(57)【特許請求の範囲】
【請求項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膜と、
前記振動膜を振動駆動させる駆動処理及び前記振動膜の振動を検出する検出処理の少なくともいずれかを実施する素子であって、前記振動膜の厚み方向に沿った平面視において前記振動膜と前記開口部とが重なる位置に複数配置された振動素子と、
前記振動膜に対向して配置されて、前記振動膜を支持し、前記振動膜に対向する面が平坦面である支持基板と、
前記平面視において、隣り合う前記振動素子間に設けられ、前記振動膜及び前記支持基板の双方に接合されて、前記振動膜の振動の伝達を抑制する樹脂材料により構成された抑制部と、を備え、
前記振動膜には、前記振動素子に接続される接続配線が設けられ、
前記抑制部は、導電性フィラーを含み、前記接続配線と接続されている
ことを特徴とする超音波トランスデューサー。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波トランスデューサーにおいて、
前記支持基板は、前記振動膜に対向する面に前記抑制部に接続される配線部を備えている
ことを特徴とする超音波トランスデューサー。
【請求項３】
請求項２に記載の超音波トランスデューサーにおいて、
前記支持基板は、当該支持基板を厚み方向に貫通し、前記配線部と、前記振動素子を制御するための回路が設けられた回路基板とを接続する貫通電極を備えている
ことを特徴とする超音波トランスデューサー。
【請求項４】
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膜と、
前記振動膜を振動駆動させる駆動処理及び前記振動膜の振動を検出する検出処理の少なくともいずれかを実施する素子であって、前記振動膜の厚み方向に沿った平面視において前記振動膜と前記開口部とが重なる位置に複数配置された振動素子と、
前記振動膜に対向して配置されて、前記振動膜を支持し、前記振動膜に対向する面が平坦面である支持基板と、
前記平面視において、隣り合う前記振動素子間に設けられ、前記振動膜及び前記支持基板の双方に接合されて、前記振動膜の振動の伝達を抑制する樹脂材料により構成された抑制部と、を備えた超音波トランスデューサーと、
前記超音波トランスデューサーが収納される筐体と、を備え、
前記振動膜には、前記振動素子に接続される接続配線が設けられ、
前記抑制部は、導電性フィラーを含み、前記接続配線と接続されている
ことを特徴とする超音波プローブ。
【請求項５】
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膜と、
前記振動膜を振動駆動させる駆動処理及び前記振動膜の振動を検出する検出処理の少なくともいずれかを実施する素子であって、前記振動膜の厚み方向に沿った平面視において前記振動膜と前記開口部とが重なる位置に複数配置された振動素子と、
前記振動膜に対向して配置されて、前記振動膜を支持し、前記振動膜に対向する面が平坦面である支持基板と、
前記平面視において、隣り合う前記振動素子間に設けられ、前記振動膜及び前記支持基板の双方に接合されて、前記振動膜の振動の伝達を抑制する樹脂材料により構成された抑制部と、を備えた超音波トランスデューサーと、
前記超音波トランスデューサー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。
【請求項６】
請求項５に記載の超音波装置において、
前記振動膜には、前記振動素子に接続される接続配線が設けられ、
前記抑制部は、導電性フィラーを含み、前記接続配線と接続されている
ことを特徴とする超音波装置。
【請求項７】
振動膜が設けられた基板の前記振動膜上に、前記振動膜を振動駆動させる駆動処理及び前記振動膜の振動を検出する検出処理の少なくともいずれかを実施する複数の振動素子を形成する素子形成工程と、
前記振動膜の前記基板とは反対側の面で、かつ、前記振動膜の厚み方向に沿った平面視において隣り合う前記振動素子の間に、前記振動膜の振動の伝達を抑制する樹脂材料により構成された抑制部を形成する抑制部形成工程と、
前記振動膜の前記基板とは反対側の面に、前記振動膜に対向する面が平坦面である支持基板を対向させ、前記抑制部の前記振動膜と接合した一端部とは反対側の他端部を、前記支持基板に加熱接合する接合工程と、
前記基板に開口部を形成する工程であって、前記平面視において、前記振動膜と前記開口部とが重なる位置に複数の前記振動素子が配置されるように、前記開口部を形成する開口部形成工程と、
を実施することを特徴とする超音波トランスデューサーの製造方法。
【請求項８】
所定の厚み寸法を有し、厚み方向に振動可能な振動膜と、
前記振動膜を振動させる振動素子と、
前記振動膜に対向して配置されて、前記振動膜を支持し、前記振動膜に対向する面が平坦面である支持基板と、
前記振動膜における振動領域に沿って設けられ、前記振動膜の前記振動領域の振動の前記振動領域外への伝達を抑制する抑制部と、を備え、
前記振動膜には、前記振動素子に接続される接続配線が設けられ、
前記抑制部は、導電性フィラーを含む樹脂材料により構成されて前記接続配線と接続され、かつ前記振動膜及び前記支持基板に接合されている
ことを特徴とする振動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波トランスデューサー、超音波プローブ、超音波装置、超音波トランスデューサーの製造方法、及び振動装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、開口部を有する基部と、開口部を閉塞する振動膜上に設けられた圧電素子と、を備えた超音波トランスデューサーが知られている。このような超音波トランスデューサーでは、圧電素子を駆動させることで振動膜を振動させて超音波を送信したり、超音波が振動膜に入力された際の振動膜の振動を圧電素子で検出（受信）したりすることが可能となる（例えば、特許文献１参照）。
このような超音波トランスデューサーにおける超音波の送信や受信の効率は、振動膜の開口部を閉塞する領域（振動領域）の膜厚方向のひずみに依存する。超音波の送信や受信の効率を向上させるためには、振動領域のひずみを大きくする必要があり、この場合、超音波トランスデューサーを膜厚方向から見た場合の振動領域の２次元形状を低アスペクト比にすればよい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１６４３３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に記載のような超音波トランスデューサーでは、振動領域の面積により、送信又は受信する超音波の周波数が決定される。特に、高い周波数の超音波の送信及び受信では、振動領域の面積をより小さくする必要がある。一方、上記のように、効率のよい超音波の送信及び受信を行うには、振動領域を低アスペクト比にする必要がある。上記特許文献１に記載の構成において、振動領域の面積を小さく、かつ低アスペクト比にする場合、基部に設ける開口部を非常に小さく形成する必要があるため、製造が困難であり、量産性が低くなるとの課題がある。
【０００５】
本発明は、超音波の送信や受信の効率が高く、かつ量産性も優れた超音波トランスデューサー、超音波プローブ、超音波装置、超音波トランスデューサーの製造方法、及び振動装置を提供することを目的として、以下の形態又は適用例を記載する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本適用例に係る超音波トランスデューサーは、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膜と、前記振動膜を振動駆動させる駆動処理及び前記振動膜の振動を検出する検出処理の少なくともいずれかを実施する素子であって、前記振動膜の厚み方向に沿った平面視において前記振動膜と前記開口部とが重なる位置に複数配置された振動素子と、前記振動膜に対向して配置されて、前記振動膜を支持し、前記振動膜に対向する面が平坦面である支持基板と、前記平面視において、隣り合う前記振動素子間に設けられ、前記振動膜及び前記支持基板の双方に接合されて、前記振動膜の振動の伝達を抑制する樹脂材料により構成された抑制部と、を備えていることを特徴とする。
