JP6504361B2 - 超音波センサー及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波センサー及びその製造方法に関する。

従来、開口部を有する半導体基板と、開口部を閉塞して半導体基板の表面に形成された絶縁膜層上の２層の電極と、２層の電極の間に挟んだＰＺＴセラミックス薄膜層とを、アレイ状に配置した超音波センサーが知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１０−１６４３３１号公報

このようなアレイ状に素子を配置した超音波センサーにおいて、第１電極や第２電極は、列方向に共通化させて引き出すが、特に共通配線においては、列方向に亘って外部接続端子から離れるにしたがって、インピーダンスが増大し、送信・受信の効率が低下し、信頼性が低下する。

また、一般的な電極材料である金（Ａｕ）や銅（Ｃｕ）等の柔らかい材料を使用すれば、容易に電気抵抗やインピーダンスが低い回路を構成することができる。しかしながら、素子を構成する各種電極には、素子の特性を確保するために、ヤング率が高く硬い材料を用いるという制約があり、上述した柔らかい材料の適用は好ましくない。

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、素子の特性を低下させること無くインピーダンスを減少させ、且つアレイ状に配置した素子から効率よく配線を引き出して信頼性を向上させた超音波センサー及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の態様は、第１電極、圧電体層及び第２電極を備え、第１方向及び第２方向に配列された複数の超音波素子を具備する超音波センサーであって、前記複数の超音波素子の少なくとも一部はグループ化されており、前記第１電極及び前記第２電極の少なくとも一方が、前記グループ化された超音波素子毎に共通化されており、前記共通化された前記第１電極及び前記第２電極の一方に対してバイパス配線が接続されており、前記バイパス配線の構成材料のヤング率と断面積との積（以下、α値と記載することもある）が、前記バイパス配線に接続される前記第１電極又は前記第２電極のα値より大きく、前記バイパス配線の単位長さ当たりの電気抵抗値が、前記バイパス配線に接続される前記第１電極又は前記第２電極の単位長さ当たりの電気抵抗値より小さいことを特徴とする超音波センサーにある。
かかる態様では、所定のα値を有するバイパス配線を設けることにより、当該バイパス配線に接続される第１電極又は第２電極のインピーダンスの増大を平均化することができ、送受信を効率的に行うことができ、信頼性を向上させることができる。また、前記バイパス配線の電気抵抗値を規定することにより、より確実に当該バイパス配線に接続される第１電極又は第２電極のインピーダンスを下げることができる。更に、前記バイパス配線は、前記第１又は第２電極の構成材料とは異なった材料とすることで、上記α値及び電気抵抗値の関係を満足することが容易に可能である。

また、前記バイパス配線と前記第１電極又は前記第２電極とが重畳している領域では、前記バイパス配線が前記第１電極又は前記第２電極より上方に設けられていることが好ましい。これによれば、製造時の歩留まりを向上させることができ、信頼性を向上させることができる。

また、前記共通化された前記第１及び第２電極の他方も共通化されており、当該他方の前記第１電極又は前記第２電極に電気的に接続して設けられ、上記α値が接続される前記第１又は第２電極のα値より大きい第２バイパス配線を具備することが好ましい。これによれば、前記第１又は第２電極のインピーダンスを下げることができる。

本発明の他の態様は、第１電極、圧電体層及び第２電極を備え、第１方向及び第２方向に配列された複数の超音波素子を具備し、前記第１電極及び前記第２電極の少なくとも一方が複数の超音波素子毎に共通化された超音波センサーの製造方法であって、前記第１電極、前記圧電体層及び前記第２電極を形成した後、前記第１電極又は前記第２電極に対して設けられ、上記α値が前記第１電極又は前記第２電極のα値より大きく、単位長さ当たりの電気抵抗値が前記第１電極又は前記第２電極の電気抵抗値より小さいバイパス配線を形成することを特徴とする超音波センサーの製造方法にある。
かかる態様によれば、製造時の歩留まりを向上させることができ、より確実に前記第１又は第２電極のインピーダンスを下げることができ、信頼性を向上させることができる。

実施形態１に係る超音波デバイスの構成例を示す断面図。 実施形態１に係る超音波センサーの構成例を示す分解斜視図。 超音波素子アレイの構成例を示す拡大斜視図。 実施形態１に係る超音波素子の概略構成を示す平面図。 実施形態１に係る超音波素子の断面図。 実施形態１に係る超音波センサーの概略構成を示す平面図。 実施形態１に係る超音波センサーの断面図。 実施形態２に係る超音波センサーの概略構成を示す平面図。 実施形態２に係る超音波センサーの断面図。 実施形態１に係る超音波センサーの製造例を説明する図。 実施形態１に係る超音波センサーの製造例を説明する図。 超音波診断装置の一例を示す斜視図。 超音波プローブの一例を示す斜視図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の説明は、本発明の一態様を示すものであって、本発明の範囲内で任意に変更可能である。各図において、同じ符号を付したものは、同一の部材を示しており、適宜説明が省略されている。

