JP6828389B2 - 超音波トランスデューサーデバイス、超音波プローブおよび超音波装置 - Google Patents

超音波トランスデューサーデバイス、超音波プローブおよび超音波装置 Download PDF

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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、超音波プローブおよび超音波装置に関するものである。
被検体の内部に向けて超音波を発信し、被検体の内部で反射した超音波を用いて超音波画像を生成する超音波装置が広く用いられている。反射した超音波は超音波トランスデューサーデバイスにて電気信号に変換される。超音波トランスデューサーデバイスには超音波トランスデューサー素子が多く設置されている。超音波トランスデューサーが出力する電気信号は微弱な信号であり増幅回路にて増幅されて用いられる。
増幅回路の増幅率を高くすると、信号成分に加えて雑音成分も増幅される。雑音成分が大きいと超音波画像が不明確になるので見難くなる。超音波トランスデューサーが出力する電気信号を強くすることができれば増幅回路の増幅率が下げられるので、雑音成分を低下することができる。
静脈注射に超音波装置を活用する「エコーガイド下中心静脈穿刺法」が行われている。この方法では、穿刺の前に「超音波画像」にて血管走行等を確認する。さらに、「超音波画像」にて穿刺針の位置・方向・深さ等を確認しながら穿刺針を進める。そして、穿刺針の静脈への到達や貫通を確認する。さらに、「超音波画像」にてガイドワイヤーやカテーテルが静脈内に留置されている事を確認しながらカテーテルを挿入する。
超音波素子が２次元に配置された超音波トランスデューサーデバイスが特許文献１に開示されている。それによると、超音波トランスデューサーデバイスには電極間に加える駆動電圧を変えることにより感度が変化する超音波トランデューサー素子が用いられている。そして、複数の超音波トランデューサー素子が並列接続されて超音波トランデューサー素子群を形成している。
この超音波トランスデューサーデバイスの外形は長方形であり、４つの辺に電気信号を出力する。これにより、超音波トランデューサー素子の個数が多いときにも超音波トランスデューサーデバイスは駆動回路と接続する配線を設置し易くなっている。
ＷＯ２００８／１１４５８２号
超音波トランスデューサーデバイスに接続する配線を設置する端子を異なる方向の辺に並べてあると、電気信号を伝送する配線を設置しやすい。従って、接続する配線を異なる方向の辺に並べてある装置が望まれている。そして、「エコーガイド下中心静脈穿刺法」では血管と針先との相対位置を高い分解能で受信する必要がある。超音波素子が並列接続するときには複数の超音波素子が超音波を受信するので感度を高めることができる。しかし、血管と針先との相対位置を受信するには、さらに、感度良く超音波を受信する超音波トランスデューサーデバイスが望まれていた。
本発明は、上述の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トランスデューサーデバイスであって、行列状に配列する複数の超音波トランスデューサー素子と、前記超音波トランスデューサー素子を複数の直列として電気的に接続した第１配線と、を有する第１基板と、前記第１基板と重ねて設置され、前記第１基板の厚み方向から平面視して前記第１配線と交差する複数の第２配線と、前記第１配線と前記第２配線とを電気的に接続する第３配線と、を有する第２基板と、を備えることを特徴とする。
本適用例によれば、超音波トランスデューサーデバイスは第１基板と第２基板とを備えている。第１基板と第２基板とは重ねて設置されている。第１基板には複数の超音波トランスデューサー素子が行列状に配列されている。この超音波トランデューサー素子は第１配線により電気的に直列接続され、第１配線は複数設置されている。
第２基板には複数の第２配線と第３配線とが設置されている。第２配線は第１基板の厚み方向から平面視して第１配線と交差する。第３配線は第１配線と第２配線とを電気的に接続する。
超音波トランスデューサー素子は超音波を受けて電圧信号を出力する。そして、超音波トランスデューサー素子は一対の電極を有する電気容量として作用し、超音波を受けるときに各電極に電荷が蓄積される。超音波トランスデューサー素子を直列接続することにより静電容量を小さくすることができる。この静電容量と超音波トランスデューサーデバイスとは反比例の関係がある。静電容量を小さくすることにより直列接続された超音波トランデューサー素子は各電極における電荷の変動を大きな電圧変動にして出力することができる。
直列接続された超音波トランデューサー素子を１つの超音波トランデューサー素子ユニットとするとき超音波トランデューサー素子ユニットは２つの端子を有する。２つの端子の一方を第１端子として他方を第２端子とする。第１端子は第１配線に接続され、第１配線を介して信号が入出力される。第２端子から出力される電気信号は第１配線、第３配線及び第２配線を介して出力される。複数の第１配線と複数の第２配線とは交差しているので第１配線が並ぶ方向と第２配線が並ぶ方向とは別の方向になっている。従って、第１配線及び第２配線から各超音波トランデューサー素子ユニットの第１端子と第２端子とに容易に電気信号を入力及び出力することができる。
そして、第１配線と第２配線とは異なる基板に設置されているので絶縁されており、第３配線により特定の場所でのみ接続されている。従って、第１配線と第２配線とが交差する場所でも第１配線と第２配線との間で電気信号がリークすることを防止することができる。その結果、超音波トランスデューサーデバイスは感度良く電気信号を出力でき、異なる方向に並ぶ配線から電気信号を伝送することができる。
［適用例２］
上記適用例にかかる超音波トランスデューサーデバイスにおいて、前記第３配線は前記第２基板を貫通し前記第２配線と接続する貫通電極と、前記貫通電極と前記第１配線とを接続する導電性の凸部とを備えることを特徴とする。
本適用例によれば、第３配線は貫通電極と、導電性の凸部を備えている。貫通電極は第２基板を貫通し第２配線と接続する。導電性の凸部は貫通電極と第１配線とを接続する。従って、第３配線は第１配線と第２配線とを確実に接続することができる。
［適用例３］
本適用例にかかる超音波トランスデューサーデバイスであって、基板と、前記基板上に設置された複数の第２配線と、前記第２配線に重ねて設置された絶縁膜と、前記絶縁膜上に設置され行列状に配列する複数の超音波トランスデューサー素子と、前記超音波トランスデューサー素子を複数の直列として電気的に接続し前記基板の厚み方向から平面視して前記第２配線と交差する複数の第１配線と、前記第１配線と前記第２配線とを電気的に接続する第３配線と、を備えることを特徴とする。
本適用例によれば、超音波トランスデューサーデバイスは基板を備え、基板上に第２配線が設置されている。尚、基板と第２配線との間に絶縁膜等が配置されていても良い。そして、第２配線に重ねて絶縁膜が設置されている。尚、第２配線と絶縁膜との間に他の層や膜が配置されても良い。例えば、第２配線、絶縁膜、半導体層、絶縁膜の配置になっても良い。絶縁膜上には複数の超音波トランデューサー素子が設置され、超音波トランデューサー素子は行列状に配列する。超音波トランスデューサー素子は第１配線により複数の直列として電気的に接続されている。そして、基板の厚み方向から平面視して第２配線と第１配線とが交差する。この第１配線及び第２配線は複数設置されている。第３配線は第１配線と第２配線とを電気的に接続する。
超音波トランスデューサー素子は超音波を受けて電圧信号を出力する。そして、超音波トランスデューサー素子は一対の電極を有する電気容量として作用し、超音波を受けるときに各電極に電荷が蓄積される。超音波トランスデューサー素子を直列接続することにより静電容量を小さくすることができる。この静電容量と超音波トランスデューサーデバイスとは反比例の関係がある。静電容量を小さくすることにより直列接続された超音波トランデューサー素子は各電極における電荷の変動を大きな電圧変動にして出力することができる。
直列接続された超音波トランデューサー素子を１つの超音波トランデューサー素子ユニットとするとき超音波トランデューサー素子ユニットは２つの端子を有する。２つの端子の一方を第１端子として他方を第２端子とする。第１端子は第１配線に接続され、第１配線を介して信号が入出力される。第２端子から出力される電気信号は第１配線、第３配線及び第２配線を介して出力される。複数の第１配線と複数の第２配線とは交差しているので第１配線が並ぶ方向と第２配線が並ぶ方向とは別の方向になっている。従って、第１配線及び第２配線から各超音波トランデューサー素子ユニットの第１端子と第２端子とに容易に電気信号を入力及び出力することができる。
