WO2017199634A1 - 圧電体、圧電素子、超音波探触子および超音波撮像装置 - Google Patents

圧電体、圧電素子、超音波探触子および超音波撮像装置 Download PDF

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piezoelectric
piezoelectric body
less
piezoelectric element
etching
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清水　直紀
一成 多田
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コニカミノルタ株式会社
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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H—ELECTRICITY
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    • H10N30/082—Shaping or machining of piezoelectric or electrostrictive bodies by etching, e.g. lithography
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    • H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/853—Ceramic compositions

Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric body, a piezoelectric element, an ultrasonic probe, and an ultrasonic imaging apparatus.
  • An ultrasonic imaging apparatus used in the medical field has a piezoelectric element including a piezoelectric body and a pair of electrodes for applying a voltage to the piezoelectric body.
  • an ultrasonic wave is generated and transmitted by vibrating a piezoelectric body of a piezoelectric element with an electric signal.
  • the ultrasonic wave reflected by the subject is received by the piezoelectric element.
  • the ultrasonic imaging apparatus can obtain an ultrasonic image of the subject.
  • Non-Patent Document 1 As a method for increasing the sensitivity to ultrasonic waves in a piezoelectric element, a method of reducing the piezoelectric body is known (for example, see Non-Patent Document 1).
  • the length in one direction of a piezoelectric body composed of a single crystal of lead magnesium niobate titanate (PMN-PT) is set to 43 ⁇ m by etching using an etchant containing hydrochloric acid and hydrofluoric acid. To 37 ⁇ m.
  • Non-Patent Document 1 the dielectric constant of the piezoelectric body is reduced from 4570 to 2250 by the etching process. As described above, the method described in Non-Patent Document 1 has a problem that the relative permittivity of the piezoelectric body is lowered by reducing the piezoelectric body.
  • a first object of the present invention is to provide a piezoelectric body composed of a single crystal of PMN-PT that can suppress a decrease in relative dielectric constant caused by reducing the piezoelectric body.
  • the second object of the present invention is to provide a piezoelectric element and an ultrasonic probe that are highly sensitive to ultrasonic waves.
  • a third problem of the present invention is to provide an ultrasonic imaging apparatus that can obtain an ultrasonic image of a subject with high spatial resolution.
  • a piezoelectric body composed of a single crystal of lead magnesium niobate titanate, the surface having an arithmetic average height of 50 nm to 200 nm, A piezoelectric body having a kurtosis degree of 3.0 or more and 4.0 or less and a minimum autocorrelation length of the surface of 1.0 ⁇ m or more and 4.0 ⁇ m or less is provided.
  • a piezoelectric body composed of a single crystal of lead magnesium niobate titanate and the piezoelectric body are disposed so as to face each other, A pair of electrodes for applying a voltage to the piezoelectric body, the arithmetic average height of the surface of the piezoelectric body is not less than 50 nm and not more than 200 nm, and the sharpness of the surface of the piezoelectric body is 3.0
  • the piezoelectric element is 4.0 or less and the minimum autocorrelation length of the surface of the piezoelectric body is 1.0 ⁇ m or more and 4.0 ⁇ m or less.
  • an ultrasonic probe having a piezoelectric element according to the present invention is provided.
  • an ultrasonic imaging apparatus having the ultrasonic probe according to the present invention is provided.
  • the piezoelectric body according to the present invention can suppress a decrease in relative dielectric constant caused by reducing the piezoelectric body.
  • the piezoelectric element and the ultrasonic probe according to the present invention have high sensitivity to ultrasonic waves.
  • the ultrasonic imaging apparatus according to the present invention can obtain an ultrasonic image of a subject with high spatial resolution.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an example of the configuration of the piezoelectric element according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is an electron micrograph showing an example of the shape of a plurality of concave stripes formed on the surface of the piezoelectric body.
  • 3A to 3E are schematic views showing an example of the manufacturing process of the piezoelectric element according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of the ultrasonic probe according to the present embodiment.
  • FIG. 5A is a diagram schematically illustrating an exemplary configuration of the ultrasonic imaging apparatus according to the present embodiment
  • FIG. 5B is a block diagram illustrating an exemplary electrical configuration of the ultrasonic imaging apparatus.
  • FIGS. 6A and 6B are diagrams illustrating the shape of a piezoelectric body according to a modification.
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing a first half of an example of a process for manufacturing a piezoelectric element having a columnar piezoelectric body from a piezoelectric substrate.
  • FIG. 8 is a diagram schematically illustrating the latter half of an example of a process for manufacturing a piezoelectric element having a columnar piezoelectric body from a piezoelectric substrate.
  • a piezoelectric element includes a piezoelectric member in which a piezoelectric body made of a single crystal of lead magnesium niobate titanate (PMN-PT) and a resin are alternately arranged.
  • PMN-PT lead magnesium niobate titanate
  • FIG. 1 is a perspective view showing an example of the configuration of the piezoelectric element 130 according to the present embodiment.
  • the piezoelectric element 130 according to the present embodiment includes the piezoelectric member 10 and a pair of electrodes 30 for applying a voltage to the piezoelectric member 10.
  • the X direction is the short direction of the piezoelectric body 11
  • the Y direction is the longitudinal direction of the piezoelectric body 11
  • the Z direction is the thickness direction of the piezoelectric body 11. Note that the X, Y, and Z directions are orthogonal to each other.
  • the piezoelectric member 10 includes a plurality of piezoelectric bodies 11 and a plurality of resins 12 that are alternately arranged.
  • the plurality of piezoelectric bodies 11 are arranged apart from each other via the resin 12 in one direction (Z direction) in the plane direction (YZ direction).
  • the piezoelectric body 11 according to the present embodiment has a predetermined surface roughness defined by the arithmetic average height Sa, the kurtosis Sku, and the minimum autocorrelation length Sal.
  • the manufacturing process of the piezoelectric body 11 according to the present embodiment includes a dicing process and an etching process.
  • the surface roughness of the piezoelectric body 11 is derived from the dicing process and the etching process.
  • the arithmetic average height Sa of the surface of the piezoelectric body 11 is not less than 50 nm and not more than 200 nm.
  • the arithmetic average height Sa of the surface of the piezoelectric body 11 represents the average of the distance between the average surface located at the average position in the height (depth) direction of the unevenness on the surface of the piezoelectric body 11 and the apex of each unevenness. .
  • the arithmetic average height Sa is less than 50 nm, a sufficient dielectric constant cannot be obtained due to the remaining non-dielectric layer (hereinafter also referred to as “damage layer”) on the surface of the piezoelectric body 11. There is.
  • the arithmetic average height Sa is more than 200 nm, a sufficient dielectric constant may not be obtained due to the remaining damaged layer on the surface of the piezoelectric body 11.
  • the arithmetic average height Sa of the surface of the piezoelectric body 11 is preferably 70 nm or more and 120 nm or less.
  • the arithmetic average height Sa can be appropriately adjusted according to, for example, a dicing method and an etching method.
  • the arithmetic average height Sa increases as the grain size of the abrasive grains of the blade used in the dicing process increases.
  • the arithmetic average height Sa tends to increase when, for example, the etching solution used in the etching process contains fluoride and hydrochloric acid. This is presumably because lead fluoride and lead chloride, which are passive, are formed on the surface of the piezoelectric body 11, and etching is inhibited by the passive in the portion where the passive is formed.
  • the arithmetic average height Sa increases as the nitric acid concentration decreases. This is considered to be because the action of removing the non-conductive state becomes weaker as the concentration of nitric acid is smaller. Furthermore, the arithmetic average height Sa increases as the stirring force of the etching solution (for example, the rotational speed of the magnetic stirrer) decreases in the etching process, for example. This is considered because the effect
  • the surface sharpness Sku of the piezoelectric body 11 is 3.0 or more and 4.0 or less.
  • the kurtosis degree Sku of the surface of the piezoelectric body 11 represents the degree of cusp of the convex shape formed on the surface of the piezoelectric body 11.
  • a sufficient dielectric constant may not be obtained due to the remaining damaged layer on the surface of the piezoelectric body 11.
  • the kurtosis Sku is more than 4.0, a sufficient dielectric constant may not be obtained due to the remaining damaged layer on the surface of the piezoelectric body 11.
  • the kurtosis degree Sku of the surface of the piezoelectric body 11 is preferably 3.2 or more and 3.7 or less.
  • the kurtosis Sku can be appropriately adjusted according to the etching method.
  • the kurtosis degree Sku increases, for example, as the etching time is shorter in the etching process.
  • the kurtosis Sku tends to increase when, for example, the etching solution used in the etching process contains fluoride and hydrochloric acid. This is presumably because when the passivity is formed on the surface of the piezoelectric body 11, the etching action may be non-uniform.
  • the minimum autocorrelation length Sal of the surface of the piezoelectric body 11 is 1.0 ⁇ m or more and 4.0 ⁇ m or less.
  • the minimum autocorrelation length Sal of the surface of the piezoelectric body 11 represents the horizontal distance in the direction in which the autocorrelation attenuates from the maximum value to a specific value (for example, 0.2) earliest. If the minimum autocorrelation length Sal is less than 1.0 ⁇ m, a sufficient dielectric constant may not be obtained due to the damage layer remaining on the surface of the piezoelectric body 11. If the minimum autocorrelation length Sal is greater than 4.0 ⁇ m, a sufficient dielectric constant may not be obtained due to the remaining damaged layer on the surface of the piezoelectric body 11. From such a viewpoint, the minimum autocorrelation length Sal of the surface of the piezoelectric body 11 is preferably 1.5 ⁇ m or more and 3.5 ⁇ m or less.
  • the minimum autocorrelation length Sal can be appropriately adjusted according to, for example, an etching method.
  • the minimum autocorrelation length Sal tends to increase when, for example, the etching solution used in the etching process contains fluoride and hydrochloric acid. This is presumably because when the passivity is formed on the surface of the piezoelectric body 11, the etching action may be non-uniform.
  • the number density Sds at the top of the protrusions on the surface of the piezoelectric body 11 is preferably 0.05 / ⁇ m 2 or less.
  • the number density Sds on the top of the protrusion is measured with a white light interference microscope NT-9300 (manufactured by Bruker AXS Co., Ltd.) with a magnification of 50 times and a Z-axis scan speed of 1 time. It means a value measured when the aspect ratio X: Y of the range is set to 125 ⁇ m: 94 ⁇ m.
  • the number density Sds on the top of the protrusion is more preferably 0.04 pieces / ⁇ m 2 or less.
  • the number density Sds on the top of the protrusion can be appropriately adjusted according to, for example, an etching method.
  • the number density Sds on the top of the protrusion becomes smaller as the etching time becomes longer in the etching step. This is considered to be because the corner formed on the surface of the piezoelectric body 11 becomes rounder as the etching time becomes longer because etching is an isotropic process.
  • the arithmetic average height Sa, the kurtosis Sku, the minimum autocorrelation length Sal, and the number density Sds on the top of the protrusions of the surface of the piezoelectric body 11 are, for example, a known surface roughness measuring machine (for example, white light It can be measured using an interference microscope NT-9300 (manufactured by Bruker AXS Co., Ltd.).
  • the arithmetic average height Sa, kurtosis Sku, minimum autocorrelation length Sal, and number density Sds on the top of the protrusion of the piezoelectric element 130 in the piezoelectric element 130 dissolve the resin 12 of the piezoelectric element 130, and the surface of the piezoelectric element 11. Can be measured by exposing to the outside.
  • FIG. 2 is an electron micrograph showing an example of the shape of the plurality of concave stripes 13 formed on the surface of the piezoelectric body 11.
  • the surfaces of the piezoelectric body 11 are parallel to each other so as to be along a direction of 0 ° or more and 20 ° or less with respect to one direction (the arrow direction in FIG. 2). It is preferable that a plurality of concave stripes 13 extending is formed.
  • the surface of the piezoelectric body 11 extends in parallel with each other so as to be along the direction of 0 ° or more and 20 ° or less with respect to the opposing direction (X direction) of the pair of electrodes 30.
  • the recess 13 is formed.
  • the piezoelectric body 11 is composed of a single crystal of PMN-PT.
  • the shape of the piezoelectric body 11 can be appropriately changed according to the shape of the piezoelectric member 10.
  • the shape of the piezoelectric body 11 according to the present embodiment is a plate shape.
  • the length of the piezoelectric body 11 in the one direction can be appropriately set according to a desired ultrasonic frequency.
  • the length of the piezoelectric body 11 in the one direction is preferably 60 mm or more and 500 mm or less.
  • the length of the piezoelectric body 11 in the direction orthogonal to the one direction can be appropriately set according to a desired relative dielectric constant.
  • the minimum value of the length of the piezoelectric body 11 in the direction orthogonal to the one direction is preferably 90 ⁇ m or less, and more preferably 50 ⁇ m or less.
  • the minimum value of the length of the piezoelectric body 11 in the direction orthogonal to one direction is the minimum value of the length of the piezoelectric body 11 in the direction orthogonal to the opposing direction (X direction) of the pair of electrodes 30.
  • Resin 12 fixes adjacent piezoelectric bodies 11 at a predetermined interval.
  • the interval between the adjacent piezoelectric bodies 11 can be appropriately set according to the thickness of the piezoelectric bodies 11. If the interval is too small, adjacent piezoelectric bodies 11 in the piezoelectric element 130 may interfere with each other. If the distance is too large, the desired piezoelectric characteristics due to the dense arrangement of the piezoelectric bodies 11 may not be achieved. From such a viewpoint, the interval is preferably 5 ⁇ m or more, and more preferably 10 ⁇ m or more.
  • the interval is adjusted so that the ratio of the piezoelectric body 11 in the arrangement direction of the piezoelectric body 11 and the resin 12 becomes 20% or more when the piezoelectric bodies 11 and the resin 12 are alternately arranged at equal intervals. It is preferred that
  • the shape of the resin 12 can be determined according to the shape of the piezoelectric body 11.
  • the shape of the resin 12 is a plate shape.
