JP2016033970A

JP2016033970A - 超音波デバイスおよびその製造方法並びにプローブおよび電子機器

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Publication number: JP2016033970A
Application number: JP2014156708A
Authority: JP
Inventors: 洋史松田; Yoji Matsuda
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2014-07-31
Filing date: 2014-07-31
Publication date: 2016-03-10
Also published as: US9976992B2; CN105310721A; CN105310721B; US20160033454A1

Abstract

【課題】周波数精度や感度が高く、かつ、クロストークの低減を実現する超音波デバイスを提供する。
【解決手段】超音波デバイスの基板４４は、第１面および反対側の第２面４４ｂを有し、壁部５７で相互に仕切られる第１開口部４６および第２開口部４６を有する。基板４４の第１面には、第１開口部４６および第２開口部４６をそれぞれ塞ぐ第１振動膜および第２振動膜が配置される。第１振動膜４８および第２振動膜４９にそれぞれ第１圧電素子および第２圧電素子とが設けられ、壁部５７には、基板４４の第２面４４ｂに開口する凹部５６が区画される。
【選択図】図４

Description

本発明は、超音波デバイスおよびその製造方法、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。

例えば超音波診断装置に用いられる超音波デバイスは一般に知られており、その構造は圧電デバイスの構造に近似する。すなわち、基板にはアレイ状に開口が穿たれ、開口同士は壁部で仕切られており、個々の開口は振動膜で塞がれる。そして個々の振動膜に圧電素子が配置される。

特開２００３−８０９６号公報

特許文献１の圧電デバイスでは変位の増大すなわち大きな振幅のために振動膜の固定端付近に溝の形成によって低剛性部が確立されており、溝のサイズや深さ、位置のわずかなバラツキが超音波素子の周波数や感度に大きな影響を与えてしまう。そのためクロストークは低減されるものの、精度に劣る超音波デバイスとなっている。

本発明の少なくとも１つの態様によれば、周波数や感度が高精度で、かつ、クロストークの低減を実現でき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面および前記第１面の反対側の第２面を有し、第１壁部で相互に仕切られる第１開口部および第２開口部を有する基板と、前記基板の前記第１面に配置されて、前記第１開口部および前記第２開口部をそれぞれ塞ぐ第１振動膜および第２振動膜と、前記第１振動膜および前記第２振動膜にそれぞれ設けられた第１圧電素子および第２圧電素子とを備え、前記第１壁部には、前記第２面に開口する第１凹部が形成されている超音波デバイスに関する。

第１振動膜および第２振動膜は振動する。第１壁部には第１凹部が形成されていることから、第１壁部を伝播する振動は第１凹部の空間で跳ね返される。したがって、隣接する第１振動膜および第２振動膜相互の間で振動の伝播は抑制される。こうして第１振動膜および第２振動膜の間でクロストークは低減される。このとき、第１凹部は非貫通であって第１面に至らないことから、第１振動膜および第２振動膜の間で第１面に溝や窪みは形成されない。第１振動膜および第２振動膜の支点の剛性は維持される。第１振動膜および第２振動膜の振動特性は維持される。振動特性のばらつきは抑制される。

（２）超音波デバイスは、前記第１圧電素子に接続される第１配線と、前記第１配線から絶縁体で隔てられて前記第２圧電素子に接続される第２配線とを備えてもよい。第１配線および第２配線には個別に信号が流通する。第１配線および第２配線は個別にチャネルを形成する。こうして少なくとも相違するチャネル同士の間に空間は配置される。チャネル同士の間でクロストークは低減される。

（３）前記基板は、前記第１開口部と第２壁部で相互に仕切られる第３開口部と、前記第２開口部と第３壁部で相互に仕切られ、かつ、前記第３開口部と第４壁部で相互に仕切られる第４開口部とを有することができ、超音波デバイスは、前記基板の前記第１面に配置されて、前記第３開口部および前記第４開口部をそれぞれ塞ぐ第３振動膜および第４振動膜と、前記第３振動膜および前記第４振動膜にそれぞれ設けられた第３圧電素子および第４圧電素子とをさらに備えることができる。このとき、前記第３圧電素子は前記第１配線に接続され、前記第４圧電素子は前記第２配線に接続され、前記第４壁部には、前記第２面に開口する第２凹部が形成されればよい。超音波デバイスはチャネルごとに複数の開口部を有する。個々の開口部は振動膜で塞がれ、個々の振動膜には圧電素子が設けられる。すなわち、第１および第３開口部、第１および第３振動膜並びに第１および第３圧電素子は１チャネルを形成する。第１圧電素子および第３圧電素子に共通に第１配線は接続される。同様に、第２および第４開口部、第２および第４振動膜並びに第２および第４圧電素子は１チャネルを形成する。第２圧電素子および第４圧電素子に共通に第２配線は接続される。こうしてチャネルごとに信号は増強される。