そして、第１配線と第２配線とは絶縁膜を挟んで設置されているので絶縁されており、第３配線により特定の場所でのみ接続されている。従って、第１配線と第２配線とが交差する場所でも第１配線と第２配線との間で電気信号がリークすることを防止することができる。その結果、超音波トランスデューサーデバイスは感度良く電気信号を出力でき、異なる方向に並ぶ配線から電気信号を伝送することができる。
［適用例４］
上記適用例にかかる超音波トランスデューサーデバイスにおいて、前記超音波トランスデューサー素子が前記直列として電気的に接続される数は２つ以上５つ以下であることを特徴とする。
本適用例によれば、超音波トランスデューサー素子は直列として電気的に接続される数は２つ以上５つ以下である。超音波トランスデューサー素子が２つ以上あることにより直列に接続することができる。各超音波トランデューサー素子が受ける超音波の波形は被検体の影響を受けるので異なる波形になっている。
超音波トランスデューサー素子を６つ以上直列に接続するとき、各超音波トランデューサー素子が受ける波形の違いの影響により超音波トランデューサー素子ユニットの感度が飽和する。従って、超音波トランスデューサー素子を５つ以下にすることにより、効率よく超音波トランスデューサーデバイスの感度を良くすることができる。
また、超音波トランスデューサー素子を６つ以上直列に接続するとき、超音波トランデューサー素子ユニットに印加する電圧が高くなる。超音波トランデューサー素子ユニットを駆動する駆動回路の耐圧を高くする必要があるので、駆動回路を構成する素子を入手し難くなる。従って、超音波トランスデューサー素子を５つ以下にすることにより、駆動回路の耐圧を低くできるので、容易に駆動回路を製造することができる。
［適用例５］
本適用例にかかる超音波トランスデューサーデバイスであって、複数の超音波トランスデューサー素子が直列接続された超音波トランスデューサー素子ユニットが行列状に配列する超音波トランスデューサー素子群と、前記超音波トランスデューサー素子ユニットが有する第１端子と接続され第１方向に延びる第１配線と、前記超音波トランスデューサー素子ユニットが有する第２端子と接続され第２方向に延びる第２配線と、を備え、前記第１配線と前記第２配線とは離れて交差することを特徴とする。
本適用例によれば、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群を備えている。超音波トランスデューサー素子群は複数の超音波トランスデューサー素子が直列接続された超音波トランスデューサー素子ユニットを備え、超音波トランデューサー素子ユニットが行列状に配列する。超音波トランデューサー素子は２端子の素子であり、超音波トランデューサー素子が直列接続されている超音波トランデューサー素子ユニットは２端子のユニットである。この２端子の１つを第１端子とし、別の端子を第２端子とする。第１端子には第１配線が接続され、第１配線は第１方向に延びる。第２端子には第２配線が接続され、第２配線は第２方向に延びる。超音波トランスデューサー素子ユニットは行列状に配列するので、第１配線及び第２配線は複数である。そして、第１配線と第２配線とが交差するので、第１配線が並ぶ方向と第２配線が並ぶ方向とは異なる方向になっている。
超音波トランスデューサー素子は超音波を受けて電圧信号を出力する。そして、超音波トランスデューサー素子は一対の電極を有する電気容量として作用し、超音波を受けるときに各電極に電荷が蓄積される。超音波トランスデューサー素子を直列接続することにより静電容量を小さくすることができる。この静電容量と超音波トランスデューサー素子が出力する電圧とは反比例の関係がある。静電容量を小さくすることにより直列接続された超音波トランデューサー素子は各電極における電荷の変動を大きな電圧変動にして出力することができる。
超音波トランデューサー素子ユニットは第１端子と第２端子とを有する。第１端子は第１配線に接続され、第１配線を介して信号が入出力される。第２端子は第２配線と接続され第２配線を介して信号が入出力される。第１配線が並ぶ方向と第２配線が並ぶ方向とは別の方向になっている。従って、第１配線と第２配線と同じ方向に並ぶときに比べて、第１配線及び第２配線から各超音波トランデューサー素子ユニットの第１端子と第２端子とに容易に電気信号を入力及び出力することができる。その結果、超音波トランスデューサーデバイスは感度良く電気信号を出力でき、異なる方向に並ぶ配線から電気信号を伝送することができる。
［適用例６］
本適用例にかかる超音波プローブであって、超音波を受信し電気信号を出力する超音波トランスデューサーデバイスを備え、前記超音波トランスデューサーデバイスが上記のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサーデバイスであることを特徴とする。
本適用例によれば、超音波プローブは超音波を受信し電気信号を出力する超音波トランスデューサーデバイスを備えている。そして、超音波トランスデューサーデバイスは上記に記載の超音波トランスデューサーデバイスである。上記に記載の超音波トランスデューサーデバイスは感度良く電気信号を出力でき、異なる方向に並ぶ配線から電気信号を伝送することができる。従って、超音波プローブは感度の良い信号を取得でき、異なる方向に並ぶ配線から電気信号を伝送することができる超音波トランスデューサーデバイスを備えた装置とすることができる。
［適用例７］
本適用例にかかる超音波装置であって、超音波を受信し電気信号を出力する超音波トランスデューサーデバイスと、前記超音波トランスデューサーデバイスが出力する電気信号をデータ信号に変換する変換部と、前記データ信号を表示する表示部と、を備え、前記超音波トランスデューサーデバイスが上記のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサーデバイスであることを特徴とする。
本適用例によれば、超音波装置は超音波トランスデューサーデバイス、変換部及び表示部を備えている。超音波トランスデューサーデバイスが超音波を受信して電気信号を出力する。変換部が電気信号をデータ信号に変換する。そして、表示部がデータ信号を表示する。そして、超音波トランスデューサーデバイスには上記の超音波トランスデューサーデバイスが用いられている。上記の超音波トランスデューサーデバイスは感度良く電気信号を出力でき、異なる方向に並ぶ配線から電気信号を伝送することができる。従って、超音波装置は感度良く電気信号を出力でき、異なる方向に並ぶ配線から電気信号を伝送することができる超音波トランスデューサーデバイスを備えた装置とすることができる。
第１の実施形態にかかわる超音波トランスデューサーデバイスの構造示す模式平面図。 超音波トランスデューサーデバイスの構成を示す要部模式側断面図。 超音波トランスデューサーデバイスの構造を示す要部模式平面図。 超音波トランスデューサーデバイスの構造を示す要部模式平面図。 超音波トランスデューサーデバイスの電気回路図。 素子回路を説明するための回路図。 素子回路における超音波素子の個数と出力電圧の関係を説明するための図。 超音波トランスデューサーデバイスの製造方法を説明するための模式図。 超音波トランスデューサーデバイスの製造方法を説明するための模式図。 超音波トランスデューサーデバイスの製造方法を説明するための模式図。 超音波トランスデューサーデバイスの製造方法を説明するための模式図。 超音波トランスデューサーデバイスの製造方法を説明するための模式図。 超音波トランスデューサーデバイスの製造方法を説明するための模式図。 超音波トランスデューサーデバイスの製造方法を説明するための模式図。 超音波トランスデューサーデバイスの製造方法を説明するための模式図。 超音波トランスデューサーデバイスの製造方法を説明するための模式図。 超音波トランスデューサーデバイスの製造方法を説明するための模式図。 超音波トランスデューサーデバイスの製造方法を説明するための模式図。 超音波トランスデューサーデバイスの製造方法を説明するための模式図。 超音波トランスデューサーデバイスの製造方法を説明するための模式図。 超音波トランスデューサーデバイスの製造方法を説明するための模式図。 超音波トランスデューサーデバイスの製造方法を説明するための模式図。 超音波トランスデューサーデバイスの製造方法を説明するための模式図。 第２の実施形態にかかわる超音波トランスデューサーデバイスの構成を示す要部模式側断面図。 第３の実施形態にかかわる超音波トランスデューサーデバイスの構成を示す要部模式側断面図。 超音波トランスデューサーデバイスの構成を示す要部模式平面図。 第４の実施形態にかかわる超音波装置の構成を示す概略斜視図。
