JP2017029571A - 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

Abstract

【課題】圧電素子の静電容量が低下しても、圧電素子の感度を確保することができる圧電デバイスを提供する。
【解決手段】圧電デバイスは、第１面５６ａ、および、第１面５６ａとは反対側の第２面５６ｂを有する基板５６と、基板５６の第１面５６ａ上に設けられ、圧電体４７および複数の電極４９、５１を含む圧電素子４５と、基板５６の第１面５６ａおよび第２面５６ｂの間を貫通し、圧電素子４５に電気的に接続される貫通電極７７、７９とを備える。このとき、圧電素子４５の静電容量Ｃｄと貫通電極７７、７９の浮遊容量Ｃｃとで特定される相対的な感度αは、
【数１】

の関係を有する。
【選択図】図６

Description

本発明は、圧電デバイス、並びに、それを利用したプローブ、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、薄膜型の圧電素子は一般に知られる。圧電素子は振動膜を備える。振動膜上に圧電体膜は重なる。圧電体膜の表面には第１電極および第２電極が重なる。

特開２００２−２７１８９７号公報

同一面に第１電極および第２電極が配置される構造では対向する電極間の面積が従来構造と比較して小さくなってしまう。その結果、圧電素子の静電容量が大きく低下する。こうして配線の浮遊容量に対して圧電素子の静電容量が低下してしまうと、圧電素子から検出される出力電圧の変動は縮小してしまう。出力電圧の変動の縮小は圧電素子の感度の低下を意味する。

こうした実情に鑑み、圧電素子の静電容量が低下しても、圧電素子の感度を確保することができる圧電デバイスが望まれる。

（１）本発明の一態様は、第１面、および、前記第１面とは反対側の第２面を有する基板と、前記基板の前記第１面上に設けられ、圧電体および前記圧電体に接する複数の電極 を含む圧電素子と、前記基板の前記第１面および前記第２面の間を貫通し、前記圧電素子に電気的に接続される貫通電極とを備え、前記圧電素子の静電容量Ｃｄと前記貫通電極の浮遊容量Ｃｃとで特定される相対的な感度αは、

の関係を有する圧電デバイスに関する。

超音波信号による音圧変動を圧電体が受けると、圧電体にひずみが生じる。このとき圧電効果に基づいて、圧電体表面に電荷が発生する。この電荷はキャパシタを形成する電極対によって、電圧信号として外部に取り出すことができる。圧電体および電極対を組み合わせた構成を圧電素子と呼ぶ。圧電素子の出力電圧は貫通電極を通じて基板の第１面から第２面に導かれる。このとき、圧電素子の感度αは圧電素子の静電容量Ｃｄと貫通電極の浮遊容量Ｃｃとで決定される。圧電素子の静電容量Ｃｄが低下しても、圧電素子の静電容量Ｃｄと貫通電極の浮遊容量Ｃｃとの間に前述の関係が確立されれば、十分に圧電素子の出力電圧の感度を確保することができる。すなわち、圧電素子から高い出力電圧を得ることができることから、超音波を用いた圧電デバイスとしての空間分解能を高めることができる。相対的な感度αが０．５を下回ると、圧電素子の並列数は減少するものの電圧変動は縮小してしまう。その一方で、相対的な感度αが０．８を上回っても、圧電素子の並列数の増加の割に感度の向上は望めない。圧電素子の並列数が増加すれば、圧電素子の静電容量Ｃｄは増大する。

（２）前記圧電素子の静電容量Ｃｄと前記貫通電極の浮遊容量Ｃｃとで特定される相対的な感度αは、

の関係を有すればよい。相対的な感度αが０．７を上回ると、静電容量Ｃｄの確保にあたって圧電素子の並列数は増加する。並列数の増加は配置面積の増大を招く。並列に接続される圧電素子の広がりは拡大してしまう。

（３）さらに、前記圧電素子の静電容量Ｃｄと前記貫通電極の浮遊容量Ｃｃとで特定される相対的な感度αは、

の関係を有してもよい。相対的な感度αが０．６を上回る程度であれば、十分な出力が得られるとともに圧電素子の並列数は適度に抑制される。並列に接続される圧電素子の広がりは抑制される。

（４）前記圧電素子は、前記基板の前記第１面に配置されて、前記圧電体を支持する振動膜を備え、複数の前記電極は、前記圧電体の一面に配置されて相互に離れる第１電極および第２電極を備えればよい。振動膜の変形は圧電体のひずみを引き起こす。ひずみに応じて圧電体で電荷が生成される。第１電極および第２電極から電荷に応じた電圧は検出される。こうした構造の圧電素子は、膜形状の圧電体を上下から挟む膜形状の第１電極および第２電極を有する圧電素子に比べて、小さい静電容量Ｃｄを有する。こうして圧電素子の静電容量Ｃｄに対して貫通電極の浮遊容量Ｃｃが前述の関係を満たすと、十分な出力は確保されることができる。

（５）前記圧電素子は、前記基板の前記第１面に配置されて、前記圧電体を支持する振動膜を備え、複数の前記電極は、前記圧電体の表面にあって第１面側に配置される第１電極と、前記圧電体を介して反対側に位置する第２電極とを備えればよい。振動膜の変形は圧電体のひずみを引き起こす。ひずみに応じて圧電体で電荷が生成される。第１電極および第２電極から電荷に応じた電圧は検出される。

