JP2018029700A - 超音波デバイス、超音波モジュール、及び超音波装置 - Google Patents

Abstract

【課題】送受信感度の低下を抑制可能な超音波デバイス、超音波モジュール、及び超音波装置を提供する。【解決手段】超音波デバイスは、振動膜と、振動膜の一面側に設けられた音響層と、音響層の振動膜とは反対側に設けられた音響レンズと、を備え、音響層の硬度は、音響レンズの硬度より小さい。【選択図】図４

Description

本発明は、超音波デバイス、超音波モジュール、及び超音波装置に関する。

従来、超音波の送受信を行う複数の超音波トランスデューサー素子（超音波トランスデューサー）がアレイ状に配置され構成される超音波アレイと、超音波アレイ上に設けられる音響整合層（音響層）と、音響層上に設けられる音響レンズと、を備える超音波デバイスが知られている（例えば特許文献１）。

特許文献１に記載の超音波デバイスでは、超音波トランスデューサーは、振動膜と、振動膜上に設けられた振動子としての圧電素子と、を備える。そして、超音波デバイスは、振動膜上に音響層及び音響レンズが順に積層され構成される。この超音波デバイスは、音響レンズが生体等の測定対象に当接された状態で、超音波を送受信する。例えば、圧電素子の駆動によって送信された超音波は、音響層及び音響レンズを伝播した後、音響レンズの表面から生体内に出力される。

特開２０１５−１６２８１３号公報

ここで、特許文献１に記載の超音波デバイスのように、音響層と音響レンズとを振動膜上に順に積層する構成では、音響層によって振動膜の振動が阻害されることにより、超音波トランスデューサーの送受信感度が低下するおそれがある。しかしながら、このような課題については、従来、十分に考慮されていなかった。

例えば、特許文献１に記載のような構成では、音響レンズと音響層との音響インピーダンスのマッチングを図ることにより、音響レンズと音響層との界面での反射波（界面反射波）の発生を抑制できる。しかしながら、音響レンズは、測定対象から受ける外力による変形を抑制可能な硬度を有する。したがって、例えば、音響レンズと同一の材料を用いて音響層を形成し、インピーダンスマッチングを図ると、振動膜の振動が阻害され、ひいては送受信感度が低下するおそれがあった。

本発明は、送受信感度の低下を抑制可能な以下の形態又は適用例として、超音波デバイス、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。

本適用例に係る超音波デバイスは、振動膜と、前記振動膜の一面側に設けられた音響層と、前記音響層の前記振動膜とは反対側に設けられた音響レンズと、を備え、前記音響層の硬度は、前記音響レンズの硬度より小さいことを特徴とする。

本適用例では、振動膜の一面側に設けられた音響層の硬度は、音響レンズの硬度より小さい。これにより、音響層によって振動膜の振動が阻害されることを抑制でき、超音波の送受信感度の低下を抑制できる。

本適用例の超音波デバイスにおいて、前記音響層及び前記音響レンズは、同一の音響インピーダンスを有することが好ましい。
ここで述べる音響インピーダンスが同一とは、音響層及び音響レンズの音響インピーダンスが許容される範囲で異なる場合（略同一）も含む。例えば、音響層と音響レンズとの界面において界面反射波が発生したとしても、当該界面反射波による送受信感度や測定精度への影響が許容される範囲であれば、音響層及び音響レンズの音響インピーダンスの差異が許容される。
本適用例では、音響層と音響レンズとの界面での界面反射波の発生を抑制できる。したがって、界面反射波が生じることによる送受信感度の低下を抑制できる。

本適用例の超音波デバイスにおいて、前記一面の法線方向における前記音響層の寸法は、前記振動膜の振動によって送信される超音波の波長をλとしてλ／４の奇数倍及びλ／２の整数倍のいずれかであることが好ましい。
本適用例では、上記法線方向における音響層の寸法は、λ／４の奇数倍及びλ／２の整数倍のいずれかである。このような構成では、界面反射波が、音響層内で多重反射されることを抑制できる。
つまり、音響層と音響レンズとの音響インピーダンスが異なる場合、音響層と音響レンズとの界面（第１界面）において界面反射波が生じる場合がある。この界面反射波は、上記第１界面、及び、音響層と振動膜との界面（第２界面）の間で多重反射される場合がある。これに対して、音響層の寸法がλ／４の奇数倍及びλ／２の整数倍のいずれかであるため、第１界面及び第２界面のいずれかにおいて、界面反射波の位相を、振動膜の振動によって発振された超音波の位相と逆位相とすることができる。これにより、界面反射波の多重反射を抑制でき、多重反射した界面反射波が超音波デバイスに検出されることによる測定精度の低下を抑制できる。

本適用例の超音波デバイスにおいて、前記音響層のショアＡ硬度は、５以上７０以下であり、前記音響レンズのショアＡ硬度は、７０より大きいことが好ましい。
本適用例では、音響層のショアＡ硬度を７０以下とすることにより、音響層によって振動膜の振動が阻害されることを抑制でき、超音波の送受信感度の低下を抑制できる。また、音響層のショアＡ硬度を５以上とすることにより、音響層の強度を音響レンズの保持に十分な強度とすることができる。また、音響レンズのショアＡ硬度を７０より大きくすることにより、測定対象に音響レンズが当接された際の音響レンズの変形を抑制できる。

本適用例の超音波デバイスにおいて、前記音響層及び前記音響レンズは、フィラーを含有する樹脂により構成され、前記フィラーの平均粒径は、前記音響レンズよりも前記音響層の方が小さいことが好ましい。
本適用例では、音響層におけるフィラーの平均粒径を、音響レンズにおける平均粒径よりも小さくすることにより、音響レンズよりも音響層の硬度を小さくできる。また、音響層及び音響レンズにおいて、それぞれ平均粒径が異なるフィラーを樹脂に含有させるという簡易な方法にて、音響レンズよりも音響層の硬度を小さくできる。

