CN114504344B - 压电致动器、超声波元件、超声波探针以及超声波装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了压电致动器、超声波元件、超声波探针以及超声波装置，能够抑制不必要的频率的振动的出现。压电致动器具备：振动板，具有将设置于基板的开口部封闭的第一面和设置有多个压电元件的第二面；抑制部，抑制振动板的振动；以及多个立壁，从第一面向开口部延伸，在将第一电极、压电体层以及第二电极重叠的部分设为压电元件的有源部时，在从第一电极、压电体层以及第二电极的层叠方向俯视观察时，立壁设置于相邻的有源部之间，在与层叠方向正交的面内，相邻的立壁间的距离大于相邻的有源部间的距离。

Description

压电致动器、超声波元件、超声波探针以及超声波装置

技术领域

本发明涉及压电致动器、超声波元件、超声波探针以及超声波装置。

背景技术

以往，如专利文献1所示，已知一种超声波传感器，具备：形成有开口部的基板；以堵塞开口部的方式设置于基板的振动板；以及包括层叠于与振动板的开口部相反一侧的第一电极、压电体层以及第二电极的多个压电元件，在第一电极、压电体层以及第二电极所层叠的方向上，在将第一电极、压电体层以及第二电极完全重合的部分设为有源部时，在相邻的有源部之间设置有抑制振动板的振动的抑制部。

专利文献1：日本特开2015-188208号公报

在所述构成中，能够使开口部的尺寸相对于有源部变大。但是，开口部的尺寸变大时，担心成为可从外部直接接触振动板等的状态，很有可能引发故障。存在通过在开口部设置横梁，能够从外部保护振动板等，但振动板的振动传导到横梁，因横梁振动而出现不必要的频率的振动这样的课题。

发明内容

压电致动器具备：基板，形成有开口部；振动板，设置于所述基板，所述振动板的第一面封闭所述开口部；多个压电元件，在所述振动板的与所述第一面相反一侧的第二面，与所述开口部对应设置；抑制部，与所述压电元件对应设置，并抑制所述振动板的振动；以及多个立壁，从所述第一面向所述开口部延伸，在所述压电元件中，从所述第二面侧依次层叠有第一电极、压电体层、第二电极，在将所述第一电极、所述压电体层以及所述第二电极重叠的部分设为有源部时，在从层叠方向俯视观察时，所述立壁设置于相邻的所述有源部之间，在与所述层叠方向正交的面内，相邻的所述立壁间的距离大于相邻的所述有源部间的距离。

超声波元件具备上述记载的压电致动器；发送电路，用于所述压电致动器发送超声波；以及接收电路，用于所述压电致动器接收超声波。

超声波探针具备上述记载的超声波元件和收纳所述超声波元件的壳体。

超声波装置具备上述记载的超声波元件和控制所述超声波元件的控制部。

电子设备具备上述记载的压电致动器。

附图说明

图1是示出实施方式1所涉及的超声波测定装置的简易构成的立体图。

图2是示出实施方式1所涉及的超声波测定装置的简易构成的框图。

图3是示出实施方式1所涉及的压电致动器的简易构成的立体图。

图4是从基部侧观察实施方式1所涉及的压电致动器时的俯视图。

图5是是从密封板侧观察实施方式1所涉及的压电致动器时的俯视图。

图6是基于图4中的A-A线的剖视图。

图7是从基部侧观察比较例所涉及的压电致动器时的俯视图。

图8是示出比较例所涉及的压电致动器的频谱的图。

图9是示出实施方式1所涉及的压电致动器的频谱的图。

图10是从基部侧观察实施方式2所涉及的压电致动器时的俯视图。

图11是基于图10中的B-B线的剖视图。

附图标记说明

1…作为超声波装置的超声波测定装置，2…超声波探针，3…线缆，10…控制部，21…壳体，22、22A、22B…压电致动器，23…电路基板，24…超声波元件，41…基部，42…密封板，43…抑制部，43A…第一抑制部，43B…第二抑制部，231…选择电路，232…发送电路，233…接收电路，411…基板，411A…开口部，412…振动板，412h…第一面，412r…第二面，413…压电元件，413A…有源部，414…第一电极，414P…第一电极端子，415…压电体层，416…第二电极，416P…第二电极端子，418、418A、418B…立壁，W1…立壁418间的距离，W2…有源部413A间的距离，W3…抑制部43间的距离。

