(57)【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上に設けられた振動板と、
前記振動板の前記開口部側の第２の面とは反対側の面上に積層され、第１電極、圧電体層及び第２電極を含む圧電素子と、を具備する超音波センサーであって、
前記振動板の前記開口部とは反対側の面上の、前記圧電素子の周囲の空間に反射層が設けられ、測定対象物側に発信される発信超音波とは異なる方向に発信される他の超音波が前記圧電素子と前記反射層との界面で反射され、前記振動板及び前記圧電素子は、前記発信超音波に重畳するような厚みを有し、
前記基板は、
前記振動板の前記第２の面に対して平行であって前記第２の面と接合される第１の壁面と、前記開口部を区画する第２の壁面と、を有し、
前記第２の壁面は、前記第１の壁面に対して垂直な垂直壁と、前記第１の壁面と第２の壁面との間に設けられ、前記第１及び第２の壁面に対して傾斜した傾斜壁と、を有し、
前記傾斜壁と前記振動板の前記第２の面との成す角度は９０度以上であること
を特徴とする超音波センサー。
【請求項２】
前記反射層及び前記圧電素子の音響インピーダンス比が３倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の超音波センサー。
【請求項３】
前記反射層が、前記圧電素子の音響インピーダンスよりも小さい音響インピーダンスを有す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。
【請求項４】
前記反射層は、前記圧電素子と、前記圧電素子及び前記空間を包囲するように前記振動板上に形成された包囲板と、の間に形成される空気層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。
【請求項５】
前記反射層は、前記圧電素子と、前記圧電素子及び前記空間を包囲するように前記振動板上に形成された包囲板と、の間に充填される樹脂組成物層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。
【請求項６】
前記反射層及び前記圧電素子の界面で反射された前記他の超音波が、前記発信超音波に対して０度より大きく１２０度以下の位相差を具備す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。
【請求項７】
前記圧電素子の厚みが０．４〜２．０μｍであ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】
前記振動板の厚みが０．５〜３．０μｍであることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の超音波センサー。
【請求項９】
第１の面と第２の面とを有する振動板と、
前記振動板の前記第１の面上に設けられ、第１電極、圧電体層及び第２電極を含む圧電素子と、
前記振動板の前記第２の面に取り付けられ、前記圧電素子と対向する位置に開口部を有する基板と、
前記開口部と前記振動板の前記第２の面とによって形成された空間内に設けられ、前記圧電素子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と、を具備し、
前記圧電素子の周囲の領域は、空気層とされており、
前記基板は、
前記振動板の前記第２の面に対して平行であって前記第２の面と接合される第１の壁面と、前記開口部を区画する第２の壁面と、を有し、
前記第２の壁面は、前記第１の壁面に対して垂直な垂直壁と、前記第１の壁面と第２の壁面との間に設けられ、前記第１及び第２の壁面に対して傾斜した傾斜壁と、を有し、
前記傾斜壁と前記振動板の前記第２の面との成す角度は９０度以上であること
を特徴とする超音波センサー。
【請求項１０】
前記圧電素子への駆動信号の送受信を行う回路を具備し、
前記回路は、前記圧電素子を共振モードで共振させる該駆動信号の送受信を行うこと
を特徴とする請求項９に記載の超音波センサー。
【請求項１１】
前記振動板の前記第１の面上に、前記圧電素子及び前記空気層を包囲する包囲板を更に具備すること
を特徴とする請求項９又は１０に記載の超音波センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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、超音波を発信した時点から、その発信した超音波が測定対象物に反射されて戻ってくるエコー信号を受信する時点までの時間に基づいて、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】
この種の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超音波センサーユニットにより受信される超音波と、に基づいて、検出対象（測定対象物）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（特許文献１参照）。また、この種の超音波センサーとしては、例えば、開口部が形成された支持体と、開口部を閉塞するように設けられた支持膜と、支持膜の支持体とは反対側に設けられた圧電体（圧電素子）と、圧電素子の周りに設けられた枠体と、を具備する超音波センサーに、圧電素子を封止する封止膜を更に設け、この封止膜によって封止される空間（圧電素子を含む空間）に圧力媒体としてのシリコーンオイルを充填し、圧力センサーとして適用したものが知られている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１６４３３１号公報
【特許文献２】特開２０１２−２１５５３３号公報（図３（Ｂ）等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の超音波センサーでは、測定対象物側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が発生することがあった。そのため、発生する全超音波に対して、測定対象物側へ発信される超音波の割合が低くなる場合があった。測定対象物側へ発信される超音波の伝播効率が十分でないと、測定対象物に関する各種情報を精度よく取得できない可能性が生じる。また、特許文献２では、圧電素子を含む空間にシリコーンオイルを充填しているため、圧電素子の駆動時にシリコーンオイルを介したリーク電流が生じる場合があった。この場合、測定対象物を分離して識別できる能力（距離分解能）をはじめとする検出精度の向上を図ることが困難となる可能性が生じる。
【０００６】
尚、このような問題は、特許文献１の超音波センサーだけではなく、例えば振動板及び圧電体を有し、測定対象物側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が発生する超音波センサーにおいても同様に存在する。
【０００７】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、超音波の伝播効率を向上させることができる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】
【０００８】
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上に設けられた振動板と、前記振動板の前記開口部側の第２の面とは反対側の面上に積層され、第１電極、圧電体層及び第２電極を含む圧電素子と、を具備する超音波センサーであって、前記振動板の前記開口部とは反対側の面上の、前記圧電素子の周囲の空間に反射層が設けられ、測定対象物側に発信される発信超音波とは異なる方向に発信される他の超音波が前記圧電素子と前記反射層との界面で反射され、前記振動板及び前記圧電素子は、前記発信超音波に重畳するような厚みを有し、前記基板は、前記振動板の前記第２の面に対して平行であって前記第２の面と接合される第１の壁面と、前記開口部を区画する第２の壁面と、を有し、前記第２の壁面は、前記第１の壁面に対して垂直な垂直壁と、前記第１の壁面と第２の壁面との間に設けられ、前記第１及び第２の壁面に対して傾斜した傾斜壁と、を有し、前記傾斜壁と前記振動板の前記第２の面との成す角度は９０度以上であ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、測定対象物側に発信される発信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該発信超音波に重畳させ、その振幅を増大させることができる。よって、発信超音波の強度を大きくし、超音波の伝播効率を向上させることができる。
上記の態様において、反射層は、空気層として構成することもできる。反射層を空気層として構成すれば、圧電素子の周囲の領域に音響整合層（シリコーンオイル等）が設けられる場合と比べ、圧電素子の駆動時におけるリーク電流を著しく低減できる。これにより、測定対象物の検出に悪影響が生じることを防止でき、その結果、測定対象物を分離して識別できる能力（距離分解能）をはじめとする検出精度の向上を図ることができる。しかも、上記のようにリーク電流を著しく低減できるため、電気的安全性に優れた超音波センサーとなる。また、かかる態様によれば、振動板の圧電素子とは反対側に基板が取り付けられるため、開口部の加工が容易となる。
また、傾斜壁と振動板の第２の面との成す角度を９０度以上とすることで、開口部における開口面積を厚さ方向で異ならせて、振動板側の開口の面積を、他方の開口の面積よりも大きくすることができる。このため、振動板と音響整合層との接触面積が大きくなる。よって、基板によって振動板の変位が拘束される面積を低減することができ、振動板の稼働領域を大きくすることができる。振動板と音響整合層との接触面積が大きくなり、振動板の稼働領域が大きくなることによって、音響整合層内に残留振動が仮に発生したとしても、かかる残留振動を振動板によって好適に吸収できるようになる。つまり、音響整合層が所謂ダンパーとしての機能を発揮するようになり、音響整合層における残留振動を低減できるようになる。その結果、距離分解能をはじめとする検出精度の向上をより図ることができる。特に、１つの圧電素子と１つの開口部と有する最小単位の構成からなる超音波センサーのユニットを、２個以上並べて超音波センサーを構成した場合、隣接するユニットの開口部の間に基板によって隔壁が形成される。このように、隣接する開口部間に隔壁が存在することによって、音響整合層を伝搬する残留振動を遮断することができ、隣接する素子の振動減衰を抑制できる。その結果、距離分解能をはじめとする検出精度のさらなる向上を図ることができる。
