JP2017069662A - 圧電素子基板、圧電モジュール、超音波モジュール、及び超音波装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】小型化が可能な圧電素子基板、圧電モジュール、超音波プローブ、及び超音波装置を提供する。【解決手段】超音波デバイスは、背面４１Ａ及び作動面４１Ｂを有し、複数の開口部４１Ｃがアレイ状に配置された素子基板４１と、素子基板４１の作動面４１Ｂ側に設けられた複数の圧電素子４１３と、を備え、複数の開口部４１Ｃのうちのいずれかは貫通孔４１Ｃ２であり、その他の開口部４１Ｃは凹溝４１Ｃ１であり、圧電素子４１３は、凹溝４１Ｃ１の溝底面における作動面４１Ｂ側に設けられ、貫通孔４１Ｃ２には、素子基板４１の作動面４１Ｂから背面４１Ａまでを貫通し、作動面４１Ｂ側において圧電素子４１３に電気的に接続される貫通電極４１Ｄが設けられている。【選択図】図６
Description
本発明は、圧電素子基板、圧電モジュール、超音波モジュール、及び超音波装置に関する。
従来、超音波の送受信処理等を行う超音波トランスデューサーが知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載の超音波トランスデューサーは、開口部を有する素子基板に開口部を覆う支持膜が設けられ、当該支持膜上に下部電極、圧電膜、及び上部電極が積層された圧電素子が、アレイ状に配置されたアレイ構造を有する。このような超音波トランスデューサーでは、バルク型の振動子を用いた超音波デバイスに比べて、薄型化を実現できる。
ところで、特許文献１に記載の超音波トランスデューサーでは、素子基板と配線基板とを接続する場合、素子基板のアレイ領域の外側に、各圧電素子から引き出された信号線に接続される端子部をそれぞれ設け、例えばＦＰＣ等を介して端子部と配線基板とを接続する必要がある。このため、圧電素子のアレイ領域の外側に複数の端子部を設けるためのスペースが必要であり、基板サイズが大きくなるとの課題があった。
一方、素子基板における開口部間に貫通電極を設けて下部電極や上部電極と導通させ、この貫通電極を介して配線基板に接続する構成も考えられる。しかしながら、この場合、貫通電極を配置するために、開口部間（圧電素子間）のスペースを大きく採る必要があり、基板サイズの十分な小型化を図ることができない。また、圧電素子間の寸法が大きくなることで、超音波特性が低下するとの課題がある。
一方、素子基板における開口部間に貫通電極を設けて下部電極や上部電極と導通させ、この貫通電極を介して配線基板に接続する構成も考えられる。しかしながら、この場合、貫通電極を配置するために、開口部間（圧電素子間）のスペースを大きく採る必要があり、基板サイズの十分な小型化を図ることができない。また、圧電素子間の寸法が大きくなることで、超音波特性が低下するとの課題がある。
本発明は、小型化が可能な圧電素子基板、圧電モジュール、超音波モジュール、及び超音波装置を提供することを目的とする。
本発明の一適用例に係る圧電素子基板は、第一面、及び前記第一面とは反対側の第二面を有し、所定のアレイ領域内において前記第二面側が開口する複数の開口部がアレイ状に配置された素子基板と、前記素子基板の前記第一面側に設けられた複数の圧電素子と、を備え、前記複数の開口部のうちのいずれかは前記素子基板を基板厚み方向に貫通する貫通孔であり、その他の開口部は凹溝であり、前記圧電素子は、前記凹溝の溝底面における前記第一面側に設けられ、前記貫通孔には、前記素子基板の前記第一面から前記第二面までを貫通し、前記第一面側において前記圧電素子に電気的に接続される貫通電極が設けられていることを特徴とする。
本適用例では、素子基板に複数の開口部がアレイ状に設けられている。また、開口部は、溝底面に圧電素子が設けられた凹溝と、素子基板を第一面から第二面に亘って貫通する貫通孔とを含む。そして、貫通孔には、貫通電極が設けられ、当該貫通電極は、第一面側において凹溝の第一面側に設けられた圧電素子に電気的に接続されている。
このような構成では、例えば圧電素子基板を配線基板等に載置して、配線基板等に設けられた端子部と貫通電極とを当接させることで、容易に各圧電素子に対して信号の入出力を行うことができる。したがって、例えば圧電素子から外側に複数の引出線を引き出して端子部を形成し、これらの端子部に対してＦＰＣ等により配線基板等に接続する場合に比べ、圧電素子基板の平面サイズを小さくできる。また、開口部間（つまり、圧電素子間）に、圧電素子と導通する貫通電極を設ける場合では、開口部間に貫通電極を配置するためのスペースを確保する必要があり、その分、圧電素子基板の平面サイズが大きくなる。これに対して、本適用例では、アレイ状に配置された複数の開口部のうちのいずれかを貫通孔とし、当該貫通孔に貫通電極を設ける構成となる。このため、開口部間の間隔を広げる必要がなく、これによる圧電素子基板の平面サイズの大型化もない。
以上により、本適用例では、従来に比べて、圧電素子基板の平面サイズを小さくできる。
このような構成では、例えば圧電素子基板を配線基板等に載置して、配線基板等に設けられた端子部と貫通電極とを当接させることで、容易に各圧電素子に対して信号の入出力を行うことができる。したがって、例えば圧電素子から外側に複数の引出線を引き出して端子部を形成し、これらの端子部に対してＦＰＣ等により配線基板等に接続する場合に比べ、圧電素子基板の平面サイズを小さくできる。また、開口部間（つまり、圧電素子間）に、圧電素子と導通する貫通電極を設ける場合では、開口部間に貫通電極を配置するためのスペースを確保する必要があり、その分、圧電素子基板の平面サイズが大きくなる。これに対して、本適用例では、アレイ状に配置された複数の開口部のうちのいずれかを貫通孔とし、当該貫通孔に貫通電極を設ける構成となる。このため、開口部間の間隔を広げる必要がなく、これによる圧電素子基板の平面サイズの大型化もない。
以上により、本適用例では、従来に比べて、圧電素子基板の平面サイズを小さくできる。
本適用例の圧電素子基板において、前記貫通孔は、前記アレイ領域の中心に対して点対称となる位置に設けられていることが好ましい。
圧電素子基板として、凹溝の溝底面に圧電素子を配置し、例えば薄膜状の圧電素子を駆動させて溝底面を駆動させたり、溝底面の変位を圧電素子により検出したりする場合、圧電素子基板の厚み寸法を小さくする必要がある。このような圧電素子基板では、アレイ領域内に貫通孔を例えば１か所にまとめて（例えば前後左右で隣接する位置に）設けると、貫通孔近傍における基板強度が低下し、基板における応力バランスが不均一となる。例えば、貫通孔をアレイ領域の一端側に集約して配置した場合、アレイ領域における一端側の基板強度が弱くなる。この場合、貫通孔が集約して配置されたアレイ領域の一端側において基板が破損しやすくなったり、応力バランスの不均一性によって超音波特性が不均一になったりする場合がある。
これに対して、本適用例では、貫通孔がアレイ領域の中心に対して点対称となるように設けられている。このような構成では、基板の応力バランスが均一となり、基板強度の低下や、超音波特性の悪化を抑制することができる。
圧電素子基板として、凹溝の溝底面に圧電素子を配置し、例えば薄膜状の圧電素子を駆動させて溝底面を駆動させたり、溝底面の変位を圧電素子により検出したりする場合、圧電素子基板の厚み寸法を小さくする必要がある。このような圧電素子基板では、アレイ領域内に貫通孔を例えば１か所にまとめて（例えば前後左右で隣接する位置に）設けると、貫通孔近傍における基板強度が低下し、基板における応力バランスが不均一となる。例えば、貫通孔をアレイ領域の一端側に集約して配置した場合、アレイ領域における一端側の基板強度が弱くなる。この場合、貫通孔が集約して配置されたアレイ領域の一端側において基板が破損しやすくなったり、応力バランスの不均一性によって超音波特性が不均一になったりする場合がある。
これに対して、本適用例では、貫通孔がアレイ領域の中心に対して点対称となるように設けられている。このような構成では、基板の応力バランスが均一となり、基板強度の低下や、超音波特性の悪化を抑制することができる。
本適用例の圧電素子基板において、前記貫通孔に隣り合う前記開口部は、前記凹溝であることが好ましい。
本適用例では、アレイ状に配置される開口部において、貫通孔が隣り合って配置されない。このため、上記適用例と同様に、基板の強度低下を抑制することができる。
本適用例では、アレイ状に配置される開口部において、貫通孔が隣り合って配置されない。このため、上記適用例と同様に、基板の強度低下を抑制することができる。
本適用例の圧電素子基板において、前記圧電素子は、前記凹溝の溝底面側から第一電極層、圧電膜、及び第二電極層を積層した積層体により構成され、前記貫通電極は、前記第一電極層に接続されていることが好ましい。
本適用例では、圧電素子は、凹溝の溝底面上に、第一電極層、圧電膜、及び第二電極層の順に積層されることで構成され、第一電極層が貫通電極に接続されている。第一電極層は、凹溝の溝底面上、若しくは圧電素子のうち溝底面に最も近い位置に設けられているため、貫通電極に対して容易に接続することができる。
本適用例では、圧電素子は、凹溝の溝底面上に、第一電極層、圧電膜、及び第二電極層の順に積層されることで構成され、第一電極層が貫通電極に接続されている。第一電極層は、凹溝の溝底面上、若しくは圧電素子のうち溝底面に最も近い位置に設けられているため、貫通電極に対して容易に接続することができる。
本適用例の圧電素子基板において、前記開口部は、第一方向、及び前記第一方向に対して交差する第二方向に沿ってアレイ状に配置され、前記第一方向に沿って配置された前記圧電素子により１つの圧電素子群が構成され、前記アレイ領域には、前記第二方向に沿って複数の前記圧電素子群が配置され、同一の圧電素子群に属する前記圧電素子の前記第一電極層は、電気的に互いに接続されており、前記第一方向に沿って配置された複数の前記開口部のうちの少なくともいずれか１つは前記貫通孔であることが好ましい。
本適用例では、第一方向に沿って配置された圧電素子により１つの圧電素子群が構成され、当該圧電素子群が第二方向に沿って複数配置される。１つの圧電素子群に属する圧電素子の第一電極層は互いに電気的に接続されており、１つの圧電素子群に属する圧電素子の第二電極層は電気的に接続されている。そして、同一の圧電素子群の第１電極層は、当該圧電素子群が配置される第一方向に沿って設けられた貫通孔の貫通電極に接続されている。
このような構成では、例えば、同一の圧電素子群の第二電極層に対して共通電位（ＣＯＭ信号）を印加し、第一電極層に対して所望の駆動電位（ＳＩＧ信号）を印加することで、当該同一の圧電素子群に属する圧電素子を同時に駆動させることができる。すなわち、アレイ領域に配置された複数の圧電素子を、圧電素子群を１ｃｈ（チャネル）として１次元アレイとして駆動させることが可能となる。
この時、本適用例のように、圧電素子群が配置される第一方向に沿って配置される開口部の１つを、駆動電位を印加する貫通電極が設けられた貫通孔とすることで、貫通電極から各圧電素子までの距離を短くでき、電気抵抗も小さくなるので、各圧電素子に印加される駆動電圧の電圧降下を抑制できる。
本適用例では、第一方向に沿って配置された圧電素子により１つの圧電素子群が構成され、当該圧電素子群が第二方向に沿って複数配置される。１つの圧電素子群に属する圧電素子の第一電極層は互いに電気的に接続されており、１つの圧電素子群に属する圧電素子の第二電極層は電気的に接続されている。そして、同一の圧電素子群の第１電極層は、当該圧電素子群が配置される第一方向に沿って設けられた貫通孔の貫通電極に接続されている。
このような構成では、例えば、同一の圧電素子群の第二電極層に対して共通電位（ＣＯＭ信号）を印加し、第一電極層に対して所望の駆動電位（ＳＩＧ信号）を印加することで、当該同一の圧電素子群に属する圧電素子を同時に駆動させることができる。すなわち、アレイ領域に配置された複数の圧電素子を、圧電素子群を１ｃｈ（チャネル）として１次元アレイとして駆動させることが可能となる。
この時、本適用例のように、圧電素子群が配置される第一方向に沿って配置される開口部の１つを、駆動電位を印加する貫通電極が設けられた貫通孔とすることで、貫通電極から各圧電素子までの距離を短くでき、電気抵抗も小さくなるので、各圧電素子に印加される駆動電圧の電圧降下を抑制できる。
本適用例の圧電素子基板において、前記貫通孔は、前記第一方向に沿う２辺及び前記第二方向に沿う２辺に囲われた矩形状の前記アレイ領域の２本の対角線における少なくとも一方に沿って設けられていることが好ましい。
本適用例では、上述のように、１つの圧電素子群を１ｃｈ（チャネル）として駆動させて超音波を出力させ、第二方向に沿って配置された複数の圧電素子群から出力された超音波の波面を重ね合せることで、所定方向に超音波ビームを出力することができる。このような超音波ビームを形成する場合、各圧電素子群に属する各圧電素子から同一出力の超音波を送信することが好ましい。しかしながら、実際には、貫通電極（貫通孔）が設けられる位置から離れるにしたがって、圧電素子に入力される駆動電圧が低下（電圧降下）し、これに伴い、各圧電素子から送信される超音波の強度に偏りが生じる（強度分布が不均一となる）。
