(57)【要約】【課題】送信用圧電素子及び受信用圧電素子の集積度を上げることが可能な圧電センサー及び圧電デバイスを提供する。【解決手段】圧電センサーの開口部１８のそれぞれ一の開口部１８に対向する振動板５０上に、送信用圧電素子１７ａ及び受信用圧電素子１７ｂ１，１７ｂ２が配置され、開口部１８に対向する振動板５０に対して鉛直方向に外力を印加し、振動板５０の応力の最大値である最大主応力となる領域を第１領域とし、振動板５０の応力の最小値である最小主応力となる領域を第２領域としたときに、第１領域に受信用圧電素子１７ｂ１，１７ｂ２が配置され、第２領域に送信用圧電素子１７ａが配置されている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さ方向に開口した開口部を有する基板と、前記開口部を塞ぐ振動板と、送信用の送信用圧電素子と、受信用の受信用圧電素子とを具備する圧電センサーであって、
前記開口部のそれぞれ一の開口部に対向する前記振動板上に、前記送信用圧電素子及び前記受信用圧電素子が配置され、
前記開口部に対向する前記振動板に対して鉛直方向に外力を印加し、前記振動板の応力の最大値である最大主応力となる領域を第１領域とし、前記振動板の応力の最小値である最小主応力となる領域を第２領域としたときに、前記第１領域に前記受信用圧電素子が配置され、前記第２領域に前記送信用圧電素子が配置されていることを特徴とする圧電センサー。
【請求項２】
前記第１領域は、前記開口部に対向する前記振動板の周縁部に対向する領域であり、
前記第２領域は、前記開口部に対向する前記振動板の中心部であることを特徴とする請求項１に記載の圧電センサー。
【請求項３】
前記受信用圧電素子は、第１受信用圧電素子と第２受信用圧電素子とから構成され、
前記第１受信用圧電素子及び前記第２受信用圧電素子は、前記開口部に対向する前記振動板の前記周縁部の第１の方向又は第２の方向に対向する領域にそれぞれ配置され、
前記送信用圧電素子は、前記第１受信用圧電素子と前記第２受信用圧電素子との間に、互いに接触しないように離間して配置されていることを特徴とする請求項２に記載の圧電センサー。
【請求項４】
前記一の開口部に対向する前記振動板上の前記送信用圧電素子の専有面積は、前記受信用圧電素子の専有面積よりも大きいことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の圧電センサー。
【請求項５】
前記送信用圧電素子を構成する第１圧電体層の材料と、前記受信用圧電素子を構成する第２圧電体層の材料とは、異なるものであることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の圧電センサー。
【請求項６】
前記送信用圧電素子を構成する第１圧電体層の厚さは、前記受信用圧電素子を構成する第２圧電体層の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載の圧電センサー。
【請求項７】
請求項１から請求項６の何れか一項に記載の圧電センサーを具備することを特徴とする圧電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電センサー及び圧電デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、厚さ方向に開口した開口部を有する基板上に、開口部を塞ぐ振動板と、送信用の送信用圧電素子と、受信用の受信用圧電素子とを具備する圧電センサーが知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、超音波の送信素子と複数の受信素子とを備えてなり、送信素子から超音波を送信して、被検出体で反射された超音波を複数の受信素子により受信して演算処理する超音波センサー装置が開示されている。
【０００４】
特許文献２には、シリコン（Ｓｉ）基板と、Ｓｉ基板上に設けられた複数の積層体とをそれぞれ有する送信用の超音波トランスデューサーと受信用の超音波トランスデューサーとを備えた近接超音波センサーが開示されている。この近接超音波センサーの積層体は、Ｓｉ基板上に設けられた支持層と、支持層上に設けられた第１の電極と、第１の電極上に設けられた圧電体層と、圧電体層上に設けられた第２の電極とから構成されている。かかる近接超音波センサーでは、送信用の超音波トランスデューサーと受信用の超音波トランスデューサーとを隣接して一体的に配置し、音の回り込みや残響振動を抑えるように構成されている。
【０００５】
特許文献３には、円状の圧電薄膜と、圧電薄膜の上面及び下面で且つ中心付近に形成された円形の電極と、圧電薄膜の上面及び下面で且つ円形の電極を中心として同心状に形成された複数の円環電極とで構成された圧電薄膜共振器が開示されている。この圧電薄膜共振器では、円形の電極と複数の円環電極とが、それぞれ円板の端面方向に従い電極幅が狭くなるように形成されており、圧電薄膜共振器の共振周波数が、円板の径と各種電極の配置（振動モードの次数）とで決まるようになっている。このため、異なる共振周波数の共振器においても、マスクパターンの変更によって各種電極の配置を変更するだけで、同一プロセスで作製することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４７１５２３６号公報
【特許文献２】特開２０１１−８２６２４号公報
【特許文献３】特開２００９−２８４０２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の超音波センサー装置では、送信素子と複数の受信素子とを別々に構成しているので、これらの素子面積が大きくなり集積度が低下する。また、特許文献２の近接超音波センサーでは、残響振動を抑える方向で送信用の超音波トランスデューサーと受信用の超音波トランスデューサーとを隣接して一体的に配置しているため、集積度の低下問題が生じる。更に、特許文献３の圧電薄膜共振器では、送信及び受信に特化した素子を用いておらず、各種信号の送受信を同一の素子内で行っているため、例えばフィードバック回路等の他の回路を別途設ける場合には、集積度の低下問題が生じる。なお、このような問題は、圧電センサーを搭載する全ての圧電デバイスに同様に存在する。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑み、送信用圧電素子及び受信用圧電素子の集積度を上げることが可能な圧電センサー及び圧電デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決する本発明の態様は、厚さ方向に開口した開口部を有する基板と、前記開口部を塞ぐ振動板と、送信用の送信用圧電素子と、受信用の受信用圧電素子とを具備する圧電センサーであって、前記開口部のそれぞれ一の開口部に対向する前記振動板上に、前記送信用圧電素子及び前記受信用圧電素子が配置され、前記開口部に対向する前記振動板に対して鉛直方向に外力を印加し、前記振動板の応力の最大値である最大主応力となる領域を第１領域とし、前記振動板の応力の最小値である最小主応力となる領域を第２領域としたときに、前記第１領域に前記受信用圧電素子が配置され、前記第２領域に前記送信用圧電素子が配置されていることを特徴とする圧電センサーにある。
かかる態様によれば、送信用圧電素子及び受信用圧電素子の集積度を上げることが可能となる。
【００１０】
ここで、上記圧電センサーにおいて、前記第１領域は、前記開口部に対向する前記振動板の周縁部に対向する領域であり、前記第２領域は、前記開口部に対向する前記振動板の中心部であることが好ましい。これによれば、送信用圧電素子及び受信用圧電素子の集積度を更に上げることが可能となる。
【００１１】
また、上記圧電センサーにおいて、前記受信用圧電素子は、第１受信用圧電素子と第２受信用圧電素子とから構成され、前記第１受信用圧電素子及び前記第２受信用圧電素子は、前記開口部に対向する前記振動板の前記周縁部の第１の方向又は第２の方向に対向する領域にそれぞれ配置され、前記送信用圧電素子は、前記第１受信用圧電素子と前記第２受信用圧電素子との間に、互いに接触しないように離間して配置されていることが好ましい。これによれば、送信用圧電素子及び受信用圧電素子の集積度を更に上げることが可能となる。
【００１２】
また、上記圧電センサーにおいて、前記一の開口部に対向する前記振動板上の前記送信用圧電素子の専有面積は、前記受信用圧電素子の専有面積よりも大きいことが好ましい。これによれば、送信用圧電素子の送信感度を高めることができ、圧電センサーの各種特性を向上させることが可能となる。
【００１３】
また、上記圧電センサーにおいて、前記送信用圧電素子を構成する第１圧電体層の材料と、前記受信用圧電素子を構成する第２圧電体層の材料とは、異なるものであってもよい。これによれば、送信用圧電素子及び受信用圧電素子の送受信感度を高めることができ、圧電センサーの各種特性を向上させることが可能となる。
【００１４】
また、上記圧電センサーにおいて、前記送信用圧電素子を構成する第１圧電体層の厚さは、前記受信用圧電素子を構成する第２圧電体層の厚さよりも薄くてもよい。これによれば、送信用圧電素子の送信感度を高めることができ、圧電センサーの各種特性を向上させることが可能となる。
【００１５】
上記課題を解決する本発明の他の態様は、上記圧電センサーを具備することを特徴とする圧電デバイスにある。
