(57)【要約】【課題】距離分解能を向上させることができる超音波デバイス、超音波モジュール、及び超音波測定装置を提供することを目的とする。【解決手段】超音波デバイス２２は、振動膜４１２を有し、振動膜４１２の第一面４１２Ａ側から超音波を送信する超音波トランスデューサー４５と、振動膜４１２の第一面４１２Ａ側に設けられた音響整合層４３と、音響整合層４３の振動膜４１２とは反対側に設けられた音響レンズ４４と、を備え、音響整合層４３は、第一層４３１と、第一層４１３及び音響レンズ４４よりも音響インピーダンスが小さい第二層４３２とを含む偶数層で構成され、振動膜４１３から音響レンズ４４に向かって、第一層４３１及び第二層４３２が順に配置され、第一層４３１及び第二層４３２は、超音波の波長をλとしてλ／４の奇数倍の厚みを有する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動膜を有し、前記振動膜の第一面側から超音波を送信する超音波トランスデューサーと、
前記振動膜の前記第一面側に設けられた音響整合層と、
前記音響整合層の前記振動膜とは反対側に設けられた音響レンズと、を備え、
前記音響整合層は、第一層と、前記第一層及び前記音響レンズよりも音響インピーダンスが小さい第二層と、を含む偶数層で構成され、前記振動膜から前記音響レンズに向かって前記第一層及び前記第二層が順に配置され、
前記第一層及び前記第二層は、前記超音波の波長をλとしてλ／４の奇数倍の厚みを有する
ことを特徴とする超音波デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波デバイスにおいて、
前記音響整合層は、前記第一層及び前記第二層をそれぞれ一層ずつ有する
ことを特徴とする超音波デバイス。
【請求項３】
振動膜を有し、前記振動膜の第一面側から超音波を送信する超音波トランスデューサーと、
前記振動膜の前記第一面側に設けられた音響整合層と、
前記音響整合層の前記振動膜とは反対側に設けられた音響レンズと、を備え、
前記音響整合層は、前記音響レンズよりも音響インピーダンスが小さく、前記超音波の波長をλとしてλ／２の整数倍の厚みを有する
ことを特徴とする超音波デバイス。
【請求項４】
請求項３に記載の超音波デバイスにおいて、
前記音響整合層と前記音響レンズとの間に配置された中間層を備え、
前記中間層は、前記音響整合層よりも音響インピーダンスが大きい第一中間層と、前記第一中間層及び前記音響レンズよりも音響インピーダンスが小さい第二中間層と、を含む偶数層で構成され、前記振動膜から前記音響レンズに向かって前記第一中間層及び前記第二中間層が順に配置され、
前記第一中間層及び前記第二中間層は、λ／４の奇数倍の厚みを有する
ことを特徴とする超音波デバイス。
【請求項５】
請求項４に記載の超音波デバイスにおいて、
前記中間層は、前記第一中間層及び前記第二中間層をそれぞれ一層ずつ有する
ことを特徴とする超音波デバイス。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超音波デバイスにおいて、
前記振動膜は、平面状の前記第一面を有し、
前記音響整合層の前記振動膜側の面及び前記音響レンズ側の面、並びに、前記音響レンズの前記音響整合層側の面が、前記第一面に平行である
ことを特徴とする超音波デバイス。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の超音波デバイスにおいて、
前記超音波トランスデューサーは、前記振動膜の前記第一面とは反対側の第二面側に設けられた圧電素子を備える
ことを特徴とする超音波デバイス。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の超音波デバイスにおいて、
前記超音波トランスデューサーは、前記振動膜を支持する基板を有し、
前記基板は、前記振動膜に閉塞され、前記振動膜とは反対側で開口する開口部を有し、
前記音響整合層の少なくとも一部が、前記開口部内に配置されている
ことを特徴とする超音波デバイス。
【請求項９】
請求項８に記載の超音波デバイスにおいて、
前記基板の前記音響レンズ側に配置され、前記音響整合層の厚みを調整する調整部材を備える
ことを特徴とする超音波デバイス。
【請求項１０】
振動膜を有し、前記振動膜の第一面側から超音波を送信する超音波トランスデューサーと、
前記振動膜の前記第一面側に設けられた音響整合層と、
前記音響整合層の前記振動膜とは反対側に設けられた音響レンズと、を備える超音波デバイスと、
前記超音波デバイスが設けられる回路基板と、を備え、
前記音響整合層は、第一層と、前記第一層及び前記音響レンズよりも音響インピーダンスが小さい第二層と、を含む偶数層で構成され、前記振動膜から前記音響レンズに向かって前記第一層及び前記第二層が順に配置され、
前記第一層及び前記第二層は、前記超音波の波長をλとしてλ／４の奇数倍の厚みを有する
ことを特徴とする超音波モジュール。
【請求項１１】
振動膜を有し、前記振動膜の第一面側から超音波を送信する超音波トランスデューサーと、
前記振動膜の前記第一面側に設けられた音響整合層と、
前記音響整合層の前記振動膜とは反対側に設けられた音響レンズと、を備える超音波デバイスと、
前記超音波デバイスが設けられる回路基板と、を備え、
前記音響整合層は、前記音響レンズよりも音響インピーダンスが小さく、前記超音波の波長をλとしてλ／２の整数倍の厚みを有する
ことを特徴とする超音波モジュール。
【請求項１２】
振動膜を有し、前記振動膜の第一面側から超音波を送信する超音波トランスデューサーと、
前記振動膜の前記第一面側に設けられた音響整合層と、
前記音響整合層の前記振動膜とは反対側に設けられた音響レンズと、を備える超音波デバイスと、
前記超音波デバイスを制御する制御部と、を備え、
前記音響整合層は、第一層と、前記第一層及び前記音響レンズよりも音響インピーダンスが小さい第二層と、を含む偶数層で構成され、前記振動膜から前記音響レンズに向かって前記第一層及び前記第二層が順に配置され、
前記第一層及び前記第二層は、前記超音波の波長をλとしてλ／４の奇数倍の厚みを有する
ことを特徴とする超音波測定装置。
【請求項１３】
振動膜を有し、前記振動膜の第一面側から超音波を送信する超音波トランスデューサーと、
前記振動膜の前記第一面側に設けられた音響整合層と、
前記音響整合層の前記振動膜とは反対側に設けられた音響レンズと、を備える超音波デバイスと、
前記超音波デバイスを制御する制御部と、を備え、
前記音響整合層は、前記音響レンズよりも音響インピーダンスが小さく、前記超音波の波長をλとしてλ／２の整数倍の厚みを有する
ことを特徴とする超音波測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波デバイス、超音波モジュール、及び超音波測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、振動膜と、振動膜を振動させる振動子として、振動膜上に設けられた圧電素子と、を備える圧電デバイスが知られている（例えば特許文献１）。この圧電デバイスは、圧電素子を駆動させ振動膜を振動させることにより超音波を送信し、超音波による振動膜の振動を、圧電素子を用いて検出することにより超音波を受信する。
【０００３】
特許文献１に記載の圧電デバイスは、さらに振動膜上に設けられた音響整合層と、音響整合層上に設けられ、測定対象である生体と近い音響インピーダンスを有する音響レンズと、を備えている。この圧電デバイスは、音響レンズを生体等の測定対象に当接させた状態で、超音波を送受信する。例えば、圧電素子の駆動によって送信された超音波は、音響整合層及び音響レンズを伝播した後、音響レンズの表面から生体内に出力される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１９５３５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、上述のように、音響整合層と、音響レンズとを積層する構成では、振動子から送信された超音波のうちの一部（以下、第一波とも称する）が、音響レンズから測定対象に出力され、他の一部が、音響整合層と音響レンズとの界面で反射される場合がある。この場合、界面で反射された界面反射波が、振動子において音響レンズ側に反射され、音響レンズから生体に出力されることにより、距離分解能が低下するおそれがある。
【０００６】
すなわち、界面反射波は、第一波に対して音響整合層の厚みに応じた時間だけ遅延して測定対象に出射される。このため、測定対象で反射された第一波と、測定対象で反射された界面反射波とが、異なるタイミングで検出される。この場合、圧電デバイスで超音波を受信した際に出力される受信信号は、第一波に対応するピーク以外にも、界面反射波に対応するピークが検出される、所謂、尾引きが発生し、距離分解能が低下するとの課題がある。
