JP6776074B2 - 圧電デバイスおよび超音波装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、圧電デバイスおよび超音波装置に関する。
近年、圧電薄膜製造技術が向上し、圧電薄膜デバイスのセンサやアクチュエータへの応用が模索されている。その中には医療用の超音波画像診断装置や非破壊検査用の超音波検査装置が含まれている。これらは超音波プローブから超音波を対象に送信し、対象内部で反射した超音波をプローブで受信して、対象の内部情報を得る装置である。
従来の超音波プローブは、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）のような圧電セラミックよりなる圧電振動子が１次元もしくは２次元状に配列された構成を備える。以下では、各振動子をエレメントと呼ぶ。このような構成において、送信時には各エレメントに与える送信パルス信号に異なる遅延を与えることで、超音波ビームの偏向・収束を行うことが可能となる。受信時も同様に、各エレメントで得られる受信パルス信号に異なる遅延を与えて加算することで、所望の方向・距離の信号を強調して受信することが可能となる。これらの超音波ビームの操作はビーム・フォーミングと呼ばれている。
特開２０１４−１２２号公報
Y Lu, H Tang, S Fung, Q Wang, JM Tsai, M Daneman, BE Boser, DA Horsley, "1474001912785_0", Applied Physics Letters 106 (26), 263503 (2015)
以下の実施形態では、面積使用効率を向上することが可能な圧電デバイスおよび超音波装置を提供することを目的とする。
実施形態にかかる圧電デバイスは、圧電薄膜と、前記圧電薄膜の第１面に設けられた第１電極と、電極パッドを備える基板と、前記基板に対して前記圧電薄膜を固定するように、前記圧電薄膜における前記第１面と反対側の第２面と前記基板における前記電極パッドとの間に設けられた柱状の複数の第１支持体と、前記圧電薄膜の前記第２面の一部から前記第１支持体の側面を介して前記電極パッドに電気的に接続する複数の第２電極と、を備え、前記圧電薄膜と、前記第１電極と、前記複数の第２電極とは、それぞれが１つの振動要素である複数のダイアフラムを構成し、前記複数の第１支持体は、各ダイアフラムを区画する位置に設けられ、前記第１電極は、前記複数のダイアフラムで共通に設けられている。
図１は、第１実施形態にかかる圧電デバイスの概略構成例を示す断面図である。 図２は、図１に示す圧電デバイスのＡ−Ａ断面図である。 図３は、第１実施形態にかかるｐＭＵＴ素子アレイに電圧を与えた際の圧電薄膜の変形を示す図である。 図４は、第１実施形態にかかる圧電デバイスの製造工程の一例を示すプロセス断面図である（その１）。 図５は、第１実施形態にかかる圧電デバイスの製造工程の一例を示すプロセス断面図である（その２）。 図６は、第１実施形態にかかる圧電デバイスの製造工程の一例を示すプロセス断面図である（その３）。 図７は、第１実施形態にかかる超音波プローブの概略構成例を示す断面図である。 図８は、図７に示す超音波プローブのＢ−Ｂ断面図である。 図９は、第２実施形態にかかる超音波プローブの概略構成例を示す断面図である。 図１０は、第３実施形態にかかる圧電デバイスの概略構成例を示す断面図である。 図１１は、図１０に示す圧電デバイスのＣ−Ｃ断面図である。 図１２は、第３実施形態にかかるｐＭＵＴ素子アレイに電圧を与えた際の圧電薄膜の変形を示す図である。 図１３は、第３実施形態にかかる超音波プローブの概略構成例を示す断面図である。 図１４は、図１３に示す超音波プローブのＤ−Ｄ断面図である。 図１５は、第４実施形態にかかる超音波プローブの概略構成例を示す断面図である。 図１６は、図１５に示す超音波プローブのＥ−Ｅ断面図である。 図１７は、図１５および図１６に示す超音波プローブにおける各ｐＭＵＴ素子の共振周波数の周波数スペクトルを示す図である。 図１８は、図１７に示す周波数スペクトルを合成した周波数スペクトルを示す図である。 図１９は、第５実施形態にかかる圧電デバイスの概略構成例を示す断面図である。 図２０は、図１９に示す圧電デバイスのＦ−Ｆ断面図である。 図２１は、第６実施形態にかかる圧電デバイスの概略構成例を示す断面図である。 図２２は、図２１に示す圧電デバイスのＧ−Ｇ断面図である。 図２３は、第７実施形態にかかる超音波装置の概略構成例を示す断面図である。 図２４は、図２３に示す超音波装置のＨ−Ｈ断面図である。 図２５は、第８実施形態にかかる超音波装置の概略構成例を示す断面図である。 図２６は、第９実施形態にかかる超音波装置の概略構成例を示す断面図である。 図２７は、第１０実施形態にかかる超音波プローブの概略構成例を示すブロック図である。 図２８は、第１０実施形態にかかる超音波プローブにおける圧電デバイスの他の構成例を示すブロック図である。 図２９は、第１０実施形態にかかる超音波プローブにおける圧電デバイスのさらに他の構成例を示すブロック図である。 図３０は、第１１実施形態にかかる超音波診断装置の概略構成例を示すブロック図である。 図３１は、第１１実施形態にかかる超音波診断装置における送受信部の概略構成例を示すブロック図である。 図３２は、第１２実施形態の説明において用いる圧電デバイスの概略構成例を示す図である。 図３３は、第１２実施形態にかかるシミュレーション結果を示す図である。 図３４は、第１２実施形態の説明において用いる第１比較例による圧電デバイスの概略構成例を示す図である。 図３５は、第１２実施形態の説明において用いる第２比較例による圧電デバイスの概略構成例を示す図である。 図３６は、第１２実施形態において計算された面積使用効率の一例を示す図である。
以下、添付図面を参照しながら、例示する実施形態にかかる圧電デバイスおよび超音波装置を詳細に説明する。
超音波検査装置等においてビーム・フォーミングを行うためには、超音波の波長をλとした場合、１つのエレメントのピッチがλ／２より小さい必要がある。たとえば水中では、超音波の周波数を３ＭＨｚ（メガヘルツ）とした場合、超音波の波長は２５０μｍより小さい必要がある。
また、大きな視野を有する超音波プローブを製造する場合には、超音波プローブの口径を大きくすればよい。しかしながら、エレメントのピッチには前述した制約がある。そのため、周波数を一定とした場合、１次元プローブの場合にはプローブ口径に比例して、２次元プローブの場合にはプローブ口径の２乗に比例して、プローブのエレメント数が増加することになる。ビーム・フォーミングを行うためにはエレメント毎に送受信回路（以下ではチャンネルと呼ぶ）が必要となるが、エレメント数が増加するとチャンネル数も増加するため、エレメントとチャンネルとを電気的に接続することが困難になる。
また、分解能を上げるために高周波で動作するプローブを製造する場合には、超音波の波長が短くなるため、エレメントのピッチを小さくする必要がある。このため、プローブ口径を一定とすれば、やはりエレメント数が増加して、前述の大口径の場合と同じ課題が生じることになる。さらにこの場合は、エレメントのサイズが小さくなるため、圧電セラミックを機械加工してエレメントを作製する方法では製造が困難になる。
以上のような課題を解決する方法としては、圧電薄膜と半導体微細加工技術とを利用するｐＭＵＴ（Piezoelectric micromachined ultrasound transducers）を用いることが考えられる。
ｐＭＵＴ素子の中心周波数は、そのダイアフラム（１つの振動要素であるｐＭＵＴ素子に相当）の厚みと大きさとで決まるダイアフラムの機械的な共振周波数となる。そのため、ダイアフラムの大きさには高い精度が要求される。また、面積使用効率の高い密なｐＭＵＴを形成するためには、隔壁の幅をできるだけ小さくする必要もある。このことは、ウエハ面内に均一に密で微細なダイアフラムを形成するためには、Ｄｅｅｐ ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）に高い精度が要求されることを意味している。
また、ｐＭＵＴでは超音波ビームが上方向に形成されるため、回路基板をｐＭＵＴの下側に設ける必要がある。そこで、ｐＭＵＴに電圧を印加するための２つの電極のうち回路基板側に配されていない電極をｐＭＵＴ素子毎に回路基板に接続するためには、ＴＳＶ（Through-Silicon Via）などの貫通構造を用いることが必要となる。そのため、貫通構造の分だけ面積の使用効率が低下することになる。
以上のように、ダイアフラム端部を隔壁により固定する構成では、隔壁の専有面積によってｐＭＵＴの面積使用効率が低下するという課題が存在した。また、ｐＭＵＴと回路基板を電気的に接続するためにＴＳＶ等の貫通構造を用いる構成では、貫通構造の専有空間によってｐＭＵＴの面積使用効率がさらに低下するという課題が存在した。
