JP2016220892A - 圧電デバイスおよびプローブ並びに電子機器および超音波画像装置 - Google Patents

圧電デバイスおよびプローブ並びに電子機器および超音波画像装置 Download PDF

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Abstract

【課題】圧電体で同一表面上に第１電極および第２電極が配置される場合に圧電体で（１００）優先配向を確立する圧電デバイスを提供する。
【解決手段】圧電デバイス５７は、少なくとも部分的に絶縁性の表面領域６５を形成し、少なくとも表面領域６５でアモルファス構造またはランダム配向を有する弾性膜５８と、弾性膜５８上に設けられ、弾性膜５８に接する第１面６３ａおよび反対側の第２面６３ｂを有し、平面視で表面領域６５に対応する配向領域７４で（１００）優先配向する圧電体６３と、圧電体６３の第２面６３ｂに設けられる第１電極６１と、圧電体６３の第２面６３ｂに設けられ、平面視で配向領域７４に対応して第１電極６１との間にギャップ６４を形成する第２電極６２とを備える。
【選択図】図６

Description

本発明は、圧電デバイス、それを利用するプローブ、電子機器および超音波画像装置等に関する。
特許文献１に開示されるように、圧電デバイスは第１電極および第２電極に上下から挟まれる圧電体を備える。圧電体では（１００）優先配向が確立される。こうした優先配向に応じて圧電体の圧電特性は実質的に高められる。
特開２０１４−１４６７２２号公報 特開２００２−２７１８９７号公報
特許文献２に開示されるように、超音波変換器は圧電デバイスを備える。この圧電デバイスでは圧電体の同一表面上に第１電極および第２電極が配置される。圧電体では（００１）優先配向が確立される。特許文献１と同様に（１００）優先配向の圧電体は上下から第１電極および第２電極に挟まれるものの、圧電体で同一表面上に第１電極および第２電極が配置される場合に圧電体で（１００）優先配向は確立されていない。
本発明の少なくとも１つの態様によれば、圧電体で同一表面上に第１電極および第２電極が配置される場合に圧電体で（１００）優先配向を確立する圧電デバイスは提供されることができる。
（１）本発明の一態様は、少なくとも部分的に絶縁性の表面領域を形成し、少なくとも前記表面領域でアモルファス構造またはランダム配向を有する弾性膜と、前記弾性膜上に設けられ、前記弾性膜に接する第１面および当該第１面とは反対側の第２面を有し、平面視で前記表面領域に対応する配向領域で（１００）優先配向する圧電体と、前記圧電体の前記第２面に設けられる第１電極と、前記圧電体の前記第２面に設けられ、前記平面視で前記配向領域に対応して前記第１電極との間にギャップを形成する第２電極とを備える圧電デバイスに関する。
弾性膜が外部からの超音波により振動すると、弾性膜上で圧電体は歪む。圧電体のひずみは圧電体内に電位を生み出す。圧電体の配向領域では（１００）優先配向が確立されることから、圧電体のひずみに対して相対的に大きな電位が生成される。こうした圧電体応答による発生電位は第１電極および第２電極の電位差として検出される。特に、配向領域の下面は絶縁性の表面領域に接することから、電極間を結ぶ寄生容量の形成は回避され、良好な受信感度は確保されることができる。仮に配向領域の下面に導電材が存在すると、電極間を結ぶ寄生容量が形成され、受信感度は低下してしまう。電気力線は第１電極から圧電体を介して第２電極に直接延びている状況が高い受信感度を得るためには好ましい。
（２）前記圧電体はペロブスカイト型構造の遷移金属酸化物で形成されればよい。こうして圧電体は良好な圧電特性を示す。
（３）前記圧電体の前記第１面は、ペロブスカイト型構造の遷移金属酸化物から形成される配向制御層で形成されればよい。こうして圧電体は良好な圧電特性を示す。
（４）前記圧電体の前記第１面は、Ａサイトにビスマスを含み、Ｂサイトに鉄およびチタンを含むペロブスカイト型構造の遷移金属酸化物から形成される配向制御層で形成されてもよい。こうした遷移金属酸化物はアモルファス構造またはランダム配向の弾性膜上で積層時に（１００）優先配向を確立する。ここでは、配向制御層は絶縁性を備えていることから、電極間を結ぶ寄生容量の形成は回避されることができる。その他、Ａサイトにはランタン（Ｌａ）、ネオジウム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、プラセオジウム（Ｐｒ）その他の希土類が含まれてもよい。また、Ａサイトには鉛（Ｐｂ）がさらに含まれていてもよい。
（５）前記配向制御層の抵抗値は１０６Ωｃｍ以上であればよい。この条件を満たす抵抗値であれば、電極間を結ぶ寄生容量の形成は確実に回避される。
（６）前記配向制御層が（１００）優先配向していればよい。
（７）前記圧電体は、前記配向制御層に積層されるＰｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ３層を含んでもよい。Ｐｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ３層は、配向制御層に積層されることで（１００）優先配向を確立する。
（８）前記配向制御層にはＰｂが浸入してもよい。圧電体であるＰｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ３層の積層時にＰｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ３層は６００℃〜７５０℃に加熱されてもよく、その場合には、Ｐｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ３層に含まれるＰｂは配向制御層内に浸入し、安定化する。
（９）前記配向制御層は連続層であればよい。連続層であれば確実にＰｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ３層で（１００）優先配向は確立されることができる。
（１０）前記配向制御層は不連続層であってもよい。たとえ不連続であってもＰｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ３層で（１００）優先配向は確立されることができる。
（１１）前記ギャップで前記圧電体の前記第２面には溝が形成されてもよい。溝が形成されることで、音圧による弾性膜の面内ひずみがギャップ間に集中する。そのために、第１電極と第２電極の間に大きな電圧が生み出される。
（１２）圧電デバイスはプローブに組み込まれて利用されることができる。このとき、プローブは、圧電デバイスと、前記圧電デバイスを支持する筐体とを備えればよい。
（１３）圧電デバイスは電子機器に組み込まれて利用されることができる。このとき、電子機器は、圧電デバイスと、前記圧電デバイスに接続されて、前記圧電デバイスの出力を処理する処理回路とを備えればよい。
（１４）圧電デバイスは超音波画像装置に組み込まれて利用されることができる。このとき、超音波画像装置は、圧電デバイスと、前記圧電デバイスに接続されて、前記圧電デバイスの出力を処理し、画像を生成する処理回路と、前記画像を表示する表示装置とを備えればよい。
