JP2017143394A - 超音波センサー及び圧電素子の駆動方法 - Google Patents

超音波センサー及び圧電素子の駆動方法 Download PDF

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泰裕 板山
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Abstract

【課題】超音波センサー用の圧電素子を対象として、送受信感度のばらつきの抑制、及び、受信感度の向上化のうち、少なくとも１つを達成することが可能な超音波センサー及び圧電素子の駆動方法を提供する。
【解決手段】超音波センサーの駆動回路は、第１の電位Ｖ１によって圧電素子の分極を維持する第１工程Ｐ１と、最大電位ＶＨと最小電位ＶＬを少なくとも１回ずつ付与することによって、圧電素子に超音波を送信させる第２工程Ｐ２と、第２の電位Ｖ２で圧電素子を待機させる第３工程Ｐ３と、第３の電位Ｖ３を付与することによって、圧電素子に超音波を受信させる第４工程Ｐ４とを有する駆動波形によって、圧電素子を駆動し、各電位の中で、最大電位ＶＨが最も高く、最小電位ＶＬが最も低く、第１の電位Ｖ１及び第２の電位Ｖ２は同じ電位であり、第３の電位Ｖ３は、第１の電位Ｖ１及び第２の電位Ｖ２よりも低い電位である。
【選択図】図１３

Description

本発明は、超音波センサー及び圧電素子の駆動方法に関する。
現在、圧電素子は、液体噴射ヘッドや超音波センサー等の様々なデバイスに応用されている。各種デバイスのうち、例えば、超音波センサーは、空間が形成された基板、空間を塞ぐように基板上に設けられた振動板、振動板上に設けられた圧電素子等を具備している。
超音波センサーでは、電圧を印加して圧電素子を変位させることで振動板が変位し、これに伴い、空間内の媒質（音響整合層や空気層等）に圧力変動が生じて、超音波（送信超音波）が送信される。また、測定対象物に反射された超音波（反射超音波）を受けて空間内の媒質に圧力変動が生じると、かかる圧力変動が伝達して振動板が変位し、これに伴い圧電素子が変位して、圧電素子から電圧が得られる。そして、これらの電圧、即ち、送信超音波や反射超音波の波形に基づき、測定対象物に関する情報（位置や形状等）が検出される。
超音波センサーには、振動板の圧電素子とは反対側が超音波の通過領域となる型（ＣＡＶ面型）や、振動板の圧電素子側が超音波の通過領域となる型（ＡＣＴ面型）がある。また、超音波センサーには、超音波の送信に最適化させた送信専用型や、超音波の受信に最適化させた受信専用型の他、超音波の送信及び受信の両方に最適化させた送受信一体型等の分類もある。何れの型の超音波センサーでも、送信超音波の送信時には、圧電素子に電圧が印加されることで圧電体層に分極が生じ、この分極の状態に応じて電気機械変換能力が発揮される。
例えば、特許文献１にはバルク圧電体を用いた圧電センサーが記載されている。この文献によれば、バルク圧電体は分極処理を施した後に当該センサーに組み込まれるため、その分極を維持するためのバイアス電圧を印加する必要が無い。従って、バルク圧電体における、分極特性の経時的な劣化は殆ど無い。
しかしながら、バルク圧電体のかわりに薄膜圧電体を各種デバイスに用いた場合には、経時的に分極特性が劣化する。例えば、特許文献２には薄膜圧電体を用いた圧電センサーが記載されている。この文献によれば、薄膜圧電体には圧力の検出や温度の変化に伴って、基板から受ける応力の影響により分極特性が経時的に劣化し、感度が低下するという問題がある。そこで、特許文献２では、電子回路による分極処理を一定時間毎に実施しているが、具体的な分極処理を実施するための駆動波形は開示されていない。
また、特許文献３には薄膜圧電体を用いた液体噴射ヘッドが記載されており、薄膜圧電体に施す分極処理を実施するための駆動波形が開示されている（図１０参照）。即ち、特許文献３によれば、図１０の電位維持期ａ４のバイアス電位によって、分極の維持が可能となっている。
特開２０１５−３６０５６号公報 特許第４９８４９４３号公報 特許第４３７４５５１号公報
しかしながら、特許文献２に記載の圧電センサーでは、分極してから送受信の動作に入るまでの時間が一定ではないため、感度にばらつき（分極量の変動）が生じる可能性がある。また、特許文献３に記載の駆動波形は、液体噴射ヘッド用の波形であり、同じ圧電素子を使っているとはいえ、液体を噴射するのに適した波形が圧電センサーの受信感度を向上させるのに適しているとは限らない。
本発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、特に、超音波センサー用の圧電素子を対象として、送受信感度のばらつきの抑制、及び、受信感度の向上化のうち、少なくとも１つを達成することが可能な超音波センサー及び圧電素子の駆動方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成する本発明の態様は、第１電極と、第２電極と、これらの間に設けられた厚さ０．３μｍ以上１．５μｍ以下の薄膜の圧電体層とを備えた圧電素子と、前記圧電素子を駆動する駆動回路とを有する超音波センサーであって、前記駆動回路は、第１の電位Ｖ１によって前記圧電素子の分極を維持する第１工程と、前記第１工程の後、最大電位ＶＨと最小電位ＶＬを少なくとも１回ずつ付与することによって、前記圧電素子に超音波を送信させる第２工程と、前記第２工程の後、第２の電位Ｖ２で前記圧電素子を待機させる第３工程と、前記第３工程の後、第３の電位Ｖ３を付与することによって、前記圧電素子に超音波を受信させる第４工程とを有する駆動波形によって、前記圧電素子を駆動し、前記最大電位ＶＨ、第１の電位Ｖ１、第２の電位Ｖ２、第３の電位Ｖ３及び最小電位ＶＬの中で、前記最大電位ＶＨが最も高く、前記最小電位ＶＬが最も低く、前記第１の電位Ｖ１及び第２の電位Ｖ２は同じ電位であり、前記第３の電位Ｖ３は、前記第１の電位Ｖ１及び第２の電位Ｖ２よりも低い電位であることを特徴とする超音波センサーにある。
かかる態様では、第１の電位Ｖ１によって分極を維持した状態で送受信動作を行うことにより、感度のばらつきを抑えた超音波センサーを得ることができる。また、受信時に、第１の電位Ｖ１及び第２の電位Ｖ２よりも低い第３の電位Ｖ３を付与することで、圧電体層の歪みに対する分極の変化量が大きくなり、その結果、起電圧が高くなることで、受信感度が向上した超音波センサーを得ることができる。
ここで、前記第１工程及び前記第３工程における圧電体層の比誘電率をεｒ１、前記第２工程において前記最大電位ＶＨとした圧電体層の比誘電率をεｒ２、前記第４工程における圧電体層の比誘電率をεｒ３としたとき、εｒ１はεｒ２よりも大きく、εｒ３はεｒ２に対して９５％以上１００％以下であることが好ましい。
これによれば、εｒ１をεｒ２よりも大きくすることで、圧電体層の分極量を安定に保ちつつ、εｒ３をεｒ２に対して９５％以上１００％以下にすることで、分極が緩和されて膜の硬度が下がり、薄膜の圧電体層を撓みやすくして受信感度を向上することが可能な超音波センサーを得ることができる。
上記目的を達成する本発明の他の態様は、第１の電位Ｖ１によって圧電素子の分極を維持する第１工程と、前記第１工程の後、最大電位ＶＨと最小電位ＶＬを少なくとも１回ずつ付与することによって、前記圧電素子に超音波を送信させる第２工程と、前記第２工程の後、第２の電位Ｖ２で前記圧電素子を待機させる第３工程と、前記第３工程の後、第３の電位Ｖ３を付与することによって、前記圧電素子に超音波を受信させる第４工程とを有し、前記最大電位ＶＨ、第１の電位Ｖ１、第２の電位Ｖ２、第３の電位Ｖ３及び最小電位ＶＬの中で、前記最大電位ＶＨが最も高く、前記最小電位ＶＬが最も低く、前記第１の電位Ｖ１及び第２の電位Ｖ２は同じ電位であり、前記第３の電位Ｖ３は、前記第１の電位Ｖ１及び第２の電位Ｖ２よりも低い電位である駆動波形によって、前記圧電素子を駆動することを特徴とする圧電素子の駆動方法にある。
