JP2015118014A - Ultrasonic sensor element, manufacturing method therefor, and ultrasonic sensor - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to an ultrasonic sensor element, a manufacturing method thereof, and an ultrasonic sensor.
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。 Conventionally, an ultrasonic sensor is known as one of detectors for acquiring various types of information related to a measurement object. The ultrasonic sensor obtains information on the position, shape, speed, etc. of the measurement object based on the time required from transmitting the ultrasonic wave toward the object until receiving the ultrasonic wave (echo signal). is there.
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)。 As such an ultrasonic sensor, for example, based on an ultrasonic wave transmitted from an ultrasonic sensor unit having a diaphragm and a piezoelectric body, and an ultrasonic wave reflected by a detection target and received by the ultrasonic sensor unit. In addition, a control operation unit that calculates the position, shape, and speed of a detection target is provided, and the above-described piezoelectric body is covered with a reflection chamber (see, for example, Patent Document 1).
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。
Further, as a detector having this type of piezoelectric body, although it is an example of a pressure sensor, a support body having an opening, a support film provided on the support body, and a pressure formed on the support film A detection unit (piezoelectric element), a frame formed on the pressure detection unit, and a sealing film for closing the frame, and a pressure medium (silicone oil) in an internal space surrounded by the frame Has been proposed (for example, see Patent Document 2). In
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。
However, in
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。
Also in
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。 The present invention has been made in view of the above situation, and an object thereof is to provide a novel ultrasonic sensor element having high resolution, a method for manufacturing the same, and an ultrasonic sensor.
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。
An aspect of the present invention for solving the above problems includes a substrate having an opening, a diaphragm provided on the substrate so as to close the opening, a first electrode laminated on the diaphragm, and a piezoelectric body. A piezoelectric element including a layer and a second electrode, and a region including the piezoelectric element is surrounded by a sealing plate, and the region surrounded by the sealing plate includes a resin, and includes ultrasonic diffusion particles. Is held in the ultrasonic sensor element.
According to this aspect, it is possible to cause another ultrasonic wave transmitted in a direction different from the ultrasonic wave transmitted to the measurement object to collide with the ultrasonic diffusion particles and diffuse. For this reason, it can prevent that said other ultrasonic wave interferes with an echo signal by the side of a measuring object, and can provide the ultrasonic sensor element which has high resolution.
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。 Here, it is preferable that the opening is a region through which an ultrasonic wave passes to the measurement object, and the piezoelectric element is formed on the side opposite to the opening of the diaphragm. According to this, it is possible to realize a configuration in which the opposite side of the diaphragm to the piezoelectric element is a region through which the ultrasonic wave passes to the measurement object, and it is easy to prevent leakage current between the piezoelectric element and the measurement object. . Therefore, an ultrasonic sensor element having high resolution and high safety can be provided.
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。 Moreover, it is preferable that the said ultrasonic diffusion particle is at least one of a bubble or a filler. According to this, it becomes easy to hold | maintain an ultrasonic diffusion particle in resin. Therefore, an ultrasonic sensor element having high resolution can be easily provided.
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。 Moreover, it is preferable that the said filler consists of nonmetallic materials. According to this, an ultrasonic sensor element having a high resolution can be provided by using a material having low conductivity as the filler.
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。 Moreover, it is preferable that the particle size of the ultrasonic diffusion particle is in the range of 0.1 μm to 30 μm. According to this, according to the ultrasonic wavelength in resin, based on at least one phenomenon of Rayleigh scattering, Mie scattering, and geometric optical scattering, for example, the other ultrasonic waves can be reliably diffused. Therefore, an ultrasonic sensor element having higher resolution can be provided.
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。 Moreover, it is preferable that a through portion is formed on a surface of the sealing plate facing the piezoelectric element. According to this, the sealing plate in a portion facing the piezoelectric element can be removed, and the displacement of the piezoelectric element is hardly hindered by the rigidity of the sealing plate. Therefore, an ultrasonic sensor element having higher resolution can be provided. In addition, resin or ultrasonic diffusion particles can be introduced into the region including the piezoelectric element through the penetrating portion facing the piezoelectric element, and the manufacture of the ultrasonic sensor element is facilitated.
