JP6314777B2

JP6314777B2 - 超音波センサー並びにプローブおよび電子機器

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Publication number: JP6314777B2
Application number: JP2014201934A
Authority: JP
Inventors: 昌佳山田; 洋史松田; 友亮中村; 伊藤　浩; 浩伊藤; 宮澤　弘; 弘宮澤
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2018-04-25
Anticipated expiration: 2034-09-30
Also published as: CN105455844B; US10117639B2; US11419579B2; CN105455844A; US20190029643A1; JP2016072862A; US20160089111A1

Description

本発明は、超音波センサー、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。

例えば超音波診断装置に用いられる超音波デバイスは一般に知られる。超音波デバイスは振動板を備える。振動板には下電極が積層される。下電極には圧電体が積層される。圧電体には上電極が積層される。圧電体は下電極の輪郭よりも外側に広がって上電極と下電極との短絡を防止する。

特開２０００−１８３４１３号公報

特許文献１は変位素子を開示する。変位素子は振動板上に積層される圧電素子を備える。振動板の幅に対して圧電素子の幅の比率が特定される。こうして駆動電圧に対して変位の最適化が提案される。しかしながら、特許文献１では、振動板の変位の際に出力される電位は言及されない。また、圧電体厚膜の幅と電極の幅とは一致する。したがって、圧電体膜厚に対して下電極の幅の影響は全く考察されていない。

本発明の少なくとも１つの態様によれば、下電極の幅の調整に応じて、受信時の生成電圧を十分に確保することができる超音波センサーは提供されることができる。

（１）本発明の一態様は、振動板と、前記振動板に積層されて、前記振動板の表面に沿って第１方向に長さＬを有し、前記振動板の表面に沿って前記第１方向に直交する第２方向に前記長さＬ以下の幅Ｗｂｅを有する下電極と、前記下電極に積層されて、前記第２方向に幅Ｗｐｚを有する圧電体と、前記圧電体に積層される上電極と、を備え、下電極の幅Ｗｂｅと圧電体の幅Ｗｐｚとの比Ｗｂｅ／Ｗｐｚは０．１以上０．８以下である超音波センサーに関する。

振動板に超音波が作用すると、振動板は振動する。振動板の振動に応じて圧電体に歪みが生成される。圧電体の歪みは電圧を生成する。生成された電圧は下電極および上電極から取り出される。こうして超音波は検出される。下電極の幅Ｗｂｅと圧電体の幅Ｗｐｚとの比Ｗｂｅ／Ｗｐｚが０．１以上０．８以下に設定されるので、受信時の生成電圧が十分に確保されることができる。その一方で、比Ｗｂｅ／Ｗｐｚが０．１を下回ると、下電極の電気抵抗が増大してしまう。比Ｗｂｅ／Ｗｐｚが０．８を上回ると、場合によって電圧が最大電圧値の６０％を割ってしまい、生成電圧は使用域から逸脱する。

（２）前記比Ｗｂｅ／Ｗｐｚは０．５以下であればよい。条件が変化しても、良好な生成電圧は得られる。

（３）前記振動板の表面に直交する平面視で前記圧電体の輪郭から前記第２方向に前記振動板の輪郭までの距離は前記振動板の幅の０．０２倍以上０．３倍以下であればよい。十分な受信感度は得られる。

（４）前記第１方向に前記上電極は前記圧電体よりも小さい面積を有してもよい。圧電体は下電極に対して上電極の短絡を防止する。

（５）前記振動板の前記第２方向の幅Ｗｃａｖと第１方向の長さＬｃａｖとのアスペクト比Ｌｃａｖ／Ｗｃａｖは１以上２以下であればよい。アスペクト比に拘わらず十分に受信感度は得られる。

（６）前記振動板の表面に直交する平面視で前記上電極と前記下電極との重なりの面積は、前記平面視で輪郭で規定される前記振動板の面積に対して１％以上２０％以下の範囲であればよい。こうした設定によれば、受信感度は高められる。

