JPWO2013132747A1 - 圧電デバイス、超音波探触子、液滴吐出装置および圧電デバイスの製造方法 - Google Patents

圧電デバイス、超音波探触子、液滴吐出装置および圧電デバイスの製造方法 Download PDF

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Abstract

本発明の圧電デバイス、超音波探触子および液滴吐出装置では、一対の第１および第２電極は、それぞれ、厚さ方向に垂直な方向に単一配向である圧電部材に、前記厚さ方向に垂直な方向であるいは前記厚さ方向に沿う方向で、且つ前記配向の方向に垂直な方向に沿って延設されている。このため、本発明の圧電デバイスは、良好な圧電特性となる。そして、本発明の超音波探触子および液滴吐出装置は、効率がよい。

Description

本発明は、圧電デバイス、超音波探触子、液滴吐出装置および圧電デバイスの製造方法に関する。
超音波診断装置は、非侵襲で内部組織の観察ができ、また、リアルタイムで観察ができるといった特徴を有するため、診断への応用場面が益々増加している。この超音波診断装置として、例えば基板にＰＺＴなどの圧電部材を形成したユニモルフ構造のダイヤフラムを太鼓状に振動させて超音波の送受信を行うｐＭＵＴ（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）が知られている。
このようなｐＭＵＴの超音波探触子は、バルクＰＺＴをダイシングにより分割したものに較べ、周波数帯域を広くできる、微細化して高解像度とすることができる、３次元画像を取得するためのダイヤフラム（振動子）の２次元配列化に適している、および、小型薄型化が可能であるため超音波内視鏡への応用に適している等の利点を有している。一方、１次元配列のダイヤフラムでは、取得できる画像が断層画像であるため、操作による偽陰性の危険性があることから、操作者（医師、超音波診断技師）の熟練度が要求される。このため、３次元画像を取得できる２次元配列の超音波探触子のニーズは、高い。
このような超音波探触子は、以下のようにエネルギ変換を行う。送信では、電気エネルギを機械エネルギ（ダイヤフラムの振動）に、さらに機械エネルギを音響エネルギ（超音波）に変換する。一方、受信では、音響エネルギ（超音波）を機械エネルギ（ダイヤフラムの振動）に、さらに機械エネルギを電気エネルギに変換する。
機械エネルギと音響エネルギとにおける相互の変換は、音響整合が重要であり、ｐＭＵＴの実効音響インピーダンスを生体の音響インピーダンスに整合させることが設計のポイントである。電気エネルギと機械エネルギとにおける相互の変換は、圧電部材を含むダイヤフラム構成のエネルギ変換効率を高めることが重要である。圧電部材は、電界の方向と同じ方向（３３方向）の歪みを利用することが最も効率が良い（圧電部材の性能を表す指標ではｋ値：電気機械結合係数が高くなる）ため、超音波探触子では、３３方向の歪みを用いる構成が有利である。また、この構成は、ＰＺＴの厚み方向に電極を配設した構成に比べ、電極間隔を比較的大きく取れるため超音波を受信する場合の感度（単位圧力に対する出力電圧）を向上できるメリットもある。
このような３３方向の歪みを利用した方式の超音波探触子として、例えば図１７に示す構造の素子が知られている。この素子は、リング板状の圧電部材ａと、その圧電部材ａの厚さ方向の一方面である上面における径内側に配設したリング状のプラス電極ｂと、そのプラス電極ｂの径外側に配設したリング状のマイナス電極ｃとを有する薄膜状のダイヤフラムｄとを有し、これを保持部材ｅで保持した構造である。そして、この構造の素子を駆動する場合、プラス電極ｂとマイナス電極ｃとの一対の電極に給電することにより圧電部材ａの厚さ方向に垂直な方向（径方向）である３３方向に放射状に電界がかけられる。これにより、この素子は、圧電部材ａが径方向に歪み（３３方向に歪み）、ユニモルフ効果によってダイヤフラムｄが太鼓状に撓み変形し、これによって超音波を送受信する。
また、３３方向の歪みを利用した方式として、例えば特許文献１に超小型シェル型変換器が開示されている。この変換器は、保持基板上に、二つのショルダー部分の内側に、圧電部材（ソリッド電気アクティブ媒体）を積層したダイヤフラム（アーチ部分）を形成するとともに、それぞれのショルダー部分に一対の電極を取り付けてダイヤフラムと保持基板との間にチャンバーを形成する。そして、電圧がプラス電極からマイナス電極に沿って印加され、同方向の電界が発生する。これにより、この変換器では、圧電部材に応力が同方向に誘導し、この結果、ダイヤフラムが厚さ方向の上方または下方に動いて湾曲状に撓み変形する。
ところで、このようなダイヤフラムの圧電部材における配向方向と分極方向が一致していない場合には圧電特性が上がり難い。
しかしながら、厚さ方向に垂直な方向である上記３３方向を利用した上記リング形状の電極を配設した図１７に示す構造では、一対の電極の間に電圧をかけて分極処理を行うために分極方向が放射方向になって、圧電部材ａの配向方向と分極方向が異なり、圧電特性が上がり難い。
