JP6519212B2 - 圧電素子、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
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Description
本発明は、圧電素子、および、それを含む圧電デバイス、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、薄膜型の超音波トランスデューサー素子は一般に知られる。超音波トランスデューサー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。圧電体膜は均一な膜厚で形成される。
圧電体が歪みやすいと、超音波に対して歪み量が増大し、生成電圧は増大する。この歪みが一定であれば生成電圧は電極に挟まれた圧電体膜の厚みに比例して増大する。しかしながら、圧電体膜の厚みが増大すると、製造過程で圧電体膜にクラックが入り易いという課題があった。
こうした実情に鑑み、圧電体のクラックを回避し、圧電体の圧電効果を最大限に生かすことができる圧電素子が望まれる。
（１）本発明の一態様は、振動膜と、前記振動膜上に配置される圧電体と、前記圧電体上に配置される第１電極と、前記圧電体上であって前記第１電極と隔てられた位置に配置される第２電極と、前記振動膜の厚み方向からの平面視で、前記第１電極および前記第２電極の間に位置し前記圧電体の表面を２分割する溝とを備える圧電素子に関する。
振動膜に超音波が作用すると、振動膜は超音波振動する。振動膜の超音波振動に応じて圧電体の歪みが引き起こされる。圧電体の歪みは圧電効果に基づき電極間に電圧を生み出す。圧電体膜に対して水平方向に配置された第１電極および第２電極の距離が増大すると、圧電体膜の厚みの増加を伴わなくても生成電圧は増大する。このとき、溝の働きで圧電体の厚みは縮小される。厚みの縮小に応じて振動膜の撓み抵抗は減少し、電極間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、圧電素子では圧電体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、圧電体は溝で局所的に厚みを減少させることから、第１電極および第２電極の間で圧電体の歪みは集中し、効率的に圧電効果は利用されることができる。
（２）前記溝は、前記第１電極および前記第２電極の間から外側に前記圧電体の縁に向かって延び、前記圧電体の一面を横切ってもよい。溝は、圧電体の縁から縁へ完全に一面を横切ることから、圧電体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。
（３）前記溝は、前記第１電極および前記第２電極の間から外側に前記圧電体の縁に向かって延び、前記第１電極および前記第２電極の間の空間と前記圧電体の前記縁との間で途切れてもよい。こうして溝は圧電体の一面を完全に横切らなくてもよい。電極同士の間で局所的に圧電体の厚みは減少することから、電極同士の間で歪みは増大し、効率的に圧電効果は利用されることができる。
（４）前記溝は、前記平面視で前記振動膜の重心を通る直線に沿って延びればよい。振動膜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が配置されると、生成電圧は増大する。
（５）前記振動膜は前記平面視で矩形に形成され、前記溝は前記矩形のいずれかの辺に平行に延設されていればよい。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の撓みは最大化する。こうして撓みやすい位置で溝が延びると、生成電圧は増大する。
（６）前記圧電体は前記平面視で前記直線に対して線対称に形成されればよい。圧電体の挙動は対称性を維持する。したがって、振動膜の振動時に圧電体の挙動は安定化する。
（７）前記溝には前記圧電体よりもヤング率が小さい保護膜が形成されることができる。こうして圧電体は例えば水などから保護される。保護膜のヤング率は圧電体よりも小さいことから、振動膜の振動は妨げられない。
（８）前記保護膜は前記溝に充填された音響整合層であればよい。こうして音響整合層は保護膜を兼ねることができる。
（９）前記平面視における前記第１電極の前記溝の長手方向に沿う幅および前記第２電極の前記溝の長手方向に沿う幅は、前記平面視における前記圧電体の前記溝の長手方向に沿う幅より小さければよい。第１電極および第２電極と振動膜の縁との重なりはできる限り回避される。第１電極および第２電極は振動膜の振動を妨げない。
（１０）前記圧電体は前記平面視において前記振動膜の領域内にのみ配置されればよい。圧電体は振動膜の振動を妨げない。
（１１）前記厚み方向に前記溝で特定される前記圧電体の厚みｔ１と、前記厚み方向に前記溝以外で特定される前記圧電体の厚みｔ２との間には、
の関係が成立すればよい。発明者の検証によれば、こうした関係が成立すると、溝で歪みが集中し、溝の効果は達成されることが確認された。
（１２）前記厚みｔ１および前記厚みｔ２の間には、
の関係が成立すればよい。こうした関係が成立すると、溝６４は効果的に受信感度の向上に寄与することが確認された。
（１３）前記厚みｔ１および前記厚みｔ２の間には、
の関係が成立してもよい。厚み比が０．４以上で設定されれば、スループットは最大限に高められることができる。
（１４）圧電素子は圧電デバイスに組み込まれて利用されることができる。このとき、圧電デバイスは、前記圧電素子と、第２振動膜と、前記第２振動膜上に配置される第２圧電体と、前記第２圧電体上に配置される第３電極と、前記第２圧電体上であって前記第３電極と隔てられた位置に配置される第４電極と、前記第２振動膜の厚み方向からの平面視で、前記第３電極および前記第４電極の間に位置し前記第２圧電体の表面を２分割する第２溝と、前記第２電極と前記第３電極を電気接続する導電体部とを備えればよい。２つの圧電素子が直列に接続されるので、変形によって発生する電圧が増加し感度が向上する。