ここで、前記反射層及び前記圧電素子の音響インピーダンス比が３倍以上であることが好ましい。これによれば、反射層及び圧電素子の界面で上記の他の超音波を好適に反射できる。よって、超音波の伝播効率を確実に向上させることができる。
また、前記反射層が、前記圧電素子の音響インピーダンスよりも小さい音響インピーダンスを有することが好ましい。これによれば、上記の反射層の構成材料の選択性を広くできる。よって、超音波の伝播効率を向上させることができ、かつ超音波センサーの構成自由度も大きくできる。
また、前記反射層は、前記圧電素子と、前記圧電素子及び前記空間を包囲するように振動板上に形成された包囲板と、の間に形成される空気層からなることが好ましい。これによれば、反射層を容易に形成できる上、包囲板によって圧電素子を保護できる。よって、超音波の伝播効率を向上させる超音波センサーを容易に構成でき、かつ超音波センサーの構造安定性も高めることができる。更に、上記のように圧電素子の駆動時におけるリーク電流を著しく低減できるため、検出精度の向上も図ることができる。しかも、圧電素子が薄膜として構成される場合、ハンドリング性も向上させることができるので、超音波センサーの製造や取り扱いが容易となる。
また、前記反射層は、前記圧電素子と、前記圧電素子及び前記空間を包囲するように振動板上に形成された包囲板と、の間に充填される樹脂組成物層からなることが好ましい。これによれば、音響インピーダンスの異なる反射層を容易に形成できる上、包囲板によって圧電素子を保護できる。よって、超音波の伝播効率を向上させる超音波センサーを容易に構成でき、かつ超音波センサーの構造安定性も高めることができる。
また、前記反射層及び前記圧電素子の界面で反射された前記他の超音波が、前記発信超音波に対して０度より大きく１２０度以下の位相差を具備することが好ましい。これによれば、位相差に応じて超音波の振幅を増大させることができる。よって、超音波の伝播効率をより向上させることができる。
また、前記圧電素子の厚みが０．４〜２．０μｍであることが好ましい。これによれば、上記の他の超音波が発生した時点から、反射層及び圧電素子の界面で反射され測定対象物側に伝播する時点までの差を小さくできる。よって、他の超音波を発信超音波に重畳させやすくなり、他の超音波が測定対象物側でエコー信号と干渉することもなくなる。よって、超音波の伝播効率を向上させることができる上、測定分解能も高めることができる。
また、前記振動板の厚みが０．５〜３．０μｍであることが好ましい。これによれば、上記の他の超音波が発生した時点から、反射層及び圧電素子の界面で反射され測定対象物側に伝播する時点までの差を小さくできる。よって、他の超音波を発信超音波に重畳させやすくなり、他の超音波が測定対象物側でエコー信号と干渉することもなくなる。よって、超音波の伝播効率を向上させることができる上、測定分解能も高めることができる。
さらに本発明の他の態様は、第１の面と第２の面とを有する振動板と、前記振動板の前記第１の面上に設けられ、第１電極、圧電体層及び第２電極を含む圧電素子と、前記振動板の前記第２の面に取り付けられ、前記圧電素子と対向する位置に開口部を有する基板と、前記開口部と前記振動板の前記第２の面とによって形成された空間内に設けられ、前記圧電素子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と、を具備し、前記圧電素子の周囲の領域は、空気層とされており、前記基板は、前記振動板の前記第２の面に対して平行であって前記第２の面と接合される第１の壁面と、前記開口部を区画する第２の壁面と、を有し、前記第２の壁面は、前記第１の壁面に対して垂直な垂直壁と、前記第１の壁面と第２の壁面との間に設けられ、前記第１及び第２の壁面に対して傾斜した傾斜壁と、を有し、前記傾斜壁と前記振動板の前記第２の面との成す角度は９０度以上であ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、振動板及び圧電素子の開口部に対向する領域が空気層とされているため、圧電素子の周囲の領域に音響整合層が設けられる場合と比べ、圧電素子の駆動時におけるリーク電流を著しく低減できる。これにより、測定対象物の検出に悪影響が生じることを防止でき、その結果、測定対象物を分離して識別できる能力（距離分解能）をはじめとする検出精度の向上を図ることができる。しかも、上記のようにリーク電流を著しく低減できるため、電気的安全性に優れた超音波センサーとなる。また、かかる態様によれば、振動板の圧電素子とは反対側に基板が取り付けられるため、開口部の加工が容易となる。
また、傾斜壁と振動板の第２の面との成す角度を９０度以上とすることで、開口部における開口面積を厚さ方向で異ならせて、振動板側の開口の面積を、他方の開口の面積よりも大きくすることができる。このため、振動板と音響整合層との接触面積が大きくなる。よって、基板によって振動板の変位が拘束される面積を低減することができ、振動板の稼働領域を大きくすることができる。振動板と音響整合層との接触面積が大きくなり、振動板の稼働領域が大きくなることによって、音響整合層内に残留振動が仮に発生したとしても、かかる残留振動を振動板によって好適に吸収できるようになる。つまり、音響整合層が所謂ダンパーとしての機能を発揮するようになり、音響整合層における残留振動を低減できるようになる。その結果、距離分解能をはじめとする検出精度の向上をより図ることができる。特に、１つの圧電素子と１つの開口部と有する最小単位の構成からなる超音波センサーのユニットを、２個以上並べて超音波センサーを構成した場合、隣接するユニットの開口部の間に基板によって隔壁が形成される。このように、隣接する開口部間に隔壁が存在することによって、音響整合層を伝搬する残留振動を遮断することができ、隣接する素子の振動減衰を抑制できる。その結果、距離分解能をはじめとする検出精度のさらなる向上を図ることができる。
また、前記圧電素子への駆動信号の送受信を行う回路を具備し、前記回路は、前記圧電素子を共振モードで共振させる該駆動信号の送受信を行うことが好ましい。これによれば、共振を利用して、圧電素子及び振動板を大きく変位させて強度の大きい超音波を発信することができ、また測定対象物からの反射超音波に応じて圧電素子及び振動板を大きく変位させ、強度の大きい電気信号を得ることができる。このように、強度の大きい電気信号を用いた検出が可能となるため、距離分解能をはじめとする検出精度の向上を更に図ることができる。
また、前記振動板の前記第１の面上に、前記圧電素子及び前記空気層を包囲する包囲板を更に具備することが好ましい。
さらに他の態様は、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上に設けられた振動板と、前記振動板の前記開口部とは反対側の面上に積層され、第１電極、圧電体層及び第２電極を含む圧電素子と、を具備する超音波センサーであって、前記振動板の前記開口部とは反対側の面上の、前記圧電素子の周囲の空間に反射層が設けられ、測定対象物側に発信される発信超音波とは異なる方向に発信される他の超音波が前記圧電素子と前記反射層との界面で反射され、前記振動板及び前記圧電素子は、前記発信超音波に重畳するような厚みを有す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、測定対象物側に発信される発信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該発信超音波に重畳させ、その振幅を増大させること
ができる。よって、発信超音波の強度を大きくし、超音波の伝播効率を向上させることが
できる。
上記の態様において、反射層は、空気層として構成することもできる。反射層を空気層
として構成すれば、圧電素子の周囲の領域に音響整合層（シリコーンオイル等）が設けら
れる場合と比べ、圧電素子の駆動時におけるリーク電流を著しく低減できる。これにより
、測定対象物の検出に悪影響が生じることを防止でき、その結果、測定対象物を分離して
識別できる能力（距離分解能）をはじめとする検出精度の向上を図ることができる。しか
も、上記のようにリーク電流を著しく低減できるため、電気的安全性に優れた超音波セン
サーとなる。また、かかる態様によれば、振動板の圧電素子とは反対側に基板が取り付け
られるため、開口部の加工が容易となる。
【０００９】
ここで、前記反射層及び前記圧電素子の音響インピーダンス比が３倍以上であることが好ましい。これによれば、反射層及び圧電素子の界面で上記の他の超音波を好適に反射できる。よって、超音波の伝播効率を確実に向上させることができる。
【００１０】
また、前記反射層が、前記圧電素子の音響インピーダンスよりも小さい音響インピーダンスを有することが好ましい。これによれば、上記の反射層の構成材料の選択性を広くできる。よって、超音波の伝播効率を向上させることができ、かつ超音波センサーの構成自由度も大きくできる。
【００１１】
また、前記反射層は、前記圧電素子と、前記圧電素子及び前記空間を包囲するように振動板上に形成された包囲板と、の間に形成される空気層からなることが好ましい。これによれば、反射層を容易に形成できる上、包囲板によって圧電素子を保護できる。よって、超音波の伝播効率を向上させる超音波センサーを容易に構成でき、かつ超音波センサーの構造安定性も高めることができる。更に、上記のように圧電素子の駆動時におけるリーク電流を著しく低減できるため、検出精度の向上も図ることができる。しかも、圧電素子が薄膜として構成される場合、ハンドリング性も向上させることができるので、超音波センサーの製造や取り扱いが容易となる。