ここで、遠く離れた圧電素子群（例えば、第二方向の両端部に配置された圧電素子群）から出力される超音波は、互いに強度分布が異なっていても、大きな影響が出ることはない。一方、隣り合う圧電素子群から送信される超音波において、強度分布に大きな差があると、超音波の波面同士の重ね合せが困難となり、その結果、精度のよい超音波ビームを形成できない。
これに対して、本適用例では、貫通孔は、矩形状のアレイ領域における２本の対角線に沿って設けられている。よって、隣り合う圧電素子群において、電圧降下の偏りが略同一となる。この場合、例えば各圧電素子群から超音波を送信させて、超音波ビームを形成する場合でも、隣り合う圧電素子群から送信される超音波の強度分布が略同一分布となる。従って、超音波の波面を好適に重ね合せることができ、精度のよい超音波ビームを形成できる。
本適用例では、上述のように、１つの圧電素子群を１ｃｈ（チャネル）として駆動させて超音波を出力させ、第二方向に沿って配置された複数の圧電素子群から出力された超音波の波面を重ね合せることで、所定方向に超音波ビームを出力することができる。このような超音波ビームを形成する場合、各圧電素子群に属する各圧電素子から同一出力の超音波を送信することが好ましい。しかしながら、実際には、貫通電極（貫通孔）が設けられる位置から離れるにしたがって、圧電素子に入力される駆動電圧が低下（電圧降下）し、これに伴い、各圧電素子から送信される超音波の強度に偏りが生じる（強度分布が不均一となる）。
ここで、遠く離れた圧電素子群（例えば、第二方向の両端部に配置された圧電素子群）から出力される超音波は、互いに強度分布が異なっていても、大きな影響が出ることはない。一方、隣り合う圧電素子群から送信される超音波において、強度分布に大きな差があると、超音波の波面同士の重ね合せが困難となり、その結果、精度のよい超音波ビームを形成できない。
これに対して、本適用例では、貫通孔は、矩形状のアレイ領域における２本の対角線に沿って設けられている。よって、隣り合う圧電素子群において、電圧降下の偏りが略同一となる。この場合、例えば各圧電素子群から超音波を送信させて、超音波ビームを形成する場合でも、隣り合う圧電素子群から送信される超音波の強度分布が略同一分布となる。従って、超音波の波面を好適に重ね合せることができ、精度のよい超音波ビームを形成できる。
本適用例の圧電素子基板において、前記貫通孔は、前記第一方向に沿う前記圧電素子群の中心を通り、前記第二方向に沿った仮想線に対して線対称となる位置にそれぞれ設けられていることが好ましい。
本適用例では、貫通孔が、第一方向において仮想線に対して線対称となる位置にそれぞれ設けられている。このため、１つの圧電素子群における電圧降下を極力抑制できる。つまり、圧電素子群において、貫通電極が設けられる位置から遠い位置の圧電素子は、貫通電極近傍の圧電素子に比べて電圧降下の影響を大きく受ける。したがって、例えば、第一方向における一端にのみ貫通電極が設けられる構成とした場合、他端に設けられた圧電素子の電圧降下が大きくなる。これに対して、本適用例では、貫通孔が第一方向に沿う中心を通り第二方向に平行な仮想線に対して線対称となる位置にそれぞれ設けられている。よって、例えば第一方向における一端に第１の貫通孔が設けられた場合、第一方向における他端に第２の貫通孔が設けられることになる。この場合、これらの貫通孔から第一電極層に対して駆動電位（ＳＩＧ信号）が印加されるので、電圧降下の影響を抑制できる。
さらに、上記のように、アレイ領域の対角線に沿って貫通孔を設ける構成では、２本の対角線の双方に沿って、貫通孔が設けられることになる。このため、圧電素子基板における応力バランスをより均一化することができる。
本適用例では、貫通孔が、第一方向において仮想線に対して線対称となる位置にそれぞれ設けられている。このため、１つの圧電素子群における電圧降下を極力抑制できる。つまり、圧電素子群において、貫通電極が設けられる位置から遠い位置の圧電素子は、貫通電極近傍の圧電素子に比べて電圧降下の影響を大きく受ける。したがって、例えば、第一方向における一端にのみ貫通電極が設けられる構成とした場合、他端に設けられた圧電素子の電圧降下が大きくなる。これに対して、本適用例では、貫通孔が第一方向に沿う中心を通り第二方向に平行な仮想線に対して線対称となる位置にそれぞれ設けられている。よって、例えば第一方向における一端に第１の貫通孔が設けられた場合、第一方向における他端に第２の貫通孔が設けられることになる。この場合、これらの貫通孔から第一電極層に対して駆動電位（ＳＩＧ信号）が印加されるので、電圧降下の影響を抑制できる。
さらに、上記のように、アレイ領域の対角線に沿って貫通孔を設ける構成では、２本の対角線の双方に沿って、貫通孔が設けられることになる。このため、圧電素子基板における応力バランスをより均一化することができる。
本適用例の圧電素子基板において、前記開口部は、第一方向、及び前記第一方向に対して交差する第二方向に沿ってアレイ状に配置され、前記アレイ領域は、複数の部分アレイ領域を含み、各部分アレイ領域には、前記第一方向に沿うｎ個、第二方向に沿うｍ個により構成されるｎ×ｍ個の前記開口部がアレイ状に配置され、各部分アレイ領域内において、前記貫通孔は、当該部分アレイ領域の中心に対して点対称となる位置に設けられている
ことが好ましい。
本適用例では、ｎ×ｍ個の開口部に設けられた部分アレイ領域に設けられた各圧電素子により圧電素子群を構成することができる。このような構成でも、各部分アレイにおいて、貫通孔を当該部分アレイの中心に対して点対称となるように配置することで、圧電素子基板の応力バランスを均一化できる。
ことが好ましい。
本適用例では、ｎ×ｍ個の開口部に設けられた部分アレイ領域に設けられた各圧電素子により圧電素子群を構成することができる。このような構成でも、各部分アレイにおいて、貫通孔を当該部分アレイの中心に対して点対称となるように配置することで、圧電素子基板の応力バランスを均一化できる。
本発明に係る一適用例の圧電モジュールは、第一面、及び前記第一面とは反対側の第二面を有し、所定のアレイ領域内において前記第二面側が開口する複数の開口部がアレイ状に配置された素子基板と、前記素子基板の前記第一面側に設けられた複数の圧電素子と、を有する圧電素子基板と、前記素子基板の前記第二面に接合される背面基板と、配線基板と、を備え、前記複数の開口部のうちのいずれかは前記素子基板を基板厚み方向に貫通する貫通孔であり、その他の開口部は凹溝であり、前記圧電素子は、前記凹溝の溝底面における前記第一面側に設けられ、前記貫通孔には、前記素子基板の前記第一面から前記第二面までを貫通し、前記第一面側において前記圧電素子に電気的に接続される貫通電極が設けられ、前記背面基板は、前記貫通電極と電気的に接続され、基板厚み方向を貫通する第二貫通電極を有し、前記配線基板は、前記第二貫通電極のそれぞれに対応する位置に設けられ、当該第二貫通電極と電気的に接続される端子部を備えていることが好ましい。
本適用例では、上記適用例と同様に、圧電素子基板の小型化を図れるので、圧電モジュールにおいても小型化を図ることができる。
本適用例では、上記適用例と同様に、圧電素子基板の小型化を図れるので、圧電モジュールにおいても小型化を図ることができる。
本発明に係る一適用例の超音波モジュールは、第一面、及び前記第一面とは反対側の第二面を有し、所定のアレイ領域内において前記第二面側が開口する複数の開口部がアレイ状に配置された素子基板と、前記素子基板の前記第一面側に設けられた複数の圧電素子と、を有する圧電素子基板と、前記素子基板の前記第二面に接合される背面基板と、配線基板と、を備え、前記複数の開口部のうちのいずれかは前記素子基板を基板厚み方向に貫通する貫通孔であり、その他の開口部は凹溝であり、前記圧電素子は、前記凹溝の溝底面における前記第一面側に設けられ、前記貫通孔には、前記素子基板の前記第一面から前記第二面までを貫通し、前記第一面側において前記圧電素子に電気的に接続される貫通電極が設けられ、前記背面基板は、前記貫通電極と電気的に接続され、基板厚み方向を貫通する第二貫通電極を有し、前記配線基板は、前記第二貫通電極のそれぞれに対応する位置に設けられ、当該第二貫通電極と電気的に接続される端子部と、前記端子部と電気的に接続され、前記圧電素子に対して駆動信号を出力して超音波を出力させる超音波送信処理、及び前記圧電素子から入力された検出信号に基づいて超音波を検出する超音波受信処理の少なくともいずれか一方の処理を行う駆動回路と、を備えていることを特徴とする。
本適用例では、上記適用例と同様に、圧電素子基板の小型化を図れるので、超音波モジュールにおいても小型化を図ることができる。
本適用例では、上記適用例と同様に、圧電素子基板の小型化を図れるので、超音波モジュールにおいても小型化を図ることができる。
本発明の一適用例に係る超音波装置は、第一面、及び前記第一面とは反対側の第二面を有し、所定のアレイ領域内において前記第二面側が開口する複数の開口部がアレイ状に配置された素子基板と、前記素子基板の前記第一面側に設けられた複数の圧電素子と、を有する圧電素子基板と、前記素子基板の前記第二面に接合される背面基板と、配線基板と、制御部と、を備え、前記複数の開口部のうちのいずれかは前記素子基板を基板厚み方向に貫通する貫通孔であり、その他の開口部は凹溝であり、前記圧電素子は、前記凹溝の溝底面における前記第一面側に設けられ、前記貫通孔には、前記素子基板の前記第一面から前記第二面までを貫通し、前記第一面側において前記圧電素子に電気的に接続される貫通電極が設けられ、前記背面基板は、前記貫通電極と電気的に接続され、基板厚み方向を貫通する第二貫通電極を有し、前記配線基板は、前記第二貫通電極のそれぞれに対応する位置に設けられ、当該第二貫通電極と電気的に接続される端子部と、前記端子部と電気的に接続され、前記圧電素子に対して駆動信号を出力して超音波を出力させる超音波送信処理、及び前記圧電素子から入力された検出信号に基づいて超音波を検出する超音波受信処理の少なくともいずれか一方の処理を行う駆動回路と、を備え、前記制御部は、前記駆動回路及び前記複数の圧電素子を用いた前記超音波送信処理及び前記超音波受信処理の少なくともいずれか一方の処理を制御することを特徴とする。
本適用例では、上記適用例と同様に、圧電素子基板及び超音波モジュールの小型化を図れるので、当該超音波モジュールを搭載する超音波装置においても小型化を図ることができる。
本適用例では、上記適用例と同様に、圧電素子基板及び超音波モジュールの小型化を図れるので、当該超音波モジュールを搭載する超音波装置においても小型化を図ることができる。
［第一実施形態］
以下、本発明に係る第一実施形態の電子機器としての超音波測定装置について、図面に基づいて説明する。
［超音波測定装置１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。図２は、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は、本発明における超音波装置に相当し、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。
以下、本発明に係る第一実施形態の電子機器としての超音波測定装置について、図面に基づいて説明する。
［超音波測定装置１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。図２は、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は、本発明における超音波装置に相当し、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。
［超音波プローブ２の構成］
図３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が構成され、当該超音波センサー２４は、本発明の圧電モジュール又は超音波モジュールを構成する。
図３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が構成され、当該超音波センサー２４は、本発明の圧電モジュール又は超音波モジュールを構成する。
筐体２１は、図１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の内部の配線基板２３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。
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。
［超音波デバイス２２の構成］
図４は、超音波デバイス２２における素子基板４１を、封止板４２とは反対側（作動面側）から見た平面図である。図５は、図４におけるアレイ領域Ａｒ１における一部を拡大した拡大平面図である。図６は、図５におけるＡ−Ａ線で切断した超音波センサー２４の断面図である。図７は、図５におけるＢ−Ｂ線で切断した超音波センサー２４の断面図である。
