(57)【要約】【課題】圧電膜を効率よく短期間で成膜することができ、超音波センサの製造コストを下げることができる超音波センサの製造方法を提供すること。【解決手段】超音波センサとしてのキャビテーションセンサ１０は、立体的な正六角形の筒状に形成され、圧電膜１２をセンサ検出部として備える。キャビテーションセンサ１０を製造するために、先ず、成膜工程を行うことで、耐アルカリ性の金属材料からなる板状基材１１の表面１１ａに、水熱合成法によって圧電膜１２を成膜する。次いで、立体加工工程を行い、圧電膜１２が成膜された板状基材１１に細長い筋状の溝１７を形成し、その溝１７に沿って折り曲げることで立体的な多面形状に板状基材１１を加工する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の平面を有する立体的な多面形状に形成され、圧電材料からなる圧電膜をセンサ検出部として備えた超音波センサの製造方法であって、
耐アルカリ性の金属材料からなる板状基材の表面に、水熱合成法によって前記圧電膜を成膜する成膜工程と、
前記圧電膜が成膜された前記板状基材に細長い筋状の薄肉部を形成し、その薄肉部に沿って折り曲げることで前記立体的な多面形状に加工する立体加工工程と
を含むことを特徴とする超音波センサの製造方法。
【請求項２】
複数の平面を有する立体的な多面形状に形成され、圧電材料からなる圧電膜をセンサ検出部として備えた超音波センサの製造方法であって、
耐アルカリ性の金属材料からなる板状基材の表面に、水熱合成法によって前記圧電膜を成膜する成膜工程と、
前記圧電膜が成膜された前記板状基材を用いて複数のパネル状部材を形成し、前記複数のパネル状部材を支持体に貼り付けることにより、前記板状基材を前記立体的な前記多面形状に加工する立体加工工程と
を含むことを特徴とする超音波センサの製造方法。
【請求項３】
前記立体加工工程では、前記板状基材の表面に前記薄肉部としての溝を形成し、その溝に沿って屈曲加工を施すようにしたことを特徴とする請求項１に記載の超音波センサの製造方法。
【請求項４】
前記立体加工工程では、前記板状基材を切断加工することで複数のパネル状部材に個片化し、前記多面形状を有する前記支持体の各表面に前記複数のパネル状部材を貼り付けるようにしたことを特徴とする請求項２に記載の超音波センサの製造方法。
【請求項５】
前記圧電膜を成膜する前記板状基材の表面が平坦面であり、前記成膜工程の後、前記表面の反対側となる裏面側に付着された圧電材料を除去するためにその裏面を研磨する研磨工程を実施することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超音波センサの製造方法。
【請求項６】
前記多面形状が多面筒状であり、前記立体加工工程では、前記板状基材において、前記圧電膜の非形成面側となる前記裏面側に溝を形成し、前記溝を形成した裏面側が前記多面筒状の内面側となるように前記板状基材を折り曲げることを特徴とする請求項５に記載の超音波センサの製造方法。
【請求項７】
複数の平面を有する立体的な多面形状に形成され、圧電材料からなる圧電膜をセンサ検出部として備えた超音波センサであって、
耐アルカリ性の金属材料からなり、その表面に水熱合成法により前記圧電膜が成膜された板状基材を備え、
前記板状基材は、その表面に細長い筋状の薄肉部が形成されるとともに、前記立体的な多面形状となるよう前記薄肉部に沿って屈曲加工が施されていることを特徴とする超音波センサ。
【請求項８】
複数の平面を有する立体的な多面形状に形成され、圧電材料からなる圧電膜をセンサ検出部として備えた超音波センサであって、
耐アルカリ性の金属材料からなる板状基材の表面に水熱合成法によって前記圧電膜が成膜されてなる平板状の複数のパネル状部材と、
前記多面形状を有し、その表面に前記複数のパネル状部材が貼り付けられる支持体と
を備えたことを特徴とする超音波センサ。
【請求項９】
前記センサ検出部を多チャンネル化すべく前記圧電膜を分割したことを特徴とする請求項７または８に記載の超音波センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立体的な多面形状に形成され、圧電材料からなる圧電膜をセンサ検出部として有する超音波センサ及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
所定周波数域の強力な超音波を液体中に照射すると、減圧状態と加圧状態とが交互に生じ、減圧時の圧力によって液体中に気泡が生じる、キャビテーションという現象が起きる。超音波洗浄装置としては、キャビテーションの膨張及び収縮や崩壊による衝撃波を利用して、部品表面に付着した汚れを洗浄する装置が実用化されている。
【０００３】
また、半導体基板や精密部品などを洗浄する超音波洗浄装置では、キャビテーションの崩壊による衝撃波によって基板や部品の表面にダメージを与えることが懸念されるため、キャビテーションの崩壊による衝撃波を監視する必要がある。
【０００４】
