(57)【要約】【課題】経時変化なく超音波センサ素子の共振周波数を調整して設定することができ超音波アレイセンサ装置の各超音波センサ素子の共振周波数のばらつきを最小化できる。【解決手段】強誘電体を２つの電極で挟設してなり、所定の共振周波数を有して超音波を検出する圧電センサにてなる超音波センサ素子２０において、超音波センサ素子の素子面に対して、インクジェット印刷法を用いてインク又は膜形成材を塗布することにより超音波センサ素子の共振周波数を調整する。ここで、インク又は膜形成材の厚さ、質量、密度、濃度及び形成パターンのうちの少なくとも１つを変化させることにより超音波センサ素子の共振周波数を変化させる。【選択図】図１
2005167820.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電体を２つの電極で挟設してなり、所定の共振周波数を有して超音波を検出する圧電センサにてなる超音波センサ素子の共振周波数の調整方法であって、
上記超音波センサ素子の素子面に対して、インクジェット印刷法を用いてインク又は膜形成材を塗布することにより上記超音波センサ素子の共振周波数を調整するステップを含むことを特徴とする超音波センサ素子の共振周波数の調整方法。
【請求項２】
上記インク又は膜形成材の厚さ、質量、密度、濃度及び形成パターンのうちの少なくとも１つを変化させることにより上記超音波センサ素子の共振周波数を変化させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の超音波センサ素子の共振周波数の調整方法。
【請求項３】
上記超音波センサ素子の共振周波数を変化させるステップは、上記超音波センサ素子の共振周波数を所定の共振周波数に設定することを特徴とする請求項２記載の超音波センサ素子の共振周波数の調整方法。
【請求項４】
上記超音波センサ素子の素子面に対する上記インク又は膜形成材の塗布の後、上記超音波センサ素子に対して定着処理を行うステップをさらに含むことを特徴とする請求項１乃至３のうちの１つに記載の超音波センサ素子の共振周波数の調整方法。
【請求項５】
強誘電体を２つの電極で挟設してなり、所定の共振周波数を有して超音波を検出するそれぞれ圧電センサにてなる複数の超音波センサ素子を並置してなる超音波アレイセンサ装置の共振周波数の調整方法であって、
上記各超音波センサ素子の素子面に対して、インクジェット印刷法を用いてインク又は膜形成材を塗布することにより上記各超音波センサ素子の共振周波数を調整するステップを含むことを特徴とする超音波アレイセンサ装置の共振周波数の調整方法。
【請求項６】
上記インク又は膜形成材の厚さ、質量、密度、濃度及び形成パターンのうちの少なくとも１つを変化させることにより上記各超音波センサ素子の共振周波数を変化させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項５記載の超音波アレイセンサ装置の共振周波数の調整方法。
【請求項７】
上記各超音波センサ素子の共振周波数を変化させるステップは、上記各超音波センサ素子の共振周波数を所定の共振周波数に設定することを特徴とする請求項６記載の超音波アレイセンサ装置の共振周波数の調整方法。
【請求項８】
上記各超音波センサ素子の共振周波数を変化させるステップは、上記各超音波センサ素子の共振周波数を互いに実質的に同一の共振周波数に設定することを特徴とする請求項６記載の超音波アレイセンサ装置の共振周波数の調整方法。
【請求項９】
上記各超音波センサ素子の素子面に対する上記インク又は膜形成材の塗布の後、上記各超音波センサ素子に対して定着処理を行うステップをさらに含むことを特徴とする請求項５乃至８のうちの１つに記載の超音波アレイセンサ装置の共振周波数の調整方法。
【請求項１０】
強誘電体を２つの電極で挟設してなり、所定の共振周波数を有して超音波を検出する圧電センサにてなる超音波センサ素子の共振周波数の調整装置であって、
上記超音波センサ素子の素子面に対して、インクジェット印刷法を用いてインク又は膜形成材を塗布することにより上記超音波センサ素子の共振周波数を調整する手段を備えたことを特徴とする超音波センサ素子の共振周波数の調整装置。
【請求項１１】
上記インク又は膜形成材の厚さ、質量、密度、濃度及び形成パターンのうちの少なくとも１つを変化させることにより上記超音波センサ素子の共振周波数を変化させる手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１０記載の超音波センサ素子の共振周波数の調整装置。
【請求項１２】
上記超音波センサ素子の共振周波数を変化させる手段は、上記超音波センサ素子の共振周波数を所定の共振周波数に設定することを特徴とする請求項１１記載の超音波センサ素子の共振周波数の調整装置。
【請求項１３】
上記超音波センサ素子の素子面に対する上記インク又は膜形成材の塗布の後、上記超音波センサ素子に対して定着処理を行う手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１０乃至１２のうちの１つに記載の超音波センサ素子の共振周波数の調整装置。
【請求項１４】
強誘電体を２つの電極で挟設してなり、所定の共振周波数を有して超音波を検出するそれぞれ圧電センサにてなる複数の超音波センサ素子を並置してなる超音波アレイセンサ装置の共振周波数の調整装置であって、
上記各超音波センサ素子の素子面に対して、インクジェット印刷法を用いてインク又は膜形成材を塗布することにより上記各超音波センサ素子の共振周波数を調整する手段を備えたことを特徴とする超音波アレイセンサ装置の共振周波数の調整装置。
【請求項１５】
上記インク又は膜形成材の厚さ、質量、密度、濃度及び形成パターンのうちの少なくとも１つを変化させることにより上記各超音波センサ素子の共振周波数を変化させる手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１４記載の超音波アレイセンサ装置の共振周波数の調整装置。
【請求項１６】
上記各超音波センサ素子の共振周波数を変化させる手段は、上記各超音波センサ素子の共振周波数を所定の共振周波数に設定することを特徴とする請求項１５記載の超音波アレイセンサ装置の共振周波数の調整装置。
【請求項１７】
上記各超音波センサ素子の共振周波数を変化させる手段は、上記各超音波センサ素子の共振周波数を互いに実質的に同一の共振周波数に設定することを特徴とする請求項１５記載の超音波アレイセンサ装置の共振周波数の調整装置。
【請求項１８】
上記各超音波センサ素子の素子面に対する上記インク又は膜形成材の塗布の後、上記各超音波センサ素子に対して定着処理を行う手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１４乃至１７のうちの１つに記載の超音波アレイセンサ装置の共振周波数の調整装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電センサ素子にてなる超音波センサ素子及び超音波アレイセンサ装置の共振周波数の調整方法及び調整装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、乗用車や自律移動ロボットの障害物検知や防犯用の侵入者検知センサ、あるいは視覚障害者用の行動補助装置のインテリジェント化等のために空気中で使用する小型超音波センサが注目を集めている。超音波は光に比べて伝搬速度が遅いため距離計測が容易で、また、アレイ化により物体の三次元計測も可能である。従来から実用化されている超音波センサとしては、圧電体のバルクセラミックスを用いたものが主流であるが、これらでは上記用途のための１乃至２ｃｍ程度の大きさでの充分な多素子アレイ化は困難である。これまで、バルクセラミックス型に代わるものとして、シリコンマイクロマシニング技術を用いたダイアフラム上に種々のタイプのセンサが作製されており、ピエゾ抵抗型（例えば、非特許文献１参照。）、コンデンサマイクロフォン型（例えば、非特許文献２参照。）、あるいは圧電型で空中用（例えば、非特許文献３参照。）、ないし水中用（例えば、非特許文献４参照。）のものが研究開発されている。
【０００３】
一方、本発明者らも、空気中での三次元計測を目指した圧電薄膜を用いたマイクロ超音波アレイセンサを開発してきている（例えば、特許文献１及び非特許文献５参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２８４１８２号公報。
【非特許文献１】D.S. Popescu et al., "Ultrasonic Transducer with Thermo Mechanical Excitation and Piezoresistive Detection", 1996 International Semiconductor Conference, pp. 85-88, 1996.
