(57)【要約】      （修正有）【課題】所望の共振周波数の超音波を高い品質で送受信可能で、かつ、クロストークの影響を抑制可能な超音波デバイスを提供する。【解決手段】超音波デバイスは、第一面１１Ａ及び第一面とは異なる第二面１１Ｂとを有する基材１１と、基材の第一面に設けられる振動板１２と、振動板に配置される圧電素子１３と、を備える。基材は、第一面から第二面に亘って設けられた開孔１１１と、開孔を囲う壁部１１２と、を含む。振動板は、第一面から第二面に向かう方向から見た際に、壁部と重なり合う支持部１２１と、開孔と重なり合って開孔を閉塞し、かつ、圧電素子が積層される閉塞部１２２と、を備える。支持部は、第一ヤング率を有し、閉塞部は、第一ヤング率を有する第一閉塞部１２３と、第一ヤング率よりも小さい第二ヤング率を有する第二閉塞部１２４とを有する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一面、及び前記第一面とは異なる第二面とを有する基材と、
前記基材の前記第一面に設けられる振動板と、
前記振動板に配置される圧電素子と、を備え、
前記基材は、前記第一面から前記第二面に亘って設けられた開孔と、前記開孔を囲う壁部と、を含み、
前記振動板は、前記第一面から前記第二面に向かう方向から見た際に、前記壁部と重なり合う支持部と、前記開孔と重なり合って前記開孔を閉塞し、かつ、前記圧電素子が配置される閉塞部と、を備え、
前記支持部は、第一ヤング率を有し、
前記閉塞部は、前記第一ヤング率を有する第一閉塞部と、前記第一ヤング率よりも小さい第二ヤング率を有する第二閉塞部とを有する
ことを特徴とする超音波デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波デバイスにおいて、
前記第二閉塞部は、前記閉塞部のうち、前記支持部との境界に接して設けられている
ことを特徴とする超音波デバイス。
【請求項３】
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、
前記第二閉塞部は、前記第一面から前記第二面に向かう方向から見た際に、前記圧電素子の周縁に設けられている
ことを特徴とする超音波デバイス。
【請求項４】
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において、
前記開孔を前記第一面から前記第二面に向かう方向から見た際のアスペクト比をγ、前記開孔の前記第一面から前記第二面に向かう方向から見た際の短軸方向の開口幅をＷ、前記第二閉塞部の前記第一面から前記第二面に向かう方向の厚みと前記短軸方向の幅との積である断面積をＳとした場合に、
１０×（１＋γ）×Ｗ−１００≦Ｓ≦（０．３γ＋０．２１）×Ｗ
を満たすことを特徴とする超音波デバイス。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超音波デバイスにおいて、
前記第一閉塞部は、ＳｉＯ２を含み、
前記第二閉塞部は、エラストマー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６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超音波デバイスにおいて、
前記基材は、複数の前記開孔を有し、
前記振動板は、各前記開孔に対応した複数の前記閉塞部を備える
ことを特徴とする超音波デバイス。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の超音波デバイスと、
前記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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波デバイス、および超音波装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、振動板の振動を利用して超音波の送受信を行う超音波デバイス、および超音波デバイスを備えた超音波装置が知られている（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は、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圧電素子とにより構成された超音波センサー素子を備える。そして、振動板の圧電素子が設けられる側に、封止板が配置され、封止板と振動板との間に、超音波拡散粒が保持された樹脂層が設けられている。つまり、樹脂層は、圧電素子及び振動板を覆って設けられている。
