特開 2017-11144 高周波超音波圧電素子、その製造方法、及びそれを含む高周波超音波プローブ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2017-11144(P2017-11144A)

(43)【公開日】2017年1月12日

(54)【発明の名称】高周波超音波圧電素子、その製造方法、及びそれを含む高周波超音波プローブ

(51)【国際特許分類】

   H01L 41/318 20130101AFI20161216BHJP

   H01L 41/29 20130101ALI20161216BHJP

   H01L 41/43 20130101ALI20161216BHJP

   H01L 41/09 20060101ALI20161216BHJP

   H01L 41/047 20060101ALI20161216BHJP

   H04R 31/00 20060101ALI20161216BHJP

   H04R 17/00 20060101ALI20161216BHJP

   A61B 8/14 20060101ALN20161216BHJP

【ＦＩ】

   H01L41/318

   H01L41/29

   H01L41/43

   H01L41/09

   H01L41/047

   H04R31/00 330

   H04R17/00 330H

   H04R17/00 332B

   H04R17/00 330A

   A61B8/14

【審査請求】有

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2015-126268(P2015-126268)

(22)【出願日】2015年6月24日

(71)【出願人】

【識別番号】504159235

【氏名又は名称】国立大学法人 熊本大学

(71)【出願人】

【識別番号】504132272

【氏名又は名称】国立大学法人京都大学

(71)【出願人】

【識別番号】515088865

【氏名又は名称】株式会社産学連携研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100121728

【弁理士】

【氏名又は名称】井関 勝守

(74)【代理人】

【識別番号】100165803

【弁理士】

【氏名又は名称】金子 修平

(72)【発明者】

【氏名】小林 牧子

(72)【発明者】

【氏名】田邉 将之

(72)【発明者】

【氏名】椎名 毅

(72)【発明者】

【氏名】隅田 剣生

(72)【発明者】

【氏名】河口 範夫

【テーマコード（参考）】

4C601

5D019

【Ｆターム（参考）】

4C601EE12

4C601EE14

4C601GB02

4C601GB03

4C601GB41

4C601GB47

5D019AA07

5D019AA26

5D019BB02

5D019BB12

5D019BB19

5D019BB25

5D019BB26

5D019BB30

5D019FF04

5D019HH01

5D019HH02

(57)【要約】      （修正有）

【課題】高精細な超音波画像を得ることを可能にする高周波数で送受可能な圧電素子と、その製造方法を提供する。
【解決手段】下部電極１１を準備し、下部電極１１の上に、ゾルゲル溶液と圧電粉末とを含む複合体をスプレー法により塗布する。その後、塗布された複合体を焼結して圧電膜１２を形成する。圧電膜１２の上にマスク層１３を配設し、マスク層１３に圧電膜１２を露出する複数の開口部１４を形成する。次に、圧電膜１２及びマスク層１３の上に上部電極１５を形成し、その後、マスク層１３を除去することにより、開口部１４内の圧電膜１２の上にのみ上部電極１５を残存させる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

下部電極を準備するステップと、
前記下部電極の上に、ゾルゲル溶液と圧電粉末とを含む複合体をスプレー法により塗布し、前記塗布された複合体を焼結して圧電膜を形成するステップと、
前記圧電膜の上に上部電極を形成するステップとを備えていることを特徴とする高周波超音波圧電素子の製造方法。

【請求項2】

前記上部電極を形成するステップにおいて、前記圧電膜の上に、アレイ状に配置され且つ前記圧電膜を露出する複数の開口部を有するマスクを配設し、前記圧電膜及びマスクを覆うように上部電極を形成した後に、前記マスクを除去することを特徴とする請求項１に記載の高周波超音波圧電素子の製造方法。

【請求項3】

前記下部電極を準備するステップにおいて、板状であり且つその表面に長さ方向に延びる凹部を有する下部電極を準備し、
前記圧電膜を形成するステップにおいて、前記凹部の底面に前記圧電膜を形成し、
前記上部電極を形成するステップにおいて、前記圧電膜の上に、前記凹部が延びる方向に沿って整列するように配置された複数の上部電極を形成することを特徴とする請求項２に記載の高周波超音波圧電素子の製造方法。

