(57)【要約】【課題】セルを配置した基板を支持する支持部材に進入する弾性波を低減して、支持部材内で反射する弾性波による送受信特性の劣化を抑制することができる電気機械変換装置を提供する。【解決手段】電気機械変換装置は、第２の電極１０５と間隙１０４を介して対向して設けられた第１の電極１０２を含む振動膜１０１を夫々有する複数のセル２００を基板１０６上に備え、送信動作及び受信動作の少なくとも一方を行う。基板１０６は、支持部材１１０との間にスペーサー間隙１１２が形成されるように、スペーサー手段１１１を介して支持部材１１１により支持される。セルを備えた基板１０６の面とは逆側の基板１０６の裏面と、この裏面に対向した支持部材１１０の面と、の間にスペーサー間隙１１２が形成され、スペーサー間隙内は、均一の気体または液体で満たされた状態に保たれている。【選択図】  図１
2013062695.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第２の電極と間隙を介して対向して設けられた第１の電極を含む振動膜を夫々有する複数のセルを基板上に備え、前記第１の電極を振動させることによる弾性波の送信動作及び弾性波を受けて前記第１の電極が振動することによる弾性波の受信動作の少なくとも一方を行うことができる電気機械変換装置であって、
前記基板は、支持部材との間にスペーサー間隙が形成されるように、スペーサー手段を介して前記支持部材により支持され、
前記セルを備えた前記基板の面とは逆側の前記基板の裏面と、該裏面に対向した前記支持部材の面と、の間に前記スペーサー間隙が形成され、
前記スペーサー間隙内は、均一の気体または液体で満たされた状態に保たれていることを特徴とする電気機械変換装置。
【請求項２】
前記基板と前記支持部材の間のスペーサー間隙が、前記スペーサー手段と封止材により囲まれており、前記スペーサー間隙内に気体または液体が封入されていることを特徴とする請求項１に記載の電気機械変換装置。
【請求項３】
前記第１の電極または前記第２の電極に接続され前記基板の外周部と送受信動作のための電気信号をやりとりする配線が、送受信動作を行う単位となる夫々前記セルを含む複数のエレメントの間において、前記基板上に配置され、
前記配線を配置した前記基板の領域の裏側の前記基板の裏面の領域に、前記スペーサー手段が配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電気機械変換装置。
【請求項４】
前記基板に溝が形成されており、前記溝の縁に沿った前記基板の突出部が前記スペーサー手段の機能を有していることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の電気機械変換装置。
【請求項５】
前記支持部材に溝が形成されており、前記溝の縁に沿った前記支持部材の突出部が前記スペーサー手段の機能を有していることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の電気機械変換装置。
【請求項６】
前記気体または液体を前記スペーサー間隙内に注入するための注入穴と前記気体または液体を前記スペーサー間隙内から抜くための抜き穴を有していることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の電気機械変換装置。
【請求項７】
前記スペーサー間隙内の圧力を調整するための圧力弁を有していることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の電気機械変換装置。
【請求項８】
測定対象物への弾性波の送信及び測定対象物からの弾性波の受信の少なくとも一方を行う請求項１から７の何れか１項に記載の電気機械変換装置と、
前記電気機械変換装置からの送信信号の情報と受信信号の情報の少なくとも一方を用いて測定対象物の画像情報を生成する画像情報生成装置と、
を有することを特徴とする測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性波などの弾性波の送受信（本明細書で送受信と言う場合、送信と受信のうちの少なくとも一方を意味する）を行う静電容量型電気機械変換装置などの電気機械変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
弾性波の送受信を行う目的で、静電容量型弾性波トランスデューサであるCMUT（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer）が提案されている。CMUTは、半導体プロセスを応用したMEMS（Micro Electro Mechanical Systems）プロセスを用いて作製されたものである。図８は、アレイCMUTの断面とその接続を示した模式図である。図８において、１０１は振動膜、１０２は第１の電極（上部電極）、１０３は支持部、１０４は間隙、１０５は第２の電極（下部電極）、１０６は基板、１０７は絶縁膜、１０８、１０９は配線である。また、２００はセル、２０１はエレメント、３０１は直流電位印加手段、３０２は駆動検出手段である。振動膜１０１（通常数十ミクロン程度の大きさ）上に第１の電極１０２が形成され、その振動膜１０１は、基板１０６上に形成された支持部１０３により支持されて、基板１０６上に配置されている。基板１０６上には、第２の電極１０５が、振動膜１０１上に形成した第１の電極１０２と間隙１０４（通常数十nm〜数百nmの厚さ）を挟んで対向する位置に配置されている。