このような超音波デバイスでは、超音波センサー素子をアレイ状に複数配置する場合に、隣り合う超音波センサー素子への振動伝搬や超音波伝搬を抑制できるので、クロストークを抑制することもできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１１８０１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、圧電素子及び振動板を覆うように樹脂を設ける構成とする場合、以下のような課題がある。
すなわち、圧電素子に対して信号線を接続するためには、樹脂層の一部をエッチングにより除去して、振動板に設けられた電極部の一部を露出させる必要がある。この際、樹脂層の剛性が低いと、電極部を露出させるためのエッチング工程の精度が低下し、超音波デバイスの信頼性が低下してしまう。
樹脂層の剛性を高くすると、エッチング工程の精度は高くなるが、この場合、振動板全体の変形に係る剛性も高くなるので、共振周波数が高くなってしまう。共振周波数を下げるためには、開孔の開口径を大きくすることも考えられるが、この場合、振動板を振動させる際に不要な振動モードが現れ、振動板の振動が不安定になって超音波デバイスの性能が低下する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第一適用例に係る超音波デバイスは、第一面、及び前記第一面とは異なる第二面とを有する基材と、前記基材の前記第一面に設けられる振動板と、前記振動板に配置される圧電素子と、を備え、前記基材は、前記第一面から前記第二面に亘って設けられた開孔と、前記開孔を囲う壁部と、を含み、前記振動板は、前記第一面から前記第二面に向かう方向から見た際に、前記壁部と重なり合う支持部と、前記開孔と重なり合って前記開孔を閉塞し、かつ、前記圧電素子が配置される閉塞部と、を備え、前記支持部は、第一ヤング率を有し、前記閉塞部は、前記第一ヤング率を有する第一閉塞部と、前記第一ヤング率よりも小さい第二ヤング率を有する第二閉塞部とを有する。
【０００６】
本適用例の超音波デバイスにおいて、前記第二閉塞部は、前記閉塞部のうち、前記支持部との境界に接して設けられていることが好ましい。
【０００７】
本適用例の超音波デバイスにおいて、前記第二閉塞部は、前記第一面から前記第二面に向かう方向から見た際に、前記圧電素子の周縁に設けられていることが好ましい。
【０００８】
本適用例の超音波デバイスにおいて、前記開孔を前記第一面から前記第二面に向かう方向から見た際のアスペクト比をγ、前記開孔の前記第一面から前記第二面に向かう方向から見た際の短軸方向の開口幅をＷ、前記第二閉塞部の前記第一面から前記第二面に向かう方向の厚みと前記短軸方向の幅との積である断面積をＳとした場合に、
１０×（１＋γ）×Ｗ−１００≦Ｓ≦（０．３γ＋０．２１）×Ｗ
を満たすことが好ましい。
【０００９】
本適用例の超音波デバイスにおいて、前記第一閉塞部は、ＳｉＯ２を含み、前記第二閉塞部は、エラストマーにより構成されていることが好ましい。
【００１０】
本適用例の超音波デバイスにおいて、前記基材は、複数の前記開孔を有し、前記振動板は、各前記開孔に対応した複数の前記閉塞部を備えることが好ましい。
【００１１】
第二適用例の超音波装置は、第一適用例の超音波デバイスと、前記超音波デバイスを制御する制御部と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】一実施形態の超音波装置の概略構成を示すブロック図。
【図２】本実施形態の超音波デバイスを示す概略平面図。
【図３】本実施形態の超音波トランスデューサーを拡大した拡大平面図。
【図４】図３のＡ−Ａ線で超音波トランスデューサーを切断した際の断面図。
【図５】本実施形態の超音波デバイスの製造方法を示す図。