（６）圧電デバイスは、前記第１電極および前記第２電極の間に配置されて、前記第１電極および前記第２電極から離れる第３電極を備えてもよい。このとき、前記第１電極および前記第２電極は相互に短絡すればよい。圧電体のひずみに応じて表面電荷が生成される。短絡された第１電極および第２電極と、第３電極との間から電圧は検出される。第１電極と第３電極との間に静電容量が形成され、第２電極と第３電極との間に静電容量が形成される。対向面の増大に応じて静電容量は増加する。

（７）圧電デバイスは、前記第２面側に設けられ、前記貫通電極を介して前記圧電素子に接続される増幅回路を備えてもよい。圧電素子の出力は増幅回路で増幅される。増幅回路は基板の第２面側に設けられることから、増幅回路は最短経路で圧電素子に接続されることができる。経路の短縮は配線の浮遊容量を減少させる。相対的な感度αは高められることができる。

（８）圧電デバイスは、前記増幅回路を有して前記基板の前記第２面側に積層される回路基板を備えてもよい。圧電素子の出力は増幅回路で増幅される。増幅回路は基板の第２面側に設けられることから、増幅回路は最短経路で圧電素子に接続されることができる。経路の短縮は配線の浮遊容量を減少させる。

（９）前記貫通電極の浮遊容量Ｃｃは、前記貫通電極を囲む絶縁膜の比誘電率ε_ｉｎｓｕ、真空の誘電率ε_０、前記基板の厚みＬ_ｖｉａ、前記貫通電極の半径ｒ_ｖｉａおよび前記絶縁膜の厚みｔ_ｉｎｓｕに基づき、

で規定されればよい。こうして貫通電極の浮遊容量は特定される。要求される浮遊容量に基づき貫通電極は設計されることができる。

（１０）前記貫通電極は、前記圧電素子の群ごとに前記圧電素子に割り当てられる第１貫通電極と、前記群に共通に前記圧電素子に割り当てられる第２貫通電極とを含めばよい。第２貫通電極は複数の群に共通に配置されることから、個々の群ごとに第１貫通電極および第２貫通電極が配置される場合に比べて、第２貫通電極の配置スペースは縮小される。こうして効率的に貫通電極は配置される。こうした貫通電極の配置は基板の小型化に貢献することができる。

（１１）前記圧電素子および前記貫通電極は同一列に配置されればよい。貫通電極の配置スペースは縮小される。こうして効率的に貫通電極は配置される。こうした貫通電極の配置は基板の小型化に貢献することができる。

（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装置とを備えればよい。

（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、前記圧電デバイスの出力から生成される画像を表示する表示装置とを備えればよい。

超音波診断装置の構成を概略的に示す概略図である。 超音波プローブの表面を概略的に示す斜視図である。 一実施形態に係る超音波デバイスの構成を概略的に示す拡大部分平面図である。 超音波デバイスの構造を詳細に示す拡大部分平面図である。 図４のＡ−Ａ線に沿った部分断面図である。 図４のＢ−Ｂ線に沿った部分断面図である。 圧電体の静電容量と相対的な受信感度との関係を示すグラフである。 貫通電極の静電容量の算出方法を概略的に示す模式図である。 貫通電極の半径と貫通電極が有する静電容量（浮遊容量）との関係を示すグラフである。 α＝０．５のときに貫通電極の長さと半径の上限値との関係を示すグラフである。 α＝０．６のときに貫通電極の長さと半径の上限値との関係を示すグラフである。 α＝０．７のときに貫通電極の長さと半径の上限値との関係を示すグラフである。 α＝０．８のときに貫通電極の長さと半径の上限値との関係を示すグラフである。 図４に対応し、第２実施形態に係る超音波デバイスの構造を概略的に示す拡大部分平面図である。 図４に対応し、第３実施形態に係る超音波デバイスの構造を概略的に示す拡大部分平面図である。 図６に対応し、第４実施形態に係る超音波デバイスの構造を概略的に示す拡大断面図である。 図６に対応し、第５実施形態に係る超音波デバイスの構造を概略的に示す拡大断面図である。 図６に対応し、第６実施形態に係る超音波デバイスの構造を概略的に示す拡大断面図である。 図６に対応し、第７実施形態に係る超音波デバイスの構造を概略的に示す拡大断面図である。 他の実施形態に係る第２圧電素子の構造を概略的に示す拡大部分平面図である。

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は装置本体１２と超音波プローブ（プローブ）１３とを備える。装置本体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。装置本体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。装置本体１２には送信回路および受信回路が組み込まれる。送信回路は超音波プローブ１３に向けて駆動信号を送信する。受信回路は超音波プローブ１３から検出信号を受信する。なお、図１では装置本体１２と超音波プローブ１３はケーブルで接続される代わりに、高周波の無線を用いて装置本体１２と超音波プローブ１３の間で信号を送受信してもよい。

超音波プローブ１３は筐体１６を有する。筐体１６は表側体１７および裏側体１８を備える。表側体１７および裏側体１８は相互に結合される。表側体１７および裏側体１８の間で表側体１７の結合面と裏側体１８の結合面の間にはケーブル口１９が区画される。ケーブル口１９にケーブル１４は配置される。筐体１６には、後述されるように、超音波デバイスユニットが支持される。超音波デバイスユニットは駆動信号の受信に応じて超音波を送信し反射波を受信して検出信号を出力する。

