JP2015188208A - 超音波センサー - Google Patents
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Abstract
【課題】 高分解能を有する新規な超音波センサーを提供する。
【解決手段】 開口部１１が形成された基板１２と、前記開口部１１を塞ぐように前記基板１２に設けられた振動板１５と、前記振動板１５の前記開口部１１とは反対側に積層された第１電極１６と圧電体層１７と第２電極１８とを含む圧電素子１９と、を具備する超音波センサー１０であって、前記第１電極と前記圧電体層と前記第２電極とが積層される方向をＺ方向とし、前記Ｚ方向において前記第１電極と前記圧電体層と前記第２電極とが完全に重なっている部分を能動部としたとき、１つの前記開口部１１に対向して前記能動部２０が複数配置され、隣り合う前記能動部２０間に、前記振動板１５の振動を抑制する抑制部（柱状部３０ａ）が設けられている。
【選択図】 図１
【解決手段】 開口部１１が形成された基板１２と、前記開口部１１を塞ぐように前記基板１２に設けられた振動板１５と、前記振動板１５の前記開口部１１とは反対側に積層された第１電極１６と圧電体層１７と第２電極１８とを含む圧電素子１９と、を具備する超音波センサー１０であって、前記第１電極と前記圧電体層と前記第２電極とが積層される方向をＺ方向とし、前記Ｚ方向において前記第１電極と前記圧電体層と前記第２電極とが完全に重なっている部分を能動部としたとき、１つの前記開口部１１に対向して前記能動部２０が複数配置され、隣り合う前記能動部２０間に、前記振動板１５の振動を抑制する抑制部（柱状部３０ａ）が設けられている。
【選択図】 図１
Description
本発明は、超音波センサーに関する。
従来、開口部を有する半導体基板と、開口部を閉塞して半導体基板の表面に形成された絶縁膜層上に２層の電極と、２層の電極の間で挟んだＰＺＴセラミックス薄膜層からなる圧電素子と、を具備する超音波センサーが知られている（例えば特許文献１参照）。
このような超音波センサーの送信や受信の効率は、超音波センサー内のひずみ分布に依存するが、膜厚方向のひずみを大きくしたい場合、超音波センサーを膜厚方向から見た場合の２次元形状を低アスペクト比とすればよい。
このような超音波センサーの構造としては、開口部側で送信や受信を行う構造と、開口部とは反対側で送信や受信を行う構造とがある。何れの構造においても、圧電素子の形状（膜厚方向から見た場合の形状、つまり、平面視した場合の形状、以下「形状」という）のみを低アスペクト比にしても、膜厚方向のひずみは大きくならない。つまり、開口部とその上に設ける圧電素子の能動部を共に同じような大きさで低アスペクト比の形状とする必要がある。しかし、開口部の形状を圧電素子の能動部と同じような大きさの形状にしてしまうと、開口部を画成する隔壁が超音波の伝搬を阻害し、効率が低下してしまったり、開口部のサイズが小さくなりすぎて作りにくくなってしまったりするという問題がある。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、開口部が高アスペクト比でも、あるいは開口部が圧電素子の能動部の形状よりも大きくても、圧電素子の膜厚方向のひずみを大きくして、送信や受信の効率を向上させた超音波センサーや、量産性に優れた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、開口部が形成された基板と、前記開口部を塞ぐように前記基板に設けられた振動板と、前記振動板の前記開口部とは反対側に積層された第１電極と圧電体層と第２電極とを含む圧電素子と、を具備する超音波センサーであって、前記第１電極と前記圧電体層と前記第２電極とが積層される方向をＺ方向とし、前記Ｚ方向において前記第１電極と前記圧電体層と前記第２電極とが完全に重なっている部分を能動部としたとき、１つの前記開口部に対向して前記能動部が複数配置されており、隣り合う前記能動部間に、前記振動板の振動を抑制する抑制部が設けられていることを特徴とする超音波センサーにある。振動板が振動する範囲が抑制部によって制限されることによって、能動部内における圧電素子の膜厚方向のひずみが大きくなり、送信や受信の効率を向上させることができる。また、複数の能動部に対して開口部が１つであるため、開口部を画成する隔壁で超音波が反射されることを低減することができる。よって、隔壁で反射された超音波と他の超音波との干渉によってその一部が打ち消されてしまうことで、超音波が減衰してしまうことを低減することができる。よって、送信や受信の効率が高い超音波センサーを得ることが可能となる。また、複数の能動部に対して開口部が１つであるため、開口部のサイズを比較的大きくすることができ、量産性に優れた圧電センサーを得ることが可能となる。
