CN106449964A - 压电元件、探测器、超声波测量装置及极化处理方法 - Google Patents

压电元件、探测器、超声波测量装置及极化处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及压电元件、探测器、超声波测量装置及极化处理方法。在压电元件上，在压电体的一侧面等间隔并以直线状配置有第一电极、第二电极以及第三电极三个电极。在利用压电效应而接收超声波的情况下，将第一电极与第三电极之间的电位差(电压)作为超声波的检测信号而取出。作为用于利用压电效应的初始化的对压电体的极化处理通过在相邻的电极间按顺序施加规定的同一方向的极化处理用电场而进行。即，首先，在第一电极与第二电极之间施加极化处理用电场V1，接着，在第二电极与第三电极之间施加极化处理用电场V1。此时的极化处理用电场V1成为在第一电极与第三电极之间一次性地施加电场而极化处理的情况下的一半。

Description

压电元件、探测器、超声波测量装置及极化处理方法
技术领域
本发明涉及压电体的极化处理方法等。
背景技术
作为转换超声波与电信号的压电元件(超声波转换器)的一个例子，已知有将电极设于压电体的上表面和下表面的、所谓的上下电极结构的压电元件(例如，参照专利文献1)。接受超声波而使电信号产生的压电元件的原理在于，感受到基于超声波的弹性波的压电体歪斜，从而对应于该歪斜而生成表面电荷，在两个电极间产生电位差(电压)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1日本特开2002-271897号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
在压电元件的结构上，除上述的上下电极结构以外，还已知有将两个电极设于压电体的一侧面的、所谓的水平电极结构。与上下电极结构的压电元件相比较，在水平电极结构的压电元件上具有接收灵敏度好这样的优点。
可是，作为利用压电效应之前的初始化，压电元件必需将电场施加于电极间而使电极间的压电体的极化力矩朝向同一方向对齐等极化处理。如果是上下电极结构的压电元件的话，很少成为问题，但是对于水平电极结构的压电元件，与上下电极结构的压电元件相比较，电极间的间隙(间隔)大。因此，具有为了进行极化处理所需要的电极间的电位差(电压)变大这样的问题。
本发明鉴于上述情况而做出，作为其目的之处是，在水平电极结构的压电元件中，使为了进行极化处理所需要的电场的大小减小。
用于解决技术问题的方案
用于解决上述问题的第一发明是一种压电元件，在第一个电极与第N(N≧3)个电极之间所产生的压电效应被供于实用，其中，具备：压电体和在所述压电体的一侧面配置了N个电极的水平电极结构，对于i＝1～(N－1)，分别将针对所述水平电极结构的一定方向的极化处理用电场施加于第i个以前的所述电极与第(i+1)个以后的所述电极之间，从而压电体被极化处理，所述压电体的极化力矩朝所述一定方向对齐。
另外，作为其它发明，一种极化处理方法，对具有在压电体的一侧面配置了N(N≧3)个电极的水平电极结构并且在第一个电极与第N个电极之间所产生的压电效应被供于实用的压电元件的所述压电体进行极化处理，可以构成进行如下的极化处理的极化处理方法：对于i＝1～(N－1)，，分别将针对所述水平电极结构的一定方向的极化处理用电场施加于第i个以前的所述电极与第(i+1)个以后的所述电极之间，从而使所述压电体的极化力矩变为所述一定方向。
另外，作为更进一步的其它发明，一种初始化装置，对具有在压电体的一侧面配置了N(N≧3)个电极的水平电极结构并且在第一个电极与第N个电极之间所产生的压电效应被供于实用的压电元件的所述压电体进行极化处理，可以构成进行如下的极化处理的初始化装置：对于i＝1～(N－1)，分别将针对所述水平电极结构的一定方向的极化处理用电场施加于第i个以前的所述电极与第(i+1)个以后的所述电极之间，从而使所述压电体的极化力矩变为所述一定方向。
根据该第一发明等，能够使用于水平电极结构的压电体的极化处理的极化处理用电场的大小减小。也就是说，压电元件虽然为水平电极结构，但是具备N个电极而并非两个电极。为了将在第一个电极与第N个电极之间所产生的压电效应供于实用，必须对第一个电极与第N个电极之间进行极化处理。假如想要对第一个电极与第N个电极间一次性地极化处理的话，就必须将很大的电场施加于第一个电极与第N个电极间。但是，根据本发明，通过对各个相邻的电极间重复进行施加一定方向的极化处理用电场，从而能够实现第一个电极与第N个电极间的极化处理。即，由于相邻的电极间的距离比第一个电极与第N个电极之间的距离短，因此能够使极化处理用电场的大小减小。