（７）前記振動板の輪郭は円形、六角形および楕円のいずれかであってもよい。振動板の形状に拘わらず十分に受信感度は得られる。

（８）超音波センサーはプローブに組み込まれて利用されることができる。プローブは、超音波センサーと、前記超音波センサーを支持する筐体とを備えることができる。

（９）超音波センサーは電子機器に組み込まれて利用されることができる。電子機器は、超音波センサーと、前記超音波センサーに接続されて、前記超音波センサーの出力を処理する処理部とを備えることができる。

（１０）超音波センサー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。超音波画像装置は、超音波センサーと、前記超音波センサーに接続されて、前記超音波センサーの出力を処理し、画像を生成する処理部と、前記画像を表示する表示装置とを備えることができる。

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。超音波デバイスの拡大平面図である。図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。シミュレーションモデルの構成を概略的に示す概念図である。シミュレーションソフトウェア上で構成されたシミュレーションモデルを示す図である。送信時および受信時にｘ方向にひずみεの分布を示すグラフである。送信時および受信時にｘ方向にｚ方向変位の分布を示すグラフである。送信時および受信時にｙ方向にｚ方向変位の分布を示すグラフである。シミュレーションモデルの構成を概略的に示す概念図である。図９のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図９のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。比Ｗｂｅ／Ｗｐｚの変化に応じて「送信時の変位」および「受信時の生成電圧」を示すグラフである。振動板の幅Ｗｃａｖが６０［μｍ］に設定された際にシミュレーションモデルで生成される「受信時の生成電圧」を示すグラフである。振動板の幅Ｗｃａｖが４５［μｍ］に設定された際にシミュレーションモデルで生成される「受信時の生成電圧」を示すグラフである。振動板の幅Ｗｃａｖが３０［μｍ］に設定された際にシミュレーションモデルで生成される「受信時の生成電圧」を示すグラフである。振動板の幅Ｗｃａｖが６０［μｍ］に設定された際にシミュレーションモデルで生成される「送信時の変位」を示すグラフである。振動板の幅Ｗｃａｖが４５［μｍ］に設定された際にシミュレーションモデルで生成される「送信時の変位」を示すグラフである。振動板の幅Ｗｃａｖが３０［μｍ］に設定された際にシミュレーションモデルで生成される「送信時の変位」を示すグラフである。アスペクト比Ｌｃａｖ／Ｗｃａｖ＝１のシミュレーションモデルを概略的に示す概念図である。アスペクト比Ｌｃａｖ／Ｗｃａｖ＝１または２のときにシミュレーションモデルで生成される規格化された「受信時の生成電圧」を示すグラフである。アスペクト比Ｌｃａｖ／Ｗｃａｖ＝１または２のときにシミュレーションモデルで生成される規格化された「送信時の変位」を示すグラフである。円形の輪郭の振動板を有するシミュレーションモデルを概略的に示す概念図である。六角形の輪郭の振動板を有するシミュレーションモデルを概略的に示す概念図である。楕円形の輪郭の振動板を有するシミュレーションモデルを概略的に示す概念図である。比Ｗａｒｍ／Ｗｃａｖの変化に応じて「受信時の生成電圧」を示すグラフである。実測に基づき比Ｗａｒｍ／Ｗｃａｖと共振周波数との関係を示すグラフである。シミュレーションに基づき比Ｗａｒｍ／Ｗｃａｖと受信時の生成電圧との関係を示すグラフである。上電極および下電極の重なり具合を定義するシミュレーションモデルを概略的に示す概念図である。シミュレーションに基づき上電極および下電極の重なり具合と受信時の生成電圧との関係を示すグラフである。

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には超音波デバイスユニットＤＶが嵌め込まれる。超音波デバイスユニットＤＶは超音波デバイス（超音波センサー）１７を備える。超音波デバイス１７は音響レンズ１８を備える。音響レンズ１８の外表面には部分円筒面１８ａが形成される。部分円筒面１８ａは平板部１８ｂで囲まれる。平板部１８ｂの外周は全周で途切れなく筐体１６に結合される。こうして平板部１８ｂは筐体の一部として機能する。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。超音波デバイス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）超音波デバイスの構造
図２は一実施形態に係る超音波デバイス１７の平面図を概略的に示す。超音波デバイス１７は基体２１を備える。基体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（以下「素子」という）２３の配列で構成される。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素子２３群は奇数列の素子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。

