JP6536792B2 - 超音波センサー及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、超音波センサー及びその製造方法に関する。
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。例えば、支持部材（Ｘ軸及びＹ軸によって形成されるＸＹ平面に沿った基板）と、基板上に設けられた可動膜（振動板）と、振動板上に設けられた電気機械変換素子（圧電素子）と、振動板の圧電素子とは反対側の基板に形成された開口部（空間）と、を具備する超音波センサーがある（特許文献１及び２参照）。特許文献１及び２の何れも、上記の圧電素子、振動板及び空間を含む超音波センサー素子を、Ｘ軸及びＹ軸に沿って格子状に規則正しく隣接させている。
この種の超音波センサーでは、超音波センサー素子の圧電素子の変位に応じて超音波が送受信される。圧電素子の変位特性の向上を図ることができれば、超音波の送受信効率、ひいては音響特性の向上に有利となる。
特開２０１１−２５５０２４号公報（段落［００４７］，図５等） 特開２０１１−２５９２７４号公報（段落［００４４］，図５等）
しかしながら、近年、超音波センサー素子の高密度化が求められている一方、特許文献１及び２では、超音波センサー素子の高密度化を図りつつ、良好な音響特性を維持することが困難であるという問題があった。
すなわち、特許文献１及び２では、超音波センサー素子を、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿って格子状に規則正しく隣接させているため、超音波センサー素子の空間の壁厚を確保できない。この場合、基板全体が、個々の圧電素子の変位の影響を受けやすくなり、個々の圧電素子の変位に起因して、振動板の全体的な撓み（構造クロストーク）が引き起こされる可能性が生じる。
上記の構造クロストークが生じると、個々の圧電素子の変位特性にズレが生じ、また、圧電素子全体の変位効率が低下して、これらの結果、音響特性が低下しやすくなる。このような問題は、特許文献１及び２の超音波センサーに限られず、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であれば同様に存在する。
本発明は、上記の事情に鑑み、超音波センサー素子の高密度化を図りつつ、良好な音響特性を維持できる超音波センサー及びその製造方法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、互いに直交する２つの軸をＸ軸及びＹ軸とし、前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸によって形成される平面をＸＹ平面としたとき、前記ＸＹ平面に沿った基板と、前記Ｘ軸方向及び前記Ｙ軸方向の少なくとも一方の方向に沿って前記基板に形成された複数の空間と、前記空間を塞ぐように前記基板上に設けられ、前記基板側の第１面と該第１面に対向する第２面とを有する振動板と、前記振動板の前記第２面側のうち空間に対応する部分に設けられ、超音波を発信及び／又は受信する圧電素子と、を具備し、前記空間の少なくとも一部は、千鳥状に形成されていることを特徴とする超音波センサーにある。かかる態様によれば、空間が千鳥状に形成されている部分において、該空間の壁厚を確保できる。従って、基板全体が、個々の圧電素子の変位の影響を受けることを抑制でき、超音波センサー素子を高密度に集合させた場合であっても、上記の構造クロストークの発生を防止できる。よって、超音波センサー素子の高密度化を図りつつ、良好な音響特性を維持できる。また、、かかる態様によれば、振動板の第２面側のうち空間に対応する部分に第１電極を配するのが容易となる。よって、超音波センサー素子の高密度化を図りつつ、良好な音響特性を維持できる超音波センサーを構成しやすくなる。
また、前記Ｘ軸方向にピッチがずれて形成されている前記空間の前記Ｙ軸方向側にある空間は、第１の方向に隔壁を介して並設されており、前記Ｘ軸方向にピッチがずれて形成されている前記空間の中心を通過するようにＹ軸方向に仮想線を引いたとき、前記仮想線は、前記隔壁を通過することが好ましい。かかる態様によれば、空間が千鳥状に形成されている部分において、該空間の壁厚を好適に確保できる。よって、超音波センサー素子の高密度化を図りつつ、良好な音響特性を確実に維持できる。
上記課題を解決する本発明の他の態様は、互いに直交する２つの軸をＸ軸及びＹ軸とし、前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸によって形成される平面をＸＹ平面としたとき、前記ＸＹ平面に沿った基板と、前記Ｘ軸方向及び前記Ｙ軸方向の少なくとも一方の方向に沿って前記基板に形成された複数の空間と、前記空間を塞ぐように前記基板上に設けられ、前記基板側の第１面と該第１面に対向する第２面とを有する振動板と、前記振動板の前記第２面側のうち空間に対応する部分に設けられ、超音波を発信及び／又は受信する圧電素子と、を具備し、前記圧電素子は、第１電極と、前記第１電極上の圧電体層と、前記圧電体層上の第２電極と、を含んで構成されており、前記第１電極は、前記Ｘ軸方向に一列又は複数列毎に駆動可能な個別電極であり、前記第２電極は、前記Ｙ軸方向に延びる列毎に共通な共通電極である超音波センサーの製造方法であって、前記空間の少なくとも一部を、千鳥状に形成し、前記空間の少なくとも一部は、前記Ｘ軸方向にピッチをずらして形成し、前記Ｘ軸方向にピッチをずらして形成した前記空間の前記Ｙ軸方向側にある空間を、第１の方向に隔壁を介して並設し、前記振動板の前記第２面側のうち前記隔壁に対応する部分には、前記第１電極及び前記第２電極の間に介在するダミー圧電体層を設けることを特徴とする超音波センサーの製造方法にある。かかる態様によれば、超音波センサー素子の高密度化を図りつつ、良好な音響特性を維持できる超音波センサーを製造できる。