超音波センサー２４を構成する超音波デバイス２２は、図６及び図７に示すように、素子基板４１と、封止板４２（背面基板）と、音響整合層４３と、音響レンズ４４（図１参照）と、により構成されている。
図４は、超音波デバイス２２における素子基板４１を、封止板４２とは反対側（作動面側）から見た平面図である。図５は、図４におけるアレイ領域Ａｒ１における一部を拡大した拡大平面図である。図６は、図５におけるＡ−Ａ線で切断した超音波センサー２４の断面図である。図７は、図５におけるＢ−Ｂ線で切断した超音波センサー２４の断面図である。
超音波センサー２４を構成する超音波デバイス２２は、図６及び図７に示すように、素子基板４１と、封止板４２（背面基板）と、音響整合層４３と、音響レンズ４４（図１参照）と、により構成されている。
（素子基板４１の構成）
素子基板４１は、図６，７に示すように、基板本体部４１１と、基板本体部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と、を備えている。
ここで、基板本体部４１１及び振動膜４１２を含んで構成されている素子基板４１と、圧電素子４１３とにより、本発明の圧電素子基板が構成されている。また、素子基板４１において、封止板４２に対向する背面４１Ａは本発明における第二面となり、背面４１Ａとは反対側の作動面４１Ｂが本発明における第一面となる。
そして、図４に示すように、素子基板４１を厚み方向から見た平面視において、素子基板４１の中心領域には、複数の超音波素子５１がアレイ状に配置された超音波素子アレイ５０が設けられている。この超音波素子アレイ５０が設けられる領域を、以降、アレイ領域Ａｒ１と称する。
素子基板４１は、図６，７に示すように、基板本体部４１１と、基板本体部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と、を備えている。
ここで、基板本体部４１１及び振動膜４１２を含んで構成されている素子基板４１と、圧電素子４１３とにより、本発明の圧電素子基板が構成されている。また、素子基板４１において、封止板４２に対向する背面４１Ａは本発明における第二面となり、背面４１Ａとは反対側の作動面４１Ｂが本発明における第一面となる。
そして、図４に示すように、素子基板４１を厚み方向から見た平面視において、素子基板４１の中心領域には、複数の超音波素子５１がアレイ状に配置された超音波素子アレイ５０が設けられている。この超音波素子アレイ５０が設けられる領域を、以降、アレイ領域Ａｒ１と称する。
素子基板４１のアレイ領域Ａｒ１内には、Ｘ方向（第一方向）、及びＸ方向に直交するＹ方向（第二方向）に沿って、アレイ状に配置された複数の開口部４１Ｃが設けられている。これらの開口部４１Ｃには、図４〜７に示すように、凹溝４１Ｃ１と、貫通孔４１Ｃ２とが含まれている。凹溝４１Ｃ１は、基板本体部４１１を厚み方向に貫通する孔部４１１Ａ（図６，７参照）と、孔部４１１Ａの作動面４１Ｂ側を閉塞する振動膜４１２とにより構成されている。また、貫通孔４１Ｃ２は、基板本体部４１１を厚み方向に貫通する孔部４１１Ａと、孔部４１１Ａの作動面４１Ｂ側に設けられた振動膜４１２の一部に設けられ、当該振動膜４１２を厚み方向に貫通する孔部４１２Ａ（図６，７参照）とにより構成されており、これらの孔部４１１Ａと孔部４１２Ａとが連通する。
なお、アレイ領域Ａｒ１内における、これらの凹溝４１Ｃ１及び貫通孔４１Ｃ２の配置に関しては後述する。
なお、アレイ領域Ａｒ１内における、これらの凹溝４１Ｃ１及び貫通孔４１Ｃ２の配置に関しては後述する。
以下、素子基板４１を構成する各部について詳細に説明する。
基板本体部４１１は、例えばＳｉ等の半導体基板であり、例えば平面矩形状に形成されている。この基板本体部４１１のアレイ領域Ａｒ１内には、上述したように、Ｘ方向及びＹ方向に沿ってアレイ状に配置された複数の孔部４１１Ａが設けられている。これらの孔部４１１Ａは、基板本体部４１１を厚み方向に貫通する。
また、基板本体部４１１の平面視において、素子基板４１の矩形角部のうち対角関係となる対角部に対応する位置には、基板厚み方向を貫通するＣＯＭ用の孔部が設けられている。
基板本体部４１１は、例えばＳｉ等の半導体基板であり、例えば平面矩形状に形成されている。この基板本体部４１１のアレイ領域Ａｒ１内には、上述したように、Ｘ方向及びＹ方向に沿ってアレイ状に配置された複数の孔部４１１Ａが設けられている。これらの孔部４１１Ａは、基板本体部４１１を厚み方向に貫通する。
また、基板本体部４１１の平面視において、素子基板４１の矩形角部のうち対角関係となる対角部に対応する位置には、基板厚み方向を貫通するＣＯＭ用の孔部が設けられている。
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の作動面４１Ｂ側に設けられている。
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。
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、振動膜４１２を厚み方向から見た平面視において、基板本体部４１１の孔部４１１Ａと重なる各領域は、その位置によって振動膜４１２の形状が異なる。すなわち、上述したように、振動膜４１２のうち、基板本体部４１１の孔部４１１Ａと重なる複数の領域のいくつかには、厚み方向に貫通する孔部４１２Ａが設けられており、孔部４１１Ａ及び孔部４１２Ａにより貫通孔４１Ｃ２が形成されている。
この孔部４１２Ａは、図６に示すように、振動膜４１２の背面４１Ａ側から作動面４１Ｂ側に向かって開口径が縮小するテーパ状に傾斜する形状を有する。
Ｘ方向に沿った孔部４１２Ａの作動面４１Ｂ側の開口寸法ａは、図５、７に示すように、孔部４１１Ａと同寸法となる。
また、Ｙ方向に沿った孔部４１２Ａの作動面４１Ｂ側の開口寸法ｂは、圧電素子４１３の圧電膜４１５（後述）のＹ方向に沿った幅寸法ｃよりも小さく、Ｙ方向に対して孔部４１２Ａが圧電膜４１５の幅内に収まるように形成されることが好ましい。より好ましくは、図５，６に示すように、Ｙ方向に沿った孔部４１２Ａの作動面４１Ｂ側の開口寸法ｂを、下部電極４１４（後述）の幅寸法ｄと同寸法にし、下部電極４１４と重なるように設けることが好ましい。
この孔部４１２Ａは、図６に示すように、振動膜４１２の背面４１Ａ側から作動面４１Ｂ側に向かって開口径が縮小するテーパ状に傾斜する形状を有する。
Ｘ方向に沿った孔部４１２Ａの作動面４１Ｂ側の開口寸法ａは、図５、７に示すように、孔部４１１Ａと同寸法となる。
また、Ｙ方向に沿った孔部４１２Ａの作動面４１Ｂ側の開口寸法ｂは、圧電素子４１３の圧電膜４１５（後述）のＹ方向に沿った幅寸法ｃよりも小さく、Ｙ方向に対して孔部４１２Ａが圧電膜４１５の幅内に収まるように形成されることが好ましい。より好ましくは、図５，６に示すように、Ｙ方向に沿った孔部４１２Ａの作動面４１Ｂ側の開口寸法ｂを、下部電極４１４（後述）の幅寸法ｄと同寸法にし、下部電極４１４と重なるように設けることが好ましい。
孔部４１１Ａと重なる振動膜４１２のうち、孔部４１２Ａが設けられていない領域は振動部４１２Ｂとなり、孔部４１２Ａと振動部４１２Ｂとにより凹溝４１Ｃ１が形成されている。なお、振動部４１２Ｂ及び圧電素子４１３により、超音波の送受信を行う超音波素子５１が構成される。
さらに、振動膜４１２のうち、素子基板４１の対角部に対応する位置には、振動膜４１２を厚み方向に貫通するＣＯＭ用孔部が、上述した基板本体部４１１のＣＯＭ用孔部と重なる位置に設けられており、これらのＣＯＭ用孔部によりＣＯＭ用貫通孔４１Ｃ３が構成される。
さらに、振動膜４１２のうち、素子基板４１の対角部に対応する位置には、振動膜４１２を厚み方向に貫通するＣＯＭ用孔部が、上述した基板本体部４１１のＣＯＭ用孔部と重なる位置に設けられており、これらのＣＯＭ用孔部によりＣＯＭ用貫通孔４１Ｃ３が構成される。
本実施形態では、貫通孔４１Ｃ２には、貫通電極４１Ｄが設けられている。この貫通電極４１Ｄは、例えば、貫通孔４１Ｃ２内に充填され、振動膜４１２の作動面４１Ｂ側に設けられた圧電素子４１３の下部電極４１４に導通している。
また、基板本体部４１１に設けられたＣＯＭ用孔部及び振動膜４１２に設けられたＣＯＭ用孔部により構成されるＣＯＭ用貫通孔４１Ｃ３には、ＣＯＭ用貫通電極４１Ｅ（図４参照）が設けられている。このＣＯＭ用貫通電極４１Ｅは、圧電素子４１３の上部電極４１６に導通している。
また、基板本体部４１１に設けられたＣＯＭ用孔部及び振動膜４１２に設けられたＣＯＭ用孔部により構成されるＣＯＭ用貫通孔４１Ｃ３には、ＣＯＭ用貫通電極４１Ｅ（図４参照）が設けられている。このＣＯＭ用貫通電極４１Ｅは、圧電素子４１３の上部電極４１６に導通している。
圧電素子４１３は、図４、５に示すように、平面視において、各開口部４１Ｃと重なる領域に設けられる。この圧電素子４１３は、図６，７に示すように、それぞれ、下部電極４１４（第一電極層）、圧電膜４１５、及び上部電極４１６（第二電極層）を振動部４１２Ｂ側から順に積層した積層体により構成されている。各圧電素子４１３のうち、凹溝４１Ｃ１と重なる位置に設けられた圧電素子４１３（振動部４１２Ｂ上に設けられた圧電素子４１３）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、振動部４１２Ｂを振動させて超音波が送出することができる。また、対象物から反射された超音波により振動部４１２Ｂが振動されると、圧電膜４１５の上下で電位差が発生し、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。
一方、各圧電素子４１３のうち、貫通孔４１Ｃ２と重なる位置に設けられた圧電素子４１３の下部電極４１４は、上述したように、貫通孔４１Ｃ２内に設けられる貫通電極４１Ｄに当接され、電気的に導通されている。貫通電極４１Ｄは、貫通孔４１Ｃ２内に充填されているため、平面視において貫通孔４１Ｃ２と重なる位置に設けられた圧電素子４１３の下部電極４１４及び上部電極４１６間に電圧を印加しても、圧電膜４１５の伸縮が規制される。よって、超音波の送受信は行われない。
（開口部４１Ｃの配置構成）
本実施形態では、上述したように、開口部４１Ｃは、素子基板４１のアレイ領域Ａｒ１内で、Ｘ方向及びＹ方向に沿って複数アレイ状に配置されている。また、開口部４１Ｃと重なる位置には、圧電素子４１３が配置されているので、これらの圧電素子４１３も、Ｘ方向及びＹ方向に沿ってアレイ状に配置されることになる。
ここで、各圧電素子４１３を構成する下部電極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圧電素子４１３に跨って設けられている。具体的には、下部電極４１４は、圧電膜４１５と振動部４１２Ｂ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、貫通孔４１Ｃ２と重なる位置に設けられ、貫通電極４１Ｄに接触する電極導通部４１４Ｃと、により構成されている。
本実施形態では、Ｘ方向に並ぶ開口部４１Ｃのうちの１つが貫通孔４１Ｃ２であり、その他は凹溝４１Ｃ１となる。よって、Ｘ方向に並ぶ圧電素子４１３では、１つの貫通孔４１Ｃ２に設けられた貫通電極４１Ｄから信号の入出力が行われる。
本実施形態では、上述したように、開口部４１Ｃは、素子基板４１のアレイ領域Ａｒ１内で、Ｘ方向及びＹ方向に沿って複数アレイ状に配置されている。また、開口部４１Ｃと重なる位置には、圧電素子４１３が配置されているので、これらの圧電素子４１３も、Ｘ方向及びＹ方向に沿ってアレイ状に配置されることになる。
ここで、各圧電素子４１３を構成する下部電極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圧電素子４１３に跨って設けられている。具体的には、下部電極４１４は、圧電膜４１５と振動部４１２Ｂ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、貫通孔４１Ｃ２と重なる位置に設けられ、貫通電極４１Ｄに接触する電極導通部４１４Ｃと、により構成されている。
本実施形態では、Ｘ方向に並ぶ開口部４１Ｃのうちの１つが貫通孔４１Ｃ２であり、その他は凹溝４１Ｃ１となる。よって、Ｘ方向に並ぶ圧電素子４１３では、１つの貫通孔４１Ｃ２に設けられた貫通電極４１Ｄから信号の入出力が行われる。
一方、上部電極４１６は、図４に示すように、Ｙ方向に沿って並ぶ複数の圧電素子４１３に跨って設けられた素子電極部４１６Ａと、互いに平行する素子電極部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とを備える。
そして、共通電極部４１６Ｂのうち、素子基板４１の対角部に対応する一部は、ＣＯＭ用貫通孔４１Ｃ３に接触して導通されている。
そして、共通電極部４１６Ｂのうち、素子基板４１の対角部に対応する一部は、ＣＯＭ用貫通孔４１Ｃ３に接触して導通されている。
