JP7272036B2 - 超音波デバイス、及び超音波装置 - Google Patents
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Description
本発明は、超音波デバイス、及び超音波装置に関する。
従来、開孔が形成された基板と、開孔を塞ぐように基板に設けられた振動板と、振動板に積層された超音波デバイスとにより構成された超音波デバイスが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の超音波デバイスでは、振動板は、ＳｉＯ２により構成される膜と、ＺｒＯ２により構成される障壁層とが積層されることで構成され、障壁層上にＰＺＴ等により構成される圧電層が積層されている。このような構成では、障壁層によって、膜又は膜上に形成される電極層と、圧電層との間の化学的相互作用、つまり、Ｐｂの拡散を防止することができる。また、特許文献１の超音波デバイスでは、障壁層は、膜よりも曲げ剛性が小さくなるように構成されている。
特許文献１に記載の超音波デバイスでは、振動板は、ＳｉＯ２により構成される膜と、ＺｒＯ２により構成される障壁層とが積層されることで構成され、障壁層上にＰＺＴ等により構成される圧電層が積層されている。このような構成では、障壁層によって、膜又は膜上に形成される電極層と、圧電層との間の化学的相互作用、つまり、Ｐｂの拡散を防止することができる。また、特許文献１の超音波デバイスでは、障壁層は、膜よりも曲げ剛性が小さくなるように構成されている。
しかしながら、特許文献１において、膜を構成するＳｉＯ２のヤング率は、障壁層を構成するＺｒＯ２のヤング率よりも低い。よって、障壁層の曲げ剛性を、膜の曲げ剛性より小さくするには、膜の厚みを非常に大きくする必要がある。この場合、振動板の厚みが増大することで、超音波デバイスの駆動特性が変動してしまうとの課題がある。
例えば、超音波デバイスの共振周波数が高くなり、所望周波数の超音波の送受信が困難となる。また、共振周波数を低下するべく、開孔の開口幅を大きくすると、振動板の変位効率が低下する。この場合、超音波を送信する場合では、送信超音波の出力が低下し、超音波を受信する場合では、受信感度が低下する。
例えば、超音波デバイスの共振周波数が高くなり、所望周波数の超音波の送受信が困難となる。また、共振周波数を低下するべく、開孔の開口幅を大きくすると、振動板の変位効率が低下する。この場合、超音波を送信する場合では、送信超音波の出力が低下し、超音波を受信する場合では、受信感度が低下する。
第一適用例に係る超音波デバイスは、開孔を有する基材と、前記基材に設けられ、前記開孔を閉塞する振動板と、前記振動板に設けられる圧電素子と、を備え、前記振動板は、前記基材に設けられる第一層と、前記第一層及び前記圧電素子との間に配置される第二層とを備え、前記第二層の曲げ剛性は、前記第一層の曲げ剛性以上である。
本適用例の超音波デバイスにおいて、前記開孔の開口幅は、１００μｍ以下である。
本適用例の超音波デバイスにおいて、前記第二層は、前記圧電素子の圧電特性を維持する所定の規定値以上の厚みを有する。
本適用例の超音波デバイスにおいて、前記振動板のうち前記開孔を閉塞する振動部と、前記圧電素子とにより超音波トランスデューサーが構成され、前記第二層の厚みが前記規定値であり、かつ、前記第一層の曲げ剛性と第二層の曲げ剛性とが同じである場合の前記超音波トランスデューサーの共振周波数を第一周波数とすると、前記第二層の厚みは、前記超音波トランスデューサーの共振周波数が前記第一周波数よりも低い場合に、前記規定値である。
本適用例の超音波デバイスにおいて、前記超音波トランスデューサーの共振周波数が、前記第一周波数よりも低い第二周波数未満である場合、前記振動板に前記共振周波数に応じた厚みの振動減衰層が設けられる。
第一適用例の超音波デバイスにおいて、前記第一層は、ＳｉＯ２により構成され、前記第二層は、ＺｒＯ２により構成されている。
第二適用例に係る超音波装置は、第一適用例の超音波デバイスと、超音波デバイスを制御する制御部と、を備える。
以下、実施形態について説明する。
図１は、本実施形態の超音波装置１００の概略構成を示すブロック図である。
図１に示すように、本実施形態の超音波装置１００は、超音波デバイス１０と、超音波デバイス１０を制御する制御部２０とを備える。本実施形態の超音波装置１００では、制御部２０は、駆動回路３０を介して超音波デバイス１０を制御し、超音波デバイス１０から対象物に超音波を送信する。そして、対象物により超音波が反射され、超音波デバイス１０により反射波が受信されると、制御部２０は、超音波の送信タイミングから超音波の受信タイミングの時間に基づいて、超音波デバイス１０から対象物までの距離を算出する。
以下、このような超音波装置１００の構成について、具体的に説明する。
図１は、本実施形態の超音波装置１００の概略構成を示すブロック図である。
図１に示すように、本実施形態の超音波装置１００は、超音波デバイス１０と、超音波デバイス１０を制御する制御部２０とを備える。本実施形態の超音波装置１００では、制御部２０は、駆動回路３０を介して超音波デバイス１０を制御し、超音波デバイス１０から対象物に超音波を送信する。そして、対象物により超音波が反射され、超音波デバイス１０により反射波が受信されると、制御部２０は、超音波の送信タイミングから超音波の受信タイミングの時間に基づいて、超音波デバイス１０から対象物までの距離を算出する。
以下、このような超音波装置１００の構成について、具体的に説明する。
［超音波デバイス１０の構成］
図２は、超音波デバイス１０を示す概略平面図である。図３は、図２のＡ－Ａ線で超音波デバイス１０を切断した際の断面図である。
超音波デバイス１０は、図３に示すように、基材である素子基板１１と、振動板１２と、圧電素子１３と、を備えて構成されている。
