JP5834657B2 - 超音波プローブおよび超音波画像診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、薄膜上に圧電体が形成された圧電素子を用いる超音波プローブ、および、その超音波プローブを備える超音波画像診断装置に関する。

従来、支持膜に圧電体を積層して、圧電体に電圧を印加して振動させることで、支持膜を振動させ、超音波を出力する圧電素子（超音波素子）が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１の超音波素子は、メンブレン上に圧電体薄膜を電極金属膜によりサンドイッチした圧電振動子を備えている。このような超音波素子は、上層および下層の電極金属膜に電圧を印加することで、圧電体薄膜を振動させ、圧電体薄膜が形成されるメンブレンも振動して超音波が出力される。

特開２００６−２２９９０１号公報

ところで、上記特許文献１のような超音波素子を製造する場合、一般に、メンブレン上に、下層の電極金属膜を形成し、その上層に圧電体薄膜を形成した後、この圧電体薄膜をエッチング処理することで所定の形状にパターニングする。上層の電極金属層の形成においても同様であり、下層の電極金属膜や圧電体薄膜の上層に電極金属層を形成し、この電極金属層をエッチング処理することで所定の形状にパターニングする。
しかしながら、上記のようにエッチングを繰り返す方法では、圧電体薄膜のエッチング時、および上層側の電極金属層のエッチング時に、下層側の電極金属層までもがエッチングされてしまい（オーバーエッチング）、下層の電極金属膜の膜厚寸法が小さくなる。このように、電極金属膜の膜厚寸法が小さくなると、電気抵抗が増大する。そのため、このような従来技術の圧電素子を超音波プローブに用いる場合、例えば消費電力が増大したり、出力される超音波の音圧が小さくなったり、高周波域での制御が困難となったりする問題が生じる。

本発明は、上述のような問題に鑑みて、電極の電気抵抗が小さい圧電素子を用いる超音波プローブ、及び、超音波画像診断装置を提供することを目的とする。

本発明の超音波プローブは、
開口部を有する基板と、
前記基板上に設けられ、前記開口部の内外を覆う支持膜と、
前記支持膜上で、前記支持膜の厚み方向から見る平面視において、前記開口部内に設けられた下部電極本体部、および、前記下部電極本体部から延びる下部電極配線部、を有する下部電極層と、
前記下部電極本体部上に設けられる第一圧電体層と、
前記第一圧電体層上に設けられる上部電極層と、
前記下部電極配線部に設けられる第二圧電体層と、
を具備する圧電素子を有する。

この発明では、第一圧電体層が下部電極層の下部電極本体部に積層されるとともに、第二圧電体層が下部電極層の下部電極線部に積層されている。これにより、下部電極層が、第一圧電体層や第二圧電体層により覆われて保護されることで、圧電素子の圧電体層や上部電極層の形成時において、下部電極層がオーバーエッチングとなることがなく、下部電極層の電気抵抗の増大を抑制することができ、低電気抵抗の圧電素子を提供できる。このような低電気抵抗の圧電素子では、下部電極層および上部電極層の間に電圧を印加して変位部を振動させる場合、低電力で振幅の大きい振動を得ることができ、省エネルギー化を促進させることができる。また、支持膜の変位量を第一圧電体層から出力される電流値により検出する場合においても、下部電極線部の電気抵抗が小さいため、第一圧電体層から出力される電流の損失を抑制することができ、精度良く支持膜の変位を検出することができる。

また、上記のような下部電極層のオーバーエッチングを考慮し、予め下部電極層の厚み寸法を大きく形成することも考えられるが、この場合、圧電膜を積層する部分では、オーバーエッチングがかからないため、下部電極層の厚み寸法が増大し、圧電膜、および上部電極層の積層部分のトータル厚み寸法も増大してしまうという問題がある。これに対して、本発明では、下部電極層のオーバーエッチングによる電気抵抗増大や膜厚のバラツキを見込まずに下部電極層の膜厚寸法を設定でき、圧電素子の薄型化を図ることもできる。

さらに、下部電極線部上に、第一圧電体層と同一素材の第二圧電体層を形成することも可能であり、この場合、第一圧電体層と同時に第二圧電体層を形成することができる。したがって、下部電極線部を保護するための保護層などを別途用いる場合に比べて、圧電素子の製造も簡単となり、製造コストを削減することができる。

更に、本発明の超音波プローブは、
前記第二圧電体層は、前記平面視において、前記開口部に重ならない位置に設けられる構成とすることが好ましい。

開口部を覆う支持膜を第一圧電体層の振動に連動させて変位させる場合、または、外部からの応力により支持膜を変位させる場合、支持膜が変位する変位部の縁部分の膜厚み寸法を小さく形成することで、当該変位部の変位量を大きくすることができる。ここで、本発明では、第二圧電体層は、変位部の縁部に重ならない位置に設けられているため、変位部の縁部近傍の厚み寸法が増大しない。したがって、第一圧電体層の振動により変位部を変位させる場合においても、外力により変位部を変位させる場合においても、その変位量を大きくすることができる。このため、例えば変位部を振動させて超音波を出力させる場合では、例えば第二圧電体層が変位部の縁上にも積層されている場合に比べて、低電力で変位部の振幅を大きくすることができ、より大きな音圧の超音波を出力することができる。また、超音波を受信する場合では、受信した超音波により変位部を大きく振動させることができるので、受信感度を向上させることができ、精度良く超音波を検出することができる。

