JP5671876B2 - 超音波トランスデューサー、超音波センサー、超音波トランスデューサーの製造方法、および超音波センサーの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電圧信号を超音波に変換する超音波トランスデューサー、超音波センサー、超音波トランスデューサーの製造方法、および超音波センサーの製造方法に関する。

従来、超音波を出力する超音波トランスデューサーを備えたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）が知られている。このようなＭＥＭＳに設けられる超音波トランスデューサーは、極めて小さく形成されるものであるため、超音波の発信源としては、薄膜圧電体が用いられ、この薄膜圧電体の振動によりダイアフラムを変位させることで超音波を出力する構成が一般的である（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１に記載のダイアフラム型超音波センサー素子は、多層膜構造のダイアフラムと、ダイアフラムの一方の面側に形成され、上下電極により挟持されるＰＺＴセラミックス薄膜層と、を備えている。このようなダイアフラム型超音波センサー素子では、上下の電極からＰＺＴセラミックス薄膜層に所定の電圧を印加すると、ＰＺＴセラミックス薄膜層が面内方向に対して伸縮し、これに伴ってダイアフラムが面方向に直交する方向に撓んで振動して、超音波が出力される。

特開２００６−３１９９４５号公報

ところで、上記のような特許文献１では、ダイアフラムの振動の振幅は、ＰＺＴセラミックス薄膜層の面内方向への伸縮量となり、大きな変位量とはならない。したがって、超音波の音圧が小さいという問題がある。

本発明は、上記のような問題に鑑みて、膜状の圧電体を用いた場合でも、大音圧の超音波を出力可能な超音波トランスデューサー、この超音波トランスデューサーを備えた超音波センサー、超音波トランスデューサーの製造方法、および超音波センサーの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の超音波トランスデューサーは、開口部を有する支持体と、前記開口部を閉塞するダイアフラムと、前記ダイアフラムに設けられるとともに、電圧の印加により面内方向に伸縮する圧電体と、を備え、前記ダイアフラムは、前記開口部に臨む一面側とは反対側の面に、凹状に形成される凹溝部を備え、前記圧電体は、前記ダイアフラムにおける前記凹溝部の外側に固定されて、前記凹溝部を覆って配置され、前記凹溝部の底面との間に空間を介して対向配置されることを特徴とする。

この発明では、ダイアフラムに凹溝部が形成され、この凹溝部により圧電体とダイアフラムの間に空間が設けられる。そして、この超音波トランスデューサーでは、圧電体に電圧を印加して面内方向に収縮させると、ダイアフラムにおける凹溝部の縁部分の内周壁面が凹溝部の内側方向に変位する。これにより、凹溝部の底面が、ダイアフラムの面方向に対して直交する方向に変位し、振動する。

ここで、ダイアフラム上の圧電体が積層される従来の構成では、ダイアフラムに圧電体の一面側が密着して形成されているため、圧電体に電圧を印加すると、圧電体のダイアフラムに密着されていない他面側のみが収縮し、これによりダイアフラムに反りが生じて撓み、超音波が出力される。この場合、ダイアフラムと圧電素子との密着面が抵抗となるため、圧電素子の収縮量が小さくなり、ダイアフラムの撓み量が小さくなる。また、圧電体の撓み量がそのままダイアフラムの撓み量となり、圧電体の収縮量が小さい場合、ダイアフラムの撓み量も小さくなってしまう。
これに対して、本発明では、ダイアフラムに凹溝部が形成され、圧電体は、この凹溝部の底面と圧電体との間に空間を介在させた状態で凹溝部を覆って設けられている。つまり、圧電体は、凹溝部の底面に対向する領域においてダイアフラムに密着固定されておらず、凹溝部の外周縁において固定されている。このような構成では、凹溝部に対向する領域がダイアフラムに密着されていないため、圧電体が面内方向に対して収縮し、これにより凹溝部の壁部が凹溝部の内側方向に引っ張られ、凹溝部の底面がダイアフラムの面方向に対して直交する方向に撓んで超音波が出力される。この時、圧電体の凹溝部に対向する領域がダイアフラムに密着されていないため、収縮時における抵抗が小さく、圧電体の収縮量も大きくなる。
さらに、本発明では、圧電体の面内方向の収縮量と同寸法だけ、凹溝部の外周縁の内周壁を内側方向に変位させ、これに伴って、凹溝部の底面がダイアフラムの面内方向に対して直交する方向に撓む。このような構成では、ダイアフラムの凹溝部の外周縁自体が凹溝部の内周側に変位するため、凹溝部の底面の変位量も大きくなる。つまり、圧電体の収縮量が小さい場合でも、凹溝部の底面の変位量を大きくすることができる。
したがって、本発明の超音波トランスデューサーでは、例えば従来の圧電量の一面側全体をダイアフラムに密着させる構成に比べて、圧電量の収縮量を大きくでき、圧電量の収縮量に対して凹溝部の底面の変位量も大きくすることができるので、より音圧の大きい大音圧の超音波を出力することができる。