そこで以下の実施形態では、面積使用効率が向上された圧電デバイスおよび超音波装置について、例を挙げて説明する。なお、以下で例示する実施形態のいくつかは、簡易な製造方法により製造することが可能であるという点においても効果を有している。また、以下で例示する実施形態のいくつかは、寄生容量による感度低下を低減することが可能である点においても効果を有している。
第１実施形態
まず、第１実施形態にかかる圧電デバイスおよび超音波装置について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、第１実施形態にかかる圧電デバイスの概略構成例を示す断面図であり、図２は、図１に示す圧電デバイスのＡ−Ａ断面図である。なお、図１は、回路基板１１２のｐＭＵＴ搭載面に対して垂直な面の断面構造を示している。
図１および図２に示すように、第１実施形態にかかる圧電デバイス１００は、ｐＭＵＴ素子アレイ１１０と、電極パッド１１１を有する回路基板１１２とを備えている。
ｐＭＵＴ素子アレイ１１０は、圧電薄膜１０２と、第１電極１０１と、複数の支持体１０３と、複数の第２電極１０４と、支持層１０８とを備える。以下の説明では、この構成において縦横に隣接する４つの支持体１０３で囲まれた領域に対応する圧電薄膜１０２と第１電極１０１および第２電極１０４とで構成された構造をダイアフラム１０９と称する。また、１つのダイアフラム１０９は、１つの振動要素（単位）である１つのｐＭＵＴ素子に対応しているものとする。
圧電薄膜１０２は、第１電極１０１および第２電極１０４間に印加された電圧に応じて振動する部材である。この圧電薄膜１０２には、たとえば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸バリウム、チタン酸バリウムストロンチウム、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ３）などの圧電材料を用いることができる。
第１電極１０１は、複数のダイアフラム１０９で共通の電極であり、複数のダイアフラム１０９に跨がるように圧電薄膜１０２の第１面に延在する。第１電極１０１は、接地されていてもよい。このような第１電極１０１には、たとえばアルミニウム（Ａｌ）や銀（Ａｇ）や金（Ａｕ）やチタニウム（Ｔｉ）やタングステン（Ｗ）やニッケル（Ｎｉ）などの金属または合金を用いることができる。
各支持体１０３は、断面が四角形や六角形や丸形の形状を有する柱状の部材である。ただし、支持体１０３の形状は、四角柱や六角柱や円柱などの形状に限られない。たとえば、台形や球形、あるいはそれらをつぶしたような形状であってもよい。以下の説明では、これらの形状を含めて柱状と称する。
支持体１０３には、たとえば酸化シリコン（ＳｉＯ２）などの絶縁体を用いることができる。図２に示すように、圧電薄膜１０２における第１面と反対側の第２面には、複数の支持体１０３が所定の間隔で周期的に配置されている。それにより、ダイアフラム１０９も周期的な配列となる。言い換えれば、支持体１０３は、各ダイアフラム１０９を区画する位置（図２では、各ダイアフラム１０９の四隅）に設けられている。なお、図２では、ダイアフラム１０９が２行２列の合計４つ記載されているが、１つの圧電デバイス１００におけるダイアフラム１０９の数（すなわちｐＭＵＴ素子の数）は４つに限られるものではない。すなわち、ダイアフラム１０９が周期的に配列した構成であれば、ｐＭＵＴ素子の数は適宜変更されてよい。
第２電極１０４は、複数の支持体１０３それぞれに対応する位置に、個別に設けられる。各第２電極１０４は、少なくとも圧電薄膜１０２の第２面から支持体１０３の側面にかけて延在するように形成されている。第２電極１０４と圧電薄膜１０２の第２面とが接する面積は、支持体１０３と第２面とが接する面よりも大きく、かつ、隣接する他の第２電極１０４に接触しない程度の面積であることが好ましい。また、支持体１０３の両端のうち圧電薄膜１０２と接する端（これを第１端とする）と反対側の端（これを第２端とする）側では、後述する接着層１０５との物理的および電気的な接続が容易となる程度まで第２電極１０４が延在している。図１に示す例では、第２電極１０４は、支持体１０３の第２端を覆うように形成されている。
第２電極１０４は、圧電薄膜１０２を動作させるための駆動電圧が印加される、いわゆる動作電極である。したがって、第２電極１０４を回路基板１１２に電気的に接続するための配線を、圧電薄膜１０２の表面に設けずに、支持体１０３に設けた構成とすることで、寄生容量を大幅に低減することが可能となる。なお、第２電極１０４には、第１電極１０１と同様に、たとえばアルミニウム（Ａｌ）や銀（Ａｇ）や金（Ａｕ）やチタニウム（Ｔｉ）やタングステン（Ｗ）やニッケル（Ｎｉ）などの金属または合金を用いることができる。
支持層１０８は、以上のような層構造を形成する際に土台となる層である。第１実施形態では、支持層１０８としてシリコン層を例示し、その厚さをｈｐとする。
以上のような構成を備えるｐＭＵＴ素子アレイ１１０は、基体となる回路基板１１２の電極パッド１１１に接着層１０５を用いて接着される。これにより、ｐＭＵＴ素子アレイ１１０が回路基板１１２に対して機械的に固定されるとともに、ｐＭＵＴ素子アレイ１１０が回路基板１１２に搭載された駆動回路に対して電気的に接続される。なお、回路基板１１２の代わりに、電極パッド１１１と配線のみを有する支持基板が用いられてもよい。この場合、ｐＭＵＴ素子を駆動する駆動回路は、支持基板の外部に配置される。
回路基板１１２は、たとえばシリコン基板等を用いて構成されており、圧電薄膜１０２を励振駆動するための送信回路や圧電薄膜１０２の振動を電気信号に変換する受信回路を含む駆動回路を搭載する。
ｐＭＵＴ素子アレイ１１０における第２電極１０４と回路基板１１２における電極パッド１１１とを接着する接着層１０５としては、ゲルマニウム（Ｇｅ）などの導電性接着層を用いることができる。また、電極パッド１１１には、たとえばアルミニウム（Ａｌ）や銀（Ａｇ）や金（Ａｕ）やチタニウム（Ｔｉ）やタングステン（Ｗ）やニッケル（Ｎｉ）などの金属または合金を用いることができる。
つぎに、図１および図２に示す圧電デバイス１００の動作について説明する。図３は、第１実施形態にかかるｐＭＵＴ素子アレイに電圧を与えた際の圧電薄膜の変形を示す図である。図３において、孔１０３ｃは、柱状の支持体１０３に対応している。
第１実施形態にかかるｐＭＵＴ素子アレイ１１０では、ｐＭＵＴ素子（ダイアフラム１０９）が機械的に独立していない。そのため、隣接するｐＭＵＴ素子間で互いの変形が干渉し合う。ただし、第１実施形態では、圧電効果を誘起する第２電極１０４が対称性を持って配置されている。そのため、図３に示すように、各ｐＭＵＴ素子の圧電薄膜１０２は、個々のｐＭＵＴ素子（ダイアフラム１０９）が機械的に独立している場合と同様に、太鼓状に変形する。
また、たとえばｐＭＵＴ素子アレイ１１０が２行２列の合計４つのｐＭＵＴ素子からなる場合には、４つのｐＭＵＴ素子の全てが同相に振動する振動モードよりも共振周波数が低い振動モードが存在する。図３に示す例では、図面中、上側の２つのｐＭＵＴ素子と下側の２つのｐＭＵＴ素子とが逆相に振動する振動モード等が存在する。しかしながら、第１実施形態では、第２電極１０４が対称性を持って配置されているため、このような４つのｐＭＵＴ素子の全てが同相に振動する振動モード以外の振動モードが抑制され、それにより、ターゲットとする共振周波数以外の振動モードが励振されることはない。
以上のことから、図３に示すように、実施形態にかかるｐＭＵＴ素子アレイ１１０のｐＭＵＴ素子は、それら全てが同相に振動する振動モードで振動することができる。その結果、図３に示す例では、４つのｐＭＵＴ素子が同相に太鼓状に変形する体積変化によって発生する超音波ビームが図１の矢印Ａ１の方向に発せられる。
つづいて、第１実施形態にかかる圧電デバイス１００の製造方法について、図面を参照して詳細に説明する。図４〜図６は、第１実施形態にかかる圧電デバイスの製造工程の一例を示すプロセス断面図である。
本製造方法では、ベース基板として、シリコン基板１２２上に埋込み酸化膜１２１とシリコン層（支持層１０８）とを備えるＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板１２０を用いる。そこで以下では、図１における支持層１０８をシリコン薄膜１０８に置き換えて説明する。
本製造方法では、図４に示すように、まず、ＳＯＩ基板１２０におけるシリコン薄膜１０８上に、第１電極１０１、圧電薄膜１０２およびシリコン酸化膜１０３Ａを順次形成し、さらに、シリコン酸化膜１０３Ａ上に支持体１０３のパターンが転写されたマスク膜Ｍ１を形成する。第１電極１０１、圧電薄膜１０２およびシリコン酸化膜１０３Ａの形成には、スパッタ法やエピタキシャル成長法などを用いることができる。また、マスク膜Ｍ１には、シリコン酸化膜１０３Ａとのエッチング選択比が取れる材料、たとえばシリコン窒化膜などを用いることができる。また、そのパターニングには、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用したパターニング技術を用いることができる。
