(57)【要約】【課題】超音波の送信効率や受信効率の向上を図ることができる超音波センサーを提供する。【解決手段】空間１２が形成された基板１０と、空間１２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上に設けられ、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０を有する圧電素子３００と、圧電素子３００の周囲、又は空間１２内に設けられた音響整合層１３と、を具備する超音波センサー１において、振動板５０は、空間１２に対応する領域が、圧電素子３００に電圧を印加していない状態で空間１２とは反対側に凸（上凸）となる撓みを有し、圧電素子３００は、圧電体層７０の分極の緩和時間Ｔ１が超音波センサー１の繰り返し発信周期Ｔｃ以下である。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間が形成された基板と、
前記空間を塞ぐように前記基板上に設けられた振動板と、
前記振動板上に設けられ、第１電極、圧電体層及び第２電極を有する圧電素子と、
前記圧電素子の周囲、又は前記空間内に設けられた音響整合層と、
を具備する超音波センサーにおいて、
前記振動板は、前記空間に対応する領域が、前記圧電素子に電圧を印加していない状態で前記空間とは反対側に凸となる撓みを有し、
前記圧電素子は、前記圧電体層の分極の緩和時間が前記超音波センサーの繰り返し発信周期以下であることを特徴とする超音波センサー。
【請求項２】
前記圧電体層は、ビスマス（Ｂｉ）、鉄（Ｆｅ）、バリウム（Ｂａ）及びチタン（Ｔｉ）を含むＡＢＯ３型ペロブスカイト構造を有する複合酸化物から構成されてい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】
前記圧電体層は、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとの混晶のＡＢＯ３ペロブスカイト構造を有する複合酸化物から構成されてい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】
前記音響整合層は前記空間内に設けられており、
前記振動板は、前記空間に対応する領域が、前記圧電素子に電圧を印加していない状態で前記音響整合層とは反対側に凸となる撓みを有す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】
前記音響整合層は前記圧電素子の周囲に設けられており、
前記振動板は、前記空間に対応する領域が、前記圧電素子に電圧を印加していない状態で前記音響整合層側に凸となる撓みを有す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】
空間が形成された基板と、
前記空間を塞ぐように前記基板上に設けられた振動板と、
前記振動板上に設けられ、第１電極、圧電体層及び第２電極を有する圧電素子と、
前記圧電素子の周囲、又は前記空間内に設けられた音響整合層と、
を具備する超音波センサーの駆動方法において、
前記超音波センサーの駆動周期毎に前記圧電体層の分極方向を反転させる電圧を印加し、前記圧電素子を駆動することを特徴とする超音波センサーの駆動方法。
【請求項７】
前記圧電体層の分極方向を反転させる電圧として、前記圧電体層の抗電圧近傍の電圧を用いることを特徴とする請求項６に記載の超音波センサーの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波センサー及びその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、空間が形成された基板と、空間を塞ぐように基板上に設けられた振動板と、振動板上に設けられた圧電素子と、を具備する超音波センサーがある。例えば、開口部が形成された基部と、基部に設けられ開口部を閉塞する振動板と、開口部に対応して振動板上に設けられた圧電素子と、を有して超音波センサーユニットを構成することが提案されている（特許文献１参照）。  
【０００３】
この種の超音波センサーでは、電圧を印加して圧電素子を変位させることで、振動板が変位し、これに伴い空間内の媒質（音響整合層や空気層）に圧力変動が生じる。これにより、超音波（送信超音波）が送信される。また、測定対象物に反射された超音波（反射超音波）を受けて空間内の媒質に圧力変動が生じると、かかる圧力変動が伝達して振動板が変位し、これに伴い圧電素子が変位する。これにより、圧電素子から電圧が得られる。そして、これらの電圧、すなわち、送信超音波や反射超音波の波形に基づき、測定対象物に関する情報（位置や形状等）が検出される。
【０００４】
特許文献１の超音波センサーユニットは、振動板の圧電素子とは反対側が超音波の通過領域となる型（いわゆるＣＡＶ面型）であるが、超音波センサーには、振動板の圧電素子側が超音波の通過領域となる型（いわゆるＡＣＴ面型）もある。また、超音波センサーには、超音波の送信に最適化させた専用送信型と、超音波の受信に最適化させた受信専用型と、超音波の送信及び受信の両方に最適化させた送受信一体型と、等の分類もある。
【０００５】
何れの型の超音波センサーでも、送信超音波の送信時には、圧電素子に電圧が印加されることで圧電体層に分極が生じ、この分極の状態に応じて電気機械変換能力が発揮される。このとき、振動板のコンプライアンス（膜厚方向の応力に対する変位のしやすさ）が高い状態にあるほど、振動板の変位効率の向上を図るのに有利となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１６４３３１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では、圧電体層に分極を生じさせると、その分極によって圧電素子に作用する応力状態が変化し、それ以降、圧電素子及び振動板が、空間側に凸（すなわち下凸）に撓んだ状態で維持される可能性があった。振動板が下凸に撓んでいると、振動板を変位させる際のコンプライアンスが上凸に撓んでいる場合に対して低くなる。振動板のコンプライアンスが低い領域でしか振動板を変位させることができない場合、超音波の送信効率や受信効率の向上を図ることが難しくなる。
【０００８】
このような問題は、特許文献１の超音波センサーに限られず、圧電素子の電気機械変換特性を利用した超音波センサーに同様に存在する。すなわち、このような問題は、ＡＣＴ面型と、ＣＡＶ面型と、等の何れの型の超音波センサーにも存在し、また、送信専用型と、受信専用型と、送受信一体型と、等の何れの型の超音波センサーにも存在する。
