JP2021153293A - 電気機械変換素子、超音波トランスデューサー、超音波探触子、超音波診断装置及び電気機械変換素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波数、高解像度かつ適正な音圧と受信感度の確保ができる電気機械変換素子の提供。【解決手段】複数の圧電素子２０を有する超音波トランスデューサーにおいて、圧電素子は、基板１１と、第１の電極２１と、圧電体２２と、第２の電極２３と、第１の電極２１を挟んで圧電体２２と反対側の基板１１に形成された空隙部３０とが、順次積層されている。順次積層される方向からみた空隙部３０の幅Ｃｗと圧電体２２の幅Ｐｗとが、条件式（１）：０．６５≦Ｐｗ／Ｃｗ≦０．９５を満足する。【選択図】図７

Description

本発明は、電気機械変換素子、超音波トランスデューサー、超音波探触子、超音波診断装置及び電気機械変換素子の製造方法に関する。

薄膜を振動させて超音波の送受信を行うトランスデューサーは、医療用診断や産業用、車載用、マリーン向け検査・測定装置として応用がなされている。
特に医療用の超音波診断装置は、内部組織を簡易にリアルタイムで観察できるために広く使用されている。
このような超音波トランスデューサーに用いられる電気機械変換素子としては、従来はバルクと呼ばれるセラミックのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）をダイシングして個片化したものが知られていたが、近年ではピエゾ素子を用いたＰＭＵＴ（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍｉｃｒｏ−Ｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）やＣＭＵＴ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏ−Ｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）と呼ばれる半導体技術を用いたものが知られている（特許文献１、２等参照）。

特にＰＭＵＴを用いた場合には、微細加工により高解像度化や高周波数化を図ることの他、製造・構造が簡単で、比較的低電圧での動作が可能であること等から、小型・薄型、２Ｄアレイ化に適した技術として期待されている。

さて、このような小型化、薄型化、高周波数化を図るときには、当然のことながら超音波トランスデューサーを構成する１つ１つの振動部分である電気機械変換素子の大きさは出来るかぎり小さく高密度化することが好ましい。さらには、電気機械変換素子を構成する圧電素子も同様にできる限り小さく高密度化することが好ましい。
しかしながら、圧電素子の小型化は同時に振動時の音圧の低下や、受信感度の低下を招いてしまうことが分かっている。
そこで、高周波数、高解像度かつ適正な音圧と受信感度の確保ができる電気機械変換素子の開発が望まれていた。

このような課題を解決するため、本発明に係る電気機械変換素子では、順次積層された、基板と、第１の電極と、圧電体と、第２の電極と、前記第１電極を挟んで前記圧電体と反対側の前記基板に形成された空隙部と、を備え、前記順次積層される方向からみた前記空隙部の幅：Ｃｗと前記圧電体の幅：Ｐｗとの比率が、条件式（１）：０．６５≦Ｐｗ／Ｃｗ≦０．９５を満足することを特徴とする。

本発明によれば、高周波数、高解像度かつ適正な音圧と受信感度の確保ができる。

本発明に係る超音波診断装置の一形態の構成の一例を示す図である。 本発明に係る超音波診断装置の制御部の構成を示す図である。 本発明に係る超音波診断装置の他の構成を示す図である。 図１に示した超音波探触子の構成の一例を示す図である。 図４に示した超音波トランスデューサーの一例を示す図である。 図４に示した超音波トランスデューサーの一例を示す図である。 図４に示した圧電素子の一例を示す断面図である。 図４に示した超音波トランスデューサーの製造工程の一例を示す図である。 図７に示した超音波トランスデューサーの振動時の断面図である。 図９に示した断面図の変曲点の拡大図である。 本発明に係る空隙部の周波数依存性を示す図である。 本発明に係る圧電体の形状・膜厚と出力される音圧の一例を示す図である。 本発明に係る圧電体の大きさと出力される音圧の一例を示す図である。 本発明に係る圧電体の大きさと受信感度の関係の一例を示す図である。 本発明に係る上部電極の大きさと出力される音圧の一例を示す図である。 本発明に係る上部電極の大きさと受信感度の関係の一例を示す図である。 本発明に係る上部電極の大きさと圧電素子容量の関係の一例を示す図である。 本発明に係る圧電体の膜厚と破壊耐圧の関係の一例を示す図である。 本発明に係る圧電体の膜厚と圧電素子容量の関係の一例を示す図である。 本発明に係る圧電体の構成の他の一例を示す図である。 図２０に示した圧電体の構成の他の一例を示す図である。 本発明に係る圧電体の構成の他の一例を示す図である。 図２２に示した圧電体における断面構成の一例を示す図である。 本発明に係る電気機械変換素子の製造方法の他の一例を示す図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を用いて順次説明する。実施形態において、同一機能や同一構成を有するものには同一の符号を付し、重複説明は適宜省略する。図面は一部構成の理解を助けるために部分的に省略あるいは簡素化して記載する場合もある。

