JP4622574B2 - 超音波素子 - Google Patents

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Description

本発明は、メンブレン上に圧電振動子が形成され、圧電振動子がメンブレンと共に所定の超音波帯周波数で共振する超音波素子に関するもので、特に、自動車分野において障害物検出等に用いることのできる超音波素子に関する。
自動車などの車両に搭載され、駐車時や旋回時において、車両と障害物の距離を検出するための超音波センサ装置が、例えば、特開２００１−１６６９４号公報（特許文献１）に開示されている。障害物検出等に用いられる超音波センサ装置は、超音波の発信素子と受信素子（一つの超音波素子で発信と受信を兼用する場合あり）を備えており、発信素子から超音波を送信し、障害物に当たって反射された超音波を受信素子により受信する。この受信素子により受信された超音波の音圧、時間差、位相差により、障害物のある方向や距離を検出したり、障害物の凸凹具合を判断したりすることに用いられる。
障害物検出等の上記超音波センサ装置に用いられる受信素子として、近年、基板の薄肉部として形成されたメンブレン上に圧電体薄膜からなる振動子が形成された、超音波センサ素子が注目されている。メンブレン構造を有する上記超音波センサ素子は、半導体のマイクロマシニング技術により形成され、以下、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）型の超音波センサ素子と呼ぶ。このようなＭＥＭＳ型の超音波センサ素子とそれを用いた超音波アレイセンサ装置が、例えば、特開２００３−２８４１８２号公報（特許文献２）に開示されている。
図１０（ａ），（ｂ）は、特許文献２に開示された超音波センサ素子を簡略化して示した図で、図１０（ａ）は超音波センサ素子９０の模式的な上面図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の一点鎖線で示したＡ−Ａにおける断面図である。
図１０（ａ），（ｂ）に示す超音波センサ素子９０は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）構造の半導体基板１０を用いて形成されている。基板１０において、符号１ａは第１半導体層（支持基板）、符号１ｂは埋め込み酸化膜、符号１ｃは第２半導体層、符号１ｄは保護酸化膜である。半導体のマイクロマシニング技術により、基板１０の薄肉部として形成されたメンブレンＭ上には、圧電振動子２０がメンブレンＭを覆うようにして形成されている。圧電振動子２０は、圧電体薄膜２を電極金属膜３ａ，３ｂでサンドイッチした構造を有している。図１０（ａ），（ｂ）の超音波センサ素子９０では、圧電振動子２０がメンブレンＭと共に所定の超音波帯周波数で共振することで、障害物で反射されてきた超音波を受信する。
特開２００１−１６６９４号公報 特開２００３−２８４１８２号公報
図１０（ａ），（ｂ）に示すＭＥＭＳ型の超音波センサ素子９０は、基板１０上に複数個配置してアレイ化しても小型・低コストであり、アレイ化することで、距離測定だけでなく２次元（２Ｄ）測定や３次元（３Ｄ）測定の可能性がある。このため、現在、図１０（ａ），（ｂ）に示すようなＭＥＭＳ型の超音波センサ素子９０を用いた、超音波センサアレイ装置の開発が進められている。
一方、図１０（ａ），（ｂ）に示すＭＥＭＳ型の超音波センサ素子９０は受信専用の超音波素子であり、十分な音圧の超音波が出力できないために、発信素子としては現状では使用不可能である。自動車用の障害物検知では、一般的に１．５〜３ｍまでの障害物検知が求められており、往復距離３〜６ｍの空気中を超音波が伝播する。空気中では超音波の減衰が大きく、発信音圧を高くしなければ、受信時のＳ／Ｎが悪くなり、障害物が検出できなくなる。このような理由から、図１０（ａ），（ｂ）の超音波センサ素子９０と同じ構造の超音波素子を送信素子として用いることは困難で、特許文献２においても大型の発信素子が別体として組み合わされて、超音波センサ装置として構成されている。また、特許文献２のように発信素子と受信素子を別体として構成すると、製品コストが増大すると共に、大型化して重量が増大したり意匠性が悪くなったりする。
そこで本発明は、メンブレン上に圧電振動子が形成され、圧電振動子がメンブレンと共に所定の超音波帯周波数で共振する超音波素子であって、十分な音圧の超音波を出力することができ、送信素子として用いることができる超音波素子を提供することを目的としている。
請求項１に記載の発明は、半導体基板の薄肉部として形成された平面形状が多角形のメンブレン上に、圧電体薄膜を電極金属膜でサンドイッチした圧電振動子が、前記メンブレンを覆うようにして形成され、前記圧電振動子が前記メンブレンと共に所定の超音波帯周波数で共振する超音波素子であって、前記メンブレンの径方向振動における前記多角形の中心付近における応力集中領域上の前記圧電体薄膜に、前記多角形と同じ辺数の部分的な多角形抜きパターンが形成されてなることを特徴としている。
