JP2018082253A - 超音波素子及び超音波センサー - Google Patents

Abstract

【課題】受信感度を向上させた超音波素子及び超音波センサーを提供する。
【解決手段】振動板５０と、該振動板上に設けられた第１電極１４及び第２電極１６と、これら第１電極及び第２電極の間に配置される圧電体層１５とを備えた超音波素子であって、第１電極及び第２電極に電圧を印加して圧電体層が変位した際の応力の中立面が圧電体層内に位置するように設定され、圧電体層は、第１電極側の第１圧電体層１５ａと、第２電極側の第２圧電体層１５ｂからなり、第２圧電体層は、分極軸が膜厚方向の沿った第１方向である結晶からなり、第１圧電体層は、分極軸が第１方向とは交差する第２方向である結晶からなる。
【選択図】図６

Description

本発明は、超音波素子及び超音波センサーに関する。

従来、圧電素子の電気機械変換特性を利用した超音波センサーがある。この超音波センサーでは、圧電素子に電気信号を供給して圧電素子を駆動することで、超音波（送信超音波）が送信される。また、測定対象物から反射された超音波（反射超音波）を圧電素子が受けることで、圧電素子が駆動して電気信号が得られる。超音波センサーを搭載する超音波デバイスでは、これらの電子信号、すなわち、送信超音波や反射超音波の波形信号に基づき、測定対象物に関する情報（位置や形状等）が検出される。

ここで、超音波の波形信号を分離解析できる能力（分解能）の向上を目的の一つとし、複数の開口部が形成された基部と、基部に設けられ開口部を閉塞する振動板と、開口部の各々に対応して振動板に設けられた圧電体と、を有して超音波センサーユニットを構成することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、アクティブな振動子（圧電素子）の隣に、電気制御から分離された非アクティブなダミー振動子を設けることが提案されている。

この種の超音波センサーには、超音波の送信に最適化させた専用送信型と、超音波の受信に最適化させた受信専用型と、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と、等の分類があるが、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とした方が、デバイスの設計が煩雑にならずに好ましい。

特開２０１０−１６４３３１号公報

しかしながら、薄膜の圧電体層を用いた超音波素子を送受信一体型とする場合、一般的には、送信能力は十分であるが、受信応力が十分ではないという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑み、受信感度を向上させた超音波素子及び超音波センサーを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の態様は、振動板と、該振動板上に設けられた第１電極及び第２電極と、これら第１電極及び第２電極の間に配置される圧電体層とを備えた超音波素子であって、前記第１電極及び第２電極に電圧を印加して前記圧電体層が変位した際の応力の中立面が前記圧電体層内に位置するように設定され、前記圧電体層は、前記第１電極側の第１圧電体層と、前記第２電極側の第２圧電体層からなり、前記第２圧電体層は、分極軸が膜厚方向の沿った第１方向である結晶からなり、前記第１圧電体層は、分極軸が前記第１方向とは交差する第２方向である結晶からなる、ことを特徴とする超音波素子にある。

かかる態様では、反射波を受信した際の変位に対応して発生する起電力は第２圧電体層で発生し、中立面より下側の第１圧電体層では第２圧電体層の起電力を打ち消す起電力が発生せず、結果として受信感度が向上した超音波素子とすることができる。

ここで、前記中立面は、前記第１圧電体層と前記第２圧電体層との境界に位置することが好ましい。これによれば、第２圧電体層で発生する起電力の一部が受信能力を低下させることがなくなる。

また、前記第２方向は、前記第１方向と直交する方向から、直交する方向から３５°傾斜する方向の間の何れかの方向であることが好ましい。これによれば、第１圧電体層では、受信の起電力を低下させる起電力を生じることがない。

また、所定の変形を受けた場合の分極量は、前記第１圧電体層の分極量が前記第２圧電体層の分極量よりも小さいことが好ましい。これによれば、第２圧電体層で受信の起電力を低下させる起電力が生じても小さいので、影響を最低限にとどめることができる。