装置本体１２には表示装置２３が接続される。表示装置２３にはディスプレイパネル２４が組み込まれる。ディスプレイパネル２４の画面に、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表示される。画像化された検出結果がディスプレイパネル２４の画面に表示される。

図２に示されるように、筐体１６の表側体１７には開口２５が形成される。開口２５は、筐体１６内に区画される収容空間に面する。収容空間内に超音波デバイス（圧電デバイス）２６は配置される。超音波デバイス２６は音響整合層２７を備える。音響整合層２７は例えばシリコーン樹脂から形成される。音響整合層２７は生体の音響インピーダンス１．５［ＭＲａｙｌ］に近い音響インピーダンス（例えば１．０〜１．５［ＭＲａｙｌ］を有する。超音波デバイス２６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。超音波診断装置１１や超音波プローブ１３は他の構造を有してもよい。

超音波プローブ１３は密着層２８を有する。密着層２８は表側体１７の表面に例えば積層される。密着層２８は例えば皮膚といった対象物に対して粘着力を発揮する。密着層２８の働きで超音波プローブ１３は対象物に貼り付けられることができる。こうして超音波プローブ１３が貼り付けられると、音響整合層２７は対象物に密着する。

（２）超音波デバイスの構成
図３は一実施形態に係る超音波デバイス２６の構成を概念的に示す。超音波デバイス２６は素子アレイ（圧電デバイス群）３１を備える。素子アレイ３１はアレイ配置の超音波トランスデューサー３２を含む。図３では超音波トランスデューサー３２は四角いマスごとに表現される。ここでは、素子アレイ３１にＮ行Ｌ列の超音波トランスデューサー３２が配列される。すなわち、第１方向（以下「スライス方向」という）ＦＲにＮ行の超音波トランスデューサー列が並べられ、スライス方向に９０度で交差する第２方向（以下「スキャン方向」という）ＳＲにＬ列の超音波トランスデューサー列が並べられる。後述されるように、１つの超音波トランスデューサー３２は送信ユニットおよび受信ユニットを含む。送信ユニットは電気信号の供給に応じて決められた周波数の超音波を発信する。代表的な周波数のレンジは１ＭＨｚから３０ＭＨｚである。受信ユニットは決められた周波数の超音波を受信して電気信号に変換する。

図４は第１実施形態に係る超音波デバイス２６の構造をさらに詳細に示す。超音波デバイス２６は基体３３を備える。基体３３に送信ユニット３４および受信ユニット３５が形成される。送信ユニット３４は複数の第１圧電素子３６を有する。個々の第１圧電素子３６は振動膜３７を備える。振動膜３７の詳細は後述される。図４では振動膜３７の膜面に直交する方向の平面視（基板の厚み方向の平面視）で振動膜３７の輪郭が点線で描かれる。振動膜３７上では、後述されるように、上電極３９および下電極４１の間に圧電体膜４２が挟まれる。これらは振動膜３７に順番に重ねられる。超音波デバイス２６は１枚の超音波トランスデューサー素子チップとして構成される。

基体３３の表面には複数本の第１信号電極線４３が形成される。第１信号電極線４３は相互に平行に配列の列方向（スライス方向）に延びる。超音波トランスデューサー３２ごとに第１信号電極線４３は１つに纏められる。第１信号電極線４３は個々の第１圧電素子３６ごとに下電極４１を形成する。第１信号電極線４３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１信号電極線４３にはその他の導電材が利用されてもよい。

基体３３の表面には配列の行方向（スライス方向）に延びる第１共通電極線４４が形成される。第１共通電極線４４は相互に平行に配列の行方向に延びる。全ての超音波トランスデューサー３２で第１共通電極線４４は１つに纏められることができる。第１共通電極線４４は個々の第１圧電素子３６ごとに上電極３９を形成する。第１共通電極線４４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共通電極線４４にはその他の導電材が利用されてもよい。

超音波トランスデューサー３２ごとに第１圧電素子３６の通電は切り替えられる。１つの超音波トランスデューサー３２ごとに第１圧電素子３６は同時に超音波を出力することから、超音波トランスデューサー３２ごとの個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。

受信ユニット３５は複数の第２圧電素子４５を有する。個々の第２圧電素子４５は振動膜４６を備える。振動膜４６の詳細は後述される。図４では振動膜４６の膜面に直交する方向の平面視（基板の厚み方向の平面視）で振動膜４６の輪郭が点線で描かれる。振動膜４６上では、後述されるように、圧電体膜（圧電体）４７の一面（上面）に第１電極４９および第２電極５１が形成される。圧電体膜４７は振動膜４６の表面に密着する。図４に示されるように、第１電極４９の端部４９ａおよび第２電極５１の端部５１ａは相互に離れて向き合う。第１電極４９の端部４９ａおよび第２電極５１の端部５１ａは平面視で振動膜４６の中心線ＢＬに平行に規定される。第１電極４９および第２電極５１の間に第２圧電素子４５の静電容量が形成される。第１電極４９と第２電極５１との間には圧電体膜４７の表面に溝５２が形成される。