【図６】圧電素子に駆動信号を入力した際の閉塞部の相当ひずみを示した図。
【図７】比較例の超音波デバイスの概略構成を示す断面図。
【図８】比較例の超音波デバイスに対して、樹脂層のヤング率及び厚さを変更した場合の共振周波数の変化を示す図。
【図９】本実施形態の超音波デバイスに対して、第二閉塞部のヤング率及び幅を変更した場合の共振周波数の変化を示す図。
【図１０】比較例の超音波トランスデューサーの膜厚を変更した際の共振周波数及びＱ値と、本実施形態の超音波トランスデューサーの第二閉塞部の幅を変更した際の共振周波数及びＱ値を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
［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に示す複数の超音波トランスデューサーＴｒのうちの１つを拡大した拡大平面図である。図４は、図３のＡ−Ａ線で超音波トランスデューサーＴｒを切断した際の断面図である。
超音波デバイス１０は、図４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。
【００１５】
［素子基板１１の構成］
素子基板１１は、Ｓｉ等の半導体基板で構成され、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。
【００１６】
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。
【００１７】
［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。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。
ここで、振動板１２のうち壁部１１２に積層される部分は支持部１２１を構成し、振動板１２のうち開孔１１１を閉塞する部分は閉塞部１２２を構成する。閉塞部１２２と圧電素子１３とにより超音波トランスデューサーＴｒが構成される。
【００１８】
閉塞部１２２は、第一閉塞部１２３と、第二閉塞部１２４とを有する。Ｚ方向から見た際に、第二閉塞部１２４は、閉塞部１２２の外周縁に沿って設けられている。また、第一閉塞部１２３は、第二閉塞部１２４の内側に設けられ、第一閉塞部１２３には、圧電素子１３が配置されている。つまり、第二閉塞部１２４は、圧電素子１３の周囲を周方向に亘って囲って設けられている。
より具体的には、超音波トランスデューサーＴｒを短軸方向（本実施形態ではＹ方向）及びＺ方向を含む平面で切断した際の断面視の、第二閉塞部１２４の断面積Ｓが、以下の式（１）を満たすように、第二閉塞部１２４が形成されている。なお、式（１）において、Ｗは、超音波トランスデューサーＴｒの開孔１１１の短軸方向の開口幅であり、γは、開孔１１１のアスペクト比であって、具体的には、開孔１１１の長軸方向長さ÷開孔１１１の短軸軸方向長さＷである。また、超音波トランスデューサーＴｒを長軸方向及びＺ方向を含む平面で切断した際の断面視においても、第二閉塞部１２４の断面積Ｓは、式（１）を満たす。
【００１９】
［数１］
１０×（１＋γ）×Ｗ−１００≦Ｓ≦（０．３γ＋０．２１）×Ｗ  …（１）
【００２０】
支持部１２１及び第一閉塞部１２３は、例えばＳｉＯ２及びＺｒＯ２の積層体等より構成されており、そのヤング率（第一ヤング率）は、７０ＧＰａ以上となる。
一方、第二閉塞部１２４は、例えば、弾性を有するゴムや樹脂等のエラストマーにより構成されている。第二閉塞部１２４のヤング率（第二ヤング率）は、支持部１２１及び第一閉塞部１２３の第一ヤング率よりも小さい。第二ヤング率としては、１ＧＰａから１０ＧＰａであることが好ましく、本実施形態では、３ＧＰａ程度であるシリコーンゴムを用いる。
なお、振動板１２の閉塞部１２２の構成と、超音波トランスデューサーＴｒにおける共振周波数との関係についての詳細な説明は後述する。
【００２１】
［圧電素子１３の構成］
圧電素子１３は、振動板１２の閉塞部１２２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、閉塞部１２２の第一閉塞部１２３上に配置されている。この圧電素子１３は、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。なお、圧電素子１３が振動板１２上に積層される構成を例示するが、圧電素子１３と振動板１２との間に他の層が設けられる構成としてもよい。
