JP2013098724A - 圧電デバイスおよび超音波探触子並びに圧電デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、メンブレンを効率良く大きく変形させることができ圧電デバイスおよび超音波探触子並びに圧電デバイスの製造方法の提供を目的とする。
【解決手段】本発明の超音波探触子における圧電デバイスとしての超音波送受信部５は、積層された薄板状の圧電部材６２を有する円形状のメンブレン６と、電極とを備えている。電極は、圧電部材６２の第１領域６８と第２領域６９とに夫々電圧の印加に伴い互いに逆向きの応力が発生し得るように、前記圧電部材６２に設けられた複数組の一対の第１電極６３、６５及び第２電極６４を備えている。
【選択図】図５

Description

本発明は、超音波探触子やインクジェットプリンタ等に使用される圧電デバイスおよび超音波探触子並びに圧電デバイスの製造方法に関するものである。

超音波診断装置は、非侵襲で内部組織の観察ができ、又、リアルタイムで観察ができるといった特徴を有するため、診断への応用場面が益々増加している。この超音波診断装置の超音波として、例えば基板にＰＺＴなどの圧電部材を形成したユニモルフ構造のメンブレンを太鼓状に振動させて超音波の送受信を行なうｐＭＵＴ（Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer）が知られている。

このようなｐＭＵＴの超音波探触子は、バルクＰＺＴをダイシングにより分割したものに比し、周波数帯域を広くすることができ、微細化して高解像度とすることができるとともに、３次元画像を取得するためのメンブレン（振動子）の２次元配列化に適しており、また、小型薄型化が可能であるために超音波内視鏡への応用に適している等の利点を有する。このようなｐＭＵＴの超音波探触子において、１次元配列の振動子では、取得できる画像が断層画像であるため、操作による偽陰性の危険性があることから、操作者（医師、超音波診断技師）の熟練度が要求される。このような課題を軽減するため、３次元画像を取得できる２次元配列の超音波探触子のニーズは高い。

このような超音波探触子においては、以下のようなエネルギ変換の動作を行う。送信では、電気エネルギを機械エネルギ（メンブレンの振動）に、更に機械エネルギを音響エネルギ（超音波）に変換する。一方、受信では、音響エネルギ（超音波）を機械エネルギ（メンブレンの振動）に、更に機械エネルギを電気エネルギに変換する。

機械エネルギと音響エネルギの相互の変換は、音響整合が重要であり、ｐＭＵＴの実効音響インピーダンスを生体の音響インピーダンスに整合させることが設計のポイントである。電気エネルギと機械エネルギの相互の変換は、圧電部材を含むメンブレン構成のエネルギ変換効率を高めることが重要である。圧電部材は、電界の方向と同じ方向（３３方向）の歪みを利用することが最も効率が良い（圧電部材の性能を表す指標ではｋ値：電気機械結合係数が高くなる）ため、超音波探触子においては、３３方向の歪みを用いる構成が有利である。又、ＰＺＴの厚み方向に電極を配設した構成に比べ、電極間隔を比較的大きく取れるため超音波受信時の感度（単位圧力に対する出力電圧）を向上できることもメリットとして挙げられる。

このような３３方向の歪みを利用した方式のものとして、特許文献１に超小型シェル型変換器が開示されている。このものは、保持基板上に、二つのショルダー部分の内側に、圧電部材（ソリッド電気アクティブ媒体）を積層したメンブレン（アーチ部分）を形成するとともに、それぞれのショルダー部分に一対の電極を取り付けてメンブレンと保持基板との間にチャンバーを形成する。そして、電圧を、プラス電極からマイナス電極に沿って印加させ同方向の電界を発生させて、圧電部材に応力を同方向に誘導させ、メンブレンを厚さ方向の上方又は下方に動かし湾曲状に撓み変形させる。

米国特許第６２２２３０４号明細書

しかしながら、メンブレンの撓み変形に伴い圧電部材には、メンブレンの場所によって引張応力が生じる箇所と圧縮応力が生じる箇所とができる。以下、図８に示すものを例にして詳しく説明する。この図８に示すものは、薄板状の基板１０１に積層された圧電部材１０２を有する膜部材１０１が保持部材１０３に保持されてその保持された被保持領域１０６の内側領域に配設される膜部材１０１により形成された円形状のメンブレン１００を備えたものである。メンブレン１００が、中心部に配設された第１電極１０４と被保持領域１０６側である外周側に配設された第２電極１０５との一対の電極への電圧の印加に伴って図８（ｂ）中に一点鎖線で示すように下側に湾曲状に撓み変形したとき、メンブレン１００における圧電部材１０２の被保持領域１０６側の第１領域１１１には引張応力が生じ、その第１領域１１１の径内側の第２領域１１２には圧縮応力が生じる。メンブレン１００が図８（ｂ）の上側に湾曲状に撓み変形する場合は、上記とは逆に、第１領域１１１には圧縮応力が生じ、第２領域１１２には引張応力が生じる。このような電極構成における撓み変形に伴う圧電部材に生じる応力は、メンブレン１００の撓み変形に際しその撓み変形を阻害し撓み変形をし難くする。

従って、このようなメンブレン１００の一部を構成する圧電部材１０２全体に単一な電界の与え方（単一方向の応力付加）では、上記撓み変形を阻害する応力のために、効率良くメンブレン１００を撓み変形させることができず、メンブレン１００の変位を大きくし難い。その結果、例えば超音波探触子に用いた場合、送信（音圧）を大きくできない。また、例えば外的な圧力によるメンブレンの変形を圧電部材によって検出するようなセンサとして用いる場合は、１組の一対の電極の場合、一対の電極間の圧電部材に逆方向に応力が生じるため、電荷が打ち消し合い、効率良く電荷を取出すことができず、センサ感度を大きく出来ない。そのため、例えば超音波探触子に用いた場合、受信感度を大きくできない。