個々の素子２３は振動板２４を備える。振動板２４の詳細は後述される。図２では振動板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）で振動板２４の輪郭が点線で描かれる。輪郭の内側は振動板２４の領域内に相当する。輪郭の外側は振動板２４の領域外に相当する。振動板２４上には圧電素子２５が形成される。圧電素子２５では、後述されるように、上電極および下電極の間に圧電体膜が挟まれる。これらは順番に重ねられる。

素子アレイ２２は素子アレイ領域２６を区画する。素子アレイ領域２６の輪郭は、最外周の振動板２４に外接する最小面積の四辺形で形成される。平面視で輪郭の図心２７は素子アレイ２２の中心線ＣＬに重なる。素子アレイ２２は例えば中心線ＣＬを対称軸にして線対称に形成されることができる。超音波デバイス１７は１枚の超音波トランスデューサー素子チップ（基板）として構成される。

基体２１の表面には複数本の第１導電体２８が形成される。第１導電体２８は配列の列方向に相互に平行に延びる。１列の素子２３ごとに１本の第１導電体２８が割り当てられる。１本の第１導電体２８は配列の列方向に並ぶ素子２３に共通に配置される。第１導電体２８は個々の素子２３ごとに下電極を形成する。このように第１導電体２８は振動板２４の領域内および領域外に配置される。第１導電体２８ごとに素子２３の送信列が形成される。第１導電体２８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導電体２８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２９が形成される。第２導電体２９は配列の列方向に相互に平行に延びる。１列の素子２３ごとに１本の第２導電体２９が割り当てられる。１本の第２導電体２９は配列の列方向に並ぶ素子２３に共通に配置される。第２導電体２９は個々の素子２３ごとに下電極を形成する。このように第２導電体２９は振動板２４の領域内および領域外に配置される。第２導電体２９ごとに素子２３の受信列が形成される。送信列には少なくとも１列の受信列が組み合わせられる。ここでは、送信列および受信列は列方向に交互に配置される。第１導電体２８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３導電体３１が形成される。第３導電体３１は配列の行方向に相互に平行に延びる。１行の素子２３ごとに１本の第３導電体３１が割り当てられる。１本の第３導電体３１は配列の行方向に並ぶ素子２３に共通に接続される。第３導電体３１は個々の素子２３ごとに上電極を形成する。第３導電体３１の両端は１対の引き出し配線３２にそれぞれ接続される。引き出し配線３２は配列の列方向に相互に平行に延びる。したがって、全ての第３導電体３１は同一長さを有する。こうしてマトリクス全体の素子２３に共通に上電極は接続される。このように第３導電体３１は振動板２４の領域内および領域外に配置される。第３導電体３１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３導電体３１にはその他の導電材が利用されてもよい。

列ごとに素子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。上電極および下電極の役割は入れ替えられてもよい。すなわち、マトリクス全体の素子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３３ａが配置される。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並びに第１下電極端子３５および第２下電極端子３６で構成される。上電極端子３４は第１端子アレイ３３ａの両端に配置される。上電極端子３４にはそれぞれ引き出し配線３２が接続される。こうして上電極端子３４には全ての素子２３が共通に接続される。上電極端子３４の間に第１下電極端子３５および第２下電極端子３６が配置される。第１下電極端子３５は第１導電体２８に接続され、第２下電極端子３６は第２導電体２９に接続される。こうして第１下電極端子３５には個々の送信列ごとに素子２３が接続される。第２下電極端子３６には個々の受信列ごとに素子２３が接続される。

同様に、第２端子アレイ３３ｂは１対の上電極端子３７並びに複数の第３下電極端子３８および第４下電極端子３９で構成される。上電極端子３７は第２端子アレイ３３ｂの両端に配置される。上電極端子３７にはそれぞれ引き出し配線３２が接続される。こうして上電極端子３７には全ての素子２３が共通に接続される。上電極端子３７の間に第３下電極端子３８および第４下電極端子３９が配置される。第３下電極端子３８は第１導電体２８に接続され、第４下電極端子３９は第２導電体２９に接続される。こうして第３下電極端子３８には個々の送信列ごとに素子２３が接続される。第２下電極端子３６には個々の受信列ごとに素子２３が接続される。