かかる態様によれば、送信用圧電素子及び受信用圧電素子の集積度を上げることが可能な圧電センサーを具備する圧電デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態１の超音波プローブの構成例を示す断面図。
【図２】実施形態１の超音波センサーの構成例を示す分解斜視図。
【図３】実施形態１の圧電素子の構成例を示す平面図。
【図４】図３のＡ−Ａ′線断面図。
【図５】実施形態１の超音波センサーの製造例を説明する断面図。
【図６】実施形態１の超音波センサーの製造例を説明する断面図。
【図７】実施形態２の圧電素子の構成例を示す平面図。
【図８】図７のＢ−Ｂ′線断面図。
【図９】図７のＣ−Ｃ′線断面図。
【図１０】実施例１の振動板変形のミーゼス応力のモデル計算結果を示す図。
【図１１】実施例１の振動板変形の最大主応力のモデル計算結果を示す図。
【図１２】実施例１の振動板変形の最小主応力のモデル計算結果を示す図。
【図１３】実施例２の振動板変形のミーゼス応力のモデル計算結果を示す図。
【図１４】実施例２の振動板変形の最大主応力のモデル計算結果を示す図。
【図１５】実施例２の振動板変形の最小主応力のモデル計算結果を示す図。
【図１６】実施例３の振動板変形のミーゼス応力のモデル計算結果を示す図。
【図１７】実施例３の振動板変形の最大主応力のモデル計算結果を示す図。
【図１８】実施例３の振動板変形の最小主応力のモデル計算結果を示す図。
【図１９】実施例４の振動板変形のミーゼス応力のモデル計算結果を示す図。
【図２０】実施例４の振動板変形の最大主応力のモデル計算結果を示す図。
【図２１】実施例４の振動板変形の最小主応力のモデル計算結果を示す図。
【図２２】超音波画像装置の一例を示す斜視図。
【図２３】超音波プローブの一例を示す正面図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の説明は、本発明の一態様を示すものであって、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で任意に変更可能である。なお、各図面において同じ符号を付したものは同一の部材を示しており、適宜説明が省略されている。また、Ｘ，Ｙ及びＺは、互いに直交する３つの空間軸を表している。本明細書では、これらの軸に沿った方向を、それぞれ第１の方向Ｘ（Ｘ方向）、第２の方向Ｙ（Ｙ方向）及び第３の方向Ｚ（Ｚ方向）とし、各図の矢印の向かう方向を正（＋）方向、矢印の反対方向を負（−）方向として説明する。Ｘ方向及びＹ方向は、板、層及び膜の面内方向を表し、Ｚ方向は、板、層及び膜の厚さ方向又は積層方向を表す。
【００１８】
また、各図面において示す構成要素、即ち、各部の形状や大きさ、板、層及び膜の厚さ、相対的な位置関係、繰り返し単位等は、本発明を説明する上で誇張して示されている場合がある。更に、本明細書の「上」という用語は、構成要素の位置関係が「直上」であることを限定するものではない。例えば、「基板上の各種第１電極」や「各種第１電極上の各種圧電体層」という表現は、基板と各種第１電極との間や、各種第１電極と各種圧電体層との間に、他の構成要素を含むものを除外しない。
【００１９】
（実施形態１）
（超音波プローブ）
実施形態１では、圧電デバイスである超音波デバイスの一例として超音波プローブを挙げ、図面を参照して説明する。図１は、実施形態１の超音波プローブの構成例を示す断面図である。図示するように、超音波プローブ（プローブ）Ｉは、振動板５０の圧電素子１７とは反対側が超音波の通過領域となる型（ＣＡＶ面型）の超音波センサー１と、超音波センサー１に接続されたフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ基板）２と、図示しない装置端末から引き出されたケーブル３と、ＦＰＣ基板２及びケーブル３を中継ぎする中継基板４と、超音波センサー１、ＦＰＣ基板２及び中継基板４を保護する筐体５と、筐体５及び超音波センサー１の間に充填された耐水性樹脂６とを具備して構成されている。また、超音波センサー１は、圧電素子１７の駆動によって発生する超音波を伝播させる音響整合層３０、超音波を屈折させる屈折部材であるレンズ部材３１及び包囲板４０を含んで構成されている。なお、プローブＩは、上記の構成に限定されず、必要に応じて他の要素を含んで構成されてもよい。
【００２０】
プローブＩに搭載された超音波センサー１は、送受信一体型に構成され、超音波センサー１の繰り返し発信周期に応じて送信超音波が音響整合層３０及びレンズ部材３１を通じて送信される。送信超音波が所定の間隔で送信されるなかで、測定対象物から反射された反射超音波が、音響整合層３０及びレンズ部材３１を通って受信される。これらの送信超音波や反射超音波の波形信号に基づき、プローブＩの装置端末において、測定対象物に関する情報（位置や形状等）が検出される。このような超音波センサー１によれば、送受信感度のばらつきを抑制し、受信感度の向上化を図ることができる。従って、プローブＩに超音波センサー１を搭載することで、検出感度に優れたプローブＩとなる。
【００２１】
また、ＣＡＶ面型の超音波センサー１は、振動板５０の圧電素子１７側が超音波の通過領域となる型（ＡＣＴ面型）の超音波センサーと比べて、測定対象物に対して超音波素子１０を構成する圧電素子１７が離れた位置にある。従って、外部からの水分が圧電素子１７に極めて到達し難い構成となり、使用時の電気的安全性に優れる超音波センサー１となる。しかも、圧電素子１７が薄膜である場合、製造時のハンドリング性も向上させることができるので、超音波センサー１の取り扱いが容易となる。ただし、超音波センサー１は、ＣＡＶ面型に限定されず、ＡＣＴ面型にも適用できる。
【００２２】
（超音波センサー）
次に、圧電センサーの一例として、プローブＩに搭載される超音波センサー１を挙げ、図面を参照して説明する。図２は、実施形態１の超音波センサーの構成例を示す分解斜視図である。図１及び図２に示すように、超音波センサー１は、超音波素子１０、音響整合層３０、レンズ部材３１及び包囲板４０を含んで構成されている。図２において、包囲板４０と支持部材４１とは別体に示されているが、実際には、図１に示すように、両者は一体的に構成されている。なお、超音波センサー１は、上記の構成に限定されず、他の要素を含んで構成されてもよい。
【００２３】
超音波センサー１がＣＡＶ面型に構成されていることから、音響整合層３０は、空間２０内に設けられている。音響整合能を有する材料が基板１１の空間２０内等に充填されて音響整合層３０を構成することで、超音波素子１０と測定対象物との間で音響インピーダンスが急激に変化することを防止でき、その結果、超音波の伝播効率の低下を防止することができる。そのような音響整合能を有する材料としては、例えば、シリコーンオイル、シリコーン樹脂、シリコーンゴム等のシリコーン系材料等の流動性を有する材料（流動材）が挙げられる。ただし、音響整合能を有する材料は、前記の例に限定されず、超音波センサー１の用途等に応じた材料を適宜選択して用いることができる。
【００２４】
レンズ部材３１は、基板１１上の振動板５０とは反対側に設けられている。レンズ部材３１は、超音波を収束させる役割を有している。超音波を電子フォーカス法で収束させる場合等には、レンズ部材３１は省略可能である。また、レンズ部材３１は、超音波の収束機能を有しない保護板等に代替させることも可能である。
【００２５】
音響整合層３０は、音響整合能に加えてレンズ部材３１と基板１１との接合機能又は接着機能を有しているので、レンズ部材３１と基板１１との間に音響整合層３０を介在させて超音波センサー１を構成することができる。レンズ部材３１は、上述した音響整合能を有する材料と同様のものから構成することができる。音響整合層３０と同様の材料を用いることにより、音響整合層３０とレンズ部材３１との接合又は接着を容易に行うことができる。ただし、レンズ部材３１に適用可能な材料は、前記の例に限定されず、超音波センサー１の用途等に応じた材料を適宜選択して用いることができる。
【００２６】
包囲板４０は、振動板５０の絶縁体膜１３側に設けられている。包囲板４０は、縁部４０ａ及び支持部材４１を介して、振動板５０と接着又は接合されている。包囲板４０の接着又は接合には、接着剤等を用いることができるが、前記の例に限定されない。包囲板４０の厚さは４００μｍであるが、前記の値に限定されない。
【００２７】
包囲板４０の中央には凹部（圧電素子保持部３２）が形成され、この圧電素子保持部３２の周囲は、包囲板４０の縁部４０ａ及び面４０ｂで囲われている。圧電素子保持部３２によって、超音波素子１０の周囲の領域（超音波素子１０の上面及び側面を含む領域）が覆われる。従って、超音波素子１０の上面は包囲板４０の面４０ｂで覆われ、側面は縁部４０ａで覆われることになる。
【００２８】
圧電素子保持部３２のＺ方向の長さは８０μｍであるが、前記の値に限定されない。圧電素子保持部３２のＺ方向の長さは、超音波素子１０の駆動を阻害しない程度のスペースが確保される値であればよい。また、圧電素子保持部３２は、大気や空気（乾燥空気）で満たされていてもよく、樹脂で満たされていてもよい。或いは、窒素（Ｎ２）やアルゴン（Ａｒ）等の封入ガスで満たされていてもよく、封入ガス種や圧力は任意に選択することができる。
【００２９】
