JP2017069453A - 圧電素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】必要なエージング処理のみを行うことができる圧電素子の製造方法を提供する。
【解決手段】第１電極と、第２電極と、これらの間に設けられた圧電体層と、を備え、中間電位を中心として当該中間電位と同極性の電位で上下するユニポーラパルスからなる駆動波形によって駆動される圧電素子の製造方法であって、圧電素子のヒステリシス特性において、最大分極値を１として規格化した前記圧電素子の分極値を規格化分極値として測定しＳ２、中間電位と同じ電圧における前記圧電素子の規格化分極値が０．７より小さい場合にはＳ３、規格化分極値が０．７以上になるまで圧電素子に直流電圧を印加してエージング処理を行うＳ４。
【選択図】図１３

Description

本発明は、圧電素子の製造方法に関する。

現在、圧電素子は、液体噴射ヘッドや超音波センサーなど、様々なデバイスに応用されている。このような圧電素子としては、例えば、一対の電極とこれらの電極間に挟持される圧電体層とからなるものが知られている。

圧電素子の特性は、長期駆動による分極のピニングやファティーグによって変化することがある。そのため、生産工程において、いわゆるエージング処理を行うことにより、特性を安定化させる手法がとられることがある（特許文献１参照）。

特開２０１０−２４１０２２号公報

しかしながら、特許文献１では、必ずエージングを行うことを前提としている。よって、不要なエージング処理によって生産工程に無駄が生じてしまう可能性がある。また、特許文献１では、どの程度までエージングを行うべきかについては検討されていない。エージング処理は、素子に高い負荷をかけて安定化を図る技術である。よって、過度なエージング処理は、製品の歩留まりの低下を招く恐れがある。

また、特許文献１には、液体噴射ヘッド用の圧電素子を対象としたエージング処理が紹介されているが、超音波センサー用の圧電素子を対象としたエージング処理については検討されていない。

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、特に、超音波センサー用の圧電素子を対象として、必要なエージング処理のみを行うことができる圧電素子の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の態様は、第１電極と、第２電極と、これらの間に設けられた圧電体層と、を備え、中間電位を中心として当該中間電位と同極性の電位で上下するユニポーラパルスからなる駆動波形によって駆動される圧電素子の製造方法であって、前記圧電素子のヒステリシス特性において、最大分極値を１として規格化した前記圧電素子の分極値を規格化分極値として測定し、前記中間電位と同じ電圧における前記圧電素子の前記規格化分極値が０．７より小さい場合には、前記規格化分極値が０．７以上になるまで前記圧電素子に直流電圧を印加してエージング処理を行うことを特徴とする圧電素子の製造方法にある。
かかる態様では、圧電素子の規格化分極値を測定してエージング処理の要否を判断できるため、不要なエージング処理を行う必要がなく、また、エージング処理を行う場合でも、圧電素子に高い負荷をかけることがないため、歩留まりを低下させることがない。

ここで、前記中間電位と同じ電圧における前記圧電素子の規格化分極値が０．７より大きい場合には、前記エージング処理を行わないことが好ましい。これによれば、無駄なエージング処理を排除することができる。

また、前記エージング処理は、前記駆動波形の最大電位より大きい電圧を印加して行うことが好ましい。これによれば、エージング処理を効率的に行うことができる。

実施形態１に係る超音波デバイスの構成例を示す断面図。 実施形態１に係る超音波センサーの構成例を示す分解斜視図。 超音波素子アレイの構成例を示す拡大斜視図。 実施形態１に係る超音波素子の概略構成を示す平面図。 実施形態１に係る超音波素子の断面図。 実施形態１に係る超音波素子の断面図。 入力波形の例を示す図。 エージング波形の一例を示す図。 ヒステリシス特性を示す図。 図９の一部拡大図。 図９の一部拡大図。 図９の一部拡大図。 実施形態の製造方法を示すフローチャート。 超音波診断装置の一例を示す斜視図。 超音波プローブの一例を示す斜視図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の説明は、本発明の一態様を示すものであって、本発明の範囲内で任意に変更可能である。各図において、同じ符号を付したものは、同一の部材を示しており、適宜説明が省略されている。