【０００７】
本適用例によれば、開口部を有する基板に、開口部を閉塞するように振動膜が設けられており、開口部と振動膜とが重なる領域に複数の振動素子が設けられている。そして、振動膜の複数の振動素子の間には、振動膜の振動の伝達を抑制する、樹脂材料により構成された抑制部が設けられている。
このような構成では、振動膜における振動素子が設けられた位置（振動領域）が振動された場合に、その振動の振動領域外への伝達が抑制部により抑制され、すなわち、開口部が大きい場合でも、抑制部により振動領域のアスペクト比を低アスペクト比にでき、振動領域内の振動膜の膜厚方向のひずみが大きくなり、振動素子による駆動処理時（超音波送信時）には、高出力（大音圧）の超音波を出力でき、振動素子による検出処理時（超音波受信時）には、受信感度を向上させることができる。
また、１つの開口部に対して複数の振動素子が設けられる構成であるため、例えば１つの開口部に対して１つの振動素子を設ける構成に比べ、開口部のサイズを大きくできる。したがって、開口部の形成が容易であり、優れた量産性の超音波トランスデューサーを得ることができる。
【０００８】
さらに、抑制部が樹脂材料により構成されているため、例えば加熱接合等により、振動膜と支持基板とを抑制部により容易に接合することができ、製造効率性の更なる向上を図れる。さらには、このような樹脂材料により構成された抑制部は、例えばフォトリソグラフィ等によって容易、かつ高精度に振動膜上に形成することができる。つまり、振動膜における各振動素子に対応した振動領域に対応した位置に抑制部を高精度に形成できる。よって、例えば、振動領域に対して抑制部の位置がずれる等によって、振動領域の振動が抑制部により阻害される不都合を抑制でき、送信や受信の効率をより向上させることができる。
【０００９】
本適用例の超音波トランスデューサーにおいて、前記振動膜には、前記振動素子に接続される接続配線が設けられ、前記抑制部は、導電性フィラーを含み、前記接続配線と接続されていることが好ましい。
本適用例では、振動膜に振動素子に接続された接続配線が設けられ、導電性フィラーを含む抑制部により接続されている。このような構成では、振動素子に近い位置で、抑制部から振動素子に対する信号の入出力を行うことができる。つまり、従来、振動素子の接続配線は、振動膜の外周部に引き出され、例えばＦＰＣ（Flexible printed circuits）やワイヤボンディング等によって外部回路の端子に接続されていた。この場合、接続配線が長くなり、電気抵抗も増大するため、振動素子に対して入出力される信号の減衰（電圧降下）が発生してしまう。これに対して、本適用例では、上記のように、振動素子に近い位置に配置された抑制部から信号の入出力を行えるので、電圧降下を抑制でき、超音波トランスデューサーの駆動効率を向上させることができる。つまり、超音波トランスデューサーから超音波を送信する際には、所望の出力値の超音波を好適に出力でき、超音波トランスデューサーにおいて超音波を受信する場合では、強い信号値の受信信号を取得でき、受信感度を向上させることができる。
【００１０】
本適用例の超音波トランスデューサーにおいて、前記支持基板は、前記振動膜に対向する面に前記抑制部に接続される配線部を備えていることが好ましい。
本適用例では、支持基板の振動膜に対向する面に設けられた配線部に抑制部が接続される。よって、上述のように、振動素子に接続された接続配線と、配線部とを、抑制部で接合することで、これらを電気的に接続することができる。
【００１１】
本適用例の超音波トランスデューサーにおいて、前記支持基板は、当該支持基板を厚み方向に貫通し、前記配線部と、前記振動素子を制御するための回路が設けられた回路基板とを接続する貫通電極を備えていることが好ましい。
本適用例では、さらに、支持基板に貫通電極が設けられており、当該貫通電極は、配線部に接続されている。したがって、支持基板の振動膜とは反対側の面に露出した貫通電極を回路基板に接続することで、ＦＰＣ等を用いることなく、容易に振動素子を回路基板に電気的に接続することができる。
【００１２】
本適用例の超音波プローブは、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膜と、前記振動膜を振動駆動させる駆動処理及び前記振動膜の振動を検出する検出処理の少なくともいずれかを実施する素子であって、前記振動膜の厚み方向に沿った平面視において前記振動膜と前記開口部とが重なる位置に複数配置された振動素子と、前記振動膜に対向して配置されて、前記振動膜を支持し、前記振動膜に対向する面が平坦面である支持基板と、前記平面視において、隣り合う前記振動素子間に設けられ、前記振動膜及び前記支持基板の双方に接合されて、前記振動膜の振動の伝達を抑制する樹脂材料により構成された抑制部と、を備えた超音波トランスデューサーと、前記超音波トランスデューサーが収納される筐体と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
本適用例の超音波プローブでは、上述したような超音波トランスデューサーを収納する筐体を有する。上述のように、超音波トランスデューサーは、超音波の送信や受信の効率が高く、かつ量産性が優れているため、音波の送信や受信の効率が高く、量産性に優れた超音波プローブを提供できる。
【００１４】
本適用例の超音波装置は、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膜と、前記振動膜を振動駆動させる駆動処理及び前記振動膜の振動を検出する検出処理の少なくともいずれかを実施する素子であって、前記振動膜の厚み方向に沿った平面視において前記振動膜と前記開口部とが重なる位置に複数配置された振動素子と、前記振動膜に対向して配置されて、前記振動膜を支持し、前記振動膜に対向する面が平坦面である支持基板と、前記平面視において、隣り合う前記振動素子間に設けられ、前記振動膜及び前記支持基板の双方に接合されて、前記振動膜の振動の伝達を抑制する樹脂材料により構成された抑制部と、を備えた超音波トランスデューサーと、前記超音波トランスデューサーを制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。
【００１５】
本適用例の超音波装置では、上述したような超音波トランスデューサーと、超音波トランスデューサーを制御する制御部とを有する。上述のように、超音波トランスデューサーは、量産性が優れているため、超音波装置における量産性も向上させることができる。また、制御部により超音波トランスデューサーを制御することで、超音波トランスデューサーから高効率で超音波の送信処理や受信処理を実施することができる。
【００１６】
本適用例の超音波トランスデューサーの製造方法は、振動膜が設けられた基板の前記振動膜上に、前記振動膜を振動駆動させる駆動処理及び前記振動膜の振動を検出する検出処理の少なくともいずれかを実施する複数の振動素子を形成する素子形成工程と、前記振動膜の前記基板とは反対側の面で、かつ、前記振動膜の厚み方向に沿った平面視において隣り合う前記振動素子の間に、前記振動膜の振動の伝達を抑制する樹脂材料により構成された抑制部を形成する抑制部形成工程と、前記振動膜の前記基板とは反対側の面に、前記振動膜に対向する面が平坦面である支持基板を対向させ、前記抑制部の前記振動膜と接合した一端部とは反対側の他端部を、前記支持基板に加熱接合する接合工程と、前記基板に開口部を形成する工程であって、前記平面視において、前記振動膜と前記開口部とが重なる位置に複数の前記振動素子が配置されるように、前記開口部を形成する開口部形成工程と、を実施することを特徴とする。
【００１７】
本適用例では、振動膜が設けられた基板の振動膜上に振動素子を形成した後、振動膜上の振動素子間に樹脂材料により構成された抑制部を形成する。この後、接合工程において、樹脂材料の抑制部を支持基板に加熱接合させる。そして、基板に開口部を形成する。