（４）前記第１凹部および前記第２凹部は、前記基板の厚さ方向からの平面視で、前記第１開口部と前記第３開口部とが配置される列の延伸方向に延びる溝形状であってもよい。溝形状は効率的に第１開口部および第２開口部の列と第３開口部および第４開口部の列との間で振動の伝播を遮断することができる。

（５）前記第１凹部および前記第２凹部の深さは前記第１開口部ないし前記第４開口部のいずれの深さよりも小さければよい。こうして第１凹部および第２凹部は基板の第１面から遠ざけられる。基板の剛性は維持されることができる。

（６）前記第１開口部と前記第３開口部とが配置される列の延伸方向に直交する方向の前記第１凹部の幅および前記第２凹部の幅は、前記第１開口部ないし前記第４開口部のいずれの幅よりも小さければよい。第１および第２凹部並びに第１開口部ないし第４開口部はエッチングで同時に形成されることができる。第１開口部ないし第４開口部に比べて第１および第２凹部にはエッチング液は進入しにくい。その結果、第１および第２凹部の幅が狭く形成されれば、これまで通りに第１開口部ないし第４開口部の形成方法を踏襲しても、パターニングを変更するだけで、第１開口部ないし第４開口部よりも浅い溝は形成されることができる。

（７）前記延伸方向に関して前記第１凹部および前記第２凹部の長さは前記第１開口部ないし前記第４開口部のいずれの長さよりも小さければよい。クロストークを低減しつつさらに基板の剛性を確保することができる。

（８）前記第２壁部には、前記第２面に開口する第３凹部が形成され、前記第３壁部には、前記第２面に開口する第４凹部が形成されてもよい。第３凹部は第１開口部と第３開口部との間で振動の伝播を遮断し、第４凹部は第２開口部と第４開口部との間で振動の伝播を遮断する。こうして第１開口部と第３開口部との間および第２開口部と第４開口部との間でクロストークは低減されることができる。

（９）前記第３凹部および前記第４凹部は、前記第１圧電素子と前記第３圧電素子とを接続する前記第１配線、および、前記第２圧電素子と前記第４圧電素子とを接続する前記第２配線をそれぞれ横切る方向に延びる溝形状であればよい。溝形状は効率的に第１開口部と第３開口部との間および第２開口部と第４開口部との間で振動の伝播を遮断することができる。

（１０）超音波デバイスはプローブに組み込まれて利用できる。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できる。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できる。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、第１面および前記第１面の反対側の第２面を有する基板の前記第１面に被覆膜を形成する工程と、前記被覆膜上で決められた位置に第１圧電素子および第２圧電素子を形成する工程と、第１圧電素子および第２圧電素子にそれぞれ対応する前記基板の前記第２面の位置に、第１振動膜および第２振動膜の輪郭にそれぞれ対応する第１空隙および第２空隙を区画するとともに前記第１空隙および前記第２空隙の間に位置する第３空隙を区画するレジスト膜を形成する工程と、前記基板の前記第２面からエッチング処理を施し、前記被覆膜に達する第１開口部および第２開口部、並びに、前記第１開口部および前記第２開口部を相互に仕切る壁部に前記第２面に開口し前記被覆膜に達しない凹部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。

こうして超音波デバイスは製造される。凹部は、第１開口部および第２開口部の形成と共通のエッチング処理で形成されることができる。したがって、レジスト膜のパターニングの変更だけで、製造工程の増加を伴わずに、凹部は形成されることができる。

（１４）前記第３空隙の幅は前記第１空隙および前記第２空隙の幅よりも小さいことが望まれる。エッチング処理の際に第１開口部や第２開口部に比べて第３空隙から非貫通の空間にはエッチング液は進入しにくい。その結果、これまで通りに第１開口部および第２開口部の形成方法を踏襲しても、パターニングを変更するだけで、第１開口部および第２開口部よりも浅い非貫通の空間は形成されることができる。

