JP2015100093A

JP2015100093A - 超音波デバイスおよびプローブ並びに電子機器および超音波画像装置

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Publication number: JP2015100093A
Application number: JP2013240274A
Authority: JP
Inventors: 清瀬　摂内; Setsunai Kiyose; 摂内清瀬
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2015-05-28

Abstract

【課題】受信する超音波の周波数ごとに精度よく音響整合を実現することができる超音波デバイスを提供する。
【解決手段】基板５５は、第１平面５８、および、第１平面５８を含む基準平面からその法線方向に特定距離で離れた第２平面５７を有する。第１平面に第１開口５９ａが開口し、第２平面５７に第２開口５９ｂが開口する。被覆層５６は、第１開口５９ａを閉塞する第１振動膜３１、および、第２開口５９ｂを閉塞する第２振動膜３６を有する。第１振動膜３１上に第１圧電素子３２が形成され、第２振動膜３６上に第２圧電素子３７が形成される。音響整合層６１は第１圧電素子３２および第２圧電素子３７を覆い、第１平面５８および第２平面５７に平行な平面６１ａを有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、超音波デバイス、並びに、それを利用したプローブ、電子機器および超音波画像装置等に関する。

超音波デバイスは一般に知られる。超音波デバイスは広く超音波画像の形成にあたって用いられる。例えば特許文献１に記載の超音波デバイスは受信する周波数ごとに２種類の圧電セラミック板を備える。圧電セラミック板ごとに音響整合層の膜厚は相違する。

特開平２−４９６４０号公報

特許文献１では音響整合層の膜厚の設定にあたって音響負荷材の表面に段差が形成される。段ごとに音響負荷材に圧電セラミック板は貼り付けられる。一般に、貼り付けにはエポキシ樹脂といった接着剤が用いられる。その結果、音響整合層の表面から圧電セラミック板の表面までの距離にばらつきが生じやすい。周波数ごとに精度よく音響整合を実現することが難しかった。

そこで、受信する超音波の周波数ごとに精度よく音響整合を実現する超音波デバイスが望まれていた。

（１）本発明の一態様は、第１平面、および、前記第１平面を含む基準平面からその法線方向に特定距離で離れた第２平面、および、前記第１平面に開口する第１開口、および、前記第２平面に開口する第２開口を有する基板と、前記第１開口を閉塞する第１振動膜、および、第２開口を閉塞する第２振動膜を有し前記基板上に形成された被覆層と、前記第１振動膜上に形成された第１圧電素子と、前記第２振動膜上に形成された第２圧電素子と、前記第１圧電素子および前記第２圧電素子を覆い、前記第１平面および前記第２平面に平行な平面を有する音響整合層とを備える超音波デバイスに関する。

第１振動膜および第２振動膜には音響整合層から超音波が伝わる。超音波は第１振動膜および第２振動膜を振動させる。第１振動膜および第２振動膜の振動に応じて第１圧電素子および第２圧電素子で圧電効果が発揮される。第１圧電素子および第２圧電素子からそれぞれ起電圧が取り出される。こうして振動膜ごとに超音波は測定される。このとき、第１振動膜の第１圧電素子上で音響整合層の第１膜厚は特定され、第２振動膜の第２圧電素子上で音響整合層の第２膜厚は特定される。音響整合層の膜厚に応じて第１振動膜および第２振動膜に伝わる超音波の周波数は調整される。こうして第１振動膜および第２振動膜は異なる周波数の超音波を受信する。基板の表面で被覆膜および圧電素子を精度よく加工できることから、第１振動膜および第２振動膜では精度よく第１膜厚および第２膜厚を確保できる。したがって、超音波の周波数ごとに精度よく音響結合を実現することができる。

（２）超音波デバイスでは、前記第１圧電素子は圧電体を有し、前記第２圧電素子は圧電体を有し、前記第１圧電素子の前記圧電体と前記第２圧電素子の前記圧電体とは同じ材質であって同じ厚さを有してもよい。第１圧電素子の圧電体と第２圧電素子の圧電体とは同一の製造工程で形成することができる。したがって、製造工程の複雑化は回避されることができる。

（３）前記第１圧電素子は前記第１振動膜側に第１の電極を有し、前記第２圧電素子は前記第２振動膜側に第１の電極を有し、前記第１圧電素子の前記第１の電極と前記第２圧電素子の前記第１の電極とは同じ材質であって同じ厚さを有してもよい。第１圧電素子の第１の電極と第２圧電素子の第１の電極とは同一の製造工程で形成することができる。したがって、製造工程の複雑化は回避されることができる。

（４）前記第１圧電素子は前記音響整合層側に第２の電極を有し、前記第２圧電素子は前記音響整合層側に第２の電極を有し、前記第１圧電素子の前記第２の電極と前記第２圧電素子の前記第２の電極とは同じ材質であって同じ厚さを有してもよい。第１圧電素子の第２の電極と第２圧電素子の第２の電極とは同一の製造工程で形成することができる。したがって、製造工程の複雑化は回避されることができる。

（５）前記第１振動膜と前記第２振動膜とは同じ厚さを有してもよい。第１振動膜および第２振動膜の形成にあたって被覆膜を一様に形成することができる。したがって、一様な被覆膜を比較的に簡単に精度よく形成することができる。