【０００７】
本発明は、距離分解能を向上させることができる以下の形態又は適用例として、超音波デバイス、超音波モジュール、及び超音波測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一適用例に係る超音波デバイスは、振動膜を有し、前記振動膜の第一面側から超音波を送信する超音波トランスデューサーと、前記振動膜の前記第一面側に設けられた音響整合層と、前記音響整合層の前記振動膜とは反対側に設けられた音響レンズと、を備え、前記音響整合層は、第一層と、前記第一層及び前記音響レンズよりも音響インピーダンスが小さい第二層と、を含む偶数層で構成され、前記振動膜から前記音響レンズに向かって前記第一層及び前記第二層が順に配置され、前記第一層及び前記第二層は、前記超音波の波長をλとしてλ／４の奇数倍の厚みを有することを特徴とする。
【０００９】
本適用例では、音響整合層は、振動膜側から第一層及び第二層が順に配置され、偶数の層により構成されている。これら第一層及び第二層の各層は、超音波トランスデューサーから送信される超音波をλとしてλ／４の奇数倍の厚みを有する。また、第二層は、第一層及び音響レンズよりも音響インピーダンスが小さい。すなわち、本適用例では、音響整合層は、偶数層で構成されており、各層における隣接する層に対する音響インピーダンスの関係は、振動膜から音響レンズに向かって大、小の順となっている。
このような構成では、音響整合層と音響レンズとの界面や、音響整合層間の界面で界面反射波が生じたとしても、当該界面反射波が、上述のように第一波に遅延して音響レンズから測定対象に出射されることを抑制でき、距離分解能を向上させることができる。
つまり、音響インピーダンスが大きい第一媒質から、音響インピーダンスが小さい第二媒質に向かって伝播する超音波が、第一媒質と第二媒質との界面で反射されると、超音波の位相が反転する。したがって、音響整合層（第一層）からの超音波が超音波トランスデューサー（振動膜）との界面で反射される際、及び、第一層からの超音波が第二層との界面で反射される際に、超音波の位相が反転する。この際、本適用例では、各音響整合層の厚みがλ／４の奇数倍であるので、上記のように位相が反転した超音波と、位相が反転していない超音波とが、互いに打ち消し合う。したがって、超音波トランスデューサーと音響レンズとの間に位置する各界面での界面反射波が、音響レンズから測定対象に出射されることを抑制でき、距離分解能を向上させることができる。
【００１０】
本適用例の超音波デバイスにおいて、前記音響整合層は、前記第一層及び前記第二層をそれぞれ一層ずつ有することが好ましい。
本適用例では、音響整合層が二層で構成されている。このような構成では、例えば、音響整合層が四層以上で構成される場合と比べて、音響整合層全体の厚みを薄くすることができ、音響レンズから出射される超音波の減衰を抑制できる。
【００１１】
一適用例に係る超音波デバイスは、振動膜を有し、前記振動膜の第一面側から超音波を送信する超音波トランスデューサーと、前記振動膜の前記第一面側に設けられた音響整合層と、前記音響整合層の前記振動膜とは反対側に設けられた音響レンズと、を備え、前記音響整合層は、前記音響レンズよりも音響インピーダンスが小さく、前記超音波の波長をλとしてλ／２の整数倍の厚みを有することを特徴とする。
本適用例では、音響整合層は、超音波トランスデューサーから送信される超音波をλとしてλ／２の整数倍の厚みを有する。また、音響整合層は、音響レンズよりも音響インピーダンスが小さい。
このような構成では、音響整合層と音響レンズとの界面で界面反射波が生じたとしても、当該界面反射波が、第一波に遅延して音響レンズから測定対象に出射されることを抑制でき、距離分解能を向上させることができる。すなわち、上記適用例と同様に、界面反射波の位相を、上記第一波と逆位相とすることができ、界面反射波を第一波によって打ち消すことができる。
【００１２】
本適用例の超音波デバイスにおいて、前記音響整合層と前記音響レンズとの間に配置された中間層を備え、前記中間層は、前記音響整合層よりも音響インピーダンスが大きい第一中間層と、前記第一中間層及び前記音響レンズよりも音響インピーダンスが小さい第二中間層と、を含む偶数層で構成され、前記振動膜から前記音響レンズに向かって前記第一中間層及び前記第二中間層が順に配置され、前記第一中間層及び前記第二中間層は、λ／４の奇数倍の厚みを有することが好ましい。
本適用例では、中間層は、音響整合層と音響レンズとの間に配置されている。この中間層は、音響整合層側から第一中間層及び第二中間層が順に配置され、偶数の層によって構成されている。また、第一中間層は、音響整合層よりも音響インピーダンスが大きく、第二中間層は、第一中間層及び音響レンズよりも音響インピーダンスが小さい。また、第一中間層及び第二中間層は、超音波トランスデューサーから送信される超音波をλとしてλ／４の奇数倍の厚みを有する。
このような構成では、上記適用例と同様に、音響整合層と中間層との界面や、第一中間層と第二中間層との界面や、中間層と音響レンズとの界面で界面反射波が生じたとしても、当該界面反射波が上記第一波に遅延して音響レンズから測定対象に出射されることを抑制でき、距離分解能を向上させることができる。
【００１３】
本適用例の超音波デバイスにおいて、前記中間層は、前記第一中間層及び前記第二中間層をそれぞれ一層ずつ有することが好ましい。
本適用例では、中間層が二層で構成されている。このような構成では、例えば、中間層が四層以上で構成される場合と比べて、中間層全体の厚みを薄くすることができ、第一波の減衰を抑制できる。
【００１４】
本適用例の超音波デバイスにおいて、前記振動膜は、平面状の前記第一面を有し、前記音響整合層の前記振動膜側の面及び前記音響レンズ側の面、並びに、前記音響レンズの前記音響整合層側の面が、前記第一面に平行であることが好ましい。
本適用例では、振動膜は、平面状の第一面を有し、各界面は、平面状でありかつ第一面に平行である。これにより、例えば、界面が平面状ではない場合と比べて、各界面の面方向における界面反射波の反射位置によらず、当該界面反射波をより確実に打ち消すことができ、距離分解能を向上させることができる。すなわち、界面が平面状かつ平行でない場合、界面反射波が反射位置に応じた方向に反射され、反射位置に応じて伝播距離が変化する。これにより、界面に再入射した際の界面反射波の位相が、第一波と逆位相とならず、界面反射波が相殺されないおそれがある。本適用例では、反射位置に関わらず、界面の法線方向に界面反射波が反射されるため、上記不具合の発生を抑制でき、第一波によって界面反射波をより確実に打ち消すことができる。
【００１５】
本適用例の超音波デバイスにおいて、前記超音波トランスデューサーは、前記振動膜の前記第一面とは反対側の第二面側に設けられた圧電素子を備えることが好ましい。
本適用例では、超音波トランスデューサーは、振動膜における、音響整合層が設けられた第一面とは反対側の第二面に圧電素子が設けられている。この圧電素子を駆動させることにより、振動膜を振動させて、第一面側から超音波を送信できる。
このような構成では、音響整合層と超音波トランスデューサーとの界面が、平面状の第一面によって形成されるため、音響整合層と超音波トランスデューサーとの界面の平坦性を向上させることができる。したがって、界面間距離をより均一とすることができ、界面反射波をより確実に打ち消すことができる。
【００１６】
本適用例の超音波デバイスにおいて、前記超音波トランスデューサーは、前記振動膜を支持する基板を有し、前記基板は、前記振動膜に閉塞され、前記振動膜とは反対側で開口する開口部を有し、前記音響整合層の少なくとも一部が、前記開口部内に配置されていることが好ましい。
本適用例では、超音波トランスデューサーは、振動膜によって閉塞される開口部を有し、当該振動膜を閉塞する基板を有する。そして、振動膜に隣接する音響整合層の少なくとも一部が、開口部内に配置されている。このような構成では、例えば、音響整合層が一層で形成されている場合では音響整合層の全体を開口部に配置し、音響整合層が複数層で形成されている場合では振動膜側の一層を開口部に配置することにより、開口部の厚みに応じて音響整合層の厚みを調整することができ、かつ容易である。
【００１７】
本適用例の超音波デバイスにおいて、前記基板の前記音響レンズ側に配置され、前記音響整合層の厚みを調整する調整部材を備えることを特徴とする超音波デバイス。
本適用例では、音響整合層の厚みを調整する調整部材を備える。このような構成では、例えば、調整部材の厚みを調整することにより、音響整合層の厚みを容易に調整することができる。また、音響整合層の厚みを適切な値とすることが容易である。
【００１８】