具体实施方式

1.实施方式1

参照图1以及图2说明实施方式1所涉及的超声波测定装置1。

如图1以及图2所示，作为本实施方式的超声波装置的超声波测定装置1具有超声波探针2、以及经由线缆3与超声波探针2电连接的控制部10。

在超声波测定装置1中，将超声波探针2与人体等生物体的表面抵接，从超声波探针2送出超声波，由超声波探针2接收在生体内反射的超声波，基于其接收信号，能够获取生体内的内部断层图像、测定血流等生物体内的器官的状态。

超声波探针2具有超声波元件24以及收纳超声波元件24的壳体21。

超声波元件24具有压电致动器22以及控制压电致动器22的电路基板23。

电路基板23具有：用于从压电致动器22发送超声波的发送电路232；用于压电致动器22接收超声波而输出接收信号的接收电路233；以及选择电路231。

选择电路231通过控制部10的控制，切换将压电致动器22和发送电路232连接的发送连接、以及将压电致动器22和接收电路233连接的接收连接。

发送电路232在切换到发送连接时，经由选择电路231输出用于使压电致动器22发送超声波的发送信号。

接收电路233在切换到接收连接时，经由选择电路231向控制部10输出从压电致动器22输入的接收信号。接收电路233在实施接收信号向数字信号的转换、噪声成分的除去、向期望信号电平的放大等的各信号处理后，将处理后的接收信号输出到控制部10。

壳体21形成为例如矩形状的箱状。壳体21的一面成为传感器面21A，在传感器面21A设置有传感器窗21B。从传感器窗21B露出压电致动器22的一部分。另外，在壳体21的一部分设置有线缆3的通过孔21C，线缆3从通过孔21C与电路基板23连接。

控制部10具有操作部11、显示部12、存储部13以及运算部14。控制部10控制超声波元件24。控制部10例如能够使用智能手机、个人电脑等的通用终端装置、用于操作超声波探针2的专用终端装置。

操作部11是用于操作超声波测定装置1的用户界面，能够使用例如设于显示部12上的触摸面板、操作按钮等。显示部12通过例如液晶显示器等而构成，使其显示图像。存储部13存储用于控制超声波测定装置1的各种程序、各种数据。运算部14通过例如CPU等的运算电路、存储器等的存储电路构成。运算部14通过读入并执行存储于存储部13的各种程序，对发送电路232进行发送信号的生成以及输出处理的控制，对接收电路233进行接收信号的频率设定、增益设定等的控制。

参照图3～图6、以及图9说明实施方式1所涉及的压电致动器22。此外，图5为了方便说明压电致动器22的内部的构成，图示出拆下密封板42后的状态。另外，在图中，为了方便说明，各构成要素的尺寸比率与实际不同。

在附图中标记的坐标中，将相互正交的三个轴作为X轴、Y轴、以及Z轴说明。将沿X轴的方向设为“X方向”、将沿Y轴的方向设为“Y方向”、将沿Z轴的方向设为“Z方向”，箭头的方向是正方向。另外，在从Z方向俯视观察时，将Z方向正侧的面作为上表面，将成为与其相反一侧的Z方向负侧的面作为下表面。

如图3所示，压电致动器22具备基部41、密封板42以及抑制部43。

如图3以及图4所示，基部41具有形成有开口部411A的基板411、封闭开口部411A的振动板412、设置于振动板412的多个压电元件413、以及设置于振动板412的多个立壁418。此外，也可以在基板411的开口部411A设置有声响整合层、声响透镜等。

基板411是硅等的半导体基板。在基板411中，在从Z方向俯视观察时，在基板411的中央部具有开口部411A。在本实施方式中，在从Z方向俯视观察时，开口部411A是与Y方向平行的边的长度短于与X方向平行的边的长度的矩形状。