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。
Another aspect of the present invention that solves the above problem includes the ultrasonic sensor element according to any one of the above, and a matching layer including a resin is formed in a region partitioned by the substrate and the diaphragm. The ultrasonic sensor is characterized by that. According to this aspect, since the ultrasonic sensor is provided, an ultrasonic sensor having high resolution can be provided.
Here, it is preferable that the matching layer includes a silicone resin. According to this, it is possible to easily provide an ultrasonic sensor having a high resolution by using a silicone resin that is relatively excellent in handling properties and easily holds ultrasonic diffusion particles.
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。 Moreover, it is preferable to provide a lens member that closes the opening of the substrate on the side opposite to the diaphragm. According to this, since the matching layer can be easily formed by the lens member, the substrate and the diaphragm, an ultrasonic sensor having high resolution can be easily provided.
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。
According to still another aspect of the present invention for solving the above-described problems, a substrate in which an opening is formed, a diaphragm provided on the substrate so as to close the opening, and a first electrode laminated on the diaphragm. And a piezoelectric element comprising a piezoelectric layer and a second electrode, the method including a step of surrounding a region including the piezoelectric element with a sealing plate and holding the resin and ultrasonic diffusion particles in the surrounding region. The ultrasonic sensor element manufacturing method is characterized.
According to this aspect, it is possible to cause another ultrasonic wave transmitted in a direction different from the ultrasonic wave transmitted to the measurement object to collide with the ultrasonic diffusion particles and diffuse. For this reason, it can prevent that said other ultrasonic wave interferes with an echo signal by the side of a measuring object, and can provide the manufacturing method of the ultrasonic sensor element which has high resolution.
(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。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a schematic configuration of an ultrasonic sensor according to
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。
As shown in the figure, the
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。
For example, a silicon single crystal substrate can be used as the
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。
In the present embodiment, the
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。
Therefore, this embodiment can be suitably used as a pressure sensor or the like mounted on a printer, as well as medical equipment that particularly dislikes contamination and leakage current from the viewpoint of safety and the like, for example, an ultrasonic diagnostic apparatus, a sphygmomanometer In addition, the
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。
The
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。
In the
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。
That is, when the difference in acoustic impedance between the
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。
Therefore, the resin functioning as the
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。
In the figure, the
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。
When the
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。
On the side opposite to the
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。
On the
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。
In general, in the
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。
Here, the
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。
The
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。
As the
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。
The
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。
In such a perovskite structure, that is, the A site of the ABO 3 type structure, oxygen is 12-coordinated, and the B site is 6-coordinated of oxygen to form an octahedron. In the example of the
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。 In a composite oxide having a perovskite structure containing Bi, Ba, Fe and Ti, the composition formula is expressed as (Bi, Ba) (Fe, Ti) O 3 , but a typical composition is bismuth ferrate. And a mixed crystal of barium titanate. Such a mixed crystal is an X-ray diffraction pattern in which bismuth ferrate or barium titanate cannot be detected alone. A composition deviating from the composition of the mixed crystal is also included.
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。 The composite oxide having a perovskite structure includes those that deviate from the stoichiometric composition due to deficiency / excess, and those in which some of the elements are replaced with other elements. That is, as long as a perovskite structure can be obtained, not only inevitable compositional shift due to lattice mismatch, oxygen deficiency, etc., but also partial substitution of elements is allowed.