更に、本発明の超音波プローブは、
前記第二圧電体層上に前記下部電極層と接続する配線層が設けられる構造としいてもよい。
この発明では、圧電素子上に配線層が形成されることで、この配線層と下部電極層とを分離することができる。
また、１つの平面基板上で複数の配線パターンを形成する場合、基板のサイズなどによって各配線パターンの線幅が規制され、電気抵抗が増大するおそれもある。これに対して、本発明では、第二圧電体層上にも配線層を形成することで、基板上および第二圧電体層上で、２段構成により配線パターンを形成することができる。したがって、１つの基板上により複数の配線パターンを形成する場合に比べて、基板のサイズを小さくすることができ、電気抵抗の増大をも防止することができる。

また、本発明の超音波プローブは、
前記第二圧電体層上に前記上部電極層と接続する配線層が設けられる構造としいてもよい。

この発明では、絶縁体層を別途形成することなく、上部電極配線部と下部電極配線部とをクロスさせることができる。配線パターンの自由度が上がり、結果的に電気抵抗の増大をも防止することができる。

また、本発明の超音波プローブは、
前記下部電極線部は、
前記平面視において、前記開口部の内外に跨り、前記下部電極本体部に接続された素子接続線と、
前記素子接続線に連続し、前記平面視において、前記開口部の外側に設けられ、前記素子接続線の線幅よりも狭い線幅の下部電極配線と、を備え、
前記第二圧電体層は、前記下部電極配線を覆って設けられる構成とすることが好ましい。

この発明では、第二圧電体層は、下部電極線部のうち、線幅が小さい下部電極配線上を覆っている。
下部電極線部の電気抵抗は、線幅寸法が増大するほど低下するので、下部電極線部の線幅を大きく形成することが好ましい。しかしながら、実際に圧電素子を基板上に配置する場合、他の素子やその配線パターンの関係などにより、下部電極配線の線幅を十分に確保できず、素子接続線よりも小さくなる場合がある。このような場合、圧電体層や上部電極のパターニングの際に下部電極配線がオーバーエッチングされると、下部電極配線の抵抗がより大きくなってしまう。これに対して、本発明では、このような線幅が小さくなる下部電極配線に第二圧電体層が積層されている。このため、圧電体層や上部電極のパターニングの際に、下部電極配線がオーバーエッチングとならず、電気抵抗の増大を防止することができる。

また、本発明の超音波プローブは、
前記圧電素子を複数備え、前記圧電素子は第一の方向に一定のピッチで配列され、且つ、前記第一の方向と直交する第二の方向に一定のピッチで配置される
ことを特徴とする。

この発明では、超音波プローブは、二方向にアレイ状に配設される複数の圧電素子を備えている。ここで、各圧電素子は、上述したように、下部電極層の一部が第二圧電体層により覆われているため、オーバーエッチングによる電気抵抗の増大を抑制できる。したがって、例えば支持膜を振動させて超音波を出力させる場合には、低消費電力で大音圧の（振幅が大きい）超音波を出力でき、例えば支持膜で超音波を受信して、超音波信号を検出する場合には、大きな電気信号（電流値）を出力することができ、検出精度を向上させることができる。
また、このような超音波プローブでは、各圧電素子に接続される下部電極線部が必要となり、小型の超音波プローブを形成する場合、各下部電極線部の線幅も規制され小さくなる。このような場合、下部電極線部の電気抵抗も高くなる。ここで、これらの下部電極線部の上部に第二圧電体層が形成されていない場合、下部電極線部がオーバーエッチングされることでさらに電気抵抗が増大するおそれがある。これに対して、本発明では、このような線幅が小さい下部電極線部に対しても、第二圧電体層を形成することで、圧電体層および上部電極層のパターニング時における抵抗増大を防ぐことができる。

更に、本発明の超音波プローブは、
前記圧電素子が配置される前記第一の方向のピッチと、前記圧電素子が配置される前記第二の方向のピッチとは同じであることが好ましい。
この発明では、超音波プローブによって、被検体の画像を取得する場合、二方向のピッチが同じになるので、ゆがみのない画像を取得することができる。

本発明の超音波画像診断装置は、前述した超音波プローブを備えることを特徴とする。

この発明では、既に説明したとおり、電気抵抗が小さい圧電素子を用いるので、超音波画像診断装置としての総消費電流を抑えることができる。また、本発明の超音波プローブによって得られるところの高精度の支持膜変位によって生じる高精度の画像取得等、各種の性能向上を享受することができる。

本発明に係る第一実施形態の圧電素子の平面図である。 第一実施形態の圧電素子の断面図である。 圧電素子の製造工程の一部を示す断面図である。 圧電素子の製造工程の残りの一部を示す断面図である。 本発明に係る第二実施形態の圧電素子の断面図である。 本発明に係る第三実施形態の圧電素子を示す図であり、（Ａ）は、平面図、（Ｂ）は、断面図である。 本発明に係る第四実施形態の超音波トランスデューサーの一部を示す平面図である。 本発明に係る製品形態の超音波プローブを示す概略図である。 本発明に係る超音波プローブが備える超音波トランスデューサーの構成を模式的に示す斜視図である。 本発明に係る超音波画像診断装置の構成を示す概略図である。

