JPWO2018163963A1 - 超音波センサおよび超音波センサ装置 - Google Patents

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Abstract

センサは、第１素子部と第２素子部とを有している。第１素子部は、第１上部主電極部、第１上部副電極部および第１下部電極層を有している。第２素子部は、電極の構成が第１素子部と上下逆であり、第２下部主電極部、第２下部副電極部および第２上部電極層とを有している。第１上部主電極部と第２下部副電極部とは接続されている。第１上部副電極部と第２下部主電極部とは接続されている。第１下部電極層と第２上部電極層とは接続されている。

Description

本開示は、ｐＭＵＴ（Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer）等の圧電型の超音波センサおよび当該超音波センサを有する超音波センサ装置に関する。
超音波診断装置の超音波プローブ等に利用される超音波センサとして、圧電膜を用いたものが知られている（特許文献１）。例えば、超音波センサは、キャビティ上に順に積層された、メンブレン、下部電極、圧電膜及び上部電極を有している。圧電膜は、厚さ方向が分極方向（自発分極の方向）とされている。
圧電膜に対してその厚さ方向に電圧が印加されると、圧電膜は、平面方向において伸縮する。この伸縮は、メンブレンによって規制される。従って、メンブレン及び圧電膜を含む積層体はバイメタルのように積層方向において撓み変形する。ひいては、積層体の周囲の雰囲気には圧力波が形成される。そして、適宜な波形で電圧が変化する電気信号が下部電極及び上部電極に入力されると、その電気信号の波形を反映した（例えば周波数を反映した）超音波が発信される。また、上記とは逆の作用によって、積層体によって受信された超音波は、その超音波の波形を反映した電気信号に変換される。
特許文献１では、平面視において、キャビティの中央側に位置する第１圧電膜と、キャビティの外周に位置する第２圧電膜と、第１圧電膜上に位置する第１電極と、第２圧電膜上に位置する第２電極とを有し、第１電極と第２電極とが非接続とされた超音波センサが開示されている。
特開２０１３−１３５７９３号公報
本開示の一態様に係る超音波センサは、圧電体層と、第１素子部と、第２素子部とを有している。前記圧電体層は、互いに異なるキャビティに対向しており、それぞれ厚さ方向を分極方向としている第１領域および第２領域を含む。前記第１素子部は、前記第１領域を含む。前記第２素子部は、前記第２領域を含む。前記第１素子部は、前記第１領域に対して分極方向の正側および負側の一方側に位置している第１上部電極層と、前記第１領域に対して分極方向の正側および負側の他方側に位置している第１下部電極層と、を有している。前記第２素子部は、前記第２領域に対して分極方向の正側および負側の前記一方側に位置している第２上部電極層と、前記第２領域に対して分極方向の正側および負側の前記他方側に位置している第２下部電極層と、を有している。前記第１上部電極層は、平面視において、前記第１領域の中央側に位置する部分を含む第１上部主電極部と、当該第１上部主電極部よりも前記第１領域の外側に位置する部分を含む第１上部副電極部とを有している。前記第２下部電極層は、平面視において、前記第２領域の中央側に位置する部分を含む第２下部主電極部と、当該第２下部主電極部よりも前記第２領域の外側に位置する部分を含む第２下部副電極部とを有している。前記第１上部主電極部と前記第１下部電極層との重複領域の平面形状と、前記第２下部主電極部と前記第２上部電極層との重複領域の平面形状とは同じである。前記第１上部副電極部と前記第１下部電極層との重複領域の平面形状と、前記第２下部副電極部と前記第２上部電極層との重複領域の平面形状とは同じである。前記第１上部主電極部と前記第２下部副電極部とが接続されている。前記第１上部副電極部と前記第２下部主電極部とが接続されている。前記第１下部電極層と前記第２上部電極層とが接続されている。
本開示の一態様に係る超音波センサ装置は、超音波センサと、基準電位部と、駆動部と、検知部とを有している。前記基準電位部、前記駆動部および前記検知部は、前記超音波センサに接続されている。前記超音波センサは、圧電体層と、第１素子部と、第２素子部とを有している。前記圧電体層は、互いに異なるキャビティに対向しており、それぞれ厚さ方向を分極方向としている第１領域および第２領域を含む。前記第１素子部は、前記第１領域を含む。前記第２素子部は、前記第２領域を含む。前記第１素子部は、前記第１領域に対して分極方向の正側および負側の一方側に位置している第１上部電極層と、前記第１領域に対して分極方向の正側および負側の他方側に位置している第１下部電極層と、を有している。前記第２素子部は、前記第２領域に対して分極方向の正側および負側の前記一方側に位置している第２上部電極層と、前記第２領域に対して分極方向の正側および負側の前記他方側に位置している第２下部電極層と、を有している。前記第１上部電極層は、平面視において、前記第１領域の中央側に位置する部分を含む第１上部主電極部と、当該第１上部主電極部よりも前記第１領域の外側に位置する部分を含む第１上部副電極部とを有している。前記第２下部電極層は、平面視において、前記第２領域の中央側に位置する部分を含む第２下部主電極部と、当該第２下部主電極部よりも前記第２領域の外側に位置する部分を含む第２下部副電極部とを有している。前記第１上部主電極部と前記第１下部電極層との重複領域の平面形状と、前記第２下部主電極部と前記第２上部電極層との重複領域の平面形状とは同じである。前記第１上部副電極部と前記第１下部電極層との重複領域の平面形状と、前記第２下部副電極部と前記第２上部電極層との重複領域の平面形状とは同じである。前記基準電位部は、前記第１下部電極層および前記第２上部電極層に接続されている。前記駆動部は、前記第１上部主電極部および前記第２下部副電極部を含む電極群と、前記第１上部副電極部および前記第２下部主電極部を含む電極群とに対して、互いに極性が逆の電位を付与可能である。前記検知部は、前記２つの電極群の間に生じる電気信号を検知可能である。
図１（ａ）は実施形態に係る超音波センサにおける素子部の構成を示す断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の素子部の平面図である。 図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）および図２（ｄ）は素子部の作用を説明するための模式的な断面図である。 超音波センサの要部の構成を示す模式的な断面図である。 図４（ａ）は実施形態に係るセンサの等価回路を示す図であり、図４（ｂ）は比較例に係るセンサの等価回路を示す図である。 超音波センサの応用例としての超音波診断装置の構成を模式的に示すブロック図である。 図６（ａ）および図６（ｂ）は変形例および他の変形例に係るセンサの構成を示す模式的な断面図である。 図７（ａ）および図７（ｂ）は変形例および他の変形例に係るセンサの構成を示す模式的な断面図である。 変形例に係るセンサの構成を示す平面図である。
以下、図面を参照して本開示に係る実施形態を説明する。なお、以下の図面は、模式的なものである。従って、細部は省略されることがあり、また、寸法比率等は現実のものと必ずしも一致しない。また、複数の図面相互の寸法比率も必ずしも一致しない。
図面には、便宜上、直交座標系Ｄ１−Ｄ２−Ｄ３を付すことがある。なお、センサは、いずれの方向が上方または下方とされてもよいものであるが、実施形態の説明では、便宜上、Ｄ３軸方向の正側を上方として、上部または下部等の語を用いることがある。また、以下において平面視という場合、特に断りがない限りは、Ｄ３軸方向に見ることをいうものとする。
