CN104730525A - 超声波传感器及其制造方法以及使用该超声波传感器的测量方法 - Google Patents

超声波传感器及其制造方法以及使用该超声波传感器的测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种能够提高超声波的传播效率的超声波传感器。该超声波传感器(1)的特征在于，具备形成有开口部(W)的基板(10)、以封闭开口部(W)的方式设置在基板(10)上的振动板(50)、以及由层叠在振动板(50)的与上述开口部相反侧的面上且包含第一电极(60)、压电体层(70)以及第二电极(80)的压电元件(300)，该超声波传感器(1)在振动板(50)的与开口部相反侧的面上的上述压电元件的周围的空间设置有反射层(71)，振动板以及压电元件的厚度按如下方式设定：相对于向测量对象物侧发送的发送超声波，使向与发送超声波不同的方向发送的其他超声波在压电元件与反射层之间的界面被反射而与发送超声波叠加。

Description

超声波传感器及其制造方法以及使用该超声波传感器的测量方法
技术领域
本发明涉及超声波传感器及使用了该超声波传感器的测量方法以及该超声波传感器的制造方法。
背景技术
以往，作为用于获取关于测量对象物的各种信息的检测器之一，已知有超声波传感器。超声波传感器基于从发送超声波的时刻到接收该发送的超声波被测量对象物反射而返回的回波信号的时刻为止的时间，得到关于测量对象物的位置、形状以及速度等信息。
作为这种超声波传感器，例如已知有如下的超声波传感器(例如参照专利文献1)：具备控制运算部，该控制运算部基于从具有振动板以及压电体的超声波传感器单元发送的超声波和由检测对象反射并由超声波传感器单元接收的超声波，来计算检测对象(测量对象物)的位置、形状以及速度，通过反射室覆盖上述的压电体的周围。另外，作为这种超声波传感器，例如已知有如下的超声波传感器(例如参照专利文献2)：在具备形成有开口部的支承体、以闭塞开口部的方式设置的支承膜、设置在支承膜的与支承体相反侧的压电体(压电元件)、以及设置在压电元件的周围的框体的超声波传感器中，进一步设置有密封压电元件的密封膜，在被该密封膜密封的空间(包含压电元件的空间)填充作为压力介质的硅油，该超声波传感器作为压力传感器应用。
专利文献1：日本特开2010-164331号公报
专利文献2：日本特开2012-215533号公报(图3的(B)等)
然而，在专利文献1的超声波传感器中，存在产生向与向测量对象物侧发送的超声波不同的方向发送的其他超声波的情况。因此，存在相对于产生的全部超声波，向测量对象物侧发送的超声波的比例变低的情况。若向测量对象物侧发送的超声波的传播效率不充分，则产生不能精度良好地获得关于测量对象物的各种信息的可能性。另外，在专利文献2中，在包含压电元件的空间填充有硅油，所以存在在压电元件的驱动时产生经由硅油的漏电流的情况。该情况下，产生实现以能够分离并识别测量对象物的能力(距离分辨率)为首的检测精度的提高变得困难的可能性。
此外，这样的问题不仅在专利文献1的超声波传感器中，在例如具有振动板以及压电体且产生向与向测量对象物侧发送的超声波不同的方向发送的其他超声波的超声波传感器中也同样存在。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供能够提高超声波的传播效率的超声波传感器及使用了该超声波传感器的测量方法以及该超声波传感器的制造方法。
解决上述课题的本发明的方式是一种超声波传感器，其特征在于，具备：形成有开口部的基板、按照封闭上述开口部的方式设置在上述基板上的振动板、以及层叠在上述振动板的与上述开口部相反侧的面上并包含第一电极、压电体层以及第二电极的压电元件，上述超声波传感器在上述振动板的与上述开口部相反侧的面上的上述压电元件的周围的空间设置有反射层，上述振动板以及上述压电元件的厚度按如下方式设定：相对于向测量对象物侧发送的发送超声波，使向与上述发送超声波不同的方向发送的其他超声波在上述压电元件与上述反射层之间的界面被反射而与上述发送超声波叠加。
根据此，能够使向与向测量对象物侧发送的发送超声波不同的方向(例如相反方向)发送的其他超声波与该发送超声波叠加，从而使其振幅增大。因此，能够增大发送超声波的强度，提高超声波的传播效率。
在上述方式中，反射层也能够是空气层而构成。如果使反射层为空气层而构成，则与在压电元件的周围的区域设置了声匹配层(硅油等)的情况相比，能够显著地减少压电元件的驱动时的漏电流。由此，能够防止对测量对象物的检测产生负面影响，其结果是，能够实现以能够分离并识别测量对象物的能力(距离分辨率)为首的检测精度的提高。而且，如上述那样能够显著地减少漏电流，所以成为电安全性优良的超声波传感器。另外，根据该方式，在振动板的与压电元件相反侧安装基板，所以开口部的加工变得容易。
这里，优选上述反射层与上述压电元件的声阻抗比为3倍以上。根据此，能够在反射层与压电元件之间的界面适当地反射上述其他超声波。因此，能够可靠地提高超声波的传播效率。
另外，优选上述反射层具有比上述压电元件的声阻抗小的声阻抗。根据此，能够扩大上述的反射层的构成材料的选择性。因此，能够提高超声波的传播效率，并且也能够增大超声波传感器的构成自由度。
另外，优选：在上述压电元件上确保有空间，上述反射层由形成在上述压电元件与包围板之间的空气层构成，上述包围板按照包围上述压电元件以及上述空间的方式形成在振动板上。根据此，能够容易地形成反射层，而且能够通过包围板保护压电元件。因此，能够容易地构成提高超声波的传播效率的超声波传感器，并且也能够提高超声波传感器的结构稳定性。并且，如上述那样能够显著地减少压电元件的驱动时的漏电流，所以也能够实现检测精度的提高。而且，在压电元件作为薄膜而构成的情况下，也能够使操作性提高，所以超声波传感器的制造、操作变得容易。
另外，优选：在上述压电元件上确保有空间，上述反射层由填充在上述压电元件与包围板之间的树脂组合物层构成，上述包围板按照包围上述压电元件以及上述空间的方式形成在振动板上。根据此，能够容易地形成声阻抗不同的反射层，而且能够通过包围板保护压电元件。因此，能够容易地构成提高超声波的传播效率的超声波传感器，并且也能够提高超声波传感器的结构稳定性。
另外，优选：在上述反射层与上述压电元件之间的界面反射的上述其他超声波相对于上述发送超声波，具备比0度大且120度以下的相位差。根据此，能够根据相位差使超声波的振幅增大。因此，能够进一步提高超声波的传播效率。
另外，优选上述压电元件的厚度为0.4～2.0μm。根据此，能够缩小从上述的其他超声波产生的时刻到在反射层与压电元件之间的界面反射而向测量对象物侧传播的时刻为止的差。因此，易于使其他超声波与发送超声波叠加，其他超声波也不会在测量对象物侧与回波信号干扰。因此，能够提高超声波的传播效率，而且也能够提高测量分辨率。
另外，优选上述振动板的厚度为0.5～3.0μm。根据此，能够缩小从上述的其他超声波产生的时刻到在反射层与压电元件之间的界面反射而向测量对象物侧传播的时刻为止的差。因此，易于使其他超声波与发送超声波叠加，其他超声波也不会在测量对象物侧与回波信号干扰。因此，能够提高超声波的传播效率，而且也能够提高测量分辨率。
另外，本发明的方式是一种超声波传感器，其特征在于，具备：振动板，其具有第一面和第二面；压电元件，其设置在上述振动板的上述第一面上，包含第一电极、压电体层以及第二电极；基板，其安装于上述振动板的上述第二面，在与上述压电元件对置的位置具有开口部；以及声匹配层，其设置在由上述开口部和上述振动板的上述第二面形成的空间内，使由上述压电元件的驱动而产生的超声波传播，上述压电元件的周围的区域为空气层。