また、図７に示すように、Ｘ方向に沿った断面視において、開口部４１Ｃ間には、下部電極線４１４Ｂ上に、素子間電極層４１７が設けられている。この素子間電極層４１７は、上部電極４１６のパターニング時において同時に形成される電極層であり、上部電極４１６とは絶縁されている。なお、素子間電極層４１７は、図７に示すように、一部が圧電膜４１５上に積層されてもよい。また、上部電極４１６と素子間電極層４１７との間の放電等による導通を抑制するために、素子間電極層４１７を覆う絶縁層４１８が設けられることが好ましい。この絶縁層４１８は、図６，７に示すように、一端部が上部電極４１６上に積層されてもよく、例えば、素子間電極層４１７及び上部電極４１６を覆う構成（素子基板４１の作動面４１Ｂ側全体に亘って設けられる構成）としてもよい。
このような素子間電極層４１７を設けることで、開口部４１Ｃ間における電気抵抗値を低下させることができ、電圧降下を抑制できる。
このような素子間電極層４１７を設けることで、開口部４１Ｃ間における電気抵抗値を低下させることができ、電圧降下を抑制できる。
上記のような超音波素子アレイ５０では、下部電極４１４で連結されたＸ方向に並ぶ超音波素子５１により、１つの超音波素子群５１Ａ（圧電素子群）が構成され、当該超音波素子群５１Ａ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。このような１次元アレイ構造の超音波素子アレイ５０では、１つの超音波素子群５１Ａを１ｃｈ（チャネル）として、チャネル毎に駆動することが可能となる。
つまり、本実施形態では、上部電極４１６に接続されるＣＯＭ用貫通電極４１Ｅは、例えば、配線基板２３に設けられた共通電位回路２３２（図２参照）に接続され、ＣＯＭ信号が印加されることで共通電位（例えば０電位）に設定される。すなわち、超音波素子アレイ５０において、上部電極４１６は共通電位に設定される。
一方、各超音波素子群５１Ａの下部電極４１４に接続される各貫通電極４１Ｄは、それぞれ個別に配線基板２３の端子に接続される。従って、各貫通電極４１Ｄに対して、それぞれ個別のＳＩＧ信号（駆動信号）を駆動することで、超音波素子群５１Ａには、下部電極４１４に印加されたＳＩＧ信号に基づいて駆動電位が印加され、１つの超音波素子群５１Ａに属する各超音波素子５１から略同一の超音波を送信することが可能となる。また、各超音波素子群５１Ａに対するＳＩＧ信号の印加タイミングを、それぞれ遅延させることで、超音波の波面を所望の方向に向かわせることが可能となる。さらには、超音波を受信した際には、各超音波素子群５１Ａから出力された受信信号を検出することで、各超音波素子群５１Ａにて超音波を受信したタイミングを検出でき、これにより、超音波の反射位置を特定することが可能となる。
つまり、本実施形態では、上部電極４１６に接続されるＣＯＭ用貫通電極４１Ｅは、例えば、配線基板２３に設けられた共通電位回路２３２（図２参照）に接続され、ＣＯＭ信号が印加されることで共通電位（例えば０電位）に設定される。すなわち、超音波素子アレイ５０において、上部電極４１６は共通電位に設定される。
一方、各超音波素子群５１Ａの下部電極４１４に接続される各貫通電極４１Ｄは、それぞれ個別に配線基板２３の端子に接続される。従って、各貫通電極４１Ｄに対して、それぞれ個別のＳＩＧ信号（駆動信号）を駆動することで、超音波素子群５１Ａには、下部電極４１４に印加されたＳＩＧ信号に基づいて駆動電位が印加され、１つの超音波素子群５１Ａに属する各超音波素子５１から略同一の超音波を送信することが可能となる。また、各超音波素子群５１Ａに対するＳＩＧ信号の印加タイミングを、それぞれ遅延させることで、超音波の波面を所望の方向に向かわせることが可能となる。さらには、超音波を受信した際には、各超音波素子群５１Ａから出力された受信信号を検出することで、各超音波素子群５１Ａにて超音波を受信したタイミングを検出でき、これにより、超音波の反射位置を特定することが可能となる。
ここで、例えば、各超音波素子５１に接続された下部電極４１４を素子基板４１の外周部に引き出し、その引き出し先端部を配線基板２３の端子に接続する場合、下部電極４１４におけるＳＩＧ信号の入出力位置と、各超音波素子５１との距離が長くなる。このように、信号線の長さが長くなると、配線抵抗により電圧降下が生じてしまう。これに対して、本実施形態では、Ｘ方向に並ぶ開口部４１Ｃのうちの１つが貫通孔４１Ｃ２であり、当該貫通孔４１Ｃ２に設けられた貫通電極４１Ｄから当該Ｘ方向に並ぶ各超音波素子５１にＳＩＧ信号が入力される。この場合、貫通電極４１Ｄ（ＳＩＧ信号の入出力位置）が、各超音波素子５１に近くなり、電圧降下の影響を抑制可能となる。また、基板外周部に引き出し線を引き出して端子領域を形成する構成に比べ、アレイ領域Ａｒ１内での導通が可能となるので、素子基板４１自体のサイズを小さくできる。
ところで、素子基板４１のアレイ領域Ａｒ１内は、アレイ状の開口部４１Ｃが形成される領域であり、応力に対する基板強度が弱く、例えば、破損や撓み等が生じやすい。このため、通常は、素子基板４１に対して、例えば金属製の封止板４２が設けられ、素子基板４１を補強する。しかしながら、本実施形態では、開口部４１Ｃの一部は貫通孔４１Ｃ２であり、全ての開口部４１Ｃが凹溝４１Ｃ１である場合に比べて、より基板強度に対する対策が必要となる。
ここで、貫通孔４１Ｃ２が設けられる位置が１か所に集中している場合、当該箇所における応力に対する強度はさらに弱くなる。例えば、隣り合う超音波素子群５１Ａにおいて、貫通孔４１Ｃ２の位置がいずれも−Ｘ側の端部である場合、アレイ領域Ａｒ１における−Ｘ側の端部が一様に応力に対する強度が不足する。このような場合、当該領域において、破損や撓みがより発生しやすくなり、また、応力バランスも不均一となるので、各振動部４１２Ｂにおける振動にも影響を与える可能性があり、高精度な超音波を出力できない。
従って、貫通孔４１Ｃ２の配置位置としては、アレイ領域Ａｒ１内である程度のバラつきがある必要がある。
ここで、貫通孔４１Ｃ２が設けられる位置が１か所に集中している場合、当該箇所における応力に対する強度はさらに弱くなる。例えば、隣り合う超音波素子群５１Ａにおいて、貫通孔４１Ｃ２の位置がいずれも−Ｘ側の端部である場合、アレイ領域Ａｒ１における−Ｘ側の端部が一様に応力に対する強度が不足する。このような場合、当該領域において、破損や撓みがより発生しやすくなり、また、応力バランスも不均一となるので、各振動部４１２Ｂにおける振動にも影響を与える可能性があり、高精度な超音波を出力できない。
従って、貫通孔４１Ｃ２の配置位置としては、アレイ領域Ａｒ１内である程度のバラつきがある必要がある。
しかしながら、超音波素子アレイ５０において、各超音波素子群５１Ａを駆動させて超音波ビームを形成する場合、隣り合う超音波素子群５１Ａから超音波が合成されて出力値が大きい波面を形成し、当該波面を所定方向に伝搬させる。したがって、隣り合う超音波素子群５１Ａから出力される超音波の強度分布は略一様であることが好ましい。
ここで、ある超音波素子群５１Ａ（第１の超音波素子群５１Ａ）において、貫通孔４１Ｃ２がＸ方向における−Ｘ側端部に設けられる場合、貫通孔４１Ｃ２に設けられる貫通電極４１Ｄから遠い位置の超音波素子５１では、僅かながら電圧降下が発生する。したがって、当該第１の超音波素子群５１Ａから出力される超音波としては、−Ｘ側では電圧降下がない強い強度の超音波が出力され、貫通電極４１Ｄから遠い＋Ｘ側では、電圧降下の影響により−Ｘ側よりも弱い強度の超音波が出力されることになる。
上記のような第１の超音波素子群５１Ａに隣り合う第２の超音波素子群５１Ａにおいて、例えば、貫通孔４１Ｃ２がＸ方向における＋Ｘ側端部に設けられていると、当該第２の超音波素子群５１Ａからは、−Ｘ側で弱く、＋Ｘ側で強い強度の超音波が出力されることになる。
このような場合、隣り合う超音波素子群５１Ａから出力される超音波の強度分布が大きく異なるので、精度のよい超音波ビームを形成することが困難となる。
ここで、ある超音波素子群５１Ａ（第１の超音波素子群５１Ａ）において、貫通孔４１Ｃ２がＸ方向における−Ｘ側端部に設けられる場合、貫通孔４１Ｃ２に設けられる貫通電極４１Ｄから遠い位置の超音波素子５１では、僅かながら電圧降下が発生する。したがって、当該第１の超音波素子群５１Ａから出力される超音波としては、−Ｘ側では電圧降下がない強い強度の超音波が出力され、貫通電極４１Ｄから遠い＋Ｘ側では、電圧降下の影響により−Ｘ側よりも弱い強度の超音波が出力されることになる。
上記のような第１の超音波素子群５１Ａに隣り合う第２の超音波素子群５１Ａにおいて、例えば、貫通孔４１Ｃ２がＸ方向における＋Ｘ側端部に設けられていると、当該第２の超音波素子群５１Ａからは、−Ｘ側で弱く、＋Ｘ側で強い強度の超音波が出力されることになる。
このような場合、隣り合う超音波素子群５１Ａから出力される超音波の強度分布が大きく異なるので、精度のよい超音波ビームを形成することが困難となる。
図８は、本実施形態における開口部４１Ｃにおける凹溝４１Ｃ１及び貫通孔４１Ｃ２の配置構成を示す図である。図８において、黒丸は貫通孔４１Ｃ２、白丸は凹溝４１Ｃ１を示している。
本実施形態では、上記のような２つの課題を解決するために、図４及び図８に示すように、貫通孔４１Ｃ２が配置されている。
具体的には、貫通孔４１Ｃ２は、矩形状のアレイ領域Ａｒ１における対角線Ｄ１、Ｄ２のうち、一方（対角線Ｄ１）に沿って配置されている。つまり、Ｙ方向における−Ｙ側端部に配置される超音波素子群５１Ａでは、−Ｘ側端部に貫通孔４１Ｃ２が配置され、これに＋Ｙ側に隣り合う超音波素子群５１Ａでは、−Ｘ側端部から２番目の開口部４１Ｃが貫通孔４１Ｃ２となる。この場合、隣り合う超音波素子群５１Ａにおいて、出力される超音波の強度分布が略同一となり、高精度な超音波ビームを形成することが可能となる。
また、貫通孔４１Ｃ２が、アレイ領域Ａｒ１の中心点（アレイ中心Ｏ）に対して点対称となる位置にそれぞれ配置されることになり、かつ、Ｘ方向や、Ｙ方向に隣り合う位置に貫通孔４１Ｃ２が並ばない。このような構成とすることで、貫通孔４１Ｃ２による基板強度の弱い領域をアレイ領域Ａｒ１内にばらけさせることができ、素子基板４１の応力バランスを均一化できる。よって、例えば１か所に基板強度が弱くなる貫通孔４１Ｃ２を配置する場合に比べて、基板の破損や湾曲を抑制でき、精度の高い超音波の送受信処理を実施できる。
本実施形態では、上記のような２つの課題を解決するために、図４及び図８に示すように、貫通孔４１Ｃ２が配置されている。
具体的には、貫通孔４１Ｃ２は、矩形状のアレイ領域Ａｒ１における対角線Ｄ１、Ｄ２のうち、一方（対角線Ｄ１）に沿って配置されている。つまり、Ｙ方向における−Ｙ側端部に配置される超音波素子群５１Ａでは、−Ｘ側端部に貫通孔４１Ｃ２が配置され、これに＋Ｙ側に隣り合う超音波素子群５１Ａでは、−Ｘ側端部から２番目の開口部４１Ｃが貫通孔４１Ｃ２となる。この場合、隣り合う超音波素子群５１Ａにおいて、出力される超音波の強度分布が略同一となり、高精度な超音波ビームを形成することが可能となる。
また、貫通孔４１Ｃ２が、アレイ領域Ａｒ１の中心点（アレイ中心Ｏ）に対して点対称となる位置にそれぞれ配置されることになり、かつ、Ｘ方向や、Ｙ方向に隣り合う位置に貫通孔４１Ｃ２が並ばない。このような構成とすることで、貫通孔４１Ｃ２による基板強度の弱い領域をアレイ領域Ａｒ１内にばらけさせることができ、素子基板４１の応力バランスを均一化できる。よって、例えば１か所に基板強度が弱くなる貫通孔４１Ｃ２を配置する場合に比べて、基板の破損や湾曲を抑制でき、精度の高い超音波の送受信処理を実施できる。
（封止板４２の構成）
次に、封止板４２について説明する。
封止板４２は、図６に示すように、厚み方向から見た際の平面形状が例えば矩形状に形成され、シリコン基板等の半導体基板や、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、超音波素子５１の周波数特性に影響を及ぼすため、超音波素子５１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。
次に、封止板４２について説明する。
封止板４２は、図６に示すように、厚み方向から見た際の平面形状が例えば矩形状に形成され、シリコン基板等の半導体基板や、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、超音波素子５１の周波数特性に影響を及ぼすため、超音波素子５１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。
この封止板４２は、素子基板４１のアレイ領域Ａｒ１に対向する領域（図６，７参照）に、開口部４１Ｃのそれぞれに対応した複数の貫通孔部４２１を備えている。
そして、封止板４２に設けられた貫通孔部４２１のうち、素子基板４１の貫通孔４１Ｃ２に対向する貫通孔部４２１には、貫通孔４１Ｃ２を貫通する貫通電極４１Ｄが挿通されている。なお、本実施形態では、素子基板４１に設けられた貫通電極４１Ｄが、封止板４２の貫通孔部４２１の基板厚み方向をも貫通する構成を例示するが、貫通電極４１Ｄとは別に、封止板４２の貫通孔部４２１を貫通する電極が設けられ、貫通電極４１Ｄと導通する構成としてもよい。
また、封止板４２には、ＣＯＭ用貫通孔４１Ｃ３に対向する位置にも貫通孔部（図示略）が設けられており、ＣＯＭ用貫通孔４１Ｃ３に設けられたＣＯＭ用貫通電極４１Ｅが挿通されている。
