JP2016181840A - 超音波センサー - Google Patents

Abstract

【課題】分解能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】ＸＹ平面に沿った基板１０に形成される複数の空間１２と、基板１０上に設けられ、基板１０側の第１面５０ａと第１面５０ａに対向する第２面５０ｂと、を有する振動板５０と、振動板５０の第２面５０ｂ側であって空間１２に対向する位置に設けられ、超音波を発信及び／又は受信する圧電素子３００と、を具備して複数のアクティブユニットＡＵが構成される。基板１０に形成される複数のダミー空間１２ｄｍと、基板１０上に設けられ、基板１０側の第１面５０と第２面５０ｂとを有するダミー振動板５０ｄｍと、を具備してダミーユニットＤＵが構成される。アクティブユニットＡＵが、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のうち、少なくとも一方の方向に複数設けられることで、アクティブエリアＡＡが形成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、超音波センサーに関する。

従来、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がある。この超音波センサーでは、圧電素子に電気信号を供給して圧電素子を駆動することで、超音波（送信超音波）が送信される。また、測定対象物から反射された超音波（反射超音波）を圧電素子が受けることで、圧電素子が駆動して電気信号が得られる。超音波センサーを搭載する超音波デバイスでは、これらの電子信号、すなわち、送信超音波や反射超音波の波形信号に基づき、測定対象物に関する情報（位置や形状等）が検出される。

この種の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、等の分類がある。また、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）と、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）と、等の分類もある。

ここで、超音波の波形信号を分離解析できる能力（分解能）の向上を目的の一つとし、複数の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、開口部の各々に対応して振動板に設けられた圧電体と、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（例えば、特許文献１参照）。また、アクティブな振動子（圧電素子）の隣に、電気制御から分離された非アクティブなダミー振動子を設けることが提案されている（例えば、特許文献２及び３参照）。

特開２０１０−１６４３３１号公報 特開平０８−３２２０９７号公報（図６，図７等） 特表２０１３−５３９２５４号公報（図１４，図１５ａ〜ｂ等）

しかしながら、近年、超音波センサーには、特許文献１よりも分解能の向上が求められている状況があった。そして、ダミー振動子を設ける特許文献２及び３では、以下の点から、分解能の向上を図ることが困難であった。

すなわち、特許文献２及び３では、分解能を向上させる観点について一切記載されていなかった。また、特許文献２及び３では、ダミー振動子を設ける例として、ダミー振動子を１つ単位で点在させる例や、アクティブな振動子の周りにダミー振動子を１列分設ける例しか開示していなかった。これらの場合、アクティブな振動子の駆動に由来する振動波が、ダミー振動子の外側にある他の構造物に反射して該ダミー振動子を往復（ダミー振動子→他の構造物→ダミー振動子）し、該振動波が十分に減衰することなくアクティブな振動子に戻ってくる場合があった。十分に減衰していない振動波が残留し、測定対象物に関する情報を検出するための超音波（例えば反射超音波）に干渉すると、該超音波の波形信号を分離解析するのが難しくなる。

このような問題は、上記の特許文献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、送信専用型と、受信専用型と、送受信一体型と、等の何れの超音波センサーにも存在し、また、ＡＣＴ面型と、ＣＡＶ面型と、等の何れの超音波センサーにも存在する。

本発明は、このような事情に鑑み、分解能の向上を図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。

上記課題を解決する本発明の態様は、互いに直交する２つの軸をＸ軸及びＹ軸とし、前記Ｘ軸及びＹ軸によって形成される平面をＸＹ平面としたとき、前記ＸＹ平面に沿った基板に形成される複数の空間と、前記基板上に設けられ、前記基板側の第１面と該第１面に対向する第２面とを有する振動板と、前記振動板の前記第２面側であって前記空間に対向する位置に設けられ、超音波を発信及び／又は受信する圧電素子と、を具備してアクティブユニットが構成され、前記基板に形成される複数のダミー空間と、前記基板上に設けられ、前記基板側の第１面と該第１面に対向する第２面とを有するダミー振動板と、を具備してダミーユニットが構成され、前記アクティブユニットが、前記Ｘ軸方向及び前記Ｙ軸方向のうち、少なくとも一方の方向に複数設けられることで、アクティブエリアが形成され、前記ダミーユニットは、該アクティブエリアの外側に複数列設けら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、複数列のダミーユニットが、アクティブユニットの駆動に由来する振動波を十分に減衰させるダンパー機能を果たす。
すなわち、かかる態様によれば、アクティブユニットの駆動に由来する振動波が、複数列のダミーユニットに亘って外側に伝達する。このとき、振動波のエネルギーが、ダミーユニットを構成する各部（ダミー振動板と、ダミー空間を画成する基板と、等の各部）で散逸される。従って、振動波がダミーユニットを往復してアクティブユニットに戻ってくる間に、該振動波が早期かつ十分に減衰する。よって、測定対象物に関する情報を検出するための超音波に振動波が干渉することを防止でき、その結果、分解能の向上を図ることができる。