【０００９】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、超音波の送信効率や受信効率の向上を図ることができる超音波センサー及びその駆動方法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】
【００１０】
上記課題を解決する本発明の態様は、空間が形成された基板と、前記空間を塞ぐように前記基板上に設けられた振動板と、前記振動板上に設けられ、第１電極、圧電体層及び第２電極を有する圧電素子と、前記圧電素子の周囲、又は前記空間内に設けられた音響整合層と、を具備する超音波センサーにおいて、前記振動板は、前記空間に対応する領域が、前記圧電素子に電圧を印加していない状態で前記空間とは反対側に凸となる撓みを有し、前記圧電素子は、前記圧電体層の分極の緩和時間が前記超音波センサーの繰り返し発信周期以下であることを特徴とする超音波センサーにある。
【００１１】
かかる態様では、例えばＣＡＶ面型でもＡＣＴ面型でも、空間側とは反対側に凸（すなわち上凸）に撓んだ振動板となる。振動板が上凸に撓んだ所定位置にあると、振動板を変位させる際のコンプライアンスが高くなる。
そして、かかる態様によれば、圧電体層の分極の緩和時間が超音波センサーの繰り返し発信周期以下である。このため、圧電素子への電圧の印加によって振動板が一時的に下凸方向に変位しても、振動板が早期に上凸に戻る。従って、圧電素子に電圧を印加するときには毎回、振動板のコンプライアンスが高い領域を通過するように、振動板を変位させることができる。
よって、本態様によれば、振動板の変位効率の向上を図ることができ、送信超音波の強度（送信効率）の向上を図ることができる。そして、送信超音波の送信効率の向上を図ることができる分、反射超音波の強度（受信効率）の向上も図ることができる。
【００１２】
ここで、前記圧電体層は、ビスマス（Ｂｉ）、鉄（Ｆｅ）、バリウム（Ｂａ）及びチタン（Ｔｉ）を含むＡＢＯ３型ペロブスカイト構造を有する複合酸化物から構成されていることが好ましい。これによれば、分極の緩和時間が超音波センサーの繰り返し発信周期以下である圧電体層を構成しやすくなる。よって、上記の超音波センサーを提供しやすくなる。しかも、鉛含有量を抑えた圧電体層となるため、環境への負荷を低減できる。
【００１３】
また、前記圧電体層は、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとの混晶のＡＢＯ３ペロブスカイト構造を有する複合酸化物から構成されていることが好ましい。これによれば、分極の緩和時間が超音波センサーの繰り返し発信周期以下である圧電体層を構成しやすくなる。よって、上記の超音波センサーを提供しやすくなる。しかも、鉛含有量を抑えた圧電体層となるため、環境への負荷を低減できる。
【００１４】
また、前記音響整合層は前記空間内に設けられており、前記振動板は、前記空間に対応する領域が、前記圧電素子に電圧を印加していない状態で前記音響整合層とは反対側に凸となる撓みを有することが好ましい。これによれば、送信超音波の送信効率や反射超音波の受信効率の向上を図ることができるＣＡＶ面型の超音波センサーを提供できる。
【００１５】
また、前記音響整合層は前記圧電素子の周囲に設けられており、前記振動板は、前記空間に対応する領域が、前記圧電素子に電圧を印加していない状態で前記音響整合層側に凸となる撓みを有することが好ましい。これによれば、送信超音波の送信効率や反射超音波の受信効率の向上を図ることができるＡＣＴ面型の超音波センサーを提供できる。
【００１６】
また、上記課題を解決する本発明の他の態様は、空間が形成された基板と、前記空間を塞ぐように前記基板上に設けられた振動板と、前記振動板上に設けられ、第１電極、圧電体層及び第２電極を有する圧電素子と、前記圧電素子の周囲、又は前記空間内に設けられた音響整合層と、を具備する超音波センサーの駆動方法において、前記超音波センサーの駆動周期毎に前記圧電体層の分極方向を反転させる電圧を印加し、前記圧電素子を駆動することを特徴とする超音波センサーの駆動方法にある。
【００１７】
かかる態様によれば、圧電素子への電圧の印加によって振動板が一時的に下凸方向に変位しても、圧電体層の分極方向を反転させる電圧を印加することで、振動板を上凸に戻すことができる。従って、圧電素子に電圧を印加するときには毎回、振動板のコンプライアンスが高い領域を通過するように、振動板を変位させることができる。
よって、本態様によれば、振動板の変位効率の向上を図ることができ、送信超音波の強度（送信効率）の向上を図ることができる。そして、送信超音波の送信効率の向上を図ることができる分、反射超音波の強度（受信効率）の向上も図ることができる。
【００１８】
ここで、前記圧電体層の分極方向を反転させる電圧として、前記圧電体層の抗電圧近傍の電圧を用いることが好ましい。これによれば、圧電体層の分極を確実に減分極させることができる。よって、上記の超音波センサーの駆動方法を確実に提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】超音波デバイスの構成例や動作を示す図。
【図２】超音波センサーの構成例を示す分解斜視図。
【図３】超音波センサーの構成例を示す断面図。
【図４】振動板の下凸方向への見かけ上の剛性と、変位と、の関係を示す図。
【図５】超音波センサーでの駆動波形の一例を示す図。
【図６】超音波センサーでの駆動電圧及び分極率等の関係を示す図。
【図７】超音波センサーでの特性について説明する図。
【図８】超音波センサーの製造方法の一例を示す断面図。
【図９】超音波センサーの製造方法の一例を示す断面図。
【図１０】超音波センサーの構成例を示す断面図。
【図１１】超音波センサーの駆動方法を説明する図。
【図１２】超音波センサーの駆動方法を説明する図。
【図１３】超音波センサーでの特性について説明する図。
【図１４】超音波デバイスの概略構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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、本発明の範囲内で任意に変更可能である。各図において、同一の部材には同じ符号を付しており、適宜説明が省略されている。
【００２１】
（実施形態１）
