JP2019146020A - 超音波センサー、超音波装置、及び超音波センサーの製造方法 - Google Patents

超音波センサー、超音波装置、及び超音波センサーの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】可撓性に優れた超音波センサー、当該超音波センサーを備えた超音波装置、及び当該超音波センサーの製造方法を提供する。【解決手段】超音波センサーは、振動部２１Ａを有し、樹脂により構成される振動板２１と、前記振動板に設けられ、前記振動部を囲い、樹脂により構成された壁部２３と、前記振動板の前記振動部内に設けられた圧電素子２２と、を備えることを特徴とする。このため、振動部を囲う壁部により、超音波センサーから出力させる超音波の周波数変動を抑制でき、かつ、超音波センサーを様々な形状の対象物の表面に対応した形状に変形させることができる。【選択図】図３

Description

本発明は、超音波センサー、超音波装置、及び超音波センサーの製造方法に関する。
従来、基板に設けられた開口部を覆うように振動板を設け、振動板上に圧電素子を設けた超音波センサーが知られている（例えば、特許文献１）。
このような超音波センサーでは、圧電素子を駆動させることで、振動板を振動させて超音波を送信することができる。また、超音波が振動板に入力された際に生じる振動を圧電素子で検出することで超音波の受信を検出することができる。
特開２０１５−１８８２０８号公報
特許文献１に示すような超音波センサーでは、送信する超音波の周波数は、振動板のうち圧電素子により振動される振動部の短軸方向の寸法により規定される。したがって、送信する超音波の周波数を規定するために、振動部を設定する必要があり、Ｓｉ等により構成された基板に、振動部に対応する寸法を有する開口を設け、当該開口を振動板で覆う構成としている。
しかしながら、Ｓｉ等の基板を用いた超音波センサーでは、可撓性に乏しく、例えば、曲面状の対象物の表面に沿って超音波センサーを配置することは困難であり、超音波センサーを無理に湾曲させると、Ｓｉにより構成された基板が破損する可能性もある。さらに、特許文献１に記載の超音波センサーでは、基板の開口部を覆う振動板は、ＳｉＯ２とＺｒＯ２との積層体により構成されている。したがって、超音波センサーを湾曲させると、振動板が破損するおそれもある。特に、振動板の開口部の縁近傍は、振動板の振動時においても大きな応力が加わるため、破損しやすい。
本発明は、可撓性に優れた超音波センサー、超音波装置、及び超音波センサーの製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一適用例に係る超音波センサーは、振動部を有し、樹脂により構成される振動板と、前記振動板に設けられ、前記振動部を囲い、樹脂により構成された壁部と、前記振動板の前記振動部に設けられた圧電素子と、を備えることを特徴とする。
本適用例では、樹脂製の振動板の振動部を囲って樹脂製の壁部が設けられ、振動板の振動部内に圧電素子が設けられている。なお、振動板を構成する樹脂と、壁部を構成する樹脂とは異なる素材であってもよく、同一の素材であってもよい。このような本適用例では、振動板が樹脂製であるため、可撓性に優れた超音波センサーを提供することができる。よって、超音波センサーを曲面状の対象に貼り付ける場合でも、超音波センサーを容易に湾曲させることができ、かつ、超音波センサーを湾曲させた際の超音波センサーの破損も抑制できる。
また、本適用例では、振動板の振動部を囲う樹脂製の壁部が設けられている。つまり、振動板の振動部の寸法が、壁部により規定され、振動部の寸法に応じた周波数の超音波を送受信することが可能となる。また、壁部が樹脂製であるので、超音波センサーを湾曲させた際の壁部の破損も抑制できる。
本適用例の超音波センサーにおいて、前記壁部の前記振動板の厚み方向に沿う寸法は、前記振動板の前記厚み方向に交差する方向に沿う寸法よりも小さいことが好ましい。
本適用例では、壁部の振動板の厚み方向に沿う寸法（高さ）が、壁部の振動板の厚みに交差する寸法よりも小さい。このような構成の壁部は、振動板の厚み方向に対して交差する方向からの応力に強い。すなわち、樹脂製の壁部は、振動板の厚み方向に対して変形しやすいが、振動板の厚み方向に対して交差する方向に対して変形しにくい。よって、壁部の弾性変形による振動部の寸法変動が抑制され、送受信する超音波の周波数の変動を抑制することができる。
本適用例の超音波センサーにおいて、前記壁部の前記振動板とは反対側の面に接合され、前記振動板に対してギャップを介して設けられ、前記振動部を覆う樹脂層を備えることが好ましい。
