JP2016005222A

JP2016005222A - 超音波プローブ

Info

Publication number: JP2016005222A
Application number: JP2014126040A
Authority: JP
Inventors: 西脇　学; Manabu Nishiwaki; 学西脇
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2014-06-19
Filing date: 2014-06-19
Publication date: 2016-01-12

Abstract

【課題】振動膜が疲労破壊され難い超音波プローブを提供する。
【解決手段】振動膜４３上に圧電素子２３が設置された素子チップ１７と、素子チップ１７を支持する筐体と、を備え、圧電素子２３は、振動膜４３上に形成された下部電極２４と、下部電極２４上に形成された圧電体膜２６と、圧電体膜２６の表面に形成された上部電極２５と、を備え、圧電体膜２６は上部電極２５側から下部電極２４側へ向かって徐々に幅広となり、その断面形状が略台形形状である。
【選択図】図１５

Description

本発明は、超音波プローブに関するものである。

超音波プローブに設置された超音波トランスデューサー素子チップから生体に超音波を照射し反射波を解析する超音波診断装置が広く活用されている。超音波トランスデューサー素子チップには圧電素子であるＰＺＴ素子が用いられることが多い。ＰＺＴ素子は、一般に、多結晶体からなる圧電体薄膜と、この圧電体薄膜を間に挟んで配置される上電極及び下電極と、を備えた構造を有している。

振動膜上にＰＺＴ素子が設置されたインクジェットヘッドが特許文献１に開示されている。これによると、振動膜上に下電極、圧電体薄膜及び上電極が積層されリソグラフィ法を用いてパターニングされている。

特開平５−２８６１３１号公報

特許文献１におけるＰＺＴ素子は断面形状が四角形である。従って、ＰＺＴ素子の外縁部では振動膜に応力集中が生じ易い構造となっていた。その結果、振動膜に疲労破壊が生じ易くなっていた。そこで、振動膜が疲労破壊され難い超音波プローブが望まれていた。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
本適用例にかかる超音波プローブであって、振動膜上に圧電素子が設置された超音波トランスデューサー素子チップと、前記超音波トランスデューサー素子チップを支持する筐体と、を備え、前記圧電素子は、前記振動膜上に設置された下電極と、前記下電極上に形成された圧電体と、前記圧電体の表面に形成された上電極と、を備え、前記圧電体は前記上電極側から前記下電極側へ向かって徐々に幅広となり、その断面形状が略台形形状であることを特徴とする。

本適用例によれば、超音波プローブは超音波トランスデューサー素子チップを備え、超音波トランスデューサー素子チップは超音波を発信する。超音波トランスデューサー素子チップは振動膜を備え、振動膜上に圧電素子が設置されている。圧電素子では振動膜上に下電極、圧電体、上電極がこの順に設置されている。そして、下電極と上電極との間に加える電圧を変化させることにより圧電体が伸縮して振動膜が振動する。そして、振動膜の振動により超音波が発信される。

圧電素子は上電極側から下電極側へ向かって徐々に幅広になっている。そして、圧電素子の断面形状が略台形形状となっている。圧電素子の断面形状が四角形のとき、圧電素子は圧電体の周囲で振動膜に応力が集中するので破壊し易くなる。本適用例では圧電素子の断面形状が略台形形状となっている。このとき、圧電素子は平面視で中央に近い場所で強く振動膜を加振し、周囲に近い場所では中央に比べて弱い力で加振する。従って、圧電素子の周囲では振動膜に応力が集中し難くなっている為、振動膜を疲労破壊され難くすることができる。

実施形態１にかかわる超音波診断装置の構成を概略斜視図。超音波プローブの構成を示す組織側面図。素子チップの構成を示す模式平面図。素子チップの構成を示す模式側断面図。補強板を示す模式平面図。補強板を示す要部模式拡大図。装置端末及び超音波プローブの回路図。超音波トランスデューサー素子チップの製造方法を説明するための模式図。超音波トランスデューサー素子チップの製造方法を説明するための模式図。超音波トランスデューサー素子チップの製造方法を説明するための模式図。超音波トランスデューサー素子チップの製造方法を説明するための模式図。超音波トランスデューサー素子チップの製造方法を説明するための模式図。圧電体膜の形成方法を説明するための模式図。圧電体膜の形成方法を説明するための模式図。圧電体膜の形成方法を説明するための模式図。変形例にかかわり、（ａ）は、超音波トランスデューサー素子の構造を示す要部模式拡大平面図、（ｂ）は、超音波トランスデューサー素子の構造を示す要部模式拡大断面図。変形例にかかわり、（ａ）及び（ｂ）は、超音波トランスデューサー素子の構造を示す要部模式拡大断面図。実施形態２にかかわり、（ａ）及び（ｂ）は圧電素子の構成を示す模式断面図。圧電素子の製造方法を説明するための模式断面図。各層が受ける応力の状態を説明するための模式断面図。弾性膜除去部の効果を説明するための比較例の模式断面図。振動板に加わる力と弾性変形量との関係を示す図。実施形態３にかかわる圧電素子の構造を示す要部模式断面図。実施形態４にかかわる圧電素子の構造を示す要部模式断面図。実施形態５にかかわる圧電素子の構造を示す要部模式断面図。（ａ）は、圧電素子の構造を示す要部模式平面図、（ｂ）は、圧電素子の構造を示す要部模式側断面図。実施形態６にかかわる圧電素子の構造を示す要部模式断面図。実施形態７にかかわる圧電素子の構造を示す要部模式断面図。実施形態８にかかわり、各層が受ける応力の状態を説明するための模式断面図。実施形態９にかかわり、（ａ）は、圧電素子の構造を示す模式平面図、（ｂ）は、圧電素子の構造を示す模式側断面図。実施形態１０にかかわり、各層が受ける応力の状態を説明するための模式断面図。実施形態１１にかかわり、各層が受ける応力の状態を説明するための模式断面図。実施形態１２にかかわり、圧電素子の構造を示す模式断面図。実施形態１３にかかわり、（ａ）は、圧電素子の構造示す模式平面図、（ｂ）は、圧電素子の構造示す模式側断面図。（ａ）は、圧電素子の構造示す模式平面図、（ｂ）は、圧電素子の構造示す模式側断面図。実施形態１４にかかわり、各層が受ける応力の状態を説明するための模式断面図。実施形態１５にかかわり、各層が受ける応力の状態を説明するための模式断面図。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。尚、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の総てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。
（実施形態１）
本実施形態では、超音波診断装置の特徴的な例について図１〜図１７に従って説明する。

（１）超音波診断装置の全体構成
図１は超音波診断装置の構成を示す概略斜視図である。図１に示すように、超音波診断装置１１は装置端末１２と超音波プローブ１３（プローブ）とを備える。装置端末１２と超音波プローブ１３とはケーブル１４で相互に接続される。装置端末１２と超音波プローブ１３とはケーブル１４を通じて電気信号をやりとりする。装置端末１２にはディスプレイパネル１５（表示装置）が組み込まれる。ディスプレイパネル１５の画面は装置端末１２の表面で露出する。装置端末１２では、後述されるように、超音波プローブ１３で検出された超音波に基づき画像が生成される。画像化された検出結果がディスプレイパネル１５の画面に表示される。

図２は超音波プローブの構成を示す組織側面図である。図２に示すように、超音波プローブ１３は筐体１６を有する。筐体１６内には超音波トランスデューサー素子チップとしての素子チップ１７が収容される。素子チップ１７の表面は筐体１６の表面で露出することができる。素子チップ１７は表面から超音波を出力するとともに超音波の反射波を受信する。その他、超音波プローブ１３は、プローブ本体１３ａに着脱可能に連結されるプローブヘッド１３ｂを備えることができる。このとき、素子チップ１７はプローブヘッド１３ｂの筐体１６内に組み込まれることができる。

図３は素子チップの構成を示す模式平面図である。図３に示すように、素子チップ１７は基板２１を備える。基板２１には素子アレイ２２が形成される。素子アレイ２２は超音波トランスデューサー素子としての圧電素子２３の配列で構成される。配列は複数行複数列のマトリックスで形成される。個々の圧電素子２３は圧電素子部を備える。圧電素子部は下電極としての下部電極２４、上電極としての上部電極２５及び圧電体としての圧電体膜２６で構成される。個々の圧電素子２３ごとに下部電極２４及び上部電極２５の間に圧電体膜２６が挟み込まれる。

下部電極２４は複数本の第１導電体２４ａを有する。第１導電体２４ａは配列の行方向に相互に平行に延びる。１行の圧電素子２３ごとに１本の第１導電体２４ａが割り当てられる。１本の第１導電体２４ａは配列の行方向に並ぶ圧電素子２３の圧電体膜２６に共通に配置される。第１導電体２４ａの両端は一対の引き出し配線２７にそれぞれ接続される。引き出し配線２７は配列の列方向に相互に平行に延びる。したがって、総ての第１導電体２４ａは同一長さを有する。こうしてマトリックス全体の圧電素子２３に共通に下部電極２４は接続される。

上部電極２５は複数本の第２導電体２５ａを有する。第２導電体２５ａは配列の列方向に相互に平行に延びる。１列の圧電素子２３ごとに１本の第２導電体２５ａが割り当てられる。１本の第２導電体２５ａは配列の列方向に並ぶ圧電素子２３の圧電体膜２６に共通に配置される。列ごとに圧電素子２３の通電は切り替えられる。こうした通電の切り替えに応じてラインスキャンやセクタースキャンは実現される。１列の圧電素子２３は同時に超音波を出力することから、１列の個数すなわち配列の行数は超音波の出力レベルに応じて決定されることができる。行数は例えば１０〜１５行程度に設定されればよい。図中では省略されて５行が描かれる。配列の列数はスキャンの範囲の広がりに応じて決定されることができる。列数は例えば１２８列や２５６列に設定されればよい。図中では省略されて８列が描かれる。その他、配列では千鳥配置が確立されてもよい。千鳥配置では偶数列の圧電素子２３群は奇数列の圧電素子２３群に対して行ピッチの２分の１でずらされればよい。奇数列及び偶数列の一方の素子数は他方の素子数に比べて１つ少なくてもよい。さらにまた、下部電極２４及び上部電極２５の役割は入れ替えられてもよい。すなわち、マトリックス全体の圧電素子２３に共通に上部電極が接続される一方で、配列の列ごとに共通に圧電素子２３に下部電極が接続されてもよい。