（１５）圧電素子は圧電デバイスに組み込まれて利用されることができる。このとき、圧電デバイスは、前記圧電素子と、第２振動膜と、前記第２振動膜上に配置される第３電極と、前記第３電極上に配置される第２圧電体と、前記第２圧電体上に配置される第４電極とを備えればよい。振動膜、圧電体、第１電極および第２電極で形成される圧電素子は音波の受信にあたって利用されることができ、第２振動膜、第２圧電体、第３電極および第４電極で形成される圧電素子は音波の発信にあたって利用されることができる。前者の圧電素子は後者の圧電素子に比べて高い感度を有することから、音波の解像度は向上する。
（１６）圧電素子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、前述の圧電素子を複数有すればよい。圧電体膜に対して水平方向に配置された第１電極および第２電極の距離が増大すると、圧電体膜の厚みの増加を伴わなくても生成電圧は増大する。このとき、溝の働きで圧電体の厚みは縮小される。厚みの縮小に応じて振動膜の撓み抵抗は減少し、電極間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、圧電素子では圧電体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。
（１７）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を複数有すればよい。プローブでは、２つの圧電素子が直列に接続されるので、変形によって発生する電圧が増加し感度が向上する。
（１８）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を複数有すればよい。振動膜、圧電体、第１電極および第２電極で形成される圧電素子は音波の受信にあたって利用されることができ、第２振動膜、第２圧電体、第３電極および第４電極で形成される圧電素子は音波の発信にあたって利用されることができる。前者の圧電素子は後者の圧電素子に比べて高い感度を有することから、音波の解像度は向上する。
（１９）圧電素子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、前述の圧電素子を複数有すればよい。圧電体膜に対して水平方向に配置された第１電極および第２電極の距離が増大すると、圧電体膜の厚みの増加を伴わなくても生成電圧は増大する。このとき、溝の働きで圧電体の厚みは縮小される。厚みの縮小に応じて振動膜の撓み抵抗は減少し、電極間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、圧電素子では圧電体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。
（２０）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を複数有すればよい。電子機器では、２つの圧電素子が直列に接続されるので、変形によって発生する電圧が増加し感度が向上する。
（２１）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を複数有すればよい。振動膜、圧電体、第１電極および第２電極で形成される圧電素子は音波の受信にあたって利用されることができ、第２振動膜、第２圧電体、第３電極および第４電極で形成される圧電素子は音波の発信にあたって利用されることができる。前者の圧電素子は後者の圧電素子に比べて高い感度を有することから、音波の解像度は向上する。
（２２）電子機器は、前記圧電素子に接続されて、前記圧電素子に分極電圧を供給する分極回路と、前記圧電素子に接続されて、前記圧電素子から圧電効果に基づき電圧を受信する受信回路と、前記圧電素子に対して前記分極回路および前記受信回路の接続を切り替えるスイッチとを備えてもよい。こうして圧電素子は必要に応じて適宜に分極される。分極状態が適切に維持されるので、感度が適切に維持される。
（２３）圧電素子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、前述の圧電素子を複数有すればよい。圧電体膜に対して水平方向に配置された第１電極および第２電極の距離が増大すると、圧電体膜の厚みの増加を伴わなくても生成電圧は増大する。このとき、溝の働きで圧電体の厚みは縮小される。厚みの縮小に応じて振動膜の撓み抵抗は減少し、電極間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、圧電素子では圧電体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。
（２４）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を複数有すればよい。超音波画像装置では、２つの圧電素子が直列に接続されるので、変形によって発生する電圧が増加し感度が向上する。
（２５）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を複数有すればよい。振動膜、圧電体、第１電極および第２電極で形成される圧電素子は音波の受信にあたって利用されることができ、第２振動膜、第２圧電体、第３電極および第４電極で形成される圧電素子は音波の発信にあたって利用されることができる。前者の圧電素子は後者の圧電素子に比べて高い感度を有することから、音波の解像度は向上する。