図２は、超音波デバイス１０を示す概略平面図である。図３は、図２のＡ－Ａ線で超音波デバイス１０を切断した際の断面図である。
超音波デバイス１０は、図３に示すように、基材である素子基板１１と、振動板１２と、圧電素子１３と、を備えて構成されている。
［素子基板１１の構成］
素子基板１１は、Ｓｉにより構成され、振動板１２を支持する所定の厚みを有する基板である。素子基板１１は、第一面１１Ａと、第一面１１Ａとは反対側の第二面１１Ｂとを有する。ここで、以降の説明にあたり、第一面１１Ａから第二面１１Ｂに向かう方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交する方向をＸ方向とし、Ｘ方向及びＺ方向に直交する方向をＹ方向とする。第一面１１Ａ及び第二面１１Ｂは、ＸＹ平面に平行な面となる。なお、本実施形態では、一例として、Ｙ方向がＸ方向に対して直交する例を示すが、Ｙ方向がＸ方向に対して９０°以外の角度で傾斜していてもよい。また、以降の説明において、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向に関し、向きを含まない場合も方向という場合がある。
素子基板１１は、Ｓｉにより構成され、振動板１２を支持する所定の厚みを有する基板である。素子基板１１は、第一面１１Ａと、第一面１１Ａとは反対側の第二面１１Ｂとを有する。ここで、以降の説明にあたり、第一面１１Ａから第二面１１Ｂに向かう方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交する方向をＸ方向とし、Ｘ方向及びＺ方向に直交する方向をＹ方向とする。第一面１１Ａ及び第二面１１Ｂは、ＸＹ平面に平行な面となる。なお、本実施形態では、一例として、Ｙ方向がＸ方向に対して直交する例を示すが、Ｙ方向がＸ方向に対して９０°以外の角度で傾斜していてもよい。また、以降の説明において、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向に関し、向きを含まない場合も方向という場合がある。
素子基板１１には、Ｘ方向及びＹ方向に沿った２次元アレイ状に配置される複数の開孔１１１が設けられている。これらの開孔１１１は、第一面１１Ａから第二面１１Ｂに亘って、素子基板１１をＺ方向に貫通する貫通孔である。
また、素子基板１１の第一面１１Ａには、振動板１２が設けられており、開孔１１１の－Ｚ側の開口端は、振動板１２により閉塞されている。つまり、素子基板１１のうち、開孔１１１が設けられていない部分は、壁部１１２を構成し、この壁部１１２上に振動板１２が積層されている。
また、素子基板１１の第一面１１Ａには、振動板１２が設けられており、開孔１１１の－Ｚ側の開口端は、振動板１２により閉塞されている。つまり、素子基板１１のうち、開孔１１１が設けられていない部分は、壁部１１２を構成し、この壁部１１２上に振動板１２が積層されている。
また、素子基板１１の開孔１１１内には、必要に応じて、振動減衰層１４が設けられてもよい。この振動減衰層１４は、例えばシリコーンゴム等のエラストマーにより構成され、振動板１２の後述する第一層１２１や第二層１２２に対して、十分に低いヤング率を有する。振動減衰層１４は、開孔１１１内で、振動板１２に接して設けられることで、振動板１２の振動を抑制する。
具体的には、振動減衰層１４の層厚は、１０μｍから３０μｍであり、超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数をｆとし、振動減衰層１４の層厚をｄとした際に、以下の式（１）を満たすように形成されている。
ｆ＝α×ｄ＋β …（１）
ここで、α、βは、主に、第一層１２１と、第二層１２２の構成材料により決定される係数となる。第一層をＳｉＯ２とし、第二層をＺｒＯ２とした場合、α＝－８．１２、β＝７８９となる。係数α、βは、有限要素法等の方法により、容易に算出することができる。
具体的には、振動減衰層１４の層厚は、１０μｍから３０μｍであり、超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数をｆとし、振動減衰層１４の層厚をｄとした際に、以下の式（１）を満たすように形成されている。
ｆ＝α×ｄ＋β …（１）
ここで、α、βは、主に、第一層１２１と、第二層１２２の構成材料により決定される係数となる。第一層をＳｉＯ２とし、第二層をＺｒＯ２とした場合、α＝－８．１２、β＝７８９となる。係数α、βは、有限要素法等の方法により、容易に算出することができる。
なお、図３では、振動減衰層１４が、開孔１１１内に設けられる構成を例示するが、これに限定されない。振動減衰層１４は、例えば、振動板１２の素子基板１１とは反対側で、圧電素子１３を覆うように設けられていてもよい。
［振動板１２の構成］
振動板１２は、上述のように、素子基板１１の第一面１１Ａに設けられている。つまり、振動板１２は、壁部１１２に支持されて、開孔１１１を閉塞する。ここで、振動板１２のうち、開孔１１１を閉塞する部分である振動部１２Ａと、振動部１２Ａ上に積層される圧電素子１３とにより、超音波トランスデューサーＴｒが構成される。
また、振動板１２の厚み寸法は、素子基板１１に対して十分小さい厚み寸法となる。
振動板１２は、上述のように、素子基板１１の第一面１１Ａに設けられている。つまり、振動板１２は、壁部１１２に支持されて、開孔１１１を閉塞する。ここで、振動板１２のうち、開孔１１１を閉塞する部分である振動部１２Ａと、振動部１２Ａ上に積層される圧電素子１３とにより、超音波トランスデューサーＴｒが構成される。
また、振動板１２の厚み寸法は、素子基板１１に対して十分小さい厚み寸法となる。
より具体的には、振動板１２は、第一層１２１と、第一層１２１上に積層された第二層１２２とを備えている。
