JP6613628B2 - 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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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は装置本体12と超音波プローブ(プローブ)13とを備える。装置本体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。装置本体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。装置本体12には送信回路および受信回路が組み込まれる。送信回路は超音波プローブ13に向けて駆動信号を送信する。受信回路は超音波プローブ13から検出信号を受信する。
図3は一実施形態に係る超音波デバイスユニット26の構成を概念的に示す。超音波デバイスユニット26は素子アレイ(圧電デバイス群)31を備える。素子アレイ31はアレイ配置の超音波トランスデューサー32を含む。図3では超音波トランスデューサー32は四角いマスごとに表現される。ここでは、素子アレイ31にN行L列の超音波トランスデューサー32が配列される。すなわち、第1方向(以下「スライス方向」という)FRにN行の超音波トランスデューサー列が並べられ、スライス方向に90度で交差する第2方向(以下「スキャン方向」という)SRにL列の超音波トランスデューサー列が並べられる。後述されるように、1つの超音波トランスデューサー32は送信ユニットおよび受信ユニットを含む。送信ユニットは電気信号の供給に応じて決められた周波数の超音波を発信する。受信ユニットは決められた周波数の超音波を受信して電気信号に変換する。
次に超音波診断装置11の動作を簡単に説明する。装置本体12から超音波プローブ13に駆動信号が送信されると、送信ユニット34では第1圧電デバイス36にパルス信号が供給される。パルス信号は第1信号電極線45および第1共通電極線46を通じて圧電素子38に供給される。個々の第1圧電デバイス36では上電極39および下電極41の間で圧電体膜42に電界が作用する。圧電体膜42は超音波の周波数で振動する。圧電体膜42の振動は振動膜37に伝わる。こうして振動膜37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。
本発明者は圧電体膜51のひずみを算出した。図7に示されるように、算出にあたって第2圧電デバイス47のシミュレーションモデルSMが構築された。振動膜48および圧電体膜51の輪郭は正方形に設定された。
本発明者は第3電極の第1幅W1の影響を検証した。第2圧電デバイス47のシミュレーションモデルSMで受信感度および静電容量が算出された。算出にあたって第3電極54の第1幅W1を変化させた。第1電極52と第3電極54との間隔(=第2幅W2)、および、第2電極53と第3電極54との間隔(=第2幅W2)は5[μm]に固定された。その結果、図9に示されるように、第3電極54の第1幅W1が縮小されると、受信感度は高まることが確認された。第1幅W1が縮小されても、静電容量は維持されることが確認された。キャパシターにおいて電荷をQ、静電容量をC、電圧をVとするときQ=C・Vの関係が成り立つ。静電容量Cが一定の場合に電圧Vが増大するためには電荷Q自身の増大が必要である。電荷Qは音圧による圧電ひずみに原因がある。したがって、受信感度が高まる理由は、第1幅W1が小さくなると第3電極54が作る拘束力が減少して、音圧による圧電体膜51のひずみが大きくなるからである。
本発明者は第1電極52および第2電極53と第3電極54との間隔(=第2幅W2)の影響を検証した。第2圧電デバイス47のシミュレーションモデルSMで受信感度および静電容量が算出された。算出にあたって、第1電極52と第3電極54との間隔(=第2幅W2)、および、第2電極53と第3電極54との間隔(=第2幅W2)を変化させた。第3電極54の第1幅W1は5[μm]に固定された。その結果、図10に示されるように、第1電極52と第3電極54との間隔(=第2幅W2)、および、第2電極53と第3電極54との間隔(=第2幅W2)が増大すると、受信感度は高まることが確認された。この理由は、第2幅W2が増大すると、静電容量Cが減少することで受信電圧Vが上昇するためである。Q=C・Vなので、電極間距離dが増大して静電容量Cが減少すると、電荷Qが一定の場合には電圧Vが増大することになる。こうして第1電極52および第2電極53は第1幅W1以上の第2幅W2で圧電体膜51の短辺に平行に第3電極54から離れていることから、静電容量Cを低下させることで受信感度は高められることができる。
本発明者は第2圧電デバイス47の優位性を検証した。図11に示されるように、検証にあたって(a)比較例のシミュレーションモデルSM1、(b)第2圧電デバイス47のシミュレーションモデルSM2および(3)他の実施形態に係るシミュレーションモデルSM3が構築された。シミュレーションモデルSM1では第2圧電デバイス47から第3電極54が省略された。圧電体膜51の表面で第1電極52の端部53aに第2電極53の端部53aが向き合わせられた。シミュレーションモデルSM3では対角線Diに沿って帯形状の第3電極54が配置された。第1電極52は圧電体膜51上の輪郭線71全長で第3電極54に向き合わせられ、第2電極53は同様に圧電体膜51上の輪郭線72全長で第3電極54に向き合わせられた。電極同士の間隔W2はいずれも5[μm]に設定された。これらのシミュレーションモデルSM1、SM2、SM3で受信感度および静電容量が算出された。シミュレーションモデルSM1、SM2、SM3は、以下のディメンジョンに基づいて計算される。振動膜からなる輪郭の短辺の長さは40μm、圧電体膜51の短辺の長さは32μmである。また振動膜は下方から順にSiO2(1000nm)、ZrO2(400nm)、PZT(1350nm)である。また第1、第2および第3電極52、53、54の膜厚は50nmである。シミュレーションで用いるPZTの圧電テンソルおよびスティッフネス・テンソルはPZT−5Hのデータセットを採用した。そのときのテンソルの主軸は、基準線BLに直交する方向(初期化電界がかかる方向)に設定した。SiO2、ZrO2のヤング率は、それぞれ75GPa、190GPaである。また第1、第2および第3電極52、53、54のヤング率は200GPaである。シミュレーションは、圧電効果を取り入れた有限要素法を用いて行われる。