（素子部の構成）
図１（ａ）は、実施形態に係る超音波式のセンサ１（図３）が含む素子部２の構成を示す断面図であり、図１（ｂ）は、素子部２の構成を示す平面図である。なお、図１（ａ）は、図１（ｂ）のＩａ−Ｉａ線に対応している。
センサ１は、例えば、後述するように２つの素子部２を有しており、図１（ａ）および図１（ｂ）では、１つの素子部２のみが図示されている。素子部２は、例えば、ｐＭＵＴとして構成されている。素子部２は、例えば、所定の波形（例えば矩形波または正弦波）で電圧が変化する電気信号が入力される。そして、素子部２は、その電気信号を当該電気信号の波形を反映した（例えば周波数を反映した）超音波に変換し、Ｄ３軸方向の正側および負側の一方へ発信する。また、例えば、素子部２は、Ｄ３軸方向の正側および負側の前記一方から超音波を受信し、その超音波を当該超音波の波形を反映した電気信号に変換する。
なお、ここでいう超音波の発信および受信についてのＤ３軸方向の正側または負側は、Ｄ３軸方向に平行とは限らない。また、超音波の周波数帯は、例えば、２０ｋＨｚ以上の周波数帯である。超音波の周波数の上限について、特に規定は存在しないが、例えば、上限は、５ＧＨｚである。
素子部２は、例えば、図１（ａ）に示すように、下方から順に積層された、基体３、メンブレン５、下部電極層７Ｌ、圧電体層９及び上部電極層７Ｕを有している。なお、下部電極層７Ｌおよび上部電極層７Ｕについて、単に「電極層７」といい、これらを区別しないことがある。
基体３は、例えば、キャビティ１３を有している。基体３上の各種の部材（５、７及び９等）は、キャビティ１３上に位置する部分によって、超音波の送信および受信のために振動する振動領域部を構成している。当該振動領域部は、後述する１次モードの撓み変形の振動に関して、共振周波数が超音波の周波数帯に位置するように構成されてよい。
キャビティ１３は、基体３において、上方に開口する凹状のものであってもよいし、基体３を貫通する貫通孔状のものであってもよい。キャビティ１３の平面形状および寸法は適宜に設定されてよい。図示の例では、キャビティ１３の平面形状は円形であり、また、当該平面形状は、キャビティ１３の深さ方向（Ｄ３軸方向）において一定である。
なお、図示の例とは異なり、キャビティ１３の平面形状は、キャビティ１３の深さ方向において一定でなくてもよい。例えば、キャビティ１３は、上面側ほど径が小さくなっていてもよい。このような態様を考慮したときに、本実施形態等の説明において、キャビティ１３の平面形状の語は、キャビティ１３の上面の平面形状を指すものと捉えられてよい。メンブレン５等の振動可能な領域を規定するのは、主としてキャビティ１３の上面だからである。
基体３の材料は任意であり、また、基体３は、一体的に形成されていても、複数の部材が組み合わされて構成されていてもよい。例えば、基体３の材料は、無機絶縁材料または有機絶縁材料である。より具体的には、例えば、基体３は、シリコン（Ｓｉ）等の絶縁材料によって一体的に形成されてよい。また、例えば、基体３は、シリコン等の絶縁材料によって概ね全体が一体的に形成されているとともに、上面にＳｉＯ２等の他の絶縁材料からなる層を有していてもよい。
メンブレン５は、例えば、一定の厚さの層状であり、キャビティ１３を覆っている。メンブレン５の面積はキャビティ１３の面積よりも広く、メンブレン５は、キャビティ１３の周囲において基体３に固定されて支持されている。なお、メンブレン５のうち、キャビティ１３と重なる領域を振動部５ａということがある。メンブレン５の厚さは適宜に設定されてよい。
メンブレン５は、例えば、絶縁材料によって形成されている。絶縁材料は、無機材料でも有機材料でもよく、より具体的には、例えば、シリコン、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）または窒化シリコン（ＳｉＮ）である。なお、メンブレン５は、互いに異なる材料からなる複数の層が積層されて構成されていてもよい。また、メンブレン５は、基体３と同一材料からなり、基体３と一体的に形成されていてもよい。
圧電体層９は、例えば、基本的に一定の厚さの層状であり、概ねメンブレン５と同様の広さを有している。なお、図示の例では、圧電体層９は、下部電極層７Ｌと重なる領域が、下部電極層７Ｌと重ならない領域に対して、下部電極層７Ｌの厚さ分で薄くなっている。後述する説明では、この厚さの変化は省略して図示されることがある。圧電体層９において、分極方向は、厚さ方向とされており、また、分極の向き（正負の方向）および強さは圧電体層９全体に亘って概ね一定である。
圧電体層９の材料は、圧電体であればよく、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、チタン酸バリウム（ＢＴＯ：ＢａＴｉＯ３）、ニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ：（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３）、チタン酸ビスマスナトリウム（ＮＢＴ：Ｎａ０．５Ｂｉ０．５ＴｉＯ３）およびチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒｘ，Ｔｉ１−ｘ)Ｏ３）である。上記の例示からも理解されるように、圧電体は、強誘電体であってもなくてもよいし、焦電体であってもなくてもよい。また、結晶構造は、ペロブスカイト型またはウルツ鉱型等の適宜なものであってよい。
下部電極層７Ｌは、平面方向の互いに異なる位置に、互いに異なる平面形状の下部主電極部１１ＬＭおよび下部副電極部１１ＬＳを有している。同様に、上部電極層７Ｕは、平面方向の互いに異なる位置に、互いに異なる平面形状の上部主電極部１１ＵＭおよび上部副電極部１１ＵＳを有している。
なお、以下の説明では、下部主電極部１１ＬＭおよび上部主電極部１１ＵＭについて、単に「主電極部１１Ｍ」といい、これらを区別しないことがある。また、下部副電極部１１ＬＳおよび上部副電極部１１ＵＳについて、単に「副電極部１１Ｓ」といい、これらを区別しないことがある。さらに、主電極部１１Ｍおよび副電極部１１Ｓを区別せずに、単に「電極部１１」ということがある。
下部主電極部１１ＬＭおよび上部主電極部１１ＵＭは、例えば、互いに同一の平面形状であり、互いに対向している。従って、これらの重複領域（平面視で互いに重なる領域）の平面形状は、個々の主電極部１１Ｍの平面形状と同じである。同様に、下部副電極部１１ＬＳおよび上部副電極部１１ＵＳは、例えば、互いに同一の平面形状であり、互いに対向している。従って、これらの重複領域の平面形状は、個々の副電極部１１Ｓの平面形状と同じである。
主電極部１１Ｍは、例えば、平面視においてキャビティ１３の中央および／または中央側に位置している部分を含んでいる。なお、平面視におけるキャビティ１３の中央は、例えば、図形重心である。図形重心は、そのまわりでの一次モーメントが０であるような点である。図示の例では、キャビティ１３の平面形状は円形であるから、図形重心は円の中心である。中央側は、例えば、キャビティ１３の中央と外縁との中間位置よりも中央側である。また、主電極部１１Ｍは、平面視において、キャビティ１３よりも小さく、キャビティ１３内に収まっている。
主電極部１１Ｍの平面形状は、例えば、キャビティ１３の平面形状と概ね相似形とされている、および／またはキャビティ１３の外縁からの距離が概ね一定となる外縁を有している。図示の例では、キャビティ１３の平面形状は円形であるから、主電極部１１Ｍは、キャビティ１３と同心かつキャビティ１３よりも径が小さい円形である。
