超音波振動子ユニット、及び超音波プローブ
【課題】機械的強度、長時間の動作での信頼性、及び送受信感度が既存のＣＭＵＴデバイスに比べて高く、周波数帯域が広いＣＭＵＴ型超音波振動子ユニットの提供を目的とする。
【解決手段】超音波振動子１０は、凹部２２を有する基板２０と、基板２０に対して装着された振動膜３０と、基板２０及び振動膜３０の間に形成されたキャビティ４０とを有する。キャビティ４０の内部には、凹部２０の底面２２ａ側から振動膜３０側に隆起した柱状部２６が形成されている。超音波振動子１０においては、柱状部２６によって振動膜３０のばね定数が増加され、送受信感度が向上される。また、振動膜の変位量が少なくなるため、上下電極間の距離を狭めることができ、送受信感度が高くなる。更に、デバイス共振周波数の一次及び二次モードが近いため、送受信の周波数帯域が広くなる。
【解決手段】超音波振動子１０は、凹部２２を有する基板２０と、基板２０に対して装着された振動膜３０と、基板２０及び振動膜３０の間に形成されたキャビティ４０とを有する。キャビティ４０の内部には、凹部２０の底面２２ａ側から振動膜３０側に隆起した柱状部２６が形成されている。超音波振動子１０においては、柱状部２６によって振動膜３０のばね定数が増加され、送受信感度が向上される。また、振動膜の変位量が少なくなるため、上下電極間の距離を狭めることができ、送受信感度が高くなる。更に、デバイス共振周波数の一次及び二次モードが近いため、送受信の周波数帯域が広くなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動子ユニット及び、超音波振動子を用いた超音波プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、図４に示すような構造のＣＭＵＴ（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer）型超音波振動子ユニットが提供されている。従来のＣＭＵＴ型超音波振動子ユニットは、超音波を送受する振動膜２００と、基板２０４の一面に設けられ、基板２０４と対向するように振動膜２００を支持する振動膜支持部２０１とを備えている。さらに、振動膜２００に形成された膜側電極２０２と、基板２０４に形成された基板側電極２０３とが対向配置されている。
【０００３】
このような構成のＣＭＵＴ型超音波振動子ユニットは、受信した超音波（音圧）によって振動膜２００及び膜側電極２０２が振動し、この際に起きる膜側電極２０２及び基板側電極２０３の間の静電容量変化に基づき、受信した超音波に係る電気信号を取得することができる。また、このＣＭＵＴ型超音波振動子ユニットは、膜側電極２０２及び基板側電極２０３の間にＤＣ及びＡＣ電圧を印加することによって振動膜２００を振動させることにより、超音波を送信することができる。
【０００４】
また近年、送受信感度を更に向上させるべく、下記特許文献１〜４に開示されているような構造のＣＭＵＴ型超音波振動子ユニットが提供されている。特許文献１に開示されている超音波振動子ユニットでは、基板と振動膜との間に形成されるキャビティの略中央部に支柱を設けると共に、支柱に対して被さるように振動膜とは異なる膜（以下、「下層膜」とも称す）を装着した構造とされている。このような構造とした場合、振動膜が振動すると下層膜に対して振動膜が衝突し、衝突による反発力が振動膜に作用する。そのため、下記特許文献１の超音波振動子ユニットにおいては、前述した反発力の分だけ振動膜の振動が増幅され、送受信感度が向上する。
【０００５】
また、同様の知見に基づき、下記特許文献２の超音波振動子ユニットでは、振動膜に対して保持部材を装着することにより振動膜を基板側に撓ませた状態を維持可能とした構造とされている。このような構造とすることにより、振動膜が振動した際に、振動膜が基板に対して衝突し、衝突による反発力が振動膜に作用する。そのため、下記特許文献２の超音波振動子ユニットにおいても、上述した特許文献１の構造を採用した場合と同様に、前述した反発力の分だけ振動膜の振動を増幅し、送受信感度を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ＷＯ２００９／０７７９６１号公報
【特許文献２】ＷＯ２０１０／０９７７２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来技術のＣＭＵＴ型超音波振動子ユニットは優れた周波数特性を有し、設計及び作製の自由度が高い。しかしながら、従来技術のＣＭＵＴ型超音波振動子ユニットは、長時間の使用ではメンブレンの破壊や損傷、電気・機械的特性低下などが発生しやすい。また、受信感度は比較的良いが、送信感度に制限があり、全体送受信感度が既存の圧電セラミックス方式に比べて低い。
【０００８】
具体的には、上述した特許文献１及び特許文献２に開示されている超音波振動子ユニットは、使用に伴って振動膜、下層膜等が破損してしまう可能性がある。具体的には、特許文献１に開示されている超音波振動子ユニットにおいては、キャビティの略中央部に設けられた支柱によって下層膜が支持されており、支柱が存在しない部分においては空洞（真空）状態とされている。そのため、振動膜に対して下層膜が衝突すると、衝突に伴う応力が下層膜の局所に集中する傾向にある。また、下層膜は、数μｍ程度の薄膜によって構成されている。従って、特許文献１の構成においては、振動膜の衝突に伴う衝撃によって下層膜等が破損し、故障してしまう可能性がある。更に、特許文献１に開示されている超音波振動子ユニットは、構造が複雑であり、製造が困難である。
【０００９】
また、下記特許文献２に開示されている超音波振動子ユニットにおいては、振動膜に装着されている保持部材によって振動膜が強制的に湾曲させられており、振動膜に対して常時応力が作用している。また、振動膜は、数μｍ程度の薄膜によって構成されており、振動に伴い基板に衝突することにより更に反発力を受けることになる。そのため、下記特許文献２に開示されている超音波振動子ユニットにおいては、振動膜の破損に伴う故障が発生しやすい傾向にある。また、特許文献２に開示されている超音波振動子ユニットは、保持部材を設ける等したものであるため、その分だけ構造が複雑であり、製造が困難である。
【００１０】
このように、従来技術のＣＭＵＴ型超音波振動子ユニットにおいては、長時間動作での信頼性、及び送受信感度の点に課題があり、製品化まで進んでいないのが現状である。これらの課題を解決するためには、機械的強度に加えて、電気・機械的変換効率が高く、送受信感度が高いデバイス構造及びその作製プロセスが要求される。
【００１１】
そこで、本発明者は、上述した振動膜を下層膜等に衝突させることにより振動膜の振動及び送受信感度を増幅させるのではなく、他の技術的思想により振動膜の振動及び送受信感度を増幅させるべく更に検討を重ねた。その結果、超音波振動子ユニットの構造を、振動膜が一次モードで振動する周波数帯域と、二次モードで振動する周波数帯域の差を抑制することが可能な構造とすることにより、使用可能な周波数帯域を拡張することができるとの知見に至った。
【００１２】