本適用例では、壁部とは反対側に樹脂層が設けられている。このような樹脂層が設けられることで、超音波センサーを対象物に装着する際に、樹脂層を対象物に貼り付けることができる。
また、樹脂層が、振動部を挟んで配置される壁部間を覆う構成となり、壁部間の距離変動を抑制でき、送受信する超音波の周波数変動を抑制できる。
本適用例の超音波センサーにおいて、前記樹脂層には、前記振動板の厚み方向から見た際に、前記振動部と重なる位置に、前記樹脂層を前記厚み方向に貫通する空孔が設けられていることが好ましい。
本適用例では、空孔が設けられることで、振動板、壁部、及び樹脂層により囲われる閉空間内の空気を外部に逃がすことができる。つまり、空孔が設けられない場合、振動板、壁部、及び樹脂層により囲われる閉空間の圧力により振動板の振動が阻害されるおそれがある。これに対して、本適用例では、閉空間の空気を逃がすことができるので、閉空間の空気圧による振動部の振動阻害を抑制できる。
本発明に係る一適用例の超音波装置は、上述したような超音波センサーと、前記超音波センサーを制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。
本適用例の超音波装置では、上述したような超音波センサーを備え、当該超音波センサーは、振動板及び壁部の双方が樹脂により構成されており、優れた可撓性を有する。このため、対象物の表面形状によらず、超音波センサーを対象物の表面に沿って装着させることができ、複雑な形状の対象物に対する超音波の送信及び受信を行うことができる。
本発明の一適用例に係る超音波センサーの製造方法は、第一値以上のヤング率を有し、第一面及び前記第一面とは反対側の第二面を備えた第一基板の、前記第一面の所定位置に圧電素子を形成する圧電素子形成工程と、前記圧電素子が形成された位置を中心とした前記第一基板の所定領域を囲う樹脂製の壁部を前記第一面に形成する壁部形成工程と、前記第一面に、前記壁部を覆う補助層を形成する補助層形成工程と、前記補助層の前記第一基板とは反対側の面に前記第一値以上のヤング率を有する第二基板を接合する第二基板接合工程と、前記第一基板を除去する第一基板除去工程と、前記第一基板が除去された位置に樹脂製の振動板を形成して、前記振動板に、前記壁部及び前記圧電素子を接合する振動板形成工程と、前記補助層を除去して前記第二基板を乖離させる補助層除去工程と、を実施することを特徴とする。
本適用例の超音波センサーの製造方法は、上述したような適用例の超音波センサーの製造方法である。まず、圧電素子形成工程によって、第一値以上のヤング率を有する硬い第一基板に圧電素子を形成し、壁部形成工程を実施することで、圧電素子に対する壁部の位置を決定する。
そして、補助層形成工程により、圧電素子及び壁部に接する補助層を形成する。これにより、圧電素子及び壁部が補助層に保持される。そして、第二基板接合工程で、補助層に第二基板を接合する。
この後、第一基板除去工程を実施して、第一基板を除去する。第一基板が除去された場合でも、圧電素子及び壁部が補助層に保持される。また、補助層には、第一値以上のヤング率を有する硬い第二基板が接合されるので、圧電素子及び壁部の位置が固定（維持）される。
そして、振動板形成工程により、第一基板を除去した位置に、樹脂製の振動板を形成する。これにより、振動板に圧電素子壁部が接合される。以上の後、補助層除去工程によって、補助層を除去して第二基板を乖離させる。これにより、上記に示したような可撓性に優れた超音波センサーを容易に形成することができる。
第一実施形態の超音波装置の概略構成を示す図。 第一実施形態の超音波センサーの一部の概略構成を示す平面図。 図２の超音波センサーをＡ−Ａ線で切断した際の断面図。 第一実施形態の超音波センサーの配線構成を示す概略図。 従来の超音波センサーと、第一実施形態の超音波センサーとの強度を比較した図。 第一実施形態の超音波センサーの製造方法を示すフローチャート。 超音波センサーの製造方法における基台形成工程から補助層形成工程までを説明する図。 超音波センサーの製造方法における第二基板接合工程から補助層除去工程までを説明する図。 第二実施形態の超音波センサーの概略構成を示す断面図。 一変形例に係る超音波センサーの概略構成を示す断面図。 他の変形例に係る超音波センサーの概略構成を示す断面図。 他の変形例に係る超音波センサーの概略構成を示す断面図。 他の変形例に係る超音波センサーの概略構成を示す断面図。
［第一実施形態］
以下、本発明に係る第一実施形態の超音波装置について説明する。
図１は、本実施形態の超音波装置１の概略構成を示す図である。