根据该方式，振动板以及压电元件的与开口部对置的区域为空气层，所以与在压电元件的周围的区域设置了声匹配层的情况相比，能够显著地减少压电元件的驱动时的漏电流。由此，能够防止对测量对象物的检测产生负面影响，其结果是，能够实现以能够分离并识别测量对象物的能力(距离分辨率)为首的检测精度的提高。而且，如上述那样能够显著地减少漏电流，所以成为电安全性优良的超声波传感器。另外，根据该方式，在振动板的与压电元件相反侧安装基板，所以开口部的加工变得容易。
优选：上述基板具有相对于上述振动板的上述第二面平行且与上述第二面接合的第一壁面、和划分出上述开口部的第二壁面，上述第二壁面具有相对于上述第一壁面垂直的垂直壁、和设置在上述第一壁面与垂直壁之间且相对于上述第一壁面以及垂直壁倾斜的倾斜壁，上述倾斜壁与上述振动板的上述第二面所成的角度在90°以上。根据此，能够使开口部的开口面积在厚度方向不同，使振动板侧的开口的面积比其他侧的开口的面积大。因此，振动板与声匹配层的接触面积增大。因此，能够减少由基板限制振动板的位移的面积，能够增大振动板的动作区域。振动板与声匹配层的接触面积增大，振动板的动作区域增大，从而即使假设在声匹配层内产生了残留振动，也能够通过振动板适当地吸收该残留振动。换句话说，声匹配层发挥作为所谓的减振器的功能，能够减少声匹配层中的残留振动。其结果是，能够进一步实现以距离分辨率为首的检测精度的提高。特别是，在将由具有一个压电元件和一个开口部的最小单位的结构构成的超声波传感器单元排列两个以上来构成超声波传感器的情况下，在邻接的单元的开口部之间通过基板形成隔壁。这样，在邻接的开口部间存在隔壁，从而能够遮断在声匹配层中传播的残留振动，能够抑制邻接的元件的振动衰减。其结果是，能够实现以距离分辨率为首的检测精度的进一步的提高。
另外，优选：具备进行向上述压电元件的驱动信号的发送接收的电路，上述电路进行使上述压电元件以共振模式共振的该驱动信号的发送接收。根据此，能够利用共振，使压电元件以及振动板较大地位移从而发送强度较大的超声波，另外根据来自测量对象物的反射超声波而使压电元件以及振动板较大地位移，从而能够得到强度较大的电信号。这样，能够进行使用了强度较大的电信号的检测，所以能够进一步实现以距离分辨率为首的检测精度的提高。
解决上述课题的本发明的其他方式是一种使用了超声波传感器的测量方法，其特征在于，上述超声波传感器具备：形成有开口部的基板、以封闭上述开口部的方式设置在上述基板上的振动板、以及由层叠在上述振动板上的第一电极、压电体层以及第二电极构成的压电元件，上述使用了超声波传感器的测量方法具有如下步骤：通过设置于上述振动板的与上述开口部相反侧的反射层，使向与发送超声波不同的方向发送的其他超声波反射，并使上述其他超声波与上述发送超声波叠加，上述发送超声波向测量对象物侧发送。
根据此，能够使向与向测量对象物侧发送的发送超声波不同的方向(例如相反方向)发送的其他超声波与该发送超声波叠加，从而使其振幅增大。因此，能够增大发送超声波的强度，提高超声波的传播效率。
解决上述课题的本发明的另外的其他方式是一种超声波传感器的制造方法，其特征在于，准备基板，在上述基板上形成具有第一面和第二面的振动板，在上述振动板的上述第一面上形成包含第一电极、压电体层以及第二电极的压电元件，在上述基板的与上述压电元件对置的位置形成开口部，在由上述开口部和上述振动板的上述第二面形成的空间内设置使由上述压电元件的驱动而产生的超声波传播的声匹配层，使上述压电元件的周围的区域为空气层。
根据该方式，使振动板以及压电元件的与开口部对置的区域为空气层来进行制造，所以与在压电元件的周围的区域设置声匹配层的情况相比，成为能够显著地减少压电元件的驱动时的漏电流的超声波传感器。由此，能够防止对测量对象物的检测产生负面影响，其结果是，能够实现以能够分离并识别测量对象物的能力(距离分辨率)为首的检测精度的提高。而且，如上述那样能够显著地减少漏电流，所以能够制造电安全性优良的超声波传感器。另外，根据该方式，在振动板的与压电元件相反侧安装基板，所以开口部的加工变得容易。
另外，优选形成上述开口部的工序包含：对上述基板进行蚀刻而形成垂直壁的工序，通过该工序，垂直壁相对于上述振动板的上述第二面垂直；以及形成倾斜壁的工序，通过该工序，倾斜壁相对于上述振动板的上述第二面以及上述垂直壁倾斜，并且倾斜壁相对于上述第二面的角度在90°以上。根据此，能够使开口部的开口面积在厚度方向不同，使振动板侧的开口的面积比其他侧的开口的面积大，所以增大振动板与声匹配层的接触面积。因此，能够减少由基板限制振动板的位移的面积，能够增大振动板的动作区域。振动板与声匹配层的接触面积增大，振动板的动作区域增大，从而即使假设在声匹配层内产生了残留振动，也能够通过振动板适当地吸收该残留振动。换句话说，声匹配层发挥作为所谓的减振器的功能，能够减少声匹配层中的残留振动。其结果是，能够进一步实现以距离分辨率为首的检测精度的提高。特别是，在将由具有一个压电元件和一个开口部的最小单位的结构构成的超声波传感器单元排列两个以上来构成超声波传感器的情况下，在邻接的单元的开口部之间通过基板形成隔壁。这样，在邻接的开口部间存在隔壁，从而能够遮断在声匹配层中传播的残留振动，能够抑制邻接的元件的振动衰减。其结果是，能够实现以距离分辨率为首的检测精度的进一步的提高。
另外，优选在上述振动板的上述第一面上进一步设置包围上述压电元件以及上述空气层的包围板。根据此，能够在压电元件的周围的区域确保空气层，并且能够物理性地保护压电元件，所以能够实现以距离分辨率为首的检测精度的提高，并且能够进一步提高电安全性优良的超声波传感器的构造强度。而且，在压电元件作为薄膜而构成的情况下，也能够使操作性提高，所以超声波传感器的制造、操作变得容易。
附图说明
图1是表示实施方式一所涉及的超声波传感器的简要结构的分解立体图。
图2是实施方式一所涉及的超声波传感器的剖面图。
图3是表示实施方式一所涉及的超声波传感器的动作等的图。
图4是表示实施方式一所涉及的超声波传感器的动作等的图。
图5是对实施方式一所涉及的超声波传感器的超声波波形等进行说明的曲线图。
图6是对实施方式一所涉及的超声波传感器的超声波波形等进行说明的曲线图。
图7是对实施方式一所涉及的超声波传感器的制造例进行说明的图。
图8是对实施方式一所涉及的超声波传感器的制造例进行说明的图。
图9是表示实施方式一的变形例所涉及的超声波传感器的简要结构的图。
图10是表示实施方式二所涉及的超声波传感器的简要结构的分解立体图。
图11是实施方式二以及变形例所涉及的超声波传感器的剖面图。
图12是表示实施方式二所涉及的超声波传感器的动作的示意图。
图13是实施方式三所涉及的超声波传感器的剖面图。
图14是实施方式三所涉及的超声波传感器的剖面放大图以及从第一壁面侧观察到的俯视图以及变形例所涉及的超声波传感器的剖面放大图。
图15是对实施方式三所涉及的超声波传感器的残留振动减少器功能进行说明的图。
图16是对实施方式三所涉及的超声波传感器的制造例进行说明的图。
图17是对实施方式三所涉及的超声波传感器的制造例进行说明的图。
图18是表示本发明的一实施方式所涉及的液体喷射装置的简要结构的图。