【００１２】
また、前記反射層は、前記圧電素子と、前記圧電素子及び前記空間を包囲するように振動板上に形成された包囲板と、の間に充填される樹脂組成物層からなることが好ましい。これによれば、音響インピーダンスの異なる反射層を容易に形成できる上、包囲板によって圧電素子を保護できる。よって、超音波の伝播効率を向上させる超音波センサーを容易に構成でき、かつ超音波センサーの構造安定性も高めることができる。
【００１３】
また、前記反射層及び前記圧電素子の界面で反射された前記他の超音波が、前記発信超音波に対して０度より大きく１２０度以下の位相差を具備することが好ましい。これによれば、位相差に応じて超音波の振幅を増大させることができる。よって、超音波の伝播効率をより向上させることができる。
【００１４】
また、前記圧電素子の厚みが０．４〜２．０μｍであることが好ましい。これによれば、上記の他の超音波が発生した時点から、反射層及び圧電素子の界面で反射され測定対象物側に伝播する時点までの差を小さくできる。よって、他の超音波を発信超音波に重畳させやすくなり、他の超音波が測定対象物側でエコー信号と干渉することもなくなる。よって、超音波の伝播効率を向上させることができる上、測定分解能も高めることができる。
【００１５】
また、前記振動板の厚みが０．５〜３．０μｍであることが好ましい。これによれば、上記の他の超音波が発生した時点から、反射層及び圧電素子の界面で反射され測定対象物側に伝播する時点までの差を小さくできる。よって、他の超音波を発信超音波に重畳させやすくなり、他の超音波が測定対象物側でエコー信号と干渉することもなくなる。よって、超音波の伝播効率を向上させることができる上、測定分解能も高めることができる。
【００１６】
また、本発明の態様は、第１の面と第２の面とを有する振動板と、前記振動板の前記第１の面上に設けられ、第１電極、圧電体層及び第２電極を含む圧電素子と、前記振動板の前記第２の面に取り付けられ、前記圧電素子と対向する位置に開口部を有する基板と、前記開口部と前記振動板の前記第２の面とによって形成された空間内に設けられ、前記圧電素子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と、を具備し、前記圧電素子の周囲の領域は、空気層と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、振動板及び圧電素子の開口部に対向する領域が空気層とされているため、圧電素子の周囲の領域に音響整合層が設けられる場合と比べ、圧電素子の駆動時におけるリーク電流を著しく低減できる。これにより、測定対象物の検出に悪影響が生じることを防止でき、その結果、測定対象物を分離して識別できる能力（距離分解能）をはじめとする検出精度の向上を図ることができる。しかも、上記のようにリーク電流を著しく低減できるため、電気的安全性に優れた超音波センサーとなる。また、かかる態様によれば、振動板の圧電素子とは反対側に基板が取り付けられるため、開口部の加工が容易となる。
【００１７】
ここで、前記基板は、前記振動板の前記第２の面に対して平行であって前記第２の面と接合される第１の壁面と、前記開口部を区画する第２の壁面と、を有し、前記第２の壁面は、前記第１の壁面に対して垂直な垂直壁と、前記第１の壁面と第２の壁面との間に設けられ、前記第１及び第２の壁面に対して傾斜した傾斜壁と、を有し、前記傾斜壁と前記振動板の前記第２の面との成す角度は９０度以上であることが好ましい。これによれば、開口部における開口面積を厚さ方向で異ならせて、振動板側の開口の面積を、他方の開口の面積よりも大きくすることができる。このため、振動板と音響整合層との接触面積が大きくなる。よって、基板によって振動板の変位が拘束される面積を低減することができ、振動板の稼働領域を大きくすることができる。振動板と音響整合層との接触面積が大きくなり、振動板の稼働領域が大きくなることによって、音響整合層内に残留振動が仮に発生したとしても、かかる残留振動を振動板によって好適に吸収できるようになる。つまり、音響整合層が所謂ダンパーとしての機能を発揮するようになり、音響整合層における残留振動を低減できるようになる。その結果、距離分解能をはじめとする検出精度の向上をより図ることができる。特に、１つの圧電素子と１つの開口部と有する最小単位の構成からなる超音波センサーのユニットを、２個以上並べて超音波センサーを構成した場合、隣接するユニットの開口部の間に基板によって隔壁が形成される。このように、隣接する開口部間に隔壁が存在することによって、音響整合層を伝搬する残留振動を遮断することができ、隣接する素子の振動減衰を抑制できる。その結果、距離分解能をはじめとする検出精度のさらなる向上を図ることができる。
【００１８】
また、前記圧電素子への駆動信号の送受信を行う回路を具備し、前記回路は、前記圧電素子を共振モードで共振させる該駆動信号の送受信を行うことが好ましい。これによれば、共振を利用して、圧電素子及び振動板を大きく変位させて強度の大きい超音波を発信することができ、また測定対象物からの反射超音波に応じて圧電素子及び振動板を大きく変位させ、強度の大きい電気信号を得ることができる。このように、強度の大きい電気信号を用いた検出が可能となるため、距離分解能をはじめとする検出精度の向上を更に図ることができる。また、前記振動板の前記第１の面上に、前記圧電素子及び前記空気層を包囲する包囲板を更に具備することが好ましい。
【００１９】
上記に関連する態様は、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上に設けられた振動板と、前記振動板上に積層され、第１電極、圧電体層及び第２電極を含む圧電素子と、を具備する超音波センサーを用いた測定方法であって、前記振動板の前記開口部とは反対側の面上の、前記圧電素子の周囲の空間に設けられた反射層により、測定対象物側に発信される発信超音波とは異なる方向に発信される他の超音波を反射させ、前記発信超音波に重畳させる工程を有することを特徴とする超音波センサーを用いた測定方法にある。
かかる態様によれば、測定対象物側に発信される発信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該発信超音波に重畳させ、その振幅を増大させることができる。よって、発信超音波の強度を大きくし、超音波の伝播効率を向上させることができる。
【００２０】
上記に関連する他の態様は、基板を準備し、前記基板上に、第１の面と第２の面とを有する振動板を形成し、前記振動板の前記第１の面上に、第１電極、圧電体層及び第２電極を含む圧電素子を形成し、前記基板の前記圧電素子と対向する位置に開口部を形成し、前記開口部と前記振動板の前記第２の面とによって形成された空間内に、前記圧電素子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を設け、前記圧電素子の周囲の領域を、空気層とすることを特徴とする超音波センサーの製造方法にある。
かかる態様によれば、振動板及び圧電素子の開口部に対向する領域を空気層として製造するため、圧電素子の周囲の領域に音響整合層が設けられる場合と比べ、圧電素子の駆動時におけるリーク電流を著しく低減できる超音波センサーとなる。これにより、測定対象物の検出に悪影響が生じることを防止でき、その結果、測定対象物を分離して識別できる能力（距離分解能）をはじめとする検出精度の向上を図ることができる。しかも、上記のようにリーク電流を著しく低減できるため、電気的安全性に優れた超音波センサーを製造できる。また、かかる態様によれば、振動板の圧電素子とは反対側に基板が取り付けられるため、開口部の加工が容易となる。
【００２１】
ここで、前記開口部を形成する工程は、前記振動板の前記第２の面に対して垂直となるように前記基板をエッチングして垂直壁を形成する工程と、前記振動板の前記第２の面及び前記垂直壁に対して傾斜するように、かつ、前記第２の面に対する角度が９０度以上となるように、傾斜壁を形成する工程と、を含むことが好ましい。これによれば、開口部における開口面積を厚さ方向で異ならせて、振動板側の開口の面積を、他方の開口の面積よりも大きくすることができるため、振動板と音響整合層との接触面積が大きくなる。よって、基板によって振動板の変位が拘束される面積を低減することができ、振動板の稼働領域を大きくすることができる。振動板と音響整合層との接触面積が大きくなり、振動板の稼働領域が大きくなることによって、音響整合層内に残留振動が仮に発生したとしても、かかる残留振動を振動板によって好適に吸収できるようになる。つまり、音響整合層が所謂ダンパーとしての機能を発揮するようになり、音響整合層における残留振動を低減できるようになる。その結果、距離分解能をはじめとする検出精度の向上をより図ることができる。特に、１つの圧電素子と１つの開口部と有する最小単位の構成からなる超音波センサーのユニットを、２個以上並べて超音波センサーを構成した場合、隣接するユニットの開口部の間に基板によって隔壁が形成される。このように、隣接する開口部間に隔壁が存在することによって、音響整合層を伝搬する残留振動を遮断することができ、隣接する素子の振動減衰を抑制できる。その結果、距離分解能をはじめとする検出精度のさらなる向上を図ることができる。
【００２２】
また、前記振動板の前記第１の面上に、前記圧電素子及び前記空気層を包囲する包囲板を更に設けることが好ましい。これによれば、圧電素子の周囲の領域に空気層を確保できる上、圧電素子を物理的に保護できるため、距離分解能をはじめとする検出精度の向上を図ることができ、かつ電気的安全性に優れる超音波センサーの構造強度を更に高めることができる。しかも、圧電素子が薄膜として構成される場合、ハンドリング性も向上させることができるので、超音波センサーの製造や取り扱いが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【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波形等を説明するグラフ。
【図６】実施形態１に係る超音波センサーの超音波波形等を説明するグラフ。