図１に示すように、本実施形態の超音波装置１は、超音波センサー２と、超音波センサー２の駆動を制御する制御部３とを備えている。
超音波センサー２は、対象物１０に取り付けて使用されるものであり、対象物１０の形状に合わせて変形可能である。例えば、図１に示すように、対象物１０が配管等の円筒状の場合、超音波センサー２を対象物１０に巻装させることが可能となる。
そして、制御部３により超音波センサー２を制御することで、超音波センサー２から対象物１０に対して超音波を送信することができる。この超音波装置１を用いて、超音波の送受信を利用した対象物１０の内部検査、内部断層像の形成等の各種処理を実施することが可能となる。
［超音波センサー２の構成］
図２は、超音波センサー２の一部の概略構成を示す平面図である。図３は、図２の超音波センサー２をＡ−Ａ線で切断した際の超音波センサー２の断面図である。図４は、超音波センサー２の配線構成を示す概略図である。なお、図４では、説明の便宜上、圧電素子２２の配置数を減らして表示しているが、実際には、より多くの圧電素子２２が配置されてもよい。
超音波センサー２は、図３に示すように、樹脂製の振動板２１と、振動板２１上に設けられた圧電素子２２と、振動板２１上に設けられた壁部２３とを備えて構成されている。なお、以降の説明にあたり、振動板２１が振動していない状態での振動板２１の厚み方向をＺ方向とし、Ｚ方向に交差（例えば直交）する方向をＸ方向とし、Ｚ方向に交差（例えば直交）し、かつＸ方向に交差（例えば直交）する方向をＹ方向とする。
［振動板２１の構成］
振動板２１は、可撓性を有する板状の基板である。この振動板２１は、ヤング率が５ＧＰａ以下の物性を有し、例えば、ポリイミド樹脂や、ポリプロピレン樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂等の各種樹脂を用いることができる。
この振動板２１には、図４に示すように、駆動領域Ａｒ１と、外周領域Ａｒ２とが設けられる。駆動領域Ａｒ１は、振動板２１をＺ方向から見た際に、振動板２１の中央部に設けられ、駆動領域Ａｒ１を囲って外周領域Ａｒ２が設けられている。
振動板２１の駆動領域Ａｒ１は、制御部３の制御により駆動される領域である。この駆動領域Ａｒ１には、複数の圧電素子２２が２次元アレイ構造に配置されている。
外周領域Ａｒ２は、駆動領域Ａｒ１を駆動させるための駆動信号が入力される端子２２１Ａ，２２４Ａが設けられる。
［圧電素子２２の構成］
次に、振動板２１の駆動領域Ａｒ１に設けられる圧電素子２２について説明する。
圧電素子２２は、上述したように、振動板２１の駆動領域Ａｒ１内に複数設けられ、２次元アレイ状に配置されている。本実施形態では、Ｘ方向に配置された圧電素子２２により、１チャネル（１ＣＨ）の素子群２２Ａが構成されており、Ｙ方向に沿って複数の素子群２２Ａが配置される構造となる。
各圧電素子２２の具体的な構成について説明する。
圧電素子２２は、図３に示すように、振動板２１から順に、第一電極膜２２１、圧電膜２２２、及び第二電極膜２２３が積層された積層体により構成されている。
第一電極膜２２１は、導電性素材により構成されている。導電性素材としては、例えばＴｉ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｉｒ、Ｓｒ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ等の金属、又はランタンニッケル酸化物（ＬＮＯ）等に代表される導電性酸化物、これらの材料の１種のみ、又はこれらの２種以上を混合又は積層したものを用いることができる。本実施形態では、Ｉｒ及びＴｉの積層体により第一電極膜２２１が構成されている。
この第一電極膜２２１は、図２及び図４に示すように、Ｘ方向に沿って直線状に形成され、１Ｃｈの素子群２２Ａを構成する各圧電素子２２を接続する。第一電極膜２２１の±Ｘ側端部は、駆動端子２２１Ａを構成し、リード線やＦＰＣ（Flexible printed circuits）等を介して制御部３に電気接続されている。
圧電膜２２２は、例えば、ペロブスカイト構造を有する遷移金属酸化物等の圧電材料により構成されている。本実施形態では、圧電膜２２２として、Ｐｂ、Ｔｉ及びＺｒを含むチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が用いられる。
