JP6565909B2 - 超音波センサー - Google Patents

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Description

本発明は、超音波センサーに関する。
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に２層の電極と、２層の電極の間で挟んだ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
このような超音波センサーにおいて、送信感度や受信感度を制御しようとすると、圧電体層を形成する圧電材料を変更しなければならない。すなわち、受信専用の素子と送信専用の素子とを用意しようとすると、圧電材料の異なる素子を並べなければならず、非常に困難である。また、圧電材料を統一した場合、開口部の大きさ等を変更して送受信感度を調整することができるが、開口部の大きさを変更すると、共振周波数が変化してしまい、実質的に使用困難なものになるという問題があった。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、圧電材料を同一とし、共振周波数を変更することなく、送受信感度の異なる素子を共存させた超音波センサー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、開口部が形成された基板と、前記開口部を塞ぐように前記基板に設けられた振動板と、前記振動板の前記開口部とは反対側に積層された第１電極と圧電体層と第２電極とを含む超音波素子と、を具備する超音波センサーであって、前記第１電極と前記圧電体層と前記第２電極とが積層される方向をＺ方向とし、前記Ｚ方向において前記第１電極と前記圧電体層と前記第２電極とが重なっている部分を能動部とし、当該能動部の駆動により前記振動板が振動できる範囲を可動部したとき、前記能動部は、前記可動部に対向して配置されており、平面視において、前記能動部の外形は前記可動部の外形よりも小さく、前記能動部の側方の、少なくとも前記可動部と対向する領域に、共振周波数を調整する共振周波数調整部が設けられる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、例えば、受信専用又は送信専用に最適化した超音波素子の共振周波数が変化しても、共振周波数調整部を設けることにより、共振周波数を調整し、共振周波数が共通した、受信専用、送信専用に最適化した超音波素子とすることができ、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。
ここで、平面視において、前記能動部は長方形であり、前記共振周波数調整部は、前記長方形の長辺の側方に設けられることを特徴とすることが好ましい。これによれば、共振周波数調整部による共振周波数の調整をより有効に行うことができ、受信専用、送信専用に最適化した超音波素子とすることができる。
また、互いに直交しかつ前記Ｚ方向とも直交する２つの方向をＸ方向及びＹ方向としたとき、Ｘ方向及び／又はＹ方向に、前記可動部及び前記能動部が複数配置されていることが好ましい。これによれば、Ｘ方向及びＹ方向に亘って送受信を効率的に行うことができる。
また、前記複数の能動部のうち、一部の能動部の側方には前記共振周波数調整部が設けられ、他の能動部の側方には前記共振周波数調整部が設けられないことが好ましい。これによれば、共振周波数が異なる超音波素子に共振周波数調整部を設けることで、共振周波数が同一で、受信専用、送信専用に最適化した超音波素子を有する超音波センサーをより確実に実現できる。
また、平面視において正方形の場合には前記Ｘ方向及び前記Ｙ方向の辺の何れか一方の寸法であり、平面視において長方形の場合には短辺の寸法である、前記圧電体層の幅が異なる２種以上の前記能動部を有することが好ましい。これによれば、圧電体層の幅を調整することにより、受信専用又は送信専用に最適化され、且つ共振周波数調整部で共振周波数を同一とした超音波素子とすることができる。
また、前記圧電体層の厚さが異なる２種類以上の前記能動部を有することが好ましい。これによれば、圧電体層の厚さを調整することにより、受信専用又は送信専用に最適化され、且つ共振周波数調整部で共振周波数を同一とした超音波素子とすることができる。
また、前記複数の超音波素子は、受信専用に設定されているものと送信専用に設定されているものとを有することが好ましい。これによれば、圧電材料を変更することなく、受信専用、送信専用に最適化した超音波素子とすることができる。
また、前記共振周波数調整部は、前記第１電極、前記圧電体層、及び前記第２電極を構成する材料とは異なる材料から構成されていることが好ましい。これによれば、異なる材料の膜を設けることで、共振周波数調整部を設けることができる。