ここでは、振動膜４６は平面視（振動膜４６の表面に直交する方向から見て）で矩形の輪郭を有する。圧電体膜４７は平面視で振動膜４６の輪郭線よりも内側に位置する矩形の輪郭を有する。圧電体膜４７の図心Ｃｐは振動膜４６の図心Ｃｖに重なる。したがって、圧電体膜４７は振動膜４６の図心Ｃｖを含む領域で広がる。矩形には図示される長方形だけでなく正方形が含まれてもよい。振動膜４６の中心線ＢＬは矩形の長辺に平行な矩形の二等分線に相当する。ちなみに音圧による圧電体膜４７面内のひずみ量は、振動膜４６の図心において、矩形の短辺方向のひずみ成分が長辺方向のひずみ成分に比べて大きな値をとる。例えば矩形の長辺と短辺の比が、２：１であるとき、短辺方向のひずみ成分は、長辺方向のひずみ成分に比べて、約１０倍大きな値をとる。そこで、中心線ＢＬを矩形の長辺に平行にとるときに、第２圧電素子４５が得る受信感度を最大にすることができる。
超音波の周波数１ＭＨｚ〜３０ＭＨｚに対応する振動膜４６の矩形の短辺長さは、２０μｍ〜８０μｍである。短辺Ｌｓと長辺Ｌlの比Ｌｓ／Ｌｌは０．５以上かつ１．０以下の値をとることが受信感度の上で好ましい。

基体３３の表面には複数本の第２信号電極線５３が形成される。第２信号電極線５３は相互に平行に配列の列方向（スライス方向）に延びる。超音波トランスデューサー３２ごとに第２信号電極線５３は１つに纏められる。第２信号電極線５３は個々の第２圧電素子４５ごとに第１電極４９を形成する。第２信号電極線５３には例えばイリジウム（Ｉｒ）が用いられることができる。ただし、第２信号電極線５３には、白金（Ｐｔ）などその他の導電材が利用されてもよい。

基体３３の表面には相互に平行に配列の列方向に延びる第２共通電極線５４が形成される。超音波トランスデューサー３２ごとに第２共通電極線５４は１つに纏められる。第２共通電極線５４は第２電極５１に接続される。第２共通電極線５４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２共通電極線５４には、白金（Ｐｔ）などその他の導電材が利用されてもよい。

図５に示されるように、基体３３は基板５６および被覆膜５７を備える。基板５６の表面に被覆膜５７が一面に形成される。基板５６には個々の第１圧電素子３６ごとに開口５８が形成される。開口５８は基板５６に対してアレイ状に配置される。隣接する２つの開口５８の間には仕切り壁５９が区画される。隣接する開口５８は仕切り壁５９で仕切られる。

被覆膜５７は、基板５６の表面に積層される酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層６１と、酸化シリコン層６１の表面に積層される酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）層６２とで構成される。酸化シリコン層６１の好ましい膜厚は２００ｎｍ〜２０００ｎｍである。酸化ジルコニウム層６２の好ましい膜厚は１００ｎｍ〜１０００ｎｍである。被覆膜５７は開口５８に接する。こうして開口５８の輪郭に対応して被覆膜５７の一部が振動膜３７を形成する。酸化ジルコニウム層６２は、第２圧電素子４５の受信感度を低下させないために、高い絶縁性を保つ必要があり、１×１０^６Ωｃｍ以上の抵抗値を有することが好ましい。酸化ジルコニウム層６２は、他の酸化物層、例えば酸化ハフニウム、酸化イットリウム、酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化セリウムなどで置き換えることができる。

振動膜３７の表面に第１信号電極線４３、圧電体膜４２および第１共通電極線４４が順番に積層される。圧電体膜４２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。圧電体膜４２にはその他の圧電材料が用いられてもよい。ここでは、第１共通電極線４４の下で圧電体膜４２は完全に第１信号電極線４３の表面を覆う。圧電体膜４２の働きで第１信号電極線４３と第１共通電極線４４との間で短絡は回避されることができる。圧電体膜４２の側面は絶縁膜（電極分離膜）６３で覆われる。圧電体膜４２の好ましい膜厚は２００ｎｍ〜２０００ｎｍである。

音響整合層２７は素子アレイ３１を覆う。音響整合層２７は基体３３の表面に積層される。基体３３の裏面にはバッキング材（回路基板）６５が結合される。バッキング材６５は例えばシリコン基板として形成される。バッキング材６５の表面に基体３３の裏面が重ねられる。バッキング材６５の表面は基体３３の裏面に例えば接着される。接着にあたって接着剤６６が用いられればよい。本発明の超音波デバイス２６は、薄膜圧電素子を有するダイアフラム型の振動膜構造からなる。振動膜３７が薄膜からなるために柔らかく、振動膜３７自体の音響インピーダンスは１．０〜１．５［ＭＲａｙｌ］と生体に近い値をとる。そのため、音響整合層２７の音響インピーダンスはバルク素子の値７［ＭＲａｙｌ］よりもはるかに小さい１．０〜１．５［ＭＲａｙｌ］ですむ。音響整合層２７の音響インピーダンスが低い設定でよいため、音響整合層２７に含まれるフィラー密度が低くなり、結果として音響整合層２７内での音波の減衰が小さくてすむ。

バッキング材６５の表面には送信用の回路６７が形成される。回路６７は配線６８で第１貫通電極６９に接続される。第１貫通電極６９は第１面５６ａおよび反対側（裏側）の第２面５６ｂの間で基板５６を貫通する。第１貫通電極６９は第１面５６ａで第１信号電極線４３に接続される。接続にあたって第１貫通電極６９は被覆膜５７を貫通する。こうして第１貫通電極６９は第１圧電素子３６に電気的に接続される。