本発明は、メンブレンを効率良く大きく変形させることができる圧電デバイスおよび超音波探触子並びに圧電デバイスの製造方法の提供を目的とする。

本発明の一態様に係る圧電デバイスは、圧電部材を積層した膜部材と、前記膜部材を保持する保持部材と、前記圧電部材に電圧を印加する一対の第１および第２電極とを備え、前記一対の第１および第２電極に給電することによって前記圧電部材に電圧を印加した場合に厚さ方向に撓み変形するように形成された前記膜部材の一部からなるメンブレンを有する圧電デバイスであって、前記一対の第１および第２電極は、複数組であり、前記複数組の前記一対の第１および第２電極は、前記メンブレンにおける前記圧電部材を複数の領域に分けるように配設されるとともに、前記複数組の一対の第１および第２電極にそれぞれ給電された場合に、前記複数の領域における互いに隣接する領域に互いに逆方向の応力が発生するように配線されていることを特徴とする。

この構成によれば、メンブレンの撓み変形に際し単一電極の場合に比較してその撓み変形を阻害するような応力を生じ難くできる。

例えばメンブレンの撓み変形に際して、その領域によって生じる応力方向が異なる場合に、複数組の一対の第１及び第２電極に電圧を印加することによって、第１領域に引張応力を発生させるとともに、第２領域に圧縮応力を発生させるようにして圧電部材を歪ませその歪みによってメンブレンを撓み変形させることができる。これにより、メンブレンの撓み変形に際して単一電極の場合に比較してその撓み変形を阻害する応力の発生を抑えることができ、メンブレンを効率良く、大きく撓み変形させることができる。

従って、例えば超音波探触子に用いる場合には、発信音圧を向上できる。また、例えばセンサとして用いる場合には、効率良く電荷を第１及び第２電極から取出すことが可能であり、センサ感度を向上でき、例えば超音波探触子に用いた場合、受信感度を向上でき、送受信特性が改善するため診断特性が向上する。

他の一態様では、前記圧電デバイスにおいて、前記複数組の一対の第１及び第２電極は、前記圧電部材における厚さ方向と略垂直な方向に沿って配設されていることを特徴とする。

この構成によれば、圧電部材の厚み方向に電極を配設した構成に比べ、メンブレンを効率よく変形させることができる。又、圧電部材の厚み方向に電極を配設した構成に比べ、電極間隔を比較的大きく取れるため、例えば超音波探触子に用いる場合には、超音波受信時の感度（単位圧力に対する出力電圧）を向上できる。

他の一態様では、前記圧電デバイスにおいて、前記複数組の一対の第１及び第２電極の一部は、前記圧電部材における前記メンブレンの撓み変形に伴う応力が生じない領域を含んで配設されていることを特徴とする。

この構成によれば、メンブレンの撓み変形に伴い、より適正な応力状態にすることができ、メンブレンをより一層、効率良く大きく変形させることができる。

又、例えば超音波を受けてメンブレンが撓み変形した際の電荷を効率良く集めて取出すことが可能になり、超音波を、より一層正確に測定可能になる。

他の一態様では、前記圧電デバイスにおいて、前記メンブレンは、略円形状又は略四角形状の外周形状を有するものから構成され、前記被保持領域は、前記メンブレンの外周側に略全周にわたって配設され、前記複数組の一対の第１及び第２電極は、前記メンブレンの外周と略同心相似形状に配設されていることを特徴とする。

この構成によれば、１次の共振周波数（狙いの振動モード）付近に不要な振動モードが生じないものにできる。不要な振動モードが駆動周波数付近にあると、不要な振動が励起され設計のパルス波形からパルス波形が崩れ、分解能に悪影響を与える可能性があるが、これを防止できる。

他の一態様では、前記圧電デバイスにおいて、前記メンブレンは、略四角形状の外周形状を有するものから構成され、前記被保持領域は、前記メンブレンの一方向の両端側の夫々に配設され、前記複数組の一対の第１及び第２電極は、前記メンブレンの一方向の両端側の夫々に略平行に並べられるように配設されていることを特徴とする。

この構成によれば、複数のメンブレンにより１つの素子を構成する場合、１つの素子中におけるメンブレンの配設効率を高くでき、メンブレンの有効面積を大きくでき、例えば超音波の送受信の特性を向上できる。又、電極を両側から容易に引き出すことができ、ロスの少ない構造が実現できる。

他の一態様では、前記圧電デバイスにおいて、前記複数組の第１電極同士が共通接続され、前記複数組の第２電極同士が共通接続されていることを特徴とする。

この構成によれば、引き出し配線を少なくできるとともに、単一の電源で電圧を印加できる。従って、回路の簡略化、低コスト化に寄与できる。

本発明の一態様に係る超音波探触子は、上述の何れかに記載の圧電デバイスを備えていることを特徴とする。

この構成によれば、メンブレンの撓み変形に際し適正な応力状態にすることができ、メンブレンを効率良く、大きく撓み変形させることができる。

従って、例えば超音波探触子に用いる場合には、発信音圧を向上でき、受信感度を向上できる。また、例えばセンサとして用いる場合には、効率良く電荷を取出すことが可能であり、センサ感度を向上できる。

本発明の一態様に係る圧電デバイスの製造方法は、圧電部材を積層した膜部材と、前記膜部材を保持する保持部材と、前記圧電部材に電圧を印加する一対の第１および第２電極とを備え、前記一対の第１および第２電極に給電することによって前記圧電部材に電圧を印加した場合に厚さ方向に撓み変形するように形成された前記膜部材の一部からなるメンブレンを有する圧電デバイスの製造方法であって、前記一対の第１および第２電極を、複数組、前記メンブレンにおける圧電部材を複数の領域に分けるように配設し、前記複数組の一対の第１および第２電極にそれぞれ給電された場合に、前記複数の領域における互いに隣接する領域に互いに逆方向の応力が発生するように配線することを特徴とする。

この構成によれば、メンブレンの撓み変形に際し単一電極の場合に比較してその撓み変形を阻害する応力の発生を抑えることができ、メンブレンを効率良く、大きく撓み変形させることができる圧電デバイスを製造できる。