基板２１の輪郭は、相互に平行な一対の直線２９で仕切られて対向する第１辺２１ａ及び第２辺２１ｂを有する。素子アレイ２２の輪郭と基板２１の外縁との間に広がる周縁領域３１には、第１辺２１ａと素子アレイ２２の輪郭との間に１ラインの第１端子アレイ３２ａが配置され、第２辺２１ｂと素子アレイ２２の輪郭との間に１ラインの第２端子アレイ３２ｂが配置される。第１端子アレイ３２ａは第１辺２１ａに平行に１ラインを形成することができる。第２端子アレイ３２ｂは第２辺２１ｂに平行に１ラインを形成することができる。第１端子アレイ３２ａは一対の下部電極端子３３及び複数の上部電極端子３４で構成される。同様に、第２端子アレイ３２ｂは一対の下部電極端子３５及び複数の上部電極端子３６で構成される。１本の引き出し配線２７の両端にそれぞれ下部電極端子３３、３５は接続される。引き出し配線２７及び下部電極端子３３、３５は素子アレイ２２を二等分する垂直面で面対称に形成されればよい。１本の第２導電体２５ａの両端にそれぞれ上部電極端子３４、３６は接続される。第２導電体２５ａ及び上部電極端子３４、３６は素子アレイ２２を二等分する垂直面で面対称に形成されればよい。ここでは、基板２１の輪郭は矩形に形成される。基板２１の輪郭は正方形であってもよく台形であってもよい。

基板２１には第１フレキシブルプリント基板としての第１フレキ３７が連結される。第１フレキ３７は第１端子アレイ３２ａに覆い被さる。第１フレキ３７の一端には下部電極端子３３及び上部電極端子３４に個別に対応して導電線すなわち第１信号線３８が形成される。第１信号線３８は下部電極端子３３及び上部電極端子３４に個別に向き合わせられ個別に接合される。同様に、基板２１には第２フレキシブルプリント基板としての第２フレキ４１が覆い被さる。第２フレキ４１は第２端子アレイ３２ｂに覆い被さる。第２フレキ４１の一端には下部電極端子３５及び上部電極端子３６に個別に対応して導電線すなわち第２信号線４２が形成される。第２信号線４２は下部電極端子３５及び上部電極端子３６に個別に向き合わせられ個別に接合される。

図４は素子チップの構成を示す模式側断面図である。図４に示すように、個々の圧電素子２３は振動膜４３を有する。振動膜４３の構築にあたって基板２１の基体４４には個々の圧電素子２３ごとに開口４５が形成される。開口４５は基体４４に対してアレイ状に配置される。基体４４の表面には可撓膜４６が一面に形成される。可撓膜４６は、基体４４の表面に積層される酸化シリコン層４７（ＳｉＯ₂）と、酸化シリコン層４７の表面に積層される上面層４８とで構成される。上面層４８は酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、チタン（Ｔｉ）、酸化チタン（ＴｉＯ）またはこれらが複合した膜となっている。可撓膜４６は開口４５に接する。こうして開口４５の輪郭に対応して可撓膜４６の一部が振動膜４３として機能する。酸化シリコン層４７の膜厚は共振周波数に基づき決定される。

振動膜４３の表面に下部電極２４、圧電体膜２６及び上部電極２５が順番に積層される。下部電極２４には例えばチタン（Ｔｉ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）及びチタン（Ｔｉ）の積層膜やプラチナの膜を用いられることができる。圧電体膜２６は例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）で形成されることができる。上部電極２５は例えばイリジウム（Ｉｒ）や白金（Ｐｔ）で形成されることができる。下部電極２４及び上部電極２５にはその他の導電材が利用されてもよく、圧電体膜２６にはその他の圧電材料が用いられてもよい。ここでは、上部電極２５の下で圧電体膜２６は完全に下部電極２４を覆う。圧電体膜２６の働きで上部電極２５と下部電極２４との間で短絡は回避されることができる。

基板２１の表面には保護膜４９が積層される。保護膜４９は例えば全面にわたって基板２１の表面に覆い被さる。その結果、素子アレイ２２や第１端子アレイ３２ａ及び第２端子アレイ３２ｂ、第１フレキ３７及び第２フレキ４１は保護膜４９で覆われる。保護膜４９には例えばシリコーン樹脂膜が用いられることができる。保護膜４９は、素子アレイ２２の構造や、第１端子アレイ３２ａ及び第１フレキ３７の接合、第２端子アレイ３２ｂ及び第２フレキ４１の接合を保護する。

隣接する開口４５同士の間には仕切り壁５１が区画される。開口４５同士は仕切り壁５１で仕切られる。仕切り壁５１の壁厚みｔは開口４５の空間同士の間隔に相当する。仕切り壁５１は相互に平行に広がる平面内に２つの壁面を規定する。壁厚みｔは壁面同士の距離に相当する。すなわち、壁厚みｔは壁面に直交して壁面同士の間に挟まれる垂線の長さで規定されることができる。仕切り壁５１の壁高さＨは開口４５の深さに相当する。開口４５の深さは基体４４の厚みに相当する。したがって、仕切り壁５１の壁高さＨは基体４４の厚み方向に規定される壁面の長さで規定されることができる。基体４４は均一な厚みを有することから、仕切り壁５１は全長にわたって一定の壁高さＨを有することができる。仕切り壁５１の壁厚みｔが縮小されれば、振動膜４３の配置密度は高められ、素子チップ１７の小型化に寄与することができる。壁厚みｔに比べて仕切り壁５１の壁高さＨが大きければ、素子チップ１７の曲げ剛性は高められることができる。こうして開口４５同士の間隔は開口４５の深さよりも小さく設定される。

基体４４の裏面には補強板５２（補強部材）が固定される。補強板５２の表面に基体４４の裏面が重ねられる。補強板５２は素子チップ１７の裏面で開口４５を閉じる。補強板５２はリジッドな基材を備えることができる。補強板５２は例えばシリコン基板から形成されることができる。基体４４の板厚は例えば１００μｍ程度に設定され、補強板５２の板厚は例えば１００〜１５０μｍ程度に設定される。ここでは、仕切り壁５１は補強板５２に結合される。補強板５２は個々の仕切り壁５１に少なくとも１カ所の接合域で接合される。接合には接着剤を用いてもよい。

補強板５２の表面には直線状の溝５３（直線状溝部）が形成される。溝５３は補強板５２の表面を複数の平面５４に分割する。複数の平面５４は１つの仮想平面ＨＰ内で広がる。その仮想平面ＨＰ内で基体４４の裏面は広がる。仕切り壁５１は平面５４に接合される。溝５３は仮想平面ＨＰから窪む。溝５３の断面形状は四角形であってもよく三角形であってもよく半円形その他の形状であってもよい。

図５は補強板を示す模式平面図である。図５に示すように、開口４５は第１方向Ｄ１に列を形成する。開口４５の輪郭形状の図心４５ｂは第１方向Ｄ１の１直線５６上で等ピッチに配置される。開口４５の輪郭４５ａは１つの形状の複写で象られることから、同一形状の開口４５が一定のピッチで繰り返し配置される。開口４５の輪郭４５ａは例えば四角形に規定される。具体的には矩形に形成される。矩形の長辺は第１方向Ｄ１に合わせ込まれる。こうして開口４５は矩形の輪郭４５ａを有することから、仕切り壁５１は全長にわたって一定の壁厚みｔを有することができる。このとき、仕切り壁５１の接合域は長辺の中央位置を含む領域であればよい。特に、仕切り壁５１の接合域は長辺の全長を含む領域であればよい。仕切り壁５１は長辺の全長にわたって開口４５同士の間の全面で補強板５２に面接合されることができる。さらに、仕切り壁５１の接合域は四角形の各辺に少なくとも１カ所ずつ配置されることができる。仕切り壁５１の接合域は四角形を途切れなく囲むことができる。仕切り壁５１は四角形の全周にわたって開口４５同士の間の全面で補強板５２に面接合されることができる。

溝５３は一定の間隔Ｌで相互に平行に第１方向Ｄ１に並べられる。溝５３は第１方向Ｄ１に交差する第２方向Ｄ２に延びる。溝５３の両端は補強板５２の端面５７ａ及び端面５７ｂで開口する。１本の溝５３は１列（ここでは１行）の開口４５の輪郭４５ａを順番に横切る。個々の開口４５には少なくとも１本の溝５３が接続される。ここでは、第２方向Ｄ２は第１方向Ｄ１に直交する。したがって、溝５３は矩形の短辺方向に開口４５の輪郭４５ａを横切る。

図６は補強板を示す要部模式拡大図である。図６に示すように、平面５４同士の間で溝５３は基体４４と補強板５２との間に通路５８ａ及び通路５８ｂを形成する。こうして溝５３内の空間は開口４５の内部空間に連通する。通路５８ａ及び通路５８ｂは開口４５の内部空間と基板２１の外部空間との間で通気を確保する。基板２１の表面に直交する方向すなわち基板２１の厚み方向から見た平面視で、１本の溝５３は１列（ここでは１行）の開口４５の輪郭４５ａを順番に横切ることから、次々に開口４５同士は通路５８ａで接続される。溝５３の両端は補強板５２の端面５７ａ及び端面５７ｂで開口する。こうして列端の開口４５から基板２１の輪郭の外側に通路５８ｂは開放される。

溝５３の間隔Ｌは開口４５の開口幅Ｓよりも小さく設定される。開口幅Ｓは、溝５３の並び方向すなわち第１方向Ｄ１に開口４５を横切る線分のうち最大の長さのもので規定される。言い換えると、開口幅Ｓは、開口４５の輪郭４５ａに外接する平行線５９同士の間隔に相当する。開口４５ごとに開口４５の輪郭４５ａに外接する平行線５９は特定される。平行線５９は第２方向Ｄ２に延びる。仮に開口４５ごとに開口幅Ｓが相互に相違する場合には、開口幅Ｓの最小値よりも小さい間隔Ｌで溝５３は並べられればよい。ここでは、溝５３の間隔Ｌは、開口４５の開口幅Ｓの３分の１以上であって２分の１よりも小さく設定される。

（２）超音波診断装置の回路構成
図７は装置端末及び超音波プローブの回路図である。図７に示されるように、超音波プローブ１３には素子チップ１７と接続する集積回路チップ５５が設置されている。集積回路チップ５５はマルチプレクサー６１及び送受信回路６２を備える。マルチプレクサー６１は素子チップ１７側のポート群６１ａと送受信回路６２側のポート群６１ｂとを備える。素子チップ１７側のポート群６１ａには第１配線６０経由で第１信号線３８及び第２信号線４２が接続される。こうしてポート群６１ａは素子アレイ２２に繋がる。ここでは、送受信回路６２側のポート群６１ｂには集積回路チップ５５内の規定数の信号線６３が接続される。規定数はスキャンにあたって同時に出力される圧電素子２３の列数に相当する。マルチプレクサー６１はケーブル１４側のポートと素子チップ１７側のポートとの間で相互接続を管理する。

送受信回路６２は規定数の切り替えスイッチ６４を備える。個々の切り替えスイッチ６４はそれぞれ信号線６３に接続される。送受信回路６２は個々の切り替えスイッチ６４ごとに送信経路６５及び受信経路６６を備える。切り替えスイッチ６４には送信経路６５と受信経路６６とが並列に接続される。切り替えスイッチ６４はマルチプレクサー６１に選択的に送信経路６５または受信経路６６を接続する。送信経路６５にはパルサー６７が組み込まれる。パルサー６７は振動膜４３の共振周波数に応じた周波数でパルス信号を出力する。受信経路６６にはアンプ６８、ローパスフィルター６９（ＬＰＦ）及びアナログデジタル変換器７１（ＡＤＣ）が組み込まれる。個々の圧電素子２３の検出信号は増幅されてデジタル信号に変換される。