図１（ａ）〜（ｂ）は、超音波センサーを搭載した超音波デバイスを示す図である。図１（ａ）は、超音波センサー近傍の構成例を示す断面図である。図１（ｂ）は、超音波センサーの動作を示す模式図である。
【００２２】
超音波プローブＩは、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、装置端末（図示せず）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、等を具備して構成されている。
【００２３】
超音波センサー１は送受信一体型に構成されている。超音波センサー１では、超音波センサーの繰り返し発信周期Ｔｃ（図６等参照，以下「繰り返し発信周期」と略することがある。）に応じ、送信超音波Ｕｓ１が、音響整合層１３及びレンズ部材２０を通じて送信される。送信超音波Ｕｓ１が所定の間隔Ｗ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Ｕｓ２が、音響整合層１３及びレンズ部材２０を通って受信される。これらの送信超音波Ｕｓ１や反射超音波Ｕｓ２の波形信号に基づき、超音波プローブ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。
【００２４】
超音波センサー１によれば、後述のように、送信超音波Ｕｓ１の送信効率や反射超音波Ｕｓ２の受信効率の向上を図ることができる。従って、超音波センサー１を搭載することで、検出感度に優れた超音波デバイスとなる。本発明は、ＣＡＶ面型に限定されず、ＡＣＴ面型にも適用できる。また、本発明は、送受信一体型に限定されず、送信専用型や受信専用型等にも適用できる。超音波センサー１を搭載可能な超音波デバイスは、超音波プローブＩに限定されない。
【００２５】
図２は、超音波センサーの構成例を示す分解斜視図である。図３は、超音波センサーの基板、振動板及び圧電素子の構成例を示す断面図である。超音波センサーの基板が、Ｘ軸及びＹ軸によって形成されるＸＹ平面に沿っているとき、図３の切断面は、Ｘ軸及びＺ軸によって形成されるＸＺ平面に沿っている。以降、Ｘ軸を第１の方向Ｘ、Ｙ軸を第２の方向Ｙ、Ｚ軸を第３の方向Ｚと称する。
【００２６】
超音波センサー１は、超音波センサー素子と、音響整合層１３と、レンズ部材２０と、を含んで構成されている。超音波センサー素子は、基板１０と、振動板５０と、圧電素子３００と、を含んで構成されている。
【００２７】
基板１０には、複数の隔壁１１が形成されている。複数の隔壁１１によって、複数の空間１２が区画されている。基板１０は、Ｓｉ単結晶基板を用いることができる。基板１０は、前記の例に限定されず、ＳＯＩ基板やガラス基板等を用いてもよい。
【００２８】
空間１２は、第３の方向Ｚに基板１０を貫通するように形成されている。空間１２は、アレイ状、すなわち、第１の方向Ｘに複数列かつ第２の方向Ｙに複数列形成されている。空間１２は、第３の方向Ｚから見たときに正方形状（第１の方向Ｘと第２の方向Ｙとの長さの比が１：１）である。
【００２９】
空間１２の配列や形状は、種々に変形が可能である。例えば、空間１２は、直線状、すなわち、第１の方向Ｘ又は第２の方向Ｙのみに複数列形成されてもよい。また、超音波センサー１全体で、空間１２が一つだけであってもよい。更に、空間１２は、第３の方向Ｚから見たときに長方形状（第１の方向Ｘと第２の方向Ｙとの長さの比が１：１以外）であってもよい。
【００３０】
振動板５０は、空間１２を塞ぐように基板１０上に設けられている。振動板５０は、基板１０上に形成された弾性膜５１と、弾性膜５１上に形成された絶縁体層５２と、によって構成されている。弾性膜５１は二酸化シリコン（ＳｉＯ２）等からなり、絶縁体層５２は酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）等からなる。弾性膜５１は、基板１０と別部材でなくてもよい。基板１０の一部を薄く加工し、これを弾性膜として使用してもよい。
【００３１】
振動板５０は、空間１２に対応する領域が、圧電素子３００に電圧を印加していない状態で、空間１２とは反対側に凸（すなわち上凸）となる撓みを有している。かかる撓みを有する振動板５０となるように、超音波センサー１、特に圧電素子３００が構成されている。本明細書において、空間とは反対側に凸であることは「上凸」で表される。また、空間側に凸であることは「下凸」で表される。超音波センサーの型によって圧電素子近傍の構成が異なるが、振動板の空間に対向する側に圧電素子が設けられている超音波センサーであれば、何れの型でも、上記のように「上凸」及び「下凸」は解釈される。
【００３２】
振動板５０の空間１２に対応する領域は、圧電素子３００の変位によって振動が生じる領域である。例えば、圧電素子３００に電圧を印加したとき、かかる領域に振動が生じる。この振動によって空間１２内の媒質（音響整合層１３）に圧力変動が生じ、この圧力変動に応じて送信超音波Ｕｓ１が送信される。つまり、本明細書の繰り返し発信周期Ｔｃは、振動板５０が変位したときに生じる空間１２内の圧力変動の周期に相当する。尚、繰り返し発信周期Ｔｃは、圧電素子３００の変位に伴って生じる振動板５０の振動の周期にも相当する。
【００３３】
振動板５０の空間１２とは反対側には、包囲板４０が設けられている。包囲板４０は、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）にスペースを確保しつつ、圧電素子３００及びスペースを覆うように設けられている。包囲板４０によって包囲されるスペースは、空気層とされていてもよく樹脂層とされていてもよい。スペースは封止されていなくてもよい。包囲板４０は、基板１０や振動板５０等と同様に、Ｓｉ系材料を用いて構成することができる。
【００３４】
振動板５０上には、圧電素子３００が設けられている。圧電素子３００は、振動板５０の空間１２に対向する位置に設けられている。圧電素子３００は、厚さが約０．２μｍの第１電極６０と、厚さが約３．０μｍ以下、好ましくは厚さが約０．５〜１．５μｍの圧電体層７０と、厚さが約０．０５μｍの第２電極８０と、を含んで構成されている。第１電極６０及び第２電極８０は、駆動回路（図示せず）に電気的に接続されている。駆動回路から第１電極６０及び第２電極８０に電気信号（駆動信号）が入力されることで、圧電素子３００に電圧が印加される。
【００３５】