本発明に関連する別の態様は、互いに直交する２つの軸をＸ軸及びＹ軸とし、前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸によって形成される平面をＸＹ平面としたとき、前記ＸＹ平面に沿った基板と、前記Ｘ軸方向及び前記Ｙ軸方向の少なくとも一方の方向に沿って前記基板に形成された複数の空間と、前記空間を塞ぐように前記基板上に設けられ、前記基板側の第１面と該第１面に対向する第２面とを有する振動板と、前記振動板の前記第２面側のうち空間に対応する部分に設けられ、超音波を発信及び／又は受信する圧電素子と、を具備し、前記空間の少なくとも一部は、千鳥状に形成されていることを特徴とする超音波センサーにある。かかる態様によれば、空間が千鳥状に形成されている部分において、該空間の壁厚を確保できる。従って、基板全体が、個々の圧電素子の変位の影響を受けることを抑制でき、超音波センサー素子を高密度に集合させた場合であっても、上記の構造クロストークの発生を防止できる。よって、超音波センサー素子の高密度化を図りつつ、良好な音響特性を維持できる。
また、前記圧電素子は、第１電極と、前記第１電極上の圧電体層と、前記圧電体層上の第２電極と、を含んで構成されており、前記第１電極は、前記Ｘ軸方向に一列又は複数列毎に駆動可能な個別電極であり、前記第２電極は、前記Ｙ軸方向に延びる列毎に共通な共通電極であり、前記空間の少なくとも一部は、前記Ｘ軸方向にピッチがずれて形成されていることが好ましい。かかる態様では、個別電極としての第１電極が延びる方向に、空間のピッチがずれて形成されている。つまり、かかる態様によれば、振動板の第２面側のうち空間に対応する部分に第１電極を配するのが容易となる。よって、超音波センサー素子の高密度化を図りつつ、良好な音響特性を維持できる超音波センサーを構成しやすくなる。
また、前記Ｘ軸方向にピッチがずれて形成されている前記空間の前記Ｙ軸方向側にある空間は、第１の方向に隔壁を介して並設されており、前記Ｘ軸方向にピッチがずれて形成されている前記空間の中心を通過するようにＹ軸方向に仮想線を引いたとき、前記仮想線は、前記隔壁を通過することが好ましい。かかる態様によれば、空間が千鳥状に形成されている部分において、該空間の壁厚を好適に確保できる。よって、超音波センサー素子の高密度化を図りつつ、良好な音響特性を確実に維持できる。
上記課題を解決する本発明の他の態様は、互いに直交する２つの軸をＸ軸及びＹ軸とし、前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸によって形成される平面をＸＹ平面としたとき、前記ＸＹ平面に沿った基板と、前記Ｘ軸方向及び前記Ｙ軸方向の少なくとも一方の方向に沿って前記基板に形成された複数の空間と、前記空間を塞ぐように前記基板上に設けられ、前記基板側の第１面と該第１面に対向する第２面とを有する振動板と、前記振動板の前記第２面側のうち空間に対応する部分に設けられ、超音波を発信及び／又は受信する圧電素子と、を具備する超音波センサーの製造方法であって、前記空間の少なくとも一部を、千鳥状に形成することを特徴とする超音波センサーの製造方法にある。かかる態様によれば、超音波センサー素子の高密度化を図りつつ、良好な音響特性を維持できる超音波センサーを製造できる。
超音波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斜視図。 超音波センサー素子の空間の配置等を説明する平面図及び断面図。 超音波センサーでの空間の配置等の変形例を説明する平面図。 超音波センサーでの空間の配置等の変形例を説明する平面図。 超音波センサーでの空間の配置等の変形例を説明する平面図。 超音波センサーの製造方法の一例を説明する図。 超音波センサーの製造方法の一例を説明する図。 超音波センサーの製造方法の一例を説明する図。 比較例の構成例を示す斜視図。 試験例の結果を示す図。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。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。
（実施形態１）
（超音波デバイス）
図１は、超音波センサーを搭載した超音波デバイスの構成例を示す断面図である。図示するように、超音波プローブＩは、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、装置端末（図示せず）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、等を具備して構成されている。
超音波センサー１からは、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が、超音波センサー１によって受信される。これらの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。