第二電極膜２２３は、第一電極膜２２１と同様、導電性素材により構成されている。本実施形態では、第二電極膜２２３として、Ｉｒを用いる。この第二電極膜２２３は、Ｙ方向に沿って直線状に形成されており、Ｙ方向に並ぶ各圧電素子２２を接続する。また、第二電極膜２２３の±Ｙ側端部は共通電極線２２４に接続される。つまり、共通電極線２２４は、Ｘ方向に沿って複数配置された第二電極膜２２３同士を結線する。共通電極線２２４の±Ｘ側端部は、共通端子２２４Ａを構成し、リード線やＦＰＣ等を介して制御部３に電気接続されている。
［壁部２３の構成］
壁部２３は、樹脂により構成され、Ｚ方向からの平面視において、圧電素子２２を囲って振動板２１上に形成されている。言い換えると、振動板２１上に圧電素子２２を中心とした所定寸法の開口を有する樹脂が積層されることで壁部２３が形成される。なお、壁部２３を構成する樹脂素材は、振動板２１を構成する樹脂素材と同一であってもよく、異なる樹脂であってもよい。
また、壁部２３のＺ方向の寸法（高さ）は、壁部２３のＸＹ平面方向の各寸法に比べて十分に小さい寸法となる。例えば、本実施形態では、圧電素子２２の厚みが３μｍであり、壁部２３のＺ方向の寸法が５μｍとなり、壁部２３のＸ方向及びＹ方向の寸法（幅）は、３０μｍとなる。このような壁部２３は、Ｚ方向に対するＸ方向やＹ方向に対して弾性変形しにくく、Ｚ方向に対して弾性変形しやすくなる。つまり、壁部２３がＺ方向に大きく弾性変形することで、超音波センサー２を対象物１０の湾曲面に沿わせることが可能となる。また、壁部２３がＸ方向及びＹ方向に対して弾性変形しにくいので、振動板２１の壁部２３に囲われる部分（振動部２１Ａ）のＸ方向及びＹ方向の寸法は変動しにくくなる。
ところで、圧電素子２２の第一電極膜２２１及び第二電極膜２２３の間に電圧を印加して圧電膜２２２を駆動させると、振動板２１のうち圧電素子２２を中心とした壁部２３により囲われる振動部２１Ａが、振動して超音波が送信される。この際、振動部２１Ａの形状（寸法）に応じた固有周波数で振動部２１Ａが振動することで超音波が送信される。
また、超音波センサー２に超音波が入力されると、振動部２１Ａが振動することで、圧電膜２２２の第一電極膜２２１側及び第二電極膜２２３側で電位差が発生して信号（受信信号）が出力される。当該受信信号を検出することで超音波センサー２により超音波の受信を検出することができる。この際、振動部２１Ａは、当該振動部２１Ａの固有周波数と同じ（又は略同じ）周波数の超音波を受信した際に振動部２１Ａの変位が大きくなり、精度良く超音波の受信を検出することができる。
このように、超音波センサー２から出力される超音波の周波数は、振動部２１Ａの寸法の影響を強く受ける。ここで、振動部２１Ａが円形である場合は、振動部２１Ａの径寸法により、また、振動部２１Ａの形状が、長軸及び短軸を有する形状（長方形や楕円等）である場合、短軸方向の寸法により、超音波の周波数が概ね決定される。つまり、振動板２１をＺ方向から見た平面視で、振動部２１Ａを挟む壁部２３間の最小距離により、超音波センサー２で送受信する超音波が決定される。
したがって、本実施形態では、振動部２１Ａの固有周波数が、超音波センサー２により送受信を行う超音波の周波数となるように、壁部２３が形成されている。また、上述したように、壁部２３は、Ｘ方向及びＹ方向に対して弾性変形しにくい。このため、例えば超音波センサー２を対象物１０に沿わせて湾曲させた場合でも、超音波センサー２で送受信される超音波の周波数変動が抑制される。
［制御部３の構成］
制御部３は、超音波センサー２の端子２２１Ａ，２２４Ａに接続され、超音波センサー２の駆動を制御する回路により構成されている。制御部３としては、超音波センサー２の駆動ドライバー回路が組み込まれた、パーソナルコンピューター等であってもよく、超音波センサー２の駆動を制御する専用の制御装置であってもよい。
具体的には、制御部３は、超音波センサー２の端子２２１Ａ、２２４Ａに対して周期駆動電圧を印加する駆動信号を出力して超音波センサー２から対象物１０に対して超音波を出力させる。また、制御部３は、超音波センサー２で受信された超音波により各圧電素子２２が変位した際の受信信号を取得する。さらに、制御部３は、受信信号に基づいて、超音波センサー２から超音波の反射位置までの距離を測長してもよい。
［超音波センサー２の可撓性］
図５は、従来の超音波センサーと、本実施形態の超音波センサー２との強度を比較した図である。従来の超音波センサーとしては、Ｓｉ基板に開口を形成し、当該開口を覆うように、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２の積層体で構成された振動板を設け、振動板の各開口に圧電素子を設けたセンサーを用いる。