従来、キャビテーションの測定用センサとしては、ハイドロホンが用いられている。ハイドロホンは、指向性が低いため、空間分解能が低く、キャビテーションの発生箇所が特定できないといった欠点がある。この問題を解決するために、円筒型のキャビテーションセンサ（超音波センサ）が開発されている（特許文献１等参照）。特許文献１に開示されている円筒型のキャビテーションセンサでは、チタン製パイプの外側表面に、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）多結晶膜からなる圧電振動層と、導電性材料からなる信号電極層と、遮音材または吸音材からなる音響アイソレータ層とが積層されている。このキャビテーションセンサによると、円筒外からの超音波の影響を受けずに、円筒内（チタン製のパイプ内）のみでキャビテーションの測定が可能となり、空間分解能が高められる。さらに、機械的強度が強いチタン製パイプが圧電振動層の内側に配置されるため、キャビテーションの崩壊による衝撃波から圧電振動層や信号電極層を守ることができる。このため、キャビテーションセンサを長期間使用しても、圧電振動層や信号電極層が破壊されることなく、キャビテーションの測定を確実に行うことが可能となる。
【０００５】
ところで、特許文献１のキャビテーションセンサにおいて、チタン製パイプの外側表面には、ＰＺＴ多結晶膜が成膜されている。具体的には、耐圧密閉容器中に、強アルカリ水溶液に原料物質を溶解させた原料溶液を入れるとともに、その原料溶液を攪拌するペラにチタン製パイプを装着する。その後、耐圧密閉容器内を加圧するとともに１３０℃〜１８０℃の温度で２０時間程度加熱する。このとき、耐圧密閉容器内の原料溶液中でペラとともにチタン製パイプを回転させることで、チタン製パイプの表面にて水熱合成の反応が進み、ＰＺＴ多結晶膜が成膜される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２１０４４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のようにチタン製パイプの外側表面にＰＺＴ多結晶膜を成膜する場合、原料溶液に流れを与えることで成膜が進行する。このため、チタン製パイプの全周に均一な厚さのＰＺＴ多結晶膜を成膜するには、チタン製パイプの装着時の向きをペラの回転方向の前側と後側とで切り換えて、ＰＺＴ多結晶膜の成膜を行う必要がある。また、チタン製パイプの装着方向を変更するためにそのパイプを装着し直す際には、耐圧密閉容器内の原料溶液も新たな溶液に入れ換える必要がある。さらに、キャビテーションセンサにおいて十分な検出感度を確保するためには、数十μｍの厚さのＰＺＴ多結晶膜が必要となるが、上述した２０時間の水熱合成によって成膜されるＰＺＴ多結晶膜の厚さは数μｍ程度である。このようなことから、特許文献１のキャビテーションセンサを作るために比較的長い製造期間（例えば、２週間程度の期間）が必要となり、製造コストが高くなってしまう。
【０００８】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧電膜を効率よく成膜することができ、製造コストを下げることができる超音波センサの製造方法を提供することにある。また、別の目的は、低コストで製造することができる超音波センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、複数の平面を有する立体的な多面形状に形成され、圧電材料からなる圧電膜をセンサ検出部として備えた超音波センサの製造方法であって、耐アルカリ性の金属材料からなる板状基材の表面に、水熱合成法によって前記圧電膜を成膜する成膜工程と、前記圧電膜が成膜された前記板状基材に細長い筋状の薄肉部を形成し、その薄肉部に沿って折り曲げることで前記立体的な多面形状に加工する立体加工工程とを含むことを特徴とする超音波センサの製造方法をその要旨とする。
【００１０】
請求項１に記載の発明によると、水熱合成法による成膜工程において、従来のようにパイプ材の表面に成膜するのではなく、板状基材の表面に圧電膜が成膜される。この場合、パイプ材のように装着方向を切り換える必要がなく、板状基材の表面に効率よく短期間で圧電膜を成膜することができる。その後、立体加工工程では、圧電膜を成膜した板状基材に細長い筋状の薄肉部が形成され、その薄肉部に沿って板状基材が折り曲げられる。この結果、板状基材が立体的な多面形状に加工されて超音波センサが製造される。このように、本発明の製造方法によると、センサ検出部として機能する圧電膜を効率よく短期間で成膜することができるため、超音波センサの製造コストを下げることができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、複数の平面を有する立体的な多面形状に形成され、圧電材料からなる圧電膜をセンサ検出部として備えた超音波センサの製造方法であって、耐アルカリ性の金属材料からなる板状基材の表面に、水熱合成法によって前記圧電膜を成膜する成膜工程と、前記圧電膜が成膜された前記板状基材を用いて複数のパネル状部材を形成し、前記複数のパネル状部材を支持体に貼り付けることにより、前記板状基材を前記立体的な前記多面形状に加工する立体加工工程とを含むことを特徴とする超音波センサの製造方法をその要旨とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明によると、水熱合成法による成膜工程において、従来のようにパイプ材の表面に成膜するのではなく、板状基材の表面に圧電膜が成膜される。この場合、パイプ材のように装着方向を切り換える必要がなく、板状基材の表面に効率よく短期間で圧電膜を成膜することができる。その後、立体加工工程では、圧電膜が成膜された板状基材を用いて複数のパネル状部材が形成され、それらパネル状部材が支持体に貼り付けられる。この結果、板状基材が立体的な多面形状に加工されて超音波センサが製造される。