作为更具体的发明，作为第二发明，可以构成一种压电元件，其中，在第一发明的压电元件中，相邻的所述电极间的距离为2μm以上8μm以下。
另外，作为第三发明，可以构成一种压电元件，其中，在第一或第二发明的压电元件中，所述极化处理用电场比所述压电体的矫顽电场大。
并且，作为水平电极结构的具体例，作为第四发明，可以构成一种压电元件，其中，在第一至第三任一个发明的压电元件中，所述水平电极结构被构成为所述N个电极配置成直线状。
另外，作为第五发明，可以构成一种压电元件，其中，在第四发明的压电元件中，所述水平电极结构被构成为所述N个电极配置成等间隔。
根据该第五发明，由于电极被配置成等间隔，因此能够使施加于各电极间的极化处理用电场变为相同。
第六发明是一种探测器，具备：第一至第五中任一个发明的压电元件和输出在第一个所述电极与第N个所述电极之间所产生的电信号的输出部，发挥作为弹性波接收部的功能。
根据该第六发明，能够实现通过具有第一至第五中任一个发明的效果的压电元件来接收弹性波并作为电信号而输出的探测器。
作为第七发明，可以构成一种超声波测量装置，其具备用于接收超声波信号的第六发明的探测器。
根据该第七发明，能够实现具有第六发明的效果的超声波测量装置。
作为第八发明，可以构成一种电子设备，其具备第六发明的探测器。
根据该第八发明，能够实现具有第六发明的效果的电子设备。
附图说明
图1为示出超声波测量装置的概略结构以及超声波探测器的上表面的图。
图2为示出超声波探测器的下表面的图。
图3为超声波器件单元的概念构成图。
图4为接收元件(压电元件)的俯视图。
图5为接收元件(压电元件)的截面图。
图6为极化处理的程序的说明图。
图7为当进行极化处理时的装置构成图。
图8为压电元件的其它构成例。
图9为接收元件的其它构成例。
具体实施方式
(1)超声波诊断装置
图1为示出本实施方式中的超声波测量装置1的概略结构以及超声波探测器20的上表面的图。根据图1，超声波测量装置1是使用超声波来测量被检者的生物体信息的电子设备，被构成为具备装置主体10和超声波探测器20。装置主体10与超声波探测器20由电缆12连接，从装置主体10向超声波探测器20发送驱动信号的同时，从超声波探测器20向装置主体10发送检测信号。
另外，在装置主体10上连接有显示装置14。显示装置14具有显示器面板16，按照来自装置主体10的显示信号而将例如基于由超声波探测器20所产生的检测信号的图像显示于该显示器面板16。此外，虽然将显示装置14形成为与装置主体10分开形式，但是也可以采用作为一体的结构。
(2)超声波探测器
超声波探测器20通过将表侧体26与背侧体24相互结合而形成薄型直方体这样的壳体22，并在壳体22的内部具有超声波器件单元40(参照图3)。电缆12通过形成于表侧体26与背侧体24的结合面之间的电缆口28而连接于壳体22内部的超声波器件单元40。超声波器件单元40按照来自装置主体10的驱动信号而发送超声波，同时接收超声波的反射波，并将接收到的反射波的信号作为检测信号而输出至装置主体10。
图2为超声波探测器20的仰视图。在背侧体24的中央部设有声匹配部30，夹着声匹配部30而沿上下设有贴紧部32。被构成为声匹配部30的外表面与贴紧部32的外表面大致同一水平面的状态或声匹配部30的外表面这方突出的状态。声匹配部30及贴紧部32紧贴被检者的测量对象部位的皮肤面而粘贴超声波探测器20。超声波器件单元40被设置成位于壳体22内的声匹配部30的正下方。声匹配部30由例如硅树脂等具有接近于生物体的声阻抗“1.5[MRayl]”的声阻抗(例如1.0～1.5[MRayl])的材料形成。另外，贴紧部32由例如能装卸于测量对象部位的皮肤面的粘接材料形成。
(3)超声波器件单元
图3为概念性示出超声波器件单元40的结构的图。超声波器件单元40从壳体22的背面侧来观察(在图2中)而被配置于声匹配部30的正下方，被构成为具有多个超声波换能器44配置成二维阵列状的元件阵列42。即，在元件阵列42中，在第一方向FR(切片方向)上排列有N行的超声波换能器44，在与第一方向FR正交的第二方向SR(扫描方向)上排列有L列的超声波换能器44。一个超声波换能器44作为包括发送超声波的发送元件和接收超声波的反射波的接收元件50的换能器元件芯片而构成。本实施方式由于在超声波换能器44中的接收元件50上具有特征，因此在以下，对接收元件50更详细地说明。