一実施形態に係る電子機器の一具体例すなわち超音波診断装置を概略的に示す外観図である。 超音波デバイスユニットの構成を概略的に示す拡大平面図である。 送信アレイの領域を概略的に示す超音波デバイスユニットの拡大部分平面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿った拡大垂直断面図である。 第１実施形態に係る第１圧電デバイスを概略的に示す超音波デバイスユニットの拡大部分平面図である。 図５のＢ−Ｂ線に沿った垂直断面図である。 配向制御層であるＢｉＦｅＴｉＯ３の形態を示す側面断面図である。 有限要素法（ＦＥＭ）計算で求めた電極ギャップ間の圧電体における電位分布の図であって、（ａ）配向制御層の絶縁性が維持される場合、および（ｂ）配向制御層が金属である場合。 第一原理電子状態計算で求めたＰＺＴの配向方向と圧電定数との関係を示す図である。 配向制御層であるＢｉＦｅＴｉＯ３上に成膜した圧電体層のＸ線回折図であって、（ａ）圧電体層がＰＺＴの場合、および（ｂ）圧電体層がＢＦＭ−ＢＴの場合。 図５に対応し、第２実施形態に係る第１圧電デバイスを概略的に示す超音波デバイスユニットの拡大部分平面図である。 図１１のＣ−Ｃ線に沿った動作時の垂直断面図である。 第１圧電デバイスの製造工程であって、基板の拡大断面図である。 第１圧電デバイスの製造工程であって、圧電体および下地導電膜を概略的に示す基板の拡大断面図である。 第１圧電デバイスの製造工程であって、第１電極および第２電極を概略的に示す基板の拡大断面図である。
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。なお、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全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。
（１）超音波診断装置の全体構成
図１は本発明の一実施形態に係る電子機器の一具体例すなわち超音波診断装置（超音波画像装置）１１の構成を概略的に示す。超音波診断装置１１は装置端末（処理部）１２と超音波プローブ（プローブ）１３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（表示装置）１５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、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。
超音波プローブ１３は筐体１６を有する。筐体１６内には超音波デバイスユニット１７が収容される。超音波デバイスユニット１７は音響レンズ１８を備える。音響レンズ１８の外表面は部分円筒面１８ａで形成される。音響レンズ１８は例えばシリコーン樹脂から形成される。音響レンズ１８は生体の音響インピーダンスに近い音響インピーダンスを有する。筐体１６には窓孔１６ａが区画される。窓孔１６ａ内には音響レンズ１８が配置される。音響レンズ１８の外表面は筐体１６の表面で露出する。超音波デバイスユニット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。
（２）超音波デバイスユニットの構成
図２に示されるように、超音波デバイスユニット１７は配線基板ＷＢを備える。超音波デバイスユニット１７は配線基板ＷＢに搭載される。こうした搭載にあたって配線基板ＷＢの表面には超音波デバイスユニット１７を受け入れる窪みが形成されてもよい。窪みは配線基板ＷＢの平面から窪めばよい。超音波デバイスユニット１７は例えば樹脂材で配線基板ＷＢに固定されることができる。
超音波デバイスユニット１７には受信アレイＲＲおよび送信アレイＴＲが形成される。受信アレイＲＲは、後述されるように、アレイ状に配置された第１超音波トランスデューサー素子（以下「第１圧電デバイス」という）の配列で構成される。送信アレイＴＲは、後述されるように、アレイ状に配置された第２超音波トランスデューサー素子（以下「第２圧電デバイス」という）の配列で構成される。受信アレイＲＲおよび送信アレイＴＲは第１フレキシブルプリント配線板（以下「第１配線板」という）１９ａおよび第２フレキシブルプリント配線板（以下「第２配線板」という）１９ｂで配線基板上の配線パターン（図示されず）に電気的に接続される。配線パターンは配線基板ＷＢの裏面でコネクターに接続される。コネクターに接続される配線でケーブル１４は形成される。
（３）送信アレイの構成
図３は送信アレイＴＲの領域に関し超音波デバイスユニット１７の平面図を概略的に示す。超音波デバイスユニット１７は基体２１を備える。送信アレイＴＲは基体２１の表面に形成される。第２圧電デバイス２３の配列は複数行複数列のマトリクスで形成される。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第２圧電デバイス２３群は奇数列の第２圧電デバイス２３群に対して行ピッチの２分の１でずらされればよい。奇数列およ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。
個々の第２圧電デバイス２３は振動膜２４を備える。図３では振動膜２４の膜面に直交する方向の平面視（基板の厚み方向からの平面視。以下、単純に「平面視」という）で振動膜２４の輪郭が点線で描かれる。振動膜２４上には振動子２５が形成される。振動子２５は上電極２６、下電極２７および圧電体２８で構成される。個々の第２圧電デバイス２３ごとに振動膜２４上に下電極２７が配置され、下電極２７上に圧電体２８が配置され、圧電体２８上に上電極２６が配置される。これらは下電極２７、圧電体２８および上電極２６の順番で重ねられる。こうして上電極２６および下電極２７の間に圧電体２８は挟まれる。
基体２１の表面には複数本の第１導電体２９が形成される。第１導電体２９は配列の行方向に相互に平行に延びる。１行の第２圧電デバイス２３ごとに１本の第１導電体２９が割り当てられる。第１導電体２９は個々の第２圧電デバイス２３ごとに上電極２６を形成する。第１導電体２９の両端は１対の引き出し配線３１にそれぞれ接続される。第１導電体２９は例えばイリジウム（Ｉｒ）で形成されることができる。ただし、第１導電体２９にはその他の導電材が利用されてもよい。
基体２１の表面には複数本の第２導電体３２が形成される。第２導電体３２は配列の列方向に相互に平行に延びる。１列の第２圧電デバイス２３ごとに１本の第２導電体３２が割り当てられる。第２導電体３２は個々の第２圧電デバイス２３ごとに下電極２７を形成する。第２導電体３２には例えばチタン（Ｔｉ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）およびチタン（Ｔｉ）の積層膜が用いられることができる。ただし、第２導電体３２にはその他の導電材が利用されてもよい。
列ごとに第２圧電デバイス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リニアスキャンやセクタースキャンは実現される。１列の第２圧電デバイス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。上電極２６および下電極２７の役割は入れ替えられてもよい。すなわち、マトリクス全体の第２圧電デバイス２３に共通に下電極が接続される一方で、配列の列ごとに共通に第２圧電デバイス２３に上電極が接続されてもよい。