一適用例に係る超音波モジュールは、振動膜を有し、前記振動膜の第一面側から超音波を送信する超音波トランスデューサーと、前記振動膜の前記第一面側に設けられた音響整合層と、前記音響整合層の前記振動膜とは反対側に設けられた音響レンズと、を備える超音波デバイスと、前記超音波デバイスが設けられる回路基板と、を備え、前記音響整合層は、第一層と、前記第一層及び前記音響レンズよりも音響インピーダンスが小さい第二層と、を含む偶数層で構成され、前記振動膜から前記音響レンズに向かって前記第一層及び前記第二層が順に配置され、前記第一層及び前記第二層は、前記超音波の波長をλとしてλ／４の奇数倍の厚みを有することを特徴とする。
本適用例では、音響整合層は、振動膜側から第一層及び第二層が順に配置され、偶数層により構成されている。これら第一層及び第二層の各層は、超音波トランスデューサーから送信される超音波をλとしてλ／４の奇数倍の厚みを有する。また、第二層は、第一層及び音響レンズよりも音響インピーダンスが小さい。
このような構成では、上記超音波デバイスに係る適用例と同様に、音響整合層と音響レンズとの界面や、音響整合層間の界面で界面反射波が生じたとしても、当該界面反射波が、上述のように第一波に遅延して音響レンズから測定対象に出射されることを抑制でき、距離分解能を向上させることができる。
【００１９】
一適用例に係る超音波モジュールは、振動膜を有し、前記振動膜の第一面側から超音波を送信する超音波トランスデューサーと、前記振動膜の前記第一面側に設けられた音響整合層と、前記音響整合層の前記振動膜とは反対側に設けられた音響レンズと、を備える超音波デバイスと、前記超音波デバイスが設けられる回路基板と、を備え、前記音響整合層は、前記音響レンズよりも音響インピーダンスが小さく、前記超音波の波長をλとしてλ／２の整数倍の厚みを有することを特徴とする。
本適用例では、音響整合層は、超音波トランスデューサーから送信される超音波をλとしてλ／２の整数倍の厚みを有する。また、音響整合層は、音響レンズよりも音響インピーダンスが小さい。このような構成では、上記超音波デバイスに係る適用例と同様に、音響整合層と音響レンズとの界面で界面反射波が生じたとしても、当該界面反射波が、第一波に遅延して音響レンズから測定対象に出射されることを抑制でき、距離分解能を向上させることができる。
【００２０】
一適用例に係る超音波測定装置は、振動膜を有し、前記振動膜の第一面側から超音波を送信する超音波トランスデューサーと、前記振動膜の前記第一面側に設けられた音響整合層と、前記音響整合層の前記振動膜とは反対側に設けられた音響レンズと、を備える超音波デバイスと、前記超音波デバイスを制御する制御部と、を備え、前記音響整合層は、第一層と、前記第一層及び前記音響レンズよりも音響インピーダンスが小さい第二層と、を含む偶数層で構成され、前記振動膜から前記音響レンズに向かって前記第一層及び前記第二層が順に配置され、前記第一層及び前記第二層は、前記超音波の波長をλとしてλ／４の奇数倍の厚みを有することを特徴とする。
本適用例では、音響整合層は、振動膜側から第一層及び第二層が順に配置され、偶数層により構成されている。これら第一層及び第二層の各層は、超音波トランスデューサーから送信される超音波をλとしてλ／４の奇数倍の厚みを有する。また、第二層は、第一層及び音響レンズよりも音響インピーダンスが小さい。
このような構成では、上記超音波デバイスに係る適用例と同様に、音響整合層と音響レンズとの界面や、音響整合層間の界面で界面反射波が生じたとしても、当該界面反射波が、上述のように第一波に遅延して音響レンズから測定対象に出射されることを抑制でき、距離分解能を向上させることができる。
【００２１】
一適用例に係る超音波測定装置は、振動膜を有し、前記振動膜の第一面側から超音波を送信する超音波トランスデューサーと、前記振動膜の前記第一面側に設けられた音響整合層と、前記音響整合層の前記振動膜とは反対側に設けられた音響レンズと、を備える超音波デバイスと、前記超音波デバイスを制御する制御部と、を備え、前記音響整合層は、前記音響レンズよりも音響インピーダンスが小さく、前記超音波の波長をλとしてλ／２の整数倍の厚みを有することを特徴とする。
本適用例では、音響整合層は、超音波トランスデューサーから送信される超音波をλとしてλ／２の整数倍の厚みを有する。また、音響整合層は、音響レンズよりも音響インピーダンスが小さい。
このような構成では、上記超音波デバイスに係る適用例と同様に、音響整合層と音響レンズとの界面で界面反射波が生じたとしても、当該界面反射波が、第一波に遅延して音響レンズから測定対象に出射されることを抑制でき、距離分解能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第一実施形態の超音波装置の概略構成を示す図。
【図２】第一実施形態における超音波センサーの概略構成を示す平面図。
【図３】第一実施形態における超音波デバイスの素子基板を封止板側から見た平面図。
【図４】図３のＡ−Ａ線で超音波デバイスを切断した際の断面図。
【図５】第一実施形態における超音波デバイスの概略構成を示す断面図。
【図６】第一実施形態の超音波デバイスと比較例の超音波デバイスとから送信される超音波による音圧変動を示す図。
【図７】第一実施形態の超音波デバイスと比較例の超音波デバイスとから送信される超音波による音圧変動を示す図。
【図８】第一実施形態の超音波デバイスの製造方法の一例を示すフローチャート。
【図９】第一実施形態の超音波デバイスの製造工程を示す図。
【図１０】第一実施形態の超音波デバイスの製造工程を示す図。
【図１１】第一実施形態の超音波デバイスの製造工程を示す図。
【図１２】第二実施形態の超音波デバイスの概略構成を示す断面図。
【図１３】第二実施形態の超音波デバイスと比較例の超音波デバイスとから送信される超音波による音圧変動を示す図。
【図１４】第三実施形態の超音波デバイスの概略構成を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
［第一実施形態］
以下、第一実施形態の超音波装置について、図面に基づいて説明する。
［超音波測定装置の構成］
図１は、本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。
本実施形態の超音波測定装置１は、電子機器に相当し、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を介して電気的に接続された制御装置１０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から生体内に超音波を送出する。また、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。
【００２４】
［制御装置の構成］
制御装置１０は、図１に示すように、例えば、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、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等により構成された演算部と、を備える。そして、制御装置１０は、演算部により、記憶部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、例えば超音波プローブ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、生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、血流等の生体情報を測定して表示部１２に表示させたりする。すなわち、制御装置１０は、制御部に相当する。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。
【００２５】
［超音波プローブの構成］
図２は、超音波プローブ２における超音波センサー２４の概略構成を示す平面図である。
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回路等が設けられた配線基板２３と、を備えている。なお、超音波デバイス２２と、配線基板２３とにより超音波センサー２４（超音波モジュールに相当）が構成される。
【００２６】
［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の内部に挿入され、配線基板２３のコネクタ部２３１（図２参照）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。
【００２７】
［配線基板の構成］
配線基板２３は、回路基板に相当し、超音波デバイス２２が備える電極パッド４１４Ｐ，４１６Ｐ（図３参照）と電気的に接続される端子部を有する。
また、配線基板２３は、超音波デバイス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、配線基板は、超音波デバイス２２から超音波を送信するための送信回路、超音波デバイス２２にて超音波を受信した際の受信信号を処理する受信回路等が設けられている。そして、この配線基板には、ケーブル３等によって制御装置１０に接続されており、制御装置１０からの指令に基づいて、超音波デバイス２２を駆動させる。
