(57)【要約】【課題】高分解能を有する新規な超音波センサー素子を提供する。【解決手段】開口部１１が形成された基板１２と、開口部１１を塞ぐように基板１２に設けられた振動板１３と、振動板１３に積層された第１電極１４、圧電体層１５及び第２電極１６からなる圧電素子１７と、を具備し、圧電素子１７を含む領域が封止板２２によって包囲されており、封止板２２によって包囲された領域に樹脂２３を含むとともに、超音波拡散粒２４が保持されていることを特徴とする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口部が形成された基板と、前記開口部を塞ぐように前記基板に設けられた振動板と、前記振動板に積層された第１電極、圧電体層及び第２電極からなる圧電素子と、を具備し、
前記圧電素子を含む領域が封止板によって包囲されており、
前記封止板によって包囲された領域に樹脂を含むとともに、超音波拡散粒が保持されていることを特徴とする超音波センサー素子。
【請求項２】
前記開口部が、測定対象物への超音波の通過領域とされており、前記圧電素子が、前記振動板の前記開口部とは反対側に形成されることを特徴とする請求項１に記載の超音波センサー素子。
【請求項３】
前記超音波拡散粒が、気泡又はフィラーの少なくとも一方であることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波センサー素子。
【請求項４】
前記フィラーが非金属材料からなることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の超音波センサー素子。
【請求項５】
前記超音波拡散粒の粒径が０．１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の超音波センサー素子。
【請求項６】
前記封止板の前記圧電素子に対向する面に貫通部が形成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の超音波センサー素子。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか一項に記載の超音波センサー素子を具備し、前記基板及び前記振動板に区画される領域に樹脂を含む整合層が構成されていることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の超音波センサー。
【請求項８】
前記整合層がシリコーン樹脂を含むことを特徴とする請求項７に記載の超音波センサー。
【請求項９】
前記振動板とは反対側の前記基板の前記開口部を塞ぐレンズ部材を具備することを特徴とする請求項７又は８に記載の超音波センサー。
【請求項１０】
開口部が形成された基板と、前記開口部を塞ぐように前記基板に設けられた振動板と、前記振動板に積層された第１電極、圧電体層及び第２電極からなる圧電素子と、を具備し、
前記圧電素子を含む領域を封止板によって包囲し、前記包囲領域に樹脂及び超音波拡散粒を保持させる工程を有することを特徴とする超音波センサー素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波センサー素子及びその製造方法並びに超音波センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、測定対象物に関する各種情報を取得するための検出器の一つとして、超音波センサーが知られている。超音波センサーは、超音波を対象物に向けて発信してから超音波（エコー信号）を受信するまでの所要時間に基づいて、測定対象物の位置、形状及び速度等に関する情報を得るものである。
【０００３】
このような超音波センサーとしては、例えば、振動板及び圧電体を有する超音波センサーユニットから発信された超音波と、検出対象により反射され該超音波センサーユニットにより受信された超音波と、に基づいて、検出対象の位置、形状及び速度を算出する制御演算部を備え、上記の圧電体の周囲を反射室により覆ったものが知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
また、この種の圧電体を具備する検出器として、圧力センサーの例ではあるが、開口部を有する支持体と、前記支持体上に設けられた支持膜と、支持膜上に形成された圧力検出部（圧電素子）と、を有し、圧力検出部上に形成される枠体と、枠体を閉塞する封止膜と、を備え、これらによって囲まれる内部空間に圧力媒体（シリコーンオイル）を充填したものが提案されている（例えば特許文献２参照）。特許文献２では、測定対象物が封止膜に当接する際の圧力を圧力媒体によって支持膜上の圧力検出部に伝達する、つまり、支持膜から封止膜側に圧力検出部及び圧力媒体が設けられた構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１６４３３１号公報