（実施形態１）
（超音波デバイス）
図１は、本発明の実施形態１に係る超音波センサーを搭載した超音波デバイスの構成例を示す断面図である。図示するように、超音波プローブＩは、ＣＡＶ面型の超音波センサー１と、超音波センサー１に接続されたフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ基板２）と、装置端末（図示せず）から引き出されたケーブル３と、ＦＰＣ基板２及びケーブル３を中継ぎする中継基板４と、超音波センサー１、ＦＰＣ基板２及び中継基板４を保護する筐体５と、筐体５及び超音波センサー１の間に充填された耐水性樹脂６とを具備して構成されている。

超音波センサー１からは、超音波が送信される。また、測定対象物から反射された超音波が、超音波センサー１によって受信される。これらの超音波の波形信号に基づき、超音波プローブＩの装置端末において、測定対象物に関する情報（位置や形状等）が検出される。

超音波センサー１によれば、後述のように、高い信頼性を確保できる。従って、超音波センサー１を搭載することで、各種特性に優れた超音波デバイスとなる。本発明は、超音波の送信に最適化された送信専用型と、超音波の受信に最適化された受信専用型と、超音波の送信及び受信に最適化された送受信一体型等の何れの超音波センサー１にも適用できる。超音波センサー１を搭載可能な超音波デバイスは超音波プローブＩに限定されない。

（超音波センサー）
図２は、超音波センサーの分解斜視図であり、図３は、超音波素子アレイの構成例を示す拡大斜視図である。図４は、本発明の実施形態１に係る超音波素子の概略構成を示す平面図、図５はそのＡ−Ａ′線断面図、図６はＢ−Ｂ′線断面図である。

超音波センサー１は、超音波素子１０と、音響整合層３０と、レンズ部材３１と、包囲板４０と、を含んで構成されている。超音波素子１０は、基板１１と、振動板５０と、圧電素子１７と、を含んで構成されている。図２において、包囲板４０と支持部材４１とが別体に示されているが、実際には両者は一体的に構成されている。

互いに直交する２つの軸をＸ軸及びＹ軸とし、Ｘ軸及びＹ軸によって形成される平面をＸＹ平面としたとき、基板１１は、ＸＹ平面に沿っている。以降、Ｘ軸を第１の方向Ｘと称し、Ｙ軸を第２の方向Ｙと称し、第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙの何れにも直交するＺ軸を第３の方向Ｚと称する。

基板１１には、複数の隔壁１９が形成されている。複数の隔壁１９により、第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙに沿って、複数の空間２０が区画されている。空間２０は、第３の方向Ｚに基板１１を貫通するように形成されている。空間２０は、二次元状、すなわち、第１の方向Ｘに複数且つ第２の方向Ｙに複数形成されている。空間２０の配列や形状は、種々に変形が可能である。例えば、空間２０は、一次元状、すなわち、第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙの何れか一方の方向に沿って複数形成されてもよい。また、空間２０は、第３の方向Ｚから見たときに長方形状（第１の方向Ｘと第２の方向Ｙとの長さの比が１：１以外）であってもよい。

振動板５０は、空間２０を塞ぐように基板１１上に設けられている。以降、振動板５０の基板１１側の面を第１面５０ａと称し、第１面５０ａに対向する面を第２面５０ｂと称する。振動板５０は、基板１１上に形成された弾性膜１２と、弾性膜１２上に形成された絶縁体膜１３と、によって構成されている。この場合、弾性膜１２によって第１面５０ａが構成され、絶縁体膜１３によって第２面５０ｂが構成される。

図示するように、本実施形態の超音波素子１０は、例えば、シリコン基板からなる基板１１の一面に設けられた二酸化シリコン膜からなる弾性膜１２と、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜１３上に形成され、第１電極１４と、圧電体層１５と、第２電極１６とからなる圧電素子１７から構成される。基板１１の圧電素子１７に対応する領域には開口部１８が形成され、開口部１８は隔壁１９により区切られている。

基板１１は例えばシリコン単結晶基板を用いることができるが、これに限定されるものではない。本実施形態では、二酸化シリコン等からなる弾性膜１２と、酸化ジルコニウム等からなる絶縁体膜１３とで振動板５０を構成するが、これに限定されるものではなく、何れか一方でもよく、又は他の膜としてもよい。