附图标记说明：1、1A、1B…超声波传感器，10…基板，11x…第一壁面，11y、11ya、11yb…第二壁面，11a、11b…倾斜壁，11c、11d、11e…垂直壁，20…声匹配层，30…透镜部件，40…包围板，50…振动板，50a…振动板的第二面，50b…振动板的第一面，51…弹性膜，52…绝缘体膜，53…掩模膜，56…密接层，60…第一电极，70…压电体层，71…反射层(压电元件的周围的区域)，71a…空气层，71b…树脂组合物层，80…第二电极，120…电路，121…布线，300…压电元件。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。但是，以下的说明示出本发明的一方式，在本发明的范围内能够任意地变更。在各图中附加了相同的附图标记的部件表示同一部件，从而适当地省略说明。
(实施方式一)
本发明的实施方式一涉及具备反射层的超声波传感器等，振动板以及压电元件的厚度按如下方式设定：相对于向测量对象物侧发送的发送超声波，使向与发送超声波不同的方向发送的其他超声波在压电元件与反射层之间的界面被反射而与发送超声波叠加。
图1是表示本发明的实施方式一所涉及的超声波传感器的简要结构的分解立体图，图2是沿着宽度方向切断图1的超声波传感器后的剖面图。
如图示那样，超声波传感器1具备：形成有开口部W的基板10、以封闭开口部W的方式设置在基板10上的振动板50、以及由层叠在振动板50上的第一电极60、压电体层70以及第二电极80构成的压电元件300。
基板10例如能够使用硅(Si)单晶基板，振动板50例如能够通过由二氧化硅(SiO2)构成的弹性膜51和由氧化锆等构成的绝缘体膜52构成。通过对压电元件300的电压施加使压电元件300弯曲变形，根据由此引起的压电元件300以及振动板50的位移而产生超声波。其中，绝缘体膜52能够省略。
在本实施方式中，开口部W成为向测量对象物侧发送的超声波(以下有时简称为“发送超声波”。)的通过区域，压电元件300形成于振动板50的与开口部W相反侧。根据此，使振动板50的与压电元件300相反侧的结构简单化，从而能够确保超声波的良好的通过区域。另外，使电极、布线等电区域、各部件的粘合固定区域远离测量对象物，从而易于防止在它们与测量对象物之间的污染、漏电。
因此，对于本实施方式的超声波传感器1而言，自不必说能够作为安装于打印机的压力传感器等而优选使用，也优选使用于从安全性等方面来看而尤其忌讳污染、漏电的医疗用设备，例如超声波诊断装置、血压计以及眼压计。
此外，在本实施方式中，在压电元件300上(压电元件300的上表面上以及侧面上)确保有空间，并且虽然按照包围该压电元件300以及空间的方式在振动板50上形成有包围板40，但该包围板40能够省略。但是，通过设置这样的包围板40，能够物理性地保护压电元件300，另外超声波传感器1的强度也增加，因此能够提高结构稳定性。而且，在压电元件300作为薄膜而构成的情况下，也能够提高包含该压电元件300的超声波传感器1的操作性。这样的包围板40例如能够由硅类材料构成，若基板10、振动板50也使用硅类材料，则能够通过同种材料接合各部分。
在基板10的与振动板50相反侧，设置有超声波等能够透过的透镜部件30。在由透镜部件30、基板10以及振动板50形成的空间S，填充有规定的树脂组合物而形成有声匹配层20。根据此，能够防止在压电元件300与测量对象物之间的急剧的声阻抗变化。在不需要使超声波收敛的情况下，也可以省略透镜部件30，或者代替透镜部件30而设置封闭开口部W的盖部件。
即，在压电元件300与测量对象物之间声阻抗急剧变化的情况下，超声波不经过其界面传播而在该界面反射。另一方面，利用声匹配层20使声阻抗在压电元件300与测量对象物之间阶段性地变化，从而能够防止因声阻抗在压电元件300与测量对象物之间急剧变化而引起的超声波的反射，并且使超声波高效地向测量对象物侧传播。
另外，在本实施方式中，采用在基板10存在一个开口部W的最小单位的结构，成为对小型化有利的方式。但是，也可以使上述结构在宽度方向或者长度方向一维地排列，或者在宽度方向以及长度方向二维地排列。在该情况下，为了取得关于测量对象物的各种信息能够使用多个检测信号，从而能够提高可靠性。
在使超声波传感器1一维或者二维地排列的情况下，可以在构成各个超声波传感器1之后将上述各个超声波传感器1连接固定而构成，也可以构成为：使用形成有多个开口部W的基板，振动板、透镜部件等成为共用部件。
在振动板50的与开口部W相反侧，设置有由厚度30～50nm左右的氧化钛等构成并提高与第一电极60的基底的密接性的密接层56。绝缘体膜52、密接层56能够根据需要省略。在密接层56上，形成有由第一电极60、压电体层70以及第二电极80构成的压电元件300。此处，压电元件300是指包含第一电极60、压电体层70以及第二电极80的部分。
一般情况下，在压电元件300中，使任意一方电极为共用电极，并通过按每个开口部W进行图案化来构成另一方电极以及压电体层70。因此，在使超声波传感器1一维或者二维地排列的方式的情况下，例如能够使第一电极60成为压电元件300的共用电极，并使第二电极80成为压电元件300的独立电极，但根据驱动电路、布线的情况也可以使上述电极相反。
这里，能够将压电元件300和通过该压电元件300的驱动而产生位移的振动板50合称为促动器装置。在上述例子中，振动板50和根据需要设置的绝缘体膜52及密接层56和第一电极60作为振动板而发挥作用，但并不限定于此。例如，也可以不设置振动板50，而压电元件300本身实际上兼具作为振动板的功能。
只要第一电极60、第二电极80具有导电性则并不限制，例如能够使用铂(Pt)、铱(Ir)、金(Au)、铝(Al)、铜(Cu)、钛(Ti)、不锈钢等金属材料、铟锡氧化物(ITO)、掺氟氧化锡(FTO)等氧化锡类导电材料、氧化锌类导电材料、钌酸锶(SrRuO3)、镍酸镧(LaNiO3)、元素掺杂钛酸锶等氧化物导电材料、导电性聚合物等。但是，并不限制于上述材料。
压电体层70代表性地能够使用锆钛酸铅(PZT)类的钙钛矿结构的复合氧化物。根据此，易于确保压电元件300的位移量。另外，压电体层70也能够采用不含铅的、例如至少包含铋(Bi)、钡(Ba)、铁(Fe)以及钛(Ti)的所谓的BF-BT类的钙钛矿结构的复合氧化物、至少包含钾(K)、钠(Na)、铌(Nb)的所谓的KNN类的钙钛矿结构的复合氧化物。根据此，能够使用对环境的负荷较小的非铅类材料来实现超声波传感器1。
这样的钙钛矿型结构、即ABO3型结构的A位是氧12配位，另外，B位是氧6配位且呈八面体(octahedron)。在基于上述的BF-BT类的压电体层70的例子中，Bi、Ba以及Li位于A位，Fe、Ti位于B位。
另外，在上述的BF-BT类的例子中，其组成式表示为(Bi，Ba)(Fe，Ti)O3，作为代表的组成，表示为铁酸铋与钛酸钡的混晶。这样的混晶是指利用X射线衍射图案，铁酸铋、钛酸钡无法单独检测的物质。也包含除了混晶的组成之外的组成。另一方面，在所谓的KNN类的例子中，K以及Na位于A位，Nb位于B位。其组成式表示为(K，Na)NbO3。
这里的钙钛矿结构的复合氧化物也包含因缺损、过剩而从化学计量的组成偏离的物质、元素的一部分被置换为其他元素的物质。即，只要能够获得钙钛矿结构，由晶格失配、氧缺损等引起的不可避免的组成的偏离自不必说，也允许元素的一部分置换等。
例如优选上述的BF-BT类、KNN类的钙钛矿型复合氧化物进一步包含锰(Mn)。根据此，易于抑制漏电流，例如作为非铅类的材料能够实现可靠性高的超声波传感器1。