第一層１２１は、ＳｉＯ２により構成されている。本実施形態では、素子基板１１をＳｉにより構成されており、この素子基板１１の第一面側を熱酸化処理することで、ＳｉＯ２からなる第一層１２１が形成される。また、ＳｉＯ２により構成された第一層１２１をエッチングストッパーとして、素子基板１１を第二面側からエッチング処理することで、開孔１１１及び壁部１１２を有する素子基板１１が形成される。
第一層１２１は、ＳｉＯ２により構成されている。本実施形態では、素子基板１１をＳｉにより構成されており、この素子基板１１の第一面側を熱酸化処理することで、ＳｉＯ２からなる第一層１２１が形成される。また、ＳｉＯ２により構成された第一層１２１をエッチングストッパーとして、素子基板１１を第二面側からエッチング処理することで、開孔１１１及び壁部１１２を有する素子基板１１が形成される。
第二層１２２は、ＺｒＯ２により構成されている。この第二層１２２は、第一層１２１上にＺｒ層を積層し、さらにＺｒ層を熱酸化処理することで形成される。
第二層１２２は、ＰＺＴ等により構成された圧電素子１３のＰｂ原子の拡散が抑制する層であり、十分な厚みの第二層１２２が設けられることで、圧電素子１３の圧電特性を維持することが可能となる。
そして、本実施形態において、第二層１２２は、第一層１２１に対してヤング率が高く、かつ、第二層１２２の曲げ剛性は、第一層１２１の曲げ剛性よりも大きい。
なお、第一層１２１及び第二層１２２の曲げ剛性比の詳細な説明については後述する。
第二層１２２は、ＰＺＴ等により構成された圧電素子１３のＰｂ原子の拡散が抑制する層であり、十分な厚みの第二層１２２が設けられることで、圧電素子１３の圧電特性を維持することが可能となる。
そして、本実施形態において、第二層１２２は、第一層１２１に対してヤング率が高く、かつ、第二層１２２の曲げ剛性は、第一層１２１の曲げ剛性よりも大きい。
なお、第一層１２１及び第二層１２２の曲げ剛性比の詳細な説明については後述する。
［圧電素子１３の構成］
圧電素子１３は、振動板１２の振動部１２Ａで、素子基板１１とは反対側の面に設けられている。
より具体的には、圧電素子１３は、図３及び図４に示すように、振動板１２上に、第一電極１３１、圧電膜１３２、及び第二電極１３３を順に積層することで構成されている。
また、本実施形態における圧電膜１３２は、Ｐｂを含有するペロブスカイト型遷移金属酸化物により構成されており、例えば、本実施形態ではＰｂとＺｒとＴｉとを含むＰＺＴである。
圧電素子１３は、振動板１２の振動部１２Ａで、素子基板１１とは反対側の面に設けられている。
より具体的には、圧電素子１３は、図３及び図４に示すように、振動板１２上に、第一電極１３１、圧電膜１３２、及び第二電極１３３を順に積層することで構成されている。
また、本実施形態における圧電膜１３２は、Ｐｂを含有するペロブスカイト型遷移金属酸化物により構成されており、例えば、本実施形態ではＰｂとＺｒとＴｉとを含むＰＺＴである。
圧電素子１３は、第一電極１３１及び第二電極１３３の間に電圧が印加されることで伸縮する。圧電素子１３が伸縮することで、当該圧電素子１３が設けられた振動板１２の振動部１２Ａが振動し、超音波トランスデューサーＴｒから超音波が送信される。
また、開孔１１１から振動部１２Ａに超音波が入力されると、振動部１２Ａが振動し、圧電素子１３の圧電膜１３２の上下で電位差が発生する。したがって、第一電極１３１及び第二電極１３３の間に発生する電位差を検出することにより、超音波の受信を検出することが可能となる。
また、開孔１１１から振動部１２Ａに超音波が入力されると、振動部１２Ａが振動し、圧電素子１３の圧電膜１３２の上下で電位差が発生する。したがって、第一電極１３１及び第二電極１３３の間に発生する電位差を検出することにより、超音波の受信を検出することが可能となる。
［超音波トランスデューサーＴｒの配置構成］
本実施形態では、図２に示すように、超音波デバイス１０には、Ｘ方向及びＹ方向に沿って複数の超音波トランスデューサーＴｒがアレイ状に配置されている。
また、本実施形態では、第一電極１３１は、Ｘ方向に沿って直線状に形成され、±Ｘ端部に設けられた駆動端子１３１Ｐに接続される。つまり、Ｘ方向に隣り合う超音波トランスデューサーＴｒでは、第一電極１３１が共通となり、１つのチャンネルＣＨを構成する。また、Ｙ方向に沿って、複数のチャンネルＣＨが配置される。このため、各チャンネルＣＨに対応する駆動端子１３１Ｐに対して、それぞれ独立した駆動信号を入力することができ、各チャンネルＣＨを、それぞれ個別に駆動させることが可能となる。
本実施形態では、図２に示すように、超音波デバイス１０には、Ｘ方向及びＹ方向に沿って複数の超音波トランスデューサーＴｒがアレイ状に配置されている。
また、本実施形態では、第一電極１３１は、Ｘ方向に沿って直線状に形成され、±Ｘ端部に設けられた駆動端子１３１Ｐに接続される。つまり、Ｘ方向に隣り合う超音波トランスデューサーＴｒでは、第一電極１３１が共通となり、１つのチャンネルＣＨを構成する。また、Ｙ方向に沿って、複数のチャンネルＣＨが配置される。このため、各チャンネルＣＨに対応する駆動端子１３１Ｐに対して、それぞれ独立した駆動信号を入力することができ、各チャンネルＣＨを、それぞれ個別に駆動させることが可能となる。
一方、第二電極１３３は、図２に示すように、Ｙ方向に直線状に形成されており、各第二電極１３３の±Ｙ側端部が、互いに結線されて共通端子１３３Ｐに接続されている。これらの第二電極１３３は、共通端子１３３Ｐを介して駆動回路３０に電気接続され、同一の共通電位が印加される。
［制御部２０の構成］
図１に戻り、制御部２０について説明する。
制御部２０は、超音波デバイス１０を駆動させる駆動回路３０と、演算部４０とを含んで構成されている。また、制御部２０には、その他、超音波装置１００を制御するための各種データや各種プログラム等を記憶した記憶部を備えていてもよい。
図１に戻り、制御部２０について説明する。
制御部２０は、超音波デバイス１０を駆動させる駆動回路３０と、演算部４０とを含んで構成されている。また、制御部２０には、その他、超音波装置１００を制御するための各種データや各種プログラム等を記憶した記憶部を備えていてもよい。
