本發明涉及壓電器件、包含該壓電器件的探測器、利用該壓電器件的電子設備及超聲波圖像裝置等。

背景技術：

專利文獻1公開了一種超聲波換能器的陣列。超聲波換能器在壓電體上具有兩個電極。根據壓電體的應變ε生成電壓。壓電體的應變ε是由振動膜的變形而引起的。如果電極彼此之間的距離增大，則生成的電壓增加。能夠在兩個電極之間進一步配置電極。

當生成圖像時接收電路連接到超聲波換能器的陣列。接收電路具有浮置電容。由于浮置電容的影響，實測的信號電壓減少。

根據本發明的至少一個實施方式，可提供一種能夠盡可能降低浮置電容的影響、有助于增大實測信號電壓的壓電器件。

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：

(1)本發明的一實施方式涉及一種壓電器件，具備：振動膜；壓電體膜，設置于所述振動膜上，并具有與所述振動膜接觸的第一面和位于與該第一面相反一側的第二面；第一電極和第二電極，與所述壓電體膜電連接，配置于彼此分開的位置，且在與所述壓電體膜分開的位置彼此短路；以及第三電極，與所述壓電體膜電連接，設置于所述第一電極與所述第二電極之間，并配置在與所述第一電極和所述第二電極分開的位置，所述第一電極和所述第二電極的端部的輪廓被限定為至少局部地平行于所述第三電極的側部。

如果振動膜產生超聲波振動，壓電體膜則根據振動膜的變形而發生應變。根據壓電體膜的應變ε生成表面電荷。從短路的第一電極及第二電極與第三電極之間檢測電壓。在第一電極的端部與第三電極的側部之間形成靜電電容，在第二電極的端部與第三電極的側部之間形成靜電電容。根據第一電極及第二電極與第三電極相對的面的面積增大而靜電電容增加。這樣，接收電路的浮置電容對于根據壓電體膜中生成的信號電壓的影響減少，從而實測的信號電壓增大。

(2)在所述第一電極和所述第二電極與所述第三電極之間，能夠滿足沿示出最大值的應變方向而形成極化處理的電壓路徑的位置關系。在壓電體膜中利用壓電效果時預先實施極化處理。根據極化的極性，電荷在壓電體膜內移動。因此，如果將極化處理的電場路徑結合示出最大值的應變方向，則能夠使得在壓電體膜生成的電壓值最大化。這樣，能夠有效增大信號電壓。

(3)所述第三電極可以在俯視觀察時形成為通過所述振動膜的重心上的帶狀。振動膜的重心位于與固定的振動膜邊緣分開的位置。因此，在振動膜的重心，應變示出了接近最大值的值。這樣，能夠使得從形成于振動膜的重心上的第三電極檢測到的信號電壓最大化。

(4)所述壓電體膜只要在包括所述振動膜的重心的區域中在面內方向上產生應變即可。如上所述，在振動膜的重心，應變示出了接近最大值的值。因此，重心上的壓電體膜能夠最大限度的發生應變。這樣，能夠使得信號電壓最大化。

(5)所述壓電體膜只要在俯視觀察時位于所述振動膜的輪廓線的內側即可。壓電體膜與固定的振動膜的輪廓線重疊，由此能夠使得振動膜的應變最大化。

(6)所述壓電體膜的重心只要重疊在所述振動膜的重心上即可。通過使振動膜的應變變為最大的位置與壓電體膜的應變變為最大的位置彼此一致，能夠使得信號電壓最大化。

(7)所述振動膜只要在俯視觀察時具有矩形輪廓，并且所述第一電極和所述第二電極在沿短邊的方向上與所述第三電極分開即可。由于矩形中各邊彼此以直角交叉，因此構圖簡單，也能夠提高配置密度。如果在沿短邊(如果是正方形則為任一邊)的方向上電極彼此分開，則在沿短邊的方向上產生的壓電體膜的應變變為最大，因此能夠使得信號電壓最大化。

(8)壓電器件相對于與所述振動膜的長邊平行的基準線可形成為線對稱。基準線中在短邊方向上產生的壓電體膜的應變變為最大，因此能夠使得信號電壓最大化。

(9)所述第三電極可以具有平行于所述壓電體膜的短邊的第一寬度，所述第一電極和所述第二電極可以以所述第一寬度以上的、平行于所述壓電體膜的短邊第二寬度與所述第三電極分開。通過使第一電極與第三電極之間形成的靜電電容以及第二電極與第三電極之間形成的靜電電容降低，而能夠提高接收靈敏度。