送受信回路６２は駆動／受信回路７２を備える。送信経路６５及び受信経路６６は駆動／受信回路７２に接続される。駆動／受信回路７２はスキャンの形態に応じて同時にパルサー６７を制御する。駆動／受信回路７２はスキャンの形態に応じて検出信号のデジタル信号を受信する。駆動／受信回路７２は制御線７３によりマルチプレクサー６１に接続される。マルチプレクサー６１は駆動／受信回路７２から供給される制御信号に基づき相互接続の管理を実施する。

装置端末１２には処理回路７４が組み込まれる。処理回路７４は例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ）やメモリーを備えることができる。超音波診断装置１１の全体動作は処理回路７４の処理に従って制御される。ユーザーから入力される指示に応じて処理回路７４は駆動／受信回路７２を制御する。処理回路７４は圧電素子２３の検出信号に応じて画像を生成する。画像は描画データで特定される。

装置端末１２には描画回路７５が組み込まれる。描画回路７５は処理回路７４に接続される。描画回路７５にはディスプレイパネル１５が接続される。描画回路７５は処理回路７４で生成された描画データに応じて駆動信号を生成する。駆動信号はディスプレイパネル１５に送り込まれる。その結果、ディスプレイパネル１５に画像が映し出される。

（３）超音波診断装置の動作
次に超音波診断装置１１の動作を簡単に説明する。処理回路７４は駆動／受信回路７２に超音波の送信及び受信を指示する。駆動／受信回路７２はマルチプレクサー６１に制御信号を供給するとともに個々のパルサー６７に駆動信号を供給する。パルサー６７は駆動信号の供給に応じてパルス信号を出力する。マルチプレクサー６１は制御信号の指示に従ってポート群６１ｂのポートにポート群６１ａのポートを接続する。ポートの選択に応じて下部電極端子３３、下部電極端子３５、上部電極端子３４及び上部電極端子３６を通じて列ごとにパルス信号が圧電素子２３に供給される。パルス信号の供給に応じて振動膜４３は振動する。その結果、対象物（例えば人体の内部）に向けて所望の超音波が発せられる。

超音波の送信後、切り替えスイッチ６４が切り替えられる。マルチプレクサー６１はポートの接続関係を維持する。切り替えスイッチ６４は送信経路６５及び信号線６３の接続に代えて受信経路６６及び信号線６３の接続を確立する。超音波の反射波は振動膜４３を振動させる。その結果、圧電素子２３から検出信号が出力される。検出信号はデジタル信号に変換されて駆動／受信回路７２に送り込まれる。

超音波の送信及び受信は繰り返される。繰り返しにあたってマルチプレクサー６１はポートの接続関係を変更する。その結果、ラインスキャンやセクタースキャンが実現される。スキャンが完了すると、処理回路７４は検出信号のデジタル信号に基づき画像を形成する。形成された画像はディスプレイパネル１５の画面に表示される。

（４）超音波トランスデューサー素子チップの製造方法
図８〜図１２は超音波トランスデューサー素子チップの製造方法を説明するための模式図である。図８に示されるように、シリコンウエハー７８（基板）の表面には酸化シリコン膜７９及び酸化ジルコニウム膜８１が相次いで形成される。酸化ジルコニウム膜８１の表面には導電膜が形成される。導電膜はチタン、イリジウム、白金及びチタンの積層膜で構成される。フォトリソグラフィ技術に基づき導電膜から下部電極２４、引き出し配線２７、図示しない下部電極端子３３及び下部電極端子３５が形成される。下部電極２４、引き出し配線２７、下部電極端子３３及び下部電極端子３５は個々の素子チップ１７ごとに形成される。

図９に示されるように、下部電極２４の表面で個々の圧電素子２３ごとに圧電体膜２６及び上部電極２５が形成される。圧電体膜２６及び上部電極２５の形成にあたってシリコンウエハー７８の表面に圧電材料膜及び導電膜が成膜される。圧電材料膜はＰＺＴ膜から構成される。導電膜はイリジウム膜から構成される。フォトリソグラフィ技術に基づき個々の圧電素子２３ごとに圧電材料膜及び導電膜から圧電体膜２６及び上部電極２５が成形される。

続いて、図１０に示されるように、シリコンウエハー７８の表面に導電膜８２が成膜される。導電膜８２は個々の素子チップ１７内で列ごとに上部電極２５を相互に接続する。そして、フォトリソグラフィ技術に基づき導電膜８２から上部電極２５、上部電極端子３４及び上部電極端子３６が成形される。

その後、図１１に示されるように、シリコンウエハー７８の裏面からアレイ状の開口４５が形成される。開口４５の形成にあたってエッチング処理が施される。酸化シリコン膜７９はエッチングストップ層として機能する。酸化シリコン膜７９及び酸化ジルコニウム膜８１からなる振動膜４３は開口４５により区画される。

補強板用のウエハー８３の表面には直線状の溝８４が形成される。溝８４は相互に平行に等間隔で延びる。溝８４の少なくとも一端はウエハー８３の端面で開放される。溝８４は、開口４５の開口幅Ｓよりも小さい間隔Ｌで並べられる。こうして溝８４の間隔Ｌが設定されると、シリコンウエハー７８と補強板用のウエハー８３との間で相対的に位置ずれが生じても、少なくとも１本の溝８４は開口４５の輪郭４５ａを横切ることができる。例えば図１２に示されるように、シリコンウエハー７８に対して補強板用のウエハー８３が第１方向Ｄ１にずれて溝８４ａが隣り合う開口４５の間に位置しても、２つの開口４５にはそれぞれ少なくとも１本の溝８４ｂが配置されることができる。シリコンウエハー７８から個々の素子チップ１７が切り出された際に、溝８４は補強板５２の溝５３を提供する。

こうして溝８４が形成されると、シリコンウエハー７８及びウエハー８３が大気中またはその他の気体雰囲気下で相互に重ね合わせられる場合でも、比較的に簡単に重ね合わせは実現されることができる。その一方で、シリコンウエハー７８の裏面が均一な平面に重ね合わせられると、個々の開口４５内に補強板用のウエハーの平面で気体が押し詰められる。大気圧では開口４５内の空間の体積よりも大きい体積の気体が開口４５内に留まろうとする。開口４５の封鎖と同時に、シリコンウエハー７８及び補強板用のウエハーの隙間から余分な気体が逃げないと、シリコンウエハー７８及び補強板用のウエハーの貼り合わせは実現されることができない。

図１１に戻って、シリコンウエハー７８の裏面に補強板用のウエハー８３（補強部材）の表面が重ね合わせられる。重ね合わせに先立ってウエハー８３はハンドリング機構やステージ上に保持される。ウエハー８３には例えばリジッドな絶縁性基板が用いられることができる。絶縁性基板にはシリコンウエハーが用いられることができる。接合にあたって例えば接着剤を用いても良い。接合後、シリコンウエハー７８から個々の素子チップ１７が切り出されて素子チップ１７が完成する。

（５）圧電体膜の製造方法と構造
次に、圧電素子２３について詳細に説明する。
図４に示すように、基体４４の補強板５２とは反対側の可撓膜４６の上には、厚さが例えば、約０．５μｍの下部電極２４と、厚さが例えば、約１μｍの圧電体膜２６と、厚さが例えば、約０．１μｍの上部電極２５とが積層形成されて、圧電素子２３（圧電素子）を構成している。このように、可撓膜４６の各開口４５に対向する領域には、開口４５毎に独立して圧電素子２３が設けられている。

そして、かかる各上部電極２５の上面の少なくとも周縁、及び圧電体膜２６の側面を覆うように電気絶縁性を備えた保護膜４９が形成されている。保護膜４９は、成膜法による形成やまたエッチングによる形成が可能な材料、例えば酸化シリコン、窒化シリコン、有機材料、好ましくは剛性が低く、且つ電気絶縁性に優れた感光性ポリイミドで形成するのが好ましい。

ここで、シリコン単結晶基板からなる基体４４上に、圧電体膜２６等を形成するプロセスを図１３〜図１５を参照しながら説明する。図１３〜図１５は圧電体膜の形成方法を説明するための模式図である。

図１３（ａ）に示すように、まず、基体４４となるシリコン単結晶基板のウエハーを約１１００℃の拡散炉で熱酸化して二酸化シリコンからなる酸化シリコン層４７を形成する。次に、スパッタリングで上面層４８を形成する。上面層４８は酸化シリコン層４７と下部電極２４との密着力を向上させる。上面層４８にはチタンと酸化チタンとチタンとを順次数十Å形成した。上面層４８のチタン、酸化チタン、チタン及び下部電極２４は、直流スパッタリング法により４層連続形成し、その中で酸化チタンは１０％酸素雰囲気によるリアクティブスパッタリング法によって形成した。

次に、図１３（ｂ）に示すように、スパッタリングで下部電極２４を形成する。下部電極２４の材料としては、Ｐｔ等が好適である。これは、スパッタリングやゾル−ゲル法で成膜する後述の圧電体膜２６は、成膜後に大気雰囲気下または酸素雰囲気下で６００〜１０００℃程度の温度で焼成して結晶化させる必要があるからである。すなわち、下部電極２４の材料は、このような高温、酸化雰囲気下で導電性を保持できなければならず、殊に、圧電体膜２６としてＰＺＴを用いた場合には、ＰｂＯの拡散による導電性の変化が少ないことが望ましく、これらの理由からＰｔが好適である。次に、下部電極２４を所定の形状にパターニングする。このとき、公知のフォトリソグラフィ法とエッチング法を用いて下部電極２４を形成する。

次に、図１３（ｃ）に示すように、圧電体膜２６を成膜する。この圧電体膜２６の成膜にはスパッタリングを用いることもできるが、本実施形態では、金属有機物を溶媒に溶解し分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体膜２６を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いている。圧電体膜２６の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の材料が超音波プローブ１３に使用する場合には好適である。

次に、図１３（ｄ）及び図１４（ａ）に示すように、圧電体膜２６をパターニングする。この際、圧電体能動部８８の両側面８９を上から下に向かって外側に広がるように傾斜させる。このようなテーパ面を有する圧電体能動部８８の形成方法は特に限定されないが、例えば、断面略台形となるレジストパターンを設けてイオンミリング等することにより容易に製造することができる。

すなわち、まず、レジストを塗布し、所定のマスクを用いて露光し、現像することにより、断面が略台形のレジストパターンを形成する。

ここで、レジストは、例えば、ネガレジストをスピンコート等により塗布して形成し、レジストパターンは、その後、所定形状のマスクを用いて露光・現像・ベークを行うことにより、形成する。この際、ポストベークを長めに行って側面を変形させることにより、または過剰に露光することにより、傾斜した側面を有するレジストパターンを容易に形成することができる。