【０００３】
以下、基板１０６のCMUTが形成された面（図８で上側の面）をCMUT形成面、逆側の面（図８で下側の面）を裏面（CMUT非形成面）とも呼ぶ。振動膜１０１と間隙１０４を挟んで対向した第１及び第２の電極を１組としてセル２００と呼ぶ。第１の電極１０２と第２の電極１０５がそれぞれ電気的に接続された複数のセルを、CMUTが弾性波の送受信を行う単位としてエレメント２０１と呼ぶ。エレメント内の第１及び第２の電極は、それぞれエレメント外に設けられた配線１０８、１０９により、アレイCMUTの外側に引き出される。基板１０６の外周部まで引き出された配線１０８、１０９は、直流電位印加手段３０１と駆動検出手段３０２にそれぞれ接続されている。基板１０６上には絶縁膜１０７が配置され、基板１０６と配線が絶縁されているため、異なるエレメント２０１の配線同士も電気的に絶縁されている。直流電位印加手段３０１は、配線１０８を介して接続された第１の電極（上部電極）１０２に、直流電位を印加することができる。直流電位印加手段３０１により、第１の電極１０２を所定の電位とすることで、対向する第２の電極１０５との間に、所定の直流電位差ＶＢを発生させている。この電極間の所定の電位差ＶＢにより、弾性波を受けて電極間の距離が変化した時に、電極に誘導電流（電荷）が発生する。また、この電極間の所定の電位差ＶＢにより、電極間に静電引力が発生し、振動膜１０１は基板１０６側に撓んだ状態となる。これにより、電極間の距離が狭くなるので、CMUTの弾性波送受信動作時の送受信効率が高まる。
【０００４】
駆動検出手段３０２は、電極に交流電圧を印加する交流電圧印加手段と、電極に発生した電流を検出する電流検出手段の少なくとも一方を有している。そのため、駆動検出手段３０２は、配線１０９を介して接続された第２の電極（下部電極）１０５について、交流電位を印加したり、発生した電流を検出したりすることができる。印加した交流電圧により、２つの電極間に静電引力を発生させることで振動を発生し、弾性波を送信する動作を行うことができる。また、弾性波を受けて振動した振動膜の容量変化による電荷（電流）の変化を検出し、到達した弾性波の大きさを検出する動作を行うことができる。基板１０６は数百μmからmm程度の厚さなので、使用時の位置合わせや、機械的な強度を保つために、CMUT非形成面で支持部材１１０により支持されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Knight J, McLean J, andDegertekin F L, 2004 “Low temperature fabrication of capacitive micromachinedultrasonic immersion wave transducers on silicon and dielectric substrates”(IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr. 51 10 1324-1333)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
アレイCMUTで弾性波の送受信を行う場合、CMUTに到達した弾性波やCMUTから送信した弾性波で、基板１０６を支持する支持部材１１０内に進入するものが発生する。支持部材１１０内に進入したこれらの弾性波が、支持部材１１０内で反射して、更に基板１０６を介しCMUTまで到達すると、CMUTの受信信号にノイズとして検出されたり、CMUTから不要な弾性波が出力されたりする。これにより、アレイCMUTの送受信特性が劣化してしまうことがある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題に鑑みて、本発明の電気機械変換装置は、次の特徴を有する。この装置は、第２の電極と間隙を介して対向して設けられた第１の電極を含む振動膜を有するセルを基板上に備え、前記第１の電極の振動による弾性波の送信動作及び弾性波を受けて前記第１の電極が振動することによる弾性波の受信動作の少なくとも一方を行う。前記基板は、支持部材との間にスペーサー間隙が形成されるように、スペーサー手段（薄片など）を介して前記支持部材により支持されている。これにより、前記セルを備えた前記基板の面とは逆側の前記基板の裏面と、これに対向した前記支持部材の面と、の間に前記スペーサー間隙が形成される。そして、前記スペーサー間隙内は、均一の気体または液体で満たされた状態（すなわち一定の状態）に保たれている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の電気機械変換装置によれば、上記の如きスペーサー間隙が形成されているので、セルを配置した基板を支持する支持部材に進入する弾性波を低減することができるため、支持部材内で反射する弾性波による送受信特性の劣化が抑制される。特に、広帯域特性を有する静電容量型電気機械変換装置では、支持部材内で反射する弾性波（これは比較的高い周波数を有し易い）による送受信特性への影響が大きいので、送受信特性の劣化の抑制の効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１から第４の実施形態に係る電気機械変換装置を説明する図。
