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초음파 트랜스듀서, 초음파 프로브 및 초음파 검사 장치{ULTRASONIC TRANSDUCER, ULTRASONIC PROBE, AND ULTRASONIC TEST DEVICE}
본 발명은, 초음파 트랜스듀서, 초음파 프로브 및 초음파 검사 장치에 관한 것이다.
복수의 초음파 소자를 행렬 형상으로 배치하여 이루어지는 초음파 트랜스듀서가 알려져 있다. 이 초음파 트랜스듀서는, 복수의 개구를 갖는 기판과, 그 기판 상에 형성되고, 상기 각 개구를 폐색하는 지지막과, 그 지지막의 상기 각 개구에 대응하는 부위 상에 설치된 압전 소자를 구비하고 있다. 지지막 중, 평면에서 볼 때 지지막의 개구와 일치하고 있는 부위인 개구 대응 부위에 의해, 다이어프램이 구성된다. 그리고, 다이어프램과 그 다이어프램 상에 설치된 압전 소자로, 초음파 소자가 구성된다. 또한, 초음파 트랜스듀서의 지지막의 두께, 즉 평면에서 볼 때 지지막의 개구와 일치하고 있는 개구 대응 부위의 두께는, 일정하게 설정되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 또한, 초음파 트랜스듀서에 있어서, 초음파의 송신 시는, 다이어프램이 크게 휘고, 초음파의 수신 시는, 다이어프램이 작게 휜다. 그러나, 종래의 초음파 트랜스듀서에서는, 특히, 초음파의 송신 시, 다이어프램이 크게 휘므로, 이에 의해, 다이어프램의 외연부 부근에 있어서, 응력이 집중되어, 균열이나 결함 등의 파손이 생겨 버린다고 하는 문제가 있다. 한편, 다이어프램의 강도를 향상시키기 위해, 다이어프램의 두께를 두껍게 하면, 다이어프램이 휘기 어려워진다. 이에 의해, 특히, 초음파 소자에서 초음파를 수신하였을 때, 다이어프램의 휨량이 더욱 작아지고, 이에 의해, 압전 소자에 생기는 응력이 매우 작아져 버려, 그 압전 소자로부터 출력되는 수신 신호의 레벨이 저하되어 버린다는 문제가 있다. 즉, 초음파의 송수신 특성, 특히, 수신 시의 감도가 저하된다.
일본 특허 출원 공개 제2000-23296호 공보
본 발명의 목적은, 양호한 송수신 특성을 갖고, 지지막의 개구 대응 부위의 파손을 방지할 수 있는 초음파 트랜스듀서, 초음파 프로브 및 초음파 검사 장치를 제공하는 것에 있다.
이와 같은 목적은, 하기하는 본 발명에 의해 달성된다. 본 발명의 초음파 트랜스듀서는, 개구를 갖는 기판과, 상기 기판 상에 형성되고, 상기 개구를 폐색하는 지지막과, 상기 지지막 상에 설치되고, 또한, 평면에서 볼 때 상기 개구와 겹치는 영역인 개구 대응 부위 상에 설치된 압전 소자를 구비하고, 상기 지지막의 상기 개구 대응 부위의 중심부의 두께는, 상기 지지막의 상기 개구 대응 부위의 외연부의 두께보다도 얇은 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 지지막의 개구 대응 부위의 외연부의 강도가 높아지고, 또한, 개구 대응 부위, 특히, 개구 대응 부위의 중심부측이 휘기 쉬워지고, 이에 의해, 양호한 송수신 특성을 가지면서, 개구 대응 부위의 균열이나 결함 등의 파손을 방지할 수 있다. 즉, 초음파의 송수신에 있어서, 특히, 송신 시, 지지막의 개구 대응 부위가 크게 휘어도, 그 개구 대응 부위의 외연부 부근에 있어서의 균열이나 결함 등의 파손을 방지할 수 있다. 또한, 지지막의 개구 대응 부위의 중심부가 국소적으로 휘기 쉬워지므로, 초음파의 송수신에 있어서, 특히, 그 개구 대응 부위의 휨량이 작은 수신 시, 압전 소자의 휨량을 크게 할 수 있고, 이에 의해, 압전 소자에 큰 응력이 생겨, 그 압전 소자로부터 출력되는 수신 신호의 레벨을 향상시킬 수 있다. 즉, 초음파의 수신 시의 감도를 향상시킬 수 있다. 본 발명의 초음파 트랜스듀서에서는, 상기 지지막의 상기 개구 대응 부위는, 상기 지지막의 상기 개구 대응 부위의 상기 중심부로부터 상기 외연부를 향하여 두께가 점증하는 부위를 갖는 것이 바람직하다. 이에 의해, 지지막의 개구 대응 부위의 외연부측으로부터 중심부측을 향하여 그 개구 대응 부위가 휘기 쉬워지므로, 초음파의 수신 시의 감도를 보다 확실하게 향상시킬 수 있다. 본 발명의 초음파 트랜스듀서는, 개구를 갖는 기판과, 상기 기판 상에 형성되고, 상기 개구를 폐색하는 지지막과, 상기 지지막 상에 설치되고, 또한, 평면에서 볼 때 상기 개구와 겹치는 영역인 개구 대응 부위 상에 설치된 압전 소자를 구비하고, 상기 지지막의 상기 개구 대응 부위의 상기 개구측의 면은, 만곡한 오목면을 갖는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 지지막의 개구 대응 부위의 외연부의 강도가 높아지고, 또한, 개구 대응 부위, 특히, 개구 대응 부위의 중심부측이 휘기 쉬워지고, 이에 의해, 양호한 송수신 특성을 가지면서, 개구 대응 부위의 균열이나 결함 등의 파손을 방지할 수 있다. 즉, 초음파의 송수신에 있어서, 특히, 송신 시, 지지막의 개구 대응 부위가 크게 휘어도, 그 개구 대응 부위의 외연부 부근에 있어서의 균열이나 결함 등의 파손을 방지할 수 있다. 