従来の超音波センサーでは、圧電素子に電圧を印加して振動板に荷重をかけると、所定の第一限界点Ｆ１までは、荷重に対して略線形的に変位量が増大する。しかしながら、荷重が第一限界点Ｆ１を超えると、荷重に対する変位量の変化が非線形となり、かつ、変位量の増加率は減少する。さらに、荷重が第二限界点Ｆ２となると、振動板にクラック等の破損が生じてしまう。
一方、本実施形態の超音波センサー２では、圧電素子２２に電圧を印加して振動板２１の荷重をかけた際の、荷重に対して振動板２１の変位量が線形的に変化する範囲は広くなる。つまり、本実施形態の超音波センサー２の第一限界点Ｆ３は、従来の第一限界点Ｆ１よりも大きい。これは、圧電素子２２に対して所定の電圧を印加した際に、本実施形態の超音波センサー２の方が、より大きい音圧の超音波を出力可能であることを示している。
また、本実施形態の超音波センサー２においても、荷重が第一限界点Ｆ３を超えた後、徐々に変位量の増加率が減少し、変位量が非線形に変化する。しかしながら、図５に示すように、その変化は緩やかであり、従来の超音波センサーのように、急激な変位量の減退はない。さらに、本実施形態の超音波センサー２では、従来の超音波センサーにおいて破損が生じる第二限界点Ｆ２を超えても破損が生じない。つまり、本実施形態の超音波センサー２に破損が生じる第二限界点は、従来の超音波センサーに比べて、遥かに大きい値となる。すなわち、樹脂により構成される振動板２１及び壁部２３は、Ｓｉにより構成される従来の基板や、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２の積層体により構成された従来の振動板に比べて高い弾性変形性を示し、クラック等による振動板２１や壁部２３の破損が抑制される。
また、従来の超音波センサーでは、所定の曲率以上の湾曲面を有する対象物１０の当該湾曲面に沿わせて超音波センサーを装着すると、Ｓｉ基板或いは振動板にクラックが入る（割れる）ことがある。
これに対して、本実施形態の超音波センサー２では、振動板２１が樹脂により構成され、かつ従来の開口を有するＳｉ基板の代わりに、樹脂により構成される壁部２３が用いられている。したがって、従来の超音波センサーに対して、弾性変形性に優れており、対象物１０の湾曲面の曲率によらず、超音波センサー２が破損することなく、湾曲面に超音波センサー２を沿わせることができる。
［超音波センサー２の製造方法］
次に、上述したような超音波センサー２の製造方法について説明する。
図６は、超音波センサー２の製造方法を示すフローチャートである。
図６に示すように、超音波センサー２を製造する場合、基台形成工程Ｓ１と、圧電素子形成工程Ｓ２と、壁部形成工程Ｓ３と、補助層形成工程Ｓ４と、第二基板接合工程Ｓ５と、第一基板除去工程Ｓ６と、振動板形成工程Ｓ７と、補助層除去工程Ｓ８と、を実施する。図７は、基台形成工程Ｓ１から、補助層形成工程Ｓ４までを説明する図であり、図８は、第二基板接合工程Ｓ５から補助層除去工程Ｓ８までを説明する図である。
基台形成工程Ｓ１では、ヤング率が所定の第一値（例えば１００ＧＰａ）以上となる硬い素材により構成された（弾性変形しにくい）第一基板４００を準備する。本実施形態では、第一基板４００は、Ｓｉ基板により構成されている。
そして、このＳｉの第一基板４００の一面側を熱酸化処理し、第一基板４００の表面にＳｉＯ２膜４０１を形成する。さらに、ＳｉＯ２膜４０１上にＺｒ層を形成し、これを熱酸化処理して、図７の１番目に示すように、ＺｒＯ２層４０２を形成する。ＺｒＯ２層４０２の表面は、第一基板４００の第一面を構成し、第一基板４００のＺｒＯ２層４０２が形成される面とは反対側の面が第二面を構成する。
圧電素子形成工程Ｓ２では、図７の２番目に示すように、第一基板４００のＺｒＯ２層４０２上の所定位置に圧電素子２２を形成する。
この圧電素子形成工程Ｓ２では、ＺｒＯ２層４０２上に、スパッタリング等によってＩｒとＴｉとの積層電極を形成し、エッチング等を用いて第一電極膜２２１を形成する。
さらに、この第一電極膜２２１上に圧電膜２２２を形成する。圧電膜２２２は、例えば溶液法により形成することができ、例えば、ＺｒＯ２層４０２及び第一電極膜２２１を覆うようにＰＺＴ溶液を塗布する塗布工程と、塗布されたＰＺＴ溶液を焼成する焼成工程とを複数回実施することで、所定厚みの圧電膜を形成し、エッチングによるパターニングを実施して圧電膜２２２を形成する。本実施形態のようにＺｒＯ２層４０２上に、圧電素子２２を形成する場合、圧電膜２２２（ＰＺＴ）に含まれるＰｂ原子の拡散が抑制され、圧電素子２２の性能低下が抑制される。
この後、第一電極膜２２１、圧電膜２２２、及びＺｒＯ２層４０２を覆うＩｒ層をスパッタリング等によって形成して、エッチング等によりパターニングし、第二電極膜２２３を形成する。