圧電素子３００と、該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板５０と、を合わせた部分はアクチュエーター装置と称される。本実施形態では、圧電体層７０の変位によって、少なくとも振動板５０及び第１電極６０が変位する。すなわち、本実施形態では、少なくとも振動板５０及び第１電極６０が、実質的に振動板としての機能を有している。ただし、弾性膜５１及び絶縁体層５２の何れか一方、又は両方を設けずに、第１電極６０のみが振動板として機能するようにしてもよい。基板１０上に第１電極６０を直接設ける場合には、第１電極６０を絶縁性の保護膜等で保護することが好ましい。
【００３６】
図示しないものの、圧電素子３００と振動板５０との間に、他の層が設けられてもよい。例えば、圧電素子３００と振動板５０との間に、密着性を向上させるための密着層が設けられてもよい。このような密着層は、例えば、酸化チタン（ＴｉＯＸ）層、チタン（Ｔｉ）層又は窒化シリコン（ＳｉＮ）層等から構成できる。
【００３７】
圧電素子３００は、第３の方向Ｚから見たとき、空間１２の内側の領域にある。すなわち、圧電素子３００の第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙは、何れも空間１２より短い。ただし、圧電素子３００の第１の方向Ｘが空間１２より長い場合や、圧電素子３００の第２の方向Ｙが空間１２より長い場合も、本発明に含まれる。
【００３８】
圧電素子３００は、超音波の送信のみに最適化して構成されていてもよく、超音波の受信のみに最適化して構成されていてもよく、超音波の送信及び受信の両方に最適化して構成されていてもよい。超音波センサー１は、送受信一体型に構成されているが、本発明は、送信専用型と、受信専用型と、送受信一体型と、等の何れの型にも適用できる。本発明は、ＣＡＶ型、ＡＶＴ型、送信専用型、受信専用型、送受信一体型等に応じて、高い検出感度を有するように設計することが可能である。
【００３９】
圧電素子３００は、第１電極６０及び第１電極６０によって圧電体層７０が挟持されている。第１電極６０や第２電極８０の材料は、導電性を有する材料であれば制限されない。第１電極６０や第２電極８０の材料としては、金属材料、酸化スズ系導電材料、酸化亜鉛系導電材料、酸化物導電材料等が挙げられる。金属材料は、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、ステンレス鋼等である。酸化スズ系導電材料は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）等である。酸化物導電材料は、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である。第１電極６０や第２電極８０の材料は、前記の材料に制限されない。第１電極６０や第２電極８０の材料は、導電性ポリマー等でもよい。
【００４０】
圧電体層７０は、空間１２毎にパターニングして構成されている。この圧電体層７０は、電気機械変換能力を有している。圧電素子３００に電圧が印加されると、圧電体層７０に分極が生じて圧電素子３００及び振動板５０が変位する。また、圧電素子３００が変位すると、圧電体層７０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。
【００４１】
圧電体層７０が分極を保持する時間は、圧電体層７０を構成する材料によって調節が可能である。圧電体層７０に生じた分極が実質的に消滅するまでの遅れ時間（緩和時間Ｔ１，図６等参照）も、圧電体層７０を構成する材料によって調節が可能である。構成材料を調節することで、分極の緩和時間Ｔ１が繰り返し発信周期Ｔｃ以下となる圧電体層７０を構成することができる。
【００４２】
圧電体層７０は、ＡＢＯ３型のペロブスカイト構造を有する複合酸化物を含んで構成されている。ここでは、複合酸化物として、鉛の含有量を抑えた非鉛系材料が用いられている。非鉛系材料を用いることで、圧電体層７０の鉛含有量を抑え、環境への負荷を低減できる。非鉛系材料としては、例えば、ビスマス（Ｂｉ）、鉄（Ｆｅ）、バリウム（Ｂａ）及びチタン（Ｔｉ）を含む複合酸化物（ＢＦ−ＢＴ系の複合酸化物）が挙げられる。ＢＦ−ＢＴ系の複合酸化物を用いることで、分極の緩和時間Ｔ１が超音波センサー１の繰り返し発信周期Ｔｃ以下である圧電体層７０を構成しやすくなる。
【００４３】
ＡＢＯ３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。ＢＦ−ＢＴ系の複合酸化物では、ＡサイトにＢｉ及びＢａが位置し、ＢサイトにＦｅ及びＴｉが位置している。
【００４４】
ＢＦ−ＢＴ系の複合酸化物は、例えば、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとの混晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物として表される。また、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとが均一に固溶した固溶体としても表される。尚、混晶や固溶体として表される組成であっても、Ｘ線回折パターンにおいて、鉄酸ビスマスやチタン酸バリウムは、単独では検出されない。
【００４５】
ＢＦ−ＢＴ系の複合酸化物の組成は、例えば、下記式（１）で表される。式（１）は、下記式（２）でも表される。
［式１］
（１−ｘ）[ＢｉＦｅＯ３]−ｘ[ＢａＴｉＯ３]  ・・  （１）
（０＜ｘ＜０．４０）
［式２］
（Ｂｉ１−ｘＢａｘ）（Ｆｅ１−ｘＴｉｘ）Ｏ３  ・・  （２）
（０＜ｘ＜０．４０）
【００４６】
ＢＦ−ＢＴ系の複合酸化物は、前記の組成に制限されず、他の元素が含まれていてもよい。他の元素としては、圧電体層７０のＡサイトの一部と置換されるカリウム（Ｋ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、サマリウム（Ｓｍ）、セリウム（Ｃｅ）や、Ｂサイトの一部と置換されるマンガン（Ｍｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、マグネシウム（Ｍｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）等が挙げられる。ＢＦ−ＢＴ系の複合酸化物は、鉛を含まないことが好ましいが、Ａサイトの一部と置換されるＰｂ（鉛）を含んでいてもよい。
【００４７】
他の元素を含有した複合酸化物を用いることで、各種特性の向上を図ることができる場合がある。他の元素の量は、主成分となる元素の総量に対して１５％以下、好ましくは１０％以下である。他の元素を含む場合も、ＡＢＯ３型の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。