前記抑制部は前記圧電素子側（前記開口部とは反対側）に設けられていることが好ましい。これによれば、抑制部を容易に設けることができる。
また、平面視において、１つの開口部に対向して配置される複数の前記能動部の合計の面積は、１つの前記開口部の面積に対して６０〜８０％を占めていることが好ましい。
また、互いに直交しかつ前記Ｚ方向とも直交する２つの方向をＸ方向及びＹ方向としたとき、１つの前記開口部に対向して、Ｘ方向及びＹ方向に前記能動部が複数配置されており、前記Ｘ方向において隣り合う前記能動部間、及び、前記Ｙ方向において隣り合う前記能動部に、前記抑制部が設けられていることが好ましい。かかる構成によって、１つの開口部内により多くの能動部が配置された場合でも、圧電素子の膜厚方向のひずみを向上させることができる。また、１つの開口部内により多くの能動部が配置されることによって、超音波の減衰をより低減することができる。よって、送信や受信の効率がより高い超音波センサーが実現される。また、より量産性に優れた超音波センサーが実現される。
ここで、前記抑制部は、隣り合う前記開口部間にも設けられていることが好ましい。これによれば、膜厚方向のひずみがより大きくなり、送信や受信の効率がより高い超音波センサーが実現される。
また、前記抑制部は、金属層を含むことが好ましい。この金属層は、基板上に配線を形成する際、当該配線と同じ材料で、当該配線と同時に形成することができる。よって、抑制部を容易に形成できる。
基板上に配線を形成する際、配線と同じ材料で、配線と同時に金属層を形成することを考慮すると、前記金属層は金を含むことが好ましい。金は導電性が高いため、配線の材料として用いれば、エネルギー効率の高い超音波センサーを実現することができる。
また、前記圧電素子の周囲の空間を封止する封止板を具備し、前記抑制部は、前記封止板に設けられた柱状部を含むことが好ましい。
封止板に設けられた柱状部は、振動板の振動の影響を受けないため、より高い振動抑制効果を得ることが可能である。よって、送信や受信の効率がより高い超音波センサーが実現される。
また、平面視において、前記能動部と開口部はいずれも長方形であり、前記能動部のアスペクト比と比較して前記開口部のアスペクト比の方が大きく、当該開口部の長手方向に複数の前記能動部が設けられていることが好ましい。開口部が高アスペクト比であっても、振動板が振動する範囲が抑制部によって制限されることによって、能動部内における膜厚方向のひずみが大きくなり、送信や受信の効率を向上させることができる。なお、「長方形」とは、正方形を含む。また、「長方形」とは完全な長方形でなくてもよく、角に丸みがあったり、辺が多少凹凸していたりするものの、おおむね長方形に見えるような形状をも含むものとする。
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。以下の説明及び図面において、互いに直交する３つの空間軸をＸ、Ｙ及びＺ軸、これらの軸に平行な方向をそれぞれＸ、Ｙ及びＺ方向とする。Ｚ方向は、振動板、第１電極、圧電体層、第２電極等が積層される方向を示すため、Ｚ方向を積層方向Ｚと呼ぶこともある。また、Ｚ方向は、これら積層される要素の膜厚方向でもあるため、Ｚ方向を膜厚方向Ｚと呼ぶこともある。また、Ｘ方向を第１方向Ｘ、Ｙ方向を第２方向Ｙと呼ぶこともある。また、いずれの図面においても、超音波センサーの一部のみが、部分的に示されている。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る超音波センサーの概略構成を示す平面図、図２（ａ）は、図１のＡ−Ａ′線断面図であり、図２（ｂ）は、図１のＢ−Ｂ′線断面図であり、図２（ｃ）は、図１のＣ−Ｃ′線断面図である。