かかる態様では、第１の電位Ｖ１によって分極を維持した状態で送受信動作を行うため、超音波センサーの感度のばらつきを抑えることができる。また、受信時に、第１の電位Ｖ１及び第２の電位Ｖ２よりも低い第３の電位Ｖ３を付与することで、圧電体層の歪みに対する分極の変化量が大きくなり、その結果、起電圧が高くなることで、超音波センサーの受信感度を向上させることができる。
ここで、前記第１工程及び前記第３工程における圧電体層の比誘電率をεｒ１、前記第２工程において前記最大電位ＶＨとした圧電体層の比誘電率をεｒ２、前記第４工程における圧電体層の比誘電率をεｒ３としたとき、εｒ１はεｒ２よりも大きく、εｒ３はεｒ２に対して９５％以上１００％以下であることが好ましい。
これによれば、εｒ１をεｒ２よりも大きくすることで、圧電体層の分極量を安定に保ちつつ、εｒ３をεｒ２に対して９５％以上１００％以下にすることで、分極が緩和されて膜の硬度が下がり、薄膜の圧電体層を撓みやすくして受信感度を向上することができる。
超音波デバイスの構成例を示す断面図。 超音波センサーの構成例を示す分解斜視図。 超音波素子アレイの構成例を示す拡大斜視図。 超音波素子の概略構成の一例を示す平面図。 図４の超音波素子のＡ−Ａ′線断面図。 図４の超音波素子のＢ−Ｂ′線断面図。 超音波センサーの製造方法の一例を示す断面図。 超音波センサーの製造方法の一例を示す断面図。 超音波センサーの製造方法の一例を示す断面図。 超音波センサーの製造方法の一例を示す断面図。 超音波センサーの製造方法の一例を示す断面図。 超音波デバイスの制御構成例を示すブロック図。 超音波センサーの駆動波形の一例を示す図。 比誘電率の平方根と圧電定数との関係を示す図。 実施例１の駆動波形を示す図。 比較例１の駆動波形を示す図。 第３の電位と起電圧との関係を示す図。 超音波診断装置の一例を示す斜視図。 超音波プローブの一例を示す正面図。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の説明は、本発明の一態様を示すものであって、本発明の範囲内で任意に変更可能である。各図において、同じ符号を付したものは、同一の部材を示しており、適宜説明が省略されている。
また、図面において示す構成要素、即ち、各部の形状や大きさ、層の厚さ、相対的な位置関係、繰り返し単位等は、本発明を説明する上で誇張して示されている場合がある。更に、本明細書の「上」という用語は、構成要素の位置関係が「直上」であることを限定するものではない。例えば、「基板上の第１電極」や「第１電極上の圧電体層」という表現は、基板と第１電極との間や、第１電極と圧電体層との間に、他の構成要素を含むものを除外しない。
（実施形態１）
（超音波デバイス）
図１は、本発明の実施形態１にかかる超音波センサーを搭載した超音波デバイスの構成例を示す断面図である。図示するように、超音波プローブＩは、ＣＡＶ面型の超音波センサー１と、超音波センサー１に接続されたフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ基板２）と、装置端末（不図示）から引き出されたケーブル３と、ＦＰＣ基板２及びケーブル３を中継ぎする中継基板４と、超音波センサー１、ＦＰＣ基板２及び中継基板４を保護する筐体５と、筐体５及び超音波センサー１の間に充填された耐水性樹脂６とを具備して構成されている。また、詳細は後述するが、超音波センサー１は、超音波素子１０、音響整合層３０、レンズ部材３１及び包囲板４０を含んで構成されている。なお、超音波プローブＩは、上記の構成に限定されず、必要に応じて他の要素を含んで構成されてもよい。
超音波プローブＩに搭載された超音波センサー１は、送受信一体型に構成されている。この超音波センサー１では、超音波センサー１の繰り返し発信周期に応じ、送信超音波が、音響整合層３０及びレンズ部材３１を通じて送信される。送信超音波が所定の間隔で送信されるなかで、測定対象物から反射された反射超音波が、音響整合層３０及びレンズ部材３１を通って受信される。これらの送信超音波や反射超音波の波形信号に基づき、超音波プローブＩの装置端末において、測定対象物に関する情報（位置や形状等）が検出される。
超音波センサー１によれば、後述のように、送受信感度のばらつきを抑制し、受信感度の向上化を図ることができる。従って、超音波プローブＩに超音波センサー１を搭載することで、検出感度に優れた超音波デバイスとなる。超音波センサー１は、ＣＡＶ面型に限定されず、ＡＣＴ面型にも適用できる。また、超音波センサー１は、送受信一体型に限定されず、送信専用型や受信専用型等にも適用できる。超音波センサー１を搭載可能な超音波デバイスは、超音波プローブＩに限定されない。
また、詳細は後述するが、ＣＡＶ面型の超音波センサー１は、ＡＣＴ面側の超音波センサーと比べて、測定対象物に対して超音波素子１０を構成する圧電素子１７が離れた位置にある。従って、外部からの水分が圧電素子１７に極めて到達し難い構成となり、使用時の電気的安全性に優れる超音波センサー１となる。しかも、圧電素子１７が薄膜である場合、製造時のハンドリング性も向上させることができるので、超音波センサー１の取り扱いが容易となる。
（超音波センサー）
図２は、超音波センサーの分解斜視図であり、図３は、超音波素子アレイの構成例を示す拡大斜視図である。図４は、超音波素子の概略構成を示す平面図、図５は、そのＡ−Ａ′線断面図、図６は、Ｂ−Ｂ′線断面図である。
図２〜図６において、互いに直交する２つの軸をＸ軸及びＹ軸とし、Ｘ軸及びＹ軸によって形成される平面をＸＹ平面としたとき、基板１１は、ＸＹ平面に沿っている。以降、Ｘ軸を第１の方向Ｘ（Ｘ方向）と称し、Ｙ軸を第２の方向Ｙ（Ｙ方向）と称し、Ｘ方向及びＹ方向の何れにも直交するＺ軸を第３の方向Ｚ（Ｚ方向）と称する。
図１及び図２に示すように、超音波センサー１は、超音波素子１０、音響整合層３０、レンズ部材３１及び包囲板４０を含んで構成されている。図２において、包囲板４０と支持部材４１とは別体に示されているが、実際には、図１に示すように、両者は一体的に構成されている。なお、超音波センサー１は、上記の構成に限定されず、他の要素を含んで構成されてもよい。
超音波センサー１がＣＡＶ面型に構成されていることから、音響整合層３０は、空間２０内に設けられている。音響整合能を有する樹脂等が基板１１の空間２０内等に充填されて音響整合層３０が設けられることで、超音波素子１０及び測定対象物の間で音響インピーダンスが急激に変化することを防止でき、その結果、超音波の伝播効率の低下を防止することができる。音響整合層３０は、例えば、シリコーンオイル、シリコーン樹脂又はシリコーンゴムから構成できるが、前記の例に限定されず、超音波センサー１の用途等に応じた材料を適宜選択して用いることができる。
レンズ部材３１は、基板１１上の振動板５０とは反対側に設けられている。レンズ部材３１は、超音波を収束させる役割を有している。超音波を電子フォーカス法で収束させる場合等には、レンズ部材３１は省略可能である。また、レンズ部材３１は、超音波の収束機能を有しない保護板等に代替させることも可能である。本実施形態では、上記の音響整合層３０が、レンズ部材３１と基板１１との接着機能も有している。レンズ部材３１と基板１１との間に音響整合層３０を介在させ、超音波センサー１が構成されている。なお、振動板５０の詳細については、後述する。
