(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動膜と、
前記振動膜の一面側に配置された圧電体と、
前記圧電体において前記振動膜とは反対側の側面上に、第１電極と第２電極とが所定間隔のギャップをあけて配置された水平電極構造と、
を備え、
前記振動膜は、前記一面側とは反対の他面側に、平面視において、前記ギャップに対応する部分を通り、前記第１電極と前記第２電極とを結ぶ電極配置方向に交差する方向に、当該方向の前記圧電体の長さより長い長さの溝状凹部を有する、
圧電素子。
【請求項２】
前記振動膜は、第１材料の第１層と第２材料の第２層とが積層されて構成され、
前記圧電体は、前記振動膜の前記第２層の側である前記一面側に配置され、
前記溝状凹部は、深さが、前記第１層の厚さ未満である、
請求項１に記載の圧電素子。
【請求項３】
前記溝状凹部の幅は、前記ギャップの間隔以上の長さである、
請求項１又は２に記載の圧電素子。
【請求項４】
前記振動膜は、前記溝状凹部と前記溝状凹部以外との境界部分が段差状に形成され、前記溝状凹部の底面が平面状に形成されている、
請求項１〜３の何れか一項に記載の圧電素子。
【請求項５】
前記圧電体は、前記ギャップの部分に凹部を有する、
請求項１〜４の何れか一項に記載の圧電素子。
【請求項６】
前記圧電体が有する凹部は、前記振動膜の溝状凹部の溝方向に平行な溝状の凹部である、
請求項５に記載の圧電素子。
【請求項７】
前記振動膜の溝状凹部を挟むようにして設けられた前記振動膜を支持する側壁部、
を更に備え、
前記溝状凹部の幅は、前記側壁部の間隔の０．３倍以上０．８倍以下の長さである、
請求項１〜６の何れか一項に記載の圧電素子。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか一項に記載の圧電素子を備えた超音波を受信するためのプローブ。
【請求項９】
請求項８に記載のプローブを備えた超音波測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水平電極構造を有する圧電素子等に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波と電気信号とを変換する圧電素子（超音波変換器）の一例として、圧電体の上面と下面に電極を設けた、いわゆる上下電極構造の圧電素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。超音波を受けて電気信号を発生させる圧電素子の原理は、超音波による弾性波を感受した圧電体がひずむことで、そのひずみに応じて表面電荷が生成され、２つの電極間に電位差（電圧）が生じることにある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２７１８９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
圧電体の構造には、上述の上下電極構造のほか、圧電体の一側面に２つの電極を設ける、いわゆる水平電極構造が知られている。水平電極構造の圧電素子には、上下電極構造の圧電素子と比較して受信感度が良いという利点がある。
【０００５】
圧電素子は、例えば、人体に超音波を照射してその反射波を受信することで生体情報を測定する超音波測定装置に用いられる。超音波測定装置では、超音波の照射強度が高いほど、受信強度も高くなり、より高精度の生体情報が得られるが、人体への影響を最小限に抑えるため、照射強度は可能な限り低くしたい。このため、超音波の反射波を受信する圧電素子における受信感度の更なる向上が求められている。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、水平電極構造の圧電素子において、受信感度を向上させる新たな技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための第１の発明は、振動膜と、前記振動膜の一面側に配置された圧電体と、前記圧電体上に所定間隔をおいて電極が配置された水平電極構造と、を備え、前記振動膜は、平面視において前記所定間隔に対応する部分に凹部を有する圧電素子である。
【０００８】