より詳しくは、例えば圧電部材ａを、その圧電部材ａの格子定数に近い格子定数を有する単結晶基板上に形成すると、圧電部材ａを厚さ方向およびその厚さ方向に垂直な方向における一方向（例えば図１７のＶ−Ｖ方向）に沿った単一配向の圧電部材ａが形成できる。このような単一配向の圧電部材ａを用いても、厚さ方向である上記３１方向の圧電歪みを利用する構成では上記配向方向と分極方向とが同一となるため圧電特性を高くできる一方、厚さ方向に垂直な方向である上記３３方向を利用した上記リング形状の電極では圧電部材ａの配向方向と分極方向（放射方向）が異なる箇所が多くなり、その結果、圧電特性が上がり難い。
また、上記特許文献１において、配向方向と分極方向との関係については一切開示されておらず、必ずしも圧電特性が良好であるとは言えない。
米国特許第６２２２３０４号明細書
本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、圧電特性が良好な圧電デバイスおよびその製造方法等の提供を目的とする。そして、本発明の他の目的は、この圧電デバイスを用いた超音波探触子および液滴吐出装置を提供することである。
本発明にかかる圧電デバイス、超音波探触子および液滴吐出装置では、一対の第１および第２電極は、それぞれ、厚さ方向に垂直な方向に単一配向である圧電部材に、前記厚さ方向に垂直な方向で且つ前記配向の方向に垂直な方向に沿って延設されている。あるいは、一対の第１および第２電極は、それぞれ、前記厚さ方向に沿う方向で且つ前記配向方向に垂直な方向に沿って延設されている。このため、本発明の圧電デバイスは、良好な圧電特性となる。そして、本発明の超音波探触子および液滴吐出装置は、効率がよい。
上記並びにその他の本発明の目的、特徴および利点は、以下の詳細な記載と添付図面から明らかになるであろう。
本発明にかかる第１実施形態の超音波探触子を有する超音波診断装置の外観構成を示す図である。 前記超音波探触子を有する前記超音波診断装置の電気的な構成を示すブロック図である。 前記超音波診断装置における超音波探触子の構成を示す断面図である。 前記超音波探触子における超音波送受信部の背面図である。 前記超音波探触子における超音波送受信部の要部を拡大した正面図である。 図５に示すＶＩ−ＶＩ線断面図である。 前記超音波送受信部の製造工程の説明図に係り、Ａ〜Ｇは、各製造工程における断面説明図である。 Ａは、単結晶板上に単一配向の圧電部材層を形成した状態を模式的に表した斜視図であり、Ｂは、単結晶層を有しない基板上に圧電部材層を形成した状態を模式的に表した斜視図である。 保持基板上に保持された単一配向の圧電部材上に、電極が配設された状態を模式的に表した斜視図である。 前記圧電部材上に形成された電極間に電圧を印加して圧電部材の分極処理を行う場合を模式的に表した斜視図である。 Ａは、前記超音波送受信部の他の第１態様の要部を拡大した断面図であり、Ｂは、前記超音波送受信部の他の第２態様の要部を拡大した断面図である。 前記超音波送受信部の他の第３態様の要部を拡大した正面である。 図１２に示すＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。 前記超音波送受信部の他の第４態様の要部を拡大した斜視図である。 図１４に示す前記超音波送受信部の他の第４態様の要部の断面図である。 本発明にかかる第２実施形態の液滴吐出装置の要部の断面図である。 超音波探触子の超音波送受信部の従来例の説明図である。
以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。なお、本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。
図１は、第１実施形態の超音波探触子を有する超音波診断装置の外観構成を示す図である。図２は、第１実施形態の超音波探触子を有する超音波診断装置の電気的な構成を示すブロック図である。図３は、第１実施形態の超音波探触子の構成を示す断面図である。
第１実施形態における超音波診断装置Ｓは、図１に示すように、超音波診断装置本体１と、超音波探触子２とを備える。超音波探触子２は、図略の生体等の被検体に対して超音波（第１超音波信号）を送信し、この第１超音波信号に基づく被検体内から来た超音波（第２超音波信号）を受信するものである。超音波診断装置本体１は、超音波探触子２とケーブル３を介して接続され、超音波探触子２へケーブル３を介して電気信号の送信信号を送信することによって超音波探触子２に被検体に対して第１超音波信号を送信させ、超音波探触子２で受信された被検体内から来た第２超音波信号に応じて超音波探触子２で生成された電気信号の受信信号に基いて被検体内の内部状態を超音波画像として画像化するものである。
この第１超音波信号に基づく被検体内から来た超音波は、被検体内における音響インピーダンスの不整合によって被検体内で第１超音波信号が反射した反射波（エコー）だけでなく、例えば微小気泡（マイクロバブル）等の超音波造影剤（コントラスト剤）が用いられている場合には、第１超音波信号に基いて超音波造影剤の微小気泡で生成される超音波もある。超音波造影剤では、超音波の照射を受けると、超音波造影剤の微小気泡は、共振もしくは共鳴し、さらに一定の閾値以上の音圧では崩壊、消失する。超音波造影剤では、微小気泡の共振によって、あるいは微小気泡の崩壊、消失によって、超音波が生じている。
超音波診断装置本体１は、例えば、図２に示すように、操作入力部１１と、送信部１２と、受信部１３と、画像処理部１４と、表示部１５と、制御部１６とを備えている。
操作入力部１１は、例えば、診断開始等を指示するコマンドや被検体の個人情報等のデータを入力するための装置であり、例えば、複数の入力スイッチを備えた操作パネルやキーボード等である。
