壓電元件、探測器、超聲波測量裝置及極化處理方法與流程

2023-05-08 19:28:31 1

本發明涉及壓電體的極化處理方法等。

背景技術：

作為轉換超聲波與電信號的壓電元件(超聲波轉換器)的一個例子，已知有將電極設於壓電體的上表面和下表面的、所謂的上下電極結構的壓電元件(例如，參照專利文獻1)。接受超聲波而使電信號產生的壓電元件的原理在於，感受到基於超聲波的彈性波的壓電體歪斜，從而對應於該歪斜而生成表面電荷，在兩個電極間產生電位差(電壓)。

現有技術文獻

專利文獻

專利文獻1日本特開2002-271897號公報

技術實現要素：

發明要解決的技術問題

在壓電元件的結構上，除上述的上下電極結構以外，還已知有將兩個電極設於壓電體的一側面的、所謂的水平電極結構。與上下電極結構的壓電元件相比較，在水平電極結構的壓電元件上具有接收靈敏度好這樣的優點。

可是，作為利用壓電效應之前的初始化，壓電元件必需將電場施加於電極間而使電極間的壓電體的極化力矩朝向同一方向對齊等極化處理。如果是上下電極結構的壓電元件的話，很少成為問題，但是對於水平電極結構的壓電元件，與上下電極結構的壓電元件相比較，電極間的間隙(間隔)大。因此，具有為了進行極化處理所需要的電極間的電位差(電壓)變大這樣的問題。

本發明鑑於上述情況而做出，作為其目的之處是，在水平電極結構的壓電元件中，使為了進行極化處理所需要的電場的大小減小。

用於解決技術問題的方案

用於解決上述問題的第一發明是一種壓電元件，在第一個電極與第N(N≧3)個電極之間所產生的壓電效應被供於實用，其中，具備：壓電體和在所述壓電體的一側面配置了N個電極的水平電極結構，對於i＝1～(N－1)，分別將針對所述水平電極結構的一定方向的極化處理用電場施加於第i個以前的所述電極與第(i+1)個以後的所述電極之間，從而壓電體被極化處理，所述壓電體的極化力矩朝所述一定方向對齊。

另外，作為其它發明，一種極化處理方法，對具有在壓電體的一側面配置了N(N≧3)個電極的水平電極結構並且在第一個電極與第N個電極之間所產生的壓電效應被供於實用的壓電元件的所述壓電體進行極化處理，可以構成進行如下的極化處理的極化處理方法：對於i＝1～(N－1)，，分別將針對所述水平電極結構的一定方向的極化處理用電場施加於第i個以前的所述電極與第(i+1)個以後的所述電極之間，從而使所述壓電體的極化力矩變為所述一定方向。

另外，作為更進一步的其它發明，一種初始化裝置，對具有在壓電體的一側面配置了N(N≧3)個電極的水平電極結構並且在第一個電極與第N個電極之間所產生的壓電效應被供於實用的壓電元件的所述壓電體進行極化處理，可以構成進行如下的極化處理的初始化裝置：對於i＝1～(N－1)，分別將針對所述水平電極結構的一定方向的極化處理用電場施加於第i個以前的所述電極與第(i+1)個以後的所述電極之間，從而使所述壓電體的極化力矩變為所述一定方向。

根據該第一發明等，能夠使用於水平電極結構的壓電體的極化處理的極化處理用電場的大小減小。也就是說，壓電元件雖然為水平電極結構，但是具備N個電極而並非兩個電極。為了將在第一個電極與第N個電極之間所產生的壓電效應供於實用，必須對第一個電極與第N個電極之間進行極化處理。假如想要對第一個電極與第N個電極間一次性地極化處理的話，就必須將很大的電場施加於第一個電極與第N個電極間。但是，根據本發明，通過對各個相鄰的電極間重複進行施加一定方向的極化處理用電場，從而能夠實現第一個電極與第N個電極間的極化處理。即，由於相鄰的電極間的距離比第一個電極與第N個電極之間的距離短，因此能夠使極化處理用電場的大小減小。