この第１の発明によれば、水平電極構造の圧電素子の受信感度を向上させることができる。すなわち、電極間の所定間隔に対応する振動膜の部分に凹部を有することで、弾性波を受感する際のひずみが凹部の部分、すなわち電極間の所定間隔に集中するため、圧電体の電極間部分が主だってひずむこととなり、電位差（電圧）が増加し、受信感度が向上する。
【０００９】
第２の発明として、第１の発明の圧電素子であって、前記水平電極構造の電極配置方向に沿った前記凹部の幅は、前記所定間隔以上の長さである、圧電素子を構成しても良い。
【００１０】
この第２の発明によれば、振動膜の凹部の幅を、電極間の所定間隔以上の長さとすることで、電極間の所定間隔全体にひずみを集中させることができる。
【００１１】
具体的には、第３の発明として、第１又は第２の発明の圧電素子であって、前記所定間隔は、２μｍ以上８μｍ以下である、圧電素子を構成しても良い。
【００１２】
第４の発明として、第１〜第３の何れかの発明の圧電素子であって、前記振動膜は、前記凹部と前記凹部以外との境界部分が段差状に形成され、前記凹部の底面が平面状に形成されている、圧電素子を構成しても良い。
【００１３】
この第４の発明によれば、振動膜の凹部と凹部以外との境界部分で弾性波を受感した際のひずみの大きさが大きく変化することから、振動膜の凹部の部分にひずみをより集中させることができる。
【００１４】
第５の発明として、第１〜第４の何れかの発明の圧電素子であって、前記凹部は、前記水平電極構造の電極配置方向に交差する方向に延びる溝状である、圧電素子を構成しても良い。
【００１５】
この第５の発明によれば、振動膜の凹部を溝状とすることで、溝を挟んだ左右の間で相対的なひずみが生じ易い状況が生じる。すなわち、溝方向に交差する方向へひずみ易くなるため、弾性波を受感した際のひずみが電極間の所定間隔の部分により集中し、圧電体の電極間部分が主だってひずむこととなり、更なる受信感度の向上が見込める。
【００１６】
第６の発明として、第１〜第５の何れかの発明の圧電素子であって、前記圧電体は、前記所定間隔の部分に凹部を有する、圧電素子を構成しても良い。
【００１７】
この第６の発明によれば、電極間の間隔に相当する圧電体の部分にも凹部を有することで、振動膜の凹部の部分と相まって、弾性波を受感する際の応力を電極間の部分である圧電体の凹部により集中させることができ、受信感度の更なる向上が見込める。
【００１８】
第７の発明として、第５の発明の圧電素子であって、前記圧電体は、前記所定間隔の部分に、前記振動膜の凹部の溝方向に平行な溝状の凹部を有する、圧電素子を構成しても良い。
【００１９】
この第７の発明によれば、電極間の間隔に相当する圧電体の部分にも、振動膜の凹部の溝方向に平行な溝状の凹部を有することで、振動膜の凹部の部分と相まって、弾性波を受感する際の応力を電極間の部分である圧電体の凹部により集中させることができ、受信感度の更なる向上が見込める。
【００２０】
第８の発明として、第１〜第７の何れかの発明の圧電素子であって、前記振動膜の凹部を挟むようにして設けられた前記振動膜を支持する側壁部、を更に備え、前記振動膜の凹部の幅は、前記側壁部の間隔の０．３倍以上０．８倍以下の長さである、圧電素子を構成しても良い。
【００２１】
この第８の発明によれば、振動膜の凹部の幅を、当該凹部を挟むように設けられた側壁部の間隔の０．３倍以上０．８倍以下の長さとすることで、受信感度を効果的に向上させることができる。
【００２２】
第９の発明として、振動膜と、前記振動膜の一面側に配置された圧電体と、前記圧電体上に所定間隔をおいて電極が配置された水平電極構造と、を備え、前記圧電体の面内ひずみが平面視において前記所定間隔に対応する部分とその隣接部分との間で急峻に変化し、且つ、当該部分のほうが面内ひずみが大きくなる、ように構成されている圧電素子を構成しても良い。
【００２３】
この第９の発明によれば、電極間に相当する圧電体の部分に面内ひずみを集中させることで、電極間に生じる電圧が増加して受診感度を向上させることができる。
【００２４】
第１０の発明として、第１〜第９の何れかの発明の圧電素子を備えた超音波を受信するためのプローブを構成しても良い。
【００２５】
この第１０の発明によれば、第１〜第９の何れかの発明の効果を有する圧電素子によって超音波を受信し、電気信号として出力するプローブを実現できる。よって、受信感度の高いプローブを実現できる。