（６）前記第１圧電素子に接続される第１導電配線の端子と、前記第２圧電素子に接続される第２導電配線の端子とは同一平面に配置されていてもよい。超音波デバイスの使用にあたって一般に第１導電配線の端子および第２導電配線の端子には外部配線が接続される。第１導電配線の端子および第２導電配線の端子は同一平面内に配置されることから、外部配線は平面で第１導電配線の端子および第２導電配線の端子を受け止めることができる。外部配線の形状の複雑化は回避され、確実な接続が実現される。

（７）前記第２振動膜は、前記第１振動膜の共振周波数の高調波に相当する周波数に共振周波数を有してもよい。特定周波数の超音波が被検体に向かって発信される際に、反射する超音波は特定周波数の超音波成分に加えてその高調波の超音波成分を含む。したがって、特定周波数の超音波に加えてその高調波の超音波が受信されれば、超音波デバイスの感度は高められる。

（８）前記第１振動膜上で前記音響整合層の膜厚は前記第１振動膜の共振周波数の波長の４分の１の奇数倍であればよく、前記第２振動膜上で前記音響整合層の膜厚は前記第２振動膜の共振周波数の波長の４分の１の奇数倍であればよい。こういった膜厚によれば超音波の減衰は減少する。その結果、高調波成分を高効率で送受信することができる。

（９）前記第１振動膜上で前記音響整合層の膜厚は前記第１振動膜の共振周波数の波長の２分の１の奇数倍であればよく、前記第２振動膜上で前記音響整合層の膜厚は前記第２振動膜の共振周波数の波長の２分の１の奇数倍であればよい。こういった膜厚によれば、超音波の打ち消し合いに応じて、パルス幅の増大をもたらす残響部分を打ち消すことでパルス幅を短縮し、分解能を向上することができる。

（１０）超音波デバイスはプローブに組み込まれて利用されてもよい。このとき、プローブは、超音波デバイスと、前記超音波デバイスを支持する筐体とを備えればよい。

（１１）超音波デバイスは電子機器に組み込まれて利用されてもよい。このとき、電子機器は、超音波デバイスと、前記超音波デバイスに接続されて、前記超音波デバイスの出力を処理する処理装置とを備えればよい。

（１２）超音波デバイスは超音波画像装置に組み込まれて利用されてもよい。このとき、超音波画像装置は、超音波デバイスと、前記超音波デバイスの出力から生成される画像を表示する表示装置とを備えればよい。

（１３）本発明の他の態様は、基板の第１面に相互に段差を有する第１平面および第２平面を形成する工程と、前記基板の前記第１面上で前記第１平面および前記第２平面を連続して覆う被覆層を形成する工程と、前記基板で前記第１平面および前記第２平面に対応する位置に、前記第１面の裏側の第２面から前記基板に開口を形成し、前記第１平面に対応する位置の前記開口を閉塞する第１振動膜、および、前記第２平面に対応する位置の前記開口を閉塞する第２振動膜を前記被覆層にそれぞれ形成する工程と、前記第１振動膜上に第１圧電素子を形成し、前記第２振動膜上に第２圧電素子を形成する工程と、前記基板の前記第１面上で前記第１圧電素子および前記第２圧電素子を覆い平坦な上面を有する音響整合層を形成する工程とを備える超音波デバイスの製造方法に関する。ここでは、第１圧電素子および第２圧電素子の形成に先立って第１振動膜および第２振動膜が形成されてもよく、音響整合層の形成に先立って第１振動膜および第２振動膜が形成されてもよい。

電子機器の一具体例すなわち超音波診断装置を概略的に示す外観図である。超音波プローブの拡大正面図である。第１実施形態に係る超音波デバイスの拡大平面図である。図３のＡ−Ａ線に沿った断面図である。超音波デバイスの製造方法であって基板上のフォトレジストを概略的に示す拡大部分断面図である。超音波デバイスの製造方法であって上段面および下段面の形成工程を概略的に示す拡大部分断面図である。超音波デバイスの製造方法であって酸化シリコン層の形成工程を概略的に示す拡大部分断面図である。超音波デバイスの製造方法であって酸化ジルコニウム層の形成工程を概略的に示す拡大部分断面図である。超音波デバイスの製造方法であって第１圧電素子および第２圧電素子の形成工程を概略的に示す拡大部分断面図である。超音波デバイスの製造方法であって第１開口および第２開口の形成工程を概略的に示す拡大部分断面図である。第２実施形態に係る超音波デバイスの拡大部分平面図である。第３実施形態に係る超音波デバイスの拡大部分平面図である。配列の他の具体例を概略的に示す超音波デバイスの拡大部分平面図である。配列のさらに他の具体例を概略的に示す超音波デバイスの拡大部分平面図である。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

（１）超音波診断装置の全体構成
図１は電子機器の一具体例すなわち超音波診断装置（超音波画像装置）１１の構成を概略的に示す。超音波診断装置１１は装置端末（処理装置）１２と超音波プローブ（プローブ）１３とを備える。装置端末１２と超音波プローブ１３とはケーブル１４で相互に接続される。装置端末１２と超音波プローブ１３とはケーブル１４を通じて電気信号をやりとりする。装置端末１２にはディスプレイパネル（表示装置）１５が組み込まれる。ディスプレイパネル１５の画面は装置端末１２の表面で露出する。装置端末１２では、超音波プローブ１３で検出された超音波に基づき画像が生成される。画像化された検出結果がディスプレイパネル１５の画面に表示される。