  • the resin 12 a known resin used for fixing the piezoelectric body 11 in the piezoelectric element 130 can be used.
  • the resin 12 include an epoxy resin and a silicone resin.
  • the pair of electrodes 30 are disposed on the piezoelectric member 10 so as to face each other with the piezoelectric body 11 or the resin 12 interposed therebetween.
  • the pair of electrodes 30 applies a voltage to the piezoelectric body 11 of the piezoelectric member 10.
  • the material of the electrode 30 can be appropriately selected from known materials. Examples of the material of the electrode 30 include gold, silver, platinum, palladium, nickel, and copper.
  • FIGS. 3A to 3E are schematic views showing an example of the manufacturing process of the piezoelectric element 130 according to the present embodiment.
  • the manufacturing method of the piezoelectric element 130 according to the present embodiment includes a step of dicing the piezoelectric substrate 1 made of PMN-PT single crystal, and a diced piezoelectric substrate 1 (hereinafter simply referred to as “dicing substrate 1d”). Etching step), adjusting the gap between the adjacent piezoelectric bodies 11 in the etched dicing substrate 1d, and forming a pair of electrodes 30 for applying a voltage to the piezoelectric body 11. Including.
  • the short side direction of the piezoelectric substrate 1 is the X direction, orthogonal to the X direction, the longitudinal direction of the piezoelectric substrate 1 is the Y direction, and the thickness direction of the piezoelectric substrate 1 is the Z direction.
  • the X, Y, and Z directions are orthogonal to each other.
  • a piezoelectric substrate 1 composed of a single crystal of PMT-PT is prepared (see FIG. 3A).
  • the piezoelectric substrate 1 is formed with a plurality of cuts along the Y direction by dicing (see FIG. 3B).
  • a plurality of plate-shaped piezoelectric slices 2 are formed by dicing.
  • Each of the piezoelectric slices 2 may be cut off, but the fact that all of the plurality of piezoelectric slices 2 arranged side by side are integrally connected from the piezoelectric substrate 1 makes the handling of the piezoelectric slices 2 easy. It is preferable from the viewpoint of facilitating.
  • the piezoelectric piece 2 is integrally connected from the piezoelectric substrate 1.
  • Such a group of piezoelectric sections 2 is formed by making a cut while leaving one end of the piezoelectric substrate 1 in the X direction.
  • the length (height) in the X direction of the piezoelectric section 2 is determined by the cutting length by dicing.
  • the height of the piezoelectric piece 2 can be appropriately changed from the viewpoint of forming the piezoelectric body 11 having a desired height.
  • the height of the piezoelectric section 2 is 120 ⁇ m or more and 425 ⁇ m or less.
  • the height of the piezoelectric piece 2 is preferably, for example, about 50 ⁇ m larger than the height of the piezoelectric body 11 in the piezoelectric element 130 and smaller than twice the height of the piezoelectric body 11 in the piezoelectric element 130.
  • the length (thickness) in the Z direction of the piezoelectric piece 2 is determined by the interval (pitch) of notches due to dicing. From the viewpoint of forming the piezoelectric body 11 having a desired thickness, the thickness of the piezoelectric section 2 can be appropriately changed.
  • the thickness of the piezoelectric piece 2 is thicker than the thickness of the piezoelectric body 11 in the piezoelectric element 130 by the amount melted by etching.
  • the thickness of the piezoelectric body piece 2 is 40 ⁇ m or more and 110 ⁇ m or less.
  • the dicing substrate 1d is immersed in an etching solution and etched (see FIG. 3C). By etching, the plurality of piezoelectric pieces 2 are all subjected to substantially constant etching, and the piezoelectric piece 2 is shaped to have a predetermined height and thickness.
  • the etching solution contains 0.1% by mass to 20% by mass of ammonium fluoride and 0.1% by mass to 20% by mass of nitric acid.
  • the remaining component of the etchant is usually water.
  • Ammonium fluoride dissolves components other than the lead component and generates an insoluble passive state (lead fluoride). If the content of ammonium fluoride in the etching solution is less than 0.1% by mass, etching may be insufficient, and if it is more than 20%, the generation of passivation is too fast and uniform etching is performed. May not be performed. From such a viewpoint, the content of ammonium fluoride in the etching solution is preferably 4% by mass or more and 10% by mass or less.
  • Nitric acid dissolves the passivation caused by ammonium fluoride and lead components. If the content of nitric acid in the etching solution is less than 0.1% by mass, the removal of the passive state may not be uniformly performed and etching may be insufficient. If the content exceeds 20%, the nitric acid is exposed to light. Sometimes nitric acid is decomposed and deactivated. From such a viewpoint, the nitric acid content in the etching solution is preferably 0.1% by mass or more and 10% by mass or less.
  • the etching solution may further contain components other than ammonium fluoride and nitric acid as long as the effects of the present embodiment are exhibited.
  • examples of such other components include sodium fluoride and hexafluorosilicic acid.
  • Sodium fluoride accelerates the etching with the etching solution.
  • the content of sodium fluoride in the etching solution is, for example, 0.1% by mass or more and 19.9% by mass or less.
  • hexafluorosilicic acid has an effect of making the etching rate between the plurality of piezoelectric body pieces 2 uniform.
  • the content of hexafluorosilicic acid in the etching solution is, for example, 0.1% by mass or more and 19.9% by mass or less.
  • Etching is preferably performed using a glass container (for example, a glass petri dish). Thereby, the production
  • the etching step can be performed by sufficiently bringing the surface of the piezoelectric piece 2 into contact with the etching solution.
  • the etching step can be performed by immersing the piezoelectric piece 2 in the etching solution that is appropriately stirred.
  • the “appropriate stirring” is, for example, stirring at a stirring speed sufficient to prevent the etching liquid from staying in the vicinity of the surface of the piezoelectric section 2 (the etching liquid is continuously supplied to the surface of the piezoelectric section 2). is there.
  • the etching rate in the etching step is too fast, the progress of etching between the plurality of piezoelectric slices 2 may be non-uniform.
  • the etching rate is preferably less than 1 ⁇ m / min.
  • the lower limit of the etching rate can be determined from the viewpoint of productivity of the piezoelectric element 130. From such a viewpoint, the etching rate is preferably 0.04 ⁇ m / min or more.
  • the etching rate can be adjusted by the content of the etching component in the etching solution.
  • the etching rate can be increased by increasing the content.
  • the etching rate can be adjusted by the temperature of the etching solution.
  • the etching rate can be increased by increasing the temperature of the etching solution.
  • the temperature of the etching solution is preferably 35 ° C. or less from the viewpoint of realizing the above etching rate (1 ⁇ m / min).
  • the lower limit of the temperature of the etching solution may be in a range in which the etching solution can maintain a liquid state, but is preferably room temperature (for example, 25 ° C.) from the viewpoint of simplifying temperature control.
  • the etching rate can be adjusted by the presence or absence of stirring of the etching solution or the stirring rate.
  • the etching rate can be increased by increasing the stirring of the etching solution.
  • the stirring rate of the etching solution can prevent the etching solution from staying in the vicinity of the surface of the piezoelectric piece 2 and can prevent the piezoelectric piece 2 from being broken during the etching process.
  • it when performing an etching process with the etching liquid accommodated in the glass petri dish, it can be set to about 150 rpm with a magnetic stirrer.
  • the etching process is suitable for precise control of the shape, surface roughness, and arrangement of the piezoelectric body 11.
  • the etching process is suitable for forming the piezoelectric piece 2 having a width of 30 ⁇ m or less and a height of 80 ⁇ m or more.
  • the gap adjusting step includes a step of superimposing the two etching substrates 1e on each other, a step of filling the resin 12, and a step of curing the resin 12.
  • the two etching substrates 1e are overlapped with each other so that the piezoelectric slices 2 are alternately arranged. Specifically, first, the piezoelectric piece 2 is dried to remove water between the piezoelectric pieces 2. In the present embodiment, two etching substrates 1e, which are etched dicing substrates 1d, are prepared. Then, as shown in FIG. 3D, the two etching substrates 1e are overlapped so that the piezoelectric piece 2 of one etching substrate is disposed in the gap between adjacent piezoelectric pieces 2 of the other etching substrate. Next, a resin 12 is filled in a gap between the piezoelectric piece 2 of one etching substrate 1e and the piezoelectric piece 2 of the other etching substrate 1e. By curing the resin 12 in a state in which the resin 12 is filled between the adjacent piezoelectric slices 2, the piezoelectric slices 2 having a certain thickness after etching are fixed at regular intervals by the resin 12. Can do.
  • a structure for positioning may be formed on the surfaces of the two etching substrates 1e facing each other.
  • a positioning convex portion may be formed on one etching substrate 1e
  • a positioning concave portion may be formed on the other etching substrate 1e at a position corresponding to the convex portion. Positioning can be easily performed by fitting the positioning convex portion and the positioning concave portion to each other.
  • the portions other than the piezoelectric member 10 in which the piezoelectric sections 2 (piezoelectric bodies 11) and the resin 12 are alternately arranged are cut in the X direction, and the electrodes 30 are arranged on both end faces of the piezoelectric member 10 in the X direction.
  • the method for forming the electrode 30 can be appropriately selected from known methods. For example, chromium and gold may be formed on the both end faces by sputtering in this order.
  • the both end surfaces may be polished before adjusting the electrode 30 to adjust the surface roughness or to adjust the thickness of the piezoelectric member 10 in the X direction.
  • it can be performed by a known method such as blasting using various abrasive grains having a particle size of 0.5 or 1, 2 ⁇ m.
  • the surface roughness of the end face is preferably, for example, 150 to 250 nm in terms of arithmetic average roughness Ra from the viewpoint of improving the adhesion of the electrode 30 to be formed (an anchor effect by the piezoelectric member 10).
  • the method for adjusting the interval between the adjacent piezoelectric sections 2 is not limited to the above method.
  • the etching may be performed by immersing and pulling up a piezoelectric body segment group of one etching substrate 1e in a slurry of resin particles having a uniform particle size.
  • the resin particles are arranged so as to be sandwiched between the piezoelectric slices 2 between the piezoelectric slices 2, and the interval between the adjacent piezoelectric slices 2 is determined by the particle size of the resin particles. The interval is adjusted to the same size.
  • the resin adheres to the surface of the piezoelectric piece 2 in an amount corresponding to the viscosity.
  • the amount of the resin adhering to the surface of the piezoelectric piece 2 can be increased (the resin can be adhered to the surface more thickly). Therefore, the resin is filled between the adjacent piezoelectric sections 2, and the interval between the piezoelectric sections 2 is adjusted to a specific interval according to the adhesion amount of the resin.
  • the gap between the piezoelectric pieces 2 of the etching substrate 1e is filled with the resin 12 before curing, The distance between adjacent piezoelectric sections 2 may be reduced by an external force.
  • the piezoelectric element 130 having the piezoelectric member 10 in which the plate-like piezoelectric bodies 11 and the resins 12 are alternately arranged is manufactured.
  • the arithmetic average height Sa is 50 nm or more and 200 nm or less, and the sharpness Sku is 3.0.
  • the minimum autocorrelation length Sal is 1.0 ⁇ m or more and 4.0 ⁇ m or less.
  • the relative dielectric constant of the piezoelectric body 11 is proportional to the size of the piezoelectric body 11. However, a damaged layer having no piezoelectricity (dielectric property) is formed on the surface of the diced piezoelectric body 11. For this reason, the relative permittivity of the piezoelectric body 11 on which the damaged layer is formed is smaller than the relative permittivity calculated based on the size of the piezoelectric body 11.
  • the relative dielectric constant of the piezoelectric body 11 is set to the minimum value of the length of the piezoelectric body 11 in the direction orthogonal to one direction (X direction) of the plate-like piezoelectric body 11 (the length of the piezoelectric body 11 in the Z direction).
  • the decrease in the dielectric constant of the piezoelectric body 11 on which the damaged layer is formed becomes remarkable when the length of the piezoelectric body 11 in the Z direction is 90 ⁇ m or less, and becomes more remarkable when the length is 50 ⁇ m or less.
  • the piezoelectric body 11 has an arithmetic average height Sa of 50 nm to 200 nm, a kurtosis Sku of 3.0 to 4.0, and a minimum autocorrelation length Sal of 1. It has a surface roughness of 0 ⁇ m or more and 4.0 ⁇ m or less. In the piezoelectric body 11 having the surface roughness, a decrease in relative dielectric constant caused by making the piezoelectric body 11 small is suppressed. That is, the piezoelectric body 11 having the surface roughness has a relative dielectric constant that is equal to or larger than a theoretical value calculated based on the size of the piezoelectric body 11.
  • the relative dielectric constant of the piezoelectric body 11 includes the ratio of the length of the piezoelectric body 11 in the Z direction in the piezoelectric member 10 and the relative dielectric constant of the piezoelectric substrate 1 before dicing (for example, 4000). ) And the theoretical value, which is the integrated value.
  • the surface of the piezoelectric body 11 of the piezoelectric element 130 according to the present exemplary embodiment has a plurality of parallel extensions extending along the direction of 0 ° or more and 20 ° or less with respect to the opposing direction of the pair of electrodes 30.
  • the recess 13 is formed.
  • the recess 13 extends so as to extend in a direction exceeding 20 ° with respect to the opposing direction of the pair of electrodes 30, the recess 13 crosses the electric field formed between the pair of electrodes 30. It will be extended. For this reason, the relative dielectric constant of the piezoelectric body 11 is lowered.
  • the concave stripe 13 on the surface of the piezoelectric body 11 of the piezoelectric element 130 according to the present embodiment extends so that the concave stripe 13 extends in the direction of 0 ° to 20 ° with respect to the opposing direction of the pair of electrodes 30. Exist. Thereby, the concave strip 13 can extend along the direction of the electric field formed between the pair of electrodes 30. As a result, it is presumed that the decrease in the relative dielectric constant of the piezoelectric body 11 due to the recess 13 can be suppressed.
  • the piezoelectric element 130 is applicable to an ultrasonic probe.