(10)在所述第一電極與所述第三電極之間、以及所述第二電極與所述第三電極之間，所述第二面上可以形成有槽。隨著槽的深度變大，由于聲壓而壓電體膜的應變集中于槽，因此能夠提高接收靈敏度。

(11)當俯視觀察時，只要在所述第一電極以及所述第二電極與所述第三電極之間，在所述振動膜上配置導電體以外的部件即可。如果在此處配置導電體，電壓路徑會繞向導電體，導致無法提高實測的信號電壓。如果配置例如絕緣體這樣的導電體以外的部件，則能夠可靠地提高信號電壓。

(12)作為對所述壓電體膜進行初始化的處理，可以施加從所述第一電極向所述第三電極的電場矢量，并且施加從所述第二電極向所述第三電極的電場矢量。

(13)可以將壓電器件組裝到探測器中利用。此時，探測器具有多個壓電器件即可。

(14)探測器可以具備形成沿切片方向配置的所述壓電器件共用的所述第三電極的導電體。這樣，能夠在探測器中盡可能避免布線的復雜化。

(15)探測器可以具備：形成沿掃描方向配置的所述壓電器件共用的所述第一電極的導電體、和形成沿掃描方向配置的所述壓電器件共用的所述第二電極的導電體。這樣，能夠盡可能避免布線的復雜化。

(16)可以將壓電器件組裝到超聲波圖像裝置中利用。此時，超聲波圖像裝置具有多個壓電器件即可。

(17)超聲波圖像裝置可以具備形成沿切片方向配置的所述壓電器件共用的所述第三電極的導電體。這樣，能夠在超聲波圖像裝置中盡可能避免布線的復雜化。

(18)超聲波圖像裝置可以具備：形成沿掃描方向配置的所述壓電器件共用的所述第一電極的導電體、和形成沿掃描方向配置的所述壓電器件共用的所述第二電極的導電體。這樣，能夠在超聲波圖像裝置中盡可能避免布線的復雜化。

(19)壓電器件可以組裝到電子設備中利用。此時，電子設備具有多個壓電器件即可。

附圖說明

圖1是概略性地示出超聲波診斷裝置的構成的概略圖。

圖2是概略性地示出超聲波探測器的表面的立體圖。

圖3是概略性地示出一實施方式的超聲波器件單元的構成的局部放大俯視圖。

圖4是詳細地示出超聲波器件的構成的局部放大俯視圖。

圖5是沿圖4的A-A線的局部截面圖。

圖6是沿圖4的B-B線的局部截面圖。

圖7是概略性地示出模擬模型的俯視圖。

圖8的(a)至(c)是示出壓電體膜的構造應變的計算結果的圖表。

圖9的(a)是示出第三電極的第一寬度與接收靈敏度之間的關系的圖表，以及圖9的(b)是示出第三電極的第一寬度與靜電電容之間的關系的圖表。

圖10的(a)是示出電極間的間隔(＝第二寬度)與接收靈敏度之間的關系的圖表、以及圖10的(b)是示出電極間的間隔(＝第二寬度)與靜電電容之間的關系的圖表。

圖11的(a)至(c)是概略性地示出模擬模型的俯視圖。

圖12的(a)至(c)是概略性地示出模擬模型的俯視圖。

圖13是示出共振頻率的計算結果的圖表。

圖14的(a)和(b)是示出各個模擬模型的接收靈敏度及靜電電容的圖表。

圖15是概略性地示出第二實施方式的超聲波器件單元的構成的局部放大俯視圖。

圖16是概略性地示出第三實施方式的超聲波器件單元的構成的局部放大俯視圖。

圖17是概略性地示出第四實施方式的超聲波器件單元的構成的局部放大俯視圖。

具體實施方式

下面，參照附圖對本發明的一實施方式進行說明。此外，下面說明的本實施方式并未對權利要求所記載的本發明的內容進行不合理地限定，在本實施方式中所說明的構成的全部不限定于作為本發明的解決技術問題所必須的。

(1)超聲波診斷裝置的整體構成

圖1是概略性示出本發明的一實施方式的電子設備的一具體例即超聲波診斷裝置(超聲波圖像裝置)11的構成。超聲波診斷裝置11具備裝置主體12及超聲波探測器(探測器)13。裝置主體12與超聲波探測器13通過電纜14而彼此連接。裝置主體12與超聲波探測器13通過電纜14交換電信號。裝置主體12中組裝有發送電路及接收電路。發送電路用于朝向超聲波探測器13發送驅動信號。接收電路用于從超聲波探測器13接收檢測信號。