〔第一実施形態〕
以下、本発明に係る超音波プローブに用いる第一実施形態の圧電素子の構成について、図面に基づいて説明する。

［圧電素子の構成］
図１は、第一実施形態の圧電素子の平面図である。
図２は、第一実施形態の圧電素子の断面図である。
図１において、圧電素子１０は、開口部１１１が形成された基板１１と、基板１１上で、開口部１１１の内外に跨って形成される支持膜１２と、支持膜１２上に形成される下部電極層２０と、開口部１１１の内側に形成される第一圧電体層３０と、開口部１１１の外側に形成される第二圧電体層４０と、開口部１１１の内外に跨って形成される上部電極層５０とを備えている。ここで、基板１１および支持膜１２により、本発明の支持体が構成されており、支持膜１２のうち、開口部１１１を閉塞する領域であるメンブレン１２１により本発明の変位部が構成されている。
なお、本実施形態では、貫通孔である開口部１１１を有する基板１１上に支持膜１２を形成して変位部であるメンブレン１２１を有する支持体が構成される例を示したが、これに限定されず、例えば、開口部１１１が凹溝であり、支持膜１２は、この凹溝の開口部１１１の開口を閉塞する構成であってもよい。また、基板１１に凹溝を形成し、その底部を変位部とした支持体であってもよい。
さらに、支持体として、基板１１と支持膜１２により形成される例を示すが、支持膜１２の上層に例えば絶縁膜などの他層が設けられ、この他層上に下部電極層２０が設けられる構成などとしてもよい。
なお、圧電素子１０としては、例えば第一圧電体層３０に電圧を印加することで支持膜１２を振動させて、超音波の出力する超音波送信素子、超音波を支持膜１２で受信し、第一圧電体層３０から振動に応じた電気信号を出力する超音波受信素子、支持膜１２に加わる応力を、第一圧電体層３０から出力される電気信号に基づいて検出する応力検出素子、第一圧電体層３０を駆動させ、支持膜１２に接触した対象物に駆動力を付与する駆動力発生素子などとして用いることができる。本実施形態では、一例として、圧電素子１０を、超音波発信素子として機能させる例を説明する。

基板１１は、例えばエッチングなどにより加工が容易なシリコン（Ｓｉ）などの半導体形成素材により形成される。また、基板１１に形成される開口部１１１は、平面視で円形状に形成されることが好ましい。これにより、開口部１１１の内側の支持膜１２であるメンブレン１２１において、メンブレン１２１の撓みに対する応力を均一にすることができる。
すなわち、例えば、開口部１１１が例えば矩形状に形成され、矩形中心部に第一圧電体層３０が形成される場合、メンブレン１２１の中心点からの距離が同一となる位置であっても、支持膜１２の撓み易い領域と撓み難い領域とが発生する。これに対して、本実施形態のように、円形の開口部１１１が形成される場合、メンブレンの中心点から開口部１１１の縁部１１１Ａまでの距離が同一となるため、メンブレン１２１の中心点からの距離が同一となる点では、支持膜１２の撓み易さも同等となり、メンブレン１２１を均等に撓ませることができる。

支持膜１２は、基板１１上で、開口部１１１を閉塞する状態に成膜されている。この支持膜１２は、例えばＳｉＯ₂膜とＺｒＯ₂層との２層構造により構成されている。ここで、ＳｉＯ₂層は、基板１１がＳｉ基板である場合、基板表面を熱酸化処理することで成膜することができる。また、ＺｒＯ₂層は、ＳｉＯ₂層上に例えばスパッタリングなどの手法により成膜される。ここで、ＺｒＯ₂層は、第一圧電体層３０や第二圧電体層４０として例えばＰＺＴを用いる場合に、ＰＺＴを構成するＰｂがＳｉＯ₂層に拡散することを防止するための層である。また、ＺｒＯ₂層は、圧電膜１３１の歪みに対する撓み効率が向上させるなどの効果もある。

下部電極層２０は、平面視において、開口部１１１の内側に形成され、上層に第一圧電体層３０が積層される下部電極本体部２１と、この下部電極本体部２１に連続し、開口部１１１の内外に跨って形成されるとともに、第一圧電体層３０が積層されない下部電極線部２２と、下部電極線部２２の先端部に形成される下部電極端子部２３とを備えている。

第一圧電体層３０は、下部電極層２０の下部電極本体部２１上に積層形成されている。この第一圧電体層３０は、例えばＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛：lead zirconate titanate）を膜状に成膜することで形成される。なお、本実施形態では、第一圧電体層３０としてＰＺＴを用いるが、電圧を印加することで、面内方向に収縮することが可能な素材であれば、いかなる素材を用いてもよく、例えばチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ₃）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ₃）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ、Ｌａ）ＴｉＯ₃）などを用いてもよい。
そして、この第一圧電体層３０は、下部電極本体部２１と、後述する上部電極層５０とに電圧が印加されることで、面内方向に伸縮する。このとき、第一圧電体層３０の一方の面は、下部電極本体部２１を介して支持膜１２に接合されるが、他方の面には、上部電極層５０が形成されるものの、この上部電極層５０上には他の層が積層形成されないため、第一圧電体層３０の支持膜１２側が伸縮しにくく、上部電極層５０側が伸縮し易くなる。このため、第一圧電体層３０に電圧を印加すると、開口部１１１側に凸となる撓みが生じ、メンブレン１２１を撓ませる。したがって、第一圧電体層３０に交流電圧を印加することで、メンブレン１２１が膜厚方向に対して振動し、このメンブレン１２１の振動により超音波が開口部１１１から出力される。

上部電極層５０は、平面視において、一部が第一圧電体層３０上に積層され、かつ下部電極層２０と絶縁される配置位置にパターニングされている。具体的には、上部電極層５０は、第一圧電体層３０上に積層される上部電極本体部５１と、上部電極本体部５１に連続し、下部電極線部２２とは異なる方向に延出し、平面視において開口部１１１の内外に跨って形成される上部電極線部５２と、上部電極線部の先端に形成される上部電極端子部５３と、を備えている。
ここで、第一圧電体層３０のうち、上部電極層５０と下部電極本体部２１との双方に重畳する領域が、電圧を印加された際に収縮される領域となる。