本発明に係る超音波診断装置１０は、超音波を測定対象物９に向けて発振するとともに、測定対象物９に反射した超音波の振動を検知する超音波探触子１と、超音波探触子１からの信号を可視化して表示するための表示部６１と、操作部６２と、超音波探触子１の制御を行う端末たる制御部６３と、を有している。

制御部６３は、図２に示すように、超音波信号を発生させるためのパルス状の電気信号を発生させる超音波パルス発生部６４と、超音波探触子１からの受信したエコー信号を電気信号に変換する変換部６５と、エコー信号から２次元超音波画像や３次元超音波画像あるいは各種ドプラ画像を形成する超音波画像形成部６６と、を有している。
なお、超音波パルス発生部６４と変換部６５とは例えば制御部６３とは別体に設けた任意の超音波送受信機であっても良い。

表示部６１は、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）やモニタ装置であって、超音波画像形成部６６が形成した画像を表示する表示手段である。
操作部６２は、作業者が測定対象物９について適切な診断を行えるようにパラメータ入力等を行うための入力手段であって、押しボタンやタッチパネル等を用いて良い。

超音波探触子１は、図１に示すように、ケーブル等を介して制御部６３と電気的に接続されており、超音波信号を人体あるいは物体である測定対象物９に向けて発信し、測定対象物９からエコーとして反射された超音波信号を受信する。
超音波診断装置１０は、かかる超音波信号の送受信によって測定対象物９の内部を可視化して診断することができる。
あるいは、図３に示すように、端末５０と、端末５０とケーブルによって接続された超音波探触子１とを用いて診断するものであっても良い。

超音波探触子１は、図４に示すように、支持基板である支持部３と、支持部３の上に形成された超音波トランスデューサーであるＰＭＵＴチップ２と、フレキシブル基板４と、配線５と、コネクタ７と、音響レンズ８と、を有している。
ＰＭＵＴチップ２は、フレキシブル基板４と配線５を介して接続されており、コネクタ７から回路基板を介して制御部６３へと接続される。

支持部３は、ＰＭＵＴチップ２を保持するためのバッキングプレートとしての機能を有している。
音響レンズ８は、ＰＭＵＴチップ２から発信された超音波を測定対象物９の測定位置にフォーカスするためのシリコン樹脂製の音響レンズである。
音響レンズ８は、中心部が周縁部よりも厚い所謂ドーム形状を有しており、測定対象物９と当接し密着することで、中心部と周縁部との厚みの差により、超音波を疑似的に屈折させて集束させる機能を備えている。なお音響レンズ８は、少なくとも一つの方向について超音波を集束させる機能を有していればよく、必ずしも超音波を１点に集束させるものでなくてもよい。
音響レンズ８とＰＭＵＴチップ２とは、接着剤６によって貼り合わされている。

ＰＭＵＴチップ２は、図５に示すように、シリコン基板１１と、シリコン基板１１上に形成された酸化膜１３と、Ｓｉ層１４と、酸化膜１５と、を有している。
酸化膜１３と、Ｓｉ層１４と、酸化膜１５と、は後述するように圧電素子２０に電圧が印加されることで振動板１６として動作する。
本実施形態では、振動板１６の上部に中央部が周縁部よりも厚い所謂ドーム状の圧電素子２０が複数配列されている。
圧電素子２０の振動板１６を挟んで反対側、すなわち図５における下側には、破線で示したように空隙部３０が形成されている。
なお、図５以降の説明において、シリコン基板１１の表面に垂直な方向をＺ軸、シリコン基板１１上に形成された圧電素子２０の並び方向をＸ軸、Ｘ軸とＺ軸とに垂直な方向をＹ軸として説明する。

ＰＭＵＴチップ２は、Ｚ軸上側から見たとき、図６に示すように、複数の圧電素子２０がアレイ状に配列され、信号線２９によってそれぞれの圧電素子２０が電気的に接続されている。信号線２９は、ＰＭＵＴチップ２の端部において図３に示して既に述べたように配線５と接続されている。
信号線２９は、Ｘ方向に延びており、後述する上部電極２３と接続されている。
ＰＭＵＴチップ２の圧電素子２０が並べられた周囲には、図６に示すように基準電位となる接地線であるＧＮＤライン２８が設けられ、後述する下部電極２１と接続されている。

空隙部３０は、シリコン基板１１に開けられた円筒状の開口であり、図７に断面図を示すように、空隙部３０の＋Ｚ側の上底面が酸化膜１３である。
なお、図７は、１つの圧電素子２０の中心軸とＸ軸とを含む平面で圧電素子２０と基板１１とを切ったときの断面図を示しており、空隙部３０のＸ方向の幅：Ｃｗである。