このように、本発明の製造方法によると、センサ検出部として機能する圧電膜を効率よく短期間で成膜することができるため、超音波センサの製造コストを下げることができる。また、本発明では、複数のパネル状部材における圧電膜をそれぞれ音響的に独立した形で配置させることができる。従って、センサ検出部を多チャンネル化した超音波センサを低コストで製造することが可能となる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１において、前記立体加工工程では、前記板状基材の表面に前記薄肉部としての溝を形成し、その溝に沿って屈曲加工を施すようにしたことをその要旨とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明によると、板状基材を立体的な多面形状に容易に加工することができ、超音波センサの製造コストを下げることができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項２において、前記立体加工工程では、前記板状基材を切断加工することで複数のパネル状部材に個片化し、前記多面形状を有する前記支持体の各表面に前記複数のパネル状部材を貼り付けるようにしたことをその要旨とする。
【００１６】
請求項４に記載の発明によると、板状基材が切断加工されることで複数のパネル状部材に個片化されるので、複数のパネル状部材を容易に形成することができる。そして、多面形状を有する支持体の各表面にそれらパネル状部材を貼り付けることで、立体的な多面形状を有する超音波センサを低コストで製造することができる。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかにおいて、前記圧電膜を成膜する前記板状基材の表面が平坦面であり、前記成膜工程の後、前記表面の反対側となる裏面側に付着された圧電材料を除去するためにその裏面を研磨する研磨工程を実施することをその要旨とする。
【００１８】
請求項５に記載の発明によると、板状基材の表面が平坦面であるため、成膜工程において、均一な厚さの圧電膜を効率よく確実に形成することができる。そして、研磨工程では、板状基材の裏面が研磨され、その裏面側に付着された圧電材料が除去される。このようにすると、板状基材の表面に圧電膜を確実に形成することができる。そして、その板状基材の裏面側を露出させた状態で板状基材を立体的に加工すると、板状基材が保護部材として機能し、センサ使用時において、キャビテーションの崩壊による衝撃波等から圧電膜を保護することができる。またこの場合、板状基材の裏面側に圧電材料が付着していると、超音波が伝搬する液体中において、衝撃波により圧電材料が剥がれて不純物として拡散することが懸念されるが、研磨工程で板状基材の裏面の圧電材料が除去されることでその問題を回避することができる。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、請求項５において、前記多面形状が多面筒状であり、前記立体加工工程では、前記板状基材において、前記圧電膜の非形成面側となる前記裏面側に溝を形成し、前記溝を形成した裏面側が前記多面筒状の内面側となるように前記板状基材を折り曲げることをその要旨とする。
【００２０】
請求項６に記載の発明によると、板状基材の裏面側に溝が形成され、その裏面側を内側として板状基材を折り曲げることにより、多面筒状に加工される。ここで、溝のある裏面側を外側として板状基材を折り曲げる場合、その溝を基点として応力が集中して板状基材が破断し易くなる。これに対して、本発明では、溝が形成された裏面側を内側として板状基材を折り曲げることにより、板状基材の破断を回避することができる。また、この超音波センサでは、板状部材における圧電膜の非形成面が内側に露出した形となり、板状基材を保護部材として機能させることができる。さらに、超音波センサを多面筒状に形成すると、従来の円筒型のキャビテーションセンサと類似した特性の共振モードを得ることができ、そのキャビテーションセンサと同様の感度で、キャビテーションを検出することが可能となる。
【００２１】
請求項７に記載の発明は、複数の平面を有する立体的な多面形状に形成され、圧電材料からなる圧電膜をセンサ検出部として備えた超音波センサであって、耐アルカリ性の金属材料からなり、その表面に水熱合成法により前記圧電膜が成膜された板状基材を備え、前記板状基材は、その表面に細長い筋状の薄肉部が形成されるとともに、前記立体的な多面形状となるよう前記薄肉部に沿って屈曲加工が施されていることを特徴とする超音波センサをその要旨とする。
【００２２】
請求項７に記載の発明の超音波センサでは、水熱合成法によって圧電膜が成膜された板状基材の表面に細長い筋状の薄肉部が形成されており、その薄肉部に沿って屈曲加工が施されることで板状基材が立体的な多面形状に加工される。本発明の超音波センサでは、従来の超音波センサのようにパイプ材の表面に圧電膜を成膜する場合と比較して、効率よく短期間で圧電膜を成膜することができるため、製造コストを下げることができる。
【００２３】
請求項８に記載の発明は、複数の平面を有する立体的な多面形状に形成され、圧電材料からなる圧電膜をセンサ検出部として備えた超音波センサであって、耐アルカリ性の金属材料からなる板状基材の表面に水熱合成法によって前記圧電膜が成膜されてなる平板状の複数のパネル状部材と、前記多面形状を有し、その表面に前記複数のパネル状部材が貼り付けられる支持体とを備えたことを特徴とする超音波センサをその要旨とする。
【００２４】
