JP2015195351A - 圧電素子、圧電デバイスおよびプローブ並びに電子機器および超音波画像装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】超音波トランスデューサー素子57は、振動膜58と、振動膜58上に配置される圧電体63と、圧電体63上に配置される第1電極61と、圧電体63上であって第1電極61と隔てられた位置に配置される第2電極62と、振動膜58の厚み方向からの平面視で、第1電極61および第2電極62の間に位置し圧電体63の表面を2分割する溝64とを備える。
【選択図】図6
Description
図1は本発明の一実施形態に係る電子機器の一具体例すなわち超音波診断装置(超音波画像装置)11の構成を概略的に示す。超音波診断装置11は装置端末(処理部)12と超音波プローブ(プローブ)13とを備える。装置端末12と超音波プローブ13とはケーブル14で相互に接続される。装置端末12と超音波プローブ13とはケーブル14を通じて電気信号をやりとりする。装置端末12にはディスプレイパネル(表示装置)15が組み込まれる。ディスプレイパネル15の画面は装置端末12の表面で露出する。装置端末12では、超音波プローブ13で検出された超音波に基づき画像が生成される。画像化された検出結果がディスプレイパネル15の画面に表示される。
図2に示されるように、超音波デバイスユニットDVは配線基板WBを備える。超音波デバイス17は配線基板WBに搭載される。こうした搭載にあたって配線基板WBの表面には超音波デバイス17を受け入れる窪みが形成されてもよい。窪みは配線基板WBの平面から窪めばよい。超音波デバイス17は例えば樹脂材で配線基板WBに固定されることができる。
図3は送信アレイTRの領域に関し超音波デバイス17の平面図を概略的に示す。超音波デバイス17は基体21を備える。送信アレイTRは基体21の表面に形成される。第2圧電素子23の配列は複数行複数列のマトリクスで形成される。その他、配列では千鳥配置が確立されてもよい。千鳥配置では偶数列の第2圧電素子23群は奇数列の第2圧電素子23群に対して行ピッチの2分の1でずらされればよい。奇数列および偶数列の一方の素子数は他方の素子数に比べて1つ少なくてもよい。
図5は受信アレイRRの領域に関し超音波デバイス17の拡大部分平面図を概略的に示す。受信アレイRRは基体21の表面に形成される。第1圧電素子57の配列は複数行複数列のマトリクスで形成される。個々の第1圧電素子57は振動膜58を備える。図5では振動膜58の膜面に直交する視点からの平面視(基板の厚み方向からの平面視。以下、単純に「平面視」という)で振動膜58の輪郭が点線で描かれる。振動膜58は前述の振動膜24と同様に基板44表面の被覆膜45から形成される。振動膜58上には振動子59が形成される。振動子59は第1電極61、第2電極62および圧電体膜(圧電体)63で構成される。第1電極61および第2電極62は圧電体膜63上に配置される。第2電極62は圧電体膜63上で第1電極61から隔てられる位置に配置される。ここでは、振動膜58は平面視で矩形(正方形を含む)に形成される。
次に超音波診断装置11の動作を簡単に説明する。送信アレイTRでは振動子25にパルス信号が供給される。パルス信号は下電極端子35、37および上電極端子34、36を通じて列ごとに第2圧電素子23に供給される。個々の第2圧電素子23では下電極27および上電極26の間で圧電体膜28に電界が作用する。圧電体膜28は超音波の周波数で振動する。圧電体膜28の振動は振動膜24に伝わる。こうして振動膜24は超音波振動する。その結果、被検体(例えば人体の内部)に向けて所望の超音波ビームは発せられる。
次に、第1圧電素子57の製造方法を簡単に説明する。図8に示されるように、基板75が用意される。基板75は例えばシリコンから形成される。基板75の表面には酸化シリコン層76および酸化ジルコニウム層77が形成される。酸化シリコン層76の形成にあたって例えば基板75の表面に熱処理が施されればよい。基板75のシリコンは酸化されて酸化シリコンを形成する。酸化ジルコニウム層77の形成にあたってジルコニウム膜が均一な膜厚で形成される。ジルコニウム膜に酸化処理が施される。こうして基板44および被覆膜45は得られる。