（実施形態１）
（超音波デバイス）
図１は、本発明の実施形態１に係る超音波センサーを搭載した超音波デバイスの構成例を示す断面図である。図示するように、超音波プローブＩは、ＣＡＶ面型の超音波センサー１と、超音波センサー１に接続されたフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ基板２）と、装置端末（図示せず）から引き出されたケーブル３と、ＦＰＣ基板２及びケーブル３を中継ぎする中継基板４と、超音波センサー１、ＦＰＣ基板２及び中継基板４を保護する筐体５と、筐体５及び超音波センサー１の間に充填された耐水性樹脂６とを具備して構成されている。

超音波センサー１からは、超音波が送信される。また、測定対象物から反射された超音波が、超音波センサー１によって受信される。これらの超音波の波形信号に基づき、超音波プローブＩの装置端末において、測定対象物に関する情報（位置や形状等）が検出される。

超音波センサー１によれば、後述のように、高い信頼性を確保できる。従って、超音波センサー１を搭載することで、各種特性に優れた超音波デバイスとなる。本発明は、超音波の送信に最適化された送信専用型と、超音波の受信に最適化された受信専用型と、超音波の送信及び受信に最適化された送受信一体型と、等の何れの超音波センサー１にも適用できる。超音波センサー１を搭載可能な超音波デバイスは超音波プローブＩに限定されない。

（超音波センサー）
図２は、超音波センサーの分解斜視図であり、図３は、超音波素子アレイの構成例を示す拡大斜視図である。図４は、本発明の実施形態１に係る超音波素子の概略構成を示す平面図、図５はそのＡ−Ａ′線断面図及びＢ−Ｂ′線断面図、図６は、超音波センサーの概略構成を示す平面図、図７はそのＣ−Ｃ′線断面図及びＤ−Ｄ′線断面図である。

超音波センサー１は、超音波素子１０と、音響整合層３０と、レンズ部材３１と、包囲板４０と、を含んで構成されている。超音波素子１０は、基板１１と、振動板５０と、圧電素子１７と、を含んで構成されている。図２において、包囲板４０と支持部材４１とが別体に示されているが、実際には両者は一体的に構成されている。

互いに直交する２つの軸をＸ軸及びＹ軸とし、Ｘ軸及びＹ軸によって形成される平面をＸＹ平面としたとき、基板１１は、ＸＹ平面に沿っている。以降、Ｘ軸を第１の方向Ｘと称し、Ｙ軸を第２の方向Ｙと称し、第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙの何れにも直交するＺ軸を第３の方向Ｚと称する。

基板１１には、複数の隔壁１９が形成されている。複数の隔壁１９により、第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙに沿って、複数の空間２０が区画されている。空間２０は、第３の方向Ｚに基板１１を貫通するように形成されている。空間２０は、二次元状、すなわち、第１の方向Ｘに複数且つ第２の方向Ｙに複数形成されている。空間２０の配列や形状は、種々に変形が可能である。例えば、空間２０は、一次元状、すなわち、第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙの何れか一方の方向に沿って複数形成されてもよい。また、空間２０は、第３の方向Ｚから見たときに長方形状（第１の方向Ｘと第２の方向Ｙとの長さの比が１：１以外）であってもよい。

振動板５０は、空間２０により形成された開口部１８を塞ぐように基板１１上に設けられている。以降、振動板５０の基板１１側の面を第１面５０ａと称し、第１面５０ａに対向する面を第２面５０ｂと称する。振動板５０は、基板１１上に形成された弾性膜１２と、弾性膜１２上に形成された絶縁体膜１３と、によって構成されている。この場合、弾性膜１２によって第１面５０ａが構成され、絶縁体膜１３によって第２面５０ｂが構成される。

図示するように、本実施形態の超音波素子１０は、例えば、シリコン基板からなる基板１１の一面に設けられた二酸化シリコン膜からなる弾性膜１２と、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜１３上に形成され、第１電極１４と、圧電体層１５と、第２電極１６とからなる圧電素子１７から構成される。基板１１の圧電素子１７に対応する領域には開口部１８が形成され、開口部１８を形成する空間２０は隔壁１９により区切られている。

基板１１は例えばシリコン単結晶基板を用いることができるが、これに限定されるものではない。本実施形態では、二酸化シリコン等からなる弾性膜１２と、酸化ジルコニウム等からなる絶縁体膜１３とで振動板５０を構成するが、これに限定されるものではなく、何れか一方でもよく、又は他の膜としてもよい。

絶縁体膜１３上には、必要に応じて密着層を介して第１電極１４と、厚さが３μｍ以下、好ましくは０．３〜１．５μｍの薄膜である圧電体層１５と、第２電極１６と、からなる圧電素子１７が形成されている。ここで、圧電素子１７は、第１電極１４、圧電体層１５及び第２電極１６を含む部分をいう。

一般的には、圧電素子１７を駆動する場合、何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極を個別電極とするが、超音波素子１０では、複数の超音波素子１０毎に駆動し、スキャンすることが行われるので、何れか一方が共通電極で他方が個別電極という区別は現実的ではない。何れにしても、超音波素子１０を一次元的又は二次元的に並列させた態様とする場合には、第１電極１４を一方向に亘るように設け、第２電極１６を一方向に直交する方向に亘るように設け、適宜選択した第１電極１４と第２電極１６との間に電圧を印加することにより、所定の圧電素子１７のみを駆動することができる。また、所定の圧電素子１７を選択する際に、一列又は複数列を一つのグループとして選択して駆動することが一般的に行われる。本実施形態では、第１電極１４は４列が束ねられて共通化されている。これを仮に１チャンネルと呼び、このチャンネルは第１の方向Ｘに亘って複数設けられている。また、第２電極１６は、第１の方向Ｘに沿って一列に連続して設けられ、第２の方向Ｙに沿って複数列設けられている。