基体２１には第１フレキシブルプリント配線板（以下「第１配線板」という）４１が連結される。第１配線板４１は第１端子アレイ３３ａに覆い被さる。第１配線板４１の一端には上電極端子３４並びに第１および第２下電極端子３５、３６に個別に対応して導電線すなわち第１信号線が形成される。第１信号線は上電極端子３４並びに第１および第２下電極端子３５、３６に個別に向き合わせられ個別に接合される。

同様に、基体２１には第２フレキシブルプリント配線板（以下「第２配線板」という）４２が覆い被さる。第２配線板４２は第２端子アレイ３３ｂに覆い被さる。第２配線板４２の一端には上電極端子３７並びに第３および第４下電極端子３８、３９に個別に対応して導電線すなわち第２信号線が形成される。第２信号線は上電極端子３７並びに第３および第４下電極端子３８、３９に個別に向き合わせられ個別に接合される。

振動板２４上では第３導電体３１に並列に電極分離膜４３が配置される。電極分離膜４３は第３導電体３１の長手方向に帯状に延びる。電極分離膜４３は絶縁性および防湿性を有する。電極分離膜４３は例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）や酸化シリコン（ＳｉＯ_２）といった防湿性絶縁材から形成される。電極分離膜４３は個々の第３導電体３１を挟んで第３導電体３１の両側に分離して形成される。第３導電体３１は振動板２４上で第１導電体２８および第２導電体２９に交差することから、電極分離膜４３は振動板２４上で第１導電体２８および第２導電体２９上を横切る。

基体２１上で振動板２４の領域外には絶縁膜４４が形成される。絶縁膜４４は第１および第２導電体２８、２９の長手方向に帯状に延びる。絶縁膜４４は第１および第２導電体２８、２９に並列に配置される。絶縁膜４４は例えばアルミナや酸化シリコンといった防湿性の絶縁材から形成される。絶縁膜４４の素材は電極分離膜４３の素材と一致すればよい。絶縁膜４４は第３導電体３１上を横切る。こうして絶縁膜４４は第３導電体３１上に形成される。絶縁膜４４は電極分離膜４３に連続する。絶縁膜４４は、第３導電体３１を挟んで第３導電体３１の両側に配置される電極分離膜４３に接続される。

図３に示されるように、基体２１は基板４６および被覆膜４７を備える。基板４６の表面に一面に被覆膜４７が積層される。基板４６には個々の素子２３ごとに開口部４８が形成される。開口部４８は基板４６に対してアレイ状に配置される。開口部４８が配置される領域の輪郭は素子アレイ領域２６の輪郭に相当する。隣接する２つの開口部４８の間には仕切り壁４９が区画される。隣接する開口部４８は仕切り壁４９で仕切られる。仕切り壁４９の壁厚みは開口部４８の間隔に相当する。基板４６は例えばシリコン基板で形成されればよい。

被覆膜４７は、基板４６の表面に積層される酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層５１と、酸化シリコン層５１の表面に積層される酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）層５２とで構成される。開口部４８の輪郭に対応して被覆膜４７の一部が振動板２４を形成する。振動板２４は、被覆膜４７のうち、開口部４８に臨むことから基板４６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５１の膜厚は共振周波数に基づき決定されることができる。

振動板２４の表面に下電極５４、圧電体膜５５および上電極５６が順番に積層される。圧電体膜５５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５５にはその他の圧電材料が用いられてもよい。ここで、第１導電体２８は下電極５４および第１導電膜５７を有する。第１導電膜５７は下電極５４に接続される。第１導電膜５７は下電極５４に連続する。第１導電膜５７の膜厚は下電極５４の膜厚よりも大きい。第１導電膜５７には第２導電膜５８が接続される。第２導電膜５８は、第１導電膜５７から分岐し圧電体膜５５上に延び、上電極５６から離隔した位置で途切れる。圧電体膜５５の頂上面には、上電極５６と第２導電膜５８との間に隙間５９が形成される。

図３に示されるように、上電極５６と第２導電膜５８との間に電極分離膜４３は形成される。電極分離膜４３は圧電体膜５５の頂上面で隙間５９を塞ぐ。電極分離膜４３は隙間５９に充填される。こうして上電極５６および第２導電膜５８の間で圧電体膜５５の表面は電極分離膜４３で覆われる。ここでは、第１導電体２８の長手方向に電極分離膜４３は振動板２４の領域内に留まる。電極分離膜４３は振動板２４の縁に係らない。