超音波センサー１には、包囲板４０の面４０ｂと振動板５０の第２面５０ｂとの間、且つ超音波素子１０と重ならない位置に、支持部材４１が設けられており、この支持部材４１により振動板５０が支持されている。このため、例えば、レンズ部材３１を超音波素子１０に実装する際や、超音波素子１０とレンズ部材３１の密着性を確保する際に、レンズ部材３１を音響整合層３０側に押圧することがある。レンズ部材３１を具備していない場合や、レンズ部材３１の代わりに他の部材を設けた場合にも、各部材の密着性を確保するため、音響整合層３０側から振動板５０に押圧力を付すこともある。超音波センサー１では、支持部材４１を具備して構成されているため、所定の外圧が振動板５０に加わったとしても、構造歪みが生じることを抑制でき、高い信頼性を確保できる。
【００３０】
また、支持部材４１が超音波素子１０と重ならない位置、例えば、超音波素子１０間に設けられているため、圧電素子１７が支持部材４１によって過度に拘束されることが回避される。よって、支持部材４１を設けていない場合と比べて、超音波の送信効率や受信効率が過度に低下することも防止される。支持部材４１は、接着剤等により超音波素子１０側に接着又は接合されているが、この手法は前の例に限定されない。
【００３１】
支持部材４１は、Ｙ方向に沿って延びる梁形状を有している。これによれば、Ｙ方向に亘る広い範囲で振動板５０を支持できる。梁形状の支持部材４１は、Ｙ方向ではなく、Ｘ方向に沿って延在していてもよい。梁形状の支持部材４１は、延在する片方の端部が包囲板４０の縁部４０ａから離れていてもよい。延在方向の少なくとも片方の端部が包囲板４０の縁部４０ａに接していれば、本発明の梁形状の支持部材４１に含まれる。
【００３２】
支持部材４１は、梁形状を有していなくてもよい。支持部材４１は、延在方向に直線状でなくてもよい。支持部材４１の作製手法によっては、支持部材４１のＸＹ平面の断面積がＺ方向に応じて異なる態様となる場合があるものの、かかる態様も、振動板５０を支持できる限り、本実施形態の支持部材４１に含まれる。
【００３３】
圧電素子保持部３２の中心部分は、包囲板４０の縁部４０ａから比較的離れている。従って、振動板５０において、圧電素子保持部３２の中心部分に対応する中心箇所Ｃでは、支持部材４１がない場合に剛性が低くなりやすい。そこで、支持部材４１は、そのような振動板５０の中心箇所Ｃを支持するように、圧電素子保持部３２の中心部分に設けられている。これにより、より高い信頼性を確保できる。
【００３４】
超音波センサー１において、支持部材４１の数、配置、形状等は種々に選択が可能である。例えば、支持部材４１は複数であってもよい。その場合、支持部材４１は、圧電素子保持部３２内に、等間隔に設けられることが好ましい。これによれば、振動板５０を万遍なく支持できる。従って、振動板５０の数は、３つ以上の奇数であることが好ましい。これは、圧電素子保持部３２内に支持部材４１を等間隔に設けたとき、その真ん中の支持部材４１が、振動板５０の中心箇所Ｃの近傍に位置し得るためである。例えば、支持部材４１の数は、３つ程度であるとバランスがよい。支持部材４１は、振動板５０の中心箇所Ｃからずれた部分のみに設けられてもよい。
【００３５】
梁形状の支持部材４１は、包囲板４０をウェットエッチングすることで作製されたものである。このように、支持部材４１は、包囲板４０の構成材料を活かして作製されており、包囲板４０と同一の構成を有している。ウェットエッチングは、例えばドライエッチングに比べ、加工精度は劣るものの、短時間で多くの領域を削ることができるため、梁形状の支持部材４１を作製するのには好適な手法である。
【００３６】
通常、超音波センサーでは、超音波素子をＸ方向及びこれに直交するＹ方向に、二次元的に並設しており、Ｘ方向をスキャン方向、Ｙ方向をスライス方向とする。本実施形態の構成例では、スライス方向であるＹ方向に、１６個の超音波素子１０が並設され、スキャン方向であるＸ方向に、６４個の超音波素子１０が並設されているが、図２には、それぞれその一部のみを示している。このような超音波センサー１では、スキャン方向（Ｘ方向）にスキャンしながら、スライス方向（Ｙ方向）に延びる列毎に駆動、即ち、超音波の送信及び受信を行うことにより、スライス方向のセンシング情報を、スキャン方向に連続して取得することができる。
【００３７】
本実施形態の超音波素子１０は、基板１１、振動板５０及び圧電素子１７を含んで構成されているが、他の要素を含んで構成されてもよい。基板１１は、例えばシリコン（Ｓｉ）単結晶基板からなる。なお、基板１１の材料はＳｉに限らず、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）やガラス等であってもよい。ただし、基板１１の材料は、前記の例に限定されず、超音波センサー１の用途等に応じた材料を適宜選択して用いることができる。
【００３８】
基板１１には、複数の隔壁１９が形成されている。この複数の隔壁１９により、Ｘ方向及びＹ方向に沿って、複数のキャビティ（ＣＡＶ）（空間２０）が区画されている。空間２０は、厚さ方向（Ｚ方向）に基板１１を貫通するように形成されている。つまり、基板１１には、振動板５０側に開口した開口部１８が形成されている。開口部１８は、二次元状、即ち、Ｘ方向に複数且つＹ方向に複数形成されている。開口部１８の配列や形状は、種々に変形が可能である。例えば、開口部１８は、一次元状、即ち、Ｘ方向及びＹ方向の何れか一方の方向に沿って複数形成されてもよい。また、開口部１８は、基板１１を鉛直方向（Ｚ方向）から見たときに、正方形状（Ｘ方向とＹ方向の長さの比が１：１）に形成されてもよいし、長方形状（Ｘ方向とＹ方向の長さの比が１：１以外）（図３参照）に形成されてもよい。或いは、必要に応じて他の形状、例えば円形状（図７参照）等に形成されてもよい。
【００３９】
振動板５０は、開口部１８を塞ぐように基板１１上に設けられており、基板１１上に形成された弾性膜１２と、弾性膜１２上に形成された絶縁体膜１３とによって構成されている。以降、振動板５０の基板１１側の面を第１面５０ａと称し、第１面５０ａに対向する面を第２面５０ｂと称する。振動板５０は、この場合、弾性膜１２によって第１面５０ａが構成され、絶縁体膜１３によって第２面５０ｂが構成される。
【００４０】
本実施形態では、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の弾性材料からなる弾性膜１２と、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）等の絶縁材料からなる絶縁体膜１３とで振動板５０を構成したが、この構成に限定されるものではない。例えば、振動板５０を、弾性膜１２及び絶縁体膜１３の何れか一方で構成してもよく、又は他の膜で構成してもよい。また、弾性膜１２は、基板１１と別部材でなくてもよい。基板１１の一部を薄く加工し、これを弾性膜１２として使用してもよい。
【００４１】
ここで、振動板５０の第２面５０ｂ側のうち、空間２０に対応する部分を可動部と称する。可動部は、圧電素子１７の変位によって振動が生じる部分である。例えば、圧電素子１７に電圧を印加したとき、可動部に振動が生じる。この振動によって空間２０内の媒質である音響整合層３０に圧力変動が生じ、この圧力変動に応じて超音波センサー１から送信超音波が送信され、或いは、測定対象物から反射された反射超音波（受信超音波）が受信される。
【００４２】
図３は、実施形態１の圧電素子の構成例を示す平面図であり、図４は、図３のＡ−Ａ′線断面図である。なお、これらの各図において、振動板５０上の圧電素子１７を鉛直方向（Ｚ方向）から見たときに、開口部１８が長方形状（Ｘ方向とＹ方向との長さの比が１：２）に形成されたものを例示した。また、以降に示す図５及び図６についても、同様の形状に形成された開口部１８とした。
【００４３】
図示するように、圧電素子１７は、弾性膜１２及び絶縁体膜１３からなる振動板５０上の開口部１８（空間２０）に対向する位置（開口部１８対向位置）に設けられ、且つ振動板５０上の開口部１８に対応する領域内（開口部１８対応領域内）に配置されている。即ち、このような振動板５０上の圧電素子１７に対応する領域には開口部１８が形成され、これは隔壁１９により区切られている。
【００４４】
図示しないものの、圧電素子１７と振動板５０との間に、他の層が設けられてもよい。他の層としては、例えば、圧電素子１７と振動板５０との密着性を向上させるための密着層等が挙げられる。このような密着層は、例えば、酸化チタン（ＴｉＯＸ）、チタン（Ｔｉ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）等から構成することができる。
【００４５】
本実施形態の圧電素子１７は、１つの送信用圧電素子１７ａと２つの受信用圧電素子１７ｂ１，１７ｂ２とから構成され、これらは、１つの開口部１８対向位置に設けられ、且つ１つの開口部１８対応領域内に配置されている。受信用圧電素子１７ｂ１，１７ｂ２は、これらを鉛直方向（Ｚ方向）から見たときに、開口部１８対応領域内の短手方向（Ｘ方向）の両端側に、それぞれ配置されている。また、送信用圧電素子１７ａは、受信用圧電素子１７ｂ１，１７ｂ２間に、互いに接触しないように離間して配置されている。
【００４６】
即ち、各圧電素子１７ａ，１７ｂ１，１７ｂ２の短手方向（Ｘ方向）及び長手方向（Ｙ方向）の幅は、何れも開口部１８の短手方向（Ｘ方向）及び長手方向（Ｙ方向）の幅より短くなっている。ただし、送信用圧電素子１７ａ又は受信用圧電素子１７ｂ１，１７ｂ２の短手方向（Ｘ方向）又は長手方向（Ｙ方向）の幅が、開口部１８の短手方向（Ｘ方向）又は長手方向（Ｙ方向）の幅より長い場合も、本発明に含まれる。