第二圧電体層４０は、第一圧電体層３０と同一素材であるＰＺＴにより形成されている。また、この第二圧電体層４０は、支持膜１２の開口部１１１よりも外側領域で、かつ下部電極層２０の下部電極線部２２を覆って形成されている。具体的には、第二圧電体層４０は、下部電極線部２２のうち、支持膜１２上の開口部１１１の縁部１１１Ａからメンブレン１２１の撓みに影響しない所定寸法だけ離れた端部位置２２Ａ、および下部電極端子部２３および下部電極線部２２の接続部２２Ｂの間を覆って形成されている。これは、第二圧電体層４０が開口部１１１の縁部１１１Ａに重なって形成される場合、メンブレン１２１の撓みに対する剛性が強くなり、出力される超音波が小音圧となるためである。より好ましくは、第二圧電体層４０は、支持膜１２の厚み寸法をｔとして、開口部１１１の縁部１１１Ａから距離Ｌが、次式（１）を満たす端部位置２２Ａから、接続部２２Ｂまでの下部電極線部２２上に形成されることが好ましい。

〔数１〕
Ｌ＞５ｔ …（１）

これは、支持膜１２のメンブレン１２１が撓む際、支持膜１２には、開口部１１１に入り込もうとするモーメント力が発生するためであり、このモーメント力により、平面視において開口部１１１の縁部１１１Ａから５ｔの距離範囲内の支持膜は引っ張り力を受ける。したがって、この距離範囲内に第二圧電体層４０が形成されていると、メンブレン１２１が撓む際に抵抗となり、超音波の音圧が低下してしまう。これに対して、平面視において開口部１１１の縁部１１１Ａから５ｔ以上の距離では、上記のような影響が働かず、メンブレン１２１を良好に撓ませることが可能となる。一方、第二圧電体層４０の端部の形成位置が開口部１１１から遠くなりすぎると、下部電極線部２２の露出面積が大きくなるため、第一および第二圧電体層３０，４０のパターニング時、上部電極層５０のパターニング時、この下部電極線部２２の露出部分がオーバーエッチングとなり電気抵抗が増大する場合がある。したがって、第二圧電体層４０の形成位置として、開口部１１１の縁部１１１Ａから５ｔだけ離間した位置から、下部電極端子部２３および下部電極線部２２の接続部２２Ｂまでを覆う位置が最も好ましい。
なお、下部電極端子部２３には、第一圧電体層３０に電圧を印加するための配線が接続されるため、第二圧電体層４０は形成されない。

［圧電素子の製造方法］
次に、上述のような圧電素子の製造方法について、図面に基づいて説明する。
図３および図４は、圧電素子の製造工程を示す断面図である。
圧電素子１０を製造するためには、まず、図３（Ａ）に示すように、基板１１（Ｓｉ）を熱酸化処理し、基板１１の表面にＳｉＯ₂層を形成する。さらに、このＳｉＯ₂層上にＺｒ層をスパッタリングにより成膜し、このＺｒ層を酸化することでＺｒＯ₂層を形成する。これにより、例えば厚み寸法が３μｍの支持膜１２が形成される。

この後、基板１１の一面側に下部電極層２０を、例えばスパッタリングなどにより形成する。この下部電極層２０としては、導電性を有する膜であれば特に素材は限定されないが、本実施形態ではＴｉ／Ｉｒ／Ｐｔ／Ｔｉの積層構造膜を用い、圧電体層の焼成後で例えば０．２μｍの膜厚寸法となるように、下部電極層２０を一様に形成する。
そして、この下部電極層２０上に、例えばフォトリソグラフィ法を用いて下部電極本体部２１および下部電極線部２２の形成位置にレジストを形成する。次に、下部電極層のうちレジストが形成されない領域をエッチングにより除去してパターニングし、図３（Ｂ）に示すように下部電極本体部２１、下部電極線部２２、および下部電極端子部２３を形成する（下部電極パターニング工程）。

その後、図３（Ｄ）に示すように、この下部電極層２０がパターニングされた基板１１の一面側に、ＰＺＴにより形成される圧電体層６０を成膜する。圧電体層６０の成膜では、ＭＯＤ(Metal Organic Decomposition)法を用い、１２層の膜により、例えばトータル厚み寸法が１．４μｍとなるように形成する（圧電体層積層工程）。
そして、この圧電体層６０上に、例えばフォトリソグラフィ法を用いて第一圧電体層３０および第二圧電体層４０の形成位置にレジストを形成し、レジストが形成されない領域をエッチングにより除去してパターニングする。これにより、図３（Ｄ）に示すように下部電極本体部２１上に第一圧電体層３０が形成され、下部電極線部２２上に第二圧電体層４０が形成される（圧電体層パターニング工程）。
この圧電体層パターニング工程において、第一圧電体層３０および第二圧電体層４０が形成される領域では、下部電極層２０がエッチングされないため、電気抵抗が低下するなどの不都合が生じない。
なお、開口部１１１上の第一圧電体層３０が設けられていない領域に形成される下部電極線部２２、および開口部１１１の縁部１１１Ａから距離Ｌが５ｔ（本実施形態では、ｔ＝３μｍであるため、Ｌ＝１５μｍ）の範囲内の下部電極線部２２で、圧電体層６０のエッチング時にオーバーエッチングとなる場合があるが、下部電極線部２２全体に対して非常に小さい範囲であるため、この部分の電気抵抗が上がったとしても、その影響を受けることがない。