【００４８】
圧電体層７０を構成する複合酸化物は、ＢＦ−ＢＴ系の複合酸化物のみに限定されない。ＢＦ−ＢＴ系以外の複合酸化物を用いて圧電体層７０を構成してもよく、ＢＦ−ＢＴ系の複合酸化物とＢＦ−ＢＴ系以外の複合酸化物とを併用して圧電体層７０を構成してもよい。ＢＦ−ＢＴ系以外の複合酸化物を用いる場合でも、非鉛系材料を用いれば、環境への負荷を低減できる。
【００４９】
ＢＦ−ＢＴ系以外の複合酸化物としては、例えば、ビスマス（Ｂｉ）及び鉄（Ｆｅ）を含むＢＦＯ系の複合酸化物や、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）及びニオブ（Ｎｂ）を含むＫＮＮ系の複合酸化物等が挙げられる。ＢＦＯ系の複合酸化物を用いた例では、ＡサイトにＢｉ、ＢサイトにＦｅが位置しており、その組成式は、例えばＢｉＦｅＯ３と表される。ＫＮＮ系の複合酸化物を用いた例では、ＡサイトにＮ、Ｎａ、ＢサイトにＮｂが位置しており、その組成式は、例えば（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３と表される。ＢＦＯ系の複合酸化物やＫＮＮ系の複合酸化物等も、前記の組成に制限されず、他の元素が含まれていてもよい。他の元素の例は、上記の通りである。
【００５０】
上記で例示した組成式は、化学量論に基づく表記である。ＡＢＯ３型のペロブスカイト構造を有する複合酸化物には、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、ＡＢＯ３型の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。ただし、圧電体層７０は、分極の緩和時間Ｔ１が繰り返し発信周期Ｔｃ以下となるように構成される必要がある。
【００５１】
以上、基板１０に形成された空間１２と、振動板５０と、圧電素子３００と、を含んで超音波センサー素子が構成されている。超音波センサー素子に、音響整合層１３及びレンズ部材２０が更に設けられることで、超音波センサー１となる。
【００５２】
超音波センサー１はＣＡＶ面型に構成されている。すなわち、音響整合層１３が空間１２内に設けられている。そして、振動板５０は、空間１２に対応する領域が、圧電素子３００に電圧を印加していない状態で上凸となる撓みを有している。ＣＡＶ面型の超音波センサー１では、ＡＣＴ面側の超音波センサーと比べ、測定対象物に対して圧電素子３００が離れた位置にある。従って、外部からの水分が圧電素子３００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３００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。
【００５３】
音響整合層１３は、圧電素子３００及び測定対象物の間で音響インピーダンスを段階的に変化させる役割を有している。音響整合層１３を設けることで、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を防止でき、その結果、超音波の伝播効率が低下することを防止できる。音響整合層１３は、シリコーン樹脂等から構成できるが、前記の例に限定されない。
【００５４】
基板１０の振動板５０とは反対側には、レンズ部材２０が設けられている。レンズ部材２０は、送信超音波や反射超音波を収束させる役割を有している。ここでは、上記の音響整合層１３が、レンズ部材２０と基板１０との接着機能も有しており、レンズ部材２０と基板１０（隔壁１１）との間に、音響整合層１３が介在している。レンズ部材２０は、省略可能である。レンズ部材２０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。
【００５５】
上記の通り、超音波センサー１において、送信超音波の送信時には、圧電素子３００に電圧が印加される。これにより、圧電体層７０に分極が生じ、圧電素子３００及び振動板５０が下凸方向に一時的に変位する。このときの振動板５０の変位によって、空間１２内の媒質（音響整合層１３）に圧力変動が生じる。このときの振動の繰り返し発信周期Ｔｃに応じて、送信超音波Ｕｓ１が送信される。従って、振動板５０を変位させる際のコンプライアンスが高い状態にあるほど、振動板５０の変位効率の向上を図ることができ、送信超音波Ｕｓ１の強度（送信効率）の向上を図ることができる。そして、送信超音波Ｕｓ１の強度の向上を図ることができれば、反射超音波Ｕｓ２の強度（受信効率）の向上も図ることができる。
【００５６】
ここで、本発明者は、振動板５０の初期位置に応じ、振動板５０を下凸方向へ変位させる際の見かけ上の剛性ｋが変化することを見出した。図４は、振動板５０の下凸方向への見かけ上の剛性ｋと、振動板５０の変位と、の関係を示すグラフである。図中、ｘが正の範囲は、振動板５０が上凸であることを示している。また、ｘが負の範囲は、振動板５０が下凸であることを示している。
【００５７】
超音波センサー１では、下記の関係が存在する。すなわち、ｘが負の範囲にある所定値ｘｍとなるときに、見かけ上の剛性ｋが極小値ｋｍをとる。所定値ｘｍよりもｘが増加又は減少するに伴って、振動板５０の下凸方向への見かけ上の剛性ｋが大きくなる（振動板５０を下凸方向に変位させるのにより多くのエネルギーが必要となる）。
【００５８】
このような関係に注目すると、見かけ上の剛性ｋが小さい範囲（振動板５０のコンプライアンスが高い領域）で振動板５０を変位させた場合、圧電体層７０に電圧を印加したときに生じるエネルギーの多くを、振動板５０の変位のために分配させることができる。図４に対応して述べれば、見かけ上の剛性ｋが小さい範囲（ｙ軸の値が小さい領域）で振動板５０を変位させることで、同じエネルギーでも、より多くの変位を確保（より大きなｘ軸の移動距離を確保）することができる。
【００５９】
超音波センサー１において、振動板５０は、空間１２に対応する領域が、圧電素子３００に電圧を印加していない状態で、例えばｘ１である上凸の初期撓みを有している（ｘ１＞０≧ｘｍ）。圧電素子３００へ電圧を印加することで、振動板５０をｘ２まで変位させることができる（ｘｍ＞ｘ２）。このとき、見かけ上の剛性ｋが小さい範囲で振動板５０を変位させた場合の変位Ｘ１（｜ｘ１｜＋｜ｘ２｜）は、図中の変位Ｘ３（｜ｘ３｜＋｜ｘ４｜）や変位Ｘ５（｜ｘ５｜＋｜ｘ６｜）よりも大きい。変位Ｘ３（｜ｘ３｜＋｜ｘ４｜）は、所定値ｘｍを含むが振動板が過度に上凸に保持されている状態から下凸に撓ませた場合の変位である。変位Ｘ５（｜ｘ５｜＋｜ｘ６｜）は、振動板が下凸に維持されているなかで更に下凸に撓ませた場合の変位である。