また、本実施形態では、圧電素子２０は、図７から明らかなように、振動板１６の上に形成された第１電極たる下部電極２１と、ドーム状の圧電体２２と、圧電体２２の上面に形成された第２電極たる上部電極２３と、を有している。
また、圧電素子２０は、上部電極２３の上部に設けられた絶縁層２４と、信号線２９と、信号線２９を保護するための保護層２５と、を有している。
なお、本実施形態においては、圧電体２２はドーム状の構成としたが、かかる構成に限定されるものではない。

下部電極２１は、本実施形態では白金（Ｐｔ）層であるが、かかる材料に限定されるものではなく、導電性の金属材料等を用いることができる。
上部電極２３もまた、白金（Ｐｔ）層であって、かかる材料に限定されるものではなく、導電性の金属材料等を用いることができる。なお、上部電極２３と下部電極２１とは同一材料であることが望ましいが異なる材料を用いるとしても良い。
圧電体２２は、本実施形態ではチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）製の圧電体材料であって、中心部２２ａが周縁部２２ｂよりも厚く形成されたドーム状である。
圧電体２２は、上部電極２３と下部電極２１との間に駆動電圧を印加することで機械的変形を生じ、駆動電圧の周期変動によって所定の周波数の振動を生じさせることで、当接した振動板１６を振動させて超音波を生じさせる。
また、かかる超音波が圧電体２２を振動させると、圧電体２２が分極して上部電極２３と下部電極２１との間に電位差が生じ、振動を電気信号として検知する検知手段としても機能する。
このようにＰＭＵＴチップ２は、本実施形態においては上部電極２３と下部電極２１との間の電位差すなわち電気信号によって圧電体２２を周期的に伸縮させて振動を生じる電気機械変換素子としての機能を有している。本実施形態においては特に、かかる振動によって超音波領域の音波を発振する超音波トランスデューサーとしての機能を有している。

絶縁層２４は、上部電極２３と下部電極２１との間での短絡および、信号線２９と下部電極２１との間の短絡を防ぐための絶縁膜である。

本発明の第１の実施形態として、かかる圧電素子２０を有するＰＭＵＴチップ２の製造方法の一例を示す。
図８（ａ）に示すように、一般的なシリコン基板１１上に、ＳＯＩのためのＢＯＸ層と言われる酸化膜として、酸化膜１３を５０ｎｍから１０００ｎｍ程度の厚みで形成する。
次にＳＯＩ活性層であるＳｉ層１４を０〜５μｍ形成し、さらに上に絶縁層として機能する酸化膜１５を５０ｎｍから１０００ｎｍ程度形成する。かかる構成は、基板形成ステップである。これらのＳＯＩウェハの製造方法は一般的なものであって良いため、本説明では省略する。

次に、図８（ｂ）に示すように、第１電極である下部電極２１の形成を行う。
このとき、下部電極２１と下地となる酸化膜１５との間には、５０〜２００ｎｍ程度の二酸化チタン（ＴｉＯ_２）層を密着層として形成しても良い。
二酸化チタン（ＴｉＯ_２）層の製法としては例えばスパッタ法によってチタンを３０〜２００ｎｍ成膜した後、酸素雰囲気でＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）によって酸化を行う方法が挙げられる。

下部電極２１は、既に述べたように白金（Ｐｔ）層であって、例えば白金（Ｐｔ）をスパッタ法によって５０〜５００ｎｍ成膜する。かかる構成は、第１電極形成ステップである。
下部電極２１の上部には、図８（ｂ）に示すように、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）膜を所謂ＣＳＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド化合物、チタンアルコキシド化合物を出発材料とした前駆体液をスピンコート後に乾燥、熱分解、結晶化する工程を経て成膜する。
このとき、液体吐出ヘッド１００は、圧電体２２の形成途中である圧電体層３６ａに、ＣＳＤ液滴３８を選択的に塗布する。
液体吐出ヘッド１００は、シリコン基板１１の移動あるいは液体吐出ヘッド１００の移動によって、シリコン基板１１上の任意の位置にＣＳＤ液滴３８を塗布可能なインクジェットヘッドである。
このとき、公知の手法により、圧電体層３６ｂを形成する部分の表面は親水性に、圧電体層３６ｂを形成する部分の外周の表面は撥水性となるように表面処理を行う。
このような表面状態の基板に、ＣＳＤ液滴３８を塗布すると、液体吐出ヘッド１００の微小な位置の誤差によってＣＳＤ液滴３８が着弾する位置に多少のばらつきが生じてしまったときにも、親水性を備える部分のみに選択的にＣＳＤ液滴３８が塗布されるとともに撥水性を備えた部分にはＣＳＤ液滴３８が塗布されない状態となる。
このように所望の位置にＣＳＤ液滴３８を塗布した後、部分的に塗布されたＣＳＤ液滴３８について乾燥・熱分解・結晶化を行う。
１回の塗布によって形成される膜厚を増大すると、クラックが生じやすくなる懸念があるため、本実施形態においては、液体吐出ヘッド１００が塗布するＣＳＤ液滴３８は、結晶化された後の膜厚が１００ｎｍ程度に収まるように調整している。
かかる結晶化が終了した後、再度液体吐出ヘッド１００がＣＳＤ液滴３８を繰り返し塗布し、所望の厚みの圧電体２２が得られるまで繰り返す。かかる工程は、圧電体を形成する圧電体形成ステップである。