また、前記第２圧電体層が単斜晶系で（１００）配向のＰＺＴであることが好ましい。これによれば、送受信性能をさらに向上させることができる。

また、前記第１圧電体層が、正方晶系で（１００）配向のＰＺＴ系圧電材料からなることが好ましい。これによれば、受信の際に起電力の発生しない第１圧電体層とすることができる。

また、前記第１圧電体層が、正方晶系又は斜方晶系で（１００）配向のＫＮＮ系圧電材料からなることが好ましい。これによれば、素子容量を低下させることができるとともに、受信の際に起電力の発生しない第１圧電体層とすることができる。

また、前記第１圧電体層が、菱面体晶系で（１００）配向のＢＦＭ−ＢＴ系圧電材料からなることが好ましい。これによれば、素子容量をさらに低下させることができるとともに、受信の際に起電力の発生しない第１圧電体層とすることができる。

本発明の他の態様は、上記態様の超音波素子を具備す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、反射波を受信した際の変位に対応して発生する起電力は第２圧電体層で発生し、中立面より下側の第１圧電体層では第２圧電体層の起電力を打ち消す起電力が発生せず、結果として受信感度が向上した超音波センサーを提供できる。

本発明によれば、反射波を受信した際の変位に対応して発生する起電力は第２圧電体層で発生し、中立面より下側の第１圧電体層では第２圧電体層の起電力を打ち消す起電力が発生せず、結果として受信感度が向上した超音波センサーを提供できる。

超音波センサーを搭載する超音波センサー用圧電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。 超音波センサーの構成例を示す平面図。 図３のＡ−Ａ′線断面図。 図３のＢ−Ｂ′線断面図。 超音波素子の模式図。 図６に示す超音波素子を構成する積層体を曲げたときの断面図。 受信特性を示す模式図。 受信特性を示す模式図。 実施例１、２、比較例１、２の受信の際の起電力の大きさを求めた結果。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。ただし、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。

（超音波センサー用圧電デバイス）
図１は、本発明の実施形態にかかる超音波センサーを搭載した超音波センサー用圧電デバイスの構成例を示す断面図である。本実施形態では、超音波センサー用圧電デバイスとして超音波プローブを例示して説明する。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、図示しない装置端末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。

このような超音波センサー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センサー用圧電デバイスとなる。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センサー用圧電デバイスは、超音波プローブＩに限定されない。

また、超音波センサー１は、詳細は後述するが、振動板５０の圧電素子１７とは反対側が超音波の通過領域となる型（ＣＡＶ面型）に限定されず、振動板５０の圧電素子１７側が超音波の通過領域となる型（ＡＣＴ面型）にも適用できる。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。なお、圧電素子１７の詳細については、後述する。

（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を構成することで、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。なお、基板１１及び空間２０の詳細については、後述する。

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の周囲の領域（超音波素子１０の上面及び側面を含む領域）が覆われる。従って、超音波素子１０の上面は包囲板４０の面４０ｂで覆われ、側面は縁部４０ａで覆われることになる。

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、超音波素子１０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は、縁部４０ａ及び後述する支持部材４１を介して、振動板５０と接着又は接合されている。包囲板４０の接着又は接合には、接着剤等を用いることができるが、前記の例に限定されない。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の面４０ｂと振動板５０の第２面５０ｂとの間、且つ、超音波素子１０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、各部材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が超音波素子１０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、超音波素子１０と重ならない位置とは、超音波素子１０をＺ方向から見たとき、後述する能動部（超音波素子１０を構成する第１電極１４と第２電極１６とで挟まれた部分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超音波素子１０間に設けられている。つまり、超音波センサー１では、超音波素子１０を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、接着剤等により超音波素子１０側に接着又は接合されているが、こ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、本発明の梁形状の支持部材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。

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。

梁形状の支持部材４１は、包囲板４０をウェ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。ウェットエッチングは、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。