【００６０】
見かけ上の剛性ｋが小さい範囲で振動板５０を変位させるには、変位前の振動板５０の初期位置（例えば、図４のｘ１）と、変位後の振動板５０の位置（例えば、図４のｘ２）と、の中点が、見かけ上の剛性ｋの極小値ｋｍやその近傍にあることが好ましい。
【００６１】
図４に示す関係はあくまで一例である。図４に示す関係は、超音波センサー１の構成等に応じて変化できる場合もあるが、予め実験等に基づいて求めることもできる。振動板の状態に応じて該振動板を変位させる際の見かけ上の剛性ｋが変化する関係が存在する場合には、本発明の要旨を変更しない限り、本発明を適用可能である。
【００６２】
図５（ａ）〜（ｃ）は、圧電素子３００に入力される駆動信号（ＣＯＭ）を表す駆動波形の一例である。図５（ａ）は、空間１２の体積を縮小させる第１モードの駆動波形を示す。図５（ｂ）は、空間１２の体積を必要に応じて収縮させ、その後に空間１２の体積をいったん膨張させた後に減少させる第２モードの駆動波形を示す。図５（ｃ）は、第１モードと第２モードとを組み合わせた第３モードの駆動波形を示す。各図中、Ｖｃは抗電圧（圧電体層７０の分極及び電圧のヒステリシスループを評価したときに圧電体層７０の分極がゼロとなる電界を与える電圧）である。
【００６３】
第１モードの駆動波形２０１は、最小電圧Ｖｍｉｎ１を一定時間維持する工程Ｐ０１と、最大電圧Ｖｍａｘ１まで駆動電圧Ｖを上昇させる収縮工程Ｐ０２と、最大電圧Ｖｍａｘ１を一定時間維持する工程Ｐ０３と、最小電圧Ｖｍｉｎ１まで駆動電圧Ｖを下降させる工程Ｐ０４と、次回の工程Ｐ０１に続く工程Ｐ０５と、で構成される（Ｖｍａｘ１＞Ｖｍｉｎ１＞Ｖｃ）。
【００６４】
駆動波形２０１によれば、収縮工程Ｐ０２で、圧電素子３００が空間１２の体積を減少させる方向に変位して振動板５０が振動する。これにより、空間１２内の媒質に圧力変動が生じ、送信超音波Ｕｓ１が送信される。
【００６５】
第２モードの駆動波形２０２は、最大電圧Ｖｍａｘ２が印加される工程Ｐ１１に続いて、最小電圧Ｖｍｉｎ２まで駆動電圧Ｖを下降させる膨張工程Ｐ１２と、最小電圧Ｖｍｉｎ２を一定時間維持する工程Ｐ１３と、最大電圧Ｖｍａｘ２まで駆動電圧Ｖを上昇させる収縮工程Ｐ１４と、次回の工程Ｐ１１に続く工程Ｐ１５と、で構成される（Ｖｍａｘ２＞Ｖｍｉｎ２＞Ｖｃ）。
【００６６】
駆動波形２０２によれば、膨張工程Ｐ１２によって圧電素子３００が空間１２の体積を増加させる方向に変位する。次いで、収縮工程Ｐ１４によって圧電素子３００が空間１２の体積を減少させる方向に変位して振動板５０が振動する。これにより、空間１２内の媒質に圧力変動が生じ、送信超音波Ｕｓ１が送信される。
【００６７】
第３モードの駆動波形２０３は、中間電圧Ｖｍが印加される工程Ｐ２１と、中間電圧Ｖｍとは逆極性であって圧電体層７０の抗電圧Ｖｃよりも大きい最小電圧Ｖｍｉｎ３まで駆動電圧Ｖを降下させる膨張工程Ｐ２２と、最小電圧Ｖｍｉｎ３を一定時間維持する工程Ｐ２３と、中間電圧Ｖｍより大きい最大電圧Ｖｍａｘ３まで駆動電圧Ｖを上昇させる収縮工程Ｐ２４と、最大電圧Ｖｍａｘ３を一定時間維持する工程Ｐ２５と、中間電圧Ｖｍまで駆動電圧Ｖを下降させる工程Ｐ２６と、次回の工程Ｐ２１に続く工程Ｐ２７と、で構成される（Ｖｍａｘ３＞Ｖｍ＞Ｖｍｉｎ３＞Ｖｃ）。
【００６８】
駆動波形２０３によれば、膨張工程Ｐ２２によって圧電素子３００が空間１２の体積を増加させる方向に変位する。その後、収縮工程Ｐ２４で、圧電素子３００が空間１２の体積を減少させる方向に変位して振動板５０が振動する。これにより、空間１２内の媒質に圧力変動が生じ、送信超音波Ｕｓ１が送信される。
【００６９】
何れの駆動波形でも、超音波センサー１では、振動板５０が上凸となる撓みを有しており、振動板５０のコンプライアンスが高い領域を通過するように振動板５０が変位する。駆動波形の各電圧の具体値は、超音波センサー１の用途等によって適宜調整が可能である。例えば、最小電圧Ｖｍｉｎは、極めて小さな電圧とすることができる。この場合、圧電素子３００に最小電圧Ｖｍｉｎを印加している状態は、実質的に、圧電素子３００に電圧を印加していない状態と等しい。
【００７０】
また、図５（ａ）〜（ｃ）のうち、図５（ｂ）〜（ｃ）では、一部の工程で空間の体積を膨張させている。本発明を適用しない従来例では、いったん振動板が下凸に撓んだ状態で維持されると、空間の体積を膨張させる工程を経たとしても、振動板の下凸の程度が少なくなるだけで、振動板は上凸にはならない。これに対する本実施形態の例は、図６のタイムチャートのとおりである。
【００７１】
図６は、超音波センサー１の駆動時における第２モード（図５（ｂ））の駆動電圧と、空間１２内の圧力と、圧電体層７０の分極率と、の関係を説明する図である。図中、時点ｔ１〜時点ｔ２は、圧電体層７０の分極の緩和時間Ｔ１である。また、時点ｔ１〜時点ｔ３は、超音波センサー１の繰り返し発信周期Ｔｃである。
【００７２】
時点ｔ１で、圧電素子３００に印加されている電圧が、最大電圧Ｖｍａｘから最小電圧Ｖｍｉｎに減少する。これにより、空間１２の体積が増加して振動板５０に振動が生じる。この振動に応じて、空間１２内の媒質に、繰り返し発信周期Ｔｃで圧力変動が生じる。より大きな圧力変動を生じさせる観点からは、空間１２内の媒質の圧力が高いときに空間１２の体積を減少させた方が有利である。そのため、空間１２内の媒質の圧力が相対的に高くなり始める時点ｔ３よりも後、圧電素子３００に最大電圧Ｖｍａｘを再び印加する。これにより、空間１２の体積が減少する。これらの一連の圧力変動に応じて、送信超音波Ｕｓ１が送信される。
【００７３】
図６では、圧電素子３００に最大電圧Ｖｍａｘを印加するタイミングが、空間１２内の媒質の圧力が極大値をとる時点ｔ４である。これにより、空間１２内の媒質に大きな圧力変動を生じやすくなり、強度の高い送信超音波Ｕｓ１を送信しやすくなる。
【００７４】
ここで、圧電体層７０の分極の緩和時間Ｔ１は、繰り返し発信周期Ｔｃ以下である（Ｔｃ≧Ｔ１）。時点ｔ２では、時点ｔ１において下凸方向に変位した圧電素子３００の分極が実質的に消滅する。これにより、空間１２側に付加されていた押圧力が実質的になくなって、振動板５０が初期位置である上凸に戻る。
【００７５】