本適用例の超音波デバイスにおいて、前記振動膜の前記一面側に設けられる基板を備え、前記基板は、前記振動膜と重なる位置に開口部を有し、前記音響層は、前記開口部に充填されることが好ましい。
本適用例では、音響層は、振動膜と重なる位置に設けられた開口部に少なくとも充填される。このような構成では、音響レンズを介して音響層に応力が作用した場合でも、開口部によって音響層の変形を抑制することができ、音響レンズの位置ずれを抑制できる。また、振動膜を支持する基板に設けられた開口部に音響層を充填するため、当該音響層の変形を抑制するための部材を別に設ける必要がなく、構成を簡略化できる。

本適用例に係る超音波モジュールは、振動膜と、前記振動膜の一面側に設けられた音響層と、前記音響層の前記振動膜とは反対側に設けられた音響レンズと、を備える超音波デバイスと、前記超音波デバイスが設けられる回路基板と、を備え、前記音響層の硬度は、前記音響レンズの硬度より低いことを特徴とする。

本適用例では、振動膜の一面側に設けられた音響層の硬度は、音響レンズの硬度より小さい。これにより、音響層によって振動膜の振動が阻害されることを抑制でき、超音波の送受信感度の低下を抑制できる。また、音響レンズの硬度を音響層の硬度よりも大きくできるため、音響レンズの変形を抑制でき、音響レンズの性能低下を抑制できる。

本適用例に係る超音波装置は、振動膜と、前記振動膜の一面側に設けられた音響層と、前記音響層の前記振動膜とは反対側に設けられた音響レンズと、を備える超音波デバイスと、前記超音波デバイスを制御する制御部と、を備え、前記音響層の硬度は、前記音響レンズの硬度より低いことを特徴とする。

本適用例では、振動膜の一面側に設けられた音響層の硬度は、音響レンズの硬度より小さい。これにより、音響層によって振動膜の振動が阻害されることを抑制でき、超音波の送受信感度の低下を抑制できる。また、音響レンズの硬度を音響層の硬度よりも大きくできるため、音響レンズの変形を抑制でき、音響レンズの性能低下を抑制できる。

第１実施形態の超音波装置の概略構成を示す図。 第１実施形態の超音波プローブの概略構成を示す断面図。 第１実施形態の超音波デバイスの素子基板を封止板側から見た平面図。 図３のＡ−Ａ線における超音波デバイスの断面を模式的に示す断面図。 音響層のショアＡ硬度に対する振動膜の変位割合を示す図。 第２実施形態の超音波デバイスの要部を模式的に示す断面図。 第２実施形態の一変形例の超音波デバイスの要部を模式的に示す断面図。 超音波デバイスの変形例を模式的に示す断面図。 超音波デバイスの変形例を模式的に示す断面図。 超音波デバイスの変形例を模式的に示す断面図。

［第１実施形態］
以下、第１実施形態に係る超音波測定装置について、図面に基づいて説明する。
図１は、超音波測定装置１の概略構成を示す斜視図である。
超音波測定装置１は、超音波装置に相当し、図１に示されるように、超音波プローブ２と、超音波プローブ２にケーブル３を介して接続された制御装置１０と、を備える。
この超音波測定装置１は、超音波プローブ２を測定対象としての生体（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信する。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、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。

［制御装置の構成］
制御装置１０は、制御部に相当し、図１に示されるように、ボタンやタッチパネル等を含む操作部１１と、表示部１２と、を備える。また、制御装置１０は、図示は省略するが、メモリー等により構成された記憶部と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等により構成された演算部と、を備える。制御装置１０は、記憶部に記憶された各種プログラムを、演算部に実行させることにより、超音波測定装置１を制御する。例えば、制御装置１０は、超音波プローブ２の駆動を制御するための指令を出力したり、超音波プローブ２から入力された受信信号に基づいて、生体の内部構造の画像を形成して表示部１２に表示させたり、血流等の生体情報を測定して表示部１２に表示させたりする。このような制御装置１０としては、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ることができ、超音波プローブ２を操作するための専用端末装置を用いてもよい。

［超音波プローブの構成］
図２は、超音波プローブ２の概略構成を示す断面図である。
超音波プローブ２は、図２に示されるように、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ー回路等が設けられた回路基板２３と、を備える。なお、超音波デバイス２２と、回路基板２３とにより、超音波モジュールに相当する超音波センサー２４が構成される。

［筐体の構成］
筐体２１は、図１に示されるように、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の内部の回路基板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を例示するが、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。

［回路基板の構成］
回路基板２３は、超音波デバイス２２の信号端子４１４Ｐ及び共通端子４１６Ｐ（図３参照）と電気的に接続され、制御装置１０の制御に基づいて超音波デバイス２２を制御する。
具体的には、回路基板２３は、送信回路や受信回路等を備えている。送信回路は、超音波デバイス２２に超音波送信させる駆動信号を出力する。受信回路は、超音波を受信した超音波デバイス２２から出力された受信信号を取得し、当該受信信号の増幅処理、Ａ−Ｄ変換処理、整相加算処理等を実施して制御装置１０に出力する。

［超音波デバイスの構成］
図３は、超音波デバイス２２における素子基板４１を、封止板４２側から見た平面図である。図４は、図３におけるＡ−Ａ線で切断した超音波デバイス２２の断面図である。
超音波デバイス２２は、図４に示すように、素子基板４１と、封止板４２と、音響層４３と、音響レンズ４４と、により構成される。