絶縁体膜１３上には、必要に応じて密着層を介して第１電極１４と、厚さが３μｍ以下、好ましくは０．３〜１．５μｍの薄膜である圧電体層１５と、第２電極１６と、からなる圧電素子１７が形成されている。ここで、圧電素子１７は、第１電極１４、圧電体層１５及び第２電極１６を含む部分をいう。

一般的には、圧電素子１７を駆動する場合、何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極を個別電極とするが、超音波素子１０では、複数の超音波素子１０毎に駆動し、スキャンすることが行われるので、何れか一方が共通電極で他方が個別電極という区別は現実的ではない。何れにしても、超音波素子１０を一次元的又は二次元的に並列させた態様とする場合には、第１電極１４を一方向に亘るように設け、第２電極１６を一方向に直交する方向に亘るように設け、適宜選択した第１電極１４と第２電極１６との間に電圧を印加することにより、所定の圧電素子１７のみを駆動することができる。また、所定の圧電素子１７を選択する際に、一列又は複数列を一つのグループとして選択して駆動することが一般的に行われる。本実施形態では、第１電極１４は４列が束ねられて共通化されている。これを仮に１チャンネルと呼び、このチャンネルは第１の方向Ｘに亘って複数設けられている。また、第２電極１６は、第１の方向Ｘに沿って一列に連続して設けられ、第２の方向Ｙに沿って複数列設けられている。

このような構成においては、第２電極１６の全ての列を共通化して、１チャンネル内の全ての圧電素子１７を同時に駆動し、順次各チャンネルを駆動すると、第１の方向Ｘに沿った１次元のデータが取得できる。

また、第２電極１６を１列毎、又は複数列毎に共通化し、１チャンネル内の圧電素子１７を第２電極１６で共通化してグループ毎に順次駆動し、順次各チャンネルを駆動すると、ＸＹ方向の２次元データが取得できる。

また、ここでは圧電素子１７と、当該圧電素子１７の駆動により変位が生じる振動板５０である弾性膜１２及び絶縁体膜１３と、を合わせてアクチュエーター装置と称する。上述した例では、弾性膜１２及び絶縁体膜１３と、必要に応じて設けられる密着層と、第１電極１４と、が振動板５０として作用するが、これに限定されるものではない。例えば、振動板５０を設けず、圧電素子１７自体が実質的に振動板としての機能を兼ねるようにしてもよい。

第１電極１４や第２電極１６は導電性を有するものであれば制限されず、例えば白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、ステンレス鋼等の金属材料、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）等の酸化スズ系導電材料、酸化亜鉛系導電材料、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ_３）、ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ_３）、元素ドープチタン酸ストロンチウム等の酸化物導電材料や、導電性ポリマー等を用いることができる。ただし、前記の材料に制限されない。

圧電体層１５は、代表的にはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系のペロブスカイト構造の複合酸化物を用いることができる。これによれば、圧電素子１７の変位量を確保しやすくなる。

また、圧電体層１５は、鉛を含まないもの、例えば少なくともビスマス（Ｂｉ）、バリウム（Ｂａ）、鉄（Ｆｅ）及びチタン（Ｔｉ）を含むペロブスカイト構造の複合酸化物を用いることもできる。これによれば、環境への負荷が少ない非鉛系材料を用いて超音波素子１０を実現できる。

このようなペロブスカイト型構造、すなわち、ＡＢＯ_３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。鉛を含まない上記の圧電体層１５の例では、ＡサイトにＢｉ、Ｂａ及びＬｉが、ＢサイトにＦｅ、Ｔｉが位置している。

Ｂｉ、Ｂａ、Ｆｅ及びＴｉを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物では、その組成式は（Ｂｉ、Ｂａ）（Ｆｅ、Ｔｉ）Ｏ_３として表されるが、代表的な組成としては、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとの混晶として表されるものである。かかる混晶は、Ｘ線回折パターンで、鉄酸ビスマスやチタン酸バリウムが単独では検出できないものをいう。混晶の組成から外れる組成も含むものである。