図15は第2実施形態に係る超音波デバイスユニット26aの構造を概略的に示す。超音波デバイスユニット26aでは受信ユニット35で第2圧電デバイス47はスライス方向に並べられる。第2信号電極線(導電体)56aは複数の第2圧電デバイス47に共通に第3電極54を形成する。第3電極54は対応する圧電体膜51の表面を横切る。第2共通電極線57aはスライス方向に並ぶ複数の第2圧電デバイス47に共通に第1電極52を形成する。同様に、第2共通電極線57aはスライス方向に並ぶ複数の第2圧電デバイス47に共通に第2電極53を形成する。その他の構造は前述の第1実施形態の超音波デバイスユニット26と同様である。
Claims (15)
- 振動膜と、
前記振動膜上に設けられ、前記振動膜に接する第1面および当該第1面とは反対側の第2面を有する圧電体膜と、
前記圧電体膜の前記第2面に設けられ、相互に離れた位置に配置されて前記圧電体膜から離れた位置で相互に短絡する第1電極および第2電極と、
前記圧電体膜の前記第2面で前記第1電極および前記第2電極の間に設けられ、前記第1電極および前記第2電極から離れた位置に配置される第3電極と、を備え、
前記第1電極および前記第2電極の端部の輪郭は少なくとも部分的に第3電極の側部に平行に規定され、
前記振動膜は平面視で矩形の輪郭を有し、前記第1電極および前記第2電極は短辺に沿った方向に前記第3電極から離れており、
前記振動膜の長辺に平行な基準線に関して線対称に形成され、
前記第3電極は、前記圧電体膜の短辺に平行に第1幅を有し、前記第1電極および前記第2電極は前記第1幅以上の第2幅で前記圧電体膜の短辺に平行に前記第3電極から離れていることを特徴とする圧電デバイス。 - 振動膜と、
前記振動膜上に設けられ、前記振動膜に接する第1面および当該第1面とは反対側の第2面を有する圧電体膜と、
前記圧電体膜の前記第2面に設けられ、相互に離れた位置に配置されて前記圧電体膜から離れた位置で相互に短絡する第1電極および第2電極と、
前記圧電体膜の前記第2面で前記第1電極および前記第2電極の間に設けられ、前記第1電極および前記第2電極から離れた位置に配置される第3電極と、を備え、
前記第1電極および前記第2電極の端部の輪郭は少なくとも部分的に第3電極の側部に平行に規定され、
前記第1電極と前記第3電極との間、および、前記第2電極と前記第3電極との間には前記第2面に溝が形成されることを特徴とする圧電デバイス。 - 振動膜と、
前記振動膜上に設けられ、前記振動膜に接する第1面および当該第1面とは反対側の第2面を有する圧電体膜と、
前記圧電体膜の前記第2面に設けられ、相互に離れた位置に配置されて前記圧電体膜から離れた位置で相互に短絡する第1電極および第2電極と、
前記圧電体膜の前記第2面で前記第1電極および前記第2電極の間に設けられ、前記第1電極および前記第2電極から離れた位置に配置される第3電極と、を備え、
前記第1電極および前記第2電極の端部の輪郭は少なくとも部分的に第3電極の側部に平行に規定され、
平面視で前記第1電極および前記第2電極と前記第3電極との間で前記振動膜上には導電体以外が配置されることを特徴とする圧電デバイス。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の圧電デバイスにおいて、前記第1電極および前記第2電極と前記第3電極との間には、最大値を示すひずみの方向に沿って分極処理の電圧経路を形成する位置関係が形成されることを特徴とする圧電デバイス。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の圧電デバイスにおいて、前記第3電極は平面視で前記振動膜の図心上を通過する帯形状に形成されることを特徴とする圧電デバイス。
- 請求項5に記載の圧電デバイスにおいて、前記圧電体膜は前記振動膜の図心を含む領域で面内方向にひずみが生じることを特徴とする圧電デバイス。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の圧電デバイスにおいて、前記圧電体膜は平面視で前記振動膜の輪郭線よりも内側に位置することを特徴とする圧電デバイス。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の圧電デバイスにおいて、前記圧電体膜の図心は前記振動膜の図心に重なることを特徴とする圧電デバイス。
- 請求項1〜8のいずれか1項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9に記載のプローブにおいて、スライス方向に配置される前記圧電デバイスに共通に前記第3電極を形成する導電体を備えることを特徴とするプローブ。
- 請求項9または10に記載のプローブにおいて、スキャン方向に配置される前記圧電デバイスに共通に前記第1電極を形成する導電体と、スキャン方向に配置される前記圧電デバイスに共通に前記第2電極を形成する導電体と、を備えることを特徴とするプローブ。
- 請求項1〜11のいずれか1項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12に記載の超音波画像装置において、スライス方向に配置される前記圧電デバイスに共通に前記第3電極を形成する導電体を備えることを特徴とする超音波画像装置。
- 請求項12または13に記載の超音波画像装置において、スキャン方向に配置される前記圧電デバイスに共通に前記第1電極を形成する導電体と、スキャン方向に配置される前記圧電デバイスに共通に前記第2電極を形成する導電体と、を備えることを特徴とする超音波画像装置。
- 請求項1〜8のいずれか1項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。
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