超音波センサー１によれば、後述のように、超音波センサー素子の高密度化を図りつつ、良好な音響特性を維持できる。従って、超音波センサー１を搭載することで、各種特性に優れた超音波デバイスとなる。本発明は、超音波の送信に最適化された送信専用型と、超音波の受信に最適化された受信専用型と、超音波の送信及び受信に最適化された送受信一体型と、等の何れの超音波センサーにも適用できる。超音波センサー１を搭載可能な超音波デバイスは超音波プローブＩに限定されない。
（超音波センサー）
（全体構成）
図２は、超音波センサーの構成例を示す分解斜視図である。図３（ａ）〜（ｂ）は、図２の超音波センサーの構成例を示す拡大図である。このうち、図３（ａ）は、図２の超音波センサー素子の構成例を示す拡大図であり、図３（ｂ）は、図２の基板の構成例を示す拡大図である。
超音波センサー１は、超音波センサー素子３１０と、音響整合層１３と、レンズ部材２０と、包囲板４０と、を含んで構成されている。超音波センサー素子３１０は、基板１０に形成された空間１２と、振動板５０と、圧電素子３００と、を含んで構成されている。
互いに直交する２つの軸をＸ軸及びＹ軸とし、Ｘ軸及びＹ軸によって形成される平面をＸＹ平面としたとき、基板１０は、ＸＹ平面に沿っている。以降、Ｘ軸を第１の方向Ｘと称し、Ｙ軸を第２の方向Ｙと称し、第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙの何れにも直行するＺ軸を第３の方向Ｚと称する。
基板１０には、複数の隔壁１１が形成されている。複数の隔壁１１により、第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙに沿って、複数の空間１２が区画されている。基板１０は、Ｓｉ単結晶基板を用いることができる。基板１０は、前記の例に限定されず、ＳＯＩ基板やガラス基板等を用いてもよい。
空間１２は、千鳥状に形成されている。また、空間１２は、第３の方向Ｚに基板１０を貫通するように形成されている。空間１２は、第３の方向Ｚから見たときに正方形状（第１の方向Ｘと第２の方向Ｙとの長さの比が１：１）である。空間１２は、第３の方向Ｚから見たときに長方形状（第１の方向Ｘと第２の方向Ｙとの長さの比が１：１以外）でもよい。
振動板５０は、空間１２を塞ぐように基板１０上に設けられている。以降、振動板５０の基板１０側の面を第１面５０ａと称し、該第１面５０ａに対向する面を第２面５０ｂと称する。振動板５０は、基板１０上に形成された弾性膜５１と、弾性膜５１上に形成された絶縁体層５２と、によって構成されている。この場合、弾性膜５１によって第１面５０ａが構成され、絶縁体層５２によって第２面５０ｂが構成される。弾性膜５１は、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）等からなり、絶縁体層５２は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）等からなる。弾性膜５１は、基板１０と別部材でなくてもよい。基板１０の一部を薄く加工し、これを弾性膜として使用してもよい。
振動板５０の第２面５０ｂ側のうち、空間１２に対応する部分には、圧電素子３００が設けられている。圧電素子３００は、第１電極６０と、第１電極６０上の圧電体層７０と、圧電体層７０上の第２電極８０と、を含んで構成されている。超音波センサー１では、第１電極６０が、第１の方向Ｘに４列毎に駆動可能な個別電極とされ、第２電極８０が、第２の方向Ｙに延びる４列毎に共通な共通電極とされている。駆動回路や配線の都合で、第１電極が共通電極とされ、第２電極が個別電極とされてもよい。
第１電極６０及び第２電極８０への電気信号の供給によって、圧電体層７０が変位する。逆に、圧電体層７０の変位によって、第１電極６０及び第２電極８０から電気信号が得られる。このような圧電素子３００の変位に応じて、超音波センサー１から超音波が送受信される。圧電素子３００の撓み領域は、空間１２によって確保されている。
超音波の送受信に機能するのは、振動板５０の第２面５０ｂ側のうち、空間１２に対応する部分に設けられた圧電素子３００である。上記の通り、空間１２は千鳥状に形成されているため、超音波センサー１では、超音波の送受信に機能する圧電素子３００も、千鳥状に配されている。
一方、圧電素子３００よりも第２の方向Ｙ側には、ダミー圧電素子３００ｄｍが設けられている。ダミー圧電素子３００ｄｍは、第１電極６０及び第２電極８０の間に介在するダミー圧電体層７０ｄｍを具備して構成されている。ダミー圧電素子３００ｄｍは、振動板５０の第２面５０ｂ側のうち隔壁１１に対応する部分に設けられており、超音波の送受信に実質的に機能しない。逆に言えば、ダミー圧電素子３００ｄｍを配しても、超音波の送受信効率に大きな悪影響は生じない。
ダミー圧電素子３００ｄｍが設けられることで、振動板５０の第２面５０ｂ側のうち隔壁１１に対応する部分（振動板５０の第２面５０ｂ側のうち空間１２に対応しない部分）において、第１電極６０と第２電極８０とが通電してしまうことを防止できる。
このように、超音波センサー１では、空間１２に対応する圧電素子３００と、隔壁１１に対応する（空間１２に対応しない）ダミー圧電素子３００ｄｍと、が混在している。より具体的には、超音波センサー１では、第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙに沿って、圧電素子３００と、ダミー圧電素子３００ｄｍと、が交互に設けられている。