【特許文献２】特開２０１２−２１５５３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１では、測定対象物の方向に発信される超音波とは異なる方向（例えば反対方向）に発信された他の超音波が、圧電体の周囲を覆う反射室により反射して測定対象物側でエコー信号等と干渉し、その結果、ノイズが生じて測定分解能が低下する問題があった。
【０００７】
また、特許文献２でも、測定対象物の方向に発信される超音波とは異なる方向（例えば横方向）に発信された他の超音波が、圧電体の周囲を覆う枠体や封止膜により反射して測定対象物側でエコー信号等と干渉し、その結果、ノイズが生じて測定分解能が低下する問題があった。
【０００８】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、高分解能を有する新規な超音波センサー素子及びその製造方法並びに超音波センサー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、開口部が形成された基板と、前記開口部を塞ぐように前記基板に設けられた振動板と、前記振動板に積層された第１電極、圧電体層及び第２電極からなる圧電素子と、を具備し、前記圧電素子を含む領域が封止板によって包囲されており、前記封止板によって包囲された領域に樹脂を含むとともに、超音波拡散粒が保持されていることを特徴とする超音波センサー素子にある。
かかる態様によれば、測定対象物に発信される超音波とは異なる方向に発信される他の超音波を、超音波拡散粒に衝突させて拡散させることができる。このため、上記の他の超音波が測定対象物側でエコー信号と干渉するのを防止でき、高分解能を有する超音波センサー素子を提供できる。
【００１０】
ここで、前記開口部が、測定対象物への超音波の通過領域とされており、前記圧電素子が、前記振動板の前記開口部とは反対側に形成されることが好ましい。これによれば、振動板の圧電素子とは反対側が、測定対象物への超音波の通過領域となる構成を実現でき、圧電素子と測定対象物との間の漏れ電流等を防止しやすくなる。よって、高分解能を有し、かつ安全性の高い超音波センサー素子を提供できる。
【００１１】
また、前記超音波拡散粒が、気泡又はフィラーの少なくとも一方であることが好ましい。これによれば、超音波拡散粒を樹脂内に保持しやすくなる。よって、高分解能を有する超音波センサー素子を容易に提供できる。
【００１２】
また、前記フィラーが非金属材料からなることが好ましい。これによれば、フィラーとして導電率の低い材料を用い、高分解能を有する超音波センサー素子を提供できる。
【００１３】
また、前記超音波拡散粒の粒径が０．１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内であることが好ましい。これによれば、樹脂内の超音波波長に応じ、例えばレイリー散乱、ミー散乱、及び幾何光学散乱の少なくとも一つの現象に基づいて、上記の他の超音波を確実に拡散させることができる。よって、更に高分解能を有する超音波センサー素子を提供できる。
【００１４】
また、前記封止板の前記圧電素子に対向する面に貫通部が形成されていることが好ましい。これによれば、圧電素子に対向する部分の封止板を除去することができ、封止板の剛性によって圧電素子の変位が阻害されにくくなる。よって、更に高分解能を有する超音波センサー素子を提供できる。また、圧電素子に対向する貫通部を介して該圧電素子を含む領域に樹脂や超音波拡散粒を投入でき、超音波センサー素子の製造も容易となる。
【００１５】
上記課題を解決する本発明の他の態様は、上記の何れかに記載の超音波センサー素子を具備し、前記基板及び前記振動板に区画される領域に樹脂を含む整合層が構成されていることを特徴とする超音波センサーにある。かかる態様によれば、上記の超音波センサーを具備するため、高分解能を有する超音波センサーを提供できる。
ここで、前記整合層がシリコーン樹脂を含むことが好ましい。これによれば、比較的取り扱い性に優れ、かつ超音波拡散粒を保持しやすいシリコーン樹脂を用い、高分解能を有する超音波センサーを容易に提供できるようになる。
【００１６】
また、前記振動板とは反対側の前記基板の前記開口部を塞ぐレンズ部材を具備することが好ましい。これによれば、レンズ部材、基板及び振動板によって整合層を容易に形成できるため、高分解能を有する超音波センサーを容易に提供できるようになる。
【００１７】
上記課題を解決する本発明の更に他の態様は、開口部が形成された基板と、前記開口部を塞ぐように前記基板に設けられた振動板と、前記振動板に積層された第１電極、圧電体層及び第２電極からなる圧電素子と、を具備し、前記圧電素子を含む領域を封止板によって包囲し、前記包囲領域に樹脂及び超音波拡散粒を保持させる工程を有することを特徴とする超音波センサー素子の製造方法にある。
かかる態様によれば、測定対象物に発信される超音波とは異なる方向に発信される他の超音波を、超音波拡散粒に衝突させて拡散させることができる。このため、上記の他の超音波が測定対象物側でエコー信号と干渉するのを防止でき、高分解能を有する超音波センサー素子の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態１に係る超音波センサーの概略構成を示す分解斜視図。