半導体基板の薄肉部として形成されたメンブレンの全面に、圧電体薄膜からなる振動子が形成された従来の超音波素子においては、振動子に電圧を印加してメンブレンの径方向振動を起こさせようとしても、メンブレンが撓み難く、十分な音圧が得られない。
これに対して上記本発明の超音波素子においては、平面形状が多角形のメンブレンの径方向振動における該多角形の中心付近における応力集中領域上の圧電体薄膜に、前記多角形と同じ辺数の部分的な多角形抜きパターンが形成されている。このため、上記応力集中領域の剛性が低減され、メンブレンが撓み易くなる。これにより十分な音圧の超音波を出力することができ、上記超音波素子を送信素子として用いることができる。尚、これに限らず、上記超音波素子は超音波の受信素子として用いることも可能であり、高変換効率の受信素子とすることができる。
さらに、該多角形のメンブレンの中心付近の圧電体薄膜に多角形のメンブレンと同じ形状の多角形抜きパターンを形成することで、均一に応力が分散し、かつメンブレンの撓みが中心に対して対称になるため、指向性に優れた超音波素子とすることができる。
また、上記超音波素子は、メンブレンの体格を大きくすることなく高出力化が図られた超音波素子であり、小型で低コストの超音波素子とすることができる。
請求項２に記載のように、前記多角形は、四角形であることが好ましい。これによれば、半導体のマイクロマシニング技術により、上記メンブレンを容易に形成することができ、安価な超音波素子とすることがきる。

上記超音波素子は、例えば請求項３に記載のように、前記半導体基板が、埋め込み酸化膜を有するＳＯＩ構造の半導体基板であり、前記メンブレンが、前記埋め込み酸化膜上に形成された第２半導体層および保護酸化膜からなる構成とすることが可能である。
この場合、例えば請求項４に記載のように、前記メンブレン上の下層電極金属膜が、前記メンブレンの全面を覆うようにして一体的に形成されてなり、前記圧電振動子上の上層電極金属膜が、前記部分的な抜きパターンが形成されてなる圧電体薄膜に合わせて、該圧電体薄膜上に形成されてなる構成とすることができる。
以上示したように、上記超音波素子は超音波の受信素子として用いることも可能であるが、特に請求項５に記載のように、上記超音波素子は高出力が要求される超音波の発信素子に用いて好適である。
また、請求項６に記載のように、上記発信用の超音波素子と共に、前記基板における前記発信素子と別位置に、超音波の受信素子が形成されてなるように構成して、発信素子と受信素子が同一基板に形成されてなる超音波センサ装置とすることができる。これにより、発信素子と受信素子を別体とした場合に較べて、当該超音波センサ装置の製造コストを低減できると共に、自動車等への搭載が容易になる。
以上のようにして、上記超音波素子は、請求項７に記載のように、自動車に搭載され
る超音波素子として好適である。
この場合、請求項８に記載のように、上記超音波素子は、障害物検出に用いることができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図に基づいて説明する。
最初に、図１０（ａ），（ｂ）に示すＭＥＭＳ型の超音波素子９０が発信素子として使用できない要因を、詳細に説明する。
上記要因は、図１０（ａ），（ｂ）の超音波素子９０が十分な音圧の超音波が出力できないためであるが、これは、第２半導体層１ｃと保護酸化膜１ｄからなるメンブレンＭ、および圧電体薄膜２と電極金属膜３ａ，３ｂの剛性に起因している。これらの膜の剛性で、圧電振動子２０に電圧が印加されてもメンブレンＭが撓み難い状態となっており、メンブレンＭの振幅が小さいために、超音波の音圧も小さな値となる。
図１０（ａ），（ｂ）の超音波素子９０において、音圧を上げる手段として、メンブレンＭの面積を大きくする、メンブレンＭの振動振幅を大きくする、メンブレンＭの振動速度を大きくするといった手段が考えられる。しかしながら、メンブレンＭの面積を大きくするとメンブレンＭが撓んだり、応力により破壊したりし易い。また、製造コストも増大する。一方、メンブレンＭの振幅速度を大きくすると、超音波の周波数が高くなる。しかしながら、超音波は周波数が高くなるほど、空気中での減衰も大きい。このため、自動車等で障害物検知に用いる超音波は、周波数が数十ｋＨＺから２００ＫＨｚ程度の範囲に限られており、超音波の周波数を高くしてメンブレンＭの振幅速度を任意に大きくすることはできない。従って、図１０（ａ），（ｂ）の超音波素子９０において、音圧を上げる手段として唯一取りうる方法は、メンブレンＭの振動振幅を大きくする方法である。
メンブレンＭの振動振幅を大きくするために、図１は、図１０（ａ），（ｂ）の超音波素子９０を発信素子として用いる場合を想定して、図中の白抜き矢印で示したメンブレンＭの径方向振動における応力分布をシミュレートした結果である。