【００２２】
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の閉塞部１２２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から閉塞部１２２に超音波が入力されると、閉塞部１２２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。
【００２３】
［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。
【００２４】
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。
【００２５】
［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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
［超音波デバイス１０の製造方法］
図５は、本実施形態の超音波デバイス１０の製造方法を示す図である。
超音波デバイス１０を作成するには、まず、Ｓｉからなる基板を母材５０とし、母材５０の一面を熱酸化処理してＳｉＯ２膜５２Ａを形成する。さらに、ＳｉＯ２膜５２Ａ上にＺｒ膜を成膜し、これを熱酸化処理する。これにより、図５の１番目に示すように、母材５０の一面に、ＳｉＯ２膜５２Ａ及びＺｒＯ２膜５２Ｂの積層体が形成される。
【００３０】
次に、図５の２番目に示すように、ＳｉＯ２膜５２Ａ及びＺｒＯ２膜５２Ｂの積層体に対し、第二閉塞部１２４の形成位置に凹部５２Ｃを形成する。具体的には、母材５０の表面にマスク層を形成し、第二閉塞部１２４の形成位置が開口するようにマスク層をパターニングする。そして、ＳｉＯ２膜５２Ａ及びＺｒＯ２膜５２Ｂの積層体の露出部を、エッチング処理することで凹部５２Ｃを形成する。
【００３１】
この後、凹部５２Ｃに対して、第二閉塞部１２４の形成素材であるエラストマーを充填する。第二閉塞部１２４の形成素材としては、第二ヤング率が１〜１０ＧＰａのエラストマーを用い、例えば本実施形態では、シリコーンゴム等を用いる。これにより、図５の３番目に示すように、第一閉塞部１２３及び第二閉塞部１２４を有する閉塞部１２２と、支持部１２１とを備える振動板１２が形成される。
【００３２】
この後、振動板１２上に、電極層を成膜し、この電極層をエッチングによりパターニングすることで、第一電極１３１及び駆動端子１３１Ｐ（図示略）を形成する。また、振動板１２上に圧電材料を積層し、これをエッチングによりパターニングすることで、圧電膜１３２を形成する。さらに、振動板１２上に、電極層を成膜し、この電極層をエッチングによりパターニングすることで、第二電極１３３及び共通端子１３３Ｐ（図示略）を形成する。以上により、図５の４番目に示すように、圧電素子１３が形成される。
【００３３】
そして、母材５０の振動板１２とは反対側の面をエッチング処理することで、開孔１１１を形成し、さらに、母材５０を所望の厚さに研削して素子基板１１を形成する。これにより、図５の５番目に示すように、超音波トランスデューサーＴｒが設けられた超音波デバイス１０を製造することができる。
【００３４】
［超音波デバイス１０における振動抑制効果］
次に、本実施形態の超音波デバイス１０における振動抑制効果について説明する。
図６は、圧電素子１３に駆動信号を入力した際の閉塞部１２２の相当ひずみを示した図である。図６の各曲線は、それぞれ、開孔１１１の開口幅Ｗを、７７μｍ、１７０μｍ、２００μｍ、２６０μｍ、３００μｍ、及び４８０μｍとした場合の相当ひずみを示している。
図６に示すように、超音波トランスデューサーＴｒを駆動させると、開孔１１１の開口幅によらず、閉塞部１２２の外縁よりも内側で、かつ、当該外縁に沿った位置、つまり、開孔１１１と壁部１１２との境界で、相当ひずみが最も大きくなる。