【００２８】
［超音波デバイスの構成］
図３は、超音波デバイス２２における素子基板４１を、封止板４２側から見た平面図である。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、封止板４２と、音響整合層４３と、音響レンズ４４と、により構成されている。
【００２９】
（素子基板の構成）
素子基板４１は、図４に示すように、基板本体部４１１と、基板本体部４１１の封止板４２側に設けられる振動膜４１２と、振動膜４１２に設けられた圧電素子４１３と、後述する音響整合層４３の第二層４３２の厚みを調整するための調整部材４１７と、を備えている。ここで、以降の説明にあたり、素子基板４１の封止板４２に対向する面を背面４１Ａと称する。また、振動膜４１２の封止板４２とは反対側の面（第一面）を超音波送受面４１２Ａと称し、封止板４２側の面（第二面）を作動面４１２Ｂと称する。また、素子基板４１を基板厚み方向から見た平面視において、素子基板４１の中央領域はアレイ領域Ａｒ１となり、このアレイ領域Ａｒ１には、複数の超音波トランスデューサー４５がマトリックス状に配置されている。
【００３０】
基板本体部４１１は、振動膜４１２を支持する基板であり、例えばＳｉ等の半導体基板で構成される。基板本体部４１１におけるアレイ領域Ａｒ１内には、各々の超音波トランスデューサー４５に対応した開口部４１１Ａが設けられている。また、各開口部４１１Ａは、基板本体部４１１の背面４１Ａ側に設けられた振動膜４１２により閉塞されている。なお、後述するが開口部４１１Ａの内部には、音響整合層４３の第一層４３１が充填されており、開口部４１１Ａの深さ寸法は、第一層４３１の厚み寸法と一致している。したがって、開口部４１１Ａの深さ寸法によって、第一層４３１の厚み寸法を調整することができる。
【００３１】
振動膜４１２は、例えばＳｉＯ２や、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２の積層体等より構成され、基板本体部４１１の背面４１Ａ側全体を覆って設けられている。この振動膜４１２の厚み寸法は、基板本体部４１１に対して十分小さい厚み寸法となる。基板本体部４１１をＳｉにより構成し、振動膜４１２をＳｉＯ２により構成する場合、例えば基板本体部４１１の背面４１Ａ側を酸化処理することで、所望の厚み寸法の振動膜４１２を容易に形成することが可能となる。また、この場合、ＳｉＯ２の振動膜４１２をエッチングストッパとして基板本体部４１１をエッチング処理することで、容易に前記開口部４１１Ａを形成することが可能となる。
【００３２】
また、図４に示すように、各開口部４１１Ａを閉塞する振動膜４１２上（背面４１Ａ側）には、それぞれ下部電極４１４、圧電膜４１５、及び上部電極４１６の積層体である圧電素子４１３が設けられている。ここで、開口部４１１Ａを閉塞する振動膜４１２及び圧電素子４１３により、１つの超音波トランスデューサー４５が構成される。
【００３３】
このような超音波トランスデューサー４５では、下部電極４１４及び上部電極４１６の間に所定周波数の矩形波電圧が印加されることで、開口部４１１Ａの開口領域内の振動膜４１２を振動させて、超音波送受面４１２Ａ側から超音波を送出することができる。また、対象物から反射され、超音波送受面４１２Ａ側から入射する超音波により振動膜４１２が振動されると、圧電膜４１５の上下で電位差が発生する。したがって、下部電極４１４及び上部電極４１６間に発生する前記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。
【００３４】
また、本実施形態では、図３に示すように、上記のような超音波トランスデューサー４５が、素子基板４１の所定のアレイ領域Ａｒ１内に、Ｘ方向（スライス方向）、及びＸ方向に交差（本実施形態では直交）するＹ方向（スキャン方向）に沿って複数配置されることで、超音波トランスデューサーアレイ４６を構成する。なお、超音波トランスデューサーアレイ４６は、超音波送受部に相当する。
ここで、下部電極４１４は、Ｘ方向に沿う直線状に形成されている。すなわち、下部電極４１４は、Ｘ方向に沿って並ぶ複数の超音波トランスデューサー４５に跨って設けられており、圧電膜４１５と振動膜４１２との間に位置する下部電極本体４１４Ａと、隣り合う下部電極本体４１４Ａを連結する下部電極線４１４Ｂと、アレイ領域Ａｒ１外の端子領域Ａｒ２に引き出される下部端子電極線４１４Ｃとにより構成されている。よって、Ｘ方向に並ぶ超音波トランスデューサー４５では、下部電極４１４は同電位となる。
また、下部端子電極線４１４Ｃは、アレイ領域Ａｒ１外の端子領域Ａｒ２まで延出し、端子領域Ａｒ２において第一電極パッド４１４Ｐを構成する。この第一電極パッド４１４Ｐは、配線基板に設けられた端子部に接続されている。
【００３５】
一方、上部電極４１６は、図３に示すように、Ｙ方向に沿って並ぶ複数の超音波トランスデューサー４５に跨って設けられた素子電極部４１６Ａと、複数の素子電極部４１６Ａの端部同士を連結する共通電極部４１６Ｂとを有する。素子電極部４１６Ａは、圧電膜４１５上に積層された上部電極本体４１６Ｃと、隣り合う上部電極本体４１６Ｃを連結する上部電極線４１６Ｄと、Ｙ方向の両端部に配置された超音波トランスデューサー４５からＹ方向に沿って外側に延出する上部端子電極４１６Ｅとを有する。
共通電極部４１６Ｂは、アレイ領域Ａｒ１の＋Ｙ側端部及び−Ｙ側端部にそれぞれ設けられている。＋Ｙ側の共通電極部４１６Ｂは、Ｙ方向に沿って複数設けられた超音波トランスデューサー４５のうちの＋Ｙ側端部に設けられた超音波トランスデューサー４５から＋Ｙ側に延出した上部端子電極４１６Ｅ同士を接続する。−Ｙ側端部の共通電極部４１６Ｂは、−Ｙ側に延出した上部端子電極４１６Ｅ同士を接続する。よって、アレイ領域Ａｒ１内の各超音波トランスデューサー４５では、上部電極４１６は同電位となる。また、これら一対の共通電極部４１６Ｂは、Ｘ方向に沿って設けられ、その端部がアレイ領域Ａｒ１から端子領域Ａｒ２まで引き出されている。そして、共通電極部４１６Ｂは、端子領域Ａｒ２において、配線基板の端子部に接続される第二電極パッド４１６Ｐを構成する。
【００３６】
上記のような超音波トランスデューサーアレイ４６では、下部電極４１４で連結されたＸ方向に並ぶ超音波トランスデューサー４５により、１つの超音波トランスデューサー群４５Ａが構成され、当該超音波トランスデューサー群４５ＡがＹ方向に沿って複数並ぶ１次元アレイ構造を構成する。
【００３７】
調整部材４１７は、後述する音響整合層４３の第二層４３２の厚みを調整する部材であり、基板本体部４１１の＋Ｚ側に、開口部４１１Ａが形成されたアレイ領域Ａｒ１を囲むように配置される。この調整部材４１７で囲まれた領域には、第二層４３２が充填され、調整部材４１７の厚み寸法が、第二層４３２の厚み寸法と一致している。したがって、調整部材４１７の厚みによって、第二層４３２の厚みを調整することができる。
【００３８】
（封止板の構成）
封止板４２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４２の材質や厚みは、超音波トランスデューサー４５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４５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。
【００３９】
そして、この封止板４２は、素子基板４１のアレイ領域Ａｒ１に対向するアレイ対向領域には、素子基板４１の開口部４１１Ａに対応した複数の凹溝４２１が形成されている。これにより、振動膜４１２のうち、超音波トランスデューサー４５により振動される領域（開口部４１１Ａ内）では、素子基板４１との間に所定寸法のギャップ４２１Ａが設けられることになり、振動膜４１２の振動が阻害されない。また、１つの超音波トランスデューサー４５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４５に入射される不都合（クロストーク）を抑制することができる。
【００４０】
また、振動膜４１２が振動すると、開口部４１１Ａ側（超音波送受面４１２Ａ側）の他、封止板４２側（背面４１Ａ側）にも背面波として超音波が放出される。この背面波は、封止板４２により反射され、再びギャップ４２１Ａを介して振動膜４１２側に放出される。この際、反射背面波と、振動膜４１２から超音波送受面４１２Ａ側に放出される超音波との位相がずれると、超音波が減衰する。したがって、本実施形態では、ギャップ４２１Ａにおける音響的な距離が、超音波の波長をλとしてλ／４の奇数倍となるように、各凹溝４２１の溝深さが設定されている。言い換えれば、超音波トランスデューサー４５から発せられる超音波の波長λを考慮して、素子基板４１や封止板４２の各部の厚み寸法が設定される。
