JP6907539B2 - 超音波デバイス、超音波プローブ、及び超音波装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波デバイス、超音波プローブ、及び超音波装置に関する。

従来、開口部を有する基板の一面側に開口部を閉塞する支持膜を設け、開口部と重なる位置の支持膜上に圧電素子を配置した超音波デバイスが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
特許文献１や特許文献２に記載の超音波デバイスでは、開口部を囲うように、隔壁（基板）が設けられており、圧電素子により支持膜を振動させることで、開口部の隔壁側に超音波が出力される。
ここで、特許文献１に記載の超音波デバイスでは、開口部の開口幅が約１００〜約数百μｍとなり、隔壁の高さ（開口部の深さ）が約１００μｍに形成されている。また、特許文献２に記載の超音波デバイスでは、開口部の開口幅が８０２μｍとなり、隔壁の高さが３ｍｍ（３０００μｍ）に形成されている。

特開２０１０−１６４３３１号公報 特開２０１３−５３９２５４号公報

ところで、上記のような構成の超音波デバイスにおいて、開口部の開口幅と、開口部の隔壁高さ（基板の厚み寸法）との関係は、高い送受信感度で超音波測定を実施する上で重要なパラメーターとなる。
しかしながら、上述した特許文献１や特許文献２に記載の超音波デバイスでは、これらの開口幅と隔壁高さとの関係まで考慮されておらず、十分な送受信特性を得ることができない。

本発明は、高い送受信感度の超音波デバイス、超音波プローブ、及び超音波装置を提供することを目的とし、以下にその適用例及び実施形態を説明する。

本発明に係る一適用例の超音波デバイスでは、開口部及び前記開口部を囲う隔壁を有する基板と、前記開口部の一端側を閉塞する振動部と、前記振動部に設けられる圧電素子と、を備え、前記開口部の開口幅寸法をＷ、前記基板の厚み寸法をＨとした際に、Ｗ／Ｈが０．６６〜０．９２であることを特徴とする。

本適用例では、開口部が隔壁により四方を囲われることで形成され、その開口部の一端側に振動部が配置される。このような超音波デバイスでは、圧電素子の駆動により振動部が振動することで超音波が送信される。また、超音波によって振動部が振動することで圧電素子から信号が出力されることで超音波の受信が検出される。
ところで、本願の発明者は、鋭意研究の結果、開口部の開口幅寸法Ｗと、基板の厚み寸法（隔壁の高さ寸法）Ｈとにより、送受信感度が変化し、これらの開口幅寸法Ｗと厚み寸法Ｈとを適切に設定することで、高い送受信感度の超音波デバイスが得られるとの知見を得た。
すなわち、本適用例では、開口部の開口幅寸法Ｗと基板の厚み寸法Ｈとの比（Ｗ／Ｈ）が、０．６６〜０．９２となる。このような超音波デバイスでは、超音波送信時において超音波を送信し、被検体にて反射された超音波（反射波）を受信した際の受信感度が大きくできる。すなわち、超音波デバイスにおける送受信感度を高めることができる。

本発明に係る一適用例の超音波デバイスでは、開口部及び前記開口部を囲う隔壁を有する基板と、前記開口部の一端側を閉塞し、前記開口部に臨む第一面及び前記第一面の裏面である第二面を有する支持膜と、前記支持膜の前記第二面側に配置された封止板と前記支持膜の前記第二面とを接合する梁部と、前記支持膜に設けられる圧電素子と、を備え、前記基板の厚み方向からの平面視において、前記支持膜は、前記隔壁の縁と前記梁部の縁とにより囲われる振動部を有し、前記圧電素子は、前記振動部に設けられ、前記振動部の幅寸法をＳ、前記基板の厚み寸法をＨとした際に、Ｓ／Ｈが０．７３〜１．１６であることを特徴とする。

本適用例では、基板の支持膜側に封止板が配置されており、梁部により支持膜と封止板とが接合されている。このような本適用例では、開口部を閉塞する支持膜のうち、例えば平面視において互いに対向する一対の隔壁の縁と一対の梁部の縁とにより囲われる領域や、隔壁の縁により３方が囲まれ、残る１方に梁部の縁が配置された領域が、振動部となる。
そして、本適用例では、振動部の幅寸法Ｓと基板の厚み寸法Ｈとの比（Ｓ／Ｈ）が、０．７３〜１．１６となる。このような超音波デバイスでは、超音波送信時において超音波を送信し、被検体にて反射された超音波（反射波）を受信した際の受信感度が大きくできる。すなわち、超音波デバイスにおける送受信感度を高めることができる。