基板１０に形成された空間１２と、振動板５０と、圧電素子３００と、を含んで超音波センサー素子３１０が構成されている。超音波センサー素子３１０に、音響整合層１３、レンズ部材２０及び包囲板４０が設けられることで、超音波センサー１となる。
音響整合層１３は、空間１２内に設けられている。音響整合層１３を具備することで、圧電素子３００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、超音波の伝播効率が低下することを防止できる。音響整合層１３は、例えばシリコーン樹脂から構成できるが、前記の例に限定されない。
レンズ部材２０は、基板１０の振動板５０とは反対側に設けられている。ここでは、上記の音響整合層１３が、レンズ部材２０と基板１０との接着機能も有している。レンズ部材２０と基板１０（隔壁１１）との間に音響整合層１３を介在させ、超音波センサー１が構成されている。
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によって、圧電素子３００の周囲の領域（圧電素子３００の上面及び側面を含む領域）が覆われている。包囲板４０によって覆われる圧電素子３００の周囲の領域は、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。
超音波センサー１は、振動板５０の圧電素子３００とは反対側が超音波の通過領域となる型（いわゆるＣＡＶ面型）に構成されている。これによれば、外部からの水分が圧電素子３００に極めて到達し難い構成を実現できるため、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。圧電素子３００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ため、超音波センサー１の取り扱いが容易となる。
（空間の配置等）
図４（ａ）〜（ｂ）は、超音波センサー素子の空間の配置等を詳述する平面図及び断面図である。このうち、図４（ａ）は、超音波センサー素子の基板を第３の方向Ｚから見た平面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ´線断面図である。
空間１２は、千鳥状に形成されている。すなわち、第１の方向Ｘ又は第２の方向Ｙに並設されている空間１２が、その並設方向とは交わる方向にある空間１２との間で、上記の並設方向にピッチがずれるように形成されている。例えば、超音波センサー１では、第１の方向Ｘに並設されている空間１２が、該空間１２よりも第２の方向Ｙ側にある空間１２との間で、第１の方向Ｘにピッチがずれるように形成されている。
例えば、第１の方向Ｘに並設されている空間１２の列を、第２の方向Ｙに沿って順番に、Ｎ列、Ｎ＋１列、Ｎ＋２列、Ｎ＋３列・・・と称する（Ｎは正の整数）。Ｎ列目の空間１２Ｎは、隔壁１１Ｎを介し、第１の方向Ｘに沿って並設されている。同様に、Ｎ＋１列目の空間１２Ｎ＋１は、隔壁１１Ｎ＋１を介し、Ｎ＋２列目の空間１２Ｎ＋２は、隔壁１１Ｎ＋２を介し、Ｎ＋３列目の空間１２Ｎ＋３は、隔壁１１Ｎ＋３を介し、第１の方向Ｘに沿って並設されている。
Ｎ＋１列目の空間１２Ｎ＋１よりも第２の方向Ｙの一方側（図４の左側）には、Ｎ列目の空間１２Ｎがある。Ｎ＋１列目の空間１２Ｎ＋１は、Ｎ列目の空間１２Ｎとの間で、第１の方向Ｘにピッチがずれるように形成されている。また、Ｎ＋１列目の空間１２Ｎ＋１よりも第２の方向Ｙの他方側（図４の右側）には、Ｎ＋２列目の空間１２Ｎ＋２もある。Ｎ＋１列目の空間１２Ｎ＋１は、Ｎ＋２列目の空間１２Ｎ＋２との間でも、第１の方向Ｘにピッチがずれるように形成されている。
同様に、Ｎ＋３列目の空間１２Ｎ＋３は、Ｎ＋２列目の空間１２Ｎ＋２との間で、第１の方向Ｘにピッチがずれるように形成されている。Ｎ＋３列目の空間１２Ｎ＋３は、Ｎ＋４列目（図示せず）の空間との間でも、第１の方向Ｘにピッチがずれるように形成されている。
この場合、例えば、Ｎ＋１列目の空間１２Ｎ＋１と、Ｎ＋３列目の空間１２Ｎ＋３と、の間に、Ｎ＋２列目の空間１２Ｎ＋２を画成する隔壁１１Ｎ＋２が位置する。これにより、Ｎ＋１列目の空間１２Ｎ＋１と、Ｎ＋３列目の空間１２Ｎ＋３と、の間の壁厚Ｃを確保できる。従って、基板１０全体が、個々の圧電素子３００の変位の影響を受けることを抑制でき、超音波センサー素子３１０を高密度に集合させた場合であっても、構造クロストークの発生を防止できる。
ここで、Ｎ列目の空間１２Ｎに対し、その空間１２Ｎの中心を通過するように第２の方向Ｙに仮想線ＬＮを引く。同様に、Ｎ＋１列目の空間１２Ｎ＋１に対して仮想線ＬＮ＋１を引き、Ｎ＋２列目の空間１２Ｎ＋２に対して仮想線ＬＮ＋２を引き、Ｎ＋３列目の空間１２Ｎ＋３に対して仮想線ＬＮ＋３を引く。この場合、仮想線ＬＮ＋１が、仮想線ＬＮ及び仮想線ＬＮ＋２の少なくとも一方とずれていれば（同一直線状になければ）、上記の千鳥状は満たされる。また、仮想線ＬＮ＋３が、仮想線ＬＮ＋２及び仮想線ＬＮ＋４（図示せず）の少なくとも一方とずれていれば（同一直線状になければ）、上記の千鳥状は満たされる。
一方、第１の方向Ｘに並設されている空間１２が、第２の方向ＹのＭ列ごとの周期で第１の方向Ｘにずらされている場合、仮想線ＬＮと仮想線ＬＮ＋Ｍとが同一直線状に位置する（Ｍは正の整数）。第１の方向Ｘに並設されている空間１２は、第２の方向Ｙの２列ごと、３列ごと、４列ごと、或いはそれ以上の列ごとの周期で第１の方向Ｘにずれていてもよい。超音波センサー１では、第１の方向Ｘに並設されている空間１２が、第２の方向Ｙの２列ごとの周期で第１の方向Ｘにずれている。つまり、仮想線ＬＮと仮想線ＬＮ＋２とが同一直線状にあり、仮想線ＬＮ＋１と仮想線ＬＮ＋４（図示せず）とが同一直線状にある。空間１２のずれ周期が小さければ、その分、空間１２の配置が単純化され、ひいては基板１０の構成が単純化される。