基体２１の表面には音響整合層６１が積層される。音響整合層６１は素子アレイ２２を覆う。音響整合層６１の膜厚は振動板２４の共振周波数に応じて決定される。音響整合層６１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６１上に音響レンズ１８が配置される。音響レンズ１８は音響整合層６１の表面に密着する。音響レンズ１８は音響整合層６１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３導電体３１に平行な母線を有する。部分円筒面１８ａの曲率は、１筋の第１導電体２８に接続される１列の素子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の裏面にはバッキング材６２が固定される。バッキング材６２の表面に基体２１の裏面が重ねられる。バッキング材６２は超音波デバイス１７の裏面で開口部４８を閉じる。バッキング材６２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４９は接合面でバッキング材６２に結合される。バッキング材６２は個々の仕切り壁４９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。

（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。超音波の送信にあたって送信列の素子２３の圧電素子２５にはパルス信号が供給される。パルス信号は第１および第３下電極端子３５、３８および上電極端子３４、３７を通じて列ごとに素子２３に供給される。個々の素子２３では下電極５４および上電極５６の間で圧電体膜５５に電界が作用する。圧電体膜５５は超音波の周波数で振動する。圧電体膜５５の振動は振動板２４に伝わる。こうして振動板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。

超音波の反射波は受信列の素子２３の振動板２４を振動させる。振動板２４の超音波振動は所望の周波数で圧電体膜５５を超音波振動させる。圧電体膜５５の圧電効果に応じて圧電素子２５から電圧が出力される。個々の素子２３では上電極５６と下電極５４との間で電位が生成される。電位は第２および第４下電極端子３６、３９および上電極端子３４、３７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。

（４）薄膜型超音波トランスデューサー素子の挙動
本発明者は送信時と受信時とで薄膜型超音波トランスデューサー素子の挙動を観察した。観察にあたって素子２３のひずみシミュレーションが実施された。図４に示されるように、素子２３に対応してシミュレーションモデル７１は構成された。このシミュレーションモデル７１では開口部４８の輪郭で振動板７２は区画された。振動板７２は平面視で１辺＝３９．５μｍの正方形に形作られた。振動板７２上には圧電体膜７３が形成された。圧電体膜７３の輪郭は平面視で１辺＝３１．５μｍの正方形に形作られた。圧電体膜７３の形成に先立って振動板７２上には下電極７４が積層された。圧電体膜７３は下電極７４上に積層された。圧電体膜７３上には上電極７５が積層された。上電極７５の材料で防湿用の導電膜７６（前述の第２導電膜５８に相当）は形成された。導電膜７６は圧電体膜７３を覆った。図５に示されるように、計算処理にあたってシミュレーションモデル７１は平面視で均等に４分割された。送信時には上電極７５に−１５Ｖの電圧が印加された。受信時には振動板７２に垂直方向上方から１×１０^５［Ｐａ］の圧力が印加された。その際に、上電極７５および導電膜７６直下のひずみεは算出された。

図６はｘ方向にひずみεの分布を示す。ひずみシミュレーションの結果、送信時と受信時とでシミュレーションモデル７１が共通する場合に送信時と受信時とでひずみεの分布が全く相違することが確認された。送信時には受信時に比べてひずみεの絶対量が著しく大きいことが確認された。送信時には、振動板７２の中心から振動板７２の縁に向かって離れた位置でひずみεのピークが生じた一方で、受信時には振動板７２の中心でピークが現れた。受信時には、振動板７２の縁から振動板７２の中心に向かって徐々にひずみが増大した。送信時には振動板７２の中心で収縮するひずみεが観察され、振動板７２の縁に近い位置で伸張するひずみεは観察された。図７はｘ方向にｚ方向変位の分布を示す。図８はｙ方向にｚ方向変位の分布を示す。いずれの場合も、送信時には受信時に比べてｚ方向変位の絶対量が著しく大きいことが確認された。送信時と受信時とで薄膜型超音波トランスデューサー素子の最適な構造は相違することが明かされた。