또한, 지지막의 개구 대응 부위의 중심부가 국소적으로 휘기 쉬워지므로, 초음파의 송수신에 있어서, 특히, 그 개구 대응 부위의 휨량이 작은 수신 시, 압전 소자의 휨량을 크게 할 수 있고, 이에 의해, 압전 소자에 큰 응력이 생겨, 그 압전 소자로부터 출력되는 수신 신호의 레벨을 향상시킬 수 있다. 즉, 초음파의 수신 시의 감도를 향상시킬 수 있다. 본 발명의 초음파 트랜스듀서에서는, 상기 지지막의 상기 개구 대응 부위는, 그 외연부에, 두께가 일정한 두께 일정부를 갖는 것이 바람직하다. 이에 의해, 지지막의 개구 대응 부위의 외연부 부근에 있어서의 균열이나 결함 등의 파손을 보다 확실하게 방지할 수 있다. 본 발명의 초음파 트랜스듀서에서는, 상기 두께 일정부는, 상기 지지막의 상기 개구 대응 부위의 1주에 걸쳐 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이에 의해, 지지막의 개구 대응 부위의 외연부 부근에 있어서의 균열이나 결함 등의 파손을 보다 확실하게 방지할 수 있다. 본 발명의 초음파 트랜스듀서에서는, 상기 압전 소자는, 상기 지지막 상의 상기 두께 일정부보다도 상기 중심부측에 설치되어 있는 것이 바람직하다. 이에 의해, 초음파의 수신 시의 감도를 보다 확실하게 향상시킬 수 있다. 본 발명의 초음파 트랜스듀서에서는, 상기 지지막의 상기 개구 대응 부위의 외연의 두께를 D1, 상기 개구 대응 부위의 중심 위치의 두께를 D2라고 하였을 때, D2／D1은, 0.1 이상 0.9 이하인 것이 바람직하다. 이에 의해, 지지막의 개구 대응 부위의 외연부 부근에 있어서의 균열이나 결함 등의 파손을 보다 확실하게 방지할 수 있고, 또한, 초음파의 수신 시의 감도를 보다 확실하게 향상시킬 수 있다. 본 발명의 초음파 프로브는, 케이스와, 상기 케이스에 수납되고, 본 발명의 초음파 트랜스듀서를 갖는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 지지막의 개구 대응 부위의 외연부의 강도가 높아지고, 또한, 개구 대응 부위, 특히, 개구 대응 부위의 중심부측이 휘기 쉬워지고, 이에 의해, 양호한 송수신 특성을 가지면서, 개구 대응 부위의 균열이나 결함 등의 파손을 방지할 수 있다. 즉, 초음파의 송수신에 있어서, 특히, 송신 시, 지지막의 개구 대응 부위가 크게 휘어도, 그 개구 대응 부위의 외연부 부근에 있어서의 균열이나 결함 등의 파손을 방지할 수 있다. 또한, 지지막의 개구 대응 부위의 중심부가 국소적으로 휘기 쉬워지므로, 초음파의 송수신에 있어서, 특히, 그 개구 대응 부위의 휨량이 작은 수신 시, 압전 소자의 휨량을 크게 할 수 있고, 이에 의해, 압전 소자에 큰 응력이 생겨, 그 압전 소자로부터 출력되는 수신 신호의 레벨을 향상시킬 수 있다. 즉, 초음파의 수신 시의 감도를 향상시킬 수 있다. 본 발명의 초음파 검사 장치는, 케이스와, 상기 케이스에 수납되고, 본 발명의 초음파 트랜스듀서를 갖는 초음파 프로브와, 상기 초음파 프로브로부터 송신되는 신호에 기초하여 신호 처리를 행하는 신호 처리부를 갖는 장치 본체를 구비하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 지지막의 개구 대응 부위의 외연부의 강도가 높아지고, 또한, 개구 대응 부위, 특히, 개구 대응 부위의 중심부측이 휘기 쉬워지고, 이에 의해, 양호한 송수신 특성을 가지면서, 개구 대응 부위의 균열이나 결함 등의 파손을 방지할 수 있다. 즉, 초음파의 송수신에 있어서, 특히, 송신 시, 지지막의 개구 대응 부위가 크게 휘어도, 그 개구 대응 부위의 외연부 부근에 있어서의 균열이나 결함 등의 파손을 방지할 수 있다. 또한, 지지막의 개구 대응 부위의 중심부가 국소적으로 휘기 쉬워지므로, 초음파의 송수신에 있어서, 특히, 그 개구 대응 부위의 휨량이 작은 수신 시, 압전 소자의 휨량을 크게 할 수 있고, 이에 의해, 압전 소자에 큰 응력이 생겨, 그 압전 소자로부터 출력되는 수신 신호의 레벨을 향상시킬 수 있다. 즉, 초음파의 수신 시의 감도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 초음파 프로브의 실시 형태를 도시하는 사시도.
도 2는 도 1에 도시하는 초음파 프로브의 초음파 트랜스듀서를 도시하는 평면도.
도 3은 도 2에 도시하는 초음파 트랜스듀서의 일부를 확대하여 도시하는 평면도.
도 4는 도 3 중의 AA선에서의 단면도.
도 5는 도 4에 도시하는 초음파 트랜스듀서의 일부를 확대하여 도시하는 단면도.
도 6은 도 1에 도시하는 초음파 프로브의 초음파 트랜스듀서의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도.
도 7은 도 1에 도시하는 초음파 프로브의 초음파 트랜스듀서의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도.
도 8은 도 1에 도시하는 초음파 프로브의 초음파 트랜스듀서의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도.
도 9는 본 발명의 초음파 검사 장치의 실시 형태를 도시하는 블록도.