ここで、前記ダミーユニットは、前記アクティブエリアの前記Ｘ軸方向及び前記Ｙ軸方向に沿って複数列設けられていることが好ましい。かかる態様によれば、上記のダンパー機能がより発揮されるので、分解能の向上をより図ることができる。

また、前記ダミーユニットは、前記アクティブエリアを囲むように複数列設けられていることが好ましい。かかる態様によれば、上記のダンパー機能がより発揮されるので、分解能の向上をより図ることができる。

また、互いに構成が異なる２種以上の前記ダミーユニットを具備することが好ましい。これによれば、構成の異なる部分にて上記のダンパー機能がより発揮されるので、分解能の向上をより図ることができる。

また、複数列のダミーユニットの少なくとも一つは、前記アクティブユニットの外側に向かうにつれて、前記ダミー空間の体積が小さくなるように構成されていることが好ましい。これによれば、構成の異なる部分にて上記のダンパー機能がより発揮されるので、分解能の向上をより図ることができる。

また、前記ダミーユニットの少なくとも一つは、前記アクティブユニットと異なる位相又は周波数で駆動するダミー圧電素子を具備することが好ましい。かかる態様によれば、振動波のエネルギーが、ダミーユニットを構成する各部で散逸されやすくなる。このため、上記のダンパー機能がより発揮されるので、分解能の向上をより図ることができる。

また、前記ダミーユニットの少なくとも一つは、前記アクティブユニットの駆動制御系から電気的に分離されたダミー圧電素子を具備することが好ましい。かかる態様によれば、振動波のエネルギーが、ダミーユニットを構成する各部で散逸されやすくなる。このため、上記のダンパー機能がより発揮されるので、分解能の向上をより図ることができる。

また、前記ダミーユニットは、前記アクティブエリアの外側に千鳥配置されていることが好ましい。これによれば、振動波のエネルギーが、ダミーユニットを構成する各部で散逸されやすくなる。このため、上記のダンパー機能がより発揮されるので、分解能の向上をより図ることができる。

また、前記振動板の前記圧電素子とは反対側が超音波の通過領域となることが好ましい。これによれば、分解能の向上を図ることができ、しかも使用時の電気的安全性や製造時のハンドリング性等に優れる超音波センサーとなる。

超音波センサーを搭載する超音波デバイスを示す模式図。 超音波センサーの構成例を示す分解斜視図。 超音波センサーの構成例を示す断面図。 超音波センサーの構成例を示す断面図。 超音波センサーにおける複数列のダミーユニットの機能を説明する図。 従来例を説明する図。 超音波センサーの製造例を示す図。 超音波センサーの製造例を示す図。 超音波センサーの製造例を示す図。 超音波センサーの構成例を示す図。 超音波センサーの構成例を示す図。 超音波センサーの変形例を示す図。 超音波センサーの変形例を示す図。

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。

（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の一例を示す模式図である。図１（ａ）は、超音波センサー近傍の構成例を模式的に示す断面図である。図１（ｂ）は、超音波センサーの動作を模式的に説明する図である。

図示するように、超音波プローブＩは、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。

超音波センサー１が送受信一体型である場合、超音波センサー１によって超音波（送信超音波Ｕｓ１）が送信されるとともに、測定対象物から反射された超音波（反射超音波Ｕｓ２）が超音波センサー１によって受信される。測定対象物までの距離や測定対象物の形状等に応じて、例えば、送信超音波Ｕｓ１が送信された後の反射超音波Ｕｓ２の受信タイミングが異なってくる。これらの超音波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。