振动板412是例如基于氧化硅、氧化硅以及氧化锆的层叠体等的薄膜。振动板412具有第一面412h以及与第一面412h相反一侧的第二面412r。第一面412h是振动板412的上表面，第二面412r是振动板412的下表面。振动板412设置于基板411的下表面，振动板412的第一面412h从基板411的下表面侧封闭基板411的开口部411A。

立壁418设置于振动板412的第一面412h，从第一面412h向开口部411A延伸。通过设置立壁418，能够防止从外部经由开口部411A直接接触振动板412。

在从Z方向俯视观察时，立壁418与Y方向平行地延伸。另外，立壁418的Y方向正侧以及Y方向负侧的端部分别与开口部411A的Y方向正侧以及Y方向负侧的周缘连接。由此，立壁418作为支撑振动板412的横梁发挥功能，能够使振动板412的强度提高。

此外，在本实施方式中，如上所述，在从Z方向俯视观察时，开口部411A是与Y方向平行的边的长度短于与X方向平行的边的长度的矩形状，因此对于立壁418的长度，与作为开口部411A的短边方向的Y方向平行地延伸情况比与作为开口部411A的长边方向的X方向平行地延伸情况变短。因此，通过使立壁418与Y方向平行地延伸，能够提高立壁418的强度。

在本实施方式中，立壁418通过对基板411使用光刻法进行图案形成而形成，但不限于此，也可以是例如在通过旋转涂胶、溅射等将感光性的树脂材料涂布到开口部411A后使用光刻法进行图案形成，由树脂材料形成。

压电元件413以及抑制部43设置于振动板412的第二面412r。

在从Z方向俯视观察时，密封板42形成为与基板411大致相同形状。密封板42与振动板412的第二面412r相对而配置。密封板42的上表面和基板411的下表面经由振动板412接合。在从Z方向俯视观察时，密封板42具有上表面的中央部向下方凹陷的凹部所形成的空间S，设置于振动板412的第二面412r的压电元件413被密封于该空间S。

如图4～图6所示，多个压电元件413在振动板412的与第一面412h相反一侧的第二面412r中，与基板411的开口部411A对应而设置。具体而言，在从Z方向俯视观察时，压电元件413以与开口部411A重叠的方式配置。

压电元件413是层叠有第一电极414、压电体层415以及第二电极416而成的层叠体。第一电极414、压电体层415以及第二电极416从振动板412的第二面412r侧，按第一电极414、压电体层415、第二电极416的顺序层叠。在从作为层叠有第一电极414、压电体层415和第二电极416的层叠方向的Z方向俯视观察时，第一电极414、压电体层415和第二电极416重叠的部分作为有源部413A发挥功能。

第一电极414沿Y方向延伸遍及多个有源部413A连续设置。沿X方向排列的多个第一电极414的Y方向正侧以及Y方向负侧的端部在基板411的Y方向正侧以及Y方向负侧的外周缘中分别接线，与设置于基板411的Y方向正侧以及Y方向负侧的外周缘的第一电极端子414P电连接。

在从Z方向俯视观察时，压电体层415与第一电极414和第二电极416的交叉位置对应而配置为矩阵状。压电体层415能够使用代表性的锆钛酸铅系的锆钛酸铅构造的复合氧化物。据此，变得容易确保压电元件413的位移量。另外，压电体层415还能够使用不含铅的锆钛酸铅构造的复合氧化物。据此，能够使用对环境的负荷少的非铅系材料实现压电致动器22。

第二电极416沿X方向延伸而遍及多个有源部413A连续设置。沿Y方向排列的多个第二电极416的X方向负侧的端部相互接线，引出至基板411的Y方向正侧以及Y方向负侧的外周缘。引出到基板411的外周缘的第二电极416与设置于基板411的Y方向正侧以及Y方向负侧的外周缘的第二电极端子416P电连接。

第一电极414、第二电极416只要具有导电性，则其材料没有限制。作为第一电极414、第二电极416的材料，能够使用例如铱、银、钛等的导电性层。此外，导电性层也可以是单层，也可以是复层。