이하, 본 발명의 초음파 트랜스듀서, 초음파 프로브 및 초음파 검사 장치를 첨부 도면에 도시하는 적절한 실시 형태에 기초하여 상세하게 설명한다. <초음파 트랜스듀서, 초음파 프로브의 실시 형태> 도 1은, 본 발명의 초음파 프로브의 실시 형태를 도시하는 사시도, 도 2는, 도 1에 도시하는 초음파 프로브의 초음파 트랜스듀서를 도시하는 평면도, 도 3은, 도 2에 도시하는 초음파 트랜스듀서의 일부를 확대하여 도시하는 평면도, 도 4는, 도 3 중의 AA선에서의 단면도, 도 5는, 도 4에 도시하는 초음파 트랜스듀서의 일부를 확대하여 도시하는 단면도, 도 6 내지 도 8은, 도 1에 도시하는 초음파 프로브의 초음파 트랜스듀서의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다. 또한, 이하에서는, 도 3 내지 도 7 중의 상측을 「상」, 하측을 「하」, 우측을 「우」, 좌측을 「좌」로 하여 설명을 행한다. 또한, 도 2에서는, 음향 정합부, 상부 전극, 하부 전극, 상부 전극용 도선, 하부 전극용 도선의 일부 등의 도시를 생략하고, 초음파 트랜스듀서를 모식적으로 도시하고 있다. 또한, 도 3에서는, 음향 정합부의 도시를 생략하고 있다. 또한, 도 6 내지 도 8에서는, 압전 소자를 모식적으로 도시하고 있다. 또한, 각 도면에 도시한 바와 같이, 서로 직교하는 X축, Y축을 상정한다. X축 방향이 방위 방향에 대응하고, Y축 방향이 슬라이스 방향에 대응하고 있다. 도 1에 도시한 바와 같이, 초음파 프로브(10)는, 케이스(200)와, 케이스(200)에 수납된 초음파 트랜스듀서(1)를 갖고 있다. 초음파 트랜스듀서(1)는, 케이스(200)의 선단부에 설치되어 있다. 이 초음파 프로브(10)는, 예를 들면, 후술하는 초음파 검사 장치(100) 등, 각종 초음파 검사 장치의 초음파 프로브로서 이용할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 초음파 트랜스듀서(1)의 표면, 즉 후술하는 음향 정합부(6)의 표면은, 외부에 노출되어 있다. 이 음향 정합부(6)는, 초음파 프로브(10) 및 초음파 트랜스듀서(1)의 보호층으로서 기능한다. 음향 정합부(6)의 구성 재료로서는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 실리콘 고무 등, 음향 임피던스가 생체와 대략 동등한 소재가 이용된다. 또한, 음향 정합부(6)의 표면이 외부에 노출되지 않도록 구성해도 된다. 검사 시는, 초음파 프로브(10)는, 그 음향 정합부(6)의 표면을 검사 대상인 생체에 접촉시켜 사용한다. 이 경우, 초음파 트랜스듀서(1)로부터 음향 정합부(6)를 향하여 초음파가 송출되면, 초음파는, 음향 정합부(6)를 통과하여 생체 내부에 전반하고, 생체 내의 소정의 부위에서 반사된 초음파는, 음향 정합부(6)를 통과하여 초음파 트랜스듀서(1)에 입력된다. 또한, 초음파 프로브(10)는, 케이블(210)을 통해, 후술하는 초음파 검사 장치(100)의 장치 본체(300)(도 9 참조)와 전기적으로 접속된다. 도 2 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 초음파 트랜스듀서(1)는, 기판(2)과, 기판(2) 상에 설치되고, 초음파의 송수신을 행하는 복수(도시한 구성에서는 12개)의 초음파 소자(초음파 진동자)(8)와, 기판(2)의 초음파 소자(8)측에 설치되고, 각 초음파 소자(8)를 덮는 음향 정합부(6)를 구비하고 있다. 기판(2)의 형상은, 각각, 특별히 한정되지 않지만, 도시한 구성에서는, 평면에서 볼 때 사각형을 이루고 있다. 또한, 기판(2)의 평면에서 볼 때의 다른 형상으로서는, 각각, 예를 들면, 오각형, 육각형 등 다른 다각형, 원형, 타원형 등을 들 수 있다. 또한, 기판(2)의 구성 재료로서는, 각각, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 실리콘(Si) 등의 반도체 형성 소재가 이용된다. 이에 의해, 에칭 등에 의해 용이하게 가공할 수 있다. 초음파 소자(8)는, 다이어프램(51)과, 압전체(압전 소자)(7)에 의해 구성되어 있고, 각 초음파 소자(8)는, 기판(2) 상에 행렬 형상으로 배치되어 있다. 즉, X축 방향을 따라 복수(도시한 구성에서는 4개)의 초음파 소자(8)가 병설되고, 또한 Y축 방향을 따라 복수(도시한 구성에서는 3개)의 초음파 소자(8)가 병설되어 있다. 압전체(7)의 형상은, 특별히 한정되지 않지만, 도시한 구성에서는, 평면에서 볼 때 원형을 이루고 있다. 또한, 압전체(7)의 평면에서 볼 때의 다른 형상으로서는, 각각, 예를 들면, 사각형(정사각형, 직사각형), 오각형, 육각형 등의 다각형, 타원형 등을 들 수 있다. 또한, 압전체(7) 및 그 배선에 대해서는 이후에 서술한다. 또한, 기판(2)의 각 초음파 소자(8)에 대응하는 부위에는, 각각, 그 초음파 소자(8)의 다이어프램(51)을 형성하기 위한 개구(21)가 형성되어 있다. 개구(21)의 형상은, 특별히 한정되지 않지만, 도시한 구성에서는, 평면에서 볼 때 원형을 이루고 있다. 