図１は、本発明の実施形態１に係る超音波センサーの概略構成を示す平面図、図２（ａ）は、図１のＡ−Ａ′線断面図であり、図２（ｂ）は、図１のＢ−Ｂ′線断面図であり、図２（ｃ）は、図１のＣ−Ｃ′線断面図である。
図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、本実施形態の超音波センサー１０は、開口部１１が形成された基板１２と、開口部１１を塞ぐように基板１２上に設けられた振動板１５と、振動板１５の開口部１１とは反対側に積層された第１電極１６、圧電体層１７及び第２電極１８からなる圧電素子１９と、を具備するものである。第１電極１６、圧電体層１７及び第２電極１８が、膜厚方向Ｚにおいて完全に重なっている部分を、能動部２０と呼ぶ。基板１２は、シリコンからなる。基板１２は、開口部１１を取り囲む隔壁１２ａを備える。振動板１５は、酸化シリコン膜及び酸化ジルコニウムからなる積層体である。振動板１５は、基板１２の隔壁１２ａによって支持されている。
図１に示すように、開口部１１は、平面視した場合に、第１方向Ｘの長さに対して第２方向Ｙの長さがかなり大きい高アスペクト比、例えば、アスペクト比１：７０の形状を有する。圧電素子１９の能動部２０は、平面視した場合に、第１方向Ｘの辺２０ｂ長さが第２方向Ｙの辺２０ａ長さに近い低アスペクト比、例えば、アスペクト比が１に近い形状を有する。膜厚方向のひずみを大きくすることを考慮すると、理論的には能動部２０のアスペクト比は、１であることが最も理想的であるといえるが、１よりも大きな値であっても良い。能動部２０は、１つの開口部１１に対して複数配置されている。本実施形態では、１つの開口部１１に対して、第２方向Ｙに３つの能動部２０が配列されている。開口部１１及び３つの能動部２０は、第１方向Ｘと第２方向Ｙとに、それぞれ複数配列されている。図１では、第１方向Ｘに４つ、第２方向Ｙに１つの開口部１１が示されている。
第１電極１６は、第２方向Ｙに延びており、第１方向Ｘに複数設けられる。第２電極１８は、第１方向Ｘに延びており、第２方向Ｙに複数設けられる。圧電体層１７は、第１方向Ｘと第２方向Ｙとに、マトリクス状に設けられる。
第１電極１６や第２電極１８は、導電性を有するものであれば、その材料は制限されない。第１電極１６や第２電極１８の材料としては、例えば、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、ステンレス鋼等の金属材料、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）等の酸化スズ系導電材料、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の酸化物導電材料や、導電性ポリマー等を用いることができる。
圧電体層１７は、代表的には、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系のペロブスカイト構造（ＡＢＯ３型構造）の複合酸化物を用いることができる。これによれば、圧電素子１９の変位量を確保しやすくなる。
また、圧電体層１７は、鉛を含まないペロブスカイト構造（ＡＢＯ３型構造）の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センサー１０を実現できる。
このような非鉛系の圧電材料としては、例えば、鉄酸ビスマス（ＢＦＯ；ＢｉＦｅＯ３）を含むＢＦＯ系材料が挙げられる。ＢＦＯでは、ＡサイトにＢｉが位置し、Ｂサイトに鉄（Ｆｅ）が位置している。ＢＦＯに、他の元素が添加されていてもよい。例えば、ＫＮＮに、鉄酸マンガン（Ｍｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ランタン（Ｌａ）、バリウム（Ｂａ）、チタン（Ｔｉ）、コバルト（Ｃｏ）、セリウム（Ｃｅ）、サマリウム（Ｓｍ）、クロム（Ｃｒ）、カリウム（Ｋ）、リチウム（Ｌｉ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、ユウロビウム（Ｅｕ）から選択される少なくとも１種の元素が添加されていてもよい。