(4)接收元件
图4为接收元件50的俯视图，图5为图4的A－A’箭视截面图。接收元件50具有压电元件62和振动膜64。压电元件62被构成为具有：压电体66、被配置于压电体66的一侧面的第一电极68、第二电极70以及第三电极72。压电体66由例如锆钛酸铅(PZT)等压电材料形成。压电体66的代表性的膜厚为200nm～2000nm。另外，第一电极68、第二电极70以及第三电极72的代表性的膜厚为20nm～200nm。
振动膜64被配置于与配置有电极的压电体66的一侧面相反侧。振动膜64将氧化硅(SiO2)层58和氧化锆(ZrO2)层60层叠而构成可挠膜。氧化硅层58的代表性的膜厚为200nm～1500nm，氧化锆层60的代表性的膜厚为200nm～1500nm。
在本实施方式中，在与配置有压电体66的振动膜64的一面相反侧的面上，以形成空腔(开口部)57的方式而配置有硅侧壁56。接收元件50以超声波从与空腔57相反侧即在图5中上方侧输入的方式而使用。空腔57的宽度W1对应于俯视观察中的接收元件50中的电极排列方向上的宽度W1(参照图4)。振动膜64在电极排列方向(宽度W1的方向)上的共振频率对应于所接收的超声波频率f0。在超声波频率f0为2MHz～20MHz的情况下，空腔57的宽度W1优选为15μm～60μm。
接收元件50被配置为使振动膜64朝着壳体20的背面侧，经由声匹配部30而接受弹性波(在本实施方式中超声波)并振动(参照图2)。
第一电极68、第二电极70以及第三电极72由例如铱(Ir)等导电材料形成，设于压电体66的一侧面(与振动膜64相反侧)而被构成为具有水平电极结构。具体而言，第一电极68被设于压电体66的一端侧，第三电极72被设于压电体66的另一端侧，第二电极70被设于第一电极68与第三电极72之间。另外，以第一电极68、第二电极70以及第三电极72各自的间隔W2变为相等的方式配置。该电极间的间隔W2被设定为2μm以上8μm以下。也就是说，第一电极68、第二电极70以及第三电极72三个电极以直线状等间隔配置。另外，在第一电极68与第二电极70之间以及第二电极70与第三电极72之间的压电体66的表面上，沿与三个电极的直线状排列交叉的方向形成有槽71。另外，第一电极68连接于第一电极线74，第二电极70连接于第二电极线76，第三电极72连接于第三电极线78。
在本实施方式中，为了说明的简明化，被构成为一个接收元件50具有一个压电元件62而进行了图示及说明，但是也可以是一个接收元件50具有多个压电元件62而构成。在那种情况下，将一个接收元件50中所包括的多个压电元件62并列地连接即可。即，能够通过将各压电元件62的第一电极68、第二电极70以及第三电极72连接于所对应的第一电极线74、第二电极线76以及第三电极线78来构成。
(5)接收处理
在由压电元件62进行的超声波接收处理中，在第一电极线74(也可称为第一电极68)与第三电极线78(也可称为第三电极72)之间表现出对应于接收到的超声波的电位差的信号(即电信号)，作为检测信号而被输出。更具体而言，从超声波换能器44的发送元件中已发送的超声波在被检者的生物体内反射，振动膜64感受该反射波(弹性波)而振动。由于振动膜64与压电体66被构成为一体，因此通过振动膜64由于超声波振动而变形，从而压电体66歪斜。在压电体66上生成对应于歪斜的表面电荷，在第一电极68与第三电极72之间表现出电位差(电压)，其作为基于在第一电极68与第三电极72之间所产生的压电效应的检测信号而被取出。压电元件62另外的检测信号以超声波换能器44单位被检测出，因此以图3所示那样的点矩阵的单位获得检测信号。
(6)极化处理
对于压电元件62，作为用于获得所期望的压电效应的初始化处理，必须进行用于使压电体66的极化力矩的方向一致的极化处理。图6为对压电元件62的极化处理的程序的说明图。极化处理按多个阶段执行。即，对相邻的电极间各个，按顺序将该电极间的压电体部分作为对象而施加作为规定的直流电场的极化处理用电场。在本实施方式中，压电元件62以直线状具有三个电极(第一电极68、第二电极70以及第三电极72)，相邻的电极间为两个，因此极化处理按两阶段执行。另外，所施加的极化处理用电场成为从被用于接收处理的检测的第一电极68朝着第三电极72去的方向，相邻的电极间的间隔W2相同，因此在两阶段的极化处理中所使用的极化处理用电场的大小变为相同。