作為更具體的發明，作為第二發明，可以構成一種壓電元件，其中，在第一發明的壓電元件中，相鄰的所述電極間的距離為2μm以上8μm以下。

另外，作為第三發明，可以構成一種壓電元件，其中，在第一或第二發明的壓電元件中，所述極化處理用電場比所述壓電體的矯頑電場大。

並且，作為水平電極結構的具體例，作為第四發明，可以構成一種壓電元件，其中，在第一至第三任一個發明的壓電元件中，所述水平電極結構被構成為所述N個電極配置成直線狀。

另外，作為第五發明，可以構成一種壓電元件，其中，在第四發明的壓電元件中，所述水平電極結構被構成為所述N個電極配置成等間隔。

根據該第五發明，由於電極被配置成等間隔，因此能夠使施加於各電極間的極化處理用電場變為相同。

第六發明是一種探測器，具備：第一至第五中任一個發明的壓電元件和輸出在第一個所述電極與第N個所述電極之間所產生的電信號的輸出部，發揮作為彈性波接收部的功能。

根據該第六發明，能夠實現通過具有第一至第五中任一個發明的效果的壓電元件來接收彈性波並作為電信號而輸出的探測器。

作為第七發明，可以構成一種超聲波測量裝置，其具備用於接收超聲波信號的第六發明的探測器。

根據該第七發明，能夠實現具有第六發明的效果的超聲波測量裝置。

作為第八發明，可以構成一種電子設備，其具備第六發明的探測器。

根據該第八發明，能夠實現具有第六發明的效果的電子設備。

附圖說明

圖1為示出超聲波測量裝置的概略結構以及超聲波探測器的上表面的圖。

圖2為示出超聲波探測器的下表面的圖。

圖3為超聲波器件單元的概念構成圖。

圖4為接收元件(壓電元件)的俯視圖。

圖5為接收元件(壓電元件)的截面圖。

圖6為極化處理的程序的說明圖。

圖7為當進行極化處理時的裝置構成圖。

圖8為壓電元件的其它構成例。

圖9為接收元件的其它構成例。

具體實施方式

(1)超聲波診斷裝置

圖1為示出本實施方式中的超聲波測量裝置1的概略結構以及超聲波探測器20的上表面的圖。根據圖1，超聲波測量裝置1是使用超聲波來測量被檢者的生物體信息的電子設備，被構成為具備裝置主體10和超聲波探測器20。裝置主體10與超聲波探測器20由電纜12連接，從裝置主體10向超聲波探測器20發送驅動信號的同時，從超聲波探測器20向裝置主體10發送檢測信號。

另外，在裝置主體10上連接有顯示裝置14。顯示裝置14具有顯示器面板16，按照來自裝置主體10的顯示信號而將例如基於由超聲波探測器20所產生的檢測信號的圖像顯示於該顯示器面板16。此外，雖然將顯示裝置14形成為與裝置主體10分開形式，但是也可以採用作為一體的結構。

(2)超聲波探測器

超聲波探測器20通過將表側體26與背側體24相互結合而形成薄型直方體這樣的殼體22，並在殼體22的內部具有超聲波器件單元40(參照圖3)。電纜12通過形成於表側體26與背側體24的結合面之間的電纜口28而連接於殼體22內部的超聲波器件單元40。超聲波器件單元40按照來自裝置主體10的驅動信號而發送超聲波，同時接收超聲波的反射波，並將接收到的反射波的信號作為檢測信號而輸出至裝置主體10。

圖2為超聲波探測器20的仰視圖。在背側體24的中央部設有聲匹配部30，夾著聲匹配部30而沿上下設有貼緊部32。被構成為聲匹配部30的外表面與貼緊部32的外表面大致同一水平面的狀態或聲匹配部30的外表面這方突出的狀態。聲匹配部30及貼緊部32緊貼被檢者的測量對象部位的皮膚面而粘貼超聲波探測器20。超聲波器件單元40被設置成位於殼體22內的聲匹配部30的正下方。聲匹配部30由例如矽樹脂等具有接近於生物體的聲阻抗「1.5[MRayl]」的聲阻抗(例如1.0～1.5[MRayl])的材料形成。另外，貼緊部32由例如能裝卸於測量對象部位的皮膚面的粘接材料形成。