超音波センサー１によれば、後述のように、超音波の波形信号を分離解析できる能力（分解能）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、検出感度等に優れた超音波デバイスとなる。ここでは、本発明をＣＡＶ面型の超音波センサーに適用した例を示しているが、本発明は、ＡＣＴ面型の超音波センサーにも適用できる。そして、本発明は、送信専用型と、受信専用型と、送受信一体型と、等の何れの超音波センサーにも適用できる。勿論、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。

次に、超音波センサー１の構成例について説明する。図２は、超音波センサーの分解斜視図である。図３は、超音波センサーの基板、振動板及び圧電素子の断面図である。図４は、超音波センサーの基板の断面図である。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平面に沿っており、図４の切断面は、上記のＸＹ平面に沿っている。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と称することがある。

超音波センサー１は、複数のアクティブユニットＡＵと、複数のダミーユニットＤＵと、を具備して構成されている。アクティブユニットＡＵは、それぞれ、空間１２と、振動板５０と、圧電素子３００と、を具備して構成されている。ダミーユニットＤＵは、それぞれ、ダミー空間１２ｄｍと、ダミー振動板５０ｄｍと、ダミー圧電素子３００ｄｍと、を具備して構成されている。

基板１０には、複数の隔壁１１が形成されており、これらの隔壁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が、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。

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である。これらの空間１２の配列や形状は一例であり、種々に変形が可能である。

振動板５０は、基板１０上に設けられている。以降、振動板５０の基板１０側の面を第１面５０ａと称し、該第１面５０ａに対向する面を第２面５０ｂと称する。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。この場合、弾性膜５１によって第１面５０ａが形成され、絶縁体層５２によって第２面５０ｂが形成される。

弾性膜５１は、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等からなり、絶縁体層５２は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）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。

振動板５０の第２面５０ｂ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。ここでは、複数のアクティブユニットＡＵと、複数のダミーユニットＤＵと、のすべてが包囲板４０によって包囲されている。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。

振動板５０の第２面５０ｂ側であって空間１２に対向する位置には、超音波を送信及び／又は受信する圧電素子３００が設けられている。圧電素子３００は、厚さが約０．３μｍ以下、好ましくは厚さが約０．１〜０．２μｍ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以下、好ましくは厚さが約０．０２〜０．０４μｍの第２電極８０と、を含んでいる。

以降、第１電極６０及び第２電極８０で挟まれた領域を能動部と称する。また、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、を合わせてアクチュエーター装置と称する。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。

図示しないものの、圧電素子３００と振動板５０との間に他の層を設けてもよい。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を設けてもよい。このような密着層は、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ_Ｘ）層、チタン（Ｔｉ）層又は窒化シリコン（ＳｉＮ）層等から構成できる。

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、本明細書の「空間に対向する位置」に含まれる。第３の方向Ｚから圧電素子３００を見たとき、能動部の少なくとも一部が空間１２の内側の領域にあれば、本明細書の「空間に対向する位置」は満たされる。

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。上記のように、本発明は、送信専用型と、受信専用型と、送受信一体型と、等の何れの超音波センサーにも適用できる。

本実施形態では、圧電素子３００は、第１電極６０を第２の方向Ｙに亘るように設けて電極が構成され、第２電極８０を第１の方向Ｘに亘るように設けて電極が構成されている。尚、圧電体層７０は、空間１２毎にパターニングして構成され、これらの第１電極６０及び第２電極８０に挟持されている。

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（ＳｒＲｕＯ_３）、ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ_３）、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。

圧電体層７０は、例えばＡＢＯ_３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。かかる複合酸化物としては、圧電特性が比較的高いチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の複合酸化物が挙げられる。ＰＺＴ系の複合酸化物を用いることで、圧電素子３００の変位の向上を図りやすくなる。

圧電体層７０を構成する複合酸化物として、鉛の含有量を抑えた非鉛系材料を用いることもできる。非鉛系材料としては、例えば、ビスマス（Ｂｉ）及び鉄（Ｆｅ）を含むＢＦＯ系の複合酸化物、ビスマス（Ｂｉ）、バリウム（Ｂａ）、鉄（Ｆｅ）及びチタン（Ｔｉ）を含むＢＦ−ＢＴ系の複合酸化物、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。非鉛系材料を用いることで、圧電体層７０の鉛含有量を抑えることができるため、環境への負荷が少ない超音波センサー１を構成できる。