従って、例えば超音波探触子に用いる場合には、送信特性（発信音圧）を向上でき、受信感度を向上できる。また、例えばセンサとして用いる場合には、効率良く電荷を取出すことが可能であり、センサ感度を向上できる圧電デバイスを得ることができる。

他の一態様では、前記圧電デバイスの製造方法において、前記圧電部材に、一対の第１及び第２電極を、複数組、配設し、前記複数組の一対の第１及び第２電極の内で互いの距離が最大となる２つの電極に電圧を印加して前記圧電部材を分極処理し、その後、前記第１電極同士を共通接続するとともに、前記第２電極同士を共通接続することを特徴とする。

この構成によれば、第１電極同士の共通接続及び第２電極同士の共通接続を行う前に、複数組の一対の第１及び第２電極の内で互いの距離が最大となる２つの電極に電圧を印加して前記圧電部材を分極処理するため、複数組の一対の第１及び第２電極を用いて圧電部材の分極処理を行うことができる。従って、分極処理を容易なものにできる。

本発明は、メンブレンを効率良く大きく変形させることができる圧電デバイスおよび超音波探触子並びに圧電デバイスの製造方法を提供できる。

第１実施形態の超音波探触子を有する超音波診断装置の外観構成を示す図である。 第１実施形態の超音波探触子を有する超音波診断装置の電気的な構成を示すブロック図である。 第１実施形態の超音波診断装置における超音波探触子の構成を示す断面図である。 第１実施形態の超音波探触子における超音波送受信部の背面図である。 （ａ）は、第１実施形態の超音波探触子における超音波送受信部の要部を拡大した正面図、（ｂ）は、図５（ａ）のＶ−Ｖ線断面図である。 （ａ）は、第２実施形態の超音波送受信部の要部を拡大した正面図、（ｂ）は、図６（ａ）のＶＩ−ＶＩ線断面図である。 （ａ）は、第３実施形態の超音波送受信部の要部を拡大した正面図、（ｂ）は、図７（ａ）のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。 従来例の説明図に係り、（ａ）は、その平面図、（ｂ）は、その要部の拡大断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態の超音波探触子を有する超音波診断装置の外観構成を示す図である。図２は、第１実施形態の超音波探触子を有する超音波診断装置の電気的な構成を示すブロック図である。図３は、第１実施形態の超音波探触子の構成を示す断面図である。

この実施形態における超音波診断装置Ｓは、図１に示すように、図略の生体等の被検体に対して超音波（第１超音波信号）を送信すると共に、この第１超音波信号に基づく被検体内から来た超音波（第２超音波信号）を受信する超音波探触子２と、超音波探触子２とケーブル３を介して接続され、超音波探触子２へケーブル３を介して電気信号の送信信号を送信することによって超音波探触子２に被検体に対して第１超音波信号を送信させると共に、超音波探触子２で受信された被検体内から来た第２超音波信号に応じて超音波探触子２で生成された電気信号の受信信号に基いて被検体内の内部状態を超音波画像として画像化する超音波診断装置本体１とを備えて構成される。

この第１超音波信号に基づく被検体内から来た超音波は、被検体内における音響インピーダンスの不整合によって被検体内で第１超音波信号が反射した反射波（エコー）だけでなく、例えば微小気泡（マイクロバブル）等の超音波造影剤（コントラスト剤）が用いられている場合には、第１超音波信号に基いて超音波造影剤の微小気泡で生成される超音波もある。超音波造影剤では、超音波の照射を受けると、超音波造影剤の微小気泡は、共振もしくは共鳴し、さらに一定の閾値以上の音圧では崩壊、消失する。超音波造影剤では、微小気泡の共振によって、あるいは微小気泡の崩壊、消失によって、超音波が生じている。

超音波診断装置本体１は、例えば、図２に示すように、操作入力部１１と、送信部１２と、受信部１３と、画像処理部１４と、表示部１５と、制御部１６とを備えて構成されている。

操作入力部１１は、例えば、診断開始等を指示するコマンドや被検体の個人情報等のデータを入力するための装置であり、例えば、複数の入力スイッチを備えた操作パネルやキーボード等である。

送信部１２は、例えば制御部１６からの制御信号を超音波探触子２に送信する。受信部１３は、例えば超音波探触子２から送られてくる受信信号を受信して画像処理部１４へ出力する。

画像処理部１４は、制御部１６の制御に従って、受信部１３で受信された、第１超音波信号に基づく被検体内から来た第２超音波信号における所定の周波数成分に基いて被検体内の内部状態を表す画像（超音波画像）を形成する回路である。前記所定の周波数成分は、例えば、基本波成分、ならびに、例えば２次高調波成分、３次高調波成分および４次高調波成分等の高調波成分を挙げることができる。画像処理部１４は、複数の周波数成分を用いて超音波画像を形成するように構成されてもよい。画像処理部１４は、例えば、受信部１３の出力に基いて被検体の超音波画像を生成するＤＳＰ（Digital Signal Processor）、および、表示部１５に超音波画像を表示すべく、前記ＤＳＰで処理された信号をディジタル信号からアナログ信号へ変換するディジタル−アナログ変換回路（ＤＡＣ回路）等を備えて構成される。前記ＤＳＰは、例えば、Ｂモード処理回路、ドプラ処理回路およびカラーモード処理回路等を備え、いわゆるＢモード画像、ドプラ画像およびカラーモード画像の生成が可能とされている。

表示部１５は、制御部１６の制御に従って、画像処理部１４で生成された被検体の超音波画像を表示する装置である。表示部１５は、例えば、ＣＲＴディスプレイ、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）、有機ＥＬディスプレイおよびプラズマディスプレイ等の表示装置やプリンタ等の印刷装置等である。

制御部１６は、例えば、マイクロプロセッサ、記憶素子およびその周辺回路等を備えて構成され、これら超音波探触子２、操作入力部１１、送信部１２、受信部１３、画像処理部１４および表示部１５を当該機能に応じてそれぞれ制御することによって超音波診断装置Ｓの全体制御を行う回路である。