（素子基板の構成）
素子基板４１は、図４に示されるように、基板本体部４１１と、基板本体部４１１の封止板４２側に設けられる振動膜４１２と、振動膜４１２に設けられた圧電素子４１３と、を備える。ここで、以降の説明にあたり、基板本体部４１１の音響レンズ４４側の面を前面４１１Ａと称し、封止板４２に対向する面を背面４１１Ｂと称する。また、振動膜４１２の封止板４２とは反対側の面（一面に相当）を超音波送受面４１２Ａと称し、封止板４２側の面を作動面４１２Ｂと称する。

図３に示されるように、素子基板４１には、マトリクス状に配置された複数の超音波トランスデューサー４５を含む、１次元アレイとしての超音波トランスデューサーアレイ４６が設けられる。すなわち、素子基板４１を基板厚み方向から見た平面視において、素子基板４１の中央のアレイ領域Ａｒ１に、複数の超音波トランスデューサー４５がマトリクス状に配置され、超音波トランスデューサーアレイ４６が構成される。超音波トランスデューサーアレイ４６は、Ｘ方向（スライス方向）に沿って配置された複数の超音波トランスデューサー４５により構成され、１ＣＨの送受信チャンネルとして機能する送受信列４５Ａを複数有する。これら複数の送受信列４５Ａは、Ｙ方向（スキャン方向）に配置される。なお、図３では、説明の便宜上、超音波トランスデューサー４５の配置数を減らしているが、実際には、より多くの超音波トランスデューサー４５が配置される。

基板本体部４１１は、図４に示されるように、振動膜４１２を支持する基板であり、例えばＳｉ等の半導体基板で構成される。基板本体部４１１には、各々の超音波トランスデューサー４５に対応した開口部４１１Ｃが設けられる。

振動膜４１２は、例えばＳｉＯ_２や、ＳｉＯ_２及びＺｒＯ_２の積層体等より構成され、基板本体部４１１の背面４１１Ｂに設けられる。すなわち、振動膜４１２は、開口部４１１Ｃを構成する壁部４１１Ｄにより支持され、開口部４１１Ｃの背面４１１Ｂ側を閉塞する。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。

また、図４に示されるように、各開口部４１１Ｃを閉塞する振動膜４１２の作動面４１２Ｂには、それぞれ下部電極４１４、圧電膜４１５、及び上部電極４１６の積層体である圧電素子４１３が設けられている。これら開口部４１１Ｃを閉塞する振動膜４１２及び圧電素子４１３により、１つの超音波トランスデューサー４５が構成される。

このような超音波トランスデューサー４５では、下部電極４１４及び上部電極４１６の間に所定周波数のパルス波電圧が印加されることにより、開口部４１１Ｃの開口領域内の振動膜４１２を振動させて、超音波送受面４１２Ａ側から超音波を送信する。また、対象物から反射され、超音波送受面４１２Ａに入射する超音波により振動膜４１２が振動されると、圧電膜４１５の上下で電位差が発生する。したがって、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により、超音波を検出、つまり受信する。

ここで、下部電極４１４は、Ｘ方向に沿って直線状に形成され、１ＣＨの送受信列４５Ａを構成する。この下部電極４１４の両端部（±Ｘ側端部）には、回路基板２３に電気接続される信号端子４１４Ｐが設けられている。この下部電極４１４の両端部（±Ｘ側端部）には、端子領域Ａｒ２において、回路基板２３に電気接続される信号端子４１４Ｐが設けられる。

また、上部電極４１６は、Ｙ方向に沿って直線状に形成されており、Ｙ方向に並ぶ送受信列４５Ａを接続する。そして、上部電極４１６の±Ｙ側端部は共通電極線４１６Ａに接続される。この共通電極線４１６Ａは、Ｘ方向に沿って複数配置された上部電極４１６同士を結線する。共通電極線４１６Ａの両端部（±Ｘ側端部）には、回路基板２３に電気接続される共通端子４１６Ｐが設けられている。共通端子４１６Ｐは、回路基板２３の基準電位回路（図示省略）に接続され、基準電位に設定される。

（封止板の構成）
封止板４２は、厚み方向から見た際の平面形状が例えば素子基板４１と同形状に形成され、Ｓｉ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、超音波トランスデューサー４５の周波数特性に影響を及ぼすため、超音波トランスデューサー４５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。

封止板４２は、素子基板４１のアレイ領域Ａｒ１に対向する領域には、開口部４１１Ｃに対応した複数の凹溝４２１を有する。これにより、振動膜４１２のうち、超音波トランスデューサー４５により振動される領域（開口部４１１Ｃ内）では、素子基板４１との間に所定寸法のギャップ４２１Ａが設けられることになり、振動膜４１２の振動が阻害されない。また、１つの超音波トランスデューサー４５からの背面波が他の隣接する超音波トランスデューサー４５に入射される不都合（クロストーク）を抑制できる。

また、振動膜４１２が振動すると、開口部４１１Ｃ側（超音波送受面４１２Ａ側）の他、封止板４２側（背面４１１Ｂ側）にも背面波として超音波が放出される。この背面波は、封止板４２により反射され、再びギャップ４２１Ａを介して振動膜４１２側に放出される。この際、反射背面波と、振動膜４１２から超音波送受面４１２Ａ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。したがって、本実施形態では、ギャップ４２１Ａにおける音響的な距離が、超音波の波長をλとしてλ／４の奇数倍となるように、各凹溝４２１の溝深さが設定されている。言い換えれば、超音波トランスデューサー４５から発せられる超音波の波長λを考慮して、素子基板４１や封止板４２の各部の厚み寸法が設定される。