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。
And the structure of the complex oxide of a perovskite structure is not restricted to the said example, You may comprise other elements. For example, the
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。
Bi of the A site of the
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。
The
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。
By utilizing the resonance frequency unique to each material, this and the frequency of the charge signal applied to the
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。
Here, in the present embodiment, the region including the
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。
According to this, other ultrasonic waves transmitted in a direction (for example, the opposite direction) different from the ultrasonic waves transmitted to the measurement object can be caused to collide with the
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。
The sealing
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。
The surrounding region including the
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。
That is, the resin functioning as the
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。
As an example, a silicone resin can be used as the
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。
Here, it is preferable that the
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。
When the
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。
Bubbles can be held in the
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。
On the other hand, when the
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。 As the filler, a filler made of a metal material, a filler made of a non-metallic material, or a combination thereof can be used, but a filler made of a non-metallic material is preferably used. Since such a filler has low conductivity, it is difficult to cause an adverse electrical effect, and it is easy to avoid the occurrence of leakage current.
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。
Examples of the filler made of a nonmetallic material include titanium oxide, zirconium oxide, silica, talc, mica, clay, carbon nanotube, carbon fiber, glass bead, glass fiber, or a mixture thereof. Among these, when a silicone resin is used as the
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。
Next, the configurations of the
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。
First, as shown in FIG. 3A, a
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。
The
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。
As shown in FIG. 3B, when a charge signal I in is applied from the
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。
As shown in FIG. 3C, the ultrasonic wave reflected by the measurement object is incident on the
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。
Here, in this embodiment, the
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。
The configuration of the
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。
When the particle size α of the
[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)
[Formula 1]
Ultrasonic diffusion particle diameter α = D × π / λ
(D: Diameter of ultrasonic diffusion particle, λ: Ultrasonic wavelength in resin in surrounding region)
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。
Further, when the particle diameter α of the
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。
Further, when the particle size α of the
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。
As described above, according to the present embodiment, according to the particle diameter of the
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。
As such
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。
Further, when the
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。
When the
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。
Furthermore, when the
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。
Although it is not necessary to make all the ultrasonic diffusing
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。
The density of the
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。
In such an
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。 Next, an example of the manufacturing method of the ultrasonic sensor of this embodiment is demonstrated with reference to FIGS. 7-8 is sectional drawing which shows the manufacture example of an ultrasonic sensor. Here, an example of a method of manufacturing an ultrasonic sensor having an ultrasonic sensor element and having an acoustic matching layer formed will be described. However, the step of forming the acoustic matching layer is omitted, and the ultrasonic sensor element is manufactured. It can also be a method.
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。
First, as shown in FIG. 7A, after the
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。
Thereafter, as shown in FIG. 7B, the
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。
Next, as shown in FIG. 7C, the
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。
Thereafter, as shown in FIG. 7D, the
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。
Next, as shown in FIG. 8A, a
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。
Then, as shown in FIG. 8C, the space from which the region facing the
(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。
(Embodiment 2)
Next, an ultrasonic sensor element, a manufacturing method thereof, and an ultrasonic sensor according to
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。
The
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。
Therefore, the
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。
The shape of the penetrating
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。
Although not shown, the penetrating
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。
Such an
(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。
(Other embodiments)
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, the fundamental structure is not limited to what was mentioned above.
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。
Since the
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。
In the ink jet recording apparatus II shown in FIG. 10, the recording head units IA and IB having the ink jet recording head I are detachably provided with
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。
Then, the driving force of the driving
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。
Further, since the
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。
In addition, as described above, the
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
DESCRIPTION OF
Claims (10)
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。 A substrate in which an opening is formed; a diaphragm provided on the substrate so as to close the opening; a piezoelectric element including a first electrode, a piezoelectric layer, and a second electrode stacked on the diaphragm; Comprising
A region including the piezoelectric element is surrounded by a sealing plate;
An ultrasonic sensor element characterized in that the region surrounded by the sealing plate contains a resin and holds ultrasonic diffusion particles.
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。 A substrate in which an opening is formed; a diaphragm provided on the substrate so as to close the opening; a piezoelectric element including a first electrode, a piezoelectric layer, and a second electrode stacked on the diaphragm; Comprising
A method of manufacturing an ultrasonic sensor element, comprising: enclosing a region including the piezoelectric element with a sealing plate, and holding resin and ultrasonic diffusion particles in the surrounded region.
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