一実施形態に係る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。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１のＡ−Ａ線に沿った一実施形態に係る超音波デバイスユニットの部分断面図である。図３のＢ−Ｂ線に沿った超音波デバイスの部分拡大断面図である。裏面から観察される超音波デバイスの部分拡大平面図である。超音波デバイスの製造方法であって、圧電素子を形成する工程までを概略的に示す拡大断面図である。超音波デバイスの製造方法であって、レジスト膜を形成する工程を概略的に示す拡大断面図である。超音波デバイスの製造方法であって、開口部および溝を形成する工程を概略的に示す拡大断面図である。第２実施形態に係る超音波デバイスの拡大平面概念図である。第３実施形態に係る超音波デバイスの拡大平面概念図である。第４実施形態に係る超音波デバイスの拡大平面概念図である。第５実施形態に係る超音波デバイスの拡大平面概念図である。第６実施形態に係る超音波デバイスの拡大平面概念図である。図３に対応し、他の実施形態に係る超音波デバイスユニットの部分断面図である。

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は本発明の一実施形態に係る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（処理部）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。

超音波プローブ１３は筐体１６を有する。筐体１６には超音波デバイスユニットＤＶが嵌め込まれる。超音波デバイスユニットＤＶは超音波デバイス１７を備える。超音波デバイス１７は音響レンズ１８を備える。音響レンズ１８の外表面には部分円筒面１８ａが形成される。部分円筒面１８ａは平板部１８ｂで囲まれる。平板部１８ｂの外周は全周で途切れなく筐体１６に結合される。こうして平板部１８ｂは筐体の一部として機能する。音響レンズ１８は例えばシリコーン樹脂から形成される。音響レンズ１８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を有する。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。

（２）第１実施形態に係る超音波デバイス
図２は超音波デバイス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の表面（第１面）には素子アレイ２２が形成される。素子アレイ２２はアレイ状に配置された薄膜型超音波トランスデューサー素子（以下「素子」という）２３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。その他、配列では千鳥配置が確立されてもよい。千鳥配置では偶数列の素子２３群は奇数列の素子２３群に対して行ピッチの２分の１でずらされればよい。奇数列および偶数列の一方の素子数は他方の素子数に比べて１つ少なくてもよい。

個々の素子２３は振動膜２４を備える。図２では振動膜２４の膜面に直交する方向の平面視（基板の厚み方向からの平面視）で振動膜２４の輪郭が点線で描かれる。振動膜２４上には圧電素子２５が形成される。圧電素子２５は上電極２６、下電極２７および圧電体膜２８で構成される。個々の素子２３ごとに上電極２６および下電極２７の間に圧電体膜２８が挟まれる。これらは下電極２７、圧電体膜２８および上電極２６の順番で重ねられる。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（基板）として構成される。

基体２１の表面には複数本の第１導電体２９が形成される。第１導電体２９は配列の行方向に相互に平行に延びる。１行の素子２３ごとに１本の第１導電体２９が割り当てられる。１本の第１導電体２９は配列の行方向に並ぶ素子２３の圧電体膜２８に共通に接続される。第１導電体２９は個々の素子２３ごとに上電極２６を形成する。第１導電体２９の両端は１対の引き出し配線３１にそれぞれ接続される。引き出し配線３１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１導電体２９は同一長さを有する。こうしてマトリクス全体の素子２３に共通に上電極２６は接続される。第１導電体２９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１導電体２９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３２が形成される。第２導電体３２は配列の列方向に相互に平行に延びる。１列の素子２３ごとに１本の第２導電体３２が割り当てられる。１本の第２導電体３２は配列の列方向に並ぶ素子２３の圧電体膜２８に共通に配置される。第２導電体３２は個々の素子２３ごとに下電極２７を形成する。第２導電体３２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３２にはその他の導電材が利用されてもよい。

列ごとに素子２３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２６および下電極２７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素子２３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３３ａ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３３ｂが配置される。第１端子アレイ３３ａ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３３ｂ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３３ａは１対の上電極端子３４および複数の下電極端子３５で構成される。同様に、第２端子アレイ３３ｂは１対の上電極端子３６および複数の下電極端子３７で構成される。１本の引き出し配線３１の両端にそれぞれ上電極端子３４、３６は接続される。引き出し配線３１および上電極端子３４、３６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。１本の第２導電体３２の両端にそれぞれ下電極端子３５、３７は接続される。第２導電体３２および下電極端子３５、３７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）３８が連結される。第１配線板３８は第１端子アレイ３３ａに覆い被さる。第１配線板３８の一端には上電極端子３４および下電極端子３５に個別に対応して導電線すなわち第１信号線３９が形成される。第１信号線３９は上電極端子３４および下電極端子３５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）４１が覆い被さる。第２配線板４１は第２端子アレイ３３ｂに覆い被さる。第２配線板４１の一端には上電極端子３６および下電極端子３７に個別に対応して導電線すなわち第２信号線４２が形成される。第２信号線４２は上電極端子３６および下電極端子３７に個別に向き合わせられ個別に接合される。