つぎに、マスク膜Ｍ１をマスクとして利用してシリコン酸化膜１０３Ａをエッチングすることで、シリコン酸化膜１０３Ａを支持体１０３に加工する。シリコン酸化膜１０３Ａのエッチングには、たとえばＲＩＥ（反応性イオンエッチング）などのドライエッチングを用いることができる。つづいて、支持体１０３が形成された圧電薄膜１０２上に、第２電極１０４に加工される導電体膜１０４Ａを形成する。導電体膜１０４Ａの形成には、スパッタ法やエピタキシャル成長法などを用いることができる。つづいて、図５に示すように、導電体膜１０４Ａ上に、第２電極１０４のパターンが転写されたマスク膜Ｍ２を形成する。マスク膜Ｍ２には、レジスト膜を用いることができる。そのパターニングには、フォトリソグラフィ技術を利用したパターニング技術を用いることができる。
つぎに、マスク膜Ｍ２をマスクとして利用して導電体膜１０４Ａをエッチングすることで、導電体膜１０４Ａを第２電極１０４に加工する。これにより、ＳＯＩ基板１２０のシリコン薄膜１０８上にｐＭＵＴ素子が形成される。導電体膜１０４Ａのエッチングには、たとえば所定のエッチャントを用いたウェットエッチングやドライエッチングを用いることができる。
つづいて、支持体１０３上の第２電極１０４上に、接着層１０５を形成する。本説明では、接着層１０５に用いる材料をゲルマニウム（Ｇｅ）とする。また、接着層１０５の形成には、たとえばリフトオフ法などを用いることができる。つづいて、図６に示すように、接着層１０５が形成されたＳＯＩ基板１２０の上下を反転させ、接着層１０５と電極パッド１１１との位置決めを行ないつつ、ｐＭＵＴ素子が形成されたＳＯＩ基板１２０と回路基板１１２とを接合する。本説明において、接着層１０５はゲルマニウム（Ｇｅ）製であり、第２電極１０４と電極パッド１１１とはアルミニウム（Ａｌ）製である。その場合、大気中での加熱によるＡｌ−Ｇｅ共晶接合が形成されるため、ｐＭＵＴ素子が形成されたＳＯＩ基板１２０と回路基板１１２との接合には、大気中での加熱工程を用いることができる。
その後、ＳＯＩ基板１２０における埋込み酸化膜１２１を剥離することで、シリコン薄膜１０８から埋込み酸化膜１２１とシリコン基板１２２とを取り除く。これにより、図１に示す層構造の圧電デバイス１００が製造される。
つぎに、第１実施形態にかかる圧電デバイス１００を１つの振動要素群（以下、エレメントという）として用いた超音波装置について、図面を用いて詳細に説明する。以下の説明では、超音波装置として、超音波プローブを例示する。図７は、第１実施形態にかかる超音波プローブの概略構成例を示す断面図であり、図８は、図７に示す超音波プローブのＢ−Ｂ断面図である。なお、図７は、図１と同様に、回路基板１１２のｐＭＵＴ搭載面に対して垂直な面の断面構造を示している。また、本説明では、超音波プローブ１００Ａが複数のエレメントを備えるものとする。さらに、本説明では、各エレメントが２行２列の合計４つのｐＭＵＴ素子を備える場合を例示するが、上述と同様に、ダイアフラム１０９が周期的に配列した構成であれば、ｐＭＵＴ素子の数は適宜変更されてよい。
図７および図８に示すように、超音波プローブ１００Ａにおける圧電デバイスは、図１および図２に示した圧電デバイス１００と同様の構成を備える。ただし、超音波プローブ１００Ａにおける圧電デバイスでは、圧電デバイス１００における３行３列に配列された支持体１０３のうち、中央に位置する支持体１０３以外の支持体１０３が、中央の支持体１０３を取り囲む囲い状の支持体１０３ａに置き換えられるとともに、置き換えられる前の支持体１０３に設けられていた第２電極１０４が、置き換えられた支持体１０３ａに設けられている第２電極１０４ａに置き換えられている。
第２電極１０４ａは、少なくとも圧電薄膜１０２の第２面から支持体１０３ａの側面にかけて延在するように形成されている。また、第２電極１０４ａは、接着層１０５との物理的および電気的な接続が容易となる程度まで支持体１０３ａの第２端側に延在している。図７に示す例では、第２電極１０４ａは、支持体１０３ａの第２端を覆うように形成されている。
図７および図８に示すように、圧電デバイス１００を超音波プローブ１００Ａのエレメントとして用いる場合、エレメント間で機械的な結合を切断する必要がある。エレメント間の機械的な結合を切断する方法としては、個々のダイアフラム１０９を固定するか、エレメント間でダイアフラム１０９を物理的に分離する方法がある。
しかしながら、超音波プローブ１００Ａの使用時には、超音波プローブ１００Ａが流動性を有する音響カップリング材を介して検査対象に接触させるため、ダイアフラム１０９を物理的に分離した構成では、音響カップリング材がダイアフラム１０９の内部に侵入する可能性がある。そこで、図７および図８に示す例では、音響カップリング材の侵入を防止することが可能な、個々のエレメント（ｐＭＵＴ素子アレイ１１０ａ）を固定する構成が採用されている。この例において、個々のエレメント（ｐＭＵＴ素子アレイ１１０ａ）を固定するための構成は、支持体１０３ａが該当する。ただし、個々のエレメント（ｐＭＵＴ素子アレイ１１０ａ）を固定した場合、ｐＭＵＴ素子の周期性が乱されることになるが、ｐＭＵＴ素子アレイ１１０ａの周囲を固定もしくは切断したとしても、図３に示したように、各ｐＭＵＴ素子の圧電薄膜１０２は太鼓状に変形する。
また、中央の支持体１０３を取り囲むように設けられた囲い状の支持体１０３ａには、圧電薄膜１０２と回路基板１１２との間に密閉された空間が形成されないように、連通路Ｖ１が設けられている。そのため、密閉空間内に封じ込められた気体の圧力によって圧電薄膜１０２の変形が阻害されることを低減できる。また、個々のｐＭＵＴ素子を支持体１０３ａで固定した構成ではなく、エレメント単位で固定した構成とした場合、支持体１０３ａに設ける連通路Ｖ１の数が少なくて済むため、製造工程の複雑化を低減することができる。なお、連通路Ｖ１からの音響カップリング材の侵入を防止するため、連通路Ｖ１の開口径は必要十分な程度に小さいことが望ましい。なお、連通路Ｖ１は、外気に連通していてもよいし、他のエレメントに連通していてもよい。
さらに、図７および図８に示す例では、各エレメントのｐＭＵＴ素子アレイ１１０ａの数を２行２列の合計４つとしているが、エレメントのｐＭＵＴ素子アレイ１１０ａの数を増やすことで、各エレメントにおける支持体１０３および１０３ａが占める面積の割合を低減することができる。その結果、超音波の発生に寄与する面積の使用効率（以下、面積使用効率という）を高くすることができる。なお、面積使用効率とは、たとえば圧電薄膜１０２の第１面（第２面）の面積のうち、超音波の発生に寄与する部分の面積の割合などで表すことができる。超音波の発生に寄与する部分とは、圧電薄膜１０２における変形する部分とすることができる。この変形する部分を大きくするためには、第２電極１０４および１０４ａにおける圧電薄膜１０２と接触する部分を小さくするということも重要である。
以上のように、第１実施形態にかかるｐＭＵＴ素子の構造は、ｐＭＵＴ素子毎の隔壁が設けられていない構成であるため、面積使用効率を高くすることができる。それにより、効率的な超音波ビームの発生が可能となる。
また、第１実施形態にかかるｐＭＵＴ素子の構造では、隔壁より密閉された空間が形成されないため、密閉空間内に封じ込められた気体の圧力によって圧電薄膜１０２の変形が阻害されることを低減することができる。それにより、効率的に圧電薄膜１０２を変形させることが可能となるため、より効率的な超音波ビームの発生が可能となる。
さらに、第１実施形態によれば、第２電極１０４（および１０４ａ）が支持体１０３（および１０３ａ）に対応する位置に設けられているため、第２電極１０４（および１０４ａ）を回路基板１１２に設けられた電極パッド１１１に容易に電気的に接続することが可能となる。さらにまた、第１実施形態にかかるｐＭＵＴ素子の構造は、第１電極１０１、第２電極１０４および電極パッド１１１間を接続する補助電極を低減もしくは省略することが可能な構造である。このような構成とすることで、電極間の寄生容量を低減できるため、印加電圧に対して効率的に圧電薄膜１０２を変形させることが可能となり、その結果、より効率的な超音波ビームの発生が可能となる。
さらにまた、第１実施形態によれば、第２電極１０４（および１０４ａ）と電極パッド１１１との接合に真空中での接合工程を必要としていないため、製造工程を容易化することが可能である。
第２実施形態
つぎに、第２実施形態にかかる圧電デバイスおよび超音波装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明では、上述した実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、その重複する説明を省略する。