【図２−１】第５の実施形態に係る電気機械変換装置を説明する図。
【図２−２】第５の実施形態に係る電気機械変換装置を説明する図。
【図３】第６の実施形態に係る電気機械変換装置を説明する図。
【図４】第７の実施形態に係る電気機械変換装置を説明する図。
【図５】第８の実施形態に係る電気機械変換装置を説明する図。
【図６】第９及び第１０の実施形態に係る電気機械変換装置を説明する図で。
【図７】本発明の電気機械変換装置を用いた測定装置を説明する図。
【図８】従来の静電容量型電気機械変換装置を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について説明する。本発明で重要な点は、セルを配置した基板の面とは逆側の基板の裏面と、基板を支持する支持部材の対向面と、の間にスペーサー間隙を形成し、このスペーサー間隙内の流体（気体または液体）を一定の状態に保つことである。この考え方に基づき、本発明の電気機械変換装置は、課題を解決するための手段のところで述べた様な基本的な構成を有する。
【００１１】
以下、図面を用いて、本発明による電気機械変換装置の実施形態を詳細に説明する。ただし、本発明の電気機械変換装置は、以下の実施形態の具体的形態、寸法、材料、要素間の相対位置関係などに限られるものではなく、本発明の上記趣旨の範囲内で種々に変更、変形が可能である。また、構造的に可能であれば、以下の実施形態を適宜組み合わせることも可能である。例えば、図４の構造と図５の構造を組み合わせたり、図２−２の構造と図５の構造を組み合わせたりすることもできる。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１(a)に、第１の実施形態を示す模式斜視図を、図１(b)に、X-X’での断面の模式図を示す。２００はセル、２０１はエレメント、１０６は基板、１１０は支持部材、１１１はスペーサー手段であるスペーサー（ここでは薄片）、１１２はスペーサー間隙である。尚、図１(a)では、エレメント２０１に接続された配線１０８、１０９は、図示していない。CMUTのエレメント２０１は、基板１０６上に配置（形成）されている。CMUTが形成された基板１０６は、スペーサー１１１を介して、支持部材１１０により支持されている。このスペーサー１１１を用いる構造にすることで、基板１０６の裏面と、これに対向した支持部材１１０の対向面と、の間に、スペーサー間隙１１２が形成される。スペーサー間隙１１２内は、間隙内の流体（気体または液体）を一定の状態に保つことのできる構造となっている。本明細書中では、スペーサー間隙内が均一の流体（気体または液体）で満たされた状態であることを、一定の状態に保たれている状態と定義する。この様に、本実施形態では、第２の電極１０５と間隙１０４を介して対向して設けられた第１の電極１０２を含む振動膜を夫々有する複数のセル２００を基板１０６上に備え、送信動作及び受信動作の少なくとも一方を行うことができる。そして、一定の状態に保たれているスペーサー間隙１１２が、セルないしエレメントを備えた基板１０６の面とは逆側の基板の裏面と、該裏面に対向した支持部材１１０の面と、の間に形成されている。
【００１３】
ここで、CMUTを配置した基板１０６の垂直方向（CMUT形成面側）から、基板１０６内に弾性波が進入した場合を考える。弾性波は、基板１０６の深さ方向に伝わり、基板１０６の裏面（CMUT非形成面）に到達する。基板１０６の裏面（CMUT非形成面）に到達した弾性波は、その面で反射する弾性波と、その面に接する部材内に透過する弾性波に分かれる。基板１０６の裏面（CMUT非形成面）の音響インピーダンスZ0と、それに面する部材の音響インピーダンスZ1の差が大きいと、CMUT非形成面で反射する割合Rが大きくなる。この割合Rは、以下の式（１）で表すことができる。
R＝（Z1−Z0）／（Z0＋Z1）・・・式（１）
【００１４】
また、基板裏面の音響インピーダンスZ0と、それに接する部材の音響インピーダンスZ1の差が小さいと、裏面に接する部材の内部に進入（透過）する割合Tが大きくなる。この割合Tは、以下の式（２）で表すことができる。
T＝２×Z1／（Z0＋Z1）・・・式（２）
この部材に進入した弾性波は、部材の内部で反射して、基板１０６内に一部が戻ってくる。基板１０６内に戻ってきた弾性波は、基板１０６上に配置したCMUTに到達し、送受信ノイズとなる。こうして、送受信特性を劣化させる要因となる。
【００１５】