副電極部１１Ｓは、例えば、平面視において、主電極部１１Ｍよりもキャビティ１３の外側に位置する部分を含んでいる。より具体的には、例えば、副電極部１１Ｓは、平面視において主電極部１１Ｍを囲む形状である。主電極部１１Ｍを囲むという場合、例えば、主電極部１１Ｍの図形重心回りの角度範囲で考えたときに、副電極部１１Ｓが存在する角度範囲の合計が１８０°を超えるか、および／または副電極部１１Ｓが存在しない角度範囲の最大のものの大きさが１２０°未満であればよい。
図示の例では、副電極部１１Ｓは、主電極部１１Ｍを囲むように半周（１８０°）を超える範囲に亘って延びており、上記の２つの条件のいずれも満たしている。より具体的には、例えば、副電極部１１Ｓは、一定の幅で２７０°を超える範囲に亘って延びている。その形状は、主電極部１１Ｍ（および／またはキャビティ１３）の外縁と概ね相似形とされている、および／または主電極部１１Ｍ（および／またはキャビティ１３）の外縁からの距離が概ね一定となる内縁および外縁を有している。図示の例では、副電極部１１Ｓの形状は円弧状である。
副電極部１１Ｓは、例えば、平面視において概ねキャビティ１３内に収まっている。換言すると、副電極部１１Ｓは、平面視においてキャビティ１３に重なる領域を有しており、当該重なる領域の面積は、重ならない領域の面積（図示の例では略０）よりも大きい。また、別の観点では、図示の例では、副電極部１１Ｓは、その外縁がキャビティ１３の外縁に概ね一致している。
各電極部１１は、例えば、一定の厚さの層状であり、その厚さは適宜に設定されてよい。電極部１１の材料は、適宜な金属とされてよく、例えば、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）である。電極部１１は、互いに異なる材料からなる複数の層が積層されて構成されていてもよい。
各電極層７において、主電極部１１Ｍおよび副電極部１１Ｓの材料および厚さは、例えば、互いに同一である。ただし、各電極層７において、主電極部１１Ｍおよび副電極部１１Ｓの材料および／または厚さが互いに異なっていても構わない。また、２つの電極層７間において、主電極部１１Ｍの材料および厚さは、例えば、互いに同一である。同様に、２つの電極層７間において、副電極部１１Ｓの材料および厚さは、例えば、互いに同一である。ただし、２つの電極層７間で、主電極部１１Ｍおよび／または副電極部１１Ｓの材料および／または厚さが互いに異なっていてもよい。
素子部２は、下部電極層７Ｌおよび上部電極層７Ｕへの信号（電圧）の入力およびこれらの電極層からの信号（例えば電圧）の出力のために、適宜な接続導体を有していてよい。
図１（ｂ）では、上部電極層７Ｕに接続された接続導体１５Ｍおよび１５Ｓ（以下、ＳおよびＭを省略することがある。）が例示されている。接続導体１５は、例えば、圧電体層９上に設けられた層状導体からなる。接続導体１５の先端は、例えば、圧電体層９、メンブレン５および基体３（基体３は少なくとも一部）を貫通する不図示の貫通導体に接続される。この貫通導体を介して、上部電極層７Ｕの電極部１１は、信号の入力および出力がなされる。
下部電極層７Ｌについては、例えば、特に図示しないが、メンブレン５と圧電体層９との間に層状導体からなる接続導体１５が設けられる。この接続導体１５は、例えば、メンブレン５および基体３（基体３は少なくとも一部）を貫通する不図示の貫通導体に接続される。この貫通導体を介して、下部電極層７Ｌの電極部１１は、信号の入力および出力がなされる。
図１（ｂ）に示す接続導体１５の平面形状は、主電極部１１Ｍと副電極部１１Ｓとが非接続とされる場合の例である。接続導体１５Ｍは、主電極部１１Ｍから引き出されている。接続導体１５Ｓは、副電極部１１Ｓから引き出されている。副電極部１１Ｓは、一部が途切れており、この途切れている部分を介して、接続導体１５Ｍは、副電極部１１Ｓの内側から外側へ延びている。
主電極部１１Ｍと副電極部１１Ｓとが同電位とされる場合においては、例えば、特に図示しないが、主電極部１１Ｍと副電極部１１Ｓとを接続する接続導体１５と、図１（ｂ）と同様の接続導体１５Ｓとが設けられてよい。この場合、副電極部１１Ｓの途切れは不要である。
後述する説明から理解されるように、下部電極層７Ｌおよび上部電極層７Ｕの一方においては、副電極部１１Ｓの途切れは不要である。下部電極層７Ｌおよび上部電極層７Ｕの平面形状は、その途切れの分だけ互いに異なっていてもよいし、途切れが不要な電極層７においても途切れを形成して互いに同一の形状にしてもよい。
本開示の説明において、電極層７または電極部１１に関して平面形状が互いに同一という場合、上記のような接続導体１５の配置のために生じる差異（途切れの有無の影響）は無視するものとする。なお、公差乃至は許容差が無視されてよいことはもちろんである。
（駆動部、検知部および基準電位部）
図２（ｂ）は、素子部２（圧電体層９および電極層７）と、素子部２に基準電位を付与する基準電位部２３と、素子部２に電気信号を入力する駆動部２５と、素子部２からの電気信号を検知する検知部２７とを模式的に示す断面図（断面を示すハッチングは適宜省略）である。
圧電体層９内の矢印は、所定の時点における電圧の方向を示している。各電極部１１に隣接して付した＋、−およびＧは、前記の時点において、電位が正、負および基準電位であることを示している。
基準電位部２３は、電気回路の基準となる電位を付与する部分であり、例えば、駆動部２５および／または検知部２７の一部であってもよいし、回路基板上の導体のみから構成されてもよいし、筐体を含んで構成されていてもよい。基準電位部２３は、２つの電極層７のうちの一方（図示の例では下部電極層７Ｌ）の主電極部１１Ｍおよび副電極部１１Ｓに接続されている。
駆動部２５は、便宜的に電源を示す記号により示されているように、例えば、商業電源を適宜な波形の電圧の信号に変換して出力する電源回路を含んで構成されている。駆動部２５は、２つの電極層７のうちの他方（図示の例では上部電極層７Ｕ）の主電極部１１Ｍおよび副電極部１１Ｓに接続されており、これらに対して極性（基準電位に対する正負）が互いに逆の電位を付与するように、これらの電極部１１に電圧を印加する（電気信号を入力する）。
このように基準電位部２３および駆動部２５が接続されていることから、圧電体層９は、２つの主電極部１１Ｍ間と、２つの副電極部１１Ｓ間とで、互いに逆向きの電圧が印加される。なお、図示の例では、２つの主電極部１１Ｍ間において下向きの電圧が印加され、２つの副電極部１１Ｓ間において上向きの電圧が印加されているが、これとは電極部１１と電圧の向きとの関係が逆となる電圧が印加されてもよい。
検知部２７は、便宜的に増幅器を示す記号により示されているように、例えば、入力された電気信号を増幅して出力する増幅器を含んで構成されている。増幅器は、例えば、チャージアンプであってもよいし、電圧アンプであってもよい。すなわち、検知部２７によって検知される電気信号は、電荷に基づくものであってもよいし、電位差に基づくものであってもよいし、その他のこれらに等価な、または相関する物理量に基づくものであってもよい。なお、電荷を運ぶときの仕事量が電位差であるから、電荷の検知と電位差（電圧）の検知とは等価であるといえる。本実施形態の説明では、これらの等価な、または相関する物理量のうちいずれか１つのみを例に挙げて説明することがある。
検知部２７は、駆動部２５と同様に、２つの電極層７の前記他方（図示の例では上部電極層７Ｕ）の主電極部１１Ｍおよび副電極部１１Ｓに接続されており、これらの間に生じる電気信号を検知可能である。具体的には、例えば、検知部２７は、２つの電極部の間の電荷を検知可能である。また、例えば、検知部２７は、２つの電極部の間の電位差を検知可能である。
（素子部の作用）
図２（ａ）〜図２（ｄ）は、センサの作用を説明するための模式的な断面図（断面を示すハッチングは適宜省略）である。