基体２１の輪郭は、相互に平行な１対の直線で仕切られて対向する第１辺２１ａおよび第２辺２１ｂを有する。第１辺２１ａと送信アレイＴＲの輪郭との間に１ラインの第１端子アレイ３３ａが配置される。第２辺２１ｂと送信アレイＴＲの輪郭との間に１ラインの第２端子アレイ３３ｂが配置される。第１端子アレイ３３ａ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３３ｂ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３３ａは１対の上電極端子３４および複数の下電極端子３５で構成される。同様に、第２端子アレイ３３ｂは１対の上電極端子３６および複数の下電極端子３７で構成される。１本の引き出し配線３１の両端にそれぞれ上電極端子３４、３６は接続される。引き出し配線３１および上電極端子３４、３６は送信アレイＴＲ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３２の両端にそれぞれ下電極端子３５、３７は接続される。第２導電体３２および下電極端子３５、３７は送信アレイＴＲ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、基体２１の輪郭は矩形に形成される。基体２１の輪郭は正方形であってもよく台形であってもよい。
第１配線板１９ａは基体２１に連結される。第１配線板１９ａは第１端子アレイ３３ａに覆い被さる。第１配線板１９ａの一端には上電極端子３４および下電極端子３５に個別に対応して導電線すなわち第１信号線３９が形成される。第１信号線３９は上電極端子３４および下電極端子３５に個別に向き合わせられ個別に接合される。同様に、第２配線板１９は基体２１に連結される。第２配線板１９ｂは第２端子アレイ３３ｂに覆い被さる。第２配線板１９ｂの一端には上電極端子３６および下電極端子３７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は上電極端子３６および下電極端子３７に個別に向き合わせられ個別に接合される。
図４に示されるように、基体２１は基板４４および被覆膜（弾性膜）４５を備える。基板４４の表面に被覆膜４５が一面に形成される。基板４４には個々の第２圧電デバイス２３ごとに開口部４６が形成される。開口部４６は基板４４に対してアレイ状に配置される。開口部４６が配置される領域の輪郭は送信アレイＴＲの輪郭に相当する。隣接する２つの開口部４６の間には仕切り壁４７が区画される。隣接する開口部４６は仕切り壁４７で仕切られる。基板４４は例えばシリコン基板で形成されればよい。
被覆膜４５は、基板４４の表面に積層される酸化シリコン（ＳｉＯ２）層４８と、酸化シリコン層４８の表面に積層される酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）層４９とで構成される。被覆膜４５は開口部４６に接する。こうして開口部４６の輪郭に対応して被覆膜４５の一部が振動膜２４を形成する。振動膜２４は、被覆膜４５のうち、開口部４６に臨むことから基板４４の厚み方向に膜振動することができる部分である。酸化シリコン層４８の膜厚は共振周波数に基づき決定されることができる。
振動膜２４の表面に下電極２７、圧電体２８および上電極２６が順番に積層される。圧電体２８は例えばジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ３）で形成されることができる。圧電体２８にはその他の圧電材料が用いられてもよい。
基体２１の表面には音響整合層５１が積層される。音響整合層５１は素子アレイ２２を覆う。音響整合層５１の膜厚は振動膜２４の共振周波数に応じて決定される。音響整合層５１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。音響整合層５１上には音響レンズ１８が配置される。音響レンズ１８は音響整合層５１の表面に密着する。音響レンズ１８は音響整合層５１の働きで基体２１に接着される。音響レンズ１８の部分円筒面１８ａは第１導電体２９に平行な母線を有する。部分円筒面１８ａの曲率は、１筋の第２導電体３３に接続される１列の第２圧電デバイス２３から発信される超音波の焦点位置に応じて決定される。音響レンズ１８は例えばシリコーン樹脂から形成される。音響レンズ１８は生体の音響インピーダンスに近い音響インピーダンスを有する。
基体２１には保護膜５３が固定される。保護膜５３は例えばエポキシ樹脂といった遮水性を有する素材から形成される。ただし、保護膜５３はその他の樹脂材から形成されてもよい。保護膜５３は音響レンズ１８および音響整合層５１に接触する。ここでは、保護膜５３は、音響レンズ１８の母線に平行に広がり基体２１に直角に交差する２つの仮想平面５４ａ、５４ｂにそれぞれ沿った接触面５３ａで音響レンズ１８および音響整合層５１を挟む。
基体２１の裏面にはバッキング材５６が固定される。バッキング材５６の表面に基体２１の裏面が重ねられる。バッキング材５６は超音波デバイスユニット１７の裏面で開口部４６を閉じる。バッキング材５６はリジッドな基材を備えることができる。ここでは、仕切り壁４７はバッキング材５６に結合される。バッキング材５６は個々の仕切り壁４７に少なくとも１カ所の接合域で接合される。接合にあたって接着剤は用いられることができる。
（４）受信アレイの構成
図５は受信アレイＲＲの領域に関し超音波デバイスユニット１７の拡大部分平面図を概略的に示す。受信アレイＲＲは基体２１の表面に形成される。第１圧電デバイス５７の配列は複数行複数列のマトリクスで形成される。第１実施形態に係る第１圧電デバイス５７は振動膜（弾性膜）５８を備える。図５では振動膜５８の膜面に直交する視点からの平面視で振動膜５８の輪郭が点線で描かれる。振動膜５８は前述の振動膜２４と同様に基板４４表面の被覆膜４５から形成される。
振動膜５８上には振動子５９が形成される。振動子５９は第１電極６１、第２電極６２および圧電体６３で構成される。第１電極６１および第２電極６２は圧電体６３上に配置される。第２電極６２は圧電体６３上で第１電極６１から隔てられる位置に配置される。第１電極６１および第２電極６２の間にはギャップ６４が形成される。振動膜５８の表面には平面視でギャップ６４に重なる表面領域６５が規定される。
ここでは、振動膜５８は平面視で矩形（正方形を含む）に形成される。同様に圧電体６３は平面視で矩形に形成される。平面視で振動膜５８および圧電体６３の図心は重なる。振動子５９は基準線６６に関して線対称に形成される。基準線６６は矩形の長辺に平行に延びて矩形を二等分する。第１電極６１および第２電極６２の端部では基準線６６に平行に輪郭線が描かれる。こうして第１電極６１の端部および第２電極６２の端部は基準線６６を挟んで等間隔で向き合わせられる。ギャップ６４は基準線６６に沿って延びる。
基体２１の表面には複数本の第３導電体６７および第４導電体６８が形成される。第３導電体６７および第４導電体６８は配列の列方向に相互に平行に延びる。第３導電体６７および第４導電体６８は交互に配置される。隣接する１対の第３導電体６７および第４導電体６８ごとに複数列の第１圧電デバイス５７が割り当てられる。第３導電体６７および第４導電体６８の間で個々の行ごとに第１圧電デバイス５７は直列に接続される。すなわち、行内で隣り合う第１圧電デバイス５７では一方の素子の第１電極６１に他方の素子の第２電極６２が接続される。第１電極６１、第２電極６２、第３導電体６７および第４導電体６８には同一の素材が用いられることができる。例えば第１電極６１、第２電極６２、第３導電体６７および第４導電体６８にはチタン（Ｔｉ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）およびチタン（Ｔｉ）の積層膜が用いられることができる。ただし、第１電極６１、第２電極６２、第３導電体６７および第４導電体６８にはその他の導電材が利用されてもよい。