【００４１】
また、封止板４２は、素子基板４１の端子領域Ａｒ２に対向する位置に、端子領域Ａｒ２に設けられた各電極パッド４１４Ｐ，４１６Ｐに対応して、開口部（図示略）が設けられる構成などとしてもよい。この場合、当該開口部に封止板４２を厚み方向に貫通する貫通電極（ＴＳＶ；Through-Sillicon Via）を設けることで、当該貫通電極を介して、各電極パッド４１４Ｐ，４１６Ｐが配線基板における端子部に接続される。また、開口部にＦＰＣ（Flexible printed circuits）やケーブル線、ワイヤ等を挿入して、各電極パッド４１４Ｐ，４１６Ｐと配線基板とを接続する構成などとしてもよい。
【００４２】
（音響レンズの構成）
音響レンズ４４は、後に詳述する音響整合層４３上（＋Ｚ側）に設けられる。この音響レンズ４４は、図１に示すように、筐体２１のセンサー窓２１Ｂから外部に露出する。また、音響レンズ４４の音響インピーダンスＺ３は、生体の音響インピーダンスに近い音響インピーダンスに設定されている。音響レンズ４４は、生体表面に密着されることにより、音響整合層４３を介して、超音波トランスデューサー４５から送信された超音波を生体内で効率良く収束させ、また、生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４５に伝搬させる。なお、本実施形態では、音響インピーダンスＺ３は、例えば、１．５ＭＲａｙｌｓである。
【００４３】
このような音響レンズ４４の形成材料として、例えばミラブル型シリコーンゴムを例示できる。ミラブル型シリコーンゴムは、例えばビニル基を含むジメチルポリシロキサン構造のシリコーンゴム、シリカ、及び加硫剤を含有する。具体的には、シリカは、シリコーンゴムに対する質量比４０質量％以上５０質量％以下の重量平均粒子径１５μｍ〜３０μｍのシリカ粒子として、シリコーンゴムに混入される。加硫剤として、例えば２，５−ジメチル−２，５−ジターシャリーブチルパーオキシシヘキサンを用いることができる。
【００４４】
（音響整合層の構成）
音響整合層４３は、図４に示すように、振動膜４１２の超音波送受面４１２Ａ側に設けられ、振動膜４１２上の第一層４３１と、第一層４３１上に設けられた第二層４３２とを有する。音響整合層４３は、音響レンズ４４とともに、超音波トランスデューサー４５から送信された超音波を測定対象である生体に効率良く伝搬させ、また、生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４５に伝搬させる。このため、音響整合層４３は、生体の音響インピーダンスに近い音響インピーダンスに設定されている。このような音響インピーダンスを有する材料としては、例えばＲＴＶシリコーンゴム等のシリコーン樹脂材料を用いることができる。
【００４５】
第一層４３１は、素子基板４１の開口部４１１Ａ内に充填され、振動膜４１２上（＋Ｚ側）に設けられている。すなわち、第一層４３１は、開口部４１１Ａの深さ寸法に応じた厚み寸法Ｌ１を有する。この第一層４３１の振動膜４１２と反対側の面、すなわち第二層４３２との界面（以下、第一界面Ｆ１とも称する）は、超音波送受面４１２Ａと略平行である。なお、音響整合層４３の振動膜４１２側の面４３Ａは、超音波送受面４１２Ａに接する面であり、超音波送受面４１２Ａに平行である。また、第一層４３１の音響インピーダンスＺ１は、第二層４３２の音響インピーダンスＺ２よりも大きい。本実施形態では、音響インピーダンスＺ１は、例えば、１．５ＭＲａｙｌｓであり、音響インピーダンスＺ２は、例えば、１ＭＲａｙｌｓである。また、音響インピーダンスＺ１と音響インピーダンスＺ２との差は第１層と第２層との間で超音波の反射が適度に生じる値に設定することが好ましく、０．１ＭＲａｙｌｓから１ＭＲａｙｌｓ程度が好ましく、０．３ＭＲａｙｌｓから０．７ＭＲａｙｌｓ程度がより好ましい。
【００４６】
第二層４３２は、第一層４３１上（＋Ｚ側）に設けられ、第一層４３１と同じ厚み寸法Ｌ１を有する。なお、第二層４３２の厚みは、上述の調整部材４１７の厚み寸法をＬ１とすることにより調整される。第一層４３１の第二層４３２の第一層４３１側の面（すなわち第一界面Ｆ１）と、音響レンズ４４側の界面（以下、第二界面Ｆ２とも称する）は、超音波送受面４１２Ａと略平行である。
また、第二層４３２の音響インピーダンスＺ２は、第一層４３１の音響インピーダンスＺ１及び音響レンズ４４の音響インピーダンスＺ３よりも小さい。なお、音響インピーダンスの値は、媒質の密度と、媒質中の音速との積で得ることができる。例えば、第二層４３２は、第一層４３１よりも密度が小さい材料を用いて形成することにより、第二層４３２の音響インピーダンスＺ２を、第一層４３１の音響インピーダンスＺ１よりも小さくすることができる。なお、本実施形態では、音響インピーダンスＺ１は、例えば、１．５ＭＲａｙｌｓである。
【００４７】
これら第一層４３１及び第二層４３２の厚み寸法Ｌ１、すなわち、超音波送受面４１２Ａと第一界面Ｆ１との距離であり、第一界面Ｆ１と第二界面Ｆ２との距離は、超音波トランスデューサー４５から送信される超音波の波長をλとし、１以上の整数をｎとして、下記式（１）を満たす。すなわち、寸法Ｌ１が、λ／４の奇数倍となるように、第一層４３１及び第二層４３２が形成されている。なお、Ｌ１が下記式（１）を満たすことによる作用効果については後述する。
【００４８】
［数  １］
Ｌ１＝（λ／４）×（２ｎ−１）  ・・・（１）
【００４９】
［音響整合層による尾引きの抑制］
ここで、超音波デバイス２２は、超音波トランスデューサー４５から送信され、音響整合層４３及び音響レンズ４４を伝播し、生体内に出射される超音波（以下、第一波とも称する）の反射波を受信することにより超音波測定を実施する。この超音波測定を実施する際に、超音波送受面４１２Ａ上に音響整合層４３と音響レンズ４４とが積層されている構成では、音響整合層４３と音響レンズ４４との界面で生じた界面反射波に起因する超音波（以下、第二波とも称する）が、第一波に遅延して生体内に出射され、超音波デバイス２２から出射される超音波に尾引きが生じるおそれがある。この尾引きが生じると、超音波のパルス幅が増大し、距離分解能が低下するおそれがある。
【００５０】
これに対し、本実施形態の超音波デバイス２２は、後に詳述するように、音響整合層４３の第一層４３１及び第二層４３２の厚み寸法（超音波送受面４１２Ａと第一界面Ｆ１との距離、及び第一界面Ｆ１と第二界面Ｆ２との距離）Ｌ１が、上記式（１）を満たす。また、第二層４３２の音響インピーダンスＺ１が、第一層４３１の音響インピーダンスＺ１より小さく、かつ、音響レンズ４４の音響インピーダンスＺ３よりも小さい。このような構成により、上記第二波が生体内に出射されることを抑制でき、距離分解能を向上させることができる。
【００５１】
図５は、本実施形態の超音波デバイス２２における、界面反射波による尾引きの抑制作用を説明するための図であり、超音波デバイス２２の要部（音響整合層４３と音響レンズ４４）の断面を模式的に示している。なお、図５では、超音波デバイス２２の構成を簡略化して図示している。
図５に示すように、超音波トランスデューサー４５から法線方向に送信され、第一界面Ｆ１及び第二界面Ｆ２を透過する超音波Ｕ０が、音響レンズ４４から測定対象内に出射される。この超音波Ｕ０の反射波を超音波トランスデューサー４５によって検出することにより超音波測定が行われる。
【００５２】
ここで、図５に示すように、第一界面Ｆ１に入射する超音波Ｕ０の一部が、第一界面Ｆ１で反射されることにより、界面反射波Ｕ１が発生する場合がある。この界面反射波Ｕ１は、超音波送受面４１２Ａにて反射されて再び第一界面Ｆ１に到達する際に、超音波Ｕ０に対して逆位相となる。このため、界面反射波Ｕ１の少なくとも一部は、超音波Ｕ０によって打ち消される。
詳述すると、第二層４３２よりも音響インピーダンスが小さい第一層４３１側から第一界面Ｆ１に入射した超音波が、第一界面Ｆ１で反射されると、超音波の位相が反転する。また、第一層４３１を伝播して超音波送受面４１２Ａで反射される際にも、超音波の位相が反転する。このため、第一層４３１の厚み（超音波送受面４１２Ａと第一界面Ｆ１との距離）をλ／４の奇数倍とすることにより、第一界面Ｆ１に再入射する際の界面反射波Ｕ１の位相を、超音波Ｕ０に対して逆位相とすることができる。以上から、第一界面Ｆ１で反射され、超音波送受面４１２Ａで反射された後、再び第一界面Ｆ１に入射する界面反射波Ｕ２の少なくとも一部が、超音波Ｕ０によって打ち消される。
【００５３】
また、第二界面Ｆ２に入射する超音波Ｕ０の一部が、第二界面Ｆ２で反射されることにより、界面反射波Ｕ２が発生し、さらに、この界面反射波Ｕ２の一部が第一界面Ｆ１で反射して界面反射波Ｕ２１が生じる場合がある。この界面反射波Ｕ２１は、第一界面Ｆ１にて反射されて再び第二界面Ｆ２に到達する際に、超音波Ｕ０に対して逆位相となる。このため、界面反射波Ｕ２１の少なくとも一部は、超音波Ｕ０によって打ち消される。