超音波探触子（超音波プローブ、トランスデューサ）２は、図３に示すように探触子本体４と、探触子本体４に設けられ超音波の送受信を行なう超音波送受信部５（圧電デバイス）とを備えている。尚、図３のＸ方向を前方側、Ｙ方向を後方側として説明する。後述の図５（ｂ）、図６（ｂ）、図７（ｂ）、図８（ｂ）において同じである。

探触子本体４は、前端に設けられた被覆層４１と、後端側に設けられた信号処理回路部４２と、被覆層４１と信号処理回路部４２との間に配設されたバッキング材層４３とを備えている。

被覆層４１は、診断に際して、例えば被検体としての生体と当接し、その当接に際し不快感を与えることがないものであって、人体との音響整合をとるために音響インピーダンスが人体に近いシリコーンゴム等から形成されている。

バッキング材層４３は、超音波送受信部５に発生する不要振動を減衰する等の役割を果たす。

信号処理回路部４２は、ケーブル３を介して超音波診断装置Ｓと接続されているとともに、超音波送信用のパルス信号の生成、或いは、受信パルス信号の処理などを行なう。

詳しくは、制御部１６の制御に従って、上記送信部１２から送られてくる電気信号の送信信号を供給して超音波送受信部５に第１超音波信号を発生させる。例えば、高電圧のパルスを生成する高圧パルス発生器等を備えて構成される。この信号処理回路部４２で生成された駆動信号は、後述の複数のメンブレン６（図５参照）それぞれに対し適宜に遅延時間を個別に設定した、パルス状の複数の信号であり、メンブレン６のそれぞれに供給される。この複数の駆動信号によっては、各メンブレン６から放射された超音波の位相が特定方向（特定方位）（あるいは、特定の送信フォーカス点）において一致し、その特定方向にメインビームを形成した送信ビームの第１超音波信号を発生する。

又、信号処理回路部４２は、制御部１６の制御に従って、超音波送受信部５から電気信号の受信信号を受信し処理する。そして、送信時の送信ビームの形成と同様に、受信時もいわゆる整相加算することによって受信ビームが形成されてよい。すなわち、メンブレン６それぞれから出力される複数の出力信号に対し適宜に遅延時間を個別に設定し、これら遅延された複数の出力信号を加算することによって、各出力信号の位相が特定方向（特定方位、あるいは、特定の受信フォーカス点）において一致し、その特定方向にメインビームが形成される。このような場合において、例えば、前記増幅器で増幅された各出力信号が入力される受信ビームフォーマ等も備えてよい。尚、この信号処理回路部４２は、超音波診断装置本体１に設けるようにしてもよく、適宜変更できる。

超音波送受信部５は、探触子本体４の被覆層４１とバッキング材層４３との間に配設されている。この実施形態の超音波送受信部５は、図４及び図５に示すように複数のメンブレン６と、各メンブレン６に設けられた複数組（この実施形態では２組）の一対のプラス電極（第１電極）６３、６５及びグランド電極（第２電極）６４と、メンブレン６を保持した保持部材８とを備えている。

保持部材８は、この実施形態では、シリコン製の板状体から構成されている。この保持部材８には、図４に示すように、左右方向及び上下方向に配列された複数の円形状の貫通孔８１が設けられている。各貫通孔８１は、図５に示すように保持部材８の前面から後面に貫通するようにして形成されている。

各メンブレン６は、各貫通孔８１の前方側に、膜部材６０の一部により形成されている。詳しくは、膜部材６０は、基板（振動板）６１と、基板６１の前面に積層されその基板６１とでユニモルフ構造を採る薄板状の圧電部材６２とを備えている。

基板６１は、この実施形態では、後述のＰＺＴに良好な電位分布を得るために絶縁性の物質、例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ２）或いは窒化シリコン（ＳｉＮ）から構成され、薄板状（この実施形態では、２μｍ程度の厚さ）に形成されている。

そして、この基板６１は、保持部材８の前面の全体に積層されて接着されるようにして保持され貫通孔８１夫々を前方側から覆うように配設されている。

圧電部材６２は、圧電材料から構成されている。この実施形態では、圧電部材６２は、ＰＺＴから構成されている。尚、圧電部材６２は、ＰＺＴから構成されるものに限らず、例えば圧電部材を、水晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、ニオブ酸タンタル酸カリウム（Ｋ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、ＰＺＮ−ＰＴおよびＰＭＮ−ＰＴ等から構成することもでき、適宜変更できる。

又、この実施形態の圧電部材６２は、保持部材８の貫通孔８１よりやや大きく、厚さが２μｍ程度の円板状のものから構成されている。

そして、この圧電部材６２は、各貫通孔８１の前方側における基板６１の前面に積層されて接着されるようにして保持されている。

このようにして膜部材６０が貫通孔８１の周縁を含む保持部材８の前面の全体に保持されており、メンブレン６は、その保持された被保持領域６０ａの径内側の領域（内側領域）にその被保持領域６０ａで円形状に囲まれるようにして形成されている。即ち、被保持領域６０ａに区画形成されたメンブレン６の外周６０ｂは、貫通孔８１と同形で貫通孔８１と同心の円形状をなしている。

電極は、この実施形態では、第１組の一対の第１組用プラス電極６３及び第１兼第２組用グランド電極６４と、第２組の一対の第２組用プラス電極６５及び第１兼第２組用グランド電極６４とから構成されている。そして、これらの電極６３、６４、６５は、メンブレンにおける圧電部材６２を複数（この実施形態では２つ）の領域に分けるように配設されているとともに、それらがそれぞれ給電された場合に、前記複数の領域における互いに隣接する領域に互いに逆方向の応力が発生するように配線されている。以下、詳しく説明する。

これらの電極６３、６４、６５は、各メンブレン６の圧電部材６２に同一構成で配設されている。従って、以下に、１つのメンブレン６の圧電部材６２に配設されたものについて、図５に基いて説明する。尚、この実施形態では、これらの電極６３、６４、６５は、金又は白金等から構成されている。又、第１兼第２組用グランド電極６４は、第１組用グランド電極と第２組用グランド電極とを兼用するように構成されている。