基体２１の第１辺２１ａと受信アレイＲＲの輪郭との間に１ラインの第３端子アレイ６９が配置される。第３端子アレイ６９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３端子アレイ６９は信号端子７１および共通端子７２で構成される。信号端子７１は第３導電体６７に接続される。共通端子７２は第４導電体６８に接続される。ここでは、第３端子アレイ６９は第１端子アレイ３８とともに１ラインを形成する。第１配線板１９ａは第１端子アレイ３３ａおよび第３端子アレイ６９に覆い被さる。第１配線板１９ａの一端には信号端子７１および共通端子７２に個別に対応して導電線すなわち第３信号線７３が形成される。第３信号線７３は信号端子７１および共通端子７２に個別に向き合わせられ個別に接合される。
基体２１の第２辺２１ｂと受信アレイＲＲの輪郭との間には同様に１ラインの第４端子アレイ（図示されず）が配置されてもよい。第４端子アレイは第２端子アレイ３３ｂとともに１ラインを形成すればよい。第２配線板１９ｂは第２端子アレイ３３ｂおよび第４端子アレイに覆い被さる。第２配線板１９ｂの一端には信号端子および共通端子に個別に対応して導電線すなわち第４信号線が形成される。第４信号線は信号端子および共通端子に個別に向き合わせられ個別に接合される。
図６に示されるように、基体２１には個々の第１圧電デバイス５７ごとに開口部４６が形成される。開口部４６は基板４４に対してアレイ状に配置される。開口部４６が配置される領域の輪郭は受信アレイＲＲの輪郭に相当する。開口部４６の輪郭に対応して被覆膜４５の一部が振動膜５８を形成する。振動膜５８の表面は酸化ジルコニウム層４９のランダム配向で形成される。すなわち振動膜５８の表面は絶縁性を有する。振動膜５８の表面に部分的に表面領域６５は区画される。
振動膜５８の表面に圧電体６３は固定される。圧電体６３は、振動膜５８に接する第１面６３ａと、第１面６３ａとは反対側（裏側）の第２面６３ｂとを有する。圧電体６３はペロブスカイト型構造、すなわちＡＢＯ３型構造を有する複合酸化物からなる圧電材料で形成される。なお、ペロブスカイト型構造は、Ａサイトは酸素が１２配位しており、また、Ｂサイトは酸素が６配位して８面体（オクタヘドロン）を形成する構造である。圧電体６３は例えばジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ３）で形成される。圧電体６３はその他のペロブスカイト型構造の遷移金属酸化物で形成されてもよい。圧電体６３には、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛に酸化ニオブ、酸化ニッケルまたは酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したものが用いられてもよい。具体的には、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）やジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛ランタン（（ＰｂＬａ）ＴｉＯ３）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（ＰｂＬａ）（ＺｒＴｉ）Ｏ３）、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（ＺｒＴｉ）（ＭｇＮｂ）Ｏ３）等が挙げられる。その他、非鉛系の材料として、鉄酸ビスマス（ＢｉＦｅＯ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、ニオブ酸カリウムナトリウム（（ＫＮａ）（ＮｂＯ３））、ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム（（ＫＮａＬｉ）（ＮｂＯ３））、ニオブ酸タンタル酸カリウムナトリウムリチウム（（ＫＮａＬｉ）（ＮｂＴａ)Ｏ３）、チタン酸ビスマスカリウム（（Ｂｉ１／２Ｋ１／２）ＴｉＯ３）、チタン酸ビスマスナトリウム（（Ｂｉ１／２Ｎａ１／２）ＴｉＯ３）、マンガン酸ビスマス（ＢｉＭｎＯ３）、ビスマス、カリウム、チタンおよび鉄を含みペロブスカイト型構造を有する複合酸化物（ｘ［（ＢｉｘＫ１−ｘ）ＴｉＯ３］−（１−ｘ）［ＢｉＦｅＯ３］）、ビスマス、鉄、バリウムおよびチタンを含みペロブスカイト型構造を有する複合酸化物（（１−ｘ）[ＢｉＦｅＯ３]−ｘ[ＢａＴｉＯ３]）や、これにマンガン、コバルト、クロムなどの金属を添加したもの（（１−ｘ）[Ｂｉ（Ｆｅ１−ｙＭｙ）Ｏ３]−ｘ[ＢａＴｉＯ３]（Ｍは、Ｍｎ、ＣｏまたはＣｒ））等が挙げられる。このようなペロブスカイト型構造の圧電材料は、配向制御層７５上に成膜されることにより、配向制御層７５の結晶配向を受け継いで（１００）面に優先配向する。ここで、優先配向するとは、Ｘ線回折パターンにおける（１００）面に由来するピーク強度と（１１０）面に由来するピーク強度とを比較した際に、（１００）／[（１００）＋（１１０）]が６０％以上、好ましくは７０％以上であることをいう。（１００）面のピークの割合が大きいほど圧電体６３の変位特性および耐久性の面で有効であり、（１００）／[（１００）＋（１１０）]が８０％以上が好ましく、（１００）／[（１００）＋（１１０）]が９０％以上がさらに好ましい。なお、後述する実施形態においては、（１００）／[（１００）＋（１１０）]が９０％以上となることが確認されている。また、圧電材料は、（１００）面に優先配向して変位特性が優れているという観点から、菱面体晶または単斜晶であることが好ましい。こうして圧電体６３では（１００）優先配向が確立される。圧電体６３では少なくとも平面視で表面領域６５に対応する配向領域７４で（１００）優先配向は確保される。
図７（ａ）のように、配向制御層７５は（１００）配向して圧電体６３の下面に位置し、圧電体６３の結晶配向を決めている。音圧によるひずみにより、高い電位差を実現するためには、第１電極６１と第２電極６２との間のギャップ６４およびその周辺の圧電体６３が（１００）配向していることが好ましい。そのために、少なくとも配向制御層７５はギャップ６４に向き合う表面領域６５に配置されなければならない。ここでは、配向制御層７５は第１電極６１および第２電極６２から物理的に切断される。こうすることで第１電極６１と第２電極６２との間に初期化電圧を加えたときに、配向制御層７５を介した絶縁破壊は防止されることができる。こうして第１圧電デバイス５７の信頼性は高められる。また、図７（ｂ）で示すように、配向制御層７５は圧電体６３の第２面６３ｂ全体、および、第１電極６１および第２電極６２の引き出し配線７７ａ、７７ｂの下方に存在してもよい。圧電デバイスの領域以外で圧電体が成膜される場合に、そうした圧電体で（１００）配向が確立されると、クラックに対する耐性が高まる。図７（ｃ）は不連続に島状に存在する配向制御層７５を示す。配向制御層７５が不連続に島状に存在したとしても、配向制御層７５は（１００）配向である。そのため、その上に成長する圧電体６３は、島状の配向制御層７５を成長核にして（１００）優先配向する。なお、ここで述べた島状とは、配向制御層７５が一様の厚みを持って連続に存在していない状態をさす。したがって、島と島との間は部分的につながっていてもよい。また、上方からみてストライプ状であってもよい。図７（ｄ）は比較例に相当し、配向制御層７５を有していない。