（２６）超音波画像装置は、前記圧電素子に接続されて、前記圧電素子に分極電圧を供給する分極回路と、前記圧電素子に接続されて、前記圧電素子から圧電効果に基づき電圧を受信する受信回路と、前記圧電素子に対して前記分極回路および前記受信回路の接続を切り替えるスイッチとを備えてもよい。こうして圧電素子は必要に応じて適宜に分極される。分極状態が適切に維持されるので、感度が適切に維持される。
（２７）本発明の他の態様は、振動膜と、前記振動膜上に配置される圧電体と、前記圧電体の一面上に配置される第１信号電極と、前記圧電体の前記一面上であって前記第１信号電極と隔てられた位置に配置される第２信号電極と、前記振動膜の厚み方向からの平面視で、前記第１信号電極および前記第２信号電極の間に位置し、前記振動膜の表面に直交する方向に前記圧電体の厚みを縮小する溝とを備える圧電素子に関する。
振動膜に超音波が作用すると、振動膜は超音波振動する。振動膜の超音波振動に応じて圧電体の歪みが引き起こされる。圧電体の歪みは圧電効果に基づき電極間に電圧を生み出す。圧電体膜に対して水平方向に配置された第１電極および第２電極の距離が増大すると、圧電体膜の厚みの増加を伴わなくても生成電圧は増大する。このとき、溝の働きで圧電体の厚みは縮小される。厚みの縮小に応じて振動膜の撓み抵抗は減少し、電極間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、圧電素子では圧電体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、圧電体は溝で局所的に厚みを減少させることから、第１電極および第２電極の間で圧電体の歪みは集中し、効率的に圧電効果は利用されることができる。
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。
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ＤＶが収容される。超音波デバイスユニットＤＶは超音波デバイス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ＤＶは配線基板ＷＢを備える。超音波デバイス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。
図２に示されるように、超音波デバイスユニットＤＶは配線基板ＷＢを備える。超音波デバイス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圧電素子」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圧電素子」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。送信アレイＴＲは基体２１の表面に形成される。第２圧電素子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圧電素子２３群は奇数列の第２圧電素子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。
図３は送信アレイＴＲの領域に関し超音波デバイス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。送信アレイＴＲは基体２１の表面に形成される。第２圧電素子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圧電素子２３群は奇数列の第２圧電素子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。
個々の第２圧電素子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）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（第４電極）２６、下電極（第３電極）２７および圧電体膜（第２圧電体）２８で構成される。個々の第２圧電素子２３ごとに振動膜２４上に下電極２７が配置され、下電極２７上に圧電体膜２８が配置され、圧電体膜２８上に上電極２６が配置される。これらは下電極２７、圧電体膜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の間に圧電体膜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圧電素子２３ごとに１本の第１導電体２９が割り当てられる。１本の第１導電体２９は配列の行方向に並ぶ第２圧電素子２３の圧電体膜２８に共通に接続される。第１導電体２９は個々の第２圧電素子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。引き出し配線３１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１導電体２９は同一長さを有する。こうしてマトリクス全体の第２圧電素子２３に共通に上電極２６は接続される。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圧電素子２３ごとに１本の第２導電体３２が割り当てられる。１本の第２導電体３２は配列の列方向に並ぶ第２圧電素子２３の圧電体膜２８に共通に配置される。第２導電体３２は個々の第２圧電素子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列の第２圧電素子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第２圧電素子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１９ｂ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圧電素子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。