また、断面略台形の圧電体能動部８８の底面と傾斜面とのなす角度は、レジストパターンの傾斜した側面と平行に形成されるため、ポストベークの時間により、断面略台形の圧電体能動部８８の底面と傾斜面とのなす角度を容易に操作することが可能である。

そして、この後、イオンミリング等により圧電体膜２６をエッチングすることにより、断面略台形の圧電体能動部８８を形成することができる。尚、勿論、ネガレジストの代わりにポジレジストを用いてもよい。

次に、上部電極２５を成膜する。上部電極２５は、導電性の高い材料であればよく、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｔ等の多くの金属や、導電性酸化物等を使用できる。本実施形態では、上部電極２５のためにＰｔをスパッタリングにより成膜している。以上説明したように、まず、下部電極２４の全体のパターンを形成し、次いで、圧電体能動部８８をパターニングすることによりパターニングが完了する。

図１４（ａ）に示すように、圧電体能動部８８の両側の側面８９は、上から下に向かって外側に傾斜しているテーパ面となって、縦断面は略台形形状となっている。このような構造とすることにより、圧電体能動部８８の両端部において、その駆動時に発生する力を外側へ行くほど徐々に小さくすることができる。従って、両側面における応力集中が防止され、破壊等の虞がなくなる。

ここで、底面と傾斜面との成す角度θは、５〜７５度、好ましくは、５〜４５度の範囲にあるのが望ましい。このような範囲から外れると、応力集中を防止するという効果が顕著には得られ難いからである。

次に、図１４（ｂ）に示すように、上部電極２５の周縁部、圧電体膜２６及び下部電極２４の側面を覆うように保護膜４９を形成する。保護膜４９の好適な材料は特に限定されないが、本実施形態ではネガ型の感光性ポリイミドを用いている。次に、各上部電極２５の上面の少なくとも周縁、及び圧電体膜２６の側面を覆うように電気絶縁性を備えたレジストを形成する。

図１５（ａ）は素子と開口との位置関係を説明するための模式図である。図中保護膜４９は省略されている。上記のように形成された圧電体能動部８８と開口４５との平面位置関係は図に示すとおりである。圧電体膜２６及び上部電極２５からなる圧電体能動部８８は、開口４５に対向する領域内に設けられている。

以上が膜形成プロセスである。このようにして膜形成を行った後、図１５（ｂ）に示すように、アルカリ溶液によりシリコン単結晶基板であるウエハーの異方性エッチングを行い、開口４５等を形成する。尚、以上説明した一連の膜形成及び異方性エッチングは、一枚のウエハー上に多数のチップを同時に形成し、プロセス終了後、図３に示すような１つのチップサイズの基体４４毎に分割する。また、分割した基体４４と補強板５２とを接着して一体化し、素子チップ１７とする。

（変形例１）
次に、超音波トランスデューサー素子の一変形例について図１６を用いて説明する。図１６（ａ）は、超音波トランスデューサー素子の構造を示す要部模式拡大平面図である。図１６（ｂ）は、超音波トランスデューサー素子の構造を示す要部模式拡大断面図である。本実施形態が実施形態１と異なるところは、圧電体能動部８８の底面が開口４５に対向する領域より幅方向外側まで延設されている点にある。尚、実施形態１と同じ点については説明を省略する。

すなわち、変形例１では、図１６に示すように、素子チップ９１は基体９２を備えている。基体９２には開口９３が形成され、仕切り壁９４が開口９３を仕切っている。開口９３は実施形態１の開口４５より小さい形状となっている。そして、圧電体能動部８８は開口９３に対向する領域内より広くなっている。圧電体能動部８８の外周は仕切り壁９４上にある。

このような構造とすることにより、実施形態１と同様に、圧電体能動部８８の幅方向両側において応力集中が生じ難い。さらに、開口９３の縁部９３ａと圧電体能動部８８の両側面８９との位置関係により、変位が多少小さくなるが、応力集中がさらに生じがたい構成となっている。尚、圧電体能動部８８の上面８８ａを開口９３に対向する領域内に設けることにより、十分な変位量を確保できる。

（変形例２）
次に、超音波トランスデューサー素子の一変形例について図１７を用いて説明する。図１７（ａ）及び図１７（ｂ）は、超音波トランスデューサー素子の構造を示す要部模式拡大断面図である。本実施形態が実施形態１と異なるところは、圧電体能動部８８の周囲に近い場所の下部電極２４及び上部電極２５に凹部が設置されている点にある。尚、実施形態１と同じ点については説明を省略する。

変形例２の素子チップ９５では圧電体能動部８８の両側に下部電極２４の厚さを薄くした下電極除去部９６を形成したものである。そして、圧電体能動部８８の両側に上部電極２５の厚さを薄くした上電極除去部９７を形成したものである。

すなわち、開口４５の幅方向両側の縁部に対向した領域である圧電体能動部８８の両側の振動板の腕に相当する部分の下部電極２４を一部除去することにより、下電極除去部９６を形成したものである。このように下電極除去部９６を設けることにより、圧電体能動部８８への電圧印加による変位量の向上を図ることができる。

開口４５の幅方向両側の縁部に対向した領域である圧電体能動部８８の両側の振動板の腕に相当する部分の上部電極２５を一部除去することにより、上電極除去部９７を形成したものである。このように上電極除去部９７を設けることにより、圧電体能動部８８への電圧印加による変位量の向上を図ることができる。

また、圧電体能動部８８の両側面８９がテーパ面となっているので、その駆動時に発生する力を外側へ行くほど徐々に小さくすることができ、下電極除去部９６及び上電極除去部９７における応力集中が防止され、破壊等の虞がない。

尚、下電極除去部９６ではハーフエッチング等により下部電極２４の一部を除去して下部電極２４を薄肉にした。同様に、上電極除去部９７ではハーフエッチング等により上部電極２５の一部を除去して上部電極２５を薄肉にした。

（他の変形例）
以上、の実施形態および変形例を説明したが、装置の基本的構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、上述した基板をガラスセラミックス製としてもよく、さらには、振動膜を別部材としてガラスセラミックス製としてもよく、材料、構造等の変更は自由である。

また、以上説明した実施形態及び変形例は、成膜及びリソグラフィプロセスを応用することにより製造できる薄膜型の装置を例にしたが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、基板を積層して開口を形成するもの、あるいはグリーンシートを貼付もしくはスクリーン印刷等により圧電体膜を形成するもの、または結晶成長により圧電体膜を形成するもの等、各種の構造の装置に本実施形態を応用することができる。このように、その趣旨に反しない限り、種々の構造の装置に本実施形態を応用することができる。

（効果）
以上説明したように本実施形態においては、開口に対向する圧電体能動部８８の断面が略台形形状となるように形成したことにより、圧電体能動部の外縁部、特に両側の応力集中による破壊等を防止することができる。

（実施形態２）
次に、超音波診断装置の一実施形態について図１８〜２２を用いて説明する。本実施形態が実施形態１と異なるところは、振動膜４３の厚みが圧電素子２３と対向する場所と対向しない場所で異なっている点にある。尚、実施形態１と同じ点については説明を省略する。

図１８（ａ）及び図１８（ｂ）は圧電素子の構成を示す模式断面図である。すなわち、本実施形態では図１８に示すように、基体４４は、本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなる。基体４４としては、通常、１５０〜３００μｍ程度の厚さのものが用いられ、望ましくは１８０〜２８０μｍ程度、より望ましくは２２０μｍ程度の厚さのものが好適である。これは、隣接する開口４５間の隔壁の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるからである。

基体４４の一方の面は開口面となり、他方の面には、例えば、ジルコニウムの膜を形成後、熱酸化することにより形成した圧縮応力を有する酸化ジルコニウムからなる、厚さ０．２〜３．０μｍの可撓膜１００が形成されている。

開口４５は異方性エッチングにより形成される。異方性エッチングは、シリコン単結晶基板をＫＯＨ等のアルカリ溶液に浸漬すると、徐々に侵食されて（１１０）面に垂直な第１の（１１１）面と、この第１の（１１１）面と約７０度の角度をなし且つ上記（１１０）面と約３５度の角度をなす第２の（１１１）面とが出現し、（１１０）面のエッチングレートと比較して（１１１）面のエッチングレートが約１／１８０であるという性質を利用して行われるものである。かかる異方性エッチングにより、二つの第１の（１１１）面と斜めの二つの第２の（１１１）面とで形成される平行四辺形状の深さ加工を基本として精密加工を行うことができ、開口４５を高密度に配列することができる。

本実施形態では、各開口４５の長辺を第１の（１１１）面で、短辺を第２の（１１１）面で形成している。この開口４５は、基体４４をほぼ貫通して可撓膜１００に達するまでエッチングすることにより形成されている。尚、可撓膜１００は、シリコン単結晶基板をエッチングするアルカリ溶液に侵される量がきわめて小さい。

一方、基体４４の開口面とは反対側の可撓膜１００の上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下部電極２４と、厚さが例えば、約１μｍの圧電体膜２６と、厚さが例えば、約０．１μｍの上部電極２５とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子１０１を構成している。ここで、圧電素子１０１は、下部電極２４、圧電体膜２６、及び上部電極２５を含む部分をいう。一般的には、圧電素子１０１の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体膜２６を開口４５毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体膜２６から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部８８という。本実施形態では、下部電極２４は圧電素子１０１の個別電極とし、上部電極２５も圧電素子１０１の個別電極としている。各開口４５に圧電体能動部８８が形成されていることになる。また、ここでは、圧電素子１０１と当該圧電素子１０１の駆動により変位が生じる可撓膜１００とを合わせて圧電アクチュエーターと称する。尚、上述した例では、可撓膜１００及び下部電極２４が振動膜１０２として作用するが、下部電極２４が弾性膜を兼ねるようにしてもよい。

また、基体４４の圧電素子１０１側に、この圧電素子１０１を構成する層と共に積層されて圧縮応力を有する膜を設け、振動板の初期撓み量を低減させている。本実施形態では、可撓膜１００が圧縮応力を有する膜になっている。

ここで、シリコン単結晶基板からなる基体４４上に、振動膜１０２及び圧電素子１０１を構成する各層を形成するプロセスを図１９を参照しながら説明する。図１９は圧電素子の製造方法を説明するための模式断面図である。

図１９（ａ）に示すように、まず、基体４４となるシリコン単結晶基板の一方面に、圧縮応力を有する可撓膜１００を形成する。この可撓膜１００の材質としては、所定の強度を有し、且つ圧縮応力を有する膜となる材料、例えば、金属酸化物等の多結晶体が好ましく、例えば、酸化ジルコニウム、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化オスミウム、酸化レニウム、酸化ロジウム、酸化パラジウム及びそれらの化合物等が挙げられる。例えば、酸化ジルコニウムまたは酸化ハフニウムの場合には、単斜晶系とすることにより、圧縮応力を有する膜とすることができる。