【非特許文献２】K. Inoue et al., "Fabrication of Ultrasonic Sensor Using Silicon Membrane", Transducers '95, pp. 616--619, 1995.
【非特許文献３】M. Okuyama et al., "Si-Monolithic Miniature Ultrasonic Sensor Using PbTiO3 Thin Film Prepared on a Si or SiO2 Cantilever", Sensors and Materials, Vol. 1,pp. 13-24, 1988.
【非特許文献４】J.J. Bernstein et al., "Micromachined High Frequency Ferroelectric Sonar Transducers", IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Freq. Control, Vol. 44, pp. 960-969, 1997.
【非特許文献５】K. Yamashita et al., "Arrayed ultrasonic microsensors with high directivity for in-air use using PZT thin film on silicon diaphragms", Sensors and Actuators: Applied Physics, Vol. 97-98, pp. 302--307, 2002.
【非特許文献６】S.-C. Wooh et al., "Influence of Phased Array Element Size on Beam Steering Behavior", Ultrasonics, Vol. 36, pp. 737-749, 1998.
【非特許文献７】S.-C. Wooh et al., "Optimization of Ultrasonic Phased Arrays", Review of Progress in Quantitative Nondestructive Eval, Vol. 1, pp. 883-890, 1998.
【非特許文献８】P. Muralt et al., "Piezoelectric actuation of PZT thin-film diaphragms at static and resonant conditions", Sensors and Actuators: Applied Physics, Vol. 53, pp. 398-404, 1996.
【非特許文献９】Dana Young, "Vibration of Rectangular Plates by the Ritz Method", Journal of Applied Mechanics, Vol. 17, No. 4, pp.448-453, 1950.
【非特許文献１０】平修二監修，「現代材料力学」，オーム社，ｐｐ．９０−９２，１９７０。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
三次元空間内での障害物検知のためには、超音波センサをフェイズドアレイとして用い、各方位角及び仰角における反射点までの距離を測定する必要がある。機械的な可動部を用いずに角度情報を得るためには、受信波形を遅延加算することにより電子的に角度走査する必要がある。この際、アレイ各素子の出力信号の周波数が一致していることが前提となるが、実際に作製される素子では、ウエハの寸法誤差やセンサを構成する各層の特性の不均一性から、素子毎に共振周波数がばらつきを持つことは避けられない。これは高感度で（Ｑ）値の高いセンサでは特に問題になる。
【０００６】
以上説明したように、超音波マイクロアレイセンサ装置においては、アレイの各素子毎に、共振周波数がばらついてしまうという問題点があり、特に強誘電体材料を用いた圧電センサにてなる超音波センサ素子の場合は、電気的に共振周波数を調整することができたが、その保持特性に問題があり、その経時変化が大きいという問題点があった。
【０００７】
本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較して経時変化なく超音波センサ素子の共振周波数を調整して設定することができ、超音波アレイセンサ装置の各超音波センサ素子の共振周波数のばらつきを最小化できる、超音波センサ素子及び超音波アレイセンサ装置の共振周波数の調整方法及び調整装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明に係る超音波センサ素子の共振周波数の調整方法は、強誘電体を２つの電極で挟設してなり、所定の共振周波数を有して超音波を検出する圧電センサにてなる超音波センサ素子の共振周波数の調整方法であって、
上記超音波センサ素子の素子面に対して、インクジェット印刷法を用いてインク又は膜形成材を塗布することにより上記超音波センサ素子の共振周波数を調整するステップを含むことを特徴とする。
【０００９】
上記超音波センサ素子の共振周波数の調整方法において、上記インク又は膜形成材の厚さ、質量、密度、濃度及び形成パターンのうちの少なくとも１つを変化させることにより上記超音波センサ素子の共振周波数を変化させるステップをさらに含むことを特徴とする。
【００１０】
また、上記超音波センサ素子の共振周波数の調整方法において、上記超音波センサ素子の共振周波数を変化させるステップは、上記超音波センサ素子の共振周波数を所定の共振周波数に設定することを特徴とする。
【００１１】
さらに、上記超音波センサ素子の共振周波数の調整方法において、上記超音波センサ素子の素子面に対する上記インク又は膜形成材の塗布の後、上記超音波センサ素子に対して定着処理を行うステップをさらに含むことを特徴とする。
【００１２】
第２の発明に係る超音波アレイセンサ装置の共振周波数の調整方法は、強誘電体を２つの電極で挟設してなり、所定の共振周波数を有して超音波を検出するそれぞれ圧電センサにてなる複数の超音波センサ素子を並置してなる超音波アレイセンサ装置の共振周波数の調整方法であって、
上記各超音波センサ素子の素子面に対して、インクジェット印刷法を用いてインク又は膜形成材を塗布することにより上記各超音波センサ素子の共振周波数を調整するステップを含むことを特徴とする。
【００１３】
上記超音波アレイセンサ装置の共振周波数の調整方法において、上記インク又は膜形成材の厚さ、質量、密度、濃度及び形成パターンのうちの少なくとも１つを変化させることにより上記各超音波センサ素子の共振周波数を変化させるステップをさらに含むことを特徴とする。
【００１４】
また、上記超音波アレイセンサ装置の共振周波数の調整方法において、上記各超音波センサ素子の共振周波数を変化させるステップは、上記各超音波センサ素子の共振周波数を所定の共振周波数に設定することを特徴とする。もしくは、上記超音波アレイセンサ装置の共振周波数の調整方法において、上記各超音波センサ素子の共振周波数を変化させるステップは、上記各超音波センサ素子の共振周波数を互いに実質的に同一の共振周波数に設定することを特徴とする。