詳述すると、第二層４３２の厚み（第一界面Ｆ１と第二界面Ｆ２との距離）が、λ／４の奇数倍とすることにより、第二界面Ｆ２に再入射する際の界面反射波Ｕ２１の位相を、超音波Ｕ０に対して逆位相とすることができる。したがって、第二界面Ｆ２において、界面反射波Ｕ２１の少なくとも一部が、超音波Ｕ０によって打ち消される。
【００５４】
また、界面反射波Ｕ２のうち、第一界面Ｆ１を透過した界面反射波Ｕ２２は、第一層４３１を透過した後、超音波送受面４１２Ａで反射され、再び界面Ｆ２に到達する際に、超音波Ｕ０に対して逆位相となる。界面反射波Ｕ２２の少なくとも一部は、超音波Ｕ０によって打ち消される。すなわち、界面反射波Ｕ２２は、超音波送受面４１２Ａで反射される際に、位相が反転する。したがって、第一層４３１及び第二層４３２の厚みをλ／４の奇数倍とすることにより（すなわち、界面Ｆ２と超音波送受面４１２Ａとの間の距離をλ／４の偶数倍、換言するとλ／２の整数倍とすることにより）、第二界面Ｆ２に再入射する際の界面反射波Ｕ２２の位相を、超音波Ｕ０に対して逆位相とすることができる。したがって、第二界面Ｆ２において、界面反射波Ｕ２２の少なくとも一部が、超音波Ｕ０によって打ち消される。
【００５５】
上述のように、各界面Ｆ１，Ｆ２で生じた界面反射波の少なくとも一部を打ち消すことにより、当該界面反射波が生体内に出射されることを抑制でき、距離分解能を向上させることができる。
また、本実施形態では、音響整合層４３の振動膜４１２側の面４３Ａと各界面Ｆ１，Ｆ２は、超音波送受面４１２Ａと略平行であるため、界面反射波が、超音波送受面４１２Ａ及び各界面Ｆ１，Ｆ２の法線方向（Ｚ方向）に伝播させることができる。このため、界面反射波の伝播距離を上記距離とすることができ、より確実に、界面反射波を打ち消すことができる。
【００５６】
図６及び図７は、超音波デバイスから送信される超音波の時間変化の一例を示す図である。ここで、本実施形態の超音波デバイス２２から出射された超音波の時間変化を実線で示す。一方、一点鎖線は、厚みがλ／２の整数倍ではない一層の音響整合層を備える、比較例の超音波デバイスから送信された超音波の時間変化の一例を示す。なお、図６及び図７では、第一層４３１及び音響レンズ４４の音響インピーダンスの値を１．５ＭＲａｙｌｓとし、第二層４３２の音響インピーダンスの値を１ＭＲａｙｌｓとしている。
【００５７】
図６及び図７に示す例では、超音波トランスデューサー４５に、例えば、５ＭＨｚのバースト波の波形を有する駆動電圧を印加し、超音波トランスデューサー４５を駆動する。図６に示すように、超音波デバイス２２のＱ値が２の場合、一点鎖線で示す比較例では、凡そ３．００×１０−７ｓｅｃ以降に音圧の変動が検出され、所謂、尾引きが発生している。これに対して、実線で示す本実施形態の超音波デバイス２２では、音圧変化が抑制されており、尾引きが抑制されていることが見て取れる。
また、図７に示すように、超音波デバイス２２のＱ値が４の場合でも、比較例と比べて本実施形態の超音波デバイス２２を用いることにより、尾引き部分の音圧変化が抑制されている。
【００５８】
また、図５に示すように、超音波Ｕ０は、第一界面Ｆ１を通過する際に、音響インピーダンスが高い第一層４３１から、低い第二層４３２へ伝播することとなり、その音圧が小さくなるが、第二界面Ｆ２を通過する際には、逆に、音響インピーダンスが低い第二層４３２から音響レンズ４４へ伝播することとなり、音圧が大きくなる。したがって、音響整合層が一層構成である比較例の超音波デバイスと比べて、二層構成の音響整合層４３を備える超音波デバイス２２では、尾引きを抑制しつつ、音圧の低下を抑制できる。
【００５９】
なお、図６及び図７に示すように、比較例の場合でも、超音波デバイスのＱ値を小さくすることにより、尾引き部分の音圧変化を抑制できる。しかしながら、超音波Ｕ０の出力も小さくなってしまう。これに対して、本実施形態の超音波デバイス２２を用いることにより、Ｑ値を小さくしなくても、尾引き部分の音圧変化を抑制できる。したがって、超音波デバイス２２によれば、超音波Ｕ０の出力の低下を抑制し、かつ尾引きの影響を抑制でき、高精度の超音波測定を行うことができる。
【００６０】
［超音波デバイスの製造方法］
次に、上述したような超音波デバイス２２の製造方法について説明する。
図８は、本実施形態の超音波センサー２４の製造における各工程を示すフローチャートである。図９から図１１は、各工程での超音波センサー２４の概略を示す図である。
超音波センサー２４を製造するためには、図８に示すように、デバイス本体形成工程Ｓ１、第一層形成工程Ｓ２、第二層形成工程Ｓ３及び音響レンズ配置工程Ｓ４を実施する。
【００６１】
デバイス本体形成工程Ｓ１では、素子基板４１及び封止板４２を含むデバイス本体４０（図９参照）を形成する。
このステップＳ１では、基板本体部４１１に振動膜４１２を形成した後、振動膜４１２上に圧電素子４１３を形成し、基板本体部４１１に開口部４１１Ａを形成する。この際、開口部４１１Ａは、深さが第一層４３１の厚みと同じとなるように形成される。その後、封止板４２を形成し、デバイス本体４０と封止板４２とを接合する。
【００６２】
次に、第一層形成工程Ｓ２を実施する。ステップＳ２では、図１０に示すように、デバイス本体４０の開口部４１１Ａに音響整合層４３の第一層４３１を形成する。具体的には、開口部４１１Ａの内部に第一層４３１の形成材料を充填する。なお、開口部４１１Ａと第一層４３１との＋Ｚ側の面が同一平面となるように、開口部４１１Ａからはみ出た余分な形成材料を除去する。
【００６３】
次に、第二層形成工程Ｓ３を実施する。ステップＳ３では、図１１に示すように、基板本体部４１１に調整部材４１７を配置する。この調整部材４１７の厚みは、第二層４３２の厚みと同じとなるように形成されている。その後、調整部材４１７に囲まれた領域に、第二層４３２の形成材料を充填する。なお、調整部材４１７と第二層４３２との＋Ｚ側の面が同一平面となるように、はみ出た余分な形成材料を除去する。
次に、音響レンズ配置工程Ｓ４を実施して、第二層４３２の＋Ｚ側に音響レンズ４４を配置する。このようにして超音波デバイス２２が形成される。
【００６４】
なお、上述の超音波デバイス２２の形成方法では、素子基板４１と封止板４２とを接合した後に、音響整合層４３を形成し、音響レンズ４４を配置したが、これに限定されない。すなわち、封止板４２に接合する前の素子基板４１に音響整合層４３を形成し、音響レンズ４４を配置してもよい。
また、素子基板４１に調整部材４１７を配置した後、第二層４３２を形成したが、これに限定されず、調整部材４１７を設けずに、第二層４３２を形成してもよい。また、素子基板４１側に第二層４３２を形成せずに、音響レンズ４４側に第二層４３２を形成してもよい。この場合、例えば、音響レンズ４４に凹部を設け、当該凹部の内部に第二層４３２を形成し、第二層４３２が形成された音響レンズ４４を第一層４３１が形成された素子基板４１に接合してもよい。
【００６５】
［第一実施形態の作用効果］
本実施形態の超音波デバイス２２は、振動膜４１２の超音波送受面４１２Ａに設けられた音響整合層４３と、音響整合層４３に設けられた音響レンズ４４と、を備えている。この音響整合層４３は、超音波送受面４１２Ａ側の第一層４３１と、音響レンズ４４側の第二層４３２と、を備え、各層が超音波の波長をλとしてλ／４の奇数倍の厚みを有する。そして、第二層４３２は、第一層４３１及び音響レンズ４４よりも音響インピーダンスが小さい。このように構成された超音波デバイス２２では、音響整合層４３及び音響レンズ４４における各界面Ｆ１，Ｆ２で界面反射波が生じたとしても（図５の界面反射波Ｕ１，Ｓ２参照）、上述のように、界面反射波が界面に再入射する際に、界面反射波の位相を、超音波トランスデューサー４５から送信される超音波Ｕ０の位相と逆位相とすることができる。したがって、界面反射波の少なくとも一部を打ち消すことにより、当該界面反射波が超音波Ｕ０に遅延して音響レンズ４４から測定対象に出射されることを抑制でき、距離分解能を向上させることができる。
【００６６】
また、本実施形態では、音響整合層４３は、二層で構成されている。ここで、音響整合層４３が、偶数層で、かつ、第一層４３１及び第二層４３２を交互に配置した構成としても、同様に、界面反射波による尾引きの発生を抑制できる。一方で、音響整合層４３が厚くなると超音波の減衰が増大し、超音波の送信出力、ひいては受信感度が低下するおそれもある。各層を薄くすることにより、音響整合層４３の全体を薄くすることも可能であるが、各層を薄くすることにも限界がある。これに対して、音響整合層４３を二層で構成することにより、音響整合層４３の薄型化を図ることができ、薄型化も容易である。
【００６７】
