JP6613628B2 - 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、圧電デバイスや、それを含むプローブ、並びに、それを利用した電子機器および超音波画像装置等に関する。
特許文献１は超音波変換器のアレイを開示する。超音波変換器は圧電体上に２つの電極を有する。圧電体のひずみεに応じて電圧が生成される。圧電体のひずみεは振動膜の変形に応じて引き起こされる。電極同士の距離が増大すると、生成される電圧は増加する。２つの電極の間にさらなる電極は配置されることができる。
特開２００２−２７１８９７号公報
画像生成にあたって超音波変換器のアレイには受信回路が接続される。受信回路は浮遊容量を有する。浮遊容量の影響で、実測される信号電圧は減少してしまう。
本発明の少なくとも１つの態様によれば、できる限り浮遊容量の影響を低減して、実測される信号電圧の増大に寄与する圧電デバイスは提供されることができる。
（１）本発明の一態様は、振動膜と、前記振動膜上に設けられ、前記振動膜に接する第１面および当該第１面とは反対側の第２面を有する圧電体膜と、前記圧電体膜の前記第２面に設けられ、相互に離れた位置に配置されて前記圧電体膜から離れた位置で相互に短絡する第１電極および第２電極と、前記圧電体膜の前記第２面で前記第１電極および前記第２電極の間に設けられ、前記第１電極および前記第２電極から離れた位置に配置される第３電極とを備え、前記第１電極および前記第２電極の端部の輪郭は少なくとも部分的に第３電極の側部に平行に規定される圧電デバイスに関する。
振動膜が超音波振動すると、振動膜の変形に応じて圧電体膜はひずむ。圧電体膜のひずみε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電極の端部と第３電極の側部との間に静電容量が形成され、第２電極の端部と第３電極の側部との間に静電容量が形成される。第１電極および第２電極と第３電極とが対向する面の面積増大に応じて静電容量は増加する。こうして圧電体膜で生成される信号電圧に対して受信回路の浮遊容量の影響は減少することから、実測される信号電圧は増大する。
（２）前記第１電極および前記第２電極と前記第３電極との間には、最大値を示すひずみの方向に沿って分極処理の電圧経路を形成する位置関係が形成されることができる。圧電体膜では圧電効果の利用にあたって予め分極処理が実施される。分極の極性に応じて圧電体膜内で電荷は移動する。したがって、最大値を示すひずみの方向に分極処理の電界経路が合わせ込まれると、圧電体膜で生成される電圧値は最大化することができる。こうして信号電圧は効率的に増大することができる。
（３）前記第３電極は平面視で前記振動膜の図心上を通過する帯形状に形成されてもよい。振動膜の図心は固定された振動膜の縁から離れた位置にある。したがって、振動膜の図心でひずみは最大値に近い値を示す。こうして振動膜の図心上に形成された第３電極から検出される信号電圧は最大化されることができる。
（４）前記圧電体膜は前記振動膜の図心を含む領域で面内方向にひずみが生じればよい。前述のように、振動膜では図心でひずみは最大値に近い値を示す。したがって、図心上の圧電体膜は最大限にひずむことができる。こうして信号電圧は最大化されることができる。
（５）前記圧電体膜は平面視で前記振動膜の輪郭線よりも内側に位置すればよい。圧電体膜は固定された振動膜の輪郭線に重ならないことから、振動膜のひずみは最大化されることができる。
（６）前記圧電体膜の図心は前記振動膜の図心に重なればよい。振動膜のひずみが最大となる位置と圧電体膜のひずみが最大となる位置をそれぞれ一致させることで、信号電圧は最大化されることができる。
（７）前記振動膜は平面視で矩形の輪郭を有し、前記第１電極および前記第２電極は短辺に沿った方向に前記第３電極から離れていればよい。矩形では辺同士が直角に交差することから、パターニングが簡単であって、配置密度も高められることができる。短辺（正方形ではいずれか一辺）に沿った方向に電極同士が離れていると、短辺に沿った方向に生じる圧電体膜のひずみが最大となることから、信号電圧は最大化されることができる。
（８）圧電デバイスは前記振動膜の長辺に平行な基準線に関して線対称に形成されてもよい。基準線において短辺方向に生じる圧電体膜のひずみが最大となることから、信号電圧は最大化されることができる。
（９）前記第３電極は、前記圧電体膜の短辺に平行に第１幅を有してもよく、前記第１電極および前記第２電極は前記第１幅以上の第２幅で前記圧電体膜の短辺に平行に前記第３電極から離れていてもよい。第１電極と第３電極との間に形成された静電容量および第２電極と第３電極との間に形成された静電容量を低下させることで受信感度は高められることができる。
（１０）前記第１電極と前記第３電極との間、および、前記第２電極と前記第３電極との間には前記第２面に溝が形成されてもよい。溝の深さが大きくなるにしたがって、音圧による圧電体膜のひずみが溝に集中することになることから、受信感度は高められることができる。