【００４７】
ここで、一般的な圧電センサーが力を受けたときの振動板の変形は、局所的にみると伸びと縮みの両変形（伸張変形と圧縮変形）が存在する。圧電センサーの圧電素子に対して鉛直方向に外力を印加した場合には、当該圧電素子内において、その応力の最大値である最大主応力σ１となる第１領域と、最小値である最小主応力σ２となる第２領域が存在することになる。なお、この場合、最大主応力は伸張応力（σ１＞０）であり、最小主応力は圧縮応力（σ２＜０）である。
【００４８】
例えば、圧電センサーが超音波センサーの場合には、１つの開口部対応領域内であっても、振動によって発生した超音波を送信し易い領域と、測定対象物から反射された反射超音波を受信し易い領域とが存在する。従って、伸張変形が最大となり（最大主応力σ１となる）反射超音波を受信し易い領域に受信用圧電素子を配置し、圧縮変形が最大となり（最小主応力σ２となる）超音波を送信し易い領域に送信用圧電素子を配置することで、受信用圧電素子及び送信用圧電素子の送受信能を向上させつつ、超音波センサーの高集積化を図り、超音波センサーの小型化を実現することが可能となる。
【００４９】
本実施形態の超音波センサー１の圧電素子１７では、開口部１８対応領域内における振動板５０の伸張変形領域（最大主応力σ１となる第１領域）、例えば、開口部１８対応領域内の短手方向（Ｘ方向）の両端側に、それぞれ受信用圧電素子１７ｂ１，１７ｂ２を配置した。また、圧縮変形領域（最小主応力σ２となる第２領域）、例えば、開口部１８対応領域内の受信用圧電素子１７ｂ１，１７ｂ２間に、送信用圧電素子１７ａを配置した。
【００５０】
また、各圧電素子１７ａ，１７ｂ１，１７ｂ２の配置の最適化により送受信感度を高めることができ、超音波センサー１の各種特性の向上化を図ることができる。更に、詳細は後述するが、超音波センサー１の送信時における送信用圧電素子１７ａの残響振動を利用して、擬似フィードバック回路として機能させることが可能となる。即ち、この残響振動により、送信用圧電素子１７ａの駆動状況をリアルタイムで把握することができ、また、反射超音波の受信のタイミングを、より最適化しやすくなる。なお、このような擬似フィードバック回路は他の圧電デバイスにおいても応用することが可能であり、例えば、液体噴射装置の噴射ノズルにおいて、故障検出等を簡易な構成で実現することができる。
【００５１】
本実施形態の超音波センサー１の圧電素子１７では、開口部１８対応領域内の送信用圧電素子１７ａの専有面積が、受信用圧電素子１７ｂ１，１７ｂ２の全専有面積よりも大きくなるように、各圧電素子１７ａ，１７ｂ１，１７ｂ２を形成することが好ましい。即ち、開口部１８対応領域内の表面積をＡｏ、その領域内において送信用圧電素子１７ａが専有する表面積をＡｔ及び受信用圧電素子１７ｂ１，１７ｂ２が専有する全表面積をＡｒとしたとき、これらは下記式（１）に示される関係を有する。これによれば、送信用圧電素子１７ａの送信感度を更に高めることができ、超音波センサー１の各種特性を更に向上させることが可能となる。
【００５２】
（Ａｔ／Ａｏ）＞（Ａｒ／Ａｏ）      ・・・（１）
【００５３】
各圧電素子１７ａ，１７ｂ１，１７ｂ２の配置は、前述の例に限定されない。本実施形態では、超音波センサー１において、伸張変形が最大となり（最大主応力σ１となる）反射超音波を受信し易い領域に受信用圧電素子１７ｂ１，１７ｂ２を配置し、圧縮変形が最大となり（最小主応力σ２となる）超音波を送信し易い領域に送信用圧電素子１７ａを配置すればよく、配置する各圧電素子１７ａ，１７ｂ１，１７ｂ２の数は、必要に応じて増減すればよい。また、各圧電素子１７ａ，１７ｂ１，１７ｂ２の形状も、基板１１に形成された開口部１８の形状に応じて適宜決定することができる。
【００５４】
例えば、受信用圧電素子１７ｂ１，１７ｂ２は、これらを鉛直方向（Ｚ方向）から見たときに、開口部１８対応領域内の長手方向（Ｙ方向）の両端側に、それぞれ配置されてもよい。また、後述する実施形態２の基板１１Ａに形成された円形状の開口部１８Ａに応じて、各圧電素子１７ａＡ，１７ｂ１Ａ，１７ｂ２Ａからなる圧電素子１７Ａ（図７参照）のような形状にしてもよい。
【００５５】
送信用圧電素子１７ａは、送信用第１電極１４ａと送信用圧電体層１５ａと第２電極１６とから構成されており、受信用圧電素子１７ｂ１，１７ｂ２は、受信用第１電極１４ｂと受信用圧電体層１５ｂと第２電極１６とから構成されている。これらの圧電素子１７ａ，１７ｂ１，１７ｂ２のうち、送信用第１電極１４ａ及び受信用第１電極１４ｂと第２電極１６とが、これらを鉛直方向（Ｚ方向）から見たときに重なった部分を能動部と称する。能動部は、選択された送信用第１電極１４ａ又は受信用第１電極１４ｂと第２電極１６とによる電圧の印加により駆動される領域であり、上述した可動部（空間２０に対応する部分）内に存在する。
【００５６】
本実施形態では、振動板５０を設けずに、送信用第１電極１４ａ及び受信用第１電極１４ｂのみが振動板として機能するようにしてもよい。基板１１上に送信用第１電極１４ａ及び受信用第１電極１４ｂを直接設ける場合には、送信用第１電極１４ａ及び受信用第１電極１４ｂを絶縁性の保護膜等で保護することが好ましい。
【００５７】
各圧電素子１７ａ，１７ｂ１，１７ｂ２を構成する送信用第１電極１４ａ及び受信用第１電極１４ｂは、開口部１８（空間２０）毎にそれぞれパターニングされ構成されている。送信用第１電極１４ａ及び受信用第１電極１４ｂは、櫛歯部分の短手方向（Ｘ方向）の幅が互いに異なる櫛歯形状に形成された電極（櫛形電極）である。
【００５８】
送信用第１電極１４ａは、振動板５０上の開口部１８に対応する領域外（開口部１８対応領域外）であって、当該開口部１８対応領域の一方側（−Ｙ方向側）に配置された電極主部１４ａ１と、電極主部１４ａ１から開口部１８対応領域内に向かって延設された櫛歯部１４ａ２とから構成されている。
【００５９】
また、受信用第１電極１４ｂは、開口部１８対応領域外であって、当該開口部１８対応領域の他方側（＋Ｙ方向側）に配置された電極主部１４ｂ１と、電極主部１４ｂ１から開口部１８対応領域内に向かって延設された２つの櫛歯部１４ｂ２，１４ｂ３とから構成されている。
【００６０】
送信用第１電極１４ａ及び受信用第１電極１４ｂでは、これらの櫛歯部１４ａ２，１４ｂ２，１４ｂ３が互い違いに組み合うように対向配置されている。即ち、開口部１８対応領域内においては、櫛歯部１４ｂ２，１４ｂ３間に櫛歯部１４ａ２が組み合うように配置されている。
【００６１】
本実施形態では、開口部１８対応領域内の送信用圧電素子１７ａの専有面積と、受信用圧電素子１７ｂ１，１７ｂ２の全専有面積との関係が式（１）を満たすように、送信用第１電極１４ａの櫛歯部１４ａ２の短手方向（Ｘ方向）の幅が、受信用第１電極１４ｂの櫛歯部１４ｂ２，１４ｂ３の短手方向（Ｘ方向）の幅の合計値よりも大きくなり、且つこれらの櫛歯部１４ａ２，１４ｂ２，１４ｂ３が開口部１８対応領域内に収まるように形成した。ただし、本発明の要旨を逸脱しなければ、この構成に限定されない。
【００６２】
また、第２電極１６は、Ｘ方向に亘って延設された共通電極とされているが、これに限定されない。例えば、第２電極１６（上部電極）を、送信用第１電極１４ａ及び受信用第１電極１４ｂのようにパターニングし、第１電極（下部電極）を共通電極としてもよい。
【００６３】
送信用第１電極１４ａ、受信用第１電極１４ｂ及び第２電極１６の材料は、これらを形成する際に酸化せず、導電性を維持できる電極材料であればよい。そのような材料としては、例えば、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、Ｔｉ、銀（Ａｇ）、ステンレス鋼等の金属材料；酸化イリジウム（ＩｒＯＸ）、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）等の酸化スズ系導電材料、ガリウムドープ酸化亜鉛（ＧＺＯ）等の酸化亜鉛系導電材料、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ３）、ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ３）、元素ドープチタン酸ストロンチウム等の酸化物導電材料；導電性ポリマー等が挙げられる。これらの中では、ＰｔやＩｒ等の貴金属が好適である。電極材料として、上記材料の何れかを単独で用いてもよく、複数の材料を積層させた積層体を用いてもよい。送信用第１電極１４ａ及び受信用第１電極１４ｂの電極材料と第２電極１６の電極材料は、同一であってもよく、異なっていてもよい。
【００６４】
各圧電素子１７ａ，１７ｂ１，１７ｂ２を構成する送信用圧電体層１５ａ及び受信用圧電体層１５ｂは、開口部１８（空間２０）毎にそれぞれパターニングされ構成されている。これらのうち、受信用圧電体層１５ｂは、第１受信用圧電体層１５ｂ１と第２受信用圧電体層１５ｂ２とから構成されている。
【００６５】
送信用圧電体層１５ａは、長手方向（＋Ｙ方向）の一方側（受信用第１電極１４ｂの電極主部１４ｂ１側）の端部が、送信用第１電極１４ａの櫛歯部１４ａ２の端部を覆い、且つ開口部１８対応領域内に収まるように形成され、また、長手方向（−Ｙ方向）の他方側（送信用第１電極１４ａの電極主部１４ａ１側）の端部が、開口部１８対応領域内に収まるように形成されている。