このようなペロブスカイト型構造、すなわち、ＡＢＯ_３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。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、Ｔｉが位置しており、その組成式は、例えばＢｉＦｅＯ_３と表される。ＢＦ−ＢＴ系の複合酸化物を用いた例では、ＡサイトにＢｉ、Ｂａ、ＢサイトにＦｅ、Ｔｉが位置しており、その組成式は、例えば（Ｂｉ，Ｂａ）（Ｆｅ，Ｔｉ）Ｏ_３と表される。いる。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）ＮｂＯ_３と表される。

ＡＢＯ_３型のペロブスカイト構造を有する複合酸化物は、前記の例に制限されず、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）、アルミニウム（Ａｌ）、コバルト（Ｃｏ）等が挙げられる。ＢＦＯ系の複合酸化物に、Ｂａ、Ｔｉ、Ｋ、Ｎａ等を添加してもよく、ＢＦ−ＢＴ系の複合酸化物に、Ｋ、Ｎａ等を添加してもよく、ＫＮＮ系の複合酸化物に、Ｂｉ、Ｂａ、Ｆｅ、Ｔｉ等を添加してもよい。

他の元素を含有した複合酸化物を用いることで、圧電体層の各種特性の向上を図ることができる場合がある。一方、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、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。

ここでのＡＢＯ_３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、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。

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。

音響整合層１３は、空間１２内に設けられている。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する。すなわち、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、送信超音波や反射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、例えばシリコーン樹脂から構成できるが、前記の例に限定されず、超音波センサーの用途等に応じた材料を適宜選択して用いることができる。

レンズ部材２０は、基板１０の振動板５０とは反対側に設けられている。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する。超音波を電子フォーカス法で収束させる場合等、レンズ部材２０は省略可能である。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いる。レンズ部材２０と基板１０（隔壁１１）との間に音響整合層１３を介在させ、超音波センサー１が構成されている。

超音波センサー１では、振動板５０の圧電素子３００とは反対側に、音響整合層１３が設けられている。すなわち、超音波センサー１はＣＡＶ面型に構成されている。これによれば、外部からの水分が圧電素子３００に極めて到達し難い構成を実現できるため、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。

空間１２と、振動板５０と、圧電素子３００と、を具備して、アクティブユニットＡＵが構成されている。アクティブユニットＡＵでは、駆動制御系（図示せず）から供給される電気信号によって圧電素子３００が駆動することで、超音波（送信超音波）が送信される。また、測定対象物から反射された超音波（反射超音波）を圧電素子が受けることで、圧電素子３００が駆動して電気信号が得られる。

本実施形態では、アクティブユニットＡＵが、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に複数列設けられることで、アクティブエリアＡＡ（図２や図４に示す斜線領域等）が形成されている。アクティブエリアＡＡの外側には、該アクティブエリアＡＡを囲むように複数列のダミーユニットＤＵが設けられている。

ダミーユニットＤＵは、ダミー空間１２ｄｍと、ダミー振動板５０ｄｍと、ダミー圧電素子３００ｄｍと、を具備して構成されている。このうち、ダミー空間１２ｄｍ及びダミー振動板５０ｄｍは、アクティブユニットＡＵの空間１２及び振動板５０と同様に構成することができる。ダミー圧電素子３００ｄｍも、アクティブユニットＡＵの圧電素子３００と基本的には同様に構成することができるが、アクティブユニットＡＵの駆動制御系から電気的に分離されている点が異なる。複数のダミーユニットＤＵ同士は、全て同一の構成を具備している。

ここで、複数列のダミーユニットＤＵは、アクティブユニットＡＵの駆動に由来する振動波を十分に減衰させるダンパー機能を果たす。図５は、複数列のダミーユニットＤＵの機能を説明する図である。対比のため、図６（ａ）〜（ｂ）には、従来例を説明する図を示した。

まず、本実施形態では、例えば送信超音波Ｕｓ１を送信するため圧電素子３００を駆動させると、その振動に由来する振動波が発生し、かかる振動波が、アクティブユニットＡＵの外側にある複数列のダミーユニットＤＵに伝達する。振動波は、複数列のダミーユニットＤＵに亘って外側に伝達するたび、ダミーユニットＤＵを構成する各部（ダミー振動板５０ｄｍと、ダミー圧電素子３００ｄｍと、ダミー空間１２ｄｍを画成する隔壁１１と、等の各部）によって、エネルギーが散逸される。