（１１）平面視で前記第１電極および前記第２電極と前記第３電極との間で前記振動膜上には導電体以外が配置されればよい。ここに導電体が配置されると、電圧経路が導電体に向かって迂回してしまい、実測される信号電圧は高められることができない。例えば絶縁体といった導電体以外のものが配置されると、確実に信号電圧は高められることができる。
（１２）前記圧電体膜を初期化するプロセスとして、前記第１電極から前記第３電極に向かう電界ベクトルが印加され、かつ、前記第２電極から前記第３電極に向かう電界ベクトルが印加されてもよい。
（１３）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、プローブは複数の圧電デバイスを有すればよい。
（１４）プローブは、スライス方向に配置される前記圧電デバイスに共通に前記第３電極を形成する導電体を備えてもよい。こうしてプローブでは配線の複雑化はできる限り回避されることができる。
（１５）プローブは、スキャン方向に配置される前記圧電デバイスに共通に前記第１電極を形成する導電体と、スキャン方向に配置される前記圧電デバイスに共通に前記第２電極を形成する導電体とを備えてもよい。こうして配線の複雑化はできる限り回避されることができる。
（１６）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てもよい。このとき、超音波画像装置は複数の圧電デバイスを有すればよい。
（１７）超音波画像装置は、スライス方向に配置される前記圧電デバイスに共通に前記第３電極を形成する導電体を備えてもよい。こうして超音波画像装置では配線の複雑化はできる限り回避されることができる。
（１８）超音波画像装置は、スキャン方向に配置される前記圧電デバイスに共通に前記第１電極を形成する導電体と、スキャン方向に配置される前記圧電デバイスに共通に前記第２電極を形成する導電体とを備えてもよい。こうして超音波画像装置では配線の複雑化はできる限り回避されることができる。
（１９）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、電子機器は複数の圧電デバイスを有すればよい。
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ユニット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。 シミュレーションモデルを概略的に示す平面図である。 圧電体膜の構造ひずみの算出結果を示すグラフである。 （ａ）第３電極の第１幅と受信感度との関係、および（ｂ）第３電極の第１幅と静電容量との関係を示すグラフである。 （ａ）電極間の間隔（＝第２幅）と受信感度との関係、および（ｂ）電極間の間隔（＝第２幅）と静電容量との関係を示すグラフである。 シミュレーションモデルを概略的に示す平面図である。 シミュレーションモデルを概略的に示す平面図である。 共振周波数の算出結果を示すグラフである。 シミュレーションモデルごとに受信感度および静電容量を示すグラフである。 第２実施形態に係る超音波デバイスユニットの構成を概略的に示す拡大部分平面図である。 第３実施形態に係る超音波デバイスユニットの構成を概略的に示す拡大部分平面図である。 第４実施形態に係る超音波デバイスユニットの構成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。
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ユニット２６は配置される。超音波デバイスユニット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。超音波デバイスユニット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）超音波デバイスユニットの構成
図３は一実施形態に係る超音波デバイスユニット２６の構成を概念的に示す。超音波デバイスユニット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。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ユニット２６の構造をさらに詳細に示す。超音波デバイスユニット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。超音波デバイスユニット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。送信ユニット３４は複数の第１圧電デバイス３６を有する。個々の第１圧電デバイス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上には圧電素子３８が形成される。圧電素子３８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。これらは順番に重ねられる。