図２に示されるように、超音波プローブ１３は筐体１６を有する。筐体１６内には超音波デバイス１７が収容される。超音波デバイス１７の表面は筐体１６の表面で露出することができる。超音波デバイス１７は表面から超音波を出力するとともに超音波の反射波を受信する。その他、超音波プローブ１３は、プローブ本体１３ａに着脱自在に連結されるプローブヘッド１３ｂを備えることができる。このとき、超音波デバイス１７はプローブヘッド１３ｂの筐体１６内に組み込まれることができる。

（２）第１実施形態に係る超音波デバイスの構成
図３は第１実施形態に係る超音波デバイス１７の平面図を概略的に示す。超音波デバイス１７は基体２１を備える。基体２１には素子アレイ２２が形成される。素子アレイ２２は第１超音波トランスデューサー素子（以下「第１素子」という）２３および第２超音波トランスデューサー素子（以下「第２素子」という）２４の配列で構成される。配列は複数行複数列のマトリクスで形成される。ここでは、１列の第１素子２３と１列の第２素子２４とが行方向に交互に配列される。１列の第１素子２３と１列の第２素子２４とは１つのセグメントを形成する。１セグメントごとに複数の第１素子２３および第２素子２４は同時に送信または受信を実施する。後述されるように、基体２１の表面には相互に段差２５を有する上段面２６および下段面２７が形成され、第１素子２３は下段面２７に配置され、第２素子２４は上段面２６に配置される。上段面２６を含む平面と下段面２７を含む平面とは相互に平行に広がる。上段面２６は下段面２７よりも基体２１の裏面から遠ざかる。上段面２６の周囲で下段面２７は連続する。超音波デバイス１７は１枚の超音波トランスデューサー素子チップとして構成される。

個々の第１素子２３は第１振動膜３１を備える。第１振動膜３１の詳細は後述される。図３では第１振動膜３１の膜面に直交する方向の平面視（基体２１の厚み方向の平面視）で第１振動膜３１の輪郭が点線で描かれる。第１振動膜３１上には第１圧電素子３２が形成される。第１圧電素子３２では、後述されるように、上電極（第２の電極）３３および下電極（第１の電極）３４の間に圧電体膜３５が挟まれる。これらは順番に重ねられる。第１振動膜３１は第１周波数に共振周波数を有する。

個々の第２素子２４は第２振動膜３６を備える。第２振動膜３６の詳細は後述される。図３では第２振動膜３６の膜面に直交する方向の平面視（基体２１の厚み方向の平面視）で第２振動膜３６の輪郭が点線で描かれる。第２振動膜３６上には第２圧電素子３７が形成される。第２圧電素子３７では、後述されるように、上電極（第２の電極）３８および下電極（第１の電極）３９の間に圧電体膜４１が挟まれる。これらは順番に重ねられる。前述のように、第１素子２３は下段面２７に配置され第２素子２４は上段面２６に配置されることから、第２振動膜３６の膜面は、第１振動膜３１の膜面を含む平面よりも高い位置に配置される。第２振動膜３６は第２周端数に共振周波数を有する。第２周波数は第１振動膜３１の共振周波数である第１周波数の高調波に相当する。したがって、第２振動膜３６は第１振動膜３１よりも小さい。大きさは第１振動膜３１および第２振動膜３６の膜面の面積で比較される。

基体２１の表面には複数本の第１導電体４２が形成される。第１導電体４２は配列の列方向に相互に平行に延びる。１列の第１素子２３ごとに１本の第１導電体４２が割り当てられる。１本の第１導電体４２は配列の列方向に並ぶ第１素子２３に共通に配置される。第１導電体４２は個々の第１素子２３ごとに下電極３４を形成する。第１導電体４２には例えばチタン（Ｔｉ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）およびチタン（Ｔｉ）の積層膜が用いられることができる。ただし、第１導電体４２にはその他の導電材が利用されてもよい。

基体２１の表面には複数本の第２導電体４３が形成される。第２導電体４３は配列の列方向に相互に平行に延びる。１列の第２素子２４ごとに１本の第２導電体４３が割り当てられる。１本の第２導電体４３は配列の列方向に並ぶ第２素子２４に共通に配置される。第２導電体４３は個々の第２素子２４ごとに下電極３９を形成する。第２導電体４３には例えばチタン（Ｔｉ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）およびチタン（Ｔｉ）の積層膜が用いられることができる。ただし、第２導電体４３にはその他の導電材が利用されてもよい。

基体２１の表面にはさらに複数本の第３導電体４４が形成される。第３導電体４４は配列の行方向に相互に平行に延びる。１行の第１素子２３および第２素子２４に１本の第３導電体４４が割り当てられる。１本の第３導電体４４は配列の行方向に並ぶ第１素子２３および第２素子２４に共通に接続される。第３導電体４４は個々の第１素子２３または第２素子２４ごとに上電極３３、３８を形成する。第３導電体４４の両端は１対の引き出し配線４５にそれぞれ接続される。引き出し配線４５は配列の列方向に相互に平行に延びる。したがって、全ての第３導電体４４は同一長さを有する。こうしてマトリクス全体の第１素子２３および第２素子２４に共通に上電極３３、３８は接続される。第３導電体４４は例えばイリジウム（Ｉｒ）で形成されることができる。ただし、第３導電体４４にはその他の導電材が利用されてもよい。