【００６６】
一方、受信用圧電体層１５ｂの第１受信用圧電体層１５ｂ１及び第２受信用圧電体層１５ｂ２は、長手方向（−Ｙ方向）の一方側（送信用第１電極１４ａの電極主部１４ａ１側）の端部が、受信用第１電極１４ｂの櫛歯部１４ｂ２，１４ｂ３の端部をそれぞれ覆い、且つ開口部１８対応領域内に収まるように形成され、また、長手方向（＋Ｙ方向）の他方側（受信用第１電極１４ｂの電極主部１４ｂ１側）の端部が、開口部１８対応領域内に収まるように形成されている。
【００６７】
本実施形態では、送信用圧電体層１５ａ及び受信用圧電体層１５ｂの構成は、開口部１８対応領域内の送信用圧電素子１７ａの専有面積と、受信用圧電素子１７ｂ１，１７ｂ２の全専有面積との関係が式（１）を満たすように構成したが、本発明の要旨を逸脱しなければ、この構成に限定されない。
【００６８】
送信用圧電体層１５ａ及び受信用圧電体層１５ｂは、電気機械変換能力を有していればよく、必要に応じて構成する圧電材料を適宜選定することができる。また、本実施形態では、送信用圧電体層１５ａと受信用圧電体層１５ｂとは、異なるものであってもよい。例えば、送信用圧電体層１５ａに適した圧電材料として、ヤング率の高い圧電材料や、ヤング率を向上させる添加剤を含んだ圧電材料を用いてもよい。一方、受信用圧電体層１５ｂに適した圧電材料として、ヤング率の低い圧電材料や、ヤング率を低下させる添加剤を含んだ圧電材料を用いてもよい。送信用圧電体層１５ａ及び受信用圧電体層１５ｂの圧電材料をヤング率の異なるものとすることで、送信用圧電素子１７ａ及び受信用圧電素子１７ｂ１，１７ｂ２の送受信感度を更に高めることができ、超音波センサー１の各種特性を更に向上させることが可能となる。
【００６９】
一般に、電気機械変換能力を有する圧電材料の一例として、ペロブスカイト構造を有する複合酸化物（ペロブスカイト型複合酸化物）を挙げることができる。ペロブスカイト型複合酸化物は、例えば、一般式ＡＢＯ３で示される。この場合、Ａサイトは酸素（Ｏ）原子が１２配位しており、ＢサイトはＯ原子が６配位して８面体（オクタヘドロン）をつくっている。なお、複合酸化物がペロブスカイト構造を取り得る限りにおいて、格子不整合、酸素欠損・過剰等による不可避な化学量論の組成のずれは勿論のこと、元素の一部置換等も許容され、これらは本実施形態のペロブスカイト型複合酸化物に含まれる。
【００７０】
代表的なペロブスカイト型複合酸化物としては、例えば、鉛（Ｐｂ）、Ｚｒ（ジルコニウム）及びチタン（Ｔｉ）を含むチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の複合酸化物を用いることができる。これによれば、送信用圧電素子１７ａ及び受信用圧電素子１７ｂ１，１７ｂ２からなる圧電素子１７の変位量を確保しやすくなる。また、この他に、Ｐｂ、マグネシウム（Ｍｇ）、ニオブ（Ｎｂ）及びＴｉを含むマグネシウムニオブ酸−チタン酸鉛（ＰＭＮ−ＰＴ）系やマグネシウムニオブ酸−チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＭＮ−ＰＺＴ）系等の多成分系の複合酸化物等も適用することができる。
【００７１】
また、送信用圧電体層１５ａ及び受信用圧電体層１５ｂは、鉛を含まない非鉛系の圧電材料を用いてもよい。例えば、ビスマス（Ｂｉ）及び鉄（Ｆｅ）を含む鉄酸ビスマス（ＢＦＯ）系の複合酸化物、Ｂｉ、バリウム（Ｂａ）、Ｆｅ及びＴｉを含む鉄酸ビスマス−チタン酸バリウム（ＢＦ−ＢＴ）系の複合酸化物、Ｂｉ、Ｆｅ、マンガン（Ｍｎ）、Ｂａ及びＴｉを含む鉄酸マンガン酸ビスマス−チタン酸バリウム（ＢＦＭ−ＢＴ）系の複合酸化物、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）及びＮｂを含むニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）系の複合酸化物、Ｂｉ、Ｆｅ及びタンタル（Ｔａ）を含む鉄酸タンタル酸ビスマス（ＢＦＴ）等のペロブスカイト型複合酸化物を用いることもできる。これによれば、環境への負荷が少ない非鉛系材料を用いて送信用圧電素子１７ａ及び受信用圧電素子１７ｂ１，１７ｂ２を実現することができる。
【００７２】
これらの圧電材料の中で、ヤング率の高い圧電材料としては、ＰＺＴ、ＰＺＴにＭｇ、Ｍｏ，Ｆｅ、Ｓｉ等の硬い元素が添加されたもの、ＢＦＯ、ＢＦ−ＢＴ、ＢＦＭ−ＢＴ、ＫＮＮ等が挙げられ、ヤング率の低い圧電材料としては、リラクサ材料、第三成分添加としてＰＺＴにＬａ、Ｎｂ等の軟らかい元素が添加されたもの等が挙げられる。本実施形態では、ヤング率の高い圧電材料を送信用圧電体層１５ａに用いることで、圧縮変形が最大となり（最小主応力σ２となる）超音波を送信し易い領域に送信用圧電素子１７ａとすることができる。一方、ヤング率の低い圧電材料を受信用圧電体層１５ｂに用いることで、伸張変形が最大となり（最大主応力σ１となる）反射超音波を受信し易い領域に受信用圧電素子１７ｂ１，１７ｂ２とすることができる。これにより、送受信感度を更に向上させて、超音波センサー１の各種特性を更に向上させることが可能となる。
【００７３】
送信用圧電体層１５ａ及び受信用圧電体層１５ｂを構成する圧電材料にＫやＮａといったアルカリ金属が含まれる場合には、送信用第１電極１４ａ及び受信用第１電極１４ｂ中に拡散することがある。そこで、本実施形態では、送信用第１電極１４ａ及び受信用第１電極１４ｂと基板１１との間に絶縁体膜１３を設けることで、絶縁体膜１３がストッパー機能を果たし、アルカリ金属の基板１１への到達を抑制することができる。
【００７４】
また、送信用第１電極１４ａ及び受信用第１電極１４ｂと、送信用圧電体層１５ａ及び受信用圧電体層１５ｂとの間に、シード層（配向制御層ともいう）を設けてもよい。シード層は、送信用圧電体層１５ａ及び受信用圧電体層１５ｂの結晶の配向性を制御する機能を有する。即ち、シード層を設けることで、送信用圧電体層１５ａ及び受信用圧電体層１５ｂの結晶を、所定の面方位に優先配向させることができる。
【００７５】
シード層の材料は、電気機械変換能力を有し、送信用圧電体層１５ａ及び受信用圧電体層１５ｂの配向制御層として機能すれば特に限定されず、必要に応じて適宜選択することができる。例えば、送信用圧電体層１５ａ及び受信用圧電体層１５ｂの結晶性及び圧電特性を維持する観点から、圧電材料を用いることが好ましい。送信用圧電体層１５ａ及び受信用圧電体層１５ｂと同様の圧電材料を用いてもよいし、異なっていてもよい。送信用圧電体層１５ａ、受信用圧電体層１５ｂ及びシード層が電気機械変換能力を有している場合には、実質的にはこれらが送信用圧電素子１７ａ及び受信用圧電素子１７ｂ１，１７ｂ２の圧電体層として機能する。
【００７６】
送信用圧電体層１５ａ及び受信用圧電体層１５ｂは、前記の例に制限されず、他の元素を含んで構成してもよく、例えば、Ｍｎを更に含むことが好ましい。これによれば、リーク電流を抑制しやすくなり、例えば非鉛系材料として信頼性の高い送信用圧電素子１７ａ及び受信用圧電素子１７ｂ１，１７ｂ２を実現することができる。この他、リチウム（Ｌｉ）、Ｂａ、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｂｉ、Ｔａ、アンチモン（Ｓｂ）、Ｆｅ、コバルト（Ｃｏ）、Ａｇ、Ｍｇ、亜鉛（Ｚｎ）及びＣｕ等の元素を含んで構成してもよい。このような他の元素を含む場合でも、複合酸化物がペロブスカイト構造を有するように構成されることが好ましい。
【００７７】
これらの添加剤の中で、ヤング率を向上させる添加剤としては、Ｍｇ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｓｉ等が挙げられ、ヤング率を低下させる添加剤としては、Ｌａ、Ｎｂ、Ｂａ、Ｚｎ等が挙げられる。これらを用いることにより、送受信感度を向上させて、超音波センサー１の各種特性を向上させることが可能となる。
【００７８】
これらの元素は、１つ以上含んでいてもよい。一般的に、元素の添加量は、主成分となる元素の総量に対して２０％以下、１５％以下、又は１０％以下である。元素を利用することにより、各種特性を向上させて構成や機能の多様化を図りやすくなる。これら他の元素を含む複合酸化物である場合も、ペロブスカイト構造を有するように構成されることが好ましい。
【００７９】
圧電材料において、例えば、ＰＭＮ−ＰＴ系の複合酸化物は、代表的な組成としては、マグネシウムニオブ酸とチタン酸鉛との混晶として表される。かかる混晶は、Ｘ線回折パターンで、マグネシウムニオブ酸やチタン酸鉛が単独では検出できないものをいう。ただし、特に断りが無い限り、ＰＭＮ−ＰＴ系の複合酸化物は、混晶の組成から外れる組成も含むものである。
【００８０】
また、例えばＰＭＮ−ＰＴ系の複合酸化物は、Ｐｂ、Ｍｇ、Ｎｂ及びＴｉを含むペロブスカイト型複合酸化物のみに限定されない。即ち、Ｐｂ、Ｍｇ、Ｎｂ及びＴｉを含むペロブスカイト型複合酸化物と、他のペロブスカイト型複合酸化物とを含む混晶として表される圧電材料を含む。
【００８１】