基体３３の表面には複数本の第１信号電極線４５が形成される。第１信号電極線４５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４５は１つに纏められる。第１信号電極線４５は個々の第１圧電デバイス３６ごとに下電極４１を形成する。第１信号電極線４５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４５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（スキャン方向）に延びる第１共通電極線４６が形成される。第１共通電極線４６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４６は１つに纏められることができる。第１共通電極線４６は個々の第１圧電デバイス３６ごとに上電極３９を形成する。第１共通電極線４６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４６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圧電デバイス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圧電デバイス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圧電デバイス４７を有する。個々の第２圧電デバイス４７は振動膜４８を備える。振動膜４８の詳細は後述される。図４では振動膜４８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４８の輪郭が点線で描かれる。振動膜４８上には本実施形態に係る圧電素子４９が形成される。圧電素子４９では、後述されるように、圧電体膜５１上に第１電極５２、第２電極５３および第３電極５４が形成される。図４に示されるように、第１電極５２および第２電極５３の端部５２ａ、５３ａの輪郭は第３電極５４の側部５４ｂ、５４ｂに平行に規定される。端部５２ａ、５３ａと側部５４ｂ、５４ｂとは例えば面同士で相互に向き合えばよい。
ここでは、振動膜４８は平面視（振動膜４８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５１は平面視で振動膜４８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５１の図心Ｃｐは振動膜４８の図心Ｃｖに重なる。したがって、圧電体膜５１は振動膜４８の図心Ｃｖを含む領域で面内方向にひずみが生じる。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。また、振動膜４８および圧電体膜５１の形状は矩形だけでなく多角形や楕円形であってもよい。
第３電極５４は平面視で振動膜４８の図心Ｃｖ上を通過する帯形状に形成される。第１電極５２および第２電極５３は短辺に沿った方向に第３電極５４から離れている。第３電極５４は、圧電体膜５１の短辺に平行に第１幅Ｗ１を有し、第１電極５２および第２電極５３は第１幅Ｗ１以上の第２幅Ｗ２で圧電体膜５１の短辺に平行に第３電極５４から離れている。第１電極５２および第２電極５３は振動膜４８の短辺から離れて短辺同士の間に配置される。第１電極５２と第３電極５４との間、および、第２電極５３と第３電極５４との間には圧電体膜５１の表面（第２面）に溝５５が形成される。個々の第２圧電デバイス４７は振動膜４８の長辺に平行な基準線ＢＬに関して線対称に形成される。また、振動膜４８および圧電体膜５１が矩形状でない場合においても、個々の第２圧電デバイス４７は図心Ｃｐを通る基準線ＢＬに関して線対称に形成される。
基体３３の表面には複数本の第２信号電極線５６が形成される。第２信号電極線５６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５６は１つに纏められる。第２信号電極線５６は個々の第２圧電デバイス４７ごとに第３電極５４を形成する。第２信号電極線５６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５６にはその他の導電材が利用されてもよい。
基体３３の表面には相互に平行に配列の列方向に延びる第２共通電極線（導電体）５７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５７は１つに纏められる。第２共通電極線５７は第１電極５２および第２電極５３に接続される。こうして第１電極５２および第２電極５３は圧電体膜５１から離れた位置で相互に短絡する。第２共通電極線５７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５７にはその他の導電材が利用されてもよい。
図５は送信ユニット３４の詳細を示す。図５に示されるように、基体３３は基板６１および可撓膜６２を備える。基板６１の表面に可撓膜６２が一面に形成される。基板６１には個々の第１圧電デバイス３６ごとに開口６３が形成される。開口６３は基板６１に対してアレイ状に配置される。隣接する２つの開口６３の間には仕切り壁６４が区画される。隣接する開口６３は仕切り壁６４で仕切られる。