このような製造方法では、振動膜に樹脂材料からなる抑制部を形成するため、フォトリソグラフィ等によって、振動素子間に高い位置精度で抑制部を形成でき、振動膜の所望の位置に振動領域を形成できる。したがって、各振動領域と振動素子との位置がずれることによる、超音波の送信および受信の効率低下を抑制できる。また、接合工程で加熱接合により抑制部を支持基板に接合するため、接着剤等を用いる必要がなく、製造効率性を向上できる。また、開口部形成工程では、複数の振動素子に跨る開口部を形成すればよいので、開口部のサイズを比較的大きくでき、製造効率性の更なる向上を図れる。
【００１８】
本適用例に係る超音波トランスデューサーは、所定の厚み寸法を有し、厚み方向に振動可能な振動膜と、前記振動膜に対向して配置されて、前記振動膜を支持し、前記振動膜に対向する面が平坦面である支持基板と、前記振動膜における振動領域に沿って設けられ、前記振動膜の前記振動領域の振動の前記振動領域外への伝達を抑制する抑制部と、を備え、前記抑制部は、樹脂材料により構成され、かつ前記振動膜及び前記支持基板に接合されていることを特徴とする。
本適用例では、上述したように、振動膜の振動領域に沿って樹脂材料により構成された抑制部が設けられているので、振動領域以外への振動の伝達を抑制でき、高効率で超音波の送信や受信を行うことができる。また、振動膜に対して樹脂材料の抑制部を、例えばフォトリソグラフィ等によって、容易にかつ高精度に形成することができ、例えば加熱圧着等により抑制部を振動膜や支持基板に容易に接合することができる。よって、超音波トランスデューサーの製造効率性の向上を図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第一実施形態の超音波測定装置の概略構成を示す図。
【図２】第一実施形態の超音波測定装置の概略構成を示すブロック図。
【図３】第一実施形態の超音波センサーにおける基部を、封止板側から見た平面図。
【図４】図３の一部を拡大した拡大平面図。
【図５】（Ａ）は図４のＡ−Ａ線に対応した超音波センサーの断面図、（Ｂ）は図４のＢ−Ｂ線に対応した超音波センサーの断面図、（Ｃ）は図４のＣ−Ｃ線に対応した超音波センサーの断面図。
【図６】（Ａ）は、第一実施形態における振動膜の変位プロファイルを示す図、（Ｂ）は、従来（隔壁のみにより振動領域を形成する個性）の振動膜の変位プロファイルを示す図、（Ｃ）は、抑制部を設けなかった場合の変位プロファイルを示す図。
【図７】第一実施形態の超音波センサーの製造方法を示すフローチャート。
【図８】図７の各工程における超音波センサーの状態を示す図。
【図９】第二実施形態の超音波センサーにおける基部を封止板側から見た平面図。
【図１０】第二実施形態の超音波センサーの概略を示す断面図。
【図１１】一変形例における超音波センサーにおける基部を、封止板側から見た平面図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
［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の概略構成を示す図である。図２は、本実施形態の超音波測定装置１の概略構成を示すブロック図である。
本実施形態の超音波測定装置１（超音波装置）は、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を介して電気的に接続された制御装置１０（制御部）と、を備えている。
この超音波測定装置１は、超音波プローブ２を生体（例えば人体）の表面に当接させ、超音波プローブ２から対象物（例えば生体等）の内部に超音波を送出し、生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、その受信信号に基づいて、例えば生体内の内部断層画像を取得したり、生体内の器官の状態（例えば血流等）を測定したりする。
【００２１】
［超音波プローブの構成］
超音波プローブ２は、筐体２１（図１参照）と、筐体２１内部に設けられた超音波センサー２２と、超音波センサー２２を制御するためのドライバ回路等が設けられる回路基板２３と、を備えている。
【００２２】
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、内部に収納された超音波センサー２２（超音波トランスデューサー）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の通過孔が設けられ、ケーブル３は、通過孔から筐体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例を示すが、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。
【００２３】
［超音波センサーの構成］
図３は、超音波センサー２２における基部４１を、封止板４２側から見た平面図である。図４は、図３の一部を拡大した拡大平面図である。図５は、超音波センサー２２の断面図であり、（Ａ）は図４のＡ−Ａ線に対応した断面図、（Ｂ）は図４のＢ−Ｂ線に対応した断面図、（Ｃ）は図４のＣ−Ｃ線に対応した断面図である。
超音波センサー２２（超音波トランスデューサー）は、図４に示すように、基部４１と、封止板４２（支持基板）と、抑制部４３と、音響整合層４４と、音響レンズ４５と、を備える。
【００２４】
（基部の構成）
基部４１は、図５に示すように、基板４１１と、基板４１１に積層された振動膜４１２と、振動膜４１２に積層された圧電素子４１３（振動素子）と、を備えている。
ここで、図３に示すように、基部４１を厚み方向から見た平面視において、基部４１の中心にアレイ領域Ａｒ１が設けられ、当該アレイ領域Ａｒ１内に、複数の圧電素子４１３がアレイ状に配置される。
【００２５】
また、基部４１は、図５に示すように、開口部４１１Ａが形成された基板４１１と、開口部４１１Ａを塞ぐように基板４１１の背面側に設けられた振動膜４１２と、振動膜４１２の開口部４１１Ａとは反対側に設けられた圧電素子４１３と、を備えている。
【００２６】
（基板の構成）
基板４１１は、例えばシリコン（Ｓｉ）等の半導体基板である。この基板４１１のアレイ領域Ａｒ１内には、上述したように開口部４１１Ａが設けられ、基板４１１は、開口部４１１Ａを取り囲む隔壁４１１Ｂを備える。この開口部４１１Ａは、図３から図５に示すように、振動膜４１２の膜厚方向（Ｚ方向）から見た平面視において、第１方向（Ｘ方向）に沿う長さ寸法に対して第２方向（Ｙ方向）に沿う長さ寸法がかなり大きい高アスペクト比、例えば、アスペクト比１：７０の形状を有する。一方、圧電素子４１３において、下部電極４１４、圧電体層４１５、及び上部電極４１６が積層される能動部４１３Ａは、Ｘ方向に沿う長さ寸法がＹ方向の長さ寸法に近い低アスペクト比、例えば、アスペクト比が１に近い形状を有する。なお、能動部４１３Ａの膜厚方向のひずみを大きくすることを考慮すると、理論的には能動部４１３Ａのアスペクト比は、１であることが最も理想的であるといえるが、１よりも大きな値であってもよい。能動部４１３Ａは、１つの開口部４１１Ａに対して、例えばＹ方向に沿って複数配置されている。
【００２７】
（振動膜の構成）
振動膜４１２は、例えば酸化シリコン膜（ＳｉＯ２）及び酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる積層体である。振動膜４１２は、基板４１１の隔壁４１１Ｂによって支持されている。振動膜４１２は上記のように、基板４１１に設けられた開口部４１１Ａを閉塞する。
振動膜４１２の厚み寸法は、基板４１１に対して十分小さい厚み寸法となる。また、本実施形態では、開口部４１１Ａを閉塞する振動膜４１２のうちの開口部４１１Ａと重なる領域内で、隔壁４１１Ｂ及び後述する抑制部４３により囲われる個々の領域（振動領域Ａｒ２）がＹ方向に沿って複数配置される構成となる。本実施形態では、これらの各振動領域Ａｒ２のそれぞれに１つの能動部４１３Ａが配置される。そして、能動部４１３Ａの駆動により振動領域Ａｒ２が振動することで超音波が送信され、振動領域Ａｒ２が振動することで、能動部４１３Ａの圧電体層４１５に電位差が生じることで検出信号が出力されて受信した超音波を検出することが可能となる。
【００２８】
（圧電素子の構成）