本実施形態では、CMUTを形成する基板１０６には、シリコンやガラス基板が用いられる。音響インピーダンスは、単結晶シリコンで２０[MRayl]程度、ガラスでは１０〜２０[MRayl]程度である。一方、基板裏面に接する部材である流体の音響インピーダンスは、２[MRayl]以下である。本発明では、基板１０６の裏面（CMUT非形成面）に接する部材として流体を用いており、この音響インピーダンスは、基板１０６の音響インピーダンスに比べて小さな値を持つ。よって、基板１０６に進入した弾性波は、大部分がCMUT非形成面で反射して、CMUT裏面以降の（すなわち図１の各部の下側に配置された）部材に殆ど伝わらない。そのため、裏面（CMUT非形成面）以降の部材内での反射によりCMUTに戻ってくる弾性波を小さくすることができる。すなわち、裏面以降の部材内での反射波によるCMUTの送受信特性劣化を少なくすることができる。
【００１６】
本実施形態のスペーサー１１１は、金属、樹脂などにより容易に構成することができる。スペーサー１１１は、基板１０６の裏面（CMUT非形成面）と支持部材１１０の間に、接着剤などを介して、固定されている。このスペーサー１１１の高さは、裏面（CMUT非形成面）と支持部材１１０の間隙を規定している。この間隙の高さは、裏面（CMUT非形成面）で確実に弾性波を反射させる観点から、使用する上限周波数の波長（最小波長）に比べ或る程度以上の割合となっている必要がある。具体的には、スペーサー１１１の高さは、使用する上限周波数の波長の長さの16分の1以上であることが望ましい。また、スペーサー１１１を用いることにより、基板１０６の裏面（CMUT非形成面）に接する固体の面積を最小限に止めることができるため、裏面（CMUT非形成面）から支持部材１１０に伝わる弾性波を低減することができる。すなわち、もしスペーサー１１１の部分から支持部材１１０に弾性波が進入し、支持部材１１０内で反射しても、基板１０６に戻ってくる量を最小限に抑えることができる。また、本実施形態では、スペーサー１１１を用いて、基板１０６と支持部材１１０の間にスペーサー間隙１１２を形成する構造となっている。スペーサー１１１を用いることで、スペーサー間隙１１２を容易に形成することができ、更にスペーサー間隙１１２の高さを正確に規定することができる。また、基板１０６を支持部材１１０により面全体で支持する構成に比べて、基板１０６と支持部材１１０との熱膨張率の差などによる反りの発生を低減できる構成となっている。
【００１７】
本実施形態で、スペーサー間隙１１２内の流体の状態を一定の状態に保つには、図１(c)の模式図で示したように、スペーサー間隙１１２をスペーサー１１１と封止材１１３で囲んで、スペーサー間隙１１２を封止するという方法がある。こうして、スペーサー間隙内に気体または液体が封入される。封止材１１３は、エポキシ樹脂系接着剤をはじめとする接着剤を用いることができる。それ以外にも、金属、ゴム、その他の合成樹脂など、スペーサー間隙１１２内の流体を一定の状態に保持できるものであれば、用いることができる。
【００１８】
本実施形態での基板１０６の厚さは、基板１０６に進入した弾性波が基板１０６の裏面（CMUT非形成面）で反射する際の周波数等を考慮して決めることができる。基板１０６内での弾性波の波長λが基板厚さtの整数倍になると、送受信特性に影響を与えやすくなるので、基板厚さtは、使用する周波数帯域の上限の波長（最小波長）の長さλを考慮して決めるのがよい。そのため、用いる周波数が高くなるほど、薄い厚さの基板１０６を用いることになる。例えば、基板内の音速が6000(m/sec)で、使用する周波数の上限が10MHzとすると、基板１０６の厚さtは、300μm以下にする必要がある。更に、高い周波数15MHzで用いる場合には、より薄い200μm以下の基板１０６の厚tにする必要がある。
【００１９】
本実施形態では、スペーサー１１１を用いて、基板１０６を支持部材１１０で支える構造になっている。そのため、基板厚の薄い基板１０６を用いた場合でも、支持部材１１０とスペーサー１１１により、基板１０６の機械的強度を保つことができる。よって、基板１０６をスペーサーで支持している部分に外力がかかっても機械的な変形が起こりにくく、基板上のCMUTの送受信特性が変化し難い静電容量型電気機械変換装置を提供することが出来る。また、図１(c)の構造では、封止部材１１３により、基板１０６と支持部材１１０との間のスペーサー間隙１１２内の流体を一定の状態に保つ構造としている。そのため、アレイCMUT周辺で用いることがあるジェルや油などがスペーサー間隙１１２内に進入することがなくなる。これにより、基板１０６の裏面（CMUT非形成面）に接する物質の状態を変化することなく一定に保つことができ、使用する環境により送受信特性が影響を受け難い電気機械変換装置を提供できる。本実施形態の支持部材１１０は、プリント基板（ＰＷＢ、ＰＣＢ）やフレキシブル基板（ＦＰＣ）、樹脂材料、金属材料、ガラスなど、基板１０６を支持することができるものであれば、使用することができる。
