超音波振動子ユニット、及び超音波プローブ
【課題】振動膜に対して衝突に伴う反発力を作用させることにより送受信感度を上昇させることが可能であると共に、振動膜の振動及び衝突に伴う故障が発生しにくい構造の超音波振動子ユニット、及びこ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。
【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側に隆起した隆起部２６が形成されている。超音波振動子１０は、振動膜３０が振動する際に隆起部２６と振動膜３０とが衝突する。これにより発生する反発力により、振動膜３０の振動が増幅される。
【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側に隆起した隆起部２６が形成されている。超音波振動子１０は、振動膜３０が振動する際に隆起部２６と振動膜３０とが衝突する。これにより発生する反発力により、振動膜３０の振動が増幅される。
【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７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】
しかしながら、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。
【０００８】
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。
【０００９】
そこで、本発明は、振動膜に対して衝突に伴う反発力を作用させることにより送受信感度を上昇させることが可能であると共に、振動膜の振動及び衝突に伴う故障が発生しにくく容易に製造可能な構造の超音波振動子ユニット、及びこ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】
【００１０】
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する。また、本発明の超音波振動子ユニットにおいては、前記基板が、前記キャビティ内に隆起部を有し、前記隆起部が、前記キャビティの端部側から中央側に向かうに連れて前記振動膜に近接する方向に隆起しており、前記振動膜の前記中間部が前記隆起部に倣うように変形可能とされている。
【００１１】
本発明の超音波振動子ユニットにおいては、振動膜の中間部が隆起部に倣うように変形（圧潰／ｃｏｌｌａｐｓｅｄ）した状態になることにより、振動膜と隆起部とが衝突し、衝突による反発力が振動膜に付与される。よって、本発明の超音波振動子ユニットにおいては、超音波を受信する際に振動膜の振動が前述した反発力によって増幅され、第一電極及び第二電極の間に流れる電流値が増幅される。また、本発明の超音波振動子ユニットにおいては、超音波を送信する際に、第一電極及び第二電極の間に通電することにより発生する振動膜の振動が、前述した反発力によって増幅される。従って、本発明によれば、送受信感度の高い超音波振動子ユニットを提供することができる。
【００１２】
また、本発明の超音波振動子ユニットにおいては、基板がキャビティ内において隆起することによって形成された隆起部に対して振動膜が衝突する構成とされており、振動膜の振動による衝突により隆起部等が破損することがない。従って、本発明の超音波振動子ユニットは、振動膜の振動及び衝突に伴う故障が発生しにくい。
【００１３】
また、本発明の超音波振動子ユニットは、凹部内に隆起部を形成する等して上述した振動膜の変形（圧潰／ｃｏｌｌａｐｓｅｄ）に伴う増幅効果を得ようとするものであり、従来技術のものに比べて構造がシンプルである。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。
【００１４】
本発明の超音波振動子ユニットは、前記振動膜が、前記中間部において前記隆起部に対して接触したものであることが望ましい。
【００１５】
かかる構成によれば、振動膜が振動することにより確実に隆起部に衝突させ、振動膜の振動を増幅させることができる。従って、本発明によれば、より一層送受信感度の高い超音波振動子ユニットを提供することができる。
【００１６】
また、本発明の超音波振動子ユニットは、前記振動膜が、前記中間部において前記隆起部に対して非接着状態で接触したものであることがより一層望ましい。
【００１７】
かかる構成とした場合は、振動膜の自由度が高く、振動膜と隆起部とが衝突することによる反発力が低下することなく振動膜に伝播する。これにより、より一層確実に振動膜の振動を増幅させ、送受信感度を向上させることが可能となる。
【００１８】
本発明の超音波振動子ユニットは、前記隆起部において前記キャビティの底部側から頂部に至る部分が、前記隆起部の外側に向けて湾曲したものであることが望ましい。
【００１９】
かかる構成とした場合は、隆起部においてキャビティの底部側から頂部に至る部分が隆起部の内側に向けて湾曲した形状である場合に比べて振動膜と隆起部との接触面積が大きくなり、振動膜が振動に伴って隆起部に対して衝突しやすくなる。これにより、振動膜の振動を確実に増幅させ、送受信感度を向上させることが可能となる。
【００２０】
本発明の超音波振動子ユニットは、前記隆起部が、前記凹部を形成する外縁部よりも突出したものであってもよい。
【００２１】
かかる構成とした場合は、振動膜が隆起部に当接した状態になり、振動膜の振動に伴う反発力が確実に振動膜に伝播する。従って、本発明の超音波振動子ユニットでは、振動膜が隆起部に衝突することによる振動膜の振動増幅効果、及び送受信感度の向上効果がより一層確実に得られる。