【００２６】
第１１の発明として、第１０の発明のプローブを備えた超音波測定装置を構成しても良い。
【００２７】
この第１１の発明によれば、第１０の発明の効果を有する超音波測定装置を実現できる。よって、超音波の照射強度を高めずとも、高精度な測定を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】超音波測定装置の概略構成及び超音波プローブの上面を示す図。
【図２】超音波プローブの下面を示す図。
【図３】超音波デバイスユニットの概念構成図。
【図４】圧電素子（受信素子）の平面図。
【図５】圧電素子の断面図。
【図６】圧電素子の他の構成例。
【図７】凹部の有無が異なる受信素子の構成図。
【図８】凹部の有無受信感度の違いを示すグラフ。
【図９】凹部の有無が異なる受信素子の構成図、
【図１０】凹部の有無による面内ひずみの違いを示すグラフ。
【図１１】圧電素子の構成図。
【図１２】面内ひずみの各方向成分のグラフ。
【図１３】圧電素子の他の構成例。
【図１４】第１凹部の幅が異なる圧電素子の構成図。
【図１５】第１凹部の幅による受信感度の違いを示すグラフ。
【図１６】圧電素子の他の構成例。
【図１７】圧電素子の他の構成例。
【図１８】圧電素子の他の構成例。
【図１９】圧電素子の他の構成例。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
（１）超音波診断装置
図１は、本実施形態における超音波測定装置１の概略構成及び超音波プローブ２０の上面を示す図である。図１によれば、超音波測定装置１は、超音波を用いて被検者の生体情報を測定する電子機器であり、装置本体１０と、超音波プローブ２０とを備えて構成される。装置本体１０と超音波プローブ２０とはケーブル１２で接続されており、装置本体１０から超音波プローブ２０へ駆動信号が送信されるとともに、超音波プローブ２０から装置本体１０へ検出信号が送信される。
【００３０】
また、装置本体１０には表示装置１４が接続されている。表示装置１４は、ディスプレイパネル１６を有しており、このディスプレイパネル１６に、装置本体１０からの表示信号に従って、例えば超音波プローブ２０による検出信号に基づく画像を表示する。なお、表示装置１４を、装置本体１０と別体としたが、一体とする構造としてもよい。
【００３１】
（２）超音波プローブ
超音波プローブ２０は、表側体２６と裏側体２４とを相互に結合することで薄型直方体状の筐体２２を形成し、筐体２２の内部に超音波デバイスユニット４０（図３参照）を有している。表側体２６と裏側体２４との結合面の間に形成されたケーブル口２８を通じて、ケーブル１２が、筐体２２内部の超音波デバイスユニット４０に接続されている。超音波デバイスユニット４０は、装置本体１０からの駆動信号に従って超音波を送信するとともに、超音波の反射波を受信し、受信した反射波の信号を検出信号として装置本体１０に出力する。
【００３２】
図２は、超音波プローブ２０の下面図である。裏側体２４の中央部には音響整合部３０が設けられ、音響整合部３０を挟んで上下に密着部３２が設けられている。音響整合部３０の外面と密着部３２の外面とは、略面一の状態、或いは、音響整合部３０の外面の方が突出した状態に構成される。音響整合部３０及び密着部３２が被検者の測定対象部位の皮膚面に密着されて、超音波プローブ２０が貼り付けられる。超音波デバイスユニット４０は、筐体２２内の音響整合部３０の直下に位置するように設けられる。音響整合部３０は、例えばシリコン樹脂といった、生体の音響インピーダンス「１．５［ＭＲａｙｌ］」に近い音響インピーダンス（例えば、１．０〜１．５［ＭＲａｙｌ］）を有する材料で形成される。また、密着部３２は、例えば測定対象部位の皮膚面に着脱可能な接着材料で形成される。
【００３３】
（３）超音波デバイスユニット
図３は、超音波デバイスユニット４０の構成を概念的に示す図である。超音波デバイスユニット４０は、筐体２２の裏面側から見て（図２において）、音響整合部３０の直下に配置され、複数の超音波トランスデューサー４４が二次元アレイ状に配置された素子アレイ４２を有して構成される。すなわち、素子アレイ４２には、第１方向ＦＲ（スライス方向）に、Ｎ行の超音波トランスデューサー４４が並べられ、第１方向ＦＲと直交する第２方向ＳＲ（スキャン方向）に、Ｌ列の超音波トランスデューサー４４が並べられている。１つの超音波トランスデューサー４４は、超音波を送信する送信素子と、超音波の反射波を受信する圧電素子である受信素子とを含むトランスデューサー素子チップとして構成される。本実施形態は、超音波トランスデューサー４４のうちの受信素子に特徴を有するため、以下では、受信素子についてより詳細に説明する。