本実施形態の可撓膜１００では、シリコン単結晶基板上にジルコニウム層をスパッタリングで形成後、約１１５０℃の拡散炉で酸素中で熱酸化処理することにより、単斜晶系の酸化ジルコニウムからなる可撓膜１００を形成した。ここで、ジルコニウムは酸化される際に、相転移温度以上に加熱されているため、冷却時に相転移を起こして単斜晶系となり、圧縮応力を有する酸化ジルコニウムとなる。次に、圧電素子１０１を設置する予定の場所以外の可撓膜１００の薄くして弾性膜除去部１００ａを設置する。これには公知のフォトリソグラフィ法とエッチング法を用いる。

可撓膜１００のオーバーエッチングの深さは、膜全体の応力バランスから考慮して形成すればよいが、特に、下部電極２４が引張応力を有する場合には、少なくとも下部電極２４の厚さよりも深いことが好ましく、例えば、本実施形態では、約０．４μｍの深さで形成した。

次に、スパッタリングで下部電極２４を形成する。下部電極２４の材料としては、白金、イリジウム等が好適である。これは、スパッタリング法やゾル−ゲル法で成膜する後述の圧電体膜２６は、成膜後に大気雰囲気下または酸素雰囲気下で６００〜１０００℃程度の温度で焼成して結晶化させる必要があるからである。すなわち、下部電極２４の材料は、このような高温、酸化雰囲気下で導電性を保持できなければならず、殊に、圧電体膜２６としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いた場合には、酸化鉛の拡散による導電性の変化が少ないことが望ましく、これらの理由から白金、イリジウム等が好適である。次に、下部電極２４をパターニングする。これには公知のフォトリソグラフィ法とエッチング法を用いる。

次に、図１９（ｂ）に示すように、圧電体膜２６を成膜する。この圧電体膜２６の成膜にはスパッタリング法を用いることもできるが、本実施形態では、金属有機物を溶媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体膜２６を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いている。圧電体膜２６の材料としては、ＰＺＴ系の材料が超音波用の素子チップ１７に使用する場合には好適である。次に、圧電体膜２６の断面形状を台形に形成する。

次に、図１９（ｃ）に示すように、上部電極２５を成膜する。上部電極２５は、導電性の高い材料であればよく、例えば、アルミニウム、金、ニッケル、白金等の多くの金属や、導電性酸化物等を使用できる。本実施形態では、白金をスパッタリング法により成膜している。次に、上部電極２５をパターニングする。次に、図１９（ｄ）に示すように、保護膜４９を成膜する。

本実施形態では、その後、開口４５をエッチングにより形成するが、このときの圧電体能動部８８が受ける応力の状態を以下に説明する。尚、図２０は、各層が受ける応力の状態を説明するための模式断面図である。

図２０（ａ）に示すように、下部電極２４、圧電体膜２６及び上部電極２５は、基体４４から引張応力を受けており、可撓膜１００は、圧縮応力を受けている。そのため、図２０（ｂ）に示すように、圧電体能動部８８を形成した状態では下部電極２４、圧電体膜２６及び上部電極２５は、それぞれ引張応力σ₃，σ₂，σ₁の一部が開放され、また、可撓膜１００も一部が除去されることにより、可撓膜１００の圧縮応力σ₄の一部が開放される。可撓膜１００の圧縮応力σ₄が開放される大きさは、可撓膜１００がエッチングにより除去された深さに比例する。このため、可撓膜１００を少なくとも下部電極２４の厚さよりも深く除去し、膜全体の応力のバランスを調整している。したがって、次に、図２０（ｃ）に示すように、圧電体能動部８８の下方に開口４５を形成しても、基体４４から受ける下部電極２４、圧電体膜２６及び上部電極２５の応力σ₃，σ₂，σ₁の向きに対して可撓膜１００の応力σ₄の向きが逆であるため、下部電極２４、圧電体膜２６及び上部電極２５の引張応力σ₃，σ₂，σ₁が開放される力と可撓膜１００の圧縮応力σ₄が開放される力とがつり合っている。このため、振動膜１０２のたわみはほとんど発生しない。

図２１は弾性膜除去部の効果を説明するための比較例の模式断面図である。図２１（ａ）に示すように可撓膜１０３が圧縮応力を受けていても、弾性膜除去部１００ａが形成されていない場合には、開口４５形成前に、下部電極２４、圧電体膜２６及び上部電極２５にはそれぞれ引張応力σ₃，σ₂，σ₁が残留している。圧電体能動部８８の断面形状を台形に形成して開口４５を形成すると、図２１（ｂ）に示すように、引張応力σ₃，σ₂，σ₁は開放されて圧縮応力σ₄が収縮しようとする力が強くなる。その結果、可撓膜１０３は、下に凸に変形され、これが初期変形として残留する。

このように、可撓膜１００を圧縮応力を有する材料で形成し、可撓膜１００の一部をオーバーエッチングして弾性膜除去部１００ａとした。これにより、圧電体能動部８８の形成及び開口４５の形成後に、各圧電体能動部８８の幅方向両側の弾性膜除去部１００ａで圧縮応力が開放されて、可撓膜１００が引張方向の応力を受ける。したがって、下部電極２４、圧電体膜２６及び上部電極２５の応力が相殺される。そして、開口４５の形成による振動板の初期撓み量を低減または無くすことができる。また、同時に圧電体膜２６の変形も防止できるため、圧電体膜２６の開口４５形成前の圧電特性を維持することができる。したがって、圧電素子１０１の変位効率を向上することができる。さらに、本実施形態では、可撓膜１００を、多結晶体である金属酸化物で形成し、所定の強度を得るようにしたので、耐久性の低下も防止される。

尚、従来より酸化ジルコニウム膜を可撓膜１００として用いられているが、本実施形態では、酸化ジルコニウム膜を強い圧縮応力を有する単斜晶系膜とし且つその圧縮応力をエッチングすることで開放することにより、初期変形を緩和するものである。また、酸化ジルコニウム膜を単斜晶系膜として複合膜が受ける応力のバランスをとることにより膜間の剥離を防止する技術も提案されているが、酸化ジルコニウム膜の圧縮応力を開放して初期たわみを緩和するものではない。

また、以上説明した一連の膜形成及び異方性エッチングは、一枚のウエハー上に多数のチップを同時に形成し、プロセス終了後、１つのチップサイズの基体４４毎に分割する。

ここで、本実施形態の圧電素子の駆動時の振動板に加わる力と弾性変形量との関係を説明する。図２２は振動板に加わる力と弾性変形量との関係を示す図である。図中振動板は可撓膜１００を示す。図２２（ａ）に示すように、本実施形態では、初期段階で、振動板に変形がないので、駆動時に発生する力Ｆに対する変形Ｔが弾性変形域で生じることになる。一方、図２２（ｂ）に示すように、下部電極２４、圧電体膜２６及び上部電極２５の応力により、初期に加わった力ｆによって初期変形ｔが生じている場合には、駆動時に力Ｆが加わると、塑性変形域に入ってしまうので、対応する変形Ｔは得られずに変形Ｔ’が生じることになり、（Ｔ−Ｔ’）が変形の損失となる。

（実施形態３）
次に、超音波診断装置の一実施形態について図２３を用いて説明する。本実施形態が実施形態２と異なるところは、可撓膜４６の酸化シリコン層４７に相当する層を複数層で構成するようにした点にある。尚、実施形態２と同じ点については説明を省略する。図２３は、圧電素子の構造を示す要部模式断面図である。

本実施形態では、図２３に示すように、基体４４上に可撓膜１０６が形成されている。可撓膜１０６は、例えば、厚さが１．０μｍの酸化シリコン膜からなる第１の弾性膜１０７と、この第１の弾性膜１０７上に設けられ、例えば、酸化ジルコニウム等の圧縮応力を有する酸化金属膜等で形成される第２の弾性膜１０８との二層で構成されている。そして、第２の弾性膜１０８の一部をオーバーエッチングして弾性膜除去部１０８ａを形成することにより、可撓膜１０６の初期撓み量の減少及び圧電特性の向上を図っている。勿論、第２の弾性膜１０８の厚さ方向の全部を除去して弾性膜除去部１０８ａとしてもよい。

このような構成によっても、実施形態２と同様の効果が得られる。さらに、弾性膜を二層で構成することにより、弾性膜の強度を向上することができる。弾性膜除去部１０８ａを形成することによって、確実に振動板の変位効率を向上することができる。

尚、弾性膜除去部１０８ａが形成される第２の弾性膜１０８の下層に設けられる第１の弾性膜１０７は圧縮応力を有することが好ましい。しかし、これに限定されず、少なくとも第２の弾性膜１０８が圧縮応力を有していればよく、第１の弾性膜１０７は、引張応力を有していてもよい。また、本実施形態では、第１の弾性膜１０７を酸化シリコン膜で形成したが、これに限定されず、例えば、ボロンドープシリコン膜または金属酸化膜等であってもよい。

また、本実施形態のように、可撓膜１０６を複数層で形成する場合には、弾性膜除去部１０８ａを形成する圧縮応力を有する第２の弾性膜１０８を酸化シリコン膜で形成するようにしてもよい。

（実施形態４）
次に、超音波診断装置の一実施形態について図２４を用いて説明する。本実施形態が実施形態３と異なるところは、第２の弾性膜１０８に相当する層を複数層で構成するようにした点にある。尚、実施形態３と同じ点については説明を省略する。図２４は、圧電素子の構造を示す要部模式断面図である。

本実施形態では、図２４に示すように、基体４４上に振動膜１１１が設置されている。振動膜１１１は、例えば、厚さが１μｍの酸化シリコンからなる第１の弾性膜１１２と、第１の弾性膜１１２上に形成され、例えば、厚さが０．２μｍの白金等の金属からなる第２の弾性膜１１３と、例えば、厚さが１μｍで圧縮応力を有する酸化ジルコニウム等の金属酸化物等からなる第３の弾性膜１１４との三層で構成されている。そして、本実施形態では、最も上層の第３の弾性膜１１４の面方向の一部を第２の弾性膜１１３に達するまで除去して弾性膜除去部１１１ａとした。

尚、第２の弾性膜１１３は、本実施形態では、白金で形成したが、これに限定されず、靭性を有する金属、例えば、イリジウム等を用いてもよい。

このように、第２の弾性膜１１３を、白金、イリジウム等の金属で、第３の弾性膜１１４とはエッチング特性が異なり選択的にエッチングされない材料で形成することにより、弾性膜除去部１１１ａを容易に形成することができる。また、この第２の弾性膜１１３は、例えば、安定化もしくは部分安定化酸化ジルコニウム等の引張り応力を有する金属酸化物でもよい。

また、本実施形態では、第１の弾性膜１１２を、酸化シリコン膜で形成したが、例えば、ボロンドープシリコン膜等であってもよい。

このような構成によっても、上述の実施形態の効果を得ることができる。また、本実施形態では、エッチングされる第３の弾性膜１１４の下に、さらにそれぞれ別部材で形成された第１の弾性膜１１２及び第２の弾性膜１１３を設けるようにしたので、弾性膜除去部１１１ａ及び開口４５の形成によって生じる振動板の撓みをさらに低く抑えることができる。