セグメントごとに素子２３、２４の通電は切り替えられる。こうした通電の切り替えに応じてリニアスキャンやセクタースキャンは実現される。１列の第１素子２３は同時に超音波を出力することから、１列の個数すなわち配列の行数は超音波の出力レベルに応じて決定されることができる。行数は例えば１０〜１５行程度に設定されればよい。図中では省略されて５行が描かれる。配列の列数はスキャンの範囲の広がりに応じて決定されることができる。列数は例えば１２８列や２５６列に設定されればよい。図中では省略されて８列が描かれる。上電極３３、３８および下電極３４、３９の役割は入れ替えられてもよい。すなわち、マトリクス全体の素子２３、２４に共通に下電極が接続される一方で、配列の列ごとに共通に上電極が接続されてもよい。

基体２１の輪郭は、相互に平行な１対の直線で仕切られて対向する第１辺２１ａおよび第２辺２１ｂを有する。第１辺２１ａと素子アレイ２２の輪郭との間に１ラインの第１端子アレイ４６ａが配置される。第２辺２１ｂと素子アレイ２２の輪郭との間に１ラインの第２端子アレイ４６ｂが配置される。第１端子アレイ４６ａは第１辺２１ａに平行に１ラインを形成することができる。第２端子アレイ４６ｂは第２辺２１ｂに平行に１ラインを形成することができる。第１端子アレイ４６ａは１対の上電極端子４７および複数の下電極端子４８で構成される。上電極端子４７および下電極端子４８は下段面２７の同一平面上に形成される。同様に、第２端子アレイ４６ｂは１対の上電極端子４９および複数の下電極端子５１で構成される。上電極端子４９および下電極端子５１は下段面２７の同一平面上に形成される。１本の引き出し配線４５の両端にそれぞれ上電極端子４７、４９は接続される。引き出し配線４５および上電極端子４７、４９は素子アレイ２２を二等分する垂直面で面対称に形成されればよい。第１導電体４２および第２導電体４３の両端にそれぞれ下電極端子４８、５１は接続される。第１導電体４２、第２導電体４３および下電極端子４８、５１は素子アレイ２２を二等分する垂直面で面対称に形成されればよい。ここでは、基体２１の輪郭は矩形に形成される。基体２１の輪郭は正方形であってもよく台形であってもよい。

基体２１には第１フレキシブルプリント配線板（以下「第１配線板」という）５２ａが連結される。第１配線板５２ａは第１端子アレイ４６ａに覆い被さる。第１配線板５２ａの一端には上電極端子４７および下電極端子４８に個別に対応して導電線すなわち第１信号線５３が形成される。第１信号線５３は上電極端子４７および下電極端子４８に個別に向き合わせられ個別に接合される。同様に、基体２１には第２フレキシブルプリント配線板（以下「第２配線板」という）５２ｂが覆い被さる。第２配線板５２ｂは第２端子アレイ４６ｂに覆い被さる。第２配線板５２ｂの一端には上電極端子４９および下電極端子５１に個別に対応して導電線すなわち第２信号線５４が形成される。第２信号線５４は上電極端子４９および下電極端子５１に個別に向き合わせられ個別に接合される。

図４に示されるように、基体２１は基板５５および被覆膜５６を備える。基板５５は例えばシリコン（Ｓｉ）から形成される。基板５５の表面には相互に段差を有する上段面（第２平面）５７および下段面（第１平面）５８が形成される。基板５５には個々の第１素子２３ごとに第１開口５９ａが形成され個々の第２素子２４ごとに第２開口５９ｂが形成される。第１開口５９ａは下段面５８で開口する。第２開口５９ｂは上段面５７で開口する。第１開口５９ａおよび第２開口５９ｂは基板５５に対してアレイ状に配置される。第１開口５９ａおよび第２開口５９ｂが配置される領域の輪郭は素子アレイ２２の輪郭に相当する。

基板５５の表面に被覆膜５６が一面に形成される。被覆膜５６は一様な連続膜である。被覆膜５６は上段面５７および下段面５８で相互に連続する。被覆膜５６は、基板５５の表面に積層される酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層５６ａと、酸化シリコン層５６ａの表面に積層される酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）層５６ｂとで構成される。被覆膜５６は第１開口５９ａおよび第２開口５９ｂに接する。こうして第１開口５９ａおよび第２開口５９ｂの輪郭にそれぞれ対応して被覆膜５６の一部が第１振動膜３１および第２振動膜３６を形成する。第１振動膜３１は第１開口５９ａを閉塞する。第２振動膜３６は第２開口５９ｂを閉塞する。第１振動膜３１および第２振動膜３６は、被覆膜５６のうち、第１開口５９ａおよび第２開口５９ｂに臨むことから基板５５の厚み方向に膜振動することができる部分である。

酸化シリコン層５６ａは上段面５７および下段面５８で均一な膜厚を有する。同様に、酸化ジルコニウム層５６ｂは上段面５７および下段面５８で均一な膜厚を有する。その結果、基板５５の上段面５７および下段面５８に倣って被覆膜５６の表面すなわち基体２１の表面に上段面２６および下段面２７が現れる。酸化シリコン層５６ａの膜厚は０．１〜３．０μｍ程度である。酸化ジルコニウム層５６ｂの膜厚は０．１〜１．０μｍ程度である。

第１振動膜３１の表面に第１導電体４２、圧電体膜３５および第３導電体４４が順番に積層される。圧電体膜３５は例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）で形成されることができる。圧電体膜３５にはその他の圧電材料が用いられてもよい。圧電体膜３５は下電極３４の少なくとも一部および第１振動膜３１の一部を覆う。上電極３３は圧電体膜３５の少なくとも一部を覆う。ここでは、第３導電体４４の下で圧電体膜３５は完全に第１導電体４２の表面を覆う。圧電体膜３５の働きで第１導電体４２と第３導電体４４との間で短絡は回避されることができる。