図２（ａ）において、圧電体層９内の白抜きの矢印は分極方向を示している。既述のように、圧電体層９は、厚さ方向（Ｄ３軸方向）が分極方向とされており、また、分極の向きおよび強さは圧電体層９全体に亘って一定である。なお、図示の例では、分極の向きが下向きとされているが、上向きであってもよいことはもちろんである。
図２（ｂ）において、圧電体層９内の黒線の矢印は電圧（電界）の方向を示している。図２（ａ）と図２（ｂ）との比較から理解されるように、図示の例では、圧電体層９は、主電極部１１Ｍによって分極の向きと同じ向きで電圧が印加され、副電極部１１Ｓによって分極の向きと逆向きで電圧が印加されている。
図２（ｃ）において、圧電体層９内の矢印は圧電横効果による伸縮の方向を示している。上記のように電圧が印加される結果、圧電体層９は、主電極部１１Ｍと重なる領域においては平面方向（Ｄ１軸方向およびＤ２軸方向）において縮小しようとし、副電極部１１Ｓと重なる領域においては平面方向において伸長しようとする。
図２（ｄ）において、圧電体層９およびメンブレン５内の矢印は曲げモーメントの方向を示している。上記のように圧電体層９が縮小または伸長しようとする一方で、その変形は、メンブレン５によって規制される。その結果、振動部５ａおよび圧電体層９は、主電極部１１Ｍと重なる領域においては、バイメタルのようにキャビティ１３側へ撓む。一方、振動部５ａおよび圧電体層９は、副電極部１１Ｓと重なる領域においては、バイメタルのようにキャビティ１３とは反対側へ撓む。そして、振動部５ａ全体としては、キャビティ１３側へ変位する。
上記では、振動部５ａがキャビティ１３側へ撓む場合を例にとって説明した。上記とは逆に、圧電体層９に対して、主電極部１１Ｍによって分極の向きと逆向きで電圧が印加され、副電極部１１Ｓによって分極の向きと同じ向きに電圧が印加されれば、同様の原理により、振動部５ａはキャビティ１３とは反対側に変位する。
上記のような振動部５ａの変位によって、振動部５ａの周囲の雰囲気においては圧力波が形成される。そして、所定の波形で電圧が変化する電気信号が一方の電極層７（図示の例では上部電極層７Ｕ）に入力されることによって、その電気信号の波形（例えば周波数）を反映した超音波が生成される。
なお、電気信号は、例えば、振動部５ａをキャビティ１３側へ変位させる電圧印加と、振動部５ａをキャビティ１３とは反対側へ変位させる電圧印加とが繰り返されるものであってもよい。すなわち、電気信号は、時間の経過に伴って電圧の極性（正負）が反転する（電圧（電界）の向きがＤ３軸方向において交互に入れ替わる）ものであってよい。
また、例えば、電気信号は、振動部５ａをキャビティ１３側へ変位させる電圧印加のみ、または振動部５ａをキャビティ１３とは反対側へ変位させる電圧印加のみが繰り返されるものであってもよい。この場合、撓みと、復元力による撓みの解消との繰り返しによって、超音波が生成される。
また、電気信号の波形は適宜なものとされてよい。例えば、１つの超音波信号（エコー信号）において、波の数は適宜に設定されてよいし、また、周波数および電圧は一定であってもよいし、一定でなくてもよい。電気信号の極性が変化する場合において、正側の電圧と負側の電圧とは同一の大きさであってもよいし、異なっていてもよい。
超音波の発信について述べたが、超音波の受信は、発信時とは逆の原理によって実現される。素子部２は、例えば、超音波信号の発信を間欠的に行い、超音波信号の発信が行われていない間において超音波信号の受信を行う。これにより、素子部２は、例えば、自らが発信し、反射して帰ってきた超音波信号を受信する。
（センサの構成）
図３は、上記のような素子部２を含むセンサ１、および当該センサ１を含むセンサ装置２１の構成を示す模式的な断面図（断面を示すハッチングは適宜省略）である。なお、この図では、メンブレン５および基体３（キャビティ１３）の図示は省略されている。圧電体層９内の白抜きの矢印および黒線の矢印は、図２（ａ）および図２（ｂ）と同様に、分極の向きおよび所定の時点における電圧の方向を示している。＋、−およびＧの意味も図２（ｂ）と同様である。
センサ１は、第１素子部２Ａおよび第２素子部２Ｂを有している。これらは、それぞれ上述した素子部２と同様のものである。
なお、以下では、第１素子部２Ａおよび第２素子部２Ｂについて、単に「素子部２」といい、これらを区別しないことがある。また、既に説明した素子部２の各部について、第１素子部２Ａに係る構成には、「第１」の語および「Ａ」の付加符号を付すことがあり、第２素子部２Ｂに係る構成には、「第２」の語および「Ｂ」の付加符号を付すことがある。
２つの素子部２は、例えば、基本的に同一の構成である。例えば、２つの素子部２は、共通の基体３、メンブレン５および圧電体層９に設けられている。換言すれば、基体３、メンブレン５および圧電体層９は、２つの素子部２に亘る広さを有しており、その材料および厚み等は２つの素子部２間で同一である。圧電体層９内の白抜きの矢印で示されているように、分極の向きおよび強さも２つの素子部２間で同じである。また、キャビティ１３の平面形状、ならびに下部電極層７Ｌおよび上部電極層７Ｕの平面形状、材料および厚み等も２つの素子部２間で同一（既述のように接続導体１５に起因する差は無視）である。
また、本実施形態では、既に述べたように、各素子部２において、下部電極層７Ｌと上部電極層７Ｕとは同一の構成とされている。従って、別の観点では、第１下部電極層７ＡＬおよび第２上部電極層７ＢＵは互いに同一の構成であり、第１上部電極層７ＡＵおよび第２下部電極層７ＢＬは互いに同一の構成である。すなわち、２つの素子部２間において、下部電極層７Ｌおよび上部電極層７Ｕの構成は、互いに上下が逆となったもの（後述の説明から理解されるように接続導体１５に係る部分も含む）として捉えることができる。なお、２つの素子部２間において、平面方向内の向き（例えば副電極部１１Ｓが途切れる方向）は、互いに同一であってもよいし、逆向きであってもよいし、適宜な角度で異なっていてもよい。
上記のように圧電体層９は、２つの素子部２に亘っている。以下では、便宜上、圧電体層９のうち第１素子部２Ａを構成する部分を第１領域１０Ａといい、第２素子部２Ｂを構成する部分を第２領域１０Ｂということがある。第１領域１０Ａは、第１素子部２Ａのキャビティ１３と同一の平面形状の領域であり、第２領域１０Ｂは、第２素子部２Ｂのキャビティ１３と同一の平面形状の領域である。キャビティ１３の平面形状に係る上述の説明は、第１領域１０Ａおよび第２領域１０Ｂの平面形状の説明としてよい。
（センサにおける電気的接続および作用）
基準電位部２３、駆動部２５および検知部２７に対する接続は、２つの素子部２間で、上下が逆、かつ主電極部１１Ｍおよび副電極部１１Ｓが互いに逆になっている。別の観点では、２つの素子部２は、電極部１１における電位と、上下及び内外との関係が互いに逆になるように互いに接続されている。
具体的には、図示の例では、第１上部主電極部１１ＡＵＭと第２下部副電極部１１ＢＬＳとが接続され、第１上部副電極部１１ＡＵＳと第２下部主電極部１１ＢＬＭとが接続されている。また、第１下部電極層７ＡＬ（第１下部主電極部１１ＡＬＭおよび第１下部副電極部１１ＡＬＳ）と、第２上部電極層７ＢＵ（第２上部主電極部１１ＢＵＭおよび第２上部副電極部１１ＢＵＳ）とが接続されている。
別の観点では、第１上部主電極部１１ＡＵＭと第２下部副電極部１１ＢＬＳとが駆動部２５（検知部２７）の一方の端子に接続され、第１上部副電極部１１ＡＵＳと第２下部主電極部１１ＢＬＭとが駆動部２５（検知部２７）の他方の端子に接続されている。また、第１下部電極層７ＡＬ（第１下部主電極部１１ＡＬＭおよび第１下部副電極部１１ＡＬＳ）と、第２上部電極層７ＢＵ（第２上部主電極部１１ＢＵＭおよび第２上部副電極部１１ＢＵＳ）とが基準電位部２３に接続されている。