ここでのペロブスカイト構造の複合酸化物には、欠損・過剰により化学量論の組成からずれたものや、元素の一部が他の元素に置換されたものも含まれる。すなわち、ペロブスカイト構造を取り得る限りにおいて、格子不整合、酸素欠損等による不可避な組成のずれは勿論、元素の一部置換等も許容される。

そして、ペロブスカイト構造の複合酸化物の構成は前記の例に制限されず、他の元素を含んで構成してもよい。例えば圧電体層１５は、マンガン（Ｍｎ）をさらに含むことが好ましい。これによれば、リーク電流を抑制しやすくなり、例えば非鉛系の材料として信頼性の高い超音波素子１０を実現できる。

圧電体層１５のＡサイトのＢｉをリチウム（Ｌｉ）、サマリウム（Ｓｍ）、セリウム（Ｃｅ）等で置換するようにしてもよく、ＢサイトのＦｅをアルミニウム（Ａｌ）、コバルト（Ｃｏ）等で置換するようにしてもよい。これによれば、各種特性を向上させて構成や機能の多様化を図りやすくなる。これら他の元素を含む複合酸化物である場合も、ペロブスカイト構造を有するように構成されることが好ましい。

図３に示すように、超音波センサー１は、一般的に、超音波素子１０を第１の方向Ｘ及びこれに直交する第２の方向Ｙに、二次元的に並設しており、第１の方向Ｘをスキャン方向、第２の方向Ｙをスライス方向とする。図３に示す構成例では、スライス方向である第２の方向Ｙに、１６個の超音波素子１０が並設され、スキャン方向である第１の方向Ｘには６４個の超音波素子１０が並設されているが、図３には、それぞれその一部のみを示している。このような超音波センサー１では、スキャン方向にスキャンしながら、スライス方向に延びる列毎に駆動、すなわち、超音波の送信及び受信を行うことにより、スライス方向のセンシング情報を、スキャン方向に連続して取得することができる。

図３の構成例において、第１電極１４は、第２の方向Ｙ、すなわち、スライス方向に延びる列毎に共通であり、本実施形態では、４列毎に共通化し、４列１チャンネル毎に駆動可能となっている。一方、第２電極１６は、第１の方向Ｘ、すなわち、スキャン方向に延びる列毎に連続して設けられ、全ての列を共通化して接続している。

音響整合層３０は、空間２０内に設けられている。音響整合能を有する樹脂等が基板１１の開口部１８等内に充填されて音響整合層３０が設けられることで、圧電素子１７及び測定対象物の間で音響インピーダンスが急激に変化することを防止でき、その結果、超音波の伝播効率が低下することを防止できる。音響整合層３０は、例えばシリコーンオイル、シリコーン樹脂又はシリコーンゴムから構成できるが、前記の例に限定されず、超音波センサー１の用途等に応じた材料を適宜選択して用いることができる。

レンズ部材３１は、基板１１の振動板５０とは反対側に設けられている。レンズ部材３１は、超音波を収束させる役割を有している。超音波を電子フォーカス法で収束させる場合等、レンズ部材３１は省略可能である。ここでは、上記の音響整合層３０が、レンズ部材３１と基板１１との接着機能も有している。レンズ部材３１と基板１１（隔壁１９）との間に音響整合層３０を介在させ、超音波センサー１が構成されている。

レンズ部材３１を超音波素子１０に実装する際や、レンズ部材３１の実装後にレンズ部材３１の密着性を確保する際に、レンズ部材３１を音響整合層３０側に押圧することがある。レンズ部材３１を具備していない場合や、レンズ部材３１の代わりに他の部材を設けた場合にも、各部の密着性を確保するため、音響整合層３０側から振動板５０に押圧力を付すこともある。超音波センサー１では、支持部材４１を具備して構成されているため、上記の通り、所定の外圧が振動板５０に加わったとしても、構造歪みが生じることを抑制でき、高い信頼性を確保できる。