可撓膜６２は、基板６１の表面に積層される酸化シリコン（ＳｉＯ２）層６５と、酸化シリコン層６５の表面に積層される酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）層６６とで構成される。可撓膜６２は開口６３に接する。こうして開口６３の輪郭に対応して可撓膜６２の一部が振動膜３７を形成する。
振動膜３７の表面に第１信号電極線４５、圧電体膜４２および第１共通電極線４６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４６の下で圧電体膜４２は完全に第１信号電極線４５の表面を覆う。圧電体膜４２の働きで第１信号電極線４５と第１共通電極線４６との間で短絡は回避されることができる。
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としての補強板６７が結合される。補強板６７は平板形状に形成される。補強板６７の表面に基体３３の裏面が重ねられる。補強板６７の表面は基体３３の裏面に接合される。こうした接合にあたって補強板６７は基体３３に接着剤で接着されてもよい。補強板６７は基体３３の剛性を補強する。補強板６７は例えばリジッドな基材を備えることができる。そうした基材は例えば４２アロイ（鉄ニッケル合金）といった金属材料から形成されればよい。
図６は受信ユニット３５の詳細を示す。図６に示されるように、基板６１には個々の第２圧電デバイス４７ごとに開口６８が形成される。開口６８の輪郭に対応して可撓膜６２の一部が振動膜４８を形成する。圧電体膜５１は第１面５１ａで振動膜４８に接する。第１面５１ａの反対側（裏側）の第２面５１ｂに第１電極５２、第２電極５３および第３電極５４が積層される。圧電体膜５１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。平面視で第１電極５２および第２電極５３と第３電極５４との間で振動膜４８上には導電体以外（ここでは酸化ジルコニウム層６６）が配置される。
（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圧電デバイス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４５および第１共通電極線４６を通じて圧電素子３８に供給される。個々の第１圧電デバイス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圧電デバイス４７に超音波が作用する。超音波の反射波は振動膜４８を振動させる。振動膜４８の超音波振動は所望の周波数で圧電体膜５１を超音波振動させる。振動膜４８が超音波振動すると、振動膜４８の変形に応じて圧電体膜５１はひずむ。圧電体膜５１のひずみεに応じて表面電荷が生成される。短絡された第１電極５２および第２電極５３と、第３電極５４との間から電位は検出される。電位は第２信号電極線５６および第２共通電極線５７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。
超音波画像の生成にあたって第２圧電デバイス４７では第１電極５２の端部５２ａと第３電極５４の側部５４ｂとの間に静電容量が形成され第２電極５３の端部５３ａと第３電極５４の側部５４ｂとの間に静電容量が形成される。対向面の面積増大に応じて静電容量は増加する。こうして第１電極５２と第３電極５４との間および第２電極５３と第３電極５４との間で検出される信号電圧に対して受信回路の浮遊容量の影響は減少することから、実測される信号電圧は増大する。
第３電極５４は平面視で振動膜４８の図心Ｃｖ上を通過する帯形状に形成される。図心Ｃｖは振動膜４８が基板６１に固定されている領域との境界となる開口６３の縁から離れている。したがって、図心Ｃｖでひずみεは最大値に近い値を示す。こうして第１電極５２と第３電極５４との間および第２電極５３と第３電極５４との間で検出される信号電圧は最大化されることができる。
しかも、圧電体膜５１は振動膜４８の図心Ｃｖを含む領域で面内方向にひずみが生じる。前述のように、振動膜４８では図心Ｃｖでひずみεは最大値に近い値を示す。したがって、図心Ｃｖ上の圧電体膜５１は最大限にひずむことができることから、第１電極５２と第３電極５４との間および第２電極５３と第３電極５４との間で検出される信号電圧は最大化されることができる。ここでは、圧電体膜５１の図心Ｃｐは振動膜４８の図心Ｃｖに重なる。圧電体膜５１も振動膜４８と同じ図心Ｃｖでひずみやすいことから、振動膜４８のひずみεは最大化されることができる。