図３に示されるように、基体２１は基板４４および被覆膜４５を備える。基板４４の表面（第１面）４４ａに一面に被覆膜４５が積層される。基板４４には個々の素子２３ごとに開口部４６が形成される。開口部４６は、基板４４の裏面（第２面）４４ｂから刳り抜かれて基板４４を貫通する空間を区画する。開口部４６は基板４４に対してアレイ状に配置される。開口部４６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４４は例えばシリコン基板で形成されればよい。

隣接する２つの開口部４６の間には仕切り壁（壁部）４７が区画される。隣接する開口部４６は仕切り壁４７で仕切られる。仕切り壁４７の壁厚みは開口部４６の間隔に相当する。仕切り壁４７は相互に平行に広がる平面内に２つの壁面を規定する。壁厚みは２つの壁面の距離に相当する。すなわち、壁厚みは壁面に直交して壁面の間に挟まれる垂線の長さで規定されることができる。

被覆膜４５は、基板４４の表面に積層される酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層４８と、酸化シリコン層４８の表面に積層される酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）層４９とで構成される。被覆膜４５は開口部４６に接する。こうして開口部４６の輪郭に対応して被覆膜４５の一部が振動膜２４を形成する。振動膜２４は、被覆膜４５のうち、開口部４６に臨むことから基板４４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４８の膜厚は共振周波数に基づき決定されることができる。

振動膜２４の表面に下電極２７、圧電体膜２８および上電極２６が順番に積層される。圧電体膜２８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２８にはその他の圧電材料が用いられてもよい。ここでは、第１導電体２９の下で圧電体膜２８は完全に第２導電体３２を覆う。圧電体膜２８の働きで第１導電体２９と第２導電体３２との間で短絡は回避されることができる。

基体２１の表面には音響整合層５１が積層される。音響整合層５１は素子アレイ２２を覆う。音響整合層５１の膜厚は振動膜２４の共振周波数に応じて決定される。音響整合層５１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５１は第１端子アレイ３３ａおよび第２端子アレイ３３ｂの間の空間に収まる。音響整合層５１の縁は基体２１の第１辺２１ａおよび第２辺２１ｂから離れる。音響整合層５１は基体２１の輪郭よりも小さい輪郭を有する。

音響整合層５１上に音響レンズ１８が配置される。音響レンズ１８は音響整合層５１の表面に密着する。音響レンズ１８は音響整合層５１の働きで基体２１に接着される。音響レンズ１８の部分円筒面１８ａは第１導電体２９に平行な母線を有する。部分円筒面１８ａの曲率は、１筋の第２導電体３３に接続される１列の素子２３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１８は例えばシリコーン樹脂から形成される。音響レンズ１８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を有する。

基体２１には保護膜５３が固定される。保護膜５３は例えばエポキシ樹脂といった遮水性を有する素材から形成される。ただし、保護膜５３はその他の樹脂材から形成されてもよい。保護膜５３は音響レンズ１８および音響整合層５１の側面に固着される。保護膜５３は、音響整合層５１と第１および第２配線板３８、４１との間で基体２１表面の第２導電体３２や引き出し配線３１に被さる。同様に、保護膜５３は、基体２１上で第１配線板３８および第２配線板４１の端部に被さる。

基体２１の裏面にはバッキング材５４が固定される。バッキング材５４の表面に基体２１の裏面が重ねられる。バッキング材５４は超音波デバイス１７の裏面で開口部４６を閉じる。バッキング材５４はリジッドな基材を備えることができる。ここでは、仕切り壁４７は接合面４７ａでバッキング材５４に結合される。バッキング材５４は個々の仕切り壁４７に少なくとも１カ所の接合域で接合される。接合にあたって接着剤は用いられることができる。

図４に示されるように、超音波デバイスユニットＤＶのスキャン方向には複数の素子２３に共通に圧電体膜２８に第１導電体２９が接続される。超音波デバイスユニットＤＶのスライス方向には第１群、第２群、第ｎ群といった一群の複数の素子２３に共通に圧電体膜２８に第２導電体３２が接続される。第２導電体３２は相互に絶縁体で隔てられて第１配線５５ａ、第２配線５５ｂ、…第ｎ配線を形成する。第１配線５５ａ、第２配線５５ｂ、…第ｎ配線ごとに個別に信号が流通する。第１群の開口部４６、第２群の開口部４６、…第ｎ群の開口部４６は仕切り壁５７で相互に隔てられる。仕切り壁５７は接合面５７ａでバッキング材５４に結合される。仕切り壁５７には、基板４４の裏面（接合面５７ａ）から刳り抜かれて非貫通の空間５６が区画される。空間５６は基板４４の裏面４４ｂに開口する凹部を構成する。非貫通であるから、基板４４の裏面４４ｂから裏面４４ｂに垂直方向に、空間５６の深さＤ１は貫通の開口部４６の深さＤ２よりも小さい。空間５６（凹部）の深さＤ１は基板４４の裏面４４ｂから底部までの距離である。