【００１５】
さらに、超音波アレイセンサ装置の共振周波数の調整方法において、上記各超音波センサ素子の素子面に対する上記インク又は膜形成材の塗布の後、上記各超音波センサ素子に対して定着処理を行うステップをさらに含むことを特徴とする。
【００１６】
第３の発明に係る超音波センサ素子の共振周波数の調整装置は、強誘電体を２つの電極で挟設してなり、所定の共振周波数を有して超音波を検出する圧電センサにてなる超音波センサ素子の共振周波数の調整装置であって、
上記超音波センサ素子の素子面に対して、インクジェット印刷法を用いてインク又は膜形成材を塗布することにより上記超音波センサ素子の共振周波数を調整する手段を備えたことを特徴とする。
【００１７】
上記超音波センサ素子の共振周波数の調整装置において、上記インク又は膜形成材の厚さ、質量、密度、濃度及び形成パターンのうちの少なくとも１つを変化させることにより上記超音波センサ素子の共振周波数を変化させる手段をさらに備えたことを特徴とする。
【００１８】
また、上記超音波センサ素子の共振周波数の調整装置において、上記超音波センサ素子の共振周波数を変化させる手段は、上記超音波センサ素子の共振周波数を所定の共振周波数に設定することを特徴とする。
【００１９】
さらに、上記超音波センサ素子の共振周波数の調整装置において、上記超音波センサ素子の素子面に対する上記インク又は膜形成材の塗布の後、上記超音波センサ素子に対して定着処理を行う手段をさらに備えたことを特徴とする。
【００２０】
第４の発明に係る超音波アレイセンサ装置の共振周波数の調整装置は、強誘電体を２つの電極で挟設してなり、所定の共振周波数を有して超音波を検出するそれぞれ圧電センサにてなる複数の超音波センサ素子を並置してなる超音波アレイセンサ装置の共振周波数の調整装置であって、
上記各超音波センサ素子の素子面に対して、インクジェット印刷法を用いてインク又は膜形成材を塗布することにより上記各超音波センサ素子の共振周波数を調整する手段を備えたことを特徴とする。
【００２１】
上記超音波アレイセンサ装置の共振周波数の調整装置において、上記インク又は膜形成材の厚さ、質量、密度、濃度及び形成パターンのうちの少なくとも１つを変化させることにより上記各超音波センサ素子の共振周波数を変化させる手段をさらに備えたことを特徴とする。
【００２２】
また、上記超音波アレイセンサ装置の共振周波数の調整装置において、上記各超音波センサ素子の共振周波数を変化させる手段は、上記各超音波センサ素子の共振周波数を所定の共振周波数に設定することを特徴とする。もしくは、上記超音波アレイセンサ装置の共振周波数の調整装置において、上記各超音波センサ素子の共振周波数を変化させる手段は、上記各超音波センサ素子の共振周波数を互いに実質的に同一の共振周波数に設定することを特徴とする。
【００２３】
さらに、上記超音波アレイセンサ装置の共振周波数の調整装置において、上記各超音波センサ素子の素子面に対する上記インク又は膜形成材の塗布の後、上記各超音波センサ素子に対して定着処理を行う手段をさらに備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
従って、本発明に係る超音波センサ素子及び超音波アレイセンサ装置の共振周波数の調整方法及び調整装置によれば、上記超音波センサ素子の素子面に対して、インクジェット印刷法を用いてインク又は膜形成材を塗布することにより上記超音波センサ素子の共振周波数を調整することができ、ここで、特に、上記超音波センサ素子の共振周波数の調整方法において、上記インク又は膜形成材の厚さ、質量、密度、濃度及び形成パターンのうちの少なくとも１つを変化させることにより上記超音波センサ素子の共振周波数を変化させることができる。
【００２５】
また、上記超音波センサ素子の共振周波数を所定の共振周波数に設定し、又は上記各超音波センサ素子の共振周波数を互いに実質的に同一の共振周波数に設定することにより、例えば、複数の超音波センサ素子を用いた計測装置における測定精度を大幅に向上させることができる。
【００２６】
さらに、上記超音波センサ素子の素子面に対する上記インク又は膜形成材の塗布の後、上記超音波センサ素子に対して定着処理を行うことにより、経時劣化又は経年劣化を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、同様の構成要素については同一の符号を付している。
【００２８】
図１は、本発明の一実施形態に係る超音波センサ素子２０の構造を示す縦断面図である。本発明の実施形態においては、圧電薄膜を用いＳＯＩ基板上に作製した、シリコンモノリシックで形成した複数の超音波センサ素子２０が例えば格子形状で並置してなる超音波アレイセンサ装置における各超音波センサ素子２０の共振周波数の調整方法について、比較例の電界ポーリング法と、実施形態に係るインクジェット印刷法とについて以下に示す。
【００２９】
本実施形態において用いる超音波センサ素子２０は空気中での使用を想定しているため、空気中での超音波の減衰（その減衰量は周波数の−２乗に比例する。）、波長と指向性の関係（指向性利得は開口径に比例し、波長に反比例する。）及び超音波センサ素子２０のマイクロ化の要求（チップサイズ≦１０〜２０ｍｍ）から、超音波の使用周波数を１００ｋＨｚ程度とし素子構造を決定した。図１に示す超音波センサ素子２０においては、活性層の厚さが２μｍのＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を裏面から、ＥＰＷ（Ethylenediamine Pyrocatechol Water；エチレンジアミン（強アルカリ性の液体）と、ピロカテコール（粒状のアルコール）と、水との混合液で、シリコンの異方性エッチングに用いるエッチング液である。）による異方性エッチング法を用いてエッチングを行うことにより、０．７ｍｍ角のダイアフラム構造を作製し、圧電層としてはゾルゲルＰＺＴ薄膜を用いた。各層の膜厚とダイアフラムの寸法は共振周波数が１００ｋＨｚとなるように設計した。アレイ形状は７×７の正方形で合計４９素子、素子間隔はいずれも１．７ｍｍで、アレイ全体は一辺１１ｍｍの正方形の領域に収まる大きさである。
【００３０】
次いで、超音波センサ素子２０の作製プロセスについて以下に説明する。上述のように、薄板構造をダイアフラム構造とし、圧電層としてスピンコートによるゾルゲル製膜法を用いる。このゾルゲル製膜法は、複合金属アルコキシド溶液を加水分解と重縮合等により粘度調整した前駆体溶液を，スピンコートによって製膜し（ゲル膜）、熱処理で結晶化させる製膜プロセスのことである。なお、圧電層の形成は異方性エッチングが完了した後である。上記ゾルゲル製膜法で用いるＰＺＴゾルゲル前駆体溶液の組成を次の表に示す。
【００３１】
［表１］
ＰＺＴゾルゲル前駆体溶液の組成