超聲波探測器13具有殼體16。殼體16具備表側體17及背側體18。表側體17及背側體18彼此結合。在表側體17及背側體18之間，表側體17的結合面與背側體18的結合面之間區劃有電纜口19。在電纜口19配置有電纜14。如后所述，超聲波器件單元支承于殼體16。超聲波器件單元根據驅動信號的接收，發送超聲波、接收反射波而輸出檢測信號。

顯示裝置23連接到裝置主體12。顯示裝置23中組裝有顯示面板24。如后所述，根據由超聲波探測器13檢測到的超聲波而將圖像顯示到顯示面板24的畫面上。被圖像化的檢測結果顯示到顯示面板24的畫面上。

如圖2所示，殼體16的表側體17上形成有開口25。開口25面向區劃于殼體16內的收容空間。收容空間內配置有超聲波器件單元26。超聲波器件單元26具備聲匹配層27。聲匹配層27例如由硅樹脂形成。聲匹配層27具有與生物體的聲阻抗1.5[MRayl]近似的聲阻抗(例如1.0[MRayl]～1.5[MRayl]。超聲波器件單元26從表面輸出超聲波并接收超聲波的反射波。超聲波診斷裝置11、超聲波探測器13也可具有其他的構造。

超聲波探測器13具有粘合層28。粘合層28例如層疊在表側體17的表面。粘合層28例如對皮膚這種的等對象物發揮粘合力。通過粘合層28的作用，超聲波探測器13能夠粘貼到對象物上。如果這樣粘貼超聲波探測器13，則聲匹配層27與對象物粘合。

(2)超聲波器件單元的構成

圖3是概略性地示出一實施方式的超聲波器件單元26的構成。超聲波器件單元26具備元件陣列(壓電器件組)31。元件陣列31包括陣列配置的超聲波換能器32。圖3中超聲波換能器32表現為一個個的四方塊。此處，在元件陣列31中排列有N行L列的超聲波換能器32。即，第一方向(以下稱作“切片方向”)FR上排列有N行的超聲波換能器列，與切片方向呈90度交叉的第二方向(以下稱作“掃描方向”)SR上排列有L列的超聲波換能器列。如后所述，一個超聲波換能器32包括發送單元和接收單元。發送單元根據電信號的供給而發送已確定頻率的超聲波。接收單元接收已確定頻率的超聲波而將所述超聲波轉換為電信號。

圖4是進一步詳細地示出第一實施方式的超聲波器件單元26的構造。超聲波器件單元26具備基體33?；w33上形成有發送單元34和接收單元35。超聲波器件單元26構成為一張超聲波換能器元件芯片。發送單元34具有多個第一壓電器件36。各個第一壓電器件36具備振動膜37。之后說明振動膜37的詳細內容。圖4中從垂直于振動膜37的膜面的方向俯視觀察(從基板的厚度方向俯視觀察)時振動膜37的輪廓由虛線畫出。振動膜37上形成有壓電元件38。如后所述，在壓電元件38中，上電極39和下電極41之間夾著壓電體膜42。它們依次重疊。

在基體33的表面形成有多根第一信號電極線45。第一信號電極線45以彼此平行的方式在排列的列方向(切片方向)上延伸。每個超聲波換能器32中第一信號電極線45能夠匯集成一根。第一信號電極線45在各個第一壓電器件36中形成下電極41。第一信號電極線45能夠例如使用鈦(Ti)、銥(Ir)、鉑(Pt)及鈦(Ti)的層疊膜。但是，第一信號電極線45也可以利用其他導電材料。

在基體33的表面形成有在排列的行方向(掃描方向)上延伸的第一公共電極線46。第一公共電極線46沿排列的行方向相互平行地延伸。全部的超聲波換能器32中第一公共電極線46能夠匯集成一根。第一公共電極線46在各個第一壓電器件36中形成上電極39。第一公共電極線46能夠例如由銥(Ir)形成。但是，第一公共電極線46也可以使用其他導電材料。

按每個超聲波換能器32對第一壓電器件36的通電進行切換。在每個超聲波換能器32中的一個超聲波換能器，第一壓電器件36同時輸出超聲波，因此每個超聲波換能器32的個數能夠根據超聲波的輸出電平而確定。