本発明者は受信時に効果的な薄膜型超音波トランスデューサー素子の構造を追求した。素子２３の変位シミュレーションが実施された。シミュレーションには有限要素法解析システムｆｅｍｔｅｔ（登録商標）が用いられた。図９に示されるように、素子２３に対応してシミュレーションモデル８１は構成された。このシミュレーションモデル８１では開口部４８の輪郭で振動板８２は区画された。振動板８２上には圧電体膜８３が積層された。圧電体膜８３の形成に先立って振動板８２上には下電極８４が積層された。圧電体膜８３は下電極８４上に積層された。圧電体膜８３上には上電極８５が形成された。上電極８５の材料で防湿用の導電膜８６（前述の第２導電膜５８に相当）が形成された。図１０に示されるように、導電膜８６は部分的に圧電体膜８３を覆った。

下電極８４は振動板８２の表面に沿って第１方向Ｄ１に長さＬｂｅで延びる。下電極８４は振動板８２の表面に沿って第１方向Ｄ１に直交する第２方向Ｄ２に幅Ｗｂｅを有する。圧電体膜８３は第１方向Ｄ１に長さＬｐｚで延びて第２方向Ｄ２に幅Ｗｐｚを有する。振動板８２は第１方向Ｄ１に長さＬｃａｖで延びて第２方向Ｄ２に幅Ｗｃａｖを有する。ここでは、振動板８２のアスペクト比Ｌｃａｖ／Ｗｃａｖは２に設定された。図１１に示されるように、圧電体膜８３の輪郭から第２方向Ｄ２に振動板８２の輪郭まで腕幅Ｗａｒｍが規定された。

計算処理にあたってシミュレーションモデルでは圧電体膜８３の幅Ｗｐｚは固定された。下電極８４の幅Ｗｂｅを変更することで比Ｗｂｅ／Ｗｐｚは変更された。「送信時の変位」および「受信時の生成電圧」が算出された。受信時には１［ｋＰａ］の圧力が振動板８２に垂直方向から印加された。送信時には下電極８４に１０［Ｖ］の電圧が印加された。ここでは、圧電体膜８３の幅Ｗｐｚおよび振動板８２の幅Ｗｃａｖの比Ｗｐｚ／Ｗｃａｖは０．７に固定された。振動板８２の幅Ｗｃａｖは４５［μｍ］で固定された。腕幅Ｗａｒｍおよび振動板８２の幅Ｗｃａｖの比Ｗａｒｍ／Ｗｃａｖは０．１５で固定された。計算処理の結果、図１２に示されるように、受信時には比Ｗｂｅ／Ｗｐｚが小さくなるほど（下電極８４の幅Ｗｂｅが細くなるほど）生成電圧は増大することが確認された。その一方で、送信時には比Ｗｂｅ／Ｗｐｚが大きくなるほど変位が増大することが確認された。

本発明者は複数通りで振動板８２の幅Ｗｃａｖを変化させ同様に検証を繰り返した。図１３には振動板８２の幅Ｗｃａｖが６０［μｍ］に設定された際にシミュレーションモデル８１で生成される「受信時の生成電圧」が示される。図１４には振動板８２の幅Ｗｃａｖが４５［μｍ］に設定された際にシミュレーションモデル８１で生成される「受信時の生成電圧」が示される。図１５には振動板８２の幅Ｗｃａｖが３０［μｍ］に設定された際にシミュレーションモデル８１で生成される「受信時の生成電圧」が示される。いずれも場合でも、腕幅Ｗａｒｍおよび振動板８２の幅Ｗｃａｖの比Ｗａｒｍ／Ｗｃａｖは複数通り（０．３５、０．２５、０．１５、０．０５）で変更された。同様に、図１６には振動板８２の幅Ｗｃａｖが６０［μｍ］に設定された際にシミュレーションモデル８１で生成される「送信時の変位」が示される。図１７には振動板８２の幅Ｗｃａｖが４５［μｍ］に設定された際にシミュレーションモデル８１で生成される「送信時の変位」が示される。図１８には振動板８２の幅Ｗｃａｖが３０［μｍ］に設定された際にシミュレーションモデル８１で生成される「送信時の変位」が示される。