また、前記共振周波数調整部は、前記基板の前記超音波素子が設けられた側に接合される接合基板に設けられた接合部であることが好ましい。これによれば、接合基板を接合することで、共振周波数調整部を設けることができる。
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に係る超音波素子の模式図。 能動部の短手方向幅／開口部の短手方向幅と送受信感度との関係図。 能動部膜厚と送受信感度との関係図。 送信専用又は受信専用に最適化された超音波素子の例。 送信専用又は受信専用に最適化された超音波素子の例。 送信専用又は受信専用に最適化された超音波素子の例。 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側面図。
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、超音波素子の模式図である。
超音波センサー１は、超音波素子１０と、音響整合層２５と、レンズ部材２６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。
以下、超音波素子を詳細に説明する。
図４に示すように、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を含む部分をいい、第１電極１４と第２電極１６とで挟まれた領域を能動部という。
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。
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が平面視で重なる部分をいい、圧電体層１５が第１電極１４と第２電極１６とで挟まれた領域を能動部と称する。また、弾性膜１２及び絶縁体膜１３の他、第１電極１４及び第２電極１６も開口部１８を塞ぐ振動板５０として機能し、振動板５０の開口部１８に対応する領域は、振動板５０が圧電素子１７の駆動により振動できる領域であり、これを可動部と称する。能動部と可動部とは、１対１で対応している。本実施形態では、能動部と開口部１８とが１対１で対応しているが、平面視において、１つの開口部１８内に複数の能動部が含まれていても良い。この場合、隣り合う能動部間に、振動板５０の振動を抑制する柱状の仕切りを設けること等によって、開口部１８内において振動板５０が振動できる領域を制限すれば、実質的に能動部と可動部とを１対１で対応させることが可能である。
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（ＳｒＲｕＯ３）、ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ３）、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、ＡＢＯ３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）Ｏ３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。
本実施形態では、上述した通り、弾性膜１２及び絶縁体膜１３の他、第１電極１４及び第２電極１６も開口部１８を塞ぐ振動坂５０として機能し、振動板５０の開口部１８に対向する領域は、圧電素子１７の駆動により振動する領域であり、可動部と称する。
また、本実施形態では、能動部は平面視すると第２の方向Ｙが長手方向となり、第１の方向Ｘが短手方向の矩形形状であり、第２の方向Ｙに沿った辺が長辺（長手面）、第１の方向Ｘに沿った辺が短辺（短手面）となる矩形形状である。そして、能動部の短手方向の寸法、すなわち、短辺の寸法と開口部１８の方向Ｘの寸法との関係が、共振周波数に大きく影響する。
そして、本実施形態では、能動部の短手方向である幅方向両側の長辺の側方に、能動部とは離間して共振周波数調整部として、共振周波数調整膜２１が設けられている。この共振周波数調整膜２１は、能動部の長辺の側方の振動板５０の開口部１８に対向する領域から隔壁１９に対向する領域に跨って設けられている。このような共振周波数調整膜２１は、上述した通り、能動部の長辺の側方の、最も振動する振動板５０の重りとなり、共振周波数を調整するものである。なお、能動部が平面視で正方形の場合には、幅方向は何れの方向でもよく、共振周波数調整膜２１は何れの辺の側方に設けてもよい。
なお、共振周波数調整膜２１の材料は特に限定されない。例えば、リード配線と同じ導電性の材料、例えば、金、銅などでもよいし、絶縁性の材料、例えば、アルミナ、ジルコニアなどでもよい。