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
溶媒      ２−メトキシエタノール
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
Ｐｂ成分    酢酸鉛３水和物
Ｚｒ成分    Ｚｒノルマルブトキシド
Ｔｉ成分    Ｔｉイソプロポキシド
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
ＰＺＴ組成  Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１１５：５２：４８
濃度  Ｐｂ１．１５Ｚｒ０．５２Ｔｉ０．４８Ｏ３．１５として１５％ｗｔ
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
【００３２】
（ａ）出発基板として市販のＳＯＩ構造を有する半導体チップウエハ１０を用いる。ここで、半導体チップウエハ１０は、裏面に厚さ０．４μｍのＳｉＯ２にてなる絶縁膜層１１を有するＳｉ半導体基板１０上に、厚さ０．１μｍのＳｉＯ２にてなる絶縁膜層１３を介して厚さ２．２μｍのＳｉ半導体活性層１４が形成されてなる。４インチ基板１枚を２インチ相当の八角形２枚にダイシングして用いる。２インチ相当ウエハ当たり４チップを配置している。
【００３３】
（ｂ）異方性エッチング時のマスク用及び下部電極層１６間の絶縁のために半導体チップウエハ１０の両面を熱酸化する。炉内温度１，０００°Ｃにて、最初Ｏ２を５．０リットル／分のみで５分間ドライ酸化した後、Ｏ２（５．０リットル／分）＋Ｈ２（４．５リットル／分）で９０分ウェット酸化する。絶縁膜層１７の厚さは０．３８〜０．４４μｍで、ＥＰＷによる異方性エッチングに十分耐える厚さである。
【００３４】
（ｃ）下部電極層１６としてＰｔ／ＴｉをＲＦスパッタ装置により製膜する。Ａｒガス流量４４ｓｃｃｍでかつ１Ｐａの雰囲気において、まず、Ｔｉを５００Ｗで１分、次に、Ｐｔを２００Ｗで１０分間スパッタリングすることにより、それぞれ膜厚０．０２μｍ及び０．２μｍを得る。フォトレジストによるリフトオフによりパターニングするため製膜時に加熱することはできないが、作製した膜をＸ線回折装置（以下、ＸＲＤ（X-Ray Diffractometer)により評価すると、Ｐｔ（１１１）単一配向でＰＺＴセラミックス薄膜層１７の下部電極層１６として十分良質の薄膜が形成されることを確認している。
【００３５】
（ｄ）異方性エッチング用の窓として裏面の絶縁膜層１１をＢＨＦ（Buffered Hydro-Fluoric acid；緩衝弗酸（弱酸性の液体）、すなわち、弗酸と弗化アンモニウムの混合溶液で、主にシリコン酸化物をエッチングするために用いる。）のエッチング液でエッチングする。この際、裏面の窓のパターンが表面のセンサ用ダイアフラムの下部電極１６の電極パターンと正確に重なるように、両面マスクアライナによりパターン合わせを行なう。
【００３６】
（ｅ）異方性エッチングによりダイアフラム構造を形成する。エッチャントとしてはＥＰＷを用い、１１４°Ｃで８〜１０時間エッチングを行なう。半導体チップウエハ１０内の各エッチングホールで、エッチングレートが若干ばらついたが、ＳＯＩ構造のＩ層である絶縁膜層１３でエッチングはほぼ停止するので、最もエッチングレートの遅いエッチホールに合わせてエッチングを行なうことにより、ダイアフラム構造を完成した。
【００３７】
（ｆ）ＳＯＩ構造のＩ層である絶縁膜層１３は上述の異方性エッチングの停止層として不可欠であるが、最終的な構造としては内部応力の原因となり得るので、異方性エッチング終了後除去する必要がある。通常の熱酸化膜であるので、ＢＨＦによりエッチングすることで除去する。
【００３８】
（ｇ）ゾルゲル製膜法により圧電層としてＰＺＴセラミックス薄膜層１７を製膜する。圧電層製膜後下部電極のコンタクトホールとしてＰＺＴセラミックスを弗硝酸（ＨＦ：ＨＮＯ３：Ｈ２Ｏ＝１：１：１００）でエッチングする。１μｍの厚さのＰＺＴセラミックス薄膜層１７をエッチングするために要する時間は１０〜３０秒で、この際のサイドエッチング量は５〜１０μｍである。
【００３９】
（ｈ）ＰＺＴセラミックス薄膜層１７の短絡保護及び上部電極層１８，２３の面積制御のための絶縁膜層２５としてフォトレジスト層を形成してパターニングする。フォトレジストの対有機溶媒耐性を上げるために、ポストベイクにて１２０°Ｃから２００°Ｃまで徐々に温度を上げ硬化させる。これによりレジストはアセトンにほとんど溶解しなくなる。
【００４０】
（ｉ）上部電極層１８，２３としてＰｔをＲＦスパッタ装置により製膜する。製膜条件は工程（ｃ）と同じで膜厚０．２μｍである。超音波センサ素子２０の上部電極層１８，２３としては工程（ｈ）のフォトレジスト層で電極形状を形成しているので特にパターニングを必要としない。また、工程（ｈ）での高温のベイクによりレジストの段差部に十分緩やかなテーパが生じるので、上部電極層１８，２３が断線することはない。なお、下部電極層１６のコンタクトホール上のマスキングには耐熱性カプトンテープを使用する。
【００４１】
以上のプロセスで超音波センサ素子２０を作製した後、八角形の２インチ相当ウウエハ１０をダイシングし４チップを分離して、パッケージに固定し各電極層１６，１８に対してボンディング１９，１９により引き出し導線２１，２２を接続した後、それぞれの引き出し導線２１，２２を端子Ｔ１，Ｔ２に接続し、ボンディングしてセンサチップを完成する。さらに、以上のように製造された超音波センサ素子２０を並置してなる超音波アレイセンサ装置３０を形成した。
【００４２】
次いで、遅延加算による電子走査を用いた物体位置計測法におけるアレイセンサを用いた電子走査による測定法について以下に説明する。
【００４３】
各超音波センサ素子２０からの出力信号を電気的に遅延加算することにより、フェイズドアレイを構成し、超音波センサ素子２０自体を機械的に動かさずに指向性を走査することができる。これを実現するには各超音波センサ素子２０の共振周波数が一致している必要があり、周波数のバラツキがある程度以上大きくなると、もはやフェイズドアレイとして機能しなくなる可能性がある。そこで、実際に作製したアレイセンサの、隣接する４素子を選んでフェイズドアレイを構成し、物体の位置検知の実験を試みた。
【００４４】
図２は図１の超音波センサ素子２０を用いた４素子リニアアレイにてなる超音波アレイセンサ装置の構造を示す縦断面図であり、図３にその指向性の計算値を示す。図２において、４個の超音波センサ素子２０−１乃至２０−４が並置されて超音波アレイセンサ装置を構成している。ここで、当該４素子リニアアレイの指向性ｓ（θ）は次式のように表される（例えば、非特許文献６及び７参照。）。なお、当該明細書において、数式がイメージ入力された墨付き括弧の数番号を用いており、また、当該明細書での一連の数式番号として「式（１）」の形式を用いて数式番号を式の最後部に付与して（付与していない数式も存在する）用いることとする。
【００４５】
【数１】
2005167820.tif 000003