  • the ultrasonic probe can include, for example, an ultrasonic transducer in which a plurality of piezoelectric elements 130 are arranged. Since the piezoelectric element 130 is excellent in piezoelectric characteristics, an ultrasonic probe having the piezoelectric element 130 is excellent in transmission / reception sensitivity and can realize both high spatial resolution and long distance measurement.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the ultrasonic probe 100 according to the present embodiment.
  • the ultrasonic probe 100 according to the present embodiment includes a back layer 110, an acoustic reflection layer 120, a piezoelectric element 130, an acoustic matching layer 140, and a flexible printed circuit board (FPC) (not shown).
  • FPC flexible printed circuit board
  • the back layer 110 is an ultrasonic absorber for absorbing unnecessary ultrasonic waves having an acoustic impedance larger than that of the piezoelectric element 130.
  • the back layer 110 supports the acoustic reflection layer 120.
  • the back layer 110 is attached to a surface (back surface or back surface) opposite to the direction in which ultrasonic waves are transmitted to and received from the subject (for example, a living body) in the piezoelectric element 130, and absorbs ultrasonic waves generated on the opposite side of the direction of the subject. To do.
  • Examples of the material of the back layer 110 include natural rubber, ferrite rubber, epoxy resin, silicone resin, thermoplastic resin, and a mixture of at least one of these materials and powders of tungsten oxide, titanium oxide, ferrite, and the like. Molded resin composites are included. Other examples of the material of the back layer 110 include a material obtained by pulverizing the resin-based composite material, mixing it with another material such as the thermoplastic resin or epoxy resin, and curing the material.
  • thermoplastic resin examples include vinyl chloride, polyvinyl butyral, ABS resin, polyurethane, polyvinyl alcohol, polyethylene, polypropylene, polyacetal, polyethylene terephthalate, fluororesin, polyethylene glycol, and polyethylene terephthalate-polyethylene glycol copolymer. It is.
  • a resin composite material is preferable, and a rubber composite material or an epoxy resin composite material is particularly preferable.
  • compounding agents may be added to the back layer 110 as necessary.
  • an inorganic material such as Macor glass or glass, or a porous material having voids may be added to the back layer 110.
  • the shape of the back layer 110 can be appropriately determined according to the shape of the piezoelectric element 130, the ultrasonic probe 100 including the piezoelectric element 130, and the like.
  • the thickness of the back layer 110 is preferably 1 mm or more and 10 mm or less, and more preferably 1 mm or more and 5 mm or less.
  • the back surface layer 110 and the FPC described later can be bonded to each other with, for example, an adhesive (for example, an epoxy-based adhesive) usually used in the technical field.
  • an adhesive for example, an epoxy-based adhesive
  • the acoustic reflection layer 120 has an acoustic impedance larger than that of the piezoelectric element 130.
  • the acoustic reflection layer 120 is attached to a surface (back surface) opposite to the direction in which ultrasonic waves are transmitted to and received from the subject in the piezoelectric element 130, and reflects the ultrasonic waves transmitted to the opposite side of the direction of the subject.
  • the ultrasonic probe 100 preferably has an acoustic reflection layer 120.
  • Examples of the material of the acoustic reflection layer 120 include tungsten and tantalum. Among these, the material of the acoustic reflection layer 120 is preferably tungsten carbide. Other additives may be added to the acoustic reflection layer 120 as necessary.
  • the thickness of the acoustic reflection layer 120 is preferably 50 ⁇ m or more and 1 mm or less, and more preferably 150 ⁇ m or more and 250 ⁇ m or less.
  • the piezoelectric element 130 can convert electrical signals into mechanical vibrations, and can also convert mechanical vibrations into electrical signals. From the viewpoint of improving the adhesiveness between the piezoelectric element 130 and the acoustic reflection layer 120, it is preferable that at least a part of the piezoelectric element 130 and the acoustic reflection layer 120 are bonded to each other with an adhesive layer.
  • an adhesive layer for example, a silicone adhesive or an epoxy adhesive may be used.
  • the acoustic matching layer 140 is a layer for matching the acoustic impedance between the piezoelectric element 130 and the subject and suppressing reflection of ultrasonic waves at the boundary surface. For this reason, the acoustic matching layer 140 has a substantially intermediate acoustic impedance between the piezoelectric element 130 and the subject.
  • the acoustic matching layer 140 is disposed on the subject side (surface side) of the piezoelectric element 130 via, for example, the other electrode described above.
  • the acoustic matching layer 140 may be a single layer or a laminate, but from the viewpoint of adjusting acoustic characteristics, it is preferably a laminate of a plurality of layers having different acoustic impedances, for example, two or more layers, more preferably four or more layers. is there.
  • the thickness of the acoustic matching layer 140 is preferably ⁇ / 4. ⁇ is the wavelength of the ultrasonic wave.
  • the acoustic matching layer 140 can be made of various materials, for example.
  • the acoustic impedance of the acoustic matching layer 140 is preferably set so as to be closer to the acoustic impedance of the subject stepwise or continuously toward the acoustic lens.
  • the type of additive added to the material and It is possible to adjust by content.
  • Examples of the material of the acoustic matching layer 140 include aluminum, aluminum alloy (for example, Al—Mg alloy), magnesium alloy, macor glass, glass, fused quartz, copper graphite, and resin.
  • Examples of the resin include polyethylene, polypropylene, polycarbonate, ABS resin, AAS resin, AES resin, nylon such as nylon 6 and nylon 66, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyphenylene ether, polyether ether ketone, polyamideimide, polyethylene terephthalate. , Epoxy resins and urethane resins.
  • additives examples include zinc white, titanium oxide, silica, alumina, bengara, ferrite, tungsten oxide, yttrium oxide, barium sulfate, tungsten, molybdenum, glass fiber, and silicone particles.
  • the FPC has, for example, a wiring having a pattern corresponding to the piezoelectric element 130 connected to a pair of electrodes 30 for applying a voltage to the piezoelectric body 11.
  • the FPC has a signal lead-out wiring that becomes one electrode 30 and a ground lead-out wiring connected to the other electrode 30.
  • the FPC may be a commercial product as long as it has the appropriate pattern described above.
  • the ultrasonic probe 100 has the piezoelectric element 130 described above. Therefore, the ultrasonic probe 100 can obtain high sensitivity to ultrasonic waves.
  • the ultrasonic probe 100 is suitably used for an ultrasonic imaging apparatus.
  • the ultrasonic imaging apparatus can be configured in the same manner as a known ultrasonic imaging apparatus, except for the piezoelectric element 130 of the ultrasonic probe 100.
  • the ultrasonic imaging apparatus is suitable for, for example, a medical ultrasonic diagnostic apparatus and a nondestructive ultrasonic inspection apparatus.
  • FIG. 5A is a diagram schematically illustrating a configuration of the ultrasonic imaging apparatus 200 according to the present embodiment
  • FIG. 5B is a block diagram illustrating an electrical configuration of the ultrasonic imaging apparatus 200.
  • the ultrasonic imaging apparatus 200 is disposed on the apparatus main body 201, the ultrasonic probe 100 connected to the apparatus main body 201 via the cable 202, and the apparatus main body 201.
  • the apparatus main body 201 includes a control unit 204 connected to the input unit 203, a transmission unit 205 and a reception unit 206 connected to the control unit 204 and the cable 202, a reception unit 206, and And an image processing unit 207 connected to each of the control units 204.
  • the control unit 204 and the image processing unit 207 are each connected to the display unit 208.
  • the cable 202 connects the ultrasonic probe 100 and the transmission unit 205 to the ultrasonic probe 100 and the reception unit 206, and transmits signals.
  • the input unit 203 is a device for inputting data such as a command for instructing the start of diagnosis and personal information of a subject, for example, and is an operation panel or a keyboard provided with a plurality of input switches, for example.
  • the control unit 204 includes, for example, a microprocessor, a storage element, a peripheral circuit thereof, and the like.
  • the control unit 204 controls the ultrasound probe 100, the input unit 203, the transmission unit 205, the reception unit 206, the image processing unit 207, and the display unit 208 according to the respective functions, thereby controlling the ultrasound diagnostic apparatus 200.
  • This circuit performs overall control.
  • the transmission unit 205 transmits a signal from the control unit 204 to the ultrasonic probe 100 via the cable 202, for example.
  • the receiving unit 206 receives, for example, a signal from the ultrasound probe 100 via the cable 202 and outputs the signal to the control unit 204 or the image processing unit 207.
  • the image processing unit 207 is, for example, a circuit that forms an image (ultrasonic image) representing an internal state in the subject based on a signal received by the receiving unit 206 under the control of the control unit 204.
  • the image processing unit 207 includes a digital signal processor (DSP) that generates an ultrasonic image of a subject, and a digital-analog conversion circuit (DAC circuit) that converts a signal processed by the DSP from a digital signal to an analog signal. ) Etc.
  • DSP digital signal processor
  • DAC circuit digital-analog conversion circuit
  • the display unit 208 is a device for displaying an ultrasonic image of the subject generated by the image processing unit 207 under the control of the control unit 204, for example.
  • the display unit 208 is, for example, a display device such as a CRT display, a liquid crystal display (LCD), an organic EL display, or a plasma display, or a printing device such as a printer.
  • a display device such as a CRT display, a liquid crystal display (LCD), an organic EL display, or a plasma display, or a printing device such as a printer.
  • the control unit 204 receives a signal from the input unit 203 and outputs a signal for transmitting an ultrasonic wave (first ultrasonic signal) to a subject such as a living body to the transmission unit 205. Then, the receiving unit 206 receives an electrical signal corresponding to the ultrasonic wave (second ultrasonic signal) coming from within the subject based on the first ultrasonic signal. That is, the control unit 204 controls transmission / reception of signals with the ultrasound probe 100.
  • the electric signal received by the receiving unit 206 is sent to the image processing unit 207 and processed into an image signal corresponding to the electric signal.
  • the image signal is sent to the display unit 208, and an image corresponding to the image signal is displayed on the display unit 208.
  • the display unit 208 is also based on information sent from the input unit 203 and sent via the control unit 204, and images and operations corresponding to the information (display of characters, movement and enlargement of displayed images, etc.) Is also displayed.
  • the ultrasonic imaging apparatus 200 includes an ultrasonic probe 100. Therefore, the ultrasonic imaging apparatus 200 can obtain an ultrasonic image of the subject with high spatial resolution.
  • [Modification] 6A and 6B are diagrams illustrating the shape of the piezoelectric body 21 according to a modification.
  • the shape of the piezoelectric body according to the present invention is not limited to a plate shape.
  • the shape of the piezoelectric body may be a columnar shape as shown in FIGS. In this case, the plurality of piezoelectric bodies 21 are arranged apart from each other in the planar direction.
  • the shape of the above-mentioned “columnar” cross section is generally a rectangle, and may be a square as shown in FIG. 6A or a rectangle as shown in FIG. 6B.
  • the aspect ratio of the cross-sectional shape is preferably 1: 1 to 1: 5, more preferably 1: 1 to 1: 1.5.
  • the cross-sectional shape of the piezoelectric body 21 is more preferably a circular shape.
  • FIG. 7 is a diagram schematically illustrating the first half of an example of a process for manufacturing a piezoelectric element having a columnar piezoelectric body 21 from the piezoelectric substrate 1
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a columnar piezoelectric body 21 from the piezoelectric substrate 1. It is a figure which shows typically the second half part of an example of the process of manufacturing the piezoelectric element which has this.
  • the piezoelectric substrate 1 is cut in the X direction and the Y direction, the X direction and the Y direction are the width directions, and the Z direction is the longitudinal direction.
  • a columnar piezoelectric piece 22 is formed.
  • the notch is formed leaving one end in the X direction, and the plurality of parallel piezoelectric pieces 22 are integrally connected to one end of the piezoelectric substrate 1 at one end.
  • the depth of the cut (the length of the piezoelectric piece 22 in the X direction) is, for example, not less than 120 ⁇ m and not more than 425 ⁇ m.
  • the height of the piezoelectric piece 22 is preferably, for example, about 50 ⁇ m larger than the height of the piezoelectric body 21 in the piezoelectric element 130 and smaller than twice the height of the piezoelectric body 21 in the piezoelectric element 130.
  • the piezoelectric section 22 is etched by the above-described etching solution, as in the case of manufacturing the piezoelectric element 130.
  • the plurality of piezoelectric slices 22 arranged in parallel are all subjected to substantially constant etching, and are formed to have a substantially constant desired width.
  • the resin is filled between the etched adjacent piezoelectric sections 22 (first filling step).
  • the piezoelectric piece 22 is sealed in the epoxy resin in a state where the positional relationship in the YZ direction after the etching is substantially maintained.
  • the portion of the epoxy resin enclosing the piezoelectric piece 22 is separated from one end of the piezoelectric substrate 1 to form a primary enclosure 23.
  • the first resin plate portion 24 is formed by cutting a resin portion while leaving one end portion in the Y direction, and is a plate shape that encloses a plurality of piezoelectric pieces 22 arranged in a line along the Y direction. It is a resin lump.
  • the plurality of juxtaposed first resin plate portions 24 in the primary inclusion body 23 are immersed in the slurry having the spherical resin particles described above, and then dried.
  • the resin particles are introduced between the adjacent first resin plate portions 24, and the interval between the first resin plate portions 24 is adjusted to be constant (see FIG. 8, first gap adjusting step).
  • an epoxy resin is further filled between the plurality of first resin plate portions 24 whose intervals are adjusted (second filling step).
  • a secondary enclosure 25 is produced that encloses the piezoelectric sections 22 in which the piezoelectric sections 22 are fixed at predetermined intervals in the Z direction.
  • the secondary enclosure 25 has an epoxy resin portion on one end side in the Z direction in order to facilitate the subsequent gap adjustment work in the Y direction.
  • the second resin plate portion 26 is formed by cutting a resin portion while leaving one end portion in the Z direction, and is a plate shape enclosing a plurality of piezoelectric pieces 22 arranged in a line along the Z direction. It is a resin lump.