(3)超聲波器件單元

圖3為概念性示出超聲波器件單元40的結構的圖。超聲波器件單元40從殼體22的背面側來觀察(在圖2中)而被配置於聲匹配部30的正下方，被構成為具有多個超聲波換能器44配置成二維陣列狀的元件陣列42。即，在元件陣列42中，在第一方向FR(切片方向)上排列有N行的超聲波換能器44，在與第一方向FR正交的第二方向SR(掃描方向)上排列有L列的超聲波換能器44。一個超聲波換能器44作為包括發送超聲波的發送元件和接收超聲波的反射波的接收元件50的換能器元件晶片而構成。本實施方式由於在超聲波換能器44中的接收元件50上具有特徵，因此在以下，對接收元件50更詳細地說明。

(4)接收元件

圖4為接收元件50的俯視圖，圖5為圖4的A－A』箭視截面圖。接收元件50具有壓電元件62和振動膜64。壓電元件62被構成為具有：壓電體66、被配置於壓電體66的一側面的第一電極68、第二電極70以及第三電極72。壓電體66由例如鋯鈦酸鉛(PZT)等壓電材料形成。壓電體66的代表性的膜厚為200nm～2000nm。另外，第一電極68、第二電極70以及第三電極72的代表性的膜厚為20nm～200nm。

振動膜64被配置於與配置有電極的壓電體66的一側面相反側。振動膜64將氧化矽(SiO2)層58和氧化鋯(ZrO2)層60層疊而構成可撓膜。氧化矽層58的代表性的膜厚為200nm～1500nm，氧化鋯層60的代表性的膜厚為200nm～1500nm。

在本實施方式中，在與配置有壓電體66的振動膜64的一面相反側的面上，以形成空腔(開口部)57的方式而配置有矽側壁56。接收元件50以超聲波從與空腔57相反側即在圖5中上方側輸入的方式而使用。空腔57的寬度W1對應於俯視觀察中的接收元件50中的電極排列方向上的寬度W1(參照圖4)。振動膜64在電極排列方向(寬度W1的方向)上的共振頻率對應於所接收的超聲波頻率f0。在超聲波頻率f0為2MHz～20MHz的情況下，空腔57的寬度W1優選為15μm～60μm。

接收元件50被配置為使振動膜64朝著殼體20的背面側，經由聲匹配部30而接受彈性波(在本實施方式中超聲波)並振動(參照圖2)。

第一電極68、第二電極70以及第三電極72由例如銥(Ir)等導電材料形成，設於壓電體66的一側面(與振動膜64相反側)而被構成為具有水平電極結構。具體而言，第一電極68被設於壓電體66的一端側，第三電極72被設於壓電體66的另一端側，第二電極70被設於第一電極68與第三電極72之間。另外，以第一電極68、第二電極70以及第三電極72各自的間隔W2變為相等的方式配置。該電極間的間隔W2被設定為2μm以上8μm以下。也就是說，第一電極68、第二電極70以及第三電極72三個電極以直線狀等間隔配置。另外，在第一電極68與第二電極70之間以及第二電極70與第三電極72之間的壓電體66的表面上，沿與三個電極的直線狀排列交叉的方向形成有槽71。另外，第一電極68連接於第一電極線74，第二電極70連接於第二電極線76，第三電極72連接於第三電極線78。

在本實施方式中，為了說明的簡明化，被構成為一個接收元件50具有一個壓電元件62而進行了圖示及說明，但是也可以是一個接收元件50具有多個壓電元件62而構成。在那種情況下，將一個接收元件50中所包括的多個壓電元件62並列地連接即可。即，能夠通過將各壓電元件62的第一電極68、第二電極70以及第三電極72連接於所對應的第一電極線74、第二電極線76以及第三電極線78來構成。

(5)接收處理

在由壓電元件62進行的超聲波接收處理中，在第一電極線74(也可稱為第一電極68)與第三電極線78(也可稱為第三電極72)之間表現出對應於接收到的超聲波的電位差的信號(即電信號)，作為檢測信號而被輸出。更具體而言，從超聲波換能器44的發送元件中已發送的超聲波在被檢者的生物體內反射，振動膜64感受該反射波(彈性波)而振動。由于振動膜64與壓電體66被構成為一體，因此通過振動膜64由於超聲波振動而變形，從而壓電體66歪斜。在壓電體66上生成對應於歪斜的表面電荷，在第一電極68與第三電極72之間表現出電位差(電壓)，其作為基於在第一電極68與第三電極72之間所產生的壓電效應的檢測信號而被取出。壓電元件62另外的檢測信號以超聲波換能器44單位被檢測出，因此以圖3所示那樣的點矩陣的單位獲得檢測信號。