【００２０】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態を説明する。第２の実施形態は、スペーサー間隙１１２内の流体に関する。それ以外は、第１の実施形態と同じである。本実施形態では、スペーサー間隙１１２内の流体が気体であることが特徴である。まず、スペーサー間隙１１２内の流体が、大気圧に対して減圧した状態である構成を説明する。大気圧に対して減圧することで、スペーサー間隙１１２内の音響インピーダンスZgを、基板１０６の音響インピーダンスZ0に比べて、５桁以下（１０の５乗分の１以下）の値まで小さくすることができる。減圧の程度としては、大気圧以下であれば幾らでもよい。電気機械変換装置全体を真空ポンプ等で減圧し、スペーサー間隙１１２を封止することで容易に一定の状態に保持することができる。この様に、本実施形態では、スペーサー間隙１１２内を、大気圧に対して減圧した状態に保持している。そのため、基板１０６の裏面（CMUT非形成面）以降に配置した支持部材１１０内で反射する弾性波による送受信特性劣化がより少ない電気機械変換装置を提供することが出来る。
【００２１】
本実施形態の変形例として、スペーサー間隙１１２内に気体を充填する構成がある。充填する気体には、窒素、アルゴン、炭酸ガス、空気など気体であれば用いることができるが、不活性なガスであればなお望ましい。スペーサー間隙１１２内への気体の保持の仕方としては、ガスの雰囲気中で封止部材１１３を用いて封止を行うことで、容易に一定の状態に保持できる。スペーサー間隙１１２内に気体を封止することで、基板１０６の音響インピーダンスZgと比べて、気体の音響インピーダンスは５桁程度低い値を有するので、基板１０６の裏面（CMUT非形成面）で弾性波をカットしやすい。また、減圧する構成に比べて、より容易に封止を行え、更に、封止する構成も簡単なものにでき、信頼性の高い構成にすることができる。また、スペーサー間隙１１２に気体が充填されているので、基板１０６に外力が加わった時でも、基板１０６の撓みが起こりにくく、基板撓みによる送受信特性への影響が出難い。
【００２２】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態を説明する。第３の実施形態は、スペーサー間隙１１２内の流体に関する。それ以外は、第１の実施形態と同じである。本実施形態では、スペーサー間隙１１２内の流体が液体であることが特徴である。液体を用いることで、スペーサー間隙１１２内の音響インピーダンスZｇを基板１０６の値より１０分の１程度まで低くすることができる。液体としては、水、油など、液体であれば用いることができる。保持の仕方としては、スペーサー間隙１１２内部に液体を充填した後、封止部材１１３を用いて封止する方法がある。また、常にスペーサー間隙１１２内に液体が満たされる構造となっている機構を用いることもできる。
【００２３】
本実施形態では、スペーサー間隙１１２内を、液体が充満した状態に保持している。そのため、スペーサー間隙１１２内を気体で封止した場合（第２の実施形態）に比べて、環境温度が変化した際の流体の体積変化が小さい。よって、環境温度が変化した場合にも、流体から基板１０６に応力がかかり難い。また、スペーサー間隙１１２内の液体は自由に動けるため、スペーサー間隙１１２内を樹脂などで充満して固定してしまう場合に比べて、基板１０６や支持部材１１０と樹脂との熱膨張係数の違いによる応力などが発生し難い。そのため、基板１０６の裏面（CMUT非形成面）以降に配置した支持部材１１０内で反射する弾性波による送受信特性の劣化が少なく、環境温度の変化によって基板１０６が変形し難い電気機械変換装置を提供することが出来る。
【００２４】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態を説明する。第４の実施形態は、スペーサー１１１を配置する領域に関する。それ以外は、第１から第３の何れかの実施形態と同じである。本実施形態は、エレメント２０１を配置した領域の基板裏側（CMUT非形成面）にスペーサー１１１を配置しないことが特徴である。図１(b)からも分かるように、基板１０６の厚さ方向から見て、スペーサー１１１を配置する領域は、エレメント２０１を配置した領域と重ならないように配置されている。そのため、エレメント２０１を配置した領域の基板裏側には、スペーサー間隙１１２に充填した流体が必ず接する構成になっている。ここで、スペーサー１１１を介して支持部材１１０に弾性波が進入し、内部で反射して、再びスペーサー１１１を介して基板１０６内に戻って弾性波があるとする。しかし、基板１０６の厚さ方向から見て、スペーサー１１１上にはエレメント２０１は配置されていないので、再び基板１０６に戻ってきた弾性波がエレメントのCMUT送受信特性に影響を与える割合を減らすことができる。
【００２５】
以上の様に、本実施形態では、エレメント２０１を配置していない基板１０６領域の裏面（CMUT非形成面）にスペーサー１１１を備えている。そのため、基板１０６の裏面（CMUT非形成面）以降に配置した支持部材１１０内で反射する弾性波による送受信特性劣化がより少ない電気機械変換装置を提供できる。
【００２６】
（第５の実施形態）
次に、図２−１と図２−２を用いて、第５の実施形態を説明する。第５の実施形態は、スペーサー１１１を配置する領域に関する。それ以外は、第４の実施形態と同じである。本実施形態は、エレメント２０１外に設けられた配線１０８、１０９を配置している領域の基板裏面（CMUT非形成面）に、スペーサー１１１を備えていることが特徴である。