包囲板４０は、振動板５０の第２面５０ｂ側に設けられている。包囲板４０の中央には凹部（圧電素子保持部３２）が形成され、この圧電素子保持部３２の周囲は、包囲板４０の縁部４０ａ及び圧電素子１７側の面４０ｂで囲われている。圧電素子保持部３２によって、超音波素子１０（圧電素子１７）の周囲の領域（圧電素子１７の上面及び側面を含む領域）が覆われる。従って、圧電素子１７の上面は包囲板４０の圧電素子１７側の面４０ｂで覆われ、側面は縁部４０ａで覆われることになる。なお、圧電素子１７の詳細については、後述する。
包囲板４０は、縁部４０ａにおいて超音波素子１０側に接合されている。包囲板４０の接合は接着剤を用いることができるが、前記の例に限定されない。圧電素子保持部３２のＺ方向の長さは約８０μｍであるが、前記の値に限定されない。圧電素子保持部３２の長さは、圧電素子１７の駆動を阻害しない程度のスペースが確保される値であればよい。また、圧電素子保持部３２は、空気で満たされていてもよく、樹脂で満たされていてもよい。包囲板４０の厚さは約４００μｍであるが、前記の値に限定されない。
超音波センサー１には、包囲板４０の圧電素子１７側の面４０ｂと振動板５０の第２面５０ｂとの間、且つ、圧電素子１７と重ならない位置に、支持部材４１が設けられており、この支持部材４１により振動板５０を支持できる。このため、例えば、レンズ部材３１を超音波素子１０に実装する際や、超音波素子１０とレンズ部材３１の密着性を確保する際に、レンズ部材３１を音響整合層３０側に押圧することがある。レンズ部材３１を具備していない場合や、レンズ部材３１の代わりに他の部材を設けた場合にも、各部の密着性を確保するため、音響整合層３０側から振動板５０に押圧力を付すこともある。超音波センサー１では、支持部材４１を具備して構成されているため、上記の通り、所定の外圧が振動板５０に加わったとしても、構造歪みが生じることを抑制でき、高い信頼性を確保できる。
また、支持部材４１が圧電素子１７と重ならない位置に設けられているため、圧電素子１７が支持部材４１によって過度に拘束されることが回避される。よって、支持部材４１を設けていない場合と比べて、超音波の送信効率や受信効率が過度に低下することも防止される。
ここで、圧電素子１７と重ならない位置とは、Ｚ方向から見たとき、後述する能動部（第１電極１４と第２電極１６とで挟まれた部分（図３参照））に重ならない位置である。特に、超音波センサー１では、後述する隔壁１９よりも狭い幅を有している支持部材４１が、Ｘ方向に沿って整列する圧電素子１７間に設けられている。つまり、超音波センサー１では、Ｚ方向から見たとき、支持部材４１が、後述する可動部（振動板５０の第２面５０ｂ側のうち空間２０に対応する部分）にすら重なっていない。このため、支持部材４１を設けていない場合と比べ、超音波送信効率や受信効率が過度に低下することが確実に防止される。支持部材４１は、接着剤により超音波素子１０側に接合されているが、接合の手法は前の例に限定されない。
支持部材４１は、Ｙ方向に沿って延びる梁形状を有している。これによれば、Ｙ方向に亘る広い範囲で振動板５０を支持できる。梁形状の支持部材４１は、Ｙ方向ではなく、Ｘ方向に沿って延在していてもよい。梁形状の支持部材４１は、延在する片方の端部が包囲板４０の縁部４０ａから離れていてもよい。延在方向の少なくとも片方の端部が包囲板４０の縁部４０ａに接していれば、梁形状の支持部材４１に含まれる。
勿論、支持部材４１は、梁形状を有していなくてもよい。支持部材４１は、延在方向に直線状でなくてもよい。支持部材４１の作製手法によっては、支持部材４１のＸＹ平面の断面積がＺ方向に応じて異なる態様となる場合があるものの、かかる態様も、振動板５０を支持できる限り、本発明の支持部材４１に含まれる。
梁形状の支持部材４１は、包囲板４０をウエットエッチングすることで作製されたものである。このように、支持部材４１は、包囲板４０の構成材料を活かして作製されており、包囲板４０と同一の構成を有している。ウエットエッチングは、例えばドライエッチングに比べ、加工精度は劣るものの、短時間で多くの領域を削ることができるため、梁形状の支持部材４１を作製するのには好適な手法である。
圧電素子保持部３２の中心部分は、包囲板４０の縁部４０ａから比較的離れている。従って、振動板５０において、圧電素子保持部３２の中心部分に対応する中心箇所Ｃでは、支持部材４１がない場合に剛性が低くなりやすい。そこで、支持部材４１は、そのような振動板５０の中心箇所Ｃを支持するように、圧電素子保持部３２の中心部分に設けられている。これにより、より高い信頼性を確保できる。
超音波センサー１において、支持部材４１の数、配置、形状等は種々に選択が可能である。例えば、支持部材４１は複数であってもよい。その場合、支持部材４１は、圧電素子保持部３２内に、等間隔に設けられることが好ましい。これによれば、振動板５０を万遍なく支持できる。従って、振動板５０の数は、３つ以上の奇数であることが好ましい。これは、圧電素子保持部３２内に支持部材４１を等間隔に設けたとき、その真ん中の支持部材４１が、振動板５０の中心箇所Ｃの近傍に位置し得るためである。例えば、支持部材４１の数は、３つ程度であるとバランスがよい。勿論、支持部材４１は、振動板５０の中心箇所Ｃからずれた部分のみに設けられてもよい。
図３に示すように、超音波素子１０は、基板１１、振動板５０及び圧電素子１７を含んで構成されている。なお、超音波素子１０は、上記の構成に限定されず、他の要素を含んで構成されてもよい。
図１に示すように、基板１１には、複数の隔壁１９が形成されている。この複数の隔壁１９により、図２に示すように、Ｘ方向及びＹ方向に沿って、複数の空間２０が区画されている。空間２０は、Ｚ方向に基板１１を貫通するように形成されている。つまり、基板１１には、開口部１８が形成されている。空間２０は、二次元状、即ち、Ｘ方向に複数且つＹ方向に複数形成されている。空間２０の配列や形状は、種々に変形が可能である。例えば、図３に示すように、空間２０は、一次元状、即ち、Ｘ方向及びＹ方向の何れか一方の方向に沿って複数形成されてもよい。また、図４に示すように、空間２０（開口部１８）は、Ｚ方向から見たときに正方形状（Ｘ方向とＹ方向との長さの比が１：１）に形成されてもよいし、長方形状（Ｘ方向とＹ方向との長さの比が１：１以外）に形成されてもよい。
基板１１は、例えばシリコン（Ｓｉ）単結晶基板を用いることができるが、これに限定されるものではない。例えば、ＳＯＩ基板やガラス基板等を用いてもよい。
図３に示すように、振動板５０は、開口部１８（空間２０）を塞ぐように基板１１上に設けられており、基板１１上に形成された弾性膜１２と、弾性膜１２上に形成された絶縁体膜１３とによって構成されている。以降、振動板５０の基板１１側の面を第１面５０ａと称し、第１面５０ａに対向する面を第２面５０ｂと称する。振動板５０は、この場合、弾性膜１２によって第１面５０ａが構成され、絶縁体膜１３によって第２面５０ｂが構成される。ここで、振動板５０の第２面５０ｂ側のうち空間２０に対応する部分を可動部と称する。可動部は、圧電素子１７の変位によって振動が生じる部分である。例えば、圧電素子１７に電圧を印加したとき、可動部に振動が生じる。この振動によって空間２０内の媒質である音響整合層３０（図１参照）に圧力変動が生じ、この圧力変動に応じて超音波センサー１から送信超音波が送信され、或いは、受信超音波が受信される。
振動板５０は、空間２０に対応する領域（可動部）が、圧電素子１７に電圧を印加していない状態で、空間２０とは反対側に凸（即ち上凸）となる撓みを有している。かかる撓みをする振動板５０となるように、超音波センサー１、特に圧電素子１７が構成されている。本明細書において、空間２０とは反対側に凸であることは「上凸」で表される。また、空間２０側に凸であることは「下凸」で表される。超音波センサー１の型によって圧電素子１７近傍の構成が異なるが、振動板５０の空間２０に対向する側に圧電素子１７が設けられている超音波センサー１であれば、何れの型でも、上記のように「上凸」及び「下凸」と解釈される。