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。

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、Ｘ方向及びＹ方向に沿って、複数の空間２０（キャビティ）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、その振動板５０側に開口した開口部１８が形成されている。開口部１８（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。開口部１８（空間２０）の配列や形状は、種々に変形が可能である。例えば、開口部１８（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、開口部１８（空間２０）は、超音波素子１０を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。

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。

本実施形態では、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等からなる弾性膜１２と、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）等からなる絶縁体膜１３とで振動板５０を構成したが、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。

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。かかる撓みを有する振動板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（＋Ｚ方向側）に凸であることは「上凸」で表される。また、空間２０側（−Ｚ方向側）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。

図３は、超音波センサーの構成例を示す平面図であり、図４は、図３のＡ−Ａ′線断面図であり、図５は、Ｂ−Ｂ′線断面図である。なお、これらの各図においては、開口部１８（空間２０）がＺ方向から見たときに長方形状（Ｘ方向とＹ方向との長さの比が１：２）に形成された超音波センサー１を例示した。

図示するように、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、圧電体層１５及び第２電極１６を含んで構成されている。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、これは隔壁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。

圧電素子１７は、第１電極１４と圧電体層１５と第２電極１６とを含む部分であり、圧電素子１７をＺ方向から見たとき、開口部１８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、何れも開口部１８より短い。ただし、圧電素子１７のＸ方向が開口部１８より長い場合や、圧電素子１７のＹ方向が開口部１８より長い場合も、本発明に含まれる。

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（ＴｉＯ_Ｘ）層、チタン（Ｔｉ）層、窒化シリコン（ＳｉＮ）層等から構成できる。

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。この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、図示しない駆動回路に電気的に接続されており、この駆動回路から第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、駆動回路にて電圧として検出される。

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。

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おり、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。ただし、この膜厚に限定されない。

圧電体層１５は、後述するように、二層構造になっているが、詳細は後述する。いずれにしても、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。

次に、超音波センサー１の各電極の配置について説明する。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及び図４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（Ｘ方向）にスキャンしながら、スライス方向（Ｙ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。しかしながら、本実施形態では、Ｙ方向を一列とし、Ｘ方向に３列ずつ配置された超音波素子１０毎にグループ化され、当該グループ毎に駆動して、Ｘ方向に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、超音波素子を二次元的に並列させた態様とする場合には、圧電素子を構成する第１電極を一方向に亘るように設け、第２電極を前記一方向に直交する方向に亘るように設け、共通化された共通電極と信号電極との間に電圧を印加することにより、グループ毎に圧電素子を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、Ｙ方向に延びた列が３列毎に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、３列毎に共通化され、３列１チャンネル毎に駆動可能となっている。本実施形態では、共通化された電極を共通電極（コモン電極（ＣＯＭ）とも呼ばれる）と呼称し、グループ毎に共通化された電極を信号電極（シグナル電極（ＳＩＧ）とも呼ばれる）と呼称する。

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。

（超音波素子の設計）
本発明の超音波素子１０を図６に示す模式図を参照して詳細に説明する。

上述した超音波素子１０では、超音波の送信特性を大きくするために、第１電極１４及び第２電極１６に印加した電圧により変位した際に、変位により発生する応力の中立面が圧電体層１５の直下、すなわち、圧電体層１５と第１電極１４との境界か、第１電極１４内にあるように設計されていたが、本発明では、応力の中立面Ｚ_０を圧電体層１５内に位置するように設計している。この点が本発明の第１の特徴となる。

また、圧電体層１５は、第１電極側の第１圧電体層１５ａと、第２電極側の第２圧電体層１５ｂとを積層して構成しており、これは第２の特徴であるが、この点の詳細は後述する。

本実施形態では、中立面Ｚ_０より下側に第１圧電体層１５ａが位置し、中立面Ｚ_０より上側に第２圧電体層１５ｂが位置するようにしている。なお、中立面Ｚ_０が第１圧電体層１５ａと第２圧電体層１５ｂとの境界に正確に位置しなければならない訳ではなく、中立面Ｚ_０が境界より上下に多少ずれても、以下に説明する本発明の作用効果を得ることができる。