その結果、振動波が、複数列のダミーユニットＤＵの先にある他の構造物（基板１０や包囲板４０等）に反射する前に、又は、他の構造物に反射してからアクティブユニットＡＵに戻ってくる前に、早期期間のうちにかつ十分に減衰する（図５に示す期間Ｔｒ）。よって、測定対象物に関する情報を検出するための超音波（例えば反射超音波Ｕｓ２）に振動波が干渉することを防止でき、分解能の向上を図ることができる。

しかしながら、従来例では、本実施形態に係る優れた効果を得ることができない。すなわち、ダミーユニットに相当する構成が存在しない従来例１や、ダミーユニットに相当する構成が１列分しか存在しない従来例２では、アクティブユニットＡＵの駆動に由来する振動波が、外側にある他の構造物に反射して、アクティブユニットＡＵに戻ってくる。アクティブユニットＡＵでは、十分に減衰していない振動波が残留する（図６（ａ）に示す期間Ｔｒ１及び図６（ｂ）に示す期間Ｔｒ２）。振動波が残留する期間Ｔｒ１及び期間Ｔｒ２においては、該振動波が超音波に干渉してしまうため、超音波を送信及び又は受信したとしても正確な波形情報を得ることができない。

それだけでなく、特に従来例１は、外側にあるアクティブユニットＡＵに隣接して、剛性の高い他の構造物（基板１０や包囲板４０等）が存在するため、かかる外側にあるアクティブユニットＡＵが他の構造物によって拘束されやすい。このため、従来例１は、外側にあるアクティブユニットＡＵでの超音波の送信効率や受信効率を向上（送信超音波や反射超音波の最大振幅の向上）させることも困難となり、ひいては、超音波センサー全体での超音波の送信効率や受信効率を向上させることも困難となる。

これに対し、本実施形態では、外側にあるアクティブユニットＡＵが、複数列のダミーユニットＤＵを介している。従って、外側にあるアクティブユニットＡＵが、剛性の高い他の構造物によって拘束され難くなる。よって、外側にあるアクティブユニットＡＵに、内側にあるアクティブユニットＡＵと同様の特性（超音波の送信特性や受信特性）を確保させることができる。その結果、本実施形態では、特に従来例１よりも、超音波センサー全体での送信超音波や反射超音波の最大振幅の向上を図ることができる（本実施形態での最大振幅ａｍ＞従来例１での最大振幅ａｍ１）。

次に、超音波センサー１の製造方法の一例について、図７〜図９を参照して説明する。これらの図は、各プロセスを示し、それぞれ、第３の方向Ｚから見た平面図と、ａ−ａ′線断面図と、ｂ−ｂ′線断面図と、からなる。ａ−ａ′線は、第１の方向Ｘに沿っており、ｂ−ｂ′線は、第２の方向Ｙに沿っている。

まず、図７に示すように、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。

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、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、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。

次に、図８に示すように、圧電体層７０を圧電素子３００毎にパターニングする。次いで、圧電体層７０、第１電極６０及び振動板５０上に、第２電極８０をスパッタリング法や熱酸化等で形成する。そして、図９に示すように、第２電極８０をパターニングし、第２の方向Ｙの列毎に分割させる（尚、図９等に示す電極構造は、他の図面では略記されている）。以上の手法により、アクティブユニットＡＵを製造する。図９において、空間１２は、常法により形成できる。

ダミーユニットＤＵは、アクティブユニットＡＵと同様の手法により製造できる。ダミーユニットＤＵは、アクティブユニットＡＵを製造する工程の中で同時に製造してもよく、アクティブユニットＡＵを製造する工程とは別の工程を実施して製造してもよい。図９の後は、図２等に示す音響整合層１３及びレンズ部材２０を設ける。そして、包囲板４０等を設け、超音波センサー１とする。