作为上述的BF-BT类中的锰(Mn)以外的添加物的例子，能够列举置换压电体层70的A位的Bi的一部分的锂(Li)、钐(Sm)、铈(Ce)，置换B位的Fe的一部分的铝(Al)、钴(Co)等。另外，作为上述的KNN类中的Mn以外的添加物的例子，能够列举锂(Li)、钡(Ba)、钙(Ca)、锶(Sr)、锆(Zr)、钛(Ti)、铋(Bi)、钽(Ta)、锑(Sb)、铁(Fe)、钴(Co)、银(Ag)、镁(Mg)、锌(Zn)、铜(Cu)等。添加物也可以包含一种以上。一般来说，添加物的量相对于成为主要成分的元素的总量在15％以下。通过利用添加物，使各种特性提高而易于实现结构、功能的多样化。在包含上述其他元素的复合氧化物的情况下，也优选构成为具有钙钛矿结构。
以上说明的压电元件300因来自电路(图3等所示的120)的电压施加而弯曲变形。压电元件300的弯曲变形的容易程度根据压电元件300、振动板50的构成材料、厚度、配置、大小等变化，因此能够根据用途、使用方式适当地调节。也可以利用各种材料所固有的共振频率，使该频率与施加于压电元件300的电荷信号的频率一致或者实质上一致，利用共振而使压电元件300弯曲变形。
压电元件300的弯曲变形的结果是，压电元件300、振动板50位移，根据该位移例如产生向测量对象物侧的发送超声波。具体而言，如图3的(a)所示，从电路120经由布线121向压电元件300施加电荷信号Iin，从而压电元件300以被第一电极60以及第二电极80夹着的实际上成为驱动部的压电体层70为中心弯曲变形的结果是，压电元件300、振动板50位移，产生向测量对象物侧(图中的下方侧)的发送超声波。
如上述那样，在本实施方式中，采用振动板50的与压电元件300相反侧成为超声波的通过区域的结构，从而确保超声波的良好的通过区域。另外，使电极、布线等电区域、各部件的粘合固定区域远离测量对象物，从而易于防止在它们与测量对象物之间的污染、漏电。
电路120能够组合公知的电源装置(未图示)、以公知的微型计算机为中心构成的控制机构(未图示)等而适当地构成。电路120能够与第一电极60以及第二电极80连接固定，由此提高结构稳定性、电可靠性。但是，在不变更本发明的主旨的范围内，也可以以能够与第一电极60以及第二电极80电分离的方式构成电路，由此容易进行维护、修理更换，另外，能够使超声波传感器1本身的构成简单化。
向测量对象物侧的发送超声波在存在测量对象物的情况下被该测量对象物反射并返回至超声波传感器1侧。如图3的(b)所示，被测量对象物反射的超声波作为回波信号入射至振动板50，由此压电元件300与振动板50共同位移，产生的电荷信号Iout被电路120测量。然后，在未图示的控制机构中，进行基于电荷信号Iin以及电荷信号Iout的时差等的运算，从而检测出测量对象物的位置、形状以及速度等。
在利用了这样的压电元件300以及振动板50的位移的超声波传感器1中，存在产生向与向测量对象物侧的发送超声波不同的方向(例如与测量对象物相反侧)发送的其他超声波的情况。因此，在本实施方式中，在振动板50的与开口部W相反侧具备区域71，振动板50以及压电元件300的厚度按如下方式设定：相对于向测量对象物侧发送的发送超声波，使向与发送超声波不同的方向发送的其他超声波在压电元件300与该区域71之间的界面被反射而与发送超声波叠加。该区域作为实施方式所涉及的反射层71发挥作用。
由反射层71产生的超声波的反射基于反射层71与压电元件300的在界面的声阻抗比。因此，优选反射层71与压电元件300的声阻抗比为3倍以上。根据此，能够在反射层71与压电元件300之间的界面适当地反射上述其他超声波，从而能够可靠地提高超声波的传播效率。
这样的反射层71只要其与压电元件300的声阻抗比在规定值以上即可，可以具有比压电元件300的声阻抗大的声阻抗，也可以具有比压电元件300的声阻抗小的声阻抗。这样，能够根据压电元件300的构成来适当地选择反射层71的构成材料。
例如反射层71能够构成为：由形成于压电元件300与包围板40之间的空气层71a构成。已知空气的声阻抗约为4.3×10-4MRaly。另外，在压电元件300由上述的第一电极60、压电体层70以及第二电极80构成的情况下，其声阻抗大多例如为大约0.7MRaly(1.0×10-6kg·m-2·s-1)。此时，若对下式(1)所表示的反射率R进行计算，则反射率R约为0.998，可知在压电元件300与空气层71a之间的界面，超声波反射约99.8％，即超声波几乎不传播。
式(1)
反射率R＝(Z0-Z1)/(Z0+Z1)
(Z0：压电元件的声阻抗，Z1：空气层的声阻抗)
因此，通过具备由空气层71a构成的反射层71，能够更容易地形成该反射层71。此外，也能够起到能够通过包围板40保护压电元件300的上述效果。
使用图4对本实施方式的超声波传感器1进一步进行详述。图4是本实施方式的超声波传感器1的放大剖面图。图中，向测量对象物侧的发送超声波用实线箭头A表示，被反射层71反射而向测量对象物侧发送的其他超声波用虚线箭头B表示，被测量对象物反射的回波信号用点划线箭头C表示。
在超声波传感器1中，通过电压施加从而压电元件300向开口部W方向弯曲变形，其结果是，压电元件300、振动板50位移，从而向测量对象物侧产生发送超声波A。
另一方面，存在根据压电元件300的弯曲变形而向与测量对象物侧不同的方向也产生超声波的情况。例如，存在向与测量对象物侧相反侧产生其他超声波B的情况。超声波传感器1具备上述的反射层71，因此这样的其他超声波B在反射层71与压电元件300之间的界面反射，从而其发送方向变化，而向测量对象物侧发送。
这里，在本实施方式中，优选压电元件300的厚度为0.4～2.0μm。另外，优选振动板50的厚度为0.5～3.0μm。若压电元件300、振动板50如上述那样比较薄，则与压电元件300、振动板50比较厚，例如压电元件为大块的情况相比，能够缩短其他超声波B到达反射层71与压电元件300之间的界面为止的传播距离，另外，也能够缩短在该界面反射的其他超声波B到达测量对象物侧为止的传播距离。因此，能够缩小从其他超声波B产生的时刻到在反射层71与压电元件300之间的界面反射而向测量对象物侧传播的时刻为止的差。因此，能够使其他超声波B与发送超声波A适当地叠加。
图5是表示发送超声波A、其他超声波B以及回波信号C的振幅的时间图。如图5所示，在本实施方式中，从发送超声波A产生的时刻t1到其他超声波B与发送超声波A叠加的时刻t2为止的期间P1比从发送超声波A产生的时刻t1到接收回波信号C的时刻t3为止的期间P2短。
这样，若压电元件300、振动板50如上述那样比较薄，则虽然也取决于与测量对象物的距离，但能够防止在其他超声波B与发送超声波A叠加之前回波信号C入射，从而其他超声波B对回波信号C干扰的可能性变得极低。
对于发送超声波A与其他超声波B之间的相位差，只要是其他超声波B不对回波信号C干扰，另外不对发送超声波A的振幅给予负面影响那样的值，则在不改变本发明的主旨的范围内能够适当地选择。图6是对发送超声波A与其他超声波B叠加时的振幅的变化进行说明的图。
如图示那样，理论上，若发送超声波A以及其他超声波B这两者的相位差为0度，则波形完全一致，振幅变为二倍，从而能够提高其强度。若压电元件300、振动板50如上述那样比较薄，则能够缩短其他超声波B在反射层71与压电元件300之间的界面反射并到达测量对象物侧为止的传播距离，因此容易缩小发送超声波A以及其他超声波B这两者的实际的相位差。
例如，优选到其他超声波B与发送超声波A叠加为止的延迟为该发送超声波A的周期的1/3以下，换言之，优选其他超声波B相对于发送超声波A具备比0度大且120度以下的相位差，更优选其他超声波B具备比0度大且60度以下的相位差。根据此，成为不对发送超声波A的振幅给予负面影响那样的其他超声波B。另外，能够根据相位差使超声波的振幅增大，从而进一步提高其传播效率。