【請求項4】

前記圧電膜を形成するステップにおいて、前記下部電極の上に、アレイ状に配置され且つ前記下部電極を露出する複数の開口部を有するマスクを配設した後に、スプレー法により前記下部電極の上に前記複合体を塗布し、前記複合体を焼結してアレイ状に配置された複数の圧電膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の高周波超音波圧電素子の製造方法。

【請求項5】

前記下部電極を準備するステップにおいて、板状であり且つその表面に長さ方向に延びる凹部を有する下部電極を準備し、
前記圧電膜を形成するステップにおいて、前記下部電極の前記凹部の底面に、該凹部が延びる方向に沿って整列するように配置された複数の圧電膜を形成することを特徴とする請求項４に記載の高周波超音波圧電素子の製造方法。

【請求項6】

前記下部電極を準備するステップにおいて、ロッド状であってその端面に凹部を有する下部電極を準備し、
前記圧電膜を形成するステップにおいて、前記下部電極の前記凹部の底面に圧電膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の高周波超音波圧電素子の製造方法。

【請求項7】

前記圧電粉末としてＰＺＴからなる圧電粉末を用いることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の高周波超音波圧電素子の製造方法。

【請求項8】

請求項１に記載の高周波超音波圧電素子の製造方法によって製造された超音波圧電素子であって、
下部電極と、
前記下部電極の上にゾルゲル溶液と圧電粉末とを含む複合体がスプレー法により塗布された後に焼結されて形成された圧電膜と、
前記圧電膜の上に形成された上部電極とを備えていることを特徴とする超音波圧電素子。

【請求項9】

前記上部電極は、前記圧電膜の上にアレイ状に複数形成されていることを特徴とする請求項８に記載の超音波圧電素子。

【請求項10】

前記下部電極は、板状であり且つその表面に長さ方向に延びる凹部を有しており、
前記圧電膜は、前記凹部の底面上に形成され、
複数の前記上部電極は、前記圧電膜の上に、該凹部が延びる方向に沿って整列するように配置されていることを特徴とする請求項９に記載の超音波圧電素子。

【請求項11】

前記圧電膜は、前記下部電極の上にアレイ状に複数形成されていることを特徴とする請求項８に記載の超音波圧電素子。

【請求項12】

前記下部電極は、板状であり且つその表面に長さ方向に延びる凹部を有しており、
複数の前記圧電膜は、前記下部電極の前記凹部の底面に、該凹部が延びる方向に沿って整列するように配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の超音波圧電素子。

【請求項13】

前記下部電極は、ロッド状であり且つその端面に凹部を有し、
前記圧電膜は、前記凹部の底面に形成されていることを特徴とする請求項８に記載の超音波圧電素子。

【請求項14】

前記圧電粉末は、ＰＺＴからなることを特徴とする請求項８〜１３のいずれか１項に記載の高周波超音波圧電素子。

【請求項15】

請求項８〜１４のいずれか１項に記載の高周波超音波圧電素子を備えていることを特徴とする高周波超音波プローブ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高周波超音波圧電素子、その製造方法、及びそれを含む高周波超音波プローブに関し、特に、スプレー法を用いて形成された圧電膜を含む高周波超音波圧電素子、その製造方法、及びそれを含む高周波超音波プローブに関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、超音波プローブ等を用いて、生体内部等に超音波を照射し、その生体内部からの反射波を得て、得られた反射波に信号処理を施して可視化し、生体の性状を診断することが行われている。超音波の送受信には、圧電素子が用いられ、圧電素子の材料としては、一般に、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３：ＰＺＴ）等のペロブスカイト結晶構造を有する酸化系圧電材料が用いられる。圧電素子は、一般に、ＰＺＴ等からなる粉末を立方体等の所定の形状に成形し、その成形体を焼結してセラミック焼結体を得た後、その焼結体を圧電膜として切削や研磨等により所望の形状に加工し、該圧電膜に電極を取り付けることによって製造される（例えば特許文献１等を参照）。