図６には、超音波素子１０の短手方向の断面を表し、能動部の幅と膜厚とを示している。このような超音波素子１０では、能動部の短手方向の幅や膜厚が送受信感度に大きく影響する。図７には、能動部の短手方向幅／開口部の短手方向幅と送受信感度との関係、図８には、能動部膜厚と送受信感度との関係を示す。
これらの図面に示すように、能動部の短手方向幅／開口部の短手方向幅が小さいほど受信感度は上昇するが、送信感度は低下する。一方、能動部の膜厚が小さいほど送信感度が上昇するが、受信感度は低下し、膜厚が大きいほど、受信感度が上昇するが、送信感度が低下する。
ここで、送信感度は、能動部の駆動に基づく可動部の変位による排除体積ｖに比例し、排除体積ｖは能動部の面積Ｓに比例する。また、排除体積ｖは、圧電素子のひずみδの大きさに比例し、さらに、ひずみδは、ｄ３１×Ｖｈ／ｔの値に比例する（ｄ３１は圧電定数、Ｖｈは印加電圧、ｔは圧電素子（能動部）の膜厚である）ので、排除体積ｖは、圧電素子の膜厚に反比例する。図７及び図８の結果はこれらの理論に合致するものである。
また、受信感度は、本実施形態では、受信により発生する電圧で評価する。発生電圧Ｖは、Ｖ＝Ｑ／Ｃ（Ｑは発生電荷、Ｃは静電容量）で表され、圧電素子の静電容量に反比例する。静電容量Ｃ＝ε０×εｒ×（Ｓ／ｔ）（ε０は真空の誘電率、εｒは圧電素子の比誘電率、Ｓは能動部の面積、ｔは圧電素子（能動部）の膜厚）で表され、面積Ｓが小さいほどが静電容量Ｃが小さくなり、また、膜厚ｔが大きいほど静電容量Ｃが小さくなる。すなわち、受信感度は、能動部の面積が小さいほど、また、膜厚が大きいほど大きくなる。図７及び図８の結果はこれらの理論に合致するものである。
なお、受信感度を発生電荷Ｑで評価する場合には、上述した結果と異なることになるが、発生電荷Ｑを大きくするには、圧電定数ｇ３１を大きくするか、受信する音波の圧力を大きくするか、能動部の面積を大きくする必要があり、何れもハードルが高い。よって、上述したように発生電圧による受信とし、能動部の面積や膜厚の調整で静電容量Ｃを小さくする手法は非常に有用である。
よって、開口部の大きさや能動部の短手方向の幅、さらには、能動部の膜厚を適宜調整することにより、送信感度を上昇させた送信専用に最適化した超音波素子１０と、受信感度を上昇させた受信専用に最適化した超音波素子１０とを混在させることができる。但し、能動部の短手方向幅／開口部の短手方向幅や、能動部の膜厚を変化させると、共振周波数も変化してしまう。
そこで、本実施形態の超音波センサー１では、開口部の大きさや能動部の短手方向の幅、さらには、能動部の膜厚を適宜調整することにより、送信感度を上昇させた送信専用に最適化した超音波素子１０と、受信感度を上昇させた受信専用に最適化した超音波素子１０とを混在させ、且つ共振周波数を共振周波数調整膜２１により調整し、受信専用に最適化した超音波素子１０と、送信専用に最適化した超音波素子１０との共振周波数を実質的に同一としている。
これにより、共振周波数が統一された状態で、受信専用に最適化された超音波素子１０と送信専用に最適化された超音波素子１０とを共存させ、受信感度及び送信感度を共に著しく向上させることができる。
一般的には、超音波センサー１では、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、二次元的に並設する。そして、例えば、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と、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。
ここで、本実施形態では、共振周波数が統一された状態で、スライス方向に受信専用に最適化された超音波素子１０と送信専用に最適化された超音波素子１０とを共存させることで、受信感度及び送信感度を共に著しく向上させることができる。
図９〜図１１には、送信専用に最適に設定された超音波素子１０と受信専用に最適に設定された超音波素子１０との例を示す。
図９は、能動部の幅を変更することで、送信専用、受信専用に最適化したものである。送信専用に最適化された超音波素子１０である送信専用素子３１は、能動部の幅が相対的に大きいものであり、受信専用に最適化された超音波素子１０である受信専用素子３２は、相対的に能動部の幅を小さくしたものであり、能動部の側方に離間して共振周波数調整膜２１が設けられている。
このような構成により、送信専用に最適化された送信専用素子３１と受信専用に最適化された受信専用素子３２とが実現でき、且つ共振周波数調整膜２１を設けることにより、両者の共振周波数は同一に調整される。