また、非鉛系圧電材料の他の例として、ニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ；ＫＮａＮｂＯ３）を含むＫＮＮ系材料が挙げられる。ＫＮＮに、他の元素が添加されていてもよい。たとえば、ＫＮＮに、マンガン（Ｍｎ）、リチウム（Ｌｉ）、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、ビスマス（Ｂｉ）、タンタル（Ｔａ）、アンチモン（Ｓｂ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、銀（Ａｇ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、銅（Ｃｕ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、及びユーロビウム（Ｅｕ）から選択される少なくとも１種の元素が添加されていてもよい。
ペロブスカイト構造の複合酸化物には、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。
第１電極１６と第２電極１８との間に電圧を印加すると、圧電素子１９は振動板１５とともに弾性変形し、これによって超音波が発生する。圧電素子１９のたわみ変形のしやすさは、圧電素子１９や振動板１５の構成材料や厚さ、配置位置や大きさによって変わってくるため、用途や使用態様に応じて適宜調節することが可能である。
各材料に固有の共振周波数を利用して、これと圧電素子１９に印加する電荷信号の周波数とを一致又は実質的に一致させ、共振を利用して圧電素子１９をたわみ変形させるようにしてもよい。
第１電極１６は、第１方向Ｘにおいて所定の幅でパターニングされ、第２方向Ｙでは複数の能動部２０に亘って連続して設けられる。また、第２電極１８は、第１方向Ｘでは複数の能動部２０に亘って連続して設けられ、第２方向Ｙにおいて所定の幅でパターニングされる。図示はされないが、第２電極１８は第１方向Ｘに引き出され、第２方向Ｙに延びる第２共通電極に接続される。第１電極１６と第２電極１８との間に電圧を印可することによって、能動部２０が駆動される。複数の能動部２０は、すべてを個別に駆動しても良いが、一般的には、能動部２０をいくつかのブロックに分割し、このブロック毎に能動部２０を駆動する。また、第１電極１６と第２電極１８のうち、一方の電極には固定の電位が付与されることが多い。そのため、図示は省略するが、ブロック毎に第１電極１６または第２電極１８を共通化するための配線や、これらの配線をさらにまとめるための配線が設けられるのが一般的である。
図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すように、第２電極１８上には、例えばアルミナなどからなる絶縁層２１がパターニングされる。さらに、圧電素子１９の周囲の空間Ｓを封止する封止板３０が、基板１２の圧電素子１９側に設けられている。封止板３０は、振動板１５の振動を抑制する柱状部３０ａと、圧電素子１９を覆うカバー部３０ｂと、基板１２に接合される接合部（図示省略）とを有する。封止板３０の接合部が基板１２に接合されることによって、圧電素子１９の周囲の空間Ｓが封止される。柱状部３０ａは、後述するように、振動板１５の振動を抑制する抑制部として機能する。なお、図１では、封止板３０のカバー部３０ｂ及び絶縁層２１の図示は省略されており、柱状部３０ａのみが示されている。
図１および図２（ａ）に示すように、第１方向Ｘにおいて、隣り合う能動部２０の間には隔壁１２ａが存在する。そして、各能動部２０の第２方向Ｙに平行な辺２０ａの両外側の部分において、振動板１５は、基板１２の隔壁１２ａにより固定されている。一方、図１および図２（ｃ）に示すように、第２方向Ｙにおいて、隣り合う能動部２０の間には隔壁１２ａが存在しない箇所があり、当該箇所には柱状部３０ａが設けられている。そして、各能動部２０の第１方向Ｘに平行な辺２０ｂの両外側の部分において、振動板１５は、封止板３０に設けられた柱状部３０ａまたは基板１２の隔壁１２ａにより固定されている。