前述のように、振動板８２に超音波が作用すると、振動板８２は振動する。振動板８２の振動に応じて圧電体膜８３に歪みが生成される。圧電体膜８３の歪みは電圧を生成する。生成された電圧は下電極８４および上電極８５から取り出される。こうして超音波は検出される。下電極８４の幅Ｗｂｅと圧電体膜８３の幅Ｗｐｚとの比Ｗｂｅ／Ｗｐｚが０．１以上０．８以下に設定されれば、受信時の生成電圧が十分に確保されることができる。その一方で、比Ｗｂｅ／Ｗｐｚが０．１を下回ると、下電極８４の電気抵抗が増大してしまう。比Ｗｂｅ／Ｗｐｚが０．８を上回ると、場合によって電圧が最大電圧値の６０％を割ってしまい、生成電圧は使用域から逸脱する。特に、受信時には比Ｗａｒｍ／Ｗｃａｖが０．３５に設定されると、比Ｗｂｅ／Ｗｐｚの変化に拘わらず生成電圧の変化は小さく、比Ｗａｒｍ／Ｗｃａｖが縮小するほど比Ｗｂｅ／Ｗｐｚの変化に応じて生成電圧の変化は大きい。比Ｗｂｅ／Ｗｐｚが０．５以下であれば、比Ｗａｒｍ／Ｗｃａｖの変化に拘わらず比Ｗａｒｍ／Ｗｃａｖ＝０．３５よりも大きい受信電圧は確保される。したがって、比Ｗｂｅ／Ｗｐｚは０．５以下であれば、条件が変化しても、良好な生成電圧は得られることが理解される。

本発明者は振動板８２の平面形状を変化させ同様に検証を実施した。図１９に示されるように、本発明者はシミュレーションモデル８１に基づき振動板８２のアスペクト比Ｌｃａｖ／Ｗｃａｖを１に設定した。図２０に示されるように、受信時にはアスペクト比１でもアスペクト比２でも同様な傾向が観察された。同様に、図２１に示されるように、送信時でもアスペクト比１およびアスペクト比２で同様な傾向が観察された。図２２〜図２４に示されるように、振動板８２の輪郭形状が円形、六角形または楕円に変更されても、同様な傾向が観察された。

次に本発明者は腕幅Ｗａｒｍおよび振動板８２の幅Ｗｃａｖの比Ｗａｒｍ／Ｗｃａｖを変化させ同様に検証を実施した。振動板８２のアスペクト比Ｌｃａｖ／Ｗｃａｖは２に設定された。下電極８４の幅Ｗｂｅは（圧電体膜８３の幅Ｗｐｚ−８［μｍ］）で設定された。振動板８２の幅Ｗｃａｖは、共振周波数を一定に維持するように比Ｗａｒｍ／Ｗｃａｖの値ごとに設定された。そうしなければ、腕幅Ｗａｒｍが短くなるにつれて共振周波数が高くなり、受信時の生成電圧を平等に比較できない。計算処理の結果、図２５に示されるように、共振周波数の高低に拘わらず比Ｗａｒｍ／Ｗｃａｖ＝０．１５程度で生成電圧のピーク値が観察された。最大生成電圧の０．８倍を使用範囲と定義すると、比Ｗａｒｍ／Ｗｃａｖが０．０２以上０．３以下に設定されると、受信特性の向上が期待できることが理解される。

本発明者は腕幅Ｗａｒｍおよび振動板８２の幅Ｗｃａｖの比Ｗａｒｍ／Ｗｃａｖに応じて受信感度を実測した。振動板８２のアスペクト比Ｌｃａｖ／Ｗｃａｖは１０に設定された。振動板８２の幅Ｗｃａｖは一定に維持された。図２６に示されるように、腕幅Ｗａｒｍが短くなるにつれて共振周波数は高くなる傾向にあった。実測の結果、比Ｗａｒｍ／Ｗｃａｖの０．１〜０．２程度で生成電圧のピーク値が観察された。同様に、本発明者はシミュレーションを実施した。図２７に示されるように、比Ｗａｒｍ／Ｗｃａｖの０．２〜０．３程度で生成電圧のピーク値が観察された。