ここで、仮想線ＬＮ＋１は、Ｎ列目の空間１２Ｎを画成する隔壁１１Ｎや、Ｎ＋２列目の空間１２Ｎ＋２を画成する隔壁１１Ｎ＋２を通過することが好ましい。超音波センサー１では、Ｎ＋１列目の空間１２Ｎ＋１が、Ｎ列目の空間１２Ｎや、Ｎ＋２列目の空間１２Ｎ＋２に対し、第１の方向Ｘに半ピッチずれて形成されている。言い換えれば、仮想線ＬＮ＋１が、隔壁１１Ｎや隔壁１１Ｎ＋２を第１の方向に１：１に分割するように位置している。これによれば、Ｎ＋１列目の空間１２Ｎ＋１と、Ｎ＋３列目の空間１２Ｎ＋３と、の間の壁厚Ｃを好適に確保できる。
超音波センサー１では、上記のように、仮想線ＬＮと仮想線ＬＮ＋２とが同一直線状にある。従って、仮想線ＬＮ＋１が隔壁１１Ｎや隔壁１１Ｎ＋２を通過する構成を容易に実現できる。よって、構造クロストークの発生を確実に防止できる。
ただし、空間１２が第１の方向Ｘにずれる程度は限定されない。所定の空間１２が第１の方向Ｘにずれていれば、そのずれ量に応じて、空間１２の壁厚Ｃを確保できる。空間１２の配置は種々に変形が可能である。
図５〜図７は、超音波センサーでの空間の配置等の変形例を説明する平面図である。図５（ａ）に示す基板１０Ａでは、Ｎ＋１列目の空間１２Ｎ＋１が第１の方向Ｘにずれるピッチ程度が小さい。すなわち、仮想線ＬＮ＋１が、１列目の空間１２Ｎや、Ｎ＋２列目の空間１２Ｎ＋２を通過している。とは言え、この場合でも、空間１２が千鳥状に形成されている部分において、壁厚Ｃを確保できる。
図５（ｂ）に示す基板１０Ｂでは、第１の方向Ｘに並設されている空間１２が、第２の方向Ｙの３列ごとの周期で第１の方向Ｘにずれている。Ｎ＋１列目の空間１２Ｎ＋１が、Ｎ列目の空間１２Ｎに対し、第１の方向Ｘに約１／３ピッチずれて形成されている。そして、Ｎ＋２列目の空間１２Ｎ＋２が、Ｎ列目の空間１２Ｎに対し、第１の方向Ｘに約２／３ピッチずれて形成されている。この場合でも、空間１２が千鳥状に形成されている部分において、壁厚Ｃを確保できる。
図６に示す基板１０Ｃでは、Ｎ＋１列目の空間１２Ｎ＋１の一部が、Ｎ列目の空間１２Ｎと、Ｎ＋２列目の空間１２Ｎ＋２と、Ｎ＋３列目の空間１２Ｎ＋３と、に対し、第１の方向Ｘにずれて形成されている。この場合でも、空間１２が千鳥状に形成されている部分において、壁厚Ｃを確保できる。
図７に示す基板１０Ｄでは、空間１２が、第３の方向Ｚから見たときに長方形（第１の方向Ｘと第２の方向Ｙとの長さの比が例えば１：１以外）である。この場合でも、空間１２が千鳥状に形成されている部分において、壁厚Ｃを確保できる。
上記の図４の構成と、上記の図５〜図７の構成とは、互いに組み合わせることができる。上記の図５〜図７の構成同士を互いに組み合わせることもできる。本発明は前記の構成例に限定されない。第２の方向Ｙに並設されている空間が、該空間よりも第１の方向Ｘ側にある空間との間で、第２の方向Ｙにピッチがずれるように形成されていてもよい。本発明の範囲で、空間１２の少なくとも一部が、第１の方向Ｘ又は第２の方向Ｙに千鳥状に形成されていればよい。
（圧電素子等）
圧電素子３００は、厚さが約０．２μｍの第１電極６０と、厚さが約３．０μｍ以下、好ましくは厚さが約０．５〜１．５μｍの圧電体層７０と、厚さが約０．０５μｍの第２電極８０と、を含んで構成されている。超音波センサー１では、上記の空間１２が千鳥状に形成されていたのに対し、第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙに沿って、圧電素子３００と、ダミー圧電素子３００ｄｍと、が交互に設けられている。ダミー圧電体層７０ｄｍの構成は、圧電体層７０と同一である。ダミー圧電体層７０ｄｍの構成を、圧電体層７０と異ならせてもよい。
振動板５０の第２面５０ｂ側のうち、空間１２に対応する領域に設けられた圧電素子３００の変位に応じて、超音波が送受信される。第１の方向Ｘをスキャン方向とし、第２の方向Ｙをスライス方向としたとき、超音波センサー１は、スキャン方向にスキャンしながら、スライス方向に延びる列毎に超音波の送受信を行う。これにより、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。
本実施形態では、圧電体層７０の変位によって、少なくとも振動板５０及び第１電極６０が変位する。すなわち、本実施形態では、少なくとも振動板５０及び第１電極６０が、実質的に振動板としての機能を有している。ただし、弾性膜５１及び絶縁体層５２の何れか一方、又は両方を設けずに、第１電極６０のみが振動板として機能するようにしてもよい。基板１０上に第１電極６０を直接設ける場合には、第１電極６０を絶縁性の保護膜等で保護することが好ましい。
図示しないものの、圧電素子３００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３００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（ＴｉＯＸ）層、チタン（Ｔｉ）層又は窒化シリコン（ＳｉＮ）層等から構成できる。