２つの素子部２間の接続は、例えば、センサ１内においてなされる。例えば、特に図示しないが、一方の素子部２に係る接続導体１５または当該接続導体１５に接続された貫通導体と、他方の素子部２に係る接続導体１５または当該接続導体１５に接続された貫通導体とが、センサ１内の層状の配線パターンによって接続されることによって実現されてよい。配線パターンは、例えば、圧電体層９上、圧電体層９とメンブレン５との間、メンブレン５と基体３との間、基体３内および／または基体３の下面に位置してよい。接続導体１５に接続された貫通導体が基体３の下面に露出し、基体３の下面に接合されるフレキシブル基板によって貫通導体同士が接続されてもよい。
上記のような上下および内外が逆になる接続の結果、例えば、駆動部２５の２つの端子に極性が互いに逆の（正負の）電位を生じさせて２つの素子部２に電圧を印加した場合、黒線の矢印で示されているように、電圧の向きは、２つの素子部２で同一となる。具体的には、図示の例においては、第１素子部２Ａでは、第１上部主電極部１１ＡＵＭに正の電位が付与されて上から下へ（正から基準電位へ）の方向に電圧が印加され、第２素子部２Ｂでは、第２下部主電極部１１ＢＬＭに負の電位が付与されて上から下へ（基準電位から負へ）の方向に電圧が印加されている。また、第１素子部２Ａでは、第１上部副電極部１１ＡＵＳに負の電位が付与されて下から上へ（基準電位から負へ）の方向に電圧が印加され、第２素子部２Ｂでは、第２下部副電極部１１ＢＬＳに正の電位が付与されて下から上へ（正から基準電位へ）の方向に電圧が印加されている。
２つの素子部２間においては、分極の向きは同一であり、また、駆動部２５によって印加される電圧の向きも同様である。従って、２つの素子部２は、所定時点において上下方向の互いに同一側に振動部５ａが変位するように駆動される。また、逆に、２つの素子部２の振動部５ａが同一の圧力波を受けて上下方向の同一側へ変位すると、２つの素子部２においては互いに同様の向きの電圧が生じ、検知部２７に入力される。
（センサの製造方法）
センサの製造方法は、電極層７および接続導体１５等の導体の具体的な形状を除いては、公知の種々の製造方法と同様とされてよい。例えば、基体３となるウェハに対して薄膜形成およびパターニングの工程を繰り返して、メンブレン５、下部電極層７Ｌ、圧電体層９および上部電極層７Ｕを形成してよい。なお、薄膜形成とパターニングとは、別個に行われてもよいし、マスクを介した薄膜形成によって同時に行われてもよい。
以上のとおり、本実施形態では、センサ１は、互いに異なるキャビティに対向しており、それぞれ厚さ方向を分極方向としている第１領域１０Ａ（図３）および第２領域１０Ｂ（図３）を含む圧電体層９と、第１領域１０Ａを含む第１素子部２Ａと、第２領域１０Ｂを含む第２素子部２Ｂと、を有している。各素子部２は、分極方向の正側および負側の一方側（図３の例では負側）に重なっている上部電極層７Ｕと、分極方向の正側および負側の他方側に重なっている下部電極層７Ｌとを有している。
第１上部電極層７ＡＵは、平面視において、第１領域１０Ａの中央側に位置する部分を含む第１上部主電極部１１ＡＵＭと、第１上部主電極部１１ＡＵＭよりも第１領域１０Ａの外側に位置する部分を含む第１上部副電極部１１ＡＵＳを有している。第２下部電極層７ＢＬは、平面視において、第２領域１０Ｂの中央側に位置する部分を含む第２下部主電極部１１ＢＬＭと、第２下部主電極部１１ＢＬＭよりも第２領域１０Ｂの外側に位置する部分を含む第２下部副電極部１１ＢＬＳを有している。第１上部主電極部１１ＡＵＭと第１下部電極層７ＡＬとの重複領域の平面形状と、第２下部主電極部１１ＢＬＭと第２上部電極層７ＢＵとの重複領域の平面形状とは同じである。第１上部副電極部１１ＡＵＳと第１下部電極層７ＡＬとの重複領域の平面形状と、第２下部副電極部１１ＢＬＳと第２上部電極層７ＢＵとの重複領域の平面形状とは同じである。第１上部主電極部１１ＡＵＭと第２下部副電極部１１ＢＬＳとは接続されている。第１上部副電極部１１ＡＵＳと第２下部主電極部１１ＢＬＭとは接続されている。第１下部電極層７ＡＬと第２上部電極層７ＢＵとは接続されている。
また、別の観点では、センサ装置２１は、上記のようなセンサ１と、基準電位部２３と、駆動部２５と、検知部２７とを有している。基準電位部２３は、第１下部電極層７ＡＬおよび第２上部電極層７ＢＵに接続されている。駆動部２５は、第１上部主電極部１１ＡＵＭおよび第２下部副電極部１１ＢＬＳを含む電極群と、第１上部副電極部１１ＡＵＳおよび第２下部主電極部１１ＢＬＭを含む電極群とに対して、互いに極性が逆の電位を付与する。検知部２７は、上記の２つの電極群の間に生じる電気信号（例えば電荷または電位差）を検知する。
従って、例えば、センサ１におけるＳＮ比を向上させることができる。具体的には、以下のとおりである。
図４（ａ）は、センサ１の等価回路を示す図であり、図４（ｂ）は、比較例に係るセンサの等価回路を示す図である。
図４（ｂ）の比較例に係るセンサは、図３を参照して説明したセンサ１とは異なり、２つの素子部２が互いに接続されていないものである。素子部２の説明で用いた図２（ｂ）が比較例に係るセンサを示していると捉えてもよい。
この比較例に係るセンサ（素子部２）の等価回路は、例えば、キャパシタ、抵抗およびインダクタからなる直列共振回路（符号省略）と、当該直列共振回路に並列に接続されたキャパシタＣＭおよびＣＳと、キャパシタＣＭおよびＣＳの間に接続された基準電位部２３とで表わすことができる。なお、ＣＭおよびＣＳの記号は容量を示す記号としても用いることがある。容量ＣＭは、等価並列容量のうち互いに対向する主電極部１１Ｍに起因する成分である。容量ＣＳは、等価並列容量のうち互いに対向する副電極部１１Ｓに起因する成分である。
ここで、基準電位部２３からの微小ノイズが生じたと仮定する。この場合、ノイズは、矢印ｙ１で示すようにキャパシタＣＭを経由して検知部２７の一方の端子に入力されるとともに、矢印ｙ２で示すようにキャパシタＣＳを経由して検知部２７の他方の端子に入力される。従って、容量ＣＭおよびＣＳが互いに異なることによって、ノイズは、差動ノイズとして検知部２７に入力される。容量ＣＭおよびＣＳを互いに等しくすれば、この差動ノイズは生じない。ただし、この場合、主電極部１１Ｍおよび副電極部１１Ｓの面積を概ね同等としなければならないなど、設計に制約が生じることになる。
一方、実施形態に係るセンサ１は、図４（ａ）に示すように、直列共振回路（符号省略）と、当該直列共振回路に並列に接続されたキャパシタＣＡＭおよびＣＡＳならびにＣＢＭおよびＣＢＳと、キャパシタＣＡＭおよびＣＡＳの間ならびにキャパシタＣＢＭおよびＣＢＳの間に接続された基準電位部２３とで表わすことができる。なお、ＣＡＭ、ＣＡＳ、ＣＢＭおよびＣＢＳの記号は容量を示す記号としても用いることがある。容量ＣＡＭ、ＣＡＳ、ＣＢＭおよびＣＢＳは、それぞれ、等価並列容量のうち第１主電極部１１ＡＭ、第１副電極部１１ＡＳ、第２主電極部１１ＢＭおよび第２副電極部１１ＢＳに起因する成分である。
図３を参照して説明したように、２つの素子部２間においては、電極部１１は、上下および内外が逆となるもの同士が接続されている。従って、図４（ａ）においては、キャパシタＣＡＭとキャパシタＣＢＳとは基準電位部２３と検知部２７の一方の端子との間に並列に接続されている。また、キャパシタＣＡＳとキャパシタＣＢＭとは基準電位部２３と検知部２７の一方の端子との間に並列に接続されている。
従って、基準電位部２３からの微小ノイズが生じたと仮定すると、ノイズは、矢印ｙ１１およびｙ１３で示すように、互いに並列に接続されているキャパシタＣＡＭおよびＣＢＳを経由して検知部２７の一方の端子に入力される。また、ノイズは、矢印ｙ１２およびｙ１４で示すように、互いに並列に接続されているキャパシタＣＡＳおよびＣＢＭを経由して検知部２７の他方の端子に入力される。