包囲板４０は、振動板５０の第２面５０ｂ側に設けられている。包囲板４０の中央には凹部（圧電素子保持部３２）が形成され、この圧電素子保持部３２の周囲は、包囲板４０の縁部４０ａ（図２等参照）とされている。圧電素子保持部３２によって、圧電素子１７の周囲の領域（圧電素子１７の上面及び側面を含む領域）が覆われる。従って、圧電素子保持部３２の底面に相当する面が、包囲板４０の圧電素子１７側の面４０ｂとなる。

包囲板４０は、縁部４０ａにおいて超音波素子１０側に接合されている。包囲板４０の接合は、接着剤（図示せず）を用いることができるが、前記の例に限定されない。圧電素子保持部３２の深さ、すなわち第３の方向Ｚの長さは、約８０μｍであるが、前記の値に限定されない。圧電素子保持部３２の深さは、圧電素子１７の駆動を阻害しない程度のスペースが確保される値であればよい。また、圧電素子保持部３２は、空気で満たされていてもよく、樹脂で満たされていてもよい。包囲板４０の厚さは、約４００μｍであるが、前記の値に限定されない。

超音波センサー１には、包囲板４０の圧電素子１７側の面と振動板５０の第２面５０ｂとの間、且つ、圧電素子１７と重ならない位置に、支持部材４１が設けられている。これによれば、支持部材４１により振動板５０を支持できる。このため、例えば、レンズ部材３１を実装する際や、レンズ部材３１の実装後にレンズ部材３１の密着性を確保する際、音響整合層３０側から所定の圧力が振動板５０に加わったとしても、振動板５０が圧電素子保持部３２内に大きく撓むことが防止される。よって、構造歪みが生じることを抑制でき、高い信頼性を確保できる。

支持部材４１は、圧電素子１７と重ならない位置に設けられている。このため、圧電素子１７が支持部材４１によって過度に拘束されることが回避される。よって、支持部材４１を設けていない場合と比べ、超音波の送信効率や受信効率が過度に低下することも防止される。

圧電素子１７と重ならない位置とは、第３の方向Ｚから見たとき、能動部（第１電極１４と第２電極１６とで挟まれた部分）に重ならない位置である。特に、超音波センサー１では、隔壁１９よりも狭い幅を有している支持部材４１が、隣り合う空間２０間に設けられている。つまり、超音波センサー１では、第３の方向Ｚから見たとき、支持部材４１が、可動部（振動板５０の第２面５０ｂ側のうち空間２０に対応する部）にすら重なっていない。このため、支持部材４１を設けていない場合と比べ、超音波送信効率や受信効率が過度に低下することが確実に防止される。支持部材４１は、接着剤（図示せず）により超音波素子１０側に接合されているが、接合の手法は前の例に限定されない。

支持部材４１は、第２の方向Ｙに沿って延びる梁形状を有している。これによれば、第２の方向Ｙに亘る広い範囲で振動板５０を支持できる。梁形状の支持部材４１は、第１の方向Ｘではなく、第１の方向Ｘに沿って延在していてもよい。梁形状の支持部材４１は延在する片方の端部が、包囲板４０の縁部４０ａから離れていてもよい。延在方向の少くとも片方の端部が包囲板４０の縁部４０ａに接していれば、梁形状の支持部材４１に挟まれる。

梁形状の支持部材４１は、包囲板４０をウエットエッチングすることで作製されたものである。このように、支持部材４１は、包囲板４０の構成材料を活かして作製されており、包囲板４０と同一の構成を有している。ウエットエッチングは、例えばドライエッチングに比べ、加工精度は劣るものの、短時間で多くの領域を削ることができるため、梁形状の支持部材４１を作製するのには好適な手法である。

圧電素子保持部３２の中心部分は、包囲板４０の縁部４０ａから比較的離れている。従って、振動板５０において、圧電素子保持部３２の中心部分に対応する中心箇所Ｃ（図２等参照）では、支持部材４１がない場合に剛性が低くなりやすい。そこで、支持部材４１は、そのような振動板５０の中心箇所Ｃを支持するように設けられている。これにより、より高い信頼性を確保できる。