駆動回路３０は、超音波デバイス１０の駆動を制御するためのドライバー回路であり、例えば図１に示すように、基準電位回路３１、切替回路３２、送信回路３３、及び受信回路３４等を備える。
基準電位回路３１は、超音波デバイス１０の第二電極１３３の共通端子１３３Ｐに接続され、第二電極１３３に基準電位を印加する。
切替回路３２は、駆動端子１３１Ｐと、送信回路３３と、受信回路３４とに接続される。この切替回路３２は、スイッチング回路により構成されており、各駆動端子１３１Ｐのそれぞれと送信回路３３とを接続する送信接続、及び、各駆動端子１３１Ｐのそれぞれと受信回路３４とを接続する受信接続を切り替える。
基準電位回路３１は、超音波デバイス１０の第二電極１３３の共通端子１３３Ｐに接続され、第二電極１３３に基準電位を印加する。
切替回路３２は、駆動端子１３１Ｐと、送信回路３３と、受信回路３４とに接続される。この切替回路３２は、スイッチング回路により構成されており、各駆動端子１３１Ｐのそれぞれと送信回路３３とを接続する送信接続、及び、各駆動端子１３１Ｐのそれぞれと受信回路３４とを接続する受信接続を切り替える。
送信回路３３は、切替回路３２及び演算部４０に接続される。そして、送信回路３３は、切替回路３２が送信接続に切り替えられた際に、演算部４０の制御に基づいて、各超音波トランスデューサーＴｒにパルス波形の駆動信号を出力し、超音波デバイス１０から超音波を送信させる。
演算部４０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等により構成され、駆動回路３０を介して超音波デバイス１０を制御し、超音波デバイス１０により超音波の送受信処理を実施させる。
すなわち、演算部４０は、切替回路３２を送信接続に切り替え、送信回路３３から超音波デバイス１０を駆動させて、超音波の送信処理を実施する。また、演算部４０は、超音波を送信した直後に、切替回路３２を受信接続に切り替えさせ、対象物で反射された反射波を超音波デバイス１０で受信させる。そして、演算部４０は、例えば、超音波デバイス１０から超音波を送信した送信タイミングから、受信信号が受信されるまでの時間と、空気中における音速とを用いて、ＴｏＦ（Time of Flight）法により、超音波デバイス１０から対象物までの距離を算出する。
すなわち、演算部４０は、切替回路３２を送信接続に切り替え、送信回路３３から超音波デバイス１０を駆動させて、超音波の送信処理を実施する。また、演算部４０は、超音波を送信した直後に、切替回路３２を受信接続に切り替えさせ、対象物で反射された反射波を超音波デバイス１０で受信させる。そして、演算部４０は、例えば、超音波デバイス１０から超音波を送信した送信タイミングから、受信信号が受信されるまでの時間と、空気中における音速とを用いて、ＴｏＦ（Time of Flight）法により、超音波デバイス１０から対象物までの距離を算出する。
［第一層１２１及び第二層１２２の曲げ剛性比と共振周波数との関係］
次に、振動板１２の第一層１２１と第二層１２２との曲げ剛性比と、超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数との関係について説明する。
超音波トランスデューサーＴｒにおいて送受信される超音波の周波数は、超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数と略一致する。超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数を所望の周波数とするためには、素子基板１１の開孔１１１の開口幅、及び振動板１２の剛性を適正に設定する必要がある。
次に、振動板１２の第一層１２１と第二層１２２との曲げ剛性比と、超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数との関係について説明する。
超音波トランスデューサーＴｒにおいて送受信される超音波の周波数は、超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数と略一致する。超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数を所望の周波数とするためには、素子基板１１の開孔１１１の開口幅、及び振動板１２の剛性を適正に設定する必要がある。
図４は、開孔１１１の開口幅と、振動部１２Ａの変位量との関係を示す図である。
超音波トランスデューサーＴｒでは、圧電素子１３に駆動電圧を印加した際に、振動部１２Ａが振動する。この振動部１２Ａの振動は、図４に示すように、開孔１１１の開口幅が１００μｍ以下となる場合、開口幅が増大するほど、振動部１２Ａの変位量が増大、つまり、変位効率が低下しない。
一方、開孔１１１の開口幅が１００μｍを超えると、徐々に変位効率は低下し、２００μｍを超えると、変位効率は著しく低下する。これは、開孔１１１の開口幅が１００μｍを超えることで、振動部１２Ａに不要な振動モードが発生するためである。つまり、超音波トランスデューサーＴｒから音圧の高い超音波を出力するには、開孔１１１の開口端を節、圧電素子１３が配置される開孔１１１の中央部を腹として振動部１２Ａを振動させることが好ましい。しかしながら、不要な振動モードが発生すると、開孔１１１を閉塞する振動板１２内に、複数の節及び腹が生じ、超音波の音圧が低下する。このため、開孔１１１の開口幅は、１００μｍ以下とすることが好ましい。
超音波トランスデューサーＴｒでは、圧電素子１３に駆動電圧を印加した際に、振動部１２Ａが振動する。この振動部１２Ａの振動は、図４に示すように、開孔１１１の開口幅が１００μｍ以下となる場合、開口幅が増大するほど、振動部１２Ａの変位量が増大、つまり、変位効率が低下しない。