【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１の変形例に係る超音波センサーの概略構成を示す図。
【図１０】実施形態２に係る超音波センサーの概略構成を示す分解斜視図。
【図１１】実施形態２及び変形例に係る超音波センサーの断面図。
【図１２】実施形態２に係る超音波センサーの動作等を示す図。
【図１３】実施形態３に係る超音波センサーの断面図。
【図１４】実施形態３に係る超音波センサーの拡大断面図及び第１の壁面側から見た平面図、並びに変形例に係る超音波センサーの拡大断面図。
【図１５】実施形態３に係る超音波センサーの残留振動低減機機能を説明する図。
【図１６】実施形態３に係る超音波センサーの製造例を説明する図。
【図１７】実施形態３に係る超音波センサーの製造例を説明する図。
【図１８】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】
【００２４】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。ただし、以下の説明は、本発明の一態様を示すものであって、本発明の範囲内で任意に変更可能である。各図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。
【００２５】
（実施形態１）
本発明の実施形態１は、測定対象物側に発信される発信超音波とは異なる方向に発信される他の超音波が圧電素子との界面で反射され、発信超音波に重畳するような厚みを有する反射層を具備する超音波センサー等に関する。
【００２６】
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り、図２は、図１の超音波センサーを幅方向に沿って切断した断面図である。図示するように、超音波センサー１は、開口部Ｗが形成された基板１０と、開口部Ｗを塞ぐように基板１０上に設けられた振動板５０と、振動板５０上に積層され、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０を含む圧電素子３００と、を具備する。
【００２７】
基板１０は、例えばシリコン（Ｓｉ）単結晶基板を用いることができ、振動板５０は、例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる弾性膜５１と、酸化ジルコニウム等からなる絶縁体膜５２と、から構成できる。圧電素子３００への電圧印加によって圧電素子３００がたわみ変形し、これによる圧電素子３００及び振動板５０の変位に応じて超音波が発生する。尚、絶縁体膜５２は省略が可能である。
【００２８】
本実施形態では、開口部Ｗが、測定対象物側に発信される超音波（以下、単に「発信超音波」と称することがある。）の通過領域とされており、圧電素子３００が、振動板５０の開口部Ｗとは反対側に形成されている。これによれば、振動板５０の圧電素子３００とは反対側の構成を簡素化させ、超音波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。
【００２９】
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１となる。
【００３０】
尚、本実施形態では、圧電素子３００上（圧電素子３００の上面上及び側面上）に空間が確保されており、この圧電素子３００及び空間を包囲するように振動板５０上に包囲板４０が形成されているが、この包囲板４０は省略が可能である。ただし、このような包囲板４０を設けることで、圧電素子３００を物理的に保護でき、また超音波センサー１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３００が薄膜として構成される場合には、その圧電素子３００を含む超音波センサー１のハンドリング性も向上させることができる。このような包囲板４０は、例えばシリコン系材料から構成でき、基板１０や振動板５０にもシリコン系材料を用いれば、同種の材料によって各部を接合できるようになる。
【００３１】
基板１０の振動板５０とは反対側には、超音波等を透過可能なレンズ部材３０が設けられている。レンズ部材３０、基板１０及び振動板５０によって形成される空間Ｓには、所定の樹脂組成物が充填されて音響整合層２０が形成されている。これによれば、圧電素子３００と測定対象物との間での急激な音響インピーダンス変化を防止できる。超音波を収束させる必要がない場合は、レンズ部材３０を省略したり、レンズ部材３０の代わりに開口部Ｗを塞ぐ蓋部材を設けたりしてもよい。
【００３２】
すなわち、圧電素子３００及び測定対象物の間で音響インピーダンスが急激に変化する場合、超音波は、その界面を介しては伝播せず該界面で反射する。一方、音響整合層２０により圧電素子３００及び測定対象物の間で音響インピーダンスが段階的に変化するようにすることで、圧電素子３００及び測定対象物の間で音響インピーダンスが急激に変化することに起因する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伝播されるようになる。
【００３３】
また、本実施形態では、基板１０に開口部Ｗが一つである最小単位の構成が採用されており、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、測定対象物に関する各種情報を取得するために多数の検出信号を用いることができ、信頼性を向上させることができる。
【００３４】
超音波センサー１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１を構成した後にそれらを接続固定して構成してもよく、開口部Ｗが複数形成された基板を用い、振動板やレンズ部材等が共通部材となるように構成してもよい。
【００３５】
振動板５０の開口部Ｗとは反対側には、厚さ３０〜５０ｎｍ程度の酸化チタン等からなり第１電極６０の下地との密着性を向上させる密着層５６が設けられている。絶縁体膜５２や密着層５６は必要に応じて省略可能である。密着層５６上には、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０を含む圧電素子３００が形成されている。ここで、圧電素子３００は、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０を含む部分をいう。
【００３６】
一般に、圧電素子３００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７０が開口部Ｗ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６０を圧電素子３００の共通電極とし、第２電極８０を圧電素子３００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。
【００３７】
ここでは、圧電素子３００と、当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板５０と、を合わせてアクチュエーター装置と称することができる。上述した例では、振動板５０と、必要に応じて設けられる絶縁体膜５２及び密着層５６と、第１電極６０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５０を設けず、圧電素子３００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。
【００３８】
第１電極６０や第２電極８０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。
【００３９】
圧電体層７０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３００の変位量を確保しやすくなる。また、圧電体層７０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、いわゆるＢＦ−ＢＴ系のペロブスカイト構造の複合酸化物や、少なくともカリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、ニオブ（Ｎｂ）を含む、いわゆるＫＮＮ系の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１を実現できる。
【００４０】
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。上記のＢＦ−ＢＴ系による圧電体層７０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。
【００４１】
また、上記のＢＦ−ＢＴ系の例では、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。一方、いわゆるＫＮＮ系の例では、ＡサイトにＫ及びＮａが、ＢサイトにＮｂが位置している。その組成式は（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３として表される。
【００４２】
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。
【００４３】
例えば上記のＢＦ−ＢＴ系やＫＮＮ系のペロブスカイト型複合酸化物は、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１を実現できる。
【００４４】