【図２】実施形態１に係る超音波センサーの断面図。
【図３】実施形態１に係る超音波センサーの動作等を示す図。
【図４】実施形態１に係る超音波センサーの動作等を示す図。
【図５】実施形態１に係る超音波センサーの超音波拡散粒を説明する図。
【図６】実施形態１に係る超音波センサーの超音波拡散粒を説明する図。
【図７】実施形態１に係る超音波センサーの製造例を説明する図。
【図８】実施形態１に係る超音波センサーの製造例を説明する図。
【図９】実施形態２に係る超音波センサーの断面図を示す図。
【図１０】本発明の一実施形態に係る液体噴射装置の概略構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る超音波センサーの概略構成を示す分解斜視図である。図２（ａ）は、図１の断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ′線断面図である。
【００２０】
図示するように、本実施形態の超音波センサー１０は、開口部１１が形成された基板１２と、開口部１１を塞ぐように基板１２に設けられた振動板１３と、振動板１３に積層された第１電極１４、圧電体層１５及び第２電極１６からなる圧電素子１７と、を含んで構成される超音波センサー素子１を具備するものである。
【００２１】
超音波センサー素子１の基板１２は例えばシリコン単結晶基板を用いることができる。振動板１３は例えば二酸化シリコンからなる弾性膜として構成され、圧電素子１７への電圧印加によって弾性変形する。これにより、超音波が発生することとなる。
【００２２】
本実施形態では、開口部１１が測定対象物への超音波の通過領域とされており、圧電素子１７が、振動板１３の開口部１１とは反対側に形成されている。つまり本実施形態では、振動板１３の圧電素子１７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を採用できる。これによれば、振動板１３の圧電素子１７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剤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。
【００２３】
従って、本実施形態は、プリンターに搭載される圧力センサー等として好適に使用できるのはもちろん、安全性等の点から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、血圧計及び眼圧計にも好適に使用できる超音波センサー素子１となる。
【００２４】
このような超音波センサー素子１を具備し、基板１２及び振動板１３に区画される領域に樹脂を含む整合層（音響整合層）が形成されることで、本実施形態の超音波センサー１０が構成される。
【００２５】
超音波センサー１０において、基板１２の振動板１３とは反対側には、超音波等を透過可能なレンズ部材１８が設けられている。これにより、レンズ部材１８、基板１２及び振動板１３によって区画される領域に、所定の樹脂を充填させて音響整合層１９を形成できる。このような音響整合層１９によれば、圧電素子１７と測定対象物との間の音響インピーダンス差を低減でき、超音波が効率よく測定対象物側に発信されるようになる。
【００２６】
すなわち、圧電素子１７及び測定対象物の間の音響インピーダンス差が大きい場合、超音波が測定対象物に到達する前段階の材料界面で反射しやすくなる。一方、音響整合層１９により圧電素子１７と測定対象物との音響インピーダンス差を低減することで、音響インピーダンス差が大きいことに起因する材料界面での超音波の反射を防止でき、超音波が効率よく測定対象物側に発信されるようになる。
【００２７】
従って、音響整合層１９として機能する樹脂は、圧電素子１７及び測定対象物の間の音響インピーダンス差を低減できる音響インピーダンスを有するものを適宜選択することができる。使用可能な樹脂の例と、その音響インピーダンスの代表値と、を表１に示す。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
図中、超音波センサー素子１や超音波センサー１０は、基板１２に開口部１１が一つである最小単位の構成により実現されており、小型化に有利な態様となっている。ただし、これを幅方向又は長さ方向に一次元的に並列させ、或いは幅方向及び長さ方向に二次元的に並列させてもよい。この場合、多数の信号に基づいて測定対象物の有無や測定対象物までの距離を検出でき、信頼性が向上する。
【００３０】
超音波センサー素子１や超音波センサー１０を一次元的又は二次元的に並列させる場合、個々の超音波センサー素子１等を構成した後に接続固定して構成してもよく、複数の開口部１１が形成された基板を用い、基板、振動板及びレンズ部材等が共通部材となるように構成してもよい。
【００３１】
超音波センサー素子１の振動板１３の開口部１１とは反対側には、酸化ジルコニウム等からなる絶縁体膜２０と、厚さ３０〜５０ｎｍ程度の酸化チタン等からなり第１電極１４の下地との密着性を向上させる密着層２１と、が設けられている。絶縁体膜２０や密着層２１は必要に応じて省略可能である。