【００２２】
本発明の超音波振動子ユニットは、前記凹部を形成する外縁部に、前記凹部の底面側に向けて下り勾配を有し、前記凹部の内側に向けて湾曲した外縁面が設けられているものであってもよい。
【００２３】
かかる構成とすることにより、振動膜が振動する際に隆起部に加えて外縁面においても衝突することになる。これにより、振動膜が、振動時に受ける反発力がさらに増加し、振動膜の振動増幅効果、及び送受信感度がより一層向上する。
【００２４】
本発明の超音波振動子ユニットは、前記振動膜が、前記中間部において前記隆起部に対して固定されていることが好ましい。
【００２５】
かかる構成とした場合は、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、振動膜が振動する際の変位量が少なくなるため、第一及び第二電極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となり、送受信の周波数帯域を拡張することができる。
【００２６】
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。
【００２７】
本発明の超音波プローブは、上述した超音波振動子ユニットを備えたものであるため、送受信感度の面において優れている。従って、本発明の超音波プローブによれば、表面状態だけでなく、従来技術のものよりも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】
【００２８】
本発明によれば、振動膜に対して衝突に伴う反発力を作用させることにより送受信感度を上昇させることが可能であると共に、振動膜の振動及び衝突に伴う故障が発生しにくい構造の超音波振動子ユニット、及びこ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】
【００２９】
【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】図２に示す超音波振動子の振動膜が圧潰された状態を示す断面図である。
【図４】（ａ），（ｂ）はそれぞれ変形実施形態に係る超音波振動子の構造を示す断面図である。
【図５】（ａ）は本発明の変形実施形態に係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６】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７】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】
【００３０】
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。
【００３１】
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内に隆起部２６を有する。超音波振動子１０は、振動膜３０及び隆起部２６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。
【００３２】
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、及び隆起部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〜１０μｍ程度の深さを有する。
【００３３】
隆起部２６は、凹部２２の外周側（外縁部２４側）から中央部に向かうに連れて振動膜３０側に向けて連続的に隆起するように形成されており、外観形状が山型となるように形成されている。隆起部２６は、様々な方法で形成可能であるが、本実施形態ではグレースケールマスクを用いて形成される。隆起部２６は、頂部２６ａが凹部２２の略中央部に存在しており、凹部２２の外周側の基端部２６ｂから頂部２６ａに向けてなだらに湾曲した中腹部２６ｃを有する。また、中腹部２６ｃは、隆起部２６の外側に向けて湾曲している。また、隆起部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、隆起部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。
【００３４】
隆起部２６は、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おり、後に詳述するように頂部２６ａにおいて振動膜３０と接触している。また、隆起部２６は、中腹部２６ｃに基板側電極２８（第二電極）を有する。基板側電極２８は、リング状とされている。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。また、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。また、基板２０に対してパターニングにより凹部２２及び隆起部２６を形成した後、前述したＰｔ等の導電性を有する素材を蒸着し、Ｄｒｙ ｅｔｃｈｉｎｇあるいはＷｅｔ ｅｔｃｈｉｎｇによるパターニングを行い、基板側電極２８を形成することが可能である。本実施形態においては、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、ＳＯＩ ｗａｆｅｒ接合方式を用いて形成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が基板２０に対して近接・離反する方向に振動可能とされている。振動膜３０を樹脂膜によって構成する場合は、様々な成膜方法で形成することが可能であり、例えば振動膜３０をなす樹脂薄膜と基板２０の外縁部２４とを接合させることにより形成することができる。