ここで、中立面の求め方を説明する。図７は、図６に示す超音波素子１０を構成する積層体Ｌを曲げたときの断面を示す。

積層体Ｌを曲げたときの応力は、断面に垂直な面に作用し、中立面Ｚ_０より上側では圧縮の応力が生じ、下側では引っ張りの応力が生じる。そして、応力の中立線では、応力が釣り合って０となり、この中立線が存在する面を中立面Ｚ_０とする。

変形した積層体Ｌの曲率は積層体Ｌの任意の点で等しいとし、中立面Ｚ_０での引っ張りの力と圧縮の力の釣り合いの式を立てると、以下の式となる。なお、引張の力は引張応力を作用する断面で積分したものであり、圧縮の力は圧縮応力を作用する断面で積分したものである。なお、式中、ｄは積層体Ｌの総膜厚であり、中立線が存在する仮想位置を原点に取り、原点からの距離をｙとした。また、ｔは原点から積層体Ｌ表面までの距離を表す。また、Ｅはヤング率であり、積層体Ｌを構成する各層の組成毎に異なるため、ｙに依存する形式とした。

積分した値が０になる様に原点を設定した時、その時のｔの値が積層体Ｌの表面から中立面Ｚ_０までの距離となる。よって、下記式を用いて、中立面Ｚ_０が圧電体層１５の内部に位置するように、好ましくは、第１圧電体層１５ａと第２圧電体層１５ｂとの境界に位置するように設定することができる。

上述したように、圧電体層１５の内部に中立面Ｚ_０が位置するようにするためには、組成にもよるが、圧電体層１５の膜厚を増大することが必要であるが、この場合、第１電極１４や弾性膜１２及び絶縁体膜１３の膜厚を薄くすれば、積層体を変形する際の抗力となる全体の曲げ剛性を変えずに、圧電体層１５の膜厚を大きくすることができ、送信特性の大きな変化を避けることができる。

また、本発明の第２の特徴として、圧電体層１５を第１圧電体層１５ａと、第２圧電体層１５ｂとを積層して構成している点を説明したが、第２圧電体層１５ｂは、分極方向が膜厚方向である第１方向であるものとし、第１圧電体層１５ａは、分極方向が前記第１方向とは交差する面内方向か又は分極方向は第１方向であるが分極量が第２圧電体層１５ｂの分極量よりも小さいものとしている。

ここで、第２圧電体層１５ｂを構成する、分極方向が膜厚方向である圧電材料は、従来から圧電体層に用いられているものであり、代表的には、菱面体晶で（１００）配向のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系のペロブスカイト構造を有する複合酸化物（ペロブスカイト型複合酸化物）を用いることができる。ＰＺＴの組成としては、チタンよりもジルコニウムがリッチな組成が用いられる。このような第２圧電体層１５ｂは、圧電素子１７の変位量の確保に寄与する。また、この他に、鉛（Ｐｂ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ニオブ（Ｎｂ）及びＴｉ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。

例えば、ＰＺＴとしては、例えば、Ｚｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）が０．５〜０．８であり、単斜晶系、または菱面体晶系で（１００）配向のものを挙げることができる。

また、第２圧電体層１５ｂとしては、鉛を含まない非鉛系材料、例えば、ビスマス（Ｂｉ）及び鉄（Ｆｅ）を含むＢＦＯ系の複合酸化物、Ｂｉ、バリウム（Ｂａ）、Ｆｅ及びＴｉを含むＢＦ−ＢＴ系の複合酸化物、Ｂｉ、Ｆｅ、マンガン（Ｍｎ）、Ｂａ及びＴｉ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Ｎｂを含むＫＮＮ系の複合酸化物等のペロブスカイト型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。

一方、第１圧電体層１５ａは、分極方向が前記第１方向とは交差する面内方向か又は分極方向は第１方向であるが分極量が第２圧電体層１５ｂの分極量よりも小さいもので構成される。