圧電体膜５１は平面視で振動膜４８の輪郭線よりも内側に位置する。ここでは、振動膜４８および圧電体膜５１は平面視で矩形の輪郭を有する。矩形では辺同士が直角に交差することから、パターニングが簡単であって、配置密度も高められることができる。このとき、第１電極５２および第２電極５３は短辺に沿った方向に第３電極５４から離れている。短辺に沿った方向に電極５２、５３、５４同士が離れていると、短辺方向に生じる圧電体膜５１のひずみが最大となることから、信号電圧は最大化されることができる。しかも、圧電体膜５１は振動膜４８の輪郭線に重ならないことから、振動膜４８のひずみεは最大化されることができる。ここでは、第２圧電デバイス４７は振動膜４８の長辺に平行な基準線ＢＬに関して線対称に形成されることから、振動膜４８は基準線ＢＬにおいてひずみεは最大化されることができる。ここでは第３電極５４が基準線ＢＬと重なるように設けられている。つまり、第２圧電デバイス４７は第３電極５４に関して線対称に形成されている。
前述のように、第２圧電デバイス４７では平面視で第１電極５２および第２電極５３と第３電極５４との間で振動膜４８上には導電体以外が配置されればよい。ここに導電体が配置されると、電圧経路が導電体に向かって迂回してしまい、実測される信号電圧は高められることができない。例えば絶縁体といった導電体以外のものが配置されると、確実に信号電圧は高められることができる。
（４）電極の最適位置
本発明者は圧電体膜５１のひずみを算出した。図７に示されるように、算出にあたって第２圧電デバイス４７のシミュレーションモデルＳＭが構築された。振動膜４８および圧電体膜５１の輪郭は正方形に設定された。
シミュレーションは、圧電効果を取り入れた有限要素法を用いて行われる。振動膜４８からなる輪郭の短辺の長さは４０μｍ、圧電体膜５１の短辺の長さは３２μｍである。また振動膜４８は下方から順にＳｉＯ２（１０００ｎｍ）、ＺｒＯ２（４００ｎｍ）、ＰＺＴ（１３５０ｎｍ）である。また第１、第２および第３電極５２、５３、５４の膜厚は５０ｎｍである。シミュレーションで用いるＰＺＴの圧電テンソルおよびスティッフネス・テンソルはＰＺＴ−５Ｈのデータセットを採用した。そのときのテンソルの主軸は、基準線ＢＬに直交する方向（初期化電界がかかる方向）に設定した。ＳｉＯ２、ＺｒＯ２のヤング率は、それぞれ７５ＧＰa、１９０ＧＰaである。また第１、第２および第３電極５２、５３、５４のヤング率は２００ＧＰaである。振動膜４８に上方から１気圧を印加し、そのときのひずみを調べる。
第３電極５４の第１幅Ｗ１は５［μｍ］に設定された。第１電極５２と第３電極５４との間隔（＝第２幅Ｗ２）、および、第２電極５３と第３電極５４との間隔（＝第２幅Ｗ２）は５［μｍ］に設定された。シミュレーションモデルＳＭでｘ軸、ｙ軸およびｚ軸が設定された。第２圧電デバイス４７は基準線ＢＬに関して線対称に形成されることから、基準線ＢＬの片側でｘ軸方向位置ごとにｘ軸方向ひずみεｘ、ｙ軸方向ひずみεｙおよびｚ軸方向ひずみεｚが算出された。ｘ軸は基準線ＢＬに直交し、かつｙ軸は基準線ＢＬに平行である。その結果、図８に示されるように、いずれの方向にも第３電極５４直下でひずみの最大値が得られた。
このことをさらに詳しく記す。ｚ軸方向ひずみεｚの最大値は第３電極５４直下で最大となり４６×１０−６である。同様にｘ軸方向ひずみεｘおよびｙ軸方向ひずみεｙは第３電極５４直下で絶対値として最大となり、それぞれ−６４×１０−６、−７５×１０−７である。特にｘ軸方向ひずみεｘはｙ軸方向ひずみεｙよりも１０倍近く大きなひずみを有することがわかる。すなわち本発明では、ひずみが最大になる方向（ｘ軸方向）と基準線ＢＬとが直交している。このような電極の配置をとるときに、受信感度が最大となる。
第２圧電デバイス４７では、第１電極５２と第３電極５４との間、および、第２電極５３と第３電極５４との間に溝５５が形成される。この溝５５は受信感度を高める上で有利に作用する。溝５５の深さが大きくなるに従って、音圧による圧電体膜５１のひずみが溝５５に集中することになるからである。溝５５により減少した圧電体膜５１の膜厚が元の膜厚の２／３以下になると、２０％以上の受信感度の増大が見られる。
受信プロセスに先だって、圧電体膜５１は分極処理がなされなければならない。本発明においては第１電極５２から第３電極５４に向かう電界ベクトルにより分極処理が実施され、同時に第２電極５３から第３電極５４に向かう電界ベクトルにより分極処理が実施される。こうして最大値を示すひずみεの方向（振動膜の短辺の対称軸）に圧電体の分極処理の電界が印加される。この条件が守られるときに受信信号電圧は効率的に増大することができる。
（５）第３電極の第１幅
本発明者は第３電極の第１幅Ｗ１の影響を検証した。第２圧電デバイス４７のシミュレーションモデルＳＭで受信感度および静電容量が算出された。算出にあたって第３電極５４の第１幅Ｗ１を変化させた。第１電極５２と第３電極５４との間隔（＝第２幅Ｗ２）、および、第２電極５３と第３電極５４との間隔（＝第２幅Ｗ２）は５［μｍ］に固定された。その結果、図９に示されるように、第３電極５４の第１幅Ｗ１が縮小されると、受信感度は高まることが確認された。第１幅Ｗ１が縮小されても、静電容量は維持されることが確認された。キャパシターにおいて電荷をＱ、静電容量をＣ、電圧をＶとするときＱ＝Ｃ・Ｖの関係が成り立つ。静電容量Ｃが一定の場合に電圧Ｖが増大するためには電荷Ｑ自身の増大が必要である。電荷Ｑは音圧による圧電ひずみに原因がある。したがって、受信感度が高まる理由は、第１幅Ｗ１が小さくなると第３電極５４が作る拘束力が減少して、音圧による圧電体膜５１のひずみが大きくなるからである。