本発明において、支持部材の数、配置、形状等は種々に選択が可能である。例えば、支持部材４１は複数であってもよい。その場合、支持部材４１は、圧電素子保持部３２内に等間隔に設けられることが好ましい。これによれば、振動板５０をまんべんなく支持できる。従って、振動板５０の数は、３つ以上の奇数であることが好ましい。これは、圧電素子保持部３２内に支持部材４１を等間隔に設けたとき、その真ん中の支持部材４１が、振動板５０の中心箇所Ｃの近傍に位置し得るためである。例えば、支持部材４１の数は、３つ程度であるとバランスがよい。

支持部材４１は、振動板５０の中心箇所Ｃからずれた部分のみに設けられてもよい。支持部材４１は、梁形状を有していなくてもよい。支持部材４１は、延在方向に直線状でなくてもよい。支持部材４１の作製手法によっては、支持部材４１のＸＹ平面の断面積が第３の方向Ｚに応じて異なる態様となる場合があるものの、かかる態様も、振動板５０を支持できる限り、本発明の支持部材４１に含まれる。

＜試験例＞
以下の実施例の超音波素子について、製造後の初期、及び耐久試験後において、反射受信電圧を測定した。
（実施例の超音波センサー）
基本的な構造は、上述した超音波センサー１と同様な構造であり、圧電体層１５は、厚さ１２００ｎｍのＰＺＴとし、開口部１８は大きさが３３μｍ×６６μｍでアスペクト比１：２の長方形であり、各開口部１８毎に超音波素子１０が形成されている。
また、超音波センサー１は、１チャンネル３６セグメントであり、全６４チャンネルを有する。

（測定方法）
水中において、超音波センサー１の１チャンネル３６の超音波素子１０に図７に示すパルスを入力して超音波を送信し、２０ｍｍ先のＳＵＳ板から反射された超音波を受信し、オシロスコープで受信電圧を計測し、初期の素子と耐久後の素子の反射受信電圧を比較した。

図７に示す入力パルスＡは、中間電位が１０Ｖで、中間電位から２０Ｖまで電圧を上昇させる第１工程と、２０Ｖを保持する第１保持工程と、２０Ｖから０Ｖまで電位を降下させる第１降下工程と、０Ｖを保持する第２保持工程と、０Ｖから２０Ｖまで電位を上昇させる第２上昇工程と、２０Ｖを保持する第３保持工程と、電位を２０Ｖから１０Ｖまで降下させる第２降下工程とからなる、モノポーラの波形であり、中間電位１０Ｖ、±１０Ｖ、周波数７．５ＭＨｚの１．５波の波形を１０ｋＨｚ間隔で繰り返す波形である。また、入力パルスＢは、中間電位が１５Ｖで、±１５Ｖ、周波数７．５ＭＨｚの１．５波の波形を１０ｋＨｚ間隔で繰り返す波形である。

（耐久条件）
耐久後の素子とは、温度６０℃、湿度９０％ＲＨの高温高湿槽内で、図８に示す耐久パルスを、５００時間、１８０億ショット印加した素子である。なお、耐久パルスは、中間電位１５Ｖ、±１５Ｖのパルス周波数４ＭＨｚで１波の波形を１０ｋＨｚ間隔で繰り返す波形である。

表１に初期及び耐久試験後の素子について、図７の入力パルスＡ及びＢをそれぞれ印加した際の反射受信電圧を示す。また、表１には、初期と耐久試験との反射受信電圧の変化率を示す。この結果より、入力波形Ａを用いた場合には、初期と耐久試験後との比較で変化率が２９％と大きかったが、入力波形Ｂの場合には、変化率は３％と小さく変動はほとんど見られなかった。

（ヒステリシス測定）
初期と耐久試験後の素子について、±３０Ｖ、１ｋＨｚの三角波を用いてヒステリシス特性を測定し、結果を図９〜図１１に示す。これらの図は、最大分極値Ｐｍで規格化したものであり、図１０及び図１１は、図９の部分拡大図である。

これらの図に示すように、規格化分極値を観察すると、電圧１０Ｖでは、初期の素子については０．６にも満たないが、耐久試験後には０．７になり、電圧１５Ｖでは、初期においても耐久試験後の素子においても、０．７を超えていた。