また、本発明者らが鋭意検討した結果、一次モードで振動膜が振動する周波数帯域と、二次モードにより振動膜が振動する周波数帯域とを近接させるためには、振動膜と基板との間に形成されたキャビティに柱状部を設け、この柱状部を振動膜の中途において接触させることが有効であることを見いだした。更に、超音波振動子ユニットをかかる構造とすることにより、超音波プローブの解像度、及び空間分解能を向上させることができるとの知見に至った。また、このような構成とすることにより、十分な機械的強度も得られるとの知見に至った。
【００１３】
かかる知見に基づき、本発明は、振動膜が一次モードで振動する周波数帯域と、二次モードで振動する周波数帯域の差を最小限に抑制することが可能な構造を有し、超音波の送受信を実施可能な周波数帯域が広い超音波振動子ユニット、及びこのような構造の超音波振動子ユニットを備えた超音波プローブの提供を目的とした。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述した課題を解決すべく提供される本発明の超音波振動子ユニットは、凹部を有する基板と、前記基板に対して装着された周辺部、及び前記周辺部間に形成され基板に対して近接・離反する方向に振動可能な中間部を有し、可撓性を備えた振動膜と、前記基板の前記凹部及び前記振動膜によって形成されたキャビティと、前記振動膜側に設けられた第一電極と、前記第一電極に対向する位置に設けられた第二電極とを有する。本発明の超音波振動子ユニットにおいては、前記キャビティ内に、前記凹部の底面側から前記振動膜側に向けて突出した柱状部が設けられており、前記振動膜及び前記柱状部が、前記中間部において面接触している。
【００１５】
かかる構成とした場合は、柱状部を設けないときに比べて振動膜が一次モードで振動する周波数帯域と、二次モードで振動する周波数帯域を近接させ、両周波数帯域の差を抑制することができる。これにより、超音波の送受信のために使用できる周波数帯域を拡張することができる。
【００１６】
また、柱状部を振動膜に対して面接触させた場合は、面接触部分に相当する面積の分だけ振動膜において振動に供する部分の面積が小さくなる。これにより、振動膜が振動することにより発生する弾性力が大きくなる。従って、上述した構成によれば、周波数帯域の拡張だけでなく、送受信感度についても向上させることが可能となる。
【００１７】
また、本発明の超音波振動子ユニットは、振動膜と柱状部とを接触させることにより一次モード及び二次モードで振動する周波数帯域を近づけたものであり、従来技術のように振動膜を基板等に衝突させる構造を採用したものではない。従って、本発明の超音波振動子ユニットは、基板等との衝突により振動膜が破損等する不具合が発生しない。
【００１８】
また、本発明の超音波振動子ユニットは、キャビティの内部に設けた柱状部を振動膜に面接触させたものであり、構造が極めてシンプルである。従って、本発明の超音波振動子ユニットは、容易に製造することができる。
【００１９】
ここで、上述したような柱状部を設けた場合は、振動膜において柱状部と面接触している部位、及び周辺部との間の領域において振動膜が振動することになる。従って、本発明の超音波振動子ユニットは、前記振動膜において前記柱状部と面接触している部位、及び前記周辺部の間の領域に、第一電極が設けられたものであることが望ましい。
【００２０】
かかる構成によれば、振動膜の振動に伴う容量変化を的確に検知することが可能となり、超音波の受信能力を十分確保することが可能となる。また、かかる構成によれば、第一電極及び第二電極間に電圧を印加することにより、振動膜が的確に振動することになり、超音波の送信能力を十分確保することが可能となる。従って、本発明の構成とすることにより、送受信性能に優れた超音波振動子ユニットを提供することができる。
【００２１】
また、本発明の超音波振動子ユニットは、前記振動膜が、前記柱状部に対して接着されているものであることが好ましい。
【００２２】
本発明の超音波振動子ユニットは、前記柱状部において前記振動膜と接触している部位が平面状であることが望ましい。
【００２３】
かかる構成とすることにより、柱状部と振動膜とを確実に面接触させることが可能となる。これにより、振動膜が一次モードで振動する周波数帯域と、二次モードで振動する周波数帯域を近接させ、周波数帯域を拡張することができる。また、上述した構成とすることにより、振動膜において振動に供する部分の面積を容易かつ的確に最適な大きさとすることができる。これにより、振動膜が振動することにより発生する弾性力を増幅させ、送受信感度を向上させることが可能となる。
【００２４】
本発明の超音波振動子ユニットは、前記柱状部が、前記凹部を形成する外縁部と同一の高さまで突出していることが好ましい。
【００２５】
本発明の超音波プローブは、上述した本発明の超音波振動子ユニットを備えており、前記超音波振動子ユニットにより超音波を送受信可能であることを特徴とするものである。
【００２６】
本発明の超音波プローブは、上述したように超音波の送受信を実施可能な周波数帯域が広く、送受信感度が高い超音波振動子ユニットを備えたものである。そのため、本発明の超音波プローブは、解像度及び空間分解能が高く、生体の表面状態だけでなく、深度が深い部位の状態まで検知することが可能となる。また、本発明の超音波プローブは、超音波振動子ユニットの構造がシンプルであるため、容易に製造することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、振動膜が一次モードで振動する周波数帯域と、二次モードで振動する周波数帯域の差を最小限に抑制するが可能な構造を有し、超音波の送受信を実施可能な周波数帯域が広い超音波振動子ユニット、及びこのような構造の超音波振動子ユニットを備えた超音波プローブを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態に係る超音波振動子ユニットを示す平面図である。
【図２】（ａ）は図１に示す超音波振動子ユニットを構成する超音波振動子の構造を示す断面図、（ｂ）は（ａ）の平面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る超音波プローブを示す斜視図である。
【図４】従来技術の超音波振動子ユニットを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明の一実施形態に係る超音波振動子ユニットＵについて、図面を参照しつつ詳細に説明する。超音波振動子ユニットＵは、いわゆる容量型マイクロマシンド超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）であり、図１に示すように超音波振動子１０を多数、同一平面上にパターン状に形成したものである。超音波振動子ユニットＵは、各超音波振動子１０において電気的エネルギー、及び振動による機械的エネルギーを相互変換させることが可能である。すなわち、各超音波振動子１０に対して電気的エネルギーを付与することにより、振動による機械的エネルギーを発生させることができる。また、各超音波振動子１０に対して振動による機械的エネルギーを付与することにより、電気的エネルギーを発生させることができる。
【００３０】
超音波振動子１０は、いわゆる超小型電気機械的デバイス（ＭＥＭＳ）であり、基板２０、振動膜３０、及びキャビティ４０を備えている。また、超音波振動子１０は、キャビティ４０内に柱状部２６を有する。超音波振動子１０は、基板２０側及び振動膜３０側のそれぞれに、基板側電極２８（第二電極）及び膜側電極３６（第一電極）を有し、両電極間を繋ぐ回路１２に、直流電源１４、交流電源１６、受信装置１８を接続した構成とされている。