図１からわかるように、図１０（ａ），（ｂ）の超音波素子９０において、平面形状が四角形のメンブレンＭに径方向振動を与えると、四角形の中心付近に応力集中領域Ｐｃが発生し、四角形の各辺における中点付近に応力集中領域Ｐｈが発生する。
（本発明の実施形態）
図２（ａ）は、本発明の一例である超音波素子１００の模式的な上面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の一点鎖線で示したＢ−Ｂにおける断面図である。
図２（ａ），（ｂ）に示す超音波素子１００も、図１０（ａ），（ｂ）に示す超音波素子９０と同様に、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）構造の半導体基板１０を用いて形成されている。すなわち、第１半導体層（支持基板）１ａ、埋め込み酸化膜１ｂ、第２半導体層１ｃおよび保護酸化膜１ｄからなるＳＯＩ基板１０において、基板１０の薄肉部として形成されたメンブレンＭ上に、圧電振動子２１がメンブレンＭを覆うようにして形成されている。メンブレンＭの平面形状は四角形であり、このような四角形のメンブレンＭは、半導体のマイクロマシニング技術により容易に形成することができ、安価な超音波素子とすることがきる。また、図２（ａ），（ｂ）の超音波素子１００における圧電振動子２１も、図１０（ａ），（ｂ）の超音波素子９０における圧電振動子２０と同様に、圧電体薄膜２を電極金属膜３ａ，３ｂでサンドイッチした構造を有している。尚、圧電体薄膜２としては、ＰＺＴや窒化アルミニウム（ＡｌＮ），酸化ジルコニウム（ＺｎＯ）等を用いることができる。また、電極金属膜３ａ，３ｂとしては、白金（Ｐｔ），金（Ａｕ），アルミニウム（Ａｌ）等用いることができる。
一方、図２（ａ），（ｂ）の超音波素子１００における圧電振動子２１は、図１０（ａ），（ｂ）の超音波素子９０における圧電振動子２０と異なり、圧電体薄膜２に、部分的な抜きパターン２ａが形成され、圧電体薄膜２が４つに分割されている。この部分的な抜きパターン２ａは、図１に示したメンブレンＭの径方向振動における応力集中領域Ｐｃ，Ｐｈ上の圧電体薄膜２を除去するように、メンブレンＭの四角形の中心付近と四角形の各辺における中点付近を結んだ放射形抜きパターンとなっている。図２（ａ），（ｂ）の超音波素子１００における圧電振動子２１では、下層電極金属膜３ａは一体的に形成されているが、上層電極金属膜３ｂは、放射形抜きパターン２ａが形成され、４つに分割された圧電体薄膜２に合わせて、４つに分割されている。
図２（ａ），（ｂ）の超音波素子１００は、圧電振動子２１がメンブレンＭと共に所定の超音波帯周波数で共振する超音波素子となっている。電極金属膜３ａ，３ｂ間に所定の周波数の交流電圧を印可すると、圧電体薄膜２が逆圧電効果により振動し、メンブレンＭを撓ませ、その近傍にある空気を押し出して超音波を発信する。圧電振動子２１がメンブレンＭと共に共振することで、メンブレンＭが大きく振動し、空気を押し出すエネルギーが大きくなって、超音波の発信出力が高められる。
図１０（ａ），（ｂ）の超音波素子９０では、基板１０の薄肉部として形成されたメンブレンＭの全面に、圧電体薄膜２からなる振動子２０が形成されている。このため、従来の超音波素子９０においては、振動子２０に電圧を印加してメンブレンＭの径方向振動を起こさせようとしても、メンブレンＭが撓み難く、十分な音圧が得られなかった。
これに対して図２（ａ），（ｂ）の超音波素子１００においては、メンブレンＭの径方向振動における応力集中領域Ｐｃ，Ｐｈ上の圧電体薄膜２に、部分的な抜きパターン２ａが形成されている。このため、上記応力集中領域Ｐｃ，Ｐｈの剛性が低減され、メンブレンＭが撓み易くなっている。これにより十分な音圧の超音波を出力することができ、図２（ａ），（ｂ）の超音波素子１００を送信素子として用いることができる。尚、これに限らず、図２（ａ），（ｂ）の超音波素子１００は超音波の受信素子として用いることも可能であり、高変換効率の受信素子とすることができる。
また、図２（ａ），（ｂ）の超音波素子１００は、メンブレンＭの体格を大きくすることなく高出力化が図られた超音波素子であり、小型で低コストの超音波素子とすることができる。
図３（ａ）〜（ｅ）は、図３（ａ）〜（ｄ）に示す各超音波素子９０，１００，１０１，１０２について、発信素子として用いた場合の音圧を調べた結果を図３（ｅ）にまとめたものである。図３（ａ）〜（ｄ）は、各超音波素子９０，１００，１０１，１０２の模式的な上面図であるが、図３（ａ）〜（ｄ）において、圧電体薄膜２の下層と上層にある電極金属膜は、簡単化のため図示を省略している。図３（ｅ）は、４つの超音波素子９０，１００，１０１，１０２について、１０ｃｍ離れた位置での音圧解析値である。