第１組用プラス電極６３は、圧電部材６２の前面における外周部、即ち被保持領域６０ａにおける貫通孔８１の周縁の前方側に、ほぼ全周に亘って、平面視で略リング状をなすように配設されている。一方、第２組用プラス電極６５は、圧電部材６２の前面おける中心部に、平面視で円形状をなすように配設されている。

又、第１兼第２組用グランド電極６４は、圧電部材６２の径方向における第１組用プラス電極本体部６３ａと第２組用プラス電極本体部６５ａとの間にほぼ全周に亘って、平面視で略リング状をなすようにして第１組用プラス電極本体部６３ａと第２組用プラス電極本体部６５ａとの夫々に隣接するように配設されている。

この実施形態では、第１兼第２組用グランド電極６４は、圧電部材６２におけるメンブレン６の撓み変形に伴う応力が生じない領域７、即ち、メンブレン６の撓み変形に際して撓み変形した圧電部材６２の断面形状における撓み曲線の変曲点を全周に亘って結んで形成される変曲部に配設されている。

尚、第１兼第２組用グランド電極６４は、全体が上記領域７に配設される形態のものに限らず、例えば第１兼第２組用グランド電極６４の一部又は全体が上記領域７の近傍に配設されてもよく、適宜変更できる。又、この実施形態では、上記領域７は、シミュレーションによって決定され、それに基いて第１兼第２組用グランド電極６４が配設されている。

又、これらの第１組用プラス電極６３、第２組用プラス電極６５及び第１兼第２組用グランド電極６４は、上記メンブレン６の外周６０ｂと同心で相似形状に配設されている。

このようにして、メンブレン６における圧電部材６２は、第１組用プラス電極６３と第２組用プラス電極６５と第１兼第２組用グランド電極６４とによって、径方向に、被保持領域６０ａ側（径外側）の第１領域６８と、第１領域６８より内周側（径内側）の中心部を含む第２領域６９との２つ（複数）の領域に分けられている。

又、第１組用プラス電極６３と第２組用プラス電極６５とは、それらの夫々に接続されたプラス電極接続配線６６を介して通電可能に共通接続されている。

又、この実施形態では、上述のように形成された複数のメンブレン６は、図４に示すように、４つのメンブレン６を１素子６６（図４の二点鎖線で囲んだ４つ）として共通接続されて同調して動作するように構成され、複数の素子６６が左右上下に２次元的に配列されている。

より詳しくは、第１兼第２組用グランド電極６４は、４つのメンブレン６ごとに配設されたもの同士が図５（ａ）に示すグランド電極接続配線６７を介して互いに通電可能に接続されている。

又、第１組用プラス電極６３及び第２組用プラス電極６５は、４つのメンブレン６ごとに配設されたもの同士が上記プラス電極接続配線６６を介して互いに通電可能に接続されているとともに、その４つのメンブレン６からなる１素子６６夫々から延設された素子接続配線（図示せず）によって複数の素子６６同士が接続されている。

そして、このように配設された電極６３、６４、６５がそれぞれ給電されると、第１領域６８と第２領域６９とに逆方向の応力を圧電部材に生じさせる。

このように構成される超音波送受信部５は、この実施形態では、次のようにして形成されている。

保持部材８の前面に、基板６１が、熱酸化やスパッタ、ＣＶＤなどの方法で形成される。

そして、基板６１の前面に、圧電部材６２を構成する圧電材料が、スパッタやゾルゲルなどの方法により積層される。尚、圧電部材６２を構成した圧電材料であるＰＺＴの特性（膜質）を向上するためにＰＺＴの下層に酸化物などのシード層を形成する方法も取り得る。

又、第１組用プラス電極６３、第２組用プラス電極６５及び第１兼第２組用グランド電極６４が、エッチングやリフトオフなどによりフォトリソグラフィを用いてパターニングされるとともに、圧電材料がエッチングによりフォトリソグラフィを用いてパターニングされて圧電部材６２が形成される。又、保持部材８の貫通孔８１がエッチングにより加工され、これにより、貫通孔８１の前方側にメンブレン６が形成される。

また、プラス電極接続配線６６を形成して第１組用プラス電極６３と第２組用プラス電極６５とを共通接続する。ただし、この実施形態では、プラス電極接続配線６６の形成に先立って、外周側の第１組用プラス電極６３と中心側の第２組用プラス電極６５との間に、数Ｖ／ｕｍ以上の電界がかかるように電圧を印加して圧電部材６２の全体に、電荷方向を中心から径外方向の単一方向Ｐになるように分極処理を行う。

そして、分極処理を行った後、プラス電極接続配線６６を、白金や金などで成膜、パターニング、あるいは、ワイヤボンディングなどで形成し、第１組用プラス電極６３と第２組用プラス電極６５とを共通接続する。

このようにして、圧電部材６２の分極処理を行えば、共通接続する前の第１組用プラス電極６３と第２組用プラス電極６５とを用いて圧電部材６２の分極処理を行うことができ、分極処理を容易に行うことができる。

以上のように構成された超音波探触子を有する超音波診断装置Ｓで診断する場合、例えば、操作入力部１１から診断開始の指示が入力されると、制御部１６の制御に従い、信号処理回路部４２で超音波送信用のパルス信号が生成される。

この生成されたパルス信号は、超音波送受信部５の複数（４つ）のメンブレン６の素子６６ごとに所定の遅延時間でパルス電圧を、第１組用プラス電極６３と第１兼第２組用グランド電極６４との間、及び第２組用プラス電極６５と第１兼第２組用グランド電極６４との間に印加して、圧電部材６２の厚さ方向と垂直方向である径方向に電界を生じさせる。

この電界により、各圧電部材６２における第１組用プラス電極６３と第１兼第２組用グランド電極６４との間の第１領域６８には径方向に引っ張る応力が生じてその引張応力によって第１領域６８の圧電部材６２が径方向に伸びるように歪む。又、圧電部材６２における第１兼第２組用グランド電極６４と第２組用プラス電極６５との間の第２領域６９には、上記とは反対向きの応力、即ち、径方向に圧縮させる応力が生じてその圧縮応力によって第２領域６９の圧電部材６２が径方向に縮むように歪む。