具体的には、相当ひずみが大きくなる範囲は、閉塞部１２２の、支持部１２１との境界位置から、式（１）で示される範囲である。本実施形態では、エラストマーにより構成された第二閉塞部１２４が、閉塞部１２２と支持部１２１との境界位置から、式（１）で示される範囲に設けられている。
このため、本実施形態では、閉塞部１２２の振動を第二閉塞部１２４で効率的に吸収でき、振動板１２の振動エネルギーを第二閉塞部１２４で熱エネルギーに変換することができる。これにより、隣り合う超音波トランスデューサーＴｒの間での振動の伝搬（クロストーク）を抑制することができる。例えば、１つのチャンネルＣＨの超音波トランスデューサーＴｒを駆動させた際に、隣り合うチャンネルＣＨの超音波トランスデューサーＴｒがクロストークの影響によって振動することがなく、所望のチャンネルから超音波を送信することが可能となる。
【００３５】
式（１）において、１０×（１＋γ）×Ｗ−１００≦Ｓとする場合では、振動板１２のひずみ量に対して、単位面積あたりの振動エネルギーを熱エネルギーに変換する効率が高い。しかし、１０×（１＋γ）×Ｗ−１００＞Ｓとする場合、第二閉塞部１２４の断面積Ｓが小さく、振動板１２の振動エネルギーを十分に熱エネルギーに変換することができない。このため、Ｑ値が高くなり、かつ、閉塞部１２２の変形効率も低下する。
また、（０．３γ＋０．２１）×Ｗ＜Ｓとする場合では、振動板１２の振動抑制効果を得ることはできるが、閉塞部１２２の変形効率が低下する。これに対し、式（１）に示す断面積Ｓが得られるように、第二閉塞部１２４を構成することで、振動板１２の振動を効率的に抑制することができ、かつ、閉塞部１２２を効率的に変形可能となる。
【００３６】
次に、第二閉塞部１２４の増大による超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数への影響について、本実施形態と比較例とを対比して説明する。
図７は、比較例の超音波デバイスの概略構成を示す断面図である。
比較例の超音波デバイスでは、図７に示すような超音波トランスデューサー９０を備える。つまり、超音波トランスデューサー９０では、開孔９１１を有する素子基板９１と、素子基板９１の一面に設けられ、ＳｉＯ２層及びＺｒＯ２層の積層体により構成された振動板９２とを備え、開孔９１１が振動板９２により閉塞されている。また、振動板９２の開孔９１１に対応する位置には、第一電極９３１、圧電膜９３２、及び第二電極９３３を積層した圧電素子９３が設けられ、さらに、クロストークの影響を抑制するために、振動板９２及び圧電素子９３を覆って樹脂層９４が設けられている。
【００３７】
図８は、比較例の超音波デバイスに対して、樹脂層９４のヤング率、及び樹脂層９４の厚さを変更した場合の、共振周波数の変化を示す図である。
図８に示すように、樹脂層９４のヤング率が小さく、１０ＭＰａ以下である場合、樹脂層９４の厚みの変化による超音波トランスデューサー９０の共振周波数の変化は小さい。
しかしながら、樹脂層９４のヤング率が１０ＭＰａ以下の場合、樹脂層９４に所望の形状のパターニングをすることが困難となる。すなわち、超音波トランスデューサー９０に設けられた圧電素子９３に対して信号線を接続する場合、第一電極９３１や第二電極９３３に接続された電極端子が露出するように、樹脂層９４をエッチングする必要がある。しかしながら、樹脂層９４が柔らかすぎることでエッチング工程の精度が低下する。つまり、エッチングが速く進行する部分と遅く進行する部分とが生じ、所望の形状のエッチングパターンを形成できず、超音波デバイスの信頼性が低下する可能性がある。
【００３８】
一方、樹脂層９４のヤング率を高くすることで、エッチング工程における精度向上を図ることができる。
しかしながら、超音波トランスデューサー９０の振動を抑制し、クロストークを効果的に抑制するには、Ｑ値を下げる必要があり、Ｑ値を下げるためには、樹脂層９４の厚みを増大させる必要がある。
ところが、ヤング率が１００ＭＰａを超える樹脂層９４を用いると、図８に示すように、樹脂層９４の厚みを増大させるほど、超音波トランスデューサー９０の共振周波数が高くなり、所望の周波数の超音波を出力することが困難となる。