接收單元35具有多個第二壓電器件47。每個第二壓電器件47具備振動膜48。之后詳細說明振動膜48。圖4中從垂直于振動膜48的膜面的方向俯視觀察(從基板的厚度方向的俯視觀察)時振動膜48的輪廓由虛線畫出。振動膜48上形成有本實施方式的壓電元件49。如后所述，壓電元件49中，壓電體膜51上形成有第一電極52、第二電極53及第三電極54。如圖4所示，第一電極52及第二電極53的端部52a、53a的輪廓限定為與第三電極54的側部54b、54b平行。端部52a、53a與側部54b、54b例如彼此的面相互相對即可。

此處，振動膜48在俯視觀察(從垂直于振動膜48表面的方向觀察)時具有矩形輪廓。壓電體膜51在俯視觀察時具有比振動膜48的輪廓線更位于內側的矩形輪廓。壓電體膜51的重心Cp重疊在振動膜48的重心Cv上。因此，壓電體膜51在包括振動膜48的重心Cv的區域中于面內方向上產生應變。矩形不僅可以是如圖所示的長方形，也包括正方形。另外，振動膜48及壓電體膜51的形狀不僅可以是矩形，也可以是多邊形或橢圓形。

第三電極54在俯視觀察時形成為通過振動膜48的重心Cv上的帶狀。第一電極52及第二電極53在沿短邊的方向上與第三電極54間分開。第三電極54具有平行于壓電體膜51的短邊的第一寬度W1，第一電極52及第二電極53以第一寬度W1以上的、平行于壓電體膜51的短邊的第二寬度W2與第三電極54分開。第一電極52及第二電極53與振動膜48的短邊分開而配置在短邊彼此之間。在第一電極52與第三電極54之間、以及第二電極53與第三電極54之間，壓電體膜51的表面(第二面)上形成有槽55。各個第二壓電器件47相對于與振動膜48的長邊平行的基準線BL而形成為線對稱。另外，振動膜48及壓電體膜51不是矩形的情況下，各個第二壓電器件47也相對于通過重心Cp的基準線BL而形成為線對稱。

在基體33的表面形成有多根第二信號電極線56。第二信號電極線56彼此平行地沿排列的列方向(切片方向)延伸。每個超聲波換能器32中第二信號電極線56匯集成一根。第二信號電極線56在每個第二壓電器件47中，形成第三電極54。第二信號電極線56能夠例如使用銥(Ir)。但是，第二信號電極線56也可以使用其他導電材料。

在基體33的表面形成有彼此平行地沿排列的列方向延伸的第二公共電極線(導電體)57。每個超聲波換能器32中第二公共電極線57匯集成一根。第二公共電極線57連接到第一電極52及第二電極53。這樣，第一電極52及第二電極53在與壓電體膜51分開的位置彼此短路。第二公共電極線57能夠例如由銥(Ir)形成。但是，第二公共電極線57也可以使用其他導電材料。

圖5是示出發送單元34的詳細構成。如圖5所示，基體33具備基板61及柔性膜62。柔性膜62的一面形成于基板61的表面。在基板61上，在各個第一壓電器件36，形成有開口63。開口63相對于基板61呈陣列狀而配置。在相鄰兩個開口63之間由分隔壁64區劃。相鄰的開口63由分隔壁64分隔開。

柔性膜62由層疊在基板61的表面的氧化硅(SiO₂)層65、和層疊在氧化硅層65的表面的氧化鋯(ZrO₂)層66而構成。柔性膜62與開口63接觸。這樣，對應于開口63的輪廓，柔性膜62的一部分形成振動膜37。

在振動膜37的表面依次層疊有第一信號電極線45、壓電體膜42及第一公共電極線46。壓電體膜42能夠例如由鋯鈦酸鉛(PZT)形成。壓電體膜42也可以使用其他壓電材料。此處，在第一公共電極線46之下壓電體膜42完全覆蓋第一信號電極線45的表面。能夠通過壓電體膜42的工作而避免在第一信號電極線45與第一公共電極線46之間短路。

聲匹配層27覆蓋元件陣列31。聲匹配層27層疊在基體33的表面。基體33的背面結合有作為背襯材料的加強板67。加強板67形成為平板形狀。基體33的背面重疊在加強板67的表面。加強板67的表面接合到基體33的背面。當進行這種接合時加強板67也可以通過粘合劑粘合到基體33上。加強板67加強基體33的剛性。加強板67能夠例如具備剛性基材。那種基材例如由42合金(鐵鎳合金)這種的等金屬材料形成即可。