【００３７】
振動膜３０は、中間部３４において上述した隆起部２６の頂部２６ａに対して非接着状態で接触している。また、振動膜３０は振動することにより、図３に示すように中間部３４が隆起部２６に倣うように変形（圧潰／ｃｏｌｌａｐｓｅｄ）された状態となる。また、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と同様にリング状の外観形状を有している。膜側電極３６は、隆起部２６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。
【００３８】
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上に接合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。
【００３９】
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及び隆起部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。その後の作成プロセスは、上述したものと同一である。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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の中間部３４がキャビティ４０内に形成されている隆起部２６に対して衝突する。この衝突により発生する反発力の影響を受け、振動膜３０は大きく振動する。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。
【００４３】
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が隆起部２６に対して衝突し、反発力の影響により振動膜３０の振動が増幅される。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。
【００４４】
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、超音波の送受信時に振動膜３０の中間部３４が隆起部２６に倣うように変形し、振動膜３０と隆起部２６とが衝突するため、衝突による反発力が振動膜３０に付与される。また、振動膜３０は、中間部３４において隆起部２６に対して接触したものであるため、振動膜３０が振動することにより確実に隆起部２６に衝突させ、振動膜３０の振動を増幅させることができる。更に、振動膜３０は、隆起部２６に対して非接着状態とされているため、自由度が高い。よって、振動膜３０と隆起部２６との衝突による反発力が低下することなく振動膜３０に伝播する。従って、超音波振動子ユニットＵは、発信動作時に発生する超音波、及び受信動作時に発生する受信信号をそれぞれ前述した反発力によって増幅した状態で受信装置１８において受信することが可能であり、送受信感度が高い。
【００４５】
上述した超音波振動子１０は、隆起部２６の頂部２６ａが外縁部２４と同一の高さとなるように隆起しており、振動膜３０が隆起部２６に対して接触した構造を有するが、本発明はこれに限定されるものではない。具体的には、隆起部２６の頂部２６ａが外縁部２４よりも低い位置に存在し、頂部２６ａと振動膜３０との間に隙間が形成されていてもよい。かかる構成とする場合は、振動膜３０が振動することにより隆起部２６と振動膜３０とが衝突する程度に頂部２６ａと振動膜３０との隙間の大きさを調整することにより、本実施形態の超音波振動子１０と同様に超音波及び受信信号の増幅効果が得られる。
【００４６】
また、超音波振動ユニットＵは、基板２０に対して凹部２２を形成する際に隆起部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。
【００４７】
また、本実施形態では、隆起部２６の頂部２６ａが、凹部２２を形成する外縁部２４と略同一の高さであり、振動膜３０が常時（非振動時）において平坦な状態となったものを例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。具体的には、図４（ａ）に示すように、頂部２６ａが外縁部２４よりも外側（振動膜３０側：図示状態において上方側）に突出したものであってもよい。かかる構成とした場合は、常時においても振動膜３０が隆起部２６に当接した状態になり、接触面積が大きくなる。これにより、振動膜３０が振動すると確実に衝突による反発力が発生し、振動膜３０に伝播する。従って、隆起部２６を外縁部２４よりも外側に突出させることにより、より一層振動膜３０の振動増幅効果、及び送受信感度の向上効果を向上させることが可能となる。なお、図４（ａ）に示すような構造とする場合は、頂部２６ａの突出量は適宜調整することが可能であるが、頂部２６ａが外縁部２４よりも０．１μｍ〜０．５μｍ程度突出していることが好ましい。
【００４８】
また、本実施形態の超音波振動子１０は、振動膜３０が隆起部２６に対して非接着状態とされているが、本発明はこれに限定される訳ではなく、例えば隆起部２６の頂部２６ａ等において振動膜３０と隆起部２６とが接着されていてもよい。
【００４９】