一方、開孔１１１の開口幅が１００μｍを超えると、徐々に変位効率は低下し、２００μｍを超えると、変位効率は著しく低下する。これは、開孔１１１の開口幅が１００μｍを超えることで、振動部１２Ａに不要な振動モードが発生するためである。つまり、超音波トランスデューサーＴｒから音圧の高い超音波を出力するには、開孔１１１の開口端を節、圧電素子１３が配置される開孔１１１の中央部を腹として振動部１２Ａを振動させることが好ましい。しかしながら、不要な振動モードが発生すると、開孔１１１を閉塞する振動板１２内に、複数の節及び腹が生じ、超音波の音圧が低下する。このため、開孔１１１の開口幅は、１００μｍ以下とすることが好ましい。
一方、振動部１２Ａの変位効率を向上するべく、開孔１１１の開孔幅を１００μｍ以下とする場合、振動板１２を構成する第一層１２１及び第二層１２２の曲げ剛性により超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数を制御する必要がある。
例えば、開孔１１１の開口幅を１００μｍとすることで、共振周波数が所望値よりも高くなる場合、振動板１２の厚みを薄くし、振動部１２Ａの剛性を下げる必要がある。
この際、上述したように、第二層１２２は、圧電素子１３に含まれるＰｂ原子の拡散を抑制する層であり、厚みを小さくすると、圧電素子１３の圧電特性が劣化するおそれがある。このため、第二層１２２の厚みは、圧電素子１３の圧電特性を維持するため、具体的には、圧電膜１３２に含まれるＰｂ原子の拡散を抑制するために必要な規定値以上とする必要がある。しかし、第二層１２２の膜厚を、規定値を超える値とした場合、第二層１２２と第一層１２１との間で剥離や、クラック等が発生する確率が高くなるため、圧電素子１３が劣化する。例えば、本実施形態では、規定値は４００ｎｍである。よって、振動板１２の厚みを小さくする場合でも、第二層１２２は、規定値程度の厚みを維持することが好ましい。
例えば、開孔１１１の開口幅を１００μｍとすることで、共振周波数が所望値よりも高くなる場合、振動板１２の厚みを薄くし、振動部１２Ａの剛性を下げる必要がある。
この際、上述したように、第二層１２２は、圧電素子１３に含まれるＰｂ原子の拡散を抑制する層であり、厚みを小さくすると、圧電素子１３の圧電特性が劣化するおそれがある。このため、第二層１２２の厚みは、圧電素子１３の圧電特性を維持するため、具体的には、圧電膜１３２に含まれるＰｂ原子の拡散を抑制するために必要な規定値以上とする必要がある。しかし、第二層１２２の膜厚を、規定値を超える値とした場合、第二層１２２と第一層１２１との間で剥離や、クラック等が発生する確率が高くなるため、圧電素子１３が劣化する。例えば、本実施形態では、規定値は４００ｎｍである。よって、振動板１２の厚みを小さくする場合でも、第二層１２２は、規定値程度の厚みを維持することが好ましい。
図５は、第二層１２２の厚みを規定値とした際の、第一層１２１の厚みと、第一層１２１及び第二層１２２の曲げ剛性比との関係を示す図である。なお、本開示における曲げ剛性比とは、第一層１２１の曲げ剛性を、第二層１２２の曲げ剛性で除算した値（第一層の曲げ剛性／第二層の曲げ剛性）を示すものである。
図６は、第二層１２２の厚みを規定値に固定した際に、超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数を所定の周波数とする場合の、開孔１１１の開口幅と、第一層１２１及び第二層１２２の曲げ剛性比（第一層の曲げ剛性／第二層の曲げ剛性）との関係を示す図である。
図６において、第一周波数ｆ１は、開孔１１１の開口幅を１００μｍとし、第二層１２２の厚みを規定値とし、第一層１２１と第二層１２２の曲げ剛性が同じとなるように、第一層１２１の厚みを設定した場合の、超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数である。つまり、第一周波数ｆ１は、曲げ剛性比が１である場合の共振周波数である。なお、この第一周波数ｆ１は、第一層１２１、第二層１２２の形成素材に応じて変化する。
図６は、第二層１２２の厚みを規定値に固定した際に、超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数を所定の周波数とする場合の、開孔１１１の開口幅と、第一層１２１及び第二層１２２の曲げ剛性比（第一層の曲げ剛性／第二層の曲げ剛性）との関係を示す図である。
図６において、第一周波数ｆ１は、開孔１１１の開口幅を１００μｍとし、第二層１２２の厚みを規定値とし、第一層１２１と第二層１２２の曲げ剛性が同じとなるように、第一層１２１の厚みを設定した場合の、超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数である。つまり、第一周波数ｆ１は、曲げ剛性比が１である場合の共振周波数である。なお、この第一周波数ｆ１は、第一層１２１、第二層１２２の形成素材に応じて変化する。
本実施形態では、開孔１１１の開口幅を１００μｍとして、超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数を第一周波数ｆ１未満とする場合、第二層１２２の厚みを規定値とする。また、曲げ剛性比が１未満であり、かつ、当該曲げ剛性比が超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数に応じた値となるように、第一層１２１の厚みが設定されている。
また、超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数を、第一周波数ｆ１よりも低い第二周波数ｆ２未満とする場合、振動減衰層１４を設ける。
この第二周波数ｆ２は、共振周波数に応じた曲げ剛性比が所定の閾値以下となる場合の超音波トランスデューサーＴｒである。例えば、図６の例では、開孔１１１の開口幅が１００μｍの際に曲げ剛性比が０となる場合、つまり、第一層１２１が設けられない場合の超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数を第二周波数ｆ２としている。