図９は、第２実施形態にかかる超音波プローブの概略構成例を示す断面図である。なお、図９は、回路基板１１２のｐＭＵＴ搭載面に対して垂直な面の断面構造を示している。
図９に示すように、第２実施形態にかかる超音波プローブ２００Ａは、第１実施形態にかかる超音波プローブ１００Ａ（図７および図８参照）と同様の構成において、回路基板１１２に回路基板１１２の裏面から電極パッド１１１にかけて貫通する連通路Ｖ２が設けられた構成を備える。この連通路Ｖ２は、超音波プローブ１００Ａにおける連通路Ｖ１と同様に、圧電薄膜１０２と回路基板１１２との間に密閉された空間が形成されることを防止するための孔である。
このように、回路基板１１２の裏面から電極パッド１１１にかけて貫通する連通路Ｖ２を設けることでも、第１実施形態と同様に、密閉空間内に封じ込められた気体の圧力によって圧電薄膜１０２の変形が阻害されることを低減することができる。また、第２実施形態では、連通路Ｖ２が音響カップリング材に接することはないため、連通路Ｖ２の開口径に対する制限を実質的になくすことができる。
回路基板１１２を貫通する連通路Ｖ２は、たとえば基板貫通技術であるＤｅｅｐ ＲＩＥを用いて形成することができる。
なお、第２実施形態では、第１実施形態において超音波プローブ１００Ａの支持体１０３ａに形成された連通路Ｖ１が省略されてもよい。その場合、支持体１０３ａに連通路Ｖ１を設ける工程を省略できるため、製造工程を容易化することが可能となる。
その他の構成、動作および効果は、第１実施形態にかかる構成、動作および効果と同様であってよいため、ここでは重複する説明を省略する。
第３実施形態
つぎに、第３実施形態にかかる圧電デバイスおよび超音波装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明では、上述した実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、その重複する説明を省略する。
図１０は、第３実施形態にかかる圧電デバイスの概略構成例を示す断面図であり、図１１は、図１０に示す圧電デバイスのＣ−Ｃ断面図である。なお、図１０は、回路基板１１２のｐＭＵＴ搭載面に対して垂直な面の断面構造を示している。
図１０および図１１に示すように、第３実施形態にかかる圧電デバイス３００は、第１実施形態にかかる圧電デバイス１００（図１および図２参照）と同様の構成において、第２電極１０４が、第２電極３０４、第１補助電極３０５および第２補助電極３０６に置き換えられた構成を備える。
第３実施形態において、第２電極３０４は、圧電薄膜１０２の第２面における各ダイアフラム１０９の略中央に配置される。また、各支持体１０３の側面には、支持体１０３の第２端側で接着層１０５との物理的および電気的な接続する第２補助電極３０６が設けられている。図１０に示す例では、第２補助電極３０６は、支持体１０３の第２端を覆うように形成されている。各第２電極３０４は、圧電薄膜１０２の第２面に形成された第１補助電極３０５により支持体１０３まで電気的に引き回されて、第２補助電極３０６と電気的に接続されている。
つぎに、図１０および図１１に示す圧電デバイス３００の動作について説明する。図１２は、第３実施形態にかかるｐＭＵＴ素子アレイに電圧を与えた際の圧電薄膜の変形を示す図である。図１２において、孔１０３ｃは、柱状の支持体１０３に対応している。
図１２に示すように、動作電極である第２電極３０４がｐＭＵＴ素子の固定部分（支持体１０３部分）ではなく、各ダイアフラム１０９の中央部分に設けられている場合でも、図３に示した第１実施形態にかかる圧電デバイス１００と同様に、圧電薄膜１０２が太鼓状に変形し、不要な振動モードが励起されない。
つぎに、第３実施形態にかかる圧電デバイス３００をエレメントとして用いた超音波プローブについて、図面を用いて詳細に説明する。図１３は、第３実施形態にかかる超音波プローブの概略構成例を示す断面図であり、図１４は、図１３に示す超音波プローブのＤ−Ｄ断面図である。なお、図１３は、図１０と同様に、回路基板１１２のｐＭＵＴ搭載面に対して垂直な面の断面構造を示している。また、本説明では、超音波プローブ３００Ａが複数のエレメントを備えるものとする。さらに、本説明では、各エレメントが２行２列の合計４つのｐＭＵＴ素子を備える場合を例示するが、上述と同様に、ダイアフラム１０９が周期的に配列した構成であれば、ｐＭＵＴ素子の数は適宜変更されてよい。
図１３および図１４に示すように、超音波プローブ３００Ａにおける圧電デバイスは、図１０および図１１に示した圧電デバイス３００と同様の構成に対し、図７および図８に示した超音波プローブ１００Ａと同様の変更を加えた構成を備える。ただし、図１３および図１４に示す構成では、支持体１０３ａに設けられた連通路Ｖ１が、回路基板１１２に設けられた連通路Ｖ２に置き換えられている。また、各ダイアフラム１０９の中央に設けられた第２電極３０４は、中央の支持体１０３に設けられた第２補助電極３０６に第１補助電極３０５を介して電気的に接続されている。
なお、第３実施形態では、第２補助電極３０５によって寄生容量が多少は増加するが、第２電極３０４に電気的に接続する第２補助電極３０６ａを中央の支持体１０３に設けられた第２補助電極３０６に集中させる場合には、支持体１０３ａに形成された第２補助電極３０６ａを省略することが可能である。その場合、支持体１０３ａ部分での寄生容量を削減できるため、結果として、補助電極による影響を低減することが可能である。
その他の構成、動作および効果は、上述した実施形態にかかる構成、動作および効果と同様であってよいため、ここでは重複する説明を省略する。
第４実施形態
第４実施形態では、上述した実施形態における圧電デバイスおよび超音波装置の変形例について説明する。なお、以下の説明では、上述した実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、その重複する説明を省略する。
図１５は、第４実施形態にかかる超音波プローブの概略構成例を示す断面図であり、図１６は、図１５に示す超音波プローブのＥ−Ｅ断面図である。なお、図１５は、回路基板１１２のｐＭＵＴ搭載面に対して垂直な面の断面構造を示している。また、本説明では、超音波プローブ４００Ａが複数のエレメントを備えるものとする。さらに、本説明では、各エレメントが２行２列の合計４つのｐＭＵＴ素子を備える場合を例示するが、上述と同様に、ダイアフラムが周期的に配列した構成であれば、ｐＭＵＴ素子の数は適宜変更されてよい。
図１５および図１６に示すように、第４実施形態にかかる超音波プローブ４００Ａは、図１３および図１４に示した超音波プローブ３００Ａと同様の構成において、支持体１０３ａに囲まれた支持体１０３が、エレメントの略中央ではなく、片寄った位置に設けられている。このような構成の場合、各ダイアフラム１０９ａ〜１０９ｄのｐＭＵＴ素子の共振周波数がずれる。
ここで、図１７に、図１５および図１６に示す超音波プローブにおける各ｐＭＵＴ素子特性の周波数スペクトルを示す。また、図１８に、図１７に示す周波数スペクトルを合成した周波数スペクトル、すなわち、図１５および図１６に示す超音波プローブから出力される超音波ビームの周波数スペクトルを示す。なお、図１７において、周波数スペクトルｆａはダイアフラム１０９ａの周波数特性を示し、周波数スペクトルｆｂはダイアフラム１０９ｂの周波数特性を示し、周波数スペクトルｆｃはダイアフラム１０９ｃの周波数特性を示し、周波数スペクトルｆｄはダイアフラム１０９ｄの周波数特性を示している。また、Ｆは、支持体１０３を中央に配置した場合、すなわち図１５および図１６に示す超音波プローブ３００Ａの共振周波数を示している。
図１７に示すように、支持体１０３の位置をずらしてダイアフラム１０９ａ〜１０９ｄのサイズを相互に異なるサイズとすることで、各ｐＭＵＴ素子からは周波数特性の異なる超音波が出力される。超音波プローブ４００Ａから出力される超音波ビームの周波数特性は、これらｐＭＵＴ素子から出力された超音波ビームを合波したものとなるため、図１８に示すように、超音波プローブ４００Ａからは、平坦化された周波数スペクトルｆを持つ超音波ビームが出力される。
その他の構成、動作および効果は、上述した実施形態にかかる構成、動作および効果と同様であってよいため、ここでは重複する説明を省略する。
第５実施形態
つぎに、第５実施形態にかかる圧電デバイスおよび超音波装置について、図面を参照して詳細に説明する。上述した実施形態では、エレメント間の機械的な結合を切断するための構成として、各エレメントの周辺部を物理的に固定する支持体１０３ａが設けられていた。これに対し、第５実施形態では、上述した実施形態とは異なる構成にてエレメント間の機械的な結合を切断する場合について、例を挙げて説明する。なお、以下の説明では、上述した実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、その重複する説明を省略する。