作为一个例子，对发送超声波A的频率约为7.5MHz的情况进行说明。在该情况下，发送超声波A的周期根据发送超声波A的频率的倒数而约为1.3×10-7s。另外，若设压电元件300的密度约为2×103kg/m3，设该压电元件300内的超声波速度、即音速约为1×103m/s，设压电元件300的膜厚为1μm，则其他超声波B的传播时间(延迟)为1μm/1×103m/s＝1ns(1×10-9s)。因此，可知相对于发送超声波A的频率，其他超声波B的传播时间(延迟)处于上述的范围内，成为不对发送超声波A的振幅给予负面影响那样的其他超声波B。
在这样的超声波传感器1中，优选压电元件300兼为发送超声波的发送装置以及接收反射的回波信号的接收装置。根据此，能够提供有利于小型化的超声波传感器1。但是，也可以独立地具备发送超声波的发送装置和接收反射的回波信号的接收装置。
接下来，参照图7～图8对本实施方式的超声波传感器的制造方法的一个例子进行说明。图7～图8是表示超声波传感器的制造例的剖面图。
首先，如图7的(a)所示，在基板10上通过热氧化等形成振动板50后，在振动板50上，使锆成膜并利用例如500～1200℃的扩散炉进行热氧化，从而形成由氧化锆构成的绝缘体膜52。然后，在绝缘体膜52上，通过溅射法、热氧化等形成密接层56。其后，如图7的(b)所示，在密接层56上，通过溅射法、蒸镀法等形成第一电极60，并同时对该密接层56以及第一电极60进行图案化以使它们成为规定的形状。
接着，在第一电极60上层叠压电体层70。压电体层70例如能够使用如下的CSD(Chemical Solution Deposition：化学溶液沉积)法形成：对将金属络合物溶解、分散于溶剂后的溶液进行涂覆干燥，进一步以高温烧制，从而得到由金属氧化物构成的压电材料。此外，并不限定于CSD法，例如也可以使用溶胶-凝胶法、激光烧蚀法、溅射法、脉冲激光沉积法(PLD法)、CVD法以及气溶胶沉积法等。其后，在压电体层70上，通过溅射法、热氧化等形成第二电极80。由此，如图7的(c)所示，在密接层56上形成由第一电极60、压电体层70以及第二电极80构成的压电元件300。
接下来，如图8的(a)所示，在基板10上的整个周边形成掩模膜53。然后，如图8的(b)所示，经由掩模膜53对基板10进行使用了KOH等碱性溶液的各向异性蚀刻(湿式蚀刻)，从而除去基板10的与压电元件300对置的区域。
然后，如图8的(c)所示，利用成为声匹配层20的树脂组合物填满振动板50的与压电元件300相反侧，并在基板10的与振动板50相反侧接合透镜部件30。其后，将相对于例如由硅材料构成的包围板形成基板通过蚀刻等而形成了包围压电元件300的区域的包围板40与振动板50接合。如以上那样，能够制造超声波传感器1。
对于使用了以上说明的超声波传感器的测量方法而言，具有如下步骤：通过设置于振动板50的与开口部W相反侧的反射层71，使向与向测量对象物侧发送的发送超声波不同的方向发送的其他超声波反射，并使该其他超声波与发送超声波叠加。超声波传感器1能够使用上述的超声波传感器，根据此，能够使向与向测量对象物侧发送的发送超声波不同的方向发送的其他超声波与该发送超声波叠加，从而使其振幅增大。
(实施方式一的变形例)
以上，对本发明的一实施方式进行了说明，但其结构并不限定于上述内容。
例如，如图9的(a)所示，能够构成为：反射层由填充在压电元件300与以包围压电元件300以及空间的方式形成在振动板50上的包围板40之间的树脂组合物层71b构成。根据此，通过改变树脂组合物的种类，能够容易地形成声阻抗不同的反射层。填充的树脂组合物能够适当地选择并使用与压电元件300的声阻抗比在规定值以上的物质。作为这样的树脂组合物层，例如可举出氯乙烯，但并不限制于上述例子。
另外，将在后述的实施方式二中详细叙述，例如也可以如图9的(b)所示，省略包围板而形成反射层71。根据此，也能够基于作为反射层的空气层71a与压电元件300的在界面的阻抗比，来使发送超声波反射。
(实施方式二)
图10是表示本发明的实施方式二所涉及的超声波传感器的简要结构的分解立体图，图11的(a)是沿宽度方向切断图10所示的超声波传感器后的剖面图。另外，图11的(b)是其变形例。图中，超声波传感器中的宽度方向与第一方向X对应，与第一方向X正交的方向与第二方向Y对应。
如这些图所示，超声波传感器1A实际上具有与上述的实施方式一相同的结构。因此，本实施方式所涉及的超声波传感器1A也具有与上述的实施方式一相同的功能，能够得到与实施方式一相同的效果。并且，在本实施方式中，也能够应用与上述的实施方式一相同的材料、构造以及方法。同样地，上述的实施方式一所涉及的超声波传感器1也具有与以下说明的实施方式二相同的功能，能够得到与实施方式二相同的效果。并且，以下的实施方式二所说明的材料、构造以及方法也能够应用于上述的实施方式一。其中，在本实施方式中，对于与上述的实施方式一共通的部分，利用相同的附图标记，并省略其说明的一部分。
本实施方式所涉及的超声波传感器1A与上述的实施方式一相同，具有压电元件300和开口部W分别为一个的最小单位的结构。由这样的最小单位的结构构成的超声波传感器1A有利于小型化。在上述的实施方式一中也进行了叙述，当然也能够将由该最小单位构成的传感器(以下，称为“传感器单元”)在宽度方向或者长度方向一维地排列两个以上，或者在宽度方向以及长度方向二维地排列多个，来构成一个传感器。在一维或者二维地排列多个传感器单元的情况下，虽然可以在构成各个单元之后将它们连接，但也可以使基板10、振动板50以及透镜部件30等共用化。关于将第一电极60和第二电极80中的哪个作为共用电极，能够根据驱动电路、布线的情况或者制造上的情况等适当地选择。
基板10安装于振动板50的第二面50a。基板10具有开口部W。开口部W设置在与压电元件300对置的位置。基板10具备相对于振动板的第二面50a平行的第一壁面11x和相对于振动板的第二面50a垂直的第二壁面11y。第一壁面11x与振动板50的第二面50a接合。第二壁面11y划分出开口部W。作为基板10，例如能够使用能够通过蚀刻从一面侧形成开口部W的材料，作为一个例子能够使用硅(Si)单晶基板。另外，作为振动板50，能够使用能够通过压电元件300的弯曲变形而位移的材料，作为一个例子能够使用作为由二氧化硅(SiO2)构成的弹性膜51而构成的材料。在本实施方式中，作为振动板50，使用了在弹性膜51上进一步形成了由氧化锆等构成的绝缘体膜52的振动板，但该绝缘体膜52能够省略。
在本实施方式中，在振动板50的第二面50a侧、即与设置了压电元件300的第一面50b相反侧的面安装了基板10，所以在对基板10形成开口部W、如后述的变形例那样调节振动板50与基板10之间的连接部分的角度时的加工、蚀刻作业容易。
在振动板50的第一面50b上设置压电元件300。压电元件300的周围的区域71(包含压电元件300的上表面以及侧面的区域)为空气层71a。例如如图11的(a)所示，空气层71a能够通过使压电元件300的周围的区域71开放而构成。根据此，能够简单并且廉价地构成空气层71a。这样，通过使压电元件300的周围的区域71为空气层71a，由此与在压电元件300的周围的区域设置声匹配层的以往的情况相比，能够显著地减少压电元件300的驱动时的漏电流。由此，能够防止对测量对象物的检测产生负面影响，其结果是，能够实现以能够分离并识别测量对象物的能力(距离分辨率)为首的检测精度的提高。