この各圧電部材６２の歪により、各メンブレン６は、厚さ方向である前後方向の前方側に太鼓状に撓み変形する。これにより、各メンブレン６を効率良く大きく変形させることができる。

又、この実施形態では、第１兼第２組用グランド電極６４は圧電部材６２におけるメンブレン６の撓み変形に伴う応力が生じない領域７に配設されているため、領域ごとに、より一層効率良く応力を発生させることができ、各メンブレン６を、より一層、効率良く大きく変形させることができる。

そして、メンブレン６が撓み変形し、その共振特性（共振周波数と減衰特性）に応じた振動が加振され、パルス状の超音波が生体内へ発信される。アレイの各素子６６の位相を所定量ずらすことで、超音波ビームをフォーカシング、ステアリング（方向制御）し、必要領域を３次元状に走査する。生体内では、超音波は減衰しながら伝わり、音響インピーダンスの差が生じている部位で反射が起こり、超音波探触子２へ帰還する。

戻った超音波により各メンブレン６は振動し、それに伴う圧電部材６２の歪みに応じて電荷が発生するが、この場合においてもメンブレン６の圧電部材６２の第１領域６８と第２領域６９では逆方向の歪が発生する。そのため、例えば図８に示す従来のもののように中心部と外周部とに一対の電極を配設している場合において、それらの電極には、引っ張り歪に伴い発生する電荷と圧縮歪に伴い発生する電荷とが打ち消し合うようにして電荷が発生する。

しかし、この実施形態では、第１兼第２組用グランド電極６４は圧電部材６２におけるメンブレン６の撓み変形に伴う応力が生じない領域７に配設されているため、第１領域６８と第２領域６９との夫々の歪みによる電荷を第１兼第２組用グランド電極６４に効率良く発生させることができ、超音波を効率良く正確に測定できる。

そして、信号処理回路部４２で処理され、画像処理部１４へ出力され、画像処理部１４は、制御部１６の制御によって、受信された受信信号に基いて、送信から受信までの時間により被検体までの距離が、素子間の時間差により被検体の方向が、夫々検出され、被検体の超音波画像を生成する。さらに、画像処理部１４では、フィルタ法によって受信信号から高調波成分が抽出され、この抽出された高調波成分に基いてハーモニックイメージング技術を用いて被検体内部の内部状態の超音波画像が生成される。また例えば、画像処理部１４では、位相反転法（パルスインバージョン法）によって受信信号から高調波成分が抽出され、この抽出された高調波成分に基いてハーモニックイメージング技術を用いて被検体内部の内部状態の超音波画像が生成される。そして、表示部１５は、制御部１６の制御によって、画像処理部１４で生成された被検体の超音波画像を表示する。

次に、第２実施形態の超音波探触子について、図６に基いて説明する。この第２実施形態の超音波探触子における超音波送受信部２０５も、先の第１実施形態のものと同様に、複数のメンブレン２０６（図６では１つだけを表示している）と、各メンブレン２０６の圧電部材２６２に設けられた複数組（この第２実施形態では２組）の一対のプラス電極（第１電極）２６３、２６５及びグランド電極（第２電極）２６４と、メンブレン２０６を保持した保持部材２０８とを備えている。

ただし、この第２実施形態における保持部材２０８の貫通孔２８１は、平面視で四角形状に形成されている。

又、基板２６１と圧電部材２６２とからなる膜部材２６０における当該基板２６１は、保持部材２０８における貫通孔２８１の周縁を含む前面の全体に取り付けられており、メンブレン２０６の外周側に全周に亘って被保持領域２６０ａが配設され、メンブレン２０６は被保持領域２６０ａに四角形状に囲まれ被保持領域２６０ａの内周側（内側領域）に四角形状に形成されている。従って、この実施形態では、被保持領域２６０ａに区画形成されたメンブレン２０６の外周２６０ｂは、貫通孔２８１に一致した四角形状に形成されている。

圧電部材２６２は、貫通孔２８１よりやや大きい四角形状のものから構成され、貫通孔２８１の前方側における基板２６１の前面に積層されるようにして保持されている。

第１組用プラス電極２６３は、圧電部材２６２の前面における外周縁のほぼ全周に亘って、平面視で四角形状をなすように配設されている。一方、第２組用プラス電極２６５は、圧電部材２６２の前面おける中心部に、平面視で四角形状をなすように配設されている。

又、第１兼第２組用グランド電極２６４は、圧電部材２６２における第１組用プラス電極２６３と第２組用プラス電極２６５との間にほぼ全周に亘って、平面視で四角形状をなすようにして配設されている。

尚、この第２実施形態においても、第１兼第２組用グランド電極２６４は、圧電部材２６２におけるメンブレン２０６の撓み変形に伴う応力が生じない領域に配設されている。

又、これらの第１組用プラス電極２６３、第２組用プラス電極２６５及び第１兼第２組用グランド電極２６４は、上記メンブレン２０６の外周２６０ｂと同心で相似形状になるように配設されている。その他は、先の第１実施形態のものと同構成を採っている。

そして、第１組用プラス電極２６３と第２組用プラス電極２６５とは、プラス電極接続配線２６６を介して共通接続されるが、この第２実施形態においても、そのプラス電極接続配線２６６に形成に先立って（共通接続に先立って）、第１組用プラス電極２６３と第２組用プラス電極２６５との間に、数Ｖ／ｕｍ以上の電界がかかるように電圧を印加して圧電部材２６２の全体に、電荷方向が中心から放射状に外周方向の単一方向Ｐに分極処理を行う。

このように構成された第２実施形態のものにおいても、第１組用プラス電極２６３と第１兼第２組用グランド電極２６４との間、及び第２組用プラス電極２６５と第１兼第２組用グランド電極２６４との間に電圧が印加されると、圧電部材２６２の厚さ方向と垂直な方向に電界を生じさせる。