  • the second resin plate portion 26 in the secondary enclosure 25 is immersed in the slurry and then dried. In this way, the resin particles are introduced between the adjacent second resin plate portions 26, and the interval between the second resin plate portions 26 is adjusted to be constant (second gap adjusting step).
  • an epoxy resin is filled between the plurality of second resin plate portions 26 in which the intervals are adjusted in the secondary enclosure 25 (third filling step).
  • the piezoelectric piece 22 is fixed at an expected interval not only in the Z direction but also in the Y direction.
  • the second resin plate part 26 group whose interval in the Y direction is adjusted is separated from the secondary enclosure 25 to obtain the final enclosure.
  • the final inclusion body becomes the piezoelectric member 20 in which the piezoelectric bodies and the resin are alternately arranged as it is or after being cut to a desired length in the X direction (for example, 100 to 300 ⁇ m).
  • the both end surfaces in the X direction of the piezoelectric member 20 are polished as necessary to adjust the surface roughness, and the electrodes 30 are formed on the both end surfaces.
  • a piezoelectric element having the piezoelectric member 20 in which the columnar piezoelectric bodies 21 and the resin are alternately arranged in both the Y direction and the Z direction is manufactured.
  • the piezoelectric body according to the present embodiment is a piezoelectric body composed of a single crystal of lead magnesium niobate titanate, and the arithmetic average height of the surface is 50 nm or more and 200 nm or less.
  • the surface sharpness is 3.0 or more and 4.0 or less, and the minimum autocorrelation length of the surface is 1.0 ⁇ m or more and 4.0 ⁇ m or less.
  • the number density of the tops of the protrusions on the surface of the piezoelectric body is 0.05 / ⁇ m 2 or less from the viewpoint of obtaining a sufficient dielectric constant.
  • the piezoelectric element according to the present embodiment applies a voltage to the piezoelectric body, which is arranged so as to face each other with the piezoelectric body sandwiched between the piezoelectric body made of lead magnesium niobate titanate single crystal.
  • the arithmetic average height of the surface of the piezoelectric body is 50 nm or more and 200 nm or less, and the sharpness of the surface of the piezoelectric body is 3.0 or more and 4.0 or less.
  • the minimum autocorrelation length of the surface of the piezoelectric body is 1.0 ⁇ m or more and 4.0 ⁇ m or less. As a result, high sensitivity to ultrasonic waves can be obtained.
  • the number density of the tops of the protrusions on the surface of the piezoelectric body is 0.05 / ⁇ m 2 or less from the viewpoint of obtaining a sufficient dielectric constant.
  • the ultrasonic probe according to the present embodiment has the piezoelectric element. As a result, high sensitivity to ultrasonic waves can be obtained.
  • the ultrasonic probe further includes a back layer provided on the back side of the piezoelectric element and having an acoustic impedance larger than that of the piezoelectric element.
  • the ultrasonic imaging apparatus includes the ultrasonic probe. As a result, an ultrasonic image of the subject can be obtained with high spatial resolution.
  • the piezoelectric element 130 having the plurality of piezoelectric bodies 11 has been described.
  • the piezoelectric element according to the present invention may have one piezoelectric body 11.
  • the method for adjusting the surface roughness of the piezoelectric body 11 by etching after dicing has been described.
  • the method for realizing the surface roughness of the piezoelectric body 11 according to the present invention is limited to this method.
  • examples of a method for adjusting the surface of the piezoelectric body 11 to a desired surface roughness include inductively coupled reactive ion etching (ICP-RIE) using a gas such as fluorine or chlorine, and a gas cluster ion beam (GCIB). Processing, focused ion beam (FIB) processing, and laser processing are included.
  • Etching Solution 1 The following components were mixed in the following amounts to prepare an etching solution 1. Ammonium fluoride (AF) 8% by mass Nitric acid (NA) 5% by mass Water rest
  • etching solutions 2 to 4 35% by mass of hydrochloric acid (HcA) was prepared and used as an etching solution 2. Further, 60% by mass of hydrofluoric acid (HfA) and 40% by mass of ammonium fluoride were mixed to obtain an etching solution 3. Further, an etching solution 4 was prepared in the same manner as the etching solution 1 except that 5% by mass of hydrochloric acid was used instead of nitric acid.
  • PMN-PT substrates manufactured by JFE Mineral Co., Ltd. having 5 mm, 22 mm, and 0.5 mm thickness were prepared.
  • the PMN-PT substrate was diced. Specifically, a plurality of slits penetrating in the longitudinal direction (Y direction) of the PMN-PT substrate, opening in the thickness direction (X direction), and arranged at equal intervals in the lateral direction (Z direction). was formed by an automatic dicing saw (DAD3350; manufactured by DISCO Corporation). As a result, a dicing substrate having 50 plate-like piezoelectric pieces integrally bonded to the other end of the substrate was produced.
  • DAD3350 automatic dicing saw
  • the blade (Z09-SD4000-Y1-90 72 ⁇ 0.05A1 ⁇ 40, Z09-SD4000-Y1-90 72 ⁇ 0.025A1 ⁇ 40) is rotated at 30000 rpm and moved in the Y direction at 5 mm / sec. Dicing was performed.
  • the length (length in the Y direction) of each piezoelectric piece in the dicing substrate is 5 mm
  • the width (length in the Z direction) is 50 ⁇ m
  • the thickness (length in the X direction) is 240 ⁇ m.
  • the width of the cut by dicing (the length in the Z direction) is 50 ⁇ m.
  • the dicing substrate was etched. Specifically, 10 mL of the etching solution 1 was accommodated in a glass petri dish together with a stirring bar, and the etching solution 1 was stirred at a speed of 150 rpm by a magnetic stirrer. The temperature of the etching solution 1 is 28 ° C. Next, the dicing substrate was immersed in the glass petri dish for 85 minutes. As a result, 10 ⁇ m of PMN-PT was etched from the surface of the above-mentioned dicing substrate to produce an etched substrate.
  • Two etched substrates were produced by the method described above. Next, the two etched substrates were overlapped with each other so that the piezoelectric piece of the one etched substrate was placed in the notch of the other etched substrate. At this time, it arrange
  • substrate might become equal. Next, a two-component epoxy resin C-1163 (manufactured by Tesque Co., Ltd.) was supplied into the gap between the piezoelectric sections of the two etched substrates, and the gap was filled with the epoxy resin.
  • a two-component epoxy resin C-1163 manufactured by Tesque Co., Ltd.
  • the etched substrate filled with the epoxy resin in the gap was left in a reduced-pressure atmosphere (10 ⁇ 3 Pa) for 30 minutes. Subsequently, the etching process board
  • substrate 1 was left still for 20 hours in 50 degreeC environment, and the said epoxy resin was hardened.
  • the etched substrate was cut in the YZ plane in order to remove portions other than the cured resin portions in which the plate-like piezoelectric sections and the resin arranged alternately at desired intervals were alternately arranged.