而且，如上述那样能够显著地减少漏电流，所以成为电安全性优良的超声波传感器1A。因此，成为当然能够作为安装于以打印机为首的液体喷射装置的压力传感器等而优选使用，也优选使用于从安全性等方面来看尤其忌讳漏电的医疗用设备、例如超声波诊断装置、血压计以及眼压计的超声波传感器1A。另外，根据该方式，能够实现在振动板50的与压电元件300相反侧连接基板10的结构，所以后述的变形例所例示的那样的用于调节振动板50与基板10之间的连接部分的角度的加工、蚀刻作业也变得容易。
空气层71a并不限定于图11的(a)所示的结构。例如如图11的(b)所示，也可以按照在压电元件300的周围的区域(包含压电元件300的上表面以及侧面的区域)确保空间并包围压电元件300以及空间的方式在振动板50的第一面50b上安装包围板40。在该情况下，该空间作为空气层71a发挥作用。换句话说，在被包围板40覆盖的区域内形成了空气层71a。根据此，与上述的实施方式一相同，能够物理性地保护压电元件300，所以能够实现以距离分辨率为首的检测精度的提高，并且能够提高电安全性优良的超声波传感器的构造强度。而且，在压电元件300作为薄膜而构成的情况下，也能够使操作性提高，所以超声波传感器的制造、操作变得容易。另外，包围板40与基板10、振动板50相同，例如能够使用硅类材料构成，但能够适当地选择构成材料。
第一电极60、压电体层70以及第二电极80的各层也可以不相互接触，也可以在这些部件之间夹有其他的层。第一电极60、第二电极80的材料能够使用与上述的实施方式一相同的材料。
压电体层70也能够使用与上述的实施方式一相同的材料。
如实施方式一所说明的那样，钙钛矿结构的复合氧化物也包含因缺损、过剩而从化学计量的组成偏离的物质、元素的一部分被置换为其他元素的物质。即，只要能够获得钙钛矿结构，由晶格失配、氧缺损等引起的不可避免的组成的偏离自不必说，也允许元素的一部分置换等。
开口部W设置在夹着振动板50并与压电元件300对置的位置。而且，该开口部W成为超声波的通过区域。在由开口部W和振动板50的第二面50a形成的空间S内，填充有使超声波传播的声匹配层20。声匹配层20例如由丙烯酸类、环氧类树脂构成。在本实施方式中，声匹配层20由树脂的粘合剂构成，也兼备作为将透镜部件30与基板10粘合的粘合剂的功能。这里，构成为使声匹配层20的粘合层20a夹在透镜部件30与基板10之间。在实施方式一中，同样地，也可以夹有声匹配层20的粘合层20a。透镜部件30由玻璃、树脂构成。开口部W的两个开口中，一方被振动板50的第二面50a封闭，另一方被声匹配层20以及透镜部件30封闭。
声匹配层20与上述的实施方式一相同，防止在压电元件300与测量对象物之间的急剧的声阻抗变化。若在压电元件300与测量对象物之间设置声匹配层20，则能够减少压电元件300与声匹配层20之间的界面以及声匹配层20与测量对象物之间的界面的前后的声阻抗的变化。而且，能够减少这些界面的超声波的反射，从而超声波高效地向测量对象物侧传播，另外反射超声波高效地向振动板50传播。另外，在本实施方式中，与上述的实施方式一相同，设置了透镜部件30，所以在压电元件300与测量对象物之间存在三个界面。所谓的三个界面是压电元件300与声匹配层20之间的界面(第一界面)、声匹配层20与透镜部件30之间的界面(第二界面)以及透镜部件30与测量对象物之间的界面(第三界面)。声匹配层20能够减少这些界面中的第一界面和第二界面的前后的超声波的反射。第三界面的前后的超声波的反射通过透镜部件30而减少。为了减少第二界面中的超声波的反射，优选声匹配层20和透镜部件30由声阻抗的值相互接近的材料构成。
表1是能够作为声匹配层20而使用的树脂材料和它们的声阻抗的一个例子。能够适当地选择声阻抗在压电元件300以及测量对象物之间阶段性地变化的材料。另外，声匹配层20在不变更本发明的主旨的范围内填充在开口部W内即可，也可以混有气泡等。表1的材料在上述的实施方式一中也同样地能够使用。
【表1】
压电元件300与上述的实施方式一相同，通过来自由公知的电源装置、以公知的微型计算机为中心构成的控制单元构成的电路(图3等所示的电路120)的电压施加而弯曲变形。压电元件300的弯曲变形的容易程度根据压电元件300、振动板50的构成材料、厚度、配置、大小等变化，所以能够根据用途、使用方式适当地调节。也可以利用各材料固有的共振频率，使该频率与向压电元件300供给的电信号的频率一致或者实质上一致，使压电元件300以共振模式共振。根据此，利用共振，能够使压电元件300以及振动板50较大地位移而发送强度较大的超声波，另外根据来自测量对象物的反射超声波而使压电元件300以及振动板50较大地位移，能够得到强度较大的电信号。这样，能够进行使用了强度较大的电信号的检测，所以能够进一步实现以距离分辨率为首的检测精度的提高。
图12的(a)～(b)是表示图10所示的超声波传感器的动作的示意图。通过来自电路120的经由布线121的电信号Iout的供给，压电元件300以被第一电极60以及第二电极80夹着的实际上成为驱动部的压电体层70为中心弯曲变形。随之振动板50位移，根据该位移而产生超声波，该超声波在声匹配层20中传播并到达测量对象物。图12的(a)示出了该过程，也就是超声波的发送的过程。
向测量对象物侧发送的超声波在存在测量对象物的情况下被该测量对象物反射，返回至超声波传感器1A侧。来自测量对象物的反射超声波在声匹配层20中传播并入射至振动板50，由此压电元件300与振动板50一起位移。根据该位移从压电元件300生成电荷，并作为电信号Iin经由布线121输入至电路120。图12的(b)示出了该过程，也就是超声波的接收的过程。然后，基于这样的电信号Iin以及电信号Iout的强度、时间等，检测测量对象物的位置、形状等。这里，构成为在透镜部件30与基板10之间夹有声匹配层20的粘合层20a，但在该构成中，也发挥与上述的实施方式一相同的功能。
(实施方式三)
接下来，对本发明的实施方式三所涉及的超声波传感器进行说明。本实施方式的超声波传感器为能够减少声匹配层的残留振动，由此能够进一步实现以能够分离并识别测量对象物的能力(距离分辨率)为首的检测精度的提高的方式。以下，适当地省略与实施方式一、实施方式二相同的部分，而以不同的部分为中心进行说明。
图13是沿宽度方向切断了本实施方式的超声波传感器1B的剖面图，图14的(a)是表示图13中的振动板50与基板10之间的接合部分的放大剖面图。图14的(b)是从第一壁面11x侧观察本实施方式所涉及的超声波传感器1B的基板10a的俯视图。另外，图14的(c)是其变形例。
在上述的实施方式二中，有在声匹配层20内残留由压电元件300的驱动而产生的振动的情况。若该振动长期间残留，则与来自测量对象物的反射超声波相互干扰而难以正确地检测反射超声波。因此，优选残留振动被充分地减少。在本实施方式中，通过在振动板50与基板10a之间的接合部分，调节基板10a的面的角度，来减少残留振动的问题。对于本实施方式的超声波传感器1B而言，基板10a的壁面的结构，具体而言，与振动板50之间的接合部分的壁面的结构与实施方式一、实施方式二不同。其以外的方面与实施方式二相同。关于超声波传感器1B，对与上述的实施方式相同的结构，使用相同的附图标记，并省略其详细的说明。