【００３４】
（４）受信素子となる圧電素子
受信素子は、圧電素子５０により構成される。図４は、圧電素子５０の平面図であり、図５は、図４のＡ−Ａ’矢視断面図である。図４，図５によれば、圧電素子５０は、振動膜５６と、振動膜５６の一面側に配置された圧電体５８と、圧電体５８の上面（振動膜５６側とは反対側の面）に配置された水平電極構造である第１電極６０及び第２電極６２と、を有して構成される。
【００３５】
振動膜５６は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）層５２と、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）層５４とが積層されて可撓膜を構成する。酸化シリコン層５２の代表的な膜厚として２００ｎｍ〜１５００ｎｍ、酸化ジルコニウム層５６の代表的な膜厚として２００ｎｍ〜１５００ｎｍを採用することができる。
【００３６】
圧電体５８は、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電材料で形成される。圧電体５８の代表的な膜厚として２００ｎｍ〜２０００ｎｍを採用することができる。圧電体５８の膜厚が２００ｎｍよりも薄くなると、圧電体焼成時に鉛（Ｐｂ）が下層へ抜ける量が多くなってしまう。また、圧電体５８の膜厚が２０００ｎｍよりも厚くなると、振動膜５６が撓みにくくなってしまう。何れの場合も、受信感度の低下を招く。
【００３７】
第１電極６０及び第２電極６２は、例えばイリジウム（Ｉｒ）等の導電材料で形成され、圧電体５８の上面に所定の間隔Ｗ２をおいて配置された水平電極構造を有する。第１電極６０及び第２電極６２の間隔Ｗ２は、２μｍ以上８μｍ以下とされる。また、第１電極６０は第１電極線７２に、第２電極６２は第２電極線７４に、それぞれ接続されている。
【００３８】
振動膜５６及び圧電体５８は、ともに平面視において矩形状であり、それぞれの各辺が平行且つ中心が一致するように形成されている。そして、第１電極６０及び第２電極６２は、圧電体５８の一辺に平行な中心線Ｍについて線対称となるように配置されている。
【００３９】
また、振動膜５６の他面側（圧電体５８の側とは反対側の面）には、圧電素子５０を支持し、弾性波である超音波を受感するためのキャビティ（開口部）７０を形成するために、側壁部であるシリコン側壁６８が振動膜５６の第１凹部６４を挟むように配置されている。
【００４０】
圧電素子５０は、超音波が、キャビティ７０と反対側、つまり図５において上方側から入力するように用いられる。電極配列方向における振動膜５６の共振周波数が、受信する超音波周波数ｆ０に対応する。例えば、超音波周波数ｆ０が２ＭＨｚ〜２０ＭＨｚの場合、シリコン側壁６８の間隔Ｗ１は、１５μｍ〜６０μｍであることが望ましい。圧電素子５０は、振動膜５６を筐体２０の裏面側に向けて配置され、音響整合部３０を介して弾性波（本実施形態では超音波）を受けて振動する。
【００４１】
（５）凹部
本実施形態の特徴として、圧電素子５０は、振動膜５６の他面側（圧電体５８の側とは反対側）に、平面視において圧電体５８の第１電極６０と第２電極６２との間隔（ギャップ）部分に重なるように第１凹部６４が形成され、その圧電体５８の第１電極６０と第２電極６２との間隔（ギャップ）部分に第２凹部６６が形成されている。第１凹部６４と第２凹部６６とは、圧電素子５０の表裏において対応する位置に設けられていることとなる。これらの第１凹部６４及び第２凹部６６によって、圧電素子５０の受信感度の向上が実現される。
【００４２】