【００３２】
密着層２１上には、第１電極１４と、厚さが３μｍ以下、好ましくは０．３〜１．５μｍの薄膜である圧電体層１５と、第２電極１６と、からなる圧電素子１７が形成されている。ここで、圧電素子１７は、第１電極１４、圧電体層１５及び第２電極１６を含む部分をいう。
【００３３】
一般的には、圧電素子１７では、何れか一方の電極が共通電極とされ、他方の電極及び圧電体層１５が開口部１１毎のパターニングにより構成される。従って、超音波センサー素子１を一次元的又は二次元的に並列させた態様とする場合には、例えば第１電極１４を圧電素子１７の共通電極とし、第２電極１６を圧電素子１７の個別電極とすることができるが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。
【００３４】
ここでは圧電素子１７と、当該圧電素子１７の駆動により変位が生じる振動板１３と、を合わせてアクチュエーター装置と称する。上述した例では、振動板１３と、必要に応じて設けられる絶縁体膜２０及び密着層２１と、第１電極１４と、が振動板として作用するが、これに限定されるものではない。例えば、振動板１３を設けず、圧電素子１７自体が実質的に振動板としての機能を兼ねるようにしてもよい。
【００３５】
第１電極１４や第２電極１６は導電性を有するものであれば制限されず、例えば白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、ステンレス鋼等の金属材料、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、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や、導電性ポリマー等を用いることができる。ただし、前記の材料に制限されない。
【００３６】
圧電体層１５は、代表的にはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系のペロブスカイト構造の複合酸化物を用いることができる。これによれば、圧電素子１７の変位量を確保しやすくなる。
【００３７】
また、圧電体層１５は、鉛を含まないもの、例えば少なくともビスマス（Ｂｉ）、バリウム（Ｂａ）、鉄（Ｆｅ）及びチタン（Ｔｉ）を含むペロブスカイト構造の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超音波センサー素子１や超音波センサー１０を実現できる。
【００３８】
このようなペロブスカイト型構造、すなわち、ＡＢＯ３型構造のＡサイトは、酸素が１２配位しており、また、Ｂサイトは酸素が６配位して８面体（オクタヘドロン）をつくっている。鉛を含まない上記の圧電体層１５の例では、ＡサイトにＢｉ、Ｂａ及びＬｉが、ＢサイトにＦｅ、Ｔｉが位置している。
【００３９】
Ｂｉ、Ｂａ、Ｆｅ及びＴｉを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物では、その組成式は（Ｂｉ、Ｂａ）（Ｆｅ、Ｔｉ）Ｏ３として表されるが、代表的な組成としては、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとの混晶として表されるものである。かかる混晶は、Ｘ線回折パターンで、鉄酸ビスマスやチタン酸バリウムが単独では検出できないものをいう。混晶の組成から外れる組成も含むものである。
【００４０】
ここでのペロブスカイト構造の複合酸化物には、欠損・過剰により化学量論の組成からずれたものや、元素の一部が他の元素に置換されたものも含まれる。すなわち、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、酸素欠損等による不可避な組成のずれは勿論、元素の一部置換等も許容される。
【００４１】
そして、ペロブスカイト構造の複合酸化物の構成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い。例えば圧電体層１５は、マンガン（Ｍｎ）をさら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、例えば非鉛系の材料として信頼性の高い超音波センサー素子１や超音波センサー１０を実現できる。
【００４２】
圧電体層１５のＡサイトのＢｉをリチウム（Ｌｉ）、サマリウム（Ｓｍ）、セリウム（Ｃｅ）等で置換するようにしてもよく、ＢサイトのＦｅをアルミニウム（Ａｌ）、コバルト（Ｃｏ）等で置換するようにしてもよい。これによれば、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。
【００４３】
以上説明した圧電素子１７では、回路（図３等に示す２５）による電圧印加によってたわみ変形させられて、振動板１３とともに弾性変形して超音波が発生する。圧電素子１７のたわみ変形のしやすさは、圧電素子１７や振動板１３の構成材料や厚さ、配置位置や大きさによって変わってくるため、用途や使用態様に応じて適宜調節することが可能である。