圧電素子４１３は、振動膜４１２上に設けられ、下部電極４１４、圧電体層４１５及び上部電極４１６により構成される。上述したように、下部電極４１４、圧電体層４１５及び上部電極４１６が、膜厚方向（Ｚ方向）において重なっている部分が、圧電素子４１３の能動部４１３Ａとして機能する。
また、振動膜４１２や圧電素子４１３上には、例えばアルミナなどからなる絶縁層４１７（保護層）が形成される。
【００２９】
下部電極４１４は、Ｘ方向において所定の幅でパターニングされ、Ｙ方向に沿って延びて複数の能動部４１３Ａに亘って連続して設けられる。すなわち、下部電極４１４は、能動部４１３Ａの一部を構成する下部電極本体部４１４Ａと、Ｙ方向に隣り合う下部電極本体部４１４Ａ同士を接続する下部接続配線４１４Ｂとにより構成される。
そして、Ｙ方向に並ぶ複数（例えば図３では３つ）の下部電極４１４の端部は、互いに結線され、例えば基板４１１の±Ｙ側の外周端まで引き出され、その一部（例えば先端）に下部電極端子４１４Ｐが設けられる。なお、詳細は後述するが、本実施形態では、互いに結線された下部電極４１４に接続される圧電素子４１３により、１ｃｈ（チャネル）のブロックＢが構成され、当該ブロックＢがＸ方向に複数個並んで配置される構成となる。
【００３０】
また、上部電極４１６は、Ｙ方向において所定の幅でパターニングされ、Ｘ方向に沿って延びて複数の能動部４１３Ａに亘って連続して設けられる。すなわち、上部電極４１６は、能動部４１３Ａの一部を構成する上部電極本体部４１６Ａと、Ｘ方向に隣り合う上部電極本体部４１６Ａ同士を接続する上部接続配線４１６Ｂと、上部接続配線４１６Ｂ同士を接続する共通配線４１６Ｃとにより構成される。
そして、共通配線４１６Ｃは、例えば図３に示すように、隣り合うブロックＢの間にＹ方向に沿って形成され、当該共通配線４１６Ｃが基板４１１の±Ｙ側の外周端まで引き出されている。そして、共通配線４１６Ｃの一部（例えば先端）に上部電極端子４１６Ｐが設けられる。なお、本実施形態では、共通配線４１６ＣがブロックＢ間に配置される例を示すが、例えば、上部電極４１６の端部同士が結線される構成などとしてもよい。
そして、圧電体層４１５は、振動膜４１２の膜厚方向から見た平面視で、下部電極４１４と上部電極４１６との交差位置に対応してマトリックス状に配置される。
【００３１】
下部電極４１４や上部電極４１６は、導電性を有するものであれば、その材料は制限されない。下部電極４１４や上部電極４１６の材料としては、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。
圧電体層４１５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（ＡＢＯ３型構造）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４１３の変位量を確保しやすくなる。
【００３２】
また、圧電体層４１５は、鉛を含まないペロブスカイト構造（ＡＢＯ３型構造）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センサー２２を実現できる。
このような非鉛系の圧電材料としては、例えば、鉄酸ビスマス（ＢＦＯ；ＢｉＦｅＯ３）を含むＢＦＯ系材料が挙げられる。ＢＦＯでは、ＡサイトにＢｉが位置し、Ｂサイトに鉄（Ｆｅ）が位置している。ＢＦＯに、他の元素が添加されていてもよい。例えば、ニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ；ＫＮａＮｂＯ３）に、鉄酸マンガン（Ｍｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ランタン（Ｌａ）、バリウム（Ｂａ）、チタン（Ｔｉ）、コバルト（Ｃｏ）、セリウム（Ｃｅ）、サマリウム（Ｓｍ）、クロム（Ｃｒ）、カリウム（Ｋ）、リチウム（Ｌｉ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、ユウロビウム（Ｅｕ）から選択される少なくとも１種の元素が添加されていてもよい。
また、非鉛系圧電材料の他の例として、ニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）を含むＫＮＮ系材料が挙げられる。ＫＮＮに、他の元素が添加されていてもよい。たとえば、ＫＮＮに、マンガン（Ｍｎ）、リチウム（Ｌｉ）、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、ビスマス（Ｂｉ）、タンタル（Ｔａ）、アンチモン（Ｓｂ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、銀（Ａｇ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、銅（Ｃｕ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、及びユーロビウム（Ｅｕ）から選択される少なくとも１種の元素が添加されていてもよい。
【００３３】
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。
【００３４】
（封止板及び抑制部の構成）
封止板４２は、図５に示すように、基部４１の振動膜４１２に対向して配置される。
封止板４２は、振動膜４１２に対向する平坦な対向面４２１を有し、この対向面４２１が振動膜４１２の振動を抑制する抑制部４３により、基部４１の振動膜４１２に接合されている。封止板４２が、抑制部４３により基部４１に接合されることによって、圧電素子４１３の周囲の空間Ｓが封止される。
なお、封止板４２の材質や厚みは、超音波センサー２２の周波数特性に影響を及ぼすため、超音波センサー２２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。
【００３５】
また、本実施形態では、封止板４２は、下部電極端子４１４Ｐや上部電極端子４１６Ｐに対向して貫通孔（図示略）が設けられ、当該貫通孔から基部４１の下部電極端子４１４Ｐや上部電極端子４１６Ｐに、配線部（例えばＦＰＣ等）が接続される。
【００３６】
抑制部４３は、樹脂材料により構成され、上記のように、基部４１の振動膜４１２と、封止板４２との双方に接合される。このような抑制部４３は、振動膜４１２上に例えばスパッタリング等により形成されてパターニングされた後、加熱接合により封止板４２に接合される。
この抑制部４３は、図３から図５に示すように、Ｙ方向に並ぶ各圧電素子４１３の能動部４１３Ａの間で、隣り合う能動部４１３Ａの中点位置に配置され、Ｘ方向に沿って延びて形成されている。
つまり、振動膜４１２の各振動領域Ａｒ２は、Ｘ方向において隣り合う振動領域Ａｒ２との間に隔壁４１１Ｂが存在する。したがって、図５（Ａ）（Ｂ）に示すように、各振動領域Ａｒ２のＹ方向に平行な辺（各能動部４１３ＡのＹ方向に平行な辺の両外側の部分）は、隔壁４１１Ｂにより固定されている。一方、図５（Ｃ）に示すように、Ｙ方向において、隣り合う振動領域Ａｒ２の間には隔壁４１１Ｂが存在しない箇所があり、当該箇所に抑制部４３が設けられている。そして、各振動領域Ａｒ２のＸ方向に平行な辺（各能動部４１３ＡのＸ方向に平行な辺の両外側の部分）において、振動膜４１２は、抑制部４３又は基板４１１の隔壁４１１Ｂにより固定されている。
【００３７】
（音響整合層及び音響レンズの構成）
音響整合層４４は、図５に示すように、基部４１の作動面（封止板４２に対向する面とは反対側の面）側に設けられている。具体的には、音響整合層４４は、基部４１の開口部４１１Ａ内に充填され、かつ、基板４１１の作動面側から所定の厚み寸法で形成される。
音響レンズ４５は、音響整合層４４上に設けられ、図１に示すように、筐体２１のセンサー窓２１Ｂから外部に露出する。
これらの音響整合層４４や音響レンズ４５は、超音波センサー２２から送信された超音波を測定対象である生体に効率よく伝搬させ、また、生体内で反射した超音波を効率よく超音波センサー２２に伝搬させる。このため、音響整合層４４及び音響レンズ４５は、超音波センサー２２の音響インピーダンスと、生体の音響インピーダンスとの中間の音響インピーダンスに設定されている。
【００３８】
［超音波センサーによる超音波の送受信］