仕切り壁４７の壁厚みは開口部４６の間隔に相当する。仕切り壁４７は相互に平行に広がる平面内に２つの壁面を規定する。壁厚みは２つの壁面の距離に相当する。すなわち、壁厚みは壁面に直交して壁面の間に挟まれる垂線の長さで規定されることができる。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の表面に酸化シリコン層４８（下電極）と、酸化ジルコニウム層４９（圧電体膜２８）および上電極２６が順番に積層される。圧電体膜２８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２８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導電体２９の下で圧電体膜２８は完全に第２導電体３２を覆う。圧電体膜２８の働きで第１導電体２９と第２導電体３２との間で短絡は回避されることができる。
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）第１実施形態に係る受信アレイの構成
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圧電素子５７の配列は複数行複数列のマトリクスで形成される。個々の第１圧電素子５７は振動膜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（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および圧電体膜（圧電体）６３で構成される。第１電極６１および第２電極６２は圧電体膜６３上に配置される。第２電極６２は圧電体膜６３上で第１電極６１から隔てられる位置に配置される。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。
図５は受信アレイＲＲの領域に関し超音波デバイス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圧電素子５７の配列は複数行複数列のマトリクスで形成される。個々の第１圧電素子５７は振動膜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（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および圧電体膜（圧電体）６３で構成される。第１電極６１および第２電極６２は圧電体膜６３上に配置される。第２電極６２は圧電体膜６３上で第１電極６１から隔てられる位置に配置される。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。
圧電体膜６３の表面には第１電極６１および第２電極６２の間で溝６４が形成される。溝６４は、第１電極６１および第２電極６２の間から外側に圧電体膜６３の縁に向かって延び、圧電体膜６３の一面を横切る。溝６４は、第１電極６１および第２電極６２の間で圧電体膜６３の表面を２分割するだけでなく、圧電体膜６３の縁から縁まで完全に一面を横切ることから圧電体膜６３の一面を２分割する。すなわち、圧電体膜６３の表面の外縁部２個所を結ぶように溝６４が延設される。ここでは、溝６４は、平面視で振動膜５８の重心（輪郭の図心）を通る直線６５に沿って延びる。直線６５は振動膜５８の輪郭の長辺に平行に延びる。このとき、第１電極６１および第２電極６２は、圧電体膜６３の表面に直交し溝６４の一端および他端を仕切る２つの仮想垂直面６６の内側で広がる。圧電体膜６３は仮想垂直面６６に平行に規定される振動膜５８の２つの輪郭線の内側で広がる。したがって、第１電極６１の溝６４の長手方向に沿う幅および第２電極６２の溝６４の長手方向に沿う幅は平面視における圧電体膜６３の溝６４の長手方向に沿う幅より小さい。圧電体膜６３は平面視において振動膜５８の領域内にのみ配置される。圧電体膜６３は平面視で直線６５に対して線対称に形成される。
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圧電素子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圧電素子５７は直列に接続される。すなわち、行内で隣り合う第１圧電素子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３３ａ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圧電素子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の表面に圧電体膜６３は固定される。圧電体膜６３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。ただし、圧電体膜６３にはその他の圧電材料が用いられてもよい。圧電体膜６３の頂上面で溝６４は均一な幅Ｗｔを有すればよく均一な深さＤｔを有すればよい。第１電極６１および第２電極６２は溝６４の縁で途切れればよい。溝６４には音響整合層（保護膜）５１が充填される。音響整合層５１は圧電体膜６３よりも小さいヤング率を有する。溝６４は、振動膜５８の表面に直交する方向に圧電体膜６３の厚みを縮小する。
（５）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圧電素子２３に供給される。個々の第２圧電素子２３では下電極２７および上電極２６の間で圧電体膜２８に電界が作用する。圧電体膜２８は超音波の周波数で振動する。圧電体膜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。