上記の工程において、圧電体層７０をパターニングする前に、圧電体層７０上に第１の第２電極を設けてもよい。この場合、第１の第２電極と圧電体層７０とを圧電素子毎にパターニングし、その後、第２の第２電極を、第１の第２電極及び振動板上に設ける。次いで、第１の第２電極及び第２の第２電極を所定形状にパターニングする。このような工程によれば、超音波センサー１の製造薄膜プロセスの最後のパターニング工程（第２の第２電極のパターニング工程）を調整することで、第２電極の幅を調節できる。これにより、例えば、幅広（圧電体層と同じ幅）の第２電極を有し、超音波の送信に有利な圧電素子と、幅狭（圧電体層より狭幅）の第２電極を有し、超音波の受信に有利な圧電素子と、を容易に形成できる。

以上説明した超音波センサー１によれば、複数列のダミーユニットＤＵが、アクティブユニットＡＵの駆動に由来する振動波を十分に減衰させるダンパー機能を果たす。よって、測定対象物に関する情報を検出するための超音波に振動波が干渉することを防止でき、その結果、分解能の向上を図ることができる。

更に、超音波センサー１では、ダミーユニットＤＵが、アクティブユニットＡＵの駆動制御系から電気的に分離されたダミー圧電素子３００ｄｍを具備して構成されている。これによれば、振動波のエネルギーが、ダミーユニットＤＵを構成する各部で散逸されやすくなる。このため、上記のダンパー機能がより発揮されるので、分解能の向上をより図ることができる。

また、超音波センサー１では、ダミーユニットＤＵが、アクティブエリアＡＡを囲むように複数列設けられている。これによっても、上記のダンパー機能がより発揮されるので、分解能の向上をより図ることができる。

（実施形態２）
本実施形態に係る超音波センサーは、上記の実施形態１に比べ、互いに構成が異なる２種以上のダミーユニットを具備して構成されている点が異なる。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。

図１０は、超音波センサーの構成例を示す断面図である。図１０の切断面は、図３と同様、ＸＺ平面に沿っている。最も外側のアクティブユニットＡＵから、かかるアクティブユニットＡＵの空間１２の体積をＶ、１列目のダミーユニットＤＵ_１のダミー空間１２ｄｍ_１の体積をＶ_１、２列目のダミーユニットＤＵ_２のダミー空間１２ｄｍ_２の体積をＶ_２、Ｍ列目のダミーユニットＤＵ_Ｍのダミー空間１２ｄｍ_Ｍの体積をＶ_Ｍ、Ｎ列目のダミーユニットＤＵ_Ｎのダミー空間１２ｄｍ_Ｎの体積をＶ_Ｎとしたとき、図１０に示す超音波センサー１Ａでは、Ｖ＞Ｖ_１＞Ｖ_２＞・・Ｖ_Ｍ＞・・Ｖ_Ｎの関係が満たされている。

これによれば、構成の異なる部分にて上記のダンパー機能がより発揮される。このため、振動波のエネルギーが、ダミーユニットＤＵを構成する各部で散逸されやすくなる。よって、分解能の向上をより図ることができる。

しかも、超音波センサー１Ａにおいて、複数列のダミーユニットＤＵは、アクティブユニットＡＵの外側に向かうにつれて、ダミー空間１２ｄｍの体積が小さくなる構成である。この場合、アクティブユニットＡＵに近い側ほど、ダミーユニットＤＵの剛性が高くなることを防止でき、このため、外側にあるアクティブユニットＡＵが、ダミーユニットＤＵによって拘束され難くなる。よって、超音波センサー全体での送信超音波や反射超音波の最大振幅の向上をより図ることができる。

ここでは、ダミー空間１２ｄｍの第１の方向Ｘの長さを調節することで、該ダミー空間１２ｄｍの体積を調節した。すなわち、最も外側のアクティブユニットＡＵから、かかるアクティブユニットＡＵの空間１２の第１の方向Ｘの長さをＸ、ダミー空間１２ｄｍ_１の第１の方向Ｘの長さをＸ_１、ダミー空間１２ｄｍ_２の第１の方向Ｘの長さをＸ_２、ダミー空間１２ｄｍ_Ｍの第１の方向Ｘの長さをＸ_Ｍ、ダミー空間１２ｄｍ_Ｎの第１の方向Ｘの長さをＸ_Ｎとしたとき、Ｘ＞Ｘ_１＞Ｘ_２＞・・Ｘ_Ｍ＞・・Ｘ_Ｎの関係を満たすように構成することで、上記の体積の関係（Ｖ＞Ｖ_１＞Ｖ_２＞・・Ｖ_Ｍ＞・・Ｖ_Ｎの関係）を実現した。ただし、ダミー空間１２ｄｍの体積は、種々の要素によって調節できる。ダミー空間１２ｄｍの体積を調節する要素としては、ダミー空間１２ｄｍの形状、ダミー空間１２ｄｍのサイズ、ダミー空間１２ｄｍの第２の方向Ｙの長さ等も挙げられる。これらの要素は、互いに組み合わせて用いることができる。