図４，５において、第１凹部６４及び第２凹部６６は、ともに、水平電極構造の電極配置方向（Ｘ軸方向）に交差する方向（Ｙ軸方向）に伸びる溝状に形成されており、平面視（Ｚ軸正方向から負方向に見た場合）における圧電体５８の中心線Ｍについて線対称となっている。詳細には、第１凹部６４及び第２凹部６６は、ともに、当該凹部以外の部分との境界部分が段差状であり、凹部の底面が平面状に形成された直方体形状の溝状である。本実施形態において、第１凹部６４の短手方向（Ｘ軸方向）の長さは第１電極６０と第２電極６２との間隔Ｗ２に等しく、溝方向（Ｙ軸方向）の長さは間隔Ｗ２よりも長い長さであり、図４における振動膜５６の縦方向の長さに等しくなっている。また、第１凹部６４の深さＤ３は、振動膜５６の膜厚未満である。
【００４３】
また、本実施形態において、第２凹部６６の短手方向（Ｘ軸方向）の長さは、第１電極６０と第２電極６２との間隔Ｗ２に等しく（つまり、第１凹部６４の短手方向の長さと等しく）、溝方向（Ｙ軸方向）の長さは間隔Ｗ２よりも長い長さであり、図４における圧電体５８の縦方向の長さに等しくなっている。また、第２凹部６６の深さＤ４は、圧電体５８の膜厚未満である。
【００４４】
なお、図５では、第１凹部６４の深さＤ３が、振動膜５６の下層を形成する酸化シリコン層５２の膜厚未満である場合を示しているが、図６に示すように、第１凹部６４の深さＤ３が、酸化シリコン層５２の膜厚より大きく、酸化ジルコニウム層５４に達している場合も考えられる。
【００４５】
（６）受信処理
圧電素子５０による超音波の受信処理においては、第１電極線７２（第１電極６０ともいえる）と第２電極線７４（第２電極６２ともいえる）との間に、受信した超音波に応じた電位差の信号（すなわち電気信号）が表れ、検出信号として出力される。より具体的には、超音波トランスデューサー４４の送信素子から送信された超音波が被検者の生体内で反射し、その反射波（弾性波）を振動膜５６が受感して振動する。振動膜５６と圧電体５８とは一体に構成されているため、振動膜５６が超音波振動により変形することで、圧電体５８がひずむ。圧電体５８には、ひずみに応じた表面電荷が生成され、第１電極６０と第２電極６２との間に電位差（電圧）が表れ、これが第１電極６０と第２電極６２との間に生じる圧電効果による検出信号として取り出される。圧電素子５０別の検出信号は、超音波トランスデューサー４４単位で検出されるため、図３に示すようなドットマトリクスの単位で検出信号が得られる。
【００４６】
（７）凹部による受信感度
続いて、圧電素子に凹部を設けることによる受信感度の改善について説明する。
【００４７】
（７ａ）溝の有無と深さ
図７，図８は、圧電素子５０における凹部の有無による受信感度の違いを説明するための図である。図７は、比較対象となる３種類の圧電素子５０Ａ〜５０Ｃの構造を断面図で示す図である。これらの圧電素子５０Ａ〜５０Ｃは、構造として凹部の有無が異なる。すなわち、圧電素子５０Ａは、図７（Ａ）に示すように凹部が形成されておらず、圧電素子５０Ｂは、図７（Ｂ）に示すように第１凹部６４のみが形成されており、圧電素子５０Ｃは、図７（Ｃ）に示すように第１凹部６４及び第２凹部６６が形成されている。なお、第１凹部６４及び第２凹部６６ともに、凹部の幅は水平電極構造の電極の間隔Ｗ２と同じとし、圧電素子５０Ｃが、本実施形態の圧電素子５０（図４，図５参照）に相当する。
【００４８】
そして、図８は、図７に示す３つの圧電素子５０Ａ〜５０Ｃについて、シミュレーションによって求めた受信感度を示すグラフである。このグラフの横軸は、ギャップ（水平電極構造の電極間隔部分）に対応する酸化シリコン層５２の膜厚Ｌ１（つまり、酸化シリコン層５２の膜厚Ｌ２から第１凹部６４の深さＤ３を差し引いた値）であり、縦軸は、受信感度である。このグラフ上の何れの点も、圧電素子５０の固有振動数が８．６ＭＨｚになるように、シリコン側壁６８の間隔Ｗ１を調節してある。
【００４９】
圧電素子５０Ｂ，５０Ｃについては、ギャップ（水平電極構造の電極間隔部分）に対応する酸化シリコン層５２の膜厚Ｌ１を、「０」から酸化シリコン層５２の膜厚Ｌ２までの範囲で変化させた場合、換言すると第１凹部６４の深さＤ３を変化させた場合の受信感度を求めた。但し、圧電素子５０Ｃについては、第２凹部６６の深さＤ４は、圧電体５８の膜厚の１／２で固定とした。圧電素子５０Ｂについて、第１凹部６４の深さＤ３を「０」（Ｄ３＝０）（すなわち、ギャップに対応する酸化シリコン層５２の膜厚Ｌ１を酸化シリコン層５２の膜厚Ｌ２（Ｌ１＝Ｌ２））とした場合が、圧電素子５０Ａにおける受信感度に相当する。
【００５０】