同様に、第２振動膜３６の表面に第２導電体４３、圧電体膜４１および第３導電体４４が順番に積層される。圧電体膜４１は例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）で形成されることができる。圧電体膜４１にはその他の圧電材料が用いられてもよい。圧電体膜４１は下電極３９の少なくとも一部および第２振動膜３６の一部を覆う。上電極３８は圧電体膜４１の少なくとも一部を覆う。ここでは、第３導電体４４の下で上段面５７は完全に第２導電体４３の表面を覆う。圧電体膜３５の働きで第２導電体４３と第３導電体４４との間で短絡は回避されることができる。

ここで、第１圧電素子３２の下電極３４と第２圧電素子３７の下電極３９とは同じ材質から形成される。しかも、第１圧電素子３２の下電極３４の厚さｔ_Ｌ１と第２圧電素子３７の下電極３９の厚さｔ_Ｌ２とは等しい。厚さｔ_Ｌ１、ｔ_Ｌ２は例えば０．１〜１．０μｍ程度である。また、第１圧電素子３２の圧電体膜３５と第２圧電素子３７の圧電体膜４１とは同じ材質から形成される。第１圧電素子３２の圧電体膜３５の厚さｔ_Ｐ１と第２圧電素子３７の圧電体膜４１の厚さｔ_Ｐ２とは等しい。厚さｔ_Ｐ１、ｔ_Ｐ２は例えば数μｍのオーダー程度である。さらに、第１圧電素子３２の上電極３３と第２圧電素子３７の上電極３８とは第３導電体４４で共通に形成されることから、上電極３３および上電極３８は同じ材質であって同じ膜厚を有する。上電極３３、３８の膜厚は数十ｎｍのオーダー程度である。

基体２１の表面には音響整合層６１が積層される。音響整合層６１は例えば全面にわたって基体２１の表面に覆い被さる。その結果、素子アレイ２２や第１端子アレイ４６ａ、第２端子アレイ４６ｂ、第１配線板５２ａおよび第２配線板５２ｂは音響整合層６１で覆われる。音響整合層６１は第１素子２３および第２素子２４に被さる。第１振動膜３１、第１圧電素子３２、第２振動膜３６および第２圧電素子３７は音響整合層６１に隙間なく密着する。音響整合層６１には例えばシリコーン樹脂膜が用いられることができる。音響整合層６１は、素子アレイ２２の構造や、第１端子アレイ４６ａおよび第１配線板５２ａの接合、第２端子アレイ４６ｂおよび第２配線板５２ｂの接合を保護する。

音響整合層６１は平らな上面（平面）を有する。第１圧電素子３２の第１上面は音響整合層６１の上面６１ａから第１距離Ｄ１で離れる。第１距離Ｄ１に基づき第１圧電素子３２上で音響整合層６１の膜厚は設定される。第１距離Ｄ１は第１素子２３の共振周波数である第１周波数に応じて決定される。ここでは、第１距離Ｄ１は第１周波数の波長の４分の１の奇数倍に設定される。第２圧電素子３７の第２上面は音響整合層６１の上面から第２距離Ｄ２で離れる。第２距離Ｄ２に基づき第２素子２４上で音響整合層６１の膜厚は設定される。第２距離Ｄ２は第２素子２４の共振周波数である第２周波数に応じて決定される。ここでは、第２距離Ｄ２は第２周波数の波長の４分の１の奇数倍に設定される。第２距離Ｄ２は第１距離Ｄ１よりも小さい。ここでは、第２素子２４の共振周波数は第１素子２３の共振周波数の高調波に相当する。

音響整合層６１上には音響レンズ６２が積層される。音響レンズ６２は音響整合層６１の表面に密着する。音響レンズ６２の外表面は部分円筒面で形成される。部分円筒面は第１導電体４２および第２導電体４３に平行な母線を有する。部分円筒面の曲率は、１筋の第１導電体４２または第２導電体４３に接続される１列の素子２３、２４から発信される超音波の焦点位置に応じて決定される。音響レンズ６２は例えばシリコーン樹脂から形成される。

基体２１の裏面には補強板６３が固定される。補強板６３の表面に基体２１の裏面が重ねられる。補強板６３は超音波デバイス１７の裏面で第１開口５９ａおよび第２開口５９ｂを閉じる。補強板６３はリジッドな基材を備えることができる。補強板６３は例えばシリコン基板から形成されることができる。基体２１の板厚は例えば１００〜３００μｍ程度に設定され、補強板６３の板厚は例えば１００〜１５０μｍ程度に設定される。接合にあたって接着剤は用いられることができる。

（３）超音波診断装置の動作
次に超音波診断装置１１の動作を簡単に説明する。超音波の送信にあたって第１圧電素子３２には第１周波数のパルス信号が供給される。パルス信号は第１導電体４２に連なる下電極端子４８、５１および第３導電体４４に連なる上電極端子４７、４９を通じて列ごとに第１素子２３に供給される。個々の第１素子２３では下電極３４および上電極３３の間で圧電体膜３５に電界が作用する。圧電体膜３５は第１周波数の超音波で振動する。圧電体膜３５の振動は第１振動膜３１に伝わる。第１振動膜３１は第１周波数の超音波に共振する。振動は増強される。こうして第１振動膜３１は超音波振動する。その結果、被検体（例えば人体の内部）に向けて所望の超音波ビームは発せられる。