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圧電素子２３に供給される。個々の第２圧電素子２３では下電極２７および上電極２６の間で圧電体膜２８に電界が作用する。圧電体膜２８は超音波の周波数で振動する。圧電体膜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圧電素子５７の通電は切り替えられる。複数列の１群ごとに第１圧電素子５７は超音波を受信する。超音波の反射波は振動膜５８を振動させる。振動膜５８の超音波振動は所望の周波数で圧電体膜６３を超音波振動させる。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。個々の第１圧電素子５７では第１電極６１と第２電極６２との間で電位が生成される。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圧電素子５７では第１電極６１および第２電極６２の距離が増大すると、圧電体膜６３の厚みの増加を伴わなくても圧電体膜６３の歪み量は増大する。生成電圧は増大する。このとき、溝６４の働きで圧電体膜６３の厚みは縮小される。図７に示されるように、厚みの縮小に応じて振動膜５８の撓み抵抗は減少し、電極間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圧電素子５７では圧電体膜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、圧電体膜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、圧電体膜６３は溝６４で局所的に厚みを減少させることから、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膜６３の歪みは集中し、効率的に圧電効果は利用されることができる。
溝６４は平面視で振動膜５８の重心を通る直線６５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６４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６４が延びると、生成電圧は増大する。ここでは、溝６４は、圧電体膜６３の縁から縁へ完全に一面を横切ることから、圧電体膜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。圧電体膜６３は平面視で直線６５に対して線対称に形成され、圧電体膜６３の挙動は対称性を維持する。したがって、振動膜５８の振動時に圧電体膜６３の挙動は安定化する。
溝６４には音響整合層５１が充填される。音響整合層５１は保護膜として機能する。こうして圧電体膜６３は例えば水などから保護される。音響整合層５１は圧電体膜６３に比べて小さいヤング率を有することから、振動膜５８の振動は妨げられない。
第１圧電素子５７では第１電極６１および第２電極６２は２つの仮想垂直面６６の内側で広がる。第１電極６１および第２電極６２と振動膜５８の縁との重なりはできる限り回避される。第１電極６１および第２電極６２は振動膜５８の振動を妨げない。同様に、平面視における第１電極６１の溝６４の長手方向に沿う幅および第２電極６２の溝６４の長手方向に沿う幅は、平面視における圧電体膜６３の溝６４の長手方向に沿う幅より小さい。圧電体膜６３は振動膜５８の領域内にのみ配置される。圧電体膜６３は振動膜５８の振動を妨げない。
受信アレイＲＲでは個々の行内で第１圧電素子５７の第１電極６１に隣接する第１圧電素子５７の第２電極６２が接続される。１行の第１圧電素子５７は電気的に直列に接続される。したがって、変形によって発生する電圧が増加し感度は向上する。
前述のように、超音波デバイス１７では第１圧電素子５７は超音波の受信にあたって利用されることができ、第２圧電素子２３は超音波の発信にあたって利用されることができる。第１圧電素子５７は第２圧電素子２３に比べて高い感度を有することから、超音波の解像度は向上する。
（６）第１超音波トランスデューサー素子の製造方法
次に、第１圧電素子５７の製造方法を簡単に説明する。図８に示されるように、基板７５が用意される。基板７５は例えばシリコンから形成される。基板７５の表面には酸化シリコン層７６および酸化ジルコニウム層７７が形成される。酸化シリコン層７６の形成にあたって例えば基板７５の表面に熱処理が施されればよい。基板７５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７７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。
次に、第１圧電素子５７の製造方法を簡単に説明する。図８に示されるように、基板７５が用意される。基板７５は例えばシリコンから形成される。基板７５の表面には酸化シリコン層７６および酸化ジルコニウム層７７が形成される。酸化シリコン層７６の形成にあたって例えば基板７５の表面に熱処理が施されればよい。基板７５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７７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。
図９に示されるように、被覆膜４５の表面に圧電体膜６３および下地導電膜７８が形成される。べた膜の圧電材料膜上で下地導電膜７８はパターニングされる。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膜６３は形成される。下地導電膜７８は圧電体膜６３の頂上面に積層される。