多个压电元件413沿Y方向和X方向配置为矩阵状，所述Y方向是沿着与在有源部413A中第一电极414和压电体层415和第二电极416层叠的层叠方向即Z方向正交的第一轴即Y轴的方向，所述X方向是沿着与第一轴即Y轴正交的第二轴即X轴的方向。在本实施方式中，通过沿Y方向排列为一列配置的多个压电元件413而形成一个收发列，通过沿X方向排列配置的多列的收发列而形成一个沟道CH，通过沿X方向排列配置的多个沟道CH，形成基于多个压电元件413的矩阵。

如图5以及图6所示，抑制部43设置于振动板412的第二面412r。抑制部43的上表面与振动板412的第二面412r接合，抑制部43的下表面与密封板42接合。由此，抑制部43固定振动板412，能够抑制振动板412的振动。

抑制部43与压电元件413对应而设置。抑制部43具有：沿X方向延伸而形成的多个第一抑制部43A；以及沿Y方向延伸而形成的多个第二抑制部43B。第一抑制部43A配置于沿Y方向排列而相邻的压电元件413之间，第二抑制部43B配置于沿X方向排列而相邻的压电元件413之间。即，在压电元件413的Y方向正侧以及Y方向负侧的振动板412配置有第一抑制部43A，在压电元件413的X方向正侧以及X方向负侧的振动板412配置有第二抑制部43B。由此，抑制部43能够限制振动板412的Y方向以及X方向的振动范围。

抑制部43例如通过树脂材料构成，能够在由旋转涂胶、溅射等将感光性的树脂材料涂布到振动板412后使用光刻法而进行图案形成而形成。

此外，在本实施方式中，如上所述，抑制部43设置于振动板412的第二面412r，但也可以将抑制部43设置于振动板412的第一面412h。其中，将抑制部43设置于振动板412的第二面412r的一方更能够容易抑制振动板412的振动。

在从Z方向俯视观察时，密封板42在与第一电极端子414P以及第二电极端子416P对应的位置具有未图示的贯通孔。在未图示的贯通孔插通有例如FPC(Flexible printedcircuits：柔性印刷电路)等的未图示的布线部件。经由该未图示的布线部件，第一电极端子414P以及第二电极端子416P与电路基板23电连接。

在超声波的发送时，从电路基板23经由未图示的布线部件，对第一电极端子414P输入驱动信号，对第二电极端子416P输入共通偏压信号。通过控制对第一电极端子414P输入的驱动信号的信号强度、信号输入定时，在有源部413A的第一电极414与第二电极416之间产生电位差，压电体层415振动，伴随于此振动板412振动而产生超声波。

在超声波的接收时，从电路基板23对第二电极端子416P输入共通偏压信号。并且，来自对象物的超声波被输入压电致动器22，振动板412振动时，压电元件413挠曲，根据压电元件413的挠曲在第一电极414与第二电极416之间产生电位差。由此，从第一电极端子414P向电路基板23输出与来自对象物的超声波对应的检测信号。

如图4以及图6所示，在振动板412的第一面412h设置有从第一面412h向开口部411A延伸的多个立壁418。通过立壁418，开口部411A被划分为多个小开口部。换言之，立壁418作为包围多个小开口部的间隔壁发挥功能。

在从在压电元件413的有源部413A中第一电极414、压电体层415以及第二电极416所层叠的层叠方向即Z方向俯视观察时，多个立壁418设置于相邻的有源部413A之间。多个立壁418与沿作为与Z方向正交的第一轴的Y轴的Y方向平行地延伸，与Y方向平行地延伸的多个立壁418沿X方向排列而配置，所述X方向是沿着与作为第一轴的Y轴正交的第二轴即X轴的方向。

此外，在本实施方式中，立壁418与Y方向平行地延伸，但立壁418也可以与X方向平行地延伸。

如图4～图6所示，以使沿X方向排列而相邻的立壁418间的距离W1大于沿X方向排列而相邻的压电元件413的有源部413A间的距离W2的方式配置立壁418以及有源部413A。由此，通过增大沿X方向排列而相邻的立壁418间的距离W1，能够减弱立壁418间的结合，因此能够抑制不必要的频率的振动的出现。