上記のＢＦ−ＢＴ系におけるマンガン（Ｍｎ）以外の添加物の例としては、圧電体層７０のＡサイトのＢｉの一部と置換されるリチウム（Ｌｉ）、サマリウム（Ｓｍ）、セリウム（Ｃｅ）や、ＢサイトのＦｅの一部と置換されるアルミニウム（Ａｌ）、コバルト（Ｃｏ）等が挙げられる。また、上記のＫＮＮ系における、Ｍｎ以外の添加物の例としては、リチウム（Ｌｉ）、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、ビスマス（Ｂｉ）、タンタル（Ｔａ）、アンチモン（Ｓｂ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、銀（Ａｇ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、銅（Ｃｕ）等が挙げられる。添加物は１つ以上含んでいてもよい。一般的に、添加物の量は、主成分となる元素の総量に対して１５％以下である。添加物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。
【００４５】
以上説明した圧電素子３００は、回路１２０（図３等を参照）からの電圧印加によってたわみ変形する。圧電素子３００のたわみ変形のしやすさは、圧電素子３００や振動板５０の構成材料や厚さ、配置や大きさ等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。各材料に固有の共振周波数を利用して、これと圧電素子３００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３００をたわみ変形させるようにしてもよい。
【００４６】
圧電素子３００のたわみ変形の結果、圧電素子３００や振動板５０が変位し、この変位に応じて例えば測定対象物側への発信超音波が発生する。具体的には、図３（ａ）に示すように、回路１２０から配線１２１を介して電荷信号Ｉｉｎが圧電素子３００に印加され、第１電極６０及び第２電極８０で挟まれた実質的に駆動部となる圧電体層７０を中心に圧電素子３００がたわみ変形する結果、圧電素子３００や振動板５０が変位して、測定対象物側（図中の下方側）への発信超音波が発生する。
【００４７】
上記のように、本実施形態では、振動板５０の圧電素子３００とは反対側が超音波の通過領域となる構成が採用されており、超音波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。
【００４８】
回路１２０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できる。回路１２０は、第１電極６０及び第２電極８０に接続固定でき、これにより構造安定性や電気的信頼性が向上する。ただし、本発明の要旨を変更しない範囲において、第１電極６０及び第２電極８０とは電気的に分離可能に回路を構成してもよく、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１自体の構成を簡素化させることができる。
【００４９】
測定対象物側への発信超音波は、測定対象物がある場合にはその測定対象物に反射され、超音波センサー１側に戻ってくる。図３（ｂ）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５０に入射して、これにより振動板５０とともに圧電素子３００が変位し、発生した電荷信号Ｉｏｕｔが回路１２０で測定される。そして、図示しない制御手段において、電荷信号Ｉｉｎ及び電荷信号Ｉｏｕｔの時差等に基づいた演算がなされ、測定対象物の位置、形状及び速度等が検出される。
【００５０】
このような圧電素子３００及び振動板５０の変位を利用した超音波センサー１では、測定対象物側への発信超音波とは異なる方向（例えば測定対象物とは反対側）に発信される他の超音波が発生する場合がある。そこで、本実施形態では、振動板５０の開口部Ｗとは反対側に、発信超音波とは異なる方向に発信される他の超音波が圧電素子３００との界面で反射され、発信超音波に重畳するような厚みを有する領域７１を具備している。かかる領域は、本実施形態に係る反射層７１として機能する。
【００５１】
反射層７１による超音波の反射は、反射層７１及び圧電素子３００の界面での音響インピーダンス比に基づくものである。よって、反射層７１は、圧電素子３００との音響インピーダンス比が３倍以上であることが好ましい。これによれば、反射層７１及び圧電素子３００の界面で上記の他の超音波を好適に反射でき、超音波の伝播効率を確実に向上させることができるようになる。
【００５２】
このような反射層７１は、圧電素子３００との音響インピーダンス比が所定値以上となるものであればよく、圧電素子３００の音響インピーダンスより大きい音響インピーダンスを有するものであっても、圧電素子３００の音響インピーダンスより小さい音響インピーダンスを有するものであってもよい。このように、反射層７１の構成材料は、圧電素子３００の構成に応じて適宜選択が可能である。
【００５３】
例えば反射層７１は、圧電素子３００及び包囲板４０の間に形成される空気層７１ａからなるように構成できる。空気の音響インピーダンスは、約４．３×１０−４ＭＲａｌｙであることが知られている。また、圧電素子３００が上記の第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０から構成される場合、その音響インピーダンスは、例えば約０．７ＭＲａｌｙ（１．０×１０−６ｋｇ・ｍ−２・ｓ−１）となることが多い。このとき、下式（１）に表される反射率Ｒを算出すると、反射率Ｒは約０．９９８となり、圧電素子３００及び空気層７１ａの界面では、超音波が約９９．８％反射する、すなわち超音波がほとんど伝播しないことが分かる。
【００５４】
[式１]
反射率Ｒ＝（Ｚ０−Ｚ１）／（Ｚ０＋Ｚ１）
（Ｚ０：圧電素子の音響インピーダンス、Ｚ１：空気層の音響インピーダンス）
【００５５】
よって、空気層７１ａからなる反射層７１を具備することで、該反射層７１を更に容易に形成できる。尚、包囲板４０によって圧電素子３００を保護できる上記の効果も奏することができる。
【００５６】
本実施形態の超音波センサー１について図４を用いて更に詳述する。図４は、本実施形態の超音波センサー１の拡大断面図である。図中、測定対象物側への発信超音波が実線矢印Ａ、反射層７１によって反射されて測定対象物側に発信される他の超音波が破線矢印Ｂ、測定対象物に反射したエコー信号が一点鎖線矢印Ｃで示されている。
【００５７】
超音波センサー１では、電圧印加によって圧電素子３００が開口部Ｗ方向にたわみ変形し、その結果、圧電素子３００や振動板５０が変位して、測定対象物側に発信超音波Ａが発生する。
【００５８】
一方、圧電素子３００のたわみ変形に応じて、測定対象物側とは異なる方向にも超音波が発生する場合がある。例えば、測定対象物側とは反対側に、他の超音波Ｂが発生する場合がある。超音波センサー１は上記の反射層７１を具備するため、このような他の超音波Ｂは反射層７１及び圧電素子３００の界面において反射し、その発信方向を変化させられて、測定対象物側に発信されることとなる。
【００５９】
ここで、本実施形態では、圧電素子３００の厚みが０．４〜２．０μｍであることが好ましい。また、振動板５０の厚みが０．５〜３．０μｍであることが好ましい。圧電素子３００や振動板５０が上記のように比較的薄いものであれば、圧電素子３００や振動板５０が比較的厚いもの、例えば圧電素子がバルクであるものと比べ、他の超音波Ｂが反射層７１及び圧電素子３００の界面に達するまでの伝播距離を短くでき、また、該界面で反射された他の超音波Ｂが測定対象物側に達するまでの伝播距離も短くできる。このため、他の超音波Ｂが発生した時点から、反射層７１及び圧電素子３００の界面で反射され測定対象物側に伝播する時点までの差を小さくできる。よって、他の超音波Ｂを、発信超音波Ａに好適に重畳させることができる。
【００６０】
図５は、発信超音波Ａ、他の超音波Ｂ及びエコー信号Ｃの振幅を示すタイムチャートである。図５に示すように、本実施形態では、発信超音波Ａが発生した時点ｔ１から他の超音波Ｂが発信超音波Ａに重なる時点ｔ２までの期間Ｐ１の方が、発信超音波Ａが発生した時点ｔ１からエコー信号Ｃを受信する時点ｔ３までの期間Ｐ２よりも短くなる。
【００６１】
このように、圧電素子３００や振動板５０が上記のように比較的薄いものであれば、測定対象物との距離にもよるが、他の超音波Ｂが発信超音波Ａに重畳する前にエコー信号Ｃが入射することを防止でき、他の超音波Ｂがエコー信号Ｃに干渉する可能性も極めて低くなる。
【００６２】
発信超音波Ａ及び他の超音波Ｂの位相差については、他の超音波Ｂがエコー信号Ｃに干渉せず、また、発信超音波Ａの振幅に悪影響を与えないような値であれば、本発明の要旨を変更しない範囲において適宜選択可能である。図６は、発信超音波Ａ及び他の超音波Ｂが重畳した際の振幅の変化を説明する図である。
【００６３】
図示するように、理論上、発信超音波Ａ及び他の超音波Ｂの両者の位相差が０度であれば、波形は完全に一致し、振幅は二倍になり、その強度を向上させることができる。圧電素子３００や振動板５０が上記のように比較的薄いものであれば、他の超音波Ｂが反射層７１及び圧電素子３００の界面で反射され測定対象物側に達するまでの伝播距離を短くできるため、発信超音波Ａ及び他の超音波Ｂの両者の実際の位相差を小さくすることが容易となる。
【００６４】
例えば、他の超音波Ｂが発信超音波Ａに重畳するまでの遅れが該発信超音波Ａの周期の１／３以下であること、言い換えれば、他の超音波Ｂが発信超音波Ａに対して０度より大きく１２０度以下の位相差を具備することが好ましく、他の超音波Ｂが０度より大きく６０度以下の位相差を具備することがより好ましい。これによれば、発信超音波Ａの振幅に悪影響を与えないような他の超音波Ｂとなる。また、位相差によっては超音波の振幅を増大させ、その伝播効率をより向上させることができる。
【００６５】
一例として、発信超音波Ａの周波数が約７．５ＭＨｚである場合を説明する。この場合、発信超音波Ａの周期は、発信超音波Ａの周波数の逆数から約１．３×１０−７ｓとなる。また、圧電素子３００の密度を約２×１０３ｋｇ／ｍ３、その圧電素子３００内の超音波速度、すなわち音速を約１×１０３ｍ／ｓとし、圧電素子３００の膜厚を１μｍとすると、他の超音波Ｂの伝搬時間（遅れ）は１μｍ／１×１０３ｍ／ｓ＝１ｎｓ（１×１０−９ｓ）となる。よって、発信超音波Ａの周波数に対して他の超音波Ｂの伝搬時間（遅れ）は上記の範囲内となり、発信超音波Ａの振幅に悪影響を与えないような他の超音波Ｂとなることが分かる。
【００６６】