開孔１１１の開口幅が１００μｍである場合、超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数を第二周波数ｆ２未満とする場合、振動板１２の厚みのみで共振周波数を制御するためには、第二層１２２の厚みを小さくする必要がある。この場合、圧電素子１３の圧電特性が劣化する。よって、本実施形態では、第二層１２２の厚みを規定値に維持し、振動減衰層１４を設けることで、共振周波数を設定する。
なお、図６では、開口幅が１００μｍであり、曲げ剛性比が０となる場合の共振周波数を第二周波数ｆ２としているが、これに限定されない。例えば、超音波デバイス１０に形成可能な第一層１２１の厚みには、下限値がある。よって、第一層１２１の厚みを下限値、第二層１２２の厚みを規定値とした際の曲げ剛性比を閾値としてもよい。この場合、第二周波数ｆ２は、第一層１２１の厚みを下限値、第二層１２２の厚みを規定値とした場合の超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数となる。
振動板１２に設ける振動減衰層１４の厚みは、超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数、開孔１１１の開口幅、及び曲げ剛性比に応じた厚みとなる。
この第二周波数ｆ２は、共振周波数に応じた曲げ剛性比が所定の閾値以下となる場合の超音波トランスデューサーＴｒである。例えば、図６の例では、開孔１１１の開口幅が１００μｍの際に曲げ剛性比が０となる場合、つまり、第一層１２１が設けられない場合の超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数を第二周波数ｆ２としている。
開孔１１１の開口幅が１００μｍである場合、超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数を第二周波数ｆ２未満とする場合、振動板１２の厚みのみで共振周波数を制御するためには、第二層１２２の厚みを小さくする必要がある。この場合、圧電素子１３の圧電特性が劣化する。よって、本実施形態では、第二層１２２の厚みを規定値に維持し、振動減衰層１４を設けることで、共振周波数を設定する。
なお、図６では、開口幅が１００μｍであり、曲げ剛性比が０となる場合の共振周波数を第二周波数ｆ２としているが、これに限定されない。例えば、超音波デバイス１０に形成可能な第一層１２１の厚みには、下限値がある。よって、第一層１２１の厚みを下限値、第二層１２２の厚みを規定値とした際の曲げ剛性比を閾値としてもよい。この場合、第二周波数ｆ２は、第一層１２１の厚みを下限値、第二層１２２の厚みを規定値とした場合の超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数となる。
振動板１２に設ける振動減衰層１４の厚みは、超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数、開孔１１１の開口幅、及び曲げ剛性比に応じた厚みとなる。
さらに、超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数を、第一周波数ｆ１より高い周波数とする場合、開孔１１１の開孔幅が１００μｍ以下の所定値に設定され、第一層１２１及び第二層１２２の曲げ剛性比が１以下となるように、第二層１２２の厚みを、共振周波数に応じた厚みに設定される。
なお、第一周波数ｆ１よりも高い共振周波数の超音波トランスデューサーＴｒを得る場合、開孔１１１の開口幅を形成可能な開孔１１１の開口幅まで小さくすることが好ましい。この場合、開口幅が０～１００μｍの間では、図４に示すように、振動部１２Ａの変位量は線形的に増加するので、開口幅が１～１００μｍの間では、変位効率が低下しない。また、振動板１２の厚みを大きくすることによる第二層１２２と第一層１２１との間での剥離や、クラック等の発生を抑制でき、これによる圧電素子１３の劣化を抑制できる。
以上のように、開孔１１１の開口幅、第一層１２１の厚み、第二層１２２の厚みの大きさが設定されていることにより、圧電素子１３の劣化を抑制でき、かつ、振動部１２Ａの変位効率が大きく、超音波トランスデューサーＴｒの総厚みの増大を抑制した、高性能な超音波トランスデューサーＴｒが得られる。
［本実施形態の作用効果］
本実施形態の超音波装置１００は、超音波デバイス１０と、超音波デバイス１０を制御する制御部２０とを備える。超音波デバイス１０は、開孔１１１を有する素子基板１１と、開孔１１１を閉塞する振動板１２と、振動板１２に配置される圧電素子１３とを備える。また、振動板１２は、素子基板１１に積層される第一層１２１と、第一層１２１と圧電素子１３との間に設けられ、圧電素子１３に含まれる成分であるＰｂ原子の拡散を抑制する第二層１２２とを備える。そして、第二層１２２の曲げ剛性は、第一層１２１の曲げ剛性よりも大きい。つまり、本実施形態では、第一層１２１の曲げ剛性を第二層１２２の曲げ剛性で除算した曲げ剛性比が１以下となる。
本実施形態の超音波装置１００は、超音波デバイス１０と、超音波デバイス１０を制御する制御部２０とを備える。超音波デバイス１０は、開孔１１１を有する素子基板１１と、開孔１１１を閉塞する振動板１２と、振動板１２に配置される圧電素子１３とを備える。また、振動板１２は、素子基板１１に積層される第一層１２１と、第一層１２１と圧電素子１３との間に設けられ、圧電素子１３に含まれる成分であるＰｂ原子の拡散を抑制する第二層１２２とを備える。そして、第二層１２２の曲げ剛性は、第一層１２１の曲げ剛性よりも大きい。つまり、本実施形態では、第一層１２１の曲げ剛性を第二層１２２の曲げ剛性で除算した曲げ剛性比が１以下となる。