本実施形態の能動部２０とその周辺の領域の変位プロファイルをとると、図３（ａ）に示すように、能動部２０の中心が変位の中心となり、能動部２０内で大きな変位（膜厚方向のひずみ）が生じている。これは図３（ｂ）に示す、能動部２０にほぼ一致する形状の開口部１１、すなわち、１つの開口部１１に対して１つの能動部２０を設けた場合のプロファイルとほぼ同様である。一方、柱状部３０ａを設けない場合には、図３（ｃ）に示すように、変位の中心が能動部２０の外側に移動し、能動部２０の変位（膜厚方向のひずみ）はかなり小さくなる。
図３（ａ）〜図３（ｃ）より、隣り合う能動部２０の間に隔壁１２ａが存在しない箇所がある場合、当該箇所に柱状部３０ａを設けて、基板１２に対して開口部１１とは反対の側から振動板１５を押さえれば、振動板１５の振動を抑制することができることがわかる。すなわち、柱状部３０ａによって、振動板１５の振動範囲が制限されていることがわかる。また、本実施形態では、開口部１１が高アスペクト比であるにもかかわらず、開口部が低アスペクト比である場合と同等の変位が得られていることから、柱状部３０ａによる振動抑制の効果は絶大であることがわかる。
以上述べたように、本実施形態では、１つの開口部１１に対して、能動部２０を複数設けている。第１方向Ｘにおいて、隣り合う能動部２０の間には必ず隔壁１２ａが存在するが、第２方向Ｙにおいて、隣り合う能動部２０の間に隔壁１２ａが存在しない箇所がある。よって、特に対策を講じなければ、能動部２０が低アスペクト比であるにもかかわらず、膜厚方向のひずみは大きくならない。しかしながら、本実施形態では、上述した通り、隔壁１２ａが存在しない箇所に柱状部３０ａを設けている。これにより、振動板１５が振動する範囲が隔壁１２ａと柱状部３０ａとによって制限される。よって、膜厚方向のひずみが向上し、送信時や受信時の感度が向上する。また、本実施形態では、隣り合う能動部２０の間に隔壁１２ａが存在しない箇所があるため、隔壁１２ａが超音波の伝搬を阻害するのを抑制することが可能である。
また、開口部１１は、一般的に基板１２をエッチングすることによって形成される。基板１２の厚みに対して開口部１１のサイズ（Ｘ方向及びＹ方向のサイズ）が小さすぎると、エッチングが困難になってしまうおそれがある。本実施形態では、複数の能動部２０に対して１つの開口部１１を形成すれば良いため、開口部１１のサイズを比較的大きくすることができ、量産性を向上させることが可能である。
本実施形態において、柱状部３０ａは封止板３０に設けていたが、封止板３０とは別体にしても良い。
（実施形態２）
実施形態１では、封止板３０に柱状部３０ａを設けたが、封止板３０には柱状部３０ａを設けず、代わりに基板１２（振動板１５）上に金属層３５を設け、この金属層３５により抑制部を構成してもよい。金属層３５の材料としては、金、銅、アルミニウムなどを採用することができる。このような金属層は、基板１２上に配線を形成する際、配線と同じ材料で、配線と同時に形成することができる。配線と同じ材料で配線と同時に形成することを考慮すると、導電性の点から金が好ましい。
実施形態１では、封止板３０に柱状部３０ａを設けたが、封止板３０には柱状部３０ａを設けず、代わりに基板１２（振動板１５）上に金属層３５を設け、この金属層３５により抑制部を構成してもよい。金属層３５の材料としては、金、銅、アルミニウムなどを採用することができる。このような金属層は、基板１２上に配線を形成する際、配線と同じ材料で、配線と同時に形成することができる。配線と同じ材料で配線と同時に形成することを考慮すると、導電性の点から金が好ましい。
基板１２（振動板１５）上に金属層３５を設けた場合、当該金属層３５が重りとして機能する。効果は実施形態１より低下するが、実施形態１の場合と同様、金属層３５は抑制部として作用する。
実施形態１の柱状部３０ａの代わりに、基板１２上に金属層３５を設けた場合の変位プロファイルを図４に示す。図４から、金属層３５が抑制部としての作用を発揮していることがわかる。すなわち、金属層３５によって、振動板１５の振動範囲が制限されていることがわかる。
なお、本実施形態の効果が実施形態１よりも低下するのは、金属層３５が基板１２上に設けられており、僅かながら振動板１５と一緒に振動してしまうためであると考えられる。実施形態１では抑制部が封止板３０に設けられた柱状部３０ａによって構成されており、振動板１５の振動の影響を受けないため、振動抑制の効果がより高いと考えられる。