また、上述した隆起部２６は、キャビティ４０内において基板２０を隆起した形状とすることにより形成された中実の構造とされており、振動膜３０の衝突によって破損及び変形等することがない。従って、超音波振動子ユニットＵは、振動膜３０の振動及び衝突に伴う故障が発生しにくく、振動膜３０の振動を確実に増幅することができる。また、隆起部２６は、基板２０に対して凹部２２を設ける際に容易に形成することができる。従って、超音波振動子ユニットＵは、特別な手法等を用いることなく、容易に製造することができる。
【００５０】
本実施形態の超音波振動子ユニットＵは、隆起部２６において基端部２６ｂ側から頂部２６ａに至る領域（中腹部２６ｃ）が、隆起部２６の外側に向けて湾曲したものであり、振動膜３０が振動に伴って隆起部２６に対して衝突しやすい。従って、上述した構成によれば、振動膜３０の振動を確実に増幅させ、送受信感度を向上させることが可能となる。なお、本実施形態では、中腹部２６ｃを隆起部２６の外側に向けて湾曲させた構造を例示したが、本発明はこれに限定される訳ではなく、図４（ｂ）に示すように中腹部２６ｃを隆起部２６の内側に向けて湾曲させた構造とすることも可能である。
【００５１】
上述した隆起部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とは別に隆起部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。
【００５２】
また、超音波振動子Ｕが備える超音波振動子１０は、図５に示すような構造とすることも可能である。具体的には、超音波振動子１０は、凹部２２を形成する外縁部２４に、凹部２２の底面２２ａ側に向けて下り勾配を有し、凹部２２（キャビティ４０）の内側に向けて湾曲した外縁面２４ａが設けられたものとすることが可能である。このような構成とすることにより、振動膜３０が振動する際に、隆起部２６に加えて外縁面２４ａにおいても衝突することになる。これにより、振動膜３０が、振動時に受ける反発力がさらに増加し、振動膜３０の振動増幅効果、及び送受信感度がより一層向上する。
【００５３】
また、超音波振動子１０は、振動膜３０の中間部３４において隆起部２６の頂部２６ａに対して接着等により固定されていることが好ましい。このような構成とした場合は、振動膜３０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が振動する際の変位量が少なくなるため、凹部２２の底面２２ａに設けられた基板側電極２８と、基板側電極２８に対向する位置に設けられた膜側電極３６との距離を狭めることができ、送受信感度が高くなる。
【００５４】
更に、図５に示すように振動膜３０の中間部３４（略中央部）において、振動膜３０と隆起部２６とを接触させ、接着等によって固定することにより、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を近接させ、両周波数帯域の差を抑制することが可能となる。これにより、超音波振動子１０において超音波の送受信に使用可能な周波数帯域を拡張することができる。
【実施例】
【００５５】
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６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。
【００５６】
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、送受信感度の面において優れている。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】
【００５７】
１０ 超音波振動子
２０ 基板
２２ 凹部
２４ 外縁部
２６ 隆起部
２６ａ 頂部
２６ｂ 基端部
２６ｃ 中腹部
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）
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７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】
しかしながら、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。
【０００８】
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。
【０００９】
そこで、本発明は、振動膜に対して衝突に伴う反発力を作用させることにより送受信感度を上昇させることが可能であると共に、振動膜の振動及び衝突に伴う故障が発生しにくく容易に製造可能な構造の超音波振動子ユニット、及びこ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】
【００１０】
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する。また、本発明の超音波振動子ユニットにおいては、前記基板が、前記キャビティ内に隆起部を有し、前記隆起部が、前記キャビティの端部側から中央側に向かうに連れて前記振動膜に近接する方向に隆起しており、前記振動膜の前記中間部が前記隆起部に倣うように変形可能とされている。
【００１１】