本実施形態では、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）等からなる弾性膜１２と、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）等からなる絶縁体膜１３とで振動板５０を構成するが、これに限定されるものではない。例えば、弾性膜１２又は絶縁体膜１３の何れか一方でもよく、又は他の膜としてもよい。或いは、振動板５０を設けずに、後述する第１電極１４のみが振動板として機能するようにしてもよい。基板１１上に第１電極１４を直接設ける場合には、第１電極１４を絶縁性の保護膜等で保護することが好ましい。また、弾性膜１２は、基板１１と別部材でなくてもよい。基板１１の一部を薄く加工し、これを弾性膜１２として使用してもよい。
図５及び図６に示すように、圧電素子１７は、弾性膜１２及び絶縁体膜１３からなる振動板５０上に設けられており、振動板５０の開口部１８（空間２０）に対向する位置に設けられている。圧電素子１７は、第１電極１４と、厚さが３μｍ以下、好ましくは０．３μｍ以上１．５μｍ以下の薄膜である圧電体層１５と、第２電極１６とを含んで構成されている。ここで、圧電素子１７は、第１電極１４、圧電体層１５及び第２電極１６を含む部分をいう（図４参照）。この圧電素子１７に対応する領域には開口部１８（空間２０）が形成され、開口部１８は隔壁１９により区切られている。圧電素子１７のうち、第１電極１４と第２電極１６とがＺ方向で重なった部分を能動部と称する。能動部は、選択された第１電極１４と第２電極１６による電圧の印加により駆動される領域であり、上述した可動部内に存在する。
図示しないものの、圧電素子１７と振動板５０との間に、他の層が設けられてもよい。例えば、圧電素子１７と振動板５０との間に、密着性を向上させるための密着層が設けられてもよい。このような密着層は、例えば、酸化チタン（ＴｉＯＸ）層、チタン（Ｔｉ）層又は窒化シリコン（ＳｉＮ）層等から構成できる。
図４に示すように、圧電素子１７は、Ｚ方向から見たとき、空間２０の内側の領域にある。即ち、圧電素子１７のＸ方向及びＹ方向は、何れも空間２０より短い。ただし、圧電素子１７のＸ方向が空間２０より長い場合や、圧電素子１７の第２の方向Ｙが空間２０より長い場合も、本発明に含まれる。
ここで、本実施形態では、圧電素子１７と、弾性膜１２及び絶縁体膜１３からなる振動板５０とを合わせてアクチュエーター装置と称する。図３に示すように、アクチュエーター装置では、圧電素子１７を構成する第１電極１４及び第２電極１６が駆動回路２０１（図１２参照）に電気的に接続されており、この駆動回路２０１から第１電極１４及び第２電極１６に電気信号（駆動信号）が入力されることで、圧電素子１７に電圧が印加され、圧電体層１５に分極が生じて圧電素子１７及び振動板５０が変位する。また、圧電素子１７が変位すると、圧電体層１５に分極が生じて表面電荷が発生する。表面電荷は、駆動回路２０１にて電圧として検出される。
圧電素子１７は、超音波の送信のみに最適化して構成されていてもよく、超音波の受信のみに最適化して構成されていてもよく、超音波の送信及び受信の両方に最適化して構成されていてもよい。超音波センサー１は、送受信一体型に構成されているが、圧電素子１７は、送信専用型、受信専用型、送受信一体型等の何れの型にも適用でき、ＣＡＶ型、ＡＶＴ型、送信専用型、受信専用型、送受信一体型等に応じて、高い検出感度を有するように設計することが可能である。
通常、超音波センサーでは、超音波素子をＸ方向及びこれに直交するＹ方向に、二次元的に並設しており、Ｘ方向をスキャン方向、Ｙ方向をスライス方向とする。本実施形態の構成例では、スライス方向であるＹ方向に、１６個の超音波素子１０が並設され、スキャン方向であるＸ方向に、６４個の超音波素子１０が並設されているが、図３には、それぞれその一部のみを示している。このような超音波センサー１では、スキャン方向にスキャンしながら、スライス方向に延びる列毎に駆動、即ち、超音波の送信及び受信を行うことにより、スライス方向のセンシング情報を、スキャン方向に連続して取得することができる。
また、通常、圧電素子を駆動する場合、何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極を個別電極とするが、本実施形態の超音波素子１０では、複数の超音波素子１０毎に駆動し、スキャンすることが行われるので、何れか一方が共通電極で他方が個別電極という区別は現実的ではない。何れにしても、超音波素子１０を一次元的又は二次元的に並列させた態様とする場合には、第１電極１４を一方向に亘るように設け、第２電極１６を一方向に直交する方向に亘るように設け、適宜選択した第１電極１４と第２電極１６との間に電圧を印加することにより、所定の圧電素子１７のみを駆動することができる。また、所定の圧電素子１７を選択する際に、一列又は複数列を一つのグループとして選択して駆動することが一般的に行われる。
本実施形態では、第１電極１４は４列が束ねられて共通化されている。これを仮に１チャンネルと呼び、このチャンネルはＸ方向に亘って複数設けられている。つまり、第１電極１４は、４列毎に共通化し、４列１チャンネル毎に駆動可能となっている。
一方、第２電極１６は、Ｘ方向に沿って一列に連続して設けられ、Ｙ方向に沿って複数列設けられている。このような構成においては、第２電極１６を１列毎に共通化して、１チャンネル内の全ての圧電素子１７を同時に駆動し、順次各チャンネルを駆動すると、Ｘ方向に沿った１次元のデータが取得できる。また、第２電極１６を１列毎、又は複数列毎に共通化し、１チャンネル内の圧電素子１７を第２電極１６で共通化してグループ毎に順次駆動し、順次各チャンネルを駆動すると、ＸＹ方向の二次元データが取得できる。
第１電極１４や第２電極１６は、導電性を有するものであれば制限されず、例えば白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、ステンレス鋼等の金属材料、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）等の酸化スズ系導電材料、酸化亜鉛系導電材料、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ３）、ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ３）、元素ドープチタン酸ストロンチウム等の酸化物導電材料や、導電性ポリマー等を用いることができる。ただし、前記の材料に制限されない。
図５及び図６に示すように、圧電素子１７を構成する圧電体層１５は、空間２０（開口部１８）毎にパターニングして構成されている。この圧電体層１５は、電気機械変換能力を有している。
圧電体層１５は、電気機械変換能力を有していればよく、必要に応じて構成材料を適宜選定することができる。圧電体層１５は、代表的にはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系のペロブスカイト構造の複合酸化物を用いることができる。これによれば、圧電素子１７の変位量を確保しやすくなる。また、この他に、鉛、マグネシウム（Ｍｇ）、ニオブ（Ｎｂ）及びチタンを含むＰＭＮ−ＰＴ系やＰＭＮ−ＰＺＴ系の多成分系の複合酸化物等も適用できる。