【００４４】
各材料に固有の共振周波数を利用して、これと圧電素子１７に印加する電荷信号の周波数とを一致又は実質的に一致させ、共振を利用して圧電素子１７をたわみ変形させるようにしてもよい。
【００４５】
ここで、本実施形態では、圧電素子１７を含む領域が封止板２２によって包囲されている。そして、封止板２２によって包囲された領域（以下、包囲領域）に樹脂２３を含むとともに、超音波拡散粒２４が保持されている。
【００４６】
これによれば、測定対象物に発信される超音波とは異なる方向（例えば反対方向）に発信される他の超音波を、超音波拡散粒２４に衝突させて拡散させることができる。拡散した超音波は、測定対象物側に達しにくくなり、測定対象物の方向に発信される超音波や、測定対象物から反射されたエコー信号に対して干渉しにくくなる。その結果、ノイズの生成を防止でき、高分解能を有する超音波センサー素子１や超音波センサー１０を提供できる。
【００４７】
封止板２２は、例えばシリコン材料から構成できる。基板１２や振動板１３にもシリコン系材料を用いれば、同種の材料により各部の接合性や製造性が容易となる。封止板２２を設けることで、圧電素子１７を含む包囲領域を形成でき、また圧電素子１７の保護にも資する。圧電素子１７が薄膜（例えば３０〜２００μｍ）である場合には、その圧電素子１７を含む超音波センサー素子１や超音波センサー１０のハンドリング性をも向上できる。
【００４８】
圧電素子１７を含む包囲領域には、音響整合層として機能する樹脂２３が充填されている。ここでの樹脂２３は前記の例に制限されず、レンズ部材１８、基板１２及び振動板１３により区画される領域に満たされた、音響整合層１９として機能する樹脂と同様のものを用いてもよく、異なるものを用いてもよい。
【００４９】
すなわち、音響整合層１９として機能する樹脂は、超音波が測定対象物に到達する前段階の材料界面で反射するのを防止する機能を有する一方、包囲領域に充填される樹脂２３は、そのような機能を必ずしも有する必要はなく、超音波拡散粒２４を保持できる機能を有するものであればよい。
【００５０】
一例として、包囲領域に充填される樹脂２３としてシリコーン樹脂を用いることができる。このような樹脂２３は取り扱い性に優れ、かつ超音波拡散粒２４を保持しやすいものであるため、高分解能を有する超音波センサー素子１や超音波センサー１０を容易に提供できるようになる。
【００５１】
ここで、超音波拡散粒２４は、気泡又はフィラーの少なくとも一方であることが好ましい。これによれば、超音波拡散粒２４を保持しやすくなる。
【００５２】
超音波拡散粒２４が気泡である場合には、新たな材料を追加することなく超音波拡散粒２４を構成でき、例えば低コスト及び製造容易性の点で有利である。ここでの気泡には、樹脂２３内に充填させることが予定された気泡のみならず、本発明の要旨を変更しない範囲において、製造過程で樹脂２３内に混入してしまう気泡も含まれる。
【００５３】
気泡はバブリング処理により樹脂２３内に保持させることができる。ここでのバブリング処理は、不活性ガス、例えば窒素を樹脂２３内に吹き込む処理をいう。このようなバブリング処理は、不活性ガスを樹脂２３内に送り込む管を設け、また、送り込んだ不活性ガスを樹脂２３外から排出する管を必要に応じて設けて、所定の速度で不活性ガスを送り込んで樹脂２３を泡立てることで実現される。バブリング処理に用いる装置は公知のものを使用でき、樹脂２３の特性や圧電素子１７の機能等に悪影響を及ぼさない限りにおいて制限されない。
【００５４】
一方、超音波拡散粒２４がフィラーである場合には、各種材料を適宜選択して超音波拡散粒２４を構成でき、例えば多様な用途への適用性の点で有利となる。ただし、超音波拡散粒２４として、気泡及びフィラーを組み合わせて用いても構わない。
【００５５】
フィラーは、金属材料からなるもの、非金属材料からなるもの、又はこれらを組み合わせたものを用いることができるが、非金属材料からなるものを用いることが好ましい。このようなフィラーは導電性が低いため、電気的な悪影響を及ぼしにくく、もれ電流の発生等を回避しやすくなる。
【００５６】
非金属材料からなるフィラーとしては、例えば酸化チタン、酸化ジルコニウム、シリカ、タルク、マイカ、クレイ、カーボンナノチューブ、炭素繊維、ガラスビーズ、ガラス繊維、又はそれらの混合物が挙げられる。このうち樹脂２３としてシリコーン樹脂を用いる場合、電気絶縁性や該シリコーン樹脂との混合性に優れる点から、シリカが好ましい。
【００５７】
次に、以上説明した本実施形態の超音波センサー素子１や超音波センサー１０の構成について、図３（ａ）〜（ｃ）を用いて更に詳述する。図３（ａ）〜（ｃ）は、超音波センサー１０の動作等を示す断面図である。
【００５８】
まず本実施形態の超音波センサー１０には、図３（ａ）に示すように、圧電素子１７に電圧を印加するための回路２５が電気的に接続されている。回路２５は、公知の電源装置（図示せず）や公知のマイクロコンピューターを中心に構成された制御手段（図示せず）等を組み合わせて適宜構成することができる。
【００５９】