なお、本実施形態においては、上記の塗布工程を１０〜４０回繰り返すことで、１μｍ〜４μｍの圧電体２２が形成される。
このとき、ＣＳＤ液滴３８は、その粘度や乾燥速度等を制御可能であって、例えば粘性を高くすることで成膜後の圧電体２２表面の曲率が増大する。
このように、塗布材料として用いるＣＳＤ液滴３８の物性を制御することで、成膜される圧電体２２の中心部の厚みや周縁部の厚みを制御することができる。

さらに、図８（ｃ）に示すように、形成された圧電体２２の＋Ｚ側の面に、厚み５０〜３００ｎｍの白金の上部電極２３をスパッタ法等で成膜する。かかる工程は、第２電極を形成する第２電極形成ステップである。
このとき、上部電極２３は、ドーム状の圧電体２２の上面側に沿うように形成され、上部電極２３の径は、圧電体２２の外径よりも小さいことが望ましく、特にドーム型の圧電体の場合は上部電極２３の径は、圧電体２２の外形よりも小さくすることで、上部電極２３と下部電極２１との短絡を防止できる。
上部電極２３上は、フォトリソ・エッチングによって所定のパターンにパターニングされる。

次いで図８（ｄ）に示すように、上部電極２３の上に絶縁膜として絶縁層２４を形成する。本実施形態では、絶縁層２４は、プラズマＣＶＤ法により、モノシラン（ＳｉＨ_４）、亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）ガスを原料として０．４〜１．０μｍの成膜を行うことで形成したシリコン酸化膜である。
かかる絶縁層２４にフォトリソ・エッチングにてコンタクトホール４１を開口し、Ａｌ−Ｃｕ（１μｍ）／Ｔｉ（５０ｎｍ）の配線材料をスパッタ法によって成膜、フォトリソ・エッチングによるパターニングを経て信号線２９が形成される。
さらに保護層２５として、シリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）を成膜し、配線５と接続される電極端子部分のみ開口する。
本実施形態では、保護層２５は、プラズマＣＶＤ法により、モノシラン（ＳｉＨ_４）、亜酸化窒素アンモニア（ＮＨ_３）ガスを原料として０．５μｍ〜１．５μｍ程度シリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）を成膜した。
電極端子部分の開口はフォトリソ・エッチングにより行った。

図８（ｄ）に示すように、シリコン基板１１の圧電体２２とは反対側、すなわちシリコン基板１１の裏面側に、空隙部３０を形成する。
具体的にはバックグラインドおよびポリッシュによりシリコン基板１１の厚みを２０μｍ〜２００μｍ程度にした後、シリコン基板１１の圧電素子２０が形成された面（＝表面、＋Ｚ側の面）をサポート基板に貼り付ける。
シリコン基板１１の裏面側（−Ｚ側の面）にフォトリソにて所望のパターンのレジストマスクを形成し、シリコン基板１１のエッチングを行う。エッチング加工はシリコン深堀エッチャーを使用し、所謂ボッシュプロセス（ＳＦ_６プラズマによるエッチングとＣ_４Ｆ_８プラズマによる側壁保護膜の形成とを交互に繰り返すプロセス）により容易に行うことができる。
このとき、シリコン基板１１のうちレジストマスクが形成されていない部分はエッチングによって酸化膜１３が露出するまで掘り下げられ、空隙部３０を形成する。かかる工程は、空隙部３０をシリコン基板１１の圧電体２２とは反対側に形成する空隙形成ステップである。
最後に、サポートウェハの剥離、ダイシング等を行ってＰＭＵＴチップ２のウェハ生成プロセスが完了する。

さて、このような製造工程を経て生成されたＰＭＵＴチップ２を超音波探触子１の超音波トランスデューサーとして用いる場合には、音圧の確保と、小型化、薄型化、高周波数化との両立が求められていた。
しかしながら、圧電素子の小型化や高周波数化は、振動部の振幅の低下から一般的には低音圧化を招いてしまうことが分かっている。
しかしながら発明者らの研究により、圧電体２２の大きさと、上部電極２３の大きさ、それに空隙部３０の大きさを適切に制御することにより、高周波数、高解像度かつ適正な音圧と受信感度の確保が可能であることがわかってきた。