表１の反射受信電圧変化率と併せて判断すると、規格化分極値が０．７を超える電圧を中間電位とする波形を用いる駆動では、反射受信電圧が長期に亘って安定するが、初期の規格化分極値が０．７より小さい電圧を中間電位とする波形を用いる駆動では、長期に亘って駆動すると、反射受信電圧が大きく変化してしまうことがわかった。

これより、駆動波形の中間電位における初期の規格化分極値を測定した結果、０．７以上の場合には、エージング処理をしなくても、長期に亘って安定した反射受信電圧を受信することができるが、０．７より小さい場合には、エージング処理を行い、エージング後の規格化分極値を、耐久試験後の素子と同様に０．７以上とすることにより、その後、長期に亘って安定して使用することができることがわかった。

（ＤＣエージング処理）
エージング処理の手法は特に限定されないが、ＤＣ電圧を所定時間に印加した際の規格化分極値を測定することにより、規格化分極値が０．７以上とするためのエージング条件がどの程度が好ましいかを探った。

ＤＣ電圧は４０Ｖと、入力パルスＡの最大電位より１０Ｖ大きな電位とし、これを１０分間、３０分間、６０分間、１２０分間印加した際の１０Ｖの規格化分極値を測定した。この結果を表２及び図１２に示す。

この結果、ＤＣ４０Ｖを所定時間印加するエージング処理を行う場合には、印加時間と規格化分極値とはほぼ比例し、規格化分極値が０．７となるまでエージングを行う場合には、３１４分間の印加が必要であることがわかった。

なお、上述したパルス耐久試験後の１０Ｖの規格化分極値は０．７であるから、入力パルスＡを用いて駆動する場合には、パルス耐久試験と同様なエージング処理を行っても良いことはいうまでもない。

以上の試験例を踏まえ、実施形態の超音波センサーの製造方法の一例について、図１３のフローチャートを参照しながら説明する。
常法に従い、超音波センサーを製造した後、まず、ステップＳ１で製造した超音波センサーについて、ヒステリシス特性を測定し（ステップＳ１）、駆動波形の中間電位に対応する電圧の規格化分極値を取得する（ステップＳ２）。ここで、規格化分極値が０．７以上の場合には（ステップＳ３；Ｙｅｓ）、エージング処理を行うことなく、そのまま製品とする。一方、駆動波形の中間電位に対応する電圧の規格化分極値が０．７より小さい場合には（ステップＳ３；Ｎｏ）、エージング処理を行い（ステップＳ４）、規格化分極値が０．７以上の素子とした後、製品とする。

これにより、駆動波形の中間電位に対応する電圧の規格化分極値が０．７より小さい場合についてのみ、エージング処理を行うので、無駄なエージング処理を行う必要が無く、プロセスの無駄を省くことができる。また、駆動波形の中間電位に対応する電圧の規格化分極値が０．７より小さい場合については、エージング処理を行い、駆動波形の中間電位に対応する電圧の規格化分極値が０．７以上の製品として出荷することができるので、長期に亘って安定して使用できる圧電素子をすることができる。また、エージング処理を行う際に、駆動波形の中間電位に対応する電圧の規格化分極値が０．７以上となる程度に行えばよいので、過度な負荷のエージング処理を行うことがなく、歩留まりを向上することができる。

（他の実施形態）
以上説明した各本実施形態では説明は省略したが、例えば、振動板５０の圧電素子１７とは反対側が、測定対象物に向けて発信される超音波や測定対象物から反射した超音波（エコー信号）の通過領域となる構成とすることができる。これによれば、振動板５０の圧電素子１７とは反対側の構成を簡素化させ、超音波等の良好な通過領域を確保できる。また、電極や配線等の電気的領域や各部材の接着固定領域を測定対象物から遠ざけて、これらと測定対象物との間での汚染や漏れ電流を防止しやすくなる。従って、汚染や漏れ電流を特に嫌う医療用の機器、例えば超音波診断装置、血圧計及び眼圧計にも好適に適用できる。

さらに、上述した実施形態では省略したが、圧電素子１７を含む領域を封止する封止板を基板１１に接合するのが好ましい。これによれば、圧電素子１７を物理的に保護でき、また超音波センサー１の強度も増加するため、構造安定性を高めることができる。更に、圧電素子１７が薄膜として構成される場合には、その圧電素子１７を含む超音波センサー１のハンドリング性も向上させることができる。