【0003】

近年、より高精細な超音波画像を取得できるようにすることが求められており、高精細な超音波画像を得るためには、より高い周波数で超音波を送受可能な圧電素子が必要となる。圧電素子の材料として同一の材料を用いた場合、圧電膜の厚みを薄くするに従って高い周波数で超音波を送受可能となる。具体的に、圧電素子の駆動周波数と圧電素子の厚さとは反比例関係にあり、１００μｍの圧電膜を有する圧電素子が、例えば２０ＭＨｚで駆動する場合、これと同一材料からなる圧電素子における圧電膜を５分の１の厚さである２０μｍとすれば、通常、その駆動周波数は５倍である１００ＭＨｚとなる。このような１００ＭＨｚの高周波で駆動する圧電素子を用いると、得られる超音波画像の照射方向空間分解能は、駆動周波数が２０ＭＨｚの場合と比較して５倍となる。従って、より高精細な超音波画像の取得を可能とする圧電素子を得るためには、より膜厚が小さい圧電膜を形成する必要がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平７−４５１２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上述のようにＰＺＴからなる焼結体を切削や研磨等の機械的加工により薄膜化することは効率的でなく、また、得られる薄膜の薄さにも限界がある。さらに、数十μｍ〜数百μｍの薄さのＰＺＴからなる焼結体に機械的加工を施すと割れ等が生じるおそれもある。

【0006】

本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、より薄い圧電膜を簡便な方法によって形成できるようにし、得られた圧電膜を用いて高精細な超音波画像の送受が可能な高周波超音波圧電素子を得ることにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

前記の目的を達成するために、本発明では、ゾルゲル溶液と圧電粉末との複合体をスプレー法により電極に塗布することによって圧電膜を形成して、高周波超音波圧電素子を製造した。

【0008】

具体的に、本発明に係る高周波超音波圧電素子の製造方法は、下部電極を準備するステップと、下部電極の上に、ゾルゲル溶液と圧電粉末とを含む複合体をスプレー法により塗布し、塗布された複合体を焼結して圧電膜を形成するステップと、圧電膜の上に上部電極を形成するステップとを備えていることを特徴とする。

【0009】

本発明に係る高周波超音波圧電素子の製造方法によると、下部電極の上に、ゾルゲル溶液と圧電粉末とを含む複合体をスプレー法により塗布するため、スプレーからの当該複合体の吐出量や吐出時間等を適宜調節することで、所望の膜厚の圧電膜を所望の領域に簡便に形成することができ、数μｍの極めて薄い圧電膜を形成することも可能となる。

【0010】

本発明に係る高周波超音波圧電素子の製造方法では、上部電極を形成するステップにおいて、圧電膜の上に、アレイ状に配置され且つ圧電膜を露出する複数の開口部を有するマスクを配設し、圧電膜及びマスクを覆うように上部電極を形成した後に、マスクを除去してもよい。

【0011】

このようにすると、圧電膜の上に上部電極がアレイ状に形成されるため、得られた圧電素子を、複数の上部電極の直下に位置する圧電膜の各領域が互いに特定の時間差で超音波を発信するように制御されて、電子的な走査により生体内部の断面画像を取得可能な所謂フェーズドアレイ型の超音波プローブに適用することができる。

【0012】

この場合、下部電極を準備するステップにおいて、板状であり且つその表面に長さ方向に延びる凹部を有する下部電極を準備し、圧電膜を形成するステップにおいて、凹部の底面に圧電膜を形成し、上部電極を形成するステップにおいて、圧電膜の上に、凹部が延びる方向に沿って整列するように配置された複数の上部電極を形成してもよい。

【0013】

このようにすると、複数の上部電極が、下部電極の凹部内に、該凹部が延びる方向（下部電極の長さ方向）に沿って整列するため、それらの上部電極の直下に位置する圧電膜の各領域から発信される超音波が、凹部が延びる方向と垂直な方向（下部電極の幅方向）に広がることを抑制して収束することができる。このため、この圧電素子を超音波プローブに適用する場合、音響レンズを設ける必要がなく、部品点数及び製造コストを低減することができる。