本発明に係る一適用例の超音波プローブは、上述のような超音波デバイスと、前記超音波デバイスを収納する筐体と、を備えたことを特徴とする。
本適用例では、上述のように、超音波デバイスにおける送受信感度が高い。よって、このような超音波デバイスを有する超音波プローブでは、超音波測定を実施する際に、高精度な超音波測定処理を実施でき、高精度な測定結果を得ることができる。

本発明に係る一適用例の超音波装置は、上述のような超音波デバイスと、前記超音波デバイスを制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。
本適用例では、上述のように、超音波デバイスにおける送受信感度が高い。よって、超音波装置では、このような超音波デバイスを制御部により制御することで、高精度に超音波の送信処理や受信処理を実施することができる。これにより、例えば、被検体に対する超音波測定や、被検体に対して超音波治療等の各種超音波処理を高精度に実施することができる。

第一実施形態の超音波測定装置の概略構成を示す斜視図。 第一実施形態の超音波プローブの概略構成を示す断面図。 第一実施形態の超音波デバイスの概略平面図。 図３におけるＡ−Ａ線で切断した超音波デバイスの断面図。 第一実施形態において、開口部の開口幅寸法と隔壁の高さ寸法との比に対する超音波トランスデューサーで超音波を受信した際に出力される受信電圧を示した図。 第二実施形態の超音波デバイスの概略平面図。 第二実施形態の超音波デバイスの概略構成を示す断面斜視図。 第二実施形態の振動部の幅寸法と隔壁の高さ寸法との比に対する超音波トランスデューサーで超音波を受信した際に出力される受信電圧を示した図。

［第一実施形態］
以下、第一実施形態について説明する。
図１は、第一実施形態の超音波測定装置１の概略構成を示す斜視図である。
超音波測定装置１は、超音波装置に相当し、図１に示すように、超音波プローブ２と、超音波プローブ２にケーブル３を介して接続された制御装置１０と、を備える。
この超音波測定装置１は、超音波プローブ２を被検体（例えば人体等の生体）の表面に当接させ、超音波プローブ２から被検体内に超音波を送信する。また、超音波測定装置１は、被検体内の器官にて反射された超音波を超音波プローブ２にて受信し、受信信号に基づいて、例えば被検体内の内部断層画像を取得したり、被検体内の器官の状態（例えば血流等）を測定したりする。

［制御装置の構成］
制御装置１０は、制御部に相当し、図１に示すように、ボタンやタッチパネル等を含む操作部１１と、表示部１２と、を備える。また、制御装置１０は、図示は省略するが、メモリー等により構成された記憶部と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等により構成された演算部と、を備える。制御装置１０は、記憶部に記憶された各種プログラムを、演算部に実行させることにより、超音波測定装置１を制御する。例えば、制御装置１０は、超音波プローブ２の駆動を制御するための指令を出力したり、超音波プローブ２から入力された受信信号に基づいて、被検体の内部構造の画像を形成して表示部１２に表示させたり、血流等の被検体情報を測定して表示部１２に表示させたりする。このような制御装置１０としては、例えば、タブレット端末やスマートフォン、パーソナルコンピューター等の端末装置を用いることができ、超音波プローブ２を操作するための専用端末装置を用いてもよい。

［超音波プローブの構成］
図２は、超音波プローブ２の概略構成を示す断面図である。
超音波プローブ２は、図２に示すように、筐体２１と、筐体２１内部に収納された超音波デバイス２２と、超音波デバイス２２を制御するためのドライバー回路等が設けられた回路基板２３と、を備える。なお、超音波デバイス２２と回路基板２３とにより、超音波センサー２４が構成される。

［筐体の構成］
筐体２１は、図１に示すように、例えば平面視矩形状の箱状に形成され、厚み方向に直交する一面（センサー面２１Ａ）には、センサー窓２１Ｂが設けられており、超音波デバイス２２の一部が露出している。また、筐体２１の一部（図１に示す例では側面）には、ケーブル３の通過孔２１Ｃが設けられ、ケーブル３は、通過孔２１Ｃから筐体２１の内部の回路基板２３に接続されている。また、ケーブル３と通過孔２１Ｃとの隙間は、例えば樹脂材等が充填されることで、防水性が確保されている。
なお、本実施形態では、ケーブル３を用いて、超音波プローブ２と制御装置１０とが接続される構成を例示するが、これに限定されず、例えば超音波プローブ２と制御装置１０とが無線通信により接続されていてもよく、超音波プローブ２内に制御装置１０の各種構成が設けられていてもよい。