ここで、互いに並列に接続されているキャパシタＣＡＭおよびＣＢＳの合成容量は、ＣＡＭ＋ＣＢＳである。同様に、互いに並列に接続されているキャパシタＣＡＳおよびＣＢＭの合成容量は、ＣＡＳ＋ＣＢＭである。一方、２つの素子部２は、互いに同一の構成（別の観点では上下を逆にした構成）であり、概ねＣＡＭ＝ＣＢＭかつＣＡＳ＝ＣＢＳである。従って、ＣＡＭ＋ＣＢＳ＝ＣＡＳ＋ＣＢＭである。
その結果、例えば、検知部２７の一方の端子に入力されるノイズと、検知部２７の他方の端子に入力されるノイズとは大きさが等しくなり、差動ノイズとして現れるおそれが減じられる。すなわち、ＳＮ比が向上する。そして、図４（ｂ）を参照して説明した比較例とは異なり、差動ノイズを低減するために主電極部１１Ｍおよび副電極部１１Ｓの面積等を同等にする必要はないから、主電極部１１Ｍおよび副電極部１１Ｓの設計の自由度が向上する。これにより、例えば、振動部５ａにおける当該振動部５ａが変位する方向に凸となる領域および凹となる領域の平面形状と、主電極部１１Ｍおよび副電極部１１Ｓの平面形状との一致度を向上させることができる。ひいては、発振強度および／または受信感度を向上させることができる。
また、本実施形態では、第１領域１０Ａにおける分極方向の正側と、第２領域１０Ｂにおける分極方向の正側とは、厚さ方向の同一側（図３の例では下方）に向いている。第１下部電極層１１ＡＬは、第１上部主電極部１１ＡＵＭと同一の平面形状の第１下部主電極部１１ＡＬＭと、第１上部副電極部１１ＡＵＳと同一の平面形状の第１下部副電極部１１ＡＬＳと、を有している。第１下部主電極部１１ＡＬＭと第１下部副電極部１１ＡＬＳとは接続されている。第２上部電極層１１ＢＵは、第２下部主電極部１１ＢＬＭと同一の平面形状の第２上部主電極部１１ＢＵＭと、第２下部副電極部１１ＢＬＳと同一の平面形状の第２上部副電極部１１ＢＵＳと、を有している。第２上部主電極部１１ＢＵＭと第２上部副電極部１１ＢＵＳとは接続されている。
従って、例えば、センサ１は、電気的に同様の構成とされるだけでなく、構造的にも同様の構成とされる。これについては、後述する変形例（図６（ｂ））の説明において詳述する。
本実施形態では、圧電体層９は、平面視において、第１上部主電極部１１ＡＵＭと第１上部副電極部１１ＡＵＳとの間にも広がっているとともに、第２下部主電極部１１ＢＬＭと第２下部副電極部１１ＢＬＳとの間にも広がっている。
従って、例えば、圧電体層９の平面形状が主電極部１１Ｍおよび副電極部１１Ｓの平面形状と同じになるように圧電体層９をパターニングする態様（後述する変形例（図６（ａ））に比較して、圧電体層９の平面形状の精度が容量ＣＡＭ、ＣＢＭ、ＣＡＳおよびＣＢＳに及ぼす影響が低減される。その結果、例えば、基準電位部２３からのノイズが差動ノイズとして現れるおそれを低減できる。
本実施形態では、第１上部副電極部１１ＡＵＳは、平面視において第１上部主電極部１１ＡＵＭを囲むように半周を超える範囲に亘って延びている。第２下部副電極部１１ＢＬＳは、平面視において第２下部主電極部１１ＢＬＭを囲むように半周を超える範囲に亘って延びている。
従って、例えば、電圧が印加されたときの半径方向における伸縮量を大きくすることができる。具体的には、副電極部１１Ｓが主電極部１１Ｍを囲むように分散配置されている態様（当該態様も本開示に係る技術に含まれる）に比較して、圧電体層９の副電極部１１Ｓに重なる領域が円周方向において互いに応力を及ぼしやすい。その結果、圧電体層９の副電極部１１Ｓに重なる領域は、ポアソン効果によって半径方向において変形しやすくなる。その結果、例えば、発信強度が向上する。受信感度についても同様に向上する。
本実施形態では、第１上部副電極部１１ＡＵＳは、第１領域１０Ａが対向するキャビティ１３に重なる面積が、その外側における面積よりも大きい。第２下部副電極部１１ＢＬＳは、第２領域１０Ｂが対向するキャビティ１３に重なる面積が、その外側における面積よりも大きい。
従って、例えば、圧電体層９のうち副電極部１１Ｓに重なる領域は、キャビティ１３の外側に位置する面積がキャビティ１３に重なる面積よりも大きい態様（当該態様も本開示に係る技術に含まれる）に比較して、振動部５ａの振動に直接的に影響しやすくなる。その結果、例えば、副電極部１１Ｓの平面形状を適切に設定することによる発信強度および／または受信感度の向上の効果が顕著になる。
（応用例）
図５は、センサ１の応用例としての超音波診断装置１０１の構成を模式的に示すブロック図である。
超音波診断装置１０１は、例えば、患者に当接されるプローブ１０３と、プローブ１０３に接続されている可撓性のケーブル１０５と、ケーブル１０５を介してプローブ１０３に接続されている装置本体１０７とを備えている。
プローブ１０３は、例えば、センサ基板１０９を有しており、センサ基板１０９は、平面方向（Ｄ１軸方向および／またはＤ２軸方向）に配列されている複数のセンサ１を有している。なお、特に図示しないが、複数のセンサ１は、基体３となるウェハに対する加工処理によって同時形成されてよい。別の観点では、基体３は、複数のセンサ１に亘って一体的に形成されていてよい。
複数のセンサ１は、互いに同一の電気信号が入力されるものであってもよいし、互いに異なる電気信号（例えば、電子式走査のための、位相が若干ずれた電気信号）が入力されるものであってもよい。
装置本体１０７は、例えば、ユーザ（例えば医師または技師）の操作を受け付ける入力部１１１と、入力部１１１からの信号に基づいて送信部３１を制御する制御部１１３とを有している。送信部３１は、上述した駆動部２５を含むものであり、複数のセンサ１に対して電気信号を入力する。駆動部２５は、センサ１毎に設けられていてもよいし、複数のセンサ１に対して共通に設けられていてもよい。
また、装置本体１０７は、受信部３３からの信号および制御部１１３からの信号に基づいて画像処理を行う画像処理部１１５と、画像処理部１１５からの信号に基づいて画像を表示する表示部１１７とを備えている。受信部３３は、上述した検知部２７を含むものであり、複数のセンサ１からの電気信号を検知する。検知部２７は、センサ１毎に設けられていてもよいし、複数のセンサ１に対して共通に設けられていてもよい。
上記のような構成を備えていることにより、超音波診断装置１０１は、患者の断層画像を表示部１１７に表示することができる。なお、送信部３１および受信部３３の一部（例えば増幅器）は、プローブ１０３に設けられていてもよい。
（変形例）
以下では、種々の変形例について説明する。なお、以下の説明では、基本的に実施形態との相違部分について述べる。特に言及がない事項は、実施形態と同様である。また、以下では、部材の形状等が実施形態と異なっていても、便宜上、実施形態と同様の符号を用いることがある。
（圧電体層に係る変形例）
図６（ａ）は、変形例に係るセンサ２０１（第１素子部２０２Ａおよび第２素子部２０２Ｂ）を示す模式的な断面図であり、図３に対応している。
この図に示すように、圧電体層９は、主電極部１１Ｍおよび副電極部１１Ｓの平面形状と同様の平面形状を有していてもよい。すなわち、圧電体層９は、主電極部１１Ｍの平面形状と同様の平面形状を有する主圧電部２１０Ｍと、副電極部１１Ｓの平面形状と同様の平面形状を有する副圧電部２１０Ｓと、を有している。
（電極層の平面形状に係る変形例）
図６（ｂ）は、変形例に係るセンサ３０１（第１素子部３０２Ａおよび第２素子部３０２Ｂ）を示す模式的な断面図であり、図３に対応している。
この図に示すように、各素子部３０２において、基準電位が付与される電極層７（図示の例では第１下部電極層３０７ＡＬおよび第２上部電極層３０７ＢＵ）は、ベタ状電極とされてよい。すなわち、これらの電極層７は、主電極部１１Ｍおよび副電極部１１Ｓを有していなくてもよい。
第１下部電極層３０７ＡＬは、例えば、少なくとも第１上部電極層７ＡＵ（実施形態と同様のものである。）の全体に重なる面積を有している。同様に、第２上部電極層３０７ＢＵは、例えば、少なくとも第２下部電極層７ＢＬ（実施形態と同様のものである。）の全体に重なる面積を有している。