配向制御層７５は、ペロブスカイト型構造を有し、Ａサイトがビスマス（Ｂｉ）を含みＢサイトが鉄（Ｆｅ）およびチタン（Ｔｉ）を含む複合酸化物であり、（１００）面に自己配向するものである。具体的には、ＡＢＯ３型構造のＡサイトは酸素が１２配位しており、また、Ｂサイトは酸素が６配位して８面体（オクタヘドロン）をつくっている。配向制御層７５を構成する複合酸化物は、基本的には、ＡサイトのＢｉと、ＢサイトのＦｅおよびＴｉとで構成されるのが好ましい。好ましい組成比は、元素比をＢｉ：Ｆｅ：Ｔｉ＝１００：ｘ：（１００−ｘ）で表した場合、４０≦ｘ≦６０となる範囲が好ましい。このような組成比の複合酸化物は、下地に影響されることなく、（１００）面に自己配向し、また、この上に成膜されるペロブスカイト型構造の圧電材料を（１００）面に配向させる配向制御層として機能する。すなわち、詳細は後述するが、配向制御層７５は、被覆膜４５を形成した後、成膜されるので、酸化ジルコニウム層８１上に成膜されることになるが、酸化シリコン層７９の上でも（１００）面に自己配向し、その後成膜される圧電体６３を（１００）面に確実に優先配向させることができる。
ここで、（１００）面に自己配向するとは、下地に影響されることなく、自ら（１００）面に配向することをいい、全ての結晶が（１００）面に配向している場合と、ほとんどの結晶（例えば、８０％以上）が（１００）面に配向している場合とを含む。このような機能が阻害されない範囲で、ＡサイトやＢサイトの元素の一部を他の元素で置換した複合酸化物としてもよく、これも本発明の配向制御層に包含される。例えば、ＡサイトにＢｉの他にＢａ、Ｓｒ、Ｌａなどの元素がさらに存在してもよいし、ＢサイトにＦｅおよびＴｉとともにＺｒ、Ｎｂなどの元素がさらに存在していてもよい。また、上述した機能を有する限り、元素（Ｂｉ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｏ）の欠損や過剰により化学量論の組成（ＡＢＯ３）からずれたものも、本発明の配向制御層に包含される。例えば、Ｂｉが化学量論比より過剰に含有される複合酸化物も（１００）面に自己配向し、配向制御層として機能することが後述するように確認されている。
（５）配向制御層が絶縁体でなければならない理由
配向制御層７５が絶縁体でなければならない理由を、シミュレーションを用いて以下に示す。シミュレーションは、圧電効果を取り入れた有限要素法（ＦＥＭ）を用いて行われた。振動膜５８および圧電体６３は上方からみて正方形である。振動膜５８からなるダイアフラムの一辺の長さは４０μｍ、圧電体６３の一辺の長さは３２μｍである。また振動膜５８は下方から順にＳｉＯ２（１０００ｎｍ）、ＺｒＯ２（４００ｎｍ）、ＢＦＴ（２０ｎｍ）、ＰＺＴ（１３５０ｎｍ）である。ＢＦＴは本発明の配向制御層７５をなすＢｉＦｅＴｉＯ３の略称である。また第１電極６１および第２電極６２の膜厚は５０ｎｍである。第１電極６１および第２電極６２のギャップ６４の中心を通り、各電極６１、６２に平行な線を基準線６６とする。シミュレーションで用いるＰＺＴの圧電テンソルおよびスティッフネス・テンソルはＰＺＴ−５Ｈのデータセットを採用した。そのときのテンソルの主軸は、基準線６６に直交する方向（初期化電界がかかる方向と同じ）に設定した。ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、ＢＦＴのヤング率は、それぞれ７５ＧＰa、１９０ＧＰa、２００ＧＰaである。また第１電極６１および第２電極６２のヤング率は２００ＧＰaである。振動膜５８に上方から１気圧を印加し、そのときに第１電極６１と第２電極６２の間に発生する電位Ｖを調べる。電位Ｖを計算するために、第１電極６１と第２電極６２とはオープンの条件とした。第１電極６１と第２電極６２の間幅Ｗ１は５［μｍ］に設定された。
図８（ａ）は配向制御層７５が絶縁性である場合、図８（ｂ）は配向制御層７５に相当する層が導電性（金属）である場合の発生電位Ｖを示した図である。図８から、配向制御層７５が絶縁性である場合は０．３８Ｖ、配向制御層が導電性である場合０．０１Ｖの発生電圧であることがわかる。したがって、本実施形態の電極配置を有する受信素子においては、配向制御層７５が絶縁性を有することが高い受信感度を得るために必須であることがわかる。配向制御層７５が絶縁性であると、第１電極６１から発生した電気力線は、圧電体６３を通って直接、第２電極６２に吸い込まれる（ケース１）。一方、配向制御層に導電性があると、第１電極６１から発生した電気力線は、圧電体６３を通り、配向制御層をいったん介したあと、再び圧電体６３を通って第２電極６２に吸い込まれる（ケース２）。この理由を以下に示す。圧電性によって発生する電荷をＱ、電極６１、６２が構成するキャパシターの静電容量をＣ、発生電位をＶとするとき、一般にＱ＝Ｃ・Ｖが成り立つ。ケース１はケース２に比べて静電容量Ｃの値が１／３０倍ほど小さいために、電荷Ｑが一定であれば発生電位Ｖが大きくなる。ケース１の静電容量Ｃが小さい理由は、電気力線が圧電体６３の中を走る距離が、ケース２に比べて大きいからである。ケース２の置かれた状況を別の言葉で述べれば、「電極ギャップ間の下面が導電材に接すると、電極間を結ぶ寄生容量が形成され、（全体の静電容量が大きくなり）受信感度は低下してしまう」という表現になる。ここで、一般的な材料特性として、抵抗値が１×１０６Ωｃｍ以上あれば絶縁性があると考えられている。その値よりも小さい抵抗値になると、材料としては半導体の領域になり、本発明の配向制御層７５に適合しない。
（６）圧電体層が（００１）配向ではなく（１００）配向でなければならない理由
固体の第一原理電子状態計算により、ＰＺＴからなる圧電体６３が（００１）配向ではなく（１００）配向のときに圧電性が大きくなることを示す。計算は局所密度近似（Ｌｏｃａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ）の範囲での密度汎関数法（Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｔｈｅｏｒｙ）に基づく。圧電定数は線形応答法（Ｌｉｎｅａｒ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ Ｔｈｅｏｒｙ）により求めた。エネルギー・カットオフは５００ｅＶ、ｋ空間のメッシュは３×３×３とした。計算の対象とする結晶構造はＡＢＯ３ペロブスカイト型構造を有するＰｂ（Ｚｒ０．５Ｔｉ０．５）Ｏ３である。ＡＢＯ３型構造を２×２×２＝８セル用意してスーパーセルとし周期的境界条件を用いた。以下の説明では面に垂直な方向をｃ軸、面内で互いに直交する方向をa軸、b軸とする。計算の結果、（００１）配向の場合は、結晶格子がｃ軸方向に伸びる。ｃ軸方向への伸び率はｃ／ａ＝１．０３程度である。同時に各原子の中心対称位置からの変位は＜００１＞方向が主たる変位方向になる。その一方、（１００）配向の場合は、結晶格子はａ＝ｂ＝ｃとなる。このとき各原子の中心対称位置からの変位は＜１１１＞方向が主たる変位方向になる。図９は、計算で求めた配向方向と圧電定数（ｅ定数）との関係を示す。図９から、ＰＺＴは（００１）配向ではなく（１００）配向のときに大きな圧電定数を与えて有利であることがわかる。