［回路基板の構成］
回路基板２３は、超音波デバイス２２の駆動端子４３１Ａ及び共通端子４３３Ｂ（図３参照）と電気的に接続され、制御装置１０の制御に基づいて超音波デバイス２２を駆動させる。
具体的には、回路基板２３は、送信回路や受信回路等を備えている。送信回路は、超音波デバイス２２に超音波送信させる駆動信号を出力する。受信回路は、超音波を受信した超音波デバイス２２から出力された受信信号を取得し、当該受信信号の増幅処理、Ａ−Ｄ変換処理、整相加算処理等を実施して制御装置１０に出力する。

［超音波デバイスの構成］
図３は、超音波デバイス２２の平面図である。なお、図３において、封止板４４（図４参照）及び音響部材４５（図４参照）の図示は省略している。
図３に示すように、超音波デバイス２２には、互いに交差（本実施形態では、直交を例示）するＸ方向（スキャン方向）及びＹ方向（スライス方向）に沿って、複数の超音波トランスデューサー５０が２次元アレイ状に配置されている。本実施形態では、Ｙ方向に配置された複数の超音波トランスデューサー５０により、１ＣＨ（チャネル）の送受信列Ｃｈ（素子群）が構成される。また、当該１ＣＨの送受信列ＣｈがＹ方向に沿って複数並んで配置されることで、１次元アレイ構造の超音波デバイス２２が構成される。ここで、超音波トランスデューサー５０が配置される領域をアレイ領域Ａｒとする。
なお、図３は、説明の便宜上、超音波トランスデューサー５０の配置数を減らしているが、実際には、より多くの超音波トランスデューサー５０が配置されている。

図４は、図３におけるＡ−Ａ線で切断した超音波デバイス２２の断面図である。
超音波デバイス２２は、図４に示すように、素子基板４１と、支持膜４２と、圧電素子４３と、封止板４４と、音響部材４５と、を含んで構成されている。

（素子基板４１の構成）
素子基板４１は、例えばＳｉ等の半導体基板により構成されている。この素子基板４１は、各々の超音波トランスデューサー５０に対応した開口部４１Ａが設けられている。本実施形態では、各開口部４１Ａは、素子基板４１の基板厚み方向を貫通した貫通孔であり、当該貫通孔の一端側（封止板４４側）に支持膜４２が設けられる。ここで、素子基板４１の支持膜４２と接合される部分は隔壁４１Ｂであり、開口部４１Ａは、隔壁４１Ｂにより４方（±Ｘ側、±Ｙ側）が囲われることで形成される。すなわち、開口部４１Ａの±Ｘ側に位置する隔壁４１Ｂが開口部４１Ａを挟んで互いに対向し、開口部４１Ａの±Ｙ側に位置する隔壁４１Ｂが開口部４１Ａを挟んで互いに対向する。ここで、本実施形態では、開口部４１Ａの開口幅寸法は、Ｙ方向の幅寸法に比べ、Ｘ方向の幅寸法が小さい長方形状となる。

（支持膜４２の構成）
支持膜４２は、例えばＳｉＯ_２及びＺｒＯ_２の積層体等より構成され、素子基板４１の封止板４４側全体を覆って設けられている。すなわち、支持膜４２は、開口部４１Ａを構成する隔壁４１Ｂにより支持され、開口部４１Ａの封止板４４側を閉塞する。この支持膜４２の厚み寸法は、素子基板４１に対して十分小さい厚み寸法となる。
ここで、支持膜４２のうち、開口部４１Ａを閉塞する部分は振動部４２１を構成し、この振動部４２１と、圧電素子４３とにより、１つの超音波トランスデューサー５０が構成される。

圧電素子４３は、各振動部４２１上にそれぞれ設けられている。この圧電素子４３は、例えば、支持膜４２側から下部電極４３１、圧電膜４３２、及び上部電極４３３を積層した積層体により構成されている。
このような超音波トランスデューサー５０では、下部電極４３１及び上部電極４３３の間に所定周波数の矩形波電圧（駆動信号）が印加されることで、圧電膜４３２が撓んで振動部４２１が振動して超音波が送出される。また、被検体から反射された超音波（反射波）により振動部４２１が振動されると、圧電膜４３２の上下で電位差が発生する。これにより、下部電極４３１及び上部電極４３３の間に発生する電位差を検出することで、受信した超音波を検出することが可能となる。

また、本実施形態では、図３に示すように、下部電極４３１は、Ｙ方向に沿って直線状に形成されており、１ＣＨの送受信列Ｃｈを構成する複数の超音波トランスデューサー５０を接続する。この下部電極４３１の両端部には、駆動端子４３１Ａが設けられる。この駆動端子４３１Ａは、それぞれ回路基板に電気接続されている。