本発明の超音波振動子ユニットにおいては、振動膜の中間部が隆起部に倣うように変形（圧潰／ｃｏｌｌａｐｓｅｄ）した状態になることにより、振動膜と隆起部とが衝突し、衝突による反発力が振動膜に付与される。よって、本発明の超音波振動子ユニットにおいては、超音波を受信する際に振動膜の振動が前述した反発力によって増幅され、第一電極及び第二電極の間に流れる電流値が増幅される。また、本発明の超音波振動子ユニットにおいては、超音波を送信する際に、第一電極及び第二電極の間に通電することにより発生する振動膜の振動が、前述した反発力によって増幅される。従って、本発明によれば、送受信感度の高い超音波振動子ユニットを提供することができる。
【００１２】
また、本発明の超音波振動子ユニットにおいては、基板がキャビティ内において隆起することによって形成された隆起部に対して振動膜が衝突する構成とされており、振動膜の振動による衝突により隆起部等が破損することがない。従って、本発明の超音波振動子ユニットは、振動膜の振動及び衝突に伴う故障が発生しにくい。
【００１３】
また、本発明の超音波振動子ユニットは、凹部内に隆起部を形成する等して上述した振動膜の変形（圧潰／ｃｏｌｌａｐｓｅｄ）に伴う増幅効果を得ようとするものであり、従来技術のものに比べて構造がシンプルである。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。
【００１４】
本発明の超音波振動子ユニットは、前記振動膜が、前記中間部において前記隆起部に対して接触したものであることが望ましい。
【００１５】
かかる構成によれば、振動膜が振動することにより確実に隆起部に衝突させ、振動膜の振動を増幅させることができる。従って、本発明によれば、より一層送受信感度の高い超音波振動子ユニットを提供することができる。
【００１６】
また、本発明の超音波振動子ユニットは、前記振動膜が、前記中間部において前記隆起部に対して非接着状態で接触したものであることがより一層望ましい。
【００１７】
かかる構成とした場合は、振動膜の自由度が高く、振動膜と隆起部とが衝突することによる反発力が低下することなく振動膜に伝播する。これにより、より一層確実に振動膜の振動を増幅させ、送受信感度を向上させることが可能となる。
【００１８】
本発明の超音波振動子ユニットは、前記隆起部において前記キャビティの底部側から頂部に至る部分が、前記隆起部の外側に向けて湾曲したものであることが望ましい。
【００１９】
かかる構成とした場合は、隆起部においてキャビティの底部側から頂部に至る部分が隆起部の内側に向けて湾曲した形状である場合に比べて振動膜と隆起部との接触面積が大きくなり、振動膜が振動に伴って隆起部に対して衝突しやすくなる。これにより、振動膜の振動を確実に増幅させ、送受信感度を向上させることが可能となる。
【００２０】
本発明の超音波振動子ユニットは、前記隆起部が、前記凹部を形成する外縁部よりも突出したものであってもよい。
【００２１】
かかる構成とした場合は、振動膜が隆起部に当接した状態になり、振動膜の振動に伴う反発力が確実に振動膜に伝播する。従って、本発明の超音波振動子ユニットでは、振動膜が隆起部に衝突することによる振動膜の振動増幅効果、及び送受信感度の向上効果がより一層確実に得られる。
【００２２】
本発明の超音波振動子ユニットは、前記凹部を形成する外縁部に、前記凹部の底面側に向けて下り勾配を有し、前記凹部の内側に向けて湾曲した外縁面が設けられているものであってもよい。
【００２３】
かかる構成とすることにより、振動膜が振動する際に隆起部に加えて外縁面においても衝突することになる。これにより、振動膜が、振動時に受ける反発力がさらに増加し、振動膜の振動増幅効果、及び送受信感度がより一層向上する。
【００２４】
本発明の超音波振動子ユニットは、前記振動膜が、前記中間部において前記隆起部に対して固定されていることが好ましい。
【００２５】
かかる構成とした場合は、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、振動膜が振動する際の変位量が少なくなるため、第一及び第二電極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となり、送受信の周波数帯域を拡張することができる。
【００２６】
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。
【００２７】
本発明の超音波プローブは、上述した超音波振動子ユニットを備えたものであるため、送受信感度の面において優れている。従って、本発明の超音波プローブによれば、表面状態だけでなく、従来技術のものよりも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】
【００２８】
本発明によれば、振動膜に対して衝突に伴う反発力を作用させることにより送受信感度を上昇させることが可能であると共に、振動膜の振動及び衝突に伴う故障が発生しにくい構造の超音波振動子ユニット、及びこ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】
【００２９】
【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】図２に示す超音波振動子の振動膜が圧潰された状態を示す断面図である。
【図４】（ａ），（ｂ）はそれぞれ変形実施形態に係る超音波振動子の構造を示す断面図である。
【図５】（ａ）は本発明の変形実施形態に係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６】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７】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】