（７）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。送信アレイＴＲでは振動子２５にパルス信号が供給される。パルス信号は下電極端子３５、３７および上電極端子３４、３６を通じて列ごとに第２圧電デバイス２３に供給される。個々の第２圧電デバイス２３では下電極２７および上電極２６の間で圧電体２８に電界が作用する。圧電体２８は超音波の周波数で振動する。圧電体２８の振動は振動膜２４に伝わる。こうして振動膜２４は超音波振動する。その結果、被検体（例えば人体の内部）に向けて所望の超音波ビームは発せられる。
受信アレイＲＲでは第３導電体６７および第４導電体６８に挟まれる１群（複数列）ごとに第１圧電デバイス５７の通電は切り替えられる。複数列の１群ごとに第１圧電デバイス５７は超音波を受信する。個々の第１圧電デバイス５７ごとに振動膜５８は超音波振動する。振動膜５８の超音波振動は所望の周波数で圧電体６３のひずみを生成する。圧電体６３のひずみは電位を生み出す。振動子５９の圧電効果に応じて振動子５９から電圧が出力される。第１電極６１および第２電極６２の間では圧電体６３で（１００）優先配向が確立されることから、圧電体６３のひずみに対して相対的に大きな電位が生成される。こうした電位は第１電極および第２電極から検出される。電位は信号端子７１および共通端子７２から電気信号として出力される。こうして超音波は検出される。
超音波の送信および受信は繰り返される。その結果、リニアスキャンやセクタースキャンは実現される。スキャンが完了すると、出力信号のデジタル信号に基づき画像が形成される。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。
第１圧電デバイス５７では第１電極６１および第２電極６２の間で配向領域７４の下面は絶縁性の表面領域６５に接する。したがって、電極６１、６２間を結ぶ寄生容量の形成は回避され、良好な受信感度は確保されることができる。仮に配向領域７４の下面が導電材に接すると、電極間を結ぶ寄生容量が形成され、受信感度は低下してしまう。
音圧により圧電体６３が変形する際に発生する電気力線は、第１電極６１から圧電体６３を介して第２電極６２に直接伸びている状況が高い受信感度を得るためには好ましい。例えば上方から見たとき、配向領域７４の下面の振動膜５８の中に導電性の材料を含む領域Ｘが存在すると、電気力線は、第１電極６１からいったん領域Ｘを介して第２電極６２に延びることになる。このとき、第１電極６１および第２電極６２が作るキャパシターの静電容量Ｃが実効的に増加してしまい、その結果として受信感度は低下する。電極間距離が短くなると静電容量Ｃは増大する。Ｑ＝ＣＶなので、Ｑが一定であるときＶは低下するので好ましくない。
（８）第２実施形態に係る圧電デバイス
図１０は第２実施形態に係る第１圧電デバイス５７ａの構成を示す。圧電体６３の第２面６３ｂに第１電極６１および第２電極６２の間で溝７６が形成される。溝７６は少なくとも基準線６６に沿って平面視でギャップ６４を貫通する。ここでは、溝７６はギャップ６４で圧電体６３の第２面６３ｂを２分割するだけでなく、圧電体６３の縁から縁まで完全に一面を横切って圧電体６３の第２面６３ｂを二分割する。
第１圧電デバイス５７ａでは第１電極６１および第２電極６２の距離が増大すると、両電極が形成するキャパシターの静電容量Ｃが下がるため、圧電体６３の生成電圧Ｖは増大する。このとき、図１１に示されるように、溝７６の働きで電極間領域の圧電体６３に発生する歪みが大きくなるため、大きな電圧が生み出される。加えて、第１圧電デバイス５７ａでは圧電体６３の表面に平行に電圧が印加されることから、表面に垂直に電圧が印加される場合に比べて、圧電体６３では十分に分極が残留する。その結果、圧電効果の生成時に分極電圧の印加は省略され（あるいは縮小され）ることができる。特に、圧電体６３は溝７６で局所的に厚みを減少させることにより、第１電極６１および第２電極６２の間で電気力線の経路に圧電体６３のひずみは集中し、効率的に圧電効果は利用されることができる。
溝７６は平面視で振動膜５８の重心を通る基準線６６に沿って延びる。振動膜５８では重心位置に近いほど超音波振動時の撓みは大きい。こうして撓みやすい位置に溝７６が配置されると、生成電圧は増大する。特に、振動膜５８は平面視で矩形に形成される。相互に平行に延びる２辺から等距離の中間位置で振動膜５８の撓みは最大化する。矩形の長辺に平行に溝７６が延びると、生成電圧は増大する。ここでは、溝７６は、圧電体６３の縁から縁へ完全に一面を横切ることから、圧電体６３の歪みは最大限に増大する。生成電圧は最大限に増大する。圧電体６３は平面視で直線６５に対して線対称に形成され、圧電体６３の挙動は対称性を維持する。したがって、振動膜５８の振動時に圧電体６３の挙動は安定化する。
（９）第２実施形態に係る圧電デバイスの製造方法
次に、第１圧電デバイス５７ａの製造方法を簡単に説明する。図９に示されるように、基板７８が用意される。基板７８は例えばシリコンから形成される。基板７８の表面には酸化シリコン層７９および酸化ジルコニウム層８１が形成される。酸化シリコン層７９の形成にあたって例えば基板７８の表面に熱処理が施されればよい。基板７８のシリコンは酸化されて酸化シリコンを形成する。酸化ジルコニウム層８１の形成にあたってジルコニウム膜が均一な膜厚で形成される。ジルコニウム膜に酸化処理が施される。こうして基板４４および被覆膜４５は得られる。
被覆膜４５の表面にＢｉ（ＦｅＴｉ）Ｏ３層８２が形成される。Ｂｉ（ＦｅＴｉ）Ｏ３層８２が本発明の配向制御層７５に対応する。形成にあたって、例えばＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やゾルゲル法等の化学溶液法、レーザーアブレーション法、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法（ＰＬＤ法）、ＣＶＤ法、エアロゾルデポジション法などが用いられることができる。ＭＯＤ法では、Ｂｉ、Ｆｅ、Ｔｉを含む金属錯体溶液を塗布し、これを乾燥し、さらに高温で焼成することでＢｉ（ＦｅＴｉ）Ｏ３層８２が得られる。Ｂｉ（ＦｅＴｉ）Ｏ３層８２は下地の素材に関係なくランダム配向の酸化ジルコニウム層８１上で（１００）優先配向を確立する。
Ｂｉ（ＦｅＴｉ）Ｏ３層８２の膜厚は３ｎｍから１００ｎｍであればよい。得られたＢｉ（ＦｅＴｉ）Ｏ３層８２はＡＢＯ３のペロブスカイト型構造を有する。ＢｉはＡサイトに位置する。ＦｅとＴｉとはＢサイトに位置する。得られたＢｉ（ＦｅＴｉ）Ｏ３層８２は絶縁性を有する。Ｂｉ（ＦｅＴｉ）Ｏ３層８２の膜厚が３ｎｍより小さくなると、製造マージンがとれなくなる。１００ｎｍを超えると、ダイアフラムが撓みにくくなる。
（１０）配向制御層の製法