この点について更に詳しく説明する。既に示した図７の断面図において、空隙部３０の圧電素子２０とシリコン基板１１とを切った断面を見たときの空隙部３０の幅：Ｃｗとする。
「空隙部３０の幅」は例えば圧電体２２を積層方向であるＺ方向から見たときの空隙部３０の幅であり、圧電体２２の中心軸を含む断面からみたときの空隙部３０の幅であって良く、Ｘ方向、Ｙ方向、あるいはその他の方向であっても良い。なお本実施形態では、空隙部３０は円筒状の空間であるから、空隙部３０の幅：Ｃｗは全周方向において等しいため、図９においては特にＣａｖｉｔｙ径として記載した。
また、圧電体２２は上から見たときには円形状のドーム形状であるから、圧電体２２の径（ＰＺＴ径）を圧電体２２の幅：Ｐｗ、圧電体２２の中心部２２ａにおける厚み：Ｐｔｃ、圧電体２２の周縁部２２ｂにおける厚みを上部電極２３の端部における圧電体２２の厚み：Ｐｔｅとする。このように、「圧電体２２の幅：Ｐｗ」は圧電素子２０の積層された方向からみたときの圧電体２２の幅であって、図７では説明の簡単化のために断面図を用いて記載した。
図９において、超音波トランスデューサーが振動した時のイメージを示した。説明の簡略化のため、上部配線や絶縁膜は省略している。
圧電体２２の上部電極２３と下部電極２１とに電位を高周波でかけることにより、圧電体２２は水平方向に延び縮みして結果として圧電素子２０と振動板１６を垂直方向に振動させる。この振動が超音波として出力される。圧電素子２０はシリコン基板１１が固定されているので変曲点３１を境に圧電素子２０が振動する。
同じエネルギーで振動する場合、変曲点付近は柔らかく、軽い方が変位量が多く、結果として音圧・受信電圧が上がる。このため変曲点３１付近は圧電体２２のような硬く・重たい材料がない方が好ましい。図１０は図９の変曲点付近の拡大図である。空隙部３０の端部と圧電体２２の端部との間に生じる振動方向に対して垂直な方向の距離をスペース３２とすると、スペース３２は図７で用いたＣｗ、Ｐｗを用いて（Ｃｗ−Ｐｗ）／２で表すことができる。
このスペース３２は、圧電素子製造時のパターンのズレも考慮してある程度の距離が求められる。また、圧電体２２の端部と上部電極２３の端部との間に生じる振動方向に対して垂直な方向の距離をスペース３３とすると、スペース３３は（Ｐｗ−Ｕｗ）／２で表すことができる。スペース３３で表された部分は、圧電体２２のみで上部電極２３がないので、圧電特性に効かない。そのため、スペース３３は薄く・狭い方が望ましい。

図１１に示すように、かかる空隙部３０の幅：Ｃｗに対応するＣａｖｉｔｙ径が増大すればするほど、振動板１６の共振によって生じる超音波の周波数は減少する。
具体的には周波数５ＭＨｚ〜２０ＭＨｚの範囲で共振を起こすためにはＣａｖｉｔｙ径は３０μｍ〜１００μｍ程度になる。
本実施形態では、周波数１０ＭＨｚとして、空隙部３０の幅：Ｃｗ＝６０μｍ〜７０μｍの範囲内とした。

次に、圧電体２２の形状について述べる。
本実施形態では圧電体２２は図８（ｂ）の説明で述べたように中心部２２ａが周縁部２２ｂよりも厚いドーム形状である。
圧電体２２が円柱形状であった場合には、圧電体２２の曲がり易さは一様であるが、ドーム形状である場合にはエッジ部分の厚みが薄いため、周縁部２２ｂ側が比較的変位しやすく、ドーム形状の方が結果的に音圧と受信感度とが高く維持できる。
このように圧電体２２の形状と音圧の相対評価を行った図を図１２に示す。なお図１２において縦軸の音圧の値は相対値であって、所定の音圧を１としたときの任意単位である。
また、図１２は超音波トランスデューサーとしてＰＭＵＴチップ２から超音波を発したときに検知された音圧の大きさをグラフ化したものである。

図１２から明らかなように、圧電体２２の中心部２２ａにおける厚み：Ｐｔｃとしたとき、円柱形状とドーム形状とで圧電体２２の厚みが同じであれば、ドーム形状の方が音圧が高く確保できるので、圧電体２２はドーム形状とした方が好ましい。
また、圧電体２２が円柱形状の場合にはその重みによって圧電体２２の中心部２２ａにおける厚み：Ｐｔｃが増大するにつれて音圧が低下するが、ドーム形状であれば圧電体２２の中心部２２ａにおける厚み：Ｐｔｃを増加させたときにも音圧の低下を抑制することができる。