なお、本実施形態は、封止板３０の柱状部３０ａを金属層３５に変更した点のみにおいて実施形態１と異なる。それ以外の要素は実施形態１と同様に構成することが可能である。また、本実施形態によれば、振動抑制の効果は実施形態１に比べてやや劣るものの、実施形態１と同様の効果を得ることが可能である。
（実施形態３）
上述した実施形態において、超音波センサー１０はアスペクト比が大きいが比較的サイズが小さい開口部１１を備えていた。本実施形態では、アスペクト比は小さいがサイズが非常に大きい開口部１１Ａを備えた超音波センサー１０Ａについて説明する。
上述した実施形態において、超音波センサー１０はアスペクト比が大きいが比較的サイズが小さい開口部１１を備えていた。本実施形態では、アスペクト比は小さいがサイズが非常に大きい開口部１１Ａを備えた超音波センサー１０Ａについて説明する。
図５は、本発明の実施形態３に係る超音波センサーの概略構成を示す平面図、図６（ａ）は、図５のＤ−Ｄ′線断面図であり、図６（ｂ）は、図５のＥ−Ｅ′線断面図であり、図６（ｃ）は、図５のＦ−Ｆ′線断面図である。
図５及び図６において、実施形態１と同一の要素には同一符号を付して、重複する説明は省略する。
図５に示すように、平面視した場合に、開口部１１Ａは実施形態１の開口部１１（図１）に比べてアスペクト比が小さい。しかし、開口部１１Ａのサイズは能動部２０に対して非常に大きく、１つの開口部１１Ａに対して、１２個の能動部２０が配置されている。これら１２個の能動部２０は、開口部１１Ａに対して、Ｘ方向に複数かつＹ方向複数配列されている。開口部１１Ａ及び１２個の能動部２０は、第１方向Ｘと第２方向Ｙとに、それぞれ複数配列されているが、図５では、１つの開口部１１Ａのみが示されている。図６（ａ）〜図６（ｃ）に示すように、封止板３０Ａは、圧電素子１９を覆うカバー部３０ｂと、カバー部３０ｂの−Ｚ方向側の面に設けられた柱状部３０ｃと、基板１２に接合される接合部（図示省略）とを有する。封止板３０の接合部が基板１２に接合されることによって、圧電素子１９の周囲の空間Ｓが封止される。なお、図５では、封止板３０のカバー部３０ｂ及び絶縁層２１の図示は省略されており、柱状部３０ｃのみが示されている。
また、基板１２上の、隣り合う能動部２０の間には、金属層３５Ａが設けられている。金属層３５Ａは、柱状部３０ｃとＺ方向において対向する領域の一部に設けられている。金属層３５Ａは、各能動部２０の第２方向Ｙに平行な辺２０ａの外側と、第１方向Ｘに平行な辺２０ｂの外側に設けられている。
図５および図６（ａ）に示すように、第１方向Ｘにおいて、隣り合う能動部２０の間には、柱状部３０ｃと金属層３５Ａが存在する。また、図５および図６（ｃ）に示すように、第２方向Ｙにおいて、隣り合う能動部２０の間には、柱状部３０ｃと金属層３５Ａが存在する。柱状部３０ｃと金属層３５Ａとが協働することによって、実施形態１の柱状部３０ａや実施形態２の金属層３５と同じように、抑制部として作用する。すなわち、本実施形態では、隣り合う能動部２０の間に、柱状部３０ｃ及び金属層３５Ａが設けられており、これらが抑制部として機能している。
本実施形態の能動部２０とその周辺の領域の変位プロファイルを図７に示す。同図に示すように、本実施形態の場合も、図３（ａ）に示す実施形態１とほぼ同様、能動部２０内で大きな変位（膜厚方向のひずみ）が生じている。すなわち、柱状部３０ｃ及び金属層３５Ａによって、振動板１５の振動範囲が制限されていることがわかる。よって、本実施形態は、実施形態１と同様な効果を奏することがわかる。
また、本実施形態においても、実施形態１と同様、隣り合う能動部２０の間に隔壁１２ａが存在しない箇所があるため、隔壁１２ａが超音波の伝搬を阻害するのを抑制することができ、効率の高い超音波センサー１０Ａが実現される。また、本実施形態においても、実施形態１と同様、複数の能動部２０に対して１つの開口部１１Ａを形成すれば良いため、開口部１１Ａのサイズを比較的大きくすることができ、量産性を向上させることが可能である。
（変形例など）
実施形態３では、封止板３０に設けた柱状部３０ｃと基板１２上に設けた金属層３５Ａとによって抑制部を構成したが、実施形態１と同様、封止板３０に設けた柱状部３０ａのみによって抑制部を構成しても良い。または、実施形態２と同様、基板１２上に設けた金属層３５のみによって抑制部を構成しても良い。