図８のグラフによれば、圧電素子５０Ｂ，５０Ｃともに、ギャップに対応する酸化シリコン層５２膜厚Ｌ１が小さく（薄く）なるにつれて（すなわち、第１凹部６４の深さＤ３が大きく（深く）なるにつれて）、受信感度が上昇することがわかる。また、膜厚Ｌ１が何れにおいても、圧電素子５０Ｃのほうが、圧電素子５０Ｂに比較して受信感度が良い。但し、膜厚Ｌ１の大きさに対する受信感度の変化の仕方は一様ではなく、膜厚Ｌ１が比較的厚い範囲（図８では、膜厚Ｌ２の約１／３以上の厚さ）では、膜厚Ｌ１が薄く（小さく）なるにつれて受信感度が一様に上昇するが、比較的薄い範囲（図８では、膜厚Ｌ２の約１／３以下の厚さ）では、受信感度はほぼ一定である。
【００５１】
（７ｂ）面内ひずみ
図９，図１０は、圧電素子５０における凹部の有無による圧電体５８に生じる“面内ひずみ”の違いを説明するための図である。図９は、比較対象となる２種類の圧電素子５０Ｄ，５０Ｅの構造を断面図で示す図である。これらの圧電素子５０Ｄ，５０Ｅは、構造として第１凹部６４の有無が異なる。すなわち、圧電素子５０Ｄは、図９（ａ）に示すように凹部が形成されていないが、圧電素子５０Ｅは、図９（ｂ）に示すように第１凹部６４が形成されている。なお、第１凹部６４の幅は水平電極構造の電極の間隔Ｗ２と同じとし、どちらの圧電素子５０Ｄ，５０Ｅも第２凹部６６は形成されていない。
【００５２】
そして、図１０は、図９に示した２つの圧電素子５０Ｄ，５０Ｅについて、シミュレーションによって求めた圧電体５８に生じる面内ひずみを示すグラフである。このとき、圧電体５０に上方より１気圧の圧力が印加されているとした。このグラフの横軸は、電極配置方向（Ｘ軸方向）に沿った位置であり、縦軸は、圧電体５８の上表面に生じる電極配置方向（Ｘ軸方向）のひずみ量である。なお、横軸は、図９（Ａ），（Ｂ）における圧電体５８の左右中心位置（水平電極構造の電極配置方向中心：第１凹部６４の溝方向に直交する方向における中心）を「０」としている。
【００５３】
図１０のグラフによれば、圧電素子５０Ｄ，５０Ｅともに、圧電体５８の中心に向かってひずみ量の大きさが大きくなるように変化している。詳細には、圧電素子５０Ｄについては、ひずみ量の大きさは、圧電体５８の端部から中央部に向けて滑らかに変化している。一方、圧電素子５０Ｅについては、第１凹部６４に相当する部分とその隣接部分との境界位置で、ひずみ量の大きさが急峻に変化しており、第１凹部６４に相当する部分では、それ以外の部分と比較して、ひずみ量の大きさが非常に大きくなっている。また、圧電素子５０Ｄ，５０Ｅそれぞれを比較すると、第１凹部６４に相当する部分については、圧電素子５０Ｄに比較して、圧電素子５０Ｅのひずみ量の大きさが非常に大きいが、第１凹部６４に相当する部分以外の部分では、圧電素子５０Ｄのほうが、圧電素子５０Ｅに比較してひずみ量が大きい。
【００５４】
つまり、圧電素子５０の振動膜５６に第１凹部６４を設けることで、この第１凹部６４に相当する圧電体５８の位置に面内ひずみが集中することがわかる。従って、ギャップ（水平電極構造の電極間隔部分）に相当する振動膜５６の部分に第１凹部６４を設けることで、圧電体５８のギャップ部分（水平電極構造の電極間隔部分）にひずみを集中させることができ、その結果、第１電極６０と第２電極６２との間に生じる電圧が増加して受信感度が向上する。
【００５５】
（７ｃ）面内ひずみ
図１１，図１２は、圧電素子５０の圧電体５８に生じる“面内ひずみ”の方向成分の違いを説明するための図である。図１１は、圧電素子５０Ｆの構造を示す図である。図１１（Ａ）は、圧電素子５０Ｆの断面図であり、図１１（Ｂ）は、圧電素子５０Ｆの圧電体５８と振動膜５６との配置関係を表す平面図である。圧電素子５０Ｆは、水平電極構造の電極の間隔Ｗ２と同じ幅の第１凹部６４を有し、第２凹部６６は設けられていない。
【００５６】
そして、図１２は、図１１に示した圧電素子５０Ｆについて、シミュレーションによって求めた圧電体５８に生じる面内ひずみの２方向の成分を示すグラフである。２方向は、図１１（Ｂ）に示した電極配置方向（Ｘ軸方向）、及び、これに直交する第１凹部６４の長手方向（Ｙ軸方向）である。図１２のグラフの横軸は水平電極構造のギャップの中央位置を中心ゼロとした場合のＸ軸方向及びＹ軸方向それぞれに沿った位置であり、縦軸は、圧電体５８のＸ軸方向及びＹ軸方向それぞれのひずみ量である。従って、図１２のグラフにおいて、Ｙ軸方向の成分は水平電極構造のギャップにおけるＹ軸方向の位置におけるひずみ量を示しており、Ｘ軸方向の成分は、水平電極構造のギャップを含めた電極配置方向（Ｘ軸方向）におけるひずみ量を示している。なお、Ｘ軸方向のひずみ量は、図１０に示した圧電素子５０ＥについてのＸ軸方向（電極配置方向）のひずみ量に相当する。