(6)極化處理

對於壓電元件62，作為用於獲得所期望的壓電效應的初始化處理，必須進行用於使壓電體66的極化力矩的方向一致的極化處理。圖6為對壓電元件62的極化處理的程序的說明圖。極化處理按多個階段執行。即，對相鄰的電極間各個，按順序將該電極間的壓電體部分作為對象而施加作為規定的直流電場的極化處理用電場。在本實施方式中，壓電元件62以直線狀具有三個電極(第一電極68、第二電極70以及第三電極72)，相鄰的電極間為兩個，因此極化處理按兩階段執行。另外，所施加的極化處理用電場成為從被用於接收處理的檢測的第一電極68朝著第三電極72去的方向，相鄰的電極間的間隔W2相同，因此在兩階段的極化處理中所使用的極化處理用電場的大小變為相同。

具體而言，首先，如圖6(a)所示，在第一電極68與第二電極70之間施加從第一電極68朝著第二電極70去的極化處理用電場V1。即，將第一個第一電極68的電位設定為「0」，將第二個以後的第二電極70以及第三電極72的電位設定為作為等電位的「V1」。由此，壓電體66的第一電極68與第二電極70之間在從第一電極68朝著第二電極70去的方向上被極化。

接著，如圖6(b)所示，在第二電極70與第三電極72之間施加從第二電極70朝著第三電極72去的極化處理用電場V1。即，將第二個以前的第一電極68以及第二電極70的電位設定為作為等電位的「0」，將第三個第三電極72的電位設定為「V1」。由此，壓電體66的第二電極70與第三電極72之間在從第二電極70朝著第三電極72去的方向上被極化。

由此，如圖6(c)所示，獲得與在第一電極68與第三電極72之間施加了極化處理用電場V1×2的情況同樣的極化處理的效果。也就是說，在本實施方式中，與對用於接收處理的第一電極68與第三電極72之間一次性地極化處理的情況相比，能夠使極化處理用電場的大小變小。極化處理用電場V1的代表性的值為20V～60V。該極化處理用電場V1的大小必須比作為壓電體66極化反轉的電場的矯頑電場Vc變大。

實際的極化處理通過初始化裝置80來進行。在圖7中示出表示接收元件50與初始化裝置80的連接關係的概念圖。在圖7中，為了說明的簡明化，只圖示了一個接收元件50，但是實際上，構成超聲波器件單元40的各超聲波換能器44的各接收元件50同樣地與裝置主體10連接。

裝置主體10具備：進行用於初始化的極化處理的初始化裝置80和進行涉及到超聲波接收的接收處理的接收裝置82。雖然省略圖示及說明，但是，裝置主體10當然還具備進行涉及到超聲波發送的發送處理的裝置和進行顯示裝置14的顯示控制的顯示控制裝置等。接收元件50的電極線(第一電極線74、第二電極線76以及第三電極線78)與初始化裝置80以及接收裝置82連接，按如下方式切換來使用：在初始化(極化處理)時，初始化裝置80將電壓施加於電極線；在接收處理時，接收裝置82取得電極線上所表現出的電位(更具體而言第一電極線74與第三電極線78間的電位)。

初始化裝置80通過對各個電極線施加規定電位，從而將極化用電場施加於電極間而進行極化處理。也就是說，通過將第一電極線的電位設定為「0(GND)」、將第二電極線76以及第三電極線78的電位設定為「V1」，從而在第一電極線74與第二電極線76之間施加極化處理用電場V1。接著，通過將第一電極線74及第二電極線76的電位設定為「0(GND)」、將第三電極線78的電位設定為「V1」，從而在第二電極線76與第三電極線78之間施加極化處理用電場V1。

[作用效果]