具体而言，首先，如图6(a)所示，在第一电极68与第二电极70之间施加从第一电极68朝着第二电极70去的极化处理用电场V1。即，将第一个第一电极68的电位设定为“0”，将第二个以后的第二电极70以及第三电极72的电位设定为作为等电位的“V1”。由此，压电体66的第一电极68与第二电极70之间在从第一电极68朝着第二电极70去的方向上被极化。
接着，如图6(b)所示，在第二电极70与第三电极72之间施加从第二电极70朝着第三电极72去的极化处理用电场V1。即，将第二个以前的第一电极68以及第二电极70的电位设定为作为等电位的“0”，将第三个第三电极72的电位设定为“V1”。由此，压电体66的第二电极70与第三电极72之间在从第二电极70朝着第三电极72去的方向上被极化。
由此，如图6(c)所示，获得与在第一电极68与第三电极72之间施加了极化处理用电场V1×2的情况同样的极化处理的效果。也就是说，在本实施方式中，与对用于接收处理的第一电极68与第三电极72之间一次性地极化处理的情况相比，能够使极化处理用电场的大小变小。极化处理用电场V1的代表性的值为20V～60V。该极化处理用电场V1的大小必须比作为压电体66极化反转的电场的矫顽电场Vc变大。
实际的极化处理通过初始化装置80来进行。在图7中示出表示接收元件50与初始化装置80的连接关系的概念图。在图7中，为了说明的简明化，只图示了一个接收元件50，但是实际上，构成超声波器件单元40的各超声波换能器44的各接收元件50同样地与装置主体10连接。
装置主体10具备：进行用于初始化的极化处理的初始化装置80和进行涉及到超声波接收的接收处理的接收装置82。虽然省略图示及说明，但是，装置主体10当然还具备进行涉及到超声波发送的发送处理的装置和进行显示装置14的显示控制的显示控制装置等。接收元件50的电极线(第一电极线74、第二电极线76以及第三电极线78)与初始化装置80以及接收装置82连接，按如下方式切换来使用：在初始化(极化处理)时，初始化装置80将电压施加于电极线；在接收处理时，接收装置82取得电极线上所表现出的电位(更具体而言第一电极线74与第三电极线78间的电位)。
初始化装置80通过对各个电极线施加规定电位，从而将极化用电场施加于电极间而进行极化处理。也就是说，通过将第一电极线的电位设定为“0(GND)”、将第二电极线76以及第三电极线78的电位设定为“V1”，从而在第一电极线74与第二电极线76之间施加极化处理用电场V1。接着，通过将第一电极线74及第二电极线76的电位设定为“0(GND)”、将第三电极线78的电位设定为“V1”，从而在第二电极线76与第三电极线78之间施加极化处理用电场V1。
[作用效果]
这样，根据本实施方式，在水平电极结构的压电元件62中，能够使极化处理用电场减小。即，压电元件62在压电体66的一侧面以等间隔、直线状配置而具备第一电极68、第二电极70以及第三电极72三个电极。在利用压电效应而接收超声波的情况下，能够将第一电极68与第三电极72之间的电位差(电压)作为超声波的检测信号而取出。作为用于利用压电效应的初始化的压电体66的极化处理通过在相邻的电极间按顺序施加规定的同一方向的极化处理用电场而进行。即，首先，在第一电极68与第二电极70之间施加极化处理用电场V1，接着，在第二电极70与第三电极72之间施加极化处理用电场V1。此时的极化处理用电场V1成为在第一电极68与第三电极72之间一次性地施加电场而极化处理的情况下的一半。
变形例
此外，本发明的能适用的实施方式不限定于上述的实施方式，在不脱离本发明的宗旨的范围内能适当变更，这一点不用说。
(A)电极的个数N
在上述的实施方式中，虽然对配置了第一电极68、第二电极70以及第三电极72三个(N＝3)电极的压电元件62进行了说明，但是对配置了四个以上(N＞3)的电极的压电元件也能同样地适用。
图8为具有四个电极(N＝4)的压电元件62A的截面图。如图8所示，压电元件62A在压电体66的一侧面配置有第一电极68A、第二电极70A、第三电极72A以及第四电极73四个电极。第一电极68A、第二电极70A、第三电极72A以及第四电极73以直线状而被配置成相邻的电极间的间隔W3变为相等。通过使电极间的间隔W3的合计(W3×3)变为与上述的实施方式中的压电元件62的电极间的间隔W2的合计(W2×2)相等，从而压电元件62A能够获得与压电元件62同等的接收灵敏度。