圖6是示出接收單元35的詳細構成。如圖6所示，基板61上，在各個第二壓電器件47形成有開口68。相對于開口68的輪廓，柔性膜62的一部分形成振動膜48。壓電體膜51在第一面51a內與振動膜48接觸。在第一面51a的相反側(背側)的第二面51b上層疊有第一電極52、第二電極53及第三電極54。壓電體膜51能夠例如由鋯鈦酸鉛(PZT)形成。壓電體膜42也可以使用其他壓電材料。當俯視觀察時，在第一電極52及第二電極53與第三電極54之間，在振動膜48上配置導電體以外的部件(此處為氧化鋯層66)。

(3)超聲波診斷裝置的動作

接著，對超聲波診斷裝置11的動作進行簡單地說明。如果從裝置主體12朝向超聲波探測器13發送驅動信號，則在發送單元34中脈沖信號供給至第一壓電器件36。脈沖信號通過第一信號電極線45及第一公共電極線46供給至壓電元件38。各個第一壓電器件36中在上電極39及下電極41之間電場作用于壓電體膜42。壓電體膜42以超聲波的頻率振動。壓電體膜42的振動傳遞到振動膜37。這樣，振動膜37進行超聲波振動。其結果，向被檢體(例如人體的內部)發送所期望的超聲波束。

在接收單元35中超聲波作用于各個第二壓電器件47。超聲波的反射波使振動膜48振動。振動膜48的超聲波振動以所期望的頻率來使壓電體膜51進行超聲波振動。如果振動膜48進行超聲波振動，則根據振動膜48的變形而壓電體膜51發生變形。根據壓電體膜51的應變ε而生成表面電荷。從短路的第一電極52及第二電極53與第三電極54之間檢出電位。電位從第二信號電極線56及第二公共電極線57作為檢測信號而輸出。

接收電路根據檢測信號生成超聲波圖像。當生成超聲波圖像時反復進行超聲波的發送及接收。實現線形掃描或扇形掃描。圖像信號從接收電路發送到顯示裝置23。根據圖像信號，將超聲波圖像顯示在顯示面板24的畫面上。

當生成超聲波圖像時，在第二壓電器件47中第一電極52的端部52a與第三電極54的側部54b之間形成有靜電電容，并且在第二電極53的端部53a與第三電極54的側部54b之間形成有靜電電容。根據相對面的面積增大，靜電電容增加。這樣，相對于在第一電極52與第三電極54之間以及第二電極53與第三電極54之間檢測到的信號電壓，接收電路的浮置電容的影響減少，從而實測的信號電壓增大。

第三電極54在俯視觀察時呈帶狀形成為通過振動膜48的重心Cv上。重心Cv與開口63的邊緣分開，該開口63形成為與振動膜48固定于基板61的區域的邊界。因此，在重心Cv中應變ε示出接近于最大值的值。這樣，能夠使得在第一電極52與第三電極54之間以及第二電極53與第三電極54之間檢出的信號電壓最大化。

而且，壓電體膜51在包括振動膜48的重心Cv的區域中在面內方向上產生應變。如上所述，在振動膜48的重心Cv中應變ε示出接近最大值的值。因此，重心Cv上的壓電體膜51能夠最大限度地發生應變，從而能夠使得在第一電極52與第三電極54之間以及第二電極53與第三電極54之間檢出的信號電壓最大化。此處，壓電體膜51的重心Cp重疊于振動膜48的重心Cv上。壓電體膜51也在與振動膜48相同的重心Cv上容易發生應變，從而能夠使得振動膜48的應變ε最大化。

壓電體膜51在俯視觀察時位于振動膜48的輪廓線的內側。此處，振動膜48及壓電體膜51在俯視觀察時具有矩形輪廓。由于矩形中各邊彼此交叉為直角，因此構圖簡單，也能夠提高配置密度。此時，第一電極52及第二電極53在沿短邊的方向上與第三電極54分開。如果在沿短邊的方向上電極52、53、54彼此分開，則短邊方向上產生的壓電體膜51的應變會變得最大，從而能夠使得信號電壓最大化。而且，壓電體膜51與振動膜48的輪廓線不重疊，因此能夠使得振動膜48的應變ε最大化。此處，第二壓電器件47相對于與振動膜48的長邊平行的基準線BL形成為線對稱，因此能夠使得振動膜48在基準線BL中的應變ε最大化。此處設置為第三電極54與基準線BL重疊。也就是說，第二壓電器件47相對于第三電極54形成為線對稱。