ここで、下記表１に示す実施例Ａにおいて、短辺／長辺のアスペクト比が１：４以上を想定した場合において具体例を示す。例１Ａの構成では共振周波数が１．７ＭＨｚであるが、例２Ａで圧電体幅／開口部幅を変更すると共振周波数が１．５ＭＨｚに変化する。ここに、例３Ａのようにヤング率３００Ｇｐａ、膜厚２７０ｎｍの共振数周波数調整膜（例えばチタンタングステン等）を設けることで共振周波数１．７ＭＨｚとなり、例１Ａの構造と共振周波数を同一にすることができる。また、例４Ａに示すように、例２Ａから開口部幅を変更することによっても１．７ＭＨｚに調整することができる。なお、本発明は、アスペクト比が１：４以上の場合に限定するものではない。
Figure 0006565909
図１０は、能動部の厚さを変更することで、送信専用、受信専用に最適化したものである。送信専用に最適化された超音波素子１０である送信専用素子３１Ａは、能動部の厚さが相対的に小さいものであり、受信専用に最適化された超音波素子１０である受信専用素子３２Ａは、能動部の厚さが相対的に大きいものであり、送信専用素子３１の能動部の側方に離間して共振周波数調整膜２１が設けられている。
ここで、下記表２に示す実施例Ｂにおいて、短辺／長辺のアスペクト比が１：４以上を想定した場合において具体例を示す。例１Ｂの構成に対して、例２Ｂのように圧電体膜厚を変更すると共振周波数は変化する。ここに、例３Ｂのようにヤング率３００Ｇｐａ、膜厚２５０ｎｍの共振数周波数調整膜（例えばチタンタングステン等）を設けることで共振周波数１．７ＭＨｚとなり、例１Ｂの構造と共振周波数を同一にすることができる。また、例４Ｂに示すように、例２Ｂから開口部幅を変更することによっても１．７ＭＨｚに調整することができる。なお、本発明は、アスペクト比が１：４以上の場合に限定するものではない。
Figure 0006565909
このような構成により、送信専用に最適化された送信専用素子３１Ａと受信専用に最適化された受信専用素子３２Ａとが実現でき、且つ共振周波数調整膜２１を設けることにより、両者の共振周波数は同一に調整される。
図１１は、能動部の幅及び厚さを変更することで、送信専用、受信専用に最適化したものである。送信専用に最適化された超音波素子１０である送信専用素子３１Ｂは、能動部の幅が相対的に大きく且つ厚さが相対的に小さいものであり、受信専用に最適化された超音波素子１０である受信専用素子３２Ｂは、能動部の幅が相対的に小さく且つ厚さが相対的に大きいものである、また、送信専用素子３１Ｂと受信専用素子３２Ｂの両者の能動部の側方に離間して共振周波数調整膜２１が設けられている。
このような構成により、送信専用に最適化された送信専用素子３１Ｂと受信専用に最適化された受信専用素子３２Ｂとが実現でき、且つ共振周波数調整膜２１を設けることにより、両者の共振周波数は同一に調整される。
図９〜図１１の例において、送信専用素子と受信専用素子とで、共振周波数を同一とするのではなく、受信共振周波数が送信共振周波数の整数倍となるように調整してもよい。このような超音波センサーは非線形影像法に用いることができる。
ここで、非線形影像法とは、生体内に放射された超音波パルスに歪みが生じることにより発生する、送信波に含まれていなかった高調波成分を分離して映像化する手法である。
なお、図９〜図１１の例では、開口部の幅を変更していないが、例えば、能動部の幅を変更する代わりに又は同時に開口部の幅を変更することにより、送受信感度を変更して最適化を図ってもよい。
また、図９〜図１１では、共振数周波数調整部として、共振周波数調整膜２１を例示したが、これに限定されず、基板１１に接合される接合基板に基板１１側に突出する接合部を設け、接合部により共振周波数調整膜２１を設けた領域を、又は共振周波数調整膜２１を押圧するようにしてもよい。
ここで、接合基板とは、例えば、超音波素子１０を封止して保護する保護基板であり、すべての超音波素子１０を覆う空間を有するものであるが、これに限定されるものではない。
このように、本実施形態では、能動部の幅や厚さを変化させることにより、送受信感度をそれぞれ最適化した送信専用素子と、受信専用素子とを共存させ、且つ共振周波数調整膜を設けることで、送信専用素子と受信専用素子の共振周波数の統一を図っている。これにより、送信特性、受信特性の両者の向上を図ることができる。また、受信専用と送信専用で共振周波数に変化がないので、送受信を効率的に行うことができる。
（他の実施形態）
以上説明した本実施形態では説明は省略したが、例えば、振動板の圧電素子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。
なお、基板１１の開口部１８等内には、音響整合層として機能する樹脂、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が充填され、開口部１８等は、超音波等を透過可能なレンズ部材により封止されるのが一般的である。これにより、圧電素子１７と測定対象物との間の音響インピーダンス差を低減でき、超音波が効率よく測定対象物側に発信されるようになる。