次に本発明者は振動板の表面に直交する平面視で上電極と下電極との重なり具合を変化させて同様に検証を実施した。図２８に示されるように、本発明者はシミュレーションモデル９１に基づき振動板９２のアスペクト比Ｌｃａｖ／Ｗｃａｖを１に設定した。重なり具合の設定にあたって上電極９３および下電極９４に挟まれた円形の輪郭の部分圧電体（以下「交差部」という）９５が規定された。交差部９５の直径がパラメーターとして利用された。交差部９５の中心は振動板９２の重心に重ねられた。振動板９２の輪郭の各辺の大きさは３９．５μｍに設定された。図２９に示されるように、規格化された受信感度の０．９倍以上を使用範囲と定義すると、交差部９５の面積Ｓｅｌｅが振動板９２の面積Ｓｃａｖに対して１％以上２０％以下であれば、高い受信感度が得られることが理解される。ただし、本検証では各辺の大きさが３９．５μｍに設定されたものの、各辺の大きさが２０μｍ以上１００μｍの範囲内であれば、同様な結果が得られる。

今回の検証では振動板の酸化シリコン層５１は膜厚１０７０ｎｍに設定されたものの、膜厚１０００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下の範囲で有効な効果は得られる。圧電体膜５５の膜厚は１３５０ｎｍに設定されたものの、膜厚５００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下の範囲で有効な効果は得られる。下電極７４、８４、９４の膜厚は１５０ｎｍに設定されたものの、膜厚５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲で有効な効果は得られる。上電極７５、８５、９３の膜厚は５０ｎｍに設定されたものの、膜厚１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲で有効な効果は得られる。

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、超音波診断装置１１、超音波プローブ１３、超音波デバイス１７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処理部（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、１７超音波センサー（超音波デバイス）、２４振動板、５４下電極、５５圧電体（圧電体膜）、５６上電極、７２振動板、７３圧電体（圧電体膜）、７４下電極、７５上電極、７６導電膜、８２振動板、８３圧電体（圧電体膜）、８４下電極、８５上電極、Ｄ１第１方向、Ｄ２第２方向。

Claims

振動板と、
前記振動板に積層されて、前記振動板の表面に沿って第１方向に長さＬを有し、前記振動板の表面に沿って前記第１方向に直交する第２方向に前記長さＬ以下の幅Ｗｂｅを有する下電極と、
前記下電極に積層されて、前記第２方向に幅Ｗｐｚを有する圧電体と、
前記圧電体に積層される上電極と、を備え、
下電極の幅Ｗｂｅと圧電体の幅Ｗｐｚとの比Ｗｂｅ／Ｗｐｚは０．１以上０．８以下であることを特徴とする超音波センサー。
請求項１に記載の超音波センサーにおいて、前記比Ｗｂｅ／Ｗｐｚは０．５以下であることを特徴とする超音波センサー。
請求項１または２に記載の超音波センサーにおいて、前記振動板の表面に直交する平面視で前記圧電体の輪郭から前記第２方向に前記振動板の輪郭までの距離は前記振動板の幅の０．０２倍以上０．３倍以下であることを特徴とする超音波センサー。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波センサーにおいて、前記第１方向に前記上電極は前記圧電体よりも小さい面積を有することを特徴とする超音波センサー。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波センサーにおいて、前記振動板の前記第２方向の幅Ｗｃａｖと第１方向の長さＬｃａｖとのアスペクト比Ｌｃａｖ／Ｗｃａｖは１以上２以下であることを特徴とする超音波センサー。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波センサーにおいて、前記振動板の表面に直交する平面視で前記上電極と前記下電極との重なりの面積は、前記平面視で輪郭で規定される前記振動板の面積に対して１％以上２０％以下の範囲であることを特徴とする超音波センサー。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の超音波センサーにおいて、前記振動板の輪郭は円形、六角形および楕円のいずれかであることを特徴とする超音波センサー。
請求項１〜７のいずれか１項に記載の超音波センサーと、前記超音波センサーを支持する筐体とを備えることを特徴とするプローブ。
請求項１〜７のいずれか１項に記載の超音波センサーと、前記超音波センサーに接続されて、前記超音波センサー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。
請求項１〜７のいずれか１項に記載の超音波センサーと、前記超音波センサー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。