送信部１２は、例えば制御部１６からの制御信号を超音波探触子２に送信する。受信部１３は、例えば超音波探触子２から送られてくる受信信号を受信して画像処理部１４へ出力する。
画像処理部１４は、制御部１６の制御に従って、受信部１３で受信された、第１超音波信号に基づく被検体内から来た第２超音波信号における所定の周波数成分に基いて被検体内の内部状態を表す画像（超音波画像）を形成する回路である。前記所定の周波数成分は、例えば、基本波成分、ならびに、例えば２次高調波成分、３次高調波成分および４次高調波成分等の高調波成分を挙げることができる。画像処理部１４は、複数の周波数成分を用いて超音波画像を形成するように構成されてもよい。画像処理部１４は、例えば、受信部１３の出力に基いて被検体の超音波画像を生成するＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、および、表示部１５に超音波画像を表示すべく、前記ＤＳＰで処理された信号をディジタル信号からアナログ信号へ変換するディジタル−アナログ変換回路（ＤＡＣ回路）等を備える。前記ＤＳＰは、例えば、Ｂモード処理回路、ドプラ処理回路およびカラーモード処理回路等を備え、いわゆるＢモード画像、ドプラ画像およびカラーモード画像の生成が可能とされている。
表示部１５は、制御部１６の制御に従って、画像処理部１４で生成された被検体の超音波画像を表示する装置である。表示部１５は、例えば、ＣＲＴディスプレイ、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）、有機ＥＬディスプレイおよびプラズマディスプレイ等の表示装置やプリンタ等の印刷装置等である。
制御部１６は、例えば、マイクロプロセッサ、記憶素子およびその周辺回路等を備えて構成され、これら超音波探触子２、操作入力部１１、送信部１２、受信部１３、画像処理部１４および表示部１５を当該機能に応じてそれぞれ制御することによって超音波診断装置Ｓの全体制御を行う回路である。
超音波探触子（超音波プローブ、トランスデューサ）２は、図３に示すように探触子本体４と、探触子本体４に設けられ超音波の送受信を行なう超音波送受信部（圧電デバイス）５とを備えている。尚、図３に示すＸ方向を上側、Ｙ方向を下側として説明する。後述の図６、図７〜図１１、図１３、図１６において同じである。
探触子本体４は、前端に設けられた被覆層４１と、後端側に設けられた信号処理回路部４２と、被覆層４１と信号処理回路部４２との間に配設されたバッキング材層４３とを備えている。
被覆層４１は、診断に際して、例えば被検体としての生体と当接し、その当接に際し不快感を与えることがないものであって、人体との音響整合をとるために音響インピーダンスが人体に近いシリコーンゴム等から形成されている。
バッキング材層４３は、超音波送受信部５に発生する不要振動を減衰する等の役割を果たす。
信号処理回路部４２は、ケーブル３を介して超音波診断装置Ｓと接続されているとともに、超音波送信用のパルス信号の生成、或いは、受信パルス信号の処理などを行なう。
より詳しくは、信号処理回路部４２は、制御部１６の制御に従って、上記送信部１２から送られてくる電気信号の送信信号を供給して超音波送受信部５に第１超音波信号を発生させる。例えば、高電圧のパルスを生成する高圧パルス発生器等を備えて構成される。この信号処理回路部４２で生成された駆動信号は、後述の複数の素子７（図４参照）それぞれに対し適宜に遅延時間を個別に設定した、パルス状の複数の信号であり、ダイヤフラム６のそれぞれに供給される。この複数の駆動信号によって、各ダイヤフラム６から放射された超音波の位相が特定方向（特定方位）（あるいは、特定の送信フォーカス点）において一致し、その特定方向にメインビームを形成した送信ビームの第１超音波信号が、発生する。
また、信号処理回路部４２は、制御部１６の制御に従って、超音波送受信部５から電気信号の受信信号を受信し処理する。そして、送信時の送信ビームの形成と同様に、受信時もいわゆる整相加算することによって受信ビームが形成されてよい。すなわち、ダイヤフラム６からなる素子７それぞれから出力される複数の出力信号に対し適宜に遅延時間が個別に設定され、これら遅延された複数の出力信号を加算することによって、各出力信号の位相が特定方向（特定方位、あるいは、特定の受信フォーカス点）において一致し、その特定方向にメインビームが形成される。このような場合において、例えば、前記増幅器で増幅された各出力信号が入力される受信ビームフォーマ等も備えてよい。尚、この信号処理回路部４２は、超音波診断装置本体１に設けられてもよく、適宜に変更できる。
超音波送受信部５は、探触子本体４の被覆層４１とバッキング材層４３との間に配設されている。この実施形態の超音波送受信部５は、図４および図５に示すように複数のダイヤフラム６と、それらのダイヤフラム６を保持した保持基板８とを備えている。
保持基板８は、この実施形態では、板状の基板本体８１と、基板本体８１の上面に積層され基板本体８１より厚さの薄いシート体８２とを備えている。
この保持基板８には、図４に示すように、左右方向および前後方向に配列された複数のほぼ正方形状の凹部８３が設けられている。各凹部８３は、図６に示すように基板本体８１の下面から上面側のシート体８２に至るまで、基板本体８１を貫通するようにして形成されている。この凹部８３によって、凹部８３の上方側に凹部８３に囲まれて、保持基板８における凹部８３以外の他の領域よりも厚さが薄い、シート体８２の一部から構成されたメンブレン６１が形成されている。