このような構成においては、第２電極１６の全ての列を共通化して、１チャンネル内の全ての圧電素子１７を同時に駆動し、順次各チャンネルを駆動すると、第１の方向Ｘに沿った１次元のデータが取得できる。

また、第２電極１６を１列毎、又は複数列毎に共通化し、１チャンネル内の圧電素子１７を第２電極１６で共通化してグループ毎に順次駆動し、順次各チャンネルを駆動すると、ＸＹ方向の２次元データが取得できる。

また、ここでは圧電素子１７と、当該圧電素子１７の駆動により変位が生じる振動板５０である弾性膜１２及び絶縁体膜１３と、を合わせてアクチュエーター装置と称する。上述した例では、弾性膜１２及び絶縁体膜１３と、必要に応じて設けられる密着層と、第１電極１４と、が振動板５０として作用するが、これに限定されるものではない。例えば、振動板５０を設けず、圧電素子１７自体が実質的に振動板としての機能を兼ねるようにしてもよい。

第１電極１４や第２電極１６は導電性を有するものであれば制限されず、例えば白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、ステンレス鋼等の金属材料、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）等の酸化スズ系導電材料、酸化亜鉛系導電材料、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ_３）、ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ_３）、元素ドープチタン酸ストロンチウム等の酸化物導電材料や、導電性ポリマー等を用いることができる。ただし、前記の材料に制限されない。

圧電体層１５は、代表的にはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系のペロブスカイト構造の複合酸化物を用いることができる。これによれば、圧電素子１７の変位量を確保しやすくなる。

また、圧電体層１５は、鉛を含まないもの、例えば少なくともビスマス（Ｂｉ）、バリウム（Ｂａ）、鉄（Ｆｅ）及びチタン（Ｔｉ）を含むペロブスカイト構造の複合酸化物を用いることもできる。これによれば、環境への負荷が少ない非鉛系材料を用いて超音波素子１０を実現できる。

このようなペロブスカイト型構造、すなわち、ＡＢＯ_３型構造のＡサイトは、酸素が１２配位しており、また、Ｂサイトは酸素が６配位して８面体（オクタヘドロン）をつくっている。鉛を含まない上記の圧電体層１５の例では、ＡサイトにＢｉ、Ｂａ及びＬｉが、ＢサイトにＦｅ、Ｔｉが位置している。

Ｂｉ、Ｂａ、Ｆｅ及びＴｉを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物では、その組成式は（Ｂｉ、Ｂａ）（Ｆｅ、Ｔｉ）Ｏ_３として表されるが、代表的な組成としては、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとの混晶として表されるものである。かかる混晶は、Ｘ線回折パターンで、鉄酸ビスマスやチタン酸バリウムが単独では検出できないものをいう。混晶の組成から外れる組成も含むものである。

ここでのペロブスカイト構造の複合酸化物には、欠損・過剰により化学量論の組成からずれたものや、元素の一部が他の元素に置換されたものも含まれる。すなわち、ペロブスカイト構造を取り得る限りにおいて、格子不整合、酸素欠損等による不可避な組成のずれは勿論、元素の一部置換等も許容される。

そして、ペロブスカイト構造の複合酸化物の構成は前記の例に制限されず、他の元素を含んで構成してもよい。例えば圧電体層１５は、マンガン（Ｍｎ）をさらに含むことが好ましい。これによれば、リーク電流を抑制しやすくなり、例えば非鉛系の材料として信頼性の高い超音波素子１０を実現できる。

圧電体層１５のＡサイトのＢｉをリチウム（Ｌｉ）、サマリウム（Ｓｍ）、セリウム（Ｃｅ）等で置換するようにしてもよく、ＢサイトのＦｅをアルミニウム（Ａｌ）、コバルト（Ｃｏ）等で置換するようにしてもよい。これによれば、各種特性を向上させて構成や機能の多様化を図りやすくなる。これら他の元素を含む複合酸化物である場合も、ペロブスカイト構造を有するように構成されることが好ましい。

図３及び図６に示すように、超音波センサー１は、一般的に、超音波素子１０を第１の方向Ｘ及びこれに直交する第２の方向Ｙに、二次元的に並設しており、第１の方向Ｘをスキャン方向、第２の方向Ｙをスライス方向とする。図３に示す構成例及び図６に示す本実施形態では、スライス方向である第２の方向Ｙに、１６個の超音波素子１０が並設され、スキャン方向である第１の方向Ｘには６４個の超音波素子１０が並設されているが、図３及び図６には、それぞれその一部のみを示している。このような超音波センサー１では、スキャン方向にスキャンしながら、スライス方向に延びる列毎に駆動、すなわち、超音波の送信及び受信を行うことにより、スライス方向のセンシング情報を、スキャン方向に連続して取得することができる。