（６）電極間の第２幅
本発明者は第１電極５２および第２電極５３と第３電極５４との間隔（＝第２幅Ｗ２）の影響を検証した。第２圧電デバイス４７のシミュレーションモデルＳＭで受信感度および静電容量が算出された。算出にあたって、第１電極５２と第３電極５４との間隔（＝第２幅Ｗ２）、および、第２電極５３と第３電極５４との間隔（＝第２幅Ｗ２）を変化させた。第３電極５４の第１幅Ｗ１は５［μｍ］に固定された。その結果、図１０に示されるように、第１電極５２と第３電極５４との間隔（＝第２幅Ｗ２）、および、第２電極５３と第３電極５４との間隔（＝第２幅Ｗ２）が増大すると、受信感度は高まることが確認された。この理由は、第２幅Ｗ２が増大すると、静電容量Ｃが減少することで受信電圧Ｖが上昇するためである。Ｑ＝Ｃ・Ｖなので、電極間距離ｄが増大して静電容量Ｃが減少すると、電荷Ｑが一定の場合には電圧Ｖが増大することになる。こうして第１電極５２および第２電極５３は第１幅Ｗ１以上の第２幅Ｗ２で圧電体膜５１の短辺に平行に第３電極５４から離れていることから、静電容量Ｃを低下させることで受信感度は高められることができる。
（７）第２圧電デバイスの優位性
本発明者は第２圧電デバイス４７の優位性を検証した。図１１に示されるように、検証にあたって（ａ）比較例のシミュレーションモデルＳＭ１、（ｂ）第２圧電デバイス４７のシミュレーションモデルＳＭ２および（３）他の実施形態に係るシミュレーションモデルＳＭ３が構築された。シミュレーションモデルＳＭ１では第２圧電デバイス４７から第３電極５４が省略された。圧電体膜５１の表面で第１電極５２の端部５３ａに第２電極５３の端部５３ａが向き合わせられた。シミュレーションモデルＳＭ３では対角線Ｄｉに沿って帯形状の第３電極５４が配置された。第１電極５２は圧電体膜５１上の輪郭線７１全長で第３電極５４に向き合わせられ、第２電極５３は同様に圧電体膜５１上の輪郭線７２全長で第３電極５４に向き合わせられた。電極同士の間隔Ｗ２はいずれも５［μｍ］に設定された。これらのシミュレーションモデルＳＭ１、ＳＭ２、ＳＭ３で受信感度および静電容量が算出された。シミュレーションモデルＳＭ１、ＳＭ２、ＳＭ３は、以下のディメンジョンに基づいて計算される。振動膜からなる輪郭の短辺の長さは４０μｍ、圧電体膜５１の短辺の長さは３２μｍである。また振動膜は下方から順にＳｉＯ２（１０００ｎｍ）、ＺｒＯ２（４００ｎｍ）、ＰＺＴ（１３５０ｎｍ）である。また第１、第２および第３電極５２、５３、５４の膜厚は５０ｎｍである。シミュレーションで用いるＰＺＴの圧電テンソルおよびスティッフネス・テンソルはＰＺＴ−５Ｈのデータセットを採用した。そのときのテンソルの主軸は、基準線ＢＬに直交する方向（初期化電界がかかる方向）に設定した。ＳｉＯ２、ＺｒＯ２のヤング率は、それぞれ７５ＧＰa、１９０ＧＰaである。また第１、第２および第３電極５２、５３、５４のヤング率は２００ＧＰaである。シミュレーションは、圧電効果を取り入れた有限要素法を用いて行われる。
本発明者は優位性の検証にあたってさらにシミュレーションモデルを構築した。図１２に示されるように、それぞれのシミュレーションモデルＳＭ１、ＳＭ２、ＳＭ３に対してシミュレーションモデルＳＭ４、ＳＭ５、ＳＭ６では振動膜４８および圧電体膜５１のアスペクト比が変更された。振動膜４８および圧電体膜５１は長方形に形成されアスペクト比は２に設定された。すなわち、長辺の長さは短辺の２倍に設定された。電極同士の間隔はいずれも５［μｍ］に設定された。これらのシミュレーションモデルＳＭ４、ＳＭ５、ＳＭ６で同様に受信感度および静電容量が算出された。
振動膜の共振周波数は振動膜その他の寸法に依存するが、図１３に示されるように、寸法の設定に応じてシミュレーションモデルＳＭ１〜ＳＭ６の共振周波数は８．５ＭＨｚから８．８ＭＨｚまでの間に合わせ込まれた。図１４（ａ）に示されるように、シミュレーションモデルＳＭ１、ＳＭ４で高い受信感度が得られることが確認された。シミュレーションモデルＳＭ３、ＳＭ６ではシミュレーションモデルＳＭ１、ＳＭ４に比べて受信感度が半減することが観察された。これに対して、シミュレーションモデルＳＭ２、ＳＭ５ではシミュレーションモデルＳＭ１、ＳＭ４に比べて受信感度は低下するものの、比較的に高い受信感度が確保されることが確認された。しかも、正方形のシミュレーションモデルＳＭ１〜ＳＭ３よりもアスペクト比２の長方形のシミュレーションモデルＳＭ４〜ＳＭ６で受信感度は向上することが確認された。
この結果より、ひずみ量は、つねに短辺方向で最大、長辺方向で最小になることがわかった。第１、第２および第３電極５２、５３、５４は、基準線ＢＬに平行に設置されているが、基準線ＢＬは長辺方向に平行に設定することで最大の受信感度を得ることができる。別の言葉でいえば、第１、第２および第３電極５２、５３、５４は、短辺方向に平行に設定することで最大の受信感度を得ることができる。