또한, 개구(21)의 평면에서 볼 때의 다른 형상으로서는, 각각, 예를 들면, 사각형(정사각형, 직사각형), 오각형, 육각형 등의 다각형, 타원형 등을 들 수 있다. 그리고, 기판(2) 상에는, 지지막(5)이 형성되어 있고, 각 개구(21)는 지지막(5)에 의해 폐색되어 있다. 이 지지막(5) 중, 개구(21)를 폐색하는 부위(영역), 즉, 평면에서 볼 때 지지막(5)의 개구(21)와 일치하고 있는 부위(겹쳐 있는 부위)인 개구 대응 부위에 의해, 다이어프램(51)이 구성된다. 또한, 다이어프램(51) 상에는, 압전체(7)가 설치되어 있다. 지지막(5)의 구성 재료로서는, 특별히 한정되지 않지만, 지지막(5)은, 예를 들면, SiO 2 막과 ZrO 2 층과의 적층체(2층 구조), SiO 2 막 등에 의해 구성된다. 여기서, SiO 2 층은, 기판(2)이 Si 기판인 경우, 기판(2)의 표면을 열산화 처리함으로써 형성할 수 있다. 또한, ZrO 2 층은, SiO 2 층 상에, 예를 들면 스퍼터링 등의 방법에 의해 형성할 수 있다. 여기서, ZrO 2 층은, 후술하는 압전체(7)의 압전막(72)으로서, 예를 들면 PZT을 이용하는 경우에, PZT을 구성하는 Pb이 SiO 2 층으로 확산되는 것을 방지하기 위한 층이다. 또한, ZrO 2 층은, 압전막(72)의 변형에 대한 휨 효율을 향상시키는 등의 효과도 갖고 있다. 도 5에 도시한 바와 같이, 압전체(7)는, 다이어프램(51)[지지막(5)] 상에 형성된 하부 전극(71)과, 하부 전극(71) 상에 형성된 압전막(72)과, 압전막(72) 상에 형성된 상부 전극(73)을 갖고 있다. 또한, 하부 전극(71)에는, 예를 들면 도 3에 도시한 바와 같이, 지지막(5) 상에서 Y축 방향을 따라 연장되는 하부 전극용 도선(71a)이 접속되어 있다. 이 하부 전극용 도선(71a)은, Y축 방향으로 배열되는 각 초음파 소자(8)의 공통의 도선으로 된다. 즉, 하부 전극용 도선(71a)은, 도 3, 도 4에 도시한 바와 같이, Y축 방향으로 인접하는 초음파 소자(8)의 하부 전극(71)에 접속되어 있다. 이에 의해, Y축 방향으로 배열되는 각 초음파 소자(8)의 집합체를 독립적으로 구동할 수 있다. 또한, 상부 전극(73)에는, 예를 들면 도 3에 도시한 바와 같이, 지지막(5) 상의 X축 방향을 따라 연장되는 상부 전극용 도선(73a)이 접속되어 있다. 이 상부 전극용 도선(73a)은, X축 방향으로 배열되는 각 초음파 소자(8)의 공통의 도선으로 된다. 즉, 상부 전극용 도선(73a)은, 도 3에 도시한 바와 같이, X축 방향으로 인접하는 초음파 소자(8)의 상부 전극(73)에 접속되어 있고, 그 단부에 있어서, 예를 들면 GND에 접속되어 있다. 이에 의해, 각 초음파 소자(8)의 상부 전극(73)이 어스되게 된다. 또한, 상기한 바와는 반대로, 하부 전극용 도선(71a)을 GND에 접속해도 된다. 이들 하부 전극(71), 상부 전극(73), 하부 전극용 도선(71a), 상부 전극용 도선(73a)의 구성 재료로서는, 각각, 도전성을 갖는 것이면 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 각종 금속 재료 등을 이용할 수 있다. 또한, 하부 전극(71), 상부 전극(73), 하부 전극용 도선(71a), 상부 전극용 도선(73a)은, 각각, 단층이어도 되고, 또한, 복수의 층을 적층하여 이루어지는 적층체이어도 된다. 구체예로서는, 예를 들면, 하부 전극(71) 및 하부 전극용 도선(71a)으로서, 각각, Ti／Ir／Pt／Ti 적층막을 이용하고, 상부 전극(73) 및 상부 전극용 도선(73a)으로서, 각각, Ir막을 이용할 수 있다. 압전막(72)은, 예를 들면, PZT(지르콘산 티탄산납:lead zirconate titanate)을 막 형상으로 성막함으로써 형성된다. 또한, 본 실시 형태에서는, 압전막(72)으로서 PZT을 이용하지만, 전압을 인가함으로써, 면내 방향으로 수축(신축)하는 것이 가능한 소재라면, 어떠한 소재를 이용해도 되고, PZT 외, 예를 들면, 티탄산납(PbTiO 3 ), 지르콘산납(PbZrO 3 ), 티탄산납란탄[(Pb, La)TiO 3 ] 등을 이용해도 된다. 이와 같은 초음파 소자(8)에서는, 예를 들면, 장치 본체(300)(도 9 참조)에 의해, 케이블(210)을 통해, 하부 전극(71)과 상부 전극(73)과의 사이에 전압을 인가함으로써, 압전막(72)이 면내 방향으로 신축한다. 이때, 압전막(72)의 한쪽의 면은, 하부 전극(71)을 통해 지지막(5)에 접합되고, 다른 쪽의 면에는, 상부 전극(73)이 형성되어 있다. 여기서, 상부 전극(73) 상에는 다른 층이 형성되지 않으므로, 압전막(72)의 지지막(5)측이 신축하기 어렵고, 상부 전극(73)측이 신축하기 쉬워진다. 이로 인해, 압전막(72)에 전압을 인가하면, 개구(21)측에 볼록하게 되는 휨이 생겨, 다이어프램(51)을 휘게 한다. 따라서, 압전막(72)에 교류 전압을 인가함으로써, 다이어프램(51)이 막 두께 방향에 대해 진동하고, 이 다이어프램(51)의 진동에 의해 초음파가 송신(발신)된다. 