また、上部電極４３３は、Ｘ方向に沿って直線状に形成されており、Ｘ方向に並ぶ超音波トランスデューサー５０を接続する。そして、上部電極４３３の±Ｙ側端部は共通電極線４３３Ａに接続される。この共通電極線４３３Ａは、Ｘ方向に複数配置された各上部電極４３３同士を結線し、その端部には、回路基板に電気接続される共通端子４３３Ｂが設けられている。

（封止板４４の構成）
封止板４４は、厚み方向から見た際の平面形状が例えば素子基板４１と同形状に形成され、Ｓｉ等の半導体基板や、絶縁体基板により構成される。なお、封止板４４の材質や厚みは、超音波トランスデューサー５０の周波数特性に影響を及ぼすため、超音波トランスデューサー５０にて送受信する超音波の中心周波数に基づいて設定することが好ましい。

この封止板４４は、例えば支持膜４２のうち、隔壁４１Ｂに支持される部分に、例えばレジスト等の樹脂部材により構成された梁部４４１により接合される。これにより、封止板４４のうち振動部４２１に対向する領域では、振動部４２１との間に所定寸法のギャップが設けられ、振動部４２１の振動が阻害されない。また、支持膜４２の隔壁４１Ｂに支持される領域に梁部４４１が設けられることで、各超音波トランスデューサー５０からの背面波が、他の隣接する超音波トランスデューサー５０に入射される不都合（クロストーク）を抑制できる。

また、封止板４４は、素子基板４１の各端子（駆動端子４３１Ａ，共通端子４３３Ｂ）に対向する位置に、駆動端子４３１Ａ及び共通端子４３３Ｂを回路基板２３に接続する接続部が設けられる。接続部としては、例えば、封止板４４に設けられた開口と、当該開口を介して各端子（駆動端子４３１Ａ，共通端子４３３Ｂ）と回路基板２３とを接続する配線部材（ＦＰＣ（Flexible printed circuits）やケーブル線、ワイヤー等）と、を含む構成が例示される。

（音響部材４５の構成）
音響部材４５は、素子基板４１の＋Ｚ側に設けられ、音響層４５１と、音響レンズ４５２と、を含み構成される。
音響部材４５は、例えば粘弾性体、エラストマー等により構成されることが望ましく、より好ましくはシリコーンゴム、ブタジエンゴムにより構成される。音響部材４５の音響インピーダンスは、被検体の音響インピーダンスに近い音響インピーダンス（例えば被検体が人体の場合は、１．５ＭＲａｙｌｓ）が望ましい。これにより、音響部材４５は、超音波トランスデューサー５０から送信された超音波を被検体に効率良く伝播させ、また、被検体内で反射した超音波を効率良く超音波トランスデューサー５０に伝播させる。

音響層４５１は、素子基板４１の＋Ｚ側で、各開口部４１Ａ内に充填される。すなわち、音響層４５１が開口部４１Ａ内に充填されることで、素子基板４１と音響層４５１との間の気泡等が抑制される。
音響レンズ４５２は、図１に示すように、筐体２１のセンサー窓２１Ｂから外部に露出される。超音波プローブ２を用いた超音波測定では、筐体２１から露出された音響レンズ４５２を例えばジェル等の音響材を介して被検体の表面に密着させる。この音響レンズ４５２は、ＺＸ面における断面が円弧状となるシリンドリカル形状であり、超音波デバイス２２から送信された超音波を所定深さ位置に収束させる。

（開口部４１Ａの開口幅寸法と隔壁４１Ｂの高さ寸法）
次に、素子基板４１における開口部４１Ａの開口幅寸法と、隔壁４１Ｂの高さ寸法（素子基板４１の厚み寸法）との関係について説明する。
図５は、開口部４１Ａの開口幅寸法Ｗと隔壁４１Ｂの高さ寸法（素子基板４１の厚み寸法）Ｈとの比（Ｗ／Ｈ）に対する超音波トランスデューサー５０で超音波を受信した際に出力される受信電圧を示した図である。図５において、縦軸の受信電圧は、受信電圧が最大値を採る場合を１として値を規格化している。
なお、図５は、超音波トランスデューサー５０から超音波を送信し、当該超音波が被検体にて反射された反射波を受信した際の受信電圧を示している。したがって、図５に示す特性は、一定音圧の超音波を受信した場合の受信電圧の大きさを示すものではなく、超音波送信時の送信感度と、反射波受信時の受信感度との双方の特性を示したもの、つまり、超音波トランスデューサー５０の送受信感度を示すものとなる。

開口部４１Ａの開口幅寸法は、超音波トランスデューサー５０にて送受信する超音波の周波数や送受信感度を決定する重要なパラメーターであり、特に、開口部４１Ａの短軸方向の幅寸法Ｗが超音波トランスデューサーの周波数に与える影響が大きい。すなわち、本実施形態では、短軸方向である開口部４１ＡのＸ方向の幅寸法（開口部４１Ａの±Ｘ側に配置される隔壁４１Ｂ間のギャップ寸法）Ｗが、超音波トランスデューサー５０にて送受信する超音波の周波数及び送受信感度に影響を及ぼす。