【００２７】
図２−１(a)は、本実施形態を説明する断面の模式図である。アレイCMUTでは、エレメント２０１と直流電位印加手段３０１、駆動検出手段３０２を接続させるために、配線１０８、１０９が用いられている（図８参照）。これらの配線１０８、１０９を配置するために、エレメント２０１は基板１０６上において一定の間隔をあけて配置されている。本実施形態によると、この配線１０８、１０９を配置した領域２０２の裏面（CMUT非形成面）に、スペーサー１１１が配置されている。つまり、基板１０６の厚さ方向から見て、スペーサー１１１を配置した領域が、エレメント２０１を配置した領域に含まれない構成となっている。そのため、スペーサー１１１を介して支持部材１１０から基板１０６に戻ってきた弾性波があるとしても、CMUTの送受信特性に影響を与える割合を減らすことができる。また、スペーサー１１１を、CMUTアレイ内に複数分散して配置できるため、同時に基板１０６を支持する強度を高めることができ、外力に対してより強い構成とできる。この様に、本実施形態では、第１の電極または第２の電極に接続され、基板１０６の外周部と送受信動作のための電気信号をやりとりする配線が、送受信動作を行う単位となる夫々セルを含む複数のエレメントの間において、基板上に配置される。そして、配線を配置した基板１０６の領域の裏側の基板の裏面の領域に、スペーサー手段であるスペーサー１１１が配置されている。
【００２８】
本実施形態の変形例として、エレメント２０１の配置間隔と同じ間隔またはその複数倍の間隔で（ただし、ずれている）、ライン状のスペーサー１１１を複数並べる構成を取ることができる。図２−１(b)は、ライン状のスペーサー１１１を説明する模式図であり、図２−１(c)はX-X’断面の模式図である。図２−１(b)では、スペーサー１１１の構造が確認し易いように、基板１０６と支持部材１１０を分離して記載している。エレメント２０１は、等間隔に２次元に配置されており、その配線１０８、１０９が一方向に引き出されている（図２−１(b)では、不図示）。ライン状のスペーサー１１１は、エレメント２０１の間に配置された配線領域の基板裏面に、エレメントの配置間隔と同じ間隔を持って配置されている。本実施形態では、ライン状のスペーサー１１１を用いることで、一列にスペーサー間隙１１２が並んでいる構成となっている。このスペーサー間隙１１２の一方向から、流体（特に液体）を充填することで、既に間隙に存在している流体を押し出しながら、充填したい流体でスペーサー間隙全体を満たすことができる。言い換えると、他の流体が（例えば、液体の内部に気体などが）スペーサー間隙内に残留することなく、スペーサー間隙の内部を所望の流体で容易に満たすことができる流体のガイド機能を、スペーサー１１４が兼ねられる。これにより、スペーサー間隙１１２へ流体を充填するガイド機能を有しており、且つ支持部材１１０内で反射する弾性波による送受信特性劣化がより少なく、外力に対してより基板１０６が変形し難い電気機械変換装置を提供できる。
【００２９】
また、図２−２(d)、(e)で示すように、ライン状のスペーサー１１１が、エレメント２０１の配置間隔の整数倍の間隔で配置される構成を取ることもできる。これにより、用いるスペーサー１１１の本数を減らしながら、基板１０６の支持強化機能とスペーサー間隙１１２内への流体充填ガイド機能を両立させることができる。
【００３０】
（第６の実施形態）
次に、図３を用いて、第６の実施形態を説明する。第６の実施形態は、スペーサー１１１に関する。それ以外は、第４または第５の実施形態と同じである。図３は、本実施形態のスペーサー１１１を説明する図であり、スペーサー１１１の構造が確認し易いように、基板１０６と支持部材１１０を分離して記載している。図３の基板１０６上には、２次元に配置したエレメント２０１のみを記載しているが、エレメントからの配線も備えている。本実施形態は、スペーサー１１１が封止部材１１３を兼ねることを特徴としている。スペーサー１１１の形状が、基板１０６の裏面（CMUT非形成面）の外周部に沿うようになっている。そのため、或る流体の雰囲気下で、支持部材１１０に予め固定（例えば、接着）したスペーサー１１１に、基板１０６を固定（例えば、接着）することで、容易にスペーサー間隙１１２内に流体を封止することができる。また、スペーサー１１１自体に接着効果を持った樹脂などを用いることで、流体を封止する工程をより簡略化できる。この樹脂に、熱硬化樹脂、ＵＶ硬化樹脂などを用いることで、この構成が簡単に実現できる。
【００３１】
本実施形態では、スペーサー１１１が封止部材１１３（図１(c)参照）を兼ねているので、構成要素が少なく、且つ支持部材１１０内で反射する弾性波による送受信特性劣化が少ない電気機械変換装置を提供できる。
【００３２】
（第７の実施形態）
次に、図４を用いて、第７の実施形態を説明する。第７の実施形態は、スペーサー手段であるスペーサー１１１の形態に関する。それ以外は、第１から第６の何れかの実施形態と同じである。図６で、１１５は、スペーサー構造ないし手段を有した基板である。本実施形態は、CMUTを配置する基板１１５の裏面（CMUT非形成面）の一部がスペーサー構造となっていることが特徴である。