이 초음파의 송신 시는, 압전막(72)에 초음파 소자(8)의 공진 주파수와 동등하거나, 또는 그 공진 주파수에 가까운 주파수의 교류 전압을 인가하고, 초음파 소자(8)를 공진 구동한다. 이에 의해, 다이어프램(51)이 크게 휘어, 고출력의 초음파를 송신할 수 있다. 또한, 초음파 소자(8)로 초음파를 수신하는 경우, 초음파가 다이어프램(51)에 입력되면, 다이어프램(51)이 막 두께 방향으로 진동한다. 초음파 소자(8)에서는, 이 다이어프램(51)의 진동에 의해, 압전막(72)의 하부 전극(71)측의 면과 상부 전극(73)측의 면에서 전위차가 발생하고, 상부 전극(73) 및 하부 전극(71)으로부터 압전막(72)의 변위량에 따른 수신 신호(검출 신호)(전류)가 출력된다. 이 신호는, 케이블(210)을 통해 장치 본체(300)(도 9 참조)에 송신되고, 장치 본체(300)에 있어서, 그 신호에 기초하여 소정의 신호 처리 등이 이루어진다. 이에 의해, 장치 본체(300)에 있어서, 초음파 화상(전자 화상)이 형성되고, 표시된다. 또한, 이와 같은 초음파 프로브(10)에서는, X축 방향을 따라 병설된 각 초음파 소자(8)로부터 초음파를 발신시키는 타이밍을 지연시켜 어긋나게 함으로써, 원하는 방향으로 초음파의 평면파를 송신하는 것이 가능해진다. 그리고, 도 5에 도시한 바와 같이, 이 초음파 트랜스듀서(1)에서는, 평면에서 볼 때 지지막(5)의 개구(21)와 일치하고 있는 개구 대응 부위, 즉, 다이어프램(51)의 중심부의 두께는, 다이어프램(51)의 외연부의 두께보다도 얇게 설정되어 있다. 이 경우, 평면에서 볼 때, 지지막(5)의 개구 대응 부위의 외주 단부로부터, 개구 대응 부위의 내측, 즉, 중심을 향하여 소정의 폭을 갖는 환 형상의 영역 X를 개구 대응 부위의 외연부로 하고, 그 영역 X(외연부)를 제외하고, 또한, 개구 대응 부위의 중심 위치를 포함하는 소정의 면적의 영역 Y를 개구 대응 부위의 중심부로 한다. 본 실시 형태에서는, 다이어프램(51)은, 그 외연부에, 두께가 일정한 두께 일정부(511)를 갖고 있다. 이 두께 일정부(511)는, 다이어프램(51)의 1주에 걸쳐 형성되어 있다. 즉, 두께 일정부(511)는, 평면에서 볼 때 환 형상을 이루고 있다. 또한, 다이어프램(51)은, 두께 일정부(511)에 연속하고, 다이어프램(51)의 중심(중심부)으로부터 외연부를 향하여 두께가 점증하는 두께 점증부(512)를 갖고 있다. 즉, 다이어프램(51)의 하면측에는, 사발형으로 만곡한 만곡면(만곡한 오목면)을 갖는 오목부(52)가 형성되어 있다. 이에 의해, 다이어프램(51)의 외연부, 즉 두께 일정부(511)의 강도가 높아지고, 또한, 다이어프램(51)의 두께 점증부(512), 특히, 두께 점증부(512)의 중심부측이 휘기 쉬워지고, 이에 의해, 양호한 송수신 특성을 가지면서, 다이어프램(51)의 균열이나 결함 등의 파손을 방지할 수 있다. 즉, 초음파의 송수신에 있어서, 특히, 송신 시, 초음파 소자(8)의 공진 구동에 의해 다이어프램(51)이 크게 휘어도, 그 다이어프램(51)의 외연부 부근에 있어서의 균열이나 결함 등의 파손을 방지할 수 있다. 또한, 다이어프램(51)의 중심부가 국소적으로 휘기 쉬워지므로, 초음파의 송수신에 있어서, 특히, 그 다이어프램(51)의 휨량이 작은 수신 시, 압전체(7)의 휨량을 크게 할 수 있고, 이에 의해, 압전체(7)에 큰 응력이 생겨, 그 압전체(7)로부터 출력되는 수신 신호의 레벨을 향상시킬 수 있다. 즉, 초음파의 수신 시의 감도를 향상시킬 수 있다. 또한, 압전체(7)는, 다이어프램(51) 상의 두께 일정부(511)보다도 중심부측에 배치되어 있다. 이에 의해, 초음파의 수신 시의 감도를 보다 확실하게 향상시킬 수 있다. 여기서, 다이어프램(51)[지지막(5)]의 치수는, 특별히 한정되지 않고, 여러 조건에 따라 적절하게 결정되는 것이지만, 다이어프램(51)의 두께 일정부(511)(외연)의 두께를 D1, 다이어프램(51)의 평면에서 볼 때의 중심 위치(중심)의 두께를 D2라고 하였을 때, D2／D1은, 0.1 이상 0.9 이하인 것이 바람직하다. 이에 의해, 다이어프램(51)의 외연부 부근에 있어서의 균열이나 결함 등의 파손을 보다 확실하게 방지할 수 있고, 또한, 초음파의 수신 시의 감도를 보다 확실하게 향상시킬 수 있다. 또한, 다이어프램(51)의 두께 일정부(511)(외연)의 두께 D1은, 0.4㎛ 이상 1.5㎛ 이하인 것이 바람직하다. 이에 의해, 다이어프램(51)의 외연부 부근에 있어서의 균열이나 결함 등의 파손을 보다 확실하게 방지할 수 있다. 또한, 다이어프램(51)의 중심 위치의 두께 D2는, 0.15㎛ 이상 1.35㎛ 이하인 것이 바람직하다. 이에 의해, 초음파의 수신 시의 감도를 보다 확실하게 향상시킬 수 있다. 또한, 평면에서 볼 때, 다이어프램(51)의 두께 일정부(511)의 면적을 S1, 두께 점증부(512)의 면적을 S2라고 하였을 때, S1／S2는, 0.02 이상 0.25 이하인 것이 바람직하다. 