図１９は、第５実施形態にかかる圧電デバイスの概略構成例を示す断面図であり、図２０は、図１９に示す圧電デバイスのＦ−Ｆ断面図である。なお、図１９は、回路基板１１２のｐＭＵＴ搭載面に対して垂直な面の断面構造を示している。
図１９および図２０に示すように、第５実施形態にかかる圧電デバイス５００は、第１実施形態にかかる圧電デバイス１００と同様の構成において、隣接するエレメント５０９間にトレンチＴ１が形成された構成を備える。トレンチＴ１は、圧電薄膜１０２および第１電極１０１を介してシリコン薄膜１０８まで達している。図１９に示す例では、トレンチＴ１は、圧電薄膜１０２、第１電極１０１およびシリコン薄膜１０８からなる積層体を貫通するように設けられている。
また、圧電デバイス５００には、トレンチＴ１により分離されたエレメント５０９同士の配列を維持するために、製造工程において使用したＳＯＩ基板１２０の埋込み酸化膜１２１が残されている。この埋込み酸化膜１２１は、エレメント５０９内への音響カップリング材等の侵入を防止するための保護膜としても機能し得る。埋込み酸化膜１２１は、いわゆる熱酸化膜であるため、ＳＯＩ基板１２０における比較的薄い膜であっても十分に保護膜としての機能を果たし得る。
さらに、圧電デバイス５００は、トレンチＴ１によりエレメント５０９ごとに分離された第１電極１０１同士を電気的に接続するために、トレンチＴ１内に設けられたトレンチ内配線５０１を備える。このトレンチ内配線５０１は、少なくともトレンチＴ１内の一方の側面に露出した第１電極１０１から他方の側面に露出した第１電極１０１までを電気的に接続するように、トレンチＴ１内の一方の側面から底面（トレンチＴ１内に露出した埋込み酸化膜１２１の表面）を介して他方の側面まで設けられている。さらに、シリコン薄膜１０８をドーピングにより低抵抗化しておくことで、トレンチ内配線５０１がトレンチＴ１内のシリコン薄膜１０８の側面を介しても接続されるため、電気的な接続をより確実なものとすることができる。
第５実施形態にかかる圧電デバイス５００の製造方法では、たとえば、第１実施形態において説明した図５に示す構成から第２電極１０４をパターニングした後、フォトリソグラフィおよびエッチング技術を用いることで、圧電薄膜１０２、第１電極１０１およびシリコン薄膜１０８からなる積層体を貫通するトレンチＴ１を形成する。トレンチＴ１の彫り込みには、ＲＩＥなどのドライエッチングを用いることが可能であるため、比較的容易にトレンチＴ１を製造することができる。その際、少なくとも埋込み酸化膜１０８は、たとえば使用するエッチングガスなどを適宜選択することで、埋込み酸化膜１２１がエッチングストッパとして機能し得る条件でエッチングされるとよい。
また、回路基板１１２に接合した後のＳＯＩ基板１２０におけるシリコン基板１２２は、たとえばＣＭＰやシリコンに対するウェットエッチングなどを用いて除去することが可能である。
以上のように、第５実施形態によれば、エレメント５０９間の機械的な結合がより低減することができる。それにより、エレメント５０９間の音響的結合が低減されることで音響的クロストークが改善された圧電デバイス５００を実現することが可能となる。
その他の構成、動作および効果は、上述した実施形態と同様であるため、ここでは重複する説明を省略する。
第６実施形態
つぎに、第６実施形態にかかる圧電デバイスおよび超音波装置について、図面を参照して詳細に説明する。上述した第５実施形態では、分離された第１電極１０１同士を電気的に接続するための構成として、トレンチＴ１内に設けられたトレンチ内配線５０１が用いられていた。これに対し、第６実施形態では、トレンチＴ１の形成によって分離された第１電極１０１同士を電気的に接続するための構成の他の例について説明する。なお、以下の説明では、上述した実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、その重複する説明を省略する。
図２１は、第６実施形態にかかる圧電デバイスの概略構成例を示す断面図であり、図２２は、図２１に示す圧電デバイスのＧ−Ｇ断面図である。なお、図２１は、回路基板１１２のｐＭＵＴ搭載面に対して垂直な面の断面構造を示している。
図２１および図２２に示すように、第６実施形態にかかる圧電デバイス６００は、第５実施形態にかかる圧電デバイス５００と同様の構成において、埋込み酸化膜１２１が除去された構成を備える。その代わり、圧電デバイス６００は、レンチＴ１により分離されたエレメント５０９同士の配列を維持するとともに、トレンチＴ１によってエレメント５０９ごとに分離された第１電極１０１同士を電気的に接続するための構成として、樹脂シート６０２および導体膜６０１と、シリコン薄膜１０８を貫通する配線層６０３とを備える。
導体膜６０１は、金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）や銅（Ｃｕ）などの金属または合金等、導電性を有する膜である。この導体膜６０１は、たとえば分離される前の第１電極１０１と同様に、複数のエレメント５０９に跨がるように、個片化された複数のシリコン薄膜１０８に亘って設けられている。
配線層６０３は、個々のエレメント５０９における第１電極１０１と導体膜６０１とを電気的に接続するための層であり、たとえばアルミニウム（Ａｌ）や銀（Ａｇ）や金（Ａｕ）やチタニウム（Ｔｉ）やタングステン（Ｗ）やニッケル（Ｎｉ）などの金属または合金を用いることができる。なお、図２１に示す例では、シリコン薄膜１０８を貫通するように配線層６０３が設けられているが、この構成に限定されず、トレンチＴ１内におけるシリコン薄膜１０８の側面に設けられてもよい。
樹脂シート６０２は、たとえばフェノール樹脂やエポキシ樹脂などの熱可塑性樹脂やその他の種々の樹脂を用いて形成されたシートであり、シリコン薄膜１０８上の導体膜６０１を覆うように形成されている。この樹脂シート６０２は、エレメント５０９内への音響カップリング材等の侵入を防止するための保護膜としても機能し得る。
第６実施形態にかかる圧電デバイス６００の製造方法では、まず、第１実施形態において図４〜図６を用いて説明した工程が実行される。ただし、図４を用いて説明した工程には、ＳＯＩ基板１２０のシリコン薄膜１０８に第１電極１０１を形成する前に、シリコン薄膜１０８に配線層６０３を形成する工程が実行される。
図４〜図６に示す工程を経ることで図１に示す層構造の圧電デバイス１００を製造すると、つぎに、シリコン薄膜１０８と第１電極１０１とを所定の位置でダイシングすることで、複数のエレメント５０９を個片化する。その後、一方の面に導体膜６０１が形成された樹脂シート６０２を、複数のエレメント５０９に跨がるように、シリコン薄膜１０８に貼り合わせる。その際、導体膜６０１と配線層６０３との電気的な接続が確保されるように、圧力をかける工程や導電性接着剤が用いられてもよい。これにより、図２１に示す層構造の圧電デバイス６００が製造される。
以上のように、第６実施形態によれば、ｐＭＵＴ素子アレイ１１０が形成されたＳＯＩ基板１２０と回路基板１１２とを接合した後の工程で各エレメント５０９を個片化するため、製造工程を容易化することができる。また、音響カップリング材等に対する保護層として樹脂シート６０２が用いられるため、より耐久性の高い圧電デバイス６００を実現することが可能である。さらに、シリコン薄膜１０８をドーピングにより低抵抗化しておくことで、配線層６０３を省略することができるため、製造工程をさらに容易にすることも可能である。
その他の構成、動作および効果は、上述した実施形態と同様であるため、ここでは重複する説明を省略する。
第７実施形態
つぎに、第７実施形態にかかる圧電デバイスおよび超音波装置について、図面を参照して詳細に説明する。第７実施形態では、上述した実施形態における圧電デバイスを用いた超音波装置（超音波プローブを含む）について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明では、第１実施形態にかかる圧電デバイス１００を用いた場合を例示するが、これに限定されず、他の実施形態にかかる圧電デバイスを用いることも可能である。また、以下の説明では、上述した実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、その重複する説明を省略する。
図２３は、第７実施形態にかかる超音波装置の概略構成例を示す断面図であり、図２４は、図２３に示す超音波装置のＨ−Ｈ断面図である。なお、図２３は、回路基板１１２のｐＭＵＴ搭載面に対して垂直な面の断面構造を示している。
図２３および図２４に示すように、第７実施形態にかかる超音波装置７００Ａは、エレメント５０９ごとに個片化された圧電デバイス１００を収容する収容ケース７０１と、収容ケース７０１を封止する保護膜７０２とを備える。圧電デバイス１００は、超音波ビームの出力面と反対側、すなわち回路基板１１２側が収容ケース７０１の底側になるように、収容ケース７０１に収容される。