この電界により、各圧電部材２６２における第１組用プラス電極２６３と第１兼第２組用グランド電極２６４との間の第１領域２６８に厚さ方向と垂直な方向に引張応力が生じてその引張応力によって第１領域２６８の圧電部材２６２が伸びるように歪む。一方、圧電部材２６２の第２組用プラス電極２６５と第１兼第２組用グランド電極２６４との間の第２領域２６９は、上記とは反対向きの応力、即ち、厚さ方向と垂直な方向に圧縮応力が生じてその圧縮応力によって第２領域２６９の圧電部材２６２が縮むように歪む。

この各圧電部材２６２の歪により、各メンブレン２０６は、厚さ方向である前後方向の前方側に撓み変形する。これにより、各メンブレン２０６を効率良く大きく変形させることができる。

又、第１兼第２組用グランド電極２６４は圧電部材２６２におけるメンブレン２０６の撓み変形に伴う応力が生じない領域に配設されているため、領域ごとに適正な応力を発生することができ、各メンブレン２０６を、より一層、効率良く大きく変形させることができる。

体内から戻った超音波により各メンブレン２０６が振動した際、第１兼第２組用グランド電極２６４は圧電部材２６２におけるメンブレン２０６の撓み変形に伴う応力が生じない領域に配設されているため、第１領域２６８と第２領域２６９との夫々の歪みによる電荷を第１兼第２組用グランド電極２６４に効率良く発生させて取り出すことができ、超音波を効率良く正確に測定できる。

次に、第３実施形態の超音波探触子について、図７に基いて説明する。この第３実施形態の超音波探触子における超音波送受信部３０５も、先の第１実施形態のものと同様に、複数のメンブレン３０６（図７では１つだけを表示している）と、各メンブレン３０６の圧電部材３６２に設けられた複数組（この第３実施形態では２組）の一対のプラス電極（第１電極）３６３、３６５及びグランド電極（第２電極）３６４ａ、３６４ｂと、メンブレン３０６を保持した保持部材３０８とを備えている。

この第３実施形態における保持部材３０８の貫通孔３８１は、平面視で四角形状に形成されている。

又、基板３６１と圧電部材３６２とからなる膜部材３６０における当該基板３６１は、保持部材３０８における貫通孔３８１の長手方向である左右方向（一方向）の両端縁を含む前面の全体に接合されて保持されているとともに、貫通孔３８１の幅方向である上下方向（他方向）の両端縁夫々に沿って設けられたスリット状の切り込み３６１により切り離されて開放されている。

圧電部材３６２は、貫通孔３８１よりも幅狭で左右の長さが貫通孔３８１よりやや長い四角形状のものから構成され、貫通孔３８１の前方側における基板３６１の前面に積層されて接着されるようにして保持されている。

従って、この第３実施形態では、メンブレン３０６の左右の両端側の夫々に、被保持領域３６０が配設されており、メンブレン３０６の左端側外周３６０ｃ及び右端側外周３６０ｄは、夫々直線状に互いに平行に形成され、メンブレン３０６の外周が貫通孔３８１よりもやや幅狭な平面視で長方形状（四角形状）になっている。

電極は、この第３実施形態では、第１組の一対の第１組用プラス電極３６３及び第１組用グランド電極３６４ａと、第２組の一対の第２組用プラス電極３６５及び第２組用グランド電極３６４ｂとから構成されている。

第１組用プラス電極３６３は、圧電部材３６２の前面における左端縁部のほぼ幅全体に、所定幅で、上記メンブレン３０６の左端側外周３６０ｃと平行に直線状に配設されている。第１組用グランド電極３６４ａは、圧電部材３６２の前面における左右方向の中心線よりも左側寄りの位置に、所定幅で第１組用プラス電極３６３（メンブレン３０６の左端側外周３６０ｃ）と平行に直線状に配設されている。

第２組用プラス電極３６５は、圧電部材３６２の前面における左右方向の中心線よりも右側寄りの位置に、所定幅で、メンブレン３０６の右端側外周３６０ｄと平行に直線状に配設されている。第２組用グランド電極３６４ｂは、圧電部材３６２の前面における右端縁部のほぼ幅全体に、所定幅で、上記メンブレン３０６の右端側外周３６０ｄ（第２組用プラス電極３６５）と平行に直線状に配設されている。

従って、この第３実施形態では、メンブレン３０６における圧電部材３６２は、第１組用プラス電極３６３と第１組用グランド電極３６４ａとの間に第１領域３６８ａが形成され、第２組用プラス電極３６５と第２組用グランド電極３６４ｂとの間に第３領域３６８ｂが形成され、又、第１組用グランド電極３６４ａと第２組用プラス電極３６５との間に、上記第１領域３６８ａと第３領域３６８ｂとの夫々に隣接した間に第２領域３６９が形成されている。

尚、この第３実施形態においても、第１組用グランド電極３６４ａと第２組用プラス電極３６５とは、圧電部材３６２におけるメンブレン３０６の撓み変形に伴う応力が生じない領域３０７に配設されている。

そして、第１組用プラス電極３６３と第２組用プラス電極３６５とがプラス電極接続配線３６６を介して、第１組用グランド電極３６４ａと第２組用グランド電極３６４ｂとが、グランド電極接続配線３６７を介して、夫々共通接続されるが、それらの接続配線３６６、３６７の形成に先立って（共通接続に先立って）、上記電極の内で互い距離が最大である第１組用プラス電極３６３と第２組用グランド電極３６４ｂとの間に、数Ｖ／ｕｍ以上の電界がかかるように電圧を印加して圧電部材３６２の全体に、電荷の方向が右から左に単一方向Ｐになるように分極処理を行う。その他は、先の第１実施形態のものと同構成を採っている。

このように構成された第３実施形態においては、第１組用プラス電極３６３と第１組用グランド電極３６４ａとの間、第２組用プラス電極２６５と第２組用グランド電極２６４ｂとの間、及び第２組用プラス電極２６５と第１組用グランド電極３６４ａとの間に電圧が印加されると、圧電部材３６２の厚さ方向と垂直な方向に電界が生じる。