壁部形成工程Ｓ３では、図７の３番目に示すように、第一基板４００のＺｒＯ２層４０２側に、圧電素子２２が形成された位置を中心とした所定領域を囲う壁部２３を形成する。壁部２３の形成は、例えば、第一基板４００のＺｒＯ２層４０２側に樹脂を成膜し、エッチング等を用いてパターニングすることで形成される。
補助層形成工程Ｓ４では、図７の４番目に示すように、第一基板４００のＺｒＯ２層４０２側の全体にレジスト等により形成された補助層４１０を形成する。これにより、第一基板４００のＺｒＯ２層４０２側に形成された圧電素子２２及び壁部２３が補助層４１０に接し、補助層４１０に保持される。補助層４１０は、後に溶解させて除去するため、例えばポジ型のフォトレジスト等の、容易に溶解可能な素材を用いることが好ましい。
第二基板接合工程Ｓ５では、図８の１番目に示すように、補助層４１０の第一基板４００とは反対側の面に、例えばＳｉにより構成された第二基板４２０を接合する。
第二基板４２０は、第一基板４００と同様、ヤング率が第一値（例えば例えば１００ＧＰａ）以上となる基板である。この第二基板４２０には、補助層４１０側の面から、補助層４１０とは反対側の面までを貫通する貫通孔４２１が設けられている。なお、貫通孔４２１は、図８の１番目に示すように、圧電素子２２に対向する位置に設けられていることが好ましい。
さらに、第二基板接合工程Ｓ５では、接合された第二基板４２０の補助層４１０とは反対側に保護フィルム４２２を形成する。保護フィルム４２２は、Ｓｉにより構成された第一基板４００をエッチングで除去する際に、第二基板４２０がエッチングされることを防ぐために形成される。したがって、保護フィルム４２２としては、Ｓｉ基板のエッチング液に対して耐性を有する膜が用いられる。
なお、ここでは、第二基板４２０を補助層４１０に接合した後、保護フィルム４２２を形成したが、これに限られない。例えば、補助層４１０への接合面以外の面に保護フィルム４２２が形成された第二基板４２０を、補助層４１０に接合してもよい。
第一基板除去工程Ｓ６では、図８の２番目に示すように、第一基板４００を除去する。第一基板４００の除去は、エッチングを用いた第一基板４００の除去であってもよく、切削処理や研磨処理等による除去であってもよい。
圧電素子２２や壁部２３は、第一基板４００が除去された後も補助層４１０及び第二基板４２０により保持されるため、圧電素子２２及び壁部２３の相対位置関係は維持される。
この後、図８の３番目に示すように、圧電素子２２、壁部２３、及び補助層４１０の第二基板４２０とは反対側の面に樹脂を塗布して、振動板２１を形成する。これにより、振動板２１に圧電素子２２及び壁部２３が接合される。
そして、保護フィルム４２２を除去して、第二基板４２０の貫通孔４２１からレジスト（補助層４１０）を除去するための溶解液を注入する。これにより、図８の４番目に示すように、補助層４１０が溶解されて除去されるとともに、第二基板４２０が乖離され、超音波センサー２が製造される。
［本実施形態の作用効果］
本実施形態の超音波センサー２は、樹脂により構成された振動板２１の振動部２１Ａを囲って、樹脂により構成された壁部２３が設けられ、振動板２１の振動部２１Ａ内に圧電素子２２が設けられている。このように、振動板２１及び壁部２３を樹脂で構成することで、可撓性に優れた超音波センサー２を提供することができ、超音波センサー２を曲面状の対象に対しても好適に装着することができ、超音波センサー２の破損も抑制できる。
本実施形態の超音波センサー２では、壁部２３のＺ方向の寸法（高さ）が、壁部２３のＸ方向及びＹ方向の寸法（幅）よりも小さい。このような構成の壁部２３は、Ｚ方向に沿った応力によって容易に弾性変形することができるので、超音波センサー２を対象物１０の形状に合わせて容易に変形させることができる。一方、壁部２３は、Ｘ方向及びＹ方向に沿った応力に対しては弾性変形しにくく、振動部２１Ａの寸法変動を抑制できる。
つまり、本実施形態のように、振動板２１及び壁部２３の双方を樹脂により構成した場合でも、壁部２３の弾性変形による振動部２１Ａの寸法変動が抑制されており、送受信する超音波の周波数の変動を抑制することができる。