이에 의해, 다이어프램(51)의 외연부 부근에 있어서의 균열이나 결함 등의 파손을 보다 확실하게 방지할 수 있고, 또한, 초음파의 수신 시의 감도를 보다 확실하게 향상시킬 수 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 다이어프램(51)은, 두께 일정부(511)를 갖고 있지만, 그 두께 일정부(511)를 생략해도 된다. 다음으로, 초음파 트랜스듀서(1)의 제조 방법에 있어서의 기판(2) 및 지지막(5)의 가공 방법, 즉 기판(2)의 각 개구(21) 및 지지막(5)[각 다이어프램(51)]의 각 오목부(52)의 형성 방법의 일례를 설명한다. 또한, 여기서는, 일례로서, 기판(2)을 Si로 구성하고, 지지막(5)을 SiO 2 로 구성하는 경우를 예로 들어 설명한다. 우선, 도 6의 (a)에 도시한 바와 같이, 각 개구(21)가 미형성된 기판(2) 상에, 각 오목부(52)가 미형성된 지지막(5)이 형성되고, 그 지지막(5) 상에 각 압전체(7)가 설치된 구조체를 제조한다. 또한, 이 구조체의 제조 방법으로서는, 예를 들면, 종래 공지의 방법 등을 이용할 수 있으므로, 그 설명은 생략한다. 다음으로, 기판(2) 및 지지막(5)의 각 압전체(7)에 대응하는 각 부위에, 각각, 가공을 실시하고, 기판(2)에 각 개구(21)를 형성함과 함께, 지지막(5)에 각 오목부(52)를 형성하여 각 다이어프램(51)을 형성한다. 또한, 각 개구(21)의 형성 방법은 마찬가지이고, 또한, 각 오목부(52)의 형성 방법은 마찬가지이므로, 이하에서는, 대표적으로, 하나의 개구(21)의 형성 방법 및 하나의 오목부(52)의 형성 방법에 대해 설명한다. 우선, 도 6의 (b)에 도시한 바와 같이, 기판(2)의 개구(21)를 형성하는 부위를 제외하고, 그 기판(2)의 상면에, 레지스트막(91)을 형성한다. 다음으로, 도 6의 (c) 내지 도 6의 (d), 도 7의 (a) 내지 도 7의 (c), 도 8에 도시한 바와 같이, 기판(2)에 대해, 레지스트막(91)을 마스크로 하여, 에칭 처리와, 보호막(92)의 형성을 교대로 복수회 반복하는 보쉬 프로세스(사이클 에칭)에 의해, 개구(21)를 형성한다. 또한, 이 보쉬 프로세스에는, 유도 결합형(ICP) 반응성 이온 에칭 장치를 이용한다. 즉, 에칭 처리에서는, 유도 결합형 반응성 이온 에칭 장치를 이용하여, 기판(2)에 대해, 유도 결합형 반응성 이온 에칭을 행하고, 그 후, 유도 결합형 반응성 이온 에칭 장치를 이용하여, 기판(2)에 대해, 보호막(92)을 형성한다. 또한, 도 6 및 도 7에는, 에칭 처리를 3회, 보호막(92)의 형성을 2회까지 행한 경우가 도시되어 있지만, 에칭 처리, 보호막(92)의 형성의 횟수는, 각각, 그 횟수로 한정되는 것은 아니고, 실제의 횟수는, 더 많아진다. 여기서, 상기 에칭 처리에서는, 처리 가스로서, 예를 들면, SF 6 과 O 2 와의 혼합 가스를 이용한다. 또한, 에칭 처리 시의 처리 가스의 유량은, 특별히 한정되지 않고, 여러 조건에 따라 적절히 설정되는 것이지만, 예를 들면, 100sccm 이상 1000sccm 이하의 범위 내로 설정되는 것이 바람직하고, 200sccm 이상 700sccm 이하의 범위 내로 설정되는 것이 보다 바람직하다. 또한, 에칭 처리의 처리 시간은, 특별히 한정되지 않고, 여러 조건에 따라 적절히 설정되는 것이지만, 예를 들면, 1초 이상 20초 이하의 범위 내로 설정되는 것이 바람직하다. 또한, 에칭 처리 시의 유도 결합 플라즈마의 코일 파워는, 특별히 한정되지 않고, 여러 조건에 따라 적절히 설정되는 것이지만, 예를 들면, 300W 이상 3000W 이하의 범위 내로 설정되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 보호막(92)을 형성할 때는, 처리 가스로서, 예를 들면, C 4 F 8 과 O 2 와의 혼합 가스를 이용한다. 또한, 보호막(92)을 형성할 때의 처리 가스의 유량은, 특별히 한정되지 않고, 여러 조건에 따라 적절히 설정되는 것이지만, 예를 들면, 50sccm 이상 600sccm 이하의 범위 내로 설정되는 것이 바람직하다. 또한, 보호막(92)을 형성하고 있는 시간은, 특별히 한정되지 않고, 여러 조건에 따라 적절히 설정되는 것이지만, 예를 들면, 0.5초 이상 10초 이하의 범위 내로 설정되는 것이 바람직하다. 또한, 보호막(92)을 형성할 때의 유도 결합 플라즈마의 코일 파워는, 특별히 한정되지 않고, 여러 조건에 따라 적절히 설정되는 것이지만, 예를 들면, 100W 이상 2500W 이하의 범위 내로 설정되는 것이 바람직하다. 또한, 기판(2)을 Si로 구성함으로써, 그 기판(2)의 상면 및 하면에 대해 수직인 개구(21)가 형성된다. 다음으로, 도 8에 도시한 바와 같이, 지지막(5)에 대해, 레지스트막(91)을 마스크로 하여, 에칭 처리와, 보호막(92)의 형성을 교대로 복수회 반복하는 보쉬 프로세스에 의해, 오목부(52)를 형성한다. 또한, 이 보쉬 프로세스에는, 유도 결합형(ICP) 반응성 이온 에칭 장치를 이용한다. 즉, 에칭 처리에서는, 유도 결합형 반응성 이온 에칭 장치를 이용하여, 지지막(5)에 대해, 유도 결합형 반응성 이온 에칭을 행하고, 그 후, 유도 결합형 반응성 이온 에칭 장치를 이용하여, 지지막(5)에 대해, 도시하지 않은 보호막을 형성한다. 