従って、圧電素子３００に最大電圧Ｖｍａｘを再び印加し得る上記の時点ｔ３を迎えるときには毎回、時点ｔ２の時点で振動板５０が上凸に戻っている。このため、圧電素子３００に最大電圧Ｖｍａｘを印加するときには毎回、振動板５０のコンプライアンスが高い領域を通過するように、振動板５０を下凸方向に変位させることができる。これにより、空間１２内の媒質に大きな圧力変動を生じさせることができ、その結果、送信超音波Ｕｓ１の送信効率の向上を図ることができる。また、送信超音波Ｕｓ１の送信効率の向上を図ることができる分、反射超音波Ｕｓ２の受信効率の向上も図ることができる。
【００７６】
繰り返し発信周期Ｔｃは、空間１２の体積や振動板５０の剛性等によって調節が可能である。超音波センサー１の用途等に応じ、適切な繰り返し発信周期Ｔｃを適宜設計すればよい。上記のように、ＡＢＯ３型ペロブスカイト構造を有するＢＦ−ＢＴ系の複合酸化物を用いて圧電体層７０を構成すれば、分極の緩和時間Ｔ１が繰り返し発信周期Ｔｃ以下となる超音波センサー１を得やすくなる。
【００７７】
図７は、送信専用型、受信専用型、送受信一体型についての変位のしやすさを示す。送信専用型、受信専用型、送受信一体型の何れの型も、振動板５０の初期位置が上凸にあると、振動板を変位させる際のコンプライアンスが高くなることが分かる。その上で、個々の検出感度のピーク位置が、型ごとに僅かに異なる。従って、送信専用型、受信専用型、送受信一体型に応じて、効率の高い検出感度を有するように設計することが可能となる。
【００７８】
次に、超音波センサー１の製造方法について説明する。図８〜図９は、超音波センサー１の製造方法の一例を示す断面図である。まず、基板１０の表面に、熱酸化等によって酸化シリコンからなる弾性膜５１を形成する。その後、弾性膜５１上にジルコニウムを成膜し、熱酸化等によって酸化ジルコニウムからなる絶縁体層５２を形成する。そして、絶縁体層５２上に、第１電極６０をスパッタリング法や蒸着法等で形成し、第１電極６０が所定の形状となるようにパターニングする。
【００７９】
次いで、第１電極６０及び振動板５０上に圧電体層７０を積層する。圧電体層７０は、金属錯体（例えば、ＢＦ−ＢＴ系の複合酸化物を構成するＢｉ、Ｂａ、Ｆｅ及びＴｉを含む金属錯体）を溶媒に溶解・分散した溶液を塗布乾燥し、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。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】
図８（ａ）に示すように、第１電極６０上に１層目の圧電体膜７４を形成した段階で、第１電極６０及び１層目の圧電体膜７４を同時にパターニングする。そして、図８（ｂ）に示すように、２層目以降の圧電体膜７４を積層することにより、複数層の圧電体膜７４からなる圧電体層７０を形成する。ちなみに、２層目以降の圧電体膜７４は、振動板５０上、第１電極６０及び１層目の圧電体膜７４の側面上、及び１層目の圧電体膜７４上に亘って連続して形成される。更に、図８（ｃ）に示すように、圧電体層７０をパターニングして凹部７１等を形成する。
【００８１】
次に、図９（ａ）に示すように、圧電体層７０をパターニングした側面上、振動板５０上、及び第１電極６０上等に亘って第２電極８０を形成すると共にパターニングする。その後は、不要部分をダイシング等により切断・除去する。図９（ｂ）に示すように、常法により、図２等に示す音響整合層１３や包囲板４０等を設け、超音波センサー１とする。
【００８２】
（実施形態２）
本実施形態は、超音波センサーの駆動周期毎に圧電体層の分極方向を反転させる電圧を印加し、圧電素子を駆動する超音波センサー及びその駆動方法である。以下、実施形態１と同一の部材には同一の符号を付し、異なる部分を中心に説明する。
【００８３】
図１０は、超音波センサーの基板、振動板及び圧電素子の構成例を示す断面図である。この超音波センサー１Ａでは、圧電体層７０Ａが、ＢＦ−ＢＴ系以外の複合酸化物を中心に構成されている。ＢＦ−ＢＴ系以外の複合酸化物は、ＢＦ−ＢＴ系の複合酸化物と比較すれば、分極の緩和時間Ｔ１が繰り返し発信周期Ｔｃ以下である圧電体層（実施形態１参照）を構成しにくい。一方、超音波センサー１Ａでは、分極の緩和時間Ｔ１が繰り返し発信周期Ｔｃを超える圧電体層であっても使用可能である。つまり、超音波センサー１Ａでは、実施形態１に比べ、圧電体層の材料選択の自由度が高い。勿論、超音波センサー１Ａでは、分極の緩和時間Ｔ１が繰り返し発信周期Ｔｃ以下の圧電体層も使用可能である。
【００８４】
ここでは、ＫＮＮ系の複合酸化物を中心として圧電体層７０Ａが構成されている。ＫＮＮ系の複合酸化物からなる圧電体層７０Ａの例は、実施形態１で説明した通りである。ＫＮＮ系の複合酸化物には、他の元素が含まれていてもよい。他の元素としては、圧電体層７０のＡサイトの一部と置換されるビスマス（Ｂｉ）、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、サマリウム（Ｓｍ）、セリウム（Ｃｅ）や、Ｂサイトの一部と置換される鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、マンガン（Ｍｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、マグネシウム（Ｍｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）等が挙げられる。ＫＮＮ系の複合酸化物は、鉛を含まないことが好ましいが、Ａサイトの一部と置換されるＰｂ（鉛）を含んでいてもよい。
【００８５】
図１１（ａ）〜（ｂ）は、超音波センサーの駆動方法を説明する図である。図１１（ａ）は、駆動周期毎に圧電体層の分極を反転させる電圧波形の一例を示し、図１１（ｂ）は、電圧及び分極率の関係を説明する図である。
【００８６】
駆動波形２０３Ａは、実施形態１の図５（ｃ）の駆動波形２０３に比べ、最大電圧Ｖｍａｘ３まで上昇させる収縮工程Ｐ２４の前に、駆動電位を抗電圧Ｖｃまで低下させる工程Ｐ２２ａと、抗電圧Ｖｃを一定時間維持する工程Ｐ２３ａと、を有する点が異なる。駆動波形２０３Ａの周期が、超音波センサー１Ａの駆動周期Ｔｗに相当する。所定の駆動周期Ｔｗで駆動波形２０３Ａが圧電素子３００Ａに入力されることで、所定の間隔Ｗで、超音波センサー１Ａから送信超音波Ｕｓ１が送信される。
【００８７】