如上所述，第二壓電器件47中，只需當俯視觀察時在第一電極52及第二電極53與第三電極54之間在振動膜48上配置導電體以外的部件即可。如果在此處配置導電體，電壓路徑會繞向導電體，導致無法提高實測的信號電壓。如果配置例如絕緣體等導電體以外的部件，則能夠可靠地提高信號電壓。

(4)電極的最佳位置

本發明人計算出壓電體膜51的應變。如圖7所示，在計算時構建第二壓電器件47的模擬模型SM。振動膜48及壓電體膜51的輪廓設定為正方形。

使用引入了壓電效果的有限元法進行模擬。由振動膜48構成的輪廓的短邊長度為40μm，壓電體膜51的短邊長度為32μm。另外振動膜48從下方依次為SiO₂(1000nm)、ZrO₂(400nm)、PZT(1350nm)。另外第一、第二及第三電極52、53、54的膜厚為50nm。模擬中使用的PZT的壓電張量及剛度張量采用了PZT-5H的數據集。此時的張量的主軸設定在與基準線BL正交的方向(施加初始化電場的方向)上。SiO₂、ZrO₂的楊氏模量分別為75Gpa、190GPa。另外第一、第二及第三電極52、53、54的楊氏模量為200GPa。從上方向振動膜48施加一個大氣壓，并調查此時的應變。

第三電極54的第一寬度W1設定為5[μm]。第一電極52與第三電極54的間隔(＝第二寬度W2)、以及第二電極53與第三電極54的間隔(＝第二寬度W2)設定為5[μm]。在模擬模型SM中設定有x軸、y軸及z軸。第二壓電器件47相對于基準線BL形成為線對稱，因此在基準線BL的一側根據每個x軸方向位置計算x軸方向應變εx、y軸方向應變εy以及z軸方向應變εz。x軸與基準線BL正交，并且y軸與基準線BL平行。其結果，如圖8所示，任意方向上均在第三電極54正下方得到應變的最大值。

進一步對該情況進行說明。z軸方向應變εz的值是在第三電極54正下方為最大的46×10^-6。同樣地，x軸方向應變εx以及y軸方向應變εy是在第三電極54正下方分別作為絕對值為最大的-64×10^-6、-75×10^-7。尤其是可知x軸方向應變εx具有大于y軸方向應變εy近10倍的應變。即在本發明中，應變變為最大的方向(x軸方向)與基準線BL正交。當采取這種電極配置時，接收靈敏度變為最大。

在第二壓電器件47中，在第一電極52與第三電極54之間、以及第二電極53與第三電極54之間形成有槽55。該槽55在提高接收靈敏度的方面起有利的作用。這是由于隨著槽55的深度變深，由聲壓而使壓電體膜51的應變集中于槽55。如果通過槽55而將已減少的壓電體膜51的膜厚成為之前膜厚的2/3以下，則可知將接收靈敏度增大20％以上。

在接收處理之前，壓電體膜51必須進行極化處理。在本發明中通過從第一電極52向第三電極54的電場矢量實施極化處理，同時通過從第二電極53向第三電極54的電場矢量實施極化處理。這樣，將壓電體的極化處理的電場施加到示出最大值的應變ε的方向(振動膜的短邊的對稱軸)上。符合該條件時，能夠有效增大接收信號電壓。

(5)第三電極的第一寬度

本發明人驗證了第三電極的第一寬度W1的影響。在第二壓電器件47的模擬模型SM中計算接收靈敏度及靜電電容。當計算時使第三電極54的第一寬度W1變化。第一電極52與第三電極54的間隔(＝第二寬度W2)、以及第二電極53與第三電極54的間隔(＝第二寬度W2)固定為5[μm]。其結果，如圖9所示，確認了如果第三電極54的第一寬度W1縮小，則接收靈敏度提高。確認為，即使第一寬度W1縮小，也可維持靜電電容。在電容器將電荷設為Q、靜電電容設為C、電壓設為V時，Q＝C·V的關系成立。在靜電電容C為一定的情況下，為了增大電壓V，需要增大電荷Q自身。電荷Q是引起聲壓導致壓電應變的原因。因此，接收靈敏度提高的原因在于，如果第一寬度W1變小，則第三電極54制造的限制力減少，由于聲壓而壓電體膜51的應變變大。