本実施形態では、圧電素子形成工程Ｓ２及び壁部形成工程Ｓ３によって、第一基板４００上に圧電素子２２及び壁部２３を形成した後、補助層形成工程Ｓ４により、これらの圧電素子２２及び壁部２３を覆う補助層４１０を形成する。これにより、圧電素子２２及び壁部２３が補助層４１０に保持される。このため、第一基板除去工程Ｓ６によって第一基板４００を除去した際に、圧電素子２２や壁部２３が分離したり、圧電素子２２及び壁部２３の位置関係が崩れたりすることがない。さらに、この補助層４１０は、第二基板接合工程によって、第二基板４２０に接合される。このため、第一基板除去工程Ｓ６によって第一基板４００を除去した後も、第二基板４２０により補助層の形状が維持され、圧電素子２２や壁部２３の相対位置関係も維持される。このため、所定周波数を高精度に送受信可能な超音波センサー２を容易に製造することができる。
［第二実施形態］
次に、第二実施形態の超音波センサーについて説明する。
第二実施形態では、第一実施形態の超音波センサー２において、壁部２３の振動板２１とは反対側に、さらに、樹脂層を備える点で、第一実施形態と相違する。なお、以降の説明にあたり、既に説明した事項については同符号を付し、その説明を省略又は簡略化する。
図９は、本実施形態の超音波センサー２Ａの駆動領域Ａｒ１の概略断面図である。
本実施形態の超音波センサー２Ａは、第一実施形態と同様に、樹脂により構成される振動板２１と、圧電素子２２と、樹脂により構成される壁部２３とを備える。そして、超音波センサー２Ａは、さらに、壁部２３の振動板２１とは反対側の面を覆って形成される樹脂層２４を備える。
樹脂層２４は、例えばシート状に形成された樹脂であり、壁部２３に対してラミネート加工により接合されることで形成される。つまり、樹脂層２４は、壁部２３の振動板２１とは反対側に設けられ、振動部２１Ａに対して、ギャップ（空間Ｂ）を介して対向して配置されている。
このような樹脂層２４を設けることで、例えば超音波センサー２Ａを装着対象の固定する際に有利となる。例えば、図９に示す超音波センサー２Ａを図１に示すような対象物１０に装着する場合、樹脂層２４を対象物１０に対して密着させる。この場合、壁部２３のみを対象物１０に密着させる場合に比べて、対象物１０に接する表面積が増大する。よって、超音波センサー２Ａが対象物１０から外れる不都合等が抑制される。
また、図９に示すように、樹脂層２４のうち、振動部２１Ａに対向する位置に空孔２４１が設けられる構成としてもよい。
壁部２３を覆うように樹脂層２４を形成すると、振動板２１、壁部２３、及び樹脂層２４により囲われる空間Ｂは密閉空間となる。この場合、空間Ｂ内の空気圧によって、振動部２１Ａの振動が阻害される。これに対して、空孔２４１を設けることで、空間Ｂの空気を外部に逃がすことができ、空気圧による振動部２１Ａの振動阻害が抑制される。
［本実施形態の作用効果］
本実施形態の超音波センサー２Ａは、壁部２３の振動板２１とは反対側の面に樹脂層２４が形成されている。このような樹脂層２４が設けられることで、超音波センサー２Ａを対象物１０に装着する際に、樹脂層２４を対象物１０に貼り付けることができる。この場合、超音波センサー２Ａの対象物１０に接する表面積が増大し、対象物１０から超音波センサー２Ａが外れる等の不都合を抑制できる。
また、樹脂層２４が、振動部２１Ａを囲って配置される壁部２３間に亘って覆われる構成となるので、壁部２３間の距離変動をより抑制でき、送受信する超音波の周波数変動を抑制できる。
本実施形態の超音波センサー２Ａは、樹脂層２４の振動部２１Ａに対向する位置に空孔２４１が設けられている。このため、振動板２１、壁部２３、及び樹脂層２４により囲われる空間Ｂ内の空気を外部に逃がすことができ、空間Ｂの圧力による振動板２１の振動が阻害される不都合を抑制できる。
［変形例］
なお、本発明は上述の各実施形態及に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良、及び各実施形態を適宜組み合わせる等によって得られる構成は本発明に含まれるものである。
上述した第一実施形態の超音波センサー２は、振動板２１の圧電素子２２が設けられる側に壁部２３が設けられる構成であるが、これに限定されない。すなわち、壁部２３は、振動板２１の振動部２１Ａを囲う位置に設けられていればよい。
図１０から図１３に示す例は、本発明に係る超音波センサーの他の例を示す図である。
例えば、図１０に示す超音波センサー２Ｂのように、振動板２１の一方側の面（＋Ｚ側の面）に圧電素子２２が設けられ、振動板２１の他方側の面（−Ｚ側の面）に壁部２３が設けられる構成としてもよい。
また、図１１に示す超音波センサー２Ｃは、図１０に示す超音波センサー２Ｂの＋Ｚ側の面に、圧電素子２２を覆う樹脂製の保護層２１Ｂをさらに設けた例である。この場合、圧電素子２２が樹脂で覆われることになり、耐水性の向上を図れる。
さらに、図１２に示す超音波センサー２Ｄは、図１０に示す超音波センサー２Ｂの壁部２３の振動板２１とは反対側の面に、第二実施形態と同様の樹脂層２４を形成した例である。この場合、第二実施形態と同様に、超音波センサー２Ｄを対象物１０に対して装着する際に、装着面の表面積を増大できる。