そして、封止板４２に設けられた貫通孔部４２１のうち、素子基板４１の貫通孔４１Ｃ２に対向する貫通孔部４２１には、貫通孔４１Ｃ２を貫通する貫通電極４１Ｄが挿通されている。なお、本実施形態では、素子基板４１に設けられた貫通電極４１Ｄが、封止板４２の貫通孔部４２１の基板厚み方向をも貫通する構成を例示するが、貫通電極４１Ｄとは別に、封止板４２の貫通孔部４２１を貫通する電極が設けられ、貫通電極４１Ｄと導通する構成としてもよい。
また、封止板４２には、ＣＯＭ用貫通孔４１Ｃ３に対向する位置にも貫通孔部（図示略）が設けられており、ＣＯＭ用貫通孔４１Ｃ３に設けられたＣＯＭ用貫通電極４１Ｅが挿通されている。
なお、本実施形態では、封止板４２として、開口部４１Ｃに対向して貫通孔部４２１が設けられる構成を例示したが、これに限定されない。例えば、アレイ領域Ａｒ１と対向する領域内で、貫通孔４１Ｃ２に対向する位置に貫通孔部４２１が形成され、その他の開口部４１Ｃ（凹溝４１Ｃ１）に対向する領域は、封止板４２により覆われる構成としてもよい。
この場合、超音波素子５１から背面４１Ａ側に背面波として送出された超音波が封止板４２にて反射されることになる。この際、封止板４２により反射された反射背面波と、振動部４１２Ｂから作動面４１Ｂ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。よって、封止板４２により凹溝４１Ｃ１を覆う構成とする場合では、振動部４１２Ｂと封止板４２との音響的な距離が、送信される超音波の波長λの４分の１（λ／４）の奇数倍となるように、各凹溝４１Ｃ１の溝深さを設定することが好ましい。言い換えれば、超音波素子５１から発せられる超音波の波長λを考慮して、素子基板４１の各部の厚み寸法が設定される。
この場合、超音波素子５１から背面４１Ａ側に背面波として送出された超音波が封止板４２にて反射されることになる。この際、封止板４２により反射された反射背面波と、振動部４１２Ｂから作動面４１Ｂ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。よって、封止板４２により凹溝４１Ｃ１を覆う構成とする場合では、振動部４１２Ｂと封止板４２との音響的な距離が、送信される超音波の波長λの４分の１（λ／４）の奇数倍となるように、各凹溝４１Ｃ１の溝深さを設定することが好ましい。言い換えれば、超音波素子５１から発せられる超音波の波長λを考慮して、素子基板４１の各部の厚み寸法が設定される。
（音響整合層４３及び音響レンズ４４の構成）
音響整合層４３は、図６，７に示すように、素子基板４１の作動面４１Ｂ側に設けられている。具体的には、音響整合層４３は、素子基板４１の作動面４１Ｂ側で各圧電素子４１３を覆い、かつ、表面が平坦面となるように形成される。
音響レンズ４４は、音響整合層４３上に設けられ、図１に示すように、筐体２１のセンサー窓２１Ｂにから外部に露出する。
これらの音響整合層４３や音響レンズ４４は、超音波素子５１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素子５１に伝搬させる。このため、音響整合層４３及び音響レンズ４４は、素子基板４１の超音波素子５１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。
音響整合層４３は、図６，７に示すように、素子基板４１の作動面４１Ｂ側に設けられている。具体的には、音響整合層４３は、素子基板４１の作動面４１Ｂ側で各圧電素子４１３を覆い、かつ、表面が平坦面となるように形成される。
音響レンズ４４は、音響整合層４３上に設けられ、図１に示すように、筐体２１のセンサー窓２１Ｂにから外部に露出する。
これらの音響整合層４３や音響レンズ４４は、超音波素子５１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素子５１に伝搬させる。このため、音響整合層４３及び音響レンズ４４は、素子基板４１の超音波素子５１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。
［配線基板２３の構成］
配線基板２３は、超音波デバイス２２が接合され、超音波デバイス２２により超音波の送受信処理を実施させる。配線基板２３には、超音波デバイス２２が接合された際に、貫通孔４１Ｃ２及びＣＯＭ用貫通孔４１Ｃ３に対向する位置に端子部２３１が設けられており、各貫通孔４１Ｃ２，４１Ｃ３から、封止板４２を貫通した貫通電極４１Ｄ，４１Ｅと導通されている。
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２３は、図２に示すように、端子部２３１、共通電位回路２３２、選択回路２３３、送信回路２３４、受信回路２３５、及びコネクタ部２３６（図３参照）を備えている。
共通電位回路２３２は、例えばグランド回路であり、端子部２３１のうちＣＯＭ用貫通電極４１Ｅと導通する端子部２３１に接続されている。これにより、この共通電位回路２３２は、ＣＯＭ用貫通電極４１Ｅを介して、上部電極４１６に共通電位（０電位）が印加する。
配線基板２３は、超音波デバイス２２が接合され、超音波デバイス２２により超音波の送受信処理を実施させる。配線基板２３には、超音波デバイス２２が接合された際に、貫通孔４１Ｃ２及びＣＯＭ用貫通孔４１Ｃ３に対向する位置に端子部２３１が設けられており、各貫通孔４１Ｃ２，４１Ｃ３から、封止板４２を貫通した貫通電極４１Ｄ，４１Ｅと導通されている。
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２３は、図２に示すように、端子部２３１、共通電位回路２３２、選択回路２３３、送信回路２３４、受信回路２３５、及びコネクタ部２３６（図３参照）を備えている。
共通電位回路２３２は、例えばグランド回路であり、端子部２３１のうちＣＯＭ用貫通電極４１Ｅと導通する端子部２３１に接続されている。これにより、この共通電位回路２３２は、ＣＯＭ用貫通電極４１Ｅを介して、上部電極４１６に共通電位（０電位）が印加する。
選択回路２３３は、貫通電極４１Ｄと導通する各端子部２３１に接続されている。そして、選択回路２３３は、制御装置１０の制御に基づいて、超音波デバイス２２（各端子部２３１）と送信回路２３４とを接続する送信接続、及び超音波デバイス２２と受信回路２３５とを接続する受信接続を切り替える。
送信回路２３４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２３３を介して超音波デバイス２２に超音波を発信させる旨の送信信号を出力する。
受信回路２３５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２３３を介して超音波デバイス２２から入力された受信信号を制御装置１０に出力する。受信回路２３５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。
送信回路２３４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２３３を介して超音波デバイス２２に超音波を発信させる旨の送信信号を出力する。
受信回路２３５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２３３を介して超音波デバイス２２から入力された受信信号を制御装置１０に出力する。受信回路２３５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。
コネクタ部２３６は、送信回路２３４、受信回路２３５に接続されている。また、コネクタ部２３６にはケーブル３が接続されており、上述したように、このケーブル３は、筐体２１の通過孔２１Ｃから引き出されて制御装置１０に接続されている。
［制御装置１０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２３４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２３５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。
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２３４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２３５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。
［超音波デバイス２２の製造方法］
図９及び図１０は、本実施形態の超音波デバイス２２の形成方法を示す図である。なお、図９及び図１０では、素子基板４１のＹ方向に沿った断面を示している。
超音波デバイス２２の製造では、まず、素子基板４１を形成するために、図９（Ａ）に示すように、Ｓｉからなる基板本体部４１１の表面を酸化処理し、さらに表面にＺｒＯ２を成膜することで、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２の積層体からなる振動膜４１２を形成する。
図９及び図１０は、本実施形態の超音波デバイス２２の形成方法を示す図である。なお、図９及び図１０では、素子基板４１のＹ方向に沿った断面を示している。
超音波デバイス２２の製造では、まず、素子基板４１を形成するために、図９（Ａ）に示すように、Ｓｉからなる基板本体部４１１の表面を酸化処理し、さらに表面にＺｒＯ２を成膜することで、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２の積層体からなる振動膜４１２を形成する。
この後、図９（Ｂ）に示すように、振動膜４１２上に、圧電素子４１３を形成する。
すなわち、振動膜４１２の作動面４１Ｂ側に下部電極４１４を形成するための電極材料を成膜して、エッチング等によりパターニングすることで、下部電極４１４（下部電極本体４１４Ａ，下部電極線４１４Ｂ，電極導通部４１４Ｃ）を形成する。この後、振動膜４１２の作動面４１Ｂ側に、圧電膜４１５を形成するための圧電材料を製膜し、例えばエッチング等によりパターニングして、圧電膜４１５を形成する。さらに、振動膜４１２の作動面４１Ｂ側に、上部電極４１６を形成するための電極材料を製膜し、例えばエッチング等によりパターニングして、上部電極４１６（素子電極部４１６Ａ、共通電極部４１６Ｂ）及び素子間電極層４１７を形成する。そして、振動膜４１２の作動面４１Ｂ側に、絶縁層４１８を形成するための絶縁材料を成膜し、エッチング等によりパターニングすることで絶縁層４１８を形成する。
すなわち、振動膜４１２の作動面４１Ｂ側に下部電極４１４を形成するための電極材料を成膜して、エッチング等によりパターニングすることで、下部電極４１４（下部電極本体４１４Ａ，下部電極線４１４Ｂ，電極導通部４１４Ｃ）を形成する。この後、振動膜４１２の作動面４１Ｂ側に、圧電膜４１５を形成するための圧電材料を製膜し、例えばエッチング等によりパターニングして、圧電膜４１５を形成する。さらに、振動膜４１２の作動面４１Ｂ側に、上部電極４１６を形成するための電極材料を製膜し、例えばエッチング等によりパターニングして、上部電極４１６（素子電極部４１６Ａ、共通電極部４１６Ｂ）及び素子間電極層４１７を形成する。そして、振動膜４１２の作動面４１Ｂ側に、絶縁層４１８を形成するための絶縁材料を成膜し、エッチング等によりパターニングすることで絶縁層４１８を形成する。
この後、図９（Ｃ）に示すように、基板本体部４１１の背面４１Ａ側から、開口部４１Ｃの形成位置（圧電素子４１３の形成位置）に、孔部４１１Ａを形成する。
すなわち、孔部４１１Ａを形成するためのマスクパターンを基板本体部４１１の背面４１Ａ側に形成し、例えばエッチング等により、Ｓｉにより構成された基板本体部４１１に孔部４１１Ａを形成する。当該エッチングは、ドライエッチングであってもよく、ウェットエッチングであってもよい。なお、ウェットエッチングの場合、サイドエッチングにより、孔部４１１Ａ間の隔壁（支持部４１１Ｂ）の幅寸法が小さくなるおそれがあるため、ドライエッチングによる加工が好ましい。
なお、図示は省略するが、孔部４１１Ａの形成時に、同時に、ＣＯＭ用孔部も形成される。
すなわち、孔部４１１Ａを形成するためのマスクパターンを基板本体部４１１の背面４１Ａ側に形成し、例えばエッチング等により、Ｓｉにより構成された基板本体部４１１に孔部４１１Ａを形成する。当該エッチングは、ドライエッチングであってもよく、ウェットエッチングであってもよい。なお、ウェットエッチングの場合、サイドエッチングにより、孔部４１１Ａ間の隔壁（支持部４１１Ｂ）の幅寸法が小さくなるおそれがあるため、ドライエッチングによる加工が好ましい。
なお、図示は省略するが、孔部４１１Ａの形成時に、同時に、ＣＯＭ用孔部も形成される。