請求項８に記載の発明では、水熱合成法によって板状基材の表面に圧電膜が成膜されることで平板状の複数のパネル状部材が形成されている。そして、それらパネル状部材が多面形状を有する支持体の表面に貼り付けられることで超音波センサが構成されている。本発明の超音波センサでも、従来の超音波センサのようにパイプ材の表面に圧電膜を成膜する場合と比較して、効率よく短期間で圧電膜を成膜することができるため、製造コストを下げることができる。
【００２５】
請求項９に記載の発明は、請求項７または８において、前記センサ検出部を多チャンネル化すべく前記圧電膜を分割したことをその要旨とする。
【００２６】
請求項９に記載の発明によると、センサ検出部を多チャンネル化したキャビテーションセンサを低コストで製造することが可能となる。また、センサ検出部を多チャンネル化することにより、キャビテーションの発生場所を特定することができる。
【００２７】
なお、本発明において、「立体的な多面形状」とは、複数の平面を有する立体的な形状であればよく、多面体のように閉じた形状に限定されるものではない。例えば、板状基材を立体的に折り曲げてその端部が閉じられていない多面形状であってもよい。
【発明の効果】
【００２８】
以上詳述したように、請求項１〜６に記載の発明によると、圧電膜を効率よく成膜することができ、超音波センサの製造コストを下げることができる超音波センサの製造方法を提供することができる。また、請求項７〜９に記載の発明によると、低コストで製造することができる超音波センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】第１の実施の形態のキャビテーションセンサを示す横断面図。
【図２】第１の実施の形態のキャビテーションセンサを示す縦断面図。
【図３】キャビテーションセンサの製造方法の成膜工程を示す説明図。
【図４】キャビテーションセンサの製造方法の立体加工工程を示す説明図。
【図５】キャビテーションセンサの製造方法の立体加工工程を示す説明図。
【図６】第２の実施の形態のキャビテーションセンサを示す横断面図。
【図７】第２の実施の形態のキャビテーションセンサを示す縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
［第１の実施の形態］
以下、本発明を超音波センサとしてのキャビテーションセンサに具体化した第１の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００３１】
図１は、本実施の形態のキャビテーションセンサ１０を水平方向に切断した横断面図であり、図２は、そのキャビテーションセンサ１０を垂直方向に切断した縦断面図である。キャビテーションセンサ１０は、例えば超音波洗浄装置において、洗浄液中におけるキャビテーションの発生を検出するために用いられる小型の超音波センサである。このキャビテーションセンサ１０の検出結果に基づいて、超音波洗浄装置における超音波の出力を制御することにより、キャビテーションが発生しない状態で超音波洗浄を効率よく確実に行うことが可能となる。
【００３２】
以下、本実施の形態のキャビテーションセンサ１０の構成について詳述する。図１及び図２に示されるように、キャビテーションセンサ１０は、正六角形の筒状（中空部を有する正六角柱形状）であり、内面及び外面に六つの平面を有している。キャビテーションセンサ１０のサイズは、幅が１８ｍｍ程度、高さが６ｍｍ程度である。
【００３３】
キャビテーションセンサ１０は、耐アルカリ性に優れた金属材料（具体的には、チタン）からなる板状基材１１と、板状基材１１の表面１１ａに成膜される圧電膜１２と、圧電膜１２の表面１２ａに形成される電極層１３と、電極層１３の表面１３ａを覆うように形成される音響アイソレータ層１４と、その音響アイソレータ層１４を被覆するシールド層１５とを備える。
【００３４】
板状基材１１は、厚さが５０μｍ程度、幅が６ｍｍ程度、長さが６０ｍｍ程度であり、正六角形の筒状に折り曲げることで立体的に加工されている。より詳しくは、板状基材１１において圧電膜１２の非形成面１１ｂ側（図１では内側）に溝１７が形成されており、その溝１７に沿って板状基材１１が折り曲げられている。また、板状基材１１の端部１１ｃにおいて、正六角形の１辺に相当する長さ分だけ重ね合わされて配置されている。その板状基材１１において、重ね合わせた端部１１ｃの間に接着層１８を介在させることにより、各端部１１ｃが接着固定されている。
【００３５】
圧電膜１２は、水熱合成法によって成膜されるＰＺＴ多結晶膜（チタン酸ジルコン酸鉛の多結晶膜）からなり、その厚さは１６μｍ程度である。なお、圧電膜１２としては、ＰＺＴ多結晶膜以外の多結晶膜を用いてもよい。
【００３６】
電極層１３は、圧電膜１２の表面１２ａに対して導電性塗料などを吹き付けること、あるいはスパッタ、蒸着などの方法で形成され、その厚さは数μｍ〜数１００μ程度である。なお、導電性塗料としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド、ポリベンズイミダゾール、ビスマレイミド、ポリフェニルキノキサリンなどのバインダーに、銀、金、白金、銅、ニッケルのような金属の粉末を混合した材料が用いられる。
【００３７】
音響アイソレータ層１４は、遮音材または吸音材からなり、センサの外周面から入り込む音を遮音したり吸音したりする。音響アイソレータ層１４の形成材としては、中空のガラスビーズやプラスチックビーズを充填したゴム又は発泡ポリウレタン、発泡スチレンのような独立気泡をもつプラスチック発泡体などが用いられる。