回路２５は、配線２６を介して第１電極１４及び第２電極１６に接続固定させることができ、これにより構造安定性や電気的信頼性が向上する。一方、回路２５は、本発明の要旨を変更しない範囲において第１電極１４及び第２電極１６とは電気的に分離可能に構成されていてもよく、これによりメンテナンスや修理交換が容易となり、また、超音波センサー素子１や超音波センサー１０自体の構成を簡素化させることができるため、多様な用途に用いやすくなる。
【００６０】
図３（ｂ）に示すように、回路２５から電荷信号Ｉｉｎが圧電素子１７に印加されると、第１電極１４及び第２電極１６で挟まれた実質的に駆動部となる圧電体層（圧電体能動部）１５がたわみ変形し、振動板１３とともに弾性変形して超音波が発生する。上記のように、本実施形態では、振動板１３の圧電素子１７とは反対側が、測定対象物に向けて発信される超音波等の通過領域となる構成が採用されており、超音波等の良好な通過領域が確保されている。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っている。
【００６１】
図３（ｃ）に示すように、測定対象物に反射した超音波はエコー信号として振動板１３に入射して、これにより振動板１３とともに圧電素子１７が弾性変形し、発生した電荷信号Ｉｏｕｔが回路２５にて測定される。そして、図示しない制御手段で所定の演算がなされ、電荷信号Ｉｉｎ及び電荷信号Ｉｏｕｔの時差や強度等により、測定対象物の有無や測定対象物までの距離が検出される。
【００６２】
ここで、本実施形態では、封止板２２によって形成される包囲領域に充填された樹脂２３内に、超音波拡散粒２４が保持されている。従って、図４に示すように、測定対象物とは異なる方向（例えば反対方向）に発信される超音波を、超音波拡散粒２４で散乱させることができる。散乱した超音波は、測定対象物側に達しにくくなり、測定対象物の方向に発信される超音波や、測定対象物から反射されたエコー信号に対して干渉を及ぼしにくくなる。
【００６３】
超音波拡散粒２４の構成について更に詳述する。図５（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ異なる粒径の超音波拡散粒２４によって超音波が拡散される状態を示す模式図であり、矢印によって超音波の方向が示されている。
【００６４】
式（１）で表される超音波拡散粒２４の粒径αが、包囲領域の樹脂２３における超音波の波長λよりも十分小さい場合、図５（ａ）に示すようなレイリー散乱により、超音波を散乱させることができる。この場合、超音波は、その進行方向に垂直な方向を境にほぼ対称に散乱する。よって、超音波の強度を、衝突する超音波拡散粒２４を境に約２分の１に低下できる。
【００６５】
[式１]
超音波拡散粒の粒径α＝Ｄ×π／λ
（Ｄ：超音波拡散粒の直径、λ：包囲領域の樹脂における超音波波長）
【００６６】
また、式（１）で表される超音波拡散粒２４の粒径αが、包囲領域の樹脂２３における超音波の波長λと同等である場合、図５（ｂ）に示すようなミー散乱により、超音波を散乱させることができる。この場合でも、上記のレイリー散乱の場合と比べ、超音波の進行方向側の散乱が大きくなるが、レイリー散乱の場合と同様に、超音波の強度を、衝突する超音波拡散粒２４を境に低減できる。
【００６７】
さらに、式（１）で表される超音波拡散粒２４の粒径αが、包囲領域の樹脂２３における超音波の波長λよりも十分大きい場合、図５（ｃ）に示すような幾何光学散乱により、超音波を散乱させることができる。この場合、超音波の超音波拡散粒２４への入射角に基づいて超音波を散乱させ、その強度を低減できる。
【００６８】
このように本実施形態によれば、超音波拡散粒２４の粒径や樹脂２３内の超音波波長に応じ、例えばレイリー散乱、ミー散乱、及び幾何光学散乱の少なくとも一つの現象に基づいて、上記の他の超音波を拡散させることができる。このような超音波拡散粒２４の粒径としては、０．１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内であることが好ましく、０．５μｍ以上２０μｍ以下の範囲内であることが好ましい。
【００６９】
このような超音波拡散粒２４Ａは、図６（ａ）に示すように球状のものを用いることができる。このような超音波拡散粒２４Ａによれば、粒径を正確に算出できるため、超音波拡散粒２４Ａの粒径を上記の範囲内に調節しやすくなる。
【００７０】
また超音波拡散粒２４がフィラーである場合は、図６（ｂ）に示すように板状のものを用いることができる。このような超音波拡散粒２４Ｂによれば、超音波を比較的広い側面部分に衝突させ、好適に散乱させることができるようになる。
【００７１】
また超音波拡散粒２４がフィラーである場合は、図６（ｃ）に示すように繊維状のものを用いることができる。このような超音波拡散粒２４Ｃによれば、超音波拡散粒２４Ｃの取り扱い性が向上する。
【００７２】
更に超音波拡散粒２４がフィラーである場合は、図６（ｄ）に示すように棒状のものを用いることができる。このような超音波拡散粒２４Ｄによれば、上記の図６（ａ）に示す球状の超音波拡散粒２４Ａと、図６（ｂ）に示す板状の超音波拡散粒２４Ｂと、の特性を兼ね備えた超音波拡散粒２４Ｄを実現できる。