【0014】

本発明に係る高周波超音波圧電素子の製造方法では、圧電膜を形成するステップにおいて、下部電極の上に、アレイ状に配置され且つ下部電極を露出する複数の開口部を有するマスクを配設した後に、スプレー法により下部電極の上に複合体を塗布し、複合体を焼結してアレイ状に配置された複数の圧電膜を形成してもよい。

【0015】

このようにすると、下部電極の上にアレイ状に配置された複数の薄い圧電膜を簡便に形成することができる。また、複数の薄い圧電膜をアレイ状に形成できるため、得られた圧電素子を、複数の圧電膜が互いに特定の時間差で超音波を発信するように制御されて電子的な走査により生体内部の断面画像を取得可能な所謂フェーズドアレイ型の超音波プローブに適用することができる。

【0016】

この場合、下部電極を準備するステップにおいて、板状であり且つその表面に長さ方向に延びる凹部を有する下部電極を準備し、圧電膜を形成するステップにおいて、下部電極の凹部の底面に、該凹部が延びる方向に沿って整列するように配置された複数の圧電膜を形成してもよい。

【0017】

このようにすると、複数の圧電膜が、下部電極の凹部の底面に、該凹部が延びる方向（下部電極の長さ方向）に沿って整列するため、圧電膜から発信される超音波を凹部が延びる方向と垂直な方向（下部電極の幅方向）に広がることを抑制して収束することができる。このため、この圧電素子を超音波プローブに適用する場合、音響レンズを設ける必要がなく、部品点数及び製造コストを低減することができる。

【0018】

本発明に係る高周波超音波圧電素子の製造方法では、下部電極を準備するステップにおいて、ロッド状であってその端面に凹部を有する下部電極を準備し、圧電膜を形成するステップにおいて、下部電極の凹部の底面に圧電膜を形成してもよい。

【0019】

このようにすると、圧電膜を、ロッド状の下部電極の端面における凹部の底面に形成するため、圧電膜から発信される超音波が、ロッド状の下部電極の軸方向から外側に広がることを抑制して収束することができる。このため、上記の場合と同様に、この圧電素子を超音波プローブに適用する場合、音響レンズを設ける必要がなく、部品点数及び製造コストを低減することができる。また、ロッド状の下部電極の端面に例えば単一の圧電膜を設けることで、上記フェーズドアレイ型ではなく、機械的な走査により生体内部の断面画像を取得可能な、所謂、単振動子型の超音波プローブに適用することができる。

【0020】

本発明に係る高周波超音波圧電素子の製造方法において、圧電粉末としては、ＰＺＴからなる圧電粉末を用いることができる。

【0021】

本発明に係る高周波超音波圧電素子は、上述の製造方法により得られ、下部電極と、下部電極の上にゾルゲル溶液と圧電粉末とを含む複合体がスプレー法により塗布された後に焼結されて形成された圧電膜と、圧電膜の上に形成された上部電極とを備えていることを特徴とする。

【0022】

本発明に係る高周波超音波圧電素子によると、ゾルゲル溶液と圧電粉末とを含む複合体をスプレー法による塗布によって形成された圧電膜を含むため、圧電膜の膜厚を簡便に調整することができ、薄い膜厚の圧電膜を得ることも容易である。このため、薄い膜厚の圧電膜を有することで、より高い周波数の超音波の送受を可能とする高周波超音波圧電素子を容易に得ることができる。

【0023】

本発明に係る高周波超音波圧電素子において、上部電極は、圧電膜の上にアレイ状に複数形成されていてもよい。

【0024】

このようにすると、圧電膜の上に上部電極がアレイ状に並んでいるため、得られた圧電素子を、複数の上部電極の直下に位置する圧電膜の各領域が互いに特定の時間差で超音波を発信するように制御されて電子的な走査により生体内部の断面画像を取得可能な所謂フェーズドアレイ型の超音波プローブに適用することができる。

【0025】

この場合、下部電極は、板状であり且つその表面に長さ方向に延びる凹部を有しており、圧電膜は、凹部の底面上に形成され、複数の上部電極は、圧電膜の上に、凹部が延びる方向に沿って整列するように配置されていてもよい。