図５に示されるように、空間５６は、基板４４の厚さ方向からの平面視で、第１群の開口部４６、第２群の開口部４６、…第ｎ群の開口部４６を相互に隔てる仕切り壁４７の延伸方向に延びる溝５８で区画される。溝５８の幅Ｗ１は開口部４６の幅Ｗ２よりも小さい。「幅」は例えば基板４４の裏面内で第２導電体３２の中心線ＣＬに直交する方向に測定されればよい。加えて、基板４４の厚さ方向からの平面視で、第１群の開口部４６、第２群の開口部４６、…第ｎ群の開口部４６を相互に隔てる仕切り壁４７の延伸方向に、溝５８の長さＬ１は開口部４６の長さＬ２よりも小さい。例えば、第ｎ群で第１開口部４６と第３開口部４６とが配置される列の延伸方向が規定される場合、第ｎ＋１群では第２開口部４６と第４開口部４６とが配置される列の延伸方向が規定される。このとき、第１開口部４６と第２開口部４６とを仕切る仕切り壁５７には第１凹部（溝５８）が形成され、第３開口部４６と第４開口部４６とを仕切る仕切り壁５７には第２凹部（溝５８）が形成される。

（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圧電素子２５にはパルス信号が供給される。パルス信号は下電極端子３５、３７および上電極端子３４、３６を通じて列ごとに素子２３に供給される。個々の素子２３では下電極２７および上電極２６の間で圧電体膜２８に電界が作用する。圧電体膜２８は超音波の周波数で振動する。圧電体膜２８の振動は振動膜２４に伝わる。こうして振動膜２４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。

超音波の反射波は振動膜２４を振動させる。振動膜２４の超音波振動は所望の周波数で圧電体膜２８を超音波振動させる。圧電素子２５の圧電効果に応じて圧電素子２５から電圧が出力される。個々の素子２３では上電極２６と下電極２７との間で電位が生成される。電位は下電極端子３５、３７および上電極端子３４、３６から電気信号として出力される。こうして超音波は検出される。

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。

動作時に超音波デバイス１７では振動膜２４は振動する。仕切り壁５７には空間５６が区画されることから、仕切り壁５７を伝播する振動は空間５６で跳ね返される。したがって、振動する振動膜２４に隣接する振動膜２４に向かって振動の伝播は抑制される。こうして隣接する振動膜２４同士の間でクロストークは低減される。このとき、空間５６は非貫通であって基板４４の表面４４ａに至らないことから、隣接する振動膜２４同士の間で基体２１の表面に溝や窪みは形成されない。振動膜２４の支点の剛性は維持される。振動膜２４の振動特性は維持される。振動特性のばらつきは抑制される。

前述のように、第２導電体３２は相互に絶縁体で隔てられて第１配線５５ａ、第２配線５５ｂ、…第ｎ配線を形成する。第１配線５５ａ、第２配線５５ｂ、…第ｎ配線には個別に信号が流通する。第１配線５５ａ、第２配線５５ｂ、…第ｎ配線は個別にチャネルを形成する。こうして少なくとも相違するチャネル同士の間に空間５６は配置される。チャネル同士の間でクロストークは低減される。

超音波デバイス１７はチャネルごとに複数の開口部４６を有する。個々の開口部４６は振動膜２４で塞がれ、個々の振動膜２４には圧電素子２５が固定される。すなわち、第１群に属する開口部４６、振動膜２４および圧電素子２５は１チャネルを形成する。複数の圧電素子２５に共通に第１配線５５ａは接続される。同様に、第２群に属する開口部４６、振動膜２４および圧電素子２５は１チャネルを形成する。複数の圧電素子２５に共通に第２配線５５ｂは接続される。こうしてチャネルごとに信号は増強される。