このような超音波センサー１では、圧電素子３００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１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。
【００６７】
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。
【００６８】
まず、図７（ａ）に示すように、基板１０上に振動板５０を熱酸化等で形成後、振動板５０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５２を形成する。そして、絶縁体膜５２上に、密着層５６をスパッタリング法や熱酸化等で形成する。その後、図７（ｂ）に示すように、密着層５６上に、第１電極６０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５６及び第１電極６０が所定の形状となるように同時にパターニングする。
【００６９】
次いで、第１電極６０上に圧電体層７０を積層する。圧電体層７０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。その後、圧電体層７０に、第２電極８０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、図７（ｃ）に示すように、密着層５６上に第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０を含む圧電素子３００が形成される。
【００７０】
次に、図８（ａ）に示すように、基板１０上の全周にマスク膜５３を形成する。そして、図８（ｂ）に示すように、マスク膜５３を介して基板１０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１０の圧電素子３００に対向する領域を除去する。
【００７１】
そして、図８（ｃ）に示すように、振動板５０の圧電素子３００とは反対側を、音響整合層２０となる樹脂組成物で満たし、基板１０の振動板５０とは反対側にレンズ部材３０を接合する。その後、例えばシリコン材料からなる包囲板形成基板に対し、圧電素子３００を包囲する領域をエッチング等により形成された包囲板４０を振動板５０に接合する。以上のように、超音波センサー１を製造することができる。
【００７２】
以上説明した超音波センサーを用いた測定方法は、振動板５０の開口部Ｗとは反対側の面上の、圧電素子３００の周囲に設けられた反射層７１により、測定対象物側に発信される発信超音波とは異なる方向に発信される他の超音波を反射させ、発信超音波に重畳させる工程を有するものである。超音波センサー１は上記のものを用いることができ、これによれば、測定対象物側に発信される発信超音波とは異なる方向に発信される他の超音波を該発信超音波に重畳させ、その振幅を増大させることができる。
【００７３】
（実施形態１の変形例）
以上、本発明の一実施形態を説明したが、その構成は上述したものに限定されるものではない。
【００７４】
例えば、図９（ａ）に示すように、反射層が、圧電素子３００と、圧電素子３００及び空間を包囲するように振動板５０上に形成された包囲板４０と、の間に充填される樹脂組成物層７１ｂからなるように構成できる。これによれば、樹脂組成物の種類を変えることで、音響インピーダンスの異なる反射層を容易に形成できる。充填される樹脂組成物は、圧電素子３００との音響インピーダンス比が所定値以上となるものを適宜選択して用いることができる。このような樹脂組成物層としては、例えば塩化ビニルが挙げられるが、前記の例に制限されない。
【００７５】
また、後述する実施形態２で詳述するが、例えば図９（ｂ）に示すように、包囲板を省略して反射層７１を形成することもできる。これによっても、反射層としての空気層７１ａ及び圧電素子３００の界面でのインピーダンス比に基づいて、発信超音波を反射させることができる。
【００７６】
（実施形態２）
図１０は、本発明の実施形態２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り、図１１（ａ）は、図１０に示す超音波センサーを幅方向に沿って切断した断面図である。尚、図１１（ｂ）はその変形例である。図中、超音波センサーにおける幅方向は第１の方向Ｘに対応し、第１の方向Ｘと直交する方向は第２の方向Ｙに対応する。
【００７７】
これらの図に示すように、超音波センサー１Ａは、実質的に上記の実施形態１と同様の構成を有している。そのため、本実施形態に係る超音波センサー１Ａも、上記の実施形態１と同様の機能を有しており、実施形態１と同様の効果を得ることができる。更に、本実施形態においても、上記の実施形態１と同様の材料、構造、及び方法を適用することができる。同様に、上記の実施形態１に係る超音波センサー１も、以下に説明する実施形態２と同様の機能を有しており、実施形態２と同様の効果を得ることができる。更に、以下の実施形態２に説明する材料、構造、及び方法は、上記の実施形態１にも適用することが可能である。なお、本実施形態において、上記の実施形態１と共通している部分については、同様の符号を利用し、その説明を一部省略する。
【００７８】
本実施形態に係る超音波センサー１Ａは、上記の実施形態１と同様に、圧電素子３００と開口部Ｗがそれぞれ一つである最小単位の構成を有している。このような最小単位の構成からなる超音波センサー１Ａは、小型化に有利である。上記の実施形態１でも述べたが、この最小単位からなるセンサー（以下、「センサーユニット」と称する）を幅方向又は長さ方向に一次元的に２個以上並べて、或いは幅方向及び長さ方向に二次元的に複数並べて、１つのセンサーを構成することも、勿論可能である。複数のセンサーユニットを一次元的又は二次元的に並べる場合、個々のユニットを構成した後にそれらを接続してもよいが、基板１０、振動板５０、レンズ部材３０等を共通化してもよい。第１電極６０と第２電極８０のどちらを共通電極とするかは、駆動回路や配線の都合、あるいは製造上の都合等で、適宜選択することが可能である。
【００７９】
基板１０は、振動板５０の第２の面５０ａに取り付けられている。基板１０は、開口部Ｗを有している。開口部Ｗは、圧電素子３００と対向する位置に設けられている。基板１０は、振動板の第２の面５０ａに対して平行な第１の壁面１１ｘと、振動板の第２の面５０ａに対して垂直な第２の壁面１１ｙとを備えている。第１の壁面１１は、振動板５０の第２の面５０ａと接合される。第２の壁面１１ｙは、開口部Ｗを区画する。基板１０としては、例えばエッチングにより一方面側から開口部Ｗを形成可能なもの、一例としてシリコン（Ｓｉ）単結晶基板を用いることができる。また、振動板５０としては、圧電素子３００の撓み変形によって変位可能なもの、一例として二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる弾性膜５１として構成されたものを用いることができる。本実施形態では、振動板５０として、弾性膜５１に、酸化ジルコニウム等からなる絶縁体膜５２を更に形成したものを使用したが、この絶縁体膜５２は省略可能である。
【００８０】
本実施形態は、振動板５０の第２の面５０ａ側、すなわち、圧電素子３００が設けられる第１の面５０ｂとは反対側の面に基板１０が取り付けられるため、基板１０に開口部Ｗを形成したり、後述する変形例のように振動板５０と基板１０との接続部分の角度を調節したりする際の加工やエッチング作業が容易である。
【００８１】
振動板５０の第１の面５０ｂ上には、圧電素子３００が設けられる。圧電素子３００の周囲の領域７１（圧電素子３００の上面及び側面を含む領域）は空気層７１ａとされている。空気層７１ａは、例えば図１１（ａ）に示すように、圧電素子３００の周囲の領域７１を開放させるようにして構成することができる。これによれば、空気層７１ａを簡易かつ安価に構成することができる。このように、圧電素子３００の周囲の領域７１が空気層７１ａとされていることで、圧電素子３００の周囲の領域に音響整合層が設けられる従来の場合と比べ、圧電素子３００の駆動時におけるリーク電流を著しく低減できる。これにより、測定対象物の検出に悪影響が生じることを防止でき、その結果、測定対象物を分離して識別できる能力（距離分解能）をはじめとする検出精度の向上を図ることができる。
【００８２】
しかも、上記のようにリーク電流を著しく低減できるため、電気的安全性に優れた超音波センサー１Ａとなる。よって、プリンターをはじめとする液体噴射装置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、安全性等の点からリーク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１Ａとなっている。また、かかる態様によれば、振動板５０の圧電素子３００とは反対側で基板１０が接続された構成を実現できるため、変形例で例示されるような振動板５０及び基板１０の接続部分の角度を調節するための加工やエッチング作業も容易となる。
【００８３】
空気層７１ａは、図１１（ａ）に示した構成に限定されない。例えば図１１（ｂ）に示すように、圧電素子３００の周囲の領域（圧電素子３００の上面及び側面を含む領域）に空間を確保しつつ、圧電素子３００及び空間を包囲するように振動板５０の第１の面５０ｂ上に包囲板４０を取り付けてもよい。この場合、かかる空間が空気層７１ａとして機能する。つまり、包囲板４０によって覆われた領域内に、空気層７１ａが形成される。これによれば、上記の実施形態１と同様に、圧電素子３００を物理的に保護できるため、距離分解能をはじめとする検出精度の向上を図ることができ、かつ電気的安全性に優れる超音波センサーの構造強度を高めることができる。しかも、圧電素子３００が薄膜として構成される場合、ハンドリング性も向上させることができるので、超音波センサーの製造や取り扱いが容易となる。尚、包囲板４０は、基板１０や振動板５０と同様に、例えばシリコン系材料を用いて構成することができるが、構成材料は適宜選択可能である。
【００８４】