【００３８】
シールド層１５は、センサの最表層側に設けられている。シールド層１５は、銅箔などの金属箔を用いて形成されており、センサ外部から入り込む電気的なノイズを遮断する。
【００３９】
上記のように構成されたキャビテーションセンサ１０において、板状基材１１は接地電極としての役割を果たし、その板状基材１１の上端側にはグランド線２１（図２参照）が接続されている。また、キャビテーションセンサ１０の電極層１３の上端側には信号線２２が接続されている。これらグランド線２１及び信号線２２は同軸ケーブル（図示略）に接続されており、センサ検出信号がそのケーブルを介して制御装置（図示略）に取り込まれるように構成されている。
【００４０】
次に、本実施の形態のキャビテーションセンサ１０の製造方法を説明する。
【００４１】
チタンからなる厚さが５０μｍの平板状の板状基材１１を準備する。なお、この板状基材１１の表面は平坦面である。次いで、板状基材１１の表面１１ａに、水熱合成法によって圧電膜１２を成膜する成膜工程を実施する。具体的には、耐圧密閉容器中に、強アルカリ水溶液に原料物質を溶解させた原料溶液を入れるとともに、その原料溶液を攪拌するペラに板状基材１１を装着する。ここでは、原料物質としてＺｒイオンを含んだ物質及びＰｂイオンを含んだ物質の水溶液を強アルカリ水溶液に溶解し、さらに酸化チタンや四塩化チタンなどのチタンを含む物質を添加して原料溶液とする。その後、耐圧密閉容器内を加圧するとともに１３０℃〜１８０℃の温度で２０時間程度加熱する。このとき、耐圧密閉容器内の原料溶液中でペラとともに板状基材１１を回転させることで、板状基材１１の表面１１ａにてＰＺＴ多結晶の水熱合成が行われる。この水熱合成では、下記の化学式（１）に従って反応が進み、板状基材１１の表面１１ａに圧電膜１２としてのＰＺＴ多結晶膜が成膜されていく。
【化１】
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【００４２】
この際、Ｔｉ４＋イオンは、チタン製の板状基材１１が溶出することにより供給される。なお、鉱化剤としては、４Ｍ濃度の水酸化カリウム水溶液が用いられる。また、ＰＺＴ多結晶膜について十分な膜厚（本実施の形態では１６μｍ）を確保するために、耐圧密閉容器内の原料溶液を入れ替えつつ上述した成膜工程を複数回（例えば、５回程度）行うようにしている。
【００４３】
成膜工程を行うと、板状基材１１において圧電膜１２を成膜した表面１１ａの反対側となる裏面１１ｂ側にも圧電材料が付着する（図３参照）。このため、本実施の形態では、板状基材１１の裏面１１ｂ側に付着された圧電材料を除去するためにその裏面１１ｂを研磨する（研磨工程）。研磨工程では、例えばサンドペーパなどを用いて板状基材１１の裏面１１ｂを研磨する。そして、板状基材１１をセンササイズに応じた所定形状（例えば、幅６ｍｍ、長さ６０ｍｍの帯状）に切断する。
【００４４】
その後、板状基材１１を立体的な多面形状に加工する立体加工工程を行う。この立体加工工程において、先ず、ダイシング加工装置を用いて板状基材１１の裏面１１ｂに細長い筋状の溝（薄肉部）を形成する。具体的には、載置面として平坦なガラス面を有する固定台上に、裏面１１ｂ側（圧電膜１２の非形成面側）を上方に向けた状態で板状基材１１を貼り付け固定する。そして、ダイシングブレードによって溝入れ加工を行い、図４に示すように板状基材１１の裏面１１ｂに溝１７を形成する。この板状基材１１の裏面１１ｂにおいて、正六角形の各辺に対応する間隔をおいて６本の溝１７がそれぞれ並行に形成される。なお、溝１７の幅は、例えば０．３ｍｍ程度、溝１７の深さは、例えば２０μｍ程度である。
【００４５】
さらに、板状基材１１の裏面１１ｂ側が多角形筒状の内側となるように各溝１７に沿って屈曲加工を行い、板状基材１１を折り曲げる。その後、板状基材１１の端部１１ｃにおいて正六角形の１辺に相当する長さ分だけ重ね合わせるとともに、その重ね合わせた端部１１ｃを接着層１８を介して接着固定する（図５参照）。このようにして、板状基材１１を立体的な正六角形の筒状に加工する。この筒状の板状基材１１において、外側となる表面１１ａには圧電膜１２（ＰＺＴ多結晶膜）が露出した状態となる。
【００４６】
次に、板状基材１１における圧電膜１２の表面１２ａに、導電性樹脂塗料をスプレーにより吹き付けることで電極層１３を形成する（電極層形成工程）。そして、板状基材１１における圧電膜１２及び電極層１３の周囲に、接着剤等を用いて音響アイソレータ層１４を取り付ける（アイソレータ層形成工程）。その後、音響アイソレータ層１４を被覆するようにシールド層１５を設ける（シールド層形成工程）。さらに、板状基材１１の上端側にグランド線２１を接続するとともに電極層１３の上端側に信号線２２を接続する。なおここで、グランド線２１及び信号線２２は、はんだまたは溶接等によって接続される。以上の工程を経て、図１及び図２に示すキャビテーションセンサ１０が製造される。
【００４７】
従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。
【００４８】