図３の構成例において、第１電極１４は、第２の方向Ｙ、すなわち、スライス方向に延びる列毎に共通であり、本実施形態では、４列毎に共通化し、４列１チャンネル毎に駆動可能となっている。一方、第２電極１６は、第１の方向Ｘ、すなわち、スキャン方向に延びる列毎に連続して設けられ、全ての列を共通化して接続している。図６に示す本実施形態は、後述するバイパス配線２１及び第２バイパス配線２２を利用しているため詳細な構造は異なるが、電極の共通化に関する基本的な考え方や駆動方法は、図３の構成例と同じである。

このような超音波センサー１では、第１の方向Ｘ又は第２の方向Ｙの一方端又は両端に外部接続端子を具備することになるが、外部接続端子から距離が離れるにしたがって、各電極のインピーダンスが増大することになる。

そこで、本実施形態では、図６に示すように、超音波素子１０が第１の方向Ｘに４つずつグループ化され、グループ化された４つの超音波素子１０毎に、第２電極１６が共通化されている。また、このようにして共通化された第２電極１６に対して、バイパス配線２１が接続されている。バイパス配線２１は、第２電極１６と接続され、第２電極１６のスキャン方向及びスライス方向のインピーダンスの増大を補う。バイパス配線２１は、第１の方向Ｘに延びる第１延設部２１ａと、第１延設部２１ａから第２の方向Ｙに延びる第２延設部２１ｂとを有する。第１延設部２１ａは第２の方向Ｙの両側に設けられ、第２延設部２１ｂは、第１の方向Ｘの４列毎の間に、第１延設部２１ａを連結するように設けられている。

このようなバイパス配線２１は、詳細は後述するように、第２電極１６のパターニングの後に、第２電極１６とは異なる材質で形成されたものである。これは超音波素子１０の製造薄膜プロセスで同時に形成するものでは、自由な膜厚の配線を形成することができず、配線幅も自由にはならない。また、上層をパターニングする際の下層の薄膜化などのプロセス上の問題もあり、小さなインピーダンスの配線を形成できないからである。そして、超音波素子１０の製造薄膜プロセスとは別工程で製造することにより、製造による歩留まりを向上させることができ、第１電極１４や第２電極１６とは異なる材料で且つ断面積で形成することができる。

バイパス配線２１は、第１電極１４や第２電極１６とは異なる材料、好ましくは電気抵抗率が小さい材料を用いるのが好ましく、金、銀、銅、アルミニウムなどを挙げることができる。ここで、異なる材料とは、構成する主成分（成分中の５０％以上を占める成分）が異なることを意味する。本実施形態では、金を用いた。なお、金の配線を形成する場合には、下地としてニクロムなどの下地層を形成するが、以下の説明では下地層の説明は省略する。また、バイパス配線２１は、単層である必要はなく、二層以上の積層膜であってもよく、積層の場合には、全体の電気抵抗値が第２電極１６より小さくなるように形成するのが好ましい。

ここで、バイパス配線２１は、当該配線を構成する材料のヤング率と配線の断面積との積（以下、α値とも呼ぶ）が共通化された第２電極１６を構成する材料のα値より大きいものとし、且つ上記配線を構成する材料の単位長さ当たりの電気抵抗値（以下、単に電気抵抗値とも呼ぶ）が、共通化された第２電極１６を構成する材料の電気抵抗値より小さいものとすることにより配線による圧電素子１７の変位の低下を抑えながら、バイパス配線２１のインピーダンスを小さくすることができる。

本実施形態では、さらに、図６に示すように、超音波素子１０が４列ずつグループ化され、グループ化された４列の超音波素子１０毎に、第１電極１４が共通化されている。また、このようにして共通化された第１電極１４に対して、第２バイパス配線２２が接続されている。第２バイパス配線２２は、４列毎に共通化された第１電極１４の延設方向のインピーダンスの増大を改善する。第２バイパス配線２２は、第１電極１４の延設方向である第２の方向Ｙに延びる第１延設部２２ａと、第１延設部２２ａと各列の第１電極１４とを連結する第２延設部２２ｂとを具備する。

このような第２バイパス配線２２は、バイパス配線２１と同様に、第１電極１４、第２電極１６のパターニングの後に、第１電極１４とは異なる材質で形成されたものである。これは超音波素子１０の製造薄膜プロセスで同時に形成するものでは、自由な膜厚の配線を形成することができず、配線幅も自由にならない。また、上層をパターニングする際の下層の薄膜化などのプロセス上の問題もあり、小さなインピーダンスの配線を形成できないからである。そして、超音波素子１０の製造薄膜プロセスとは別工程で製造することにより、製造による歩留まりを向上させることができ、第１電極１４や第２電極１６とは異なる材料で且つ断面積で形成することができる。

第２バイパス配線２２は、バイパス配線２１と同様に、第１電極１４や第２電極１６とは異なる材料、好ましくは電気抵抗率が小さい材料を用いるのが好ましく、金、銀、銅、アルミニウムなどを挙げることができる。本実施形態では、金を用いた。なお、金の配線を形成する場合には、下地としてニクロムなどの下地層を形成するが、以下の説明では下地層の説明は省略する。また、第２バイパス配線２２は、単層である必要はなく、二層以上の積層膜であってもよく、積層の場合には、全体の電気抵抗値が第１電極１４より小さいように形成するのが好ましい。