また、圧電体層１５は、鉛を含まないもの、例えば、ビスマス（Ｂｉ）及び鉄（Ｆｅ）を含むＢＦＯ系の複合酸化物、ビスマス、バリウム（Ｂａ）、鉄及びチタンを含むＢＦ−ＢＴ系の複合酸化物、ビスマス、鉄、マンガン（Ｍｎ）、バリウム及びチタンを含むＢＦＭ−ＢＴ系の複合酸化物、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）及びニオブを含むＫＮＮ系の複合酸化物等のペロブスカイト構造の複合酸化物を用いることもできる。これによれば、環境への負荷が少ない非鉛系材料を用いて超音波素子１０を実現できる。
例えば、Ｂｉ、Ｂａ、Ｆｅ及びＴｉを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物では、その組成式は（Ｂｉ、Ｂａ）（Ｆｅ、Ｔｉ）Ｏ３として表されるが、代表的な組成としては、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとの混晶として表されるものである。かかる混晶は、Ｘ線回折パターンで、鉄酸ビスマスやチタン酸バリウムが単独では検出できないものをいう。混晶の組成から外れる組成も含むものである。
このようなペロブスカイト型構造、即ち、ＡＢＯ３型構造のＡサイトは、酸素が１２配位しており、また、Ｂサイトは酸素が６配位して８面体（オクタヘドロン）をつくっている。鉛を含まない上記の圧電体層１５の例では、ＡサイトにＢｉ及びＢａが、ＢサイトにＦｅ、Ｔｉが位置している。
ここでのペロブスカイト構造の複合酸化物には、欠損・過剰により化学量論の組成からずれたものや、元素の一部が他の元素に置換されたものも含まれる。即ち、ペロブスカイト構造を取り得る限りにおいて、格子不整合、酸素欠損等による不可避な組成のずれは勿論、元素の一部置換等も許容される。
そして、ペロブスカイト構造の複合酸化物の構成は前記の例に制限されず、他の元素を含んで構成してもよい。例えば、圧電体層１５は、マンガン（Ｍｎ）を更に含むことが好ましい。これによれば、リーク電流を抑制しやすくなり、例えば非鉛系の材料として信頼性の高い超音波素子１０を実現できる。
或いは、圧電体層１５のＡサイトのＢｉをリチウム（Ｌｉ）、サマリウム（Ｓｍ）、セリウム（Ｃｅ）等で置換するようにしてもよく、ＢサイトのＦｅをアルミニウム（Ａｌ）、コバルト（Ｃｏ）等で置換するようにしてもよい。これによれば、各種特性を向上させて構成や機能の多様化を図りやすくなる。これら他の元素を含む複合酸化物である場合も、ペロブスカイト構造を有するように構成されることが好ましい。
（超音波センサーの製造方法）
次に、超音波センサー１の製造方法について説明する。図７〜図１１は、超音波センサーの製造方法の一例を示す断面図である。まず、基板１１の表面に、熱酸化等によって酸化シリコンからなる弾性膜１２を形成する。その後、弾性膜１２上にジルコニウムをスパッタリング法や蒸着法等で成膜し、熱酸化等によって酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜１３を形成する。弾性膜１２と絶縁体膜１３とによって、振動板５０が構成される。そして、振動板５０の絶縁体膜１３上に、第１電極１４をスパッタリング法や蒸着法等で成膜し、第１電極１４が所定形状となるようにパターニングして形成する。
次いで、第１電極１４及び振動板５０上に圧電体層１５を積層する。圧電体層１５は、金属錯体（例えば、ＰＺＴ系のペロブスカイト構造の複合酸化物を構成するＰｂ、Ｚｒ及びＴｉを含む金属錯体）を溶媒に溶解・分散した溶液を塗布乾燥し、更に高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電材料を得る、ＣＳＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成できる。圧電体層１５の積層方法は、ＣＳＤ法に限定されず、例えば、ゾル−ゲル法や、レーザーアブレーション法、スパッタリング法、パルス・レーザー・デポジション法（ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法）、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、エアロゾル・デポジション法等を用いてもよい。圧電体層１５は、湿式法（液相法）や固相法、或いは気相法等の何れの方法でも形成することができる。
湿式法によって形成された層や膜は、界面を有する。湿式法によって形成された層や膜には、塗布または焼成の形跡が残り、このような形跡は、その断面を観察したり、層内（あるいは膜内）における元素の濃度分布を解析したりすることによって確認可能な「界面」となる。「界面」とは、厳密には層間あるいは膜間の境界を意味するが、ここでは、層あるいは膜の境界付近を意味するものとする。湿式法によって形成された層や膜の断面を観察した場合、このような界面は、隣の層や膜との境界付近に、他よりも色が濃い部分、あるいは他よりも色が薄い部分として確認される。また、元素の濃度分布を解析した場合、このような界面は、隣の層や膜との境界付近に、他よりも元素の濃度が高い部分、あるいは他よりも元素の濃度が低い部分として確認される。詳細は後述するが、圧電体層１５は、塗布工程や焼成工程を複数繰り返して形成される（複数の圧電体膜７４によって構成される）ため、各圧電体膜７４に対応して、複数の界面を有することとなる。
具体的には、図７に示すように、第１電極１４上に１層目の圧電体膜７４を形成した段階で、第１電極１４及び１層目の圧電体膜７４を同時にパターニングする。そして、図８に示すように、２層目以降の圧電体膜７４を積層することにより、複数層の圧電体膜７４からなる圧電体層１５を形成する。因みに、２層目以降の圧電体膜７４は、振動板５０上、第１電極１４及び１層目の圧電体膜７４の側面上、並びに１層目の圧電体膜７４上に亘って連続して形成される。更に、図９に示すように、圧電体層１５をパターニングして凹部７１等を形成する。
次に、図１０に示すように、圧電体層１５をパターニングした側面上、振動板５０上、及び第１電極１４上等に亘って第２電極１６を形成すると共にパターニングする（図３参照）。その後は、不要部分をダイシング等により切断・除去する。図１１に示すように、常法により、図１等に示す空間２０、音響整合層３０や包囲板４０等を設け、超音波センサー１とする。なお、超音波センサー１の製造方法は、上記製法に限定されない。
（超音波センサーの制御系）
次に、超音波センサー１の制御系について説明する。図１２は、超音波センサーを搭載した超音波デバイスの制御構成例を示すブロック図である。
図示するように、超音波プローブＩは、圧電素子１７が駆動回路２０１に電気的に接続されてなる超音波センサー１と、超音波センサー１の駆動を制御する制御装置２００とを含んで構成されている。制御装置２００は、外部インターフェース（外部Ｉ／Ｆ）２０２と、各種データを一時的に記憶するＲＡＭ２０３と、制御プログラム等を記憶したＲＯＭ２０４と、ＣＰＵ等を含む制御部２０５と、クロック信号を発生する発振回路２０６と、超音波センサー１へ供給するための駆動信号を発生する駆動信号形成回路２０７と、この駆動信号形成回路２０７で使用するための電源を生成する電源生成部２０８と、クロック信号や駆動信号等を駆動回路２０１に送信する内部インターフェース（内部Ｉ／Ｆ）２０９とを含んで構成されている。
このうち、電源生成部２０８は、駆動信号形成回路２０７に対し、駆動電源を供給する。そして、駆動信号形成回路２０７は、電源生成部２０８が生成した駆動電源に基づいて駆動信号を生成する。
また、超音波センサー１の駆動回路２０１には、接続配線（不図示）を介して、各部からＣＯＭ信号や駆動波形、更に、所定のセンサー制御信号（クロック信号（ＣＬＫ）、ラッチ信号（ＬＡＴ）、チェンジ信号（ＣＨ）、画素データ（ＳＩ）、設定データ（ＳＰ）等）等が入力される。