（１）本実施の形態では、水熱合成法による成膜工程において、従来のようにパイプ材の表面に成膜するのではなく、板状基材１１の表面１１ａに圧電膜１２が成膜される。この場合、パイプ材のように装着方向を切り換える必要がなく、板状基材１１の表面１１ａに効率よく短期間で圧電膜１２を成膜することができる。その後、立体加工工程では、圧電膜１２を成膜した板状基材１１に細長い筋状の溝１７が形成され、その溝１７に沿って板状基材１１が折り曲げられる。この結果、板状基材１１が立体的な多面形状に加工されてキャビテーションセンサ１０が製造される。このように、本発明の製造方法によると、センサ検出部として機能する圧電膜１２を効率よく短期間で成膜することができる。また、溝１７に沿って板状基材１１を折り曲げることで、板状基材１１を立体的な多面形状に容易に加工することができる。このため、キャビテーションセンサ１０の製造コストを下げることができる。さらに、本発明のキャビテーションセンサ１０は、板状基材１１を多面形状に折り曲げることで製造されるため、部品点数の増加を抑えることができる。
【００４９】
（２）本実施の形態では、板状基材１１の表面１１ａが平坦面であるため、成膜工程において、均一な厚さの圧電膜１２を効率よく確実に形成することができる。そして、研磨工程では、板状基材１１の裏面１１ｂが研磨され、その裏面１１ｂ側に付着された圧電材料が除去される。このようにすると、板状基材１１の表面１１ａに圧電膜１２を確実に形成することができる。そして、その板状基材１１の裏面１１ｂ側を露出させた状態で板状基材１１を立体的に加工すると、板状基材１１が保護部材として機能し、センサ使用時において、キャビテーションの崩壊による衝撃波等から圧電膜１２を保護することができる。またこの場合、板状基材１１の裏面１１ｂ側に圧電材料が付着していると、洗浄液中において衝撃波により圧電材料が剥がれて不純物として拡散することが懸念されるが、研磨工程で板状基材１１の裏面１１ｂの圧電材料が除去されることでその問題を回避することができる。
【００５０】
（３）本実施の形態では、板状基材１１の裏面１１ｂ側に溝１７が形成され、その裏面１１ｂ側を内側として板状基材１１を折り曲げることにより、正六角形の筒状に加工される。ここで、溝１７のある裏面１１ｂ側を外側として板状基材を折り曲げる場合、その溝１７を基点として応力が集中して板状基材１１が破断し易くなる。これに対して、本発明では、溝１７が形成された裏面１１ｂ側を内側として板状基材１１を折り曲げることにより、板状基材１１の破断を回避することができる。さらに、キャビテーションセンサ１０を正六角形の筒状に形成すると、従来の円筒型のキャビテーションセンサと類似した特性の共振モードを得ることができ、そのキャビテーションセンサと同様の感度で、キャビテーションを検出することが可能となる。
【００５１】
（４）本実施の形態において、立体加工工程では、板状基材１１の端部１１ｃにおいて正六角形の１辺に相当する長さ分だけ重ね合わせるとともに、その重ね合わせた端部１１ｃが接着層１８を介して接着固定されている。このようにすると、キャビテーションセンサ１０を正六角形の筒状に保持することができ、キャビテーションを安定して検出することができる。
【００５２】
（５）本実施の形態では、チタン製の板状基材１１の表面１１ａに、圧電膜１２としてのＰＺＴ多結晶膜が成膜される。このＰＺＴ多結晶膜は、圧電特性に優れるため、キャビテーションセンサ１０の検出感度を十分に高めることができる。
［第２の実施の形態］
【００５３】
次に、本発明を具体化した第２の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００５４】
本実施の形態のキャビテーションセンサ１０Ａは、センサ検出部を多チャンネル化した超音波センサであり、センサ検出部として機能する圧電膜１２がアレイ状に分割されている。
【００５５】
図６及び図７に示されるように、本実施の形態のキャビテーションセンサ１０Ａも、上記第１の実施の形態と同様に正六角形の筒状を有している。キャビテーションセンサ１０Ａにおいて、センサ検出部としての圧電膜１２は、正六角形における６つの辺に対応した６分割と上下の２分割とによって、１２分割されている。
【００５６】
具体的には、本実施の形態のキャビテーションセンサ１０Ａは、正六角柱形状の中空部が形成された筒状の支持体３０と、支持体３０の内面に貼り付け固定される複数のパネル状部材３１とを備える。パネル状部材３１は、板状基材１１と、板状基材１１の表面１１ａに形成された圧電膜１２と、圧電膜１２の表面１２ａに形成される電極層１３とから構成されている。第１の実施の形態と同様に、板状基材１１は、チタンからなるチタン製の基材である。圧電膜１２は、水熱合成法によって成膜されるＰＺＴ多結晶膜からなる。電極層１３は、圧電膜１２の表面１２ａに対して導電性塗料を吹き付けることで形成される。
【００５７】
各パネル状部材３１は、支持体３０の内面に所定の間隔をあけて接着固定されている。また、支持体３０の内面側において、各パネル状部材３１の間に形成される隙間には、例えばフッ素系樹脂などからなる樹脂絶縁材３３が充填されている。本実施の形態において、支持体３０は、遮音材または吸音材からなり、各パネル状部材３１を固定する機能に加えて、音響アイソレータ層としての機能を有している。さらに、支持体３０の外面には、銅箔などからなるシールド層１５が形成されている。
【００５８】
支持体３０の内面における上端及び下端には、コネクタ部３５が突設されており、コネクタ部３５には、各パネル状部材３１における板状部材１１に接続されるグランド電極３６が設けられている。また、支持体３０の内面には、各パネル状部材３１の電極層１３に接続される複数の信号電極３７が各パネル状部材３１に対応してその固定位置の中心部分に設けられている。
【００５９】