図３（ａ）に示す超音波素子９０は、図１０（ａ），（ｂ）に示した従来の超音波素子９０と同じものである。図３（ｂ）に示す超音波素子１００は、図２（ａ），（ｂ）に示した本発明の超音波素子１００と同じものである。
図３（ｃ）に示す超音波素子１０１は、図３（ｂ）の超音波素子１００を変形したもので、メンブレンＭの四角形の中心付近において、圧電体薄膜２に円形抜きパターン２ｂが形成された圧電振動子２２を有している。この円形抜きパターン２ｂは、図１に示したメンブレンＭの径方向振動における応力集中領域Ｐｃ上の圧電体薄膜２を除去したものである。
図３（ｄ）に示す超音波素子１０２は、図３（ｂ）の超音波素子１００における放射形抜きパターン２ａと図３（ｃ）の超音波素子１０１における円形抜きパターン２ｂが組み合わされてなり、抜きパターン２ｃが形成された圧電振動子２３を有している。この圧電体薄膜２に形成された抜きパターン２ｃは、図１に示したメンブレンＭの径方向振動における応力集中領域Ｐｃ，Ｐｈ上の圧電体薄膜２を除去したものである。
図３（ｅ）に示すように、圧電体薄膜２に部分的な抜きパターン２ａ〜２ｃを形成した本発明の超音波素子１００〜１０２では、抜きパターンのない従来の超音波素子９０に較べて、約３桁大きな音圧の超音波を発信することができる。
尚、図３（ｅ）の結果より、メンブレンＭの四角形の中心付近において圧電体薄膜２に円形抜きパターン２ｂを形成した図３（ｃ）の超音波素子１０１が、最も高い音圧の超音波素子となっている。従って、メンブレンＭの四角形の各辺における中点付近では、圧電体薄膜２を除去しないほうが、高い音圧の超音波素子となる。これは、メンブレンＭの四角形の各辺における中点付近では、圧電体薄膜２で発生する歪をメンブレＭの撓みに変換しやすいためであると考えられる。
図４（ａ）〜（ｆ）は、別の超音波素子１０３〜１０８の模式的な上面図である。尚、図４（ａ）〜（ｆ）において、圧電体薄膜２の下層と上層にある電極金属膜は、簡単化のため図示を省略している。
図４（ａ）に示す超音波素子１０３は、平面形状が四角形のメンブレンＭの中心付近において、圧電体薄膜２にメンブレンＭと同じ辺数の四角形抜きパターン２ｄが形成された圧電振動子２４を有している。図４（ｂ）に示す超音波素子１０４は、平面形状が六角形のメンブレンＭａの中心付近において、圧電体薄膜２にメンブレンＭａと同じ辺数の六角形抜きパターン２ｅが形成された圧電振動子２５を有している。図４（ｃ）に示す超音波素子１０５は、平面形状が八角形のメンブレンＭｂの中心付近において、圧電体薄膜２にメンブレンＭｂと同じ辺数の八角形抜きパターン２ｆが形成された圧電振動子２６を有している。上記超音波素子１０３〜１０５の圧電体薄膜２に形成された多角形抜きパターン２ｄ〜２ｆは、図１に示したメンブレンＭの応力分布から類推されるように、メンブレンＭ，Ｍａ，Ｍｂの径方向振動における多角形の中心付近における応力集中領域上の圧電体薄膜２を除去したものである。
本発明ではないが参考として、図４（ｄ）に示す超音波素子１０６は、平面形状が円形のメンブレンＭｃの中心付近において、圧電体薄膜２にメンブレンＭｃと同じ円形抜きパターン２ｇが形成された圧電振動子２７を有している。超音波素子１０６の圧電体薄膜２に形成された円形抜きパターン２ｇも、図１に示したメンブレンＭの応力分布から類推されるように、メンブレンＭｃの径方向振動における円の中心付近における応力集中領域上の圧電体薄膜２を除去したものである。
尚、前記したように、図４（ａ）の超音波素子１０３におけるメンブレンＭの平面形状は四角形であり、このような四角形のメンブレンＭは、半導体のマイクロマシニング技術により容易に形成することができ、安価な超音波素子とすることがきる。一方、図４（ｂ）〜（ｄ）の超音波素子１０４〜１０６におけるメンブレンＭａ〜Ｍｃの平面形状は、六（八）角形や円であり、このようなメンブレンＭａ〜Ｍｃは、外周において応力を分散しやすい構造となる。そこで、メンブレンＭａ〜Ｍｃの中心付近の圧電体薄膜２にメンブレンＭａ〜Ｍｃと同じ形状の抜きパターン２ｅ〜２ｇを形成することで、均一に応力が分散し、かつメンブレンＭａ〜Ｍｃの撓みが中心に対して対称になるため、指向性に優れた超音波素子とすることができる。
一方、図４（ｅ）に示す超音波素子１０７では、平面形状が四角形のメンブレンＭが形成されており、圧電体薄膜２に、メンブレンＭの四角形の中心付近と四角形の各頂点付近を結んで、放射形抜きパターン２ｈが形成されている。図２（ａ）の超音波素子１００における放射形抜きパターン２ａは、図１に示したメンブレンＭの径方向振動における応力集中領域Ｐｃ，Ｐｈ上の圧電体薄膜２を除去するようにしたものである。これに対して、図４（ｅ）の超音波素子１０７における放射形抜きパターン２ｈは、図１に示したメンブレンＭの径方向振動における中心付近の応力集中領域Ｐｃ上の圧電体薄膜２を除去するようにしたものである。