各ダイヤフラム６は、上記メンブレン６１と、メンブレン６１の上面に積層されそのメンブレン６１とでユニモルフ構造を採る薄い板状の圧電部材６２と、一対の電極６３、６４とを備えている。
メンブレン６１は、この実施形態では、後述のＰＺＴに良好な電位分布を得るために絶縁性の物質、例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ２）或いは窒化シリコン（ＳｉＮ）から構成され、シート状（この実施形態では、２μｍ程度の厚さ）に形成されている。
また、この実施形態のメンブレン６１は、その前後方向（Ｗ−Ｗ方向）の幅が上記凹部８３のその幅よりも狭い長方形状に形成されている。メンブレン６１の前端と上記凹部８３の前内壁面との間、およびメンブレン６１の後端と上記凹部８３の後内壁面との間のそれぞれにスリット孔８４が形成されている。従って、メンブレン６１は、その左右両端が基板本体８１に保持されている。
圧電部材６２は、圧電材料から構成されている。この実施形態では、圧電部材６２は、ＰＺＴから構成されている。尚、圧電部材６２は、ＰＺＴから構成されるものに限らず、例えば圧電部材を、水晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、ニオブ酸タンタル酸カリウム（Ｋ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、ＰＺＮ−ＰＴおよびＰＭＮ−ＰＴ等から構成することもでき、適宜変更できる。
この実施形態の圧電部材６２は、メンブレン６１と略同じ大きさの四角形状で、その厚さは、例えば、２μｍ程度である。
圧電部材６２は、左右方向の第１方向（Ｖ−Ｖ方向）に沿って配列された単一配向の結晶から構成されている。本実施形態の圧電部材６２は、第１方向に加えてその第１方向に垂直な前後方向の第２方向（Ｗ−Ｗ方向）に沿って配列された単一配向の結晶である。すなわち、圧電部材６２は、第１方向と、この第１方向と線形独立な第２方向との２方向に２次元層状（２次元板状）である。
このような単一配向の圧電部材６２は、例えば図８Ａに示すように、単結晶の層である単結晶層（図示せず）を有する単結晶板１０のその単結晶層上に圧電部材をエピタキシャル成長させることにより得ることができる。
単結晶板１０は、圧電部材６２をエピタキシャル成長させ得るものであることが必要であり、そのために、互いの格子定数がマッチングできる程度に近似していることが必要である。例えば図８Ｂに示すように、圧電部材６２を形成する基板１０ａが、単結晶層を有しない場合、あるいは、単結晶層を有しても、互いの格子定数がマッチングできず圧電部材６２がエピタキシャル成長できない場合、圧電部材６２の結晶がランダムに配列して単一配向にならない。
例えば、本実施形態のように圧電部材６２としてＰＺＴを用いる場合、圧電部材、単結晶板の格子定数等を表した表１に示すようにＰＺＴの格子定数（０．４１ｎｍ）に近いＭｇＯ（格子定数０．４２ｎｍ）が単結晶板１０として好適に用いられる。また、圧電部材６２としてＰＺＴを用いる場合に、ＳｒＴｉＯ３（格子定数０．３９ｎｍ）、Ａｌ２Ｏ３（格子定数０．４８ｎｍ）も単結晶板１０として用いることができる。
Figure 2013132747
電極は、図５、図６に示すように、一対のプラス電極６３（第１電極）とグランド電極６４（第２電極）とから構成されている。
これら電極６３、６４は、金または白金等から構成され、圧電部材６２の厚さ方向の一方面である上面および側面に、互いに所定の間隔をもって、圧電部材６２の厚さ方向（Ｘ−Ｙ方向）に垂直な方向で且つ圧電部材６２の結晶の配向方向（この実施形態ではＶ−Ｖ方向）に垂直な方向（この実施形態ではＷ−Ｗ方向）に沿って延ばされるようにして配設されている。
より詳しくは、プラス電極６３は、圧電部材６２の上面における左端縁に所定幅で、前端側から後端側に直線的に延ばされるように配設されている。すなわち、プラス電極６３は、圧電部材６２の上面における第１方向（Ｖ−Ｖ方向）の一方端縁に所定幅で、圧電部材６２の上面における第２方向（Ｗ−Ｗ方向）の一方端から他方端まで、直線的に延設されている。
一方、グランド電極６４は、圧電部材６２の上面における右端縁にプラス電極６３と略同幅で、前端側から後端側にプラス電極６３と平行に直線的に延びるように配設されている。すなわち、グランド電極６４は、圧電部材６２の上面における第１方向（Ｖ−Ｖ方向）の他方端縁に所定幅で、圧電部材６２の上面における第２方向の一方端から他方端まで、直線的に延設されている。したがって、プラス電極６３とグランド電極６４とは、圧電部材６２の上面で、所定の間隔を空けて、互いに平行に配設されている。
尚、電極６３、６４は、圧電部材６２の上面および側面に配設される形態に限らず、例えば、プラス電極６３およびグランド電極６４を圧電部材６２の上面にのみに配設するように構成されてよく、あるいは、プラス電極６３を圧電部材６２の左側面にのみ配設してグランド電極６４を圧電部材６２の右側面にのみ配設するように構成されてもよく、適宜に変更できる。
また、この実施形態では、上述のように形成された複数のダイヤフラム６は、図４に示すように、４つのダイヤフラム６を１素子７（図４の二点鎖線で囲んだ４つ）として共通に接続されて同調して動作するように構成される。そして、複数の素子７は、前後左右に２次元的に配列されている。