以下、実施形態について図面に従って説明する。
尚、各図面における各部材は、各図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各部材毎に縮尺を異ならせて図示している。
（第１の実施形態）
本実施形態では、超音波トランスデューサーデバイスと、この超音波トランスデューサーデバイスの製造方法との特徴的な例について、図に従って説明する。第１の実施形態にかかわる超音波トランスデューサーデバイスについて図１〜図２３に従って説明する。
図１は、超音波トランスデューサーデバイスの構造示す模式平面図である。図１に示すように、超音波トランスデューサーデバイス１は第１基板２及び第２基板３を備えている。第１基板２上に第２基板３が重なった形態になっている。
第１基板２は長方形であり隣り合う２辺が直交する。１辺が延びる方向をＸ方向とし、Ｘ方向の辺の隣の１辺が延びる方向をＹ方向とする。第１基板２の厚み方向をＺ方向とする。
第１基板２及び第２基板３はＹ方向の長さが同じである。Ｘ方向では第１基板２が第２基板３より長く、＋Ｚ方向側から見たとき第２基板３の−Ｘ方向側では第１基板２が露出して見える構造になっている。第１基板２において露出する部分を第１端子領域２ａとする。
第１端子領域２ａでは第１外部端子４がＹ方向に配列して設置されている。そして、第１外部端子４には＋Ｘ方向に延びる第１配線５が接続されている。第２基板３において＋Ｙ方向側の端に近い場所を第２端子領域３ａとする。第２端子領域３ａでは第２外部端子６がＸ方向に配列して設置されている。そして、第２外部端子６には−Ｙ方向に延びる第２配線７が接続されている。
第１配線５が延びる方向を第１方向１ａとし第２配線７が延びる方向を第２方向１ｂとする。第１方向１ａと第２方向１ｂとは直交する方向になっている。
第１基板２上には行列状に配列する複数の超音波トランスデューサー素子としての超音波素子８が設置されている。超音波素子８の行数及び列数は特に限定されない。本実施形態では、例えば、超音波トランスデューサーデバイス１は１０行１０列の超音波素子８が設置されている。
２行２列の超音波素子８により１つの超音波トランスデューサー素子ユニットとしての超音波素子ユニット９が構成されている。従って、１つの超音波素子ユニット９には４つの超音波素子８が含まれている。超音波素子ユニット９が行列状に配列して超音波トランスデューサー素子群としての超音波素子群１０を形成している。超音波素子ユニット９の行数及び列数は特に限定されない。本実施形態では、例えば、１つの超音波素子群１０は５行５列の超音波素子ユニット９により構成されている。
図２は超音波トランスデューサーデバイスの構成を示す要部模式側断面図である。図２に示すように、第１基板２には超音波素子ユニット９を構成する超音波素子８が並んで設置されている。図中左側の超音波素子８を第１素子８ａとし図中右側の超音波素子８を第２素子８ｂとする。
第１基板２は第１ベース板１１を備えている。第１ベース板１１は超音波素子８と対向する場所に凹部１１ａが設置されている。凹部１１ａでは第１ベース板１１の厚みが薄いので、薄い部分が振動しやすい振動板１１ｂになっている。
第１ベース板１１の材質は特に限定されず強度があり微細な加工ができれば良い。本実施形態では、例えば、第１ベース板１１にシリコン基板が用いられている。振動板１１ｂの材質は振動特性の良い材質であれば良く特に限定されない。振動板１１ｂは絶縁性があると好ましい。本実施形態では、例えば、振動板１１ｂの材質に２酸化シリコンや２酸化ジルコニウムを用いている。
第１ベース板１１の＋Ｚ方向側には絶縁膜１２が設置されている。振動板１１ｂに絶縁性があって、振動板１１ｂの材質が第１ベース板１１の＋Ｚ方向側の面を覆うときには振動板１１ｂが絶縁膜１２を兼ねても良い。絶縁膜１２の材質には２酸化シリコンや酸化アルミニウムを用いることができる。
絶縁膜１２上には第１下電極１３、圧電体１４及び第１上電極１５が重ねて設置されている。振動板１１ｂ、第１下電極１３、圧電体１４及び第１上電極１５により第１素子８ａが構成されている。さらに、絶縁膜１２上には第２下電極１６、圧電体１７及び第２上電極１８が重ねて設置されている。振動板１１ｂ、第２下電極１６、圧電体１７及び第２上電極１８により第２素子８ｂが構成されている。
絶縁膜１２上では第１下電極１３と接続し第１下電極１３から第２素子８ｂに向かって第１接続配線２１が設置されている。第２上電極１８からは第１素子８ａに向かって第２接続配線２２が設置されている。そして、第１接続配線２１と第２接続配線２２とは接続されている。従って、第１下電極１３と第２上電極１８とが電気的に接続されている。
第１上電極１５は第３接続配線２３と接続し、第３接続配線２３は絶縁膜１２上を図中左側に延びている。第２下電極１６は第４接続配線２４と接続し、第４接続配線２４はＸ方向に延びて第１外部端子４と接続する。
第４接続配線２４が超音波素子ユニット９における第１端子９ａになっている。そして、第３接続配線２３が超音波素子ユニット９における第２端子９ｂになっている。超音波素子ユニット９において第１素子８ａと第２素子８ｂとは直列接続された形態になっている。
絶縁膜１２上では第１素子８ａ、第２素子８ｂ、第４接続配線２４及び第３接続配線２３の一部を覆って保護膜２５が設置される。保護膜２５は圧電体１４及び圧電体１７に水分が進入することを防止し、塵による配線間のリークを防止する。保護膜２５の材質には酸化シリコンや酸化アルミニウム等の無機物の絶縁膜を用いることができる。本実施形態では、例えば、保護膜２５である無機絶縁膜の材質に酸化アルミニウムを採用している。保護膜２５は無機絶縁膜に重ねて樹脂膜を設置した構成にしても良い。
圧電体１４及び圧電体１７の種類は特に限定されないがＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）素子やＰＤＶＦ（ポリフッ化ビニリデン）素子等の圧電体を用いることができる。本実施形態では圧電体１４及び圧電体１７にＰＺＴ素子を用いている。
第１下電極１３、第１上電極１５、第２下電極１６、第２上電極１８、第１接続配線２１、第２接続配線２２、第３接続配線２３及び第４接続配線２４の材質は導電性があり安定性のある材質であれば良く本実施形態では、例えば、イリジウムの膜とプラチナの膜とが積層された膜を用いている。
第２基板３は第２ベース板２６を備えている。第２ベース板２６の＋Ｚ方向側の面及び−Ｚ方向側の面の両面に絶縁膜２７が設置されている。絶縁膜２７には絶縁膜１２と同じ材質が用いられている。
第２ベース板２６には厚み方向に貫通する貫通穴２６ａが設置されている。貫通穴２６ａの内部は絶縁膜２７で覆われている。第２ベース板２６には貫通穴２６ａの内部を金属で埋められた貫通電極２８が設置されている。
第２基板３において第１基板２を向く面には第５接続配線２９が設置され、第５接続配線２９は貫通電極２８と接続する。第５接続配線２９には導電性の凸部３０が設置されている。凸部３０は第５接続配線２９から第３接続配線２３に向かって突出し、凸部３０は第３接続配線２３と接続する。この第３接続配線２３は第１配線５の一部である。そして、貫通電極２８、第５接続配線２９及び凸部３０により第３配線３１が構成されている。
第２基板３には第２配線７及び第３配線３１が設置され、第３配線３１は第１配線５と第２配線７とを電気的に接続する。
第２基板３において＋Ｚ方向側の面には第２配線７が設置され、第２配線７は貫通電極２８と接続する。従って、第３配線３１は第２基板３を貫通し第２配線７と接続する貫通電極２８と、貫通電極２８と第１配線５とを接続する導電性の凸部３０を備える。
第１基板２と第２基板３とは重ねて設置されている。そして、第１基板２と第２基板３との間には接着部３２が複数点在して設置されている。接着部３２は第１基板２と第２基板３とを接着する。接着部３２は第１基板２と第２基板３とを引き合う張力を有している。これにより、凸部３０は第３接続配線２３に押圧されるので、凸部３０と第３接続配線２３とは確実に電気的導通をとることができる。
貫通電極２８及び凸部３０の材質は導電性のある材質であれば良く特に限定されない。本実施形態では、例えば、貫通電極２８の材質には銅、アルミニウム等の金属、凸部３０の材質にはすず合金や銅等の金属を用いることができる。
超音波素子８は−Ｚ方向側に超音波３３を発信する。そして、被検体にて反射した超音波としての反射波３４を受信する。第１端子９ａと第２端子９ｂとの間に駆動波形の電圧を印加することにより、第１素子８ａ及び第２素子８ｂが振動して超音波３３を発信する。また、反射波３４が超音波素子８に到達するとき、第１素子８ａ及び第２素子８ｂが振動して第１端子９ａと第２端子９ｂとの間に反射波３４に対応する電圧波形を出力する。