【0026】

このようにすると、複数の上部電極が、下部電極の凹部内に、該凹部が延びる方向（下部電極の長さ方向）に沿って整列するため、それらの上部電極の直下に位置する圧電膜の各領域から発信される超音波が、凹部が延びる方向と垂直な方向（下部電極の幅方向）に広がることを抑制して収束することができる。このため、この圧電素子を超音波プローブに適用する場合、音響レンズを設ける必要がなく、部品点数及び製造コストを低減することができる。

【0027】

本発明に係る高周波超音波圧電素子において、圧電膜は、下部電極の上にアレイ状に複数形成されていてもよい。

【0028】

このようにすると、圧電膜がアレイ状に複数形成されているため、複数の圧電膜が互いに特定の時間差で超音波を発信するように制御されて電子的な走査により生体内部の断面画像を取得可能な所謂フェーズドアレイ型の超音波プローブに適用可能となる。

【0029】

この場合、下部電極は、板状であり且つその表面に長さ方向に延びる凹部を有しており、複数の圧電膜は、下部電極の凹部の底面に、該凹部が延びる方向に沿って整列するように配置されていてもよい。

【0030】

このようにすると、複数の圧電膜が、下部電極の凹部の底面に、該凹部が延びる方向（下部電極の長さ方向）に沿って整列するため、圧電膜から発信される超音波が、凹部が延びる方向と垂直な方向（下部電極の幅方向）に広がることを抑制して収束することができる。このため、この圧電素子を超音波プローブに適用する場合、音響レンズを設ける必要がなく、部品点数及び製造コストを低減することができる。

【0031】

本発明に係る高周波超音波圧電素子において、下部電極は、ロッド状であり且つその端面に凹部を有し、圧電膜は、凹部の底面に形成されていてもよい。

【0032】

このようにすると、圧電膜が、ロッド状の下部電極の端面における凹部の底面に形成されているため、圧電膜から発信される超音波が、ロッド状の下部電極の軸方向から外側に広がることを抑制して収束することができる。このため、上記の場合と同様に、この圧電素子を超音波プローブに適用する場合、音響レンズを設ける必要がなく、部品点数及び製造コストを低減することができる。また、ロッド状の下部電極の端面に例えば単一の圧電膜を設けることで、上記フェーズドアレイ型ではなく、機械的な走査により生体内部の断面画像を取得可能な、所謂、単振動子型の超音波プローブに適用することができる。

【0033】

本発明に係る高周波超音波圧電素子において、圧電粉末は、ＰＺＴからなる圧電粉末とすることができる。

【0034】

本発明に係る高周波超音波プローブは、上記の高周波超音波圧電素子を含むことを特徴とする。

【0035】

本発明に係る高周波超音波プローブによると、上記の作用・効果を有する高周波超音波圧電素子を含むため、より薄い圧電膜を有して高い周波数の超音波を送受可能とすることを容易にでき、その結果、より高精細な画像を取得することができる。

【発明の効果】

【0036】

本発明に係る高周波超音波圧電素子、その製造方法、及びそれを含む高周波超音波プローブによると、下部電極の上に、ゾルゲル溶液と圧電粉末とを含む複合体をスプレー法により塗布するため、極めて薄い圧電膜が簡便に得られ、その結果、より高い周波数の超音波を送受可能であり、より高精細な画像を取得することができる高周波超音波プローブを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0037】

【図1】（ａ）〜（ｆ）は、本発明の第１の実施形態に係る高周波超音波圧電素子の製造工程を順次示す断面図である。

【図2】本発明の第１の実施形態に係る高周波超音波圧電素子を示す平面図である。

【図3】本発明の第１の実施形態の一変形例に係る高周波超音波圧電素子を示す断面図である。

【図4】（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る高周波超音波圧電素子を示す断面図であり、（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る高周波超音波圧電素子を示す平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0038】

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用方法或いはその用途を制限することを意図するものではない。

【0039】

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る高周波超音波圧電素子１０の製造方法及びその構成について図１（ａ）〜（ｆ）及び図２を参照しながら説明する。