圧電体層７０Ａのヒステリシスループ（縦軸を分極とし、横軸を電圧とする）を評価したとき、圧電体層７０Ａの分極がゼロとなる電圧が、抗電圧Ｖｃである。従って、駆動波形２０３Ａが、上記の工程Ｐ２２ａ及び工程Ｐ２３ａにて、圧電体層７０Ａの分極を強制的にゼロに近い値にすることができる。圧電体層７０Ａの分極がゼロに近い値になると、空間１２側に付加されていた押圧力が実質的になくなって、振動板５０が初期位置である上凸に戻る。
【００８８】
ここでは、駆動周期Ｔｗ毎に圧電体層７０Ａの分極方向を反転させる電圧が、上記の抗電圧Ｖｃに相当する。圧電体層７０Ａの分極方向を反転させる電圧としては、抗電圧Ｖｃ近傍（抗電圧Ｖｃプラスマイナス３ｖ程度）の電圧を用いることが好ましい。これによれば、圧電体層７０Ａの分極を確実に減分極させることができる。
【００８９】
図１２は、超音波センサー１Ａの駆動時における駆動電圧Ｖの変化と、圧電体層７０の分極率Ｐと、の関係を説明するタイムチャートである。図１２の駆動波形２０３Ａの各工程Ｐ２１〜Ｐ２７は、図１１（ａ）の各工程に対応する。
【００９０】
時点ｔ１以降、駆動電圧が中間電圧Ｖｍから減少し、時点ｔ２で、抗電圧Ｖｃまで減少する。このとき、圧電体層７０Ａの分極がゼロに近い値になる。これにより、空間１２側に付加されていた押圧力が実質的になくなり、振動板５０が初期位置である上凸に戻る。
【００９１】
駆動波形２０３Ａでは、時点ｔ２〜時点ｔ３の期間Ｔａ、抗電圧Ｖｃを保持している。時点ｔ３以降の収縮工程Ｐ２４を迎えるときには、振動板５０が上凸に戻っている。収縮工程Ｐ２４で、圧電素子３００Ａが空間１２の体積を減少させる方向に変位して振動板５０が振動する。これにより、空間１２内の媒質に圧力変動が生じ、送信超音波Ｕｓ１が送信される。
【００９２】
駆動波形２０３Ａでは、圧電体層７０Ａの分極方向を反転させる電圧を印加することで、強制的に、振動板５０を初期位置である上凸に戻している。このため、上記の通り、超音波センサー１Ａでは、分極の緩和時間Ｔ１が繰り返し発信周期Ｔｃを超える圧電体層であっても使用可能となっている。
【００９３】
以降、超音波センサー１Ａでは、駆動周期（工程Ｐ２１〜Ｐ２７）毎に、圧電体層７０Ａの分極を反転させる抗電圧Ｖｃ近傍（プラスマイナス３ｖ）の電圧を印加する。所定の駆動周期Ｔｗで駆動波形２０３Ａが圧電素子３００Ａに入力されることで、所定の間隔Ｗで、超音波センサー１Ａから送信超音波Ｕｓ１が送信される。
【００９４】
製造方法は、基本的には実施形態１と同様である。超音波センサー１Ａの駆動周期Ｔｗ毎に圧電体層７０Ａの分極方向を反転させる電圧を印加するように、駆動回路等の制御部分を構成すればよい。
【００９５】
（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態を説明した。しかし、本発明の基本的構成は上記の態様に限定されない。
【００９６】
図１３は、超音波センサーでの特性について説明する図である。図１３は、空間１２が、第３の方向Ｚから見たときに長方形状（第１の方向Ｘと第２の方向Ｙとの長さの比が１：１０）である場合の例である。
【００９７】
送信専用型、受信専用型、送受信一体型の何れの型も、振動板５０の初期位置が上凸にあると、振動板を変位させる際のコンプライアンスが高くなることが分かる。その上で、個々の検出感度のピーク位置が型ごとに僅かに異なる。従って、送信専用型、受信専用型、送受信一体型に応じ、効率の高い検出感度を有するように設計することが可能となる。このことから本発明は、空間１２の形状を種々に変形可能であることが明らかとなった。
【００９８】
図１４は、超音波デバイスの概略構成を示す図である。図１４では、ＡＣＴ面型の超音波センサー１Ｂを具備するように、超音波プローブＩＢが構成されている。ＡＣＴ面型の超音波センサー１Ｂでは、音響整合層１３は圧電素子３００の周囲に設けられている。そして、振動板５０は、空間１２に対応する領域が、圧電素子３００に電圧を印加していない状態で音響整合層１３側に上凸となる撓みを有している。ＡＣＴ面型の超音波センサー１Ｂでは、空間１２内は空気層とされている。
【００９９】
圧電素子３００に電圧を印加して圧電素子３００及び振動板５０を変位させることで、空間１２内の媒質（空気層）に圧力変動が生じ、これにより送信超音波Ｕｓ１が送信される。また、反射超音波Ｕｓ２を受けて空間内の媒質に圧力変動が生じると、圧電素子３００及び振動板５０が変位し、これにより圧電素子３００から電圧が得られる。
【０１００】
以上、上記の実施形態では、鉛を含まない複合酸化物を用いた圧電体層について説明した。ただし、鉛を含む複合酸化物を用いて圧電体層を構成してもよい。鉛を含む圧電体層を構成する材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電体材料や、これに酸化ニオブ、酸化ニッケル、酸化マグネシウム及び酸化ランタン等の金属酸化物を添加したもの等が挙げられる。具体的には、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、チタン酸ジルコン酸バリウム（Ｂａ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）又はマグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３）等が挙げられる。
【０１０１】
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。
【０１０２】
図面において示す構成要素、すなわち、各部の形状や大きさ、層の厚さ、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。また、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、「基板上の第１電極」や「第１電極上の圧電体層」という表現は、基板と第１電極との間や、第１電極と圧電体層との間に、他の構成要素を含むものを除外しない。
【符号の説明】
【０１０３】
Ｉ，ＩＢ  超音波プローブ、  １，１Ａ，１Ｂ  超音波センサー、  １０  基板、  １１  隔壁、  １２  空間、  １３  音響整合層、  ２０  レンズ部材、  ４０  包囲板、  ５０  振動板、  ５１  弾性膜、  ５２  絶縁体層、  ６０  第１電極、  ７０，７０Ａ  圧電体層、  ７１  凹部、  ８０  第２電極、  ３００，３００Ａ  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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