【００５７】
図１２に示すグラフによれば、面内ひずみのＸ軸方向成分及びＹ軸方向成分は、ともに、圧電体５８の端部から中央部（水平電極構造のギャップの中央部）に向かってひずみ量の大きさが増加している。詳細には、面内ひずみのＹ軸方向成分は、圧電体５８の端部から中央部に向かって滑らかに変化している。一方、面内ひずみのＸ軸方向成分は、第１凹部６４に相当する部分とそれ以外の部分との境界位置において急激に変化しているとともに、第１凹部６４に相当する部分のひずみ量の大きさが、それ以外の部分に比較して非常に大きくなっている。そして、ギャップに相当する部分（圧電体５８の中心を含む部分）に着目すると、ひずみ量のＸ軸方向成分の大きさは、Ｙ軸方向成分の大きさの約２倍となっている。
【００５８】
従って、第１凹部６４の長手方向（溝方向：Ｙ軸方向）と交差する方向に、この第１凹部６４を挟んで対向するように電極を配置することで、圧電素子の受信感度を効果的に向上させることができることがわかる。
【００５９】
［作用効果］
このように、本実施形態によれば、水平電極構造の圧電素子５０において、電極間の間隔（ギャップ）に相当する振動膜５６及び圧電体５８それぞれの部分に溝状の凹部を形成することで、受信感度を向上させることができる。すなわち、平面視において水平電極構造のギャップ位置となる振動膜５６の部分に第１凹部６４を、同じく圧電体５８の部分に第２凹部６６を、それぞれ、その溝方向が電極配置方向に交差するように形成する。これにより、超音波による振動膜５６に生じるひずみが最終的に圧電体５８の第２凹部６６に集中することとなり、電極間の電位差（電圧）が増加し、受信感度が向上する。
【００６０】
振動膜５６と圧電体５８との両方に、平面視において電極間の間隔（ギャップ）に相当する部分に凹部（第１凹部６４と第２凹部６６）が設けられているため、圧電素子５０全体として、弾性波である超音波を受感する際の応力が第１凹部６４及び第２凹部６６に集中し易くなるため、受信感度が向上するのである。
【００６１】
また、本実施形態の圧電素子５０を有する超音波プローブ２０や、その超音波プローブ２０を備えた超音波測定装置１を構成することで、超音波の照射強度を高めずとも、高精度な超音波測定が可能となるプローブ及び超音波測定装置を実現することができる。
【００６２】
［変形例］
なお、本発明の適用可能な実施形態は、上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なのは勿論である。
【００６３】
（Ａ）凹部の幅
上述の実施形態では、第１凹部６４の幅と第２凹部６６の幅とを、等しく第１電極６０と第２電極６２との間隔Ｗ２としたが、図１３に示すように、第１凹部６４の幅Ｄ２を、電極間の間隔Ｗ２より広く（長く）することとしても良い。
【００６４】
この場合、第１凹部６４の幅Ｄ２によって、圧電素子５０の受信感度に違いが生じる。図１４、図１５は、圧電素子５０における第１凹部６４の幅Ｄ２の違いによる受信感度の違いを説明するための図である。図１４は、圧電素子５０Ｈの構造を示す図である。圧電素子５０Ｈは、第１凹部６４が形成され、第２凹部６６は形成されていない。
【００６５】
そして、図１５は、圧電素子５０Ｈについて、シミュレーションによって求めた、第１凹部６４の幅Ｄ２に対する受信感度の変化を示すグラフである。このグラフの横軸は、シリコン側壁６８の間隔Ｗ１に対する第１凹部６４の幅Ｄ２の比率Ｄ２／Ｗ１であり、縦軸は、受信感度である。比率Ｄ２／Ｗ１が「０．１〜０．９」となる範囲で、第１凹部６４の幅Ｄ２を変化させた場合の受信感度を求めた。このグラフ上の何れの点も、圧電素子５０の固有振動数が８．６ＭＨｚとなるように、シリコン側壁６８の間隔Ｗ１を調節してある。
【００６６】