【００４６】
ここで、角度θは超音波の入射角であり、λは超音波の波長（ここでは、３．４ｍｍ）、Ｎは素子数（ここでは４）、ａ及びｂはそれぞれ超音波センサ素子２０の大きさと周期（それぞれ、０．７ｍｍ、１．７ｍｍである。）である。図３よりメインローブの半値幅が約３０度であるから、この超音波アレイセンサ装置を用いて左右に±３０度程度離れた物体を認識できる。
【００４７】
図４は遅延加算法による電子走査法を用いた物体位置計測のための測定システムのブロック図及びグラフを示す図である。図４に示すように、対象物として２個の金属製円筒２０１，２０２を用い、超音波アレイセンサ装置１００及びパルス音源１０１の前方に左右約３０度の角度を隔てて配置した。一発のパルス超音波の送信に対する対象物からの反射波を超音波アレイセンサ装置１００でとらえ、受信波形をコンピュータ１０４で遅延加算することにより、物体配置の再構成を試みた。
【００４８】
図４において、各超音波センサ素子２０からの出力信号ｗｉ（ｔ）は４チャンネルの増幅器１０２で増幅し、オシロスコープ１０３で計測する。計測された各波形をコンピュータ１０４に取り込み、各走査角度φに対して超音波センサ素子２０毎の位置の違いを考慮して、次式のように、遅延時間δｉ（φ）を加算して計測結果をＣＲＴディスプレイ１０５に表示する。
【００４９】
【数２】
2005167820.tif 000004
【数３】
2005167820.tif 000005
【００５０】
ここで、ｗφ（ｔ）は走査角φに対する遅延加算波形であり、Ｃは音速（ここでは３４０ｍ／ｓ）である。各遅延加算波形ｗφ（ｔ）について、反射波形の振幅の最大値Ａ（φ）と最大振幅までの超音波伝搬時間Ｔ（φ）を求める。ここで、最大振幅Ａ（φ）はその方向に反射体が存在する確率に相当する量を表し、伝搬時間Ｔ（φ）が反射体までの距離に対応する。対象物が２個の場合、最大振幅Ａ（φ）はそれぞれの物体に対応した方向２箇所で極大値をとるものと考えられる。
【００５１】
次いで、作製直後の超音波アレイセンサ装置を用いて、４素子リニアアレイセンサにより測定を試みた。各超音波センサ素子２０からの出力波形と遅延加算後の信号波形をそれぞれ図５及び図６に示す。当該計測システムでは、遅延加算後の信号波形にはうなりが生じ、対象物の反射による信号波形の立上りを認識することができない。図６より求めた最大振幅Ａ（φ），伝搬時間Ｔ（φ）から物体の位置を認識することは不可能である。ここで、図５の各信号波形の減衰振動部分をフーリエ変換して求めた共振周波数は、それぞれ９５．４ｋＨｚ，１０７．５ｋＨｚ，９７．９ｋＨｚ，１００．１ｋＨｚであり、ばらつきの範囲は１２．１ｋＨｚ（中心周波数１００．２ｋＨｚに対して約１２％）であった。一方、図６の信号波形に見られるうなりの周期は約８３マイクロ秒であり、共振周波数ばらつきの逆数にほぼ一致する。すなわち、周波数の僅かに異なる波形が遅延加算によって重ね合わされた結果、うなりが生じているということが分かる。この影響を無くすためには、共振周波数のばらつきを図５の信号波形の減衰時間の逆数程度のオーダー、すなわち１ないし２ｋＨｚ程度以内に押える必要がある。
【００５２】
次いで、比較例に係る電界ポーリング法による共振周波数チューニングについて以下に説明する。円形ダイアフラム状の圧電アクチュエータの振動（逆圧電効果）について、励振電圧に直流バイアスを重畳することにより共振周波数が変化することが報告されている（例えば、非特許文献８参照。）が、同様の現象を圧電センサの振動（順圧電効果）においても共振周波数制御に用いることができる。図７は図１の超音波センサ素子２０を構成するキャパシタについて、インピーダンスの周波数依存性から求めた共振ピークのバイアス電圧依存性を示すグラフである。しかしながら、連続的な直流電圧の印加は薄膜に少なからずダメージを与え、また実際の測定の際にセンサ出力信号を取り出す回路系が複雑となる。特に、センサ出力レベルはマイクロボルトオーダーであるので、出力端に電圧源を挿入することはノイズを増やす原因ともなる。そこで、圧電層として使用しているＰＺＴの強誘電性に着目し、バイアス印加によるものと同様の効果を電界ポーリングにより得ることを試みた。
【００５３】
図８は比較例の電界ポーリング法を用いたときのポーリング電圧に対するセンサ出力波形の周波数依存性を示すグラフである。図８では、各ポーリングにおいて常温で１秒間電圧を印加した後、パルス超音波照射時のセンサ応答の減衰振動部分の波形をフーリエ変換して共振周波数を求めている。図８の共振周波数の変化は、図７と同様の傾向を示している。ここで、図８では、正の電圧方向へのポーリングのみを示しているが、ボーリング電圧を減少しさらに印加方向を反転しても、図７と同様のヒステリシスを描く。しかしながら、ポーリング電圧を反転するとセンサ出力電圧も位相反転するため、フェイズドアレイを構成することができなくなるので、共振周波数シフトの目的には正方向のみのポーリングを用いる。
【００５４】
この超音波センサ素子２０では１０Ｖまでのポーリングにより約８％程度の共振周波数シフトが得られたが、他の超音波センサ素子でも同程度の周波数変化が見られた。そこで、上記で使用した超音波アレイセンサ装置の各超音波センサ素子について、以下のごとく共振周波数のチューニングを行なった。
【００５５】
図９は比較例の電界ポーリング法を用いたときのチューニング前後のセンサ出力波形を示す波形図である。図９においては、各信号波形の最初の立上り点を時刻０に揃えてある。チューニング前には０．３ミリ秒付近ですでに位相ずれが生じているが、チューニング後の波形には位相ずれが見られないことが分かる。チューニングの結果、各超音波センサ素子２０の共振周波数はそれぞれ９９．９ｋＨｚ，１００．５ｋＨｚ，１００．２ｋＨｚ，１００．３ｋＨｚとなり、ばらつきは０．６ｋＨｚ（０．６％）に押えることができた。
【００５６】
次いで、本発明に係るインクジェット印刷法による共振周波数のチューニングについて以下に説明する。
【００５７】
四辺固定の正方形ダイアフラムの共振周波数ｆｒは次式で与えられる（例えば、非特許文献９参照。）。
【００５８】
【数４】
2005167820.tif 000006
【００５９】
ここで、νはポアソン比であり、ａ，ｔ，ρはそれぞれダイアフラムの一辺の長さ、全厚さ、平均密度である。また、Ｋは全曲げ剛性で、ダイアフラムを構成する各層のヤング率と厚さで決まる。超音波センサ素子２０の完成後に共振周波数ｆｒを変化させることを考えると、幾何学的形状を変化させる（すなわち、ａを変える）ことは困難であるが、外部から付加的に膜を堆積することで、全厚さｔ，平均密度ρ及び全曲げ剛性Ｋを変化させることができると考えられる。そこで、位置合わせと堆積量の精密制御が可能な膜堆積法として、インクジェット印刷技術を用いることとした。
【００６０】