超音波トランスデューサー９０で送受信する超音波の周波数は、開孔９１１の開口幅を大きくすることで下げることができる。しかしながら、開孔９１１を大きくすると、振動板９２を振動させた際に、不要な振動モードが発生してしまう。つまり、超音波トランスデューサー９０から、音圧の高い超音波を出力するには、開孔９１１の開口端を節、圧電素子９３が配置される開孔９１１の中央部を腹として振動板９２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９１１を閉塞する振動板９２内に、複数の節及び腹が生じ、超音波の音圧が低下する。
【００３９】
図９は、本実施形態の超音波デバイス１０に対して、第二閉塞部１２４のヤング率及び幅ｕを変更した場合の、共振周波数の変化を示す図である。
本実施形態の超音波トランスデューサーＴｒでは、第二閉塞部１２４は、振動板１２の一部を構成し、その厚みｔは、第一閉塞部１２３や、支持部１２１と同一の厚みと同一である。よって、図９では、第二閉塞部１２４の幅ｕを変更した際の共振周波数の変化を示している。
図９に示すように、第二閉塞部１２４の幅ｕを大きくすると、第二閉塞部１２４のヤング率によらず、超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数が低下する。特に、１ＧＰａから１０ＧＰａの範囲のヤング率では、第二閉塞部１２４の幅ｕを変更した際の共振周周波数の変化をより小さくでき、共振周波数の変動を抑えることができる。
【００４０】
また、図１０は、比較例の超音波トランスデューサー９０における、樹脂層のヤング率及び膜厚を変更した際の共振周波数及びＱ値と、本実施形態の超音波トランスデューサーＴｒにおける、第二閉塞部１２４のヤング率及び幅ｕを変更した際の共振周波数及びＱ値を示す図である。なお、図１０では、比較例における開孔９１１及び本実施形態における開孔１１１の開口幅を１５８μｍに固定している。
図１０の比較例１は、樹脂層９４のヤング率を３０ＭＰａとした従来の超音波トランスデューサー９０の性能を示している。この比較例１では、Ｑ値が低く、共振周波数が４１５ＫＨｚとなる。しかしながら、比較例１の超音波トランスデューサー９０では、上述したように、樹脂層９４の形成時のエッチング精度が低くなり、超音波トランスデューサー９０の信頼性が低下する。
【００４１】
図１０の比較例２は、樹脂層９４のヤング率を３０００ＭＰａとした従来の超音波トランスデューサー９０の性能を示している。
比較例２の超音波トランスデューサー９０では、樹脂層９４の形成時のエッチング精度は改善され、超音波トランスデューサー９０の信頼性は向上する。しかしながら、所望のＱ値が得るためには、樹脂層９４の厚みを厚くする必要がある。例えば、３０〜６０程度のＱ値を得るために、膜厚を３μｍ以上とする必要がある。膜厚を大きくするほど、Ｑ値は下がるが、超音波トランスデューサー９０の剛性が高くなるため、共振周波数が高くなり、図１０に示す例では、比較例１の２倍以上となる。
ヤング率が３０ＭＰａの樹脂層９４を用いた際の超音波トランスデューサー９０と同じ４００ｋＨｚ前後の共振数は数を得るためには、樹脂層９４の厚みをさらに薄くする必要があり、この場合、もはや、樹脂層９４による振動抑制効果が得られない。
【００４２】
これに対して、本実施形態では、比較例１、２に示すように、第二閉塞部１２４に対して高精度なエッチング処理を行う必要がなく、第二閉塞部１２４の素材を選択するための自由度は非常に高い。
また、仮に、比較例２と同じヤング率３０００ＭＰａの樹脂により、第二閉塞部１２４を形成した場合、図１０に示すように、第二閉塞部１２４の幅ｕによらず、超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数は４００ｋＨｚ前後となる。つまり、第二閉塞部１２４の幅ｕによる共振周波数の変動を小さくできる。
さらに、本実施形態では、図９及び図１０に示すように、第二閉塞部１２４の幅ｕを増大させた際に、共振周波数が低下する。よって、開孔１１１の開口幅を変更することなく、第二閉塞部１２４の幅ｕを変更することで、所望の共振周波数及びＱ値が得られる超音波トランスデューサーＴｒを得ることができる。
【００４３】
［本実施形態の作用効果］