この後、図４（Ａ）に示すように、基板１１の一面側に、上部電極層５０を、例えばスパッタリングなどにより、均一に成膜する。この上部電極層５０を形成用の導電性膜においても、下部電極層２０と同様に、導電性を有するいかなる素材を用いてもよいが、本実施形態では、Ｉｒ膜を用い、厚み寸法が例えば５０ｎｍとなるように形成する（上部電極積層工程）。
そして、この上部電極層５０上に、例えばフォトリソグラフィ法を用いて、上部電極本体部５１、上部電極線部５２、および上部電極端子部５３のパターニング用のレジストを形成し、レジストが形成されない領域をエッチングにより除去してパターニングする。これにより、図４（Ｂ）に示すように上部電極層５０がパターニングされる（上部電極パターニング工程）。
この上部電極パターニング工程においても、上記圧電体層パターニング工程と同様に、第一圧電体層３０および第二圧電体層４０により下部電極層２０が覆われているため、下部電極層２０のオーバーエッチングが防止され、下部電極層２０の電気抵抗の増大を抑制できる。

次に、基板１１の厚み寸法を調節する。これには、図４（Ｃ）に示すように、下部電極層２０、第一圧電体層３０、第二圧電体層４０、および上部電極層５０が形成される一面側とは反対側の基板１１の他面（超音波が出力される面）側を、例えば切削、研磨などの加工を施す。このような切削加工、研磨加工を実施することで、開口部１１１を形成する際のエッチング量を少なくすることができる。ここで、開口部１１１は、ＩＣＰ（Inductive Coupled Plasma）エッチング装置を用いたＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によりエッチング形成されるが、エッチングする深さ寸法、膜応力反りに対する剛性、およびハンドリングに対する強度を考慮し、基板１１の厚み寸法が２００μｍとなるように切削・研削加工することが好ましい。

開口部１１１の形成では、基板１１の前記他面側の開口部１１１の形成位置以外にレジストを形成する。このレジストは、基板１１のエッチングに耐えられるように、例えば１０μｍ程度の厚みに形成する。この後、図４（Ｄ）に示すように、ＩＣＰエッチング装置を用いて、基板１１を、前記他面側から支持膜１２のＳｉＯ₂層までエッチングする。
以上により、圧電素子１０が製造される。

［第一実施形態の作用効果］
上述したように、第一実施形態の圧電素子は、開口部１１１の内外に跨って形成される下部電極層２０のうち、開口部１１１の内側に形成される下部電極本体部２１上に第一圧電体層３０が形成され、下部電極線部２２のうち、開口部１１１の外側の下部電極線部２２上に第二圧電体層４０が形成されている。
このため、圧電体層６０をエッチングして第一圧電体層３０および第二圧電体層４０を形成する際に、下部電極層がオーバーエッチングとなって電気抵抗が増大する不都合を抑制できる。このため、低電力で第一圧電体層３０の伸縮量を大きくすることができ、メンブレン１２１の振動により出力される超音波も大音圧にすることができる。
また、オーバーエッチングを考慮して下部電極層２０の厚み寸法を増大させる必要がなく、下部電極層２０の厚み寸法を薄くすることができる。したがって圧電素子１０自体も薄型化することができる。
さらには、第一圧電体層３０および第二圧電体層４０は、同一素材であるＰＺＴにより形成されている。すなわち、圧電体層積層工程、および圧電体層パターニング工程により同時に、これらの第一圧電体層３０および第二圧電体層４０を形成することができる。これにより、例えば下部電極層２０上に他の保護膜を設ける場合に比べて、製造工程を簡略化することができ、保護膜を別途容易する必要もなく構成を簡単にできる。

また、第二圧電体層４０は、平面視において、開口部１１１の縁部１１１Ａに重ならない位置に形成されている。
このため、第二圧電体層４０がメンブレン１２１の撓み時の抵抗とならないため、第二圧電体層４０が開口部１１１の縁部１１１Ａ上に形成される場合に比べて、メンブレン１２１を大きい振幅で振動させることができる。したがって、第一圧電体層３０に印加する電圧が低電圧である場合でも、大音圧の超音波を出力することができる。

さらに、第二圧電体層４０は、下部電極線部２２のうち、開口部１１１の縁部１１１Ａから支持膜１２の厚み寸法ｔの５倍の距離寸法Ｌだけ離れた端部位置２２Ａから、下部電極線部２２と下部電極端子部２３との接続部２２Ｂまでを覆って形成されている。
メンブレン１２１が撓む際、支持膜１２は、開口部１１１に入り込む方向にモーメント力を受けるため、開口部１１１の縁部１１１Ａに近い位置の支持膜１２は、開口部１１１側に引っ張り力が働いて伸縮する。ここで、開口部１１１の縁部に近接位置に第二圧電体層４０が形成される場合、その支持膜１２の伸縮が規制されるため、メンブレン１２１の撓み量を制限してしまうおそれがある。これに対して、上記のように、開口部１１１の縁部１１１Ａから距離Ｌだけ離れた位置に第二圧電体層４０を形成することで、メンブレン１２１の撓み抵抗が増大せず、メンブレン１２１の撓み量が減少しない。したがって、開口部１１１の縁部１１１Ａから第二圧電体層４０が形成される位置までの距離が距離Ｌ未満となる場合に比べて、大音圧の超音波を出力させることができる。

〔第二実施形態〕
次に、本発明に係る第二実施形態の圧電素子について、図面に基づいて説明する。
図５は、本発明に係る超音波プローブに用いる第二実施形態の圧電素子の断面図である。
第二実施形態の圧電素子１０Ａは、第一実施形態の圧電素子１０の第二圧電体層４０上に配線層である補助電極層７０が形成される。
具体的には、この補助電極層７０は、下部電極層２０の接続部２２Ｂから第二圧電体層４０の上層に形成され、第二圧電体層４０の端部位置２２Ａで再び下部電極層２０に接続される。