ここで、分極方向が前記第１方向とは交差する面内方向の圧電材料としては、正方晶の結晶系の圧電材料を用い、結晶を面内方向に横にするように成膜すればよい。具体的には、ジルコニウムよりもチタンがリッチで正方晶のＰＺＴや、正方晶または斜方晶のＫＮＮ系圧電材料、正方晶のＢＦＭ−ＢＴ系の圧電材料を挙げることができる。

また、分極方向は第１方向であるが分極量が第２圧電体層１５ｂの分極量よりも小さいものとしては、後述するような菱面体晶系のＢＦＭ−ＢＴを挙げることができる。この場合、分極軸が面内方向から約３０°傾くことになるので、脱分極し易い構造として、分極量が小さくなるような組成とする。またＰｂｘ（ＺｒｙＴｉ（１−ｙ））Ｏ_３において、ｘ＜１．０であるＰＺＴを挙げることができる。ｘ＜１．０の範囲では、電界印加によって生じた分極は、電界が印加され続けた状況下であっても減少する。すなわち所謂脱分極状態になる。従って第１方向の分極量を減じる作用を有しない。

なお、第１圧電体層１５ａ及び第２圧電体層１５ｂ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く、例えば、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、例えば非鉛系材料として信頼性の高い超音波素子１０を実現できる。このような他の元素を含む圧電体層１５である場合も、複合酸化物が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。

ペロブスカイト型複合酸化物は、例えば、一般式ＡＢＯ_３で示される。この場合、Ａサイトは酸素（Ｏ）原子が１２配位しており、ＢサイトはＯ原子が６配位して８面体（オクタヘドロン）をつくっている。なお、ペロブスカイト型複合酸化物が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・過剰等による不可避な化学量論の組成のずれは勿論のこと、元素の一部置換等も許容され、これらは本実施形態のペロブスカイト型複合酸化物に含まれる。

例えば、ＢＦ−ＢＴ系の複合酸化物は、その組成式は（Ｂｉ、Ｂａ）（Ｆｅ、Ｔｉ）Ｏ_３として表され、ＡサイトにＢｉ及びＢａが、ＢサイトにＦｅ及びＴｉが位置している。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。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。ただし、特に断りが無い限り、ＢＦ−ＢＴ系の複合酸化物は、混晶の組成から外れる組成も含むものである。

また、ＢＦ−ＢＴ系の複合酸化物は、その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。

ここで、第１圧電体層１５ａとして用いられる、分極方向が前記第１方向とは交差する面内方向の圧電材料を、さらに具体的に説明する。

まず、正方晶系のＰＺＴとしては、以下の組成で（１００）配向のＰＺＴを挙げることができる。

Ｐｂ_ｘ（Ｚｒ_ｙＴｉ_{（１−ｙ）}）Ｏ_３
０．９≦ｘ≦１．１、０．４≦ｙ≦０．４８

ＰＺＴでは、ｙが０．４８以下であれば、結晶系は必ず正方晶系となる。また、配向を（１００）に設定すると、基板からの引張応力の作用で、結晶軸の長軸は面内方向を向く。これにより、分極軸の方向は面内方向を向く。また、ｙの値は小さければ小さい程、結晶の長軸と短軸の比が大きくなり、より正方晶系の特徴が顕著になる。但し、第２圧電体層１５ｂの圧電材料との結晶軸の長さとの乖離が大きくなって、第１圧電体層１５ａの（１００）配向上に第２圧電体層１５ｂの（１００）配向を得難くなる。よって、０．４≦ｙ≦０．４８が好ましい。

更に、Ｐｂ過剰比ｘを１未満に設定すると、脱分極を生じる、すなわち、分極の大きさが短時間に間に減少するか、又は分極量を維持しないようになる。すなわち、第１圧電体層１５ａ内の分極量が小さいため、分極軸が第１方向を向いたＰＺＴ膜であっても応力の印加で発生する分極の変化量、ΔＰを小さくすることができる。