収容ケース７０１には、たとえばプラスチック製やセラミックス製などの筐体を用いることができる。保護膜７０２は、使用条件や適用対象である被検体の種類等によって適宜変更可能である。ただし、被検体との音響インピーダンスの整合を図ることができ、かつ、防水性などの機能を兼ね備えたものであることが望ましい。
圧電デバイス１００のシリコン薄膜１０８は、たとえば接着剤等を用いて保護膜７０２に固定されている。一方、圧電デバイス１００と収容ケース７０１とは、固定されていてもよいし、固定されていなくてもよい。また、収容ケース７０１には、外部との気体の流通を行なうための通気孔が設けられていてもよい。
このような構成では、複数の超音波装置７００Ａを隣接して使用する場合でも、隣接する超音波装置７００Ａ間、すなわちエレメント間では収容ケース７０１が隔壁として機能するため、超音波装置７００Ａ間の機械的な結合が切断される。それにより、エレメント５０９間の音響的結合が低減されるため、音響的クロストークを改善することができる。
その他の構成、動作および効果は、上述した実施形態と同様であるため、ここでは重複する説明を省略する。
第８実施形態
つぎに、第８実施形態にかかる圧電デバイスおよび超音波装置について、図面を参照して詳細に説明する。第８実施形態では、上述した第７実施形態にかかる超音波装置７００Ａの変形例について、例を挙げて説明する。なお、以下の説明では、上述した実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、その重複する説明を省略する。
図２５は、第８実施形態にかかる超音波装置の概略構成例を示す断面図である。なお、図２５は、回路基板１１２のｐＭＵＴ搭載面に対して垂直な面の断面構造を示している。
図２５に示すように、第８実施形態にかかる超音波装置８００Ａは、第７実施形態にかかる超音波装置７００Ａを複数（図２５では２つ）連結した構成を備える。具体的には、超音波装置８００Ａは、内部が間仕切り８０３により複数の収容スペースに分割された収容ケース８０１を備え、各収容スペースに圧電デバイス１００が収容された構成を備える。収容ケース８０１の複数の収容スペースは、個別の保護膜（たとえば図２３の保護膜７０２参照）が設けられてもよいし、共通の保護膜８０２（図２５参照）が設けられてもよい。なお、保護膜８０２は、第７実施形態にかかる保護膜７０２と同様の材料等を用いて構成されてよい。
収容ケース８０１の間仕切り８０３には、隣接する収容スペース間で気体の流通を可能にするための連通路８０４が設けられている。このような構成により、圧電薄膜１０２が太鼓状に変形した場合でも収容スペース内の気圧の変化を低減することが可能となるため、圧電薄膜１０２の変形が抑制されることを低減することができる。その結果、効率的に圧電薄膜１０２を変形させることが可能となり、効率的な超音波ビームの発生が可能となる。
また、比較的加工の容易な収容ケース８０１に連通路８０４を設けた構成とすることで、回路基板１１２等に気体を流通させるための連通路を形成する必要がないため、製造工程を容易化することが可能であるという利点も備える。
その他の構成、動作および効果は、上述した実施形態にかかる構成、動作および効果と同様であってよいため、ここでは重複する説明を省略する。
第９実施形態
つぎに、第９実施形態にかかる圧電デバイスおよび超音波装置について、図面を参照して詳細に説明する。第９実施形態では、上述した第７実施形態にかかる超音波装置７００Ａの他の変形例について、例を挙げて説明する。なお、以下の説明では、上述した実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、その重複する説明を省略する。
図２６は、第９実施形態にかかる超音波装置の概略構成例を示す断面図である。なお、図２６は、回路基板１１２のｐＭＵＴ搭載面に対して垂直な面の断面構造を示している。
図２６に示すように、第９実施形態にかかる超音波装置９００Ａは、第８実施形態にかかる超音波装置８００Ａと同様の構成（図２５参照）を備える。ただし、超音波装置９００Ａでは、隣接する収容スペース間での気体の流通を可能にする連通路９０４が、収容ケース８０１にトレンチ８１１を設けることで形成されている。すなわち、収容ケース８０１の底部に形成されたトレンチ８１１と間仕切り８０３との間の隙間が、連通路９０４となる。
このような構成により、第８実施形態と同様に、圧電薄膜１０２が太鼓状に変形した場合でも収容スペース内の気圧の変化を低減することが可能となるため、圧電薄膜１０２の変形が抑制されることを低減することができる。その結果、効率的に圧電薄膜１０２を変形させることが可能となり、効率的な超音波ビームの発生が可能となる。
また、比較的加工の容易な収容ケース８０１に連通路９０４を設けた構成とすることで、回路基板１１２等に気体を流通させるための連通路を形成する必要がないため、製造工程を容易化することが可能であるという利点も備える。
その他の構成、動作および効果は、第１実施形態にかかる構成、動作および効果と同様であってよいため、ここでは重複する説明を省略する。
その他の構成、動作および効果は、上述した実施形態にかかる構成、動作および効果と同様であってよいため、ここでは重複する説明を省略する。
第１０実施形態
つぎに、第１０実施形態にかかる圧電デバイスおよび超音波装置について、図面を参照して詳細に説明する。第１０実施形態では、上述した第７実施形態にかかる超音波装置７００Ａの変形例として、圧電デバイスを超音波の送信器として用いる超音波プローブを例に挙げて説明する。なお、以下の説明では、上述した実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、その重複する説明を省略する。また、以下の説明では、第８実施形態にかかる超音波装置８００Ａをベースとして説明するが、これに限定されず、第９実施形態またはその他の実施形態にかかる圧電デバイスを用いた超音波装置についても同様に適用することが可能である。
図２７は、第１０実施形態にかかる超音波プローブの概略構成例を示すブロック図である。図２７に示すように、超音波プローブ１０００Ａは、複数の圧電デバイス１００を備えた圧電デバイスアレイ１０００と、回路基板１１２に搭載された送信部１０１０とを備える。
第１０実施形態では、圧電デバイスアレイ１０００は、たとえば第１実施形態にかかる圧電デバイス１００を４行４列の合計１６個備えている。１６個の圧電デバイス１００は、たとえば第８実施形態において例示したように、間仕切り８０３により４行４列に区分けされた収容ケース８０１の収容スペース内に個別に収容される。
圧電デバイスアレイ１０００の１６個の圧電デバイス１００は、複数の駆動グループ１００１ａ〜１００１ｄにグループ分けされている。図２７に示す例では、所定の方向（紙面中、縦方向）に配列する４個の圧電デバイス１００が１つのグループを構成するように、１６個の圧電デバイス１００がグループ分けされている。それぞれの駆動グループ１００１ａ〜１００１ｄは、複数のｐＭＵＴ素子を含むエレメントよりも上位の駆動単位であり、各駆動グループ１００１ａ〜１００１ｄに含まれる圧電デバイス１００は同じタイミングで駆動されるものとする。
一方、回路基板１１２側の送信部１０１０は、制御回路１０１１と、送信回路１０１２と、選択／遅延制御回路１０１３と、ドライバ回路１０１４ａ〜１０１４ｄとを備える。ドライバ回路１０１４ａ〜１０１４ｄの数は、たとえば駆動グループ１００１ａ〜１００１ｄと同数であってよい。
制御回路１０１１は、たとえばＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro Processing Unit）などの情報処理装置で構成されており、外部からの指示にしたがって送信回路１０１２を制御する。
送信回路１０１２は、いわゆる波形発生回路であり、制御回路１０１１からの命令にしたがって、ドライバ回路１０１４ａ〜１０１４ｄを駆動するための波形信号を生成する。
各ドライバ回路１０１４ａ〜１０１４ｄは、駆動グループ１００１ａ〜１００１ｄのうち自身が対応付けられた駆動グループに含まれる圧電デバイス１００の第１電極１０１および／または第２電極１０４に電気的に接続されている。各ドライバ回路１０１４ａ〜１０１４ｄは、送信回路１０１２から入力された波形信号を、圧電デバイス１００を駆動するための電圧信号に変調し、これにより生成された電圧波形を圧電デバイス１００の第１電極１０１および／または第２電極１０４に入力する。
選択／遅延制御回路１０１３は、たとえばドライバ回路１０１４ａ〜１０１４ｄのイネーブル端子に接続されている。選択／遅延制御回路１０１３は、送信回路１０１２から入力された指示信号にしたがって、ドライバ回路１０１４ａ〜１０１４ｄの中から非駆動とするドライバ回路を選択し、選択したドライバ回路に対してイネーブル信号を入力する。各ドライバ回路１０１４ａ〜１０１４ｄは、選択／遅延制御回路１０１３からのイネーブル信号の入力が停止するまで、超音波生成用の電圧波形の出力を停止する。