図１０に示されるように、下地導電膜７８上にべた膜の電極膜が形成される。電極膜はエッチング処理に曝される。規定のパターニングに従って電極膜から第１電極６１、第２電極６２、第３導電体６７および第４導電体６８は形成される。このとき、圧電体膜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６４が形成される。溝６４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７５には裏面から開口部４６が形成される。
（７）第１超音波トランスデューサー素子の検証
本発明者は圧電体膜６３上の溝６４の働きを検証した。検証にあたって音圧に対する歪みの大きさ（歪み音圧比）が算出された。算出にあたって縦横比１０：１の振動膜が設定された。溝の幅Ｗｔは、振動膜２４の幅に対して１７％、４２％および６７％に設定された。従来構造として圧電体膜に溝なしの振動膜が用意された。長手方向からの中心線からの距離に応じて振動膜の歪み音圧比が変化する様子を図１１に示す。溝６４では圧電体膜の厚みの減少に応じて歪みが増大することが確認された。しかも、溝ありでは、溝なしに比べて振動膜の縁近辺で歪みが抑制されることが見出された。
本発明者は圧電体膜６３上の溝６４の働きを検証した。検証にあたって音圧に対する歪みの大きさ（歪み音圧比）が算出された。算出にあたって縦横比１０：１の振動膜が設定された。溝の幅Ｗｔは、振動膜２４の幅に対して１７％、４２％および６７％に設定された。従来構造として圧電体膜に溝なしの振動膜が用意された。長手方向からの中心線からの距離に応じて振動膜の歪み音圧比が変化する様子を図１１に示す。溝６４では圧電体膜の厚みの減少に応じて歪みが増大することが確認された。しかも、溝ありでは、溝なしに比べて振動膜の縁近辺で歪みが抑制されることが見出された。
本発明者は第１圧電素子の受信感度を検証した。検証にあたって本発明者は第１圧電素子を試作した。ハイドロホンに１〜１０ＭＨｚの周波数で正弦波１波（もしくは１０波）が入力され、水中で発生した超音波を第１圧電素子で受信したときに、第１圧電素子に発生した電圧を測定した。本発明者は比較例を用意した。比較例では第２圧電素子と同様な構造が確立された。図１２に示されるように、第２圧電素子に比べて第１圧電素子の受信感度は高まることが確認された。
さらに、本発明者は第１圧電素子で圧電体膜６３中の電気力線を検証した。検証にあたってコンピューターシミュレーションが実施された。その結果、図１３に示されるように、圧電体膜６３の頂上面に第１電極６１および第２電極６２が設置されても、電気力線は圧電体膜６３中を満遍なく流通することが確認された。したがって、第１圧電素子５７に係る構造の有用性が確認された。
さらに、本発明者は第１圧電素子で残留分極の大きさを検証した。検証にあたってコンピューターシミュレーションが実施された。本発明者は比較例を用意した。比較例では第２圧電素子と同様な構造が確立された。図１４に示されるように、第１圧電素子では第２圧電素子の構造に比べて大きい残留分極が得られることが確認された。こうして十分に分極が残留すると、いちど分極処理が実施されれば、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。前述のように第１圧電素子５７が直列に接続されると、圧電体膜６３の分極にあたって高い分極電圧が要求されるものの、こうして大きい残留分極が確保されれば超音波受信時の分極電圧の印加は省略されることができ、消費電力の低減に寄与することができる。
本発明者は溝６４の深さＤｔを変化させつつ第１圧電素子の受信感度を観察した。観察にあたってコンピューターシミュレーションが実施された。図１５に示されるように、本発明者はシミュレーションモデルを構築した。第１圧電素子５７は直線６５に関して線対称に形成されることから、シミュレーションモデルは直線６５の片側で構成された。振動膜２４および圧電体膜６３は正方形の輪郭に形成された。電極６１と電極６２とを隔てる溝６４の幅Ｗｔは６［μｍ］に設定された。酸化シリコン層４８の膜厚は１０７０［ｎｍ］に設定された。酸化ジルコニウム層４９の膜厚は４００［ｎｍ］に設定された。溝６４で特定される圧電体膜６３の厚みｔ１は２７０［ｎｍ］に設定された。深さＤｔの変更にあたって、溝６４以外で特定される圧電体膜６３の厚みｔ２が変更された。第１電極６１および第２電極６２の膜厚は５０［ｎｍ］に設定された。膜厚および厚みｔ１、ｔ２は全て振動膜２４の厚み方向に特定された。
図１６に示されるように、溝６４以外で厚みｔ２が増加し溝６４の深さＤｔが増加すると、受信感度は高まることが確認された。ただし、厚みｔ２が６７５［ｎｍ］を超えると、受信感度は低下していくことが確認された。厚みｔ２が１３５０［ｎｍ］に達すると、均一厚みｔ２の圧電体膜６３（溝なし）と等しい受信感度に戻ることが確認された。
図１７に示されるように、厚み比（＝ｔ１／ｔ２）が０．２を下回ると、受信感度は均一厚みｔ２の圧電体膜よりも低下することが容易く想定される。したがって、次式の関係が成立すると、溝で歪みが集中し、溝の効果は達成されることが確認された。
図１７から読み取られるように、厚み比が１．０から減少し始め０．６に至るまで、受信感度（規格化）の変化は単純に厚み比の影響すなわち溝６４の形成効果に支配されることが予想される。すなわち、溝状の構造が振動膜２４の中央位置に形成されることで、音圧による応力が溝６４の領域に集中して第１電極６１および第２電極６２の間で圧電体膜６３の面内ひずみが増大し、結果として圧電効果による電圧が増大する。一方、厚み比が０．６を下回ると、受信感度の向上を妨げる要因すなわち電極下の圧電体膜６３の厚みｔ２が増大することにより圧電素子５７構造全体が固くなる効果が影響し始めることが見出された。すなわち、単純に溝６４の深さＤｔが増大すれば受信感度が向上するわけではなく、受信感度を最適化するＤtには最適な範囲がある。その範囲は、溝６４の圧電体膜６３の厚みｔ１と電極下の圧電体膜６３の厚みｔ２との比によって規定される。図１７から、次式が成立すると溝６４は効果的に受信感度の向上に寄与することが確認された。