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を設けてもよく、又は全体に１つの開口部としてもよい。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。
１ 超音波センサー、 １０ 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、 ２１ 共振周波数調整膜、 ３１、３１Ａ、３１Ｂ 送信専用素子、 ３２、３２Ａ、３２Ｂ 受信専用素子

Claims (7)

  1. 開口部が形成された基板と、
    前記開口部を塞ぐように前記基板に設けられた振動板と、
    前記振動板の前記開口部とは反対側に積層された第１電極と圧電体層と第２電極とを含む超音波素子と、
    を具備する超音波センサーであって、
    前記第１電極と前記圧電体層と前記第２電極とが積層される方向をＺ方向とし、前記Ｚ方向において前記第１電極と前記圧電体層と前記第２電極とが重なっている部分を能動部とし、当該能動部の駆動により前記振動板が振動できる範囲を可動部したとき、前記能動部は、前記可動部に対向して配置されており、
    平面視において、前記能動部の外形は前記可動部の外形よりも小さく、
    前記能動部の側方の、少なくとも前記可動部と対向する領域に、共振周波数を調整する共振周波数調整部が設けられ、
    互いに直交しかつ前記Ｚ方向とも直交する２つの方向をＸ方向及びＹ方向としたとき、前記Ｘ方向及び／又は前記Ｙ方向に、前記可動部及び前記能動部が複数配置され、
    平面視において正方形の場合には前記Ｘ方向及び前記Ｙ方向の辺の何れか一方の寸法であり、平面視において長方形の場合には短辺の寸法である、前記圧電体層の幅が異なる２種以上の前記能動部を有する、
    ことを特徴とする超音波センサー。
  2. 平面視において、前記能動部は長方形であり、
    前記共振周波数調整部は、前記長方形の長辺の側方に設けられ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. 前記複数の能動部のうち、一部の能動部の側方には前記共振周波数調整部が設けられ、他の能動部の側方には前記共振周波数調整部が設けられないことを特徴とする請求項１に記載の超音波センサー。
  4. 前記圧電体層の厚さが異なる２種類以上の前記能動部を有することを特徴とする請求項１または３に記載の超音波センサー。
  5. 前記複数の超音波素子は、受信専用に設定されているものと送信専用に設定されているものとを有する、
    ことを特徴とする請求項１、３および４の何れか一つに記載の超音波センサー。
  6. 開口部が形成された基板と、
    前記開口部を塞ぐように前記基板に設けられた振動板と、
    前記振動板の前記開口部とは反対側に積層された第１電極と圧電体層と第２電極とを含む超音波素子と、
    を具備する超音波センサーであって、
    前記第１電極と前記圧電体層と前記第２電極とが積層される方向をＺ方向とし、前記Ｚ方向において前記第１電極と前記圧電体層と前記第２電極とが重なっている部分を能動部とし、当該能動部の駆動により前記振動板が振動できる範囲を可動部したとき、前記能動部は、前記可動部に対向して配置されており、
    平面視において、前記能動部の外形は前記可動部の外形よりも小さく、
    前記能動部の側方の、少なくとも前記可動部と対向する領域に、共振周波数を調整する共振周波数調整部が設けられ、
    前記共振周波数調整部は、前記第１電極、前記圧電体層、及び前記第２電極を構成する材料とは異なる材料から構成されている、
    ことを特徴とする超音波センサー。
  7. 開口部が形成された基板と、
    前記開口部を塞ぐように前記基板に設けられた振動板と、
    前記振動板の前記開口部とは反対側に積層された第１電極と圧電体層と第２電極とを含む超音波素子と、
    を具備する超音波センサーであって、
    前記第１電極と前記圧電体層と前記第２電極とが積層される方向をＺ方向とし、前記Ｚ方向において前記第１電極と前記圧電体層と前記第２電極とが重なっている部分を能動部とし、当該能動部の駆動により前記振動板が振動できる範囲を可動部したとき、前記能動部は、前記可動部に対向して配置されており、
    平面視において、前記能動部の外形は前記可動部の外形よりも小さく、
    前記能動部の側方の、少なくとも前記可動部と対向する領域に、共振周波数を調整する共振周波数調整部が設けられ、
    前記共振周波数調整部は、前記基板の前記超音波素子が設けられた側に接合される接合基板に設けられた接合部である、
    ことを特徴とする超音波センサー。
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