図４（ｆ）に示す超音波素子１０８は、図４（ｅ）の超音波素子１０７における放射形抜きパターン２ｈと図３（ｃ）の超音波素子１０１における円形抜きパターン２ｂが組み合わされてなり、抜きパターン２ｉが形成された圧電振動子２７を有している。この圧電体薄膜２に形成された抜きパターン２ｄも、図１に示したメンブレンＭの径方向振動における中心付近の応力集中領域Ｐｃ上の圧電体薄膜２を除去するようにしたものである。
図４（ａ）〜（ｆ）に示す超音波素子１０３〜１０８のいずれにおいても、メンブレンＭ，Ｍａ〜Ｍｃの径方向振動における応力集中領域の剛性が低減され、メンブレンＭ，Ｍａ〜Ｍｃが撓み易くなる。これにより、十分な音圧の超音波を出力することができ、超音波素子１０３〜１０８を送信素子として用いることができる。
以上示したように、上記した超音波素子１００〜１０８は、超音波の受信素子として用いることも可能であるが、特に、高出力が要求される超音波の発信素子に用いて好適である。
図５は、図２（ａ），（ｂ）の超音波素子１００を用いた超音波センサ装置の一例で、超音波センサ装置２００の模式的な上面図である。
図５の超音波センサ装置２００においては、図２（ａ），（ｂ）に示す本発明の超音波素子１００が発信素子として用いられ、図１０（ａ），（ｂ）に示す従来の超音波素子９０と同様の超音波素子９１〜９３が受信素子として用いられている。図５の超音波センサ装置２００では、１個の発信素子１００と３個の受信素子９１〜９３が、それぞれ同一基板１０の別位置に形成されている。このように、発信素子１００と受信素子９１〜９３を同一基板１０に形成することで、発信素子１００と受信素子９１〜９３を同時工程で形成できることになり、発信素子と受信素子を別体とした場合に較べて、超音波センサ装置２００の製造コストを低減することができる。また、発信素子１００と受信素子９１〜９３を同一基板１０に形成されているため、自動車等への搭載も容易になる。尚、図５の超音波センサ装置２００では、従来の超音波素子９０と同様の超音波素子９１〜９３を受信素子として用いているが、発信素子と同じ本発明の超音波素子１００を受信素子として用いてもよい。
以上のようにして、上記した超音波素子１００〜１０８は、メンブレンＭ，Ｍａ〜Ｍｃ上に圧電振動子２０〜２７が形成され、圧電振動子２０〜２７がメンブレンＭ，Ｍａ〜Ｍｃと共に所定の超音波帯周波数で共振する超音波素子であって、十分な音圧の超音波を出力することができ、送信素子として用いることができる超音波素子となっている。
（本発明ではないが参考とする第１参考例）
本発明の実施形態における超音波素子は、いずれも、メンブレンの径方向振動における応力集中領域上の圧電体薄膜２に部分的な抜きパターンを形成し、応力集中領域の剛性を低減して、メンブレンを撓み易くしたものである。これに対して、本参考例の超音波素子は、メンブレンの径方向振動における応力集中領域上の圧電体薄膜に部分的な窪みパターンを形成し、応力集中領域の剛性を低減して、メンブレンを撓み易くしたものである。
図６（ａ）は、本参考例の超音波素子１１０の模式的な上面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）の一点鎖線で示したＣ−Ｃにおける断面図である。尚、図６（ａ），（ｂ）の超音波素子１１０において、図２（ａ），（ｂ）の超音波素子１００と同様の部分については、同じ符号を付した。
図６（ａ），（ｂ）に示す超音波素子１１０も、図２（ａ），（ｂ）に示す超音波素子１００と同様に、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）構造の半導体基板１０を用いて形成されている。すなわち、第１半導体層（支持基板）１ａ、埋め込み酸化膜１ｂ、第２半導体層１ｃおよび保護酸化膜１ｄからなるＳＯＩ基板１０において、基板１０の薄肉部として形成されたメンブレンＭ上に、圧電振動子２８がメンブレンＭを覆うようにして形成されている。また、図６（ａ），（ｂ）の超音波素子１１０における圧電振動子２８も、図２（ａ），（ｂ）の超音波素子１００における圧電振動子２１と同様に、圧電体薄膜２を電極金属膜３ａ，３ｂでサンドイッチした構造を有している。
一方、図２（ａ），（ｂ）の超音波素子１００における圧電振動子２１には、部分的な抜きパターン２ａが形成され、圧電体薄膜２は４つに分割されていた。これに対して、図６（ａ），（ｂ）の超音波素子１１０における圧電振動子２８では、圧電体薄膜２に、部分的な窪みパターン２ｊが形成されており、圧電体薄膜２は完全には分割されていない。この超音波素子１１０における部分的な窪みパターン２ｊも、図１に示したメンブレンＭの径方向振動における応力集中領域Ｐｃ，Ｐｈ上の圧電体薄膜２を一部除去するように、メンブレンＭの四角形の中心付近と四角形の各辺における中点付近を結んだ放射形窪みパターンとなっている。
図６（ａ），（ｂ）の超音波素子１１０も、圧電振動子２８がメンブレンＭと共に所定の超音波帯周波数で共振する超音波素子となっている。