【0040】

まず、図１（ａ）に示すように、板状の平坦な下部電極１１を準備する。下部電極１１の材料としては、導電性であり、通常、電極として用いられる金属からなるものであれば特に限定されない。また、下部電極１１の厚さも、特に限定はされず、圧電素子の小型化及び強度の観点から適宜選択すればよく、例えば１０μｍ〜１５０μｍである。

【0041】

次に、図１（ｂ）に示すように、下部電極１１の上に圧電膜１２を形成する。圧電膜１２は、ゾルゲル溶液と圧電粉末とを含む複合体を、スプレー装置を用いて塗布するスプレー法によって下部電極１１の上に塗布し、塗布された複合体を焼結することにより得られる。例えば、ゾルゲル溶液は、金属アルコキシドをエタノールやメタノール等の溶剤に溶解することで得られ、特に鉛アルコキシド、ジルコニウムアルコキシド及びチタンアルコキシドを含むＰＺＴゾルゲル溶液を用いることが好ましい。また、圧電粉末の材料としてはＰＺＴを用いることができる。ゾルゲル溶液と圧電粉末との組成比（重量比）は、例えばゾルゲル溶液：圧電粉末＝１：１〜２：１とすることができる。また、圧電粉末の粒径としては５０〜１０００ｎｍとすることが好ましい。スプレー法による複合体の吐出量、吐出時間、及びスプレーから下部電極までの距離等は、形成する圧電膜の膜厚等に従って適宜変更することができる。より高い周波数の超音波を送受できる圧電素子を得るためには、圧電膜を薄膜化することが好ましく、スプレー法を用いると上記複合体の吐出量あるいは吐出時間等を制御することにより、容易に薄膜化することができ、例えば、吐出時間２００ｍｓの条件では、約１０μｍの膜厚の複合体層を形成することができる。このスプレー法による塗布後、複合体層を約１５０℃で５分乾燥し、約４５０℃で５分仮焼結し、約６５０℃で５分焼成し、その後、例えばコロナ放電によって分極処理を行うことにより圧電膜１２が得られる。

【0042】

次に、図１（ｃ）に示すように、圧電膜１２の上にマスク層１３を配設する。マスク層１３の材料としては、例えば樹脂、ガラス、木材又は紙等の材料を用いることができるが、これらに限定されない。

【0043】

次に、図１（ｄ）に示すように、マスク層１３に圧電膜１２を露出する複数の開口部１４を形成する。開口部１４は、後に上部電極１５を形成する所望の位置に設け、本実施形態では、下部電極の長さ方向に沿って等間隔に配置される。開口部１４の形成は、マスク層１３の材料に従って、エッチング法等の化学的処理を用いてもよいし、切削等の機械的処理を用いてもよい。なお、本実施形態では、マスク層１３を圧電膜１２の上に設けた後に、開口部１４を形成したが、圧電膜１２の上に設ける前に、マスク層１３に予め開口部１４を形成し、開口部１４が形成されたマスク層１３を圧電膜１２の上に配置してもよい。

【0044】

次に、図１（ｅ）に示すように、圧電膜１２及びマスク層１３の上に上部電極１５を形成する。上部電極１５の材料としては、導電性材料であり、通常、電極に用いられ得るものであれば特に限定されず、例えば金や銀等の金属が用いられる。また、上部電極１５の形成には、蒸着法やスパッタ法等の常法が用いられ得る。上部電極１５の厚さも、特に限定はされず、圧電素子の小型化及び強度の観点から適宜選択すればよく、例えば１０μｍ〜１５０μｍである。

【0045】

次に、図１（ｆ）に示すように、マスク層１３を除去することにより、開口部１４内の圧電膜１２の上にのみ上部電極１５が残存する。図示はしないが、その後、電源と接続したリード線を下部電極１１及び複数の上部電極１５のそれぞれに接続することにより、本実施形態に係る高周波超音波圧電素子１０を得ることができる。