【００３１】
超音波振動子１０の各部の構成についてさらに詳細に説明すると、基板２０は、１μｍ〜１００００μｍ程度の厚みを有しており、シリコンウエェハー、ガラス、石英等の電気絶縁性を有する素材によって形成されている。本実施形態では、１００００Ω・ｃｍ以上の高抵抗率を有するシリコンウェハーが基板２０に用いられている。図２等に示すように、基板２０は、凹部２２、外縁部２４、及び柱状部２６を有する。凹部２２は、基板２０の一面側にパターニングを行うことにより形成されたものである。凹部２２は、振動膜３０との間にキャビティ４０を形成するために設けられたものであり、略円形の開口形状を有する。凹部２２の底面２２ａは、外縁部２４を基準として０．１μｍ〜５．０μｍ程度の深さを有する。
【００３２】
柱状部２６は、凹部２２の底面２２ａに対して略垂直であり、外観形状が円柱状となるように形成されている。柱状部２６は、凹部２２の略中央部に存在している。また、柱状部２６は、基板２０の一部をなすものであり、中実とされている。そのため、柱状部２６は、頂部２６ａ及び中腹部２６ｃにおいて外力が作用したときに変形等しない。また、柱状部２６の高さは凹部２２の深さと略同一であり、頂部２６ａが外縁部２４の表面と同一の高さとなるように形成されている。柱状部２６の頂部２６ａは、略円形の平面とされており、後に詳述するように振動膜３０と面接触している。
【００３３】
柱状部２６の頂部２６ａの大きさについては、一次モード及び二次モードの共振周波数、及び周波数帯域を考慮して適宜調整することができる。具体的には、振動膜３０をＳｉ単結晶により１．０μｍの厚みに形成し、膜側電極３６をＡｕにより０．１μｍの厚みに形成した場合において、柱状部２６の頂部２６ａの直径を２μｍ、凹部２２の直径を３５μｍとした場合について有限要素法によるシミュレーションを行うと、一次モード及び二次モードの共振周波数はそれぞれ約２４．１ＭＨｚ及び２４．８ＭＨｚとなる。一方、振動膜３０及び膜側電極３６を同一条件で形成した場合において、柱状部２６の頂部２６ａの直径を１０μｍ、凹部２２の直径を３５μｍとした場合は、一次モード及び二次モードの共振周波数はそれぞれ約４０．９ＭＨｚ及び４２．２ＭＨｚとなる。このように、凹部２２の直径に対する柱状部２６直径の比率を増加させることにより、一次モード及び二次モードの共振周波数が共に増加し、両振動モードの共振周波数の差が広がる。従って、上述した構成によれば、超音波の送受信のために使用できる周波数帯域を拡張することができる。
【００３４】
凹部２２の底面２２ａには、基板側電極２８（第二電極）が設けられている。基板側電極２８は、中央部２６と凹部２２を構成する周面（外縁部２４）との間の領域に設けられている。基板側電極２８は、柱状部２６と同心円を描くように形成されたリング状の形状を有する。また、基板側電極２８は、Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｐｔ等の導電性に優れたものによって構成されている。図２（ａ）に示すように、基板側電極２８は、直流電源１４及び交流電源１６に接続されている。
【００３５】
基板側電極２８は、従来公知の様々な手法によって形成することができる。具体的には、基板側電極２８は、従来公知のイオン注入法により形成することが可能である。本実施形態においては、基板２０が高純度の高抵抗シリコンウェハーにより形成され、基板側電極２８は、前者のイオン注入法による手法により形成される。
【００３６】
振動膜３０は、上述した基板２０の上方に蒸着により積層された膜状体である。振動膜３０は、０．１μｍ〜１００μｍ程度の厚みを有し、可撓性を有する薄膜によって構成されている。振動膜３０は、Ｓｉ，ＳｉＮ等の他、電気絶縁性を有する樹脂膜等の素材によって形成することができる。振動膜３０は、周辺部３２及び中間部３４を有する。振動膜３０は、周辺部３２が基板２０の外縁部２４に対して固定され、中間部３４において基板２０に対して近接・離反する方向に振動可能とされている。
【００３７】
振動膜３０は、中間部３４において上述した柱状部２６の頂部２６ａに対して接着により固定されている。言い換えれば、振動膜３０は、中間部３４の略中央において柱状部２６によって支持されている。そのため、振動膜３０は、主として基板２０の外縁部２４に対して固定された部位（周辺部３２）から柱状部２６と固定されている部位（以下、「面固定部３８」とも称す）までの領域（図２（ｂ）においてハッチングを付した領域：以下、「振動領域３９」とも称す）において振動することができ、面固定部３８においては殆ど振動が発生しない。
【００３８】
振動膜３０には、膜側電極３６が設けられている。図２（ｂ）に示すように、膜側電極３６は、基板側電極２８と同様に環状の外観形状を有しており、面固定部３８を取り囲むように設けられている。膜側電極３６は、凹部２２の底面２２ａに形成されている基板側電極２８に対向するように配置されている。膜側電極３６は、基板側電極２８と同様に直流電源１４及び交流電源１６に対して接続されている。
【００３９】
振動膜３０及び膜側電極３６は、従来公知の蒸着等の手法により上述した基板２０上に形成される。具体的には、ＳＯＩ（Ｓｉｌｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェハを基板２０上に蒸着することにより固定させ、その後ＳＯＩウェハの表面をＴＭＡＨ、ＫＯＨ、ＨＦ等を用いてウェットエッチングを施すことによりシリコン層だけを残す。これにより、振動膜３０が形成される。膜側電極３６は、振動膜３０の上面側に、膜側電極３６となる蒸着物を蒸着することにより形成される。
【００４０】
また、振動膜３０及び膜側電極３６を形成する場合は、上述した方法以外に他の方法を採用することができる。具体的には、基板２０に対して凹部２２及び柱状部２６、基板側電極２８を形成した後、エッチング層を全面蒸着してＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）を施すことにより表面を平坦化し、その上に振動膜３０を蒸着する。その後、振動膜３０に穴を開け、エッチング溶液でエッチング層に対するｗｅｔ ｅｔｃｈｉｎｇを行い、キャビティ４０を形成する。振動膜３０に設けられた穴は埋め込み層を蒸着することにより埋められる。その後の作製プロセスは上述したプロセスと同一である。
【００４１】
キャビティ４０は、基板２０に対して振動膜３０を蒸着等により積層することにより、凹部２２に相当する位置において基板２０と振動膜３０との間に形成される。キャビティ４０は、内部が略真空状態とされている。
【００４２】
続いて、超音波振動子ユニットＵ及び超音波振動子１０の動作について説明する。超音波振動子ユニットＵは、超音波振動子１０に対して電圧を印加することにより超音波を発信する動作（発信動作）、及び超音波を受信し電気信号を出力する動作（受信動作）の双方を実施させることができる。
【００４３】