尚、図６（ａ），（ｂ）に示す窪みパターン２ｊが形成された超音波素子１１０により得られる効果は、図２（ａ），（ｂ）に示す抜きパターン２ａが形成された超音波素子１００により得られる効果と同様であり、その説明は省略する。また、窪みパターンの形状は、図６（ａ）に示す放射形窪みパターン２ｊに限らず、図３及び図４に示した抜きパターン２ｂ〜２ｉと同様にして、各種形状の窪みパターンが可能であることは言うまでもない。
（本発明ではないが参考とする第２参考例）
本発明の実施形態と第１参考例における超音波素子は、いずれも、メンブレンの径方向振動における応力集中領域上の圧電体薄膜に部分的な抜きパターンもしくは窪みパターンを形成し、応力集中領域の剛性を低減して、メンブレンを撓み易くしたものである。これに対して、本参考例の超音波素子は、多層に形成された圧電振動子を有する超音波素子に関する。
図７（ａ）は、本参考例の超音波素子１２０の模式的な上面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）の一点鎖線で示したＤ−Ｄにおける断面図である。尚、図７（ａ），（ｂ）の超音波素子１２０において、図１０（ａ），（ｂ）の超音波素子９０と同様の部分については、同じ符号を付した。
図７（ａ），（ｂ）に示す超音波素子１２０も、図１０（ａ），（ｂ）に示す超音波素子９０と同様に、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）構造の半導体基板１０を用いて形成されている。すなわち、第１半導体層（支持基板）１ａ、埋め込み酸化膜１ｂ、第２半導体層１ｃおよび保護酸化膜１ｄからなるＳＯＩ基板１０において、基板１０の薄肉部として形成されたメンブレンＭ上に、圧電振動子２９がメンブレンＭを覆うようにして形成されている。また、図７（ａ），（ｂ）の超音波素子１２０における圧電振動子２９も、図１０（ａ），（ｂ）の超音波素子９０における圧電振動子２０と同様に、圧電体薄膜２を電極金属膜３ａ，３ｂでサンドイッチした構造を有している。
一方、図１０（ａ），（ｂ）の超音波素子９０における圧電振動子２０は、一層の圧電体薄膜２からなる振動子であった。これに対して、図７（ａ），（ｂ）の超音波素子１２０における圧電振動子２９は、図７（ｂ）の右に拡大して示したように、圧電体薄膜２と電極金属膜３ｃが交互に多層に形成された振動子となっている。
図７（ａ），（ｂ）の超音波素子１２０も、圧電振動子２９がメンブレンＭと共に所定の超音波帯周波数で共振する超音波素子となっている。
図１０（ａ），（ｂ）に示す従来の超音波素子９０では、圧電振動子２０に電圧が印加された場合、一層の圧電体薄膜２からなる振動子２０の変形量が小さいために、メンブレンＭの振動振幅も小さく、十分な音圧が得られない。これに対して図７（ａ），（ｂ）に示す本参考例の超音波素子１２０においては、圧電振動子２９が多層に形成されている。このため、電圧が印加された場合の圧電振動子２９の変形量が大きく、メンブレンＭの振動振幅も大きくなる。これにより、十分な音圧の超音波を出力することができ、超音波素子１２０を送信素子として用いることができる。また、図７（ａ），（ｂ）の超音波素子１２０は、メンブレンＭの体格を大きくすることなく高出力化が図られた超音波素子であり、小型で低コストの超音波素子とすることができる。
尚、図７（ａ），（ｂ）の超音波素子１２０についても、高出力が要求される超音波の発信素子に用いて好適であるが、受信素子として用いることも可能である。また、図５と同様にして、発信用の超音波素子１２０と共に、基板１０における発信素子１２０と別位置に、超音波の受信素子が形成されてなるように構成して、発信素子と受信素子が同一基板１０に形成されてなる超音波センサ装置とすることができる。これにより、発信素子と受信素子を別体とした場合に較べて、超音波センサ装置の製造コストを低減できると共に、自動車等への搭載が容易になる。
（本発明ではないが参考とする第３参考例）
第２参考例における超音波素子は、多層に形成された圧電振動子を有する超音波素子であった。これに対して、本参考例の超音波素子は、メンブレンと圧電振動子が基板に片持ち支持されてなる超音波素子に関する。
図８（ａ）は、本参考例の超音波素子１３０の模式的な上面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）の一点鎖線で示したＥ−Ｅにおける断面図である。尚、図８（ａ），（ｂ）の超音波素子１３０において、図１０（ａ），（ｂ）の超音波素子９０と同様の部分については、同じ符号を付した。
図８（ａ），（ｂ）に示す超音波素子１３０も、図１０（ａ），（ｂ）に示す超音波素子９０と同様に、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）構造の半導体基板１０を用いて形成されている。すなわち、第１半導体層（支持基板）１ａ、埋め込み酸化膜１ｂ、第２半導体層１ｃおよび保護酸化膜１ｄからなるＳＯＩ基板１０の薄肉部として形成されたメンブレンＭｄ上に、圧電振動子３０が形成されている。また、図８（ａ），（ｂ）の超音波素子１３０における圧電振動子３０も、図１０（ａ），（ｂ）の超音波素子９０における圧電振動子２０と同様に、圧電体薄膜２を電極金属膜３ａ，３ｂでサンドイッチした構造を有している。