また、第１圧電体層１５ａに用いることができるＫＮＮ系圧電材料としては、以下の組成で、正方晶系か斜方晶系の（１００）配向のものを挙げることができる。

（Ｋ_ｐＮａ_{（１−ｐ）}）_ｑＮｂＯ_３
０．３≦ｐ≦０．７、０．９≦ｑ≦１．２

ＫＮＮの結晶系は正方晶系か斜方晶系かの何れかになる。基板からの引張応力の作用によって、いずれの結晶系の場合も長軸は面内方向を向く。すなわち、分極軸は面内方向を向く。

また、かかる（１００）配向ＫＮＮからなる第１圧電体層１５ａは、第２圧電体層１５ｂ、例えば、（１００）配向のＰＺＴと連続する必要があるが、ｐの範囲が上述の範囲外にあると結晶格子定数の乖離が大きくなって、ＰＺＴの（１００）配向制御が困難になる。

また、第１圧電体層１５ａに用いることができるＢＦＯ−ＢＴ系圧電材料としては、以下の組成で、菱面体晶系の（１００）配向のものを挙げることができる。

αＢｉ_ｍ（Ｆｅ，Ｍｎ）Ｏ_３−（１−α）Ｂａ_ｎＴｉＯ_３
０．６≦α≦０．７、０．８５≦ｍ，ｎ≦１．０

ＢＦＭ−ＢＴの結晶系は菱面体系であるから、配向を（１００）にした場合、分極軸の方向は膜厚方向(基板法線方向）から略３５°傾斜した方向を向く。尚、（１００）配向とする理由は、この上に積層する第２圧電体層１５ｂとなる、ＰＺＴ膜の配向を（１００）に保つためである。また、この場合、分極軸が面内方向から約３５°傾くことになるので、脱分極し易い構造として、分極量が小さくなるような組成とするのが好ましい。具体的には、組成式のｍ、ｎを１以下にする。

（送受信特性）
次に、上述したように設計された超音波素子１０における送受信特性について説明する。

まず、送信特性を考えると、送信能力は、第２圧電体層１５ｂの特性に依存し、第１圧電体層１５ａは送信には寄与しない。よって、全体を第２圧電体層１５ｂとした場合より特性は低下するが、この点は、駆動波形を調整することにより補完することができる。

また、上述したように、超音波素子１０の全体の曲げ剛性を変えないように、第１電極１４や弾性膜１２及び絶縁体膜１３の膜厚を設計すれば、全体を第２圧電体層１５ｂとした場合と比較して送信特性の大きな変化を避けることができる。

受信特性については、図８及び図９に示す模式図を参照しながら説明する。

受信特性は、反射波を受信したときに圧電体層１５の内部で発生する起電力ΔＶで評価することがき、ΔＶは以下の式で表される。ここで、ｄは第１圧電体層１５ａと第２圧電体層１５ｂとの総厚であり、ε_０は真空の誘電率、ε_ｒは第１圧電体層１５ａと第２圧電体層１５ｂとの合計誘電率、ΔＰは圧電体層１５内で反射波を受信した時に発生する新たな分極である。

ΔＶ＝ｄ・ΔＰ／ε_０ε_ｒ

図８に示すように、中立面Ｚ_０の両側を、分極が膜厚方向である第２圧電体層１５ｂで構成した場合において、積層体が変形した場合の圧電体層内に発生する新たな分極を、中立面Ｚ_０の下側がΔＰ１、上側がΔＰ２とする。この場合、中立面Ｚ_０の上下側では発生する応力が逆になるので、分極ΔＰ１とΔＰ２とは極性が逆になる。図８では、中立面Ｚ_０の上側では引っ張り応力、下側では圧縮応力が発生したとしたので、分極ΔＰ２＜０、ΔＰ１＞０となる。よって、両者は打ち消し合い、ΔＰ＝ΔＰ１＋ΔＰ２は極めて小さくなり、大きなゲインは見込めない。