超音波振動子ユニットＵに発信動作を行わせる場合は、先ず直流電源１４により超音波振動子１０の基板側電極２８及び膜側電極３６の間に直流電圧を印加した状態とする。その後、交流電源１６により基板側電極２８及び膜側電極３６の間に交流電圧を印加すると、両電極間に静電気力が発生し、振動膜３０が基板２０に対して近接及び離反するように振動する。この際、振動膜３０のうち、周辺部３２と面固定部３８との間に存在する振動領域３９が主として振動する。このようにして振動膜３０が振動すると、超音波振動子１０から超音波が発信される。
【００４４】
また、超音波振動子ユニットＵが受信動作を行う場合は、直流電源１４により超音波振動子１０の基板側電極２８及び膜側電極３６の間に直流電圧を印加した状態とする。この状態において超音波が振動膜３０に対して衝突すると、振動膜３０が基板２０に対して近接及び離反する方向に振動する。またこの際、送信動作のときと同様に、振動膜３０のうち振動領域３９が主として振動する。振動膜３０が振動すると、超音波振動子１０において容量変化が生じ、基板側電極２８及び膜側電極３６の間に交流電流による受信信号が発生する。
【００４５】
上述したように、本実施形態の超音波振動子ユニットＵにおいては、キャビティ４０内に、凹部２２の底面側から振動膜３０側に向けて突出した柱状部２６が設けられており、振動膜３０の中間部３４において柱状部２６が面固定されている。これにより、振動膜のばね定数が増加することになり、送受信感度が向上する。また、振動膜３０の変位量が少なくなるため、基板側電極２８及び膜側電極３６の距離を狭めることができ、送受信感度が高くなる。更に、振動膜３０が一次モードで振動する周波数帯域と、二次モードで振動する周波数帯域を近接させ、両周波数帯域の差を抑制することが可能であり、送受信の周波数帯域を拡張することができる。
【００４６】
また、超音波振動子１０は、柱状部２６の大きさ（直径又は面積）を変化させることにより、振動膜３０が一次モードで振動する周波数帯域と、二次モードで振動する周波数帯域との差を増減させることができる。具体的には、柱状部２６の大きさを大きくすることにより、各周波数モードの差を拡大することができる。従って、超音波振動子ユニットＵは、各超音波振動子１０における柱状部２６の大きさを調整することにより、超音波の送受信のために使用できる周波数帯域の幅を変化させることができる。
【００４７】
また、上述した超音波振動子１０においては、面固定部３８及び周辺部３２の間に形成された振動領域３９に膜側電極３６が設けられており、振動領域３９において振動が発生する構造とされている。このような構造とされているため、超音波振動子ユニットＵは、振動膜３０の振動に伴う容量変化を的確に検知することが可能であり、十分な受信能力を発揮することができる。また、振動領域３９に設けられた膜側電極３６に対向するように基板側電極２８が設けられているため、基板側電極２８及び膜側電極３６の間に電圧を印加することにより振動膜３０を的確に振動させることができる。従って、超音波振動子ユニットＵによれば、十分な送受信性能を得ることができる。
【００４８】
また、超音波振動子１０においては、柱状部２６を振動膜３０に対して面固定させることにより、振動膜３０において振動に供する部分（振動領域３９）の面積が面固定部３８に相当する面積の分だけ小さくなる。これにより、振動膜３０が振動することにより発生する弾性力が大きくなる。従って、超音波振動子１０によれば、十分な送受信感度を得ることができる。
【００４９】
また、本実施形態の超音波振動子１０では、主として振動領域３９において振動膜３０が振動し、面固定部３８においては振動領域３９ほど大きな振動は発生しない。そのため、柱状部２６と振動膜３０との衝突による衝撃はさほど大きくなく、振動膜３０が破損等する不具合が発生しない。
【００５０】
また、超音波振動ユニットＵは、基板２０に対して凹部２２を形成する際に柱状部２６を設けておき、その後基板２０上に振動膜３０を積層することにより超音波振動子１０を形成することができる。従って、超音波振動ユニットＵは、構造がシンプルであり製造が容易である。
【００５１】
上述した柱状部２６は、略円筒形の外観形状を有するものであるが、本発明はこれに限定されるものではなく、断面形状が楕円形や多角形、その他の形状の柱状体であってもよい。また、柱状部２６は、上下方向に断面積が変化することなく一定の柱体であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、頂部、基端部、あるいは中間部において断面積が変化した形状のものであってもよい。
【００５２】
上述した柱状部２６は、基板２０を形成する際に形成されたものであり、基板２０と一体化されたものであるが、本発明はこれに限定されるものではなく、基板２０とは別に柱状部２６に相当するものを形成し、これをキャビティ４０（凹部２０）内に配置したものであってもよい。
【実施例】
【００５３】
上述した超音波振動子ユニットＵの一実施例に係る超音波プローブ１００について説明する。超音波プローブ１００は、超音波検査装置に用いられるものであり、生体に対する超音波の送信、及び生体側から返ってくる超音波の受信を行うための送受信装置である。超音波プローブ１００は、図３に示すように上述した超音波振動子ユニットＵを内蔵している。また、超音波プローブ１００は、超音波振動子ユニットＵの他に音響レンズ（図示せず）等の部材を内蔵している。
【００５４】
本実施例の超音波プローブ１００は、上述した超音波振動子ユニットＵを備えたものであるため、使用可能な周波数帯域が広く、送受信感度の面においても優れている。従って、本実施形態の超音波プローブによれば、生体の表面状態だけでなく、深度が深い部位の状態まで検知することが可能となる。
【符号の説明】
【００５５】
１０ 超音波振動子
２０ 基板
２２ 凹部
２４ 外縁部
２６ 柱状部
２６ａ 頂部
２８ 基板側電極（第二電極）
３０ 振動膜
３２ 周辺部
３４ 中間部
３６ 膜側電極（第一電極）
３８ 面接触部
３９ 振動領域
４０ キャビティ
１００ 超音波プローブ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動子ユニット及び、超音波振動子を用いた超音波プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、図４に示すような構造のＣＭＵＴ（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer）型超音波振動子ユニットが提供されている。従来のＣＭＵＴ型超音波振動子ユニットは、超音波を送受する振動膜２００と、基板２０４の一面に設けられ、基板２０４と対向するように振動膜２００を支持する振動膜支持部２０１とを備えている。さらに、振動膜２００に形成された膜側電極２０２と、基板２０４に形成された基板側電極２０３とが対向配置されている。
【０００３】
このような構成のＣＭＵＴ型超音波振動子ユニットは、受信した超音波（音圧）によって振動膜２００及び膜側電極２０２が振動し、この際に起きる膜側電極２０２及び基板側電極２０３の間の静電容量変化に基づき、受信した超音波に係る電気信号を取得することができる。また、このＣＭＵＴ型超音波振動子ユニットは、膜側電極２０２及び基板側電極２０３の間にＤＣ及びＡＣ電圧を印加することによって振動膜２００を振動させることにより、超音波を送信することができる。
【０００４】