また、超音波プローブ２を用いた超音波測定では、各超音波トランスデューサー５０から超音波を送信した後、被検体からの反射波を受信する。被検体からの反射波は、被検体内において減衰する。ここで、規格化された受信電圧が０．８以下となる場合、十分な受信感度が得られず、超音波測定における測定精度が低下する。

本実施形態では、開口部４１Ａの開口幅寸法Ｗと、素子基板４１の厚み寸法Ｈとの比（Ｗ／Ｈ）が、０．６６〜０．９２となる。
ここで、比（Ｗ／Ｈ）が０．６６未満となる場合、反射波を受信した際の受信電圧（規格化）が０．８未満となるため、超音波トランスデューサー５０における送受信感度が低下する。一方、比（Ｗ／Ｈ）が０．９２を超える場合、図５に示すように、受信電圧（規格化）の値が急激に変動する。このため、安定した送受信感度を維持することが困難となる。
これに対して、上記のように、比（Ｗ／Ｈ）が０．６６〜０．９２となる場合では、受信電圧（規格化）が０．８〜１．０の間の値となり、送受信感度を高めることができ、かつ急峻な電圧の変化もなく、安定した送受信感度を維持できる。

また、開口部４１Ａの開口幅寸法Ｗと、隔壁４１Ｂの厚み寸法Ｈとの比（Ｗ／Ｈ）が０．７５〜０．９０となる構成とすることがより好ましい。
比（Ｗ／Ｈ）が０．９０を超えた場合でも、０．９２までの間では高い送受信感度を実現できるが、例えば製造上の誤差等により比（Ｗ／Ｈ）が０．９２を超える場合がある。この場合、図５に示すように、急激に受信電圧が変動し、場合によっては、受信電圧が０．８を下回るおそれもある。
これに対して、比（Ｗ／Ｈ）が、０．７５〜０．９０となる場合、安定して規格化受信電圧を０．９以上に維持でき、高い送受信感度と装置の信頼性を維持できる。

従って、本実施形態において、超音波デバイス２２の素子基板４１を製造する場合、先ず、被検体の種類や当該被検体に対する測定深度に応じた超音波の周波数を設定する。次に、設定した周波数に対応した開口部４１Ａの開口幅寸法Ｗを設定する。
この後、開口幅寸法Ｗと素子基板４１の厚み寸法Ｈとの比（Ｗ／Ｈ）が０．６６〜０．９２（好ましくは、０．７５〜０．９０）となるように、素子基板４１の厚み寸法を設定する。この際、比（Ｗ／Ｈ）が０．９０となるように、素子基板４１の厚み寸法を設定することが好ましい。ここで、比（Ｗ／Ｈ）を０．９０とする構成が、例えば超音波プローブ２における超音波デバイス２２の配置スペースや、他の構成部品との配置関係により困難な場合、比（Ｗ／Ｈ）が０．７５〜０．９０の範囲内となるように、素子基板４１の厚み寸法を設定する。また、当該比による設定が困難である場合に、更に比（Ｗ／Ｈ）が０．６６〜０．９２の範囲内となるように、素子基板４１の厚み寸法を設定する。これにより、目標とする測定深度や超音波デバイス２２のサイズ等に対応して、超音波の送受信感度を最も高くした超音波デバイス２２を製造することができる。

［本実施形態の作用効果］
本実施形態の超音波測定装置１では、超音波プローブ２と制御装置１０とを有し、超音波プローブ２は、筐体２１と筐体２１に収納される超音波デバイス２２とを備える。
この超音波デバイス２２は、開口部４１Ａ及び隔壁４１Ｂを有する素子基板４１と、開口部４１Ａの一端側を閉塞する支持膜４２と、支持膜４２の振動部４２１上に設けられる圧電素子４３と、を備えている。そして、開口部４１Ａは、短軸方向の開口幅寸法Ｗと、素子基板４１の厚み寸法Ｈとの比（Ｗ／Ｈ）が、０．６６〜０．９２となる。
このような構成では、図５に示すように、超音波トランスデューサー５０において反射波を受信した際の受信電圧（規格化）が安定して０．８以上となる。このため、超音波トランスデューサーにおける送受信感度を高く維持することができる。
このため、超音波プローブ２を用いた生体への超音波測定においても、好適に生体に対して超音波の送受信処理を実施でき、高精度な超音波測定を実現できる。
また、当該超音波デバイス２２により高精度な超音波測定を実施できるため、制御装置１０における各種処理も高精度に実施できる。例えば、超音波測定の結果に基づいて、生体に対する内部断層像を高精度に形成したり、血流や血圧を高精度に測定したりできる。