第１端子９ａは第４接続配線２４により第１外部端子４と接続されている。そして、第２端子９ｂは第２配線７により第２外部端子６と接続されている。従って、第１外部端子４と第２外部端子６との間に駆動波形を入力して超音波素子８を駆動することができる。そして、第１外部端子４と第２外部端子６との間から反射波３４に対応する電圧波形を出力することができる。
図３は超音波トランスデューサーデバイスの構造を示す要部模式平面図であり、超音波トランスデューサーデバイス１を＋Ｚ方向側から見た図である。図３に示すように、第２基板３の＋Ｚ側の面には複数の第２配線７がＹ方向に延びて設置されている。
１つの超音波素子ユニット９には４つの超音波素子８が設置されている。そして、各超音波素子ユニット９毎に第２配線７と接続する貫通電極２８が設置されている。そして、第２配線７は貫通電極２８、第５接続配線２９、凸部３０、第３接続配線２３を経て超音波素子ユニット９と電気的に接続されている。そして、第１基板２の厚み方向から平面視して複数の第２配線が第１配線５と交差する。また、第２端子９ｂである第３接続配線２３は第２方向１ｂに延びる第２配線７と接続されている。
図４は超音波トランスデューサーデバイスの構造を示す要部模式平面図であり、第１基板２を＋Ｚ方向側から見た図である。図中保護膜２５は省略されている。図４に示すように、第１基板２上には行列状に配列する複数の超音波素子８が設置されている。超音波素子ユニット９は第１素子８ａ、第２素子８ｂ、第３素子８ｃ及び第４素子８ｄで構成されている。
第１配線５は第４接続配線２４、第１上電極１５、第１接続配線２１及び第３接続配線２３により構成され、第１配線５は第１素子８ａ及び第２素子８ｂを直列に接続する。第１素子８ａの＋Ｘ方向側には第３素子８ｃが設置され、第２素子８ｂの＋Ｘ方向側には第４素子８ｄが設置されている。
そして、第１配線５は第３素子８ｃ及び第４素子８ｄを直列に接続する。さらに、第３接続配線２３及び第４接続配線２４は直列に接続された第１素子８ａ及び第２素子８ｂと直列に接続された第３素子８ｃ及び第４素子８ｄとを並列に接続している。換言すれば、第１配線５は超音波素子８を複数の直列として電気的に接続している。そして、超音波素子８及び第１配線５は第１基板２に設置されている。
超音波素子ユニット９では複数の超音波素子８が直列接続されている。そして、超音波素子群１０では超音波素子ユニット９が行列状に配列する。超音波素子ユニット９は第１端子９ａ及び第２端子９ｂを有している。そして、第１端子９ａは第１方向１ａに延びる第１配線５と接続されている。第２端子９ｂは第２方向１ｂに延びる第２配線７と接続されている。また、第１配線５と第２配線７とはＺ方向に離れており、Ｚ方向からみた平面視で交差している。換言すれば、第１配線５と第２配線７とは離れて交差する。
図５は超音波トランスデューサーデバイスの電気回路図である。図５に示すように、超音波トランスデューサーデバイス１は超音波素子ユニット９が行列状に配列している。そして、各超音波素子ユニット９では第１素子８ａと第２素子８ｂとが直列に接続され、第３素子８ｃと第４素子８ｄとが直列に接続されている。
第１素子８ａと第２素子８ｂとが直列接続された回路を第１素子回路８ｅとする。第３素子８ｃと第４素子８ｄとが直列接続された回路を第２素子回路８ｆとする。第１素子回路８ｅと第２素子回路８ｆとは並列に接続されている。換言すれば、第１配線５は超音波素子８を複数の直列として電気的に接続している。
図６は素子回路を説明するための回路図である。第１素子回路８ｅ及び第２素子回路８ｆでは超音波素子８を２個直列に接続した。図６に示すように、複数の超音波素子８を直列に接続した素子回路３５を用いても良い。素子回路３５には第１端子３５ａと第２端子３５ｂとの間にｎ個の超音波素子８が直列に接続されている。
図７は素子回路における超音波素子の個数と出力電圧の関係を説明するための図である。図７において、横軸は素子回路３５における超音波素子８の個数を示す。縦軸は一定の超音波３３を素子回路３５に向けて発信したときに第１端子３５ａと第２端子３５ｂとの間に出力される電圧を示す。超音波３３は正弦波であり、縦軸に示す電圧は交流電圧波形の実効電圧を示す。
素子回路３５から所定の距離はなれた点音源から超音波３３を発信する。プロット３６は素子回路３５が超音波３３を受信したときの素子回路３５における超音波素子８の個数に対する出力電圧を示す。プロット３６が示すように、直列接続された超音波素子８の個数が１個〜５個までは超音波素子８の個数が増えると出力電圧も大きくなる。直列接続された超音波素子８の個数が６個以上のときには出力電圧が増えない。
その理由として次のように考えられる。各超音波素子８と点音源からの距離が離れているときには各超音波素子８に同じ位相の超音波３３が到達するので、超音波素子８が多い程出力電圧を大きくすることができる。各超音波素子８と点音源からの距離が近いときには、各超音波素子８に到達する超音波３３の位相が異なり、超音波素子８の個数が多くなる程位相差が大きな組合せが生じる。このとき、各超音波素子８が受信する超音波３３の位相差の影響により、直列接続しても電圧が高くならない。
従って、超音波素子８が直列として電気的に接続される数は２つ以上５つ以下であるのが好ましい。２つ以上の超音波素子８を直列に接続するとき、各超音波素子８が受ける超音波３３の波形は被検体の影響を受けるので異なる波形になっている。超音波素子８を６つ以上直列に接続するとき、各超音波素子８が受ける波形の違いの影響により超音波素子ユニット９の感度が飽和する。従って、超音波素子８を５つ以下にすることにより、効率よく超音波トランスデューサーデバイス１の感度を良くすることができる。
超音波素子８が反射波３４を受信して電圧波形を出力するとき、各超音波素子８には圧電体１４及び圧電体１７に所定の電圧を印加する。このとき、超音波素子８では反射波３４に対応する電圧変動が所定の電圧に加わる。超音波素子８を６つ以上直列に接続するとき、超音波素子ユニット９に印加する電圧が高くなる。直列に接続する超音波素子８の個数が多くなるほど、超音波素子ユニット９を駆動する駆動回路の耐圧を高くする必要がある。そして、駆動回路を構成する素子を入手し難くなる。従って、超音波素子８を５つ以下にすることにより、駆動回路の耐圧を低くできるので、容易に駆動回路を製造することができる。
図８〜図２３は超音波トランスデューサーデバイスの製造方法を説明するための模式図である。次に、図８〜２３を用いて、超音波トランスデューサーデバイス１の製造方法を説明する。図８は振動板設置工程を説明するための模式図である。図８に示すように、第１ベース板１１を用意する。そして、第１ベース板１１上に振動板１１ｂにする層を設置する。まず、第１ベース板１１の表面に酸化シリコン層（ＳｉＯ2）を積層し、酸化シリコン層の表面に酸化ジルコニウム層（ＺｒＯ2）を積層する。材料を積層する方法としてはスパッタ法やＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いることができる。
さらに、振動板上に絶縁膜１２を設置する。絶縁膜１２は２酸化シリコンや酸化アルミニウムを積層する。絶縁膜１２の材料を積層する方法としてはスパッタ法やＣＶＤ法を用いることができる。
図９は下電極設置工程を説明するための模式図である。図９に示すように、絶縁膜１２上に第１下電極１３、第２下電極１６、第１接続配線２１及び第４接続配線２４を設置する。まず、絶縁膜１２上に金属膜を設置する。本実施形態では、例えば、金属膜は酸化イリジウム上にプラチナが積層された層である。プラチナは白金とも称される。金属膜の設置方法は特に限定されないが本実施形態では、例えば、スパッタ法を用いて設置される。
次に、金属膜上に感光性のレジストを設置し、第１下電極１３、第２下電極１６、第１接続配線２１及び第４接続配線２４の形状のマスクを重ねて露光する。次に、感光性のレジストをエッチングして除去し、さらに、レジストをマスクにして金属膜をエッチングした後でレジストを除去する。その結果、絶縁膜１２上に第１下電極１３、第２下電極１６、第１接続配線２１及び第４接続配線２４が設置される。
図１０〜図１２は圧電体設置工程を説明するための模式図である。図１０に示すように、焦電体材料層３７を設置する。焦電体材料層３７は圧電体１４及び圧電体１７の材料になる層であり、ＰＺＴ膜の層である。焦電体材料層３７はスパッタ法やゾルゲル法を用いて設置される。スパッタ法では特定成分のＰＺＴ焼結体をスパッタリングのターゲットとして用い、絶縁膜１２上にスパッタリングによりアモルファス状の圧電体膜前駆体膜を形成する。
次に、このアモルファス状の圧電体膜前駆体膜を加熱し結晶化し、焼結させる。この加熱は例えば、酸素または酸素とアルゴン等の不活性ガスとの混合ガス等の酸素雰囲気中において行われる。加熱工程では酸素雰囲気中で圧電体膜前駆体膜を５００〜７００℃の温度で加熱する。加熱によって圧電体膜前駆体膜を結晶化する。