（実施形態５）
次に、超音波診断装置の一実施形態について図２５を用いて説明する。本実施形態が実施形態２と異なるところは、圧電体膜を下部電極２４と上部電極２５とが交差する場所以外にも設置した点にある。尚、実施形態２と同じ点については説明を省略する。図２５は、圧電素子の構造を示す要部模式断面図である。図２６（ａ）は、圧電素子の構造を示す要部模式平面図であり、図２６（ｂ）は、圧電素子の構造を示す要部模式側断面図である。

本実施形態では、図２５（ａ）に示すように、圧電体としての圧電体膜１１７を全体に設け、上部電極２５を各開口４５に対応するように個別に設けている。この場合、上部電極２５のパターニングにより圧電体膜１１７の厚さ方向の一部まで除去されてもよく、さらに、図２５（ｂ）に示すように、開口４５に対応する領域以外の圧電体としての圧電体膜１１８を圧電体膜１１８の厚さ方向の一部まで積極的にパターニングするようにしてもよい。

また、実施形態２〜実施形態４では、圧電体能動部８８が形成される領域以外の総ての領域の振動膜４３をパターニングして弾性膜除去部１００ａ、弾性膜除去部１０８ａ、弾性膜除去部１１１ａとしたが、これに限定されない。例えば、図２６（ａ）及び２６（ｂ）では基体４４上に可撓膜１１９が設置され、可撓膜１１９上に下部電極２４が設置されている。可撓膜１１９と下部電極２４とで振動膜１２０が構成されている。圧電体能動部８８の周囲で開口４５の縁部に沿った部分のみに弾性膜除去部１１９ａが設置されるようにしてもよい。

（実施形態６）
次に、超音波診断装置の一実施形態について図２７を用いて説明する。本実施形態が実施形態２と異なるところは、圧電体能動部８８の周囲が弾性膜除去部に対向する領域まで延設した点にある。尚、実施形態２と同じ点については説明を省略する。図２７は、圧電素子の構造を示す要部模式断面図である。

本実施形態では、図２７に示すように、下部電極２４上に圧電体としての圧電体膜１２３が設置され、圧電体膜１２３上に上電極としての上部電極１２４が設置されている。そして、圧電体能動部８８の周囲が弾性膜除去部１００ａに対向する領域まで延設されている。そして、圧電体能動部８８を構成する圧電体膜１２３を一様な厚さで形成されている。

このような構成によっても、実施形態２と同様の効果を奏する。また、本実施形態では、圧電体能動部８８の周囲が弾性膜除去部１００ａに対向する領域に位置するように形成するようにした。すなわち、圧電体能動部８８は、弾性膜除去部１００ａによって相対的に突出した部分の振動膜１０２の平面方向に向かう面を挟持するように設けられている。したがって、圧電体能動部８８が振動膜１０２の平面幅方向へ位置ずれすることを防止することができる。

（実施形態７）
次に、超音波診断装置の一実施形態について図２８を用いて説明する。本実施形態が実施形態５と異なるところは、圧電体能動部８８の周囲が弾性膜除去部に対向する領域まで延設した点にある。尚、実施形態５と同じ点については説明を省略する。図２８は、圧電素子の構造を示す要部模式断面図である。

本実施形態では、図２８に示すように、基体４４上に可撓膜１１９が設置され、可撓膜１１９上に下部電極２４が設置されている。可撓膜１１９と下部電極２４とで振動膜１２０が構成されている。圧電体能動部８８の周囲で開口４５の縁部に沿った部分のみに弾性膜除去部１１９ａが設置されている。

そして、下部電極２４上に圧電体としての圧電体膜１２７が設置され、圧電体膜１２７上に上電極としての上部電極１２８が設置されている。圧電体能動部８８はこの弾性膜除去部１１９ａに対向する領域まで延設されている。

このように、弾性膜除去部１１９ａを狭い幅で設けることにより、膜形成の際、この弾性膜除去部１１９ａに対向する領域の圧電体膜１２７は、表面が振動膜１２０の形状に沿って形成されず、略平面状に形成される。そのため、圧電体能動部８８をパターニングしても弾性膜除去部１１９ａに対向する領域の圧電体膜１２７は他の部分より厚く残ることになる。

これにより、本実施形態においても、実施形態６と同様の効果を奏する。圧電体能動部８８の周囲では下部電極２４と上部電極１２８との距離が長くなる為、圧電体膜１２７の絶縁破壊が防止され、信頼性を向上することができる。

（実施形態８）
次に、超音波診断装置の一実施形態について図２９を用いて説明する。本実施形態が実施形態２と異なるところは、可撓膜１００の代りに下部電極を圧縮応力を有する膜にして下部電極２４の一部を除去して下電極膜除去部とした点にある。尚、実施形態２と同じ点については説明を省略する。図２９は、各層が受ける応力の状態を説明するための模式断面図である。

本実施形態では、図２９に示すように、基体４４上に可撓膜１３１、下電極としての下部電極１３２、圧電体膜２６及び上部電極２５がこの順に設置されている。可撓膜１３１はシリコン単結晶基板からなる基体４４の表面を酸化させた二酸化シリコン膜である。本実施形態の圧電体能動部８８が受ける応力の状態を以下に説明する。

図２９（ａ）に示すように、圧電体膜２６及び上部電極２５は、基体４４から引張応力σ₂，σ₁を受けており、本実施形態では、下部電極１３２が圧縮応力σ₃を受けている。そのため、図２９（ｂ）に示すように、台形となった圧電体能動部８８では圧電体膜２６及び上部電極２５は、それぞれ引張応力σ₂，σ₁の一部が開放され、下部電極１３２は、圧縮応力σ₃の一部が開放される。下部電極１３２には圧電体膜２６と重ならない場所の厚みが薄くなるように除去された下電極膜除去部１３２ａが設置されている。

図２９（ｃ）は、開口４５をエッチングにより形成前後の各層が受ける応力の状態を模式的に示した図である。図２９（ｃ）に示すように、圧電体能動部８８の下方に開口４５を形成する。基体４４から受ける圧電体膜２６及び上部電極２５の引張応力σ₂，σ₁が開放されて圧縮方向の力となり、一方、下部電極１３２の下電極膜除去部１３２ａが形成されている部分の圧縮応力σ₃が開放されて引張り方向の力となる。したがって、圧電体膜２６及び上部電極２５の応力σ₂，σ₁が開放される力と下部電極１３２の圧縮応力σ₃が開放される力とがつり合っている場合には、可撓膜１３１のたわみはほとんど発生しない。

このような圧縮応力を有する下部電極１３２の材料としては、圧縮応力を有する膜となる材料、例えば、金属、導電性酸化物または導電性窒化物であることが好ましく、具体的に、金属としては、例えば、白金、イリジウム、ルテニウム、オスミウム、レニウム、ロジウム及びパラジウム、並びにこれらの化合物等が挙げられる。導電性酸化物としては、例えば、酸化ルテニウム、酸化インジウム錫、酸化カドミウムインジウム、酸化錫、酸化マンガン、酸化レニウム、酸化イリジウム、酸化ストロンチウムルテニウム、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム及び酸化モリブデン、並びにこれらの化合物等が挙げられる。また、導電性窒化物としては、窒化ニオブ、窒化ジルコニウム、窒化タングステン、窒化ハフニウム、窒化モリブデン、窒化タンタル、窒化クロム及び窒化バナジウム、並びにこれらの化合物等が挙げられる。

また、このような下部電極１３２は、上述の実施形態と同様に、ゾル−ゲル法、スパッタリング法等により形成することができる。さらに、上述のように、一般に圧電体膜２６は、スパッタリング法やゾル−ゲル法で成膜されるため、成膜後に大気雰囲気下または酸素雰囲気下で６００〜１０００℃程度の温度で焼成して結晶化させる必要がある。そのため、下部電極１３２は、材料として白金及びイリジウム等の金属を用いた場合、このような高温、酸化雰囲気下では、引張り応力となってしまう。このような場合には、圧電体膜２６をゾル−ゲル法またはスパッタリング法等によりＰＺＴの前駆体膜を形成後、アルカリ水溶液中での高圧処理法にて低温で結晶成長させる方法等により、圧縮応力とすることができる。

このように、本実施形態では、下部電極１３２を圧縮応力を有する材料で形成して、下部電極１３２の一部をオーバーエッチングして下電極膜除去部１３２ａを設けた。これにより、圧電体能動部８８のパターニング及び開口４５形成後に、各圧電体能動部８８の幅方向両側に設けられた下電極膜除去部１３２ａで圧縮応力が開放される。これにより、可撓膜１３１が引張方向の応力を受ける。したがって、圧電体膜２６及び上部電極２５の圧縮方向の応力が相殺され、開口４５形成による可撓膜１３１の初期撓み量を低減または無くすことができる。また、同時に圧電体膜２６の変形も防止できるため、圧電体膜２６の開口４５形成前の圧電特性を維持することができる。すなわち、圧電体能動部８８の変位効率を向上することができる。

尚、下部電極１３２の圧縮応力が開放される大きさは、下電極膜除去部１３２ａの深さによって決る。したがって、下電極膜除去部１３２ａの深さは、膜全体の応力バランスから考慮して決定することが好ましく、例えば、本実施形態では、０．１μｍとした。

（実施形態９）
次に、超音波診断装置の一実施形態について図３０を用いて説明する。本実施形態が実施形態８と異なるところは、圧電体膜２６と対向しない場所の下部電極２４の幅を狭くした点にある。尚、実施形態８と同じ点については説明を省略する。図３０（ａ）は、圧電素子の構造示す模式平面図であり、図３０（ｂ）は、圧電素子の構造示す模式側断面図である。

本実施形態では、図３０に示すように、基体４４上に可撓膜１３５が設置され、可撓膜１３５上に第２の弾性膜１３６が重ねて設置されている。可撓膜１３５はシリコン単結晶基板からなる基体４４の表面を酸化させた二酸化シリコン膜である。第２の弾性膜１３６上には下電極としての下部電極１３７が設置されている。基体４４の平面視において圧電体膜２６と対向しない場所では圧電体膜２６と対向する場所より下部電極１３７の幅が狭くなっている。下部電極１３７が狭くなるように除去された部分が下電極膜除去部１３７ａである。この部分では下部電極１３７の強度が低下する。そのため、可撓膜１３５と下部電極１３７との間に、例えば、酸化ジルコニウム等からなる第２の弾性膜１３６が設置され、可撓膜１３５の強度を強めている。このような構成によっても、実施形態８と同様の効果が得られる。また、本実施形態では、第２の弾性膜１３６を設けているため、可撓膜１３５、第２の弾性膜１３６及び下部電極１３７の強度が保持され、耐久性の低下が防止される。