このような構成では、曲げ剛性比が１以下であるので、共振周波数を所定の値に設定するための振動板１２の総厚みを小さくできる。つまり、曲げ剛性比が１以上である場合、超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数を第一周波数ｆ１よりも大きくする際、第一層１２１の厚みを大きくする必要があるが、この場合、第一層１２１のヤング率は、第二層１２２のヤング率よりも小さいので、第一層１２１の厚みを過剰に増大させる必要がある。これに対して、本実施形態では、ヤング率の大きい第二層１２２の厚みを大きくすればよく、振動板１２の総厚みの過剰な増大を抑制できる。
また、超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数を第一周波数ｆ１よりも小さくする場合、曲げ剛性比が１以上である場合では、第二層１２２の厚みを薄くしたり、開孔１１１の開口幅を大きくする必要がある。これに対して、本実施形態では、第二層１２２を規定値に固定したまま、第一層１２１の厚みを小さくすればよく、圧電素子１３の圧電特性の劣化を抑制でき、開孔１１１の開口幅を変更する必要もない。
以上に示すように、本実施形態では、所望の駆動特性を有する超音波デバイス１０を得ることができる。
また、超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数を第一周波数ｆ１よりも小さくする場合、曲げ剛性比が１以上である場合では、第二層１２２の厚みを薄くしたり、開孔１１１の開口幅を大きくする必要がある。これに対して、本実施形態では、第二層１２２を規定値に固定したまま、第一層１２１の厚みを小さくすればよく、圧電素子１３の圧電特性の劣化を抑制でき、開孔１１１の開口幅を変更する必要もない。
以上に示すように、本実施形態では、所望の駆動特性を有する超音波デバイス１０を得ることができる。
本実施形態では、開孔１１１の開口幅は、１００μｍ以下である。
このため、振動部１２Ａにおいて、不要な振動モードが発生する不都合を抑制でき、振動部１２Ａの変位効率を向上させることができる。
このため、振動部１２Ａにおいて、不要な振動モードが発生する不都合を抑制でき、振動部１２Ａの変位効率を向上させることができる。
本実施形態では、第二層１２２は、Ｐｂ原子の拡散を抑制して圧電特性を維持する規定値以上の厚みを有する。
すなわち、本実施形態では、超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数を、第一周波数ｆ１以上とする場合でも、第一周波数ｆ１未満とする場合でも、第二層１２２の厚みは、規定値以上となっている。これにより、圧電素子１３の性能劣化が抑制され、超音波デバイス１０の性能維持を図れる。
すなわち、本実施形態では、超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数を、第一周波数ｆ１以上とする場合でも、第一周波数ｆ１未満とする場合でも、第二層１２２の厚みは、規定値以上となっている。これにより、圧電素子１３の性能劣化が抑制され、超音波デバイス１０の性能維持を図れる。
本実施形態では、曲げ剛性比が１である場合の超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数を第一周波数ｆ１として、超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数を第一周波数ｆ１よりも低くする場合、第二層１２２は、Ｐｂ原子の拡散を抑制する規定値の厚みを有する。
つまり、超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数を第一周波数ｆ１以下にする場合には、ヤング率の大きい第二層１２２の厚みを、Ｐｂ原子の拡散を抑制可能な規定値とし、ヤング率の小さい第一層１２１の厚みが、曲げ剛性比が１以下となるように設定される。これにより、第二層１２２による圧電素子１３の圧電特性の劣化を抑制した、所望の共振周波数を有する超音波トランスデューサーＴｒを得ることができる。
つまり、超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数を第一周波数ｆ１以下にする場合には、ヤング率の大きい第二層１２２の厚みを、Ｐｂ原子の拡散を抑制可能な規定値とし、ヤング率の小さい第一層１２１の厚みが、曲げ剛性比が１以下となるように設定される。これにより、第二層１２２による圧電素子１３の圧電特性の劣化を抑制した、所望の共振周波数を有する超音波トランスデューサーＴｒを得ることができる。
本実施形態では、超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数が、第一周波数ｆ１よりも低い、所定の第二周波数ｆ２以下である場合、振動板１２に共振周波数に応じた厚みの振動減衰層１４を設ける。
超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数を第二周波数ｆ２未満とする場合には、曲げ剛性比をさらに小さくする必要がある。しかしながら、素子基板１１上に形成可能な第一層１２１の厚みには下限値があり、下限値よりも小さい厚みの第一層１２１を形成することは困難である。また、振動板１２が規定値の厚みの第二層１２２のみで構成する場合、これ以上、振動板１２の厚みを小さくすることはできない。これに対して、本実施形態では、このような場合に、共振周波数に応じた厚みの振動減衰層１４を設ける。これにより、第二周波数ｆ２未満の共振周波数を有する超音波トランスデューサーＴｒを得ることができる。