このような補助電極層７０は、上部電極層５０と同一素材により形成され、上部電極パターニング工程において、上部電極層５０と同時に形成される。
すなわち、上部電極積層工程で、図４（Ａ）に示すような導電性膜を成膜した後、上部電極パターン形成工程において、上部電極層５０の形成位置および補助電極層７０の形成位置にそれぞれレジストを形成する。そして、このレジストの形成領域以外の導電性膜をエッチングにより除去することで、図５に示すような補助電極層７０が形成される。

〔第二実施形態の作用効果〕
第二実施形態の圧電素子１０Ａでは、上記第一実施形態の圧電素子１０と同様の作用効果が得られ、下部電極層２０の電気抵抗の増大を抑制し、圧電素子１０Ａ自身の薄型化をも促進できる。
さらに、補助電極層７０が設けられることで、下部電極端子部２３から下部電極本体部２１までの配線部分において、電気抵抗をより低減させることができ、より低電力で第一圧電体層３０を駆動させて超音波を出力させることができる。

また、図５の圧電素子１０Ａでは、補助電極層７０の端部が開口部１１１の縁部１１１Ａより外側に位置する構成を例示したが、これに限定されず、例えば、第二圧電体層４０の端部位置２２Ａから第一圧電体層３０までの下部電極線部２２上にも補助電極層７０を形成する構成としてもよい。上記したように、上部電極層５０は、厚み寸法が例えば５０ｎｍに形成され、第二圧電体層４０に比べて十分に小さい厚みに形成される層であり、上部電極層５０と同時に形成される補助電極層７０も上部電極層５０と同一厚み寸法に形成されている。したがって、このような補助電極層７０が開口部１１１の内外に跨って形成されていたとしても、メンブレンの撓みに対する影響は無視できる程度に小さく、超音波の音圧を低減させる要因とならない。また、このように、第二圧電体層４０の端部位置２２Ａから第一圧電体層３０までの下部電極線部２２上に補助電極層７０が形成される場合、圧電体層パターニング工程や上部電極パターニング工程において、第二圧電体層４０の端部位置２２Ａから第一圧電体層３０までの下部電極線部２２がオーバーエッチングとなった場合でも、下部電極線部２２に積層される補助電極層７０により電気抵抗の増大を抑えることができる。したがって、より効果的に電気抵抗の増大を防止でき、低電圧で大音圧の超音波を出力することができる。
同様に、下部電極端子部２３上に補助電極層７０を形成してもよく、この場合、下部電極端子部２３における電気抵抗の増大を防止することができる。

〔第三実施形態〕
次に本発明に係る超音波プローブに用いる第三実施形態の圧電素子について、図面に基づいて説明する。
図６は、第三実施形態の圧電素子を示す図であり、（Ａ）は、平面図、（Ｂ）は、断面図である。
上記第二実施形態の圧電素子１０Ａでは、第二圧電体層４０の上層に、下部電極層２０に接続される補助電極層７０を設ける例を示したが、第三実施形態の圧電素子１０Ｂは、第二圧電体層４０の上層に、上部電極線部５２が形成されている。

上記のような第三実施形態の圧電素子１０Ｂでは、第二圧電体層４０を絶縁層として機能させることで、簡単な構成で、下部電極層２０と上部電極層５０とをクロスさせた配線パターンを形成することができる。
すなわち、圧電素子１０Ｂを、例えばアレイ状に配置して形成する場合などにおいて、アレイ基板への素子の配置関係上で、下部電極線部２２と上部電極線部５２とをクロスさせて形成する場合がある。このような場合、従来、下部電極線部２２と上部電極線部５２との接触を防止するため、別途絶縁層を形成する必要があった。これに対して、第三実施形態の圧電素子１０Ｂでは、第二圧電体層４０に上部電極線部５２を形成することで、絶縁層を別途形成することなく上部電極線部５２と下部電極線部２２とをクロスさせることができる。

〔第四実施形態〕
次に、本発明の超音波プローブに用いる第四実施形態として、上述したような圧電素子が配設された超音波トランスデューサーについて、図面に基づいて説明する。
図７は、第四実施形態の超音波トランスデューサーの一部を示す平面図である。
図７において、超音波トランスデューサー１は、本発明の圧電素子であり、複数の圧電素子１０が格子状に配設されたアレイ構造を有している。このように、アレイ構造にすることによって、被検体のエコー画像を取得することが可能になる。
このような超音波トランスデューサー１は、複数の圧電素子１０における超音波の出力タイミングを制御することで、所望の点に超音波を集束させることができる。また、本実施形態では、基板１１上に超音波送信用の圧電素子１０を複数配置した超音波送信アレイを例示するが、例えば、これらの圧電素子１０を超音波の受信素子として機能させることもできる。この場合、格子状に配置される圧電素子１０のうち、例えば半数を超音波送信用素子として機能させ、残りの半数を超音波受信用素子として機能させるなどの構成としてもよい。また、全ての圧電素子１０を超音波送信兼超音波受信に用いることも可能である。具体的には、１つの圧電素子１０を超音波発信素子として機能させて、被検体に向けて超音波を発信した後、超音波受信素子として機能させて、被検体から反射された超音波（エコー）を受信させる構成である。このように、全ての圧電素子１０を超音波送信兼超音波受信に用いることで、高密度で反射波を受信することが可能になり、高密度のエコー画像取得が可能になる。