さらに、孔部４１１Ａを形成するためのマスクパターンを除去した後、孔部４１２Ａを形成するためのマスクパターンを基板本体部４１１の背面４１Ａ側に形成する。このマスクパターンは、例えば、孔部４１２Ａにおける作動面４１Ｂ側の開口と同一形状、同一寸法の開口が設けられるパターンとなる。そして、振動膜４１２のＳｉＯ２層，ＺｒＯ２層を順次エッチングし、図９（Ｄ）に示すように、孔部４１２Ａを形成する。この際、上記のようなマスクパターンを形成することで、振動膜４１２の厚み方向に沿ってエッチングが進むとともに、振動膜４１２の厚み方向に対して直交する方向に対してサイドエッチングが進む。したがって、振動膜４１２に、背面４１Ａ側から作動面４１Ｂ側に向かうにしたがって、開口断面積（厚み方向に対して直交する面内の面積）が小さくなる孔部４１２Ａが形成される。なお、当該エッチング処理において、作動面４１Ｂ側に設けられた下部電極４１４がエッチングストッパとなり、振動膜４１２の背面４１Ａ側に当該下部電極４１４（電極導通部４１４Ｃ）が露出することになる。
ここで、孔部４１２Ａが形成されることで、当該孔部４１２Ａと先に形成された孔部４１１Ａとにより貫通孔４１Ｃ２が構成され、孔部４１２Ａが形成されていない領域は、振動膜４１２が振動部４１２Ｂを構成し、孔部４１１Ａと振動部４１２Ｂとにより凹溝４１Ｃ１が構成される。
なお、図示は省略するが、孔部４１２Ａの形成時に、同時に、振動膜４１２にもＣＯＭ用孔部も形成され、先に形成された基板本体部４１１側のＣＯＭ用孔部と振動膜４１２のＣＯＭ用孔部により、図４に示すようなＣＯＭ用貫通孔４１Ｃ３が形成される。
ここで、孔部４１２Ａが形成されることで、当該孔部４１２Ａと先に形成された孔部４１１Ａとにより貫通孔４１Ｃ２が構成され、孔部４１２Ａが形成されていない領域は、振動膜４１２が振動部４１２Ｂを構成し、孔部４１１Ａと振動部４１２Ｂとにより凹溝４１Ｃ１が構成される。
なお、図示は省略するが、孔部４１２Ａの形成時に、同時に、振動膜４１２にもＣＯＭ用孔部も形成され、先に形成された基板本体部４１１側のＣＯＭ用孔部と振動膜４１２のＣＯＭ用孔部により、図４に示すようなＣＯＭ用貫通孔４１Ｃ３が形成される。
この後、図１０（Ａ）に示すように、開口部４１Ｃ（凹溝４１Ｃ１及び貫通孔４１Ｃ２）に対応した貫通孔部４２１を予め形成した封止板４２を、基板本体部４１１の背面４１Ａ側に接合する。
そして、図１０（Ｂ）に示すように、貫通孔４１Ｃ２及びＣＯＭ用貫通孔４１Ｃ３（図示略）に対して、それぞれ、例えばＡｇペースト等の導電性ペーストを充填し、貫通電極４１Ｄ及びＣＯＭ用貫通電極４１Ｅを形成する。
そして、図１０（Ｂ）に示すように、貫通孔４１Ｃ２及びＣＯＭ用貫通孔４１Ｃ３（図示略）に対して、それぞれ、例えばＡｇペースト等の導電性ペーストを充填し、貫通電極４１Ｄ及びＣＯＭ用貫通電極４１Ｅを形成する。
［第一実施形態の作用効果］
本実施形態の超音波測定装置１では、超音波プローブ２と、制御装置１０とを備え、超音波プローブ２には、超音波センサー２４を構成する超音波デバイス２２と、配線基板２３とが設けられている。そして、この超音波デバイス２２を構成する素子基板４１には、アレイ領域Ａｒ１内に複数の開口部４１Ｃが設けられている。これらの開口部４１Ｃのうちの多くは凹溝４１Ｃ１であり、その溝底面である振動部４１２Ｂの作動面４１Ｂ側に、圧電素子４１３が配置される。また、開口部４１Ｃのうちの残りは貫通孔４１Ｃ２であり、圧電素子４１３を構成する下部電極４１４に導通する貫通電極４１Ｄが挿通される。
本実施形態の超音波測定装置１では、超音波プローブ２と、制御装置１０とを備え、超音波プローブ２には、超音波センサー２４を構成する超音波デバイス２２と、配線基板２３とが設けられている。そして、この超音波デバイス２２を構成する素子基板４１には、アレイ領域Ａｒ１内に複数の開口部４１Ｃが設けられている。これらの開口部４１Ｃのうちの多くは凹溝４１Ｃ１であり、その溝底面である振動部４１２Ｂの作動面４１Ｂ側に、圧電素子４１３が配置される。また、開口部４１Ｃのうちの残りは貫通孔４１Ｃ２であり、圧電素子４１３を構成する下部電極４１４に導通する貫通電極４１Ｄが挿通される。
このような構成では、超音波デバイス２２を配線基板２３に実装する際に、配線基板２３の端子部２３１に対して、貫通電極４１Ｄを接触させるだけの簡素な構成で、各圧電素子４１３に対する信号の入出力が行える。
例えば、各圧電素子４１３から外側に複数の引出線を引き出して端子部を形成し、これらの端子部に対してＦＰＣ等により配線基板等に接続する場合に比べ、基板の平面サイズを小さくできる。また、開口部間（例えば図４における支持部４１１Ｂ）に、圧電素子と導通する貫通電極を設ける場合では、開口部間に貫通電極を配置するためのスペースを確保する必要があり、その分、基板の平面サイズが大きくなる。これに対して、本適用例では、アレイ状に配置された複数の開口部のうちのいずれかを貫通孔とし、当該貫通孔に貫通電極を設ける構成となる。このため、開口部間の間隔を広げる必要がなく、これによる基板の平面サイズの大型化もない。
以上により、本実施形態では、従来に比べて、素子基板４１の平面サイズを小さくでき、超音波デバイス２２、超音波センサー２４、超音波プローブ２、及び超音波測定装置１の小型化を図ることができる。
例えば、各圧電素子４１３から外側に複数の引出線を引き出して端子部を形成し、これらの端子部に対してＦＰＣ等により配線基板等に接続する場合に比べ、基板の平面サイズを小さくできる。また、開口部間（例えば図４における支持部４１１Ｂ）に、圧電素子と導通する貫通電極を設ける場合では、開口部間に貫通電極を配置するためのスペースを確保する必要があり、その分、基板の平面サイズが大きくなる。これに対して、本適用例では、アレイ状に配置された複数の開口部のうちのいずれかを貫通孔とし、当該貫通孔に貫通電極を設ける構成となる。このため、開口部間の間隔を広げる必要がなく、これによる基板の平面サイズの大型化もない。
以上により、本実施形態では、従来に比べて、素子基板４１の平面サイズを小さくでき、超音波デバイス２２、超音波センサー２４、超音波プローブ２、及び超音波測定装置１の小型化を図ることができる。
本実施形態の素子基板４１では、複数の開口部４１Ｃがアレイ領域Ａｒ１内にアレイ状に配置され、そのうち貫通孔４１Ｃ２は、アレイ中心Ｏに対して点対称となる位置に設けられている。具体的には、貫通孔４１Ｃ２は、矩形状のアレイ領域Ａｒ１の対角線Ｄ１に沿って配置され、貫通孔４１Ｃ２のＸ方向及びＹ方向に隣り合う開口部４１Ｃは、凹溝４１Ｃ１となる。
このような構成では、例えば貫通孔４１Ｃ２がアレイ領域Ａｒ１における１か所に固まって形成される構成等に比べ、応力バランスが均一となり、素子基板４１の破損や超音波特性の不均一を抑制できる。
このような構成では、例えば貫通孔４１Ｃ２がアレイ領域Ａｒ１における１か所に固まって形成される構成等に比べ、応力バランスが均一となり、素子基板４１の破損や超音波特性の不均一を抑制できる。
本実施形態では、圧電素子４１３は、下部電極４１４、圧電膜４１５、及び上部電極４１６を積層することで構成されている。そして、貫通電極４１Ｄは、ＳＩＧ信号を印加するための下部電極４１４に接続されている。下部電極４１４は、振動膜４１２上に設けられる電極であるため、貫通孔４１Ｃ２を設けることで、容易に貫通電極４１Ｄと下部電極４１４を接触させることができる。
本実施形態では、Ｘ方向に沿って配置された超音波素子５１により１つの超音波素子群５１Ａが構成され、当該超音波素子群５１ＡがＹ方向に沿って複数配置されることで１次元アレイ構造が構成されている。そして、下部電極４１４は、Ｘ方向に沿って配置される複数の超音波素子５１に跨って設けられており、１つの超音波素子群５１Ａに属する超音波素子５１の下部電極４１４は電気的に接続され、貫通電極４１Ｄにより導通している。
このような構成では、超音波素子群５１Ａに属する各超音波素子５１から貫通電極４１Ｄまでの距離が短くなるので、その分、電気抵抗も小さくなり、電圧降下による影響を抑制できる。
このような構成では、超音波素子群５１Ａに属する各超音波素子５１から貫通電極４１Ｄまでの距離が短くなるので、その分、電気抵抗も小さくなり、電圧降下による影響を抑制できる。
また、貫通孔４１Ｃ２が、アレイ領域Ａｒ１における対角線Ｄ１に沿って設けられているので、隣り合う超音波素子群５１Ａから出力される超音波の強度分布が略同じとなる。このため、各超音波素子群５１Ａから送信された超音波の波面を好適に重ね合せることができ、高精度な超音波ビームを形成することができる。
［第二実施形態］
次に、本発明に係る第二実施形態について説明する。
上記第一実施形態では、１つの超音波素子群５１Ａに対して、１つの貫通電極４１ＤによりＳＩＧ信号が入出力される例を示した。これに対して、第二実施形態では、１つの超音波素子群５１Ａに対して、２つの貫通電極４１ＤによりＳＩＧ信号が入出力される点で、上記第一実施形態と相違する。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。
次に、本発明に係る第二実施形態について説明する。
上記第一実施形態では、１つの超音波素子群５１Ａに対して、１つの貫通電極４１ＤによりＳＩＧ信号が入出力される例を示した。これに対して、第二実施形態では、１つの超音波素子群５１Ａに対して、２つの貫通電極４１ＤによりＳＩＧ信号が入出力される点で、上記第一実施形態と相違する。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。
図１１は、第二実施形態における素子基板４１の開口部４１Ｃの配置構成を示す図である。図１１において、白丸は、凹溝４１Ｃ１を示し、黒丸は、貫通孔４１Ｃ２を示している。
本実施形態では、図１１に示すように、Ｘ方向に沿って並ぶ開口部４１Ｃのうちの２つが貫通孔４１Ｃ２となる。これらの貫通孔４１Ｃ２には、第一実施形態と同様、貫通電極４１Ｄが設けられて下部電極４１４に導通する。
なお、上部電極４１６は、第一実施形態と同様に、別途設けられたＣＯＭ用貫通電極４１Ｅに接続されている（図示略）。
本実施形態では、図１１に示すように、Ｘ方向に沿って並ぶ開口部４１Ｃのうちの２つが貫通孔４１Ｃ２となる。これらの貫通孔４１Ｃ２には、第一実施形態と同様、貫通電極４１Ｄが設けられて下部電極４１４に導通する。
なお、上部電極４１６は、第一実施形態と同様に、別途設けられたＣＯＭ用貫通電極４１Ｅに接続されている（図示略）。
また、各貫通孔４１Ｃ２は、図１１に示すように、アレイ領域Ａｒ１における対角線Ｄ１及び対角線Ｄ２の双方に沿って配置されている。
ここで、アレイ中心Ｏの近傍の超音波素子群５１Ａでは、対角線Ｄ１，Ｄ２の双方に沿う位置に貫通孔４１Ｃ２を配置すると、Ｘ方向及びＹ方向に対して隣り合う位置に貫通孔４１Ｃ２が配置されることになる。この場合でも、貫通孔４１Ｃ２の面積は、アレイ領域Ａｒ１の総面積に対して十分に小さいため、これらの４つの貫通孔４１Ｃ２がＸ方向、Ｙ方向に隣り合っても、基板強度の低下が無視できる程度となり、問題は生じない。
しかしながら、貫通孔４１Ｃ２に対してＸ方向及びＹ方向に隣り合う位置の開口部４１Ｃは、凹溝４１Ｃ１であることがより好ましい。この場合、図１１に示すように、アレイ中心Ｏの近傍の超音波素子群５１Ａでは、例えば対角線Ｄ１に沿う位置にのみ貫通孔４１Ｃ２を配置し、対角線Ｄ２に沿う位置には凹溝４１Ｃ１を配置する。
ここで、アレイ中心Ｏの近傍の超音波素子群５１Ａでは、対角線Ｄ１，Ｄ２の双方に沿う位置に貫通孔４１Ｃ２を配置すると、Ｘ方向及びＹ方向に対して隣り合う位置に貫通孔４１Ｃ２が配置されることになる。この場合でも、貫通孔４１Ｃ２の面積は、アレイ領域Ａｒ１の総面積に対して十分に小さいため、これらの４つの貫通孔４１Ｃ２がＸ方向、Ｙ方向に隣り合っても、基板強度の低下が無視できる程度となり、問題は生じない。
しかしながら、貫通孔４１Ｃ２に対してＸ方向及びＹ方向に隣り合う位置の開口部４１Ｃは、凹溝４１Ｃ１であることがより好ましい。この場合、図１１に示すように、アレイ中心Ｏの近傍の超音波素子群５１Ａでは、例えば対角線Ｄ１に沿う位置にのみ貫通孔４１Ｃ２を配置し、対角線Ｄ２に沿う位置には凹溝４１Ｃ１を配置する。
また、超音波素子群５１Ａにおいて、貫通電極４１Ｄからの距離が長くなると、その距離に応じて電圧降下が発生し、各超音波素子５１から送信される超音波の強度に差が生じる。例えば、上記第一実施形態では、−Ｙ側端部に配置された超音波素子群５１Ａは、貫通電極４１Ｄ（貫通孔４１Ｃ２）が−Ｘ側端部に配置される。この場合、当該貫通電極４１Ｄから、＋Ｘ側端部に配置された超音波素子５１までの距離が長くなり、その分、電圧降下が発生して、出力される超音波の強度が低下する。
これに対して、本実施形態では、１つの超音波素子群５１Ａに対して、２つの貫通電極４１Ｄにより下部電極４１４が接続され、かつ、アレイ領域Ａｒ１内において、これらの貫通電極４１Ｄは、一対の対角線Ｄ１，Ｄ２に沿って配置されている。つまり、１つの超音波素子群５１Ａにおいて、Ｘ方向の中心点を通りＹ方向に平行な仮想線（すなわち、図１１において、アレイ中心Ｏを通りＹ方向に平行な仮想線Ｌ）に対して、上記２つの貫通電極４１Ｄが線対称となる位置に配置される。このような構成では、各超音波素子５１に対して、貫通電極４１Ｄからの距離が極端に長くなることがない。つまり、仮想線Ｌよりも−Ｘ側の超音波素子５１に対しては、−Ｘ側に配置された貫通電極４１ＤからのＳＩＧ信号が伝達され、＋Ｘ側の超音波素子５１に対しては、＋Ｘ側に配置された貫通電極４１ＤからのＳＩＧ信号が伝達される。よって、最も電圧降下が発生する可能性のある超音波素子５１は、貫通電極４１Ｄからの長さが、最大でも超音波素子群５１ＡのＸ方向に沿う長さ寸法の１／２となる超音波素子５１（貫通電極４１Ｄが＋Ｘ側端部及び−Ｘ側端部に位置する場合では仮想線Ｌ近傍の超音波素子５１、又は、貫通電極４１ＤがＸ方向の中心に位置する場合では±Ｘ側端部に位置する超音波素子５１）となる。