(6)電極間的第二寬度

本發明人驗證了第一電極52及第二電極53與第三電極54的間隔(＝第二寬度W2)的影響。在第二壓電器件47的模擬模型SM中計算接收靈敏度及靜電電容。當計算時，使第一電極52與第三電極54的間隔(＝第二寬度W2)、以及第二電極53與第三電極54的間隔(＝第二寬度W2)變化。第三電極54的第一寬度W1固定為5[μm]。其結果，如圖10所示，確認了如果第一電極52與第三電極54的間隔(＝第二寬度W2)、以及第二電極53與第三電極54的間隔(＝第二寬度W2)增大，則接收靈敏度提高。其原因在于，如果第二寬度W2增大，通過靜電電容C減少，接收電壓V上升。由于Q＝C·V，因此如果電極間距離d增大并且靜電電容C減少，在電荷Q為一定的情況下，則電壓V增大。這樣，第一電極52及第二電極53與壓電體膜51的短邊平行并且以第一寬度W1以上的第二寬度W2與第三電極54分開，因此通過降低靜電電容C能夠提高接收靈敏度。

(7)第二壓電器件的優越性

本發明人驗證了第二壓電器件47的優越性。如圖11所示，當進行驗證時，構建了圖11的(a)比較例的模擬模型SM1、圖11的(b)第二壓電器件47的模擬模型SM2以及圖11的(c)涉及其他實施方式的模擬模型SM3。在模擬模型SM1中，從第二壓電器件47中省略了第三電極54。在壓電體膜51的表面使第二電極53的端部53a與第一電極52的端部52a相對。在模擬模型SM3中，沿對角線Di配置有帶狀的第三電極54。第一電極52沿壓電體膜51上的輪廓線71的整個長度與第三電極54相對，第二電極53同樣地沿壓電體膜51上的輪廓線72的整個長度與第三電極54相對。電極彼此的間隔W2均設定為5[μm]。在這些模擬模型SM1、SM2、SM3中計算接收靈敏度及靜電電容。模擬模型SM1、SM2、SM3根據以下的尺寸進行計算。由振動膜構成的輪廓的短邊長度為40μm，壓電體膜51的短邊長度為32μm。另外振動膜從下方依次為SiO₂(1000nm)、ZrO2(400nm)、PZT(1350nm)。另外第一、第二及第三電極52、53、54的膜厚為50nm。模擬中使用的PZT的壓電張量及剛度張量采用了PZT-5H的數據集。此時的張量的主軸設定在與基準線BL垂直的方向(施加初始化電場的方向)上。SiO₂、ZrO₂的楊氏模量分別為75Gpa、190GPa。另外第一、第二及第三電極52、53、54的楊氏模量為200GPa。使用吸收了壓電效果的有限元法進行模擬。

本發明人在驗證優越性時進一步構建了模擬模型。如圖12所示，對于各個模擬模型SM1、SM2、SM3，模擬模型SM4、SM5、SM6中變更了振動膜48及壓電體膜51的長寬比。振動膜48及壓電體膜51形成為長方形，長寬比設定為2。即，長邊長度設定為短邊的2倍。電極彼此的間隔均設定為5[μm]。在這些模擬模型SM4、SM5、SM6中同樣地計算接收靈敏度及靜電電容。

振動膜的共振頻率取決于振動膜以外的尺寸，如圖13所示，根據尺寸的設定，模擬模型SM1～SM6的共振頻率位于8.5MHz至8.8MHz之間。如圖14的(a)所示，確認了在模擬模型SM1、SM4中獲得了較高的接收靈敏度。觀察到模擬模型SM3、SM6中的接收靈敏度相比于模擬模型SM1、SM4減少了一半。與此相對，確認了模擬模型SM2、SM5中的接收靈敏度相比于模擬模型SM1、SM4，雖然比SM4的接收靈敏度降低，但是確保了較高的接收靈敏度。而且，確認了相比于正方形的模擬模型SM1～SM3，在長寬比為2的長方形的模擬模型SM4～SM6中的接收靈敏度提高。

根據該結果可知，應變量通常在短邊方向變為最大，在長邊方向變為最小。第一、第二及第三電極52、53、54設置為與基準線BL平行，通過將基準線BL設定為與長邊方向平行，由此能夠獲得最大的接收靈敏度。換言之，第一、第二及第三電極52、53、54通過設置為與短邊方向平行，由此能夠獲得最大的接收靈敏度。