本発明者は圧電体膜63上の溝64の働きを検証した。検証にあたって音圧に対する歪みの大きさ(歪み音圧比)が算出された。算出にあたって縦横比10:1の振動膜が設定された。溝の幅Wtは、振動膜24の幅に対して17%、42%および67%に設定された。比較例として圧電体膜に溝なしの振動膜が用意された。長手方向からの中心線からの距離に応じて振動膜の歪み音圧比が変化する様子を図11に示す。溝では圧電体膜の厚みの減少に応じて歪みが増大することが確認された。しかも、溝ありでは、溝なしに比べて振動膜の縁近辺で歪みが抑制されることが見出された。
図19に示されるように、受信アレイRRでは、溝64は、第1電極61および第2電極62の間から外側に圧電体膜63の縁に向かって延び、第1電極61および第2電極62の間の空間と圧電体膜63の縁との間で途切れる。溝64は、仮想垂直面66の外側まで延びるものの、圧電体膜63の縁まで達しない。こうして溝64は圧電体膜63の一面を完全に横切らなくてもよい。この場合でも、電極61、62同士の間で局所的に圧電体膜63の厚みは減少することから、電極61、62同士の間で電気力線の経路に圧電体膜63の歪みは集中し、効率的に圧電効果は利用されることができる。
図20は他の実施形態に係る超音波診断装置11の回路構成を概略的に示す。超音波診断装置11は超音波デバイス17の受信アレイRRに電気的に接続される集積回路チップ81を備える。集積回路チップ81は受信回路82、マルチプレクサー(スイッチ)83および分極回路84を備える。マルチプレクサー83は第1圧電素子57群に受信回路82および分極回路84を選択的に接続する。受信回路82は、対の第3導電体67および第4導電体68に接続された第1圧電素子57から圧電効果に基づき電圧を受信する。受信した電圧に応じて超音波は検出される。分極回路84は個々の第1圧電素子57に分極電圧を供給する。ここでは、超音波の受信にあたって分極回路84は第1圧電素子57から分離される。マルチプレクサー83は、第1圧電素子57に対して、受信回路82の接続および分極回路84の接続を切り替える。分極電圧の供給は必要に応じて適宜に実施されればよい。
Claims (27)
- 振動膜と、
前記振動膜上に配置される圧電体と、
前記圧電体上に配置される第1電極と、
前記圧電体上であって前記第1電極と隔てられた位置に配置される第2電極と、
前記振動膜の厚み方向からの平面視で、前記第1電極および前記第2電極の間に位置し前記圧電体の表面を2分割する溝と、
を備えることを特徴とする圧電素子。 - 請求項1に記載の圧電素子において、前記溝は、前記第1電極および前記第2電極の間から外側に前記圧電体の縁に向かって延び、前記圧電体の一面を横切ることを特徴とする圧電素子。
- 請求項1に記載の圧電素子において、前記溝は、前記第1電極および前記第2電極の間から外側に前記圧電体の縁に向かって延び、前記第1電極および前記第2電極の間の空間と前記圧電体の前記縁との間で途切れることを特徴とする圧電素子。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の圧電素子において、前記溝は、前記平面視で前記振動膜の重心を通る直線に沿って延びることを特徴とする圧電素子。
- 請求項4に記載の圧電素子において、前記振動膜は前記平面視で矩形に形成され、前記溝は前記矩形のいずれかの辺に平行に延設されていることを特徴とする圧電素子。
- 請求項3または4に記載の圧電素子において、前記圧電体は前記平面視で前記直線に対して線対称に形成されることを特徴とする圧電素子。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の圧電素子において、前記溝には前記圧電体よりもヤング率が小さい保護膜が形成されることを特徴とする圧電素子。