一方、図１０（ａ），（ｂ）の超音波素子９０では、メンブレンＭの全外周が基板１０に固定されていた。これに対して、図８（ａ），（ｂ）の超音波素子１３０では、メンブレンＭｄと圧電振動子３０が、基板１０に片持ち支持されている。
図８（ａ），（ｂ）の超音波素子１３０も、圧電振動子３０がメンブレンＭｄと共に所定の超音波帯周波数で共振する超音波素子となっている。
図１０（ａ），（ｂ）に示す従来の超音波素子９０では、基板１０の薄肉部として形成されたメンブレンＭの全外周が基板１０に固定されているため、振動子２０に電圧を印加してメンブレンＭの径方向振動を起こさせようとしても、メンブレンＭが撓み難く、十分な音圧が得られない。これに対して図８（ａ），（ｂ）に示す本参考例の超音波素子１３０においては、メンブレンＭｄと圧電振動子３０が基板１０に片持ち支持されて、メンブレンＭｄの外周が部分的に基板１０に固定されている。このため、メンブレンＭｄの変形に対して障害となる部分が小さく、圧電振動子３０に電圧が印加されて圧電振動子３０が変形すると、メンブレンＭｄも大きく変形する。これにより、十分な音圧の超音波を出力することができ、超音波素子１３０を送信素子として用いることができる。また、図８（ａ），（ｂ）の超音波素子１３０は、メンブレンＭｄの体格を大きくすることなく高出力化が図られた超音波素子であり、小型で低コストの超音波素子とすることができる。
尚、図８（ａ），（ｂ）の超音波素子１３０についても、高出力が要求される超音波の発信素子に用いて好適であるが、受信素子として用いることも可能である。また、図５と同様にして、発信用の超音波素子１３０と受信素子が、同一基板１０に形成されてなる超音波センサ装置とすることができる。これにより、発信素子と受信素子を別体とした場合に較べて、超音波センサ装置の製造コストを低減できると共に、自動車等への搭載が容易になる。
（本発明ではないが参考とする第４参考例）
第３参考例における超音波素子は、メンブレンと圧電振動子が基板に片持ち支持されてなる超音波素子であった。これに対して、本参考例の超音波素子は、メンブレンが、基板の一方の表面側から犠牲層エッチングにより基板に形成された層の一部を刳り抜いて形成されてなる超音波素子に関する。
図９（ａ）は、本参考例の超音波素子１４０の模式的な上面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）の一点鎖線で示したＦ−Ｆにおける断面図であり、図９（ｃ）は図９（ａ）の一点鎖線で示したＧ−Ｇにおける断面図である。尚、図９（ａ）〜（ｃ）の超音波素子１４０において、図８（ａ），（ｂ）の超音波素子１３０と同様の部分については、同じ符号を付した。
図９（ａ）〜（ｃ）に示す超音波素子１４０も、図８（ａ），（ｂ）に示す超音波素子１３０と同様に、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）構造の半導体基板１０を用いて形成されている。すなわち、第１半導体層（支持基板）１ａ、埋め込み酸化膜１ｂ、第２半導体層１ｃおよび保護酸化膜１ｄからなるＳＯＩ基板１０の一方の表面側において、薄肉部として形成されたメンブレンＭｅ上に、圧電振動子３１が形成されている。また、図９（ａ）〜（ｃ）の超音波素子１４０における圧電振動子３１も、図８（ａ），（ｂ）の超音波素子１３０における圧電振動子３０と同様に、圧電体薄膜２を電極金属膜３ａ，３ｂでサンドイッチした構造を有している。
一方、図８（ａ），（ｂ）の超音波素子１３０では、メンブレンＭｄと圧電振動子３０が基板１０に片持ち支持されていた。これに対して、図９（ａ）〜（ｃ）の超音波素子１４０では、メンブレンＭｅが、基板１０の一方の表面側から、犠牲層エッチングにより基板１０に形成された埋め込み酸化膜１ｂの一部を刳り抜いて形成されている。
図９（ａ）〜（ｃ）の超音波素子１４０も、圧電振動子３１がメンブレンＭｅと共に所定の超音波帯周波数で共振する超音波素子となっている。
図９（ａ）〜（ｃ）に示す超音波素子１４０では、犠牲層エッチングにより刳り抜いて形成するためのエッチング穴ＨがメンブレンＭｅと梁Ｈａの周りに形成されるため、図８（ａ），（ｂ）に示す超音波素子１３０と同様に、メンブレンＭｅの外周が部分的に梁Ｈａにより基板１０に固定されている。このため、メンブレンＭｅの変形に対して障害となる部分が小さく、圧電振動子３１に電圧が印加されて圧電振動子３１が変形すると、梁Ｈａに歪が発生し変形することでメンブレンＭｅも大きく変形する。これにより、十分な音圧の超音波を出力することができ、超音波素子１４０を送信素子として用いることができる。また、図９（ａ）〜（ｃ）の超音波素子１４０も、メンブレンＭｅの体格を大きくすることなく高出力化が図られた超音波素子であり、小型で低コストの超音波素子とすることができる。