また、封止板４２は、素子基板４１の端子領域Ａｒ２に対向する位置に、各端子４１４Ｐ，４１６Ｐを回路基板２３に接続する接続部が設けられる。接続部としては、例えば、素子基板４１に設けられた開口部と、当該開口部を介して各端子４１４Ｐ，４１６Ｐと回路基板２３とを接続するＦＰＣ（Flexible printed circuits）やケーブル線、ワイヤー等の配線部材と、を含む構成が例示される。

（音響層及び音響レンズの構成）
音響層４３は、図４に示されるように、基板本体部４１１の前面４１１Ａ側と、振動膜４１２の超音波送受面４１２Ａ側と、開口部４１１Ｃ内と、に配置される。音響層４３は、振動膜４１２の超音波送受面４１２Ａに接するように配置される。この音響層４３は、超音波トランスデューサー４５の駆動時に、圧電素子４１３の変位に応じて弾性変形し、超音波トランスデューサー４５から送信された超音波を、音響レンズ４４を介して測定対象に伝搬させる。また、音響層４３は、同様に、生体内で反射した超音波を、音響レンズ４４を介して超音波トランスデューサー４５に伝搬させる。

音響レンズ４４は、音響層４３上（＋Ｚ側）に配置される。音響レンズ４４は、生体表面に密着され、超音波トランスデューサー４５から送信された超音波を、生体内で効率良く収束させる。また、音響レンズ４４は、生体内で反射した超音波を、音響層４３を介して、効率良く超音波トランスデューサー４５に伝搬させる。

これら音響層４３及び音響レンズ４４は、音響インピーダンスが略同じ値に設定される。また、音響層４３及び音響レンズ４４は、音響インピーダンスが測定対象である生体の音響インピーダンスと略同じ値に設定される。例えば、音響層４３及び音響レンズ４４の音響インピーダンスは、１．５ＭＲａｙｌｓである。これにより、音響層４３と音響レンズ４４との界面や、音響レンズ４４と測定対象との界面において、超音波が反射される、つまり界面反射波が生じることを抑制できる。
なお、音響層４３と音響レンズ４４との音響インピーダンスの値が略同じ値とは、同値である以外に、界面反射波による測定精度への影響を許容できる範囲において、音響層４３と音響レンズ４４との音響インピーダンスの値が異なる場合も含む。

図５は、音響層４３のショアＡ硬度に対する振動膜４１２及び圧電素子４１３の変位割合を示す図である。なお、図５では、音響層４３及び音響レンズ４４を設けない場合の振動膜４１２（圧電素子４１３）の変位に対する、音響層４３を振動膜４１２上に設けた場合の振動膜４１２の変位の割合（変位割合）を示す。
音響層４３の硬度は、音響レンズ４４の硬度よりも小さい。換言すると、音響レンズ４４の硬度は、音響層４３の硬度よりも大きい。これにより、後述するように、音響層４３によって振動膜４１２の振動が妨げられることを抑制できる。

ここで、音響レンズ４４は、ショアＡ硬度が７０よりも大きいことが好ましい。
これにより、音響レンズ４４に測定対象等からの外力が作用しても、当該音響レンズ４４の変形を抑制できる。

また、音響層４３は、ショアＡ硬度が５以上７０以下であることが好ましい。さらに、音響層４３は、ショアＡ硬度が１５以上５５以下であることがより好ましい。
図５に示すように、音響層４３のショアＡ硬度を７０以下とすることにより、振動膜４１２の変位割合を９５％以上（変位割合の低下を５％未満）とすることができる。この場合、超音波の送信時と受信時との両方で、変位割合を９０％以上とすることができる。これにより、超音波の送受信時において、音響層４３によって振動膜４１２の変形が阻害されることを抑制でき、送受信感度を向上させることができる。

また、音響層４３のショアＡ硬度を５５以下とすることにより、圧電素子４１３の変位割合を９７．５％以上（変位割合の低下を２．５％未満）とすることができる。この場合、超音波の送信時と受信時との両方で、変位割合を９５％以上とすることができ、超音波の減衰をより一層抑制できる。

また、音響層４３のショアＡ硬度を５以上とすることにより、音響レンズ４４を超音波デバイス２２に固定するのに必要な音響層４３の強度を得ることができる。
ここで、音響層４３のショアＡ硬度が５以上１０未満の場合では、振動膜４１２の変位割合が、音響層４３がない場合と略同じである。したがって、ショアＡ硬度を１０以上とすることにより、より硬度が大きい音響層４３を用いることができる。これにより、音響層４３が著しく変形することを抑制でき、例えば超音波デバイス２２に対する音響レンズ４４の位置ずれを抑制できる。

上述のように、硬度が異なる音響層４３及び音響レンズ４４を実現するために、本実施形態では、音響層４３及び音響レンズ４４をフィラー含有するシリコーン樹脂により構成し、含有されるフィラーの平均粒径を異ならせている。
具体的に、図４に示されるように、音響層４３は、母材としてのシリコーン樹脂４３１と、平均粒径が第１値である第１フィラー４３２と、を含み構成される。
また、音響レンズ４４は、母材としてのシリコーン樹脂４４１と、平均粒径が第１値よりも大きい第２値である第２フィラー４４２と、を含み構成される。

これらシリコーン樹脂４３１，４４１は、例えば、材料や架橋密度等が適宜選択されることにより、音響インピーダンス（音速と密度の積）が測定対象と略同じ値となるように形成される。シリコーン樹脂は、測定対象としての生体と近い値の音響インピーダンスを有するため、生体との間でのインピーダンスマッチングを図ることが容易である。