［第二実施形態］
次に、第二実施形態について説明する。
上記第一実施形態では、１つの開口部４１Ａを閉塞する１つの振動部４２１と、当該振動部４２１上に設けられた圧電素子４３とにより、１つの超音波トランスデューサー５０が構成される例を示した。これに対して、第二実施形態では、１つの開口部内に複数の振動部が設けられ、これらの各振動部にそれぞれ圧電素子を配置する点で上記第一実施形態と相違する。
なお、以降の説明にあたり、既に説明した構成については、同符号を付し、その説明を省略又は簡略化する。

図６は、第二実施形態の超音波デバイス２２の平面図である。
図７は、第二実施形態の超音波デバイス２２の概略構成を示す断面斜視図である。
図６及び図７に示すように、本実施形態では、素子基板４１には、Ｙ方向に長手となる開口部４１Ｃが、Ｘ方向に複数設けられている。
各開口部４１Ｃは、素子基板４１の基板厚み方向を貫通した貫通孔であり、当該貫通孔の封止板４４側に支持膜４２が設けられ、支持膜４２により開口部４１Ｃの一端側が閉塞される。第一実施形態と同様に、開口部４１Ｃは、隔壁４１Ｂにより±Ｘ側及び±Ｙ側の四方を囲われて形成されている。よって、±Ｘ側の隔壁４１Ｂは、Ｘ方向で互いに対向し、±Ｙ側の隔壁４１ＢはＹ方向で互いに対向する。

また、素子基板４１は、第一実施形態と同様、封止板４４により補強される。この封止板４４は、少なくともアレイ領域Ａｒ内で、Ｘ方向に長手となり、Ｙ方向に等間隔で複数配置された梁部４４２により、支持膜４２に接合されている。
つまり、支持膜４２は、素子基板４１側の面である第一面において、隔壁４１Ｂに接合され、封止板４４側の第二面（第一面の裏面）において、梁部４４２に接合される。

このような構成では、素子基板４１の開口部４１Ｃを閉塞する支持膜４２は、図６及び図７に示すように、開口部４１Ｃを構成する隔壁４１Ｂの縁と、梁部４４２の縁とにより、複数の領域（振動部４２２）に区分される。
具体的には、開口部４１Ｃの±Ｙ側端部においては、支持膜４２のうち、Ｘ方向に延びる１つの隔壁４１Ｂの縁と、Ｙ方向に延びる一対の隔壁４１Ｂの互いに向かい合う２つの縁と、Ｘ方向に延びる１つの梁部４４２の縁とにより囲われる領域が振動部４２２となる。また、開口部４１Ｃの端部以外においては、支持膜４２のうち、Ｙ方向に延びる一対の隔壁４１Ｂの互いに向かい合う２つの縁と、Ｘ方向に延びる一対の梁部４４２の互いに向かい合う２つの縁とにより囲われる領域が振動部４２２となる。
本実施形態では、これらの各振動部４２２のそれぞれに圧電素子４３が設けられている。すなわち、本実施形態では、各振動部４２２と、圧電素子４３により超音波トランスデューサー５０が構成されている。

図８は、本実施形態の振動部４２２の幅寸法Ｓと素子基板４１の厚み寸法Ｈとの比（Ｓ／Ｈ）に対する超音波トランスデューサー５０で超音波を受信した際に出力される受信電圧を示した図である。なお、図８では、図５と同様、縦軸の受信電圧は、受信電圧が最大値を採る場合を１として値を規格化している。また、超音波トランスデューサー５０から超音波を送信し、当該超音波が被検体にて反射された反射波を受信した際の受信電圧を示している。
ここで、本実施形態における振動部４２２の幅寸法Ｓは、隣り合う隔壁４１Ｂ間の距離と、隣り合う梁部４４２間の距離とのうち、小さい方の寸法である。本実施形態では、隣り合う隔壁４１Ｂ間の距離が、隣り合う梁部４４２間の距離よりも小さい。したがって、振動部４２２の幅寸法Ｓとは、隣り合う隔壁４１Ｂ間の距離となる。