図１３にＰＺＴ径と送信音圧の関係、図１４にＰＺＴ径と受信電圧の関係を示す。

そこで、本実施形態では、Ｃａｖｉｔｙ径である空隙部３０の幅：Ｃｗ、圧電体２２の径（ＰＺＴ径）に相当する圧電体２２の幅：Ｐｗとしたとき、圧電素子２０は、条件式（１）を満足する。

かかる条件式（１）は、空隙部３０の大きさに対する圧電体２２の大きさを規定する式である。かかる条件式（１）の下限よりも小さくなると、空隙部３０に対して圧電体２２が小さくなりすぎてしまうため、振動板１６が十分に振動せず、音圧の低下を招く。
他方、条件式（１）の上限よりも大きくなると、空隙部３０に対して圧電体２２が大きくなりすぎてしまうため、図９、図１０に示すように圧電体２２が重く、硬いため振動板１６が十分に振動せず、音圧の低下を招く。
図１４から明らかなように、受信感度についても同様の理由で圧電体２２の幅と空隙部３０の幅とを条件式（１）の範囲内とすることで音圧相対値０．５以上を確保することができる。また、（１）の範囲内でさらに、０．７≦Ｐｗ／Ｃｗ≦０．９とすることで、より音圧相対値を上げることができるのでさらに好ましい。

また、図７における上部電極２３の幅：Ｕｗとしたとき、圧電素子２０は、条件式（２）を満足する。

かかる条件式（２）は、圧電体２２に対する上部電極２３の大きさを規定する式である。図１５にかかる条件式（２）と音圧相対値との関係を図示する。
図１５から明らかなように、Ｕｗは大きくなればなるほど（ＵｗがＰｗに対して大きくなるほど）圧電効果が増大して音圧としては改善される。
しかしながら、上部電極と受信電圧とは図１６で示すように、ＵｗがＰｗに対して大きくなる程、受信電圧は小さくなる。また上部電極２３の幅と圧電素子容量との関係を図１７に示す。図１７に示すとおり、上部電極２３が大きくなると、上下電極に挟まる圧電体２２の圧電素子容量が増加する。
このような圧電素子容量が大きくなると、回路上に意図しないＣ成分が乗るために高周波数帯における応答性の低下や電圧低下を生じてしまう。
本実施形態においては特に、ＰＭＵＴチップ２には圧電素子２０が複数並べられており、それぞれが上部電極２３と下部電極２１とを有し、下部電極２１はアレイ方向において共有されている。すなわち、かかる圧電素子容量が並列の合成容量となってしまうために、信号の遅延や電圧低下による影響が大きく、圧電素子２０の１つあたりの圧電素子容量を出来るかぎり小さくすることが好ましい。
従って、図１５、１６、１７の結果と合わせて最適な値を設計することが重要である。
そこで、本実施形態では、圧電素子２０が条件式（２）を満足することで、圧電素子容量を低減し、圧電体２２の幅：Ｐｗと上部電極２３の幅：Ｕｗとを条件式（２）の範囲内とすることで音圧相対値０．５以上を確保しながらも、受信電圧を確保しながら、圧電素子容量を低減して、高周波数に対する応答性の低下を抑制ことができる。
さらに、条件式（２）の範囲内で、０．７≦Ｕｗ／Ｐｗ≦０．８とすることで応答正と音圧を両立することができるので、さらに好ましい。

また、上部電極２３の端部における圧電体２２の厚み：Ｐｔｅ、圧電体２２の中心部２２ａにおける厚み：Ｐｔｃとしたとき、圧電素子２０は条件式（３）を満足する。

一般的に、ドーム型の圧電体形状は、Ｙ＝−ａｘ^２＋ｂのような数式に近似される（例えば特許文献６等参照）。図１８には、圧電体２２の膜厚と破壊耐圧の関係を示す。
かかる上部電極２３の端部における圧電体２２の厚み：Ｐｔｅは、周縁部２２ｂの厚みのうち代表的な値であって、かかるＰｔｅが薄いと上部電極２３と下部電極２１との間で絶縁破壊され、Ｐｔｅ＝０では短絡されてしまう。逆にＰｔｅが厚いと、ドーム形状ではＰｔｃに近くなり、上部電極２３の幅：Ｕｗが小さくなるので、条件式（２）を満たさなくなる。
また図１９に圧電体２２の厚みと圧電素子容量との関係を示す。図１９から明らかなように、圧電体２２の膜厚を厚くすることで、圧電素子容量を低減することが可能である。
そこで、条件式（３）を満足することで、上部電極２３と下部電極２１との間の破壊耐圧を確保し、音圧や受信電圧を向上させ、圧電素子容量を最適化できる。また、本実施形態では、既に述べたように上部電極２３の幅：Ｕｗと圧電体２２の幅：Ｐｗとは条件式（２）の範囲で規制されている。そこで、本実施形態では、条件式（３）に加えて、上部電極２３の端部における圧電体２２の厚み：Ｐｔｅ≦３μｍの範囲内であることがより好ましい。
さらに、Ｐｔｅの範囲を（３）の範囲内で、１μｍ≦Ｐｔｅ≦２μｍとすることで、絶縁破壊に対する耐久性とドーム形状による音圧の向上を両立することができるのでさらに好ましい。