第１フィラー４３２及び第２フィラー４４２は、平均粒径が異なる以外は同様に構成され、例えば、シリカ、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、アルミナ、酸化チタン、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、カーボン、及び窒化ボロン等の無機材料の少なくとも１種を含む粉末材料である。なお、本実施形態では、第１フィラー４３２及び第２フィラー４４２の平均粒径や、占有率（シリコーン樹脂との体積比）は、それぞれ音響層４３及び音響レンズ４４の音響インピーダンスに影響しない範囲に設定される。

上述のように、音響層４３を構成する第１フィラー４３２の平均粒径である第１値は、音響レンズ４４を構成する第２フィラー４４２の平均粒径である第２値よりも小さい。このように、充填材である第１フィラー４３２の平均粒径を小さくすることにより、音響層４３の硬度を、音響レンズ４４の硬度よりも小さくできる。なお、音響層４３及び音響レンズ４４の硬度は、シリコーン樹脂の架橋密度によっても調整され得る。

［第１実施形態の効果］
上述のように構成される第１実施形態の超音波デバイス２２では、以下の効果を得ることができる。
音響層４３は、振動膜４１２の超音波送受面４１２Ａに配置され、音響レンズ４４よりも硬度が小さい。これにより、音響層４３によって振動膜４１２の振動が阻害されることを抑制でき、超音波の送受信感度の低下を抑制できる。
ここで、音響層４３と音響レンズ４４との音響インピーダンスのマッチングのために、例えば、音響層４３と音響レンズ４４とを同一の材料で形成した場合、音響層４３の硬度が音響レンズ４４と同じ値となるため、音響層４３によって振動膜４１２の振動が阻害されるおそれがある。つまり、超音波の送信時では、圧電素子４１３が駆動されても、振動膜４１２の振動が阻害されることにより、送信される超音波のエネルギーが低減する。また、超音波の受信時でも、振動膜４１２の振動が阻害されることにより、圧電素子４１３から出力される信号強度が低下する。このように、超音波トランスデューサー４５の送受信感度が低下する。これに対して、音響層４３の硬度を音響レンズ４４の硬度よりも小さくすることにより、音響レンズ４４の硬度を維持したまま、音響層４３の硬度を小さくすることができる。すなわち、振動膜４１２の振動の阻害を抑制可能な値に、音響層４３の硬度を設定でき、送受信感度の低下を抑制できる。
以上から、本実施形態では、音響レンズ４４の変形を抑制しつつ、音響層４３による送受信感度の低下を抑制できる。

また、音響レンズ４４に作用したせん断応力を音響層４３によって緩和させることができる。つまり、音響レンズ４４を測定対象に接触させた際等、ＸＹ面に平行な方向の力（せん断応力）が音響レンズ４４に作用する場合がある。この場合に、音響層４３の硬度を、音響レンズ４４の硬度よりも小さくすることにより、音響層４３を変形させることができ、せん断応力を緩和できる。したがって、せん断応力によって素子基板４１が劣化したり損傷したりすることを抑制できる。

ここで、音響層４３、音響レンズ４４、及び測定対象の音響インピーダンスが異なる場合、音響層４３と音響レンズ４４との界面や、音響レンズ４４と測定対象との界面において界面反射波が生じる場合がある。超音波トランスデューサー４５から送信された超音波の一部が界面反射波となると、測定対象に向かって送信される超音波のエネルギーが低下する。また、測定対象からの反射波の一部が界面反射波となると、超音波トランスデューサー４５に受信される超音波のエネルギーが低下する。このため、超音波の送受信感度が低下するおそれがある。また、界面反射波が、超音波トランスデューサー４５に検出されると、測定精度が低下するおそれがある。

これに対して、音響層４３及び音響レンズ４４は、測定対象と同一の音響インピーダンスを有する。このような構成では、音響層４３と音響レンズ４４との界面や、音響レンズ４４と測定対象との界面において界面反射波が生じることを抑制できる。したがって、界面反射波が生じることによる送受信感度の低下や、測定精度の低下を抑制できる。

音響層４３のショアＡ硬度は、５以上７０以下であり、音響レンズ４４のショアＡ硬度は、７０より大きい。音響層４３のショアＡ硬度を７０以下とすることにより、音響層４３によって振動膜４１２の振動が阻害されることを抑制でき、超音波の送受信感度の低下を抑制できる。また、音響層４３のショアＡ硬度を５以上とすることにより、音響層４３の強度を、音響レンズ４４を保持するために十分な強度とすることができる。また、音響レンズ４４のショアＡ硬度を７０より大きくすることにより、測定対象に音響レンズ４４が当接された際の音響レンズ４４の変形を抑制できる。

音響層４３及び音響レンズ４４は、フィラーを含有するシリコーン樹脂により構成される。このような構成では、音響層４３の第１フィラー４３２の平均粒径（第１値）を、音響レンズ４４の第２フィラー４４２の平均粒径（第２値）よりも小さくすることにより、音響レンズ４４よりも音響層４３の硬度を小さくできる。また、音響層４３及び音響レンズ４４において、平均粒径が異なるフィラーを用いるという簡易な方法にて、音響レンズ４４よりも音響層４３の硬度を小さくできる。

音響層４３は、振動膜４１２と重なる位置に設けられた開口部４１１Ｃに少なくとも一部が充填される。このような構成では、音響レンズ４４を介して音響層４３に応力が作用した場合でも、開口部４１１Ｃによって音響層４３が著しく変形することを抑制でき、音響レンズ４４の位置ずれを抑制できる。また、振動膜４１２を支持する基板本体部４１１に設けられた開口部４１１Ｃに音響層４３を充填するため、当該音響層４３の変形を抑制するための部材を別に設ける必要がなく、構成を簡略化できる。