【００３０】
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。
【００３１】
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内に隆起部２６を有する。超音波振動子１０は、振動膜３０及び隆起部２６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。
【００３２】
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、及び隆起部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〜１０μｍ程度の深さを有する。
【００３３】
隆起部２６は、凹部２２の外周側（外縁部２４側）から中央部に向かうに連れて振動膜３０側に向けて連続的に隆起するように形成されており、外観形状が山型となるように形成されている。隆起部２６は、様々な方法で形成可能であるが、本実施形態ではグレースケールマスクを用いて形成される。隆起部２６は、頂部２６ａが凹部２２の略中央部に存在しており、凹部２２の外周側の基端部２６ｂから頂部２６ａに向けてなだらに湾曲した中腹部２６ｃを有する。また、中腹部２６ｃは、隆起部２６の外側に向けて湾曲している。また、隆起部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、隆起部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。
【００３４】
隆起部２６は、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おり、後に詳述するように頂部２６ａにおいて振動膜３０と接触している。また、隆起部２６は、中腹部２６ｃに基板側電極２８（第二電極）を有する。基板側電極２８は、リング状とされている。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。また、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。また、基板２０に対してパターニングにより凹部２２及び隆起部２６を形成した後、前述したＰｔ等の導電性を有する素材を蒸着し、Ｄｒｙ ｅｔｃｈｉｎｇあるいはＷｅｔ ｅｔｃｈｉｎｇによるパターニングを行い、基板側電極２８を形成することが可能である。本実施形態においては、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、ＳＯＩ ｗａｆｅｒ接合方式を用いて形成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が基板２０に対して近接・離反する方向に振動可能とされている。振動膜３０を樹脂膜によって構成する場合は、様々な成膜方法で形成することが可能であり、例えば振動膜３０をなす樹脂薄膜と基板２０の外縁部２４とを接合させることにより形成することができる。
【００３７】
振動膜３０は、中間部３４において上述した隆起部２６の頂部２６ａに対して非接着状態で接触している。また、振動膜３０は振動することにより、図３に示すように中間部３４が隆起部２６に倣うように変形（圧潰／ｃｏｌｌａｐｓｅｄ）された状態となる。また、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と同様にリング状の外観形状を有している。膜側電極３６は、隆起部２６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。
【００３８】
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上に接合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。
【００３９】
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及び隆起部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。その後の作成プロセスは、上述したものと同一である。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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の中間部３４がキャビティ４０内に形成されている隆起部２６に対して衝突する。この衝突により発生する反発力の影響を受け、振動膜３０は大きく振動する。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。
【００４３】
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が隆起部２６に対して衝突し、反発力の影響により振動膜３０の振動が増幅される。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。
【００４４】