여기서, 상기 에칭 처리에서는, 처리 가스로서, 예를 들면, SF 6 과 O 2 와의 혼합 가스를 이용한다. 또한, 에칭 처리 시의 처리 가스의 유량은, 특별히 한정되지 않고, 여러 조건에 따라 적절히 설정되는 것이지만, 예를 들면, 100sccm 이상 1000sccm 이하의 범위 내로 설정되는 것이 바람직하고, 200sccm 이상 700sccm 이하의 범위 내로 설정되는 것이 보다 바람직하다. 또한, 에칭 처리의 처리 시간은, 특별히 한정되지 않고, 여러 조건에 따라 적절히 설정되는 것이지만, 예를 들면, 1초 이상 20초 이하의 범위 내로 설정되는 것이 바람직하다. 또한, 에칭 처리 시의 유도 결합 플라즈마의 코일 파워는, 특별히 한정되지 않고, 여러 조건에 따라 적절히 설정되는 것이지만, 예를 들면, 300W 이상 3000W 이하의 범위 내로 설정되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 보호막을 형성할 때는, 처리 가스로서, 예를 들면, C 4 F 8 과 O 2 와의 혼합 가스를 이용한다. 또한, 보호막을 형성할 때의 처리 가스의 유량은, 특별히 한정되지 않고, 여러 조건에 따라 적절히 설정되는 것이지만, 예를 들면, 50sccm 이상 600sccm 이하의 범위 내로 설정되는 것이 바람직하다. 또한, 보호막을 형성하고 있는 시간은, 특별히 한정되지 않고, 여러 조건에 따라 적절히 설정되는 것이지만, 예를 들면, 0.5초 이상 10초 이하의 범위 내로 설정되는 것이 바람직하다. 또한, 보호막을 형성할 때의 유도 결합 플라즈마의 코일 파워는, 특별히 한정되지 않고, 여러 조건에 따라 적절히 설정되는 것이지만, 예를 들면, 100W 이상 2500W 이하의 범위 내로 설정되는 것이 바람직하다. 또한, 지지막(5)을 SiO 2 로 구성함으로써, 사발형으로 만곡한 만곡면을 갖는 오목부(52)가 형성된다. 다음에, 레지스트막(91)을 제거한다. 이상과 같이 하여, 초음파 트랜스듀서(1)가 제조된다. 또한, 오목부(52)의 만곡의 정도 등의 오목부(52)의 형상에 대해서는, 예를 들면, Si／SiO 2 의 선택비 등을 조정함으로써, 적절하게 설정할 수 있다. 또한, 두께 일정부(511)를 형성할지의 여부나, 두께 일정부(511)를 형성하는 경우의 그 두께 일정부(511)의 치수 등에 대해서는, 예를 들면, 에칭 처리에 있어서의 처리 가스의 유량, 에칭 처리의 처리 시간, 에칭 처리에 있어서의 유도 결합 플라즈마의 코일 파워, 보호막을 형성할 때의 처리 가스의 유량, 보호막을 형성하고 있는 시간, 보호막을 형성할 때의 유도 결합 플라즈마의 코일 파워 등을 조정함으로써, 적절하게 설정할 수 있다. 이상 설명한 바와 같은 초음파 프로브(10)는, 초음파 검사 장치에 적절히 적용할 수 있다. 다음으로, 지지막(5)에 두께 일정부(511)를 형성하는 경우의 각 처리의 조건의 일례와, 지지막(5)에 두께 일정부(511)를 형성하지 않는 경우의 각 처리의 조건의 일례를 나타낸다. 또한, 이들 조건은, 각각, 기판(2)의 두께를 200㎛로 하고, 기판(2)의 구성 재료로서 Si를 이용하고, 지지막(5)의 구성 재료로서, SiO 2 를 이용한 경우의 것이다. (1) 지지막(5)에 두께 일정부(511)를 형성하는 경우 우선, 기판(2)에 대한 에칭 처리에서는, 처리 가스로서 SF 6 과 O 2 와의 혼합 가스를 이용하고, 처리 가스의 유량을 450sccm으로 하고, 코일 파워를 2500W로 한다. 또한, 기판(2)에 대해 보호막(92)을 형성할 때는, 처리 가스로서 C 4 F 8 과 O 2 와의 혼합 가스를 이용하고, 처리 가스의 유량을 150sccm으로 하고, 코일 파워를 1500W로 한다. 그리고, 에칭 처리의 처리 시간을 10초, 보호막(92)을 형성하고 있는 시간을 6초로 하고, 에칭 처리와, 보호막(92)의 형성을 교대로, 합계로 36분 행한다. 다음으로, 지지막(5)에 대한 에칭 처리에서는, 처리 가스로서 SF 6 과 O 2 와의 혼합 가스를 이용하고, 처리 가스의 유량을 450sccm으로 하고, 코일 파워를 2500W로 한다. 또한, 지지막(5)에 대해 보호막(92)을 형성할 때는, 처리 가스로서 C 4 F 8 과 O 2 와의 혼합 가스를 이용하고, 처리 가스의 유량을 150sccm으로 하고, 코일 파워를 1500W로 한다. 그리고, 에칭 처리의 처리 시간을 10초, 보호막(92)을 형성하고 있는 시간을 6초로 하고, 에칭 처리와, 보호막(92)의 형성을 교대로, 합계로 14분 24초 행한다. 이상으로, 처리를 종료한다. (2) 지지막(5)에 두께 일정부(511)를 형성하지 않는 경우 우선, 기판(2)에 대한 에칭 처리에서는, 처리 가스로서 SF 6 과 O 2 와의 혼합 가스를 이용하고, 처리 가스의 유량을 450sccm으로 하고, 코일 파워를 2500W로 한다. 또한, 기판(2)에 대해 보호막(92)을 형성할 때는, 처리 가스로서 C 4 F 8 과 O 2 와의 혼합 가스를 이용하고, 처리 가스의 유량을 150sccm으로 하고, 코일 파워를 1500W로 한다. 