本実施形態では、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。この超音波デバイス１０は、第一面１１Ａ、及び第一面１１Ａとは反対の第二面１１Ｂとを有する素子基板１１と、素子基板１１の第一面１１Ａに設けられる振動板１２と、振動板１２に積層される圧電素子１３と、を備える。素子基板１１は、第一面１１Ａから第二面１１Ｂに亘って設けられた開孔１１１と、開孔１１１を囲う壁部１１２を含む。また、振動板１２は、第一面１１Ａから第二面１１Ｂに向かうＺ方向から見た際に、壁部１１２と重なり合う支持部１２１と、開孔１１１と重なり合って開孔を閉塞し、かつ、圧電素子１３が積層される閉塞部１２２と、を備える。そして、本実施形態では、支持部１２１は、第一ヤング率を有し、閉塞部１２２は、第一ヤング率を有する第一閉塞部１２３と、第一ヤング率よりも小さい第二ヤング率を有する第二閉塞部１２４とを有する。
【００４４】
このような構成では、第二閉塞部１２４の第二ヤング率が、支持部１２１及び第一閉塞部１２３の第一ヤング率よりも小さいため、第二閉塞部１２４により、閉塞部１２２の振動を抑制することができる。これにより、１つの超音波トランスデューサーＴｒから他の超音波トランスデューサーＴｒに振動が伝搬する不都合を抑制できる。この際、本実施形態では、第二閉塞部１２４の幅を増大させた際に、共振周波数が過剰に変動することがない。
また、Ｑ値を所望の値にするべく、第二閉塞部１２４の幅を増大させた場合でも、超音波トランスデューサーＴｒの共振周波数は低下する。したがって、開孔１１１の開口幅を広げる必要がない。また、逆に開孔１１１を狭くしてもよく、この場合、閉塞部１２２を振動させた際に、不要な振動モードが発生する不都合が生じない。したがって、超音波の送信時には、各超音波トランスデューサーＴｒから音圧の大きい超音波を送信することができ、超音波の受信時には、信号電圧の大きい受信信号を得ることができる。
【００４５】
さらに、比較例に示す超音波トランスデューサー９０のように、振動抑制効果を得るために樹脂層９４を設ける場合では、圧電素子１３に対して信号の入出力を行うための電極端子を露出するためのエッチング工程が必要となる。このエッチング工程において、樹脂層９４のヤング率によって、エッチング精度が変化し、例えば電極端子に樹脂層が残留する等の不都合が生じる場合があり、超音波デバイスの信頼性が低下するおそれがある。
これに対して、本実施形態では、上記のような樹脂層をエッチングする工程が不要であり、これによる超音波デバイス１０の信頼性が低下することがなく、かつ、第二閉塞部１２４として用いる素材の自由度を広げることができる。
【００４６】
本実施形態では、第二閉塞部１２４は、閉塞部１２２のうち、支持部１２１との境界に接して設けられている。
このため、閉塞部１２２が振動した際に、最も相当ひずみが大きくなる部位に第二閉塞部１２４が設けられることになり、閉塞部１２２の振動エネルギーを効果的に熱エネルギーに変換することができる。よって、閉塞部１２２の振動を効果的に抑制することができ、クロストークの発生を抑制することができる。
【００４７】
この際、第二閉塞部１２４は、上述した式（１）を満たす断面積Ｓに形成されている。
これにより、閉塞部１２２が振動した際に、もっとも相当ひずみが大きい位置に第二閉塞部１２４が設けられることになり、より効果的に閉塞部１２２の振動を抑制することができる。
【００４８】
本実施形態では、第二閉塞部１２４は、Ｚ方向から見た際に、圧電素子１３の周縁に設けられている。つまり、第二閉塞部１２４は、開孔１１１及び圧電素子１３の周縁に沿って周方向に亘って設けられている。
このため、閉塞部１２２の振動の各方向への伝搬を抑制することができる。
特に、本実施形態の超音波デバイス１０では、複数の超音波トランスデューサーＴｒがＸ方向及びＹ方向に沿ってアレイ状に配置されている。このような構成では、１つの超音波トランスデューサーＴｒの閉塞部１２２が振動した際に、その超音波トランスデューサーＴｒに対してＸ方向及びＹ方向に隣り合う他の超音波トランスデューサーＴｒがクロストークの影響を受ける可能性がある。本実施形態では、第二閉塞部１２４が圧電素子１３を囲って設けられているので、閉塞部１２２のＸ方向及びＹ方向への振動伝搬を抑制することができる。つまり、アレイ状に配置された複数の超音波トランスデューサーＴｒ間でのクロストークを効果的に抑制できる。