本実施形態では、圧電体２２の中心部２２ａにおける厚み：Ｐｔｃとしたとき、条件式（４）を満足する。

かかる条件式（４）の上限よりも大きくなると、圧電体２２の膜厚が大きくなりすぎてしまうために、クラックなどが生じやすくなる。
また、条件式（４）の下限よりも小さくなると、既に述べたように圧電素子容量の増大を招き、絶縁耐圧も低下するため好ましくない。
さらに、Ｐｔｃの範囲を（４）の範囲内で１．５μｍ≦Ｐｔｃ≦３μｍの範囲とすることで、クラックの抑制による耐久性とドーム形状による音圧の向上とを両立できるため、さらに好ましい。

以上、本実施形態における圧電素子２０の代表的な部分のサイズの最適化について述べたが、かかるサイズは、実施形態の一例として挙げたものであって、かかる大きさに限定されるものではない。

例えば、圧電体２２は本実施形態では中心を軸として軸対称なドーム形状であって、何れの位置においても条件式（１）を満足するが、図２０（ａ）に示すように圧電体２２を＋Ｚ方向側から見たときに楕円となるようなドーム形状である場合には、例えばＡ−Ａ'方向断面とＡ方向と直交するＢ−Ｂ’方向断面との両方において条件式（１）を満足するように形成しても良い。また図２１のように圧電体２２だけでなく空隙部３０も同様に楕円形状であっても構わない。
かかる圧電体２２の断面図の一例を、図２０（ｂ）、図２０（ｃ）に示した。

また、本発明の第２の実施例として、圧電素子２０に備えられた圧電体２２’の形状をドーム形状から円柱形状に変更した場合の構成について説明する。
図２２に示すように、本実施形態では、圧電体２２’が中心部と周縁部とで厚みに差がない円柱状に形成されている。なお第１の実施例として述べたものと同一の構成については同一の符号を付して説明は適宜省略する。また、絶縁層２４、保護層２５、信号線２９等の円柱形状にしたことによって大きな違いの出ない部分についても説明を省略した。

このような圧電体２２’についても、圧電素子２０の中心を含む平面で圧電素子２０とシリコン基板１１とを切った断面を見たときの空隙部３０の幅：Ｃｗ、圧電体２２’の幅：Ｐｗは、それぞれ図２３にその断面を示すように定義される。
具体的には円柱形状の圧電体２２’を＋Ｚ方向から見たときの径が圧電体２２’の幅：Ｐｗであり、同様に空隙部３０の径が空隙部３０の幅：Ｃｗである。
また、圧電体２２’の＋Ｚ方向への高さが圧電体２２’の厚み：Ｐｔであり、当然の事であるが本実施例では特にＰｔ＝Ｐｔｅ＝Ｐｔｃである。

また、上部電極２３’もまた、同様に圧電体２２’の上部に成膜された円柱形状の白金（Ｐｔ）電極である。
このとき圧電素子２０の断面における上部電極２３’の幅：Ｕｗとしたとき、図２３に示すように上部電極２３’の幅：Ｕｗが定義される。

さて、このような第２の実施例においても、ＰＭＵＴチップ２は、圧電素子２０の断面における上部電極の幅：Ｕｗとしたとき、条件式（１）、条件式（２）を満足する。
かかる構成とすることで、図２２、図２３に示したような実施形態においても、高周波数、高解像度かつ適正な音圧と受信感度の確保ができる。

かかる構成の円柱形状の圧電体２２’を形成する場合には、インクジェット方式によらず、スパッタリングやＣＶＤ、ゾルゲル液をスピンコートした上で１〜４μｍの圧電体２２’を成膜し、フォトリソ・エッチングを用いてパターニングすることで製造することができる。

上述の第１、第２の実施形態においては、空隙部３０は図８（ｅ）に例として示したように、圧電素子２０をシリコン基板１１上に形成した後で、裏面側から形成することとしたが、図２４に示すように、シリコン基板１１にＳＯＩを構成する工程において予め基板表面からシリコンを１〜５μｍ程度エッチングする製造方法や、所謂犠牲層エッチングと呼ばれるように、空隙部３０の壁面を構成する部分の一部に開口部となる穴３４を開け、シリコン基板１１を穴３４からドライエッチングする製造方法をとることとしても良い。
また、空隙部３０の形状についても、円筒形状の他、圧電素子２０の形状に合わせて様々な変形例をとっても良い。