  • a piezoelectric member was obtained in which plate-shaped piezoelectric sections and resins arranged at desired intervals were alternately arranged.
  • the end face in the X direction of the piezoelectric member was polished using a polishing machine manufactured by Musashino Electronics Co., Ltd. and 3 ⁇ m abrasive grains to adjust the thickness (length in the X direction) of the piezoelectric member.
  • the end surface roughness was adjusted by polishing with 0.5 ⁇ m abrasive grains.
  • the thickness of the piezoelectric member was 120 ⁇ m, and the surface roughness of the end face was 5 nm in terms of arithmetic average roughness Ra.
  • the electrode is composed of a 4 nm thick chromium (Cr) layer disposed on the piezoelectric member side and a 450 nm thick gold (Au) layer disposed thereon.
  • Cr chromium
  • Au gold
  • Piezoelectric elements 2 to 6 were manufactured in the same manner as the piezoelectric element 1 except that the etching time was changed as shown in Table 1 below.
  • piezoelectric element No. Etching solution No. The components of the etching solution, the etching time, the etching amount, the width of the piezoelectric section (length in the Z direction), and the ratio of the width of the piezoelectric section to the width of the PMN-PT substrate are shown. In Table 1, “No.” indicates the piezoelectric element No. Is shown.
  • the relative dielectric constant ⁇ r of the piezoelectric elements 1 to 24 was measured with a precision impedance analyzer (Agilent 4294A; manufactured by Agilent Technologies, “Agilent” is a registered trademark of the company).
  • the case where the relative dielectric constant ⁇ r was equal to or higher than the theoretical value was determined to be acceptable.
  • the variation in the measurement result is about ⁇ 10%
  • the case where r is 90% or more was determined to be acceptable.
  • the relative permittivity ⁇ r is equal to or higher than the theoretical value (r is 90% or more), and the ratio obtained by reducing the piezoelectric body The decrease in dielectric constant was suppressed.
  • the arithmetic average height Sa of the surface of the piezoelectric body is 50 nm or more and 200 nm or less
  • the kurtosis degree Sku of the surface of the piezoelectric body is 3.0 or more and 4.0 or less
  • the relative dielectric constant ⁇ r was smaller than the theoretical value (r is less than 90%). This is presumably because at least one of the arithmetic average height Sa of the piezoelectric body surface, the kurtosis degree Sku of the piezoelectric body surface, and the minimum autocorrelation length Sal of the piezoelectric body surface was not within a predetermined range.
  • an ultrasonic probe having high sensitivity to ultrasonic waves can be configured. Therefore, according to the present invention, further spread of the ultrasonic imaging apparatus is expected.

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Abstract

圧電体は、マグネシウムニオブ酸チタン酸鉛の単結晶で構成されている。圧電体の表面の算術平均高さは、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。圧電体の表面の尖り度は、３．０以上４．０以下である。圧電体の表面の最小自己相関長さは、１．０μｍ以上４．０μｍ以下である。

Description

圧電体、圧電素子、超音波探触子および超音波撮像装置
　本発明は、圧電体、圧電素子、超音波探触子および超音波撮像装置に関する。
　医療分野において利用されている超音波撮像装置は、圧電体と、圧電体に電圧を印加するための一対の電極とを備えている圧電素子を有する。超音波撮像装置では、圧電素子の圧電体を電気信号により振動させることで、超音波を発生させ、送信する。被検体で反射した超音波は、圧電素子により受信される。これにより、超音波撮像装置は、被検体の超音波画像を得ることができる。
　圧電素子における超音波に対する感度を高める方法として、圧電体を小さくする方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。非特許文献１では、塩酸およびフッ酸を含有するエッチング液を用いたエッチング処理により、マグネシウムニオブ酸チタン酸鉛（ＰＭＮ－ＰＴ）の単結晶で構成された圧電体の一方向の長さを４３μｍから３７μｍとしている。
高橋秀彰、難波義治、高橋誠、"強誘電体単結晶の比誘電率に及ぼす加工の影響"、２０１３年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集、ｐ．２２３－２２４
　しかしながら、非特許文献１に記載の方法では、エッチング処理によって、圧電体の比誘電率が４５７０から２２５０へ低下している。このように、非特許文献１に記載の方法では、圧電体を小さくすることにより、圧電体の比誘電率が低下してしまうという問題がある。
　本発明の第１の課題は、圧電体を小さくすることによる比誘電率の低下を抑制することができる、ＰＭＮ－ＰＴの単結晶で構成された圧電体を提供することである。また、本発明の第２の課題は、超音波に対して感度の高い圧電素子および超音波探触子を提供することである。さらに、本発明の第３の課題は、高い空間分解能で被検体の超音波画像を得ることができる超音波撮像装置を提供することである。
　上記第１の課題を解決するための一手段として、マグネシウムニオブ酸チタン酸鉛の単結晶で構成された圧電体であって、表面の算術平均高さは、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、表面の尖り度は、３．０以上４．０以下であり、表面の最小自己相関長さは、１．０μｍ以上４．０μｍ以下である圧電体を提供する。
　上記第２の課題を解決するための第１の手段として、マグネシウムニオブ酸チタン酸鉛の単結晶で構成された圧電体と、前記圧電体を挟んで互いに対向するように配置されている、前記圧電体に電圧を印加するための一対の電極と、を有し、前記圧電体の表面の算術平均高さは、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、前記圧電体の表面の尖り度は、３．０以上４．０以下であり、前記圧電体の表面の最小自己相関長さは、１．０μｍ以上４．０μｍ以下である圧電素子を提供する。
　上記第２の課題を解決するための第２の手段として、本発明に係る圧電素子を有する超音波探触子を提供する。
　上記第３の課題を解決するための一手段として、本発明に係る超音波探触子を有する超音波撮像装置を提供する。
　本発明に係る圧電体は、圧電体を小さくすることによる比誘電率の低下を抑制することができる。また、本発明に係る圧電素子および超音波探触子は、超音波に対する感度が高い。さらに、本発明に係る超音波撮像装置は、高い空間分解能で被検体の超音波画像を得ることができる。
図１は、本実施の形態に係る圧電素子の構成の一例を示す斜視図である。 図２は、圧電体の表面に形成されている複数の凹条の形状の一例を示す電子顕微鏡写真である。 図３Ａ～Ｅは、本実施の形態に係る圧電素子の製造工程の一例を示す模式図である。 図４は、本実施の形態に係る超音波探触子の構成の一例を示す断面模式図である。 図５Ａは、本実施の形態に係る超音波撮像装置の構成の一例を模式的に示す図であり、図５Ｂは、超音波撮像装置の電気的な構成の一例を示すブロック図である。 図６Ａ、Ｂは、変形例に係る圧電体の形状を示す図である。 図７は、圧電体基板から柱状の圧電体を有する圧電素子を製造する工程の一例の前半部を模式的に示す図である。 図８は、圧電体基板から柱状の圧電体を有する圧電素子を製造する工程の一例の後半部を模式的に示す図である。
　本発明の一実施の形態に係る圧電素子は、マグネシウムニオブ酸チタン酸鉛（ＰＭＮ－ＰＴ）の単結晶で構成された圧電体と、樹脂とが交互に配列されている圧電部材を含む。
　［圧電素子の構成］
　図１は、本実施の形態に係る圧電素子１３０の構成の一例を示す斜視図である。本実施の形態に係る圧電素子１３０は、圧電部材１０と、圧電部材１０に電圧を印加するための一対の電極３０と、を有する。なお、図１において、Ｘ方向を圧電体１１の短手方向とし、Ｙ方向を圧電体１１の長手方向とし、Ｚ方向を圧電体１１の厚み方向とした。なお、Ｘ、Ｙ、Ｚの各方向は、互いに直交している。
　（圧電部材）
　本実施の形態に係る圧電部材１０は、交互に配列されている複数の圧電体１１と、複数の樹脂１２とを有する。複数の圧電体１１は、平面方向（ＹＺ方向）の一方向（Ｚ方向）において、樹脂１２を介して互いに離間して配列されている。
　本実施の形態に係る圧電体１１は、算術平均高さＳａ、尖り度Ｓｋｕおよび最小自己相関長さＳａｌにより規定される所定の表面粗さを有する。本実施の形態に係る圧電体１１の製造工程には、ダイシング工程およびエッチング工程が含まれる。圧電体１１の表面粗さは、ダイシング工程およびエッチング工程に由来する。
　圧電体１１の表面の算術平均高さＳａは、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。圧電体１１の表面の算術平均高さＳａとは、圧電体１１の表面の凹凸の高さ（深さ）方向における平均位置に位置する平均面と、各凹凸の頂点との距離の平均を表す。上記算術平均高さＳａが５０ｎｍ未満であると、圧電体１１の表面における、誘電性を有しない層（以下、「ダメージ層」ともいう）の残存により、十分な比誘電率を得られないことがある。また、上記算術平均高さＳａが２００ｎｍ超であると、圧電体１１の表面におけるダメージ層の残存により、十分な比誘電率を得られないことがある。このような観点から、圧電体１１の表面の算術平均高さＳａは、７０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下であることが好ましい。
　上記算術平均高さＳａは、例えば、ダイシングの方法およびエッチングの方法に応じて、適宜調整されうる。上記算術平均高さＳａは、例えば、ダイシング工程において用いられるブレードの砥粒の粒径が大きくなるほど、大きくなる。また、上記算術平均高さＳａは、例えば、エッチング工程において使用されるエッチング液がフッ化物および塩酸を含んでいる場合、大きくなる傾向にある。これは、不動態であるフッ化鉛および塩化鉛が圧電体１１の表面に形成され、不動態が形成されている部分では、不動態によってエッチングが阻害されるためと考えられる。また、上記算術平均高さＳａは、例えば、エッチング工程において使用されるエッチング液が硝酸を含んでいる場合、硝酸の濃度が小さいほど、大きくなる。これは、硝酸の濃度が小さいほど上記不導態を除去する作用が弱くなるためと考えられる。さらに、上記算術平均高さＳａは、例えば、エッチング工程においてエッチング液の撹拌力（例えば、マグネティックスターラーの回転数）が小さいほど、大きくなる。これは、エッチング液の流動による上記不動態を除去する作用が弱くなるためと考えられる。
　圧電体１１の表面の尖り度Ｓｋｕは、３．０以上４．０以下である。圧電体１１の表面の尖り度Ｓｋｕとは、圧電体１１の表面に形成された凸形状の尖り度合いを表す。上記尖り度Ｓｋｕが３．０未満であると、圧電体１１の表面におけるダメージ層の残存により、十分な比誘電率を得られないことがある。また、上記尖り度Ｓｋｕが４．０超であると、圧電体１１の表面におけるダメージ層の残存により、十分な比誘電率を得られないことがある。このような観点から、圧電体１１の表面の尖り度Ｓｋｕは、３．２以上３．７以下であることが好ましい。
　上記尖り度Ｓｋｕは、エッチングの方法に応じて、適宜調整されうる。上記尖り度Ｓｋｕは、例えば、エッチング工程においてエッチング時間が短いほど、大きくなる。上記尖り度Ｓｋｕは、例えば、エッチング工程において使用されるエッチング液がフッ化物および塩酸を含んでいる場合、大きくなる傾向にある。これは、上記不動態が圧電体１１の表面に形成された場合、エッチングの作用が不均一になることがあるためと考えられる。
　圧電体１１の表面の最小自己相関長さＳａｌは、１．０μｍ以上４．０μｍ以下である。圧電体１１の表面の最小自己相関長さＳａｌとは、最も早く自己相関が最大値から特定の値（例えば、０．２）に減衰する方向における水平距離を表す。上記最小自己相関長さＳａｌが１．０μｍ未満であると、圧電体１１の表面におけるダメージ層の残存により、十分な比誘電率を得られないことがある。また、上記最小自己相関長さＳａｌが４．０μｍ超であると、圧電体１１の表面におけるダメージ層の残存により、十分な比誘電率を得られないことがある。このような観点から、圧電体１１の表面の最小自己相関長さＳａｌは、１．５μｍ以上３．５μｍ以下であることが好ましい。