空間５６は、基板４４の厚さ方向からの平面視で、第１群の開口部４６と第２群の開口部４６とを隔てる仕切り壁４７の延伸方向に延びる溝５８で区画される。溝５８は効率的に第１群の開口部４６と第２群の開口部４６との間で振動の伝播を遮断することができる。しかも、溝５８の深さＤ１は開口部４６の深さＤ２よりも小さい。こうして空間５６は基体２１の表面から遠ざけられる。基体２１の剛性は維持されることができる。加えて、溝５８の幅Ｗ１は開口部４６の幅Ｗ２よりも小さい。溝５８並びに開口部４６はエッチングで同時に形成されることができる。開口部４６に比べて溝５８にはエッチング液は進入しにくい。その結果、溝５８の幅Ｗ１が狭く形成されれば、これまで通りに開口部４６の形成方法を踏襲しても、パターニングを変更するだけで、開口部４６よりも浅い溝５８は形成されることができる。さらには、溝５８の長さＬ１は開口部４６の長さＬ２よりも小さいことから、クロストークを低減しつつさらに基体２１の剛性は確保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。図６に示されるように、基板６１が用意される。基板６１は例えばシリコンから形成される。基板６１の表面（第１面）には例えば熱処理が施され酸化膜が形成される。基板６１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６１から基板４４および酸化シリコン層４８が形成される。酸化シリコン層４８の表面には一面に酸化ジルコニウム層４９が形成される。形成にあたって酸化シリコン層４８の表面にジルコニウム膜が均一な膜厚で積層される。積層にあたって例えばスパッタリングが用いられる。ジルコニウム膜には酸化処理が施される。こうして酸化ジルコニウム層４９は均一な膜厚で形成される。酸化シリコン層４８と酸化ジルコニウム層４９との積層で膜材６２は確立される。膜材６２は被覆膜４５に相当する。

その後、膜材６２の表面には予め決められた位置に圧電素子２５が形成される。例えば、酸化ジルコニウム層４９の表面に一面に導電材の素材層が形成される。形成にあたって例えばスパッタリングが用いられる。素材層は均一な膜厚に形成される。素材層の表面にフォトレジストのパターンが形成される。パターンは第２導電体３２の形状を象る。素材層の表面からエッチング処理が施される。その結果、素材層から第２導電体３２が形成される。同様に、膜材６２の表面には圧電体膜２８および上電極２６（第１導電体２９）が形成される。

こうして圧電素子２５のほか、第１導電体２９、第２導電体３２、上電極端子３４、３６および下電極端子３５、３７が形成されると、図７に示されるように、基板６１の裏面（第２面）６１ｂにレジスト膜６３が形成される。レジスト膜６３は例えばフォトレジスト材から形成される。レジスト膜６３は、基板６１の厚さ方向からの平面視で、予め決められたパターンを描く。パターンは、個々の圧電素子２５に対応して大空隙６４を区画する。大空隙６４は基板６１の裏面６１ｂに振動膜２４の輪郭を象る。小空隙６５は、大空隙６４の間に配置されて基板６１の裏面６１ｂに溝５８の輪郭を象る。

図８に示されるように、基板６１の裏面６１ｂからエッチング処理が施される。エッチング処理に応じて大空隙６４および小空隙６５で基板６１の裏面６１ｂが彫り込まれる。大空隙６４で基板６１が彫り込まれ、空間が膜材６２に到達すると、酸化シリコン層４８はエッチングストップ層として機能する。その結果、開口部４６で膜材６２に振動膜２４が確立される。開口部４６同士の間には仕切り壁４７、５７が形成される。

このとき、同時に小空隙６５で基板６１が彫り込まれる。小空隙６５の幅は大空隙６４の幅に比べて小さいことから、小空隙６５にはエッチング液は進入しにくい。その結果、小空隙６５では大空隙６４に比べて小さいエッチングレートが確立される。小空隙６５の働きで開口部４６の深さＤ２よりも浅い深さＤ１でエッチング液は基板６１の裏面から基板６１を刳り抜く。こうして非貫通の空間すなわち溝（凹部）５８は形成される。溝５８は、開口部４６の形成と共通のエッチング処理で形成されることができる。したがって、レジスト膜６３のパターニングの変更だけで、製造工程の増加を伴わずに、溝５８は形成されることができる。小空隙６５および大空隙６４の幅は複数の上電極２６を形成する第１導電体２９の延伸方向の長さである。

（５）第２実施形態に係る超音波デバイス
図９は第２実施形態に係る超音波デバイス１７ａの構成を概略的に示す。この超音波デバイス１７ａでは複数の第２導電体３２で第１配線５５ａ、第２配線５５ｂ、…第ｎ配線５５ｎが形成される。第１配線５５ａ、第２配線５５ｂ、…第ｎ配線５５ｎごとに第１群の開口部４６、第２群の開口部４６、…第ｎ群の開口部４６が振り分けられる。第１群の開口部４６、第２群の開口部４６、…第ｎ群の開口部４６を相互に隔てる仕切り壁５７には、基板４４の裏面から刳り抜かれて非貫通の空間５６が区画される。その他の構造は前述の第１実施形態に係る超音波デバイス１７と同様である。