第１貫通電極６９は軸心ＡＸを有する円柱形に形成される。第１貫通電極６９の軸心ＡＸは例えば基板５６の第１面５６ａおよび第２面５６ｂに直交する。第１貫通電極６９は基板５６内で絶縁体７１に囲まれる。絶縁体７１は例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜から形成される。絶縁体７１は導電体の第１貫通電極６９と基板５６のシリコン材とを絶縁する。このとき、第１貫通電極６９は浮遊容量を形成する。基板５６には同様に第２貫通電極７２が形成される。第２貫通電極７２は第１面５６ａで第１共通電極線４４に接続され第２面５６ｂで配線６８を介してグラウンド電位に接続されればよい。

図６に示されるように、基板５６には個々の第２圧電素子４５ごとに開口７４が形成される。開口７４の輪郭に対応して被覆膜５７の一部が振動膜４６を形成する。圧電体膜４７は第１面４７ａで振動膜４６に接する。第１面４７ａの反対側（裏側）の第２面４７ｂに第１電極４９および第２電極５１が積層される。圧電体膜４７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。圧電体膜４７にはその他の圧電材料が用いられてもよい。

バッキング材６５の表面には受信用の回路７５が形成される。回路７５には例えば増幅回路が含まれる。回路７５は配線７６で第３貫通電極７７に接続される。第３貫通電極７７は例えば銅（Ｃｕ）といった導電材から形成される。第３貫通電極７７は第１面５６ａおよび反対側（裏側）の第２面５６ｂの間で基板５６を貫通する。第３貫通電極７７は第１面５６ａで第２信号電極線５３に接続される。接続にあたって第３貫通電極７７は被覆膜５７を貫通する。こうして第３貫通電極７７を介して増幅回路は第２圧電素子４５に電気的に接続される。

第３貫通電極７７は軸心ＡＸを有する円柱形に形成される。第３貫通電極７７の軸心ＡＸは例えば基板５６の第１面５６ａおよび第２面５６ｂに直交する。第３貫通電極７７は基板５６内で絶縁体７８に囲まれる。絶縁体７８は例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜から形成される。絶縁体７８は導電体の第３貫通電極７７と基板５６のシリコン材とを絶縁する。こうして第３貫通電極７７は浮遊容量を形成する。基板５６には同様に第４貫通電極７９が形成される。第４貫通電極７９は第１面５６ａで第２共通電極線５４に接続され第２面５６ｂで配線７６を介してグラウンド電位に接続されればよい。第４貫通電極７９は例えば銅（Ｃｕ）といった導電材から形成される。第４貫通電極７９は同様に基板５６内で絶縁体８１に囲まれ浮遊容量を形成する。

増幅回路に並列接続される第２圧電素子４５群は静電容量Ｃｄを形成する。第２圧電素子４５と増幅回路との間に配置される第３貫通電極７７および第４貫通電極７９は浮遊容量Ｃｃを形成する。第２圧電素子４５の圧電体膜４７ではひずみεに応じて電荷ｑ_ｄが発生する。次式から明らかなように、電荷ｑ_ｄが増大すると、出力電圧は増大する。その一方で、出力電圧は浮遊容量Ｃｃの影響を受ける。浮遊容量Ｃｃの増大は出力電圧の低下を招く。

このことに基づき本発明者は次式に従って相対的な感度αを定義する。

第２圧電素子４５群の静電容量Ｃｄと貫通電極７７、７９の浮遊容量Ｃｃとで特定される相対的な感度αは、

の関係を有する。ここでは、第２圧電素子４５群の静電容量Ｃｄと貫通電極７７、７９の浮遊容量Ｃｃとで特定される相対的な感度αは、

の関係を有する。さらに、第２圧電素子４５群の静電容量Ｃｄと貫通電極７７、７９の浮遊容量Ｃｃとで特定される相対的な感度αは、

の関係を有する。

図７は、横軸に実験で得られた受信素子群の静電容量Ｃを、また縦軸に相対的な受信感度αをプロットした図である。図７でプロット点の横に記された数字は、受信ユニット３５の並列数を示す。一つの受信ユニット３５には、４０個の第２圧電素子４５がさらに並列接続している。受信ユニット３５ごとに貫通電極７７，７９が設けられる。受信素子群の静電容量Ｃは、並列接続された受信素子群がつくる全体の静電容量Ｃｄと貫通電極７７，７９がつくる浮遊容量Ｃｃの和として与えられる。一つの受信ユニット３５の静電容量は１０ｐＦである。実際の浮遊容量には、貫通電極７７，７９がつくる浮遊容量Ｃｄに加えて、基板上面内の配線がつくる浮遊容量Ｃｓも含まれる。しかし、基板上面内の配線がつくる浮遊容量Ｃｓは、貫通電極７７，７９の浮遊容量Ｃｄの１／５０程度と見積もられる。そのため、浮遊容量Ｃは実質的に貫通電極７７，７９の浮遊容量Ｃｄが支配していることになる。図７で、受信ユニット３５の並列数を増やしていくと、相対的な受信感度αが１に漸近しながら増大していく。グラフ中のカーブの横軸との切片が浮遊容量Ｃｄに対応している。この実験での浮遊容量は６３［ｐＦ］であった。
図７に示されているように、相対的な感度αが０．５以下の領域では、受信ユニット３５の並列数は４以下と少なく、従って狭い専有面積ですむ利点がある。しかし、相対的な感度が０．５以下の領域は、本来の受信素子の１／２以下の感度しか得られていないことに対応し、受信素子の高感度化として好ましくない。その一方で、相対的な感度αが０．８を上回っても、第２圧電素子４５の並列数の増加の割に感度の向上は望めない。このとき、貫通電極７７、７９の浮遊容量は、図８に示されるように、貫通電極７７、７９を囲む絶縁体７８、８１の比誘電率ε_ｉｎｓｕ、真空の誘電率ε_０、基板５６の厚み（貫通電極７７、７９の長さ）Ｌ_ｖｉａ、貫通電極７７、７９の半径ｒ_ｖｉａおよび絶縁体７８、８１の厚みｔ_ｉｎｓｕに基づき、