ここで、第２バイパス配線２２は、α値が共通化された第１電極１４より大きいものとし、且つ電気抵抗値が、共通化された第１電極１４より小さいものとすることにより圧電素子１７の変位の低下を抑えながら、第２バイパス配線２２のインピーダンスを小さくすることができる。

なお、第２バイパス配線２２は、必ずしも設ける必要はなく、バイパス配線２１のみを設けても、上述したように、スキャン方向のインピーダンスを小さくすることができる。

音響整合層３０は、空間２０内に設けられている。音響整合能を有する樹脂等が基板１１の空間２０等内に充填されて音響整合層３０が設けられることで、圧電素子１７及び測定対象物の間で音響インピーダンスが急激に変化することを防止でき、その結果、超音波の伝播効率が低下することを防止できる。音響整合層３０は、例えばシリコーンオイル、シリコーン樹脂又はシリコーンゴムから構成できるが、前記の例に限定されず、超音波センサー１の用途等に応じた材料を適宜選択して用いることができる。

レンズ部材３１は、基板１１の振動板５０とは反対側に設けられている。レンズ部材３１は、超音波を収束させる役割を有している。超音波を電子フォーカス法で収束させる場合等、レンズ部材３１は省略可能である。ここでは、上記の音響整合層３０が、レンズ部材３１と基板１１との接着機能も有している。レンズ部材３１と基板１１（隔壁１９）との間に音響整合層３０を介在させ、超音波センサー１が構成されている。

レンズ部材３１を超音波素子１０に実装する際や、レンズ部材３１の実装後にレンズ部材３１の密着性を確保する際に、レンズ部材３１を音響整合層３０側に押圧することがある。レンズ部材３１を具備していない場合や、レンズ部材３１の代わりに他の部材を設けた場合にも、各部の密着性を確保するため、音響整合層３０側から振動板５０に押圧力を付すこともある。超音波センサー１では、支持部材４１を具備して構成されているため、上記の通り、所定の外圧が振動板５０に加わったとしても、構造歪みが生じることを抑制でき、高い信頼性を確保できる。

包囲板４０は、振動板５０の第２面５０ｂ側に設けられている。包囲板４０の中央には凹部（圧電素子保持部３２）が形成され、この圧電素子保持部３２の周囲は、包囲板４０の縁部４０ａ（図２等参照）とされている。圧電素子保持部３２によって、圧電素子１７の周囲の領域（圧電素子１７の上面及び側面を含む領域）が覆われる。従って、圧電素子保持部３２の底面に相当する面が、包囲板４０の圧電素子１７側の面４０ｂとなる。

包囲板４０は、縁部４０ａにおいて超音波素子１０側に接合されている。包囲板４０の接合は、接着剤（図示せず）を用いることができるが、前記の例に限定されない。圧電素子保持部３２の深さ、すなわち第３の方向Ｚの長さは、約８０μｍであるが、前記の値に限定されない。圧電素子保持部３２の深さは、圧電素子１７の駆動を阻害しない程度のスペースが確保される値であればよい。また、圧電素子保持部３２は、空気で満たされていてもよく、樹脂で満たされていてもよい。包囲板４０の厚さは、約４００μｍであるが、前記の値に限定されない。

超音波センサー１には、包囲板４０の圧電素子１７側の面４０ｂと振動板５０の第２面５０ｂとの間、且つ、圧電素子１７と重ならない位置に、支持部材４１が設けられている。これによれば、支持部材４１により振動板５０を支持できる。このため、例えば、レンズ部材３１を実装する際や、レンズ部材３１の実装後にレンズ部材３１の密着性を確保する際、音響整合層３０側から所定の圧力が振動板５０に加わったとしても、振動板５０が圧電素子保持部３２内に大きく撓むことが防止される。よって、構造歪みが生じることを抑制でき、高い信頼性を確保できる。

支持部材４１は、圧電素子１７と重ならない位置に設けられている。このため、圧電素子１７が支持部材４１によって過度に拘束されることが回避される。よって、支持部材４１を設けていない場合と比べ、超音波の送信効率や受信効率が過度に低下することも防止される。

圧電素子１７と重ならない位置とは、第３の方向Ｚから見たとき、能動部（第１電極１４と第２電極１６とで挟まれた部分）に重ならない位置である。特に、超音波センサー１では、隔壁１９よりも狭い幅を有している支持部材４１が、隣り合う空間２０間の隔壁１９の対向する部分に設けられている。つまり、超音波センサー１では、第３の方向Ｚから見たとき、支持部材４１が、可動部（振動板５０の第２面５０ｂ側のうち開口部１８（空間２０）に対応する部分）にすら重なっていない。このため、支持部材４１を設けていない場合と比べ、超音波送信効率や受信効率が過度に低下することが確実に防止される。支持部材４１は、接着剤（図示せず）により超音波素子１０側に接合されているが、接合の手法は前の例に限定されない。

支持部材４１は、第２の方向Ｙに沿って延びる梁形状を有している。これによれば、第２の方向Ｙに亘る広い範囲で振動板５０を支持できる。梁形状の支持部材４１は、第１の方向Ｘではなく、第１の方向Ｘに沿って延在していてもよい。梁形状の支持部材４１は延在する片方の端部が、包囲板４０の縁部４０ａから離れていてもよい。延在方向の少くとも片方の端部が包囲板４０の縁部４０ａに接していれば、梁形状の支持部材４１に挟まれる。