［第２実施形態］
以下、第２実施形態について説明する。
第１実施形態では、音響層４３と音響レンズ４４とは音響インピーダンスの値が同一であった。これに対して、第２実施形態では、音響層の厚み寸法が、送受信される超音波の波長λに基づいて設定され、音響層と音響レンズとの音響インピーダンスが同値に設定される必要がない点において第１実施形態と相違している。
なお、以降の説明にあたり、第１実施形態と同様の構成については、同符号を付し、その説明を省略又は簡略化する。

図６は、第２実施形態の超音波デバイス２２Ａを模式的に示す図である。なお、図６では、超音波デバイス２２Ａの構成を簡略化し、超音波デバイス２２の振動膜４１２、音響層４７、及び音響レンズ４４の断面を模式的に示している。
音響層４７は、図６に示されるように、振動膜４１２の超音波送受面４１２Ａに設けられる。音響層４７は、音響レンズ４４とは異なる音響インピーダンスの値を有する。本実施形態では、音響層４７の音響インピーダンスは、音響レンズ４４よりも小さく、例えば、１．０ＭＲａｙｌｓである。

音響層４７の厚み（すなわち超音波送受面４１２Ａの法線方向における寸法Ｌ）は、超音波トランスデューサー４５から送信される超音波の波長をλとし、１以上の整数をｎとして、下記式（１）を満たす。つまり、音響層４７及び音響レンズ４４の界面（以下、第１界面Ｆ１とも称する）と、超音波送受面４１２Ａとの距離である寸法Ｌは、λ／２の整数倍である。

［数 １］
Ｌ＝（λ／２）×ｎ ・・・（１）

［第２実施形態の効果］
第２実施形態の超音波デバイス２２Ａでは、第１実施形態と同様の作用効果に加え、以下の作用効果を得ることができる。
ここで、図６に示すように、第１界面Ｆ１に入射する超音波Ｕ０の一部が、第１界面Ｆ１で反射され、−Ｚ方向に伝播する第１界面反射波Ｕ１が発生する場合がある。また、第１界面反射波Ｕ１が、第２界面Ｆ２で反射され、＋Ｚ方向に伝播する第２界面反射波Ｕ２が生じる場合がある。このように第１界面Ｆ１及び第２界面Ｆ２の間で超音波の多重反射が生じる場合がある。この場合、多重反射波に対応する複数のピークが検出される、所謂、尾引きが生じ、測定精度が低下するおそれがある。

これに対して、音響層４７の寸法Ｌをλ／２の整数倍とすることにより、以下に詳述するように、多重反射を抑制でき、つまり尾引きの発生を抑制でき、測定精度を向上させることができる。
−Ｚ方向に伝播する第１界面反射波Ｕ１が、第２界面Ｆ２（超音波送受面４１２Ａ）にて反射される際に位相が反転することがわかっている。このため、音響層４７の厚み寸法をλ／２の整数倍とすることにより、第１界面Ｆ１に再入射する際の第２界面反射波Ｕ２の位相を、第１界面Ｆ１で反射された第１界面反射波Ｕ１に対して逆位相とすることができる。これにより、第１界面反射波Ｕ１と第２界面反射波Ｕ２との少なくとも一部を互いに打ち消すことができ、多重反射を抑制できる。

また、音響層４７と音響レンズ４４との音響インピーダンスが異なる構成としても、上述のように多重反射の影響を抑制できる。このため、音響インピーダンスに関わらず、音響層４７及び音響レンズ４４における超音波の減衰係数を小さくすることができ、送受信感度を向上させることができる。

［第２実施形態の変形例］
図７は、第２実施形態の一変形例に係る超音波デバイス２２Ｂを模式的に示す図である。なお、図７では、超音波デバイス２２Ａの構成を簡略化し、超音波デバイス２２の振動膜４１２、音響層４８、及び音響レンズ４４の断面を模式的に示している。
図７に示される、一変形例に係る超音波デバイス２２Ｂは、第２実施形態における音響層４７とは異なる厚み寸法の音響層４８を有する。
音響層４８は、音響層４７と同様に、音響インピーダンスが音響レンズ４４よりも小さく、例えば、１．０ＭＲａｙｌｓに設定されている。
音響層４８の寸法Ｌは、超音波トランスデューサー４５から送信される超音波の波長をλとし、１以上の整数をｎとして、下記式（２）を満たす。つまり、音響層４８及び音響レンズ４４の界面（以下、第１界面Ｆ１とも称する）と、超音波送受面４１２Ａとの距離である寸法Ｌは、λ／４の奇数倍である。

［数 ２］
Ｌ＝（λ／４）×（２ｎ−１） ・・・（２）

このように、音響層４８の寸法Ｌをλ／４の奇数倍とすることにより、多重反射を抑制でき、測定精度を向上させることができる。すなわち、音響層４７の寸法をλ／４の奇数倍とすることにより、図７に示されるように、第２界面Ｆ２に再入射する際の第１界面反射波Ｕ１の位相を、第２界面反射波Ｕ２に対して逆位相とすることができる。これにより、第１界面反射波Ｕ１と第２界面反射波Ｕ２との少なくとも一部を互いに打ち消すことができ、多重反射を抑制できる。

［第２実施形態の他の変形例］
第２実施形態及び変形例では、音響層の音響インピーダンスが、音響レンズの音響インピーダンスよりも小さい場合について説明したが、これに限定されない。例えば、音響層の音響インピーダンスが、音響レンズの音響インピーダンスよりも大きくてもよい。この場合、音響層４７から音響レンズ４４に向かって伝播する超音波が第１界面Ｆ１にて反射する際に位相が反転するものの、音響層の厚み寸法が上記式（１）、（２）のいずれかを満たすことにより、多重反射を抑制できる。つまり、音響層の厚み寸法を、上記式（１）を満たすように設定することにより、第２界面Ｆ２に再入射する際の第１界面反射波Ｕ１の位相を、第２界面反射波Ｕ２の逆位相とすることができる。また、音響層の厚み寸法を、上記式（２）を満たすように設定することにより、第１界面Ｆ１に再入射する際の第２界面反射波Ｕ２の位相を、第１界面反射波Ｕ１の逆位相とすることができる。したがって、第１界面Ｆ１及び第２界面Ｆ２のいずれかにおいて、界面反射波の少なくとも一部を相殺でき、多重反射を抑制できる。