また、振動膜４１２は、平面状の超音波送受面４１２Ａを有し、各界面Ｆ１，Ｆ２は、超音波送受面４１２Ａに平行である。ここで、各界面Ｆ１，Ｆ２が平面状ではなく、超音波送受面４１２Ａに平行ではない場合、界面反射波は、反射位置に応じた方向に反射される。このため、界面反射波の反射位置に応じて伝播距離が変化し、界面に再入射した際の界面反射波の位相が、超音波Ｕ０と逆位相とならないおそれがある。これに対して、本実施形態では、反射位置に関わらず、界面Ｆ１，Ｆ２の法線方向であるＺ方向に沿って界面反射波が反射されるため、上記不具合の発生を抑制でき、界面反射波をより確実に打ち消すことができる。
【００６８】
また、本実施形態では、圧電素子４１３が、振動膜４１２の作動面４１２Ｂ側に設けられ、超音波送受面４１２Ａ側から超音波が送信される。このような構成では、例えば、超音波送受面４１２Ａ側に圧電素子４１３が形成されている構成と比べて、音響整合層４３と超音波トランスデューサー４５との界面である超音波送受面４１２Ａの平坦性を向上させることができる。したがって、超音波送受面４１２Ａと各界面Ｆ１，Ｆ２との間の距離をより均一とすることができ、界面反射波をより確実に打ち消すことができる。
【００６９】
本実施形態では、音響整合層４３のうち第一層４３１は、基板本体部４１１に形成された開口部４１１Ａに充填されている。このような構成では、開口部４１１Ａの深さに応じた第一層４３１を形成することができ。また、開口部４１１Ａの厚みを適宜調整することにより、第一層４３１の厚みを適切な値に調整することができ、所望の厚みの第一層４３１を形成することが容易である。
【００７０】
また、本実施形態では、音響整合層４３のうち第二層４３２の厚みを調整する調整部材４１７を備える。この調整部材４１７は、基板本体部４１１の＋Ｚ側に配置された枠状の部材である。この調整部材４１７に囲まれる凹部に第二層４３２を形成することにより、調整部材４１７の厚みに応じた第二層４３２を形成することができる。したがって、調整部材４１７の厚みを調整することにより、第二層４３２の厚みを適切な値に調整することができ、所望の厚みの第二層４３２を形成することが容易である。
【００７１】
［第二実施形態］
次に、超音波デバイスの第二実施形態について説明する。
上述の第一実施形態では、超音波デバイス２２が第一層４３１及び第二層４３２からなる音響整合層４３を備える構成を例示した。これに対して、第二実施形態の超音波デバイスは、上記音響整合層４３の代りに一層の音響整合層４７を備える点で上記第一実施形態と相違する。
【００７２】
図１２は、第二実施形態の超音波デバイス２５の断面を模式的に示す断面図である。
図１２に示すように、超音波デバイス２５は、素子基板４１と、封止板４２と、音響整合層４７と、音響レンズ４４と、により構成されている。
本実施形態の素子基板４１は、開口部４１１Ａの深さ寸法は、超音波トランスデューサー４５によって送信される超音波の波長をλとして、λ／２の整数倍である点以外は、第一実施形態と略同様に構成される。
音響整合層４７は、第一実施形態の第二層４３２と同様に、音響レンズ４４よりも音響インピーダンスが小さい材料で形成されている。この音響整合層４７は、開口部４１１Ａに充填されている。この音響整合層４７の＋Ｚ側に音響レンズ４４が配置されている。
【００７３】
音響整合層４７の厚み寸法Ｌ２、すなわち、音響整合層４７及び音響レンズ４４の界面Ｆ３と、超音波送受面４１２Ａとの距離Ｌ２は、超音波トランスデューサー４５から送信される超音波の波長をλとし、１以上の整数をｎとして、下記式（２）を満たす。すなわち、寸法Ｌ２が、λ／２の整数倍となるように、第一層４３１及び第二層４３２が形成されている。なお、本実施形態においても、開口部４１１Ａの深さによって、音響整合層４７の厚みを調整することができる。
【００７４】
［数  ２］
Ｌ２＝（λ／２）×ｎ  ・・・（２）
【００７５】
［音響整合層による尾引きの抑制］
本実施形態においても、界面Ｆ３で生じる界面反射波による尾引きの発生を抑制でき、距離分解能を向上させることができる。すなわち、界面Ｆ３で生じた、−Ｚ方向に伝播する界面反射波は、超音波送受面４１２Ａにて反射される際に位相が反転する。このため、音響整合層４７の厚み（超音波送受面４１２Ａと界面Ｆ３との距離）をλ／２の整数倍とすることにより、界面Ｆ３に再入射する際の界面反射波の位相を、超音波トランスデューサー４５から送信された超音波Ｕ０（図５参照）に対して逆位相とすることができる。以上から、界面Ｆ３で反射され、超音波送受面４１２Ａで反射された後、再び界面Ｆ３に入射する界面反射波の少なくとも一部が、超音波Ｕ０によって打ち消される。したがって、界面反射波が、超音波Ｕ０に遅延して生体内に出射されることを抑制でき、距離分解能を向上させることができる。
【００７６】
図１３は、超音波デバイス２５から送信される超音波の時間変化の一例を示す図である。図１３では、図６と同様に、本実施形態の超音波デバイス２５から出射された超音波の時間変化を実線で示す。一方、一点鎖線は、厚みがλ／２の整数倍ではない一層の音響整合層を備える、比較例の超音波デバイスから送信された超音波の時間変化の一例を示す。また、図１３では、音響レンズ４４の音響インピーダンスの値を１．５ＭＲａｙｌｓとし、音響整合層４７の音響インピーダンスの値を１ＭＲａｙｌｓとし、超音波デバイス２５のＱ値を２としている。また、超音波トランスデューサー４５に、例えば、５ＭＨｚのバースト波の波形を有する駆動電圧を印加した場合について例示している。
図１３に示すように、一点鎖線で示す比較例に対して、実線で示す本実施形態の超音波デバイス２５では、凡そ３．００×１０−７ｓｅｃ以降の音圧変化が抑制されており、尾引きが抑制されていることが見て取れる。
【００７７】
［第二実施形態の作用効果］
本実施形態の超音波デバイス２５では、音響整合層４７は、一層で構成され、超音波の波長をλとしてλ／２の整数倍の厚みを有する。そして、音響整合層４７は、音響レンズ４４よりも音響インピーダンスが小さい。このように構成された超音波デバイス２５では、音響整合層４７と音響レンズ４４との界面Ｆ３で界面反射波が生じたとしても、上述のように、界面反射波が界面に再入射する際に、界面反射波の位相を、超音波トランスデューサー４５から送信された超音波Ｕ０の位相と逆位相とすることができる。したがって、界面反射波の少なくとも一部を打ち消すことにより、当該界面反射波が超音波Ｕ０に遅延して音響レンズ４４から測定対象に出射されることを抑制でき、距離分解能を向上させることができる。
【００７８】
［第三実施形態］
次に、超音波デバイスの第三実施形態について説明する。
上述の第二実施形態では、超音波デバイス２５が音響整合層４７上に音響レンズ４４が配置される構成を例示した。これに対して、第三実施形態の超音波デバイスは、音響整合層４７と音響レンズ４４との間に中間層４８を備える点で上記第一実施形態と相違する。
【００７９】
図１４は、第三実施形態の超音波デバイス２６の断面を模式的に示す断面図である。
図１４に示すように、超音波デバイス２６は、素子基板４１と、封止板４２と、音響整合層４７と、中間層４８と、音響レンズ４４と、により構成されている。第三実施形態では、中間層４８は、第一中間層４８１と第二中間層４８２とを備える点と、第一中間層４８１の厚みを調整する第一調整部材４１８と、第二中間層４８２の厚みを調整する第二調整部材４１９と、を備える点以外は、第二実施形態と略同様に構成される。
第一調整部材４１８は、第一実施形態の調整部材４１７と同様に構成され、基板本体部４１１の＋Ｚ側に設けられている。この第一調整部材４１８によって囲まれる凹部に中間層４８の第一中間層４８１が充填されている。したがって、第一調整部材４１８の厚みを適宜調整することにより、第一中間層４８１の厚みを調整することができる。
第二調整部材４１９は、第一調整部材４１８の＋Ｚ側に設けられている。この第二調整部材４１９によって囲まれる凹部に第二中間層４８２が充填されている。したがって、第二調整部材４１９の厚みを適宜調整することにより、第二中間層４８２の厚みを調整することができる。
第二調整部材４１９及び第二中間層４８２の＋Ｚ側には音響レンズ４４が配置されている。
【００８０】
中間層４８は、図１４に示すように、音響整合層４７上に設けられた第一中間層４８１と、第一中間層４８１上に設けられた第二中間層４８２とを有する。これらのうち第一中間層４８１は、第一実施形態の第一層４３１に対応し、また、第二中間層４８２は、第一実施形態の第二層４３２に対応する。すなわち、第一中間層４８１の音響インピーダンスは、第二中間層４８２の音響インピーダンスよりも大きく、かつ、音響整合層４７の音響インピーダンスよりも大きい。また、第二中間層４８２の音響インピーダンスは、音響レンズ４４の音響インピーダンスよりも小さい。
【００８１】
また、音響整合層４７と第一中間層４８１との界面（以下、第一界面Ｆ４とも称する）、第一中間層４８１と第二中間層４８２との界面（以下、第二界面Ｆ５とも称する）、及び、第二中間層４８２と音響レンズ４４との界面（以下、第三界面Ｆ６とも称する）は、超音波送受面４１２Ａと略平行である。