より詳しくは、グランド電極６４は、図４の二点鎖線で囲んだ４つのダイヤフラム６ごとに配設されたもの同士が図５に示すグランド電極接続配線６７を介して互いに通電可能に接続され、貫通配線等を介して信号処理回路部４２に接続される。
プラス電極６３は、図４の二点鎖線で囲んだ４つのダイヤフラム６ごとに配設されたもの同士がプラス電極接続配線６６を介して互いに通電可能に接続されているとともに、その４つのダイヤフラム６からなる１素子７それぞれから延設された素子接続配線（図示せず）によって複数の素子７同士が接続され、貫通配線等を介して信号処理回路部４２に接続される。
このような超音波送受信部５は、本実施形態では、次のようにして形成される。
まず、図７Ａに示すように３００μｍ程度のＭｇＯ（１００）からなる単結晶板１０上にスパッタリング法を用いて圧電部材層６２ａが、２μｍ程度形成される。成膜方法は、スパッタリング法の他に、ＣＶＤ法やゾルゲル法等でもよい。
この形成された圧電部材層６２ａは、図８Ａに示すように単結晶板１０上でエピタキシャル成長して、結晶が第１方向（Ｖ−Ｖ方向）および第２方向（Ｗ−Ｗ方向）に配列した単一配向になっている。
次に、厚み２００μｍのＳｉ基板からなる基板本体８１の上下両面のそれぞれに厚さ２μｍの熱酸化膜からなるシート体８２、８２ａが付いた保持基板８が用意される。尚、熱酸化膜の代わりに、窒化膜等が形成されてもよい。
そして、図７Ｂに示すように単結晶板１０上に形成した圧電部材層６２ａをシート体８２側に向けて圧電部材層６２ａとシート体８２とを接着剤等で張り合わせるようにして圧電部材層６２ａが、保持基板８に保持される。
圧電部材層６２ａとシート体８２とを張り合わせる接着剤は、例えばポリイミド系、エポキシ系、アクリル系等である。圧電部材層６２ａとシート体８２とを張り合わせる方法は、接着剤による方法に限らず、例えば、樹脂接合、ＳＯＧ接合、ＢＣＧ接合等であってもよく、適宜に変更して実施できる。
その後、図７Ｃに示すように熱リン酸水溶液等により、ＭｇＯ基板からなる単結晶板１０が、圧電部材層６２ａから除去される。
次に、図７Ｄに示すように圧電部材層６２ａの上面にチタン（２０ｎｍ）、白金（１００ｎｍ）が、順次にスパッタで成膜され、電極形成層６３ａが形成される。電極形成層６３ａにおけるチタンは、密着層で、白金は、プラス電極６３、プラス電極接続配線６６、グランド電極６４およびグランド電極接続配線６７となる。
そして、レジストが塗布され、露光、現像が行われ、このレジストをマスクとして上記チタンおよび白金からなる電極形成層６３ａが、エッチングされ、図７Ｅに示すようにプラス電極６３、グランド電極６４、さらに、図７で図示しないプラス電極接続配線６６、およびグランド電極接続配線６７のそれぞれが形成される。
その後、圧電部材層６２ａをパターニングするためのレジストパターンが形成され、フッ硝酸で圧電部材層６２ａをウェットエッチングすることによって、図７Ｆに示すように四角形状の圧電部材６２が、複数（図７Ｆでは１つだけ表れている）、形成される。
次に、保持基板８の下面側のシート体８２ａにおける各圧電部材６２に対応する部分にレジストが塗布され、露光、現像が行われ、レジストパターンが形成される。そして、シート体８２ａが、ＲＩＥ装置でドライエッチング（ＣＨＦ３ガス）され、レジストで保護されていないシート体８２ａが、除去される。
このパターンがダイヤフラムの変形部となり、この実施形態で１辺が５０μｍの矩形パターンとした。そのシート体８２ａのパターンをマスクに基板本体８１が、ＩＣＰ装置のボッシュプロセスで深堀加工することによって凹部８３が形成される。これにより、凹部８３の上面側に凹部８３で囲まれたシート体８２が、メンブレン６１とされ、そのメンブレン６１の前後両端部が、カットされてスリット孔８４（図５Ａに図示）が形成される。これにより、凹部８３の上方側に１辺が５０μm程度のダイヤフラム６が得られる。
その後、図１０に示すようにプラス電極６３とグランド電極６４との間に、数Ｖ／μｍ以上の電界がかかるように電圧が、印加される。これにより、圧電部材６２の全体に配向方向と同方向の第１方向（Ｖ−Ｖ方向）に沿った単一方向Ｐ（分極方向）に分極処理が行われる。
尚、上記実施形態では、圧電部材層６２ａとシート体８２とを接着剤で接合して圧電部材層６２ａが、保持基板８に転写され、単結晶板１０が除去されたが、この転写する方法に限らず、例えばＭｇＯ基板から構成した単結晶板が、そのまま保持基板１０８とされてもよい。
より詳しくは、図１１Ａに示すように、保持基板１０８が、ＭｇＯの単結晶板から構成され、その保持基板１０８の厚さ方向の一方面である上面に圧電部材層を成膜方法によって成膜して加工して圧電部材６２が、形成されるとともに、プラス電極６３、プラス電極接続配線６６、グランド電極６４およびグランド電極接続配線６７が形成され、厚さ方向の他方面である下面に、下面から上面側に所定深さで凹部１８３が、形成される。
この凹部１８３は、例えばレジストからなるマスク材で下面をマスクし、濃度４０％、８０°Ｃの熱リン酸溶液でエッチング加工することによって形成される。
また、図１１Ｂに示すように、Ｓｉ基板からなる保持基板１０８ａ上に、単結晶層１０ｂが形成され、その上に圧電部材６２が、形成される。そして、保持基板１０８ａの下面に凹部１８３ａが形成されてもよい。この場合の単結晶層１０ｂを形成する方法として、保持基板１０８ａ上にスパッタ等で堆積する、あるいは、接合する（接合した単結晶層１０ｂが厚い場合はその後研磨して厚さ調整）方法が挙げられる。