一方、本発明の場合は、図９の状態となる。すなわち、中立面Ｚ_０の上側が分極が膜厚方向の第２圧電体層１５ｂであり、下側が分極が面内方向の第１圧電体層１５ａであるので、反射波を受信して、第２圧電体層１５ｂに引っ張り応力が、第１圧電体層１５ａに圧縮応力が発生したとすると、第２圧電体層１５ｂでは図８と同様な起電力ΔＰ２が発生するが、第１圧電体層１５ａでは起電力が発生せず、ΔＰ１＝０となる。よって、ΔＰ２がそのまま残るので、図８と比較して大きなゲインを得ることができる。

なお、第１圧電体層１５ａが、分極が面内方向ではなく、膜厚方向であるが、分極量が第２圧電体層１５ｂと比較して極めて小さい場合には、ΔＰ１＞０とはなるが、値が極めて小さくなるので、ΔＰ２との打ち消しが小さく、同様に大きなゲインが得られることになる。

以下、実施例に基づいてさらに詳細に説明する。

（実施例１）
下層から、酸化シリコンからなる弾性膜１２（ＳｉＯ_２）、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜１３（ＺｒＯ_２）、白金からなる第１電極１４（ＢＥ（Ｐｔ））、正方晶系で（１００）配向のＰＺＴからなる第１圧電体層１５ａ（ＰＺＴ１）、単斜晶系で（１００）配向のＰＺＴからなる第２圧電体層１５ｂ（ＰＺＴ２）、イリジウムからなる第２電極１６（ＴＥ（Ｉｒ））を、下記表１に示す膜厚で積層した。なお、ＰＺＴ１の組成は、上述した組成から選定した。

中立面Ｚ_０（ｙ＝０）からの膜厚をｔとし、各膜のヤング率Ｅ_ｉがｔ_ｉの内部で一定であるとし、各層の応力を、以下の式の第１項及び第２項の和として求めた。

計算結果を表１に示す。中立面Ｚ_０の位置は、第１項＋第２項の値が中立面Ｚ_０の上下で一致する位置となる。本実施例の場合には、ＰＺＴ１とＰＺＴ２との間が中立面Ｚ_０となることがわかる。

本実施例では、容量を決定する素子膜厚は、ＰＺＴ１＋ＰＺＴ２＝２２３０ｎｍであり、容量低下による起電力向上を図ることができる。

また、第１圧電体層１５ａにおいては、受信の際に分極の発生がないので、圧電体層１５全体としての発生分極量に影響を与えず、結果として、全体の起電力は膜厚を上昇した分だけ向上する。

一方、第２圧電体層１５ｂの発生分極量は、過剰Ｐｂの組成とすることにより向上することができる。

（実施例２）
第１圧電体層１５ａを２００ｎｍの正方晶系で（１００）配向のＫＮＮとした以外は、実施例１と同様とした。なお、ＫＮＮの組成は、上述した組成から選定した。

実施例１と同様に、各層の応力を求めた結果を表２に示す。

中立面Ｚ_０の位置は、本実施例の場合にも、ＫＮＮとＰＺＴ２との間となることがわかる。

本実施例では、第２圧電体層１５ｂの膜厚は２０４０ｎｍであるが、第１圧電体層１５ａのＫＮＮは比誘電率がＰＺＴより小さいので、容量をさらに小さく設定でき、起電力は実施例１より大きくなる。

（実施例３）
第１圧電体層１５ａを２００ｎｍの菱面体晶系で（１００）配向のＢＦＭ−ＢＴとした以外は、実施例１と同様とした。なお、ＢＦＭ−ＢＴの組成は、上述した組成から選定した。

実施例１と同様に、各層の応力を求めた結果を表３に示す。

中立面Ｚ_０の位置は、本実施例の場合にも、ＢＦＭ−ＢＴとＰＺＴ２との間となることがわかる。

本実施例では、第２圧電体層１５ｂの膜厚は２０３０ｎｍであるが、第１圧電体層１５ａのＢＦＭ−ＢＴは比誘電率がＰＺＴやＫＮＮより小さいので、容量をさらに小さく設定でき、起電力は実施例１、２よりさらに大きくなる。