また、上述した実施形態では、開口部１８は、圧電素子１７毎に形成した例を示したが、これに限定されず、複数の圧電素子１７に対応して開口部１８を形成してもよい。例えば、スキャン方向に亘って並設される圧電素子１７の列に共通する開口部１８を設けてもよく、又は全体に１つの開口部１８としてもよい。なお、このような複数の圧電素子１７に対して共通する開口部１８を設けた場合には、圧電素子１７の振動状態が異なるようになるが、振動板５０の基板１１とは反対側から、各圧電素子１７の間を押さえ込む部材等を設けて、独立した開口部１８を設けた場合と同様な振動を行うようにしてもよい。

ここで、上述した超音波センサーを用いた超音波診断装置の一例について説明する。図１４は超音波診断装置の一例の概略構成を示す斜視図、図１５は超音波プローブを示す側面図である。
これらの図に示すように、超音波診断装置１０１は、装置端末１０２と超音波プローブ（プローブ）１０３とを備える。装置端末１０２と超音波プローブ１０３とはケーブル１０４で接続される。装置端末１０２と超音波プローブ１０３とはケーブル１０４を通じて電気信号をやりとりする。装置端末１０２にはディスプレイパネル（表示装置）１０５が組み込まれる。ディスプレイパネル１０５の画面は、装置端末１０２の表面に露出する。装置端末１０２では、超音波プローブ１０３の超音波センサー１から送信され、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は、ディスプレイパネル１０５の画面に表示される。

超音波プローブ１０３は、筐体１０６を有する。筐体１０６内には、複数の超音波素子１０が第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙの二次元に配列された超音波センサー１が収納される。超音波センサー１は、その表面が筐体１０６の表面に露出するように設けられる。超音波センサー１は、表面から超音波を出力すると共に、超音波の反射波を受信する。また、超音波プローブ１０３は、プローブ本体１０３ａに着脱自在となるプローブヘッド１０３ｂを備えることができる。このとき、超音波センサー１はプローブヘッド１０３ｂの筐体１０６内に組み込まれることができる。なお、超音波センサー１は、超音波素子１０が、第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙに二次元に配列されて構成される。

Ｉ…超音波プローブ、１…超音波センサー、２…ＦＰＣ基板、３…ケーブル、４…中継基板、５…筐体、６…耐水性樹脂、１０，１０Ａ…超音波素子、１１…基板、１２…弾性膜、１３…絶縁体膜、１４…第１電極、１５…圧電体層、１６…第２電極、１７…圧電素子、１８…開口部、１９…隔壁、２０…空間、３０…音響整合層、３１…レンズ部材、３２…圧電素子保持部、４０…包囲板、４０ａ…包囲板の縁部、４０ｂ…包囲板の圧電素子側の面、４１…支持部材、５０…振動板、５０ａ…第１面、５０ｂ…第２面、１０１…超音波診断装置、１０２…装置端末、１０３…超音波プローブ（プローブ）、１０３ａ…プローブ本体、１０３ｂ…プローブヘッド、１０４…ケーブル、１０５…ディスプレイパネル、１０６…筐体

Claims (3)

1. 第１電極と、第２電極と、これらの間に設けられた圧電体層と、を備え、中間電位を中心として当該中間電位と同極性の電位で上下するユニポーラパルスからなる駆動波形によって駆動される圧電素子の製造方法であって、
   前記圧電素子のヒステリシス特性において、最大分極値を１として規格化した前記圧電素子の分極値を規格化分極値として測定し、
   前記中間電位と同じ電圧における前記圧電素子の前記規格化分極値が０．７より小さい場合には、前記規格化分極値が０．７以上になるまで前記圧電素子に直流電圧を印加してエージング処理を行うことを特徴とする圧電素子の製造方法。
2. 前記中間電位と同じ電圧における前記圧電素子の前記規格化分極値が０．７より大きい場合には、前記エージング処理を行わないことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子の製造方法。
3. 前記エージング処理は、前記駆動波形の最大電位より大きい電圧を印加して行うことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子の製造方法。

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