上記のような超音波センサー２２では、アレイ領域Ａｒ１に配置される各圧電素子４１３の上部電極４１６は互いに結線されるので同電位となる。また、Ｙ方向に沿った圧電素子４１３を１組の圧電素子群として、Ｘ方向に沿った例えば３組の圧電素子群に含まれる圧電素子４１３の下部電極４１４は、互いに結線されているため同電位となる。本実施形態では、この３組の圧電素子群を１ｃｈ（チャネル）のブロックＢとしてＸ方向に沿って複数のブロックＢが配置される構造となる。
【００３９】
そして、本実施形態では、超音波の送信（駆動処理）時に、回路基板２３から、各下部電極端子４１４Ｐに対して駆動信号（ＳＩＧ）が入力され、各上部電極端子４１６Ｐに対して共通バイアス信号（ＣＯＭ）が入力される。各下部電極端子４１４Ｐに入力する駆動信号の信号強度や信号入力タイミングを制御することで、各ブロックＢに含まれる各能動部４１３Ａの下部電極４１４と上部電極４１６との間に電位差が生じ、圧電体層４１５が振動し、これに伴って振動膜４１２の振動領域Ａｒ２も振動駆動して超音波が発生する。
また、超音波の受信（検出処理）時には、回路基板２３から上部電極端子４１６Ｐに対して共通バイアス信号が入力される。そして、対象物からの超音波が超音波センサー２２に入力され、振動膜４１２の各振動領域Ａｒ２が振動駆動すると、下部電極４１４及び上部電極４１６の間に電位差が生じる。これにより、各ブロックＢに対応した下部電極端子４１４Ｐから回路基板２３に、圧電素子４１３のたわみに応じた検出信号が出力される。
圧電素子４１３のたわみ変形のしやすさは、圧電素子４１３や振動膜４１２の構成材料や厚さ、振動領域Ａｒ２の配置位置や大きさによって変わってくるため、用途や使用態様に応じて適宜調節することが可能である。
なお、各材料に固有の共振周波数を利用して、これと圧電素子４１３に印加する電荷信号の周波数とを一致又は実質的に一致させ、共振を利用して圧電素子４１３をたわみ変形させるようにしてもよい。
【００４０】
（超音波送受信時の振動膜の変位）
図６（Ａ）は、本実施形態における振動膜の変位プロファイルを示す図であり、（Ｂ）は、従来（隔壁のみにより振動領域を形成する個性）の振動膜の変位プロファイルを示す図であり、（Ｃ）は、本実施形態において抑制部を設けなかった場合の変位プロファイルを示す図である。
上記のように、本実施形態では、超音波センサー２２から超音波を送信する際、及び超音波を受信する際に、振動膜４１２の各振動領域Ａｒ２がそれぞれ変位する。
本実施形態の振動領域Ａｒ２の変位プロファイルをとると、図６（Ａ）に示すように、振動領域Ａｒ２の中心（能動部４１３Ａの中心）が変位の中心となり、振動領域Ａｒ２内で大きな変位（膜厚方向のひずみ）が生じている。これは図６（Ｂ）に示す、アスペクト比が低い開口部を形成した基板を用いた場合（隔壁４１１Ｂのみで振動領域Ａｒ２を形成した場合）とほぼ一致する。一方、抑制部４３を設けない場合には、図６（Ｃ）に示すように、変位の中心が能動部４１３Ａの外側に移動し、能動部４１３Ａの変位（膜厚方向のひずみ）はかなり小さくなる。
【００４１】
図６（Ａ）〜 図６（Ｃ）より、隣り合う能動部４１３Ａの間（中点位置）に隔壁４１１Ｂが存在しない箇所がある場合、当該箇所に抑制部４３を設けて、基板４１１に対して開口部４１１Ａとは反対の側から振動膜４１２を押さえれば、振動膜４１２の振動を抑制することができることがわかる。すなわち、抑制部４３によって、振動膜４１２の振動範囲が制限されていることがわかる。また、本実施形態では、開口部４１１Ａが高アスペクト比であるにもかかわらず、開口部４１１Ａが低アスペクト比である場合と同等の変位が得られていることから、抑制部４３による振動抑制の効果は絶大であることがわかる。
【００４２】
［回路基板の構成］
回路基板２３は、図２に示すように、基部４１に設けられた下部電極端子４１４Ｐや上部電極端子４１６Ｐと接続される基板端子部２３１を有する。また、回路基板２３は、超音波センサー２２を駆動させるためのドライバ回路等が設けられている。具体的には、回路基板２３は、図２に示すように、選択回路２３２、送信回路２３３、受信回路２３４等を備える。
選択回路２３２は、制御装置１０の制御に基づいて、超音波センサー２２と送信回路２３３とを接続する送信接続、及び超音波センサー２２と受信回路２３４とを接続する受信接続を切り替える。
送信回路２３３は、制御装置１０の制御により送信接続に切り替えられた際に、選択回路２３２を介して超音波センサー２２に超音波を発信させる旨の信号を出力する。
受信回路２３４は、制御装置１０の制御により受信接続に切り替えられた際に、選択回路２３２を介して超音波センサー２２から入力された検出信号を制御装置１０に出力する。受信回路２３４は、例えば低雑音増幅回路、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コンバーター等を含んで構成されており、受信信号のデジタル信号への変換、ノイズ成分の除去、所望信号レベルへの増幅等の各信号処理を実施した後、処理後の受信信号を制御装置１０に出力する。
【００４３】
［制御装置の構成］
制御装置１０は、図２に示すように、例えば、操作部１１と、表示部１２と、記憶部１３と、演算部１４と、を備えて構成されている。この制御装置１０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てもよく、超音波プローブ２を操作するための専用端末装置であってもよい。
操作部１１は、ユーザーが超音波測定装置１を操作するためのＵＩ（user interface）であり、例えば表示部１２上に設けられたタッチパネルや、操作ボタン、キーボード、マウス等により構成することができる。
表示部１２は、例えば液晶ディスプレイ等により構成され、画像を表示させる。
記憶部１３は、超音波測定装置１を制御するための各種プログラムや各種データを記憶する。
演算部１４は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算回路や、メモリー等の記憶回路により構成されている。そして、演算部１４は、記憶部１３に記憶された各種プログラムを読み込み実行することで、送信回路２３３に対して送信信号の生成及び出力処理の制御を行い、受信回路２３４に対して受信信号の周波数設定やゲイン設定などの制御を行う。
【００４４】
［超音波センサーの製造方法］
次に、上述したような超音波センサー２２の製造方法について説明する。
図７は、本実施形態の超音波センサー２２の製造における各工程を示すフローチャートである。図８は、各工程での超音波センサー２２の概略を示す図である。
超音波センサー２２を製造するためには、図７に示すように、基板準備工程Ｓ１、素子形成工程Ｓ２、抑制部形成工程Ｓ３、接合工程Ｓ４、及び開口部形成工程Ｓ５を実施する。
【００４５】
基板準備工程Ｓ１では、先ずＳｉからなる基板４１１の一面側を熱酸化処理し、振動膜４１２の一部であるＳｉＯ２膜を形成する。さらに、ＳｉＯ２膜上にＺｒを成膜し、熱酸化処理してＺｒＯ２層を形成する。これにより、図８（Ａ）に示すように、基板４１１上に振動膜４１２が形成される。
【００４６】
次に、素子形成工程Ｓ２を実施する。
素子形成工程Ｓ２では、まず、振動膜４１２上に下部電極を形成する電極材料を、例えばスパッタリング等により成膜する。そして、下部電極４１４上に、レジストを塗布し、フォトリソグラフィ等により、レジストパターンを形成し、下部電極４１４を例えばエッチング等することで、パターニングする。
その後、下部電極４１４上に圧電体層４１５を形成する。圧電体層４１５は、例えばＰＺＴを溶液法により形成する。例えば、Ｚｒ：Ｔｉ＝５２：４８の組成比のＰＺＴ溶液を振動膜４１２及び下部電極４１４上に塗布する塗布処理と、塗布されたＰＺＴ溶液を、例えばプレベーグ４００℃、ＲＴＡ焼成７００℃の条件にて焼成処理とを複数回実施し、所望厚み寸法の圧電層を得る。そして、形成された圧電層を、エッチング処理（イオンミリング）によりパターニングして、圧電体層４１５を形成する。
圧電体層４１５の形成後、上部電極４１６を形成するための電極材料を振動膜４１２上に塗布し、下部電極４１４の際と同様、レジストパターンを形成してエッチング等によりパターニングする。