本実施形態では、送信用圧電素子１７ａ及び受信用圧電素子１７ｂ１，１７ｂ２において、弾性膜１２の厚さを０．１μｍ以上２μｍ以下とし、絶縁体膜１３の厚さを０．０５μｍ以上１μｍ以下とし、送信用第１電極１４ａ及び受信用第１電極１４ｂの厚さを０．０５μｍ以上０．５μｍ以下とし、第２電極１６の厚さを０．０５μｍ以上０．５μｍ以下とすることが好ましい。また、送信用圧電体層１５ａ及び受信用圧電体層１５ｂは、３μｍ以下、好ましくは０．３μｍ以上１．５μｍ以下の薄膜とした。このとき、送信用圧電体層１５ａの厚さは、受信用圧電体層１５ｂの厚さよりも薄くてもよい。これによれば、送信用圧電素子１７ａの送信感度を更に高めることができ、超音波センサー１の各種特性を更に向上させることが可能となる。なお、ここに挙げた各要素の厚さは何れも一例であり、本発明の要旨を変更しない範囲内で変更可能である。
【００８２】
（超音波センサーの制御系及び駆動方法）
図１の超音波プローブＩは、駆動回路（不図示）に電気的に接続されてなる超音波センサー１と、超音波センサー１の駆動を制御する制御装置（不図示）とを含んで構成されている。制御装置は、例えば、外部インターフェース（外部Ｉ／Ｆ）、各種データを一時的に記憶するＲＡＭ、制御プログラム等を記憶したＲＯＭ、ＣＰＵ等を含む制御部、クロック信号を発生する発振回路、超音波センサー１へ供給するための駆動信号を発生する駆動信号形成回路、この駆動信号形成回路で使用するための電源を生成する電源生成部と、クロック信号や駆動信号等を駆動回路に送信する内部インターフェース（内部Ｉ／Ｆ）等を含んで構成されている。このうち、電源生成部は、駆動信号形成回路に対し、駆動電源を供給する。そして、駆動信号形成回路は、電源生成部が生成した駆動電源に基づいて駆動信号を生成する。また、超音波センサー１の駆動回路には、接続配線を介して、各部からＣＯＭ信号や駆動波形、更に、所定のセンサー制御信号（クロック信号（ＣＬＫ）、ラッチ信号（ＬＡＴ）、チェンジ信号（ＣＨ）、画素データ（ＳＩ）、設定データ（ＳＰ）等）が入力される。更に、制御装置は、公知の構成からなるマイクロコンピューターを中心に構成されている。制御装置の各部の動作は、具体的には、マイクロコンピューターによるプログラムの実行によって実現される。上記の制御装置を具備することで、本実施形態に係る圧電素子１７の駆動方法を実現できる超音波センサー１が提供される。
【００８３】
超音波センサー１において、圧電素子１７と振動板５０とを合わせてアクチュエーター装置と称する。このアクチュエーター装置では、図３の圧電素子１７を構成する送信用圧電素子１７ａと受信用圧電素子１７ｂ１，１７ｂ２とにおいて、送信用第１電極１４ａ及び受信用第１電極１４ｂと第２電極１６とが、図示しない駆動回路に電気的に接続されている。この駆動回路から各第１電極１４ａ，１４ｂ及び第２電極１６の何れか一方にＣＯＭ信号が、他方に所定の駆動波形（入力波形）がそれぞれ入力されることで、各圧電素子１７ａ，１７ｂ１，１７ｂ２に電圧が印加され、送信用圧電体層１５ａと受信用圧電体層１５ｂとに分極が生じて各圧電素子１７ａ，１７ｂ１，１７ｂ２及び振動板５０が変位して、超音波の送受信が行われる。また、各圧電素子１７ａ，１７ｂ１，１７ｂ２が変位すると、各圧電体層１５ａ，１５ｂに分極が生じて表面電荷が発生する。表面電荷は、駆動回路にて電圧として検出される。
【００８４】
ここで、所定の駆動波形とは、ＣＯＭ信号が入力される電極に対して他方の電極に印加される電位状態を示す波形であり、各圧電素子１７ａ，１７ｂ１，１７ｂ２を基準となる状態（基準電位）から変位（又は変形）させた後、再び基準となる状態に戻すように各圧電素子１７ａ，１７ｂ１，１７ｂ２を駆動する、一連の駆動電圧の変化を示す波形の単位である。各圧電素子１７ａ，１７ｂ１，１７ｂ２を基準となる状態から変位（又は変形）させた後、再び基準となる状態へ戻すための駆動は、各第１電極１４ａ，１４ｂと第２電極１６との間に印加される電圧（即ち、各圧電体層１５ａ，１５ｂに印加される電圧）を変化させる一連の工程によって実施される。
【００８５】
本実施形態では、超音波の送信時には、送信用圧電素子１７ａに電圧を印加することにより送信用圧電体層１５ａに圧縮変形（歪み）を生じさせ、この歪みに応じて振動板５０が振動して超音波が測定対象物に送信される。一方、超音波の送信時に受信用圧電素子１７ｂ１，１７ｂ２に電圧を印加しないため、送信直後において、送信用圧電素子１７ａの駆動により振動板５０が振動した際の残響振動を受信用圧電素子１７ｂ１，１７ｂ２が受けると、受信用圧電体層１５ｂに分極が生じて表面電荷が発生する。表面電荷は、駆動回路にて電圧として検出される。これにより、送信用圧電素子１７ａの駆動状況をリアルタイムで把握することができ、また、後述する反射超音波の受信のタイミングを検知することができ、擬似フィードバック回路として機能させることが可能となる。
【００８６】
一方、測定対象物から反射された反射超音波（音圧）の受信時には、当該音圧を送信用圧電素子１７ａと受信用圧電素子１７ｂ１，１７ｂ２とで受けることになり、送信用圧電体層１５ａ及び受信用圧電体層１５ｂに分極が生じて表面電荷が発生し、この表面電荷は、駆動回路にて電圧として検出される。このとき、受信用圧電素子１７ｂ１，１７ｂ２による電圧を演算処理して反射信号として取り出してもよいし、送信用圧電素子１７ａ及び受信用圧電素子１７ｂ１，１７ｂ２による電圧を演算処理して反射信号として取り出してもよい。ただし、開口部１８対応領域内に配置される受信用圧電素子１７ｂ１，１７ｂ２は伸縮変形となるが、開口部１８対応領域内に配置される送信用圧電素子１７ａは圧縮変形となるため、送信用圧電素子１７ａ及び受信用圧電素子１７ｂ１，１７ｂ２由来の反射信号は逆位相に近い信号となり、また遅延も考えられるため、複雑な信号処理（演算処理）が必要となる。
【００８７】
（超音波センサーの製造方法）
超音波センサー１の製造方法の一例について、図面を参照して説明する。図５及び図６は、実施形態１の超音波センサーの製造例を説明する断面図である。図３に示すように、送信用第１電極１４ａは電極主部１４ａ１及び櫛歯部１４ａ２からなり、受信用第１電極１４ｂは電極主部１４ｂ１及び櫛歯部１４ｂ２，１４ｂ３からなり、受信用圧電体層１５ｂは第１受信用圧電体層１５ｂ１及び第２受信用圧電体層１５ｂ２からなるものである。
【００８８】
まず、図５に示すように、基板１１としてシリコン（Ｓｉ）基板を準備する。次に、基板１１を熱酸化することによって、その表面に二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる弾性膜１２を形成する。更に、弾性膜１２上にスパッタリング法や蒸着法等でジルコニウム膜を形成し、これを熱酸化することによって、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる絶縁体膜１３を得る。このようにして、基板１１上に、弾性膜１２と絶縁体膜１３とからなる振動板５０を形成する。このようにして、基板１１上に、弾性膜１２と絶縁体膜１３とからなる振動板５０を形成する。
【００８９】
次に、振動板５０の絶縁体膜１３上に第１電極膜を形成し、後述するパターニングにより送信用第１電極１４ａ及び受信用第１電極１４ｂを形成する。第１電極膜は、例えばスパッタリング法、真空蒸着法（ＰＶＤ法）、レーザーアブレーション法等の気相法や、ＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やゾル−ゲル法等の化学溶液法（湿式法）等の液相法等により形成することができる。次に、第１電極膜上に所定形状のレジスト（図示なし）をマスクとして形成し、第１電極膜をパターニングして、例えば図３に示した送信用第１電極１４ａ及び受信用第１電極１４ｂを形成する。第１電極膜のパターニングは、例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）、イオンミリング等のドライエッチングや、エッチング液を用いたウェットエッチングにより行うことができる。なお、第１電極膜のパターニングにおける形状は、図３に示した送信用第１電極１４ａ及び受信用第１電極１４ｂに限定されない。
【００９０】
次に、送信用第１電極１４ａ及び受信用第１電極１４ｂを形成した振動板５０上に複数の圧電体膜からなる圧電体層を形成し、前述のパターニングにより送信用圧電体層１５ａ及び受信用圧電体層１５ｂを形成する。圧電体層の形成方法は限定されない。例えば、金属錯体を含む溶液（前駆体溶液）を塗布乾燥し、更に高温で焼成することで金属酸化物を得るＭＯＤ法やゾル−ゲル法等の化学溶液法（湿式法）により形成することができる。その他、レーザーアブレーション法、スパッタリング法、パルス・レーザー・デポジション法（ＰＬＤ法）、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、エアロゾル・デポジション法等の気相法、液相法又は固相法によっても形成することができる。
【００９１】
例えば、湿式法（液相法）によって形成された圧電体層は、詳細は後述するが、前駆体溶液を塗布して前駆体膜を形成する工程（塗布工程）、前駆体膜を乾燥する工程（乾燥工程）、乾燥した前駆体膜を加熱して脱脂する工程（脱脂工程）、及び、脱脂した前駆体膜を焼成する工程（焼成工程）までの一連の工程によって形成された複数の圧電体膜を有する。即ち、圧電体層は、塗布工程から焼成工程までの一連の工程を複数回繰り返すことによって形成される。なお、上述した一連の工程において、塗布工程から脱脂工程までを複数回繰り返した後に、焼成工程を実施してもよい。
【００９２】