另外，以使沿X方向排列而相邻的立壁418间的距离W1成为沿X方向排列而相邻的抑制部43间的距离W3的2倍以上的方式配置立壁418以及抑制部43。沿X方向排列而相邻的抑制部43间的距离W3表示振动板412没有被抑制部43抑制而通过有源部413A的振动能够振动的振动区域的X方向的宽度。即，通过以使沿X方向排列而相邻的立壁418间的距离W1成为沿X方向排列而相邻的抑制部43间的距离W3的2倍以上的方式配置立壁418以及抑制部43，能够在沿X方向排列而相邻的立壁418之间，将振动板412没有被抑制部43抑制而能够振动的振动区域配置为沿X方向排列两个以上。在本实施方式中，在沿X方向排列而相邻的立壁418之间将振动板412没有被抑制部43抑制而能够振动的振动区域配置为沿X方向排列两个。

由此，通过将沿X方向排列而相邻的立壁418间的距离W1设为沿X方向排列而相邻的抑制部43间的距离W3的2倍以上，能够减少振动板412的振动所传播的立壁418的个数，因此能够减弱立壁418间的结合，能够抑制不必要的频率的振动的出现。

另外，在本实施方式中，在沿X方向排列而相邻的立壁418之间，多个有源部413A沿X方向排列而配置，具体而言，在沿X方向排列而相邻的立壁418之间，两个有源部413A沿X方向排列而配置。此外，在沿X方向排列而相邻的立壁418之间沿X方向排列而配置的有源部413A的个数也可以是两个以上。

在此，对于相邻的立壁418间的距离W1对压电致动器22产生的影响，将本实施方式和比较例进行对比而说明。

首先，参照图7说明比较例的压电致动器22A。

如图7所示，在比较例的压电致动器22A中，相邻的立壁418A间的距离W1小于本实施方式的压电致动器22，在沿X方向排列而相邻的立壁418A之间配置有一个压电元件413。

接着，关于比较例的压电致动器22A和本实施方式的压电致动器22各自的频谱，参照图8以及图9说明。此外，频谱是指，在成为测定对象的振动中，示出以怎样的强度包括怎样的频率的振动。

如图8所示，关于比较例的压电致动器22A的频谱，虽然作为期望的频率的3～4MHz的强度高，但除此以外的不必要的频率的振动的强度也高。这是因为，如上所述，在压电致动器22A中，相邻的立壁418A间的距离W1小，因此振动板412的振动传播到立壁418A，从而立壁418A振动，在相邻的立壁418A间，立壁418A的振动容易结合而共振。

相对于此，如图9所示，关于本实施方式的压电致动器22的频谱，作为期望的频率的3～4MHz的强度进一步高于比较例的压电致动器22A，并且除此以外的不必要的频率的振动的强度变低。如上所述，在本实施方式中，沿X方向排列而相邻的立壁418间的距离W1大，使沿X方向排列而相邻的立壁418间的距离W1大于沿X方向排列而相邻的压电元件413的有源部413A间的距离W2。因此，即使因振动板412的振动传播到立壁418而立壁418振动，在相邻的立壁418间，立壁418的振动变得难以结合，能够抑制立壁418的共振所引起的不必要的频率的振动的出现。

此外，在本实施方式中，多个立壁418与正交于Z方向的Y方向平行地延伸，沿X方向排列而配置，但也可以使多个立壁418与正交于Z方向的X方向平行延伸，沿Y方向排列而配置。不限于立壁418排列配置的方向是沿作为第二轴的Y轴的Y方向的情况，即使是沿作为第一轴的X轴的X方向的情况，在包括作为与Z方向正交的第一轴的Y轴以及作为第二轴的X轴的面、即XY平面内，以使相邻的立壁418间的距离W1大于相邻的有源部413A间的距离W2的方式配置立壁418和有源部413A，从而能够得到与本实施方式同样的效果。