配向制御層７５を化学溶液法で形成する場合の具体的な形成手順例としては、まず、Ｂｉ、Ｆｅ、Ｔｉを含有する金属錯体を含むＭＯＤ溶液やゾルからなる配向制御層形成用組成物（配向制御層の前駆体溶液）をスピンコート法などを用いて、塗布して配向制御層前駆体層を形成する（配向制御層前駆体溶液塗布工程）。塗布する前駆体溶液は、焼成によりＡサイトがＢｉを含みＢサイトがＦｅおよびＴｉを含むペロブスカイト型構造を有する複合酸化物を形成しうる金属錯体を混合し、該混合物を有機溶媒に溶解または分散させたものである。Ｂｉや、Ｆｅ、Ｔｉ等をそれぞれ含む金属錯体としては、例えば、アルコキシド、有機酸塩、βジケトン錯体などを用いることができる。Ｂｉを含む金属錯体としては、例えば２−エチルヘキサン酸ビスマス、酢酸ビスマスなどが挙げられる。Ｆｅを含む金属錯体としては、例えば２−エチルヘキサン酸鉄、酢酸鉄、トリス（アセチルアセトナート）鉄などが挙げられる。Ｔｉを含む金属錯体としては、例えば２−エチルヘキサン酸チタン、酢酸チタンなどが挙げられる。また、配向制御層の前駆体溶液の溶媒としては、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、オクタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、オクタン、デカン、シクロヘキサン、キシレン、トルエン、テトラヒドロフラン、酢酸、オクチル酸などが挙げられる。Ｂｉ、Ｆｅ、Ｔｉの組成比はＢｉ：Ｆｅ：Ｔｉ＝１００：５０：５０であることが好ましい。
次いで、この配向制御層前駆体層を所定温度（例えば、１５０〜２００℃）に加熱して一定時間乾燥させる（配向制御層乾燥工程）。次に、乾燥した配向制御層前駆体層を所定温度（例えば、３５０〜４５０℃）に加熱して一定時間保持することによって脱脂する（配向制御層脱脂工程）。ここで、脱脂とは、配向制御層前駆体層に含まれる有機成分を、例えば、ＮＯ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等として離脱させることである。配向制御層乾燥工程や配向制御層脱脂工程の雰囲気は限定されず、大気中、酸素雰囲気中や、不活性ガス中でもよい。
次に、配向制御層前駆体層を所定温度、例えば６００〜８５０℃程度に加熱して、一定時間、例えば、１〜１０分間保持することによって結晶化させ、ＡサイトがＢｉを含みＢサイトがＦｅおよびＴｉを含むペロブスカイト型構造を有する複合酸化物からなる配向制御層７５を形成する（焼成工程）。
この配向制御層焼成工程においても、雰囲気は限定されず、大気中、酸素雰囲気中や、不活性ガス中でもよい。配向制御層乾燥工程、配向制御層脱脂工程および配向制御層焼成工程で用いられる加熱装置としては、例えば、赤外線ランプの照射により加熱するＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置やホットプレート等が挙げられる。
Ｂｉ（ＦｅＴｉ）Ｏ３層８２の上に圧電体６３がＭＯＤ法により形成される。圧電体６３の厚みは１００ｎｍから２０００ｎｍの間であればよい。圧電体６３の厚みが１００ｎｍよりも薄くなると、Ｐｂや酸素などの結晶欠陥の影響が大きくなり、圧電性が下がり受信感度が低下してしまう。また圧電体６３が２０００ｎｍを超えて厚くなると、圧電体６３にクラックが入りやすくなり製造上で好ましくない。
（１１）圧電体の製法
例えば、まず、配向制御層７５上に、圧電体６３となる圧電材料の構成金属を含有する有機金属錯体を含むゾルやＭＯＤ溶液（前駆体溶液）を、スピンコート法などを用いて、塗布して圧電体前駆体膜を形成する（塗布工程）。塗布する前駆体溶液は、例えば、圧電体６３となる圧電材料の構成金属をそれぞれ含む有機金属錯体を、各構成金属が所望のモル比となるように混合し、該混合物をアルコールなどの有機溶媒を用いて溶解または分散させたものである。圧電材料の構成金属を含む有機金属錯体としては、例えば、金属アルコキシド、有機酸塩、βジケトン錯体などを用いることができる。具体的には、例えば、以下のものが挙げられる。鉛（Ｐｂ）を含む有機金属錯体としては、例えば酢酸鉛などが挙げられる。ジルコニウム（Ｚｒ）を含む有機金属錯体としては、例えばジルコニウムアセチルアセトナート、ジルコニウムテトラアセチルアセトナート、ジルコニウムモノアセチルアセトナート、ジルコニウムビスアセチルアセトナート等が挙げられる。チタニウム（Ｔｉ）を含む有機金属錯体としては、例えばチタニウムアルコキシド、チタニウムイソプロポキシド等が挙げられる。Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉの組成比はＰｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１２０：５２：４８が好ましい。
次いで、この圧電体前駆体膜を所定温度、例えば１３０℃〜１８０℃程度に加熱して一定時間乾燥させる（乾燥工程）。次に、乾燥した圧電体前駆体膜を所定温度、例えば３００℃〜４００℃に加熱して一定時間保持することによって脱脂する（脱脂工程）。ここで、脱脂とは、圧電体前駆体膜に含まれる有機成分を、例えば、ＮＯ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等として離脱させることである。
次に、圧電体前駆体膜を所定温度、例えば６５０〜８００℃程度に加熱して一定時間保持することによって結晶化させ、圧電体膜を形成する（焼成工程）。乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程で用いられる加熱装置としては、例えば、赤外線ランプの照射により加熱するＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置やホットプレート等が挙げられる。なお、上述した塗布工程、乾燥工程および脱脂工程や、塗布工程、乾燥工程、脱脂工程および焼成工程を所望の膜厚等に応じて複数回繰り返すことにより、複数層の圧電体膜からなる圧電体６３を形成してもよい。
次いで、上述した塗布工程、乾燥工程および脱脂工程や、塗布工程、乾燥工程、脱脂工程および焼成工程を所望の膜厚等に応じて複数回繰り返して複数の圧電体膜からなる圧電体６３を形成することで、複数層の圧電体膜からなる所定厚さの圧電体６３を形成する。例えば、塗布溶液の１回あたりの膜厚が０．１μｍ程度の場合には、例えば、１０層の圧電体膜からなる圧電体６３全体の膜厚は約１．１μｍ程度となる。なお、本実施形態では、圧電体膜を積層して設けたが、１層のみでもよい。
図１０は、配向制御層７５の上に圧電体６３を形成した場合に、圧電体６３が（１００）優先配向する様子を示すＸ線の回折図形である。横軸は２θを、縦軸はＸ線の回折強度を示す。Ｘ線はＣｕのＫα線を用いた。図１０（ａ）および（ｂ）は、それぞれ圧電体６３がＰＺＴおよびＢＦＭ−ＢＴの場合である。ここでＰＺＴは、Ｚｒ：Ｔｉが５２：４８の組成である。またＢＦＭ−ＢＴは（ＢｉＦｅＭｎＯ３）０．７−（ＢａＴｉＯ３）０．３の略称である。２θ軸で２θ＝２１°から２４°の範囲にメインの回折ピークあり、そのほかの角度域で、（１１１）や（１１０）など他の配向からの回折ピークが見られないので、ペロブスカイト型構造からなる圧電体６３が１００％で（１００）優先配向しているということができる。本実施形態において、ＰＺＴの場合は２１．８８°、ＢＦＭ−ＢＴの場合は、２２．５４°で回折ピークがあるため、いずれの場合においても圧電体６３は（１００）優先配向していることが確認できた。
図１１に示されるように、被覆膜４５の表面に圧電体６３および下地導電膜８３が形成される。下地導電膜８３はスパッタリングにより成膜される。べた膜の圧電材料膜上で下地導電膜８３はパターニングされる。圧電材料膜では下地のＢｉ（ＦｅＴｉ）Ｏ３層８２の働きで（１００）優先配向が確立される。続いて圧電材料膜にエッチング処理が実施される。圧電材料膜から圧電体６３は形成される。下地導電膜８３は圧電体６３の頂上面に積層される。