【００７３】
超音波拡散粒２４の全てを同一態様にする必要性はないが、超音波拡散粒２４の全てを同一態様にすることで製造容易性が向上する。
【００７４】
樹脂２３に対する超音波拡散粒２４の密度は、超音波拡散粒２４の種類によって適宜変更することができる。例えば超音波拡散粒２４が気泡である場合には、樹脂２３に対し、３０〜８０体積％の範囲内で充填させることができる。超音波拡散粒２４がフィラーである場合も同様の密度で充填させることができる。
【００７５】
このような超音波センサー素子１や超音波センサー１０では、圧電素子１７が、超音波を発信させる発信装置及び反射するエコー信号を受信する受信装置を兼ねることが好ましい。これによれば、小型化に有利な超音波センサー素子１等を提供できる。ただし、超音波を発信させる発信装置と、反射するエコー信号を受信する受信装置と、を別個に具備しても構わない。
【００７６】
次に、本実施形態の超音波センサーの製造方法の一例について、図７〜図８を参照して説明する。図７〜図８は、超音波センサーの製造例を示す断面図である。尚、ここでは超音波センサー素子を具備し、音響整合層が形成された超音波センサーの製造方法の一例を説明するが、かかる音響整合層を形成する工程を省略し、超音波センサー素子の製造方法とすることもできる。
【００７７】
まず、図７（ａ）に示すように、基板１２上に振動板１３を熱酸化等で形成後、振動板１３上に、ジルコニウムを成膜して例えば５００〜１２００℃の拡散炉で熱酸化し、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜２０を形成する。そして、絶縁体膜２０上に、密着層２１をスパッタリング法や熱酸化等で形成する。
【００７８】
その後、図７（ｂ）に示すように、密着層２１上に、第１電極１４をスパッタリング法や蒸着法等により形成し、この密着層２１及び第１電極１４が所定の形状となるように同時にパターニングする。
【００７９】
次いで、図７（ｃ）に示すように、第１電極１４上に圧電体層１５を積層する。圧電体層１５は、例えば金属錯体を溶媒に溶解・分散した溶液を塗布乾燥し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電材料を得る、ＣＳＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成できる。尚、ＣＳＤ法に限定されず、例えば、ゾル−ゲル法や、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法、エアロゾル・デポジション法等を用いてもよい。
【００８０】
その後、図７（ｄ）に示すように、圧電体層１５に、第２電極１６をスパッタリング法や熱酸化等により形成する。これにより、密着層２１上に、第１電極１４、圧電体層１５及び第２電極１６からなる圧電素子１７が形成される。
【００８１】
次に、図８（ａ）に示すように、基板１２上の全周にマスク膜２７を形成する。そして、図８（ｂ）に示すように、マスク膜２７を介して基板１２を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）することにより、基板１２の圧電素子１７に対向する領域を除去する。
【００８２】
そして、図８（ｃ）に示すように、圧電素子１７に対向する領域が除去された空間を樹脂で満たし、基板１２の振動板１３とは反対側にレンズ部材１８を接合する。その後、例えばシリコン材料からなる封止板形成基板に対し、圧電素子１７を包囲する領域をエッチング等により形成する。さらに、封止板２２の必要箇所に孔を形成し、封止板２２を振動板１３に接合する。可能であれば封止板２２を振動板１３に接合した後に孔を形成してもよい。また、封止板２２と樹脂２３は完全に密着させる必要はなく、その間に空気層を入り込ませるようにしてもよい。その後、形成した孔から樹脂２３及び超音波拡散粒２４を包囲領域内に充填させ、超音波拡散粒２４を保持させる。以上のように、超音波センサー１０を製造することができる。
【００８３】
（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２に係る超音波センサー素子及びその製造方法並びに超音波センサーについて図９を用いて説明する。図９は、実施形態１の図２に対応する断面図である。以下、同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略し、実施形態１と異なる部分を中心に詳述する。
【００８４】
樹脂２３は、その剛性が低くなるように構成することが容易であり、この場合、圧電素子１７を取り囲む樹脂２３によっては該圧電素子１７の変位は実質的に阻害されない。一方、封止板２２Ａの剛性は圧電素子１７よりも高いものとなりやすい。封止板２２Ａの剛性が高くなると、振動板１３との接着性や超音波センサーの構造安定性等の観点では有利となるが、圧電素子の変位量の観点で不利となることがある。