第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０の各層は互いに接していなくてもよく、これらの間に他の層が介在していてもよい。第１電極６０や第２電極８０の材料は、上記の実施形態１と同様の材料を用いることができる。圧電体層７０も、上記の実施形態１と同様の材料を用いることができる。実施形態１で説明したように、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。
【００８５】
開口部Ｗは、振動板５０を挟んで、圧電素子３００と対向する位置に設けられている。そして、この開口部Ｗが超音波の通過領域となっている。開口部Ｗと振動板５０の第２の面５０ａとによって形成された空間Ｓ内には、超音波を伝播させる音響整合層２０が充填されている。音響整合層２０は、例えばアクリル系やエポキシ系の樹脂によって構成される。本実施形態では、音響整合層２０は、樹脂の接着剤によって構成されており、レンズ部材３０を基板１０に接着する接着剤としての機能も兼ね備えている。ここでは、レンズ部材３０と基板１０との間に音響整合層２０による接着層２０ａを介在させるように構成した。実施形態１においても、同様に、音響整合層２０による接着層２０ａを介在させるようにしても良い。レンズ部材３０は、ガラスや樹脂によって構成される。開口部Ｗの２つの開口のうち、一方は振動板５０の第２の面５０ａによって塞がれており、他方は音響整合層２０及びレンズ部材３０によって塞がれる。
【００８６】
音響整合層２０は、上記の実施形態１と同様に、圧電素子３００と測定対象物との間での急激な音響インピーダンス変化を防止する。圧電素子３００と測定対象物との間に音響整合層２０を設けると、圧電素子３００と音響整合層２０との界面、及び音響整合層２０と測定対象物との間の界面の前後における音響インピーダンスの変化を低減することができる。そして、これらの界面における超音波の反射を低減することができ、超音波が効率よく測定対象物側に伝播され、また反射超音波が効率よく振動板５０に伝播されるようになる。また、本実施形態では、上記の実施形態１と同様に、レンズ部材３０が設けられているため、圧電素子３００と測定対象物との間には、３つの界面が存在する。３つの界面とは、圧電素子３００と音響整合層２０との界面（第１の界面）、音響整合層２０とレンズ部材３０との間の界面（第２の界面）、及び、レンズ部材３０と測定対象物との界面（第３の界面）である。音響整合層２０は、これらのうち、第１の界面と第２の界面の前後における超音波の反射を低減することができる。第３の界面の前後における超音波の反射は、レンズ部材３０によって低減される。第２の界面における超音波の反射を低減するために、音響整合層２０とレンズ部材３０は、音響インピーダンスの値が互いに近い材料によって構成されることが好ましい。
【００８７】
表１は、音響整合層２０として用いることができる樹脂材料と、その音響インピーダンスの一例である。圧電素子３００及び測定対象物の間で音響インピーダンスが段階的に変化するような材料を適宜選択することが可能である。尚、音響整合層２０は、本発明の要旨を変更しない範囲において開口部Ｗ内に充填されていればよく、気泡等が混在していてもよい。表１の材料は、上記の実施形態１でも同様に用いることができる。
【００８８】
【表１】
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【００８９】
圧電素子３００は、上記の実施形態１と同様に、公知の電源装置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からなる回路１２０（図１２等を参照）からの電圧印加によって撓み変形する。圧電素子３００の撓み変形のしやすさは、圧電素子３００や振動板５０の構成材料や厚さ、配置や大きさ等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。各材料に固有の共振周波数を利用して、これと圧電素子３００に供給する電気信号の周波数とを一致又は実質的に一致させ、共振モードで圧電素子３００を共振させるようにしてもよい。これによれば、共振を利用して、圧電素子３００及び振動板５０を大きく変位させて強度の大きい超音波を発信することができ、また測定対象物からの反射超音波に応じて圧電素子３００及び振動板５０を大きく変位させ、強度の大きい電気信号を得ることができる。このように、強度の大きい電気信号を用いた検出が可能となるため、距離分解能をはじめとする検出精度の向上を更に図ることができる。
【００９０】
図１２（ａ）〜（ｂ）は、図１０に示す超音波センサーの動作を示す模式図である。回路１２０からの配線１２１を介した電気信号Ｉｏｕｔ（実施形態１では、電荷信号Ｉｏｕｔとも称した。）の供給により、第１電極６０及び第２電極８０で挟まれた実質的に駆動部となる圧電体層７０を中心に圧電素子３００が撓み変形する。これに伴って振動板５０が変位し、この変位に応じて超音波が発生して、音響整合層２０を伝播して測定対象物に到達する。図１２（ａ）はこのプロセス、つまり、超音波の発信のプロセスを示したものである。
【００９１】
測定対象物側へ発信された超音波は、測定対象物がある場合にはその測定対象物に反射され、超音波センサー１Ａ側に戻ってくる。測定対象物からの反射超音波は、音響整合層２０を伝播して振動板５０に入射し、これにより振動板５０とともに圧電素子３００が変位する。この変位に応じて圧電素子３００から電荷が生成され、電気信号Ｉｉｎ（実施形態１では、電荷信号Ｉｉｎとも称した。）として配線１２１を介して回路１２０に入力される。図１２（ｂ）はこのプロセス、つまり、超音波の受信のプロセスを示したものである。そして、このような電気信号Ｉｉｎ及び電気信号Ｉｏｕｔの強度やタイミング等をもとに、測定対象物の位置や形状及等が検出される。ここでは、レンズ部材３０と基板１０との間に音響整合層２０による接着層２０ａを介在させるように構成したが、かかる構成でも、上記の実施形態１と同様の機能が発揮される。
【００９２】
（実施形態３）
次に、本発明の実施形態３に係る超音波センサーについて説明する。本実施形態の超音波センサーは、音響整合層の残留振動を低減でき、これにより測定対象物を分離して識別できる能力（距離分解能）をはじめとする検出精度の向上を更に図ることができる態様となっている。以下、実施形態１や実施形態２と同様の部分は適宜省略し、異なる部分を中心に説明する。
【００９３】
図１３は、本実施形態に係る超音波センサー１Ｂを幅方向に沿って切断した断面図であり、図１４（ａ）は、図１３における振動板５０と基板１０との接合部分を示す拡大断面図である。図１４（ｂ）は、本実施形態に係る超音波センサー１Ｂの基板１０ａを第１の壁面１１ｘ側から見た平面図である。尚、図１４（ｃ）はその変形例である。
【００９４】
上記の実施形態２において、音響整合層２０内に、圧電素子３００の駆動によって発生する振動が残留する場合がある。この振動が長期間残留してしまうと、測定対象物からの反射超音波と干渉し合い反射超音波を正確に検知することが難しくなる。よって、残留振動は十分に低減されることが好ましい。本実施形態では、振動板５０と基板１０ａとの接合部分において、基板１０ａの面の角度を調節することで、残留振動の問題を低減している。本実施形態の超音波センサー１Ｂは、基板１０ａの壁面の構成、具体的には、振動板５０との接合部分の壁面の構成が、実施形態１や実施形態２と異なっている。それ以外の点は、実施形態２と同じである。超音波センサー１Ｂについて、上記の実施形態と同様の構成については、同じ符号を用い、それらの詳細な説明を省略する。
【００９５】
実施形態２の基板１０は、図１１（ａ）及び（ｂ）に示したように、開口部Ｗを区画する第２の壁面１１ｙが、振動板の第２の面５０ａに対して垂直な壁面（第２の壁面１１ｙ）のみによって構成されていた。これに対し、図１３及び図１４（ａ）に示すように、本実施形態の超音波センサー１Ｂでは、基板１０ａの、振動板５０との接合部分に傾斜壁１１ａが設けられる。すなわち基板１０ａは、振動板５０と接合される第１の壁面１１ｘと、開口部Ｗを区画する第２の壁面１１ｙａとを有し、第２の壁面１１ｙａは、傾斜壁１１ａと、垂直壁１１ｃとを有する。第１の壁面１１ｘは、振動板５０の第２の面５０ａに対して平行である。第２の壁面１１ｙａを構成する２つの壁（傾斜壁１１ａと垂直壁１１ｃ）のうち、垂直壁１１ｃは振動板５０の第２の面５０ａに対して垂直である。傾斜壁１１ａは、第１の壁面１１ｘ及び垂直壁１１ｃに対して傾斜している。つまり傾斜壁１１ａは、第１の壁面１１ｘ及び垂直壁１１ｃに対し、平行でも垂直でもない。傾斜壁１１ａと振動板５０の第２の面５０ａとの成す角度θは９０度より大きい。
【００９６】
開口部Ｗを区画する第２の壁面１１ｙａに傾斜壁１１ａを設け、当該傾斜壁１１ａと振動板５０の第２の面５０ａとの成す角度θを９０度より大きくすることにより、開口部Ｗの断面積（振動板５０を第１の面５０ｂや第２の面５０ａに平行な面に沿って切断したときの断面積）を、振動板５０側へ向かうに従って大きくすることができる。開口部Ｗにおける開口の二つについて、振動板５０側の開口ＯＰａの面積をＳｏｐａ、他方（振動板５０側とは反対側）の開口ＯＰｂの面積をＳｏｐｂとした場合、図１４（ｂ）に示すように、振動板５０側の開口の面積Ｓｏｐａを、他方の開口の面積Ｓｏｐｂよりも大きくすることができる。すなわち、実施形態２のように、第２の壁面１１ｙを垂直壁のみによって構成した場合、振動板５０側の開口の面積はＳｏｐｂであるのに対して、本実施形態のように傾斜壁１１ａを設けた場合、振動板５０側の開口の面積はＳｏｐａとなるため、振動板５０と音響整合層２０の接触面積が大きくなる。よって、基板１０によって振動板５０の変位が拘束される面積を低減することができ、振動板５０の稼働領域を大きくすることができる。振動板５０と音響整合層２０との接触面積が大きくなり、振動板５０の稼働領域が大きくなることによって、音響整合層２０内に残留振動が仮に発生したとしても、かかる残留振動を振動板５０によって好適に吸収できるようになる。つまり、音響整合層２０が所謂ダンパーとしての機能を発揮するようになり、音響整合層２０における残留振動を低減できるようになる。その結果、距離分解能をはじめとする検出精度の向上をより図ることができる。