【0046】

図１では、便宜上、マスク層１３に開口部１４を３つ形成し、上部電極１５を３つ形成するように示したが、当然にこれに限られず、図２に示すように上部電極１５が５つ形成されてもよいし、それ以上の所望の数の上部電極１５を形成することができる。本実施形態では、複数の上部電極１５が圧電膜１２の上にアレイ状に形成され、具体的に、図１（ｆ）及び図２に示すように、上部電極１５は、下部電極１１の長さ方向に沿って整列するように配置される。そのように上部電極１５が配置された形態の高周波超音波圧電素子１０を、生体内部の断面を画像化するための超音波プローブに適用することで、複数の上部電極の直下に位置する圧電膜のそれぞれの領域が互いに特定の時間差で超音波を発信するように、上部電極に電圧が印加されるタイミングを制御することによる電子的な走査によって生体内部の断面画像を取得可能な、所謂フェーズドアレイ型の超音波プローブを得ることができる。本実施形態に係る高周波超音波圧電素子を含む高周波超音波プローブは、従来の超音波プローブと同様にプローブ本体において、基端側から先端側に向かってバッキング材、本実施形態に係る圧電素子、音響整合層及び音響レンズの順に配設して構成される。但し、本実施形態に係る高周波超音波プローブにおいて、バッキング材及び音響整合層を必須の構成としない。

【0047】

なお、本実施形態では、上述のとおり、下部電極の上を覆うように形成された圧電膜の上に開口部を有するマスクを用いて複数の上部電極を形成したが、下部電極の上にアレイ状に形成された開口部を有するマスクを用いて、アレイ状に配置する複数の圧電膜を形成し、それら複数の圧電膜の上にそれぞれ上部電極を形成してもよい。このようにすると、圧電膜材料のスプレー塗布時点で複数の圧電膜が互いに分離することとなるため、圧電素子内におけるクロストークを防止するために、圧電膜をダイシングするといった切断処理をする必要がない。特に、薄い圧電膜を切断することは割れ等が生じやすく困難であるため、この点で有利である。

【0048】

本実施形態では、板状の平坦な下部電極１１を用いて高周波超音波圧電素子１０を作製したが、板状であり且つその表面に長さ方向に延びる凹部を有する下部電極を用いて、その凹部内に圧電膜及び上部電極を形成して高周波超音波圧電素子を形成してもよい。そのような形態の高周波超音波圧電素子を第１の実施形態の一変形例として図３を参照しながら説明する。なお、本実施形態では、第１の実施形態と同一の点については説明を省略し、異なる点についてのみ詳細に説明する。また、図３は、下部電極に凹部を有することを除いて図２に示す高周波超音波圧電素子と同等の超音波圧電素子を示すものであり、特に、その一上部電極上における上部電極の長さ方向に沿った断面を示すものである。すなわち、本変形例に係る高周波超音波圧電素子においては、図３の紙面に垂直な方向に沿って上部電極が複数配列されている。

【0049】

図３に示すように、本変形例に係る高周波超音波圧電素子２０は、表面に凹部２６が形成された下部電極２１を備えている。凹部２６は、下部電極２１の長さ方向に沿って延びるように形成されている。また、凹部２６の開口の周縁部（下部電極２１の表面と凹部２６との境界部）は丸みを帯びている。下部電極２１の凹部２６の底面上には、圧電膜２２が形成されている。圧電膜２２は凹部２６の底面形状に沿って形成されている。圧電膜２２の上には上部電極２５が形成されている。上部電極２５は、上述の第１の実施形態と同様に、下部電極２１の長さ方向に沿って、すなわち凹部が延びる方向に沿って複数配設されている。なお、本変形例に係る高周波超音波圧電素子２０は、凹部２６を有する下部電極２１を用いることを除いて、圧電膜２２及び上部電極２５の形成等は上述の第１の実施形態に係る高周波超音波圧電素子１０と同様の方法を用いて行うことができる。

【0050】

なお、本変形例においても、下部電極の上に凹部が延びる方向に沿って整列する複数の圧電膜が形成され、それらの複数の圧電膜の上にそれぞれ上部電極が形成された形態としてもよい。そうすることにより、上述のとおり、圧電膜材料のスプレー塗布時点で複数の圧電膜が互いに分離することとなるため、圧電素子内におけるクロストークを防止するために、圧電膜を切断する等の処理をする必要がなくなる。