［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１実施形態では、音響層４３及び音響レンズ４４の音響インピーダンスが測定対象と同一である構成を例示したが、これに限定されない。例えば、音響層４３及び音響レンズ４４の音響インピーダンスが、測定対象と同一でなくてもよい。また、音響層４３と音響レンズ４４とが同一の音響インピーダンスを有していなくてもよい。また、第２実施形態では、音響層４７が、超音波の波長に応じた厚み寸法を有する構成を例示したが、これに限定されず、任意の寸法を有する構成としてもよい。このような場合でも、音響層の硬度を、音響レンズの硬度よりも小さくすることにより、上述のように、送受信感度の低下を抑制できる。

上記各実施形態では、音響層は、開口部４１１Ｃ内と、基板本体部４１１の前面４１１Ａ側とに配置され、音響レンズは、音響層上に配置される構成を例示したが、これに限定されない。
図８は、一変形例に係る超音波デバイス２２Ｃを模式的に示す断面図である。なお、図８では、音響層４３の形状を除き、第１実施形態の超音波デバイス２２と同様に構成される超音波デバイス２２Ｃを例示する。

図８に示されるように、音響層４３は、開口部４１１Ｃ内に充填される。また、音響レンズ４４は、音響層４３と基板本体部４１１との＋Ｚ側に配置される。つまり、音響レンズ４４のＸ方向及びＹ方向における外周部分は、基板本体部４１１に固定されている。これにより、音響レンズ４４に外力が作用した際に、素子基板４１に対する音響レンズ４４の位置ずれが生じることをより確実に抑制できる。
また、超音波デバイス２２Ｃでは、開口部４１１Ｃの深さ方向（Ｚ方向）の寸法に応じて、音響層の厚み寸法を設定できる。したがって、第２実施形態のように音響層の厚み寸法を所望値に設定する場合、音響層の厚み寸法を、より確実かつ容易に適切な値に設定できる。

また、図９は、一変形例に係る超音波デバイス２２Ｄを模式的に示す断面図である。なお、図９では、第２の音響層４９を備える点を除き、図８に示す一変形例の超音波デバイス２２Ｃと同様に構成される超音波デバイス２２Ｄを例示する。
図９に示されるように、第２の音響層４９は、音響層４３と基板本体部４１１との＋Ｚ側（封止板４２とは反対側）に配置される。また、第２の音響層４９の＋Ｚ側に音響レンズ４４が配置される。この第２の音響層４９は、音響層４３よりも硬度が大きく、音響レンズ４４よりも硬度が小さい。第２の音響層４９は、音響層４３及び音響レンズ４４と同一の音響インピーダンスを有する。

このような構成では、音響層４３によって音響レンズ４４を保持しなくてもよいため、音響層４３の硬度をより一層小さくできる。したがって、音響層４３による送受信感度の低下をより一層抑制できる。また、第２の音響層４９は、音響レンズ４４に作用するせん断応力を緩和させることができる。また、第２の音響層４９は、音響レンズ４４を素子基板４１に保持することができ、音響レンズ４４に外力が作用した場合の位置ずれを抑制できる。

なお、図９に示す超音波デバイス２２Ｄにおいて、音響層４３、音響レンズ４４、及び第２の音響層４９の少なくともいずれかが異なる音響インピーダンスを有してもよい。この場合、音響層４３と第２の音響層４９との厚み寸法を、各層の音響インピーダンスの値と、超音波の波長λとに基づいて、多重反射を抑制可能な値に設定することが好ましい。つまり、音響層４３と超音波送受面４１２Ａとの界面、及び、音響層４３と第２の音響層４９との界面の少なくともいずれかにおいて界面反射波が相殺されるように、音響層４３の厚み寸法を設定すればよい。また、音響層４３と第２の音響層４９との界面、及び、第２の音響層４９と音響レンズ４４との界面の少なくともいずれかにおいて界面反射波が相殺されるように、第２の音響層４９の厚み寸法を設定すればよい。例えば、音響層４３と第２の音響層４９との厚み寸法を、λ／４の奇数倍とすることにより、音響層４３と第２の音響層４９とにおいて、超音波の多重反射が生じることを抑制できる。

上記各実施形態では、図４に示すように、開口部４１１Ｃが形成された基板本体部４１１が、振動膜４１２の超音波送受面４１２Ａ側に設けられ、振動膜４１２の作動面４１２Ｂ側に圧電素子４１３が設けられ、超音波送受面４１２Ａ側から超音波を送受信する構成を例示したがこれに限定されない。
図１０は、一変形例に係る超音波デバイス２２Ｅを模式的に示す断面図である。なお、図１０では、振動膜４１２に対する、基板本体部４１１及び圧電素子４１３の配置位置が異なる点や、封止板４２に凹部が形成されていない点を除き、第１実施形態の超音波デバイス２２と同様に構成される超音波デバイス２２Ｅを例示する。図１０に示されるように、振動膜４１２の作動面４１２Ｂ側に基板本体部４１１が設けられ、超音波送受面４１２Ａ側に圧電素子４１３が設けられる構成としてもよい。
また、振動膜４１２の超音波送受面４１２Ａ側に基板本体部４１１及び圧電素子４１３が設けられる構成としてもよい。また、振動膜４１２の作動面４１２Ｂ側に基板本体部４１１及び圧電素子４１３が設けられる構成としてもよい。