尚、本実施形態では、可撓膜１３５上に第２の弾性膜１３６を設けるようにしたが、これに限定されず、例えば、基体４４と可撓膜１３５との間に酸化ジルコニウム等からなる第２の弾性膜１３６を設けるようにしてもよい。

下部電極１３７上には圧電体膜２６及び上部電極２５が設置されている。圧電体膜２６の上面と対向しない場所では圧電体膜２６の上面と対向する場所より上部電極２５の幅が狭くなっている。これにより、可撓膜１３５の応力分布における上部電極２５の応力の影響を小さくしている。

（実施形態１０）
次に、超音波診断装置の一実施形態について図３１を用いて説明する。本実施形態が実施形態２と異なるところは、下部電極２４の代りに上部電極２５を圧縮応力を有する膜とした点にある。尚、実施形態２と同じ点については説明を省略する。図３１は、各層が受ける応力の状態を説明するための模式断面図である。本実施形態の圧電体能動部８８が受ける応力の状態を説明する。

本実施形態では、図３１（ａ）に示すように、基体４４上に可撓膜１００、下部電極２４、圧電体膜２６及び上電極としての上部電極１４０がこの順に積層されている。圧電体膜２６及び上部電極１４０の各層を成膜した状態では、圧電体膜２６及び下部電極２４は、それぞれ基体４４から引張応力σ₂，σ₃を受け、上部電極１４０及び可撓膜１００は、それぞれ圧縮応力σ₁，σ₄を受けている。

そして、図３１（ｂ）に示すように、台形となった圧電体能動部８８では上部電極１４０及び圧電体膜２６の応力σ₁，σ₂の一部が開放される。

図３１（ｃ）は、開口４５をエッチングにより形成前後の各層が受ける応力の状態を模式的に示した図である。図３１（ｃ）に示すように、圧電体能動部８８の下方に開口４５を形成しても、圧電体膜２６と上部電極１４０との基体４４から受ける応力の向きが逆である。このため、圧電体膜２６の引張応力σ₂が開放される力と上部電極１４０の圧縮応力σ₁が開放される力とがつり合っている。これにより、下部電極２４及び可撓膜１００からなる振動膜１０２の撓みはほとんど発生しない。

このような圧縮応力を有する上部電極１４０の材料としては、圧縮応力を有し、また導電性の高い材料で形成するのが好ましく、例えば、白金、パラジウム、イリジウム、ロジウム、オスミウム、ルテニウム及びレニウムの何れかの金属が好適である。

また、上部電極１４０は、上述の実施形態と同様に、スパッタリング法により成膜すればよいが、本実施形態では、上部電極１４０を所定のガス中、例えば、ガス圧１Ｐａ以下でスパッタリング法によって成膜することにより、上部電極１４０中にそのガスを取り込んでいる。これにより、上部電極１４０に、さらに大きな圧縮応力を付与することができる。

尚、この上部電極１４０中に取り込むガスとしては、不活性ガスであることが好ましく、例えば、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン及びラドンが好適である。また、スパッタリングの際のガス圧等の諸条件は、スパッタ装置及び材料等によって、適宜調整すればよい。

このように、本実施形態では、少なくとも成膜した状態での上部電極１４０に圧縮応力を付与するようにしたため、圧電体能動部８８の形成及び開口４５形成後に上部電極１４０が引張方向の応力を受ける（圧縮応力が開放される）。この引張り応力と、圧電体膜２６の圧縮方向の応力とが相殺され、開口４５形成による可撓膜１００の初期撓み量を低減または無くすことができる。また、上述のように、可撓膜１００は、初期撓み量が低減されることによって圧電体能動部８８の駆動によっても塑性変形域に入ることがなく、実質的に変形量を向上することができる。

尚、本実施形態では、上部電極１４０中に不活性ガスを取り込むことにより、上部電極１４０にさらに大きな圧縮応力を付与するようにしたが、これに限定されるわけではない。上部電極１４０は、基本的には圧縮応力となっているので、不活性ガスを取り込まなくてもよいことは言うまでもない。

（実施形態１１）
次に、超音波診断装置の一実施形態について図３２を用いて説明する。本実施形態が実施形態１０と異なるところは、上部電極２５に、不活性ガスの代わりに、上部電極２５の金属とは異なる成分の金属、半金属、半導体または絶縁体等の添加物を添加することによって、上部電極２５を圧縮応力とした点にある。尚、実施形態１０と同じ点については説明を省略する。図３２は、各層が受ける応力の状態を説明するための模式断面図である。

本実施形態では、図３２（ａ）に示すように、基体４４上に可撓膜１００、下部電極２４、圧電体膜２６及び上部電極２５がこの順に積層されている。上部電極２５及び圧電体膜２６は台形に形成されている。そして、上部電極２５に添加物１４２が添加される。添加物１４２の添加方法としては、例えば、上部電極２５を形成後、上部電極２５の上方からのイオン打ち込みによって、添加物１４２を上部電極２５に添加することができる。

また、例えば、図３２（ｂ）に示すように、上部電極２５上に、上部電極２５に添加される添加物層１４３を形成する。次いで、図３２（ｃ）に示すように不活性ガスまたは真空中で加熱処理することにより添加物層１４３の成分元素を上部電極２５に固相拡散させることにより、上部電極２５に添加物１４２を添加することができる。

このように、イオン打ち込みまたは固相拡散によって上部電極２５に添加物１４２を添加した場合には、図３２（ｄ）に示すように、上部電極２５の上層部１４４に添加物１４２が多く添加されるため、上部電極２５の上層部１４４が特に強い圧縮応力となる。

このように、上部電極２５に、上部電極２５の金属とは異なる金属等の添加物を添加することにより、上部電極２５は体積が膨張することによって圧縮応力となる。したがって、実施形態１０と同様に、振動膜１０２の初期撓み量を低減することができ、実質的に圧電体能動部８８の駆動による振動膜１０２の変形量を向上することができる。また、本実施形態では、上部電極２５の上層部１４４が特に強い圧縮応力となっているため、振動膜１０２の初期撓み量を低減するのに効果的である。

（実施形態１２）
次に、超音波診断装置の一実施形態について図３３を用いて説明する。本実施形態が実施形態１０と異なるところは、上部電極２５を圧電体膜２６に接する第１の電極膜とその上に積層される第２の電極膜とで構成した点にある。尚、実施形態１０と同じ点については説明を省略する。図３３は、圧電素子の構造を示す模式断面図である。

本実施形態では、図３３に示すように、基体４４上に可撓膜１００、下部電極２４、圧電体膜２６、第１の電極膜１４７及び第２の電極膜１４８がこの順に積層されている。第１の電極膜１４７及び第２の電極膜１４８により上電極としての上部電極１４９が構成されている。

第１の電極膜１４７は、実施形態１０と同様、白金、パラジウム、イリジウム、ロジウム、オスミウム、ルテニウム及びレニウムの何れかの金属で形成され、圧縮応力を有している。また、第２の電極膜１４８は、第１の電極膜１４７よりも強い圧縮応力を有することが好ましく、例えば、酸化ルテニウム、酸化インジウム錫、酸化カドミウムインジウム、酸化錫、酸化マンガン、酸化レニウム、酸化イリジウム、酸化ストロンチウムルテニウム、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムまたは酸化モリブデン等の導電性の酸化膜、あるいは、例えば、窒化チタン、窒化ニオブ、窒化ジルコニウム、窒化タングステン、窒化ハフニウム、窒化モリブデン、窒化タンタル、窒化クロムまたは窒化バナジウム等の導電性の窒化膜で形成されている。

上部電極１４９の形成方法は、特に限定されないが、本実施形態では、以下の方法で形成した。実施形態２の薄膜製造工程と同様に、基体４４上に下部電極２４を形成し、圧電体膜２６を成膜後台形に形成する。次に、上部電極１４９を構成する第１の電極膜１４７を成膜し、次いで、第１の電極膜１４７上に、第１の電極膜１４７とは異なる主成分を有する第２の電極膜１４８を形成する。ここで、第２の電極膜１４８は、好ましくは導電性酸化膜または導電性窒化膜からなる。これらは、直接、酸化膜または窒化膜を形成してもよいが、成膜した後、酸化または窒化して形成してもよい。その後、上述の製造工程と同様に、上部電極１４９及び開口４５を形成する。

上部電極１４９をこのような構成としても、実施形態１０と同様に、振動膜１０２の圧電体能動部８８の駆動による変形量を向上することができる。また、上部電極１４９を圧縮応力を有する二層で構成し、上層を導電性の酸化膜または窒化膜等で構成することにより、下層よりも強い圧縮応力としたので、実施形態１０と同様に、振動膜１０２の初期撓み量を効果的に抑えることができる。

尚、本実施形態では、上部電極１４９を二層で構成しているが、例えば、第１の電極膜１４７を設けず、導電性酸化膜または導電性窒化膜で形成される第２の電極膜１４８のみで構成するようにしてもよい。このような構成においても、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。

（実施形態１３）
次に、超音波診断装置の一実施形態について図３４を用いて説明する。本実施形態が実施形態８と異なるところは、圧電体能動部８８に対向する領域の略中央部に可撓膜１００の厚さ方向の一部を除去した弾性膜除去部を設けた点にある。尚、実施形態８と同じ点については説明を省略する。図３４（ａ）は、圧電素子の構造示す模式平面図であり、図３４（ｂ）は、圧電素子の構造示す模式側断面図である。

本実施形態では、図３４に示すように、基体４４上に可撓膜１５２、下部電極２４、圧電体膜２６及び上部電極２５がこの順に積層されている。可撓膜１５２及び下部電極２４により振動膜１５３が構成されている。圧電体能動部８８に対向する領域の略中央部には可撓膜１５２の厚さ方向の一部を除去した弾性膜除去部１５２ａが設置されている。

このような構成においても、上述の実施形態と同様に、弾性膜除去部１５２ａによって可撓膜１５２の圧縮応力の一部が開放され、振動膜１５３の初期撓み量を低減することができる。さらに、振動膜１５３の初期撓み量の低減と同時に、圧電体膜２６に引張り方向の力が付与される。これにより、圧電体膜２６の応力が、成膜時と同等かもしくは引張り方向に強くすることができ、圧電特性を実質的に向上することができる。

尚、本実施形態では、開口４５側の振動膜１５３の幅方向略中央部に、弾性膜除去部１５２ａを設けるようにしたが、これに限定されない。次に、本実施形態の変形例を示す。図３５（ａ）は、圧電素子の構造示す模式平面図であり、図３５（ｂ）は、圧電素子の構造示す模式側断面図である。

図３５に示すように、基体４４上に可撓膜１５４、下部電極２４、圧電体膜２６及び上部電極２５がこの順に積層されている。可撓膜１５４及び下部電極２４により振動膜１５５が構成されている。圧電体能動部８８に対向する領域の周囲には可撓膜１５４の厚さ方向の一部を除去した弾性膜除去部１５４ａが設置されている。