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、超音波の送受信時に振動膜３０の中間部３４が隆起部２６に倣うように変形し、振動膜３０と隆起部２６とが衝突するため、衝突による反発力が振動膜３０に付与される。また、振動膜３０は、中間部３４において隆起部２６に対して接触したものであるため、振動膜３０が振動することにより確実に隆起部２６に衝突させ、振動膜３０の振動を増幅させることができる。更に、振動膜３０は、隆起部２６に対して非接着状態とされているため、自由度が高い。よって、振動膜３０と隆起部２６との衝突による反発力が低下することなく振動膜３０に伝播する。従って、超音波振動子ユニットＵは、発信動作時に発生する超音波、及び受信動作時に発生する受信信号をそれぞれ前述した反発力によって増幅した状態で受信装置１８において受信することが可能であり、送受信感度が高い。
【００４５】
上述した超音波振動子１０は、隆起部２６の頂部２６ａが外縁部２４と同一の高さとなるように隆起しており、振動膜３０が隆起部２６に対して接触した構造を有するが、本発明はこれに限定されるものではない。具体的には、隆起部２６の頂部２６ａが外縁部２４よりも低い位置に存在し、頂部２６ａと振動膜３０との間に隙間が形成されていてもよい。かかる構成とする場合は、振動膜３０が振動することにより隆起部２６と振動膜３０とが衝突する程度に頂部２６ａと振動膜３０との隙間の大きさを調整することにより、本実施形態の超音波振動子１０と同様に超音波及び受信信号の増幅効果が得られる。
【００４６】
また、超音波振動ユニットＵは、基板２０に対して凹部２２を形成する際に隆起部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。
【００４７】
また、本実施形態では、隆起部２６の頂部２６ａが、凹部２２を形成する外縁部２４と略同一の高さであり、振動膜３０が常時（非振動時）において平坦な状態となったものを例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。具体的には、図４（ａ）に示すように、頂部２６ａが外縁部２４よりも外側（振動膜３０側：図示状態において上方側）に突出したものであってもよい。かかる構成とした場合は、常時においても振動膜３０が隆起部２６に当接した状態になり、接触面積が大きくなる。これにより、振動膜３０が振動すると確実に衝突による反発力が発生し、振動膜３０に伝播する。従って、隆起部２６を外縁部２４よりも外側に突出させることにより、より一層振動膜３０の振動増幅効果、及び送受信感度の向上効果を向上させることが可能となる。なお、図４（ａ）に示すような構造とする場合は、頂部２６ａの突出量は適宜調整することが可能であるが、頂部２６ａが外縁部２４よりも０．１μｍ〜０．５μｍ程度突出していることが好ましい。
【００４８】
また、本実施形態の超音波振動子１０は、振動膜３０が隆起部２６に対して非接着状態とされているが、本発明はこれに限定される訳ではなく、例えば隆起部２６の頂部２６ａ等において振動膜３０と隆起部２６とが接着されていてもよい。
【００４９】
また、上述した隆起部２６は、キャビティ４０内において基板２０を隆起した形状とすることにより形成された中実の構造とされており、振動膜３０の衝突によって破損及び変形等することがない。従って、超音波振動子ユニットＵは、振動膜３０の振動及び衝突に伴う故障が発生しにくく、振動膜３０の振動を確実に増幅することができる。また、隆起部２６は、基板２０に対して凹部２２を設ける際に容易に形成することができる。従って、超音波振動子ユニットＵは、特別な手法等を用いることなく、容易に製造することができる。
【００５０】
本実施形態の超音波振動子ユニットＵは、隆起部２６において基端部２６ｂ側から頂部２６ａに至る領域（中腹部２６ｃ）が、隆起部２６の外側に向けて湾曲したものであり、振動膜３０が振動に伴って隆起部２６に対して衝突しやすい。従って、上述した構成によれば、振動膜３０の振動を確実に増幅させ、送受信感度を向上させることが可能となる。なお、本実施形態では、中腹部２６ｃを隆起部２６の外側に向けて湾曲させた構造を例示したが、本発明はこれに限定される訳ではなく、図４（ｂ）に示すように中腹部２６ｃを隆起部２６の内側に向けて湾曲させた構造とすることも可能である。
【００５１】
上述した隆起部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とは別に隆起部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。
【００５２】
また、超音波振動子Ｕが備える超音波振動子１０は、図５に示すような構造とすることも可能である。具体的には、超音波振動子１０は、凹部２２を形成する外縁部２４に、凹部２２の底面２２ａ側に向けて下り勾配を有し、凹部２２（キャビティ４０）の内側に向けて湾曲した外縁面２４ａが設けられたものとすることが可能である。このような構成とすることにより、振動膜３０が振動する際に、隆起部２６に加えて外縁面２４ａにおいても衝突することになる。これにより、振動膜３０が、振動時に受ける反発力がさらに増加し、振動膜３０の振動増幅効果、及び送受信感度がより一層向上する。
【００５３】
また、超音波振動子１０は、振動膜３０の中間部３４において隆起部２６の頂部２６ａに対して接着等により固定されていることが好ましい。このような構成とした場合は、振動膜３０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が振動する際の変位量が少なくなるため、凹部２２の底面２２ａに設けられた基板側電極２８と、基板側電極２８に対向する位置に設けられた膜側電極３６との距離を狭めることができ、送受信感度が高くなる。