次に振動膜４８の矩形形状において、短辺と長辺の比を１：１からずらした場合の有限要素法によるシミュレーションを行った。一例として、振動膜の短辺を３２．５μｍ、長辺を６５μｍとする。この振動膜面に垂直に１気圧を印加する。ＳｉＯ２の膜厚は１０００ｎｍ、ＺｒＯ２の膜厚は４００ｎｍ、ＰＺＴの膜厚は１３５０ｎｍ、電極の膜厚は５０ｎｍとした。シミュレーションの結果によると、振動膜中心でのひずみは、短辺方向の成分が−５．４×１０−５、長辺方向の成分が−７．０×１０−６となった。短辺方向のひずみは、長辺方向のひずみに対して、絶対値で１０倍近く大きな値となる。すなわち、矩形形状を有する振動膜では、ひずみ量は、つねに短辺方向で最大、長辺方向で最小になることがわかった。そのため、第1、第２および第３電極５２、５３、５４は、基準線ＢＬに平行に設置されているが、基準線ＢＬは長辺方向に平行に設定することで最大の受信感度を得ることができる。別の言葉でいえば、第1、第２および第３電極５２、５３、５４は、短辺方向に平行に設定することで最大の受信感度を得ることができる。
図１４（ｂ）に示されるように、第３電極を有するシミュレーションモデルＳＭ２、ＳＭ５では第３電極のないシミュレーションモデルＳＭ１、ＳＭ４に比べて１デバイスあたりの静電容量が倍増することが確認された。第３電極を有するモデルでは、電極ギャップが複数形成されるために静電容量が増加するからである。特に、アスペクト比２の長方形のシミュレーションモデルＳＭ５ではシミュレーションモデルＳＭ６よりも大きい静電容量が確保された。その結果、第２圧電デバイス４７では受信感度の低下を伴わずに大きい静電容量を確保することが発見された。
（８）他の実施形態に係る超音波デバイスユニットの構造
図１５は第２実施形態に係る超音波デバイスユニット２６ａの構造を概略的に示す。超音波デバイスユニット２６ａでは受信ユニット３５で第２圧電デバイス４７はスライス方向に並べられる。第２信号電極線（導電体）５６ａは複数の第２圧電デバイス４７に共通に第３電極５４を形成する。第３電極５４は対応する圧電体膜５１の表面を横切る。第２共通電極線５７ａはスライス方向に並ぶ複数の第２圧電デバイス４７に共通に第１電極５２を形成する。同様に、第２共通電極線５７ａはスライス方向に並ぶ複数の第２圧電デバイス４７に共通に第２電極５３を形成する。その他の構造は前述の第１実施形態の超音波デバイスユニット２６と同様である。
図１６は第３実施形態に係る超音波デバイスユニット２６ｂの構造を概略的に示す。超音波デバイスユニット２６ｂでは受信ユニット３５で第２圧電デバイス４７はスキャン方向およびスライス方向に並べられる。第２信号電極線（導電体）５６ａは複数の第２圧電デバイス４７に共通に第３電極５４を形成する。第２信号電極線５６ａは相互に平行にスライス方向に延びる。第３電極５４は対応する圧電体膜５１の表面を横切る。第２共通電極線５７ａはスライス方向に並ぶ複数の第２圧電デバイス４７に共通に第１電極５２および第２電極５３を形成する。第２共通電極線５７ａはスキャン方向に並ぶ１対の第２圧電デバイス４７で共通に第１電極５２および第２電極５３を形成する。第２共通電極線５７ａは相互に接続される。その他の構造は前述の第１または第２実施形態の超音波デバイスユニット２６、２６ａと同様である。
図１７は第４実施形態に係る超音波デバイスユニット２６ｃの構造を概略的に示す。超音波デバイスユニット２６ｃの受信ユニット３５では前述のシミュレーションモデルＳＭ３と同様に第２圧電デバイス４７ａは構成される。第２圧電デバイス４７ａはスライス方向に並べられる。第２信号電極線（導電体）５６ａは複数の第２圧電デバイス４７ａに共通に第３電極５４を形成する。第３電極５４は対応する圧電体膜５１の表面を横切る。第２共通電極線５７ａはスライス方向に並ぶ複数の第２圧電デバイス４７ａに共通に第１電極５２を形成する。同様に、第２共通電極線５７ａはスライス方向に並ぶ複数の第２圧電デバイス４７に共通に第２電極５３を形成する。その他の構造は前述の第１実施形態の超音波デバイスユニット２６と同様である。
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、装置本体１２や超音波プローブ１３、素子アレイ３１や超音波トランスデューサー３２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）、１３ プローブ（超音波プローブ）、４７ 圧電デバイス（第２圧電デバイス）、４７ａ 圧電デバイス（第２圧電デバイス）、５１ 圧電体膜、５１ａ 第１面、５１ｂ 第２面、５２ 第１電極、５２ａ 端部、５３ 第２電極、５３ａ 端部、５４ 第３電極、５４ｂ 側部、５６ａ 導電体（第２信号電極線）、５７ 導電体（第２共通電極線）、ＢＬ 基準線、Ｃｐ 圧電体膜の図心、Ｃｖ 振動膜の図心、ＦＲ スライス方向、ＳＲ スキャン方向、Ｗ１ 第１幅、Ｗ２ 第２幅。

Claims (15)

  1. 振動膜と、
    前記振動膜上に設けられ、前記振動膜に接する第１面および当該第１面とは反対側の第２面を有する圧電体膜と、