このような構成においても、上述の実施形態と同様に、振動膜１５５の圧縮応力の一部が弾性膜除去部１５４ａによって開放され、振動膜１５５の初期撓み量を低減することができ、圧電特性を実質的に向上することができる。

（実施形態１４）
次に、超音波診断装置の一実施形態について図３６を用いて説明する。本実施形態が実施形態２と異なるところは、下部電極２４と圧電体膜２６との間に、下部電極２４とは実質的に異なる材料からなる導電性膜をさらに設け、この導電性膜を圧縮応力を有する膜とした点にある。尚、実施形態２と同じ点については説明を省略する。図３６は、各層が受ける応力の状態を説明するための模式断面図である。

本実施形態では、図３６（ａ）に示すように、基体４４上に可撓膜１００、下部電極２４、導電性膜１５８、圧電体膜２６及び上部電極２５がこの順に設置されている。可撓膜１００及び下部電極２４により振動膜１５９が構成されている。可撓膜１００はシリコン単結晶基板からなる基体４４の表面を酸化させた二酸化シリコン膜である。ここで、本実施形態の圧電体能動部８８が受ける応力の状態を説明する。

圧電体膜２６及び上部電極２５等の各層を成膜した状態では、上部電極２５、圧電体膜２６及び下部電極２４は、それぞれ基体４４から引張応力σ₁，σ₂，σ₃を受ける。可撓膜１００及び導電性膜１５８が、それぞれ圧縮応力σ₄，σ₅を受けている。

そして、図３６（ｂ）に示すように、台形となった圧電体能動部８８では上部電極２５及び圧電体膜２６の引張応力σ₁，σ₂の一部が開放される。そして、導電性膜１５８では圧電体膜２６の底面と対応する場所以外の場所を除去して導電性膜除去部１６０とした。導電性膜除去部１６０により導電性膜１５８の圧縮応力σ₅の一部が開放されている。

図３６（ｃ）は、開口４５をエッチングにより形成前後の各層が受ける応力の状態を模式的に示した図である。図３６（ｃ）に示すように、圧電体能動部８８の下方に開口４５を形成しても、上部電極２５、圧電体膜２６及び下部電極２４と導電性膜１５８及び可撓膜１００とから受ける応力の向きが逆であるため、上部電極２５及び圧電体膜２６の引張応力σ₁，σ₂が開放される力と導電性膜１５８の圧縮応力σ₅が開放される力とがつり合っていると、下部電極２４及び可撓膜１００からなる振動膜１５９の撓みはほとんど発生しない。

このように導電性膜１５８は圧縮応力を受ける膜であり、また、圧電体膜２６と反応性に乏しい膜（好ましくは、ＰＺＴの鉛が拡散しないような膜）であることが望ましい。これらの事情を考慮すると、導電性膜１５８は金属酸化膜であることが好ましく、具体的には、酸化イリジウム、酸化レニウム、酸化ルテニウムのうち何れか１つを主成分とする膜であることが望ましい。

また、導電性膜１５８の製造方法は、特に限定されず、上述の実施形態と同様に、下部電極２４を形成後、例えば、ゾル−ゲル法によって成膜することができる。また、その後、圧電体膜２６及び上部電極２５を成膜して、圧電体能動部８８のパターニングと共に、圧電体能動部８８の幅方向両側の導電性膜１５８をパターニングして導電性膜除去部１６０とすることによって、本実施形態の構成となる。

ここで、このような本実施形態の圧電素子と従来の圧電素子とので振動膜１５９の変位量の測定結果を以下に示す。

本実施形態における圧電素子の各層におけるパラメーターは以下のものである。上部電極２５の材質は白金で、厚みは１００ｎｍである。圧電体膜２６の圧電歪定数は１５０ｐＣ／Ｎで厚みは１０００ｎｍである。上部電極２５と圧電体膜２６の幅は４０μｍである。導電性膜１５８の材質は酸化イリジウムであり、膜厚は０．７μｍである。下部電極２４の材質は白金であり、膜厚は０．２μｍである。可撓膜１００の厚さは１．０μｍである。圧電体膜２６に印加される電圧は２５Ｖである。この条件下で振動膜１５９の最大変位量は１９５ｎｍであった。

上記と同じ条件での従来技術（導電性膜１５８を設けない場合）ではコンプライアンスを同じにしたとき、最大変位量は１５０ｎｍであった。このように、本実施形態の構成では従来技術と比べて３０％も大きな変位を得られることがわかる。すなわち、振動板の初期撓み量が確実に低減されている。

以上説明したように、本実施形態によれば、上述の実施形態と同様に、振動板の初期撓み量を低減でき、さらに、超音波プローブの振動板を駆動したときの耐久性が向上する。また、本実施形態では、下部電極２４と圧電体膜２６の間に導電性膜１５８を介在した構造であるため、圧電素子の製造工程において、下部電極２４が露出するまで導電性膜１５８をエッチングする場合には、導電性膜１５８と下部電極２４のエッチング選択比の大きいエッチングガスを適当に選択すれば、制御性よくエッチング停止をすることができる。例えば、プラズマモニターを用いてエッチングする場合には、エッチング終点制御が容易になる。従って、素子チップ１７の製造の歩留まりが向上し、大量生産に好適な圧電素子を提供することができるため、生産性良く製造することができる。

尚、本実施形態では、導電性膜１５８を一層で構成するようにしたが、これに限定されず、例えば、二層で構成するようにしてもよい。この場合には、二層とも圧縮応力を有することが好ましいが、これに限定されず、少なくとも上層が圧縮応力を有していればよい。

（実施形態１５）
次に、超音波診断装置の一実施形態について図３７を用いて説明する。本実施形態が実施形態２と異なるところは、開口４５において可撓膜１００が圧電体膜２６側に凹むように応力を調整した点にある。各層の応力の状態を最適化することにより、振動板を上に凸に変形した状態とすることができ、圧電特性等をさらに向上することができる。尚、実施形態２と同じ点については説明を省略する。図３７は、各層が受ける応力の状態を説明するための模式断面図である。

何れかの層を圧縮膜として、その除去部を設けた各実施形態において、振動膜４３の腕部の厚さ方向の一部を除去するようにしてもよい。このような構成により、振動膜４３は変形し易く、結果的に上に凸になり易い。尚、このとき振動膜４３は、圧縮応力であっても引張り応力であってもよい。

一例として、上部電極２５及び可撓膜１００が圧縮応力であり、可撓膜１００の腕部に弾性膜除去部１００ａを設けた例の圧電体能動部８８の応力状態を図３７に示す。

本実施形態では、図３７（ａ）に示すように、基体４４上に可撓膜１００、下部電極２４、圧電体膜２６及び上部電極２５がこの順に設置されている。圧電体膜２６及び上部電極２５の各層を成膜した状態では、圧電体膜２６及び下部電極２４は、それぞれ基体４４から引張応力σ₂，σ₃を受け、上部電極２５及び可撓膜１００は、それぞれ圧縮応力σ₁，σ₄を受けている。この上部電極２５の圧縮応力σ₁の大きさは、本実施形態では、圧電体膜２６及び下部電極２４の引張応力σ₂，σ₃の大きさより大きい。また、膜全体の応力としても圧縮方向に大きくなっている。

図３７（ｂ）に示すように、台形となった圧電体能動部８８では上部電極２５及び圧電体膜２６及び下部電極２４の応力σ₁，σ₂，σ₃の一部が開放される。また、同時に、本実施形態では、圧電体能動部８８の周囲の可撓膜１００の一部を除去して弾性膜除去部１００ａとしているため、可撓膜１００の応力σ₄の一部も開放される。

次に、図３７（ｃ）に示すように、圧電体能動部８８の下方に開口４５を形成しても、圧電体膜２６及び下部電極２４と上部電極２５及び可撓膜１００との基体４４から受ける応力の向きが逆であり、圧電体膜２６及び下部電極２４の引張応力σ₂、σ₃が開放される力よりも上部電極２５の圧縮応力σ₁及び可撓膜１００の圧縮応力σ₄の一部が開放される力の方が大きいため、可撓膜１００からなる振動膜１０２が上に凸に変形する。

このように、本実施形態では、上部電極２５に、所定以上の大きさの圧縮応力を付与するようにした。そのため、圧電体能動部８８を台形に形成し開口４５を形成すると、上部電極２５が引張方向の応力を受けて（圧縮応力が開放されて）、上部電極２５の応力が圧電体膜２６及び下部電極２４の圧縮方向の応力と相殺される。さらに、振動板を上に凸に変形させることができる。また、特に、本実施形態では、圧電体能動部８８の周囲の可撓膜１００に、厚さ方向の一部を除去した弾性膜除去部１００ａを形成したため、振動膜１０２のコンプライアンスが向上し、振動膜１０２がより上に凸に変形しやすくなっている。したがって、圧電体能動部８８の駆動による振動板の変形量を著しく向上することができる。

尚、本実施形態では、可撓膜１００及び上部電極２５が、圧縮応力を有する圧縮膜となっているが、これに限定されず、少なくとも下部電極２４、上部電極２５、または下部電極２４上に形成される圧電体膜２６の何れかが圧縮膜であればよく、勿論、二者または総てが圧縮膜であってもよい。

（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態を説明したが、圧電素子の基本的構成は上述したものに限定されるものではない。

また、以上説明した各実施形態は、成膜及びリソグラフィプロセスを応用することにより製造できる圧電素子を例にしたが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、基板を積層して仕切り壁５１や開口４５を形成するもの、あるいはグリーンシートを貼付もしくはスクリーン印刷等により圧電体膜を形成するもの等、各種の構造の圧電素子に本発明を採用することができる。

このように、本実施形態は、その趣旨に反しない限り、種々の構造の素子チップ１７に応用することができる。

（効果）
以上説明したように、可撓膜１００の腕部に対応する部分の少なくとも一部を除去するようにしたので、圧縮応力の一部が開放された。開口４５をパターニングしても、振動膜１０２の撓みを低減することができる。また、可撓膜１００の撓みがほとんど発生しない場合には、圧電体膜２６の圧電特性を維持、実質的に向上することができ、圧電素子の変位効率を向上することができるという効果を奏する。

１６…筐体、１７…超音波トランスデューサー素子チップとしての素子チップ、２４，１３２，１３７…下電極としての下部電極、２５…上電極としての上部電極、２６，１１７，１１８，１２３，１２７…圧電体としての圧電体膜、４３，１０２，１１１，１２０，１５３，１５５，１５９…振動膜、１２４…上部電極、１２８，１４０，１４９…上電極としての上部電極。

Claims

振動膜上に圧電素子が設置された超音波トランスデューサー素子チップと、
前記超音波トランスデューサー素子チップを支持する筐体と、を備え、
前記圧電素子は、前記振動膜上に設置された下電極と、前記下電極上に形成された圧電体と、前記圧電体の表面に形成された上電極と、を備え、
前記圧電体は前記上電極側から前記下電極側へ向かって徐々に幅広となり、その断面形状が略台形形状であることを特徴とする超音波プローブ。