ゾルゲル法では焦電体材料層３７の材料となるチタン、ジルコニウム、鉛等の水酸化物の水和錯体であるゾルを作成する。このゾルを脱水処理してゲルとする。このゲルを加熱焼成して無機酸化物である焦電体材料層３７を調製する。チタン、ジルコニウム、鉛、さらには他の金属成分のそれぞれのアルコキシドまたはアセテートを出発原料とする。この出発原料がゾルになっている。このゾルは有機高分子化合物と混合された組成物として用いられる。この有機高分子化合物は、乾燥及び焼成時に焦電体材料層３７の残留応力を吸収し、焦電体材料層３７にクラックが生ずる虞を低減する。
次に、絶縁膜１２上にゾル組成物を塗布する。塗布方法には各種のコート法や印刷法が用いられる。塗布後ゾル組成物の膜を乾燥する。乾燥は自然乾燥、または８０℃以上２００℃以下の温度に加熱して乾燥する。次に、ゾル組成物の膜を焼成する。焼成温度は３００〜４５０℃の範囲で１０〜１２０分程度焼成する。焼成によりゾル組成物の膜がゲル化する。
次に温度を変えて再焼成する。焼成温度としては４００〜８００℃の範囲で、０．１〜５時間程度焼成する。再焼成では４００〜６００℃の範囲の温度の第一段階を行い。次に、６００〜８００℃以下の範囲の温度で第二段階を行う。これにより、多孔質ゲル薄膜が結晶質の金属酸化物からなる膜に変換される。この膜を積層膜にするときには出発原料の塗布から焼成までの工程を繰り返す。その後でプレアニールする。
図１１に示すように、上金属膜３８を設置する。本実施形態では、例えば、上金属膜３８はイリジウム膜、チタン膜、イリジウム膜がこの順に積層される。上金属膜３８の設置方法は特に限定されないが本実施形態では、例えば、スパッタ法を用いて設置される。
図１２に示すように、焦電体材料層３７及び上金属膜３８をパターニングする。上金属膜３８の上にマスク膜の材料からなる膜を設置する。そして、フォトリソグラフィー法を用いて露光及び現像しマスク膜の材料からなる膜をパターニングしてマスク膜を形成する。詳しくは、まず、感光性のレジスト膜を設置し、圧電体１４及び圧電体１７の形状のマスクを重ねて露光する。次に、レジスト膜をエッチングして除去し、マスク膜を設置する。マスク膜の形状は圧電体１４及び圧電体１７の形状にする。
マスク膜をマスクにしたドライエッチング法を用いて焦電体材料層３７の一部を除去する。ドライエッチングにより、焦電体材料層３７及び上金属膜３８がエッチングされて四角形になる。次に、剥離液を用いてマスク膜を剥離する。
さらに、上金属膜３８をパターニングする。上金属膜３８の上にマスク膜の材料からなる膜を設置する。そして、フォトリソグラフィー法を用いて露光及び現像しマスク膜の材料からなる膜をパターニングしてマスク膜を形成する。次に、レジスト膜をエッチングして除去し、マスク膜を設置する。マスク膜の形状は第１上電極１５及び第２上電極１８の形状にする。
マスク膜をマスクにしたドライエッチング法を用いて第１上電極１５の一部を除去する。ドライエッチングにより、上金属膜３８がエッチングされて第１上電極１５及び第２上電極１８の形状になる。次に、剥離液を用いてマスク膜を剥離する。
その結果、絶縁膜１２上に第１下電極１３、圧電体１４及び第１上電極１５が積層されて設置される。さらに、絶縁膜１２上に第２下電極１６、圧電体１７及び第２上電極１８が積層されて設置される。
図１３は第１配線設置工程を説明するための模式図である。図１３に示すように、第２接続配線２２及び第３接続配線２３を設置する。まず、金属膜を成膜する。金属膜は第２接続配線２２及び第３接続配線２３の材料となる膜である。金属膜の成膜方法は特に限定されないが本実施形態では、例えば、スパッタ法を用いている。
次に、金属膜の上に感光性の材料からなる膜を成膜する。続いて、フォトリソグラフィー法を用いて露光及び現像し膜をパターニングしてマスク膜を形成する。マスク膜の形状を第２接続配線２２及び第３接続配線２３の形状にする。次に、マスク膜をマスクにして金属膜をドライエッチングする。その結果、金属膜から第２接続配線２２及び第３接続配線２３が形成される。ドライエッチングはウエットエッチングに比べて平面方向のオーバーエッチング量が少ないので微細なパターンを精度良く形成することができる。
図１４は保護膜設置工程を説明するための模式図である。図１４に示すように、保護膜２５を設置する。まず、第１接続配線２１〜第４接続配線２４、圧電体１４、圧電体１７、第１上電極１５及び第２上電極１８に重ねて無機膜を設置する。無機膜は酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）の膜であり、ＣＶＤ法を用いて成膜する。次に、感光性の材料からなる膜を成膜する。続いて、フォトリソグラフィー法を用いて露光及び現像し膜をパターニングしてマスク膜を形成する。次に、マスク膜をマスクにして無機膜をドライエッチングする。その結果、無機膜が保護膜２５の形状に形成される。
次に、無機膜に重ねて有機絶縁膜を設置する。まず、無機膜に重ねて有機ベタ膜を設置する。有機ベタ膜は感光性樹脂膜である。感光性樹脂材料を溶解した溶液を第１基板２に塗布する。塗布方法は溶液が所定の量が均等に塗布されれば良く特に限定されない。本実施形態では、例えば、スピンコーターを用いて溶液を塗布した。次に、溶液を乾燥して溶媒を除去する。
次に、有機ベタ膜を所定のパターンでマスクして露光する。さらに、有機ベタ膜をエッチングしてパターニングする。その結果、無機膜上に有機絶縁膜が設置されて保護膜２５が完成する。
図１５は凹部設置工程を説明するための模式図である。図１５に示すように、第１ベース板１１がパターニングされて、凹部１１ａが設置される。詳しくは、第１ベース板１１の−Ｚ方向側の面にマスク膜の材料からなる膜を設置する。そして、フォトリソグラフィー法を用いて露光及び現像しマスク膜の材料からなる膜をパターニングしてマスク膜を形成する。マスク膜の形状は凹部１１ａが開口した平面形状にする。次に、マスク膜をマスクにして第１ベース板１１をエッチングする。エッチング方法としては、例えば、湿式の異方性エッチング、平行平板型反応性イオンエッチング等の活性気体を用いた異方性エッチングを用いて、第１ベース板１１のエッチングを行う。振動板１１ｂがエッチングストップ層として機能する。次に、マスク膜を除去する。その結果、第１ベース板１１に凹部１１ａが形成される。以上の工程で第１基板２が完成する。
図１６〜図１８は貫通電極設置工程を説明するための模式図である。図１６に示すように、第２ベース板２６を用意する。第２ベース板２６がパターニングされて、貫通穴２６ａが設置される。第２ベース板２６の＋Ｚ方向側の面及び−Ｚ方向側の面にマスク膜の材料からなる膜を設置する。そして、フォトリソグラフィー法を用いて露光及び現像しマスク膜の材料からなる膜をパターニングしてマスク膜を形成する。マスク膜の形状は貫通穴２６ａが開口した平面形状にする。次に、マスク膜をマスクにして第２ベース板２６をエッチングする。エッチング方法としては、例えば、湿式の異方性エッチング、平行平板型反応性イオンエッチング等の活性気体を用いた異方性エッチングを用いて、第２ベース板２６のエッチングを行う。次に、マスク膜を除去する。その結果、第２ベース板２６に貫通穴２６ａが形成される。
図１７に示すように、次に、第２ベース板２６の表面に絶縁膜２７を設置する。絶縁膜２７は第２ベース板２６を酸素雰囲気中で加熱してシリコンを酸化シリコンにすることで形成される。さらに、絶縁膜２７は２酸化シリコンや酸化アルミニウムを積層しても良い。絶縁膜２７の材料を積層する方法としてはスパッタ法やＣＶＤ法を用いる。
図１８に示すように、次に、貫通穴２６ａに金属を設置して貫通電極２８を形成する。貫通電極２８は膜厚５００ｎｍ程度のアルミニウム合金膜である。貫通電極２８はスパッタリング法または蒸着等によって形成され、ウエットエッチング法にてパターニングされる。
図１９〜図２１は第２配線設置工程を説明するための模式図である。図１９に示すように、第２ベース板２６の両面の絶縁膜２７上に金属膜４１を設置する。金属膜４１の材料は特に限定されず、金、銀、銅、アルミニウム等の金属やこれらを含む合金を用いることができる。金属膜４１を設置する方法にはスパッタ法やＣＶＤ法を用いることができる。
図２０に示すように、金属膜４１をパターニングして第２配線７及び第５接続配線２９を形成する。詳しくは、両面の金属膜４１の上に感光性の材料からなる膜を成膜する。続いて、フォトリソグラフィー法を用いて露光及び現像し膜をパターニングしてマスク膜を形成する。片面はマスク膜の形状を第２配線７の形状にし、別の片面はマスク膜の形状を第５接続配線２９の形状にする。次に、マスク膜をマスクにして金属膜をドライエッチングする。その結果、金属膜４１から第２配線７及び第５接続配線２９が形成される。