尚、図９（ａ）〜（ｃ）の超音波素子１４０についても、高出力が要求される超音波の発信素子に用いて好適であるが、受信素子として用いることも可能である。また、図５と同様にして、発信用の超音波素子１４０と受信素子が、同一基板１０に形成されてなる超音波センサ装置とすることができる。これにより、発信素子と受信素子を別体とした場合に較べて、超音波センサ装置の製造コストを低減できると共に、自動車等への搭載が容易になる。
図１０（ａ），（ｂ）の超音波素子を発信素子として用いる場合を想定して、メンブレンの径方向振動における応力分布をシミュレートした結果である。 （ａ）は、本発明の一例である超音波素子１００の模式的な上面図であり、（ｂ）は（ａ）の一点鎖線で示したＢ−Ｂにおける断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、各超音波素子９０，１００，１０１，１０２の模式的な上面図であり、（ｅ）は、（ａ）〜（ｄ）の超音波素子９０，１００，１０１，１０２についての音圧解析値である。 （ａ）〜（ｆ）は、別の超音波素子１０３〜１０８の模式的な上面図である。 図２の超音波素子１００を用いた超音波センサ装置の一例で、超音波センサ装置２００の模式的な上面図である。 （ａ）は、本発明ではないが参考とする第１参考例における超音波素子１１０の模式的な上面図であり、（ｂ）は（ａ）の一点鎖線で示したＣ−Ｃにおける断面図である。 （ａ）は、本発明ではないが参考とする第２参考例における超音波素子１２０の模式的な上面図であり、（ｂ）は（ａ）の一点鎖線で示したＤ−Ｄにおける断面図である。 （ａ）は、本発明ではないが参考とする第３参考例における超音波素子１３０の模式的な上面図であり、（ｂ）は（ａ）の一点鎖線で示したＥ−Ｅにおける断面図である。 （ａ）は、本発明ではないが参考とする第４参考例における超音波素子１４０の模式的な上面図であり、（ｂ）は（ａ）の一点鎖線で示したＦ−Ｆにおける断面図であり、（ｃ）は（ａ）の一点鎖線で示したＧ−Ｇにおける断面図である。 （ａ）は、従来の超音波センサ素子９０の模式的な上面図であり、（ｂ）は（ａ）の一点鎖線で示したＡ−Ａにおける断面図である。
符号の説明
９０ 超音波（センサ）素子
１００〜１０８，１１０，１２０，１３０，１４０ 超音波素子
１０ 基板
Ｍ，Ｍａ〜Ｍｅ メンブレン
Ｈａ 梁
２ 圧電体薄膜
２ａ〜２ｉ 抜きパターン
２ｊ 窪みパターン
３ａ〜３ｃ 電極金属膜
２０〜３１ 圧電振動子

Claims (8)

  1. 半導体基板の薄肉部として形成された平面形状が多角形のメンブレン上に、圧電体薄膜を電極金属膜でサンドイッチした圧電振動子が、前記メンブレンを覆うようにして形成され、
    前記圧電振動子が前記メンブレンと共に所定の超音波帯周波数で共振する超音波素子であって、
    前記メンブレンの径方向振動における前記多角形の中心付近における応力集中領域上の前記圧電体薄膜に、前記多角形と同じ辺数の部分的な多角形抜きパターンが形成されてなることを特徴とする超音波素子。
  2. 前記多角形が、四角形であることを特徴とする請求項１に記載の超音波素子。
  3. 前記半導体基板が、埋め込み酸化膜を有するＳＯＩ構造の半導体基板であり、
    前記メンブレンが、前記埋め込み酸化膜上に形成された第２半導体層および保護酸化膜からなることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波素子。
  4. 前記メンブレン上の下層電極金属膜が、前記メンブレンの全面を覆うようにして一体的に形成されてなり、
    前記圧電振動子上の上層電極金属膜が、前記部分的な抜きパターンが形成されてなる圧電体薄膜に合わせて、該圧電体薄膜上に形成されてなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の超音波素子。
  5. 前記超音波素子が、超音波の発信素子であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の超音波素子。
  6. 前記基板における前記発信素子と別位置に、超音波の受信素子が形成されてなることを特徴とする請求項５に記載の超音波素子。
  7. 前記超音波素子が、自動車に搭載される超音波素子であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の超音波素子。
  8. 前記超音波素子が、障害物検出に用いられることを特徴とする請求項７に記載の超音波素子。
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