그리고, 에칭 처리의 처리 시간을 10초, 보호막(92)을 형성하고 있는 시간을 6초로 하고, 에칭 처리와, 보호막(92)의 형성을 교대로, 합계로 36분 행한다. 다음으로, 지지막(5)에 대한 에칭 처리에서는, 처리 가스로서 SF 6 과 O 2 와의 혼합 가스를 이용하고, 처리 가스의 유량을 450sccm으로 하고, 코일 파워를 2000W로 한다. 또한, 지지막(5)에 대해 보호막(92)을 형성할 때는, 처리 가스로서 C 4 F 8 과 O 2 와의 혼합 가스를 이용하고, 처리 가스의 유량을 150sccm으로 하고, 코일 파워를 1500W로 한다. 그리고, 에칭 처리의 처리 시간을 5초, 보호막(92)을 형성하고 있는 시간을 3초로 하고, 에칭 처리와, 보호막(92)의 형성을 교대로, 합계로 20분 행한다. 이상으로, 처리를 종료한다. <초음파 검사 장치의 실시 형태> 도 9는, 본 발명의 초음파 검사 장치의 실시 형태를 도시하는 블록도이다. 도 9에 도시한 바와 같이, 초음파 검사 장치(100)는, 전술한 초음파 프로브(10)와, 초음파 프로브(10)와 케이블(210)을 통해 전기적으로 접속되는 장치 본체(300)를 구비하고 있다. 장치 본체(300)는, 제어부(제어 수단)(310)와, 구동 신호 발생부(320)와, 검출 신호 처리부(330)와, 화상 신호 처리부(340)와, 화상 표시부(표시 수단)(350)를 구비하고 있다. 또한, 검출 신호 처리부(330) 및 화상 신호 처리부(340)에 의해, 신호 처리부가 구성된다. 제어부(310)는, 예를 들면, 마이크로컴퓨터 등으로 구성되고, 구동 신호 발생부(320), 화상 신호 처리부(340) 등, 장치 본체(300) 전체의 제어를 행한다. 또한, 화상 표시부(350)는, 예를 들면, CRT, LCD 등의 디스플레이 장치로 구성되어 있다. 다음으로, 초음파 검사 장치(100)의 동작에 대해 설명한다. 검사 시는, 초음파 프로브(10)의 음향 정합부(6)의 표면을 검사 대상인 생체에 접촉시키고, 초음파 검사 장치(100)를 작동시킨다. 우선, 제어부(310)가 구동 신호 발생부(320)에 송신 명령을 출력하면, 구동 신호 발생부(320)는, 각 초음파 소자(8)에 대해, 각각, 소정의 타이밍에서, 그 초음파 소자(8)를 구동하는 구동 신호를 송신한다. 이에 의해, 각 초음파 소자(8)가, 각각, 소정의 타이밍에서 구동한다. 이에 의해, 초음파 프로브(10)의 초음파 트랜스듀서(1)로부터 초음파가 발신된다. 발신된 초음파는, 생체 내부에 전반하고, 생체 내의 소정의 부위에서 반사된 초음파는, 초음파 프로브(10)의 초음파 트랜스듀서(1)에 입력된다. 그리고, 초음파 트랜스듀서(1)로부터는, 입력된 초음파에 따른 검출 신호가 출력된다. 이 검출 신호는, 케이블(210)을 통해 장치 본체(300)의 검출 신호 처리부(330)에 송신되고, 검출 신호 처리부(330)에 있어서, 소정의 신호 처리가 실시되고, 검출 신호 처리부(330)에 포함되어 있는 도시하지 않은 A／D 변환기에 의해 디지털 신호로 변환된다. 검출 신호 처리부(330)로부터 출력된 디지털 신호는, 화상 신호 처리부(340)에 입력되고, 프레임 타이밍 신호에 동기하여, 화상 신호 처리부(340)에 포함되어 있는 도시하지 않은 1차 기억부에 면(面) 데이터로서 순차 기억된다. 화상 신호 처리부(340)는, 각 면 데이터에 기초하여, 2차원 또는 3차원의 화상 데이터를 재구성함과 함께, 화상 데이터에 대해, 예를 들면, 보간, 리스폰스 강조 처리, 계조 처리 등의 화상 처리를 실시한다. 화상 처리가 실시된 화상 데이터는, 화상 신호 처리부(340)에 포함되어 있는 도시하지 않은 2차 기억부에 기억된다. 그리고, 화상 처리가 실시된 화상 데이터는, 화상 신호 처리부(340)의 2차 기억부로부터 읽혀내어지고, 화상 표시부(350)에 입력된다. 화상 표시부(350)는, 화상 데이터에 기초하여 화상을 표시한다. 의사 등의 의료 종사자는, 상기 화상 표시부(350)에 표시된 화상을 보며, 진단 등을 행한다. 이상, 본 발명의 초음파 트랜스듀서, 초음파 프로브 및 초음파 검사 장치를, 도시한 실시 형태에 기초하여 설명하였지만, 본 발명은 이것으로 한정되는 것은 아니고, 각 부의 구성은, 동일한 기능을 갖는 임의의 구성의 것으로 치환할 수 있다. 또한, 본 발명에, 다른 임의의 구성물이 부가되어 있어도 된다. 또한, 상기 실시 형태에서는, 초음파 소자의 수, 즉, 압전 소자 및 지지막의 개구 대응 부위의 수는, 각각, 복수이지만, 본 발명에서는, 이것으로 한정되지 않고, 단수이어도 된다.
1 : 초음파 트랜스듀서
2 : 기판
21 : 개구
5 : 지지막
51 : 다이어프램
511 : 두께 일정부
512 : 두께 점증부
52 : 오목부
6 : 음향 정합부
7 : 압전체
71 : 하부 전극
71a : 하부 전극용 도선
72 : 압전막
73 : 상부 전극
73a : 상부 전극용 도선
8 : 초음파 소자
91 : 레지스트막
92 : 보호막
10 : 초음파 프로브
100 : 초음파 검사 장치
200 : 케이스
210 : 케이블
300 : 장치 본체
310 : 제어부
320 : 구동 신호 발생부
330 : 검출 신호 처리부
340 : 화상 신호 처리부
350 : 화상 표시부
X, Y : 영역 |