また近年、送受信感度を更に向上させるべく、下記特許文献１〜４に開示されているような構造のＣＭＵＴ型超音波振動子ユニットが提供されている。特許文献１に開示されている超音波振動子ユニットでは、基板と振動膜との間に形成されるキャビティの略中央部に支柱を設けると共に、支柱に対して被さるように振動膜とは異なる膜（以下、「下層膜」とも称す）を装着した構造とされている。このような構造とした場合、振動膜が振動すると下層膜に対して振動膜が衝突し、衝突による反発力が振動膜に作用する。そのため、下記特許文献１の超音波振動子ユニットにおいては、前述した反発力の分だけ振動膜の振動が増幅され、送受信感度が向上する。
【０００５】
また、同様の知見に基づき、下記特許文献２の超音波振動子ユニットでは、振動膜に対して保持部材を装着することにより振動膜を基板側に撓ませた状態を維持可能とした構造とされている。このような構造とすることにより、振動膜が振動した際に、振動膜が基板に対して衝突し、衝突による反発力が振動膜に作用する。そのため、下記特許文献２の超音波振動子ユニットにおいても、上述した特許文献１の構造を採用した場合と同様に、前述した反発力の分だけ振動膜の振動を増幅し、送受信感度を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ＷＯ２００９／０７７９６１号公報
【特許文献２】ＷＯ２０１０／０９７７２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来技術のＣＭＵＴ型超音波振動子ユニットは優れた周波数特性を有し、設計及び作製の自由度が高い。しかしながら、従来技術のＣＭＵＴ型超音波振動子ユニットは、長時間の使用ではメンブレンの破壊や損傷、電気・機械的特性低下などが発生しやすい。また、受信感度は比較的良いが、送信感度に制限があり、全体送受信感度が既存の圧電セラミックス方式に比べて低い。
【０００８】
具体的には、上述した特許文献１及び特許文献２に開示されている超音波振動子ユニットは、使用に伴って振動膜、下層膜等が破損してしまう可能性がある。具体的には、特許文献１に開示されている超音波振動子ユニットにおいては、キャビティの略中央部に設けられた支柱によって下層膜が支持されており、支柱が存在しない部分においては空洞（真空）状態とされている。そのため、振動膜に対して下層膜が衝突すると、衝突に伴う応力が下層膜の局所に集中する傾向にある。また、下層膜は、数μｍ程度の薄膜によって構成されている。従って、特許文献１の構成においては、振動膜の衝突に伴う衝撃によって下層膜等が破損し、故障してしまう可能性がある。更に、特許文献１に開示されている超音波振動子ユニットは、構造が複雑であり、製造が困難である。
【０００９】
また、下記特許文献２に開示されている超音波振動子ユニットにおいては、振動膜に装着されている保持部材によって振動膜が強制的に湾曲させられており、振動膜に対して常時応力が作用している。また、振動膜は、数μｍ程度の薄膜によって構成されており、振動に伴い基板に衝突することにより更に反発力を受けることになる。そのため、下記特許文献２に開示されている超音波振動子ユニットにおいては、振動膜の破損に伴う故障が発生しやすい傾向にある。また、特許文献２に開示されている超音波振動子ユニットは、保持部材を設ける等したものであるため、その分だけ構造が複雑であり、製造が困難である。
【００１０】
このように、従来技術のＣＭＵＴ型超音波振動子ユニットにおいては、長時間動作での信頼性、及び送受信感度の点に課題があり、製品化まで進んでいないのが現状である。これらの課題を解決するためには、機械的強度に加えて、電気・機械的変換効率が高く、送受信感度が高いデバイス構造及びその作製プロセスが要求される。
【００１１】
そこで、本発明者は、上述した振動膜を下層膜等に衝突させることにより振動膜の振動及び送受信感度を増幅させるのではなく、他の技術的思想により振動膜の振動及び送受信感度を増幅させるべく更に検討を重ねた。その結果、超音波振動子ユニットの構造を、振動膜が一次モードで振動する周波数帯域と、二次モードで振動する周波数帯域の差を抑制することが可能な構造とすることにより、使用可能な周波数帯域を拡張することができるとの知見に至った。
【００１２】
また、本発明者らが鋭意検討した結果、一次モードで振動膜が振動する周波数帯域と、二次モードにより振動膜が振動する周波数帯域とを近接させるためには、振動膜と基板との間に形成されたキャビティに柱状部を設け、この柱状部を振動膜の中途において接触させることが有効であることを見いだした。更に、超音波振動子ユニットをかかる構造とすることにより、超音波プローブの解像度、及び空間分解能を向上させることができるとの知見に至った。また、このような構成とすることにより、十分な機械的強度も得られるとの知見に至った。
【００１３】
かかる知見に基づき、本発明は、振動膜が一次モードで振動する周波数帯域と、二次モードで振動する周波数帯域の差を最小限に抑制することが可能な構造を有し、超音波の送受信を実施可能な周波数帯域が広い超音波振動子ユニット、及びこのような構造の超音波振動子ユニットを備えた超音波プローブの提供を目的とした。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述した課題を解決すべく提供される本発明の超音波振動子ユニットは、凹部を有する基板と、前記基板に対して装着された周辺部、及び前記周辺部間に形成され基板に対して近接・離反する方向に振動可能な中間部を有し、可撓性を備えた振動膜と、前記基板の前記凹部及び前記振動膜によって形成されたキャビティと、前記振動膜側に設けられた第一電極と、前記第一電極に対向する位置に設けられた第二電極とを有する。本発明の超音波振動子ユニットにおいては、前記キャビティ内に、前記凹部の底面側から前記振動膜側に向けて突出した柱状部が設けられており、前記振動膜及び前記柱状部が、前記中間部において面接触している。
【００１５】
かかる構成とした場合は、柱状部を設けないときに比べて振動膜が一次モードで振動する周波数帯域と、二次モードで振動する周波数帯域を近接させ、両周波数帯域の差を抑制することができる。これにより、超音波の送受信のために使用できる周波数帯域を拡張することができる。
【００１６】
また、柱状部を振動膜に対して面接触させた場合は、面接触部分に相当する面積の分だけ振動膜において振動に供する部分の面積が小さくなる。これにより、振動膜が振動することにより発生する弾性力が大きくなる。従って、上述した構成によれば、周波数帯域の拡張だけでなく、送受信感度についても向上させることが可能となる。
【００１７】
また、本発明の超音波振動子ユニットは、振動膜と柱状部とを接触させることにより一次モード及び二次モードで振動する周波数帯域を近づけたものであり、従来技術のように振動膜を基板等に衝突させる構造を採用したものではない。従って、本発明の超音波振動子ユニットは、基板等との衝突により振動膜が破損等する不具合が発生しない。
【００１８】
また、本発明の超音波振動子ユニットは、キャビティの内部に設けた柱状部を振動膜に面接触させたものであり、構造が極めてシンプルである。従って、本発明の超音波振動子ユニットは、容易に製造することができる。
【００１９】
ここで、上述したような柱状部を設けた場合は、振動膜において柱状部と面接触している部位、及び周辺部との間の領域において振動膜が振動することになる。従って、本発明の超音波振動子ユニットは、前記振動膜において前記柱状部と面接触している部位、及び前記周辺部の間の領域に、第一電極が設けられたものであることが望ましい。