如以上所述，根据本实施方式，能够得到以下的效果。

压电致动器22具备：振动板412，具有将设置于基板411的开口部411A封闭的第一面412h和设置有多个压电元件413的第二面412r；抑制部43，抑制振动板412的振动；以及多个立壁418，从第一面412h向开口部411A延伸，在将第一电极414、压电体层415以及第二电极416重叠的部分设为压电元件413的有源部413A时，在从第一电极414、压电体层415以及第二电极416的层叠方向即Z方向俯视观察时，立壁418设置于相邻的有源部413A之间，在与作为层叠方向的Z方向正交的面即XY平面内，通过将相邻的立壁418间的距离W1设为大于相邻的有源部413A间的距离W2，能够减少振动板412的振动所传播的立壁418的个数，因此能够减弱立壁418间的结合，能够抑制不必要的频率的振动的出现。由此，能够得到高精度的压电致动器22。

另外，即使振动板412的振动传播到立壁418而立壁418振动，也能够将由抑制部43包围的压电元件413处理为孤立振动器，因此能够得到频率特性均匀的压电致动器22。

另外，能够经由立壁418抑制振动板412的振动能量的泄漏，因此能够提高压电元件413的Q值，能够得到振动的稳定性优异的压电致动器22。

2.实施方式2

接着，参照图10以及图11说明实施方式2所涉及的压电致动器22B。此外，在以下的说明中，以与上述的实施方式1的不同点为中心说明，对于与实施方式1相同的构成，标注同一标号，省略重复的说明。

本实施方式所涉及的压电致动器22B与实施方式1的压电致动器22相比，多个立壁418B间的距离W1变大。

如图10以及图11所示，以使沿X方向排列而相邻的立壁418B间的距离W1大于沿X方向排列而相邻的压电元件413的有源部413A间的距离W2的方式配置立壁418B以及有源部413A。具体而言，在从Z方向俯视观察时，多个立壁418B设置于沿X方向排列而配置的多个沟道CH。

另外，在本实施方式中，在沿X方向排列而相邻的立壁418B之间，振动板412没有被抑制部43抑制而通过有源部413A的振动能够振动的振动区域配置为沿X方向排列六个。

另外，在本实施方式中，在沿X方向排列而相邻的立壁418B之间，多个有源部413A沿X方向排列而配置，具体而言，在沿X方向排列而相邻的立壁418B之间，六个有源部413A沿X方向排列而配置。

根据本实施方式，除了实施方式1中的效果以外，能够得到以下的效果。压电致动器22B与实施方式1的压电致动器22相比，多个立壁418B间的距离W1进一步变大，振动板412的振动所传播的立壁418B的个数进一步减小，因此能够进一步减弱立壁418间的结合，能够进一步抑制不必要的频率的振动的出现。

Claims (5)

1.一种压电致动器，其特征在于，具备：

基板，形成有开口部；

振动板，设置于所述基板，所述振动板的第一面封闭所述开口部；

多个压电元件，在所述振动板的与所述第一面相反一侧的第二面，与所述开口部对应设置；

抑制部，与所述压电元件对应设置，并抑制所述振动板的振动；以及

多个立壁，从所述第一面向所述开口部延伸，

在所述压电元件中，从所述第二面侧依次层叠有第一电极、压电体层、第二电极，

在将所述第一电极、所述压电体层以及所述第二电极重叠的部分设为有源部时，在从层叠方向俯视观察时，所述立壁设置于相邻的所述有源部之间，在与所述层叠方向正交的面内，相邻的所述立壁间的距离大于相邻的所述有源部间的距离，

相邻的所述立壁间的距离是相邻的所述抑制部间的距离的2倍以上。

2.根据权利要求1所述的压电致动器，其特征在于，

所述抑制部设置于所述振动板的所述第二面。

3.一种超声波元件，其特征在于，具备：

权利要求1或2所述的压电致动器；

发送电路，用于所述压电致动器发送超声波；以及

接收电路，用于所述压电致动器接收超声波。

4.一种超声波探针，其特征在于，具备：

权利要求3所述的超声波元件；以及

壳体，收纳所述超声波元件。

5.一种超声波装置，其特征在于，具备：

权利要求3所述的超声波元件；以及

控制部，控制所述超声波元件。