【００５４】
更に、図５に示すように振動膜３０の中間部３４（略中央部）において、振動膜３０と隆起部２６とを接触させ、接着等によって固定することにより、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を近接させ、両周波数帯域の差を抑制することが可能となる。これにより、超音波振動子１０において超音波の送受信に使用可能な周波数帯域を拡張することができる。
【実施例】
【００５５】
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６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。
【００５６】
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、送受信感度の面において優れている。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】
【００５７】
１０ 超音波振動子
２０ 基板
２２ 凹部
２４ 外縁部
２６ 隆起部
２６ａ 頂部
２６ｂ 基端部
２６ｃ 中腹部
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）
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、
前記基板が、前記キャビティ内に隆起部を有し、前記隆起部が、前記キャビティの端部側から中央側に向かうに連れて前記振動膜に近接する方向に隆起しており、
前記振動膜の前記中間部が前記隆起部に倣うように変形可能であることを特徴とする超音波振動子ユニット。
【請求項２】
前記振動膜が、前記中間部において前記隆起部に対して接触し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３】
前記振動膜が、前記中間部において前記隆起部に対して非接着状態で接触し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】
前記隆起部において前記キャビティの底部側から頂部に至る部分が、前記隆起部の外側に向けて湾曲してい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】
前記隆起部が、前記凹部を形成する外縁部よりも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】
前記凹部を形成する外縁部に、前記凹部の底面側に向けて下り勾配を有し、前記凹部の内側に向けて湾曲した外縁面が設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の超音波振動子ユニット。
【請求項７】
前記振動膜が、前記中間部において前記隆起部に対して固定されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の超音波振動子ユニット。
【請求項８】
請求項１〜７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、
前記基板が、前記キャビティ内に隆起部を有し、前記隆起部が、前記キャビティの端部側から中央側に向かうに連れて前記振動膜に近接する方向に隆起しており、
前記振動膜の前記中間部が前記隆起部に倣うように変形可能であることを特徴とする超音波振動子ユニット。
【請求項２】
前記振動膜が、前記中間部において前記隆起部に対して接触し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３】
前記振動膜が、前記中間部において前記隆起部に対して非接着状態で接触し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】
前記隆起部において前記キャビティの底部側から頂部に至る部分が、前記隆起部の外側に向けて湾曲してい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】
前記隆起部が、前記凹部を形成する外縁部よりも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】
前記凹部を形成する外縁部に、前記凹部の底面側に向けて下り勾配を有し、前記凹部の内側に向けて湾曲した外縁面が設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の超音波振動子ユニット。
【請求項７】
前記振動膜が、前記中間部において前記隆起部に対して固定されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の超音波振動子ユニット。
【請求項８】
請求項１〜７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５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１１９８３２（Ｐ２０１２−１１９８３２Ａ）
【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２０１０−２６６３２０（Ｐ２０１０−２６６３２０）
【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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