以上のように構成された超音波探触子を有する超音波診断装置Ｓで診断する場合、例えば、操作入力部１１から診断開始の指示が入力されると、制御部１６の制御に従い、信号処理回路部４２で超音波送信用のパルス信号が生成される。
この生成されたパルス信号は、超音波送受信部５の複数の素子７（４つのダイヤフラム６）ごとに所定の遅延時間でパルス電圧を、プラス電極６３とグランド電極６４との間に印加して、圧電部材６２の厚さ方向と垂直方向に電界を生じさせる。
この電界により、各圧電部材６２が圧電効果によって厚さ方向に垂直な方向に歪む。また、その際、圧電部材６２の配向方向と分極方向が一致しているため、圧電特性が良好で、効率よく歪む。
この各圧電部材６２の歪により、各ダイヤフラム６は、厚さ方向である上下方向の上側に湾曲状に撓み変形する。そして、ダイヤフラム６が撓み変形し、その共振特性（共振周波数と減衰特性）に応じた振動が加振され、パルス状の超音波が生体内へ発信される。アレイの各素子７の位相を所定量ずらすことで、超音波ビームをフォーカシング、ステアリング（方向制御）し、必要領域を３次元状に走査する。生体内では、超音波は、減衰しながら伝わり、音響インピーダンスの差が生じている部位で反射が起こり、超音波探触子２へ帰還する。
戻った超音波により各ダイヤフラム６は、振動し、それに伴う圧電部材６２の歪みに応じて電荷がプラス電極６３に発生する。
そして、この発生した電荷は、信号処理回路部４２で処理され、画像処理部１４へ出力され、画像処理部１４は、制御部１６の制御によって、受信された受信信号に基づいて、送信から受信までの時間により被検体までの距離が、素子間の時間差により被検体の方向が、それぞれ検出され、被検体の超音波画像を生成する。さらに、画像処理部１４では、フィルタ法によって受信信号から高調波成分が抽出され、この抽出された高調波成分に基いてハーモニックイメージング技術を用いて被検体内部の内部状態の超音波画像が生成される。また例えば、画像処理部１４では、位相反転法（パルスインバージョン法）によって受信信号から高調波成分が抽出され、この抽出された高調波成分に基いてハーモニックイメージング技術を用いて被検体内部の内部状態の超音波画像が生成される。そして、表示部１５は、制御部１６の制御によって、画像処理部１４で生成された被検体の超音波画像を表示する。
尚、上記実施形態では、超音波探触子２は、圧電部材６２の左端側に配置したプラス電極６３と、圧電部材６２の右端側に配置したグランド電極６４との１組の一対の電極を備えて構成されたが、この形態のものに限らず、一対のプラス電極およびグランド電極を複数組、備えて構成されてもよく、適宜に変更できる。
より詳しくは、例えば図１２、図１３に示すようにプラス電極は、第１組用プラス電極１６３ａと第２組用プラス電極１６３ｂとから構成され、グランド電極は、第１組用グランド電極１６４ａと第２組用グランド電極１６４ｂとから構成されている。
第１組用プラス電極１６３ａは、圧電部材６２の上面における左端側に前後方向に沿って配置されている。第２組用プラス電極１６３ａは、圧電部材６２の前面における第１組用プラス電極１６３ａの右側方に所定の距離をもって第１組用プラス電極１６３ａと平行に配置され、第１組用プラス電極１６３ａと共通に接続されている。
第１組用グランド電極１６４ａは、圧電部材６２の前面における第１組用プラス電極１６３ａと第２組用プラス電極１６３ａとの間に、第１組用プラス電極１６３ａと所定の距離をもって平行に配置されている。第２組用グランド電極１６４ｂは、圧電部材６２の前面における右端側であって第２組用プラス電極１６３ａの右側方側に第２組用プラス電極１６３ａと所定の距離をもって平行に配置され、第１組用グランド電極１６４ａと共通接続されている。
このように構成することによって、より低い電圧で圧電部材６２を歪ませることが可能となり、より一層効率よく圧電部材６２を歪ませることができる。
尚、この場合の圧電部材６２の分極は、例えば第２組用プラス電極１６３ｂと共通に接続される前の第１組用プラス電極１６３ａと、第１組用グランド電極１６４ａと共通接続される前の第２組用グランド電極１６４ｂとの間に、数Ｖ／μｍ以上の電界がかかるように電圧を印加することによって、圧電部材６２の全体に配向方向と同方向の第１方向（Ｖ−Ｖ方向）に沿った単一方向Ｐ（分極方向）に分極処理が行われる。
また、上記実施形態では、超音波探触子２は、圧電部材６２の左端側に配置したプラス電極６３と、圧電部材６２の右端側に配置したグランド電極６４との１組の一対の電極を備えて構成されたが、これに代え、あるいは、これに追加して、圧電部材６２の側壁にさらに他の一対の電極を備えてもよい。
図１４は、前記超音波送受信部の他の第４態様の要部を拡大した斜視図である。図１５は、図１４に示す前記超音波送受信部の他の第４態様の要部の断面図である。
図１４および図１５には、プラス電極６３およびグランド電極６４に追加して圧電部材６２の側壁にさらに他の一対の電極９１、９２を備える構成が示されている。図１４および図１５において、この第４態様では、超音波探触子２は、圧電部材６２の左端側面（側壁）上に厚さ方向に沿う方向でかつ前記配向方向に垂直な方向に沿って延設されるプラス電極９１と、圧電部材６２の右端側面（側壁）上に厚さ方向に沿う方向でかつ前記配向方向に垂直な方向に沿って延設されるグランド電極９２との１組の一対の電極をさらに備えている。なお、図１４および図１５において、一対の電極６３、６４は、無くてもよい。