【００２０】
かかる構成によれば、振動膜の振動に伴う容量変化を的確に検知することが可能となり、超音波の受信能力を十分確保することが可能となる。また、かかる構成によれば、第一電極及び第二電極間に電圧を印加することにより、振動膜が的確に振動することになり、超音波の送信能力を十分確保することが可能となる。従って、本発明の構成とすることにより、送受信性能に優れた超音波振動子ユニットを提供することができる。
【００２１】
また、本発明の超音波振動子ユニットは、前記振動膜が、前記柱状部に対して接着されているものであることが好ましい。
【００２２】
本発明の超音波振動子ユニットは、前記柱状部において前記振動膜と接触している部位が平面状であることが望ましい。
【００２３】
かかる構成とすることにより、柱状部と振動膜とを確実に面接触させることが可能となる。これにより、振動膜が一次モードで振動する周波数帯域と、二次モードで振動する周波数帯域を近接させ、周波数帯域を拡張することができる。また、上述した構成とすることにより、振動膜において振動に供する部分の面積を容易かつ的確に最適な大きさとすることができる。これにより、振動膜が振動することにより発生する弾性力を増幅させ、送受信感度を向上させることが可能となる。
【００２４】
本発明の超音波振動子ユニットは、前記柱状部が、前記凹部を形成する外縁部と同一の高さまで突出していることが好ましい。
【００２５】
本発明の超音波プローブは、上述した本発明の超音波振動子ユニットを備えており、前記超音波振動子ユニットにより超音波を送受信可能であることを特徴とするものである。
【００２６】
本発明の超音波プローブは、上述したように超音波の送受信を実施可能な周波数帯域が広く、送受信感度が高い超音波振動子ユニットを備えたものである。そのため、本発明の超音波プローブは、解像度及び空間分解能が高く、生体の表面状態だけでなく、深度が深い部位の状態まで検知することが可能となる。また、本発明の超音波プローブは、超音波振動子ユニットの構造がシンプルであるため、容易に製造することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、振動膜が一次モードで振動する周波数帯域と、二次モードで振動する周波数帯域の差を最小限に抑制するが可能な構造を有し、超音波の送受信を実施可能な周波数帯域が広い超音波振動子ユニット、及びこのような構造の超音波振動子ユニットを備えた超音波プローブを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態に係る超音波振動子ユニットを示す平面図である。
【図２】（ａ）は図１に示す超音波振動子ユニットを構成する超音波振動子の構造を示す断面図、（ｂ）は（ａ）の平面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る超音波プローブを示す斜視図である。
【図４】従来技術の超音波振動子ユニットを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明の一実施形態に係る超音波振動子ユニットＵについて、図面を参照しつつ詳細に説明する。超音波振動子ユニットＵは、いわゆる容量型マイクロマシンド超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）であり、図１に示すように超音波振動子１０を多数、同一平面上にパターン状に形成したものである。超音波振動子ユニットＵは、各超音波振動子１０において電気的エネルギー、及び振動による機械的エネルギーを相互変換させることが可能である。すなわち、各超音波振動子１０に対して電気的エネルギーを付与することにより、振動による機械的エネルギーを発生させることができる。また、各超音波振動子１０に対して振動による機械的エネルギーを付与することにより、電気的エネルギーを発生させることができる。
【００３０】
超音波振動子１０は、いわゆる超小型電気機械的デバイス（ＭＥＭＳ）であり、基板２０、振動膜３０、及びキャビティ４０を備えている。また、超音波振動子１０は、キャビティ４０内に柱状部２６を有する。超音波振動子１０は、基板２０側及び振動膜３０側のそれぞれに、基板側電極２８（第二電極）及び膜側電極３６（第一電極）を有し、両電極間を繋ぐ回路１２に、直流電源１４、交流電源１６、受信装置１８を接続した構成とされている。
【００３１】
超音波振動子１０の各部の構成についてさらに詳細に説明すると、基板２０は、１μｍ〜１００００μｍ程度の厚みを有しており、シリコンウエェハー、ガラス、石英等の電気絶縁性を有する素材によって形成されている。本実施形態では、１００００Ω・ｃｍ以上の高抵抗率を有するシリコンウェハーが基板２０に用いられている。図２等に示すように、基板２０は、凹部２２、外縁部２４、及び柱状部２６を有する。凹部２２は、基板２０の一面側にパターニングを行うことにより形成されたものである。凹部２２は、振動膜３０との間にキャビティ４０を形成するために設けられたものであり、略円形の開口形状を有する。凹部２２の底面２２ａは、外縁部２４を基準として０．１μｍ〜５．０μｍ程度の深さを有する。
【００３２】
柱状部２６は、凹部２２の底面２２ａに対して略垂直であり、外観形状が円柱状となるように形成されている。柱状部２６は、凹部２２の略中央部に存在している。また、柱状部２６は、基板２０の一部をなすものであり、中実とされている。そのため、柱状部２６は、頂部２６ａ及び中腹部２６ｃにおいて外力が作用したときに変形等しない。また、柱状部２６の高さは凹部２２の深さと略同一であり、頂部２６ａが外縁部２４の表面と同一の高さとなるように形成されている。柱状部２６の頂部２６ａは、略円形の平面とされており、後に詳述するように振動膜３０と面接触している。
【００３３】
柱状部２６の頂部２６ａの大きさについては、一次モード及び二次モードの共振周波数、及び周波数帯域を考慮して適宜調整することができる。具体的には、振動膜３０をＳｉ単結晶により１．０μｍの厚みに形成し、膜側電極３６をＡｕにより０．１μｍの厚みに形成した場合において、柱状部２６の頂部２６ａの直径を２μｍ、凹部２２の直径を３５μｍとした場合について有限要素法によるシミュレーションを行うと、一次モード及び二次モードの共振周波数はそれぞれ約２４．１ＭＨｚ及び２４．８ＭＨｚとなる。一方、振動膜３０及び膜側電極３６を同一条件で形成した場合において、柱状部２６の頂部２６ａの直径を１０μｍ、凹部２２の直径を３５μｍとした場合は、一次モード及び二次モードの共振周波数はそれぞれ約４０．９ＭＨｚ及び４２．２ＭＨｚとなる。このように、凹部２２の直径に対する柱状部２６直径の比率を増加させることにより、一次モード及び二次モードの共振周波数が共に増加し、両振動モードの共振周波数の差が広がる。従って、上述した構成によれば、超音波の送受信のために使用できる周波数帯域を拡張することができる。
【００３４】
凹部２２の底面２２ａには、基板側電極２８（第二電極）が設けられている。基板側電極２８は、中央部２６と凹部２２を構成する周面（外縁部２４）との間の領域に設けられている。基板側電極２８は、柱状部２６と同心円を描くように形成されたリング状の形状を有する。また、基板側電極２８は、Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｐｔ等の導電性に優れたものによって構成されている。図２（ａ）に示すように、基板側電極２８は、直流電源１４及び交流電源１６に接続されている。