図２１に示すように、第５接続配線２９上に凸部３０を設置する。まず、第５接続配線２９上に凸部３０と材料となる金属を含むペーストを配置する。ペーストの塗布方法には各種の印刷方法を用いることができる。次に、ペーストを加熱して溶解する。ペーストには金属粒子及びバインダーが含まれている。バインダーは加熱により昇華するので、第５接続配線２９上には金属が残る。金属は加熱により液体になっており表面張力が作用することにより半球状になる。溶解した後で冷却することにより金属が半球状のまま固化して凸部３０になる。ペーストの加熱方法は特に限定されず、例えば、レーザー光の照射による加熱や熱風を当てる方法等を用いることができる。以上の工程により第２基板３が完成する。
図２２〜図２３は組立工程を説明するための模式図である。図２２に示すように、第１基板２上に接着部３２を分散させて設置する。さらに、第２基板３の外周に沿って接着部３２を配置しても良い。第１基板２と第２基板３との間が封止されるので、液体が第１基板２と第２基板３との間に進入して配線間が短絡することを防止することができる。接着部３２は加熱により収縮する接着剤が用いられる。接着部３２の材料である接着剤の設置方法には各種の印刷方法を用いることができる。
次に、第２基板３の凸部３０が設置された面を第１基板２に向けて第１基板２と第２基板３とを合わせる。このとき、凸部３０が第３接続配線２３と接触するように平面位置を精度良く合わせる。そして、加熱して第１基板２と第２基板３とを接着する。以上の工程により図２３に示す超音波トランスデューサーデバイス１が完成する。
上述したように、本実施形態によれば、以下の効果を有する。
（１）本実施形態によれば、超音波トランスデューサーデバイス１は第１基板２と第２基板３とを備えている。第１基板２と第２基板３とは重ねて設置されている。第１基板２には複数の超音波素子８が行列状に配列されている。この超音波素子８は第１配線５により電気的に直列接続され、この第１配線５が複数設置されている。
第２基板３には複数の第２配線７と第３配線３１とが設置されている。第２配線７は第１基板２の厚み方向から平面視して第１配線５と交差する。第３配線３１は第１配線５と第２配線７とを電気的に接続する。
超音波素子８は反射波３４を受信して電圧信号を出力する。そして、超音波素子８は一対の電極を有する電気容量として作用し、反射波３４を受けるときに各電極に電荷が蓄積される。超音波素子８を直列接続することにより静電容量を小さくすることができる。この静電容量と超音波トランスデューサーデバイスとは反比例の関係がある。静電容量を小さくすることにより直列接続された超音波素子８は各電極における電荷の変動を大きな電圧変動にして出力することができる。
直列接続された複数の超音波素子８を１つの超音波素子ユニット９とするとき超音波素子ユニット９は２つの端子を有する。２つの端子の一方を第１端子９ａとして他方を第２端子９ｂとする。第１端子９ａは第１配線５に接続され、第１配線５を介して信号が入出力される。第２端子９ｂから出力される電気信号は第１配線５、第３配線３１及び第２配線７を介して出力される。
複数の第１配線５と複数の第２配線７とは交差しているので第１配線５が並ぶ方向と第２配線７が並ぶ方向とは別の方向になっている。第１配線５と第１外部端子４とが接続して第２配線７と第２外部端子６とが接続する。そして、第１外部端子４と第２外部端子６とはそれぞれ超音波トランスデューサーデバイス１の別の辺に設置される。第１端子９ａと電気的に接続する第１外部端子４は１つの辺にまとまっており、第２端子９ｂと電気的に接続する第２外部端子６も別の１つの辺にまとまっている。
超音波素子８の個数が多くなるときには複数の辺に出力端子を配置する方が１つの辺に出力端子を配置するときに比べて、端子の空間周期を長くすることができる。そして、配線を設置し易くすることができる。従って、第１配線５及び第２配線７から各超音波素子ユニット９の第１端子９ａと第２端子９ｂとに容易に電気信号を伝送することができる。
そして、第１配線５と第２配線７とは異なる基板に設置されているので絶縁されており、第３配線３１により特定の場所でのみ接続されている。従って、第１配線５と第２配線７とが交差する場所でも第１配線５と第２配線７との間で電気信号がリークすることを防止することができる。その結果、超音波トランスデューサーデバイス１は感度良く電気信号を出力でき、異なる方向に並ぶ第１配線５及び第２配線７から電気信号を伝送することができる。
（２）本実施形態によれば、第３配線３１は貫通電極２８と、導電性の凸部３０を備えている。貫通電極２８は第２基板３を貫通し第２配線７と接続する。導電性の凸部３０は貫通電極２８と第１配線５とを接続する。従って、第３配線３１は第１配線５と第２配線７とを確実に接続することができる。
（３）本実施形態によれば、超音波素子８が直列として電気的に接続される数は２つ以上５つ以下である。超音波素子８を５つ以下にすることにより、効率よく超音波トランスデューサーデバイス１の感度を良くすることができる。また、超音波素子８を６つ以上直列に接続するとき、超音波素子ユニット９に印加する電圧が高くなる。超音波素子ユニット９を駆動する駆動回路の耐圧を高くする必要があるので、駆動回路を構成する素子を入手し難くなる。従って、超音波素子８を５つ以下にすることにより、駆動回路の耐圧を低くできるので、容易に駆動回路を製造することができる。
（４）本実施形態によれば、超音波トランスデューサーデバイス１は超音波素子群１０を備えている。超音波素子群１０は複数の超音波素子８が直列接続された超音波素子ユニット９を備え、超音波素子ユニット９が行列状に配列する。超音波素子８は２端子の素子であり、超音波素子８が直列接続されている超音波素子ユニット９は２端子のユニットである。この２端子の１つが第１端子９ａであり、別の端子が第２端子９ｂである。第１端子９ａには第１配線５が接続され、第１配線５は第１方向１ａに延びる。第２端子９ｂには第２配線７が接続され、第２配線７は第２方向１ｂに延びる。超音波素子ユニット９は行列状に配列するので、第１配線５及び第２配線７は複数である。そして、第１配線５と第２配線７とが交差するので、第１配線５が並ぶ方向と第２配線７が並ぶ方向とは異なる方向になっている。
超音波素子８は反射波３４を受けて電圧信号を出力する。そして、超音波素子８は一対の電極を有する電気容量として作用し、反射波３４を受けるときに各電極に電荷が蓄積される。超音波素子８を直列接続することにより静電容量を小さくすることができる。この静電容量と超音波素子８が出力する電圧とは反比例の関係がある。静電容量を小さくすることにより直列接続された超音波素子８は各電極における電荷の変動を大きな電圧変動にして出力することができる。
超音波素子ユニット９は第１端子９ａと第２端子９ｂとを有する。第１端子９ａは第１配線５に接続され、第１配線５を介して信号が入出力される。第２端子９ｂは第２配線７と接続され第２配線７を介して信号が入出力される。第１配線５がならぶ第２方向１ｂと第２配線７が並ぶ第１方向１ａとは別の方向になっている。超音波素子８の個数が多くなるときには複数の辺に出力端子を配置する方が１つの辺に出力端子を配置するときに比べて、端子の空間周期を長くすることができる。そして、配線を設置し易くすることができる。
従って、第１配線５と第２配線７とが同じ方向に並ぶときに比べて、各超音波素子ユニット９の第１端子９ａと第２端子９ｂとに容易に電気信号を伝送することができる。その結果、超音波トランスデューサーデバイス１は感度良く電気信号を出力でき、異なる方向に並ぶ配線から電気信号を伝送することができる。
（第２の実施形態）
次に、超音波トランスデューサーデバイスの一実施形態について図２４の超音波トランスデューサーデバイスの構成を示す要部模式側断面図を用いて説明する。本実施形態が第１の実施形態と異なるところは、第２基板３には超音波素子８と対向する場所に貫通孔が設置されている点にある。尚、第１の実施形態と同じ点については説明を省略する。
すなわち、本実施形態では、図２４に示すように超音波トランスデューサーデバイス４４は第１基板２と第２基板４５とが重ねて設置されている。そして、第２基板４５には超音波素子８と対向する場所に貫通孔４６が設置されている。超音波素子８が＋Ｚ方向に発信する超音波３３は貫通孔４６を通って＋Ｚ方向に進行させることができる。
そして、＋Ｚ方向側から超音波素子８に向かって進行してくる反射波３４に対して貫通孔４６を通過させる。そして、超音波素子８が反射波３４を受信することができる。従って、第２基板４５側に位置する被検体に対して超音波３３を発信し反射波３４を受信することができる。
（第３の実施形態）