支持体３０の内部には、グランド用配線３８及び信号電極用配線３９が埋設されている。支持体３０において、各パネル状部材３１の板状部材１１は、グランド電極３６及びグランド用配線３８を介してセンサ外部のグランド線２１に接続される。また、各パネル状部材３１の電極層１３は、信号電極３７及び信号電極用配線３９を介してセンサ外部の信号線２２に接続されている。
【００６０】
次に、本実施の形態のキャビテーションセンサ１０Ａの製造方法を説明する。
【００６１】
本実施の形態でも、第１の実施の形態と同様に、チタンからなる板状基材１１に対して成膜工程を行うことで板状基材１１の表面１１ａに圧電膜１２としてのＰＺＴ多結晶膜を成膜する。その後、研磨工程を行って板状基材１１の裏面１１ｂを研磨して裏面１１ｂ側に付着された圧電材料を除去する。そして、板状基材１１における圧電膜１２の表面１２ａに、導電性樹脂塗料をスプレーにより吹き付けることで電極層１３を形成する。
【００６２】
次に、立体加工工程において、圧電膜１２及び電極層１３を形成した板状基材１１を所定サイズに切断することで、複数のパネル状部材３１に個片化する。そして、支持体３０の内面に各パネル状部材３１の電極層１３側を導電性接着剤等を用いて接着することで、支持体３０の各信号電極３７にパネル状部材３１の電極層１３を接続する。このようにして、板状基材１１を立体的な正六角形の筒状に加工する。
【００６３】
その後、支持体３０のグランド電極３６に各パネル状部材３１の板状基材１１をはんだまたは溶接によって接続する。また、支持体３０の内面側において、各パネル状部材３１の隙間に樹脂絶縁材３３を充填して、各パネル状部材３１の側面にて露出している圧電膜１２や電極層１３を被覆する。さらに、支持体３０のグランド用配線３８及び信号電極用配線３９にグランド線２１及び信号線２２を接続することで、図６及び図７に示すキャビテーションセンサ１０Ａが製造される。
【００６４】
従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。
【００６５】
（１）本実施の形態では、水熱合成法による成膜工程において、従来のようにパイプ材の表面に成膜するのではなく、板状基材１１の表面１１ａに圧電膜１２が成膜される。この場合、パイプ材のように装着方向を切り換える必要がなく、板状基材１１の表面１１ａに効率よく短期間で圧電膜１２を成膜することができる。その後、立体加工工程では、圧電膜１２が成膜された板状基材１１を用いて複数のパネル状部材３１が形成され、それらパネル状部材３１が支持体３０に貼り付けられる。この結果、板状基材１１が立体的な多面形状に加工されてキャビテーションセンサ１０Ａが製造される。このように、本発明の製造方法によると、センサ検出部として機能する圧電膜１２を効率よく短期間で成膜することができるため、キャビテーションセンサ１０Ａの製造コストを下げることができる。また、板状基材１１が複数のパネル状部材３１に分割されているので、複数のパネル状部材３１における圧電膜１２をそれぞれ音響的に独立した形で配置させることができる。従って、本発明によれば、センサ検出部を多チャンネル化したキャビテーションセンサ１０Ａを低コストで製造することが可能となる。
【００６６】
（２）本実施の形態では、板状基材１１が切断加工されることで複数のパネル状部材３１に個片化されるので、複数のパネル状部材３１を容易に形成することができる。そして、正六角形の筒状を有する支持体３０の各表面にそれらパネル状部材３１を貼り付けることで、立体的な多面形状を有するキャビテーションセンサ１０Ａを低コストで製造することができる。
【００６７】
（３）本実施の形態のキャビテーションセンサ１０Ａは、センサ検出部を多チャンネル化したセンサであるので、キャビテーションの発生場所を特定することができる。また、このキャビテーションセンサ１０Ａを用いれば、キャビテーションの発生頻度や分布の情報を得ることが可能となる。
【００６８】
なお、本発明の各実施の形態は以下のように変更してもよい。
【００６９】
・上記各実施の形態のキャビテーションセンサ１０，１０Ａは、超音波洗浄機における洗浄液中のキャビテーションの発生を検出するセンサであったが、これに限定されるものではない。例えば、超音波を照射して処理液体中にキャビテーションを発生させて化学反応を行う超音波処理装置、或いは化学反応以外の処理（分散、乳化、混合、攪拌、破砕、抽出、結晶成長促進、環境浄化、殺菌、超音波治療など）を行う超音波処理装置等に上記各実施の形態のキャビテーションセンサ１０を使用してもよい。
【００７０】
また、キャビテーションセンサ１０，１０Ａのサイズは、使用される超音波処理装置の種類に応じて適宜変更することができる。具体的には、例えば幅が４．５ｍｍ、高さが１ｍｍのサイズのキャビテーションセンサを製造してもよい。このようにキャビテーションセンサを小型化することで、処理槽における隅部などの狭いスペースで発生したキャビテーションを確実に検出することが可能となる。
【００７１】
・上記各実施の形態では、キャビテーションの発生を検出するキャビテーションセンサ１０，１０Ａに具体化していたが、キャビテーションセンサ１０，１０Ａ以外に、液体中を伝搬する超音波を検出するための超音波センサに本発明を適用してもよい。また、キャビテーションセンサ１０，１０Ａは、正六角形の筒状（中空部を有する正六角柱形状）であったが、それ以外の多面形状の超音波センサに本発明を具体化してもよい。勿論、超音波センサの形状としては、複数の平面を有する立体的な形状であれば、上記実施の形態のような角柱形状に限定されるものではなく、例えば三角錐形状や四角錐形状などの多面形状としてもよい。