上記第一実施形態と同様、本実施形態においても、超音波プローブ２を用いた超音波測定において、受信電圧（規格化）が０．８を超えるように、振動部４２２の幅寸法Ｓと、素子基板４１の厚み寸法（隔壁４１Ｂの高さ寸法）Ｈとが設定されている。
つまり、振動部４２２の幅寸法Ｓ（本実施形態では、隣り合う隔壁４１Ｂ間の距離）と、素子基板４１の厚み寸法Ｈとの比（Ｓ／Ｈ）が、０．７３〜１．１６となる。
ここで、比（Ｓ／Ｈ）が０．７３未満となる場合、及び１．１６を超える場合では、反射波を受信した際の受信電圧（規格化）が０．８未満となるため、超音波トランスデューサー５０における送受信感度が低下する。
これに対して、上記のように、比（Ｓ／Ｈ）が０．７３〜１．１６となる場合では、規格化受信電圧が０．８〜１．０の間の値となり、送受信感度を高めることができ、安定した送受信感度を実現できる。

また、振動部４２２の幅寸法Ｓと、素子基板４１の厚み寸法Ｈとの比（Ｓ／Ｈ）のより好ましい範囲は、０．７６〜０．９０である。
上記のような比（Ｓ／Ｈ）の場合、安定して受信電圧（規格化）を０．９以上にでき、高い送受信感度を維持できる。なお、比（Ｓ／Ｈ）が１．００〜１．１０となる場合も、受信電圧（規格化）を０．９以上にできるが、製造上の誤差等によって、受信電圧が０．９未満に低下する場合がある。

従って、本実施形態において、超音波デバイス２２の素子基板４１を製造する場合、先ず、被検体の種類や当該被検体に対する測定深度に応じた超音波の周波数を設定する。次に、当該周波数に対応した開口部４１Ａの開口幅寸法Ｓ（隣り合う隔壁４１Ｂ間の間隔）を設定する。
この後、開口幅寸法Ｓと素子基板４１の厚み寸法Ｈとの比（Ｓ／Ｈ）が０．７３〜１．１６（好ましくは、０．７６〜０．９１、又は、１．００〜１．１０）となるように、素子基板４１の厚み寸法を設定する。この際、受信感度（規格化）が１となるように、比（Ｓ／Ｈ）が０．８６となる素子基板４１の厚み寸法を設定することが好ましい。ここで、比（Ｓ／Ｈ）を０．８６とする構成が、例えば超音波プローブ２における超音波デバイス２２の配置スペースや、他の構成部品との配置関係により困難な場合、比（Ｓ／Ｈ）が０．７６〜０．９１の範囲内となるように、素子基板４１の厚み寸法を設定する。また、当該比による設定が困難である場合に、比（Ｓ／Ｈ）が１．００〜１．１０となるように素子基板４１の厚み寸法を設定する。更に、当該比による設定が困難である場合に、比（Ｓ／Ｈ）が０．７３〜１．１６となるように、素子基板４１の厚み寸法を設定する。これにより、目標とする測定深度や超音波デバイス２２のサイズ等に対応して、超音波の送受信感度を最も高くした超音波デバイス２２を製造することができる。

［本実施形態の作用効果］
本実施形態では、超音波デバイス２２は、開口部４１Ｃ及び隔壁４１Ｂを有する素子基板４１と、開口部４１Ｃの一端側を閉塞する支持膜４２とを有する。支持膜４２は、素子基板４１側の第一面が隔壁４１Ｂに接合されるとともに、第一面の裏面である封止板４４側の面が梁部４４２に接合されている。開口部４１Ｃは、Ｙ方向に長手となり、平面視で開口部４１Ｃと重なる位置において、Ｘ方向に長手となる梁部４４２は、Ｙ方向に複数設けられている。これにより、支持膜４２には、隔壁４１Ｂの縁及び梁部４４２の縁により囲われる複数の振動部４２２が区分され、各振動部４２２上の圧電素子４３が配置される。
そして、本実施形態では、この振動部４２２の短軸方向の幅寸法Ｓと、素子基板４１の厚み寸法Ｈとの比（Ｓ／Ｈ）が、０．７３〜１．１６となる。
このような構成では、図８に示すように、超音波トランスデューサー５０において反射波を受信した際の受信電圧（規格化）が安定して０．８以上となる。このため、超音波トランスデューサーにおける送受信感度を高く維持することができる。

［変形例］
なお、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良、及び各実施形態を適宜組み合わせる等によって得られる構成は本発明に含まれるものである。

例えば、第二実施形態において、各開口部４１ＣがＹ方向に長手となる構成を例示したが、これに限定されない。例えば、開口部４１Ｃは、Ｘ方向（スキャン方向）に対して長手に形成されていてもよい。この場合、各梁部４４２は、Ｙ方向に長手に形成され、Ｘ方向に対して複数配置される構成となる。

また、上記第二実施形態では、隣り合う隔壁４１Ｂ間の距離が、隣り合う梁部４４２間の距離よりも小さい例を示したが、これに限定されない。例えば、隣り合う梁部４４２間の距離が隣り合う隔壁４１Ｂ間の距離よりも小さい構成としてもよい。この場合、振動部４２２の幅寸法Ｓは、隣り合う梁部４４２間の距離となる。