このように、探触子本体に設けられ超音波の送受信を行なう超音波送受信部（圧電デバイス）は、板状の圧電部材６２と、圧電部材６２に電圧を印加する一対の第１および第２電極９１、９２とを備え、圧電部材６２は、厚さ方向（Ｘ−Ｙ方向）に垂直な方向（Ｖ−Ｖ方向）に単一配向であり、一対の第１および第２電極９１、９２は、それぞれ、前記厚さ方向（Ｘ−Ｙ方向）に沿う方向で且つ前記配向方向（Ｖ−Ｖ方向）に垂直な方向（Ｗ−Ｗ）に沿って延設されている。
このように構成することによって、圧電部材６２の厚さ方向と垂直に電界が生じやすくなり、配向方向と分極方向とがより一致する。
また、上記実施形態では、圧電デバイスは、超音波探触子２に用いられたが、これに限らず、例えばプリンタ（図示せず）等に使用されインク等の液滴を吐出する液滴吐出装置２００に用いることもできる。以下、図１６に基づいて、圧電デバイスを吐出作動部２０５に用いた液滴吐出装置２００の一例について説明する。
この液滴吐出装置２００は、吐出作動部２０５と、ノズルプレート２１１とを備える。吐出作動部２０５は、圧電部材２６２と、圧電部材２６２の上面上における左端側に配置されたプラス電極２６３と、圧電部材２６２の上面上における右端側に配置されたグランド電極２６４と、これらを保持した保持部材２０８とを備える。
圧電部材２６２とプラス電極２６３とグランド電極２６４とは、先の第１実施形態のものと同構成である。
保持部材２０８も、先の第１実施形態のものとほぼ同構成であり、基板本体２８１に形成された凹部が圧力室２８３とされるとともに、その圧力室２８３の内上壁を構成するシート体が、圧力室２８３内のメンブレン２８２を構成している。ただし、この第２実施形態では、メンブレン２８２には、先の実施形態に設けられていたスリット孔８４は、有しない。
ノズルプレート２１１は、基板本体２８１の下面にガラス基板２１２を介して陽極接合等で貼り合わせることで形成される。
このガラス基板２１２には、圧力室２８３に連通するインク吐出用の穴２１２ａが貫通形成されている。また、ノズルプレート２１１には、穴２１２ａに連通するインク吐出用の２段穴からなるノズル２１１ａが貫通形成されている。尚、ノズルプレート２１２として、Ｓｉ、ガラス、ポリイミド、感光性樹脂などが用いられる。
このようにして作製された液滴吐出装置２００は、例えばプリンタ本体（不図示）に取り付けられ、吐出作動部２０５にはインクタンク（不図示）が取り付けられる。吐出作動部２０５とインクタンクとはインク流路（不図示）によって繋がっている。
このように構成された液滴吐出装置２００は、圧電部材２６２に所定の電圧を印加することにより、圧電部材２６２が歪み変形し、それに応じてダイヤフラム全体が太鼓状に変形し、圧力室２８３内のインクがノズル２１１ａから吐出される。
本明細書は、上記のように様々な態様の技術を開示しているが、そのうち主な技術を以下に纏める。
一態様に係る圧電デバイスは、板状の圧電部材と、前記圧電部材に電圧を印加する一対の第１および第２電極とを備え、前記圧電部材は、厚さ方向に垂直な方向において単一配向であり、前記一対の第１および第２電極は、それぞれ、前記厚さ方向に垂直な方向で且つ前記配向方向に垂直な方向に沿って延設されている。
この構成によれば、一対の第１および第２電極は、それぞれ、圧電部材の厚さ方向に垂直な方向で且つ配向方向に垂直な方向に沿って延びて配設されている。このため、このような圧電デバイスは、第１電極と第２電極との間に電圧を印加して圧電部材を分極処理することによって、その分極方向と配向方向とを一致させることができ、圧電特性が良好となる。
他の一態様では、上述の圧電デバイスにおいて、単結晶の層である単結晶層と、前記圧電部材を前記単結晶層上にエピタキシャル成長可能に、当該圧電部材を保持した板状の保持基板をさらに備える。
このような圧電デバイスは、厚さ方向に垂直な方向に単一配向の圧電部材を容易に得ることができる。
他の一態様では、これら上述の圧電デバイスにおいて、前記単結晶層は、前記保持基板とは別の単結晶板に形成されたものであり、前記単結晶板に形成された圧電部材は、前記保持基板に保持されたものである。
この構成によれば、圧電部材をエピタキシャル成長させる単結晶板と圧電デバイスにおける圧電部材を保持した保持基板とは、別のものから構成される。このため、このような圧電デバイスは、保持基板として、従来から用いられている圧電デバイスの保持基板と同一の素材のものを使用できる。従って、このような圧電デバイスは、従来からその素材のものに対して行われている加工技術を用いて保持基板の加工を行うことができ、製造容易なものにできる。
他の一態様では、これら上述の圧電デバイスにおいて、他の１以上の対の第１および第２電極をさらに備える。
このような圧電デバイスは、より低い電圧で圧電部材を歪ませることができ、より一層効率よく圧電部材を歪ませることができる。
また、他の一態様に係る超音波探触子は、これら上述のいずれかの圧電デバイスを有する。
このような超音波探触子は、圧電特性の良好な上述の圧電デバイスによって、効率よく超音波を送受信できる。
また、他の一態様に係る液滴吐出装置は、これら上述のいずれかの圧電デバイスを有する。