（６）第３実施形態に係る超音波デバイス
図１０は第３実施形態に係る超音波デバイス１７ｂの構成を概略的に示す。この超音波デバイス１７ｂでは、第２実施形態と同様に、第１配線５５ａ、第２配線５５ｂ、…第ｎ配線５５ｎごとに第１群の開口部４６、第２群の開口部４６、…第ｎ群の開口部４６が振り分けられる。第１群の開口部４６、第２群の開口部４６、…第ｎ群の開口部４６を相互に隔てる仕切り壁５７に加えて、１本の第２導電体３２に振り分けられる開口部４６を相互に隔てる仕切り壁５７に、基板４４の裏面から刳り抜かれて非貫通の空間５６が区画される。その他の構造は前述の第１実施形態に係る超音波デバイス１７と同様である。

（７）第４実施形態に係る超音波デバイス
図１１は第４実施形態に係る超音波デバイス１７ｃの構成を概略的に示す。この超音波デバイス１７ｃでは、第３実施形態と同様に、１本の第２導電体３２に振り分けられる開口部４６を相互に隔てる仕切り壁５７ごとに、基板４４の裏面から刳り抜かれて非貫通の空間５６が区画される。加えて、１本の第２導電体３２に振り分けられる開口部４６相互を隔てる仕切り壁４７に、基板４４の裏面から刳り抜かれて非貫通の空間６６が区画される。空間６６は、第２導電体３２の中心線ＣＬを直角に横切る方向に延びる溝で区画される。その他の構造は前述の第１実施形態に係る超音波デバイス１７と同様である。こうした構造によれば、チャネル同士の間で振動の伝播は遮断されると同時に、同一チャネル内でも振動膜２４同士の間で振動の伝播は遮断される。

（８）第５および第６実施形態に係る超音波デバイス
その他、第１〜第４実施形態のようにチャネルが一次元で配列されるだけでなく、例えば図１２および図１３に示されるように、チャネルは二次元で配列されてもよい。この場合には、図１２に示されるように、チャネル同士の間で仕切り壁５７に空間６７が区画されてもよく、図１３に示されるように、チャネルの内外を問わず、開口部４６同士を隔てる仕切り壁４７、５７に空間６７、６８が区画されてもよい。

（９）他の実施形態に係る超音波デバイスユニット
図１４は他の実施形態に係る超音波デバイスユニットＤＶａの構成を概略的に示す。超音波デバイスユニットＤＶａでは、基板４４の裏面（第２面）４４ｂに音響レンズ１８が結合される。音響レンズ１８の結合にあたって基板４４の裏面４４ｂには音響整合層７１が積層される。音響整合層７１は基板４４の裏面に被さると同時に開口部４６内に配置される。音響整合層７１は開口部４６内で振動膜２４に接する。音響整合層７１は振動膜２４に隙間なく密着する。音響整合層７１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７１上には音響レンズ１８が積層される。音響レンズ１８は音響整合層７１の表面に隙間なく密着する。

前述と同様に、開口部４６同士の間には仕切り壁４７、５７が形成される。仕切り壁４７、５７には、基板４４の裏面４４ｂから刳り抜かれて非貫通の空間７２が形成されることができる。空間７２は前述と同様に仕切り壁５７のみに形成されてもよい空間７２は溝であればよい。空間７２内には音響整合層７１が配置されることができる。音響整合層７１と基板４４とは相互に異なる音響インピーダンスを有することから、音響整合層７１および基板４４の境界面で振動は反射する。こうして振動の伝播は遮断される。

基板４４の表面では被覆膜４５上にバッキング材７３が取り付けられる。バッキング材７３は被覆膜４５の表面との間に空間を形成する。空間内に圧電素子２５が配置される。バッキング材７３は壁材７４で被覆膜４５の表面に支持される。壁材７４はバッキング材７３と被覆膜４５の表面との間で間隔を維持する。壁材７４は開口部４６の輪郭の外側で基板４４に支持される。

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、装置端末１２や超音波プローブ１３、筐体１６、ディスプレイパネル１５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処理部（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）、１６筐体、１７超音波デバイス、１７ａ超音波デバイス、１７ｂ超音波デバイス、１７ｃ超音波デバイス、１７ｄ超音波デバイス、２４第１〜第４振動膜（振動膜）、２５第１〜第４圧電素子（圧電素子）、３２第１配線および第２配線（第２導電体）、４４基体（基板）、４４ａ第１面（表面）、４４ｂ第２面（裏面）、４６第１〜第４開口部（開口部）、４７第２および第３壁部（仕切り壁）、５５ａ第１配線、５５ｂ第２配線、５６第１および第２凹部（空間）、５７第１および第４壁部（仕切り壁）、５８溝、６１基板、６３レジスト膜、６４第１空隙および第２空隙（大空隙）、６５第３空隙（小空隙）、６６第３および第４凹部（空間）、６７第１および第２凹部（空間）、６８第３および第４凹部（空間）、７２第１および第４凹部（空間）、Ｄ１凹部の深さ、Ｄ２第１〜第４開口部の深さ、Ｌ１凹部の長さ、Ｌ２第１〜第４開口部の深さ、Ｗ１凹部の幅、Ｗ２第１〜第４開口部の幅。