本実施形態において用いたインクジェットプリンタはセイコーエプソン社製ＰＭ−８７０Ｃ型であって、ＣＤ−Ｒ等のラベル印刷が可能なため、ＣＤ−Ｒ用トレイを改造してセンサチップを設置し、そのまま印刷することができる。印刷パターンとしてはグレイスケールの５０％を用いた。図１の各超音波センサ素子２０の半導体活性層１５の裏面（素子の裏面に限らず、素子のおもて面を含む素子面であればよい。）に所定の印刷パターンで所定のインクを用いてインクジェット印刷した後、インクの成分が徐々に揮発することによる経時変化を防ぐため、印刷直後にヒータ装置を用いて大気中７０゜Ｃで２分間ベイク処理（焼く処理）を行なった。ダイアフラムサイズである７００×７００μｍ２の平面に印刷と乾燥を繰返し、インクの厚さと質量を実測して密度を決定した。これらの値を元に、インクジェット印刷でどの程度の共振周波数変化が期待できるかを計算により求めた。
【００６１】
なお、ベイク処理に代えて、熱処理や乾燥処理でもよく、これら処理のいずれかを含み、インクを定着する定着処理であればよい。
【００６２】
図１０は本発明に係るインクジェット印刷法を用いたときのインクのヤング率Ｅをパラメータとしたインク厚さに対する共振周波数の計算値を示すグラフである。図１０においては、実測により乾燥後のインクのヤング率を求めることは困難なため、計算ではヤング率をパラメータとして曲線を描いている。Ｅ＝１［ＧＰａ］はポリエチレンと同程度であり、これより柔軟と仮定するのは妥当と思われる。図１０から明らかなように、現実的なインク厚さ（印刷回数）で数％ないし十％程度の共振周波数変化が見込まれ、実用上も十分であると考えられる。
【００６３】
図１１は、本発明に係るインクジェット印刷法を用いたときのインクのヤング率Ｅをパラメータとしたインク厚さに対する共振周波数の計算値を示すグラフである。すなわち、図１１では、計算結果と共に実際に印刷したダイアフラムの共振周波数変化を示している。実測値との比較から、乾燥後のインクのヤング率ＥはＥ＝１００ないし２００ＭＰａと見積もられる。これは、ポリエチレンの約１／１０程度の値である。また、図１１より、１％程度以下の精度で１５％程度までの周波数変化が可能であるということが分かる。
【００６４】
図１２は本発明に係るインクジェット印刷法を用いたときの実際の印刷回数に対する超音波センサ素子２０の周波数スペクトラムの変化を示すグラフである。すなわち、図１２において、印刷を重ねることによる周波数スペクトルの変化を示している。図１２から明らかなように、周波数スペクトルのピークがシフトすると同時に、Ｑが下がり周辺に小さなピークが生じていることが分かる。これは、全ダイアフラムの剛性に対して、構造的に緻密でないインク層の寄与が相対的に大きくなることにより、多モードの振動が発生し始めているためと考えられるが、実用上では問題にならない程度である。インクジェット印刷法の利点は、超音波アレイセンサ装置の各超音波センサ素子毎に異なるチューニングを一斉に行なえることである。
【００６５】
図１３は本発明に係るインクジェット印刷法を用いたときの印刷回数に対する各超音波センサ素子２０の共振周波数の変化を示すグラフである。すなわち、図１３は実際のセンサ素子に印刷を行なった結果を示すものであり、図１３から明らかなように、１０回の印刷により６％程度共振周波数が下がっており、図１０でのヤング率（Ｅ＝１００ないし２００［ＭＰａ］程度に相当することが分かる。このインクジェット印刷法では、一色の黒インクでグレイスケールを表現するためにディザパターンで印刷されているが、シリコン表面でのインクの濡れが悪いために、ディザのマイクロドットが凝集して島状に付着していることを確認した。５ないし６回程度印刷を重ねると、ダイアフラム一面に一様なインクの層が形成されることを確認した。
【００６６】
上述したように、インクジェット印刷法の利点は、アレイの各素子毎に異なるチューニングを一斉に行なえることであり、図１４の模式図に示すように、チューニング前に各超音波センサ素子２０毎に必要な周波数調整量を求め、これに応じた厚さのインク膜を堆積するように印刷パターンを作製することが好ましい。図１４に模式的に示すパターンで印刷を行なうことにより、各超音波センサ素子２０に必要な膜厚のインクを一度に堆積する。その結果、図１５に示すように、チューニング前に７．５％のバラツキを持つアレイについて印刷後には共振周波数バラツキを０．５％に押えることができた。当該チューニング前後の時間波形の変化を図１６に示している。各超音波センサ素子２０の出力波形の位相が揃い、適切にチューニングされていることが分かる。このようにして共振周波数チューニングを行なった超音波センサ素子２０について、チューニング後の経時変化を計測した。４％のチューニングを行なった１０日後に共振周波数を再測定したところ、その経時変化は±０．０５％以内であった。これは、７０゜Ｃ２分間のベイクによりインクが完全に乾燥し、質量や構造がそれ以上変化せず安定した状態になっていると考えられ、保持特性に優れたチューニングが可能であるといえる。
【００６７】
次いで、チューニング後の超音波アレイセンサ装置を用いた物体位置計測について以下に説明する。以上のようにしてチューニングを行なった超音波アレイセンサ装置を用いて、上記と同様の測定を再度行なった。図１７は本発明に係るインクジェット印刷法を用いたチューニング後の超音波アレイセンサ装置を用いた測定結果であって、遅延加算後の各信号波形ｗφ（ｔ）を示す波形図であり、図１８は本発明に係るインクジェット印刷法を用いたチューニング後の超音波アレイセンサ装置を用いた測定結果であって、各角度における最大振幅Ａ（φ）と伝搬時間Ｔ（φ）を示す測定結果を示すグラフである。
【００６８】
図１７は遅延加算後の信号波形ｗφ（ｔ）を表しており、うなりも見られず二つの対象物による反射波形の立上りが明瞭に確認できる。図１８は、各走査角度における最大振幅と伝搬時間をプロットしたものであり、最大振幅Ａ（φ）は−２０゜，＋３２゜にピークを持ち、その点における伝搬時間Ｔ（φ）の値より、それぞれ距離が６７．３ｃｍ，５３．６ｃｍであることが分かる。これより、対象物の二次元での位置を特定することができる。
【００６９】
次いで、本実施形態で用いた超音波センサ素子２０の幾何学的形状と共振周波数の関係について以下に詳細に説明する。正方形ダイアフラムの共振周波数は次式で求められる（例えば、非特許文献９参照。）。
【００７０】
【数５】
2005167820.tif 000007
【００７１】
ここで、ρは体積質量密度であり、ｔは厚さ、ａは一辺の長さ、νはポアソン比、Ｋは曲げ剛性である。また、λは境界条件に関する定数で、ダイアフラムの４辺が「固定境界条件」の場合はλ≒３５．９９となる（例えば、非特許文献１参照。）。本発明者らが作成した超音波センサ素子２０では、ダイアフラム部分は多層構造であるため、パラメータＫ，ν，ρ，ｔは各層の特性を考慮に入れてダイアフラム全体としての等価的な値を求める必要がある。ここで、ｔは単純に各層の膜厚の総和（次式）で求めることができる。
【００７２】
【数６】
2005167820.tif 000008
【００７３】
ただし、ｔｉは第ｉ層の厚さである。また、ρはダイアフラムの平均密度として次式で求められる。
【００７４】
【数７】
2005167820.tif 000009