如图11的(a)以及(b)所示，对于实施方式二的基板10而言，划分出开口部W的第二壁面11y仅由相对于振动板的第二面50a垂直的壁面(第二壁面11y)构成。与此相对，如图13以及图14的(a)所示，在本实施方式的超声波传感器1B中，在基板10a的与振动板50之间的接合部分设置倾斜壁11a。即基板10a具有与振动板50接合的第一壁面11x和划分出开口部W的第二壁面11ya，第二壁面11ya具有倾斜壁11a和垂直壁11c。第一壁面11x相对于振动板50的第二面50a平行。构成第二壁面11ya的两个壁(倾斜壁11a和垂直壁11c)中，垂直壁11c相对于振动板50的第二面50a垂直。倾斜壁11a相对于第一壁面11x以及垂直壁11c倾斜。换句话说倾斜壁11a相对于第一壁面11x以及垂直壁11c，既不平行也不垂直。倾斜壁11a与振动板50的第二面50a所成的角度θ比90°大。
通过在划分出开口部W的第二壁面11ya设置倾斜壁11a，并使该倾斜壁11a与振动板50的第二面50a所成的角度θ比90°大，能够使开口部W的剖面积(沿与第一面50b、第二面50a平行的面切断振动板50时的剖面积)随着朝向振动板50侧而增大。关于开口部W中的两个开口，在将振动板50侧的开口OPa的面积设为Sopa，并将另一侧(与振动板50侧相反侧)的开口OPb的面积设为Sopb的情况下，如图14的(b)所示，能够使振动板50侧的开口的面积Sopa比另一侧的开口的面积Sopb大。即，在如实施方式二那样仅由垂直壁构成第二壁面11y的情况下，振动板50侧的开口的面积为Sopb，与此相对，在如本实施方式那样设置了倾斜壁11a的情况下，振动板50侧的开口的面积为Sopa，所以振动板50与声匹配层20之间的接触面积增大。因此，能够减少由基板10限制振动板50的位移的面积，能够增大振动板50的动作区域。振动板50与声匹配层20之间的接触面积增大，振动板50的动作区域增大，从而即使假设在声匹配层20内产生了残留振动，也能够通过振动板50适当地吸收该残留振动。换句话说，声匹配层20发挥作为所谓的减振器的功能，能够减少声匹配层20中的残留振动。其结果是，能够进一步实现以距离分辨率为首的检测精度的提高。
另外，通过像这样设置倾斜壁11a来增大振动板50侧的开口的面积Sopa的结构并不限定于图13以及图14的(a)所示的例子。图14的(c)为本实施方式的变形例。在本变形例中，基板10b的壁面的结构，具体而言，与振动板50之间的接合部分的壁面的结构与实施方式三不同。其以外的方面与实施方式三相同。在该变形例中，对于与上述的实施方式相同的结构，使用相同的附图标记，并省略其详细的说明。
如图14的(c)所示，基板10b具有与振动板50接合的第一壁面11x和划分出开口部W的第二壁面11yb。第二壁面11yb具有倾斜壁11b和两个垂直壁11d以及11e。第一垂直壁11d以连接第一壁面11x和倾斜壁11b的方式设置。倾斜壁11b设置在第一垂直壁11d与第二垂直壁11e之间。倾斜壁11b以连接第一垂直壁11d和第二垂直壁11e的方式设置。第一壁面11x相对于振动板50的第二面50a平行。第一垂直壁11d以及第二垂直壁11e均相对于振动板50的第二面50a垂直。倾斜壁11b相对于第一壁面11x以及垂直壁11d、11e倾斜。换句话说，倾斜壁11b相对于第一壁面11x以及垂直壁11d以及11e，既不平行也不垂直。倾斜壁11b与振动板50的第二面50a所成的角度θ比90°大。
在实施方式三及其变形例中，角度θ为比90°大比180°小的范围内的值。在加工的容易程度、更可靠地得到残留振动的减少效果的观点下，优选为95°以上105°以下左右的角度。包含倾斜壁11a的第二壁面11yb能够通过有利于一维或者二维地排列纵横比较小的开口部W并对其进行加工的方法(各种铣削等)，来适当地形成。
另外，倾斜壁11a不需要设置在第二壁面11yb的整体。例如，在如图14的(b)那样具有长方形的剖面的开口部W的情况下，也可以仅设置在与长方形的任意一边对应的面。另外，在使超声波传感器单元一维或者二维地排列的情况下，也可以仅使一部分的单元的开口部W成为图14的(a)～(b)、图14的(c)那样的结构。
图15是对由压电元件的驱动而产生的声匹配层的残留振动的推移、通过调节上述的角度θ而产生的声匹配层的减振器功能进行说明的图。图中的波长的纵轴为振幅(超声波强度)，横轴为时间。另外，为了对比，也示出了实施方式二的例子。
如图15所示，在本实施方式中，从由压电元件300的驱动而在声匹配层20产生了振动的时刻t1到该振动平息的时刻t2′为止的期间比在实施方式二中从振动产生的时刻t1到振动平息的时刻t2为止的期间短。换句话说，本实施方式与实施方式二相比，在残留振动的减少这方面更优良。而且，本实施方式相对于实施方式二，也未发现超声波强度的降低。
因此，根据本实施方式，与实施方式一、实施方式二相比，能够实现与测量对象物有关的信息的检测精度的提高。例如，在若测量对象物A与B的距离未达到d以上，则实施方式二的超声波传感器1A不能够分离并检测出这些测量对象物的情况下，在本实施方式的超声波传感器1B中，即使测量对象物A与B的距离比d小，也能够分离并检测出测量对象物A以及B。
接下来，参照图16～图17对本实施方式的超声波传感器的制造方法的一个例子进行说明。图16～图17是表示超声波传感器的制造例的剖面图。
首先，如图16的(a)所示，在基板10a的一个面12上通过热氧化等形成振动板50(弹性膜51)之后，在振动板50上，使锆成膜并利用例如500～1200℃的扩散炉进行热氧化，从而形成由氧化锆构成的绝缘体膜52。然后，在绝缘体膜52上，通过溅射法、热氧化等形成密接层56。其后，如图16的(b)所示，在密接层56上，通过溅射法、蒸镀法等形成第一电极60，并同时对该密接层56以及第一电极60进行图案化以使它们成为规定的形状。
接下来，在第一电极60上层叠压电体层70。压电体层70例如能够使用如下的CSD(Chemical Solution Deposition：化学溶液沉积)法来形成：对将金属络化物溶解、分散于溶剂后的溶液进行涂覆干燥，进一步以高温烧制，从而得到由金属氧化物构成的压电材料。另外，并不限定于CSD法，例如也可以使用溶胶-凝胶法、激光烧蚀法、溅射法、脉冲激光沉积法(PLD法)、CVD法、气溶胶沉积法等。其后，通过溅射法、热氧化等在压电体层70形成第二电极80。由此，如图16的(c)所示，在密接层56上形成了由第一电极60、压电体层70以及第二电极80构成的压电元件300。
接下来，如图17的(a)所示，在基板10的与形成了压电元件300的面12相反侧的面13上，形成掩模膜53。在掩模膜53中设置有开口53W。然后，如图17的(b)所示，经由掩模膜53的开口53W对基板10进行使用了KOH等碱性溶液的各向异性蚀刻(湿式蚀刻)，从而除去基板10的与压电元件300对置的区域。像这样蚀刻出的区域成为开口部W。在这里的蚀刻工序中，通过使基板10过蚀刻，调节倾斜壁11a与振动板50的第二面50a所成的角度θ。在这样的角度的调节中，可以使用各种铣削装置。
然后，如图17的(c)所示，向开口部W注入树脂的粘合剂。比开口部W的体积多地注入树脂的粘合剂。然后，通过填充于开口部W的粘合剂和从开口部W溢出的粘合剂，而相对于基板10的与振动板50相反侧的面13安装透镜部件30。其后，根据需要，也可以在振动板50接合包围板40(参照图11的(b))。例如通过针对由硅材料构成的包围板形成基板，对包围压电元件300的区域进行蚀刻等，由此形成包围板40。另外，实施方式二的超声波传感器1A、具备了图11的(b)的变形例的结构的超声波传感器也能够通过与上述相同的方法制造。在本实施方式和实施方式二及其变形例中，仅划分出开口部W的第二壁面的形状不同。第二壁面的形状能够通过基板10的蚀刻的控制来适当地变更。