より具体的には、例えば、第１下部電極層３０７ＡＬおよび第２上部電極層３０７ＢＵは、キャビティ１３と同様の平面形状（面積含む）を有している。および／または、例えば、第１下部電極層３０７ＡＬおよび第２上部電極層３０７ＢＵは、対向する副電極部１１Ｓの外縁に概ね一致する外縁を有するベタ状電極である。また、例えば、第１下部電極層３０７ＡＬおよび第２上部電極層３０７ＢＵは、キャビティ１３および／または対向する副電極部１１Ｓよりも外側に外縁が位置するベタ状電極である。
本変形例においても、実施形態と同様に、第１上部主電極部１１ＡＵＭと第１下部電極層３０７ＡＬとの重複領域の平面形状と、第２下部主電極部１１ＢＬＭと第２上部電極層３０７ＢＵとの重複領域の平面形状とは同じである。また、第１上部副電極部１１ＡＵＳと第１下部電極層３０７ＡＬとの重複領域の平面形状と、第２下部副電極部１１ＢＬＳと第２上部電極層３０７ＢＵとの重複領域の平面形状とは同じである。ひいては、実施形態と同様に、容量ＣＡＭとＣＢＭとの差は小さく、容量ＣＡＳとＣＢＳとの差は小さい。
なお、第１下部電極層３０７ＡＬおよび第２上部電極層３０７ＢＵは、例えば、同様の平面形状（面積含む）を有している。ただし、これらは、互いに異なっていてもよい。なお、当該変形例と、図６（ａ）の変形例とが組み合わされる場合、例えば、第１下部電極層３０７ＡＬおよび第２上部電極層３０７ＢＵの平面形状（面積）の相違が容量ＣＡＭとＣＢＭとの差、ならびに容量ＣＡＳとＣＢＳとの差に及ぼす影響は小さい。
基準電位部２３、駆動部２５および検知部２７の各種の電極部１１に対する接続は、基準電位部２３に接続される電極部１１同士を接続する必要がないことを除いて、実施形態と同様である。
本変形例においても、例えば、基準電位部２３からのノイズが差動ノイズとして現れてしまうおそれを低減できる。また、基準電位部２３と接続される電極層の面積が大きくなるから、基準電位が安定し、基準電位部２３からのノイズ自体が低減されることが期待される。
本変形例では、ベタ状の電極層（３０７ＡＬまたは３０７ＢＵ）、圧電体層９およびベタ状でない電極層（７ＡＵまたは７ＢＬ）の積層順と、上下方向との関係が２つの素子部２間において互いに逆である。従って、２つの素子部２は、上下方向の同一側への撓み等に関して互いに同一の構造でないことになる。
一方、実施形態では、各素子部２において上部電極層７Ｕと下部電極層７Ｌとが同一の平面形状であることによって、２つの素子部２は、上下方向の同一側への撓み等に関して互いに同一の構造となっている。その結果、例えば、基準電位部２３から検知部２７への２種の経路（図４における矢印ｙ１１および１３の経路ならびに矢印ｙ１２および１４の経路）における電気特性がより同等になりやすい。ひいては、基準電位部２３からのノイズが差動ノイズとして現れるおそれをより好適に低減できる。
（駆動方式に係る変形例）
図７（ａ）は、変形例に係るセンサ４０１（第１素子部４０２Ａおよび第２素子部４０２Ｂ）を示す模式的な断面図であり、図３に対応している。
実施形態のセンサ１は、いわゆるユニモルフ型であったのに対して、本変形例に係るセンサ４０１は、いわゆるバイモルフ型となっている。すなわち、センサ４０１は、互いに重ねられた２層の圧電体層９Ｕおよび９Ｌを有しており、この２層の圧電体層９Ｕおよび９Ｌの分極の向きは、白抜きの矢印で示されているように、互いに逆向きとなっている。なお、図示の例では、圧電体層９Ｕおよび９Ｌの分極の向きは、互いに向かい合う向きとなっているが、互いに後ろ向きになる向きとされてもよいことはもちろんである。
このようなバイモルフ型のセンサ４０１においても、実施形態のセンサ１と同様の効果が奏される。例えば、２つの素子部２間において、上下および内外が逆の電極部１１同士が接続されていることによって、基準電位部２３からのノイズが差動ノイズとして現れてしまうおそれを低減できる。
なお、バイモルフ型において、２層の圧電体層９Ｕおよび９Ｌの一方は、図６（ａ）の変形例のように電極層７と同様の形状とされてもよい。また、図６（ｂ）の変形例に係る電極層の形状が本変形例に適用されてもよい。
（分極の向きに係る変形例）
図７（ｂ）は、変形例に係るセンサ５０１（第１素子部５０２Ａおよび第２素子部５０２Ｂ）を示す模式的な断面図であり、図３に対応している。
この図に示すように、圧電体層５０９の分極の向きは、２つの素子部５０２間において互いに逆向きとされてもよい。この変形例においては、電極部１１の接続は、内外が逆のもの同士を接続すればよく、上下が逆のもの同士を接続しなくてもよい。また、基準電位が付与される下部電極層５０７Ｌは、例えば、２つの素子部５０２に亘るベタ状電極とされている。下部電極層５０７Ｌは、平面視において少なくとも第１上部電極層７ＡＵおよび第２上部電極層７ＢＵに重なる平面形状を有している。
このような分極の向きは、例えば、圧電体の成膜時に結晶の向き等の制御によって分極の向きを設定する場合においては、２つの素子部５０２間で圧電体層を別個に形成することによって実現できる。また、強誘電体からなる圧電体の分極処理によって分極の向きを設定する場合においては、２つの素子部５０２に亘って圧電体層５０９を形成した後、２つの素子部５０２間で互いに逆向きの電圧を印加することによって実現できる。
本変形例においても、実施形態のセンサ１と同様の効果が奏される。例えば、２つの素子部５０２間において、基準電位部２３から検知部２７への２種の経路における等価容量の大きさの差が低減され、ひいては、基準電位部２３からのノイズが差動ノイズとして現れてしまうおそれが低減される。
なお、下部電極層５０７Ｌは、図６（ｂ）のように素子部５０２毎のベタ状電極とされてもよいし、実施形態のように主電極部１１Ｍおよび副電極部１１Ｓを有する形状とされてもよい。また、圧電体層５０９は、素子部５０２間でつながっていなくてもよいし、図６（ａ）の変形例のように主電極部１１Ｍおよび副電極部１１Ｓと同様の形状とされてもよい。本変形例もバイモルフ型に適用可能である。
本変形例においては、第１上部電極層７ＡＵは、実施形態と同様に、第１上部電極層（第１素子部において分極方向の正側および負側の一方側に重なる電極層）の一例である。第２上部電極層７ＢＵは、実施形態と異なり、第２下部電極層（第２素子部において分極方向の正側および負側の他方側に重なる電極層）の一例である。下部電極層５０７Ｌは、第１下部電極層（第１素子部において分極方向の正側および負側の前記他方側に重なる電極層）の一例であるとともに、第２上部電極層（第２素子部において分極方向の正側および負側の前記一方側に重なる電極層）の一例である。
（キャビティ等の平面形状に係る変形例）
図８は、変形例に係るセンサ６０１（第１素子部６０２Ａおよび第２素子部６０２Ｂ）の模式的な平面図である。
この図に示すように、キャビティ６１３（振動部）、主電極部６１１Ｍ（図示されているのは６１１ＡＵＭおよび６１１ＢＵＭ）および副電極部６１１Ｓ（図示されているのは６１１ＡＵＳおよび６１１ＢＵＳ）は、円形に限定されない。また、主電極部６１１Ｍは、その全体がキャビティ６１３の中央側に位置していなくてもよい。副電極部６１１Ｓは、主電極部６１１Ｍを囲んでいなくてもよい。
図示の例では、キャビティ６１３（振動部）は長方形である。主電極部６１１Ｍは、キャビティ６１３の幅の中央においてキャビティ６１３の長さに亘って延びる長方形である。副電極部６１１Ｓは、キャビティ６１３の幅方向両側において、キャビティ６１３の長さに亘って延びる長方形である。
本発明は、以上の実施形態または変形例に限定されず、種々の態様で実施されてよい。
キャビティ（振動部、第１領域、第２領域）、主電極部および副電極部の平面形状は、例示した意外にも種々可能である。例えば、これらの外縁は、楕円形状であってもよいし、矩形以外の多角形であってもよい。電極層および圧電体層は、メンブレンに対してキャビティとは反対側に重ねられたが、キャビティ側に重ねることも可能である。