【００４９】
本実施形態では、第一閉塞部１２３は、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２の積層体により構成され、第二閉塞部１２４は、エラストマーにより構成されている。
ＳｉＯ２層を含む第一閉塞部１２３及び支持部１２１は、Ｓｉ基板を熱酸化処理することで容易に構成することができ、製造効率の向上を図ることができる。
また、ＳｉＯ２のヤング率は、７０ＧＰａ以上であり、第二閉塞部１２４を樹脂やゴム等のエラストマーとすることで、第二閉塞部１２４のヤング率を第一閉塞部１２３や支持部１２１よりも小さくでき、上記のような振動抑制効果を得ることができる。
【００５０】
［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。
【００５１】
［変形例１］
上記実施形態では、第二閉塞部１２４が、支持部１２１と閉塞部１２２との境界に接して設けられる構成を例示したが、これに限定されない。
例えば、第二閉塞部１２４が、支持部１２１と閉塞部１２２との境界よりも、所定寸法、圧電素子１３に近接した位置に設けられていてもよい。
また、第二閉塞部１２４が式（１）に基づいた断面積Ｓで形成される例を示したが、閉塞部１２２のうち、圧電素子１３と重ならない位置に設けられる構成とすれば、断面積Ｓが式（１）から外れていてもよく、この場合でも、一定の振動抑制効果を得ることができる。
【００５２】
［変形例２］
上記実施形態では、第二閉塞部１２４が、圧電素子１３を囲って、開孔１１１の周方向に亘ってもうけられる例を示したが、これに限定されない。
第二閉塞部１２４は、振動伝搬を抑制する方向に設けられていればよい。例えば、複数の超音波トランスデューサーＴｒを、開孔１１１の短軸方向に配置した１次元アレイ構造の超音波デバイスでは、第二閉塞部１２４を、短軸方向に関して、圧電素子１３を挟みこむ位置に設けられていればよい。同様に、複数の超音波トランスデューサーＴｒを、開孔１１１の長軸方向に沿って配置する場合では、第二閉塞部１２４を、長軸方向に関して、圧電素子１３を挟みこむ位置に設けられていればよい。
【００５３】
［変形例３］
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、Ｙ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。
【００５４】
［変形例４］
図６に示す例では、第二閉塞部１２４は、開孔１１１の開口縁から、当該開口縁と圧電素子１３との中間位置までの間に配置されている。これに対して、第二閉塞部１２４は、開孔１１１の開口縁から、圧電素子１３の周縁までに亘って設けられてもよい。
超音波トランスデューサーＴｒを駆動させると、図６に示すように、閉塞部１２２の外縁よりも内側で、かつ、当該外縁に沿った位置の相当ひずみが最も大きくなり、次に、相当ひずみが大きくなる位置は、圧電素子１３の周縁である。よって、第二閉塞部１２４が圧電素子１３の周縁まで設けられていることで、閉塞部１２２の振動エネルギーを効果的に熱エネルギーに変換することができる。
【００５５】
［変形例５］
上記実施形態では、基材である素子基板１１は、第一面１１Ａと、第一面１１Ａの反対側に設けられる第二面１１Ｂを有する構成を例示したが、これに限定されない。
例えば、基材がブロック状部材であり、第二面が、第一面に連続し、かつ、第一面に対して所定角度で交差する面であってもよい。
【符号の説明】
【００５６】
１０…超音波デバイス、１１…素子基板（基材）、１１Ａ…第一面、１１Ｂ…第二面、１２…振動板、１３…圧電素子、２０…制御部、１００…超音波装置、１１１…開孔、１１２…壁部、１２１…支持部、１２２…閉塞部、１２３…第一閉塞部、１２４…第二閉塞部、１３１…第一電極、１３２…圧電膜、１３３…第二電極、Ｓ…断面積、Ｔｒ…超音波トランスデューサー、Ｗ…開口幅、ｔ…第二閉塞部の厚み、ｕ…第二閉塞部の幅。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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