Claims

第１面および前記第１面の反対側の第２面を有し、第１壁部で相互に仕切られる第１開口部および第２開口部を有する基板と、
前記基板の前記第１面に配置されて、前記第１開口部および前記第２開口部をそれぞれ塞ぐ第１振動膜および第２振動膜と、
前記第１振動膜および前記第２振動膜にそれぞれ設けられた第１圧電素子および第２圧電素子とを備え、
前記第１壁部には、前記第２面に開口する第１凹部が形成されている
ことを特徴と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圧電素子に接続される第１配線と、前記第１配線から絶縁体で隔てられて前記第２圧電素子に接続される第２配線とを備えることを特徴とする超音波デバイス。
請求項２に記載の超音波デバイスにおいて、前記基板は、前記第１開口部と第２壁部で相互に仕切られる第３開口部と、前記第２開口部と第３壁部で相互に仕切られ、かつ、前記第３開口部と第４壁部で相互に仕切られる第４開口部とを有し、
前記基板の前記第１面に配置されて、前記第３開口部および前記第４開口部をそれぞれ塞ぐ第３振動膜および第４振動膜と、
前記第３振動膜および前記第４振動膜にそれぞれ設けられた第３圧電素子および第４圧電素子とをさらに備え、
前記第３圧電素子は前記第１配線に接続され、前記第４圧電素子は前記第２配線に接続され、
前記第４壁部には、前記第２面に開口する第２凹部が形成されている
ことを特徴とする超音波デバイス。
請求項３に記載の超音波デバイスにおいて、前記第１凹部および前記第２凹部は、前記基板の厚さ方向からの平面視で、前記第１開口部と前記第３開口部とが配置される列の延伸方向に延びる溝形状であることを特徴とする超音波デバイス。
請求項４に記載の超音波デバイスにおいて、前記第１凹部および前記第２凹部の深さは前記第１開口部ないし前記第４開口部のいずれの深さよりも小さいことを特徴とする超音波デバイス。
請求項５に記載の超音波デバイスにおいて、前記第１開口部と前記第３開口部とが配置される列の延伸方向に直交する方向の前記第１凹部の幅および前記第２凹部の幅は、前記第１開口部ないし前記第４開口部のいずれの幅よりも小さいことを特徴とする超音波デバイス。
請求項４〜６のいずれか１項に記載の超音波デバイスにおいて、前記延伸方向に関して前記第１凹部および前記第２凹部の長さは前記第１開口部ないし前記第４開口部のいずれの長さよりも小さいことを特徴とする超音波デバイス。
請求項３〜７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２壁部には、前記第２面に開口する第３凹部が形成され、前記第３壁部には、前記第２面に開口する第４凹部が形成されていることを特徴とする超音波デバイス。
請求項８に記載の超音波デバイスにおいて、前記第３凹部および前記第４凹部は、前記第１圧電素子と前記第３圧電素子とを接続する前記第１配線、および、前記第２圧電素子と前記第４圧電素子とを接続する前記第２配線をそれぞれ横切る方向に延びる溝形状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。
第１面および前記第１面の反対側の第２面を有する基板の前記第１面に被覆膜を形成する工程と、
前記被覆膜上で決められた位置に第１圧電素子および第２圧電素子を形成する工程と、
第１圧電素子および第２圧電素子にそれぞれ対応する前記基板の前記第２面の位置に、第１振動膜および第２振動膜の輪郭にそれぞれ対応する第１空隙および第２空隙を区画するとともに前記第１空隙および前記第２空隙の間に位置する第３空隙を区画するレジスト膜を形成する工程と、
前記基板の前記第２面からエッチング処理を施し、前記被覆膜に達する第１開口部および第２開口部、並びに、前記第１開口部および前記第２開口部を相互に仕切る壁部に前記第２面に開口し前記被覆膜に達しない凹部を形成する工程と
を備えることを特徴とする超音波デバイスの製造方法。
請求項１３に記載の超音波デバイスの製造方法において、前記第３空隙の幅は前記第１空隙および前記第２空隙の幅よりも小さいことを特徴とする超音波デバイスの製造方法。