外側に向かうにつれてダミー空間１２ｄｍの体積が小さくなる箇所が一部でもあれば、本実施形態に含まれる。従って、隣り合う一部のダミーユニットＤＵ同士が同一の体積を有する場合（例えば、Ｖ＞Ｖ_１＞Ｖ_２＞・・Ｖ_Ｍ≧・・Ｖ_Ｎの関係や、Ｖ≧Ｖ_１≧Ｖ_２≧・・Ｖ_Ｍ＞・・Ｖ_Ｎ等の関係）も、本実施形態に含まれる。また、外側に向かうにつれてダミー空間１２ｄｍの体積が大きくなる箇所が存在する場合（例えば、Ｖ＞Ｖ_１＞Ｖ_２＞・・Ｖ_Ｍ＜・・Ｖ_Ｎの関係や、Ｖ＜Ｖ_１＜Ｖ_２＜・・Ｖ_Ｍ＞・・Ｖ_Ｎ等の関係）も、本実施形態に含まれる。これらを組み合わせた場合も本実施形態に含まれる。

（実施形態３）
本実施形態に係る超音波センサーは、上記の実施形態１に比べ、ダミーユニットが、アクティブエリアの外側に千鳥配置されている点が異なる。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。

図１１（ａ）〜（ｂ）は、超音波センサーの構成例を示す断面図である。図１１（ａ）〜（ｂ）の切断面は、図４と同様、ＸＹ平面に沿っている。

図１１（ａ）に示す超音波センサー１Ｂにおいて、アクティブエリアＡＡの最も外側にあるアクティブユニットＡＵとダミーユニットＤＵ同士や、外側方向（例えば第１の方向Ｘ）に隣り合うダミーユニットＤＵ同士が、その外側方向に交わる方向（例えば第２の方向Ｙ）にずれるように設けられている。これによれば、振動波のエネルギーが、ダミーユニットＤＵを構成する各部で散逸されやすくなる。このため、上記のダンパー機能がより発揮されるので、分解能の向上をより図ることができる。

図１１（ｂ）に示す超音波センサー１Ｃでも、複数列のダミーユニットＤＵが、アクティブエリアＡＡの外側に千鳥配置されている。上記の超音波センサー１Ｂでは、３列周期でダミーユニットＤＵが設けられているが、超音波センサー１Ｃでは、２列周期でダミーユニットＤＵが設けられている。本発明の範囲において、千鳥配置の周期は限定されず、超音波センサー１Ｃでも、上記のダンパー機能がより発揮される。

ここでいう千鳥配置とは、アクティブエリアＡＡの最も外側にあるアクティブユニットＡＵや、外側方向（例えば第１の方向Ｘ）に隣り合うダミーユニットＤＵが、互いにそれぞれ、その外側方向の中心位置からずれた位置にある配置である。

（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。例えば、アクティブエリアＡＡの外側に設けられているダミーユニットＤＵの列数は、複数列であれば限定されない。ダミーユニットＤＵの少なくとも一つが、アクティブユニットＡＵと異なる位相又は周波数で駆動するダミー圧電素子を具備していてもよい。これによれば、振動波のエネルギーが、ダミーユニットを構成する各部で散逸されやすくなる。このため、ダンパー機能がより発揮される。ダミーユニットＤＵの列数の最小は２列である。少ない列数を選択すれば、超音波センサーの小型化に有利となる。一方、列数を比較的確保すれば、上記のダンパー機能が確実かつ十分に得られるようになる。