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明は、上述の各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上述の実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに異なる実施形態や変形例を適宜に組み合わせてもよい。

１ 超音波探触子
２ 超音波トランスデューサー、電気機械変換素子（ＰＭＵＴチップ）
３ 支持部
８ 音響レンズ
９ 測定対象物
１０ 超音波診断装置
１１ 基板部（シリコン基板）
２０ 圧電素子
２１ 第１電極（下部電極）
２２ 圧電体
２２ａ 圧電体の中心部
２２ｂ 圧電体の周縁部
２３ 第２電極（上部電極）
３０ 空隙部
３１ 変曲点
３２ 空隙部と圧電体端部とのスペース（Ｃｗ−Ｐｗ）／２
３３ 圧電体と上部電極とのスペース（Ｐｗ−Ｕｗ）／２
６１ 表示部
６２ 操作部
６３ 制御部
Ｃｗ 空隙部の幅
Ｐｗ 圧電体の幅
Ｕｗ 上部電極の幅
Ｐｔｅ 周縁部における圧電体の厚み
Ｐｔｃ 中心部における圧電体の厚み

特開２０１９−０７１３６１号公報 特許第６５８６７０５号公報 特許第５３４５９１７号公報 特許第５４９９４７９号公報 特許第５９７４４８６号公報 特許第６１８２９６８号公報

Claims (11)

1. 順次積層された、基板と、第１の電極と、圧電体と、第２の電極と、
   前記第１電極を挟んで前記圧電体と反対側の前記基板に形成された空隙部と、
   を備え、
   前記順次積層される方向からみた前記空隙部の幅：Ｃｗと前記圧電体の幅：Ｐｗとが、条件式（１）：０．６５≦Ｐｗ／Ｃｗ≦０．９５を満足することを特徴とする、電気機械変換素子。
2. 請求項１に記載の電気機械変換素子であって、
   前記積層方向からみた前記第２電極の幅：Ｕｗとしたとき、
   条件式（２）：０．６≦Ｕｗ／Ｐｗ≦０．９
   を満足することを特徴とする電気機械変換素子。
3. 請求項１または２に記載の電気機械変換素子であって、
   前記圧電体は、前記積層された方向について中心部が周縁部よりも厚いことを特徴とする電気機械変換素子。
4. 請求項３に記載の電気機械変換素子であって、
   前記第２電極の端部における前記圧電体の厚み：Ｐｔｅとし、
   前記圧電体の前記中心部における厚み：Ｐｔｃとしたとき、
   条件式（３）：０．２≦Ｐｔｅ／Ｐｔｃ≦１．０
   を満足することを特徴とする電気機械変換素子。
5. 請求項３または４に記載の電気機械変換素子であって、
   前記圧電体の前記中心部における厚み：Ｐｔｃが、
   条件式（４）：１μｍ≦Ｐｔｃ≦４μｍ
   を満足することを特徴とする電気機械変換素子。
6. 請求項１乃至５の何れか１つに記載の電気機械変換素子であって、
   前記圧電体および前記空隙部の前記積層方向から見た形状は、前記積層方向に平行で前記圧電体の中心を通る中心軸に対して軸対称であることを特徴とする電気変換素子。
7. 請求項１乃至６の何れか１つに記載の電気機械変換素子であって、
   前記圧電体および前記空隙部が複数アレイ状に配置されることを特徴とする電気機械変換素子。
8. 請求項１乃至７の何れか１つに記載の電気機械変換素子を用いる、超音波トランスデューサー。
9. 請求項８に記載の超音波トランスデューサーと、音響レンズと、前記超音波トランスデューサーと前記音響レンズとを支持する支持部と、を有し、
   前記電気機械変換素子に電圧を印加して前記空隙部の底面を振動させることで超音波を測定対象物に向けて発振するとともに、前記測定対象物に反射した前記超音波の振動を検知することを特徴とする超音波探触子。
10. 請求項９に記載の超音波探触子と、
    前記測定対象物の形状を表示するための表示部と、を有する超音波診断装置。
11. 順次積層された、基板と、第１の電極と、圧電体と、第２の電極と、
    前記第１電極を挟んで前記圧電体と反対側の前記基板に形成された空隙部と、
    を備える電気機械変換素子の製造方法であって、
    前記基板に第１電極を形成する第１電極形成ステップと、
    前記第１電極の上にインクジェット方式によって前記圧電体を塗布する圧電体形成ステップと、
    前記圧電体の上面の一部に第２電極を形成する第２電極形成ステップと、
    前記基板に空隙部を形成する空隙形成ステップと、
    を有し、
    前記積層方向からみた前記空隙部の幅：Ｃｗと前記圧電体の幅：Ｐｗとが、条件式（１）：０．６５≦Ｐｗ／Ｃｗ≦０．９５を満足する
    ことを特徴とする電気機械変換素子の製造方法。

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