超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数を第二周波数ｆ２未満とする場合には、曲げ剛性比をさらに小さくする必要がある。しかしながら、素子基板１１上に形成可能な第一層１２１の厚みには下限値があり、下限値よりも小さい厚みの第一層１２１を形成することは困難である。また、振動板１２が規定値の厚みの第二層１２２のみで構成する場合、これ以上、振動板１２の厚みを小さくすることはできない。これに対して、本実施形態では、このような場合に、共振周波数に応じた厚みの振動減衰層１４を設ける。これにより、第二周波数ｆ２未満の共振周波数を有する超音波トランスデューサーＴｒを得ることができる。
本実施形態では、第一層１２１がＳｉＯ２により構成され、第二層１２２がＺｒＯ２により構成されている。素子基板１１をＳｉにより構成する場合、その一面を熱酸化処理することで、容易に第一層１２１を形成することができる。また、圧電素子１３の圧電膜１３２として、ＰＺＴを用いる場合では、第二層１２２として、ＺｒＯ２を用いることで、Ｐｂ原子の拡散を抑制することができる。これにより、安価で高性能な超音波デバイス１０を得ることができる。
［変形例］
なお、本発明は上述の各実施形態及び変形例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。
なお、本発明は上述の各実施形態及び変形例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。
上記実施形態では、第一層１２１として、ＳｉＯ２、第二層１２２として、ＺｒＯ２を用いたが、これに限定されない。すなわち、第一層１２１のヤング率が、第二層１２２のヤング率よりも小さい構成であれば、第一層１２１及び第二層１２２の素材が限定されるものではない。例えば、第二層１２２として、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２等が用いられてもよい。
また、圧電膜１３２として、ＰＺＴを例示しているが、Ｐｂ原子を含有するペロブスカイト型酸化物などの各種圧電材料を用いることができる。
また、圧電膜１３２として、ＰＺＴを例示しているが、Ｐｂ原子を含有するペロブスカイト型酸化物などの各種圧電材料を用いることができる。
上記実施形態において、開孔１１１の開口幅として１００μｍ以下としているが、２００μｍ以下であってもよい。図４に示すように、振動部１２Ａの変位効率は、開孔１１１の開口幅が、１００μｍから２００μｍの間である場合、変位効率の低下があるものの、その低下率は低く、２００μｍを超えると変位効率が著しく低下する。よって、開孔１１１の開口幅としては２００μｍ以下であってもよい。
上記実施形態では、Ｘ方向に並ぶ１列の超音波トランスデューサーＴｒによって１つのチャンネルＣＨが構成されたが、例えば、Ｘ方向及びＹ方向に並ぶ複数の超音波トランスデューサーＴｒによりチャンネルＣＨが構成されていてもよい。
また、チャンネルＣＨが、Ｙ方向に沿って複数配置されているが、チャンネルＣＨが、Ｘ方向に沿って複数配置される構成としてもよく、Ｘ方向及びＹ方向に複数配置される構成としてもよい。
さらに、複数の超音波トランスデューサーＴｒにより、１つのチャンネルＣＨが構成される例を示しているが、複数の超音波トランスデューサーＴｒのそれぞれを独立して駆動可能な構成としてもよい。
また、チャンネルＣＨが、Ｙ方向に沿って複数配置されているが、チャンネルＣＨが、Ｘ方向に沿って複数配置される構成としてもよく、Ｘ方向及びＹ方向に複数配置される構成としてもよい。
さらに、複数の超音波トランスデューサーＴｒにより、１つのチャンネルＣＨが構成される例を示しているが、複数の超音波トランスデューサーＴｒのそれぞれを独立して駆動可能な構成としてもよい。
１０…超音波デバイス、１１…素子基板、１１Ａ…第一面、１１Ｂ…第二面、１２…振動板、１２Ａ…振動部、１３…圧電素子、１４…振動減衰層、２０…制御部、１００…超音波装置、１１１…開孔、１１２…壁部、１２１…第一層、１２２…第二層、１３１…第一電極、１３２…圧電膜、１３３…第二電極、Ｔｒ…超音波トランスデューサー、ｆ１…第一周波数、ｆ２…第二周波数。
Claims (4)
- 開孔を有する基材と、
前記基材に設けられ、前記開孔を閉塞する振動板と、
前記振動板に設けられる圧電素子と、を備え、
前記振動板は、前記基材に設けられる第一層と、前記第一層及び前記圧電素子との間に配置される第二層とを備え、
前記第二層の曲げ剛性は、前記第一層の曲げ剛性以上であり、
前記開孔の開口幅は、１００μｍ以下であり、
前記第二層は、前記圧電素子の成分の拡散を抑制して圧電特性を維持する所定の規定値以上の厚みを有し、
前記振動板のうち前記開孔を閉塞する振動部と、前記圧電素子とにより超音波トランスデューサーが構成され、
前記第二層の厚みが前記規定値であり、かつ、前記第一層の曲げ剛性と第二層の曲げ剛性とが同じである場合の前記超音波トランスデューサーの共振周波数を第一周波数とすると、前記超音波トランスデューサーの共振周波数が前記第一周波数より大きい、または、前記超音波トランスデューサーの共振周波数が前記第一周波数よりも小さく、かつ前記第二層の厚みが前記規定値である、
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項１に記載の超音波デバイスにおいて、
前記超音波トランスデューサーの共振周波数は前記第一周波数よりも低い第二周波数未満であり、
前記振動板に前記共振周波数に応じた厚みの振動減衰層が設けられる
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項１または請求項２に記載の超音波デバイスにおいて、
前記第一層は、ＳｉＯ２により構成され、
前記第二層は、ＺｒＯ２により構成されている
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波デバイスと、
超音波デバイスを制御する制御部と、
を備えることを特徴とする超音波装置。
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