制御装置２００は、公知の構成からなるマイクロコンピュータを中心に構成されている。制御装置２００の各部の動作は、具体的には、マイクロコンピュータによるプログラムの実行によって実現される。上記の制御装置２００を具備することで、本実施形態に係る圧電素子１７の駆動方法を実現できる圧電素子応用デバイス（超音波センサー１）が提供される。
（超音波センサーの駆動方法）
超音波センサー１は、上述した駆動回路２０１から第１電極１４及び第２電極１６の何れか一方にＣＯＭ信号が、他方に所定の駆動波形（入力波形）がそれぞれ入力されることで、圧電素子１７に電圧が印加され、圧電体層１５に分極が生じて圧電素子１７及び振動板５０が変位して、超音波の送受信が行われる。
ここで、所定の駆動波形とは、ＣＯＭ信号が入力される電極に対して他方の電極に印加される電位状態を示す波形であり、圧電素子１７を基準となる状態（基準電位）から変位（又は変形）させた後、再び基準となる状態に戻すように圧電素子１７を駆動する、一連の駆動電圧の変化を示す波形の単位である。圧電素子１７を基準となる状態から変位（又は変形）させた後、再び基準となる状態へ戻すための駆動は、第１電極１４と第２電極１６との間に印加される電圧（即ち、圧電体層１５に印加される電圧）を変化させる一連の工程によって実施される。以下、より詳細に説明する。
図１３は、超音波センサーの駆動波形の一例である。図示するように、超音波センサー１の駆動波形１００は、次のような第１工程Ｐ１〜第５工程Ｐ５を含む。即ち、第１の電位Ｖ１によって圧電素子１７の分極を維持する第１工程Ｐ１と、第１工程Ｐ１の後、最大電位ＶＨと最小電位ＶＬを少なくとも１回ずつ付与することによって圧電素子１７に超音波を送信させる第２工程Ｐ２と、第２工程Ｐ２の後、第２の電位Ｖ２で圧電素子１７を待機させる第３工程Ｐ３と、第３工程Ｐ３の後、第３の電位Ｖ３を付与することによって圧電素子１７に超音波を受信させる第４工程Ｐ４と、次回の工程に続く第５工程Ｐ５とで構成される。
第１工程Ｐ１では、超音波センサー１の駆動波形１００が駆動回路２０１から第１電極１４及び第２電極１６に入力されると、圧電素子１７に電圧Ｖａが印加され、電位は電圧Ｖａが印加される前の基準電位（０Ｖ）から第１の電位Ｖ１に上昇し、圧電体層１５に分極が生じる。そして、第１工程Ｐ１では、第１の電位Ｖ１が所定時間保持され、圧電素子１７の分極が維持される。
次いで、第２工程Ｐ２では、第１工程Ｐ１において圧電素子１７の分極が維持された状態（第１の電位Ｖ１を保持）で、圧電素子１７に最大電圧Ｖｂが印加されると、電位は第１の電位Ｖ１から最大電位ＶＨに上昇する。その後、圧電素子１７に最小電圧Ｖｃが印加されると、電位は最大電位ＶＨから最小電位ＶＬに下降し、電位の変化に伴って圧電素子１７の分極方向が揃う。第２工程Ｐ２では、圧電素子１７の分極方向が揃った状態で、圧電素子１７及び振動板５０が変位して測定対象物に超音波を送信させる。ただし、最大電圧Ｖｂ及び最小電圧Ｖｃの印加は、少なくとも１回ずつ行われればよく、各電圧の印加順序は問わない。
次いで、第３工程Ｐ３では、第２工程Ｐ２において圧電素子１７の分極方向が揃った状態（最小電位ＶＬを保持）で、圧電素子１７に電圧Ｖｄが印加されると、電位は最小電位ＶＬから第２の電位Ｖ２に上昇する。そして、第２の電位Ｖ２が所定時間保持され、圧電素子１７の分極が維持される。
ここで、圧電素子１７に印加される電圧Ｖｄは、第１工程Ｐ１において印加された電圧Ｖａと等しいため、第３工程Ｐ３でも第１工程Ｐ１と同等の電位が維持される。即ち、第３工程Ｐ３では、第２の電位Ｖ２が所定時間保持されることにより、圧電素子１７の分極が維持されて受信の準備が整った状態で待機させることができ、超音波の受信時におけるノイズを除去することができる。
次いで、第４工程Ｐ４では、第３工程Ｐ３において圧電素子１７の待機状態（第２の電位Ｖ２を保持）で、圧電素子１７に電圧Ｖｅが印加されると、電位は第２の電位Ｖ２から第３の電位Ｖ３に下降し、圧電体層１５の分極が緩和される。そして、第３の電位Ｖ３が所定時間保持されることにより、圧電素子１７の分極緩和状態が維持され、圧電素子１７における圧電体層１５の硬度が下がって撓みやすくなる。そして、かかる状態で維持された圧電素子１７に測定対象物からの超音波（反射波）を受信させることにより、受信感度を向上させることができる。
なお、第４工程Ｐ４における超音波の受信のタイミングは、超音波センサー１と測定対象物との距離に応じて適宜変更され得る。例えば、測定対象物が臓器の場合には、その深さに応じて受信のタイミングが変わり、それに応じて超音波センサー１の駆動波形１００が変更される。
次いで、次回の工程に続く第５工程Ｐ５では、次工程における電圧（ここでは、圧電素子１７に分極を生じさせる電圧）を印加して電位を変化させ、圧電素子１７が分極を保持した状態から超音波の送受信が可能となるように準備する。
ここで、超音波センサー１の駆動波形１００においては、第１の電位Ｖ１、最大電位ＶＨ、最小電位ＶＬ、第２の電位Ｖ２及び第３の電位Ｖ３の各電位の中で、最大電位ＶＨが最も高く設定され、最小電位ＶＬが最も低く設定されている。このような設定により、双極子の持つ分極に変化が加わり圧電体層１５の分極方向を揃えることができる。
超音波センサー１の駆動波形１００では、第１の電位Ｖ１と第２の電位Ｖ２は、互いに等しくなるように設定されている。即ち、超音波センサー１の駆動波形１００を用いて駆動させた場合には、第１工程Ｐ１で圧電素子１７の分極を維持し、第２工程Ｐ２で超音波の送信動作を行い、第３工程Ｐ３で圧電素子１７の分極を再度維持し、第４工程Ｐ４で受信動作を行うため、常に圧電素子１７の分極を維持した状態で送受信動作を行うことになる。従って、超音波センサー１の感度のばらつきを抑制することができる。
また、超音波センサー１の駆動波形１００では、第３の電位Ｖ３は、第１の電位Ｖ１及び第２の電位Ｖ２よりも低くなるように設定され、特に、第３の電位Ｖ３の下限値は、第１の電位Ｖ１及び第２の電位Ｖ２に対して４０％以内の電位に設定されることが好ましい。即ち、常に圧電素子１７の分極を維持する中で、電極保持電位（第１の電位Ｖ１及び第２の電位Ｖ２）より低い電位（第３の電位Ｖ３）を所定時間保持する工程（第４工程Ｐ４）を設けることで、圧電体層１５の硬度が下がって撓みやすくなる。そして、かかる状態で圧電素子１７に測定対象物からの超音波（反射波）を受信させることにより、圧電体層１５の歪みに対する分極の変化量が大きくなる。その結果、圧電素子１７の起電圧が高くなることにより、受信感度を向上させることができる。
更に、超音波センサー１の駆動波形１００では、各工程における処理後の圧電体層１５の比誘電率εｒが後述の値となるように、各工程における電位を適宜設定されることが好ましい。即ち、好適な電位設定により、第１工程Ｐ１及び第３工程Ｐ３における圧電体層１５の比誘電率をεｒ１、第２工程Ｐ２において最大電位ＶＨとした圧電体層１５の比誘電率をεｒ２、第４工程Ｐ４における圧電体層１５の比誘電率をεｒ３としたとき、εｒ１はεｒ２よりも大きく（εｒ１＞εｒ２）、εｒ３はεｒ２と略等しく（εｒ３≒εｒ２）なる。ここで、「εｒ３はεｒ２と略等しい」とは、εｒ３とεｒ２が等しい場合（εｒ３＝εｒ２）の他、εｒ３がεｒ２を超えない程度である場合（εｒ３＜εｒ２）も含む。より詳細には、εｒ３は、εｒ２に対して９５％以上１００％以下である。
（メカニズム）
（Ｉ．起電圧を決定する因子）
圧電体膜（薄膜の圧電体層１５）に外部応力が印加されて膜が歪むと、膜内に存在する分極量が変化する（双極子の電極間距離が変化する）。分極の変化量に応じて、圧電体表面には電荷が発生し、これを補償する電荷が外部から電極表面に供給される。これが起電圧である。従って、起電圧ΔＶは下記式（１）及び（２）に基づき、下記式（３）のように定まる。なお、下記式（１）〜（３）において、Ｐは分極量、ε０は真空の誘電率、εｒは圧電体の比誘電率、Ｅは電界強度、ΔＰは分極の変化量、ΔＥは電界強度の変化量、ｄは圧電体の膜厚をそれぞれ示す。