　上記最小自己相関長さＳａｌは、例えば、エッチングの方法に応じて、適宜調整されうる。上記最小自己相関長さＳａｌは、例えば、エッチング工程において使用されるエッチング液がフッ化物および塩酸を含んでいる場合、大きくなる傾向にある。これは、上記不動態が圧電体１１の表面に形成された場合、エッチングの作用が不均一になることがあるためと考えられる。
　十分な比誘電率を得る観点から、圧電体１１の表面の突起頂上の個数密度Ｓｄｓは、０．０５個／μｍ２以下であることが好ましい。本明細書中、突起頂上の個数密度Ｓｄｓは、白色光干渉型顕微鏡ＮＴ－９３００（ブルカー・エイエックスエス株式会社製）を用いて、倍率を５０倍、Ｚ軸スキャンスピードを１倍、かつ測定範囲の縦横比Ｘ：Ｙを１２５μｍ：９４μｍと設定したときに測定された値を意味する。
　上記突起頂上の個数密度Ｓｄｓが高すぎると、圧電体１１の表面におけるダメージ層の残存により、十分な比誘電率を得られないことがある。このような観点から、圧電体１１の表面の突起頂上の個数密度Ｓｄｓは、０．０４個／μｍ２以下であることがより好ましい。
　上記突起頂上の個数密度Ｓｄｓは、例えば、エッチングの方法に応じて、適宜調整されうる。上記突起頂上の個数密度Ｓｄｓは、例えば、エッチング工程においてエッチング時間が長いほど、小さくなる。これは、エッチングが等方的な加工であるため、エッチング時間が長くなるほど、圧電体１１の表面に形成されている角が丸くなるためと考えられる。
　圧電体１１の表面の算術平均高さＳａ、尖り度Ｓｋｕ、最小自己相関長さＳａｌおよび突起頂上の個数密度Ｓｄｓは、例えば、ＩＳＯ　２５１７８に準拠した公知の表面粗さ計測機（例えば、白色光干渉型顕微鏡ＮＴ－９３００；ブルカー・エイエックスエス株式会社製）を用いて測定されうる。圧電素子１３０における圧電体１１の表面の算術平均高さＳａ、尖り度Ｓｋｕ、最小自己相関長さＳａｌおよび突起頂上の個数密度Ｓｄｓは、圧電素子１３０の樹脂１２を溶解させ、圧電体１１の表面を外部に露出させて測定されうる。
　図２は、圧電体１１の表面に形成されている複数の凹条１３の形状の一例を示す電子顕微鏡写真である。詳細については後述するが、図２に示されるように、圧電体１１の表面には、一方向（図２中の矢印方向）に対して０°以上２０°以下の方向に沿うように互いに並行して延在している複数の凹条１３が形成されていることが好ましい。本実施の形態では、圧電体１１の表面には、一対の電極３０の対向方向（Ｘ方向）に対して０°以上２０°以下の方向に沿うように互いに並行して延在している複数の凹条１３が形成されている。
　圧電体１１は、ＰＭＮ－ＰＴの単結晶で構成されている。圧電体１１の形状は、圧電部材１０の形状に応じて適宜変更されうる。本実施の形態に係る圧電体１１の形状は、板状である。
　上記一方向（Ｘ方向）における圧電体１１の長さは、所望の超音波の周波数に応じて適宜設定されうる。たとえば、上記一方向における圧電体１１の長さは、６０ｍｍ以上５００ｍｍ以下であることが好ましい。
　上記一方向に直交する方向（Ｙ方向およびＺ方向）における圧電体１１の長さは、所望の比誘電率に応じて適宜設定されうる。たとえば、上記一方向に直交する方向における圧電体１１の長さの最小値（Ｚ方向における圧電体１１の長さ）は、９０μｍ以下であることが好ましく、５０μｍ以下であることがより好ましい。本実施の形態では、一方向に直交する方向おける圧電体１１の長さの最小値は、一対の電極３０の対向方向（Ｘ方向）に直交する方向における圧電体１１の長さの最小値を表す。
　樹脂１２は、隣り合う圧電体１１を所定の間隔で固定する。隣り合う圧電体１１の間隔は、圧電体１１の厚みに応じて適宜設定されうる。当該間隔が小さすぎると圧電素子１３０において隣り合う圧電体１１が互いに干渉してしまうことがある。また、上記間隔が大きすぎると圧電体１１の緻密な配置による所期の圧電特性が達成されないことがある。このような観点から、上記間隔は、５μｍ以上であることが好ましく、１０μｍ以上であることがより好ましい。また、上記間隔は、圧電体１１と樹脂１２とが等間隔に交互に配置されたときに、圧電体１１および樹脂１２の並び方向における、圧電体１１の割合が２０％以上となるように調整されることが好ましい。
　樹脂１２の形状は、圧電体１１の形状に応じて決定されうる。本実施の形態では、樹脂１２の形状は、板状である。
　樹脂１２には、圧電素子１３０における圧電体１１の固定に利用される公知の樹脂を用いることができる。樹脂１２の例には、エポキシ樹脂およびシリコーン樹脂が含まれる。
　（電極）
　一対の電極３０は、圧電体１１または樹脂１２を挟んで互いに対向するように圧電部材１０上に配置されている。一対の電極３０は、圧電部材１０の圧電体１１に電圧を印加する。電極３０の材料は公知の材料から適宜選択されうる。電極３０の材料の例には、金、銀、白金、パラジウム、ニッケルおよび銅が含まれる。
　［圧電素子の製造方法］
　次いで、圧電素子１３０の製造方法について説明する。図３Ａ～Ｅは、本実施の形態に係る圧電素子１３０の製造工程の一例を示す模式図である。本実施の形態に係る圧電素子１３０の製造方法は、ＰＭＮ－ＰＴの単結晶で構成された圧電体基板１をダイシングする工程と、ダイシングされた圧電体基板１（以下、単に「ダイシング基板１ｄ」ともいう）をエッチングする工程と、エッチングされたダイシング基板１ｄにおいて隣り合う圧電体１１のギャップを調整する工程と、圧電体１１に電圧を印加するための一対の電極３０を形成する工程と、を含む。図３Ａ～Ｅにおいて、圧電体基板１の短手方向をＸ方向とし、当該Ｘ方向に直交し、圧電体基板１の長手方向をＹ方向とし、圧電体基板１の厚み方向をＺ方向とする。なお、Ｘ、Ｙ、Ｚの各方向は、互いに直交している。
　（ダイシング）
　まず、ＰＭＴ－ＰＴの単結晶で構成された圧電体基板１を準備する（図３Ａ参照）。圧電体基板１には、ダイシングによってＹ方向に沿う複数の切り込みが形成される（図３Ｂ参照）。ダイシングにより、複数の板状の圧電体切片２が形成される。圧電体切片２は、それぞれが切り離されていてもよいが、並立する複数の圧電体切片２のいずれもが圧電体基体１から一体的に接続していることが、圧電体切片２の取り扱いを容易にする観点から好ましい。本実施の形態では、圧電体切片２は、圧電体基板１から一体的に接続されている。このような圧電体切片２群は、圧電体基板１のＸ方向における一端部を残して切れ込みを入れることで形成される。
　圧電体切片２のＸ方向における長さ（高さ）は、ダイシングによる切り込み長さによって決定される。圧電体切片２の高さは、所望の高さの圧電体１１を形成する観点から、適宜変更されうる。たとえば、圧電体切片２の高さは、１２０μｍ以上４２５μｍ以下である。また、圧電体切片２の高さは、例えば、圧電素子１３０における圧電体１１の高さより５０μｍ程度大きく、かつ圧電素子１３０における圧電体１１の高さの２倍の長さより小さいことが好ましい。
　圧電体切片２のＺ方向における長さ（厚み）は、ダイシングによる切れ込みの間隔（ピッチ）によって決定される。圧電体切片２の厚みは、所望の厚みの圧電体１１を形成する観点から、適宜変更されうる。圧電体切片２の厚みは、圧電素子１３０における圧電体１１の厚みよりもエッチングで溶ける分だけ厚い。たとえば、圧電体切片２の厚みは、４０μｍ以上１１０μｍ以下である。
　（エッチング）
　ダイシング基板１ｄは、エッチング液に浸漬され、エッチングされる（図３Ｃ参照）。エッチングにより、複数の圧電体切片２は、いずれも実質的に一定なエッチングに供され、圧電体切片２において、一定の所期の高さおよび厚みを有するように成形される。
　上記エッチング液は、０．１質量％以上２０質量％以下のフッ化アンモニウムと、０．１質量％以上２０質量％以下の硝酸とを含有する。上記エッチング液の残りの成分は、通常、水である。
　フッ化アンモニウムは、鉛成分以外を溶解させるとともに、不溶性の不動態（フッ化鉛）を生成する。上記エッチング液におけるフッ化アンモニウムの含有量が０．１質量％未満であると、エッチングが不十分となることがあり、２０％超であると、不動態の生成が速すぎて、均一なエッチングが行われなくなることがある。このような観点から、上記エッチング液におけるフッ化アンモニウムの含有量は、４質量％以上１０質量％以下であることが好ましい。
　硝酸は、フッ化アンモニウムおよび鉛成分に起因する不動態を溶解させる。上記エッチング液における硝酸の含有量が０．１質量％未満であると、不動態の除去が均一に行われずエッチングが不十分となることがあり、２０％超であると、光に晒されたときに硝酸が分解し、失活してしまうことがある。このような観点から、上記エッチング液における硝酸の含有量は、０．１質量％以上１０質量％以下であることが好ましい。
　上記エッチング液は、本実施の形態の効果を奏する範囲において、フッ化アンモニウムおよび硝酸以外の他の成分をさらに含有していてもよい。当該他の成分の例には、フッ化ナトリウムおよびヘキサフルオロケイ酸が含まれる。上記他の成分は、一種でもよいし、それ以上であってもよい。フッ化ナトリウムは、上記エッチング液によるエッチングを促進させる。上記エッチング液におけるフッ化ナトリウムの含有量は、例えば、０．１質量％以上１９．９質量％以下である。また、ヘキサフルオロケイ酸は、複数の圧電体切片２間のエッチング速度を均一にする作用を呈する。上記エッチング液におけるヘキサフルオロケイ酸の含有量は、例えば、０．１質量％以上１９．９質量％以下である。
　エッチングは、ガラス製の容器（例えば、ガラスシャーレ）を用いて行われることが好ましい。これにより、フッ化アンモニウムおよび鉛成分に起因する不動態の生成をより効果的に抑制することができる。
　上記エッチング工程は、圧電体切片２の表面を上記エッチング液に十分に接触させることによって行うことができる。たとえば、上記エッチング工程は、適度に撹拌されている上記エッチング液に圧電体切片２を浸漬させることによって行うことができる。「適度な撹拌」とは、例えば、圧電体切片２の表面近傍におけるエッチング液の滞留を防止する（圧電体切片２の表面にエッチング液が供給され続ける）のに十分な撹拌速度での撹拌である。
　前記エッチングする工程におけるエッチング速度は、速すぎると複数の圧電体切片２間でのエッチングの進行が不均一となることがある。圧電体切片２同士の均一なエッチングの観点から、上記エッチング速度は１μｍ／分未満であることが好ましい。なお、上記エッチング速度の下限は、圧電素子１３０の生産性の観点から決めることができ、このような観点から、上記エッチング速度は、０．０４μｍ／分以上であることが好ましい。
　上記エッチング速度は、エッチング液中の上記エッチング成分の含有量によって調整することが可能であり、例えば、当該含有量を多くすることによって上記エッチング速度を高めることができる。
　また、上記エッチング速度は、エッチング液の温度によって調整することが可能であり、例えば、エッチング液の温度を高くすることによって上記エッチング速度を高めることができる。エッチング液の温度は、上記のエッチング速度（１μｍ／分）を実現する観点から３５℃以下であることが好ましい。エッチング液の温度の下限は、エッチング液が液体の状態を保てる範囲であればよいが、温度制御の簡略化の観点から常温（例えば２５℃）であることが好ましい。
　さらに、上記エッチング速度は、エッチング液の撹拌の有無または撹拌速度によって調整することが可能であり、例えば、エッチング液の撹拌を強くすることによって上記エッチング速度を高めることができる。エッチング液の撹拌速度は、前述したように、圧電体切片２の表面近傍でのエッチング液の滞留を防止することができ、かつ、エッチング工程中に圧電体切片２のそれぞれが折れない程度であればよく、例えば、ガラスシャーレに収容されたエッチング液でエッチング工程を行う場合には、マグネティックスターラーで１５０ｒｐｍ程度とすることができる。
　上記エッチング工程は、圧電体１１の形状、表面粗さ、および配置の精密な制御に適している。たとえば、上記エッチング工程は、３０μｍ以下の幅と８０μｍ以上の高さとを有する圧電体切片２の形成に適している。 
　（ギャップ調整）
　ギャップ調整工程は、２つのエッチング基板１ｅを互いに重ね合せる工程と、樹脂１２を充填する工程と、樹脂１２を硬化させる工程とを含む。
　まず、２つのエッチング基板１ｅを圧電体切片２が互い違いにかみ合う配置となるように互いに重ね合せる。具体的には、まず、圧電体切片２を乾燥させて圧電体切片２間の水を除去する。本実施の形態では、エッチングされたダイシング基板１ｄであるエッチング基板１ｅを２つ準備する。そして、図３Ｄに示されるように、一方のエッチング基板の圧電体切片２が他方のエッチング基板の隣り合う圧電体切片２間の空隙に配置されるように、２つのエッチング基板１ｅを重ね合わせる。次いで、一方のエッチング基板１ｅの圧電体切片２と、他方のエッチング基板１ｅの圧電体切片２との間の空隙に樹脂１２を充填する。樹脂１２が隣り合う圧電体切片２間に充填された状態で、樹脂１２を硬化させることにより、エッチング後の一定の厚さを有する圧電体切片２を、樹脂１２により一定の間隔で固定させることができる。
　なお、２つのエッチング基板１ｅの互いに対向する面には、位置決めのための構造がそれぞれ形成されていてもよい。たとえば、一方のエッチング基板１ｅには位置決め用の凸部が形成され、他方のエッチング基板１ｅには当該凸部に対応する位置に位置決め用の凹部が形成されていてもよい。位置決め用の凸部と、位置決め用の凹部とを互いに嵌合させることにより、容易に位置合わせを行うことができる。
　（電極の形成）
　最後に、圧電体切片２（圧電体１１）と樹脂１２とが交互に配列されている圧電部材１０以外の部分をＸ方向において切断し、Ｘ方向における圧電部材１０の両端面に電極３０を配置する。電極３０を形成する方法は、公知の方法から適宜に選択されうる。たとえば、上記両端面上にクロムおよび金をこの順にスパッタリングによって形成すればよい。
　上記両端面は、電極３０の配置の前に、その表面粗さを調整するため、あるいは、圧電部材１０のＸ方向における厚さを調整するために研磨されてもよい。たとえば、その粒径が０．５または１、２μｍの各種砥粒を用いるブラスト処理などの公知の方法によって行うことができる。上記端面の表面粗さは、例えば、形成される電極３０の密着性（圧電部材１０によるアンカー効果）を高める観点から、算術平均粗さＲａで１５０～２５０ｎｍであることが好ましい。
　なお、上記ギャップ調整工程では、２つのエッチング基板１ｅを互いに重ね合わせる場合について説明したが、隣り合う圧電体切片２間の間隔を調整する方法は、上記の方法に限定されない。たとえば、１つのエッチング基板１ｅの圧電体切片群を、粒径が整えられている樹脂粒子のスラリー中に浸漬し、引き上げることによって行ってもよい。このような方法によれば、圧電体切片２間に上記樹脂粒子が隣り合う圧電体切片２によって挟持されるように配置され、隣り合う圧電体切片２間の間隔は、当該樹脂粒子の粒径と同じ大きさの間隔に調整される。
　また、１つのエッチング基板１ｅの圧電体切片群を特定の粘度を有する液状の樹脂に浸漬し、引き上げることによっても行うことができる。この方法によれば、その粘度に応じた量で樹脂が圧電体切片２の表面に付着する。たとえば、液状の樹脂の粘度を高くすることによって、圧電体切片２の表面における上記樹脂の付着量をより多くする（上記表面に樹脂をより厚く付着させる）ことができる。よって、隣り合う圧電体切片２間には上記樹脂が充填され、かつ圧電体切片２間の間隔は、当該樹脂の付着量に応じた特定の間隔に調整される。
　また、圧電体切片２が外力により歪む程度に圧電体切片２の幅が小さい場合には、エッチング基板１ｅの圧電体切片２の間の空隙に、硬化前の樹脂１２が充填された状態で、外力により隣り合う圧電体切片２間の距離を小さくしてもよい。
　以上の手順により、板状の圧電体１１と樹脂１２とが交互に配置してなる圧電部材１０を有する圧電素子１３０が作製される。上記ダイシング工程および上記エッチング工程を含む上記製造方法により製造された圧電素子１３０における圧電体１１の表面粗さについては、算術平均高さＳａが５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、尖り度Ｓｋｕが３．０以上４．０以下であり、最小自己相関長さＳａｌが１．０μｍ以上４．０μｍ以下となる。
　圧電体１１の比誘電率は、圧電体１１の大きさに比例する。しかし、ダイシングされた圧電体１１の表面には、圧電性（誘電性）を有しないダメージ層が形成される。このため、ダメージ層が形成された圧電体１１の比誘電率は、圧電体１１の大きさに基づいて算出される比誘電率よりも小さくなる。たとえば、圧電体１１の比誘電率は、板状の圧電体１１の一方向（Ｘ方向）に直交する方向における圧電体１１の長さの最小値（Ｚ方向における圧電体１１の長さ）に基づいて算出される比誘電率と比較されうる。ダメージ層が形成された圧電体１１の比誘電率の低下は、Ｚ方向における圧電体１１の長さが９０μｍ以下のときに顕著となり、５０μｍ以下のときにより顕著となる。