超音波の反射波は音響整合層６１を伝って第１振動膜３１および第２振動膜３６を振動させる。第１振動膜３１は第１周波数の共振周波数で超音波振動する。第２振動膜３６は第２周波数の共振周波数で超音波振動する。第１振動膜３１および第２振動膜３６の振動に応じて第１圧電素子３２および第２圧電素子３７で圧電効果が発揮される。個々の第１素子２３および第２素子２４では上電極３３、３８と下電極３４、３９との間で電位が生成される。第１圧電素子３２および第２圧電素子３７でそれぞれ起電圧が電気信号として取り出される。こうして第１振動膜３１および第２振動膜３６は異なる周波数の超音波を受信する。振動膜の共振周波数ごとに音響整合層６１の膜厚は設定されることから、超音波の周波数ごとに精度よく音響結合は実現されることができる。こうして第１周波数の超音波が被検体に向かって発信される際に、反射する超音波は第１周波数の超音波成分に加えてその高調波の（第２周波数の）超音波成分を含む。したがって、第１周波数の超音波に加えて第２周波数の超音波が受信されれば、超音波デバイス１７の感度は高められる。

超音波の送信および受信は繰り返される。その結果、リニアスキャンやセクタースキャンは実現される。スキャンが完了すると、出力信号のデジタル信号に基づき画像が形成される。形成された画像はディスプレイパネル１５の画面に表示される。

超音波デバイス１７では第１振動膜３１の第１圧電素子３２上で音響整合層６１の第１膜厚は特定され、第２振動膜３６の第２圧電素子３７上で音響整合層６１の第２膜厚は特定される。音響整合層６１の膜厚に応じて第１振動膜３１および第２振動膜３６に伝わる超音波の周波数は調整される。こうして第１振動膜３１および第２振動膜３６は異なる周波数の超音波を受信する。基板５５の表面で被覆膜５６および圧電素子３２、３７は精度よく加工されることができることから、第１振動膜３１および第２振動膜３６では精度よく第１膜厚および第２膜厚は確保されることができる。超音波の周波数ごとに精度よく音響結合は実現されることができる。

前記のように、第１圧電素子３２の下電極３４と第２圧電素子３７の下電極３９とは同じ材質であって同じ厚さを有する。したがって、第１圧電素子３２の下電極３４と第２圧電素子３７の下電極３９とは同一の製造工程で形成されることができる。同様に、第１圧電素子３２の上電極３３と第２圧電素子３７の上電極３８とは同じ材質であって同じ厚さを有する。したがって、第１圧電素子３２の上電極３３と第２圧電素子３７の上電極３８とは同一の製造工程で形成されることができる。さらに、第１圧電素子３２の圧電体膜３５と第２圧電素子３７の圧電体膜４１とは同じ材質であって同じ厚さを有する。第１圧電素子３２の圧電体膜３５と第２圧電素子３７の圧電体膜４１とは同一の製造工程で形成されることができる。いずれも製造工程の複雑化は回避されることができる。しかも、被覆膜５６は第１振動膜３１および第２振動膜３６で均一な膜厚を有する。被覆膜５６は一様に形成されることができる。一様な被覆膜５６は比較的に簡単に精度よく形成されることができる。

第１圧電素子３２に接続される第１導電体４２の下電極端子４８、５１と、第２圧電素子３７に接続される第２導電体４３の下電極端子４８、５１とは同一平面に配置される。さらに、第１圧電素子３２および第２圧電素子３７に共通に接続される第３導電体４４の上電極端子４７、４９と下電極端子４８、５１とは同一平面に配置される。第１配線板５２ａおよび第２配線板５２ｂは平面で上電極端子４７、４９および下電極端子４８、５１を受け止めることができる。下電極端子４８、５１が上段面２６に配置される場合に比べて、第１配線板５２ａおよび第２配線板５２ｂの形状の複雑化は回避され、確実な接続が実現される。前述のように、第１距離Ｄ１と第２距離Ｄ２との差は第２振動膜３６の共振周波数の波長の４分の１の整数倍であることから、高調波の超音波は確実に受信されることができる。

（４）超音波デバイスの製造方法
次に、超音波デバイス１７の製造方法を簡単に説明する。基板７１が用意される。基板７１は例えばシリコンから形成される。図５に示されるように、基板７１の表面（第１面）７１ａにはフォトレジスト７２のパターンが形成される。パターンは上段面５７の形状を象る。基板７１の表面７１ａにエッチング処理が施される。図６に示されるように、基板７１の表面７１ａが彫り込まれ、相互に段差を有する上段面７３および下段面７４が形成される。フォトリソグラフィ技術によれば、上段面７３および下段面７４は、精度よく平面に、かつ、相互に平行に形成されることができる。

図７に示されるように、基板７１の表面には例えば熱処理が施され酸化膜が形成される。基板７１のシリコンは酸化されて酸化シリコンを形成する。酸化膜は均一な膜厚を有する。こうして基板７１から基板５５および酸化シリコン層５６ａが形成される。上段面７３および下段面７４がそのまま酸化されることから、酸化シリコン層５６ａの表面は精度よく平面かつ平行度を維持することができる。こうして基板５５の表面に上段面５７および下段面５８が確立される。