したがって、第一実施形態における一部の超音波素子群５１Ａのような大きな電圧降下が発生せず、超音波素子５１から出力される超音波の出力を均一にできる。
また、電圧降下が生じたとしても、仮想線Ｌを挟んで均一な割合で当該電圧降下が生じるので、出力される超音波の強度も仮想線Ｌを挟んで線対称となる分布となり、強度分布をより均一化できる。
したがって、第一実施形態における一部の超音波素子群５１Ａのような大きな電圧降下が発生せず、超音波素子５１から出力される超音波の出力を均一にできる。
また、電圧降下が生じたとしても、仮想線Ｌを挟んで均一な割合で当該電圧降下が生じるので、出力される超音波の強度も仮想線Ｌを挟んで線対称となる分布となり、強度分布をより均一化できる。
なお、図１１に示す例では、アレイ中心Ｏの近傍の超音波素子群５１Ａにおいて１つの貫通電極４１Ｄのみが設けられることになる。しかしながら、当該貫通電極４１Ｄの配置位置は、Ｘ方向に沿う中心位置となるため、貫通電極４１Ｄから最も離れた超音波素子５１までの距離は、上記のように、最大で超音波素子群５１ＡのＸ方向に沿う長さ寸法の１／２程度となる。よって、電圧降下による大きな影響は生じない。
［本実施形態の作用効果］
上記のような本実施形態の素子基板４１では、上記第一実施形態と同様、アレイ領域Ａｒ１内において、貫通孔４１Ｃ２がアレイ中心Ｏに対して点対称に配置されることになり、基板強度の低下を抑制できる。
また、上記第一実施形態と同様に、隣り合う超音波素子群５１Ａ同士において、超音波の出力強度分布が略同一となり、精度よく超音波の波面を重ね合せることができ、超音波ビームを所望の方向に出力することができる。
上記のような本実施形態の素子基板４１では、上記第一実施形態と同様、アレイ領域Ａｒ１内において、貫通孔４１Ｃ２がアレイ中心Ｏに対して点対称に配置されることになり、基板強度の低下を抑制できる。
また、上記第一実施形態と同様に、隣り合う超音波素子群５１Ａ同士において、超音波の出力強度分布が略同一となり、精度よく超音波の波面を重ね合せることができ、超音波ビームを所望の方向に出力することができる。
さらに、各超音波素子群５１Ａにおいて、仮想線Ｌに対して線対称となる位置に貫通孔４１Ｃ２が配置されるので、貫通電極４１Ｄから各超音波素子５１までの距離が極端に長くなることがなく、電圧降下を抑制でき、強度分布が均一な高精度な超音波を出力でき、高精度な超音波ビームを形成できる。
［第三実施形態］
次に、本発明に係る第三実施形態について説明する。
上述した第一実施形態及び第二実施形態では、Ｘ方向に並ぶ超音波素子５１により超音波素子群５１Ａが構成され、当該超音波素子群５１ＡがＹ方向に複数配列される構成を例示した。これに対して、第三実施形態では、Ｘ方向に並ぶｎ個の超音波素子列をＹ方向にｍ列並べることで１つの超音波素子群が構成されている。すなわち、第三実施形態では、超音波アレイは、ｎ×ｍ個の部分アレイ領域に構成され、各部分アレイ領域により１つの超音波素子群が構成される。
次に、本発明に係る第三実施形態について説明する。
上述した第一実施形態及び第二実施形態では、Ｘ方向に並ぶ超音波素子５１により超音波素子群５１Ａが構成され、当該超音波素子群５１ＡがＹ方向に複数配列される構成を例示した。これに対して、第三実施形態では、Ｘ方向に並ぶｎ個の超音波素子列をＹ方向にｍ列並べることで１つの超音波素子群が構成されている。すなわち、第三実施形態では、超音波アレイは、ｎ×ｍ個の部分アレイ領域に構成され、各部分アレイ領域により１つの超音波素子群が構成される。
図１２は、第三実施形態における素子基板４１の開口部４１Ｃの配置構成を示す図である。図１２において、白丸は、凹溝４１Ｃ１を示し、黒丸は、貫通孔４１Ｃ２を示している。
図１２に示すように、本実施形態では、超音波素子アレイ５０のアレイ領域Ａｒ１は、複数の部分アレイ領域Ａｒ２を有する。なお、本実施形態では、部分アレイ領域Ａｒ２がＹ方向に複数並ぶ構成を例示するが、部分アレイ領域Ａｒ２がＸ方向及びＹ方向に沿って２次元アレイ状に並ぶ構成としてもよい。
図１２に示すように、本実施形態では、超音波素子アレイ５０のアレイ領域Ａｒ１は、複数の部分アレイ領域Ａｒ２を有する。なお、本実施形態では、部分アレイ領域Ａｒ２がＹ方向に複数並ぶ構成を例示するが、部分アレイ領域Ａｒ２がＸ方向及びＹ方向に沿って２次元アレイ状に並ぶ構成としてもよい。
各部分アレイ領域Ａｒ２には、それぞれ、ｎ×ｍ個（本実施形態では、１２×５個）の開口部４１Ｃがアレイ状に配置されている。この開口部４１Ｃは、第一実施形態と同様に、圧電素子４１３が配置される凹溝４１Ｃ１と、貫通電極４１Ｄが挿通される貫通孔４１Ｃ２とを含む。そして、開口部４１Ｃにおける貫通孔４１Ｃ２は、矩形状の各部分アレイ領域Ａｒ２における対角線Ｄ３に沿って配置されている。
なお、本実施形態において、各部分アレイ領域Ａｒ２の超音波素子５１は、下部電極４１４が互いに電気的に接続され、各貫通電極４１Ｄから同じＳＩＧ信号が入出力される。これにより、１つの部分アレイ領域Ａｒ２を１つの超音波素子群５１Ａとして機能させることが可能となる。
また、第一実施形態と同様に、Ｘ方向に沿う超音波素子５１の下部電極４１４同士が接続され、Ｙ方向に沿って隣り合う超音波素子５１間では、導通が取られない構成としてもよい。この場合でも、各部分アレイ領域Ａｒ２に設けられた貫通電極４１Ｄにそれぞれ同一のＳＩＧ信号を同タイミングで印加すれば、部分アレイ領域Ａｒ２に属する超音波素子５１を同時に駆動させることが可能となる。
なお、本実施形態において、各部分アレイ領域Ａｒ２の超音波素子５１は、下部電極４１４が互いに電気的に接続され、各貫通電極４１Ｄから同じＳＩＧ信号が入出力される。これにより、１つの部分アレイ領域Ａｒ２を１つの超音波素子群５１Ａとして機能させることが可能となる。
また、第一実施形態と同様に、Ｘ方向に沿う超音波素子５１の下部電極４１４同士が接続され、Ｙ方向に沿って隣り合う超音波素子５１間では、導通が取られない構成としてもよい。この場合でも、各部分アレイ領域Ａｒ２に設けられた貫通電極４１Ｄにそれぞれ同一のＳＩＧ信号を同タイミングで印加すれば、部分アレイ領域Ａｒ２に属する超音波素子５１を同時に駆動させることが可能となる。
さらに、本実施形態において、第一及び第二実施形態と同様、上部電極４１６は、アレイ領域外において設けられたＣＯＭ用貫通電極４１Ｅに導通されていればよい。なお、部分アレイ領域Ａｒ２内におけるいずれかの開口部４１ＣをＣＯＭ用の貫通孔としてもよい。この場合、当該貫通孔上には下部電極４１４及び圧電膜４１５を積層せず、上部電極のみをＣＯＭ用の貫通孔を覆うように形成し、ＣＯＭ用の貫通孔に設けられた貫通電極を上部電極４１６に導通させる。
[本実施形態の作用効果]
本実施形態は、アレイ領域Ａｒ１は、複数の部分アレイ領域Ａｒ２を備え、これらの各部分アレイ領域Ａｒ２は、ｎ×ｍ個の開口部４１Ｃを備える。そして、これらの開口部４１Ｃのうち、部分アレイ領域Ａｒ２の対角線Ｄ３に沿う開口部４１Ｃは、貫通孔４１Ｃ２であり、下部電極４１４に導通する貫通電極４１Ｄが設けられている。
このような構成でも、上記第一及び第二実施形態と同様に、各部分アレイ領域Ａｒ２における応力バランスが均一となり基板強度の低下を抑制できる。
また、各部分アレイ領域Ａｒ２を１つの超音波素子群５１Ａ（１つのチャネル）として駆動させることができる。この場合、各超音波素子群５１Ａから出力される超音波の強度分布が同じ分布となり、出力された超音波の波面を重ね合せて超音波ビームを形成する際に、各超音波素子群５１Ａから出力される超音波間で強度むらがなく、高精度な超音波ビームを形成することが可能となる。
本実施形態は、アレイ領域Ａｒ１は、複数の部分アレイ領域Ａｒ２を備え、これらの各部分アレイ領域Ａｒ２は、ｎ×ｍ個の開口部４１Ｃを備える。そして、これらの開口部４１Ｃのうち、部分アレイ領域Ａｒ２の対角線Ｄ３に沿う開口部４１Ｃは、貫通孔４１Ｃ２であり、下部電極４１４に導通する貫通電極４１Ｄが設けられている。
このような構成でも、上記第一及び第二実施形態と同様に、各部分アレイ領域Ａｒ２における応力バランスが均一となり基板強度の低下を抑制できる。
また、各部分アレイ領域Ａｒ２を１つの超音波素子群５１Ａ（１つのチャネル）として駆動させることができる。この場合、各超音波素子群５１Ａから出力される超音波の強度分布が同じ分布となり、出力された超音波の波面を重ね合せて超音波ビームを形成する際に、各超音波素子群５１Ａから出力される超音波間で強度むらがなく、高精度な超音波ビームを形成することが可能となる。
［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。
上記第一実施形態において、超音波デバイス２２の製造方法として、図９，１０を例示したが、これに限定されない。
例えば図１３に示すような製造方法であってもよい。
図１３は、超音波デバイス２２の別の製造方法を示す一例である。この方法では、まず、図１３（Ａ）に示すように、基板本体部４１１に対して振動膜４１２を形成する。この後、図１３（Ｂ）に示すように、振動膜４１２の作動面４１Ｂ側から、貫通孔４１Ｃ２の形成位置に対して孔部４１２Ａを形成する。
この後、図１３（Ｃ）に示すように、振動膜４１２上に、下部電極４１４、圧電膜４１５、上部電極４１６、絶縁層４１８を形成する。ここで、下部電極４１４は、孔部４１２Ａ内に充填させて基板本体部４１１に当接させる。
この後、図１３（Ｄ）に示すように、基板本体部４１１の背面４１Ａ側から各孔部４１１Ａをエッチング等により形成する。これにより、孔部４１２Ａに充填された下部電極４１４が孔部４１１Ａに露出する。そして、封止板４２を接合した上で、貫通電極４１Ｄを挿入し、下部電極４１４に導通させる。
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。
上記第一実施形態において、超音波デバイス２２の製造方法として、図９，１０を例示したが、これに限定されない。
例えば図１３に示すような製造方法であってもよい。
図１３は、超音波デバイス２２の別の製造方法を示す一例である。この方法では、まず、図１３（Ａ）に示すように、基板本体部４１１に対して振動膜４１２を形成する。この後、図１３（Ｂ）に示すように、振動膜４１２の作動面４１Ｂ側から、貫通孔４１Ｃ２の形成位置に対して孔部４１２Ａを形成する。
この後、図１３（Ｃ）に示すように、振動膜４１２上に、下部電極４１４、圧電膜４１５、上部電極４１６、絶縁層４１８を形成する。ここで、下部電極４１４は、孔部４１２Ａ内に充填させて基板本体部４１１に当接させる。
この後、図１３（Ｄ）に示すように、基板本体部４１１の背面４１Ａ側から各孔部４１１Ａをエッチング等により形成する。これにより、孔部４１２Ａに充填された下部電極４１４が孔部４１１Ａに露出する。そして、封止板４２を接合した上で、貫通電極４１Ｄを挿入し、下部電極４１４に導通させる。
また、上記各実施形態及び図１３に示す例では、貫通孔４１Ｃ２内に充填された貫通電極４１Ｄを例示したが、これに限定されない。例えば、貫通孔４１Ｃ２の表面に対して、メタル蒸着等により金属薄膜を成膜することで、下部電極４１４と導通する貫通電極４１Ｄを形成してもよい。
上記各実施形態では、貫通孔４１Ｃ２がアレイ領域Ａｒ１の対角線Ｄ１、又は、一対の対角線Ｄ１及び対角線Ｄ２の双方に沿って設けられる例を示したが、これに限定されない。貫通孔４１Ｃ２の位置としては、素子基板４１における応力バランスが均一となり、基板強度が低下しない位置で、かつ、隣り合う超音波素子群５１Ａから出力される超音波の強度分布が略同じとなるように、配置すればよい。
例えば、図１４に示すように、アレイ中心Ｏに対して点対称となる位置にジグザグに貫通孔４１Ｃ２を設ける構成などとしてもよい。
例えば、図１４に示すように、アレイ中心Ｏに対して点対称となる位置にジグザグに貫通孔４１Ｃ２を設ける構成などとしてもよい。
また、上記実施形態では、貫通孔４１Ｃ２に対してＸ方向及びＹ方向に隣り合う開口部４１Ｃは、凹溝４１Ｃ１となる例を示したが、これに限定されない。上述したように、各開口部４１Ｃは、アレイ領域Ａｒ１に対して十分小さい面積であり、例えば所定値以下の個数（例えば２〜３個）であれば、Ｘ方向又はＹ方向に貫通孔４１Ｃ２が隣り合う構成であってもよい。
第三実施形態において、１つの部分アレイ領域Ａｒ２に属する超音波素子５１を１ｃｈとして駆動させる例を示したが、Ｙ方向に沿って奇数番目の部分アレイ領域Ａｒ２を超音波の送信用アレイとし、偶数番目の部分アレイ領域Ａｒ２を超音波の受信用アレイとしてもよい。
上記各実施形態において、超音波の送受信を行うことで生体内の内部断層構造を測定する超音波装置を例示したが、これに限定されない。