ここで制御回路１０１１は、各駆動グループ１００１ａ〜１００１ｄが所定の遅延時間間隔で順次発振を開始するように、送信回路１０１２を制御することができる。その場合、送信回路１０１２は、各ドライバ回路１０１４ａ〜１０１４ｄへ電圧信号を出力した状態で、選択／遅延制御回路１０１３が各ドライバ回路１０１４ａ〜１０１４ｄに入力するイネーブル信号を所定の遅延時間間隔で停止する。これにより、各ドライバ回路１０１４ａ〜１０１４ｄからは、所定の時間間隔で順次、超音波生成用の電圧波形が出力される。
このような構成および動作において、ある駆動グループに属する圧電デバイス１００を収容する収容スペースは、他の駆動グループに属する圧電デバイス１００を収容する収容スペースと連通路８０４を介して気体の流通が可能に接続されている。図２７に示す例では、駆動グループ間で隣接する圧電デバイス１００の収容スペース同士が連通路８０４を介して接続されている。
このように、順次駆動の場合には同時に駆動が開始されない圧電デバイス１００を収容する収容スペース同士を空間的に連結することで、言い換えれば、異なる駆動グループに属する圧電デバイス１００を収容する収容スペース同士を空間的に連結することで、駆動開始時の収容スペース内部の圧力変動を抑えることが可能となる。それにより、収容スペース内の圧力によって圧電薄膜１０２の変形が阻害されることを低減することができる。その結果、効率的な超音波ビームの発生が可能となる。
なお、第１０実施形態では、圧電デバイス１００がマトリクス状に配列されている場合を例示したが、この構成に限定されるものではない。たとえば図２８に示すように、１つのグループに属する複数の圧電デバイス１００が左右へ交互にずれて配列することで、全体として千鳥格子状に配列するような場合でも、順次駆動の場合に同時に駆動が開始されない圧電デバイス１００を収容する収容スペース同士を空間的に連結することで、駆動開始時の収容スペース内部の圧力変動を抑えることが可能となる。それにより、圧電薄膜１０２の変形が収容スペース内の圧力によって圧電薄膜１０２の変形が阻害されることを低減することができ、結果的に、効率的な超音波ビームの発生が可能となる。
また、順次駆動の際に前に駆動された圧電デバイス１００を収容する収容スペースから押し出されてきた気体が最終的に最後に駆動される圧電デバイス１００を収容する収容スペースに溜まった結果、この最後に駆動される圧電デバイス１００を収容する収容スペース内の気圧が高まり、この圧電デバイス１００の圧電薄膜１０２の変形が阻害されてしまうことを防止するために、最後に駆動される圧電デバイス１００を収容する収容スペースに排気口を設けてもよい。
もしくは、たとえば図２９に示すように、最後に駆動される圧電デバイス１００を収容する収容スペースからさらに連通路８０４で連通されたダミーの収容スペース（ダミースペース）１０２１を設けてもよい。これにより、前に駆動された圧電デバイス１００を収容する収容スペースから押し出されてきた気体が最終的に最後に駆動される圧電デバイス１００を収容する収容スペースに溜まることを防止することができる。
その他の構成、動作および効果は、上述した実施形態にかかる構成、動作および効果と同様であってよいため、ここでは重複する説明を省略する。
第１１実施形態
つぎに、第１１実施形態にかかる圧電デバイスおよび超音波装置について、図面を参照して詳細に説明する。第１１実施形態では、上述した第７実施形態にかかる超音波装置７００Ａの変形例として、圧電デバイスを超音波の送受信器として用いる超音波診断装置を例に挙げて説明する。なお、以下の説明では、上述した実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、その重複する説明を省略する。
図３０は、第１１実施形態にかかる超音波診断装置の概略構成例を示すブロック図である。図３０に示すように、超音波診断装置１１００Ａは、制御部１１０１と、送受信部１１０２と、処理部１１０３と、記憶部１１０４と、表示部１１０５とを備える。
この構成において、送受信部１１０２は、たとえば第１０実施形態において説明した圧電デバイスアレイ１０００および送信部１０１０を備える。また、図３１に示すように、送受信部１１０２は、受信用の構成として、駆動グループ１００１ａ〜１００１ｄごとに設けられたプリアンプ１１１４ａ〜１１１４ｄと、信号遅延制御回路１１１２と、制御回路１０１１とをさらに備える。なお、制御回路１０１１は、送信部１０１０における制御回路１０１１と同一であってよい。
各プリアンプ１１１４ａ〜１１１４ｄは、駆動グループ１００１ａ〜１００１ｄのうち自身が対応付けられた駆動グループに含まれる圧電デバイス１００の第１電極１０１および／または第２電極１０４に電気的に接続されている。各プリアンプ１１１４ａ〜１１１４ｄは、それぞれが接続された圧電デバイス１００で超音波から変化された電気信号を増幅する。
信号遅延制御回路１１１２は、各プリアンプ１１１４ａ〜１１１４ｄを介して入力された電気信号を受け付けるタイミングを制御する。信号遅延制御回路１１１２が各プリアンプ１１１４ａ〜１１１４ｄからの電気信号を受け付けるタイミングの時間差は、たとえば送信部１０１０における選択／遅延制御回路１０１３がドライバ回路１０１４ａ〜１０１４ｄに与える遅延時間と同じであってもよい。信号遅延制御回路１１１２で受け付けられた電気信号は、たとえば図３０の処理部１１０３に入力される。
被検体１１１０に対する超音波診断時には、制御部１１０１は、送受信部１１０２から超音波信号を被検体１１１０に向けて発信する。発信された超音波信号は、被検体１１１０における所定の部位で反射する。送受信部１１０２は、被検体１１１０で反射した超音波信号を入力し、入力した超音波信号を電気信号に変換して処理部１１０３へ入力する。
処理部１１０３は、入力された電気信号を解析して画像処理を行なうことで、超音波画像を生成する。生成された超音波画像は、リアルタイムで表示部１１０５に表示されてもよいし、一旦記憶部１１０４に記憶された後、必要に応じて表示部１１０５に表示されてもよい。
以上のように、上述した実施形態において例示した圧電デバイスは、圧電デバイスを超音波の送受信器として用いる超音波診断装置にも適用することができる。
その他の構成、動作および効果は、上述した実施形態と同様であるため、ここでは重複する説明を省略する。
第１２実施形態
第１２実施形態では、上述した実施形態におけるｐＭＵＴ素子の構成例について、具体的に説明する。なお、以下の説明では、第３実施形態にかかる圧電デバイス３００が備えるｐＭＵＴ素子を引用して説明するが、その他の実施形態にかかるｐＭＵＴ素子に対しても同様に適用することが可能である。また、以下の説明では、上述した実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、その重複する説明を省略する。
まず、ダイアフラム１０９と、第２電極３０４と、支持体１０３との構成比について説明する。第１２実施形態では、図１０に示した圧電デバイス３００の構成において、圧電薄膜１０２の厚さをｈｍとし、シリコン薄膜１０８の厚さをｈｐとすると、超音波発生時に太鼓状に変形する積層体（圧電薄膜１０２およびシリコン薄膜１０８）の厚さ（ｈｍ＋ｈｐ）に対する圧電薄膜１０２の厚さの比κは、以下の式（１）により表される。
また、図３２に示すように、圧電薄膜１０２の第２面に形成された第２電極３０４の幅をｗｅとし、支持体１０３の中心の間隔、すなわちダイアフラム１０９のピッチをｐとすると、それらの比ξは、以下の式（２）となる。なお、図３２において、ｃは、支持体１０３の太さである。また、本説明において、ダイアフラム１０９、第２電極３０４および支持体１０３の断面がともに正方形であると仮定する。
ここで、ダイアフラム１０９のピッチｐに対して支持体１０３の太さｃの比（ｃ／ｐ）を変更した場合における圧電デバイス３００の送受信感度特性をシミュレーションする。図３３は、このシミュレーション結果を示す図である。なお、本シミュレーションでは、圧電薄膜１０２としてＰＺＴを用い、ダイアフラム１０９のピッチｐを１５０μｍとし、比κを０．５とした。
図３３において、ラインＬ１は比ｃ／ｐを０．２とした場合（これを第１例とする）を示し、ラインＬ２は比ｃ／ｐを０．３とした場合（これを第２例とする）を示し、ラインＬ３は比ｃ／ｐを０．４とした場合（これを第３例とする）を示し、ラインＬ４は比ｃ／ｐを０．５とした場合（これを第４例とする）を示している。また、それぞれの場合において、最適となる比ξを求めた結果、第１例の場合の比ξは０．５となり、第２例の場合の比ξは０．４５となり、第３例の場合の比ξは０．４となり、第４例の場合の比ξは０．３５となった。
図３３に示すように、第２例および第３例の送受信感度特性は、他の第１例および第４例の送受信感度特性よりも良好な値を示している。これは、比ｃ／ｐを０．３〜０．４とすることが好適であることを示している。