で規定される。

（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。装置本体１２から超音波プローブ１３に駆動信号が送信されると、送信ユニット３４では第１圧電素子３６にパルス信号が供給される。パルス信号は第１信号電極線４３および第１共通電極線４４を通じて第１圧電素子３６に供給される。個々の第１圧電素子３６では上電極３９および下電極４１の間で圧電体膜４２に電界が作用する。圧電体膜４２は超音波の周波数で振動する。圧電体膜４２の振動は振動膜３７に伝わる。こうして振動膜３７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。

受信ユニット３５では個々の第２圧電素子４５に超音波が作用する。超音波の反射波は振動膜４６を振動させる。振動膜４６の超音波振動は所望の周波数で圧電体膜４７を超音波振動させる。振動膜４６が超音波振動すると、振動膜４６の変形に応じて圧電体膜４７は歪む。圧電体膜４７のひずみεに応じて表面電荷が生成される。第１電極４９と第２電極５１との間から電位Ｖは検出される。電位Ｖは第２信号電極線５３および第２共通電極線５４から検出信号として出力される。

受信回路は検出信号に基づき超音波画像を生成する。超音波画像の生成にあたって超音波の送信および受信は繰り返される。リニアスキャンやセクタースキャンは実現される。画像信号は受信回路から表示装置２３に送信される。画像信号に基づきディスプレイパネル２４の画面に超音波画像は表示される。

本発明者は、図７に示される静電容量Ｃｄと感度αとの関係に基づき、貫通電極７７、７９の長さＬ_ｖｉａと半径ｒ_ｖｉａとの関係を考察した。ここでは、個々の貫通電極７７、７９の長さはＬ_ｖｉａ／２に相当する。絶縁体７８、８１には酸化シリコン膜が用いられ、その膜厚は０．６［μｍ］に設定された。図９に示されるように、貫通電極７７、７９の長さＬ_ｖｉａ［μｍ］および半径ｒ_ｖｉａに応じて貫通電極７７、７９の静電容量は特定される。ここでは、第２圧電素子４５の静電容量は１［ｐＦ］に設定された。この静電容量の数値は並列接続される４つの第２圧電素子４５の合成容量に相当する。図１０に示されるように、１［ｐＦ］の静電容量に対して１［ｐＦ］以下の浮遊容量（α＝０．５）が想定されると、貫通電極７７、７９の半径ｒ_ｖｉａは５［μｍ］以上５６［μｍ］以下に設定されればよい。ここで、貫通電極７７、７９が対で使用される場合、基板５６の厚みは５０［μｍ］以上２５０［μｍ］以下が工程での基板の取り扱いの上で現実的であることから、貫通電極７７、７９の長さＬ_ｖｉａは１００［μｍ］以上５００［μｍ］以下に設定された。図１１に示されるように、１［ｐＦ］の静電容量に対して０．６７［ｐＦ］以下の浮遊容量（α＝０．６）が想定されると、貫通電極７７、７９の半径ｒ_ｖｉａは３［μｍ］以上３８［μｍ］以下に設定されればよい。図１２に示されるように、１［ｐＦ］の静電容量に対して０．４３［ｐＦ］以下の浮遊容量（α＝０．７）が想定されると、貫通電極７７、７９の半径ｒ_ｖｉａは２［μｍ］以上２４［μｍ］以下に設定されればよい。図１３に示されるように、１［ｐＦ］の静電容量に対して０．２５［ｐＦ］以下の浮遊容量（α＝０．８）が想定されると、貫通電極７７、７９の半径ｒ_ｖｉａは１［μｍ］以上１４［μｍ］以下に設定されればよい。

（４）他の実施形態
図１４は第２実施形態に係る超音波デバイス２６ａの構造を示す。超音波デバイス２６ａの受信ユニット３５ａでは並列接続される第２圧電素子４５の振動膜４６の中心線ＢＬは共通の直線ＬＮ上に配置される。中心線ＢＬを挟んで第１電極４９および第２電極５１は向き合う。第１電極４９に共通に第２信号電極線５３が接続される。第２信号電極線５３は中心線ＢＬに平行に延びる。第２電極５１に共通に第２共通電極線５４が接続される。第２共通電極線５４は同様に中心線ＢＬに平行に延びる。第２信号電極線５３には第３貫通電極７７が接続される。第２共通電極線５４には第４貫通電極７９が接続される。第３貫通電極７７および第４貫通電極７９は中心線ＢＬの延長線上に配置される。こうして第２圧電素子４５および貫通電極７７、７９は１直線ＬＮ上に配置される。前述のように振動膜４６の中心線ＢＬは矩形の長辺に平行な矩形の二等分線に相当する。その他の構成は超音波デバイス２６と同様である。