このような超音波トランスデューサー１では、各圧電素子１０から出力される超音波の発信タイミングを変化させることで超音波を所望の位置に集束させるため、各圧電素子１０に対してそれぞれ独立した下部電極線部２２が設けられている。
具体的には、図７に示すように、各圧電素子１０の下部電極線部２２は、下部電極本体部２１に連続し、メンブレン１２１の内外に跨って形成される素子接続線２２１と、素子接続線２２１から下部電極端子部２３までを接続する下部電極配線２２２とを備えている。ここで、各圧電素子１０のメンブレン１２１間には、複数の下部電極配線２２２が形成されるため、レイアウト上これらの下部電極配線２２２の線幅は、素子接続線２２１よりも線幅寸法が小さく形成されている。このため、下部電極配線２２２では、素子接続線２２１よりも電気抵抗が大きくなる。
このような超音波トランスデューサー１において、各圧電素子１０の圧電体および上部電極層５０の形成時に下部電極配線２２２にオーバーエッチングがかかると、更なる電気抵抗の増大を引き起こし、圧電素子１０から所望の音圧の超音波を出力させるために高電圧を印加する必要があり、この場合、特に、高周波数域において、圧電素子１０の駆動制御が困難となる。これに対して、本実施形態では、素子接続線２２１よりも線幅寸法が小さくなる下部電極配線２２２上に、第二圧電体層４０が形成されている。このため、トランスデューサー製造時において、下部電極配線２２２がオーバーエッチングとならず、電気抵抗の増大を抑制できる。

また、この第四実施形態の超音波トランスデューサー１では、上部電極線部５２は、例えば図７に示すように、一方向（図７では紙面横方向）に配設される各圧電素子１０において共通に形成されている。
ここで、これらの上部電極線部５２は、第三実施形態と同様に、第二圧電体層４０上に形成されている。このため、上部電極線部５２と下部電極配線２２２とを接触させることなく、平面視において、これらの上部電極線部５２と下部電極配線２２２とを近接させた配線パターンを形成することができる。このような構成とすることで、各圧電素子１０の配置間隔を短くでき、超音波トランスデューサー１の基板１１のサイズを小型化できる。
また、図７に示す例では、平面視において、各下部電極配線２２２と上部電極線部５２とが重ならないように配置されているが、例えば平面視において、上部電極線部５２と下部電極配線２２２とが重なる位置に設けられていてもよい。

なお、本実施形態において、複数の圧電素子１０間で上部電極線部５２を共通線として用いる例を示したが、例えば下部電極配線２２２を共通とすることもできる。この場合、下部電極配線２２２の線幅寸法を大きく形成することができ、かつ、第二圧電体層４０が設けられることで製造時におけるオーバーエッチングをも防止できるため、電気抵抗の増大をより確実に抑制することができる。
圧電素子１０は、図７の横方向（第一の方向）に対して、一定のピッチＰｘで配列されている。更に、圧電素子１０は、図７の縦方向（第二の方向）に対して、一定のピッチＰｙで配列されている。このように、直交する二方向の各々に対して、一定のピッチで配列
されるアレイ構造とすることで、本発明を超音波プローブに適用する場合、エコー画像を取得できる。更に、ＰｘとＰｙを同じ値に設定しても良い。その場合、より歪みの少ないエコー画像を取得できる。

〔第四実施形態の作用効果〕
上記第四実施形態の超音波トランスデューサー１は、複数の圧電素子１０が配列されたアレイ構造を有している。このような超音波トランスデューサー１では、基板１１上に下部電極線部２２を形成する際、圧電素子１０間に下部電極配線２２２を複数配置する必要があり、その線幅寸法が規制され、電気抵抗が増大する。このような超音波トランスデューサー１において、製造時に下部電極配線２２２がオーバーエッチングとなる場合、電気抵抗がさらに増大し、出力される超音波の音圧が低下したり、高周波域における駆動制御が困難になったりする。これに対して、本実施形態では、下部電極配線２２２上に第二圧電体層４０が形成されることで、製造時における下部電極配線２２２のオーバーエッチングを防止でき、電気抵抗の増大を抑制できる。

また、第二圧電体層４０上に上部電極線部５２が形成されることで、下部電極配線２２２と上部電極線部５２の接触を防止できる。また、平面視において、下部電極配線２２２と上部電極線部５２とが重なる位置に形成することもでき、各圧電素子１０間の距離を短くでき、超音波トランスデューサー１の小型化を促進できる。

〔製品形態−１〕
次に、製品形態として、上記のような圧電素子１０を備えた本発明の医療機器について説明する。この製品形態では、医療機器として超音波プローブの外観を例示する。
図８は、製品形態の超音波プローブの構成を模式的に示す斜視図である。図９は、この超音波プローブが備える超音波トランスデューサーの構成を模式的に示す斜視図である。

図８において、超音波プローブ１００は、超音波トランスデューサー１Ａと、超音波トランスデューサー１Ａを駆動する駆動回路２と、超音波トランスデューサー１Ａからの超音波を出射する方向に設けられた音響レンズ３と、筐体４と、ケーブル５と、を備えている。
この超音波トランスデューサー１Ａは、図９に示すように、基板１１に、複数の超音波送信用の圧電素子１０を備えている。そして、これらの圧電素子１０は、第四実施形態の超音波トランスデューサー１と同様、図７に示すようなアレイ構造に配置され、下部電極線部２２のうち、メンブレン１２１の外側領域に配置される下部電極配線２２２上に第二圧電体層４０が積層形成されている。そして、基板１１は圧電素子１０を制御する演算制御部１３に接続されている。