　しかしながら、本実施の形態に係る圧電体１１は、算術平均高さＳａが５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、尖り度Ｓｋｕが３．０以上４．０以下であり、最小自己相関長さＳａｌが１．０μｍ以上４．０μｍ以下である表面粗さを有している。上記表面粗さを有する圧電体１１は、圧電体１１を小さくすることによる比誘電率の低下が抑制される。すなわち、上記表面粗さを有する圧電体１１は、圧電体１１の大きさに基づいて算出される理論値と同等かそれ以上の大きさの比誘電率を有する。これは、圧電体１１においては、上記エッチング工程によって上記ダメージ層を除去することができるためと推定される。たとえば、本実施の形態に係る圧電体１１の比誘電率は、圧電部材１０における、Ｚ方向における圧電体１１の長さの割合と、ダイシング前の圧電体基板１の比誘電率（例えば、４０００）との積算値である理論値と同等かそれ以上の大きさとなる。
　また、本実施の形態に係る圧電素子１３０の圧電体１１の表面には、一対の電極３０の対向方向に対して０°以上２０°以下の方向に沿うように互いに並行して延在した複数の凹条１３が形成されている。この結果として、凹条１３による圧電体１１の比誘電率の低下を抑制できる。仮に、凹条１３が一対の電極３０の対向方向に対して２０°超の方向に沿うように延在していると、凹条１３が一対の電極３０間に形成される電界を横切るように延在することとなる。このため、圧電体１１の比誘電率は低下してしまう。しかしながら、本実施の形態に係る圧電素子１３０の圧電体１１の表面の凹条１３は、凹条１３が一対の電極３０の対向方向に対して０°以上２０°以下の方向に沿うように延在している。これにより、凹条１３は、一対の電極３０間に形成される電界の方向に沿うように延在することができる。結果として、凹条１３による圧電体１１の比誘電率の低下を抑制することができるものと推定される。
　圧電素子１３０は、超音波探触子に適用可能である。当該超音波探触子は、例えば、複数の圧電素子１３０が配列してなる超音波トランスデューサーを有し得る。圧電素子１３０は、圧電特性に優れていることから、それを有する超音波プローブは、送受信感度に優れるとともに高空間分解能と長距離測定との両方を実現可能である。
　［超音波探触子の構成］
　図４は、本実施の形態に係る超音波探触子１００の構成を示す断面模式図である。本実施の形態に係る超音波探触子１００は、背面層１１０、音響反射層１２０、圧電素子１３０、音響整合層１４０および不図示のフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）を有する。
　背面層１１０は、圧電素子１３０の音響インピーダンスより大きい音響インピーダンスを有し、不要な超音波を吸収するための超音波吸収体である。本実施の形態では、背面層１１０は、音響反射層１２０を支持している。背面層１１０は、圧電素子１３０における被検体（例えば生体）に超音波を送受信する方向と反対側の面（裏面または背面）に装着され、被検体の方向の反対側に発生する超音波を吸収する。
　背面層１１０の材料の例には、天然ゴム、フェライトゴム、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、熱可塑性樹脂、および、これらの材料の少なくともいずれかと酸化タングステンや酸化チタン、フェライトなどの粉末との混合物をプレス成形した樹脂系複合材が含まれる。また、背面層１１０の材料の他の例には、当該樹脂系複合材を粉砕し、上記熱可塑性樹脂やエポキシ樹脂などの他の材料と混合し、硬化させた材料が含まれる。
　上記熱可塑性樹脂の例には、塩化ビニル、ポリビニルブチラール、ＡＢＳ樹脂、ポリウレタン、ポリビニルアルコール、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアセタール、ポリエチレンテレフタレート、フッ素樹脂、ポリエチレングリコール、および、ポリエチレンテレフタレート－ポリエチレングリコール共重合体が含まれる。背面層１１０の材料としては、中でも樹脂系複合材、その中でも特にゴム系複合材料またはエポキシ樹脂系複合材が好ましい。
　また、背面層１１０には、必要に応じて他の配合剤が添加されていてもよい。たとえば、背面層１１０の音響インピーダンスを調整する観点から、マコールガラスやガラスなどの無機材料、空隙を有する多孔質材料が背面層１１０に添加されていてもよい。
　背面層１１０の形状は、圧電素子１３０や、圧電素子１３０を有する超音波探触子１００などの形状に応じて、適宜に決めることができる。
　背面層１１０の厚みは、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましく、１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることがより好ましい。
　なお、背面層１１０および後述のＦＰＣは、例えば、当該技術分野で通常使用される接着剤（例えば、エポキシ系接着剤）で互いに接着され得る。
　音響反射層１２０は、圧電素子１３０の音響インピーダンスより大きい音響インピーダンスを有する。音響反射層１２０は、圧電素子１３０における被検体に超音波を送受信する方向と反対側の面（裏面）に装着され、被検体の方向の反対側に送信された超音波を反射する。超音波に対する感度を高める観点から、超音波探触子１００は、音響反射層１２０を有していることが好ましい。
　音響反射層１２０の材料の例には、タングステンおよびタンタルが含まれる。中でも、音響反射層１２０の材料としては、タングステンカーバイドであることが好ましい。音響反射層１２０には、必要に応じて他の配合剤が添加されていてもよい。
　音響反射層１２０の厚みは、５０μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましく、１５０μｍ以上２５０μｍ以下であることがより好ましい。
　圧電素子１３０は、電気信号を機械的な振動に変換することができ、機械的な振動を電気信号に変換することもできる。圧電素子１３０および音響反射層１２０の接着性を高める観点から、圧電素子１３０および音響反射層１２０の少なくとも一部は、接着層で互いに接着されていることが好ましい。接着層の材料としては、例えば、シリコーン系接着剤やエポキシ系接着剤などを使用すればよい。
　音響整合層１４０は、圧電素子１３０および被検体の間の音響インピーダンスを整合させて、境界面での超音波の反射を抑制するための層である。このために、音響整合層１４０は、圧電素子１３０と被検体との概ね中間の音響インピーダンスを有する。音響整合層１４０は、圧電素子１３０の上記被検体側（表面側）に、例えば、前述の他方の電極を介して配置されている。
　音響整合層１４０は、単層でも積層でもよいが、音響特性の調整の観点から、音響インピーダンスが異なる複数の層の積層体であることが好ましく、例えば２層以上、より好ましくは４層以上である。音響整合層１４０の厚みは、λ／４であることが好ましい。λは、超音波の波長である。
　音響整合層１４０は、例えば、種々の材料で構成することが可能である。音響整合層１４０の音響インピーダンスは、音響レンズに向けて被検体の音響インピーダンスに、段階的または連続的により近づくように設定されていることが好ましく、例えば、当該材料に添加する添加剤の種類および含有量によって調整することが可能である。
　音響整合層１４０の材料の例には、アルミニウム、アルミニウム合金（例えばＡｌ－Ｍｇ合金）、マグネシウム合金、マコールガラス、ガラス、溶融石英、コッパーグラファイトおよび樹脂が含まれる。当該樹脂の例には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ＡＢＳ樹脂、ＡＡＳ樹脂、ＡＥＳ樹脂、ナイロン６やナイロン６６などのナイロン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドイミド、ポリエチレンテレフタレート、エポキシ樹脂およびウレタン樹脂が含まれる。
　上記添加剤の例には、亜鉛華、酸化チタン、シリカやアルミナ、ベンガラ、フェライト、酸化タングステン、酸化イットリビウム、硫酸バリウム、タングステン、モリブデン、ガラス繊維およびシリコーン粒子が含まれる。
　ＦＰＣは、例えば、圧電体１１に電圧を印加するための一対の電極３０と接続される、圧電素子１３０に対応したパターンの配線を有する。たとえば、特に図示しないが、ＦＰＣは、一方の電極３０となる信号引き出し配線と、他方の電極３０に接続されるグランド引き出し配線とを有する。ＦＰＣは、上記の適当なパターンを有していれば、市販品であってもよい。
　超音波探触子１００は、上記の圧電素子１３０を有する。よって、超音波探触子１００は、超音波に対して高い感度を得ることができる。
　超音波探触子１００は、超音波撮像装置に好適に用いられる。当該超音波撮像装置は、超音波探触子１００の圧電素子１３０以外の部分は、公知の超音波撮像装置と同様に構成し得る。当該超音波撮像装置は、例えば、医療用超音波診断装置や非破壊超音波検査装置などに好適である。
　［超音波撮像装置の構成］
　図５Ａは、本実施の形態に係る超音波撮像装置２００の構成を模式的に示す図であり、図５Ｂは、超音波撮像装置２００の電気的な構成を示すブロック図である。
　超音波撮像装置２００は、図５Ａに示されるように、装置本体２０１と、装置本体２０１にケーブル２０２を介して接続されている超音波探触子１００と、装置本体２０１上に配置されている入力部２０３および表示部２０８と、を有する。
　装置本体２０１は、図５Ｂに示されるように、入力部２０３に接続されている制御部２０４と、制御部２０４およびケーブル２０２に接続されている送信部２０５および受信部２０６と、受信部２０６および制御部２０４のそれぞれと接続されている画像処理部２０７と、を有する。なお、制御部２０４および画像処理部２０７は、それぞれ表示部２０８と接続されている。
　ケーブル２０２は、超音波探触子１００および送信部２０５と、超音波探触子１００および受信部２０６とをそれぞれ接続し、信号を伝達する。
　入力部２０３は、例えば、診断開始などを指示するコマンドや被検体の個人情報など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などである。
　制御部２０４は、例えば、マイクロプロセッサや記憶素子、その周辺回路などを備えて構成されている。制御部２０４は、超音波探触子１００、入力部２０３、送信部２０５、受信部２０６、画像処理部２０７および表示部２０８を、それぞれの機能に応じて制御することによって超音波診断装置２００の全体の制御を行う回路である。
　送信部２０５は、例えば、制御部２０４からの信号を、ケーブル２０２を介して超音波探触子１００に送信する。
　受信部２０６は、例えば、超音波探触子１００からの信号を、ケーブル２０２を介して受信して制御部２０４または画像処理部２０７へ出力する。
　画像処理部２０７は、例えば、制御部２０４の制御に従い、受信部２０６で受信した信号に基づ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。たとえば、画像処理部２０７は、被検体の超音波画像を生成するＤｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ（ＤＳＰ）、および、当該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）などを有している。
　表示部２０８は、例えば、制御部２０４の制御に従って、画像処理部２０７で生成された、被検体の超音波画像を表示するための装置である。表示部２０８は、例えば、ＣＲＴディスプレイや液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機ＥＬディスプレイ、プラズマディスプレイなどの表示装置や、プリンタなどの印刷装置などである。
　超音波撮像装置２００では、制御部２０４が入力部２０３からの信号を受信し、生体などの被検体に対して超音波（第１超音波信号）を送信させる信号を送信部２０５に出力するとともに、当該第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）に応じた電気信号を受信部２０６に受信させる。すなわち、制御部２０４は、超音波探触子１００との間において信号の送受信を制御する。
　受信部２０６で受信した電気信号は、画像処理部２０７に送られて当該電気信号に応じた画像信号に処理される。当該画像信号は、表示部２０８に送られて、当該画像信号に応じた画像が表示部２０８に表示される。表示部２０８は、また、入力部２０３から入力された、制御部２０４を介して送られる情報に基づき、当該情報に応じた画像および操作（文字の表示、表示された画像の移動や拡大など）も表示する。
　超音波撮像装置２００は、超音波探触子１００を有する。よって、超音波撮像装置２００は、高い空間分解能で被検体の超音波画像を得ることができる。
　［変形例］
　図６Ａ、Ｂは、変形例に係る圧電体２１の形状を示す図である。上記実施の形態では、圧電体１１の形状が板状である場合について説明したが、本発明に係る圧電体の形状は、板状に限定されない。たとえば、圧電体の形状は、図６Ａ、Ｂに示されるように、柱状であってもよい。この場合、複数の圧電体２１は、平面方向において、互いに離間して配列されている。
　なお、上記の「柱状」の断面の形状は、一般に矩形であり、図６Ａに示されるように正方形であってもよいし、図６Ｂに示されるように長方形であってもよい。当該断面の形状における縦横比は、１：１～１：５であることが好ましく、１：１～１：１．５であることがより好ましい。また、圧電体２１の断面の形状は、円形状であることがさらに好ましい。
　図７は、圧電体基板１から柱状の圧電体２１を有する圧電素子を製造する工程の一例の前半部を模式的に示す図であり、図８は、圧電体基板１から柱状の圧電体２１を有する圧電素子を製造する工程の一例の後半部を模式的に示す図である。
　柱状の圧電体２１を有する圧電素子を製造する場合、ダイシング工程において、圧電体基板１は、Ｘ方向およびＹ方向に切り込まれ、Ｘ方向およびＹ方向を幅方向とし、Ｚ方向を長手方向とする柱状の圧電体切片２２が形成される。上記切り込みは、Ｘ方向における一端部を残して形成され、並列する複数の圧電体切片２２は、いずれも一端で圧電体基板１の一端部に一体的に接続している。上記切り込みの深さ（圧電体切片２２のＸ方向における長さ）は、例えば、１２０μｍ以上４２５μｍ以下である。また、圧電体切片２２の高さは、例えば、圧電素子１３０における圧電体２１の高さより５０μｍ程度大きく、かつ圧電素子１３０における圧電体２１の高さの２倍の長さより小さいことが好ましい。
　柱状の圧電体２１を有する圧電素子を製造する場合も、圧電素子１３０を製造する場合と同様に、圧電体切片２２は、前述したエッチング液によりエッチングされる。これにより、並列する複数の圧電体切片２２は、いずれも実質的に一定なエッチングに供され、実質的に一定の所期の幅を有するように成形される。
　次いで、エッチングされた隣り合う圧電体切片２２の間に樹脂を充填する（第１充填工程）。こうして、エッチング後のＹＺ方向における位置関係が実質的に維持された状態で、圧電体切片２２がエポキシ樹脂に封入される。圧電体切片２２を封入しているエポキシ樹脂の部分を圧電体基板１の一端部から切り離して、一次封入体２３とする。
　次いで、一次封入体２３における樹脂の部分をＹ方向に沿って切断して第１の樹脂板部２４を作製する（第１配列工程）。第１の樹脂板部２４は、Ｙ方向における一端部を残して樹脂の部分を切断することで形成されており、Ｙ方向に沿って一列に配列する複数の圧電体切片２２を封入する板状の樹脂塊である。
　次いで、一次封入体２３における複数の並列する第１の樹脂板部２４を、前述の球状樹脂粒子を有するスラリーに浸漬し、次いで乾燥させる。こうして、隣り合う第１の樹脂板部２４間に上記樹脂粒子が導入され、第１の樹脂板部２４間の間隔が一定に調整される（図８参照、第１ギャップ調整工程）。
　次いで、間隔が調整された複数の第１の樹脂板部２４の間には、エポキシ樹脂がさらに充填される（第２充填工程）。これにより、圧電体切片２２が、Ｚ方向における所期の間隔で固定された圧電体切片２２を封入する二次封入体２５が作製される。二次封入体２５は、その後のＹ方向のギャップ調整の作業を容易にするために、Ｚ方向における一端側にエポキシ樹脂の部分を有している。
　次いで、二次封入体２５における圧電体切片２２間の樹脂の部分をＺ方向に沿って切断して第２の樹脂板部２６を作製する（第２配列工程）。第２の樹脂板部２６は、Ｚ方向における一端部を残して樹脂の部分を切断することで形成されており、Ｚ方向に沿って一列に配列する複数の圧電体切片２２を封入する板状の樹脂塊である。