この電界により、圧電部材３６２における第１領域３６８ａ及び第３領域３６８ｂに厚さ方向と垂直な方向に引張応力が生じてその引張応力によって圧電部材３６２の第１領域３６８ａ及び第３領域３６８ｂが伸びるように歪む。一方、圧電部材３６２の第２領域３６９は、上記とは反対向きの応力、即ち、厚さ方向と垂直な方向に圧縮応力が生じてその圧縮応力によって第２領域３６９の圧電部材３６２が縮むように歪む。

この各圧電部材３６２の歪により、各メンブレン３０６は、厚さ方向である前後方向の前方側に撓み変形する。そして、領域ごとに、より適正な応力を発生させることができ、これにより、各メンブレン３０６を効率良く大きく変形させることができる。

又、第１組用グランド電極３６４ａと第２組用プラス電極３６５とは、圧電部材３６２におけるメンブレン３０６の撓み変形に伴う応力が生じない領域３０７に配設されているため、最適な応力分布が得られ、各メンブレン３０６を、より一層、効率良く大きく変形させることができる。

又、例えば体内から戻った超音波により各メンブレン３０６が振動した際、第１領域３６８ａと第２領域３６９と第３領域３６８ｂの夫々の歪みによる電荷を第１組用グランド電極３６４ａと第２組用プラス電極３６５とに効率良く発生させて取り出すことができ、超音波を効率良く正確に測定できる。

電極を、圧電部材（メンブラン）の左右方向の両端部に配設することで、上述のように圧電部材を含むメンブレンが４つで１つの素子（図５の二点鎖線で囲んだ部分）を構成する場合、１つの素子中におけるメンブレンの配設効率を高くでき、メンブレンの有効面積を大きくでき、超音波の送受信の特性を向上できる。又、プラス電極とグランド電極とを両側から容易に引き出せることができ、ロスの少ない構造にできる。

尚、上記実施形態では、一対の電極が２組、配設されたが、この形態のものに限らず、適宜変更できる。例えばメンブレンが断面形状における撓み曲線がｎ次曲線（ｎは３以上）を描くように撓み変形する場合に、一対の電極を３組以上、圧電部材に配設するようにしてもよい。又、その場合において、電極を複数の変曲部夫々に配設するのが好ましい。

又、上記実施形態では、本発明の圧電デバイスは、超音波探触子の超音波送受信部として使用されたが、超音波探触子に用いられる形態のものに限らず、例えばインクジェットプリンタのインク吐出ヘッドのインク吐出用アクチュエータやマイクなどのセンサにも使用することもでき、適宜変更できる。

１ 超音波診断装置本体
２ 超音波探触子
５、２０５、３０５ 超音波送受信部（圧電デバイス）
６、２０６、３０６ メンブレン
６１、２６１、３６１ 基板
６２、２６２、３６２ 圧電部材
６３、６５、２６３、２６５、３６３、３６５ プラス電極（第１電極）
６４，２６４、３６４ａ、３６４ｂ グランド電極（第２電極）
Ｓ 超音波診断装置

Claims (9)

1. 圧電部材を積層した膜部材と、前記膜部材を保持する保持部材と、前記圧電部材に電圧を印加する一対の第１および第２電極とを備え、前記一対の第１および第２電極に給電することによって前記圧電部材に電圧を印加した場合に厚さ方向に撓み変形するように形成された前記膜部材の一部からなるメンブレンを有する圧電デバイスであって、
   前記一対の第１および第２電極は、複数組であり、
   前記複数組の前記一対の第１および第２電極は、前記メンブレンにおける前記圧電部材を複数の領域に分けるように配設されるとともに、前記複数組の一対の第１および第２電極にそれぞれ給電された場合に、前記複数の領域における互いに隣接する領域に互いに逆方向の応力が発生するように配線されていること
   を特徴とする圧電デバイス。
2. 前記複数組の一対の第１及び第２電極は、前記圧電部材における厚さ方向と略垂直な方向に沿って配設されていることを特徴とする請求項１記載の圧電デバイス。
3. 前記複数組の一対の第１及び第２電極の一部は、前記圧電部材における前記メンブレンの撓み変形に伴う応力が生じない領域を含んで配設されていることを特徴とする請求項１又は２記載の圧電デバイス。
4. 前記メンブレンは、略円形状又は略四角形状の外周形状を有するものから構成され、
   前記被保持領域は、前記メンブレンの外周側に略全周にわたって配設され、
   前記複数組の一対の第１及び第２電極は、前記メンブレンの外周と略同心相似形状に配設されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の圧電デバイス。
5. 前記メンブレンは、略四角形状の外周形状を有するものから構成され、
   前記被保持領域は、前記メンブレンの一方向の両端側の夫々に配設され、
   前記複数組の一対の第１及び第２電極は、前記メンブレンの一方向の両端側の夫々に略平行に並べられるように配設されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の圧電デバイス。
6. 前記複数組の第１電極同士が共通接続され、前記複数組の第２電極同士が共通接続されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に圧電デバイス。
7. 請求項１〜６の何れかに記載の圧電デバイスを備えていることを特徴とする超音波探触子。
8. 圧電部材を積層した膜部材と、前記膜部材を保持する保持部材と、前記圧電部材に電圧を印加する一対の第１および第２電極とを備え、前記一対の第１および第２電極に給電することによって前記圧電部材に電圧を印加した場合に厚さ方向に撓み変形するように形成された前記膜部材の一部からなるメンブレンを有する圧電デバイスの製造方法であって、
   前記一対の第１および第２電極を、複数組、前記メンブレンを複数の領域に分けるように配設するとともに、前記複数組の一対の第１および第２電極にそれぞれ給電された場合に、前記複数の領域における互いに隣接する領域に互いに逆方向の応力を前記圧電部材によって発生するように配線することを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
9. 前記圧電部材に、一対の第１及び第２電極を、複数組、配設し、
   前記複数組の一対の第１及び第２電極の内で互いの距離が最大となる２つの電極に電圧を印加して前記圧電部材を分極処理し、
   その後、前記第１電極同士を共通接続するとともに、前記第２電極同士を共通接続することを特徴とする請求項８記載の圧電デバイスの製造方法。

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