圧電素子３００は、第３の方向Ｚから見たとき、空間１２の内側の領域にある。すなわち、圧電素子３００の第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙは、何れも空間１２より短い。ただし、圧電素子３００の第１の方向Ｘが空間１２より長い場合や、圧電素子３００の第２の方向Ｙが空間１２より長い場合も、本発明に含まれる。
第１電極６０や第２電極８０の材料は、導電性を有する材料であれば制限されない。第１電極６０や第２電極８０の材料としては、金属材料、酸化スズ系導電材料、酸化亜鉛系導電材料、酸化物導電材料等が挙げられる。金属材料は、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、ステンレス鋼等である。酸化スズ系導電材料は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）等である。酸化物導電材料は、酸化亜鉛系導電材料、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ３）、ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ３）、元素ドープチタン酸ストロンチウム等である。第１電極６０や第２電極８０の材料は、導電性ポリマー等でもよい。
圧電体層７０は、空間１２毎にパターニングして構成され、上記の第１電極６０及び第１電極６０に挟持されている。圧電体層７０は、例えばＡＢＯ３型ペロブスカイト構造を有する複合酸化物を含んで構成されている。かかる複合酸化物として、鉛の含有量を抑えた非鉛系材料を用いれば、環境負荷を低減できる。非鉛系材料としては、例えば、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）及びニオブ（Ｎｂ）を含むＫＮＮ系の複合酸化物等が挙げられる。
ＡＢＯ３ペロブスカイト型構造、すなわち、ＡＢＯ３型構造のＡサイトは、酸素が１２配位しており、また、Ｂサイトは酸素が６配位して８面体（オクタヘドロン）をつくっている。ＫＮＮ系の複合酸化物を用いた例では、ＡサイトにＮ、Ｎａ、ＢサイトにＮｂが位置しており、その組成式は、例えば（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３と表される。
ＫＮＮ系の複合酸化物には、他の元素が含まれていてもよい。他の元素としては、圧電体層７０のＡサイトの一部と置換されるリチウム（Ｌｉ）、ビスマス（Ｂｉ）、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、サマリウム（Ｓｍ）、セリウム（Ｃｅ）や、圧電体層７０のＢサイトの一部と置換されるマンガン（Ｍｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、マグネシウム（Ｍｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）等が挙げられる。
ＫＮＮ系の複合酸化物は、鉛を含まないことが好ましいが、他の元素として、Ａサイトの一部と置換されるＰｂ（鉛）を含んでいてもよい。他の元素の例は、上記に限定されず、タンタル（Ｔａ）、アンチモン（Ｓｂ）、銀（Ａｇ）等も挙げられる。これらの他の元素は、２種以上含まれていてもよい。一般的に、他の元素の量は、主成分となる元素の総量に対して１５％以下、好ましくは１０％以下である。他の元素を利用することで、各種特性の向上や構成及び機能等の多様化を図ることができる場合がある。他の元素を利用した複合酸化物である場合も、ＡＢＯ３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。
非鉛系材料としては、上記のＫＮＮ系の複合酸化物の他、ビスマス（Ｂｉ）及び鉄（Ｆｅ）を含むＢＦＯ系の複合酸化物や、ビスマス（Ｂｉ）、バリウム（Ｂａ）、鉄（Ｆｅ）及びチタン（Ｔｉ）を含むＢＦ−ＢＴ系の複合酸化物が挙げられる。ＢＦＯ系の複合酸化物を用いた例では、ＡサイトにＢｉ、ＢサイトにＦｅ、Ｔｉが位置しており、その組成式は、例えばＢｉＦｅＯ３と表される。ＢＦ−ＢＴ系の複合酸化物を用いた例では、ＡサイトにＢｉ、Ｂａ、ＢサイトにＦｅ、Ｔｉが位置しており、その組成式は、例えば（Ｂｉ，Ｂａ）（Ｆｅ，Ｔｉ）Ｏ３と表される。
ＢＦＯ系の複合酸化物やＢＦ−ＢＴ系の複合酸化物には、他の元素が含まれていてもよい。他の元素の例は、上記の通りである。また、ＢＦＯ系の複合酸化物やＢＦ−ＢＴ系の複合酸化物に、ＫＮＮ系の複合酸化物を構成する元素が含まれていてもよい。
圧電体層７０は、非鉛系材料以外の複合酸化物を主成分として構成されていてもよい。非鉛系材料以外の複合酸化物としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３；ＰＺＴ）系の複合酸化物が上げられる。これによれば、圧電素子３００の変位向上を図りやすくなる。勿論、ＰＺＴ系の複合酸化物にも、他の元素が含まれていてもよい。他の元素の例は、上記の通りである。
これらのＡＢＯ３型ペロブスカイト構造を有する複合酸化物には、欠損・過剰により化学量論の組成からずれたものや、元素の一部が他の元素に置換されたものも含まれる。すなわち、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、酸素欠損等による不可避な組成のずれは勿論、元素の一部置換等も許容される。
（製造方法）