図１５は第３実施形態に係る超音波デバイス２６ｂの構造を概略的に示す。ここでは、超音波デバイス２６ｂでは第３貫通電極７７は受信ユニット３５ｂ（圧電素子の群）ごとに第２圧電素子４５に割り当てられる。その一方で、第４貫通電極７９は複数の受信ユニット３５ｂ（圧電素子の群）に共通に第２圧電素子４５に割り当てられる。第４貫通電極７９は複数の受信ユニット３５ｂに共通に配置されることから、個々の受信ユニット３５ｂごとに第３貫通電極７７および第４貫通電極７９が配置される場合に比べて、第４貫通電極７９の配置スペースは縮小される。こうして効率的に貫通電極７７、７９は配置される。こうした貫通電極７７、７９の配置は基板５６の小型化に貢献することができる。その他の構成は超音波デバイス２６と同様である。

図１６は第４実施形態に係る超音波デバイス２６ｃの構造を概略的に示す。受信用の回路７５はバッキング材６５の裏面（第２面）６５ｂに形成される。バッキング材６５には第５貫通電極８２および第６貫通電極８３が形成される。第５貫通電極８２および第６貫通電極８３は第１面６５ａおよび反対側（裏側）の第２面６５ｂの間でバッキング材６５を貫通する。第５貫通電極８２および第６貫通電極８３は軸心ＡＸを有する円柱形に形成される。第５貫通電極８２および第６貫通電極８３はバッキング材６５内でそれぞれ絶縁体８４、８５に囲まれる。

バッキング材６５の第１面６５ａには中間配線８６が形成される。第５貫通電極８２および第６貫通電極８３は中間配線８６を介してそれぞれ第３貫通電極７７および第４貫通電極７９に個別に接続される。バッキング材６５の第２面６５ｂには表面配線８７が形成される。受信用の回路７５は表面配線８７を介して第５貫通電極８２および第６貫通電極８３に接続される。第２圧電素子４５群の静電容量Ｃｄと貫通電極７７、７９、８２、８３の浮遊容量Ｃｃとで特定される相対的な感度αは前述と同様な関係で規定される。その他の構成は超音波デバイス２６と同様である。

図１７は第５実施形態に係る超音波デバイス２６ｄの構造を概略的に示す。超音波デバイス２６ｄでは基板５６の第１面５６ａ側に補助基板８８が積層される。補助基板８８は例えばシリコン基板で形成される。補助基板８８の表面（第１面）８８ａに受信用の回路７５が形成される。基板５６の第２面５６ｂに音響整合層２７が積層される。音響整合層２７は第２面５６ｂから開口７４に充填される。

補助基板８８には第７貫通電極８９および第８貫通電極９１が形成される。第７貫通電極８９および第８貫通電極９１は第１面８８ａおよび反対側の第２面８８ｂの間で補助基板８８を貫通する。第７貫通電極８９および第８貫通電極９１は軸心ＡＸを有する円柱形に形成される。第７貫通電極８９および第８貫通電極９１は補助基板８８内でそれぞれ絶縁体９２、９３に囲まれる。第７貫通電極８９および第８貫通電極９１は補助基板８８の第１面８８ａで受信用の回路７５に接続される。第７貫通電極８９は補助基板８８の第２面８８ｂで第２信号電極線５３に接続される。第８貫通電極９１は同様に補助基板８８の第２面８８ｂで第２共通電極線５４に接続される。第２圧電素子４５群の静電容量Ｃｄと貫通電極８９、９１の浮遊容量Ｃｃとで特定される相対的な感度αは前述と同様な関係で規定される。その他の構成は超音波デバイス２６と同様である。

図１８は第６実施形態に係る超音波デバイス２６ｅの構造を概略的に示す。超音波デバイス２６ｅでは基板５６の第２面５６ｂに第１バッキング材９４および第２バッキング材９５が相次いで積層される。第１バッキング材９４および第２バッキング材９５の第２面９４ｂ、９５ｂに受信用の回路７５ａ、７５ｂが形成される。第１バッキング材９４および第２バッキング材９５は前述のバッキング材６５と同様に構成される。バッキング材９４、９５に個々に貫通電極８２ａ、８２ｂ、８３ａ、８３ｂが形成される。第２圧電素子４５群の静電容量Ｃｄと貫通電極７７、７９、８２ａ、８２ｂ、８３ａ、８３ｂの浮遊容量Ｃｃとで特定される相対的な感度αは前述と同様な関係で規定される。その他の構成は超音波デバイス２６と同様である。

図１９は第７実施形態に係る超音波デバイス２６ｆの構造を概略的に示す。超音波デバイス２６ｆでは基板５６の第２面５６ｂにビルドアップ基板９６が積層される。ビルドアップ基板９６内に受信用の回路７５は形成される。ビルドアップ基板９６の配線層９７に第３貫通電極７７および第４貫通電極７９が接続される。第２圧電素子４５群の静電容量Ｃｄと貫通電極７７、７９の浮遊容量Ｃｃとで特定される相対的な感度αは前述と同様な関係で規定される。その他の構成は超音波デバイス２６と同様である。