このような液滴吐出装置は、圧電特性の良好な上述の圧電デバイスによって、効率よく液滴を吐出できる。
また、他の一態様にかかる圧電デバイスは、板状の圧電部材と、前記圧電部材に電圧を印加する一対の第１および第２電極とを備え、前記圧電部材は、厚さ方向に垂直な方向に単一配向であり、前記一対の第１および第２電極は、それぞれ、前記厚さ方向に沿う方向で且つ前記配向方向に垂直な方向に沿って延設されている。
このような圧電デバイスでは、圧電部材６２の厚さ方向と垂直に電界が生じやすくなり、配向方向と分極方向とがより一致する。
また、他の一態様に係る圧電デバイスの製造方法は、板状の圧電部材と、前記圧電部材に電圧を印加する一対の第１および第２電極とを備えた圧電デバイスを製造する圧電デバイスの製造方法であって、厚さ方向に垂直な方向において単一配向の圧電部材を形成する工程と、前記厚さ方向に垂直な方向で且つ前記配向方向に垂直な方向に沿って延ばすようにして前記一対の第１および第２電極をそれぞれ配設する工程と、を備えている。
この構成によれば、第１電極と第２電極との間に電圧をかけて圧電部材の分極を行えばよく、これにより、その分極方向と配向方向とを一致させることができ、圧電特性の良好なものにでき、圧電部材の分極を容易に行うことができる。
他の一態様では、上述の圧電デバイスの製造方法において、前記圧電部材を単結晶層上にエピタキシャル成長可能に、当該圧電部材を板状の保持基板に保持する工程をさらに備える。
このような圧電デバイスの製造方法は、厚さ方向に垂直な方向に単一配向の圧電部材を容易に製造できる。
他の一態様では、これら上述の圧電デバイスの製造方法において、前記保持基板とは別の前記単結晶層を有する単結晶板で前記圧電部材を形成する工程と、前記単結晶板に形成した前記圧電部材を、前記保持基板に保持させる工程と、を備えている。
このような圧電デバイスの製造方法は、保持基板として、従来の圧電デバイスと同一の素材のものを用いることができ、従来からその素材のものに対して行われている加工技術を用いて保持基板を加工することができ、製造容易となる。
この出願は、２０１２年３月８日に出願された日本国特許出願特願２０１２−５１３４９を基礎とするものであり、その内容は、本願に含まれるものである。
本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。
本発明によれば、圧電デバイスおよび圧電デバイスの製造方法ならびに圧電デバイスを用いた超音波探触子および液滴吐出装置を提供することができる。

Claims (10)

  1. 板状の圧電部材と、
    前記圧電部材に電圧を印加する一対の第１および第２電極とを備え、
    前記圧電部材は、厚さ方向に垂直な方向に単一配向であり、
    前記一対の第１および第２電極は、それぞれ、前記厚さ方向に垂直な方向で且つ前記配向方向に垂直な方向に沿って延設されていること
    を特徴とする圧電デバイス。
  2. 単結晶の層である単結晶層と、
    前記圧電部材を前記単結晶層上にエピタキシャル成長可能に、当該圧電部材を保持した板状の保持基板とをさらに備えること
    を特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
  3. 前記単結晶層は、前記保持基板とは別の単結晶板に形成されたものであり、
    前記単結晶板に形成された圧電部材は、前記保持基板に保持されたものであること
    を特徴とする請求項２に記載の圧電デバイス。
  4. 他の１以上の対の第１および第２電極をさらに備えること
    を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
  5. 請求項１または請求項２に記載の圧電デバイスを有すること
    を特徴とする超音波探触子。
  6. 請求項１または請求項２に記載の圧電デバイスを有すること
    を特徴とする液滴吐出装置。
  7. 板状の圧電部材と、
    前記圧電部材に電圧を印加する一対の第１および第２電極とを備え、
    前記圧電部材は、厚さ方向に垂直な方向に単一配向であり、
    前記一対の第１および第２電極は、それぞれ、前記厚さ方向に沿う方向で且つ前記配向方向に垂直な方向に沿って延設されていること
    を特徴とする圧電デバイス。
  8. 板状の圧電部材と、前記圧電部材に電圧を印加する一対の第１および第２電極とを備えた圧電デバイスを製造する圧電デバイスの製造方法であって、
    厚さ方向に垂直な方向において単一配向の圧電部材を形成する工程と、
    前記厚さ方向に垂直な方向で且つ前記配向方向に垂直な方向に沿って延ばすようにして前記一対の第１および第２電極をそれぞれ配設する工程と、を備えていること
    を特徴とする圧電デバイスの製造方法。
  9. 前記圧電部材を単結晶層上にエピタキシャル成長可能に形成するように、当該圧電部材を板状の保持基板に保持する工程をさらに備えること
    を特徴とする請求項８に記載の圧電デバイスの製造方法。
  10. 前記保持基板とは別の前記単結晶層を有する単結晶板で前記圧電部材を形成する工程と、
    前記単結晶板に形成した前記圧電部材を、前記保持基板に保持させる工程とを備えていること
    を特徴とする請求項９に記載の圧電デバイスの製造方法。
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