次に、超音波センサー１の製造方法の一例を説明する。図８〜図１０は、超音波センサーの製造方法の各工程を示している。各図には、第３の方向Ｚから見た平面図と、ａ−ａ′線断面図と、ｂ−ｂ′線断面図と、がそれぞれ示されている。ａ−ａ′線は、第１の方向Ｘに沿っており、ｂ−ｂ′線は、第２の方向Ｙに沿っている。
まず、基板用シリコンウェハー１１０（１０）の表面に、熱酸化等によって酸化シリコンからなる弾性膜５１を形成する。その後、弾性膜５１上にジルコニウムを成膜し、熱酸化等によって酸化ジルコニウムからなる絶縁体層５２を形成する。
そして、図８に示すように、絶縁体層５２上に、第１電極６０をスパッタリング法や蒸着法等で形成し、第１電極６０が所定の形状となるようにパターニングする。次いで、図９に示すように、第１電極６０及び振動板５０上に圧電体層７０を積層する。圧電体層７０は、例えば金属錯体を溶媒に溶解・分散した溶液を塗布乾燥し、更に高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電材料を得る、ＣＳＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成できる。ＣＳＤ法に限定されず、例えば、ゾル−ゲル法や、レーザーアブレーション法、スパッタリング法、パルス・レーザー・デポジション法（ＰＬＤ法）、ＣＶＤ法、エアロゾル・デポジション法等を用いてもよい。
次に、圧電体層７０を圧電素子３００毎にパターニングする。次いで、圧電体層７０と、第１電極６０と、振動板５０（振動板５０の第２面５０ｂ）と、の表面に、第２電極８０をスパッタリング法や熱酸化等で形成する。そして、第２電極８０をパターニングし、第２の方向Ｙの列毎に分割させるとともに第１の方向Ｘの列毎に連続させる。これにより、振動板５０の第２面５０ｂ上に、第１電極６０と、圧電体層７０と、第２電極８０と、を含む圧電素子３００が形成される。
更に、基板用シリコンウェハー１１０（１０）の圧電素子３００とは反対側の表面に、レジスト（図示せず）を設け、このレジストを所定形状にパターニングしてマスク膜（図示せず）を形成する。そして、図１０に示すように、このマスク膜を介して、基板用シリコンウェハー１１０（１０）をドライエッチングする。これにより、基板１０の圧電素子３００に対向する領域に空間１２を形成する。ドライエッチングは、例えばウェットエッチングに比べ、加工時間を要するものの、シリコン基板の結晶面方位を気にすることなく高い精度で加工ができる。空間１２のアスペクト比（第１の方向Ｘと第２の方向Ｙとの長さの比）や形状等によっては、ＫＯＨ等のアルカリ溶液を用いた異方性エッチング（ウェットエッチング）が困難となる場合がある。かかる場合でも、ドライエッチングによれば、空間１２等を好適に形成できる。勿論、空間１２のアスペクト比（第１の方向Ｘと第２の方向Ｙとの長さの比）や形状等によっては、上記のウェットエッチングも可能となる。
マスク膜を形成する工程にて、ダミー圧電素子３００ｄｍに対向する基板用シリコンウェハー１１０（１０）の表面の一部にも、マスク膜を設ける。これにより、千鳥状に隔壁１１が残り、空間１２が千鳥状に形成される。
その後は、各部材を順次設けて、図２等に示す超音波センサー１を作製する。すなわち、接着剤により、包囲板４０を超音波センサー素子３１０側に接合する。そして、空間１２内に音響整合層１３を設け、この音響整合層１３を介してレンズ部材２０を接合する。音響整合層１３及びレンズ部材２０を設けた後に、包囲板４０を超音波センサー素子３１０側に接合してもよい。
以下、実施例を示し、本発明を更に具体的に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されない。
（実施例１）
上記の実施形態に従い超音波センサー１を作製した。Ｎ列目の空間１２Ｎと、Ｎ＋２列目の空間１２Ｎ＋２と、の間の壁厚Ｃ（ＣＡＶ壁厚）は５７μｍである。第１電極６０は第１の方向Ｘに４列に延びており、第２電極８０は第２の方向Ｙに４列に延びている。超音波センサー素子３１０は、１列ごとに２９個、すなわち計１１６個設けられている。
（比較例１）〜（比較例２）
図１１（ａ）〜（ｂ）に示すように、空間１２を千鳥状に形成しないで（空間１２を格子状に形成して）、超音波センサーを作製した。
比較例１の超音波センサーは、Ｎ列目の空間１２Ｎと、Ｎ＋２列目の空間１２Ｎ＋２と、の間の壁厚Ｃは２５．５μｍである。第１電極６０は、第１の方向Ｘに３列に延びており、第２電極８０は、第２の方向Ｙに３列に延びている。超音波センサー素子３１０は、１列ごとに４４個、すなわち計１３２個設けられている（従来構成１）。
比較例２の超音波センサーは、Ｎ列目の空間１２Ｎと、Ｎ＋２列目の空間１２Ｎ＋２と、の間の壁厚Ｃは９μｍである。第１電極６０は、第１の方向Ｘに４列に延びており、第２電極８０は、第２の方向Ｙに４列に延びている。超音波センサー素子３１０は、１列ごとに５９個、すなわち計２３６個設けられている（従来構成２）。
（変位測定）
実施例１及び比較例１〜２の超音波センサーについて、変位を測定した。変位の測定には、ＮＥＯＡＲＫ社製の光ヘテロダイン微小振動測定装置（ＭＯＤＥＬ ＭＬＤ−２３０Ｄ）を用いた。結果を表１及び図１２に示す。
Figure 0006536792
表１及び図１２の結果から、実施例１では、空間１２を千鳥状に形成する分、超音波センサー素子３１０の数は比較例１〜２に比べて少なくなるものの、その減少分を打ち消すほどに、変位特性の向上を図ることができることが確かめられた。具体的には、比較例１の超音波センサーは、比較例２の超音波センサーに比べて２倍の変位量が得られたが、実施例１の超音波センサーは、その比較例１の超音波センサーの約１．１３倍の変位が得られた。これは、実施例１では、構造クロストークを防止できたためである。