梁形状の支持部材４１は、包囲板４０をウエットエッチングすることで作製されたものである。このように、支持部材４１は、包囲板４０の構成材料を活かして作製されており、包囲板４０と同一の構成を有している。ウエットエッチングは、例えばドライエッチングに比べ、加工精度は劣るものの、短時間で多くの領域を削ることができるため、梁形状の支持部材４１を作製するのには好適な手法である。

圧電素子保持部３２の中心部分は、包囲板４０の縁部４０ａから比較的離れている。従って、振動板５０において、圧電素子保持部３２の中心部分に対応する中心箇所Ｃ（図２等参照）では、支持部材４１がない場合に剛性が低くなりやすい。そこで、支持部材４１は、そのような振動板５０の中心箇所Ｃを支持するように設けられている。これにより、より高い信頼性を確保できる。

本発明において、支持部材の数、配置、形状等は種々に選択が可能である。例えば、支持部材４１は複数であってもよい。その場合、支持部材４１は、圧電素子保持部３２内に等間隔に設けられることが好ましい。これによれば、振動板５０をまんべんなく支持できる。従って、振動板５０の数は、３つ以上の奇数であることが好ましい。これは、圧電素子保持部３２内に支持部材４１を等間隔に設けたとき、その真ん中の支持部材４１が、振動板５０の中心箇所Ｃの近傍に位置し得るためである。例えば、支持部材４１の数は、３つ程度であるとバランスがよい。

支持部材４１は、振動板５０の中心箇所Ｃからずれた部分のみに設けられてもよい。支持部材４１は、梁形状を有していなくてもよい。支持部材４１は、延在方向に直線状でなくてもよい。支持部材４１の作製手法によっては、支持部材４１のＸＹ平面の断面積が第３の方向Ｚに応じて異なる態様となる場合があるものの、かかる態様も、振動板５０を支持できる限り、本発明の支持部材４１に含まれる。

（実施形態２）
図８は、本発明の実施形態２に係る超音波センサーの概略構成を示す平面図、図９はそのＥ−Ｅ′線断面図及びＦ−Ｆ′線断面図である。

本実施形態の超音波素子１０Ａは、バイパス配線２３を介して第１電極１４を全体に共通化した配線としたものであり、他の構成は基本的には実施形態１と同様であるので、同一構成には同一符号を付して重複する説明は省略する。

本実施形態では、超音波素子１０Ａが第１の方向Ｘに４つずつグループ化され、グループ化された４つの超音波素子１０Ａ毎に、第１電極１４が共通化されている。第１電極１４は、スキャン方向である第１の方向Ｘに延設されている。このようにして共通化された、第１電極１４に対して、バイパス配線２３が接続されている。バイパス配線２３は、第１電極１４と接続され、第１電極１４のスキャン方向及びスライス方向のインピーダンスの増大を補う。バイパス配線２３は、第１の方向Ｘに延びる第１延設部２３ａと、第１延設部２３ａから第２の方向Ｙに延びる第２延設部２３ｂとを有する。第１延設部２３ａは第２の方向Ｙの両側に設けられ、第２延設部２３ｂは、第１の方向Ｘの４列毎の間に、第１延設部２３ａを連結するように設けられている。

このようなバイパス配線２３は、上述したバイパス配線２１と同様に、第１電極１４及び第２電極１６のパターニングの後に、第１電極１４とは異なる材質で形成されたものである。これは超音波素子１０Ａの製造薄膜プロセスで同時に形成するものでは、自由な膜厚の配線を形成することができず、配線幅も自由にはならない。また、上層をパターニングする際の下層の薄膜化などのプロセス上の問題もあり、小さなインピーダンスの配線を形成できないからである。そして、超音波素子１０Ａの製造薄膜プロセスとは別工程で製造することにより、製造による歩留まりを向上させることができ、第１電極１４や第２電極１６とは異なる材料で且つ断面積で形成することができる。なお、バイパス配線２３は、バイパス配線２１と同様は材料、構成で設ければよい。

また、本実施形態では、超音波素子１０Ａが４列ずつグループ化され、グループ化された４列の超音波素子１０Ａ毎に、第２電極１６が共通化されている。第２電極１６は、スライス方向に沿って延設されている。このようにして共通化された第２電極１６に対して、第２バイパス配線２４が接続されている。第２バイパス配線２４は、４列毎に共通化された第２電極１６の延設方向のインピーダンスの増大を改善する。第２バイパス配線２４は、第２電極１６の延設方向である第２の方向Ｙに延びる第１延設部２４ａと、第１延設部２４ａと各列の第２電極１６とを連結する第２延設部２４ｂとを具備する。

このような第２バイパス配線２４は、バイパス配線２１と同様に、第２電極１６のパターニングの後に、第２電極１６とは異なる材質で形成されたものである。これは超音波素子１０Ａの製造薄膜プロセスで同時に形成するものでは、自由な膜厚の配線を形成することができず、配線幅も自由にはならない。また、上層をパターニングする際の下層の薄膜化などのプロセス上の問題もあり、小さなインピーダンスの配線を形成できないからである。そして、超音波素子１０Ａの製造薄膜プロセスとは別工程で製造することにより、製造による歩留まりを向上させることができ、第１電極１４や第２電極１６とは異なる材料で且つ断面積で形成することができる。なお、第２バイパス配線２４は、バイパス配線２１と同様は材料、構成で設ければよい。