さらには、図１３に示す超音波センサー２Ｅのように、振動板２１の＋Ｚ側及び−Ｚ側の双方に壁部２３が設けられていてもよい。この場合、振動部２１Ａの寸法変動をさらに抑制でき、送受信する超音波の周波数変動をより確実に抑制できる。
また、上記において説明した各超音波センサー２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅは、振動板２１の振動部２１Ａの振動により、壁部２３が設けられる側に超音波の送受信を行ってもよく、壁部２３が設けられる側とは反対側に超音波の送受信を行ってもよい。
図１に示した例では、対象物１０に対して超音波の送受信を行う例であるが、例えば、超音波センサー２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅを支持体に固定し、支持体とは反対側に超音波の送受信を行う構成としてもよい。
上記第一実施形態では、超音波センサー２の駆動領域Ａｒ１に、２次元アレイ構造に配置された圧電素子２２が設けられる例を示したが、これに限定されない。例えば、圧電素子が、所定の距離間隔で１次元アレイ構造に配置されてもよい。
その他、本発明の実施の際の具体的な構造は、本発明の目的を達成できる範囲で上記各実施形態及び変形例を適宜組み合わせることで構成してもよく、また他の構造などに適宜変更してもよい。
１…超音波装置、２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ…超音波センサー、３…制御部、１０…対象物、２１…振動板、２１Ａ…振動部、２２…圧電素子、２３…壁部、２４…樹脂層、２２１…第一電極膜、２２１Ａ…駆動端子、２２２…圧電膜、２２３…第二電極膜、２４１…空孔、４００…第一基板、４０１…ＳｉＯ２膜、４０１…ＺｒＯ２層、４１０…補助層、４２０…第二基板、４２１…貫通孔、４２２…保護フィルム、Ｓ１…基板形成工程、Ｓ２…圧電素子形成工程、Ｓ３…壁部形成工程、Ｓ４…補助層形成工程、Ｓ５…第二基板接合工程、Ｓ６…第一基板除去工程、Ｓ７…振動板形成工程、Ｓ８…補助層除去工程。

Claims (6)

  1. 振動部を有し、樹脂により構成される振動板と、
    前記振動板に設けられ、前記振動部を囲い、樹脂により構成された壁部と、
    前記振動板の前記振動部に設けられた圧電素子と、
    を備えることを特徴とする超音波センサー。
  2. 請求項１に記載の超音波センサーにおいて、
    前記壁部の前記振動板の厚み方向に沿う寸法は、前記振動板の前記厚み方向に交差する方向に沿う寸法よりも小さい
    ことを特徴とする超音波センサー。
  3. 請求項１又は請求項２に記載の超音波センサーにおいて、
    前記壁部の前記振動板とは反対側の面に接合され、前記振動板に対してギャップを介して設けられ、前記振動部を覆う樹脂層を備える
    ことを特徴とする超音波センサー。
  4. 請求項３に記載の超音波センサーにおいて、
    前記樹脂層には、前記振動板の厚み方向から見た際に、前記振動部と重なる位置に、前記樹脂層を前記厚み方向に貫通する空孔が設けられている
    ことを特徴とする超音波センサー。
  5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超音波センサーと、
    前記超音波センサーを制御する制御部と、
    を備えたことを特徴とする超音波装置。
  6. 第一値以上のヤング率を有し、第一面及び前記第一面とは反対側の第二面を備えた第一基板の、前記第一面の所定位置に圧電素子を形成する圧電素子形成工程と、
    前記圧電素子が形成された位置を中心とした前記第一基板の所定領域を囲う樹脂製の壁部を前記第一面に形成する壁部形成工程と、
    前記第一面に、前記壁部を覆う補助層を形成する補助層形成工程と、
    前記補助層の前記第一基板とは反対側の面に前記第一値以上のヤング率を有する第二基板を接合する第二基板接合工程と、
    前記第一基板を除去する第一基板除去工程と、
    前記第一基板が除去された位置に樹脂製の振動板を形成して、前記振動板に、前記壁部及び前記圧電素子を接合する振動板形成工程と、
    前記補助層を除去して前記第二基板を乖離させる補助層除去工程と、
    を実施することを特徴とする超音波センサーの製造方法。
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