実施形態３では、封止板３０に設けた柱状部３０ｃと基板１２上に設けた金属層３５Ａとによって抑制部を構成したが、実施形態１と同様、封止板３０に設けた柱状部３０ａのみによって抑制部を構成しても良い。または、実施形態２と同様、基板１２上に設けた金属層３５のみによって抑制部を構成しても良い。
実施形態１では、封止板に設けた柱状部３０ａのみによって抑制部を構成したが、実施形態３と同様、封止板３０に設けた柱状部３０ｃと基板１２上に設けた金属層３５Ａとによって抑制部を構成しても良い。
実施形態１〜３において、平面視で、１つの開口部１１に対向して配置される複数の能動部２０の合計の面積は、当該１つの開口部１１の面積に対して６０〜８０％を占めていることが好ましく、６５〜７５％を占めていることがより好ましい。能動部２０のアスペクト比は１．２〜０．８が好ましく、１．１〜０．９がより好ましい。このような範囲であれば、１つの開口部１１に対する能動部２０の位置や数は任意で構わない。
実施形態１〜３において、能動部２０及び開口部１１、１１Ａは、平面視において長方形（正方形を含む）であることを前提にしていたが、能動部２０の形状は、長方形でなくてもよい。能動部２０の形状は、完全な長方形でなくてもよい。たとえば、角に丸みがあったり、辺が多少凹凸していたりするものの、おおむね長方形に見えるような形状であってもよい。また、能動部２０の形状は長方形でなくてもよく、長方形以外の四角形、多角形、円形、あるいは楕円形でも構わない。
実施形態１〜３において、抑制部（柱状部３０ａ、金属層３５、あるいは柱状部３０ｃ及び金属層３５Ａ）は、隣り合う能動部２０間に隔壁１２ａが存在しない箇所にのみ設けられており、隔壁１２ａが存在している箇所（隣り合う開口部１１、１１Ａ間）には設けられていなかった。しかし、隣り合う開口部１１、１１Ａ間にも、抑制部を設けるようにしても良い。
（その他）
以上説明した超音波センサー１０、１０Ａでは、圧電素子１９を駆動することにより、超音波が発信される。振動板１５の圧電素子１９とは反対側（開口部１１、１１Ａ側）が、測定対象物に向けて発信される超音波や測定対象物から反射した超音波（エコー信号）の通過領域となる構成と、圧電素子１９側が、測定対象物に向けて発信される超音波や測定対象物から反射した超音波（エコー信号）の通過領域となる構成とがある。実施形態１〜３は、前者の構成を前提としている。これによれば、振動板１５の圧電素子１９とは反対側の構成を簡素化させ、超音波等の良好な通過領域を確保できる。また、電極や配線等の電気的領域や各部剤の接着固定領域を測定対象物から遠ざけて、これらと測定対象物との間での汚染や漏れ電流を防止しやすくなる。
以上説明した超音波センサー１０、１０Ａでは、圧電素子１９を駆動することにより、超音波が発信される。振動板１５の圧電素子１９とは反対側（開口部１１、１１Ａ側）が、測定対象物に向けて発信される超音波や測定対象物から反射した超音波（エコー信号）の通過領域となる構成と、圧電素子１９側が、測定対象物に向けて発信される超音波や測定対象物から反射した超音波（エコー信号）の通過領域となる構成とがある。実施形態１〜３は、前者の構成を前提としている。これによれば、振動板１５の圧電素子１９とは反対側の構成を簡素化させ、超音波等の良好な通過領域を確保できる。また、電極や配線等の電気的領域や各部剤の接着固定領域を測定対象物から遠ざけて、これらと測定対象物との間での汚染や漏れ電流を防止しやすくなる。
従って、超音波センサー１０、１０Ａは、プリンターに搭載される圧力センサー等として好適に使用できるのはもちろん、汚染や漏れ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。
なお、基板１２の開口部１１内には、音響整合層として機能する樹脂、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が充填され、開口部１１は、超音波等を透過可能なレンズ部材による封止されるのが一般的である。これにより、圧電素子１９と測定対象物との間の音響インピーダンス差を低減でき、超音波が効率よく測定対象物側に発信されるようになる。