【００３３】
基板１１５の裏面（CMUT非形成面）に、溝１１６が形成されており、溝１１６がなく溝１１６の縁に沿った突出部はスペーサー手段として機能するようになっている。この溝１１６は、MEMS技術を用いたドライエッチングやウェットエッチングにより容易に形成することができる。また、機械加工技術を用いて形成することもできる。本実施形態では、基板１１５がスペーサー手段の機能を兼ねているため、構成する部品を減らすことができる。また、基板１１５に溝１１６を形成してスペーサー間隙１１２を形成するので、CMUT形成面から裏面（CMUT非形成面）までの高さを、基板１１５の厚さ精度で規定することができる。そのため、支持部材１１０表面と基板１１５表面の高さを正確に規定することができ、支持部材１１０表面に対するCMUT表面の高さズレが出難い構成となっている。また、基板１１５にシリコンを用いた場合は、基板１１５が熱を支持部材１１０に伝導させやすくなるので、エレメント部分や配線部分が発熱した場合でも、熱を逃がしやすい構成となり、発熱が送受信特性に影響を与え難い。
【００３４】
以上の様に、本実施形態では、CMUTを配置する基板の裏面（CMUT非形成面）がスペーサー構造となっている。そのため、支持部材１１０に対するCMUT面の高さズレが小さく、且つ支持部材１１０内で反射する弾性波による送受信特性劣化が少ない電気機械変換装置を提供できる。
【００３５】
（第８の実施形態）
次に、図５を用いて、第８の実施形態を説明する。第８の実施形態は、スペーサー１１１の形態に関する。それ以外は、第１から第７の何れかの実施形態と同じである。図５で、１１７は、スペーサー構造ないし手段を有した支持部材である。支持部材１１７には、表面に溝１１８が形成されており、溝１１８が形成されていない面（すなわち、溝１１８の縁に沿った支持部材の突出部）で、CMUTを備えた基板１０６を支える構造となっている。この溝１１８は、支持部材１１７を成形して作製する場合は、型を用いて容易に作製することができる。また、支持部材１１７の表面を機械加工して溝１１８を作製してもよい。
【００３６】
本実施形態では、支持部材１１７がスペーサー手段の機能を兼ねているため、構成する部品を減らすことができる。また、支持部材１１７に溝１１８を形成してスペーサー間隙１１２を形成するので、CMUT形成面から裏面（CMUT非形成面）までの高さを、基板１０６の厚さ精度で規定することができる。そのため、支持部材１１７表面と基板１０６表面の高さを正確に規定することができ、支持部材１１７表面に対するCMUT表面の高さズレが出難い構成となっている。また、基板１０６にシリコンを用いた場合は、基板１０６が熱を支持部材１１０に伝導させやすくなるので、エレメント部分や配線部分が発熱した場合でも、熱を逃がしやすい構成となり、発熱が送受信特性に影響を与え難い。また、支持部材１１７に溝１１８を形成するので、第７の実施形態のように基板１１５にスペーサー機能を持たせる場合に比べて、比較的溝を深くしやすく、広いスペーサー間隙１１２を容易に形成することができる。そのため、スペーサー間隙１１２への流体の充填を容易にすることができ、より簡単な工程で作製できる。
【００３７】
以上の様に、本実施形態では、CMUTを配置する基板１０６の支持部材１１７がスペーサー構造を有している。そのため、支持部材１１７に対するCMUT面の高さズレが小さく、且つ支持部材１１７内で反射する弾性波による周波数特性劣化が少ない電気機械変換装置を提供できる。
【００３８】
（第９の実施形態）
次に、図６(a)を用いて、第９の実施形態を説明する。第９の実施形態は、封止の形態に関する。それ以外は、第１から第８の何れかの実施形態と同じである。図６(a)で、１２１は流体の注入孔、１２２は流体の抜き穴である。本実施形態では、スペーサー間隙１１２が、流体の注入穴１２１と流体の抜き穴１２２以外で、覆われている。スペーサー間隙１１２に流体を注入する際には、流体の注入穴１２１から流体をスペーサー間隙１１２内に流し込む。この際、既にスペーサー間隙１１２にあった流体は、流体の抜き穴１２２からスペーサー間隙１１２の外部に押し出されていく。スペーサー間隙１１２を所望の流体で充填した後、注入穴１２１と抜き穴１２２を封止して、スペーサー間隙１１２内の流体の状態を一定に保つようにすることもできる。
【００３９】
本実施形態では、スペーサー間隙１１２に注入する入り口（１２１）と、間隙から抜け出る出口（１２２）を分けて設けているため、スペーサー間隙１１２内にあった流体の残存なく、スペーサー間隙１１２内への流体の充填を行うことができる。また、封止する場合は、封止する領域が少なくて済むため、より簡易な工程で、スペーサー間隙１１２の封止を行うことができる。以上の様に、本実施形態は、気体または液体をスペーサー間隙内に注入するための注入穴１２１と気体または液体をスペーサー間隙内から抜くための抜き穴１２２を有している。そのため、スペーサー間隙１１２内への流体の確実な充填を容易な方法で行うことができ、且つ支持部材１１０内で反射する弾性波による送受信特性劣化が少ない電気機械変換装置を提供できる。
【００４０】
（第１０の実施形態）