(其他实施方式)
以上，对本发明的一实施方式进行了说明，但其结构并不限定于上述结构。例如，在上述的方式中，以压电元件300兼为发送超声波的发送装置以及接收来自测量对象物的反射超声波的接收装置为例进行了说明，但并不限定于上述的例子，也可以独立地构成发射超声波的发送装置和接收反射的回波信号的接收装置。
另外，作为本发明的一实施方式的超声波传感器能够作为各种压力传感器使用，因此也能够用于打印机等液体喷射装置。图18是表示喷墨式记录装置(液体喷射装置)的一个例子的示意图。
在图18所示的喷墨式记录装置II中，对于具有喷墨式记录头的记录头单元而言，构成墨水供给机构的墨盒2A以及2B以能够拆装的方式设置，搭载了该记录头单元的滑架3以能够沿轴向自由移动的方式设置于安装在装置主体4上的滑架轴5。该记录头单元例如分别为排出黑色墨水组合物以及彩色墨水组合物的部分。
而且，驱动马达6的驱动力经由未图示的多个齿轮以及正时皮带7传递至滑架3，从而搭载了记录头单元的滑架3沿着滑架轴5移动。另一方面，在装置主体4设置有输送辊8作为输送机构，通过输送辊8输送纸等记录介质亦即记录片材S。此外，输送记录片材S的输送机构并不局限于输送辊，也可以是皮带、滚筒等。
另外，本发明的超声波传感器的结构能够优选应用于超声波马达、压电变压器、振动式除尘装置、压电转换器、超声波发送器以及加速度传感器等。
如上述那样本发明的超声波传感器采用压电元件300的周围的区域71为空气层71a，而能够显著地减少压电元件300的驱动时的漏电流的结构，该超声波传感器成为电安全性优良的传感器。因此，能够优选使用于从安全性等方面来看尤其忌讳漏电流的医疗用设备，例如超声波诊断装置、血压计以及眼压计。
另外，在上述那样的超声波传感器中，采用振动板50的与压电元件300相反侧成为朝向测量对象物发送的超声波、来自测量对象物的回波信号的通过区域的结构，使电极、布线等电区域、各部件的粘合固定区域远离测量对象物，从而易于防止在它们与测量对象物之间的污染、漏电。因此，能够优选应用于尤其忌讳污染、漏电的医疗用设备，例如超声波诊断装置、血压计以及眼压计。

Claims (16)

1.一种超声波传感器，其特征在于，具备：形成有开口部的基板；振动板，其按照封闭所述开口部的方式，设置在所述基板上；以及压电元件，其层叠在所述振动板的与所述开口部相反侧的面上，包含第一电极、压电体层以及第二电极，
所述超声波传感器在所述振动板的与所述开口部相反侧的面上的所述压电元件的周围的空间设置有反射层，所述振动板以及所述压电元件的厚度按如下方式设定：相对于向测量对象物侧发送的发送超声波，使向与所述发送超声波不同的方向发送的其他超声波在所述压电元件与所述反射层之间的界面被反射而与所述发送超声波叠加。
2.根据权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，
所述反射层与所述压电元件的声阻抗比为3倍以上。
3.根据权利要求1或2所述的超声波传感器，其特征在于，
所述反射层具有比所述压电元件的声阻抗小的声阻抗。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的超声波传感器，其特征在于，
所述反射层由形成在所述压电元件与包围板之间的空气层构成，所述包围板按照包围所述压电元件以及所述空间的方式形成在所述振动板上。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的超声波传感器，其特征在于，
所述反射层由填充在所述压电元件与包围板之间的树脂组合物层构成，所述包围板按照包围所述压电元件以及所述空间的方式形成在所述振动板上。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的超声波传感器，其特征在于，
在所述反射层与所述压电元件之间的界面被反射的所述其他超声波相对于所述发送超声波，具备比0度大且120度以下的相位差。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的超声波传感器，其特征在于，
所述压电元件的厚度为0.4～2.0μm。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的超声波传感器，其特征在于，
所述振动板的厚度为0.5～3.0μm。
9.一种超声波传感器，其特征在于，具备：
振动板，其具有第一面和第二面；
压电元件，其设置在所述振动板的所述第一面上，包含第一电极、压电体层以及第二电极；
基板，其安装于所述振动板的所述第二面，在与所述压电元件对置的位置具有开口部；以及
声匹配层，其设置在由所述开口部和所述振动板的所述第二面形成的空间内，使由所述压电元件的驱动而产生的超声波传播，
所述压电元件的周围的区域为空气层。
10.根据权利要求9所述的超声波传感器，其特征在于，
所述基板具有第一壁面和第二壁面，所述第一壁面相对于所述振动板的所述第二面平行且与所述第二面接合，所述第二壁面划分出所述开口部，
所述第二壁面具有垂直壁和倾斜壁，所述垂直壁相对于所述第一壁面垂直，所述倾斜壁设置在所述第一壁面与垂直壁之间且相对于所述第一壁面以及垂直壁倾斜，
所述倾斜壁与所述振动板的所述第二面所成的角度在90°以上。
11.根据权利要求9或10所述的超声波传感器，其特征在于，
具备进行向所述压电元件的驱动信号的发送接收的电路，
所述电路进行使所述压电元件以共振模式共振的该驱动信号的发送接收。
12.根据权利要求9～11中任一项所述的超声波传感器，其特征在于，
在所述振动板的所述第一面上还具备包围所述压电元件以及所述空气层的包围板。
13.一种使用了超声波传感器的测量方法，其特征在于，所述超声波传感器具备：形成有开口部的基板；振动板，其按照封闭所述开口部的方式，设置在所述基板上；以及压电元件，其由层叠在所述振动板上的第一电极、压电体层以及第二电极构成，
所述使用了超声波传感器的测量方法具有如下步骤：通过设置于所述振动板的与所述开口部相反侧的反射层，使向与发送超声波不同的方向发送的其他超声波反射，并使所述其他超声波与所述发送超声波叠加，所述发送超声波向测量对象物侧发送。
14.一种超声波传感器的制造方法，其特征在于，
准备基板，
在所述基板上形成具有第一面和第二面的振动板，
在所述振动板的所述第一面上形成包含第一电极、压电体层以及第二电极的压电元件，
在所述基板的与所述压电元件对置的位置形成开口部，
在由所述开口部和所述振动板的所述第二面形成的空间内设置使由所述压电元件的驱动而产生的超声波传播的声匹配层，
使所述压电元件的周围的区域为空气层。
15.根据权利要求14所述的超声波传感器的制造方法，其特征在于，
形成所述开口部的工序包含：
对所述基板进行蚀刻而形成垂直壁的工序，通过该工序，垂直壁相对于所述振动板的所述第二面垂直；以及
形成倾斜壁的工序，通过该工序，倾斜壁相对于所述振动板的所述第二面以及所述垂直壁倾斜，并且倾斜壁相对于所述第二面的角度在90°以上。
16.根据权利要求14或15所述的超声波传感器的制造方法，其特征在于，
进一步在所述振动板的所述第一面上设置包围所述压电元件以及所述空气层的包围板。
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