以上により、図８（Ｂ）に示すように、振動膜４１２上に、下部電極４１４、圧電体層４１５、及び上部電極４１６からなる圧電素子４１３が形成される。なお、本実施形態では、能動部４１３Ａの厚み寸法が１．３μｍ程度となる。
【００４７】
また、圧電素子４１３の形成後、振動膜４１２及び圧電素子４１３を覆う絶縁層４１７を保護膜として形成する。なお、下部電極端子４１４Ｐ及び上部電極端子４１６Ｐ上は、エッチング等により絶縁層４１７を除去しておく。
【００４８】
この後、振動膜４１２上（絶縁層４１７上）に、抑制部４３を形成する。
抑制部４３の形成では、図８（Ｃ）のように、例えば光感光性の樹脂材料（フォトレジスト）をスピンコートやスパッタリング等により振動膜４１２上に塗布する。そして、振動膜４１２上に、各能動部４１３Ａ間にＸ方向に沿ったマスクパターンを形成し、マスク以外の領域をフォトリソグラフィにより除去する。これにより、図８（Ｄ）に示すように、樹脂材料により構成された抑制部４３が、振動膜４１２上に形成される。
【００４９】
次に、接合工程Ｓ４を実施する。接合工程Ｓ４では、例えば加熱されたホットプレート（図示略）上に、振動膜４１２が上（ホットプレートとは反対側）となるように基板４１１を載置する。さらに、振動膜４１２上に対して封止板４２を載置し、封止板４２を基板４１１側に所定圧力で押圧する。これにより、樹脂材料である抑制部４３が軟化し、図８（Ｅ）に示すように、抑制部４３の振動膜４１２とは反対側の端部が封止板４２に加熱接合（溶融接合）される。なお、接合された状態で抑制部４３のＺ方向に沿う厚み寸法は、例えば１．５μｍ程度であり、Ｙ方向の幅寸法に比べて十分に大きい。したがって、例えば生体用の超音波センサー２２等では、通常の圧力を加えても抑制部４３が変形したり潰されたりすることが無く、振動膜４１２の変形等を抑制できる。
【００５０】
また、本実施形態では、振動膜４１２上にフォトリソグラフィにより、樹脂材料の抑制部４３を形成する。このような場合、例えば封止板４２側に抑制部４３を設ける場合に比べて、抑制部４３の位置精度を向上させることができる。
つまり、封止板４２に抑制部４３を設け、その先端を振動膜４１２に接合する場合、抑制部４３が圧電素子４１３の能動部４１３Ａの中間位置に位置するように、アライメント調整を行う必要がある。抑制部４３が能動部４１３Ａに接触すると、能動部４１３Ａの駆動効率を低下させるため、超音波送信処理では、超音波の音圧低下が起こり、また、超音波受信処理では、受信感度が低下してしまう。また、抑制部４３が能動部４１３Ａに接触していなくても、その位置がずれると、振動領域Ａｒ２の形状やサイズにずれが生じ、所望の周波数の超音波の送受信が困難となり、能動部４１３Ａの駆動効率が低下し、超音波送受信における効率も低下する。
これに対して、本実施形態では、上述のようにフォトリソグラフィにより振動膜４１２上に抑制部４３をパターニングするので、能動部４１３Ａや振動領域Ａｒ２に対して最適な位置に抑制部４３を形成できる。つまり、精度の高い超音波センサー２２を形成でき、煩雑なアライメント調整が不要となるので、製造効率性を向上させることができる。
【００５１】
さらに、樹脂材料からなる抑制部４３では、上記のように、加熱接合によって容易に封止板４２に接合することができる。封止板４２の一部を突出させて抑制部４３とする場合や、金属材料等により抑制部４３を形成する場合では、別途接着剤等を塗布して振動膜４１２に接合する必要があり、接合工程における手間が増大する。また、上述のようなアライメント調整の煩雑さに加え、接着剤が能動部４１３Ａに付着するおそれもある。これに対して、本実施形態では、簡便に封止板４２と振動膜４１２とを接合することができる。
【００５２】
このように、基部４１に封止板４２を接合した後、開口部形成工程Ｓ５を行う。開口部形成工程Ｓ５では、基板４１１の振動膜４１２とは反対側の面から、例えばエッチング等により、図８（Ｆ）に示すように、開口部４１１Ａを形成する。具体的には、開口部４１１Ａの形成領域以外にマスクを形成し、振動膜４１２のＳｉＯ２層をエッチングストッパーとして開口部４１１Ａを形成する。開口部４１１Ａを形成した後に抑制部４３と封止板４２とを接合する場合、封止板４２を基部４１側に押圧した際に振動膜４１２が変形する。これに対して、本実施形態では、封止板４２を振動膜４１２に接合した後、開口部４１１Ａを形成するので、抑制部４３による押圧による振動膜４１２の変形を抑制できる。
この後、基板４１１の開口部４１１Ａ内に音響整合層４４を充填し、更に、音響レンズ４５を接合して、図５等に示すような超音波センサー２２が製造される。
【００５３】
［本実施形態の作用効果］
本実施形態の超音波測定装置１は、超音波の送受信を行う超音波センサー２２が筐体２１内に配置された超音波プローブ２と、超音波センサー２２を制御する制御装置１０と、を備える。超音波センサー２２は、開口部４１１Ａを有する基板４１１と、開口部４１１Ａを閉塞する振動膜４１２と、振動膜４１２に設けられた圧電素子４１３と、振動膜４１２に対向する対向面４２１が平坦面であり、振動膜４１２を支持する封止板４２とを備える。そして、圧電素子４１３（能動部４１３Ａ）は、平面視において開口部４１１Ａと重なる位置に複数設けられ、隣り合う能動部４１３Ａの間に、振動膜４１２の振動の伝達を抑制する樹脂材料により構成された抑制部４３が設けられている。
【００５４】
このような構成では、振動膜４１２が隔壁４１１Ｂ及び抑制部４３によって複数の振動領域Ａｒ２に分割され、各振動領域Ａｒ２の中心に圧電素子４１３の能動部４１３Ａが位置することになる。よって、開口部４１１Ａが大きい場合でも、各振動領域Ａｒ２のアスペクト比を低アスペクト比にできる。
また、図６に示すように、各振動領域Ａｒ２の振動の振動領域Ａｒ２外（例えば隣り合う振動領域Ａｒ２）への伝達が抑制部４３により抑制され、各振動領域Ａｒ２の能動部４１３Ａが設けられる中心位置における膜厚方向のひずみ量が大きくなる。よって、超音波送信時には、高出力（大音圧）の超音波を出力でき、超音波受信時には、受信感度を向上させることができる（超音波送受信の効率が向上する）。
また、例えば１つの開口部４１１Ａに対して１つの能動部４１３Ａを配置する場合に比べ、開口部４１１Ａのサイズを大きくできるので、開口部４１１Ａの形成が容易であり、超音波センサー２２の量産性を向上させることができる。
さらに、このような樹脂材料により構成された抑制部４３は、例えばフォトリソグラフィ等によって容易に形成することができ、さらに、加熱接合によって容易に封止板４２に接合することができる。このため、超音波センサー２２の製造効率性を更に向上させることができ、量産性の更なる向上を図れる。
【００５５】
本実施形態では、基板準備工程Ｓ１及び素子形成工程Ｓ２の後、抑制部形成工程において、感光性の樹脂材料による膜を振動膜４１２に形成して、フォトリソグラフィによりパターニングすることで抑制部４３を形成するため、製造効率性をさらに向上させることができ、超音波センサー２２の超音波送受信における効率も向上させることができる。
つまり、封止板側に設けられた突起部を抑制部として振動膜に接合する構成では、振動領域Ａｒ２の中心位置に能動部４１３Ａが位置するように、開口部４１１Ａや能動部４１３Ａに対して高精度に突起部の位置をアライメント調整する必要があり、製造効率性が低下する。また、突起部の位置がずれると、振動領域Ａｒ２を所望位置に形成できず、膜厚方向に対するひずみ量が最大となる振動領域Ａｒ２の中心と、能動部４１３Ａとの位置がずれる。この場合、超音波送受信における効率が低下してしまう。
さらに、接着剤により突起部を接合する必要があるため、振動膜４１２に接着剤を転写する工程がさらに必要となる。この場合では、転写した接着剤が接合時に圧電素子４１３側にはみ出して接触するおそれがあり、圧電素子４１３の駆動を阻害するおそれもある。
【００５６】
これに対して、本実施形態では、樹脂材料による抑制部４３を、上記のような抑制部形成工程Ｓ３によりフォトリソグラフィにより形成し、接合工程Ｓ４において、加熱接合により抑制部４３と封止板４２とを接合する。この場合、上記のような接着剤を転写する工程やアライメント調整を行う工程を省略でき、その分、さらに製造効率性が向上する。また、フォトリソグラフィにより所望位置に高精度に抑制部４３を形成できるので、振動領域Ａｒ２を所望の位置に配置せしめることができ、超音波送受信の効率低下を抑制できる。