【００８５】
そこで、本実施形態の超音波センサー１０Ａは超音波センサー素子１Ａを具備し、この超音波センサー素子１Ａでは、封止板２２Ａの圧電素子１７に対向する面に貫通部２８が形成されている。これによれば、圧電素子１７に対向する部分の封止板を除去することができ、封止板２２Ａの剛性によって圧電素子１７の変位が阻害されにくくなる。よって、更に高分解能を有する超音波センサー素子１Ａや超音波センサー１０Ａを提供できる。
【００８６】
貫通部２８の形状は特に制限されないが、図示するように長方形状とすることで、封止板２２Ａの圧電素子１７に対応する部分を好適に除去できる。よって、圧電素子１７に対して貫通部２８が大き過ぎ、超音波センサー１０Ａの構造安定性等が低下することや、圧電素子１７に対して貫通部２８が小さ過ぎ、圧電素子１７の変位を確保できないこと等が防止される。
【００８７】
図示しないものの、貫通部２８は正方形状、円形状、及び楕円形状としてもよい。複数の超音波センサー１０Ａを配置する場合、すべての超音波センサー１０Ａについて同一形状の貫通部２８を採用する必要はなく、貫通部２８の形状を異ならせてもよい。
【００８８】
このような超音波センサー１０Ａは、例えば以下のように製造できる。すなわち、実施形態１の図８（ｂ）以降、例えばシリコン材料からなる封止板形成基板に対して、圧電素子１７を包囲する領域をエッチング等により形成し、さらに、圧電素子１７に対応する面を除去して貫通部２８を形成する。これを先に振動板１３に接合した後、貫通部２８から樹脂２３及び超音波拡散粒２４を投入し、超音波拡散粒２４を保持させることができる。このように、実施形態２の製造方法によれば、包囲領域内に樹脂２３及び超音波拡散粒２４を投入しやすくなり、実施形態１と比べて包囲領域内に確実かつ容易に樹脂２３を充填できる。
【００８９】
（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態を説明したが、その基本的構成は上述したものに限定されるものではない。
【００９０】
本発明の一実施形態である超音波センサー１０は、種々の圧力センサーとして用いることができるため、プリンター等の液体噴射装置にも適用できる。図１０は、インクジェット式記録装置（液体噴射装置）の一例を示す概略図である。
【００９１】
図１０に示すインクジェット式記録装置ＩＩにおいて、インクジェット式記録ヘッドＩを有する記録ヘッドユニットＩＡ及びＩＢは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニットＩＡ及びＩＢを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニットＩＡ及びＩＢは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。
【００９２】
そして、駆動モーター６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニットＩＡ及びＩＢを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４には搬送手段としての搬送ローラー８が設けられており、紙等の記録媒体である記録シートＳが搬送ローラー８により搬送されるようになっている。なお、記録シートＳを搬送する搬送手段は、搬送ローラーに限られずベルトやドラム等であってもよい。
【００９３】
また、本発明の一実施形態である超音波センサー１０は、優れた変位特性を示すことから、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに限られず、圧電モーター、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適用することができる。
【００９４】
そのほか、上記のとおり超音波センサー１０では、振動板１３の圧電素子１７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のエコー信号の通過領域となる構成が採用されており、電極や配線等の電気的領域や各部剤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、血圧計及び眼圧計にも好適に適用できる。
【符号の説明】
【００９５】
１，１Ａ  超音波センサー素子、  １０，１０Ａ  超音波センサー、  １１  開口部、  １２  基板、  １３  振動板、  １４  第１電極、  １５  圧電体層、  １６  第２電極、  １７  圧電素子、  １８  レンズ部材、  １９  音響整合層、  ２０  絶縁体膜、  ２１  密着層、  ２２，２２Ａ  封止板、  ２３  樹脂、  ２４  超音波拡散粒、  ２５  回路、  ２６  配線、  ２７  マスク膜、２８  貫通部
【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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