その後、図８に示されるように、酸化シリコン層５６ａの表面には一面に酸化ジルコニウム層５６ｂが形成される。形成にあたってジルコニウム層が一面に形成される。例えばＣＶＤ（化学気相成長法）が用いられる。ジルコニウム層は均一な膜厚で形成される。ジルコニウム層に酸化処理が施される。酸化シリコン層５６ａと酸化ジルコニウム層５６ｂとの積層で被覆膜５６は確立される。酸化ジルコニウム層５６ｂの表面は平面な酸化シリコン層５６ａの表面形状を反映する。こうして基板５５の表面で被覆膜５６の表面は精度よく加工されることができる。

その後、図９に示されるように、被覆膜５６の表面には第１圧電素子３２および第２圧電素子３７が形成される。例えば、酸化ジルコニウム層５６ｂの表面に一面に導電材の素材層７５が形成される。形成にあたって例えばＣＶＤ法が用いられる。素材層７５は均一な膜厚に形成される。素材層７５の表面にフォトレジスト７６のパターンが形成される。パターンは第１導電体４２および第２導電体４３の形状を象る。素材層７５の表面からエッチング処理が施される。その結果、素材層７５から第１導電体４２および第２導電体４３が形成される。第１導電体４２および第２導電体４３は共通の素材層から形成されることから、第１圧電素子３２の下電極３４と第２圧電素子３７の下電極３９とは同一の素材であって同じ厚さを有する。こうして下電極３４、３９は同一の製造工程で形成される。製造工程の複雑化は回避される。

同様に、被覆膜５６の表面には圧電体膜３５、４１および上電極３３、３８が形成される。いずれも共通の素材層から形成される。フォトレジストのパターンに従ってエッチング処理が施される。したがって、第１圧電素子３２の圧電体膜３５および上電極３３と第２圧電素子３７の圧電体膜４１および上電極３８とは同一の素材であって同じ厚さを有する。こうして圧電体膜３５、４１および上電極３３、３８はそれぞれ同一の製造工程で形成される。

その後、図１０に示されるように、基板５５には基板７１の裏面（第２面）７１ｂから第１開口５９ａおよび第２開口５９ｂが形成される。第１開口５９ａは下段面５８の裏側から形成される。第２開口５９ｂは上段面５７の裏側から形成される。形成にあたって基板５５は裏面からエッチング処理に曝される。このとき、酸化シリコン層５６ａはエッチングストップ層として機能する。その結果、第１開口５９ａおよび第２開口５９ｂで被覆膜５６に第１振動膜３１および第２振動膜３６が確立される。その後、例えば基板７１の裏面７１ｂに補強板６３が接合される。

こうして第１圧電素子３２および第２圧電素子３７のほか、第１導電体４２、第２導電体４３、第３導電体４４、上電極端子４７、４９および下電極端子４８、５１が形成されると、被覆膜５６の表面で音響整合層６１が形成される。形成にあたって例えばスピンコーティングが用いられる。流動性の素材が硬化して音響整合層６１を形成する。したがって、音響整合層６１の表面は容易に平面化する。音響整合層６１は第１圧電素子３２および第２圧電素子３７に被さる。その後、音響整合層６１の上面６１ａには音響レンズ６２が形成される。こうして超音波デバイス１７は製造される。

（５）第２実施形態に係る超音波デバイスの構成
図１１は第２実施形態に係る超音波デバイス１７ａの拡大部分平面図を概略的に示す。超音波デバイス１７ａでは第１素子２３と第２素子２４とが千鳥配置で配列される。千鳥配置では偶数列の第２素子２４群は奇数列の第１素子２３群に対して互い違いにずらされればよい。ここでは、第３導電体４４ａ、４４ｂはそれぞれ対応の第１素子２３および第２素子２４の大きさに対応して幅を有することができる。第２素子２４に接続される第３導電体４４ｂの幅は第１素子２３に接続される第３導電体４４ａの幅よりも小さい。このとき、１列の第１素子２３群では第１導電体４２と第３導電体４４ａとの間には絶縁膜８１が挟まれる。絶縁膜８１は第１導電体４２から第３導電体４４ａを隔てる。同様に、１列の第２素子２４群では第２導電体４３と第３導電体４４ｂとの間には絶縁膜８２が挟まれる。絶縁膜８２は第２導電体４３から第３導電体４４ｂを隔てる。こうして短絡は回避される。その他の構成は第１実施形態のものと同様である。

（６）第３実施形態に係る超音波デバイスの構成
図１２は第３実施形態に係る超音波デバイス１７ｂの拡大部分平面図を概略的に示す。超音波デバイス１７ｂでは行ごとに第１素子２３および第２素子２４が纏められる。列方向に第１素子２３および第２素子２４は交互に配置される。１列ごとに第１素子２３と第２素子２４とは共通の第１導電体４２に接続される。装置端末１２では例えばフーリエ変換などに基づき出力信号から第１周波数および第２周波数の出力成分は分離される。その他の構成は第１実施形態または第２実施形態のものと同様である。

その他、超音波デバイス１７ｃでは、図１３に示されるように、領域ごとに第１素子２３および第２素子２４はそれぞれ纏めて配置されてもよい。これによって上段面２６および下段面２７の段差は１直線だけで済む。図１４に示されるように、超音波デバイス１７ｄでは同心円状に第１素子２３および第２素子２４が配列されてもよい。ここでは、特定の円を境に内側と外側とで第２素子２４と第１素子２３とが配列されればよい。これによって上段面２６および下段面２７の段差は１円で済む。その他の構成は第１実施形態その他の実施形態と同様である。

なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。したがって、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれる。例えば、明細書または図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語とともに記載された用語は、明細書または図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えられることができる。また、超音波診断装置１１や装置端末１２、超音波プローブ１３、ディスプレイパネル１５、素子２３、２４、第１導電体４２、第２導電体４３および第３導電体といった配線構造等の構成および動作も本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形が可能である。

１１電子機器としての超音波画像装置（超音波診断装置）、１２処理装置（装置端末）、１３プローブ（超音波プローブ）、１５表示装置（ディスプレイパネル）、１７超音波デバイス、１７ａ超音波デバイス、１７ｂ超音波デバイス、３１第１振動膜、３２第１圧電素子、３３第２の電極（上電極）、３４第１の電極（下電極）、３５圧電体膜、３６第２振動膜、３７第２圧電素子、３８第２の電極（上電極）、３９第１の電極（下電極）、４１圧電体膜、４２第１導電配線（第１導電体）、４３第２導電配線（第２導電体）、４７端子（上電極端子）、４８端子（下電極端子）、４９端子（上電極端子）、５１端子（下電極端子）、５５基板、５６被覆膜、５９ａ開口（第１開口）、５９ｂ開口（第２開口）、７３上段面、７４下段面。

Claims

第１平面と、前記第１平面を含む基準平面からその法線方向に特定距離で離れた第２平面と、前記第１平面に開口する第１開口と、前記第２平面に開口する第２開口と、を有する基板と、
前記第１開口を閉塞する第１振動膜と、第２開口を閉塞する第２振動膜と、を有し前記基板上に形成された被覆層と、
前記第１振動膜上に形成された第１圧電素子と、
前記第２振動膜上に形成された第２圧電素子と、
前記第１圧電素子および前記第２圧電素子を覆い、前記第１平面および前記第２平面に平行な平面を有する音響整合層と、
を有する超音波デバイス。
請求項１に記載の超音波デバイスにおいて、前記第１圧電素子は圧電体を有し、前記第２圧電素子は圧電体を有し、前記第１圧電素子の前記圧電体と前記第２圧電素子の前記圧電体とは同じ材質であって同じ厚さを有することを特徴とする超音波デバイス。
請求項１または２に記載の超音波デバイスにおいて、前記第１圧電素子は前記第１振動膜側に第１の電極を有し、前記第２圧電素子は前記第２振動膜側に第１の電極を有し、前記第１圧電素子の前記第１の電極と前記第２圧電素子の前記第１の電極とは同じ材質であって同じ厚さを有することを特徴とする超音波デバイス。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波デバイスにおいて、前記第１圧電素子は前記音響整合層側に第２の電極を有し、前記第２圧電素子は前記音響整合層側に第２の電極を有し、前記第１圧電素子の前記第２の電極と前記第２圧電素子の前記第２の電極とは同じ材質であって同じ厚さを有することを特徴とする超音波デバイス。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波デバイスにおいて、前記第１振動膜と前記第２振動膜とは同じ厚さを有することを特徴とする超音波デバイス。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波デバイスにおいて、前記第１圧電素子に接続される第１導電配線の端子と、前記第２圧電素子に接続される第２導電配線の端子とは同一平面に配置されることを特徴とする超音波デバイス。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の超音波デバイスにおいて、前記第２振動膜は、前記第１振動膜の共振周波数の高調波に相当する周波数に共振周波数を有することを特徴とする超音波デバイス。
請求項１〜７のいずれか１項に記載の超音波デバイスにおいて、前記第１振動膜上で前記音響整合層の膜厚は前記第１振動膜の共振周波数の波長の２分の１の奇数倍であって、前記第２振動膜上で前記音響整合層の膜厚は前記第２振動膜の共振周波数の波長の２分の１の奇数倍であることを特徴とする超音波デバイス。
請求項１〜７のいずれか１項に記載の超音波デバイスにおいて、前記特定距離は前記第２振動膜の共振周波数の波長の２分の１の奇数倍であることを特徴とする超音波デバイス。
請求項１〜９のいずれか１項に記載の超音波デバイスと、前記超音波デバイスを支持する筐体とを備えることを特徴とするプローブ。
請求項１〜９のいずれか１項に記載の超音波デバイスと、前記超音波デバイスに接続されて、前記超音波デバイスの出力を処理する処理装置とを備えることを特徴とする電子機器。
請求項１〜９のいずれか１項に記載の超音波デバイスと、前記超音波デバイスの出力から生成される画像を表示する表示装置とを備えることを特徴とする超音波画像装置。
基板の第１面に相互に段差を有する第１平面および第２平面を形成する工程と、
前記基板の前記第１面上で前記第１平面および前記第２平面を連続して覆う被覆層を形成する工程と、
前記基板で前記第１平面および前記第２平面に対応する位置に、前記第１面の裏側の第２面から前記基板に開口を形成し、前記第１平面に対応する位置の前記開口を閉塞する第１振動膜、および、前記第２平面に対応する位置の前記開口を閉塞する第２振動膜を前記被覆層にそれぞれ形成する工程と、
前記第１振動膜上に第１圧電素子を形成し、前記第２振動膜上に第２圧電素子を形成する工程と、
前記基板の前記第１面上で前記第１圧電素子および前記第２圧電素子を覆い平坦な上面を有する音響整合層を形成する工程と、
を備えることを特徴とする超音波デバイスの製造方法。