第１凹部６４の幅Ｄ２を電極間の間隔Ｗ２と同じとした場合の比率Ｄ２／Ｗ１は約０．１６であり、図１５に示すグラフから、第１凹部６４の幅Ｄ２を電極間の間隔Ｗ２より広くすることで、受信感度が向上することがわかる。また、比率Ｄ２／Ｗ１が約０．５、つまり第１凹部６４の幅Ｄ２がシリコン側壁６８の間隔Ｗ１の約１／２であるときに、受信感度が最大となる。第１凹部６４の幅Ｄ２は、シリコン側壁６８の間隔Ｗ１に対する第１凹部６４の幅Ｄ２の比率Ｄ２／Ｗ１が０．３以上０．８以下とすることが、受信感度の向上に好適であるといえる。
【００６７】
（Ｂ）第１凹部６４のみ
また、図１６に示す圧電素子５０Ｉのように、第２凹部６６を設けないこととしても良い。図９，１０を参照して説明した通り、第１凹部６４があることで、弾性波である超音波を受感する際の圧電体５８の面内方向のひずみが、その第１凹部６４、すなわち電極間のギャップ部分に集中する。このため、凹部を振動膜５６側の第１凹部６４のみとし、圧電体５８には設けない圧電素子を構成したとしても、第１凹部６４さえも設けない構成に比べて受信感度の格段の向上を見込むことができる。
【００６８】
（Ｃ）凸部
また、図１７に示すように、第１凹部６４に対応する振動膜５６の一面側（圧電体５８の配置面側）の部分に第１凸部７６が形成されることとなるとしてもよい。例えば、振動膜５６の上に圧電体５８を設ける前に、押圧により第１凹部６４を形成する製造工程を採用する場合、振動膜５６の第１凹部６４とは反対側に第１凸部７６が形成されることとなる。このような構成であってもよい。
【００６９】
また、図１８に示すように、圧電体５８の上面（振動膜５６の配置面と反対側の面）における第１凹部６４に対応する部分に第２凸部７８が形成されることとなるとしてもよい。例えば、振動膜５６の上に圧電体５８を設けた後に、押圧により第１凹部６４を形成する製造工程を採用する場合、振動膜５６の第１凹部６４とは反対側に図１７と同じような凸部が形成され、さらに、圧電体５８の上面における第１凹部６４に対応する部分に第２凸部７８が形成されることとなる。このような構成であってもよい。
【００７０】
更に、図１９に示すように、振動膜５６の一面側である酸化ジルコニウム層５４に凹部８０が形成されることとしても良い。酸化ジルコニウム層５４、及び、圧電体５８のヤング率は、それぞれ、２００ＧＰａ、及び、８０ＧＰａである。この圧電素子５０Ｌは、図７（Ａ）に示す圧電素子５０Ａと比較すると、電極ギャップ部分において、ヤング率の小さな圧電体５８の厚みが増え、ヤング率の大きな酸化ジルコニウム層５４の厚みが減っている。このような構成であれば、電極ギャップ部分に周囲と比較して構造的に柔らかい領域を形成することができる。そのため、音圧によるひずみを、電極ギャップ部分に集中させることが可能となる。その結果として、受信感度を向上させることができる。
【符号の説明】
【００７１】
１…超音波測定装置、１０…装置本体、２０…超音波プローブ、４０…超音波デバイスユニット、４４…超音波トランスデューサー、５０…圧電素子、５２…酸化シリコン層、５４…酸化ジルコニウム層、５６…振動膜、５８…圧電体、６０…第１電極、６２…第２電極、６４…第１凹部、６６…第２凹部、６８…シリコン側壁、７０…キャビティ、７２…第１電極線、７４…第２電極線
【図１】
0006617504.tif 000002
【図２】
0006617504.tif 000003
【図３】
0006617504.tif 000004
【図４】
0006617504.tif 000005
【図５】
0006617504.tif 000006
【図６】
0006617504.tif 000007
【図７】
0006617504.tif 000008
【図８】
0006617504.tif 000009
【図９】
0006617504.tif 000010
【図１０】
0006617504.tif 000011
【図１１】
0006617504.tif 000012
【図１２】
0006617504.tif 000013
【図１３】
0006617504.tif 000014
【図１４】
0006617504.tif 000015
【図１５】
0006617504.tif 000016
【図１６】
0006617504.tif 000017
【図１７】
0006617504.tif 000018
【図１８】
0006617504.tif 000019
【図１９】
0006617504.tif 000020