さらに、第一中間層４８１及び第二中間層４８２の厚み寸法Ｌ３（すなわち、第一界面Ｆ４と第二界面Ｆ５との距離、及び、第二界面Ｆ５と第三界面Ｆ６との距離）は、超音波トランスデューサー４５から送信される超音波の波長をλとし、１以上の整数をｎとして、下記式（３）を満たす。
【００８２】
［数  ３］
Ｌ３＝（λ／４）×（２ｎ−１）  ・・・（３）
【００８３】
このように構成された中間層４８は、第一実施形態の音響整合層４３と同様に機能する。すなわち、本実施形態の第一界面Ｆ４、第二界面Ｆ５、及び第三界面Ｆ６は、それぞれ第一実施形態の超音波送受面４１２Ａ、第一界面Ｆ１、及び第二界面Ｆ２に相当する。
また、本実施形態の第一界面Ｆ４は、第二実施形態の界面Ｆ３に相当する。
したがって、上述のように構成された超音波デバイス２２においても、第一実施形態及び第二実施形態と同様に各界面Ｆ４，Ｆ５，Ｆ６で界面反射波が生じたとしても、当該界面反射波による尾引きの発生を抑制でき、距離分解能を向上させることができる。
【００８４】
［第三実施形態の作用効果］
本実施形態の超音波デバイス２６は、振動膜４１２の超音波送受面４１２Ａに設けられた音響整合層４７と、音響整合層４７に設けられた中間層４８と、中間層４８に設けられた音響レンズ４４と、を備えている。この中間層４８は、音響整合層４７側の第一中間層４８１と、音響レンズ４４側の第二中間層４８２と、を備え、各層が超音波の波長をλとしてλ／４の奇数倍の厚みを有する。そして、第二中間層４８２は、第一中間層４８１及び音響レンズ４４よりも音響インピーダンスが小さい。このように構成された超音波デバイス２６では、音響整合層４３、中間層４８、及び音響レンズ４４における各界面Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５で界面反射波が生じたとしても、上述のように、界面反射波が界面に再入射する際に、界面反射波の位相を、超音波トランスデューサー４５から送信される超音波Ｕ０の位相と逆位相とすることができる。したがって、界面反射波の少なくとも一部を打ち消すことにより、当該界面反射波が超音波Ｕ０に遅延して音響レンズ４４から測定対象に出射されることを抑制でき、距離分解能を向上させることができる。
【００８５】
また、本実施形態では、中間層４８は、二層で構成されている。ここで、中間層４８が、四層以上の偶数層で、かつ、第一中間層４８１及び第二中間層４８２を交互に配置した構成としても、同様に、界面反射波による尾引きの発生を抑制できる。一方で、中間層４８が厚くなると超音波の減衰が増大し、超音波の送信出力、ひいては受信感度が低下するおそれもある。各層を薄くすることにより、中間層４８の全体を薄くすることも可能であるが、各層を薄くすることにも限界がある。これに対して、中間層４８を二層で構成することにより、中間層４８の薄型化を図ることができ、薄型化も容易である。
【００８６】
［変形例］
なお、上述の各実施形態は、各実施形態の説明にて記載された構成に限定されるものではなく、変形、改良、及び各実施形態を適宜組み合わせる等を行ってもよい。
【００８７】
例えば、上記第一実施形態では、音響整合層４３が二層構成である場合について例示したが、これに限定されず、四層以上の偶数層で構成されてもよい。この場合、第一層４３１と第二層４３２とが交互に配置される構成とすればよい。
また、上記第三実施形態では、中間層４８が二層構成である場合について例示したが、これに限定されず、四層以上の偶数層で構成されてもよい。この場合、第一中間層４８１と第二中間層４８２とが交互に配置される構成とすればよい。
【００８８】
上記第一実施形態では、第一層４３１と第二層４３２とが同じ厚みである構成を例示したが、これに限定されず、第一層４３１と第二層４３２とが異なる厚みであってもよい。また、同様に、上記第三実施形態では、第一中間層４８１と第二中間層４８２とが同じ厚みである構成を例示したが、これに限定されず、第一中間層４８１と第二中間層４８２とが異なる厚みであってもよい。
【００８９】
上記第一実施形態では、第二層４３２の厚みを調整する調整部材４１７を素子基板４１に設ける構成を例示したが、この調整部材４１７を素子基板４１に一体的に形成してもよいし、調整部材４１７を設けない構成としてもよい。例えば、第二層４３２の厚みを調整する調整部としての凹部を音響レンズ４４に設けてもよい。この場合でも、音響レンズ４４の凹部の深さを調整することにより、第二層４３２の厚みを調整することができる。
また、調整部材４１７を設けない構成としてもよい。例えば、第一層４３１上に第二層４３２を形成した後に厚みを調整してもよいし、適切な厚みとなるように形成された第二層４３２を第一層４３１上に配置してもよい。
また、上記第三実施形態でも同様に、調整部材４１８，４１９を素子基板４１に設ける構成を例示したが、これに限定されず、調整部材４１８，４１９を素子基板４１に一体的に形成してもよいし、調整部材４１８，４１９を設けない構成としてもよい。
【００９０】
上記第一実施形態では、第一層４３１の厚みが、開口部４１１Ａの深さと同じである構成を例示し、開口部４１１Ａの深さによって第一層４３１の厚みを調整するとしたが、これに限定されない。例えば、開口部４１１Ａの深さと、第一層４３１の厚みが異なる構成でもよい。また、上記第二実施形態及び第三実施形態でも同様に、音響整合層４７の厚みが開口部４１１Ａと異なる構成としてもよい。
【００９１】
上記各実施形態では、図４に示すように、開口部４１１Ａが形成された基板本体部４１１が、振動膜４１２の超音波送受面４１２Ａ側に設けられ、振動膜４１２の作動面４１２Ｂ側に圧電素子４１３が設けられ、超音波送受面４１２Ａ側から超音波を送受信する構成を例示したがこれに限定されない。
例えば、振動膜４１２の超音波送受面４１２Ａ側に基板本体部４１１が設けられ、超音波送受面４１２Ａ側に圧電素子４１３が設けられる構成としてもよい。また、振動膜４１２の作動面４１２Ｂ側に基板本体部４１１が設けられ、超音波送受面４１２Ａ側に圧電素子４１３が設けられる構成としてもよい。また、振動膜４１２の作動面４１２Ｂ側に基板本体部４１１が設けられ、作動面４１２Ｂ側の開口部４１１Ａの内に圧電素子４１３が設けられる構成としてもよい。
【００９２】
上記各実施形態では、超音波トランスデューサー４５が備える圧電素子４１３として、下部電極４１４、圧電膜４１５、上部電極４１６が厚み方向に積層される積層体により構成される例を示したが、これに限定されない。例えば、圧電膜４１５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、圧電膜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、上記各実施形態では、超音波トランスデューサー４５が送受信を行う構成を例示したが、超音波トランスデューサー４５が送信のみを行う構成であってもよい。
【００９３】
上記実施形態では、生体を測定対象とする超音波測定装置を例示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、各種構造物を測定対象として、当該構造物の欠陥の検出や老朽化の検査を行う電子機器に、本発明を適用することができる。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電子機器にも本発明を適用することができる。
【００９４】
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】
【００９５】
１…超音波測定装置、２…超音波プローブ、１０…制御装置（制御部）、２２…超音波デバイス、２３…配線基板（回路基板）、２４…超音波センサー（超音波モジュール）、４１…素子基板、４１Ａ…背面、４２…封止板、４３…音響整合層、４４…音響レンズ、４５…超音波トランスデューサー、４６…超音波トランスデューサーアレイ、４７…音響整合層、４８…中間層、４１１…基板本体部、４１１Ａ…開口部、４１２…振動膜、４１２Ａ…超音波送受面（第一面）、４１２Ｂ…作動面（第二面）、４１３…圧電素子、４１４…下部電極、４１４Ａ…下部電極本体、４１４Ｂ…下部電極線、４１４Ｃ…下部端子電極線、４１５…圧電膜、４１６…上部電極、４１６Ｃ…上部電極本体、４２１…凹溝、４２１Ａ…ギャップ、４３１…第一層、４３２…第二層、４８１…第一中間層、４８２…第二中間層、Ｆ１…第一界面、Ｆ２…第二界面、Ｆ３…界面、Ｆ４…第一界面、Ｆ５…第二界面、Ｆ６…第三界面、Ｌ１…第一層及び第二層の厚み寸法、Ｌ２…音響整合層の厚み寸法、Ｌ３…第一中間層及び第二中間層の厚み寸法。
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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