次に、実施形態１の超音波センサーの製造方法の一例について、図１０及び図１１を参照して説明する。これらの図は、超音波センサーの製造例を示す断面図であり、図６のＤ−Ｄ′線断面図に対応する。

まず、図１０（ａ）に示すように、基板１１を熱酸化等で酸化シリコンからなる弾性膜１２を形成後、この上に、ジルコニウムを成膜して例えば５００℃〜１２００℃の拡散炉で熱酸化し、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜１３を形成する。そして、図１０（ｂ）に示すように、絶縁体膜１３上に、第１電極１４をスパッタリング法や蒸着法等により形成し、第１電極１４が所定の形状となるようにパターニングする。

次いで、図１０（ｃ）に示すように、第１電極１４上に圧電体層１５を積層し、パターニングする。圧電体層１５は、例えば金属錯体を溶媒に溶解・分散した溶液を塗布乾燥し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電材料を得る、ＣＳＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成できる。尚、ＣＳＤ法に限定されず、例えば、ゾル−ゲル法や、レーザーアブレーション法、スパッタリング法、パルス・レーザー・デポジション法（ＰＬＤ法）、ＣＶＤ法、エアロゾル・デポジション法等を用いてもよい。

次に、図１１（ａ）に示すように、圧電体層１５上に、第２電極１６をスパッタリング法や熱酸化等により形成し、パターニングし、第１電極１４、圧電体層１５及び第２電極１６からなる圧電素子１７を形成する。

次に、図１１（ｂ）に示すように、ニッケルクロムなどの密着層と金層とを成膜し、パターニングすることにより、バイパス配線２１及び第２バイパス配線２２を形成する。そして、図１１（ｃ）に示すように、空間２０を形成し、超音波センサー１とする。

このように、超音波素子１０の製造薄膜プロセスとは別工程で製造することにより、製造による歩留まりを向上させることができ、第１電極１４や第２電極１６とは異なる材料で且つ異なる断面積で形成することができる。また、バイパス配線２１は、ヤング率及び断面積の積（以下、α値とも呼ぶ）が第２電極１６より大きく、且つ上記配線を構成する材料の単位長さ当たりの電気抵抗値（以下、単に電気抵抗値とも呼ぶ）が、第２電極１６より小さいものとする。これにより、逆に第２電極１６のα値を小さく抑え、且つ第２電極１６の電気抵抗値を大きくすることができ、配線による圧電素子１７の変位の低下を抑えながら、バイパス配線２１のインピーダンスを小さくすることができる。なお、第２バイパス配線２２についても同様である。

また、超音波センサー１において、バイパス配線２１と、第１電極１４又は第２電極１６とが重畳している領域では、上述したとおり、バイパス配線２１が第１電極１４又は第２電極１６より上方に設けられていることで、製造時の歩留まりを向上させることができ、信頼性を向上させることができる。ただし、超音波センサー１の構造は、それに限定されない。

（他の実施形態）
以上説明した各本実施形態では説明は省略したが、例えば、振動板５０の圧電素子１７とは反対側が、測定対象物に向けて発信される超音波や測定対象物から反射した超音波（エコー信号）の通過領域となる構成とすることができる。これによれば、振動板５０の圧電素子１７とは反対側の構成を簡素化させ、超音波等の良好な通過領域を確保できる。また、電極や配線等の電気的領域や各部材の接着固定領域を測定対象物から遠ざけて、これらと測定対象物との間での汚染や漏れ電流を防止しやすくなる。従って、汚染や漏れ電流を特に嫌う医療用の機器、例えば超音波診断装置、血圧計及び眼圧計にも好適に適用できる。

また、上述した実施形態では、バイパス配線２１，２３、第２バイパス配線２２，２４を第１電極１４及び第２電極１６と同じ平面上に設けたが、これに限定されず、所定のグループ毎に共通化された第１電極１４又は第２電極１６のグループ毎に、又は複数のグループ毎に、バイパス配線を三次元的に接続するようにしてもよい。例えば、共通化された第１電極１４又は第２電極１６に対して、プローブ端子などを介してバイパス配線２１，２３を接続するようにしてもよいし、ワイヤーボンディングなどを介して接続するようにしてもよい。

さらに、上述した実施形態では省略したが、圧電素子１７を含む領域を封止する封止板を基板１１に接合するのが好ましい。これによれば、圧電素子１７を物理的に保護でき、また超音波センサー１の強度も増加するため、構造安定性を高めることができる。更に、圧電素子１７が薄膜として構成される場合には、その圧電素子１７を含む超音波センサー１のハンドリング性も向上させることができる。

また、上述した実施形態では、開口部１８は、圧電素子１７毎に形成した例を示したが、これに限定されず、複数の圧電素子１７に対応して開口部１８を形成してもよい。例えば、スキャン方向に亘って並設される圧電素子１７の列に共通する開口部１８を設けてもよく、又は全体に１つの開口部１８としてもよい。なお、このような複数の圧電素子１７に対して共通する開口部１８を設けた場合には、圧電素子１７の振動状態が異なるようになるが、振動板５０の基板１１とは反対側から、各圧電素子１７の間を押さえ込む部材等を設けて、独立した開口部１８を設けた場合と同様な振動を行うようにしてもよい。