Ｐ＝ε０εｒＥ ・・・（１）
ΔＰ＝ε０εｒΔＥ ・・・（２）
ΔＶ＝ΔＰｄ／ε０εｒ ・・・（３）
起電圧の大きさを左右する因子は、分極の変化量ΔＰ、膜厚ｄ、及び比誘電率εｒである。即ち、圧電体の組成と振動板の構成が同一（膜厚ｄと比誘電率εｒが固定）であるとき、起電圧の高低（良し悪し）を左右するのは分極の変化量ΔＰである。
分極の変化量ΔＰは、分極Ｐの大きさに依存する。従って、バルク圧電体の場合には、圧電体膜を分極処理することで分極を発生させることは必須である。一方、薄膜圧電体（薄膜の圧電体層１５）の場合には、薄膜作製時における各処理（加熱等）によって分極が起こり、分極処理を施さなくても分極を有しているが、この所謂自然分極の大きさは極めて小さいので、分極処理は必要である。
しかしながら、薄膜圧電体に分極が発生すると、膜は分極の大きさを変化させる外力に対しては抗力を発揮するようになる。即ち、分極量に応じたヤング率の増大が発現する。膜が硬化すると、分極の変化量ΔＰは減少する。従って、起電圧ΔＶを向上させるためには分極の変化量ΔＰを大きくすればよいが、分極量Ｐが大きければよいという訳ではない。つまり、分極の変化量ΔＰを大きくするためには、分極量Ｐを程よい大きさに保ち、且つ膜のヤング率を小さくすることが望ましい。
（ＩＩ．分極と膜のヤング率の関係）
圧電体膜（薄膜の圧電体層１５）のヤング率は一定ではなく、膜中に発生する分極の大きさによって変化する。ここで、ヤング率とは、膜に印加される応力と膜に発生する歪みとの比であるが、分極が生じると分極が変化するときに圧電体表面に電荷が生じる。この発生電荷によって新たに電界が発生するが、この電界は変化した分極を復元する様に働く。即ち、同じ応力に対して膜は歪み難くなり、膜のヤング率は分極が大きい程大きくなる。
本願発明者らは、このことを実験により確かめた。後述の試験例１において、詳細に説明する。
（試験例１）
試験例１では、後述する超音波センサー１を用いて実験を行った。図１４は、比誘電率εｒの電界依存性と圧電定数ｄ３３の電界依存性とから、比誘電率の平方根（√（εｒ））と圧電定数ｄ３３の関係を求めた図である。ここで、圧電性の指標である圧電定数ｄ３３は、比誘電率εｒに対し下記式（４）の関係を持つ。なお、ｋ３３は電気機械結合係数、Ｙ３３はヤング率である。また、下付きの数字は方位を表し、前記３３であれば、圧力と電圧方位が同一方向であることを示す。
ｄ３３＝ｋ３３［√（εｒ）／√（Ｙ３３）］ ・・・（４）
図１４では、グラフの傾きが一定である領域が３つ存在する。グラフの傾きは、電気機械結合係数ｋ３３とヤング率Ｙ３３の平方根の比で決まる（式（４）参照）が、圧電体層１５のリーク電流は印加電圧０Ｖ〜３０Ｖの範囲で一定であるから、電圧印加時の熱損失は変化がないと考えるのが妥当である。従って、電気機械結合係数ｋ３３は一定であると推定される。
このことから、ヤング率Ｙ３３（同時に圧電定数ｄ１１に関係するヤング率Ｙ１１も）は、電界を印加するのにつれて小さくなり、薄膜の圧電体層１５（ＰＺＴ膜）が軟化し、比誘電率が最大値を超えると、ヤング率Ｙ３３は大きくなり、逆にＰＺＴ膜が硬化することが分かる。比誘電率が最大となる電界は、分極の回転が終了する電界である。試験例１では、ＰＺＴ膜の膜厚を１２００ｎｍに設定しており、比誘電率が最大となる電圧は８Ｖであることが確認できた。
次に、下記超音波素子について、実施例１及び比較例１の各入力パルス（駆動波形）を用いて反射受信電圧をそれぞれ測定した。
（超音波センサーの構造）
基本的な構造は、上述した超音波センサー１と同様な構造であり、圧電体層１５は、厚さ１２００ｎｍのＰＺＴとし、開口部１８は大きさが３３μｍ×６６μｍでアスペクト比１：２の長方形であり、開口部１８毎に超音波素子１０（圧電素子１７）が形成されている。また、超音波センサー１は、１チャンネル３６セグメントであり、全６４チャンネルを有する。
（実施例１）
実施例１では、水中において、超音波センサー１の１チャンネル３６セグメントの超音波素子１０に、図１５に示す入力パルス（駆動波形）１００ａを入力して超音波を送信し、２０ｍｍ先のＳＵＳ板から反射された超音波を受信し、オシロスコープで反射受信電圧を計測した。
図１５に示す入力パルス１００ａは、第１の電位１０Ｖによって圧電素子１７の分極を維持する第１工程Ｐ１と、第１工程Ｐ１の後、最大電位２０Ｖを２回と最小電位０Ｖを１回付与することによって圧電素子１７に超音波を送信させる第２工程Ｐ２と、第２工程Ｐ２の後、第２の電位１０Ｖで圧電素子１７を待機させる第３工程Ｐ３と、第３工程Ｐ３の後、第３の電位８Ｖを付与することによって圧電素子１７に超音波を受信させる第４工程Ｐ４と、第１工程Ｐ１に続く第５工程Ｐ５とからなる、モノポーラの波形であり、第１の電位１０Ｖ、最大電位２０Ｖ、最小電位０Ｖ、最大電位２０Ｖ、第２の電位１０Ｖ、及び第３の電位８Ｖであり、周波数７．５ＭＨｚの１．５波の波形を１０ｋＨｚ間隔で繰り返す波形である。なお、入力パルス１００ａにおける第３の電位は、試験例１により得られた比誘電率が最大となる電圧（８Ｖ）を用いた。
（比較例１）
図１６に示す入力パルス（駆動波形）１００ｂを入力した以外は実施例１と同様にして、オシロスコープで反射受信電圧を計測した。
図１６に示す入力パルス１００ｂは、実施例１の入力パルス１００ａにおける第４工程Ｐ４を含んでおらず、分極電位（第１の電位１０Ｖ）と受信電位が同一であり、第１の電位１０Ｖ、最大電位２０Ｖ、最小電位０Ｖ、最大電位２０Ｖ、及び第２の電位１０Ｖであり、周波数７．５ＭＨｚの１．５波の波形を１０ｋＨｚ間隔で繰り返す波形である。
反射波を受信する際の振動板５０の変位量は、実施例１及び比較例１共に同一（１００ｎｍ）であった。その変位量から圧電体層１５に振動板５０（圧電体層１５以外）から加わる応力（即ち圧電素子１７の発生応力）を求めた結果と測定された起電圧を、下記表１に示した。
表１に示した通り、実施例１及び比較例１では、発生応力は同一であるが、電極表面に発生する起電圧は、比較例１が３０ｍＶであるのに対して、実施例１では５０ｍＶを達成し、相違が認められた。これは、実施例１は比較例１と比べて受信感度が高いことを示している。
また、実施例１では、常に圧電素子１７の分極を維持した状態で送受信動作を行うので、超音波センサー１の感度のばらつきを抑制することができる。
（実施例２）
実施例２では、上述の超音波センサー１に図１５に示す入力パルス（駆動波形）１００ａを入力して最大電位を２０Ｖに固定したまま、第１の電位を１５Ｖと１０Ｖに可変し、第３の電位と起電圧との関係を調べた。
図１７は、実施例２の第３の電位と起電圧との関係を示した図である。図示するように、第３の電位が第１の電位より低い領域、特に第３の電位が概ね４Ｖから１０Ｖ程度の範囲（図中の範囲Ｔ）で起電圧が高くなる。即ち、かかる範囲Ｔにおいて、第３の電位＝１０Ｖのときより起電圧が向上する。第１の電位の電位のみを上げたときの起電圧を向上させる効果は小さいことが分かる。例えば、第１の電位＝第３の電位＝１０Ｖと、第１の電位＝第３の電位＝１５Ｖの起電圧を比べると、３０ｍＶが３５ｍＶへ増加しているだけである。即ち、分極量を増大させるだけでは起電圧は上昇しない。
実施例２によれば、少なくとも第３の電位の下限値を第１の電位の４０％以内に設定することで、分極量を増大させ、且つ、起電圧を上昇させることができる。従って、起電圧を上昇させて、超音波センサー１の受信感度を向上させることができる。
（他の実施形態）