【００５７】
［第二実施形態］
次に、第二実施形態について説明する。
上述した第一実施形態では、下部電極４１４及び上部電極４１６は、基板４１１の外周部に設けられた下部電極端子４１４Ｐ及び上部電極端子４１６Ｐまで引き延ばされて、当該下部電極端子４１４Ｐ及び上部電極端子４１６Ｐで、回路基板２３に接続された。これに対して、第二実施形態では、下部電極４１４及び上部電極４１６が抑制部を介して回路基板２３に接続される点で、上記第一実施形態と相違する。
【００５８】
図９は、本実施形態の超音波センサー２２の基部の概略構成を示す平面図である。図１０（Ａ）は、下部電極４１４に導通する抑制部４３Ａの長手方向に沿った超音波センサー２２の概略断面図、図１０（Ｂ）は、上部電極４１６に導通する抑制部４３Ａの長手方向に沿った超音波センサー２２の概略断面図である。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。
【００５９】
本実施形態の超音波センサー２２は、図９に示すように、第一実施形態と同様、アレイ領域Ａｒ１内に複数の圧電素子４１３の能動部４１３Ａがマトリックス状に配置されており、Ｙ方向に並ぶ圧電素子４１３は、Ｙ方向に沿って連続する下部電極４１４により接続される。また、Ｘ方向に並ぶ圧電素子４１３は、Ｘ方向に沿って連続する上部電極４１６により接続される。なお、本実施形態では、図９に示すように、下部電極４１４同士は、端部位置において結線されておらず、下部電極端子４１４Ｐが設けられていない。同様に、上部電極４１６同士は端部位置において結線されておらず、上部電極端子４１６Ｐが設けられていない。
【００６０】
そして、本実施形態では、抑制部４３Ａは、第一実施形態と同じ位置、つまり、隣り合う圧電素子４１３の能動部４１３Ａ間で、Ｘ方向に延びて形成され、振動膜４１２と封止板４２とを接合する。ここで、本実施形態の抑制部４３Ａは、導電性フィラーを配合した樹脂材料により構成されており、導電性を有する。
【００６１】
また、本実施形態では、絶縁層４１７は、下部電極４１４（下部接続配線４１４Ｂ）の一部、及び上部電極４１６（共通配線４１６Ｃ）の一部に形成されていない。
すなわち、各ブロックＢに対応して下部電極４１４を回路基板２３に電気接続する抑制部４３Ａが設けられており、下部電極４１４の一部が当該抑制部４３Ａに接触することで回路基板２３に電気接続される。また、上部電極４１６を回路基板２３に電気接続する抑制部４３Ａが設けられており、上部電極４１６の一部が当該抑制部４３Ａに接触することで回路基板２３に電気接続される。
【００６２】
例えば、アレイ領域Ａｒ１に配置される第１のブロックＢ１（図９参照）に含まれる圧電素子４１３の下部電極４１４（下部接続配線４１４Ｂ）は、第１の抑制部４３Ａ１が積層される部位において、絶縁層４１７が形成されていない下部電極導通部４１４Ｃ（図１０（Ａ）参照）を構成する。そして、下部電極４１４の下部電極導通部４１４Ｃ上に第１の抑制部４３Ａ１が形成されることで、第１のブロックＢ１の下部電極４１４と第１の抑制部４３Ａ１とが接触して電気接続される。
また、第１のブロックＢ１とは異なる位置の第２のブロックＢ２に含まれる圧電素子４１３の下部電極４１４（下部接続配線４１４Ｂ）は、第２の抑制部４３Ａ２が積層される部位において、絶縁層４１７が形成されず下部電極導通部４１４Ｃを構成する。そして、下部電極４１４の下部電極導通部４１４Ｃ上に第２の抑制部４３Ａ２が形成されることで、第２のブロックＢ２の下部電極４１４と第２の抑制部４３Ａ２とが接触して電気接続される。
他のブロックＢにおいても同様であり、それぞれのブロックに対応して電気接続される抑制部４３Ａが存在する。
【００６３】
また、本実施形態では、第一実施形態と同様に、アレイ領域Ａｒ１に配置される各圧電素子４１３の上部電極４１６は、上部接続配線４１６Ｂ及び共通配線４１６Ｃにより互いに結線されている。そして、図１０（Ｂ）に示すように、共通配線４１６Ｃは、上部電極４１６に対応した第３の抑制部４３Ａ３が積層される部位において、絶縁層４１７が形成されておらず、上部電極導通部４１６Ｄを構成する。そして、上部電極導通部４１６Ｄ上に第３の抑制部４３Ａ３が形成されることで、各上部電極４１６と第３の抑制部４３Ａ３とが接触して電気接続される。
【００６４】
一方、封止板４２は、図１０に示すように、各抑制部４３Ａに対向する位置に、封止板４２を厚み方向に貫通する少なくとも１つの貫通孔４２２を備えている。この貫通孔４２２には、貫通電極４２３が挿通されており、当該貫通電極４２３の一端に抑制部４３Ａが当接（接合）される。また、貫通電極４２３の他端は、例えば半田等の導電性部材により、回路基板２３に設けられた基板端子部２３１に接続されている。
【００６５】
ここで、貫通孔４２２及び貫通電極４２３の設けられる位置としては、下部電極４１４に導通する抑制部４３Ａ（例えば図９の抑制部４３Ａ１や抑制部４３Ａ２）では、下部電極導通部４１４Ｃが設けられる位置であることが好ましい。本実施形態では、３組の圧電素子群により１ｃｈのブロックＢが構成され、１つの抑制部４３Ｂに対してＸ方向に並ぶ３つの下部電極導通部４１４Ｃが設けられる。この場合、図９及び図１０（Ａ）に示すように、中央の下部電極導通部４１４Ｃに対向する位置（平面視において重なる位置）に貫通電極４２３を設けることが好ましい。なお、３つの下部電極導通部４１４Ｃのそれぞれに対向した３つの貫通電極４２３が設けられてもよい。
【００６６】
また、上部電極４１６に導通する抑制部４３Ａ（４３Ａ３）においても同様であり、上部電極導通部４１６Ｄが設けられる位置であることが好ましい。例えば、本実施形態では、図９に示すように、アレイ領域Ａｒ１の中心の共通配線４１６Ｃの上部電極導通部４１６Ｄに対向する位置（平面視において重なる位置）に貫通電極４２３が設けられている。なお、各上部電極導通部４１６Ｄのそれぞれに対向して複数の貫通電極４２３が設けられてもよい。
【００６７】
［本実施形態の作用効果］
本実施形態の超音波センサー２２では、抑制部４３Ａは、導電性フィラーを含む樹脂材料により構成されている。そして、抑制部４３Ａは、隣り合う能動部４１３Ａ間で、Ｘ方向に沿って長手に設けられ、各能動部４１３Ａに接続される下部電極４１４の下部電極導通部４１４Ｃ、又は上部電極４１６の上部電極導通部４１６Ｄ上に接続される。
このような構成では、例えば第一実施形態のように、下部電極４１４や上部電極４１６を、基板４１１の外周部の下部電極端子４１４Ｐや上部電極端子４１６Ｐまで引き出す必要がなく、抑制部４３Ａを介して回路基板２３に電気接続することができる。したがって、配線構成の簡略化を図れるとともに、各能動部４１３Ａに信号を入力する際に、能動部４１３Ａに近い位置に信号を入力できるので、電圧降下の影響を抑制できる。したがって、超音波センサー２２の超音波送受信の効率を向上させることができる。
【００６８】
また、本実施形態では、封止板４２は、板厚み方向に貫通した貫通電極４２３を備え、抑制部４３Ａが貫通電極４２３上に接合されることで電気接続されている。つまり、貫通電極４２３の振動膜４１２側の面を配線部として、抑制部４３Ａが配線部に接続されている。このような構成では、抑制部４３Ａに対して別途リード線やＦＰＣ等を接続する必要がなく、抑制部４３Ａを封止板４２に接合するだけで、抑制部４３Ａを介して下部電極４１４や上部電極４１６と、貫通電極４２３と、を電気接続することができる。
【００６９】
さらに、本実施形態では、貫通電極４２３の振動膜４１２とは反対側の他端部が、封止板４２の基部４１とは反対側に配置された回路基板２３の端子部に電気接続される。これにより、ＦＰＣ等を用いることなく、容易に各圧電素子４１３を回路基板２３に電気的に接続することができる。
【００７０】
［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。
【００７１】