図１２及び図１３は、超音波センサーの変形例について説明する図である。図中、上記の実施形態と同一の部材には同一の符号を付してある。

例えば、超音波センサー１Ｄのように、複数列のダミーユニットＤＵが、アクティブエリアＡＡを囲むようには設けられておらず、その代わりに、アクティブエリアＡＡの第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙに沿って設けられていてもよい。すなわち、アクティブエリアＡＡを囲む複数列のダミーユニットＤＵの四隅部分には、該複数列のダミーユニットＤＵは設けられていなくてもよい。また、超音波センサー１Ｅのように、アクティブエリアＡＡは、アレイ状ではなく、第１の方向Ｘのみに複数列、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１Ｆのように、空間１２やダミー空間１２ｄｍのアスペクト比（第１の方向Ｘと第２の方向Ｙとの比）は、１：１でなくてもよい。圧電素子やダミー圧電素子のアスペクト比も、１：１ではなくてもよい。

これらの変形例であっても、複数列のダミーユニットＤＵが、アクティブユニットＡＵの駆動に由来する振動波を十分に減衰させるダンパー機能を果たす。よって、分解能の向上を図ることができる。以上説明した変形例の構成や、これまで説明した各実施形態の構成は、互いに組み合わせることが可能である。

本発明は、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全般を対象としており、送信専用型、受信専用型、送受信一体型、ＡＣＴ面型及びＣＡＶ面型等の何れの超音波センサーにも適用できる。

本発明の超音波センサーは、種々の超音波デバイスに適用できる。特にＣＡＶ面型の超音波センサーは、ＡＣＴ面型の超音波センサーに比べ、使用時の電気的安全性に優れている。従って、ＣＡＶ面型の超音波センサーは、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。

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。

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、又は一部省略して示されている場合がある。

Ｉ 超音波プローブ、 １、１Ａ〜１Ｆ 超音波センサー、 ２ ＦＰＣ基板、 ３ ケーブル、 ４ 中継基板、 ５ 筐体、 ６ 耐水性樹脂、 １０ 基板、 １１ 隔壁、 １２ 空間、 １２ｄｍ ダミー空間、 １３ 音響整合層、 ２０ レンズ部材、 ４０ 包囲板、 ５０ 振動板、 ５０ａ 第１面、 ５０ｂ 第２面、 ５０ｄｍ ダミー振動板、 ５１ 弾性膜、 ５２ 絶縁体層、 ６０ 第１電極、 ７０ 圧電体層、 ８０ 第２電極、 ３００ 圧電素子、 ３００ｄｍ ダミー圧電素子

Claims (9)

1. 互いに直交する２つの軸をＸ軸及びＹ軸とし、前記Ｘ軸及びＹ軸によって形成される平面をＸＹ平面としたとき、
   前記ＸＹ平面に沿った基板に形成される複数の空間と、
   前記基板上に設けられ、前記基板側の第１面と該第１面に対向する第２面とを有する振動板と、
   前記振動板の前記第２面側であって前記空間に対向する位置に設けられ、超音波を発信及び／又は受信する圧電素子と、
   を具備してアクティブユニットが構成され、
   前記基板に形成される複数のダミー空間と、
   前記基板上に設けられ、前記基板側の第１面と該第１面に対向する第２面とを有するダミー振動板と、
   を具備してダミーユニットが構成され、
   前記アクティブユニットが、前記Ｘ軸方向及び前記Ｙ軸方向のうち、少なくとも一方の方向に複数設けられることで、アクティブエリアが形成され、
   前記ダミーユニットは、該アクティブエリアの外側に複数列設けられている
   ことを特徴とする超音波センサー。
2. 前記ダミーユニットは、前記アクティブエリアの前記Ｘ軸方向及び前記Ｙ軸方向に沿って複数列設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波センサー。
3. 前記ダミーユニットは、前記アクティブエリアを囲むように複数列設けられている
   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。
4. 互いに構成が異なる２種以上の前記ダミーユニットを具備する
   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。
5. 複数列の前記ダミーユニットの少なくとも一つは、前記アクティブユニットの外側に向かうにつれて、前記ダミー空間の体積が小さくなるように構成されている
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の超音波センサー。
6. 前記ダミーユニットの少なくとも一つは、前記アクティブユニットと異なる位相又は周波数で駆動するダミー圧電素子を具備する
   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。
7. 前記ダミーユニットの少なくとも一つは、前記アクティブユニットの駆動制御系から電気的に分離されたダミー圧電素子を具備する
   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。
8. 前記ダミーユニットは、前記アクティブエリアの外側に千鳥配置されている
   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。
9. 前記振動板の前記圧電素子とは反対側が超音波の通過領域となる
   ことを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の超音波センサー。

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