　次いで、二次封入体２５における第２の樹脂板部２６を上記スラリーに浸漬し、次いで乾燥させる。こうして、隣り合う第２の樹脂板部２６間に上記樹脂粒子が導入され、第２の樹脂板部２６間の間隔が一定に調整される（第２ギャップ調整工程）。
　次いで、二次封入体２５における、間隔が調整された複数の第２の樹脂板部２６の間にエポキシ樹脂を充填する（第３充填工程）。これにより、圧電体切片２２は、Ｚ方向に加えてＹ方向においても所期の間隔で固定される。Ｙ方向における間隔が調整された第２の樹脂板部２６群を二次封入体２５から切り離し、最終封入体を得る。
　当該最終封入体は、そのまま、あるいはＸ方向における所期の長さ（例えば１００～３００μｍ）に切断されて、圧電体と樹脂とが交互に配列してなる圧電部材２０となる。圧電部材２０のＸ方向における両端面を必要に応じて研磨してその表面粗さを調整し、当該両端面のそれぞれに電極３０を形成する。こうして、柱状の圧電体２１と樹脂とがＹ方向およびＺ方向の両方向において交互に配置してなる圧電部材２０を有する圧電素子が作製される。
　以上の説明から明らかなように、本実施の形態に係る圧電体は、マグネシウムニオブ酸チタン酸鉛の単結晶で構成された圧電体であって、表面の算術平均高さは、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、表面の尖り度は、３．０以上４．０以下であり、表面の最小自己相関長さは、１．０μｍ以上４．０μｍ以下である。この結果、上記圧電体を小さくすることによる比誘電率の低下を抑制することができる。
　上記圧電体の表面の突起頂上の個数密度が０．０５個／μｍ２以下であることは、十分な比誘電率を得る観点からより好ましい。
　本実施の形態に係る圧電素子は、マグネシウムニオブ酸チタン酸鉛の単結晶で構成された圧電体と、上記圧電体を挟んで互いに対向するように配置されている、上記圧電体に電圧を印加するための一対の電極と、を有し、上記圧電体の表面の算術平均高さは、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、上記圧電体の表面の尖り度は、３．０以上４．０以下であり、上記圧電体の表面の最小自己相関長さは、１．０μｍ以上４．０μｍ以下である。この結果、超音波に対する高い感度を得ることができる。
　上記圧電体の表面に上記一対の電極の対向方向に対して０°以上２０°以下の方向に沿うように互いに並行して延在している複数の凹条が形成されていることは、超音波に対する高い感度を得る観点からより好ましい。
　上記圧電体の表面の突起頂上の個数密度が０．０５個／μｍ２以下であることは、十分な比誘電率を得る観点からより好ましい。
　本実施の形態に係る超音波探触子は、上記圧電素子を有する。この結果、超音波に対する高い感度を得ることができる。
　上記超音波探触子が、上記圧電素子の背面側に設けられた、上記圧電素子の音響インピーダンスより大きい音響インピーダンスを有する背面層をさらに有することは、不要な超音波を吸収する観点から好ましい。
　本実施の形態に係る超音波撮像装置は、上記超音波探触子を有する。この結果、高い空間分解能で被検体の超音波画像を得ることができる。
　なお、上記実施の形態では、複数の圧電体１１を有する圧電素子１３０について説明したが、本発明に係る圧電素子は、１つの圧電体１１を有していてもよい。
　また、上記実施の形態では、ダイシング後のエッチングにより圧電体１１の表面粗さを調整する方法について説明したが、本発明に係る圧電体１１の表面粗さを実現する方法は、この方法に限定されない。たとえば、圧電体１１の表面を所望の表面粗さに調整する方法の例には、フッ素や塩素などのガスによる誘導結合型反応性イオンエッチング（ＩＣＰ－ＲＩＥ）と、ガスクラスターイオンビーム（ＧＣＩＢ）加工と、収束イオンビーム（ＦＩＢ）加工と、レーザー加工とが含まれる。
　以下、本発明に関して実施例を用いてさらに詳細に説明する。本実施例では、圧電素子の製造方法を説明し、圧電体の比誘電率を評価した。
　［エッチング液１の調製］
　下記成分を下記の量で混合し、エッチング液１を調製した。
　フッ化アンモニウム（ＡＦ）　　　　　８質量％
　硝酸（ＮＡ）　　　　　　　　　　　　５質量％
　水　　　　　　　　　　　　　　　　　残り
　［エッチング液２～４の調製］
　３５質量％の塩酸（ＨｃＡ）を用意して、エッチング液２とした。また、６０質量％のフッ酸（ＨｆＡ）と４０質量％のフッ化アンモニウムとを混合して、エッチング液３とした。さらに、硝酸の代わりに５質量％の塩酸を使用したこと以外は、エッチング液１と同様にしてエッチング液４を調製した。
　［圧電素子１の製造］
　５ｍｍ、２２ｍｍ、厚み０．５ｍｍのＰＭＮ－ＰＴ基板（ＪＦＥミネラル株式会社製）を準備した。次いで、当該ＰＭＮ－ＰＴ基板のダイシングを行った。具体的には、上記ＰＭＮ－ＰＴ基板の長手方向（Ｙ方向）において貫通し、厚み方向（Ｘ方向）に開口し、かつ短手方向（Ｚ方向）において等間隔に配列している複数の切れ込みをオートマチックダイシングソー（ＤＡＤ３３５０；株式会社ディスコ製）によって形成した。これにより、上記基板の他端部に一体的に結合している５０枚の板状の圧電体切片を有するダイシング加工基板を作製した。このとき、ブレード（Ｚ０９－ＳＤ４０００－Ｙ１－９０　７２×０．０５Ａ１×４０、Ｚ０９－ＳＤ４０００－Ｙ１－９０　７２×０．０２５Ａ１×４０）を３００００ｒｐｍで回転させ、５ｍｍ／秒でＹ方向に移動させつつダイシングを行った。ダイシング加工基板における各圧電体切片の長さ（Ｙ方向の長さ）は５ｍｍであり、幅（Ｚ方向の長さ）は５０μｍであり、厚み（Ｘ方向における長さ）は、２４０μｍである。また、ダイシングによる切り込みの幅（Ｚ方向における長さ）は、５０μｍである。
　次いで、上記ダイシング加工基板のエッチングを行った。具体的には、ガラスシャーレに１０ｍＬのエッチング液１を撹拌子とともに収容し、マグネティックスターラーによって１５０ｒｐｍの速度でエッチング液１を撹拌した。エッチング液１の温度は２８℃である。次いで、上記ダイシング加工基板を上記ガラスシャーレ内に８５分間浸漬させた。これにより、上記ダイシング加工基板の表面から１０μｍ分のＰＭＮ－ＰＴをエッチングして、エッチング加工基板を作製した。
　前述の方法により、上記エッチング加工基板を２つ作製した。次いで、一方の上記エッチング加工基板の圧電体切片が他方の上記エッチング加工基板の切り込み内に配置されるように、２つの上記エッチング加工基板を互いに重ね合わせた。このとき、一方の上記エッチング加工基板の圧電体切片と、他方の上記エッチング加工基板の圧電体切片との距離が均等になるように配置した。次いで、２つの上記エッチング加工基板の圧電体切片間の間隙に二液性エポキシ樹脂Ｃ－１１６３（株式会社テスク製）を供給し、上記間隙にエポキシ樹脂を充填させた。次いで、充填されたエポキシ樹脂中の気泡を除去するために、エポキシ樹脂を間隙に充填したエッチング加工基板を減圧雰囲気（１０－３Ｐａ）に３０分間放置した。次いで、５０℃の環境下にエッチング加工基板１を２０時間静置し、上記エポキシ樹脂を硬化させた。
　次いで、所望の間隔で配置された板状の圧電体切片と樹脂とが交互に配置されている樹脂硬化部以外の部分を除去するために、ＹＺ平面において上記エッチング加工基板を切断した。これにより、所望の間隔で配置された板状の圧電体切片と樹脂とが交互に配置されてなる圧電部材を得た。
　次いで、圧電部材のＸ方向における端面を、ムサシノ電子株式会社製の研磨機と３μｍ砥粒とを用いて研磨して圧電部材の厚み（Ｘ方向における長さ）を調整した。次いで、０．５μｍ砥粒で研磨して当該端面表面粗さを調整した。圧電部材の厚みは１２０μｍであり、上記端面の表面粗さは、算術平均粗さＲａで５ｎｍであった。
　次いで、圧電部材のＸ方向の端面に、スパッタを用いて電極を形成した。当該電極は、圧電部材側に配置された、厚さ４ｎｍのクロム（Ｃｒ）の層と、その上に配置された、厚さ４５０ｎｍの金（Ａｕ）の層とによって構成されている。以上の手順により、圧電素子１を作製した。
　［圧電素子２～６の製造］
　エッチング時間を下記表１に示すように変更したこと以外は、圧電素子１と同様にして、圧電素子２～６を製造した。
　［圧電素子７～１３の製造］
　ダイシング時における切れ込みの幅を調整して、圧電体切片の幅（Ｚ方向における長さ）を下記表１に示すように変更したこと、ダイシング加工基板のエッチングを行わなかったこと、および２つのダイシング加工基板を互いに重ね合わせず、エポキシ樹脂を圧電体切片の間隙に充填させたこと以外は、圧電素子１と同様にして、圧電素子７～１３を製造した。
　［圧電素子１４～２４の製造］
　エッチング液１に代えてエッチング液２～４を用い、エッチング時間を下記表１に示すように変更したこと、および２つのエッチング加工基板を互いに重ね合わせず、エポキシ樹脂を１つのエッチング基板１ｅの圧電体切片間の間隙に充填させたこと以外は、圧電素子１と同様にして、圧電素子１４～２４を製造した。
　区分、圧電素子Ｎｏ．、エッチング液Ｎｏ．、エッチング液の成分、エッチング時間、エッチング量、圧電体切片の幅（Ｚ方向における長さ）、およびＰＭＮ－ＰＴ基板の幅に対する圧電体切片の幅の割合を示す。なお、表１において、「Ｎｏ．」は、圧電素子Ｎｏ．を示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　［評価］
　（表面形状の測定および観察）
　圧電素子１～６、１４～２４を製造するときのダイシング方法およびエッチング方法と同様に、エポキシ樹脂を充填する前のエッチング基板をそれぞれ製造した。また、圧電素子７～１３を製造するときのダイシング方法と同様に、エポキシ樹脂を充填する前のダイシング基板をそれぞれ製造した。各エッチング基板および各ダイシング基板について、白色光干渉型顕微鏡（ＮＴ－９３００；ブルカー・エイエックスエス株式会社製）を用いて、圧電体切片の表面の算術平均粗さＳａ、尖り度Ｓｋｕ、最小自己相関長さＳａｌおよび突起頂上の個数密度Ｓｄｓを測定した。また、走査型電子顕微鏡（ＶＥ－７８００；株式会社キーエンス製）により、倍率１０００倍で圧電体切片の表面の形状を観察し、凹条が延在している方向を計測した。
　（比誘電率の測定）
　プレシジョンインピーダンスアナライザ（Ａｇｉｌｅｎｔ　４２９４Ａ；アジレントテクノロジーズ社製、「Ａｇｉｌｅｎｔ」は、同社の登録商標）により、圧電素子１～２４の比誘電率εｒを測定した。そして、比誘電率εｒが理論値と同等かそれ以上の場合を合格と判断した。ここでは、測定結果のばらつきが±１０％程度であることを考慮して、ｒが９０％以上である場合を合格と判断した。
　区分、圧電素子Ｎｏ．、表面形状の測定結果（算術平均粗さＳａ、尖り度Ｓｋｕ、最小自己相関長さＳａｌおよび突起頂上の個数密度Ｓｄｓ）、表面形状の観測結果（凹条の延在方向）、比誘電率εｒ、および理論値に対する比誘電率εｒの割合ｒを表２に示す。このとき、理論値は、ダイシング前のＰＭＮ－ＰＴ基板の比誘電率（４７１０）に、ダイシング前のＰＭＮ－ＰＴ基板の幅（Ｚ方向の長さ）に対する圧電体切片の幅（Ｚ方向の長さ）の割合を掛けることにより算出した。なお、表２において、「方向」とは、凹条の延在方向を示しており、「ランダム」は、凹条が特定の方向に沿って延在していないことを示し、「角度を表す数値」は、一対の電極の対向方向を基準（０°）としたときの凹条の延在方向を示している。また、「Ｎｏ．」は、圧電素子Ｎｏ．を示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２から明らかなように、圧電素子１～６については、いずれも、比誘電率εｒが理論値と同等かそれ以上（ｒが９０％以上）であり、圧電体を小さくしたことによる比誘電率の低下が抑制されていた。これは、圧電体の表面の算術平均高さＳａが５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、圧電体の表面の尖り度Ｓｋｕが３．０以上４．０以下であり、圧電体の表面の最小自己相関長さＳａｌさが１．０μｍ以上４．０μｍ以下であるためと考えられる。
　一方、圧電素子７～２４については、いずれも、比誘電率εｒが理論値より小さかった（ｒが９０％未満）。これは、圧電体の表面の算術平均高さＳａ、圧電体の表面の尖り度Ｓｋｕおよび圧電体の表面の最小自己相関長さＳａｌの少なくとも１つが所定の範囲内になかったためと考えられる。
　本出願は、２０１６年５月１９日出願の特願２０１６－１００３４０に基づく優先権を主張する。当該出願明細書および図面に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。
　本発明によれば、超音波に対して高い感度を有する超音波探触子を構成することが可能となる。したがって、本発明によれば、超音波撮像装置のさらなる普及が期待される。
　１　圧電体基板
　１ｄ　ダイシング基板
　１ｅ　エッチング基板
　２、２２　圧電体切片
　２３　一次封入体
　２４　第１の樹脂板部
　２５　二次封入体
　２６　第２の樹脂板部
　１０、２０　圧電部材
　１１、２１　圧電体
　１２　樹脂
　１３　凹条
　３０　電極
　１００　超音波探触子
　１１０　背面層
　１２０　音響反射層
　１３０　圧電素子
　１４０　音響整合層
　２００　超音波撮像装置
　２０１　装置本体
　２０２　ケーブル
　２０３　入力部
　２０４　制御部
　２０５　送信部
　２０６　受信部
　２０７　画像処理部
　２０８　表示部

Claims (14)

  1. 　マグネシウムニオブ酸チタン酸鉛の単結晶で構成された圧電体であって、
    　表面の算術平均高さは、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、
    　表面の尖り度は、３．０以上４．０以下であり、
    　表面の最小自己相関長さは、１．０μｍ以上４．０μｍ以下である、
    　圧電体。
  2. 　前記圧電体の表面には、一方向に対して０°以上２０°以下の方向に沿うように互いに並行して延在している複数の凹条が形成されており、
    　前記一方向に直交する方向における前記圧電体の長さの最小値は、９０μｍ以下である、
    　請求項１に記載の圧電体。
  3. 　前記一方向に直交する方向における前記圧電体の長さの最小値は、５０μｍ以下である、請求項２に記載の圧電体。
  4. 　前記圧電体の表面の突起頂上の個数密度は、０．０５個／μｍ２以下である、請求項１～３のいずれか一項に記載の圧電体。
  5. 　マグネシウムニオブ酸チタン酸鉛の単結晶で構成された圧電体と、
    　前記圧電体を挟んで互いに対向するように配置されている、前記圧電体に電圧を印加するための一対の電極と、
    　を有し、
    　前記圧電体の表面の算術平均高さは、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、
    　前記圧電体の表面の尖り度は、３．０以上４．０以下であり、
    　前記圧電体の表面の最小自己相関長さは、１．０μｍ以上４．０μｍ以下である、
    　圧電素子。
  6. 　前記圧電体の表面には、前記一対の電極の対向方向に対して０°以上２０°以下の方向に沿うように互いに並行して延在している複数の凹条が形成されている、請求項５に記載の圧電素子。
  7. 　前記対向方向に直交する方向における前記圧電体の長さの最小値は、９０μｍ以下である、請求項６に記載の圧電素子。
  8. 　前記対向方向に直交する方向における前記圧電体の長さの最小値は、５０μｍ以下である、請求項７に記載の圧電素子。
  9. 　前記圧電体の表面の突起頂上の個数密度は、０．０５個／μｍ２以下である、請求項５～８のいずれか一項に記載の圧電素子。
  10. 　複数の前記圧電体を有し、
    　前記複数の圧電体は、平面方向の一方向または平面方向において、互いに離間して配列されている、
    　請求項５～９のいずれか一項に記載の圧電素子。
  11. 　請求項５～１０のいずれか一項に記載の圧電素子を有する、超音波探触子。
  12. 　前記圧電素子の背面側に設けられた、前記圧電素子の音響インピーダンスより大きい音響インピーダンスを有する背面層をさらに有する、請求項１１に記載の超音波探触子。
  13. 　請求項１１または１２に記載の超音波探触子を有する、超音波撮像装置。
  14. 　前記超音波探触子との間において信号の送受信を制御するための制御部と、
    　前記超音波探触子から送信された信号に基づいて、画像情報を生成するための画像処理部と、
    　をさらに有する、請求項１３に記載の超音波撮像装置。
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