上記第一実施形態において、３組の圧電素子群により１チャネルのブロックＢが構成される例を示したが、これに限定されない。例えば、１組の圧電素子群により１チャネルのブロックＢが構成されてもよく、２組や４組以上の圧電素子群により１チャネルのブロックＢが構成されてもよい。さらに、各圧電素子４１３の下部電極４１４がそれぞれ独立した端子部を有し、それぞれ独立して駆動させる構成としてもよい。さらに、Ｘ方向に沿って複数のブロックＢが配置される構成を例示するが、Ｙ方向に沿って複数のブロックＢが配置される構成、Ｘ方向及びＹ方向に沿って、複数のブロックＢがマトリックス状に配置される構成などとしてもよい。
【００７２】
また、上記実施形態において、平面視において、１つの開口部４１１Ａと重なる位置にＹ方向に沿って並ぶ全ての能動部４１３Ａが含まれるように、開口部４１１Ａ及び圧電素子４１３を形成したが、これに限定されない。
例えば、Ｙ方向に長手となる開口部４１１Ａを、Ｙ方向に沿ってｎ個配置し、各開口部４１１Ａと重なる領域にｍ個の能動部４１３ＡがＹ方向に並んで配置される構成としてもよい。この場合、Ｙ方向に並ぶｎ×ｍ個の圧電素子４１３が下部電極４１４により接続されて１組の圧電素子群を形成する。
【００７３】
上記実施形態において、能動部４１３Ａ及び開口部４１１Ａは、平面視において長方形（正方形を含む）であることを前提にしていたが、能動部４１３Ａの形状は、長方形でなくてもよい。能動部４１３Ａの形状は、完全な長方形でなくてもよい。たとえば、角に丸みがあったり、辺が多少凹凸していたりするものの、おおむね長方形に見えるような形状であってもよく、また、長方形以外の四角形、多角形、円形、あるいは楕円形でも構わない。
【００７４】
上記実施形態において、抑制部４３，４３Ａは、隣り合う振動領域Ａｒ２（能動部４１３Ａ）間に隔壁４１１Ｂが存在しない箇所にのみ設けられており、隔壁４１１Ｂが存在している箇所には設けられていない。しかし、隔壁４１１Ｂが位置する箇所にも抑制部４３，４３Ａを設ける構成としてもよい。例えば、開口部４１１ＡのＸ方向に沿った縁部（±Ｙ側端部の辺）や、Ｙ方向に沿った縁部（±Ｘ側端部の辺）に沿って抑制部４３，４３Ａが設けられてもよい。
さらに、上記実施形態では、開口部４１１ＡがＹ方向に長手となり、当該開口部４１１Ａ内にＹ方向に並ぶ複数の能動部４１３Ａが配置される例を示したが、開口部４１１Ａ内に、Ｙ方向及びＸ方向に沿ったマトリックス状に配置された能動部４１３Ａが設けられてもよい。この場合、Ｘ方向に沿って隣り合う能動部４１３Ａ間にも抑制部４３を配置する。これにより、各能動部４１３Ａのそれぞれに対応した振動領域Ａｒ２を形成することができる。
【００７５】
第二実施形態において、封止板４２に貫通電極４２３が設けられる例を示したが、封止板４２の基板表面に、抑制部４３Ａに当接する（封止板４２を貫通していない）配線部が設けられる構成などとしてもよい。この場合、封止板４２Ａの表面上に配線端子部に接続された回路パターンを形成し、その一部を回路基板２３に接続すればよい。
【００７６】
上記各実施形態において、Ｘ方向に沿って基部４１の両端部間に亘って連続する抑制部４３，４３Ａを例示したが、これに限定されない。
図１１は、一変形例における基板の概略構成を示す図である。
例えば、図１１に示すように、平面視において、１つのブロックＢのＸ方向の両端部間に亘って抑制部４３Ａ（又は抑制部４３）が設けられる構成としてもよい。なお、図１１においては、ブロックＢ単位で、抑制部４３を設ける例を示すが、開口部４１１Ａ単位で抑制部４３Ａ（又は抑制部４３）を設けてもよい。
また、これらの構成では、隣り合うブロックＢとの間で、共通配線４１６Ｃ上に、Ｙ方向に沿って長手となる接合部４６を設けてもよい。接合部４６としては、例えば、抑制部４３Ａ（又は抑制部４３）と同じ樹脂材料に構成することができ、抑制部４３と同時に形成する。この場合、抑制部４３ＡによりＸ方向に沿って封止板４２と基部４１とを接合でき、接合部４６によりＹ方向に沿って封止板４２と基部４１とを接合できるので、接合強度をより高めることができる。
【００７７】
また、第二実施形態に対して、図１１に示すような抑制部４３Ａや接合部４６を形成する構成としてもよい。この場合、能動部４１３Ａ同士を接続する各下部接続配線４１４Ｂを下部電極導通部４１４Ｃとすることができる。例えば、図１１に示すように、第１のブロックＢ１内に存在する全ての抑制部４３Ａは、当該第１のブロックＢ１の下部電極４１４に導通する第１の抑制部４３Ａ１となる。また、第２のブロックＢ２内に存在する全ての抑制部４３Ａは、当該第２のブロックＢ２の下部電極４１４に導通する第２の抑制部４３Ａ２となる。この場合、各能動部４１３Ａにより近い位置で、信号の入出力が可能となり、電圧降下による影響をより抑制することができる。
また、上部電極４１６に対しては、接合部４６を、導電性フィラーを含む樹脂材料により構成し、上部接続配線４１６Ｂと共通配線４１６Ｃとの各交点位置に上部電極導通部４１６Ｄを設ければよい。また、接合部４６を、Ｙ方向に並ぶ全ての上部電極４１６に跨って形成する場合では、共通配線４１６Ｃが形成されなくてもよく、導電性を有する接合部４６により各上部電極４１６が接続される。
【００７８】
上記実施形態では、振動素子として、振動膜４１２の厚み方向に下部電極４１４、圧電体層４１５、及び上部電極４１６を積層した圧電素子４１３を例示したが、これに限定されない。例えば、圧電体層の厚み方向に直交する一面側に、一対の電極を互いに対向させて配置する構成などとしてもよい。また、圧電体層の厚み方向に沿った側面で圧電膜を挟み込むように電極を配置してもよい。
また、圧電体層を用いず、振動膜４１２上に設けられた第一電極と、第一電極とエアギャップを介して対向する、第二電極（例えば封止板４２に配置）とを備え、静電力により振動膜４１２を振動させたり、振動膜４１２の振動を検出したりする振動素子を用いてもよい。
【００７９】
上記各実施形態では、超音波装置である超音波測定装置１の超音波プローブ２に設けられた超音波センサー２２（超音波トランスデューサー）を例示したが、これに限定されない。振動膜の所定の振動領域を振動させる如何なる振動装置に対しても適用できる。例えば、マイクロフォンやスピーカー等に用いられる振動板（振動膜）の所望の振動領域を振動させる際に、振動膜の膜厚方向における一方側の面を基板の開口部の隔壁により支持し、他方の面を抑制部により封止板に接合することで、所望の振動領域を形成するものであってもよい。
【００８０】
超音波測定装置１として、生体の内部断層構造を測定するための構成を例示したが、その他、例えばコンクリート建築物等のコンクリート内部構造を検査するための測定機等として用いることもできる。
また、超音波センサー２２を備えた超音波測定装置１を例示したが、その他の超音波装置に対しても適用できる。例えば、超音波を洗浄対象に対して送出して洗浄する超音波トランスデューサーを備えた超音波洗浄機等に用いることができる。
【００８１】
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。
【符号の説明】
【００８２】
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…超音波センサー（超音波トランスデューサー）、２３…回路基板、４１…基部、４２，４２Ａ…封止板、４３，４３Ａ…抑制部、２３１…基板端子部、２３２…選択回路、２３３…送信回路、２３４…受信回路、４１１…基板、４１１Ａ…開口部、４１１Ｂ…隔壁、４１２…振動膜、４１３…圧電素子、４１３Ａ…能動部、４１４…下部電極、４１４Ａ…下部電極本体部、４１４Ｂ…下部接続配線、４１４Ｃ…下部電極導通部、４１５…圧電体層、４１６…上部電極、４１６Ａ…上部電極本体部、４１６Ｂ…上部接続配線、４１６Ｃ…共通配線、４１６Ｄ…上部電極導通部、４２１…対向面、４２２…貫通孔、４２３…貫通電極、Ａｒ１…アレイ領域、Ａｒ２…振動領域、Ｓ…空間、Ｓ１…基板準備工程、Ｓ２…素子形成工程、Ｓ３…抑制部形成工程、Ｓ４…接合工程、Ｓ５…開口部形成工程。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0006693154.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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