図１２に示されるように、下地導電膜８３上にべた膜の電極膜がスパッタリングにより形成される。電極膜は規定のパターニングに従ってエッチング処理される。こうして圧電体６３上に第１電極６１および第２電極６２は形成される。電極膜は第１電極６１および第２電極６２に個別に接続される引き出し配線７７ａ、７７ｂを形成する。このとき、圧電体６３の頂上面に第１電極６１および第２電極６２の間でオーバーエッチングに応じて溝７６が形成される。溝７６の形成に応じて第１電極６１および第２電極６２は分離される。その後、基板７８には裏面から開口部４６が形成される。
第１電極６１と第２電極６２とのギャップ距離Ｌは２μｍ以上の長さを有することが好ましい。ギャップ距離Ｌが大きくなるほど、キャパシターとしての静電容量Ｃが低下するため、出力電圧Ｖが大きくなる。一方、ギャップ距離Ｌが大きくなりすぎると、圧電体６３の初期化電圧が１００Ｖ以上に増大してしまう。初期化電圧が大きくなりすぎると、ドライバＩＣのコストアップになってしまう。そのため、ギャップ距離Ｌは２μｍ以上、８μｍ以下が好ましい。
（１２）受信感度の測定
受信感度の測定手順を以下に示す。前記プロセスで得られた受信素子を水で満たした水槽中に設置し、３０ｃｍ離れた位置に設置した大口径のハイドロフォンから超音波を発生させる。このとき前記受信素子の第１電極６１と第２電極６２との間に発生した電圧を電圧増幅アンプで読み取る。受信感度の指標としては１Ｐａ当たりのＰｅａｋ ｔｏ Ｐｅａｋの出力電圧として表記する。大口径ハイドロフォンが発生する超音波は、３．５ＭＨｚを基本波とし、１．５波のパルス波を発生させる。受信測定に先だって、圧電体６３の分極を初期化するため、前記受信素子の第１電極６１と第２電極６２との間に電圧１００Ｖを加える。
実施形態の一形態を以下に示す。振動膜５８および圧電体６３は上方からみて正方形である。振動膜５８からなるダイアフラムの一辺の長さは４０μｍ、圧電体６３の一辺の長さは３２μｍである。また振動膜５８は下方から順に酸化シリコン層４８（１０００ｎｍ）、酸化ジルコニウム層４９（４００ｎｍ）、配向制御層７５のＢＦＴ（２０ｎｍ）、圧電体６３のＰＺＴ（１３５０ｎｍ）である。ＢＦＴは本発明の配向制御層７５をなすＢｉＦｅＴｉＯ３の略称である。第１電極６１と第２電極６２との間のギャップ６４の大きさは５μｍとする。このときダイアフラムの水中での共振周波数は７．５ＭＨｚ前後である。
本発明に従って配向制御層７５を用いる場合は、圧電体６３のＰＺＴは（１００）優先配向となる。一方、比較例として、配向制御層を用いない場合は、圧電体６３のＰＺＴはランダム配向となる。本発明に従って配向制御層を用いる場合の受信感度は３０００ｎＶ／Ｐａであった。一方、比較例の配向制御層を用いない場合は、２０００ｎＶ／Ｐａであった。したがって、配向制御層を用いる本発明は、比較例に比べて高い受信感度を有することがわかる。
なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。したがって、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれる。例えば、明細書または図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語とともに記載された用語は、明細書または図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えられることができる。また、超音波デバイスユニット１７や装置端末１２、第２圧電デバイス２３、被覆膜４５、振動子５９等の構成および動作も本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形が可能である。
１１ 電子機器としての超音波画像装置（超音波診断装置）、１２ 処理回路（装置端末）、１３ プローブ（超音波プローブ）、１５ 表示装置（ディスプレイパネル）、１６ 筐体、５７ 圧電デバイス（第１圧電デバイス）、５８ 弾性膜（振動膜）、６１ 第１電極、６２ 第２電極、６３ 圧電体、６３ａ 第１面、６３ｂ 第２面、６４ ギャップ、６５ 表面領域、７４ 配向領域、７５ 配向制御層、７６ 溝。

Claims (14)

  1. 少なくとも部分的に絶縁性の表面領域を形成し、少なくとも前記表面領域でアモルファス構造またはランダム配向を有する弾性膜と、
    前記弾性膜上に設けられ、前記弾性膜に接する第１面および当該第１面とは反対側の第２面を有し、平面視で前記表面領域に対応する配向領域で（１００）優先配向する圧電体と、
    前記圧電体の前記第２面に設けられる第１電極と、
    前記圧電体の前記第２面に設けられ、前記平面視で前記配向領域に対応して前記第１電極との間にギャップを形成する第２電極と、
    を備えることを特徴とする圧電デバイス。
  2. 請求項１に記載の圧電デバイスにおいて、前記圧電体はペロブスカイト型構造の遷移金属酸化物で形成されることを特徴とする圧電デバイス。
  3. 請求項２に記載の圧電デバイスにおいて、前記圧電体の前記第１面は、ペロブスカイト型構造の遷移金属酸化物から形成される配向制御層で形成されていることを特徴とする圧電デバイス。
  4. 請求項３に記載の圧電デバイスにおいて、前記配向制御層がＡサイトにビスマスを含み、Ｂサイトに鉄およびチタンを含むペロブスカイト型構造の遷移金属酸化物から形成されることを特徴とする圧電デバイス。
  5. 請求項３または４に記載の圧電デバイスにおいて、前記配向制御層の抵抗値が１０６Ωｃｍ以上であることを特徴とする圧電デバイス。
  6. 請求項３〜５のいずれか１項に記載の圧電デバイスにおいて、前記配向制御層が（１００）優先配向していることを特徴とする圧電デバイス。
  7. 請求項３〜６のいずれか１項に記載の圧電デバイスにおいて、前記圧電体は、前記配向制御層に積層されるＰｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ３層を含むことを特徴とする圧電デバイス。
  8. 請求項７に記載の圧電デバイスにおいて、前記配向制御層にはＰｂが含まれていることを特徴とする圧電デバイス。
  9. 請求項８に記載の圧電デバイスにおいて、前記配向制御層は連続層であることを特徴とする圧電デバイス。
  10. 請求項８に記載の圧電デバイスにおいて、前記配向制御層は不連続層であることを特徴とする圧電デバイス。
  11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の圧電デバイスにおいて、前記ギャップで前記圧電体の前記第２面には溝が形成されることを特徴とする圧電デバイス。
  12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の圧電デバイスと、前記圧電デバイスを支持する筐体とを備えることを特徴とするプローブ。
  13. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の圧電デバイスと、前記圧電デバイスに接続されて、前記圧電デバイスの出力を処理する処理回路とを備えることを特徴とする電子機器。
  14. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の圧電デバイスと、前記圧電デバイスに接続されて、前記圧電デバイスの出力を処理し、画像を生成する処理回路と、前記画像を表示する表示装置とを備えることを特徴とする超音波画像装置。
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