副電極部は、平面視においてキャビティに収まっていなくてもよい。例えば、副電極部は、内縁がキャビティの外縁に一致する形状であってもよい。この場合であっても、圧電体層の伸縮によって振動部を撓ませることができる。また、副電極部は、一続きの形状ではなく、主電極部を囲むように離散的に配置された複数の分割電極部から構成されていてもよい。
センサを構成する２つの素子部は、互いに隣接していなくてもよい。すなわち、２つの素子部の間に他の素子部が位置しててもよい。互いに接続される素子部の数は、２つに限定されず、２よりも大きい２の倍数であってよい。
なお、各素子部の上部電極層および下部電極層（ここでの上部・下部は実施形態と同様にＤ３軸方向の上下）のいずれも主電極部および副電極部を有する構成においては、圧電体層の分極の向きを、主電極部と重なる領域と副電極部と重なる領域とで互いに逆向きにすることも可能である。この本開示の他の態様に係るセンサにおいては、各素子部において、上部電極層および下部電極層の一方の電極層の主電極部と、他方の電極層の副電極部に基準電位が付与され、前記他方の電極層の主電極部と前記一方の電極層の副電極部との間に正負の電位が付与される。
１…センサ（超音波センサ）、２Ａ…第１素子部、２Ｂ…第２素子部、７ＡＵ…第１上部電極層、７ＡＬ…第１下部電極層、７ＢＵ…第２上部電極層、７ＢＬ…第２下部電極層、９…圧電体層、１０Ａ…第１領域、１０Ｂ…第２領域、１１ＡＵＭ…第１上部主電極部、１１ＡＵＳ…第１上部副電極部、１１ＢＬＭ…第２下部主電極部、１１ＢＬＳ…第２下部副電極部。

Claims (6)

  1. 互いに異なるキャビティに対向しており、それぞれ厚さ方向を分極方向としている第１領域および第２領域を含む圧電体層と、
    前記第１領域を含む第１素子部と、
    前記第２領域を含む第２素子部と、
    を有しており、
    前記第１素子部は、
    前記第１領域に対して分極方向の正側および負側の一方側に位置している第１上部電極層と、
    前記第１領域に対して分極方向の正側および負側の他方側に位置している第１下部電極層と、を有しており、
    前記第２素子部は、
    前記第２領域に対して分極方向の正側および負側の前記一方側に位置している第２上部電極層と、
    前記第２領域に対して分極方向の正側および負側の前記他方側に位置している第２下部電極層と、を有しており、
    前記第１上部電極層は、平面視において、前記第１領域の中央側に位置する部分を含む第１上部主電極部と、当該第１上部主電極部よりも前記第１領域の外側に位置する部分を含む第１上部副電極部とを有しており、
    前記第２下部電極層は、平面視において、前記第２領域の中央側に位置する部分を含む第２下部主電極部と、当該第２下部主電極部よりも前記第２領域の外側に位置する部分を含む第２下部副電極部とを有しており、
    前記第１上部主電極部と前記第１下部電極層との重複領域の平面形状と、前記第２下部主電極部と前記第２上部電極層との重複領域の平面形状とは同じであり、
    前記第１上部副電極部と前記第１下部電極層との重複領域の平面形状と、前記第２下部副電極部と前記第２上部電極層との重複領域の平面形状とは同じであり、
    前記第１上部主電極部と前記第２下部副電極部とが接続されており、
    前記第１上部副電極部と前記第２下部主電極部とが接続されており、
    前記第１下部電極層と前記第２上部電極層とが接続されている
    超音波センサ。
  2. 前記第１領域における分極方向の正側と、前記第２領域における分極方向の正側とは、前記厚さ方向の同一側に向いており、
    前記第１下部電極層は、
    前記第１上部主電極部と同一の平面形状の第１下部主電極部と、
    前記第１上部副電極部と同一の平面形状の第１下部副電極部と、を有しており、
    前記第１下部主電極部と前記第１下部副電極部とは接続されており、
    前記第２上部電極層は、
    前記第２下部主電極部と同一の平面形状の第２上部主電極部と、
    前記第２下部副電極部と同一の平面形状の第２上部副電極部と、を有しており、
    前記第２上部主電極部と前記第２上部副電極部とは接続されている
    請求項１に記載の超音波センサ。
  3. 前記圧電体層は、平面視において、前記第１上部主電極部と前記第１上部副電極部との間にも広がっているとともに、前記第２下部主電極部と前記第２下部副電極部との間にも広がっている
    請求項１または２に記載の超音波センサ。
  4. 前記第１上部副電極部は、平面視において前記第１上部主電極部を囲むように半周を超える範囲に亘って延びており、
    前記第２下部副電極部は、平面視において前記第２下部主電極部を囲むように半周を超える範囲に亘って延びている
    請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波センサ。
  5. 前記第１上部副電極部は、前記第１領域が対向するキャビティに重なる面積が、その外側における面積よりも大きく、
    前記第２下部副電極部は、前記第２領域が対向するキャビティに重なる面積が、その外側における面積よりも大きい
    請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波センサ。
  6. 超音波センサと、
    前記超音波センサに接続されている基準電位部、駆動部および検知部と、
    を有しており、
    前記超音波センサは、
    互いに異なるキャビティに対向しており、それぞれ厚さ方向を分極方向としている第１領域および第２領域を含む圧電体層と、
    前記第１領域を含む第１素子部と、
    前記第２領域を含む第２素子部と、を有しており、
    前記第１素子部は、
    前記第１領域に対して分極方向の正側および負側の一方側に位置している第１上部電極層と、
    前記第１領域に対して分極方向の正側および負側の他方側に位置している第１下部電極層と、を有しており、
    前記第２素子部は、
    前記第２領域に対して分極方向の正側および負側の前記一方側に位置している第２上部電極層と、
    前記第２領域に対して分極方向の正側および負側の前記他方側に位置している第２下部電極層と、を有しており、
    前記第１上部電極層は、平面視において、前記第１領域の中央側に位置する部分を含む第１上部主電極部と、当該第１上部主電極部よりも前記第１領域の外側に位置する部分を含む第１上部副電極部とを有しており、
    前記第２下部電極層は、平面視において、前記第２領域の中央側に位置する部分を含む第２下部主電極部と、当該第２下部主電極部よりも前記第２領域の外側に位置する部分を含む第２下部副電極部とを有しており、
    前記第１上部主電極部と前記第１下部電極層との重複領域の平面形状と、前記第２下部主電極部と前記第２上部電極層との重複領域の平面形状とは同じであり、
    前記第１上部副電極部と前記第１下部電極層との重複領域の平面形状と、前記第２下部副電極部と前記第２上部電極層との重複領域の平面形状とは同じであり、
    前記基準電位部は、前記第１下部電極層および前記第２上部電極層に接続されており、
    前記駆動部は、前記第１上部主電極部および前記第２下部副電極部を含む電極群と、前記第１上部副電極部および前記第２下部主電極部を含む電極群とに対して、互いに極性が逆の電位を付与可能であり、
    前記検知部は、前記２つの電極群の間に生じる電気信号を検知可能である
    超音波センサ装置。
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