【００３５】
基板側電極２８は、従来公知の様々な手法によって形成することができる。具体的には、基板側電極２８は、従来公知のイオン注入法により形成することが可能である。本実施形態においては、基板２０が高純度の高抵抗シリコンウェハーにより形成され、基板側電極２８は、前者のイオン注入法による手法により形成される。
【００３６】
振動膜３０は、上述した基板２０の上方に蒸着により積層された膜状体である。振動膜３０は、０．１μｍ〜１００μｍ程度の厚みを有し、可撓性を有する薄膜によって構成されている。振動膜３０は、Ｓｉ，ＳｉＮ等の他、電気絶縁性を有する樹脂膜等の素材によって形成することができる。振動膜３０は、周辺部３２及び中間部３４を有する。振動膜３０は、周辺部３２が基板２０の外縁部２４に対して固定され、中間部３４において基板２０に対して近接・離反する方向に振動可能とされている。
【００３７】
振動膜３０は、中間部３４において上述した柱状部２６の頂部２６ａに対して接着により固定されている。言い換えれば、振動膜３０は、中間部３４の略中央において柱状部２６によって支持されている。そのため、振動膜３０は、主として基板２０の外縁部２４に対して固定された部位（周辺部３２）から柱状部２６と固定されている部位（以下、「面固定部３８」とも称す）までの領域（図２（ｂ）においてハッチングを付した領域：以下、「振動領域３９」とも称す）において振動することができ、面固定部３８においては殆ど振動が発生しない。
【００３８】
振動膜３０には、膜側電極３６が設けられている。図２（ｂ）に示すように、膜側電極３６は、基板側電極２８と同様に環状の外観形状を有しており、面固定部３８を取り囲むように設けられている。膜側電極３６は、凹部２２の底面２２ａに形成されている基板側電極２８に対向するように配置されている。膜側電極３６は、基板側電極２８と同様に直流電源１４及び交流電源１６に対して接続されている。
【００３９】
振動膜３０及び膜側電極３６は、従来公知の蒸着等の手法により上述した基板２０上に形成される。具体的には、ＳＯＩ（Ｓｉｌｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェハを基板２０上に蒸着することにより固定させ、その後ＳＯＩウェハの表面をＴＭＡＨ、ＫＯＨ、ＨＦ等を用いてウェットエッチングを施すことによりシリコン層だけを残す。これにより、振動膜３０が形成される。膜側電極３６は、振動膜３０の上面側に、膜側電極３６となる蒸着物を蒸着することにより形成される。
【００４０】
また、振動膜３０及び膜側電極３６を形成する場合は、上述した方法以外に他の方法を採用することができる。具体的には、基板２０に対して凹部２２及び柱状部２６、基板側電極２８を形成した後、エッチング層を全面蒸着してＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）を施すことにより表面を平坦化し、その上に振動膜３０を蒸着する。その後、振動膜３０に穴を開け、エッチング溶液でエッチング層に対するｗｅｔ ｅｔｃｈｉｎｇを行い、キャビティ４０を形成する。振動膜３０に設けられた穴は埋め込み層を蒸着することにより埋められる。その後の作製プロセスは上述したプロセスと同一である。
【００４１】
キャビティ４０は、基板２０に対して振動膜３０を蒸着等により積層することにより、凹部２２に相当する位置において基板２０と振動膜３０との間に形成される。キャビティ４０は、内部が略真空状態とされている。
【００４２】
続いて、超音波振動子ユニットＵ及び超音波振動子１０の動作について説明する。超音波振動子ユニットＵは、超音波振動子１０に対して電圧を印加することにより超音波を発信する動作（発信動作）、及び超音波を受信し電気信号を出力する動作（受信動作）の双方を実施させることができる。
【００４３】
超音波振動子ユニットＵに発信動作を行わせる場合は、先ず直流電源１４により超音波振動子１０の基板側電極２８及び膜側電極３６の間に直流電圧を印加した状態とする。その後、交流電源１６により基板側電極２８及び膜側電極３６の間に交流電圧を印加すると、両電極間に静電気力が発生し、振動膜３０が基板２０に対して近接及び離反するように振動する。この際、振動膜３０のうち、周辺部３２と面固定部３８との間に存在する振動領域３９が主として振動する。このようにして振動膜３０が振動すると、超音波振動子１０から超音波が発信される。
【００４４】
また、超音波振動子ユニットＵが受信動作を行う場合は、直流電源１４により超音波振動子１０の基板側電極２８及び膜側電極３６の間に直流電圧を印加した状態とする。この状態において超音波が振動膜３０に対して衝突すると、振動膜３０が基板２０に対して近接及び離反する方向に振動する。またこの際、送信動作のときと同様に、振動膜３０のうち振動領域３９が主として振動する。振動膜３０が振動すると、超音波振動子１０において容量変化が生じ、基板側電極２８及び膜側電極３６の間に交流電流による受信信号が発生する。
【００４５】
上述したように、本実施形態の超音波振動子ユニットＵにおいては、キャビティ４０内に、凹部２２の底面側から振動膜３０側に向けて突出した柱状部２６が設けられており、振動膜３０の中間部３４において柱状部２６が面固定されている。これにより、振動膜のばね定数が増加することになり、送受信感度が向上する。また、振動膜３０の変位量が少なくなるため、基板側電極２８及び膜側電極３６の距離を狭めることができ、送受信感度が高くなる。更に、振動膜３０が一次モードで振動する周波数帯域と、二次モードで振動する周波数帯域を近接させ、両周波数帯域の差を抑制することが可能であり、送受信の周波数帯域を拡張することができる。
【００４６】
また、超音波振動子１０は、柱状部２６の大きさ（直径又は面積）を変化させることにより、振動膜３０が一次モードで振動する周波数帯域と、二次モードで振動する周波数帯域との差を増減させることができる。具体的には、柱状部２６の大きさを大きくすることにより、各周波数モードの差を拡大することができる。従って、超音波振動子ユニットＵは、各超音波振動子１０における柱状部２６の大きさを調整することにより、超音波の送受信のために使用できる周波数帯域の幅を変化させることができる。
【００４７】
また、上述した超音波振動子１０においては、面固定部３８及び周辺部３２の間に形成された振動領域３９に膜側電極３６が設けられており、振動領域３９において振動が発生する構造とされている。このような構造とされているため、超音波振動子ユニットＵは、振動膜３０の振動に伴う容量変化を的確に検知することが可能であり、十分な受信能力を発揮することができる。また、振動領域３９に設けられた膜側電極３６に対向するように基板側電極２８が設けられているため、基板側電極２８及び膜側電極３６の間に電圧を印加することにより振動膜３０を的確に振動させることができる。従って、超音波振動子ユニットＵによれば、十分な送受信性能を得ることができる。
【００４８】