【００７５】
ただし、ρｉは第ｉ層の密度である。例えば非特許文献１０において開示されている全曲げ剛性Ｋは中立面に対する二次のモーメント量なので、各層の断面二次モーメントＩｉとヤング率Ｅｉの積和で表され、次式で表される。
【００７６】
【数８】
2005167820.tif 000010
【００７７】
ここで、断面二次モーメントＩｉは、中立面の高さｚｍを用いて、次式で表される。
【００７８】
【数９】
2005167820.tif 000011
【００７９】
また、中立面高さｚｍは次式で求められる。
【００８０】
【数１０】
2005167820.tif 000012
【００８１】
ただし、Ｐｉは断面一次モーメントであって次式で表される。
【００８２】
【数１１】
2005167820.tif 000013
【００８３】
また、ｈｉはダイアフラムの底から測った第ｉ層の天井面の高さである（ただし、ｈ０＝０）。ここで、式（７）から式（１０）までは「組合せ梁」に適応される式であり（例えば、非特許文献１０参照。）、一軸応力が作用する場合を表したものである。ダイアフラムのたわみにおいては二軸応力が作用するのであるが、本解析では簡単のためポアソン比の項（１−ν２）に集約することとする。ここでは、ポアソン比としては平均値として、ポアソン比ν＝０．３を用いることとした。
【００８４】
さらに、インクを塗布することによる効果について以下に説明する。以上のように構成された超音波センサ素子２０の構造の確定したダイアフラムにインクを塗布することは、Ｎ層のダイアフラム構造に第Ｎ＋１層を形成することになる。ここで、共振周波数に影響する物性値は、インクのヤング率ＥＮ＋１及びインクの密度ＥＮ＋１である。なお、厳密には、インクのポアソン比も影響するが、前述のようにここではダイアフラム全体の平均値として０．３を用いている。インクを塗布する厚さｔＮ＋１により全厚ｔ及び平均密度ρが変化し、また全曲げ剛性Ｋも変化する。これらの変化を通じて、共振周波数ｆｒを変化させることができる。所望の値に共振周波数を制御するにあたり、インクの濃度を変えることによりダイアフラム上のインク層の厚さを制御できる。これは、描画パターンの色の濃さ（黒インク一色の場合はグレイスケールの濃さ）を変えることにより厚さｔＮ＋１を制御することに相当する。また複数色のインクを混合することにより、塗布されるインクの物性値を制御することができる。これは描画パターンの色を変えることにより、ポアソン比ρＮ＋１とヤング率ＥＮ＋１を制御することに相当する。実際には、これらを組み合わせて、ヤング率ＥＮ＋１，ポアソン比ρＮ＋１，厚さｔＮ＋１を制御することにより共振周波数を制御することができる。
【００８５】
図１９は本発明に係るインクジェット印刷法による共振周波数制御の概念を示す模式図である。以下、図１９を参照して、超音波アレイセンサ装置における各超音波センサ素子２０の共振周波数の具体的な調整方法について説明する。
【００８６】
プロセス直後の超音波アレイセンサ装置においては超音波センサ素子２０毎に共振周波数がばらついている。従って、まず、各超音波センサ素子２０の共振周波数ｆｉを測定する（図１９（ａ））。測定された共振周波数ｆｉと所望の周波数ｆｒとの差から、各素子毎の共振周波数調整量Δｆｉ（＝ｆｒ−ｆｉ）を求めることができるので、これに対応した色や濃度で各ダイアフラムの位置に正方形形状を描く描画パターンを作成する（図１９（ｂ））。超音波アレイセンサ装置のアレイセンサチップ上に描画パターンを印刷し（図１９（ｃ））、インクの乾燥・安定等の必要な後処理を行なう。これにより、チップ内の各素子の共振周波数は所望の値に調整されている（図１９（ｄ））ことになる。また、必要に応じてこの作業を繰り返すことにより、微調整を行なうことができる。以上の作業については、例えばパーソナルコンピュータを用いて自動化することができる。
【００８７】
以上説明したように、本実施形態によれば、強誘電体を２つの電極で挟設してなり、所定の共振周波数を有して超音波を検出する圧電センサにてなる超音波センサ素子の共振周波数の調整方法を提供するものであり、上記超音波センサ素子の素子表面に対して、インクジェット印刷法を用いてインク又は膜形成材を塗布することにより上記超音波センサ素子の共振周波数を調整することができる。ここで、上記インク又は膜形成材の厚さ、質量、密度、濃度及び形成パターンのうちの少なくとも１つを変化させることにより上記超音波センサ素子の共振周波数を変化させる。また、上記超音波センサ素子の共振周波数を変化させるステップは、上記超音波センサ素子の共振周波数を所定の共振周波数に設定することができる。以上の実施形態は、複数の超音波センサ素子を並置してなる超音波アレイセンサ装置に対して適用可能であって、超音波アレイセンサ装置においては、特に、複数の超音波センサ素子の各共振周波数を互いに実質的に同一になるように調整することが好ましく、これにより、上述の計測装置の測定制度を大幅に向上できるという特有の効果を有する。
【００８８】
以上の実施形態においては、インクジェットプリンタのためのインクを用いているが、当該インクは、色素の染料又は顔料を主成分として、他の有機成分、グリコール類及び水を含むものである。
【００８９】
以上の実施形態においては、付加する第Ｎ＋１層の素材として、上記インクを用いることを想定しているが、実用的にはインクの代わりに膜形成材（コート材等の名称もある）を用いることができる。ゾルゲル法やＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition)法に代表されるＣＤＳ（Chemical Solution Deposition；化学溶液堆積法）法用の溶液や、微細加工に用いられるソグラフィ用のフォトレジスト、あるいは有機系の「膜形成剤」等をインクのタンクに満たし、これらを混合塗布（印刷）することにより、インクに比べて安定性、制御性に優れた薄膜を形成することができる。
【実施例１】
【００９０】
図２０は本実施形態に係る超音波アレイセンサ装置を用いた三次元計測結果であって、三次元計測における遅延加算波形の最大振幅Ａ及び伝搬時間Ｔの走査角度依存性を示すグラフである。また、図２１は本実施形態に係る超音波アレイセンサ装置を用いた三次元計測システムにおいて、対象物の三次元空間内での位置を示す斜視図である。
【００９１】
超音波アレイセンサ装置のセンサチップ上でＸ方向に４素子、Ｙ方向に４素子の８素子アレイを用いて、三次元空間内での物体位置計測を試みた。予めチューニングを行ない、各超音波センサ素子２０の共振周波数ばらつきを２％以内に揃えてから測定を行なった。対象物としては、２個のアクリル球を使用し、センサの前方左・下それぞれ−３０゜及び右・上それぞれ＋３０゜に配置した。８素子からの測定波形について、走査角φｘ，φｙの両方向にわたって遅延加算を行ない、最大振幅Ａ（φｘ，φｙ）及び伝搬時間Ｔ（φｘ，φｙ）をプロットしたものを図２０に示している。最大振幅Ａ（φｘ，φｙ）のピークから、−２８゜，−３２゜及び＋３０゜，＋３０゜の方向に反射体が存在することが分かり、また、その方向での伝搬時間Ｔ（φｘ，φｙ）の値から反射体までの距離が算出できる。