つぎに、面積利用効率について説明する。本説明では、図３３に例示した構成に対する比較例として、図３４に示す第１比較例と、図３５に示す第２比較例を挙げる。
図３４に示す第１比較例にかかる圧電デバイスでは、１つのｐＭＵＴ素子に相当するダイアフラム９００９が円柱形状をしており、これに伴い、本実施形態の第２電極３０４に相当する電極９００４も円形の形状をしている。円柱状のダイアフラム９００９は、隔壁９００３により区画されている。
一方、図３５に示す第２比較例にかかる圧電デバイスでは、１つのｐＭＵＴ素子に相当するダイアフラム９１０９が四角柱形状をしており、これに伴い、本実施形態の第２電極３０４に相当する電極９１０４も正方形の形状をしている。四角柱状のダイアフラム９１０９は、隔壁９１０３により区画されている。
ここで、図３２に示した構成における面積使用効率Ｆ０は、以下の式（３）で表される。また、図３４に示した第１比較例の面積使用効率Ｆ１は、以下の式（４）で表され、図３５に示した第２比較例の面積使用効率Ｆ２は、以下の式（５）で表される。
ここで、図３２、図３４および図３５に示す構成それぞれに対して式（３）〜（５）を用いて面積使用効率を計算した結果を、図３６に示す。なお、図３６において、ラインＬ１１は図３２に示す構成に対して式（３）を用いて計算された面積使用効率Ｆ０を示し、ラインＬ１２は図３４に示す構成に対して式（４）を用いて計算された面積使用効率Ｆ１を示し、ラインＬ１３は図３５に示す構成に対して式（５）を用いて計算された面積使用効率Ｆ２を示している。
図３６を参照すると明らかなように、図３２、図３４および図３５に示す構成では、図３２に示す構成、すなわち、第３実施形態において説明した圧電デバイス３００の構成が、最も面積使用効率が高い。
以上のことから、上述した実施形態によれば、面積使用効率を高くして効率的な超音波ビームの発生が可能な圧電デバイスおよび超音波装置を実現することができる。
その他の構成、動作および効果は、上述した実施形態にかかる構成、動作および効果と同様であってよいため、ここでは重複する説明を省略する。
上記実施形態およびその変形例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、仕様等に応じて種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施形態が可能であることは上記記載から自明である。例えば実施形態に対して適宜例示した変形例は、他の実施形態と組み合わせることも可能であることは言うまでもない。
１００，３００，５００，６００…圧電デバイス、７００Ａ，８００Ａ，９００Ａ…超音波装置、１０１…第１電極、１０２…圧電薄膜、１０３，１０３ａ…支持体、１０４，１０４ａ，３０４，４０４ａ〜４０４ｄ…第２電極、１０５…接着層、１０８…シリコン薄膜、１０９，１０９ａ〜１０９ｄ…ダイアフラム、１１０，１１０ａ…ｐＭＵＴ素子アレイ、１１１…電極パッド、１１２…回路基板、３０５，３０６，３０６ａ…補助電極、５０１…トレンチ内配線、５０９…エレメント、６０１…導体膜、６０２…樹脂シート、６０３…配線層、７０１…収容ケース、７０２…保護膜、８１１，Ｔ１…トレンチ、８０４，９０４，Ｖ１，Ｖ２…連通路、１００Ａ，２００Ａ，３００Ａ，４００Ａ，１０００Ａ…超音波プローブ、１００１ａ〜１００１ｄ…駆動グループ、１０１０…送信部、１０１１…制御回路、１０１２…送信回路、１０１３…選択／遅延制御回路、１０１４ａ〜１０１４ｄ…ドライバ回路、１０２１…ダミーの収容スペース、１１００Ａ…超音波診断装置、１１０１…制御部、１１０２…送受信部、１１０３…処理部、１１０４…記憶部、１１０５…表示部、１１１２…信号遅延制御回路、１１１４ａ〜１１１４ｄ…プリアンプ

Claims (14)

  1. 支持層と、
    前記支持層上に形成される圧電薄膜と、
    前記圧電薄膜の第１面に設けられた第１電極と、
    電極パッドを備える基板と、
    前記基板に対して前記圧電薄膜を固定するように、前記圧電薄膜における前記第１面と反対側の第２面と前記基板における前記電極パッドとの間に設けられた柱状の複数の第１支持体と、
    前記圧電薄膜の前記第２面の一部から前記第１支持体の側面を介して前記電極パッドに電気的に接続する複数の第２電極と、
    を備え、
    前記支持層は、前記圧電薄膜とともに撓むことにより振動可能であり、
    前記支持層と、前記圧電薄膜と、前記第１電極と、前記複数の第２電極とは、それぞれが１つの振動要素である複数のダイアフラムを構成し、
    前記複数の第１支持体は、各ダイアフラムを区画する位置に設けられ、
    前記支持層、前記第１電極、および、前記圧電薄膜は、前記複数のダイアフラムで共通に設けられている
    圧電デバイス。
  2. 前記第２電極は、前記複数の第１支持体と１対１に対応して設けられ、
    各第２電極は、前記圧電薄膜の前記第２面の前記一部から前記第１支持体の側面を介して前記電極パッドまで延在している請求項１に記載の圧電デバイス。
  3. 各第２電極から前記第１支持体の側面を経て前記電極パッドまで延在する複数の補助電極をさらに備え、
    前記第２電極は、前記圧電薄膜の前記第２面における前記複数の第１支持体で区画された領域の略中央に設けられている
    請求項１に記載の圧電デバイス。
  4. 前記複数のダイアフラムのうちの少なくとも２つのダイアフラムで構成されるエレメントの周辺部において前記基板に対して前記圧電薄膜を固定するように、前記圧電薄膜の前記第２面と前記基板における前記電極パッドとの間に設けられた第２支持体と、
    前記圧電薄膜の前記第２面の一部から前記第２支持体の側面を介して前記電極パッドに電気的に接続する複数の第３電極と、
    をさらに備え、
    前記第２支持体には、気体が流通するための連通路が設けられている
    請求項１に記載の圧電デバイス。
  5. 前記複数のダイアフラムのうちの少なくとも２つのダイアフラムで構成されるエレメントの周辺部において前記基板に対して前記圧電薄膜を固定するように、前記圧電薄膜の前記第２面と前記基板における前記電極パッドとの間に設けられた第２支持体と、
    前記圧電薄膜の前記第２面の一部から前記第２支持体の側面を介して前記電極パッドに電気的に接続する複数の第３電極と、
    をさらに備え、
    前記基板には、気体が流通するための連通路が設けられている
    請求項１に記載の圧電デバイス。
  6. 前記第１支持体は、前記複数のダイアフラムのうちの少なくとも２つのダイアフラムは、前記圧電薄膜の前記第２面に沿った面積が互いに異なる請求項１に記載の圧電デバイス。
  7. 前記圧電薄膜の前記第１面側に設けられた保護膜をさらに備える請求項１に記載の圧電デバイス。
  8. 前記複数のダイアフラムのうちの少なくとも２つのダイアフラムで構成されるエレメントの周辺部には、前記圧電薄膜および前記第１電極を複数に分割するように前記圧電薄膜および前記第１電極を貫通するトレンチが設けられている請求項１に記載の圧電デバイス。
  9. 前記トレンチによって分割された前記複数の第１電極を電気に接続するように前記トレンチ内に設けられたトレンチ内配線をさらに備える請求項８に記載の圧電デバイス。
  10. 前記トレンチによって分割された前記複数の圧電薄膜に亘って設けられた導体膜と、
    前記トレンチによって分割された前記複数の第１電極と前記導体膜とを電気的に接続する配線と、
    をさらに備える請求項８に記載の圧電デバイス。
  11. 請求項１に記載の圧電デバイスを備える超音波装置。
  12. 請求項１に記載の圧電デバイスを備え、
    前記複数のダイアフラムは、それぞれ少なくとも２つのダイアフラムを含む複数のエレメントに区画され、
    前記基板は、前記複数のエレメントを１つ以上の駆動グループにグループ分けし、前記駆動グループ単位で駆動する駆動回路を含み、
    前記圧電デバイスは、各エレメントを区画する第１隔壁を含み、
    前記圧電薄膜と前記基板と前記第１隔壁とは、前記エレメントごとに第１空間を形成し、
    前記第１隔壁には、第１の駆動グループに属するエレメントの前記第１空間を、前記第１の駆動グループとは異なる第２の駆動グループに属するエレメントの前記第１空間に連通させるための連通路が設けられている
    超音波装置。
  13. 前記連通路のうち少なくとも１つは、外気に連通している請求項１２に記載の超音波装置。
  14. 前記圧電薄膜および前記基板とともに前記第１空間と異なる第２空間を形成する第２隔壁をさらに備え、
    前記連通路のうち少なくとも１つは、前記第２空間に連通している請求項１２に記載の超音波装置。


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