ここで、上述した超音波センサーを用いた超音波診断装置の一例について説明する。図１２は超音波診断装置の一例の概略構成を示す斜視図、図１３は超音波プローブを示す側面図である。

これらの図に示すように、超音波診断装置１０１は、装置端末１０２と超音波プローブ（プローブ）１０３とを備える。装置端末１０２と超音波プローブ１０３とはケーブル１０４で接続される。装置端末１０２と超音波プローブ１０３とはケーブル１０４を通じて電気信号をやりとりする。装置端末１０２にはディスプレイパネル（表示装置）１０５が組み込まれる。ディスプレイパネル１０５の画面は、装置端末１０２の表面に露出する。装置端末１０２では、超音波プローブ１０３の超音波センサー１から送信され、検出された超音波に基づき画像が生成される。画像化された検出結果は、ディスプレイパネル１０５の画面に表示される。

超音波プローブ１０３は、筐体１０６を有する。筐体１０６内には、複数の超音波素子１０が第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙの二次元に配列された超音波センサー１が収納される。超音波センサー１は、その表面が筐体１０６の表面に露出するように設けられる。超音波センサー１は、表面から超音波を出力すると共に、超音波の反射波を受信する。また、超音波プローブ１０３は、プローブ本体１０３ａに着脱自在となるプローブヘッド１０３ｂを備えることができる。このとき、超音波センサー１はプローブヘッド１０３ｂの筐体１０６内に組み込まれることができる。なお、超音波センサー１は、超音波素子１０が、第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙに二次元に配列されて構成される。

Ｉ 超音波プローブ、 １，１Ａ 超音波センサー、 ２ ＦＰＣ基板、 ３ ケーブル、 ４ 中継基板、 ５ 筐体、 ６ 耐水性樹脂、 １０，１０Ａ 超音波素子、 １１ 基板、 １２ 弾性膜、 １３ 絶縁体膜、 １４ 第１電極、 １５ 圧電体層、 １６ 第２電極、 １７ 圧電素子、 １８ 開口部、 １９ 隔壁、 ２０ 空間、 ２１，２３ バイパス配線、 ２２，２４ 第２バイパス配線、 ２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａ 第１延設部、 ２１ｂ，２２ｂ，２３ｂ，２４ｂ 第２延設部、 ３０ 音響整合層、 ３１ レンズ部材、 ３２ 圧電素子保持部、 ４０ 包囲板、 ４０ａ 包囲板の縁部、 ４０ｂ 包囲板の圧電素子側の面、 ４１ 支持部材、 ５０ 振動板、 ５０ａ 第１面、 ５０ｂ 第２面、 １０１ 超音波診断装置、 １０２ 装置端末、 １０３ 超音波プローブ（プローブ）、 １０３ａ プローブ本体、 １０３ｂ プローブヘッド、 １０４ ケーブル、 １０５ ディスプレイパネル、 １０６ 筐体

Claims (5)

1. 第１電極、圧電体層及び第２電極を備え、第１方向及び第２方向に配列された複数の超音波素子を具備する超音波センサーであって、
   前記複数の超音波素子の少なくとも一部はグループ化されており、
   前記第１電極及び前記第２電極の少なくとも一方が、前記グループ化された超音波素子毎に共通化されており、
   前記共通化された前記第１電極及び前記第２電極の一方に対してバイパス配線が接続されており、
   前記バイパス配線の下記α値は、当該バイパス配線が接続される前記第１電極又は前記第２電極のα値より大きく、
   単位長さ当たりの電気抵抗値を比較したとき、前記バイパス配線の電気抵抗値は、当該バイパス配線が接続される前記第１電極又は前記第２電極の電気抵抗値より小さいことを特徴とする超音波センサー。
   α値＝（構成材料のヤング率）×（配線又は電極の断面積）
2. 前記バイパス配線と前記第１電極又は前記第２電極とが重畳している領域では、前記バイパス配線が前記第１電極又は前記第２電極より上方に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の超音波センサー。
3. 前記共通化された前記第１電極及び前記第２電極の他方も共通化されており、当該他方の前記第１電極又は前記第２電極に電気的に接続する第２バイパス配線が設けられ、前記第２バイパス配線の前記α値が当該バイパス配線が接続される前記第１電極又は前記第２電極のα値より大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波センサー。
4. 前記バイパス配線は、前記第１電極又は前記第２電極とは異なる材料から構成されることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の超音波センサー。
5. 第１電極、圧電体層及び第２電極を備え、第１方向及び第２方向に配列された複数の超音波素子を具備し、前記第１電極及び前記第２電極の少なくとも一方が複数の超音波素子毎に共通化された超音波センサーの製造方法であって、
   前記第１電極、前記圧電体層及び前記第２電極を形成した後、前記第１電極又は前記第２電極に対して設けられ、下記α値が前記第１電極又は前記第２電極のα値より大きく、単位長さ当たりの電気抵抗値が前記第１電極又は前記第２電極の電気抵抗値より小さいバイパス配線を形成することを特徴とする超音波センサーの製造方法。
   α値＝（構成材料のヤング率）×（配線又は電極の断面積）

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