次に、超音波トランスデューサーデバイスの一実施形態について図２５及び図２６を用いて説明する。図２５は超音波トランスデューサーデバイスの構成を示す要部模式側断面図である。図２６は超音波トランスデューサーデバイスの構成を示す要部模式平面図である。本実施形態が第１の実施形態と異なるところは、第１ベース板１１の内部に第２配線７に相当する配線が設置されている点にある。尚、第１の実施形態と同じ点については説明を省略する。
すなわち、本実施形態では、図２５に示すように、超音波トランスデューサーデバイス５０はベース基板５１を備えている。ベース基板５１には超音波素子ユニット９を構成する超音波素子８が並んで設置されている。図中左側の超音波素子８が第１素子８ａ及び第３素子８ｃであり、図中右側の超音波素子８が第２素子８ｂ及び第４素子８ｄである。
ベース基板５１は基板としての下基板５２と上基板５３とが重ねて設置されている。ベース基板５１は超音波素子８と対向する場所に凹部５１ａが設置されている。凹部５１ａではベース基板５１の厚みが薄くなっている。そして、ベース基板５１の厚みの薄い部分が振動しやすい振動板５１ｂになっている。
下基板５２及び上基板５３の材質には第１の実施形態の第１ベース板１１と同じシリコン基板が用いられている。振動板５１ｂの材質には第１の実施形態の振動板１１ｂと同じ２酸化シリコンや２酸化ジルコニウムが用いてられている。
ベース基板５１の＋Ｚ方向側には絶縁膜１２が設置されている。絶縁膜１２上には第１素子８ａ〜第４素子８ｄの超音波素子８が設置されている。複数の超音波素子８が絶縁膜１２上に設置され行列状に配列する。第１素子８ａ〜第４素子８ｄの構造は第１の実施形態と同じである。他にも、絶縁膜１２上には第２下電極１６と接続する第４接続配線２４が設置されている。そして、超音波素子８を覆う保護膜２５は第３接続配線２３及び第４接続配線２４を総て覆っている。
第１接続配線２１、第２接続配線２２、第３接続配線２３及び第４接続配線２４は第１素子８ａ及び第２素子８ｂを直列として電気的に接続する配線であり、第１配線５を構成する配線である。そして、絶縁膜１２上には複数の第１配線５が設置されている。
下基板５２上には絶縁膜５４が設置され、絶縁膜５４は下基板５２の＋Ｚ方向側の面の一部を覆う。絶縁膜５４上には複数の第２配線５５が設置されている。換言すれば、絶縁膜５４を介して下基板５２上に複数の第２配線５５が設置されている。第２配線５５は第１の実施形態における第２配線７に対応する配線である。
さらに、第２配線５５に重ねて絶縁膜５６が設置されている。そして、絶縁膜５６に重ねて上基板５３が設置され、上基板５３上に絶縁膜１２が設置されている。従って、絶縁膜１２は絶縁膜５６及び上基板５３を介して第２配線５５に重ねて設置されている。第２配線５５は絶縁膜５４及び絶縁膜５６に囲まれている。従って、第２配線５５から下基板５２や上基板５３に電流がリークしないようになっている。
上基板５３には第３接続配線２３と第２配線５５との間に貫通孔５３ａが設置されている。そして、貫通孔５３ａの内周には絶縁膜５７が設置されている。さらに、絶縁膜５７の内側には第３配線としての貫通電極５８が設置されている。貫通電極５８は第３接続配線２３と第２配線５５とを電気的に接続する。第３接続配線２３は第１配線５の一部であるので、貫通電極５８は第１配線５と第２配線５５とを電気的に接続する。
下基板５２の図中左側の端において第２配線５５が露出して第２外部端子５９となっている。第１配線５は第１外部端子４と接続されている。第１外部端子４と第２外部端子５９との間に電圧波形を加えることにより、超音波素子８が超音波３３を発信する。そして、超音波素子８が受信する反射波３４を超音波素子８が電気信号に変換し、変換した電気信号を第１外部端子４と第２外部端子５９とから出力する。
上基板５３はシリコン基板を用いても良く、シリコン層を下基板５２上に形成しても良い。上基板５３にシリコン基板を用いるときには下基板５２上に絶縁膜５４、第２配線５５及び絶縁膜５６を設置する。そして、上基板５３に絶縁膜５７及び貫通電極５８を設置する。そして、下基板５２と上基板５３とを接合してベース基板５１を形成する。上基板５３をシリコン層とするときには上基板５３をスパッタ法やＣＶＤ法を用いて形成する。そして、上基板５３に貫通孔５３ａを形成し、貫通孔５３ａに絶縁膜５７及び貫通電極５８を設置する。
図２６に示すように、下基板５２上には第２配線５５が複数設置され、上基板５３には第１配線５が複数設置されている。第１配線５は第１方向１ａに延びており、第２方向１ｂに並んで配列している。第２配線５５は第２方向１ｂに延びており、第１方向１ａに並んで配列している。そして、下基板５２の厚み方向から平面視して複数の第２配線５５と複数の第１配線５とが交差する。
上述したように、本実施形態によれば、以下の効果を有する。
（１）本実施形態によれば、超音波トランスデューサーデバイス５０は下基板５２を備え、下基板５２上に第２配線５５が設置されている。そして、第２配線５５に重ねて絶縁膜１２が設置されている。絶縁膜１２上には複数の超音波素子８が設置され、超音波素子８は行列状に配列する。超音波素子８は第１配線５により複数の直列として電気的に接続されている。そして、下基板５２の厚み方向から平面視して第２配線５５と第１配線５とが交差する。この第１配線５及び第２配線５５は複数設置されている。貫通電極５８は第１配線５と第２配線５５とを電気的に接続する。
超音波素子８は反射波３４を受信して電圧信号を出力する。そして、超音波素子８は一対の電極を有する電気容量として作用し、反射波３４を受けるときに各電極に電荷が蓄積される。超音波素子８を直列接続することにより静電容量を小さくすることができる。この静電容量と超音波素子８とは反比例の関係がある。静電容量を小さくすることにより直列接続された超音波素子８は各電極における電荷の変動を大きな電圧変動にして出力することができる。
直列接続された超音波素子８を１つの超音波素子ユニット９とするとき超音波素子ユニット９は２つの端子を有する。２つの端子の一方が第１端子９ａであり、他方が第２端子９ｂである。第１端子９ａは第１配線５に接続され、第１配線５を介して電気信号が入出力される。第２端子９ｂから出力される電気信号は第１配線５、貫通電極５８及び第２配線５５を介して出力される。複数の第１配線５と複数の第２配線５５とは交差しているので第１配線５がならぶ第２方向１ｂと第２配線５５が並ぶ第１方向１ａとは別の方向になっている。従って、各超音波素子ユニット９の第１端子９ａと第２端子９ｂとに容易に電気信号を伝送することができる。
そして、第１配線５と第２配線５５とは絶縁膜１２を挟んで設置されているので絶縁されており、貫通電極５８により特定の場所でのみ接続されている。従って、第１配線５と第２配線５５とが交差する場所でも第１配線５と第２配線５５との間で電気信号がリークすることを防止することができる。その結果、超音波素子８は感度良く電気信号を出力でき、異なる方向に並ぶ配線から電気信号を伝送することができる。
（第４の実施形態）
次に、超音波トランスデューサーデバイスが搭載された超音波プローブを備えた超音波装置の一実施形態について図２７の超音波装置の構成を示す概略斜視図を用いて説明する。本実施形態における超音波プローブ及び超音波装置に搭載された超音波トランスデューサーデバイスは第１の実施形態〜第３の実施形態に記載の超音波トランスデューサーデバイスである。尚、第１の実施形態〜第３の実施形態と同じ点については説明を省略する。
図２７に示すように、超音波装置６２は超音波プローブ６３を備えている。超音波プローブ６３は一方向に長い略直方体の形状をしており、操作者が握り易い形状になっている。超音波プローブ６３の長手方向をＺ方向とする。超音波プローブ６３の−Ｚ方向の面は略平坦な面であり、平面形状が長方形になっている。平面形状の直交する２辺が延びる方向をＸ方向及びＹ方向とする。
超音波プローブ６３の−Ｚ方向側には超音波トランスデューサーデバイス６４が設置されている。超音波トランスデューサーデバイス６４は反射波３４を受信し電気信号を出力する。この超音波トランスデューサーデバイス６４には上記に記載の超音波トランスデューサーデバイス１、超音波トランスデューサーデバイス４４または超音波トランスデューサーデバイス５０のいずれかが用いられている。
超音波プローブ６３の−Ｚ方向側の面では筐体から超音波トランスデューサーデバイス６４が露出している。超音波プローブ６３の内部には超音波トランスデューサーデバイス６４を制御する制御部６５が設置され、超音波トランスデューサーデバイス６４と制御部６５とがケーブル６６により接続されている。制御部６５にはＣＰＵ（中央演算装置）及び記憶装置を備えている。記憶装置には超音波トランスデューサーデバイス６４を駆動する駆動波形のデータや超音波トランスデューサーデバイス６４を駆動する手順を示すプログラムが記憶されている。そして、ＣＰＵはプログラムに沿って超音波トランスデューサーデバイス６４に駆動波形を出力して超音波トランスデューサーデバイス６４を駆動する。