湿式法によって形成された層や膜は、界面を有する。湿式法によって形成された層や膜には、塗布又は焼成の形跡が残り、このような形跡は、その断面を観察したり、層内（又は膜内）における元素の濃度分布を解析したりすることによって確認可能な「界面」となる。「界面」とは、厳密には層間又は膜間の境界を意味するが、ここでは、層又は膜の境界付近を意味するものとする。湿式法によって形成された層や膜の断面を電子顕微鏡等により観察した場合、このような界面は、隣の層や膜との境界付近に、他よりも色が濃い部分、又は他よりも色が薄い部分として確認される。また、元素の濃度分布を解析した場合、このような界面は、隣の層や膜との境界付近に、他よりも元素の濃度が高い部分、又は他よりも元素の濃度が低い部分として確認される。圧電体層は、塗布工程から焼成工程までの一連の工程を複数繰り返して、或いは、塗布工程から脱脂工程までを複数回繰り返した後に焼成工程を実施して形成される（複数の圧電体膜によって構成される）ため、各圧電体膜に対応して、複数の界面を有することとなる。
【００９３】
圧電体層を湿式法で形成する場合の具体的な手順の例は、次の通りである。まず、金属錯体を含むＭＯＤ溶液やゾルからなり、圧電体層を形成するための前駆体溶液をそれぞれ調整する（調整工程）。そして、圧電体層の前駆体溶液を、送信用第１電極１４ａ及び受信用第１電極１４ｂを形成した振動板５０上に、スピンコート法等を用いて塗布して前駆体膜を形成する（塗布工程）。次に、この前駆体膜を所定温度、例えば１３０℃〜２５０℃程度に加熱して一定時間乾燥させ（乾燥工程）、更に乾燥した前駆体膜を所定温度、例えば３００℃〜４５０℃程度に加熱して一定時間保持することによって脱脂する（脱脂工程）。更に、脱脂した前駆体膜をより高い温度、例えば５００℃〜８００℃程度に加熱し、この温度で一定時間保持することによって結晶化させ、圧電体膜を形成する（焼成工程）。そして、上記の塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程を複数回繰り返すことにより、複数の圧電体膜からなる圧電体層を形成する。
【００９４】
なお、上述の各前駆体溶液は、焼成により、上述したペロブスカイト型複合酸化物を形成し得る金属錯体を、それぞれ有機溶媒に溶解又は分散させたものである。つまり、圧電体層の前駆体溶液は、金属錯体の中心金属として所定の元素を含むものである。このとき、圧電体層の前駆体溶液中に、上記元素以外の元素を含む金属錯体を更に混合してもよい。
【００９５】
上記各元素を含む金属錯体としては、例えば、アルコキシド、有機酸塩、β−ジケトン錯体等を用いることができる。上述の各前駆体溶液において、これらの金属錯体の混合割合は、ペロブスカイト型複合酸化物に含まれる所定の各元素が所望のモル比となるように混合すればよい。このとき、２種以上の金属錯体を併用してもよい。
【００９６】
前駆体溶液の作製に用いられる有機溶媒としては、例えば、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、オクタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、オクタン、デカン、シクロヘキサン、キシレン、トルエン、テトラヒドロフラン、酢酸、オクチル酸、２−ｎ−ブトキシエタノール、ｎ−オクタン等、又はこれらの混合溶媒等が挙げられる。
【００９７】
前駆体溶液は、各金属錯体の分散を安定化する添加剤を含んでもよい。このような添加剤としては、２−エチルヘキサン酸やジエタノールアミン等が挙げられる。
【００９８】
乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程で用いられる加熱装置としては、例えば、赤外線ランプの照射により加熱するＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置やホットプレート等が挙げられる。
【００９９】
次に、複数の圧電体膜からなる圧電体層を、例えば第１電極膜と同様の方法によりパターニングして、図３に示した送信用圧電体層１５ａ及び受信用圧電体層１５ｂを形成する。なお、圧電体層のパターニングにおける形状は、図３に示した送信用圧電体層１５ａ及び受信用圧電体層１５ｂに限定されない。
【０１００】
次に、送信用圧電体層１５ａ及び受信用圧電体層１５ｂまで形成した振動板５０上に第２電極膜を形成し、これをパターニングして第２電極１６を形成する。なお、第２電極膜の形成方法は第１電極膜と同様の方法を、また、第２電極膜のパターニング方法は送信用第１電極１４ａ及び受信用第１電極１４ｂと同様の方法を、それぞれ適用することができる。
【０１０１】
なお、圧電体層上に第２電極膜を形成する前後で、必要に応じて６００℃〜８００℃程度の温度域で再加熱処理（ポストアニール）を行ってもよい。このように、ポストアニールを行うことで、良好な界面を形成することができ、且つ圧電体層の結晶性を改善することができる。
【０１０２】
次に、基板１１の圧電素子１７とは反対側の面に、図示しないマスク膜を形成し、これを所定形状にパターニングする。そして、このマスク膜を介して、基板１１に対してＫＯＨ等のアルカリ溶液を用いた異方性エッチング（ウェットエッチング）を実施して、基板１１を複数の隔壁１９によって区画して、空間２０を形成する。この空間２０内は空気層とされている。
【０１０３】
次に、空間２０内に上述した流動材を注入し、当該流動材を硬化して、厚さが８０μｍ〜１００μｍであって表面が平坦の音響整合層３０を形成し、これに準備したレンズ部材３１を取り付ける。レンズ部材３１の厚さは２００μｍであるが、超音波ビームを形成するため、圧電素子１７に対応する部分（レンズ部分）が曲面状に形成されており、最大肉厚部の厚さは６００μｍとなっている。ただし、これらの厚さに限定されない。
【０１０４】
次に、図６に示すように、不要部分をダイシング等により切断・除去し、包囲板４０と振動板５０とを、縁部４０ａ及び支持部材４１（図１等参照）を介して常法により接着又は接合し、図１に示した超音波センサー１とする。
【０１０５】
（実施形態２）
（超音波センサー）
本実施形態の超音波センサー１は、実施形態１の圧電素子１７及び開口部１８（空間２０）の構成を変更した以外は実施形態１と同様の超音波センサーである。従って、本実施形態では、主に圧電素子及び開口部（空間）の構成について説明し、それ以外の構成については説明を適宜省略する。図７は、実施形態２の圧電素子の構成例を示す平面図であり、図８は、図７のＢ−Ｂ′線断面図であり、図９は、図７のＣ−Ｃ′線断面図である。図示するように、圧電素子１７Ａは、弾性膜１２Ａ及び絶縁体膜１３Ａからなる振動板５０Ａ上の圧電素子１７Ａを鉛直方向（Ｚ方向）から見たときに、振動板５０Ａ上の円形状の開口部１８Ａ（空間２０Ａ）に対向する位置（開口部１８Ａ対向位置）に設けられ、且つ振動板５０Ａ上の円形状の開口部１８Ａに対応する領域内（開口部１８Ａ対応領域内）に配置されている。
【０１０６】
円形状の開口部１８Ａは、前述の振動板５０Ａ上の圧電素子１７Ａに対応する領域に形成されており、円形状の隔壁１９Ａにより区切られて空間２０Ａが形成されている。即ち、空間２０Ａは、基板１１Ａを厚さ方向（Ｚ方向）に貫通して設けられ、円柱状を有しており、基板１１Ａを鉛直方向（Ｚ方向）から見たとき、その開口部１８Ａは円形状となっている。
【０１０７】
圧電素子１７Ａは、１つの送信用圧電素子１７ａＡと２つの受信用圧電素子１７ｂ１Ａ，１７ｂ２Ａとから構成され、これらは、振動板５０Ａ上の１つの開口部１８Ａ対向位置に設けられ、且つ１つの開口部１８Ａ対応領域内に配置されている。従って、そのような受信用圧電素子１７ｂ１Ａ，１７ｂ２Ａは、これらを鉛直方向（Ｚ方向）から見たときに、開口部１８Ａ対応領域内の周縁部に沿って、それぞれ配置されており、それらの形状は円弧状となっている。一方、送信用圧電素子１７ａＡは、これを鉛直方向（Ｚ方向）から見たときに、受信用圧電素子１７ｂ１，１７ｂ２で構成された空間内に、互いに接触しないように離間して配置されており、その形状は円形状となっている。即ち、圧電素子１７Ａは、円弧状の受信用圧電素子１７ｂ１Ａ，１７ｂ２Ａで構成された空間内に、円形状の送信用圧電素子１７ａＡが配置された状態で、開口部１８Ａ対応領域内に収容されている。
【０１０８】
圧電素子１７Ａでは、伸張変形が最大となり（最大主応力σ１となる）反射超音波を受信し易い領域に受信用圧電素子１７ｂ１Ａ，１７ｂ２Ａを配置し、圧縮変形が最大となり（最小主応力σ２となる）超音波を送信し易い領域に送信用圧電素子１７ａＡを配置することで、１つの開口部１８Ａ対応領域内に送受信用の圧電素子１７ａＡ，１７ｂ１Ａ，１７ｂ２Ａをそれぞれ配置することができ、超音波センサーの高集積化を図ることが可能となる。
【０１０９】
ここで、送信用圧電素子１７ａＡは、電極主部１４ａ１Ａ及び円盤部１４ａ２Ａからなる送信用第１電極１４ａＡと、送信用圧電体層１５ａＡと、第２電極１６Ａとから構成されている。また、受信用圧電素子１７ｂ１Ａ，１７ｂ２Ａは、電極主部１４ｂ１Ａ及び円弧部１４ｂ２Ａ，１４ｂ３Ａからなる受信用第１電極１４ｂＡと、第１受信用圧電体層１５ｂ１Ａ及び第２受信用圧電体層１５ｂ２Ａからなる受信用圧電体層１５ｂＡと、第２電極１６Ａとから構成されている。各圧電素子１７ａＡ，１７ｂ１Ａ，１７ｂ２Ａの構成要素は、前述の配置を可能な形状（特に図７に示した形状）となるように、適宜形成されていればよい。
【０１１０】