このような超音波トランスデューサーでは、下部電極線部２２のうち、メンブレン１２１の外側領域に形成される下部電極配線２２２上に第二圧電体層４０が形成されている。したがって、製造時における下部電極配線２２２のオーバーエッチングなどがなく、これによる電気抵抗の増大もない。このため、超音波送信用の圧電素子１０Ａでは、より小さい駆動電圧で大きい音圧の超音波を送出することができる。また、超音波受信用の圧電素子１０Ｂでは、超音波受信により出力される電気信号の減衰を抑制することができる。すなわち、超音波トランスデューサー１Ａの精度の良い超音波の送受信を実施することができるとともに、省電力化を図ることができる。
よって、このような超音波トランスデューサー１Ａを備えた超音波プローブでは、被検体の内部を精度良く画像取得することができ、消費電力も抑えることができる。

また、上記製品形態では、超音波トランスデューサー１Ａが組み込まれる超音波プローブ１００の送受信装置に本発明の圧電素子を適用する例を示した。これは、医療機器に限定されるものではなく、距離測定センサー、配管の非破壊検査や配管中の流体の流速などの監視する測定センサーのプローブとしても応用することができる。
〔製品形態−２〕
本発明の第二の製品形態としては、超音波画像診断装置がある。図１０に超音波画像診断装置の構成を示す。超音波プローブ１００は超音波観測器２００の装置本体６と接続される。オペレーターは操作部７によって、超音波プローブ１００の駆動条件を設定し、表示モニター８にエコー画像が表示される。

〔その他の実施形態〕
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

例えば、第二圧電体層４０は、下部電極層２０のうち、開口部１１１の縁部１１１Ａから距離Ｌだけ離れた端部位置２２Ａから、下部電極端子部２３と下部電極線部２２との接続部２２Ｂまでを覆って形成される例と示したが、例えば開口部１１１の縁部１１１Ａから接続部２２Ｂまでを覆う構成などとしてもよい。この場合であっても、例えば開口部１１１の内外に亘って第二圧電体層４０が形成される構成などに比べて、メンブレン１２１の撓みに対する抵抗を低減できる。

また、第二圧電体層４０が、開口部１１１の縁部１１１Ａの一部に形成される構成としてもよい。例えば、下部電極線部２２が形成位置のみ、開口部１１１の縁部１１１Ａを跨いで開口部１１１の内外に亘って第二圧電体層４０が形成される構成としてもよく、この場合、下部電極線部２２のうち、外部に露出する部分がなくなり、圧電体層６０や上部電極層５０のエッチング時に確実にオーバーエッチングを防止でき、電気抵抗の増大をより確実に抑えることができる。また、開口部１１１の縁部１１１Ａの全周に亘って第二圧電体層４０が形成される構成に比べると、メンブレン１２１の撓みに対する抵抗が増大することがなく、大音圧の超音波を出力することもできる。
さらには、第二圧電体層４０は、開口部１１１の縁部１１１Ａから、メンブレン１２１の振動を阻害するおそれのある距離Ｌの範囲内のみ形成されず、その他の全領域に第二圧電体層４０が形成される構成としてもよい。

また、上記実施形態では、支持膜１２上に、下部電極層２０が形成される構成を例示したが、これに限定されるものではない。例えば、支持膜１２がエッチングされて、例えば絶縁層などの他層がエッチング部位に積層され、この他層上に下部電極層２０が形成される構成などとしてもよい。

以上、本発明を実施するための最良の構成について具体的に説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、当業者が様々な変形および改良を加えることができるものである。

１…超音波トランスデューサー、１０，１０Ａ，１０Ｂ…圧電素子、１１…基板、１２…支持膜、２０…下部電極層、２１…下部電極本体部、２２…下部電極線部、３０…第一圧電体層、４０…第二圧電体層、５０…上部電極層、１１１…開口部、１１１Ａ…開口部の縁部、６０…圧電体層、７０…配線層である補助電極層、２２１…素子接続線、２２２…下部電極配線。

Claims (8)

1. 開口部を有する基板と、
   前記基板上に設けられた支持膜と、
   前記支持膜上で、前記支持膜の厚み方向から見る平面視において、前記開口部内に設けられた下部電極本体部、および、前記下部電極本体部から前記開口部外に設けられた下部電極配線部、を有する下部電極層と、
   前記下部電極本体部上に設けられた第一圧電体層と、
   前記第一圧電体層上に設けられた上部電極層と、
   前記下部電極配線部上に設けられた第二圧電体層と、を備え、
   前記第一圧電体層および前記第二圧電体層が、前記平面視において前記開口部の外周縁に重ならない
   ことを特徴とする圧電素子を有する超音波プローブ。
2. 前記第二圧電体層は、前記平面視において、前記開口部に重ならない位置に設けられる
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
3. 前記第二圧電体層上に前記下部電極層と接続する配線層が設けられる
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波プローブ。
4. 前記第二圧電体層上に前記上部電極層と接続する配線層が設けられる
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波プローブ。
5. 前記下部電極配線部は、
   前記平面視において、前記開口部の内外に跨り、前記下部電極本体部に接続された素子接続線と、
   前記素子接続線に連続し、前記平面視において、前記開口部の外側に設けられ、前記素子接続線の線幅よりも狭い線幅の下部電極配線と、を備え、
   前記第二圧電体層は、前記下部電極配線を覆って設けられる
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の超音波プローブ。
6. 前記圧電素子を複数備え、前記圧電素子は第一の方向に一定のピッチで配列され、且つ、前記第一の方向と直交する第二の方向に一定のピッチで配置される
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の超音波プローブ。
7. 前記圧電素子が配置される前記第一の方向のピッチと、前記圧電素子が配置される前記第二の方向のピッチとは同じである
   ことを特徴とする請求項６に記載の超音波プローブ。
8. 請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の超音波プローブを備えることを特徴とする超音波画像診断装置。

Images