- 請求項7に記載の圧電素子において、前記保護膜は前記溝に充填された音響整合層であることを特徴とする圧電素子。
- 請求項1に記載の圧電素子において、前記平面視における前記第1電極の前記溝の長手方向に沿う幅および前記第2電極の前記溝の長手方向に沿う幅は、前記平面視における前記圧電体の前記溝の長手方向に沿う幅より小さいことを特徴とする圧電素子。
- 請求項9に記載の圧電素子において、前記圧電体は前記平面視において前記振動膜の領域内にのみ配置されていることを特徴とする圧電素子。
- 請求項1〜10のいずれか1項に記載の圧電素子において、前記厚み方向に前記溝で特定される前記圧電体の厚みt1と、前記厚み方向に前記溝以外で特定される前記圧電体の厚みt2との間には、
- 請求項11に記載の圧電素子において、前記厚みt1および前記厚みt2の間には、
- 請求項11または12に記載の圧電素子において、前記厚みt1および前記厚みt2の間には、
- 請求項1〜13のいずれか1項に記載の圧電素子と、
第2振動膜と、
前記第2振動膜上に配置される第2圧電体と、
前記第2圧電体上に配置される第3電極と、
前記第2圧電体上であって前記第3電極と隔てられた位置に配置される第4電極と、
前記第2振動膜の厚み方向からの平面視で、前記第3電極および前記第4電極の間に位置し前記第2圧電体の表面を2分割する第2溝と、
前記第2電極と前記第3電極を電気接続する導電体部と、
を備えることを特徴とする圧電デバイス。 - 請求項1〜13のいずれか1項に記載の圧電素子と、
第2振動膜と、
前記第2振動膜上に配置される第3電極と、
前記第3電極上に配置される第2圧電体と、
前記第2圧電体上に配置される第4電極と、
を備えることを特徴とする圧電デバイス。 - 請求項1〜13のいずれか1項に記載の圧電素子を複数有することを特徴とするプローブ。
- 請求項14に記載の圧電デバイスを複数有することを特徴とするプローブ。
- 請求項15に記載の圧電デバイスを複数有することを特徴とするプローブ。
- 請求項1〜13のいずれか1項に記載の圧電素子を複数有することを特徴とする電子機器。
- 請求項14に記載の圧電デバイスを複数有することを特徴とする電子機器。
- 請求項15に記載の圧電デバイスを複数有することを特徴とする電子機器。
- 請求項19〜21のいずれか1項に記載の電子機器において、
前記圧電素子に接続されて、前記圧電素子に分極電圧を供給する分極回路と、
前記圧電素子に接続されて、前記圧電素子から圧電効果に基づき電圧を受信する受信回路と、
前記圧電素子に対して前記分極回路および前記受信回路の接続を切り替えるスイッチと、
を備えることを特徴とする電子機器。 - 請求項1〜13のいずれか1項に記載の圧電素子を複数有することを特徴とする超音波画像装置。
- 請求項14に記載の圧電デバイスを複数有することを特徴とする超音波画像装置。
- 請求項15に記載の圧電デバイスを複数有することを特徴とする超音波画像装置。
- 請求項23〜25のいずれか1項に記載の超音波画像装置において、
前記圧電素子に接続されて、前記圧電素子に分極電圧を供給する分極回路と、
前記圧電素子に接続されて、前記圧電素子から圧電効果に基づき電圧を受信する受信回路と、
前記圧電素子に対して前記分極回路および前記受信回路の接続を切り替えるスイッチと、
を備えることを特徴とする超音波画像装置。 - 振動膜と、
前記振動膜上に配置される圧電体と、
前記圧電体の一面上に配置される第1信号電極と、
前記圧電体の前記一面上であって前記第1信号電極と隔てられた位置に配置される第2信号電極と、
前記振動膜の厚み方向からの平面視で、前記第1信号電極および前記第2信号電極の間に位置し、前記振動膜の表面に直交する方向に前記圧電体の厚みを縮小する溝と、
を備えることを特徴とする圧電素子。
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