上記各実施形態において、音響層及び音響レンズの構成は上述の構成に限定されない。例えば、上記各実施形態において、音響層及び音響レンズは、シリコーン樹脂を用いて形成される構成を例示したが、シリコーン樹脂以外の樹脂材料を用いて形成されてもよい。例えば、シリコーン樹脂以外の非ジエン系ゴム材料、ジエン系ゴム材料、及び天然ゴム等の各種樹脂材料を用いてもよい。

また、例えば、第１実施形態では、音響層と音響レンズとは、同一の母材に対して、音響インピーダンスへの影響を無視できる程度の平均粒径を有するフィラーが分散されていた。そして、音響層と音響レンズとは、異なる平均粒径のフィラーを含むことにより、互いに異なる硬度を有し、かつ、同値の音響インピーダンスを有するように構成されていた。しかしながら、音響層と音響レンズとは上記構成に限定されず、例えば、フィラーは、音響インピーダンスを変更可能な平均粒径や密度を有するものを用いてもよく、フィラーの含有率により硬度や音響インピーダンスを調整してもよい。また、音響層及び音響レンズは、互いに異なる母材やフィラーにより構成されてもよい。また、平均粒径や材料が異なる２種以上のフィラーが同時に含有される構成としてもよい。また、音響層及び音響レンズは、フィラーを含まずに構成されてもよい。

上記各実施形態では、超音波トランスデューサー４５として、振動膜４１２と、当該振動膜４１２上に形成された圧電素子４１３と、を備える構成を例示したが、これに限定されない。例えば、超音波トランスデューサー４５として、可撓膜と、可撓膜に設けられた第１電極と、封止板における第１電極に対向する位置に設けられた第２電極と、を備える構成を採用してもよい。この第１電極及び第２電極は、振動子としての静電アクチュエーターを構成する。このような構成では、当該静電アクチュエーターを駆動することにより超音波を送信し、電極間の静電容量を検出することにより超音波を検出できる。

上記実施形態では、電子機器として、生体内の器官を測定対象と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、各種構造物を測定対象として、当該構造物の欠陥の検出や老朽化の検査を行う測定機に、上記実施形態及び各変形例の構成を適用できる。また、例えば、半導体パッケージやウェハ等を測定対象として、当該測定対象の欠陥を検出する測定機についても同様である。

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）、１０…制御装置、２２，２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ，２２Ｅ…超音波デバイス、２３…回路基板、２４…超音波センサー（超音波モジュール）、４１…素子基板、４２…封止板、４３，４７，４８…音響層、４４…音響レンズ、４５…超音波トランスデューサー、４５Ａ…送受信列、４６…超音波トランスデューサーアレイ、４１１…基板本体部、４１１Ａ…前面、４１１Ｂ…背面、４１１Ｃ…開口部、４１１Ｄ…壁部、４１２…振動膜、４１２Ａ…超音波送受面、４１２Ｂ…作動面、４１３…圧電素子、４１４…下部電極、４１５…圧電膜、４１６…上部電極、４２１…凹溝、４２１Ａ…ギャップ、４３１…シリコーン樹脂、４３２…第１フィラー、４４１…シリコーン樹脂、４４２…第２フィラー、Ｌ…寸法。

Claims (8)

1. 振動膜と、
   前記振動膜の一面側に設けられた音響層と、
   前記音響層の前記振動膜とは反対側に設けられた音響レンズと、を備え、
   前記音響層の硬度は、前記音響レンズの硬度より小さい
   ことを特徴とする超音波デバイス。
2. 請求項１に記載の超音波デバイスにおいて、
   前記音響層及び前記音響レンズは、同一の音響インピーダンスを有する
   ことを特徴とする超音波デバイス。
3. 請求項１に記載の超音波デバイスにおいて、
   前記一面の法線方向における前記音響層の寸法は、前記振動膜の振動によって送信される超音波の波長をλとしてλ／４の奇数倍及びλ／２の整数倍のいずれかである
   ことを特徴とする超音波デバイス。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波デバイスにおいて、
   前記音響層のショアＡ硬度は、５以上７０以下であり、
   前記音響レンズのショアＡ硬度は、７０より大きい
   ことを特徴とする超音波デバイス。
5. 請求項４に記載の超音波デバイスにおいて、
   前記音響層及び前記音響レンズは、フィラーを含有する樹脂により構成され、
   前記フィラーの平均粒径は、前記音響レンズよりも前記音響層の方が小さい
   ことを特徴とする超音波デバイス。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超音波デバイスにおいて、
   前記振動膜の前記一面側に設けられる基板を備え、
   前記基板は、前記振動膜と重なる位置に開口部を有し、
   前記音響層は、前記開口部に充填される
   ことを特徴とする超音波デバイス。
7. 振動膜と、
   前記振動膜の一面側に設けられた音響層と、
   前記音響層の前記振動膜とは反対側に設けられた音響レンズと、を備える超音波デバイスと、
   前記超音波デバイスが設けられる回路基板と、を備え、
   前記音響層の硬度は、前記音響レンズの硬度より低い
   ことを特徴とする超音波モジュール。
8. 振動膜と、
   前記振動膜の一面側に設けられた音響層と、
   前記音響層の前記振動膜とは反対側に設けられた音響レンズと、を備える超音波デバイスと、
   前記超音波デバイスを制御する制御部と、を備え、
   前記音響層の硬度は、前記音響レンズの硬度より低い
   ことを特徴とする超音波装置。

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