例えば、超音波装置として、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、超音波デバイス２２を備えた超音波測定装置１を例示したが、その他の電子機器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、洗浄対象を超音波洗浄する超音波洗浄機等に用いることができる。
図１５は、超音波洗浄機の概略構成を示す図である。
図１５に示す超音波洗浄機８は、洗浄槽８１と、洗浄槽８１の例えば底面に設置された超音波モジュール８２と、を備える。
超音波モジュール８２は、上記実施形態と同様の超音波デバイス２２と、超音波デバイス２２を制御する配線基板８３とを備えている。
このような超音波洗浄機８でも、上記同様の作用効果を得られ、素子基板４１の平面サイズを小型化でき、かつ、配線基板８３に対して超音波デバイス２２をフェースダウン実装にて容易に実装することができる。このため、超音波洗浄機８の小型化を図れる。
また、電子機器として、上記各実施形態や図１５として、超音波モジュールを備えた電子機器を例示したが、超音波の送受信用の圧電モジュールに限定されない。
例えば、本発明の圧電モジュールを圧力センサー等に適用させることができる。この場合、圧力媒体（例えば気体や液体）により変位する振動部４１２Ｂの変位量を、圧電膜４１５に発生した起電力を検出することで測定し、振動部４１２Ｂの変位量から圧力媒体の圧力を測定する。
例えば、超音波装置として、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、超音波デバイス２２を備えた超音波測定装置１を例示したが、その他の電子機器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、洗浄対象を超音波洗浄する超音波洗浄機等に用いることができる。
図１５は、超音波洗浄機の概略構成を示す図である。
図１５に示す超音波洗浄機８は、洗浄槽８１と、洗浄槽８１の例えば底面に設置された超音波モジュール８２と、を備える。
超音波モジュール８２は、上記実施形態と同様の超音波デバイス２２と、超音波デバイス２２を制御する配線基板８３とを備えている。
このような超音波洗浄機８でも、上記同様の作用効果を得られ、素子基板４１の平面サイズを小型化でき、かつ、配線基板８３に対して超音波デバイス２２をフェースダウン実装にて容易に実装することができる。このため、超音波洗浄機８の小型化を図れる。
また、電子機器として、上記各実施形態や図１５として、超音波モジュールを備えた電子機器を例示したが、超音波の送受信用の圧電モジュールに限定されない。
例えば、本発明の圧電モジュールを圧力センサー等に適用させることができる。この場合、圧力媒体（例えば気体や液体）により変位する振動部４１２Ｂの変位量を、圧電膜４１５に発生した起電力を検出することで測定し、振動部４１２Ｂの変位量から圧力媒体の圧力を測定する。
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。
１…超音波測定装置（超音波装置）、８…超音波洗浄機（超音波装置）、２２…超音波デバイス、２３…配線基板、２４…超音波センサー、４１…素子基板、４１Ａ…背面（第二面）、４１Ｂ…作動面（第一面）、４１Ｃ…開口部、４１Ｃ１…凹溝、４１Ｃ２…貫通孔、４１Ｄ…貫通電極、４２…封止板（背面基板）、５０…超音波素子アレイ、５１…超音波素子、５１Ａ…超音波素子群、８２…超音波モジュール、８３…配線基板、２３１…端子部、２３２…共通電位回路、２３３…選択回路、２３４…送信回路、２３５…受信回路、４１１…基板本体部、４１１Ａ…孔部、４１２…振動膜、４１２Ａ…孔部、４１２Ｂ…振動部、４１３…圧電素子、４１４…下部電極、４１４Ａ…下部電極本体、４１４Ｂ…下部電極線、４１４Ｃ…電極導通部、４１５…圧電膜、４１６…上部電極、４２１…貫通孔部、Ａｒ１…アレイ領域、Ａｒ２…部分アレイ領域、Ｄ１…対角線、Ｄ２…対角線、Ｄ３…対角線、Ｌ…仮想線、Ｏ…アレイ中心。
Claims (11)
- 第一面、及び前記第一面とは反対側の第二面を有し、所定のアレイ領域内において前記第二面側が開口する複数の開口部がアレイ状に配置された素子基板と、
前記素子基板の前記第一面側に設けられた複数の圧電素子と、を備え、
前記複数の開口部のうちのいずれかは前記素子基板を基板厚み方向に貫通する貫通孔であり、その他の開口部は凹溝であり、
前記圧電素子は、前記凹溝の溝底面における前記第一面側に設けられ、
前記貫通孔には、前記素子基板の前記第一面から前記第二面までを貫通し、前記第一面側において前記圧電素子に電気的に接続される貫通電極が設けられている
ことを特徴とする圧電素子基板。 - 請求項１に記載の圧電素子基板において、
前記貫通孔は、前記アレイ領域の中心に対して点対称となる位置に設けられている
ことを特徴とする圧電素子基板。 - 請求項１又は請求項２に記載の圧電素子基板において、
前記貫通孔に隣り合う前記開口部は、前記凹溝である
ことを特徴とする圧電素子基板。 - 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の圧電素子基板において、
前記圧電素子は、前記凹溝の溝底面側から第一電極層、圧電膜、及び第二電極層を積層した積層体により構成され、
前記貫通電極は、前記第一電極層に接続されている
ことを特徴とする圧電素子基板。 - 請求項４に記載の圧電素子基板において、
前記開口部は、第一方向、及び前記第一方向に対して交差する第二方向に沿ってアレイ状に配置され、
前記第一方向に沿って配置された前記圧電素子により１つの圧電素子群が構成され、前記アレイ領域には、前記第二方向に沿って複数の前記圧電素子群が配置され、同一の圧電素子群に属する前記圧電素子の前記第一電極層は、電気的に互いに接続されており、
前記第一方向に沿って配置された複数の前記開口部のうちの少なくともいずれか１つは前記貫通孔である
ことを特徴とする圧電素子基板。 - 請求項５に記載の圧電素子基板において、
前記貫通孔は、前記第一方向に沿う２辺及び前記第二方向に沿う２辺に囲われた矩形状の前記アレイ領域の２本の対角線における少なくとも一方に沿って設けられている
ことを特徴とする圧電素子基板。 - 請求項５又は請求項６に記載の圧電素子基板において、
前記貫通孔は、前記第一方向に沿う前記圧電素子群の中心を通り、前記第二方向に沿った仮想線に対して線対称となる位置にそれぞれ設けられている
ことを特徴とする圧電素子基板。 - 請求項１に記載の圧電素子基板において、
前記開口部は、第一方向、及び前記第一方向に対して交差する第二方向に沿ってアレイ状に配置され、
前記アレイ領域は、複数の部分アレイ領域を含み、各部分アレイ領域には、前記第一方向に沿うｎ個、第二方向に沿うｍ個により構成されるｎ×ｍ個の前記開口部がアレイ状に配置され、
各部分アレイ領域内において、前記貫通孔は、当該部分アレイ領域の中心に対して点対称となる位置に設けられている
ことを特徴とする圧電素子基板。 - 第一面、及び前記第一面とは反対側の第二面を有し、所定のアレイ領域内において前記第二面側が開口する複数の開口部がアレイ状に配置された素子基板と、前記素子基板の前記第一面側に設けられた複数の圧電素子と、を有する圧電素子基板と、
前記素子基板の前記第二面に接合される背面基板と、
配線基板と、を備え、
前記複数の開口部のうちのいずれかは前記素子基板を基板厚み方向に貫通する貫通孔であり、その他の開口部は凹溝であり、
前記圧電素子は、前記凹溝の溝底面における前記第一面側に設けられ、
前記貫通孔には、前記素子基板の前記第一面から前記第二面までを貫通し、前記第一面側において前記圧電素子に電気的に接続される貫通電極が設けられ、
前記背面基板は、前記貫通電極と電気的に接続され、基板厚み方向を貫通する第二貫通電極を有し、
前記配線基板は、前記第二貫通電極のそれぞれに対応する位置に設けられ、当該第二貫通電極と電気的に接続される端子部を備えた
ことを特徴とする圧電モジュール。 - 第一面、及び前記第一面とは反対側の第二面を有し、所定のアレイ領域内において前記第二面側が開口する複数の開口部がアレイ状に配置された素子基板と、前記素子基板の前記第一面側に設けられた複数の圧電素子と、を有する圧電素子基板と、
前記素子基板の前記第二面に接合される背面基板と、
配線基板と、を備え、
前記複数の開口部のうちのいずれかは前記素子基板を基板厚み方向に貫通する貫通孔であり、その他の開口部は凹溝であり、
前記圧電素子は、前記凹溝の溝底面における前記第一面側に設けられ、
前記貫通孔には、前記素子基板の前記第一面から前記第二面までを貫通し、前記第一面側において前記圧電素子に電気的に接続される貫通電極が設けられ、
前記背面基板は、前記貫通電極と電気的に接続され、基板厚み方向を貫通する第二貫通電極を有し、
前記配線基板は、前記第二貫通電極のそれぞれに対応する位置に設けられ、当該第二貫通電極と電気的に接続される端子部と、前記端子部と電気的に接続され、前記圧電素子に対して駆動信号を出力して超音波を出力させる超音波送信処理、及び前記圧電素子から入力された検出信号に基づいて超音波を検出する超音波受信処理の少なくともいずれか一方の処理を行う駆動回路と、を備えた
ことを特徴とする超音波モジュール。 - 第一面、及び前記第一面とは反対側の第二面を有し、所定のアレイ領域内において前記第二面側が開口する複数の開口部がアレイ状に配置された素子基板と、前記素子基板の前記第一面側に設けられた複数の圧電素子と、を有する圧電素子基板と、
前記素子基板の前記第二面に接合される背面基板と、
配線基板と、
制御部と、を備え、
前記複数の開口部のうちのいずれかは前記素子基板を基板厚み方向に貫通する貫通孔であり、その他の開口部は凹溝であり、
前記圧電素子は、前記凹溝の溝底面における前記第一面側に設けられ、
前記貫通孔には、前記素子基板の前記第一面から前記第二面までを貫通し、前記第一面側において前記圧電素子に電気的に接続される貫通電極が設けられ、
前記背面基板は、前記貫通電極と電気的に接続され、基板厚み方向を貫通する第二貫通電極を有し、
前記配線基板は、前記第二貫通電極のそれぞれに対応する位置に設けられ、当該第二貫通電極と電気的に接続される端子部と、前記端子部と電気的に接続され、前記圧電素子に対して駆動信号を出力して超音波を出力させる超音波送信処理、及び前記圧電素子から入力された検出信号に基づいて超音波を検出する超音波受信処理の少なくともいずれか一方の処理を行う駆動回路と、を備え、
前記制御部は、前記駆動回路及び前記複数の圧電素子を用いた前記超音波送信処理及び前記超音波受信処理の少なくともいずれか一方の処理を制御する
ことを特徴とする超音波装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2015190936A JP2017069662A (ja) | 2015-09-29 | 2015-09-29 | 圧電素子基板、圧電モジュール、超音波モジュール、及び超音波装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2015190936A JP2017069662A (ja) | 2015-09-29 | 2015-09-29 | 圧電素子基板、圧電モジュール、超音波モジュール、及び超音波装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2017069662A true JP2017069662A (ja) | 2017-04-06 |
Family
ID=58492997
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2015190936A Pending JP2017069662A (ja) | 2015-09-29 | 2015-09-29 | 圧電素子基板、圧電モジュール、超音波モジュール、及び超音波装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2017069662A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110658956A (zh) * | 2019-10-10 | 2020-01-07 | 业成科技（成都）有限公司 | 超声波触控装置及其制作方法 |
| CN113219469A (zh) * | 2020-01-21 | 2021-08-06 | 精工爱普生株式会社 | 超声波器件及超声波器件的制造方法 |
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2015
- 2015-09-29 JP JP2015190936A patent/JP2017069662A/ja active Pending
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| CN110658956B (zh) * | 2019-10-10 | 2022-06-21 | 业成科技（成都）有限公司 | 超声波触控装置及其制作方法 |
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