図１７から明らかなように、厚み比が０．４に達すると受信感度は最大限に高まることが確認された。厚み比が０．４を下回ると、受信感度の低下が観察された。溝６４の形成にあたって深さＤｔが深まれば深まるほど、形成の処理時間は増加する。スループットは悪化する。加えて、除去される圧電体材料の体積は増大する。したがって、厚み比が０．４以上で設定されれば、スループットは最大限に高められることができる。
図１８に示されるように、厚み比が変化しても振動膜２４の固有周波数は１ＭＨｚ以上大きく変化しないことが確認された。したがって、圧電体膜６３に溝６４を形成して受信感度を高める手段をとったとしても、本実施形態の範囲であれば圧電素子５７の振動特性が変動しないことがわかる。固有周波数は音波の波長に反比例し、波長を介して圧電素子５７の空間分解能を決定するため、固有周波数の低下は分解能の低下につながる。そのため受信感度が向上する圧電素子５７の構造をとったとしても、固有周波数が低下することは、素子の設計上好ましくない。
（８）第２実施形態に係る受信アレイの構成
図１９に示されるように、受信アレイＲＲでは、溝６４は、第１電極６１および第２電極６２の間から外側に圧電体膜６３の縁に向かって延び、第１電極６１および第２電極６２の間の空間と圧電体膜６３の縁との間で途切れる。溝６４は、仮想垂直面６６の外側まで延びるものの、圧電体膜６３の縁まで達しない。こうして溝６４は圧電体膜６３の一面を完全に横切らなくてもよい。この場合でも、電極６１、６２同士の間で局所的に圧電体膜６３の厚みは減少することから、電極６１、６２同士の間で電気力線の経路に圧電体膜６３の歪みは集中し、効率的に圧電効果は利用されることができる。
図１９に示されるように、受信アレイＲＲでは、溝６４は、第１電極６１および第２電極６２の間から外側に圧電体膜６３の縁に向かって延び、第１電極６１および第２電極６２の間の空間と圧電体膜６３の縁との間で途切れる。溝６４は、仮想垂直面６６の外側まで延びるものの、圧電体膜６３の縁まで達しない。こうして溝６４は圧電体膜６３の一面を完全に横切らなくてもよい。この場合でも、電極６１、６２同士の間で局所的に圧電体膜６３の厚みは減少することから、電極６１、６２同士の間で電気力線の経路に圧電体膜６３の歪みは集中し、効率的に圧電効果は利用されることができる。
（９）他の実施形態に係る超音波診断装置
図２０は他の実施形態に係る超音波診断装置１１の回路構成を概略的に示す。超音波診断装置１１は超音波デバイス１７の受信アレイＲＲに電気的に接続される集積回路チップ８１を備える。集積回路チップ８１は受信回路８２、マルチプレクサー（スイッチ）８３および分極回路８４を備える。マルチプレクサー８３は第１圧電素子５７群に受信回路８２および分極回路８４を選択的に接続する。受信回路８２は、対の第３導電体６７および第４導電体６８に接続された第１圧電素子５７から圧電効果に基づき電圧を受信する。受信した電圧に応じて超音波は検出される。分極回路８４は個々の第１圧電素子５７に分極電圧を供給する。ここでは、超音波の受信にあたって分極回路８４は第１圧電素子５７から分離される。マルチプレクサー８３は、第１圧電素子５７に対して、受信回路８２の接続および分極回路８４の接続を切り替える。分極電圧の供給は必要に応じて適宜に実施されればよい。
図２０は他の実施形態に係る超音波診断装置１１の回路構成を概略的に示す。超音波診断装置１１は超音波デバイス１７の受信アレイＲＲに電気的に接続される集積回路チップ８１を備える。集積回路チップ８１は受信回路８２、マルチプレクサー（スイッチ）８３および分極回路８４を備える。マルチプレクサー８３は第１圧電素子５７群に受信回路８２および分極回路８４を選択的に接続する。受信回路８２は、対の第３導電体６７および第４導電体６８に接続された第１圧電素子５７から圧電効果に基づき電圧を受信する。受信した電圧に応じて超音波は検出される。分極回路８４は個々の第１圧電素子５７に分極電圧を供給する。ここでは、超音波の受信にあたって分極回路８４は第１圧電素子５７から分離される。マルチプレクサー８３は、第１圧電素子５７に対して、受信回路８２の接続および分極回路８４の接続を切り替える。分極電圧の供給は必要に応じて適宜に実施されればよい。
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や装置端末１２、超音波プローブ１３、ディスプレイパネル１５、筐体１６、音響レンズ１８、第１および第２配線板１９ａ、１９ｂ、基体２１、第２圧電素子２３、音響整合層５１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 圧電デバイス（超音波デバイス）、２３ 第２圧電素子（第２超音波トランスデューサー素子）、２４ 第２振動膜（振動膜）、２６ 第４電極（上電極）、２７ 第３電極（下電極）、２８ 第２圧電体（圧電体膜）、５１ 保護膜（音響整合層）、５７ 圧電素子（第１超音波トランスデューサー素子）、５８ 振動膜、６１ 第１電極、６２ 第２電極、６３ 圧電体（圧電体膜）、６４ 溝、６５ 直線、６６ 仮想垂直面、８２ 受信回路、８３ スイッチ（マルチプレクサー）、８４ 分極回路。
Claims (25)
- 振動膜と、
前記振動膜上に配置される圧電体と、
前記圧電体上に配置される第１電極と、
前記圧電体上であって前記第１電極と隔てられた位置に配置される第２電極と、
前記振動膜の厚み方向からの平面視で、前記第１電極および前記第２電極の間に位置し前記圧電体の表面を２分割する溝と、