超音波プローブ６３はケーブル６７を介して制御装置６８と接続されている。制御装置６８は超音波プローブ６３が出力するデータ信号を入力し、データ信号を解析して表示する装置である。制御装置６８もＣＰＵ及び記憶装置を備えている。そして、ＣＰＵはプログラムに沿って各種の演算や制御を行う。制御装置６８には入力部６９及び表示部７０が設置されている。入力部６９はキーボードやマウスパッド、専用スイッチ、トラックボール等のポインター等の装置であり、操作者が制御装置６８に指示する内容を入力するための装置である。表示部７０はデータ信号を画像にして表示可能であれば良く特に限定されず、液晶表示装置やＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ）表示装置を用いることができる。本実施形態では、例えば、表示部７０にＯＬＥＤを用いている。
超音波プローブ６３は被検体７１の表面に押圧して用いられる。超音波プローブ６３は超音波トランスデューサーデバイス６４から被検体７１に向けて超音波３３を発信する。そして、超音波トランスデューサーデバイス６４は被検体７１に超音波３３を発信して被検体７１の内部で反射した反射波３４を受信する。超音波トランスデューサーデバイス６４は反射波３４を受信し電気信号を出力する。反射波３４は反射して戻る時間が反射した面により異なるので、反射波３４が戻る時間を解析することにより被検体７１の内部の構造を非破壊検査することができる。
超音波トランスデューサーデバイス６４が受信した反射波の信号は制御部６５に出力される。制御部６５はＡ／Ｄ変換（Ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−ｄｉｇｉｔａｌ）をする変換部６５ａを備え、変換部６５ａは超音波トランスデューサーデバイス６４が出力する電気信号をデジタル形式のデータ信号に変換する。そして、デジタル形式のデータ信号に変換されたデータ信号はケーブル６７を介して制御部６５から制御装置６８に送信される。制御装置６８は反射波のデータ信号を受信して解析する。そして、制御装置６８が反射波のデータ信号を被検体７１の内部構造示す画像に変換して、表示部７０が反射波のデータ信号を変換した画像を表示する。
上述したように、本実施形態によれば、以下の効果を有する。
（１）本実施形態によれば、超音波プローブ６３は反射波３４を受信し電気信号を出力する超音波トランスデューサーデバイス６４を備えている。そして、超音波トランスデューサーデバイス６４は上記に記載の超音波トランスデューサーデバイス１、超音波トランスデューサーデバイス４４または超音波トランスデューサーデバイス５０のいずれかである。上記に記載の超音波トランスデューサーデバイス１、超音波トランスデューサーデバイス４４または超音波トランスデューサーデバイス５０は感度良く電気信号を出力でき、異なる方向に並ぶ配線から電気信号を伝送することができる。従って、超音波プローブ６３は感度の良い信号を取得でき、異なる方向に並ぶ配線から電気信号を伝送することができる超音波トランスデューサーデバイス６４を備えた装置とすることができる。
（２）本実施形態によれば、超音波装置６２は超音波トランスデューサーデバイス６４、変換部６５ａ及び表示部７０を備えている。超音波トランスデューサーデバイス６４が反射波３４を受信して電気信号を出力する。変換部６５ａが電気信号をデータ信号に変換する。そして、表示部７０がデータ信号を表示する。そして、超音波トランスデューサーデバイス６４には上記に記載の超音波トランスデューサーデバイス１、超音波トランスデューサーデバイス４４または超音波トランスデューサーデバイス５０のいずれかが用いられている。上記に記載の超音波トランスデューサーデバイス１、超音波トランスデューサーデバイス４４または超音波トランスデューサーデバイス５０は感度良く電気信号を出力でき、異なる方向に並ぶ配線から電気信号を伝送することができる。従って、超音波装置６２は感度良く電気信号を出力でき、異なる方向に並ぶ配線から電気信号を伝送することができる超音波トランスデューサーデバイス６４を備えた装置とすることができる。
尚、本実施形態は上述した実施形態に限定されるものではなく、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者により種々の変更や改良を加えることも可能である。変形例を以下に述べる。
（変形例１）
前記第１の実施形態では、超音波素子ユニット９は直列接続された超音波素子８が２つ並列接続された構成になっていた。超音波素子ユニット９は直列接続された超音波素子８が１つでも良く、３つ以上並列接続された構成にしても良い。並列にする列数が少ないと空間分解能の高い超音波画像を得ることができる。並列にする列数が多いと反射波３４を平均化するのでノイズの少ない超音波画像を得ることができる。また、多くの超音波素子８が１つの素子として電圧波形を出力するので感度良く反射波３４を受信することができる。
（変形例２）
前記第１の実施形態では、凸部３０の材料に金属を用いた。凸部３０を樹脂材料にして凸部３０の表面に金属の膜を設置してもよい。凸部３０が弾力性を有するので接続の信頼性を高くすることができる。
１，５０，６４…超音波トランスデューサーデバイス、１ａ…第１方向、１ｂ…第２方向、２…第１基板、３，４５…第２基板、５…第１配線、７，５５…第２配線、８…超音波トランスデューサー素子としての超音波素子、９…超音波トランスデューサー素子ユニットとしての超音波素子ユニット、９ａ…第１端子、９ｂ…第２端子、１０…超音波トランスデューサー素子群としての超音波素子群、１２…絶縁膜、３０…凸部、３１…第３配線、５２…基板としての下基板、５８…第３配線としての貫通電極、６２…超音波装置、６３…超音波プローブ、６５ａ…変換部、７０…表示部。

Claims (6)

  1. 行列状に配列する複数の超音波トランスデューサー素子と、前記超音波トランスデュー
    サー素子を複数の直列として電気的に接続した第１配線と、を有する第１基板と、
    前記第１基板と重ねて設置され、前記第１基板の厚み方向から平面視して前記第１配線
    と交差する複数の第２配線と、前記第１配線と前記第２配線とを電気的に接続する第３配
    線と、を有する第２基板と、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。
  2. 請求項１に記載の超音波トランスデューサーデバイスであって、
    前記第３配線は前記第２基板を貫通し前記第２配線と接続する貫通電極と、前記貫通電
    極と前記第１配線とを接続する導電性の凸部と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。
  3. 基板と、
    前記基板上に設置された複数の第２配線と、
    前記第２配線に重ねて設置された絶縁膜と、
    前記絶縁膜上に設置され行列状に配列する複数の超音波トランスデューサー素子と、
    前記超音波トランスデューサー素子を複数の直列として電気的に接続し前記基板の厚み
    方向から平面視して前記第２配線と交差する複数の第１配線と、
    前記第１配線と前記第２配線とを電気的に接続する第３配線と、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。
  4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサーデバイスであって、
    前記超音波トランスデューサー素子が前記直列として電気的に接続される数は２つ以上
    ５つ以下であ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。
  5. 超音波を受信し電気信号を出力する超音波トランスデューサーデバイスを備え、
    前記超音波トランスデューサーデバイスが請求項１〜４のいずれか一項に記載の超音波
    トランスデューサーデバイスであることを特徴とする超音波プローブ。
  6. 超音波を受信し電気信号を出力する超音波トランスデューサーデバイスと、
    前記超音波トランスデューサーデバイスが出力する電気信号をデータ信号に変換する変
    換部と、
    前記データ信号を表示する表示部と、を備え、
    前記超音波トランスデューサーデバイスが請求項１〜４のいずれか一項に記載の超音波
    トランスデューサーデバイスであることを特徴とする超音波装置。
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