以上説明した各本実施形態では説明は省略したが、例えば、振動板５０の圧電素子１７とは反対側が、測定対象物に向けて発信される超音波や測定対象物から反射した超音波（エコー信号）の通過領域となる構成とすることができる。これによれば、振動板５０の圧電素子１７とは反対側の構成を簡素化させ、超音波等の良好な通過領域を確保できる。また、電極や配線等の電気的領域や各部材の接着固定領域を測定対象物から遠ざけて、これらと測定対象物との間での汚染や漏れ電流を防止しやすくなる。従って、汚染や漏れ電流を特に嫌う医療用の機器、例えば超音波診断装置、血圧計及び眼圧計にも好適に適用できる。
更に、上述した各実施形態では省略したが、圧電素子１７を含む領域を封止する封止板を基板１１に接合するのが好ましい。これによれば、圧電素子１７を物理的に保護でき、また超音波センサー１の強度も増加するため、構造安定性を高めることができる。更に、圧電素子１７が薄膜として構成される場合には、その圧電素子１７を含む超音波センサー１のハンドリング性も向上させることができる。
また、上述した各実施形態では、開口部１８は、圧電素子１７毎に形成した例を示したが、これに限定されず、複数の圧電素子１７に対応して開口部１８を形成してもよい。例えば、スキャン方向（Ｘ方向）に亘って並設される圧電素子１７の列に共通する開口部１８を設けてもよく、又は全体に１つの開口部１８としてもよい。なお、このような複数の圧電素子１７に対して共通する開口部１８を設けた場合には、圧電素子１７の振動状態が異なるようになるが、振動板５０の基板１１とは反対側から、各圧電素子１７の間を押さえ込む部材等を設けて、独立した開口部１８を設けた場合と同様な振動を行うようにしてもよい。
本発明の超音波センサーは、種々の圧力センサーとして用いることができる。例えば、プリンター等の液体噴射装置において、インクの圧力を検知するセンサーとしても適用できる。また、本発明の超音波センサーの構成は、超音波モーター、圧電トランス、振動式ダスト除去装置、圧力電気変換機、超音波発信機及び加速度センサー等に好適に応用できる。この種の超音波センサーの構成を利用して得られた完成体、例えば、上記の超音波センサーを搭載したロボット等も、超音波デバイスに含まれる。
ここで、上述した超音波センサーを用いた超音波診断装置の一例について説明する。図１８は超音波診断装置の一例の概略構成を示す斜視図、図１９は超音波プローブを示す平面図である。
図１８に示すように、超音波診断装置１０１は、装置端末１０２と超音波プローブ（プローブ）１０３とを備える。装置端末１０２と超音波プローブ１０３とはケーブル１０４で接続される。装置端末１０２と超音波プローブ１０３とはケーブル１０４を通じて電気信号をやり取りする。装置端末１０２にはディスプレイパネル（表示装置）１０５が組み込まれる。ディスプレイパネル１０５の画面は、装置端末１０２の表面に露出する。装置端末１０２では、超音波プローブ１０３の超音波センサー１（図１９参照）から送信され、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は、ディスプレイパネル１０５の画面に表示される。
図１９に示すように、超音波プローブ１０３は、筐体１０６を有する。筐体１０６内には、複数の超音波素子１０（図２参照）がＸ方向及びＹ方向の二次元に配列された超音波センサー１が収納される。超音波センサー１は、その表面が筐体１０６の表面に露出するように設けられる。超音波センサー１は、表面から超音波を出力すると共に、超音波の反射波を受信する。また、超音波プローブ１０３は、プローブ本体１０３ａに着脱自在となるプローブヘッド１０３ｂを備えることができる。このとき、超音波センサー１は、プローブヘッド１０３ｂの筐体１０６内に組み込むことができる。
Ｉ…超音波プローブ、１…超音波センサー、２…ＦＰＣ基板、３…ケーブル、４…中継基板、５，１０６…筐体、６…耐水性樹脂、１０…超音波素子、１１…基板、１２…弾性膜、１３…絶縁体膜、１４…第１電極、１５…圧電体層、１６…第２電極、１７…圧電素子、１８…開口部、１９…隔壁、２０…空間、３０…音響整合層、３１…レンズ部材、３２…圧電素子保持部、４０…包囲板、４０ａ…包囲板の縁部、４０ｂ…包囲板の圧電素子側の面、４１…支持部材、５０…振動板、５０ａ…第１面、５０ｂ…第２面、７１…凹部、７４…圧電体膜、１００…超音波センサーの駆動波形、１００ａ，１００ｂ…入力パルス（駆動波形）、１０１…超音波診断装置、１０２…装置端末、１０３…超音波プローブ（プローブ）、１０３ａ…プローブ本体、１０３ｂ…プローブヘッド、１０４…ケーブル、１０５…ディスプレイパネル（表示装置）、２００…制御装置、２０１…駆動回路、２０２…外部インターフェース（外部Ｉ／Ｆ）、２０３…ＲＡＭ、２０４…ＲＯＭ、２０５…制御部、２０６…発振回路、２０７…駆動信号形成回路、２０８…電源生成部、２０９…内部インターフェース（内部Ｉ／Ｆ）

Claims (4)

  1. 第１電極と、第２電極と、これらの間に設けられた厚さ０．３μｍ以上１．５μｍ以下の薄膜の圧電体層とを備えた圧電素子と、
    前記圧電素子を駆動する駆動回路と
    を有する超音波センサーであって、
    前記駆動回路は、
    第１の電位Ｖ１によって前記圧電素子の分極を維持する第１工程と、
    前記第１工程の後、最大電位ＶＨと最小電位ＶＬを少なくとも１回ずつ付与することによって、前記圧電素子に超音波を送信させる第２工程と、
    前記第２工程の後、第２の電位Ｖ２で前記圧電素子を待機させる第３工程と、
    前記第３工程の後、第３の電位Ｖ３を付与することによって、前記圧電素子に超音波を受信させる第４工程と
    を有する駆動波形によって、前記圧電素子を駆動し、
    前記最大電位ＶＨ、第１の電位Ｖ１、第２の電位Ｖ２、第３の電位Ｖ３及び最小電位ＶＬの中で、前記最大電位ＶＨが最も高く、前記最小電位ＶＬが最も低く、
    前記第１の電位Ｖ１及び第２の電位Ｖ２は同じ電位であり、
    前記第３の電位Ｖ３は、前記第１の電位Ｖ１及び第２の電位Ｖ２よりも低い電位であることを特徴とする超音波センサー。
  2. 前記第１工程及び前記第３工程における圧電体層の比誘電率をεｒ１、前記第２工程において前記最大電位ＶＨとした圧電体層の比誘電率をεｒ２、前記第４工程における圧電体層の比誘電率をεｒ３としたとき、εｒ１はεｒ２よりも大きく、εｒ３はεｒ２に対して９５％以上１００％以下であることを特徴とする請求項１に記載の超音波センサー。
  3. 第１の電位Ｖ１によって圧電素子の分極を維持する第１工程と、
    前記第１工程の後、最大電位ＶＨと最小電位ＶＬを少なくとも１回ずつ付与することによって、前記圧電素子に超音波を送信させる第２工程と、
    前記第２工程の後、第２の電位Ｖ２で前記圧電素子を待機させる第３工程と、
    前記第３工程の後、第３の電位Ｖ３を付与することによって、前記圧電素子に超音波を受信させる第４工程と
    を有し、
    前記最大電位ＶＨ、第１の電位Ｖ１、第２の電位Ｖ２、第３の電位Ｖ３及び最小電位ＶＬの中で、前記最大電位ＶＨが最も高く、前記最小電位ＶＬが最も低く、
    前記第１の電位Ｖ１及び第２の電位Ｖ２は同じ電位であり、
    前記第３の電位Ｖ３は、前記第１の電位Ｖ１及び第２の電位Ｖ２よりも低い電位である駆動波形によって、前記圧電素子を駆動することを特徴とする圧電素子の駆動方法。
  4. 前記第１工程及び前記第３工程における圧電体層の比誘電率をεｒ１、前記第２工程において前記最大電位ＶＨとした圧電体層の比誘電率をεｒ２、前記第４工程における圧電体層の比誘電率をεｒ３としたとき、εｒ１はεｒ２よりも大きく、εｒ３はεｒ２に対して９５％以上１００％以下であることを特徴とする請求項３に記載の圧電素子の駆動方法。
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