第二実施形態において、アレイ領域Ａｒ内において、梁部４４２が±Ｘ側端部間に亘って設けられる構成を例示したが、これに限定されない。
すなわち、Ｘ方向に複数設けられる開口部４１Ｃのうち、所定数の開口部４１Ｃを跨いでＸ方向に長手に設けられる構成とすればよい。
例えば、１つの開口部４１Ｃの−Ｘ側に配置される隔壁４１Ｂから、当該開口部４１Ｃの＋Ｘ側に配置される隔壁４１Ｂまでに亘って梁部４４２が設けられる構成としてもよい。この場合、Ｘ方向に対して複数の梁部４４２が設けられる構成となる。

また、図６に示す第二実施形態では、アレイ領域Ａｒ内にのみ梁部４４２が設けられる構成を例示したが、これに限定されず、例えばアレイ領域Ａｒ外に支持膜４２と封止板４４とを接合する接合部材が設けられてもよい。
当該接合部材としては、梁部４４２と同様、例えばレジスト等の樹脂部材により構成でき、梁部４４２と同一行程で形成することができる。接合部材は、アレイ領域Ａｒ外において、梁部４４２に接続されていてもよく、梁部４４２とは独立して設けられてもよい。また、接合部材は、支持膜４２と封止板４４との接合強度を向上させるために、アレイ領域Ａｒの周囲に亘って設けられることが好ましい。

上記各実施形態では、電子機器として、被検体内の器官を測定対象とする超音波装置を例示したが、これに限定されない。例えば、各種構造物を被検体として、当該構造物の欠陥の検出や老朽化の検査を行う測定機に、上記実施形態及び各変形例の構成を適用できる。また、例えば、半導体パッケージやウェハ等を測定対象として、当該測定対象の欠陥を検出する測定機についても同様である。
また、被検体に対する超音波測定を行う超音波測定装置を例示したが、これに限定されない。例えば、被検体に対して超音波を送信することで、超音波治療を行う超音波装置としても適用することができる。

その他、本発明の実施の際の具体的な構造は、本発明の目的を達成できる範囲で上記各実施形態及び変形例を適宜組み合わせることで構成してもよく、また他の構造などに適宜変更してもよい。

１…超音波測定装置（超音波装置）、２…超音波プローブ、１０…制御装置（制御部）、２１…筐体、２２…超音波デバイス、４１…素子基板、４１Ａ，４１Ｃ…開口部、４１Ｂ…隔壁、４２…支持膜、４３…圧電素子、４４…封止板、４５…音響部材、５０…超音波トランスデューサー、４２１，４２２…振動部、４３１…下部電極、４３２…圧電膜、４３３…上部電極、４４１，４４２…梁部、４５１…音響層、４５２…音響レンズ、Ｈ…厚み寸法、Ｓ…幅寸法、Ｗ…幅寸法。

Claims (4)

1. 開口部及び前記開口部を囲う隔壁を有する基板と、
   前記開口部の一端側を閉塞する振動部と、
   前記振動部に設けられる圧電素子と、を備え、
   前記開口部の開口幅寸法をＷ、前記基板の厚み寸法をＨとした際に、Ｗ／Ｈが０．６６
   〜０．９２であり、
   Ｗ／Ｈ＝０．９２における受信電圧を１として規格化した場合、被検体からの反射波を
   受信した際の受信電圧の値が０．８〜１．０であることを特徴とする超音波デバイス。
2. 開口部及び前記開口部を囲う隔壁を有する基板と、
   前記開口部の一端側を閉塞し、前記開口部に臨む第一面及び前記第一面の裏面である第
   二面を有する支持膜と、
   前記支持膜の前記第二面側に配置された封止板と前記支持膜の前記第二面とを接合する
   梁部と、
   前記支持膜に設けられる圧電素子と、を備え、
   前記基板の厚み方向からの平面視において、前記支持膜は、前記隔壁の縁と前記梁部の
   縁とにより囲われる振動部を有し、
   前記圧電素子は、前記振動部に設けられ、
   前記振動部の幅寸法をＳ、前記基板の厚み寸法をＨとした際に、Ｓ／Ｈが０．７３〜１
   ．１６であることを特徴とする超音波デバイス。
3. 請求項１又は請求項２に記載の超音波デバイスと、
   前記超音波デバイスを収納する筐体と、
   を備えたことを特徴とする超音波プローブ。
4. 請求項１又は請求項２に記載の超音波デバイスと、
   前記超音波デバイスを制御する制御部と、
   を備えたことを特徴とする超音波装置。

Images