【００７２】
・上記第１の実施の形態のキャビテーションセンサ１０において、板状基材１１の端部１１ｃが接着固定されていたが、各端部１１ｃを固定しない非接触の状態で設けてもよい。また、板状基材１１を蛇腹状や渦巻き状に折り曲げ、端部１１ｃを固定しない状態で、キャビテーションセンサを構成してもよい。さらに、コ字状に折り曲げた一対の板状基材１１を対向配置させてキャビテーションセンサを構成してもよい。さらには、板状基材１１を略湾曲状に折り曲げてラインフォーカス型の超音波サンサを構成してもよい。
【００７３】
・上記各実施の形態において、キャビテーションセンサ１０，１０Ａの内側にて発生したキャビテーションを検出するものであったが、これに限定されるものではない。板状基材１１の内側に圧電膜１２が配置されるように板状基材１１を加工し、センサ外側で発生したキャビテーションを検出するようキャビテーションセンサを製造してもよい。
【００７４】
・上記各実施の形態では、板状基材１１の表面１１ａ側のみに圧電膜１２を成膜していたが、これに限定されるものではない。板状基材１１の表面１１ａ及び裏面１１ｂの両面に圧電膜１２を成膜し、その板状基材１１を用いて超音波センサを製造してもよい。なおこの場合、圧電膜１２の表面に機械的強度が大きい保護膜を形成し、その保護膜によって圧電膜１２を保護するようにして超音波センサを形成する。
【００７５】
・上記第１の実施の形態では、立体加工工程において、板状基材１１の裏面１１ｂに溝１７（薄肉部）を形成し、その溝１７に沿って折り曲げ加工を行うものであったが、これに限定されるものではない。立体加工工程において、例えば折り曲げ用の型に板状基材１１を押し当てることで折り曲げ加工を行い、立体的な多面形状のキャビテーションセンサを製造してもよい。
【００７６】
・上記第２の実施の形態のキャビテーションセンサ１０Ａでは、センサ検出部を多チャンネル化すべく圧電膜１２を１２分割するものであったが、これに限定されるものではなく、圧電膜１２の分割数は適宜変更してもよい。例えば、上記実施の形態のようにキャビテーションセンサが六角柱形状である場合、６つの平面毎に圧電膜１２を分割してもよい。また、キャビテーションセンサ１０Ａでは、１つの平面において圧電膜１２を上下に２分割していたが、左右に２分割してもよい。さらに、各平面における圧電膜１２の分割数を３分割以上に変更してもよい。また、圧電膜１２を複数チャンネルに分割するための溝（隙間）について、各平面における辺と平行に設けてもよいし、対角線上に斜めに設けてもよい。
【００７７】
・上記各実施の形態では、チタン製の板状基材１１を用いてキャビテーションセンサ１０，１０Ａを製造していたが、板状基材１１としては、チタン以外に、インコネル（商標名）、タンタル、白金などの他の金属材料を用いてもよい。
【００７８】
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した各実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。
【００７９】
（１）請求項１乃至６のいずれか１項において、前記板状基材がチタンからなる板材であり、前記圧電膜がＰＺＴ多結晶膜であることを特徴とする超音波センサの製造方法。
【００８０】
（２）請求項１乃至６のいずれか１項において、前記超音波センサは、液体中に超音波を照射して処理を行う超音波処理装置に用いられ、前記液体中にて発生するキャビテーションを検出するキャビテーションセンサであることを特徴とする超音波センサの製造方法。
【００８１】
（３）請求項１において、前記立体加工工程の後に、前記圧電膜の表面上に導電性材料からなる電極層を形成する電極層形成工程と、前記電極層の表面に、遮音材または吸音材からなる音響アイソレータ層を形成するアイソレータ層形成工程とを実施することを特徴とする超音波センサの製造方法。
【００８２】
（４）請求項６において、前記立体加工工程では、前記板状基材の端部において前記多面筒状の１辺に相当する長さ分だけ重ね合わせるとともに、その重ね合わせた端部を接合して固定することを特徴とする超音波センサの製造方法。
【００８３】
（５）技術的思想（４）において、前記多面筒状となるよう屈曲加工が施された前記板状基材の端部が接着層を介して固定されることを特徴とする超音波センサの製造方法。
【００８４】
（６）請求項７または８において、前記板状基材の厚さが１００μｍ以下であり、前記圧電膜が１０μｍ以上であることを特徴とする超音波センサ。
【００８５】
（７）請求項９において、前記多面形状を形成する前記複数の平面毎に、前記圧電膜を分割したことを特徴とする超音波センサ。
【００８６】
（８）技術的思想（７）において、１つの前記平面に形成される前記圧電膜を複数に分割したことを特徴とする超音波センサ。
【符号の説明】
【００８７】
１０，１０Ａ…超音波センサとしてのキャビテーションセンサ
１１…板状基材
１１ａ…板状基材の表面
１１ｂ…板状基材の裏面
１２…圧電膜
１３…電極層
１７…薄肉部としての溝
３０…支持体
３１…パネル状部材
【図１】
2014228287.tif 000004
【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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