【００９２】
次いで、これらの値から求めた、反射体の三次元空間内での位置を図２１に示している。図２１の投影図においては、実際の反射体２０１，２０２の位置を狭いハッチングされた丸印で表し、計測により再構成された反射体２０１，２０２の位置を広くハッチングされた丸印で表している。左側の対象物について若干の位置ずれが生じているが、これはアレイとして用いた素子のうち左端の素子の感度が比較的低かったため、ノイズによる影響を受け易く誤差を生じたものと考えられる。全体として対象物の位置が精度良く計測されていることが分かる。
【００９３】
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、シリコンマイクロマシニングにより形成したダイアフラム上に、ゾルゲル法によりＰＺＴ圧電薄膜を堆積し、超音波マイクロアレイセンサを作製した。空気中での三次元計測のため使用周波数を１００ｋＨｚとし、１．７ｍｍ間隔で（７×７）素子のアレイ構造の超音波アレイセンサ装置を構成した。４素子を選んでフェイズドアレイを構成し、一発の超音波パルスの送受信により得られた波形から遅延加算により反射体の距離と方向を求めることを試みたが、センサ作製直後は素子毎に共振周波数が異なり、１２％程度のばらつきを持つアレイの超音波アレイセンサ装置では、対象物の位置の特定が不可能であった。超音波センサ素子２０の共振周波数を、センサ作製プロセス完了後に調整する手段として、比較例に係る圧電体の電界ポーリング法による電気的な方法と、本発明に係るインクジェット印刷法による機械的な方法を開発し、共振周波数のチューニングを試みた。電界ポーリング法においては、常温１秒間の印加により１０Ｖ以下の電圧で８％程度、共振周波数を変化させることができた。一方、インクジェット印刷法では、４μｍ以下厚さのインク塗布により７．５％程度の共振周波数変化を得た。これらチューニング技術を用いて、超音波アレイセンサ装置のアレイ内の超音波センサ素子２０毎の共振周波数ばらつきを（２％ないし０．５％）以内まで揃えることを可能とした。チューニング後のセンサを用いて二次元のフェイズドアレイを構成し、電子走査により三次元空間内での複数物体の位置計測を実現した。
【００９４】
従って、本実施形態に係るインクジェット印刷法を用いた超音波センサ素子２０の共振周波数の調整方法を用いて共振周波数を調整することにより、従来技術に比較して経時変化なく超音波センサ素子の共振周波数を調整して設定することができ、超音波アレイセンサ装置の各超音波センサ素子の共振周波数のばらつきを最小化できる。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の一実施形態に係る超音波センサ素子２０の構造を示す縦断面図である。
【図２】図１の超音波センサ素子２０を用いた４素子リニアアレイにてなる超音波アレイセンサ装置の構造を示す縦断面図である。
【図３】図２の超音波アレイセンサ装置の指向性の計算値を示すグラフである。
【図４】遅延加算法による電子走査法を用いた物体位置計測のための測定システムのブロック図及びグラフを示す図である。
【図５】図４の各超音波センサ素子２０の受信出力波形ｗｉ（ｔ）を示す波形図である。
【図６】図４の測定システムにおける遅延加算後の信号波形ｗφ（ｔ）を示す波形図である。
【図７】図１の超音波センサ素子２０を構成するキャパシタについて、インピーダンスの周波数依存性から求めた共振ピークのバイアス電圧依存性を示すグラフである。
【図８】比較例の電界ポーリング法を用いたときのポーリング電圧に対するセンサ出力波形の周波数依存性を示すグラフである。
【図９】比較例の電界ポーリング法を用いたときのチューニング前後のセンサ出力波形を示す波形図である。
【図１０】本発明に係るインクジェット印刷法を用いたときのインクのヤング率Ｅをパラメータとしたインク厚さに対する共振周波数の計算値を示すグラフである。
【図１１】本発明に係るインクジェット印刷法を用いたときのインクのヤング率Ｅをパラメータとしたインク厚さに対する共振周波数の計算値を示すグラフである。
【図１２】本発明に係るインクジェット印刷法を用いたときの実際の印刷回数に対する超音波センサ素子２０の周波数スペクトラムの変化を示すグラフである。
【図１３】本発明に係るインクジェット印刷法を用いたときの印刷回数に対する各超音波センサ素子２０の共振周波数の変化を示すグラフである。
【図１４】本発明に係るインクジェット印刷法を用いたときであって、複数の超音波センサ素子２０への一斉プリントによるアレイのチューニングにおける、各超音波センサ素子２０に対するプリントパターンを示す模式図である。
【図１５】本発明に係るインクジェット印刷法を用いたときであって、複数の超音波センサ素子２０への一斉プリントによるアレイのチューニング結果であって、プリント前後における各超音波センサ素子２０の周波数のバラツキを示すグラフである。
【図１６】本発明に係るインクジェット印刷法を用いたときであって、複数の超音波センサ素子２０への一斉プリントによるアレイのチューニング結果であって、チューニング前後のセンサ波形を示す波形図である。
【図１７】本発明に係るインクジェット印刷法を用いたチューニング後の超音波アレイセンサ装置を用いた測定結果であって、遅延加算後の各信号波形ｗφ（ｔ）を示す波形図である。
【図１８】本発明に係るインクジェット印刷法を用いたチューニング後の超音波アレイセンサ装置を用いた測定結果であって、各角度における最大振幅Ａ（φ）と伝搬時間Ｔ（φ）を示す測定結果を示すグラフである。
【図１９】本発明に係るインクジェット印刷法による共振周波数制御の概念を示す模式図である。
【図２０】本実施形態に係る超音波アレイセンサ装置を用いた三次元計測結果であって、三次元計測における遅延加算波形の最大振幅Ａ及び伝搬時間Ｔの走査角度依存性を示すグラフである。
【図２１】本実施形態に係る超音波アレイセンサ装置を用いた三次元計測システムにおいて、対象物の三次元空間内での位置を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００９６】
１０…半導体チップウエハ、
１１…半導体基板、
１２，１３，１５，２５…絶縁膜層、
１４…半導体活性層、
１６，１８，２３…電極層、
１７…ＰＺＴセラミックス薄膜層
１９…ボンディング、
２０，２０−１乃至２０−４…超音波センサ素子、
２１，２２…引き出し導線、
１００…超音波アレイセンサ装置、
Ｔ１，Ｔ２…端子。
【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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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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