    前記圧電体膜の前記第２面に設けられ、相互に離れた位置に配置されて前記圧電体膜から離れた位置で相互に短絡する第１電極および第２電極と、
    前記圧電体膜の前記第２面で前記第１電極および前記第２電極の間に設けられ、前記第１電極および前記第２電極から離れた位置に配置される第３電極と、を備え、
    前記第１電極および前記第２電極の端部の輪郭は少なくとも部分的に第３電極の側部に平行に規定され、
    前記振動膜は平面視で矩形の輪郭を有し、前記第１電極および前記第２電極は短辺に沿った方向に前記第３電極から離れており、
    前記振動膜の長辺に平行な基準線に関して線対称に形成され、
    前記第３電極は、前記圧電体膜の短辺に平行に第１幅を有し、前記第１電極および前記第２電極は前記第１幅以上の第２幅で前記圧電体膜の短辺に平行に前記第３電極から離れていることを特徴とする圧電デバイス。
  2. 振動膜と、
    前記振動膜上に設けられ、前記振動膜に接する第１面および当該第１面とは反対側の第２面を有する圧電体膜と、
    前記圧電体膜の前記第２面に設けられ、相互に離れた位置に配置されて前記圧電体膜から離れた位置で相互に短絡する第１電極および第２電極と、
    前記圧電体膜の前記第２面で前記第１電極および前記第２電極の間に設けられ、前記第１電極および前記第２電極から離れた位置に配置される第３電極と、を備え、
    前記第１電極および前記第２電極の端部の輪郭は少なくとも部分的に第３電極の側部に平行に規定され、
    前記第１電極と前記第３電極との間、および、前記第２電極と前記第３電極との間には前記第２面に溝が形成されることを特徴とする圧電デバイス。
  3. 振動膜と、
    前記振動膜上に設けられ、前記振動膜に接する第１面および当該第１面とは反対側の第２面を有する圧電体膜と、
    前記圧電体膜の前記第２面に設けられ、相互に離れた位置に配置されて前記圧電体膜から離れた位置で相互に短絡する第１電極および第２電極と、
    前記圧電体膜の前記第２面で前記第１電極および前記第２電極の間に設けられ、前記第１電極および前記第２電極から離れた位置に配置される第３電極と、を備え、
    前記第１電極および前記第２電極の端部の輪郭は少なくとも部分的に第３電極の側部に平行に規定され、
    平面視で前記第１電極および前記第２電極と前記第３電極との間で前記振動膜上には導電体以外が配置され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、前記第１電極および前記第２電極と前記第３電極との間には、最大値を示すひずみの方向に沿って分極処理の電圧経路を形成する位置関係が形成されることを特徴とする圧電デバイス。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧電デバイスにおいて、前記第３電極は平面視で前記振動膜の図心上を通過する帯形状に形成されることを特徴とする圧電デバイス。
  6. 請求項５に記載の圧電デバイスにおいて、前記圧電体膜は前記振動膜の図心を含む領域で面内方向にひずみが生じ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、前記圧電体膜は平面視で前記振動膜の輪郭線よりも内側に位置することを特徴とする圧電デバイス。
  8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の圧電デバイスにおいて、前記圧電体膜の図心は前記振動膜の図心に重な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を複数有することを特徴とするプローブ。
  10. 請求項９に記載のプローブにおいて、スライス方向に配置される前記圧電デバイスに共通に前記第３電極を形成する導電体を備えることを特徴とするプローブ。
  11. 請求項９または１０に記載のプローブにおいて、スキャン方向に配置される前記圧電デバイスに共通に前記第１電極を形成する導電体と、スキャン方向に配置される前記圧電デバイスに共通に前記第２電極を形成する導電体と、を備えることを特徴とするプローブ。
  12. 請求項１〜１１のいずれか１項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。
  13. 請求項１２に記載の超音波画像装置において、スライス方向に配置される前記圧電デバイスに共通に前記第３電極を形成する導電体を備えることを特徴とする超音波画像装置。
  14. 請求項１２または１３に記載の超音波画像装置において、スキャン方向に配置される前記圧電デバイスに共通に前記第１電極を形成する導電体と、スキャン方向に配置される前記圧電デバイスに共通に前記第２電極を形成する導電体と、を備えることを特徴とする超音波画像装置。
  15. 請求項１〜８のいずれか１項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。
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