【００９７】
また、このように傾斜壁１１ａを設けることによって、振動板５０側の開口の面積Ｓｏｐａを大きくする構造は、図１３及び図１４（ａ）に示した例には限定されない。図１４（ｃ）は、本実施形態の変形例をしている。本変形例では、基板１０ｂの壁面の構成、具体的には、振動板５０との接合部分の壁面の構成が、実施形態３と異なっている。それ以外の点は、実施形態３と同じである。この変形例において、上記の実施形態と同様の構成については、同じ符号を用い、それらの詳細な説明を省略する。
【００９８】
図１４（ｃ）に示すように、基板１０ｂは、振動板５０と接合される第１の壁面１１ｘと、開口部Ｗを区画する第２の壁面１１ｙｂとを有する。第２の壁面１１ｙｂは、傾斜壁１１ｂと、２つの垂直壁１１ｄ及び１１ｅとを有する。第１の垂直壁１１ｄは、第１の壁面１１ｘと傾斜壁１１ｂとを接続するように設けられる。傾斜壁１１ｂは、第１の垂直壁１１ｄと第２の垂直壁１１ｅの間に設けられる。傾斜壁１１ｂは、第１の垂直壁１１ｄと第２の垂直壁１１ｅとを接続するように設けられる。第１の壁面１１ｘは、振動板５０の第２の面５０ａに対して平行である。第１の垂直壁１１ｄ及び第２の垂直壁１１ｅは、いずれも、振動板５０の第２の面５０ａに対して垂直である。傾斜壁１１ｂは、第１の壁面１１ｘ及び垂直壁１１ｄ，１１ｅに対して傾斜している。つまり、傾斜壁１１ｂは、第１の壁面１１ｘ及び垂直壁１１ｄ及び１１ｅに対して、平行でも垂直でもない。傾斜壁１１ｂと、振動板５０の第２の面５０ａとの成す角度θは、９０度よりも大きい。
【００９９】
実施形態３及びその変形例において、角度θは９０度より大きく、１８０度より小さい範囲内の値である。加工のし易さや残留振動の低減効果をより確実に得られるという観点では、９５度以上１０５度以下くらいの角度であることが好ましい。傾斜壁１１ａを含む第２の壁面１１ｙｂは、縦横比が比較的小さい開口部Ｗを一次元的又は二次元的に並べて加工するのに有利な方法（各種のミリング等）によって、好適に形成できる。
【０１００】
尚、傾斜壁１１ａは、第２の壁面１１ｙｂの全体に設けられている必要はない。例えば、図１４（ｂ）のように長方形の断面を有する開口部Ｗの場合、長方形のいずれか一辺に対応する面のみに設けられていても構わない。また、超音波センサーユニットを一次元的又は二次元的に並列させる場合において、一部のユニットの開口部Ｗのみを、図１４（ａ）〜（ｂ）や図１４（ｃ）のような構成にしても構わない。
【０１０１】
図１５は、圧電素子の駆動によって生じる音響整合層の残留振動の推移や、上記の角度θを調節することによる音響整合層のダンパー機能を説明する図である。図中における波長の縦軸は振幅（超音波強度）であり、横軸は時間である。尚、対比のため、実施形態２の例も示してある。
【０１０２】
図１５に示すように、本実施形態において、圧電素子３００の駆動によって音響整合層２０に振動が生じた時点ｔ１から、その振動が収まる時点ｔ２´までの期間は、実施形態２において、振動が生じた時点ｔ１から振動が収まる時点ｔ２までの期間よりも短い。つまり、本実施形態は、実施形態２に比べて、残留振動の低減の点でより優れている。しかも、本実施形態は、実施形態２に対して、超音波強度の低下も見られない。
【０１０３】
従って、本実施形態によれば、実施形態１や実施形態２に比べ、測定対象物に関する情報の検出精度の向上を図ることができる。例えば、実施形態２の超音波センサー１Ａが、測定対象物ＡとＢの距離がｄ以上離れていないと、これらを分離して検出できないとした場合、本実施形態の超音波センサー１Ｂでは、測定対象物ＡとＢの距離がｄよりも小さくても、測定対象物Ａ及びＢを分離して検出することができる。
【０１０４】
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１６〜図１７を参照して説明する。図１６〜図１７は、超音波センサーの製造例を示す断面図である。
【０１０５】
まず、図１６（ａ）に示すように、基板１０ａの一方の面１２上に、振動板５０を熱酸化等で形成後（弾性膜５１）、振動板５０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５２を形成する。そして、絶縁体膜５２上に、密着層５６をスパッタリング法や熱酸化等で形成する。その後、図１６（ｂ）に示すように、密着層５６上に、第１電極６０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５６及び第１電極６０が所定の形状となるように同時にパターニングする。
【０１０６】
次いで、第１電極６０上に圧電体層７０を積層する。圧電体層７０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。その後、圧電体層７０に、第２電極８０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、図１６（ｃ）に示すように、密着層５６上に第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０を含む圧電素子３００が形成される。
【０１０７】
次に、図１７（ａ）に示すように、基板１０の圧電素子３００が形成された面１２とは反対側の面１３上に、マスク膜５３を形成する。マスク膜５３には開口５３Ｗが設けられる。そして、図１７（ｂ）に示すように、マスク膜５３の開口５３Ｗを介して基板１０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１０の圧電素子３００に対向する領域を除去する。このようにしてエッチングされた領域が、開口部Ｗとなる。ここでのエッチング工程において、基板１０をオーバーエッチングさせることにより、傾斜壁１１ａと、振動板５０の第２の面５０ａとの成す角度θを調節する。このような角度の調節においては、各種のミリング装置を用いるようにしてもよい。
【０１０８】
そして、図１７（ｃ）に示すように、開口部Ｗに樹脂の接着剤を注入する。樹脂の接着剤は、開口部Ｗの体積よりも多く注入する。そして、開口部Ｗに充填された接着剤と、開口部Ｗからあふれ出た接着剤とによって、基板１０の振動板５０とは反対側の面１３に対してレンズ部材３０を取り付ける。その後、必要に応じて、振動板５０に包囲板４０（図１１（ｂ）を参照）を接合してもよい。包囲板４０は、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３００を包囲する領域をエッチング等することにより形成される。尚、実施形態２の超音波センサー１Ａや、図５（ｂ）の変形例の構成を備えた超音波センサーも、上記と同様の方法によって製造することが可能である。本実施形態と、実施形態２や変形例とでは、開口部Ｗを区画する第２の壁面の形状が異なるだけである。第２の壁面の形状は、基板１０のエッチングの制御によって、適宜変更することが可能である。
【０１０９】
（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態を説明したが、その構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、上記の態様では、圧電素子３００が、超音波を発信させる発信装置及び測定対象物からの反射超音波を受信する受信装置を兼ねるものとして説明したが、前記の例に限定されず、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、を別個に構成するようにしても構わない。
【０１１０】
更に本発明の一実施形態である超音波センサーは、種々の圧力センサーとして用いることができるため、プリンター等の液体噴射装置にも適用できる。図１８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。
【０１１１】
図１８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を有する記録ヘッドユニットは、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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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することができる。
【０１１４】
上記のとおり本発明の超音波センサーは、圧電素子３００の周囲の領域７１が空気層７１ａとされ、圧電素子３００の駆動時におけるリーク電流を著しく低減できる構成が採用されており、電気的安全性に優れたセンサーとなっている。よって、安全性等の点からリーク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好適に使用できる。
【０１１５】
そのほか、上記のとおり超音波センサーでは、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、血圧計及び眼圧計にも好適に適用できる。
【符号の説明】
【０１１６】
１，１Ａ，１Ｂ  超音波センサー、  １０  基板、  １１ｘ  第１の壁面、  １１ｙ，１１ｙａ，１１ｙｂ  第２の壁面、  １１ａ，１１ｂ  傾斜壁、  １１ｃ，１１ｄ，１１ｅ  垂直壁、  ２０  音響整合層、  ２０ａ  接着層、  ３０  レンズ部材、  ４０  包囲板、  ５０  振動板、  ５０ａ  振動板の第２の面、  ５０ｂ  振動板の第１の面、  ５１  弾性膜、  ５２  絶縁体膜、  ５３  マスク膜、  ５６  密着層、  ６０  第１電極、  ７０  圧電体層、  ７１  反射層（圧電素子の周囲の領域）、  ７１ａ  空気層、  ７１ｂ  樹脂組成物層、  ８０  第２電極、  １２０  回路、  １２１  配線、  ３００  圧電素子
【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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