図２０は他の実施形態に係る第２圧電素子４５ａの構造を概略的に示す。第２圧電素子４５ａでは第１電極４９および第２電極５１の間に第３電極９８が配置される。第３電極９８は例えば振動膜４６の中心線ＢＬに沿って延びる。第３電極９８は第１電極４９および第２電極５１から離れる。ここで、第１電極４９および第２電極５１は相互に短絡する。第１電極４９および第２電極５１は例えば第３貫通電極７７に接続される。第３電極９８は例えば第４貫通電極７９に接続される。圧電体膜４７のひずみに応じて表面電荷が生成されると、短絡された第１電極４９および第２電極５１と、第３電極９８との間から電圧は検出される。第１電極４９と第３電極９８との間に静電容量が形成され、第２電極５１と第３電極９８との間に静電容量が形成される。対向面の増大に応じて静電容量は増加する。

本実施形態の超音波デバイス２６の構造において、送信ユニット３４および受信ユニット３５が並列接続された複数の圧電素子を有する構成で説明したが、単数の圧電素子を有する構成でもよい。

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、超音波診断装置１１や装置本体１２、超音波プローブ１３、ディスプレイパネル２４、筐体１６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。例えば超音波を生体内に送信して、対象物からの超音波反射信号を受信する形式の超音波診断装置だけではない。本発明の中で、受信部に関する発明部分については、赤外域のレーザーを生体に入力して、光音響効果を通して対象物が発生する超音波をとらえる形式の超音波診断装置（光超音波診断装置）にも用いることができる。

１１ 電子機器としての超音波画像装置（超音波診断装置）、１２ 処理装置（装置端末）、１３ プローブ（超音波プローブ）、１６ 筐体、２３ 表示装置、２６ 圧電デバイス（超音波デバイス）、２６ａ 圧電デバイス（超音波デバイス）、２６ｂ 圧電デバイス（超音波デバイス）、２６ｃ 圧電デバイス（超音波デバイス）、２６ｄ 圧電デバイス（超音波デバイス）、２６ｅ 圧電デバイス（超音波デバイス）、４５ 圧電素子（第２圧電素子）、４６ 振動膜、４７ 圧電体（圧電体膜）、４７ａ 第１面、４７ｂ 第２面、４９ 第１電極、５１ 第２電極、５６ 基板、５６ａ 第１面、５６ｂ 第２面、６５ 回路基板（バッキング材）、７５ 増幅回路を含む回路、７７ 貫通電極（第３貫通電極）、７９ 貫通電極（第４貫通電極）、８２ 貫通電極（第５貫通電極）、８３ 貫通電極（第６貫通電極）、８９ 貫通電極（第７貫通電極）、９１ 貫通電極（第８貫通電極）、９４ 回路基板（第１バッキング材）、９５ 回路基板（第２バッキング材）、９６ 回路基板（ビルドアップ基板）、９８ 第３電極

Claims (14)

1. 第１面、および、前記第１面とは反対側の第２面を有する基板と、
   前記基板の前記第１面上に設けられ、圧電体および前記圧電体に接する複数の電極を含む圧電素子と、
   前記基板の前記第１面および前記第２面の間を貫通し、前記圧電素子に電気的に接続される貫通電極と、を備え、
   前記圧電素子の静電容量Ｃｄと前記貫通電極の浮遊容量Ｃｃとで特定される相対的な感度αは、
   

   

   の関係を有す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、前記圧電素子の静電容量Ｃｄと前記貫通電極の浮遊容量Ｃｃとで特定される相対的な感度αは、
   

   

   の関係を有す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、前記圧電素子の静電容量Ｃｄと前記貫通電極の浮遊容量Ｃｃとで特定される相対的な感度αは、
   

   

   の関係を有することを特徴とする圧電デバイス。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電デバイスにおいて、前記圧電素子は、前記基板の前記第１面に配置されて、前記圧電体を支持する振動膜を備え、
   複数の前記電極が、前記圧電体の一面に配置されて相互に離れる第１電極および第２電極を備えることを特徴とする圧電デバイス。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電デバイスにおいて、前記圧電素子は、前記基板の前記第１面に配置されて、前記圧電体を支持する振動膜を備え、
   複数の前記電極は、前記圧電体の表面にあって第１面側に配置される第1電極と、前記圧電体を介して反対側に位置する第２電極とを備えることを特徴とする圧電デバイス。
6. 請求項４に記載の圧電デバイスにおいて、前記第１電極および前記第２電極の間に配置されて、前記第１電極および前記第２電極から離れる第３電極を備え、前記第１電極および前記第２電極は相互に短絡することを特徴とする圧電デバイス。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧電デバイスにおいて、前記第２面側に設けられ、前記貫通電極を介して前記圧電素子に接続される増幅回路を備える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、前記増幅回路を有し、前記基板の前記第２面側に積層される回路基板を備えることを特徴とする圧電デバイス。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の圧電デバイスにおいて、前記貫通電極の浮遊容量Ｃｃは、前記貫通電極を囲む絶縁膜の比誘電率ε_ｉｎｓｕ、真空の誘電率ε_０、前記基板の厚みＬ_ｖｉａ、前記貫通電極の半径ｒ_ｖｉａおよび前記絶縁膜の厚みｔ_ｉｎｓｕに基づき、
   

   

   で規定されることを特徴とする圧電デバイス。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の圧電デバイスにおいて、前記貫通電極は、前記圧電素子の群ごとに前記圧電素子に割り当てられる第１貫通電極と、前記群に共通に前記圧電素子に割り当てられる第２貫通電極とを含む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、前記圧電素子および前記貫通電極は同一列に配置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装置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、前記圧電デバイスの出力から生成される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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