を備え、
前記厚み方向に前記溝で特定される前記圧電体の厚みｔ １ と、前記厚み方向に前記溝以外で特定される前記圧電体の厚みｔ ２ との間には、
- 請求項１に記載の圧電素子において、前記溝は、前記第１電極および前記第２電極の間から外側に前記圧電体の縁に向かって延び、前記圧電体の一面を横切ることを特徴とする圧電素子。
- 請求項１に記載の圧電素子において、前記溝は、前記第１電極および前記第２電極の間から外側に前記圧電体の縁に向かって延び、前記第１電極および前記第２電極の間の空間と前記圧電体の前記縁との間で途切れることを特徴とする圧電素子。
- 請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電素子において、前記溝は、前記平面視で前記振動膜の重心を通る直線に沿って延びることを特徴とする圧電素子。
- 請求項４に記載の圧電素子において、前記振動膜は前記平面視で矩形に形成され、前記溝は前記矩形のいずれかの辺に平行に延設されていることを特徴とする圧電素子。
- 請求項４または５に記載の圧電素子において、前記圧電体は前記平面視で前記直線に対して線対称に形成されることを特徴とする圧電素子。
- 請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧電素子において、前記溝には前記圧電体よりもヤング率が小さい保護膜が形成されることを特徴とする圧電素子。
- 請求項７に記載の圧電素子において、前記保護膜は前記溝に充填された音響整合層であることを特徴とする圧電素子。
- 請求項１に記載の圧電素子において、前記平面視における前記第１電極の前記溝の長手方向に沿う幅および前記第２電極の前記溝の長手方向に沿う幅は、前記平面視における前記圧電体の前記溝の長手方向に沿う幅より小さいことを特徴とする圧電素子。
- 請求項９に記載の圧電素子において、前記圧電体は前記平面視において前記振動膜の領域内にのみ配置されていることを特徴とする圧電素子。
- 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の圧電素子において、前記厚みｔ１および前記厚みｔ２の間には、
- 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の圧電素子と、
第２振動膜と、
前記第２振動膜上に配置される第２圧電体と、
前記第２圧電体上に配置される第３電極と、
前記第２圧電体上であって前記第３電極と隔てられた位置に配置される第４電極と、
前記第２振動膜の厚み方向からの平面視で、前記第３電極および前記第４電極の間に位置し前記第２圧電体の表面を２分割する第２溝と、
前記第２電極と前記第３電極を電気接続する導電体部と、
を備えることを特徴とする圧電デバイス。 - 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の圧電素子と、
第２振動膜と、
前記第２振動膜上に配置される第３電極と、
前記第３電極上に配置される第２圧電体と、
前記第２圧電体上に配置される第４電極と、
を備えることを特徴とする圧電デバイス。 - 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の圧電素子を複数有することを特徴とするプローブ。
- 請求項１２に記載の圧電デバイスを複数有することを特徴とするプローブ。
- 請求項１３に記載の圧電デバイスを複数有することを特徴とするプローブ。
- 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の圧電素子を複数有することを特徴とする電子機器。
- 請求項１２に記載の圧電デバイスを複数有することを特徴とする電子機器。
- 請求項１３に記載の圧電デバイスを複数有することを特徴とする電子機器。
- 請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の電子機器において、
前記圧電素子に接続されて、前記圧電素子に分極電圧を供給する分極回路と、
前記圧電素子に接続されて、前記圧電素子から圧電効果に基づき電圧を受信する受信回路と、
前記圧電素子に対して前記分極回路および前記受信回路の接続を切り替えるスイッチと、
を備えることを特徴とする電子機器。 - 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の圧電素子を複数有することを特徴とする超音波画像装置。
- 請求項１２に記載の圧電デバイスを複数有することを特徴とする超音波画像装置。
- 請求項１３に記載の圧電デバイスを複数有することを特徴とする超音波画像装置。
- 請求項２１〜２３のいずれか１項に記載の超音波画像装置において、
前記圧電素子に接続されて、前記圧電素子に分極電圧を供給する分極回路と、
前記圧電素子に接続されて、前記圧電素子から圧電効果に基づき電圧を受信する受信回路と、
前記圧電素子に対して前記分極回路および前記受信回路の接続を切り替えるスイッチと、
を備えることを特徴とする超音波画像装置。 - 振動膜と、
前記振動膜上に配置される圧電体と、
前記圧電体の一面上に配置される第１信号電極と、
前記圧電体の前記一面上であって前記第１信号電極と隔てられた位置に配置される第２信号電極と、
前記振動膜の厚み方向からの平面視で、前記第１信号電極および前記第２信号電極の間に位置し、前記振動膜の表面に直交する方向に前記圧電体の厚みを縮小する溝と、
を備え、
前記厚み方向に前記溝で特定される前記圧電体の厚みｔ １ と、前記厚み方向に前記溝以外で特定される前記圧電体の厚みｔ ２ との間には、
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