また、超音波振動子１０においては、柱状部２６を振動膜３０に対して面固定させることにより、振動膜３０において振動に供する部分（振動領域３９）の面積が面固定部３８に相当する面積の分だけ小さくなる。これにより、振動膜３０が振動することにより発生する弾性力が大きくなる。従って、超音波振動子１０によれば、十分な送受信感度を得ることができる。
【００４９】
また、本実施形態の超音波振動子１０では、主として振動領域３９において振動膜３０が振動し、面固定部３８においては振動領域３９ほど大きな振動は発生しない。そのため、柱状部２６と振動膜３０との衝突による衝撃はさほど大きくなく、振動膜３０が破損等する不具合が発生しない。
【００５０】
また、超音波振動ユニットＵは、基板２０に対して凹部２２を形成する際に柱状部２６を設けておき、その後基板２０上に振動膜３０を積層することにより超音波振動子１０を形成することができる。従って、超音波振動ユニットＵは、構造がシンプルであり製造が容易である。
【００５１】
上述した柱状部２６は、略円筒形の外観形状を有するものであるが、本発明はこれに限定されるものではなく、断面形状が楕円形や多角形、その他の形状の柱状体であってもよい。また、柱状部２６は、上下方向に断面積が変化することなく一定の柱体であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、頂部、基端部、あるいは中間部において断面積が変化した形状のものであってもよい。
【００５２】
上述した柱状部２６は、基板２０を形成する際に形成されたものであり、基板２０と一体化されたものであるが、本発明はこれに限定されるものではなく、基板２０とは別に柱状部２６に相当するものを形成し、これをキャビティ４０（凹部２０）内に配置したものであってもよい。
【実施例】
【００５３】
上述した超音波振動子ユニットＵの一実施例に係る超音波プローブ１００について説明する。超音波プローブ１００は、超音波検査装置に用いられるものであり、生体に対する超音波の送信、及び生体側から返ってくる超音波の受信を行うための送受信装置である。超音波プローブ１００は、図３に示すように上述した超音波振動子ユニットＵを内蔵している。また、超音波プローブ１００は、超音波振動子ユニットＵの他に音響レンズ（図示せず）等の部材を内蔵している。
【００５４】
本実施例の超音波プローブ１００は、上述した超音波振動子ユニットＵを備えたものであるため、使用可能な周波数帯域が広く、送受信感度の面においても優れている。従って、本実施形態の超音波プローブによれば、生体の表面状態だけでなく、深度が深い部位の状態まで検知することが可能となる。
【符号の説明】
【００５５】
１０ 超音波振動子
２０ 基板
２２ 凹部
２４ 外縁部
２６ 柱状部
２６ａ 頂部
２８ 基板側電極（第二電極）
３０ 振動膜
３２ 周辺部
３４ 中間部
３６ 膜側電極（第一電極）
３８ 面接触部
３９ 振動領域
４０ キャビティ
１００ 超音波プローブ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹部を有する基板と、
前記基板に対して装着された周辺部、及び前記周辺部間に形成され基板に対して近接・離反する方向に振動可能なた中間部を有し、可撓性を備えた振動膜と、
前記基板の前記凹部及び前記振動膜によって形成されたキャビティと、
前記振動膜側に設けられた第一電極と、
前記第一電極に対向する位置に設けられた第二電極とを有し、
前記キャビティ内に、前記凹部の底面側から前記振動膜側に向けて突出した柱状部が設けられており、
前記振動膜及び前記柱状部が、前記中間部において面接触していることを特徴とする超音波振動子ユニット。
【請求項２】
前記振動膜において前記柱状部と面接触している部位、及び前記周辺部の間の領域に、第一電極が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子ユニット。
【請求項３】
前記振動膜が、前記柱状部に対して接着されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波振動子ユニット。
【請求項４】
前記柱状部において前記振動膜と接触している部位が平面状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超音波振動子ユニット。
【請求項５】
前記柱状部が、前記凹部を形成する外縁部と同一の高さまで突出していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超音波振動子ユニット。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の超音波振動子ユニットを備えており、
前記超音波振動子ユニットにより超音波を送受信可能であることを特徴とする超音波プローブ。
【請求項１】
凹部を有する基板と、
前記基板に対して装着された周辺部、及び前記周辺部間に形成され基板に対して近接・離反する方向に振動可能なた中間部を有し、可撓性を備えた振動膜と、
前記基板の前記凹部及び前記振動膜によって形成されたキャビティと、
前記振動膜側に設けられた第一電極と、
前記第一電極に対向する位置に設けられた第二電極とを有し、
前記キャビティ内に、前記凹部の底面側から前記振動膜側に向けて突出した柱状部が設けられており、
前記振動膜及び前記柱状部が、前記中間部において面接触していることを特徴とする超音波振動子ユニット。
【請求項２】
前記振動膜において前記柱状部と面接触している部位、及び前記周辺部の間の領域に、第一電極が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子ユニット。
【請求項３】
前記振動膜が、前記柱状部に対して接着されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波振動子ユニット。
【請求項４】
前記柱状部において前記振動膜と接触している部位が平面状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超音波振動子ユニット。
【請求項５】
前記柱状部が、前記凹部を形成する外縁部と同一の高さまで突出していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超音波振動子ユニット。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の超音波振動子ユニットを備えており、
前記超音波振動子ユニットにより超音波を送受信可能であることを特徴とする超音波プローブ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１１９８３１（Ｐ２０１２−１１９８３１Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６６３１９（Ｐ２０１０−２６６３１９）
【出願日】平成２２年１１月３０日（２０１０．１１．３０）
【出願人】（５１００５４６４７）株式会社Ｉｎｇｅｎ ＭＳＬ (6)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月３０日（２０１０．１１．３０）
【出願人】（５１００５４６４７）株式会社Ｉｎｇｅｎ ＭＳＬ (6)
【Ｆターム（参考）】
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