【0051】

本変形例に係る高周波超音波圧電素子２０では、下部電極２１の表面に、圧電膜２２の配列方向と並行して延びる凹部２６が形成されているため、凹部２６内に配設された圧電膜２２から発信される超音波が、凹部２６が延びる方向と垂直な方向（下部電極２１の幅方向）に広がることを抑制して収束することができる。その結果、この高周波超音波圧電素子２０を超音波プローブに適用する場合、音響レンズを設ける必要がない。

【0052】

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る高周波超音波圧電素子３０について図４を参照しながら説明する。なお、本実施形態では、上記第１の実施形態及びその一変形例と同一の点については説明を省略し、異なる点についてのみ詳細に説明する。本実施形態に係る高周波超音波圧電素子３０は、第１の実施形態に係る高周波超音波圧電素子１０と比較して、特に下部電極としてロッド状の下部電極３１を用いること、及び単一の圧電膜３２及び上部電極３５を形成することが異なる。

【0053】

図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態に係る高周波超音波圧電素子３０において、下部電極３１は、上述のとおりロッド状であり、特に円柱形状である。また、この下部電極３１の一端面には、円形状の開口を有する球欠形状の凹部３６が形成されている。凹部３６の開口の周縁部（下部電極３１の表面と凹部３６との境界部）は丸みを帯びている。例えば、下部電極３１の横断面の径は１０ｍｍであり、凹部３６の開口径は６ｍｍであり、凹部３６の深さは２ｍｍである。当然に、これらのサイズは一例であり、これらに限定されることはなく、適宜、これらのサイズを選択することができる。

【0054】

下部電極３１の凹部３６の底面上には、圧電膜３２が形成されている。圧電膜３２は凹部３６の底面形状に沿って形成されている。本実施形態では、第１の実施形態と同様に、圧電膜３２をスプレー法による複合体の塗布及び焼結により形成することができる。圧電膜３２の上には上部電極３５が形成されている。上部電極３５も凹部３６の底面形状に沿って形成されている。本実施形態に係る高周波超音波圧電素子３０において、上部電極３５の形成前に、特に複数の開口部を有するマスク層を形成する必要はなく、圧電膜３２の上に蒸着法等の方法を用いて単一の膜からなる上部電極３５が形成される。なお、図示はしないが、第１の実施形態と同様に、下部電極３１及び上部電極３５には、それぞれ電源に接続されたリード線が接続されている。

【0055】

本実施形態に係る高周波超音波圧電素子３０では、ロッド状の下部電極３１の端面に圧電膜３２及び上部電極３５が形成されているため、これを機械的な走査で用いられる単振動子型の超音波プローブに適用することができる。なお、本実施形態に係る高周波超音波圧電素子３０を含む高周波超音波プローブは、上記第１の実施形態と同様の構成とすることができる。また、本実施形態に係る高周波超音波圧電素子３０では、ロッド状の下部電極３１の端面に形成された凹部３６内に圧電膜３２及び上部電極３５が形成されているため、圧電膜３２から発信される超音波が下部電極３１の軸方向から外側に広がらずに収束される。その結果、この高周波超音波圧電素子３０を超音波プローブに適用する場合、音響レンズを設ける必要がない。

【0056】

以上のとおり、本発明に係る高周波超音波圧電素子、その製造方法、及びそれを含む高周波超音波プローブによると、下部電極の上に、ゾルゲル溶液と圧電粉末とを含む複合体をスプレー法により塗布するため、極めて薄い圧電膜が簡便に得られ、その結果、より高い周波数の超音波を送受可能であり、より高精細な画像を取得することができる高周波超音波プローブを得ることができる。

【符号の説明】

【0057】

１０、２０、３０ 高周波超音波圧電素子
１１、２１、３１ 下部電極
１２、２２、３２ 圧電膜
１３ マスク層
１４ 開口部
１５、２５、３５ 上部電極
２６、３６ 凹部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】