なお、本実施形態では、各圧電素子１７ａＡ，１７ｂ１Ａ，１７ｂ２Ａの専有面積の関係や、各圧電体層１５ａＡ，１５ｂＡの材料及び厚さの関係を、実施形態１と同様にして構成することが好ましい。
【実施例】
【０１１１】
以下、実施例を示して本発明を更に具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されない。
【０１１２】
（実施例１）
まず、直径１０００μｍの真円ＣＡＶ構成（図７に示した実施形態２の空間２０Ａの構成参照）を有する基板１１上に振動板５０のみを構成し、１０Ｐａの音圧相当の力を加えた場合の振動板５０の変形について、ミューゼス応力、最大主応力及び最小主応力のモデル計算を行った。図１０は、実施例１の振動板変形のミーゼス応力のモデル計算結果を示す図であり、図１１は、実施例１の振動板変形の最大主応力のモデル計算結果を示す図であり、図１２は、実施例１の振動板変形の最小主応力のモデル計算結果を示す図である。図示するように、最大主応力が大きい領域は青色となり、最小主応力が大きい領域は赤色となった。つまり、実施形態２の圧電素子１７Ａのように、青色の領域に送信用圧電素子１７ａＡを配置し、赤色の領域に受信用圧電素子１７ｂ１Ａ，１７ｂ２Ａを配置すれば、圧電素子１７Ａを搭載する超音波センサーの各種特性の向上化を図ることができ、また、送信用圧電素子１７ａＡの擬似フィードバック回路として機能させることが可能となる。
【０１１３】
（実施例２）
基板１１のＣＡＶ構成を正方形状（Ｘ方向とＹ方向との長さの比が１：１）に形成したこと以外は実施例１と同様にしてミューゼス応力、最大主応力及び最小主応力のモデル計算を行った。図１３は、実施例２の振動板変形のミーゼス応力のモデル計算結果を示す図であり、図１４は、実施例２の振動板変形の最大主応力のモデル計算結果を示す図であり、図１５は、実施例２の振動板変形の最小主応力のモデル計算結果を示す図である。図示するように、最大主応力が大きい領域は青色となり、最小主応力が大きい領域は赤色となった。つまり、青色の領域に送信用圧電素子を配置し、赤色の領域に受信用圧電素子を配置すれば、実施例１と同様の効果を享受できる。
【０１１４】
（実施例３）
基板１１のＣＡＶ構成（図３に示した実施形態１の空間２０の構成参照）を長方形状（Ｘ方向とＹ方向との長さの比が１：２）に形成したこと以外は実施例１と同様にしてミューゼス応力、最大主応力及び最小主応力のモデル計算を行った。図１６は、実施例３の振動板変形のミーゼス応力のモデル計算結果を示す図であり、図１７は、実施例３の振動板変形の最大主応力のモデル計算結果を示す図であり、図１８は、実施例３の振動板変形の最小主応力のモデル計算結果を示す図である。図示するように、最大主応力が大きい領域は青色となり、最小主応力が大きい領域は赤色となった。つまり、実施形態１の圧電素子１７のように、青色の領域に送信用圧電素子１７ａを配置し、赤色の領域に受信用圧電素子１７ｂ１，１７ｂ２を配置すれば、実施例１と同様の効果を享受できる。
【０１１５】
（実施例４）
基板１１のＣＡＶ構成を長方形状（Ｘ方向とＹ方向との長さの比が１：５）に形成したこと以外は実施例１と同様にしてミューゼス応力、最大主応力及び最小主応力のモデル計算を行った。図１９は、実施例４の振動板変形のミーゼス応力のモデル計算結果を示す図であり、図２０は、実施例４の振動板変形の最大主応力のモデル計算結果を示す図であり、図２１は、実施例４の振動板変形の最小主応力のモデル計算結果を示す図である。図示するように、最大主応力が大きい領域は青色となり、最小主応力が大きい領域は赤色となった。つまり、青色の領域に送信用圧電素子を配置し、赤色の領域に受信用圧電素子を配置すれば、実施例１と同様の効果を享受できる。
【０１１６】
（他の実施形態）
上記実施形態では省略したが、例えば、振動板の圧電素子とは反対側が、測定対象物に向けて発信される超音波や測定対象物から反射した超音波（エコー信号）の通過領域となる構成とすることができる。これによれば、振動板の圧電素子とは反対側の構成を簡素化させ、超音波等の良好な通過領域を確保できる。また、電極や配線等の電気的領域や各部材の接着固定領域を測定対象物から遠ざけて、これらと測定対象物との間での汚染や漏れ電流を防止しやすくなる。従って、汚染や漏れ電流を特に嫌う医療用の機器、例えば超音波診断装置（超音波画像装置）、血圧計及び眼圧計にも好適に適用できる。
【０１１７】
また、圧電素子を含む領域を封止する封止板を基板に接合するのが好ましい。これによれば、圧電素子を物理的に保護でき、また超音波センサーの強度も増加するため、構造安定性を高めることができる。更に、圧電素子が薄膜として構成される場合には、その圧電素子を含む超音波センサーのハンドリング性も向上させることができる。
【０１１８】
また、上述した実施形態では、開口部は、圧電素子毎に形成した例を示したが、これに限定されず、複数の圧電素子に対応して開口部を形成してもよい。例えば、スキャン方向（Ｘ方向）に亘って並設される圧電素子の列に共通する開口部を設けてもよく、又は全体に１つの開口部としてもよい。なお、このような複数の圧電素子に対して共通する開口部を設けた場合には、圧電素子の振動状態が異なるようになるが、振動板の基板とは反対側から、各圧電素子の間を押さえ込む部材等を設けて、独立した開口部を設けた場合と同様な振動を行うようにしてもよい。
【０１１９】
また、上述した実施形態では、一例としてＩＣＰエッチングにより形成したＣＡＶ構造からなる圧電アクチュエーターを例示したが、撓み変形（伸張変形及び圧縮変形）を用いた圧電素子であればよく、例示した構造である必要はない。例えば、ＣＡＶ構造をウェットエッチングで作製した構造、フォトレジストによりＣＡＶパターンを作製した構造、振動板とＣＡＶパターンを別個に作成して張り合わせた構造、振動板を片持ち梁とした構造等が挙げられる。
【０１２０】
本発明の超音波センサーは、種々の圧力センサーとして用いることができる。例えば、プリンター等の液体噴射装置において、インクの圧力やノズルの詰まりを検知するセンサーとしても適用できる。また、本発明の超音波センサーの構成は、超音波モーター、圧電トランス、振動式ダスト除去装置、圧力電気変換機、超音波発信機及び加速度センサー等に好適に応用できる。この種の超音波センサーの構成を利用して得られた完成体、例えば、上記の超音波センサーを搭載したロボット等も、超音波デバイスに含まれる。
【０１２１】
ここで、上述した超音波センサーを用いた電子機器の一例について説明する。本実施形態では、電子機器として超音波画像装置を例示して説明し、超音波デバイスとして超音波プローブを例示して説明する。図２２は超音波画像装置の一例を示す斜視図である。図２３は超音波プローブの一例を示す平面図である。
【０１２２】
図２２に示すように、超音波画像装置１０１は、装置端末１０２と超音波プローブ（プローブ）１０３とを備える。装置端末１０２とプローブ１０３とはケーブル１０４で接続される。装置端末１０２とプローブ１０３とはケーブル１０４を通じて電気信号をやり取りする。装置端末１０２には表示装置（ディスプレイパネル）１０５が組み込まれる。ディスプレイパネル１０５の画面は、装置端末１０２の表面に露出する。装置端末１０２では、プローブ１０３の超音波センサー１（図２３参照）から送信され、検出された超音波に基づき画像が生成される。画像化された検出結果は、ディスプレイパネル１０５の画面に表示される。
【０１２３】
図２３に示すように、プローブ１０３は、筐体１０６を有する。筐体１０６内には、複数の超音波素子１０（図１等参照）がＸ方向及びＹ方向の二次元に配列された超音波センサー１が収納される。超音波センサー１は、その表面が筐体１０６の表面に露出するように設けられる。超音波センサー１は、表面から超音波を出力すると共に、超音波の反射波を受信する。また、プローブ１０３は、プローブ本体１０３ａに着脱自在となるプローブヘッド１０３ｂを備えることができる。このとき、超音波センサー１は、プローブヘッド１０３ｂの筐体１０６内に組み込むことができる。
【符号の説明】
【０１２４】
Ｉ，１０３…プローブ、１…超音波センサー、２…ＦＰＣ基板、３，１０４…ケーブル、４…中継基板、５，１０６…筐体、６…耐水性樹脂、１０…超音波素子、１１，１１Ａ…基板、１２，１２Ａ…弾性膜、１３，１３Ａ…絶縁体膜、１４ａ，１４ａＡ…送信用第１電極、１４ｂ，１４ｂＡ…受信用第１電極、１４ａ１，１４ｂ１，１４ａ１Ａ，１４ｂ１Ａ…電極主部、１４ａ２，１４ｂ２，１４ｂ３…櫛歯部、１４ａ２Ａ…円盤部、１４ｂ２Ａ，１４ｂ３Ａ…円弧部、１５ａ，１５ａＡ…送信用圧電体層、１５ｂ，１５ｂＡ…受信用圧電体層、１５ｂ１，１５ｂ１Ａ…第１受信用圧電体層、１５ｂ２，１５ｂ２Ａ…第２受信用圧電体層、１６，１６Ａ…第２電極、１７，１７Ａ…圧電素子、１７ａ，１７ａＡ…送信用圧電素子、１７ｂ１，１７ｂ２，１７ｂ１Ａ，１７ｂ２Ａ…受信用圧電素子、１８，１８Ａ…開口部、１９，１９Ａ…隔壁、２０，２０Ａ…空間、３０…音響整合層、３１…レンズ部材、３２…圧電素子保持部、４０…包囲板、４０ａ…縁部、４０ｂ…面、４１…支持部材、５０，５０Ａ…振動板、５０ａ…第１面、５０ｂ…第２面、１０１…超音波画像装置、１０２…装置端末、１０３ａ…プローブ本体、１０３ｂ…プローブヘッド、１０５…ディスプレイパネル
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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