また、上記のとおり超音波センサー１０、１０Ａでは、振動板１５の圧電素子１９とは反対側が、測定対象物に向けて発信される超音波や測定対象物からのエコー信号の通過領域となる構成が採用されており、電極や配線等の電気的領域や各部剤の接着固定領域を測定対象物から遠ざけて、これらと測定対象物との間での汚染や漏れ電流を防止しやすくなる。従って、汚染や漏れ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適用できる。
一方、上述した超音波センサー１０、１０Ａは、圧電素子１９を駆動することにより、振動板１５の圧電素子１９とは反対側で超音波の送信や受信を行う構造を前提しているが、本発明は、圧電素子１９側で送信や受信を行う超音波センサーにも適用できる。このように圧電素子１９側から送信や受信を行う超音波センサーにおいても、抑制部（柱状部３０ａ、金属層３５、あるいは柱状部３０ｃ及び金属層３５Ａ）によって、振動板１５の振動を抑制することにより、振動板１５の振動範囲が制限され、膜厚方向のひずみが向上する、という効果は、同様に得ることができる。
１０、１０Ａ 超音波センサー、 １１ 開口部、 １２ 基板、 １５ 振動板、 １６ 第１電極、 １７ 圧電体層、 １８ 第２電極、 １９ 圧電素子、 ２０ 能動部、 ３０ 封止板、 ３０ａ、３０ｃ 柱状部、 ３５、３５Ａ 金属層
Claims (9)
- 開口部が形成された基板と、
前記開口部を塞ぐように前記基板に設けられた振動板と、
前記振動板の前記開口部とは反対側に積層された第１電極と圧電体層と第２電極とを含む圧電素子と、
を具備する超音波センサーであって、
前記第１電極と前記圧電体層と前記第２電極とが積層される方向をＺ方向とし、前記Ｚ方向において前記第１電極と前記圧電体層と前記第２電極とが完全に重なっている部分を能動部としたとき、１つの前記開口部に対向して前記能動部が複数配置されており、隣り合う前記能動部間に、前記振動板の振動を抑制する抑制部が設けられていることを特徴とする超音波センサー。 - 前記抑制部は前記圧電素子側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の超音波センサー。
- 平面視において、１つの前記開口部に対向して配置される複数の前記能動部の合計の面積は、１つの前記開口部の面積に対して６０〜８０％を占めていることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波センサー。
- 互いに直交しかつ前記Ｚ方向とも直交する２つの方向をＸ方向及びＹ方向としたとき、１つの前記開口部に対向して、Ｘ方向及びＹ方向に前記能動部が複数配置されており、前記Ｘ方向において隣り合う前記能動部間、及び、前記Ｙ方向において隣り合う前記能動部に、前記抑制部が設けられている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センサー。
- 前記抑制部は、隣り合う前記開口部間にも設けられてい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センサー。
- 前記抑制部は、金属層を含む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センサー。
- 前記金属層は金を含むことを特徴とする請求項６に記載の超音波センサー。
- 前記圧電素子の周囲の空間を封止する封止板を具備し、
前記抑制部は、前記封止板に設けられた柱状部を含むことを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の超音波センサー。 - 平面視において、前記能動部と前記開口部はいずれも長方形であり、前記能動部のアスペクト比と比較して前記開口部のアスペクト比の方が大きく、当該開口部の長手方向に複数の前記能動部が設けられていることを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の超音波センサー。
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