接著在振動膜48的矩形形狀中，在將短邊與長邊之比從1：1偏離的情況下根據有限元法進行模擬。作為一例，振動膜的短邊設為32.5μm，長邊設為65μm。垂直地向該振動膜面施加一個大氣壓。SiO₂的膜厚設為1000nm，ZrO₂的膜厚設為400nm，PZT的膜厚設為1350nm，電極的膜厚設為50nm。根據模擬結果，關于振動膜中心的應變，短邊方向的成分為-5.4×10^-5，長邊方向的成分為-7.0×10^-6。短邊方向的應變相對于長邊方向的應變，以絕對值計算變為大近10倍的值。即，可知在具有矩形形狀的振動膜中，應變量通常在短邊方向上變為最大，在長邊方向上變為最小。因此，第一、第二及第三電極52、53、54設置為與基準線BL平行，通過將基準線BL設定為與長邊方向平行，由此能夠獲得最大的接收靈敏度。換言之，第一、第二及第三電極52、53、54通過設定為與短邊方向平行，由此能夠獲得最大的接收靈敏度。

如圖14的(b)所示，確認了具有第三電極的模擬模型SM2、SM5相比于沒有第三電極的模擬模型SM1、SM4，每一個器件的靜電電容倍增。原因在于具有第三電極的模型中，由于形成有多個電極間隙，因此靜電電容增加。尤其，長寬比為2的長方形的模擬模型SM5中，確保了比模擬模型SM6更大的靜電電容。其結果，發現了在第二壓電器件47中，不會伴隨著接收靈敏度的降低，確保了較大的靜電電容。

(8)涉及其他實施方式的超聲波器件單元的構成

圖15是概略性地示出第二實施方式的超聲波器件單元26a的構成。在超聲波器件單元26a的接收單元35中第二壓電器件47沿切片方向排列。第二信號電極線(導電體)56a形成多個第二壓電器件47共用的第三電極54。第三電極54將對應的壓電體膜51的表面橫切。第二公共電極線57a形成沿切片方向排列的多個第二壓電器件47共用的第一電極52。同樣地，第二公共電極線57a形成沿切片方向排列的多個第二壓電器件47共用的第二電極53。其他構成與前述的第一實施方式的超聲波器件單元26相同。

圖16是概略性地示出第三實施方式的超聲波器件單元26b的構成。在超聲波器件單元26b的接收單元35中第二壓電器件47沿掃描方向及切片方向排列。第二信號電極線(導電體)56a形成多個第二壓電器件47共用的第三電極54。第二信號電極線56a相互平行地沿切片方向延伸。第三電極54將對應的壓電體膜51的表面橫切。第二公共電極線57a形成沿切片方向排列的多個第二壓電器件47共用的第一電極52及第二電極53。第二公共電極線57a形成沿掃描方向排列的一對第二壓電器件47共用的第一電極52及第二電極53。第二公共電極線57a相互連接。其他構成與前述的第一或第二實施方式的超聲波器件單元26、26a相同。

圖17是概略性地示出第四實施方式的超聲波器件單元26c的構成。在超聲波器件單元26c的接收單元35中與前述的模擬模型SM3同樣地形成第二壓電器件47a。第二壓電器件47a沿切片方向排列。第二信號電極線(導電體)56a形成多個第二壓電器件47a共用的第三電極54。第三電極54將對應的壓電體膜51的表面橫切。第二公共電極線57a形成沿切片方向排列的多個第二壓電器件47a共用的第一電極52。同樣地，第二公共電極線57a形成沿切片方向排列的多個第二壓電器件47a共用的第二電極53。其他構成與前述的第一實施方式的超聲波器件單元26相同。

此外，雖然如上所述對本實施方式進行了詳細說明，但是在實質上不脫離本發明的新事項以及效果的前提下，能夠進行多種變形，這對于本領域普通技術人員來說，應該能夠容易理解。因此，這種變形例全部都被包含在本發明的范圍內。在說明書或附圖中，至少一次與更廣義或同義的不同的術語一起記載的術語在說明書或附圖中的任何地方，都能夠被替換為該不同的術語。另外，裝置主體12和超聲波探測器13、元件陣列31或超聲波換能器32等的構成及動作也不限定于本實施方式中說明過的，能夠進行各種變形。