（比較例１）
第１圧電体層１５ａを省略し、第２圧電体層１５ｂのみとした、従来構造とした。

実施例１と同様に、各層の応力を求めた結果を表４に示す。

中立面Ｚ_０の位置は、本実施例の場合には、ＰＺＴ２と第１電極１４との間となる。

ＰＺＴの膜厚は１７６０ｎｍである。

（比較例２）
第１圧電体層１５ａを第２圧電体層１５ｂと同様な組成で形成した以外は、実施例１と同様とした。

実施例１と同様に、各層の応力を求めた結果を表５に示す。

ＰＺＴは同一組成で総厚が２０００ｎｍとなったものとなる。中立面Ｚ_０の位置は、本実施例の場合にも、ＰＺＴ１とＰＺＴ２との間となるが、同一組成なので、圧電体層の第１電極１４との境界から上方１００ｎｍの位置である。この場合、素子容量は比較例１より低下するが、受信の際に中立面Ｚ_０より下方に位置する圧電体層で発生する分極は、起電力を低下する方向に作用するので、膜全体の起電力は低下する。

（試験例）
実施例１、２、比較例１、２について、受信の際の起電力の大きさを求めた結果を図１０に示す。図１０に示すように、実施例１、２の起電力は、比較例１、２と比較して著しく向上していることがわかる。これにより、実施例１、２の超音波素子は、受信感度が向上することがわかる。

（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態を説明した。しかし、本発明の基本的構成は上記の態様に限定されない。本発明は、圧電素子の電気機械変換特性を利用した超音波センサー全般を対象としており、送信専用型、受信専用型、送受信一体型、ＡＣＴ面型及びＣＡＶ面型等の何れの超音波センサーにも適用できる。

本発明の超音波センサーは、種々の超音波デバイスに適用できる。特にＣＡＶ面型の超音波センサーは、ＡＣＴ面型の超音波センサーに比べ、使用時の電気的安全性に優れている。従って、ＣＡＶ面型の超音波センサーは、安全性等の点からリーク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使用できる。

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。

図面において示す構成要素、すなわち、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、又は一部省略して示されている場合がある。

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…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、１５ａ…第１圧電体層、１５ｂ…第２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、４１…支持部材、５０…振動板

Claims (9)

1. 振動板と、該振動板上に設けられた第１電極及び第２電極と、これら第１電極及び第２電極の間に配置される圧電体層とを備えた超音波素子であって、
   前記第１電極及び第２電極に電圧を印加して前記圧電体層が変位した際の応力の中立面が前記圧電体層内に位置するように設定され、
   前記圧電体層は、前記第１電極側の第１圧電体層と、前記第２電極側の第２圧電体層からなり、前記第２圧電体層は、分極軸が膜厚方向の沿った第１方向である結晶からなり、前記第１圧電体層は、分極軸が前記第１方向とは交差する第２方向である結晶からなる、ことを特徴とする超音波素子。
2. 前記中立面は、前記第１圧電体層と前記第２圧電体層との境界に位置する
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波素子。
3. 前記第２方向は、前記第１方向と直交する方向から、直交する方向から３５°傾斜する方向の間の何れかの方向である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波素子。
4. 所定の変形を受けた場合の分極量は、前記第１圧電体層の分極量が前記第２圧電体層の分極量よりも小さい
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の超音波素子。
5. 前記第２圧電体層が単斜晶系で（１００）配向のＰＺＴである
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の超音波素子。
6. 前記第１圧電体層が、正方晶系で（１００）配向のＰＺＴ系圧電材料からなる
   ことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の超音波素子。
7. 前記第１圧電体層が、正方晶系又は斜方晶系で（１００）配向のＫＮＮ系圧電材料からなる
   ことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の超音波素子。
8. 前記第１圧電体層が、菱面体晶系で（１００）配向のＢＦＭ−ＢＴ系圧電材料からなる
   ことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の超音波素子。
9. 請求項１〜８の何れか一項に記載の超音波素子を具備することを特徴とする超音波センサー。