次に、図６(b)を用いて、第１０の実施形態を説明する。第１０の実施形態は、封止の形態に関する。それ以外は、第１から第９の何れかの実施形態と同じである。図６(b)で、１２３は弁である。本実施形態では、スペーサー間隙１１２と外部との間に、弁１２３が設けられていることが特徴である。この弁１２３は、スペーサー間隙１１２内の圧力が一定の大きさを越えると、スペーサー間隙内の流体を間隙外部に放出する機能を有しており、弁１２３があることにより、スペーサー間隙内の圧力が一定値以上になることがない。環境温度の変化などにより流体が膨張し、スペーサー間隙１１２内の圧力が上昇しすぎ、基板１０６に応力が掛かることがあり得る。しかし、スペーサー間隙内の圧力を調整するための圧力弁１２３の存在によりスペーサー間隙内の圧力がほぼ一定値に保たれ、CMUTの送受信特性が変化することを防ぐことができる。
【００４１】
弁１２３は、スペーサー間隙１１２内の圧力が一定値以上になると弁が開き、スペーサー間隙１１２内の圧力を下げることができるものであれば、用いることができ、MEMS技術を用いて作製した圧力弁などを用いてもよい。その場合、CMUTを形成した基板１０６内に、MEMSの圧力弁を一体化して作りこむこともでき、その場合、構成要素を減らすことができる。以上の様に、本実施形態は、スペーサー間隙１１２内の圧力の上限を調整する弁１２３を有しているため、流体の体積変化によって送受信特性が受ける影響を減らすことができる。よって、スペーサー間隙１１２内の圧力変化による送受信特性への影響が少なく、且つ支持部材１１０内で反射する弾性波による送受信特性劣化が少ない電気機械変換装置を提供できる。
【００４２】
（第１１の実施形態）
次に、図７(a)を用いて第１１の実施形態を説明する。第１１の実施形態は、第１から第１０の実施形態の何れかに記載の電気機械変換装置を用いた超音波測定装置に関する。図７(a)において、４０２は測定対象物、４０３は静電容量型電気機械変換装置、４０４は画像情報生成装置、４０５は画像表示器である。また、５０１、５０２は超音波、５０３は超音波送信信号情報、５０４は超音波受信信号、５０５は再現画像情報、４００は超音波測定装置である。
【００４３】
電気機械変換装置４０３から測定対象物４０２に向かって出力された超音波５０１は、測定対象物４０２の表面で、その界面での固有音響インピーダンスの差により、反射する。反射した超音波５０２は、電気機械変換装置４０３で受信され、受信信号の大きさや形状、時間の情報が超音波受信信号５０４の情報として画像情報生成装置４０４に送られる。一方、電気機械変換装置４０３から、送信超音波の大きさや形状、時間の情報が超音波送信信号情報５０３として、画像情報生成装置４０４に送られている。画像情報生成装置４０４では、超音波受信信号５０４と超音波送信信号情報５０３を基に、測定対象物４０２の画像信号を生成して再現画像情報５０５として送り、画像表示器４０５で表示される。
【００４４】
本実施形態の電気機械変換装置４０３には、上記実施形態の何れかに記載したCMUTが用いられている。これにより、支持部材１１０内で反射する超音波による送受信特性劣化が少ないため、良好な特性を持つ送受信動作を行うことができる。よって、測定対象物４０２で反射した超音波５０２のより正確な情報を得ることができるため、測定対象物４０２の画像をより正確に再現することができる。尚、本実施形態は、上記の構成に限ったものではなく、図７(b)で示すように、別の超音波送信器（弾性波送信器）４０１と、本発明の電気機械変換装置４０３の両方を組み合わせた構成にしてもよい。
【００４５】
本明細書中では、配線１０８により、エレメントの第１の電極（上部電極）１０２を直流電位印加手段３０１と接続し、配線１０９により、エレメントの第２の電極（下部電極）１０５を駆動検出手段３０２と接続した構成で説明している。本発明は、この構成に限ったものでなく、第１の電極（上部電極）１０２を駆動検出手段３０２に、第２の電極（下部電極）１０５を直流電位印加手段３０１と接続した構成にも適用できる。また、本明細書中では、基板１０６上に絶縁膜１０７を配置した構成で説明したが、本発明はこれに限ったものではない。基板１０６上の絶縁膜１０７が一部の領域内にある構成や、基板１０６に低抵抗を用いて基板１０６が第２の電極１０５の機能を有する構成にも適用できる。
【符号の説明】
【００４６】
１０１・・振動膜、１０２・・第１の電極（上部電極）、１０４・・間隙、１０５・・第２の電極（下部電極）、１０６・・基板、１１０・・支持部材、１１２・・スペーサー間隙、２００・・セル
【図１】
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【図２−１】
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【図２−２】
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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】
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