這樣，根據本實施方式，在水平電極結構的壓電元件62中，能夠使極化處理用電場減小。即，壓電元件62在壓電體66的一側面以等間隔、直線狀配置而具備第一電極68、第二電極70以及第三電極72三個電極。在利用壓電效應而接收超聲波的情況下，能夠將第一電極68與第三電極72之間的電位差(電壓)作為超聲波的檢測信號而取出。作為用於利用壓電效應的初始化的壓電體66的極化處理通過在相鄰的電極間按順序施加規定的同一方向的極化處理用電場而進行。即，首先，在第一電極68與第二電極70之間施加極化處理用電場V1，接著，在第二電極70與第三電極72之間施加極化處理用電場V1。此時的極化處理用電場V1成為在第一電極68與第三電極72之間一次性地施加電場而極化處理的情況下的一半。

變形例

此外，本發明的能適用的實施方式不限定於上述的實施方式，在不脫離本發明的宗旨的範圍內能適當變更，這一點不用說。

(A)電極的個數N

在上述的實施方式中，雖然對配置了第一電極68、第二電極70以及第三電極72三個(N＝3)電極的壓電元件62進行了說明，但是對配置了四個以上(N＞3)的電極的壓電元件也能同樣地適用。

圖8為具有四個電極(N＝4)的壓電元件62A的截面圖。如圖8所示，壓電元件62A在壓電體66的一側面配置有第一電極68A、第二電極70A、第三電極72A以及第四電極73四個電極。第一電極68A、第二電極70A、第三電極72A以及第四電極73以直線狀而被配置成相鄰的電極間的間隔W3變為相等。通過使電極間的間隔W3的合計(W3×3)變為與上述的實施方式中的壓電元件62的電極間的間隔W2的合計(W2×2)相等，從而壓電元件62A能夠獲得與壓電元件62同等的接收靈敏度。

在對該壓電元件62A的極化處理中，可以在相鄰的電極間按順序沿同一方向施加大小相等的極化用電場V4。即，將第一個第一電極68A的電位設定為「0(GND)」，將第二個以後的第二電極70A、第三電極72A以及第四電極73的電位設定為相等的「V4」。接著，將第二個以前的第一電極68A及第二電極70A的電位設定為「0(GND)」，將第三個以後的第三電極72A以及第四電極73的電位設定為相等的「V4」。其後，將第三個以前的第一電極68A、第二電極70A以及第三電極72A的電位設定為「0(GND)」，將第四個第四電極73的電位設定為相等的「V4」。

並且，對於具有五個以上(N≧5)的電極的壓電元件也是同樣的。即，在壓電體的一側面，等間隔並以直線狀配置N個(N≧5)電極。然後，作為對壓電元件的極化處理，對於i＝1～(N－1)，按順序分別將規定的極化用電場施加於第i個以前的電極與第(i+1)個以後的電極之間。

(B)形狀

另外，在上述的實施方式中，雖然將壓電元件62的俯視觀察形狀(圖4中的形狀)設定為了正方形狀，但也可以設定為長方形狀等其它矩形狀或多角形狀、橢圓形狀等其它形狀。

(C)電極的間隔

另外，在上述的實施方式中，雖然將相鄰的電極的間隔設定為了一定，但是也可以設定為不同的間隔。在這種情況下，例如，如果將電極的數量N設定為3、將第一電極與第二電極的間隔設為W11、將第二電極與第三電極的間隔設為W12的話，則通過使施加於第二電極與第三電極之間的極化用電場的大小設定為施加於第一電極與第二電極之間的極化用電場的(W12/W11)倍，從而能夠使各電極間的極化力矩均勻化。即，使相鄰的電極間的間隔的長度與極化用電場的大小成正比就很合適。

(D)超聲波的輸入方向

另外，也能夠構成為超聲波對接收元件50的輸入方向不同。具體而言，如圖9所示，能夠構成在相對于振動膜64而與壓電元件62相同的配置面側以夾著壓電元件62的方式配置了矽側壁56的接收元件50A。該接收元件50A以超聲波在圖9中從下方側輸入的方式而使用。

於2015年8月4日提交的日本專利申請No.2015-153940的全部公開內容明確地結合於此作為參考。