前記支持部材とは、接着層を介して固着されており、
   前記接着層は、前記超音波素子基板において前記反対の面にのみ設けられる
   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ている
   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。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項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超音波素子基板に接触している複数の第１凸部を有する
   ことを特徴とする超音波デバイス。
10. 請求項９に記載の超音波デバイスにおいて、
    前記第１凸部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。
11. 請求項１乃至１０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。
12. 請求項１乃至１１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。
13. 請求項１２に記載の超音波プローブにおいて、
    前記音響レンズと前記筐体とに接するシール部と、を備えることを特徴とする超音波プローブ。
14. 請求項１乃至１３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。
15. 請求項１乃至１４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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