（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。例えば、個別電極としての第１電極は、Ｘ軸方向に一列毎に駆動可能な電極であってもよい。
また、複数の空間１２は、一次元状、すなわち、第１の方向Ｘ又は第２の方向Ｙ方向に沿って基板に形成されていてもよい。この場合、空間１２が、その並設方向に隣り合う空間１２との間で、上記の並設方向に交わる方向にずれるように（同一直線状にいように）形成されていればよい。空間１２Ｎ＋１の中心を通過するように、空間１２の並設方向に仮想線ＬＮ＋１を引いたとき、仮想線ＬＮ＋１が、仮想線ＬＮ及び仮想線ＬＮ＋２の少なくとも一方と異なれば、上記の千鳥状は満たされる。
本発明は、送信専用型、受信専用型、送受信一体型等の何れの超音波センサーにも適用できる。また、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示されている場合がある。また、本明細書の「上」という用語は、構成要素の位置関係が「直上」であることを限定するものではない。例えば、「振動板上の圧電素子」という表現は、振動板と圧電素子との間に、他の構成要素を含むものを除外しない。
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、 １０，１０Ａ〜１０Ｄ 基板、 １１ 隔壁、 １２ 空間、 １３ 音響整合層、 ２０ レンズ部材、 ４０ 包囲板、 ５０ 振動板、 ５０ａ 第１面、 ５０ｂ 第２面、 ５１ 弾性膜、 ５２ 絶縁体層、 ６０ 第１電極、 ７０ 圧電体層、 ７０ｄｍ ダミー圧電体層、 ８０ 第２電極、 ３００ 圧電素子、 ３００ｄｍ ダミー圧電素子、 ３１０ 超音波センサー素子

Claims (3)

  1. 互いに直交する２つの軸をＸ軸及びＹ軸とし、前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸によって形成される平面をＸＹ平面としたとき、
    前記ＸＹ平面に沿った基板と、
    前記Ｘ軸方向及び前記Ｙ軸方向の少なくとも一方の方向に沿って前記基板に形成された複数の空間と、
    前記空間を塞ぐように前記基板上に設けられ、前記基板側の第１面と該第１面に対向する第２面とを有する振動板と、
    前記振動板の前記第２面側のうち空間に対応する部分に設けられ、超音波を発信及び／又は受信する圧電素子と、を具備し、
    前記空間の少なくとも一部は、千鳥状に形成されており、
    前記圧電素子は、第１電極と、前記第１電極上の圧電体層と、前記圧電体層上の第２電極と、を含んで構成されており、
    前記第１電極は、前記Ｘ軸方向に一列又は複数列毎に駆動可能な個別電極であり、
    前記第２電極は、前記Ｙ軸方向に延びる列毎に共通な共通電極であり、
    前記空間の少なくとも一部は、前記Ｘ軸方向にピッチがずれて形成され、
    前記Ｘ軸方向にピッチがずれて形成されている前記空間の前記Ｙ軸方向側にある空間は、第１の方向に隔壁を介して並設されており、
    前記振動板の前記第２面側のうち前記隔壁に対応する部分には、前記第１電極及び前記第２電極の間に介在するダミー圧電体層が設けられていることいること
    を特徴とする超音波センサー。
  2. 前記Ｘ軸方向にピッチがずれて形成されている前記空間の前記Ｙ軸方向側にある空間は、第１の方向に隔壁を介して並設されており、
    前記Ｘ軸方向にピッチがずれて形成されている前記空間の中心を通過するようにＹ軸方向に仮想線を引いたとき、
    前記仮想線は、前記隔壁を通過すること
    を特徴とする請求項１に記載の超音波センサー。
  3. 互いに直交する２つの軸をＸ軸及びＹ軸とし、前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸によって形成される平面をＸＹ平面としたとき、
    前記ＸＹ平面に沿った基板と、
    前記Ｘ軸方向及び前記Ｙ軸方向の少なくとも一方の方向に沿って前記基板に形成された複数の空間と、
    前記空間を塞ぐように前記基板上に設けられ、前記基板側の第１面と該第１面に対向する第２面とを有する振動板と、
    前記振動板の前記第２面側のうち空間に対応する部分に設けられ、超音波を発信及び／又は受信する圧電素子と、を具備し、
    前記圧電素子は、第１電極と、前記第１電極上の圧電体層と、前記圧電体層上の第２電極と、を含んで構成されており、
    前記第１電極は、前記Ｘ軸方向に一列又は複数列毎に駆動可能な個別電極であり、
    前記第２電極は、前記Ｙ軸方向に延びる列毎に共通な共通電極である超音波センサーの製造方法であって、
    前記空間の少なくとも一部を、千鳥状に形成し、
    前記空間の少なくとも一部は、前記Ｘ軸方向にピッチをずらして形成し、
    前記Ｘ軸方向にピッチをずらして形成した前記空間の前記Ｙ軸方向側にある空間を、第１の方向に隔壁を介して並設し、
    前記振動板の前記第２面側のうち前記隔壁に対応する部分には、前記第１電極及び前記第２電極の間に介在するダミー圧電体層を設けること
    を特徴とする超音波センサーの製造方法。
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