在对该压电元件62A的极化处理中，可以在相邻的电极间按顺序沿同一方向施加大小相等的极化用电场V4。即，将第一个第一电极68A的电位设定为“0(GND)”，将第二个以后的第二电极70A、第三电极72A以及第四电极73的电位设定为相等的“V4”。接着，将第二个以前的第一电极68A及第二电极70A的电位设定为“0(GND)”，将第三个以后的第三电极72A以及第四电极73的电位设定为相等的“V4”。其后，将第三个以前的第一电极68A、第二电极70A以及第三电极72A的电位设定为“0(GND)”，将第四个第四电极73的电位设定为相等的“V4”。
并且，对于具有五个以上(N≧5)的电极的压电元件也是同样的。即，在压电体的一侧面，等间隔并以直线状配置N个(N≧5)电极。然后，作为对压电元件的极化处理，对于i＝1～(N－1)，按顺序分别将规定的极化用电场施加于第i个以前的电极与第(i+1)个以后的电极之间。
(B)形状
另外，在上述的实施方式中，虽然将压电元件62的俯视观察形状(图4中的形状)设定为了正方形状，但也可以设定为长方形状等其它矩形状或多角形状、椭圆形状等其它形状。
(C)电极的间隔
另外，在上述的实施方式中，虽然将相邻的电极的间隔设定为了一定，但是也可以设定为不同的间隔。在这种情况下，例如，如果将电极的数量N设定为3、将第一电极与第二电极的间隔设为W11、将第二电极与第三电极的间隔设为W12的话，则通过使施加于第二电极与第三电极之间的极化用电场的大小设定为施加于第一电极与第二电极之间的极化用电场的(W12/W11)倍，从而能够使各电极间的极化力矩均匀化。即，使相邻的电极间的间隔的长度与极化用电场的大小成正比就很合适。
(D)超声波的输入方向
另外，也能够构成为超声波对接收元件50的输入方向不同。具体而言，如图9所示，能够构成在相对于振动膜64而与压电元件62相同的配置面侧以夹着压电元件62的方式配置了硅侧壁56的接收元件50A。该接收元件50A以超声波在图9中从下方侧输入的方式而使用。
于2015年8月4日提交的日本专利申请No.2015-153940的全部公开内容明确地结合于此作为参考。

Claims (10)

1.一种压电元件，在第一个电极与第N个电极之间所产生的压电效应被供于实用，N≧3，其特征在于，具备：
压电体；以及
在所述压电体的一侧面配置了N个电极的电极结构，
对于i＝1～(N－1)，分别将针对所述电极结构的一定方向的极化处理用电场施加于第i个以前的所述电极与第i+1个以后的所述电极之间，从而进行极化处理，使所述压电体的极化力矩朝所述一定方向对齐。
2.根据权利要求1所述的压电元件，其特征在于，
相邻的所述电极间的距离为2μm以上8μm以下。
3.根据权利要求1或2所述的压电元件，其特征在于，
所述极化处理用电场比所述压电体的矫顽电场大。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的压电元件，其特征在于，
所述电极结构被构成为所述N个电极配置成直线状。
5.根据权利要求4所述的压电元件，其特征在于，
所述电极结构被构成为所述N个电极配置成等间隔。
6.一种探测器，其特征在于，具备：
权利要求1至5中任一项所述的压电元件；以及
输出在第一个所述电极与第N个所述电极之间所产生的电信号的输出部，其中，
所述探测器发挥作为弹性波接收部的功能。
7.一种超声波测量装置，其特征在于，具备用于接收超声波信号的权利要求6所述的探测器。
8.一种电子设备，其特征在于，具备权利要求6所述的探测器。
9.一种极化处理方法，对具有在压电体的一侧面配置了N个电极的电极结构并且在第一个电极与第N个电极之间所产生的压电效应被供于实用的压电元件的所述压电体进行极化处理，N≧3，其特征在于，进行如下的极化处理：对于i＝1～(N－1)，分别将针对所述电极结构的一定方向的极化处理用电场施加于第i个以前的所述电极与第i+1个以后的所述电极之间，从而使所述压电体的极化力矩变为所述一定方向。
10.一种初始化装置，对具有在压电体的一侧面配置了N个电极的电极结构并且在第一个电极与第N个电极之间所产生的压电效应被供于实用的压电元件的所述压电体进行极化处理，N≧3，其特征在于，
进行如下的极化处理：对于i＝1～(N－1)，分别将针对所述电极结构的一定方向的极化处理用电场施加于第i个以前的所述电极与第i+1个以后的所述电极之间，从而使所述压电体的极化力矩变为所述一定方向。
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