本発明の超音波トランスデューサーでは、前記圧電体は、前記凹溝部に対向する位置に、前記空間および外部空間を連通する少なくとも１つ以上の連通部を有することが好ましい。
ここで、連通部としては、超音波トランスデューサーの外部空間と、ダイアフラムおよび圧電体の間の空間とを連通させる構成であればいかなる形状であってもよく、例えば、圧電体の一部に形成される孔部であってもよく、圧電体の一部の外周を切り欠いた切欠部であってもよい。

この発明では、圧電体に連通部が形成されているため、超音波トランスデューサーの製造が容易となる。すなわち、圧電体とダイアフラムとの間に空間を設けるためには、ダイアフラムに凹溝部を形成した後、その凹溝部に犠牲層を形成し、ダイアフラムと犠牲層とにより連続する平面が形成される状態とする。そして、これらダイアフラムおよび犠牲層の表面に圧電体を形成する。ここで、上記のような連通部が設けられた圧電体であれば、この連通部から等方性ドライエッチングなどを実施することで犠牲層を容易に除去することができ、凹溝部を覆い、凹溝部の底面との間に空間が設けられる圧電体を容易に形成することができる。

本発明の超音波センサーは、上述したような超音波トランスデューサーと、第二開口部を有する第二支持体、前記第二開口部を閉塞する第二ダイアフラム、および前記第二ダイアフラム上に積層され、前記第二ダイアフラムの変位を電気信号に変換して出力する第二圧電体を備えた第二超音波トランスデューサーと、を備えることを特徴とする。

この発明の超音波センサーでは、超音波トランスデューサーにより超音波を発信（出力）させ、第二超音波トランスデューサーにより、超音波を受信させる。超音波トランスデューサーは、圧電体の収縮量をダイアフラムの面方向に対する撓み方向に変位量に変換して、大音圧の超音波を出力することができるが、超音波の受信では、ダイアフラムと圧電体とが密着していないため、受信感度が悪化する。これに対して、本発明の超音波センサーでは、ダイアフラムに圧電体を積層した第二超音波トランスデューサーを別途備えている。この第二超音波トランスデューサーは、ダイアフラムと圧電体とが密着しているため、ダイアフラムの変位量を圧電体に直接伝達させることができ、受信感度が良好となる。このような超音波センサーにより、超音波の出入力を実施することで、超音波の大音圧化および超音波の受信感度の向上を同時に実現することができ、超音波センサーの高品質化を図ることができる。

本発明の超音波センサーでは、前記超音波トランスデューサーおよび前記第二超音波トランスデューサーは、複数設けられ、二次元アレイ構造に配置されることが好ましい。

この発明では、上述したような超音波トランスデューサーや第二超音波トランスデューサーがアレイ構造として配置されている。ここで、超音波センサーは、例えば超音波トランスデューサーと第二超音波トランスデューサーとが、所定方向に沿って交互に配置された二次元アレイ構造に形成される構成であってもよく、超音波トランスデューサーの二次元アレイ構造体と、第二超音波トランスデューサーの二次元アレイ構造体とがそれぞれ設けられる構成であってもよい。
このように、超音波トランスデューサーを二次元アレイ構造として配置することで、例えば、各超音波トランスデューサーから出力される超音波の出力タイミングを変更などすることで、所望の位置に向かって超音波を集束させたりすることができ、利用の拡大を図ることができる。また、第二超音波トランスデューサーを二次元アレイ構造にすることで、各第二超音波トランスデューサーで受信した超音波の強度や、位相差などにより、超音波の発信源や、反射点などを適切に算出することができる。したがって、このような超音波センサーを用いることで、超音波を用いた検出処理、洗浄処理の各種処理の精度を向上させることができる。例えば超音波により対象物の位置を測定する場合などでは、大音圧の超音波を所定位置に向かって出力させ、その反射超音波により適切に対象物の位置や形状を正確に測定することができる。

本発明の超音波センサーでは、前記超音波トランスデューサーは、前記二次元アレイ構造における中央領域に設けられており、前記第二超音波トランスデューサーは、前記中央領域の周辺において三箇所以上の領域に設けられており、前記超音波トランスデューサーと前記第二超音波トランスデューサーとの間の領域に定電位と接続された定電位配線が設けられていることが好ましい。

この構成によれば、超音波トランスデューサーと第二超音波トランスデューサーとの間に定電位配線が設けられているので、超音波トランスデューサーと第二超音波トランスデューサーとの間に電気ノイズが発生することを防ぐことができる。

本発明の超音波センサーは、前記超音波トランスデューサーの前記支持体、および前記第二超音波トランスデューサーの前記第二支持体を構成するセンサーアレイ基板を備えることが好ましい。

この発明では、１つのセンサーアレイ基板を支持体、および第二支持体として用いるため、超音波トランスデューサー用の支持体を有する基板と、第二超音波トランスデューサー用の第二支持体を有する基板とをそれぞれ別途に用意する必要がない。したがって、超音波センサーの構成をより簡単にできるとともに、製造に係る手間やコストをも削減することができる。

本発明の超音波トランスデューサーの製造方法は、基板上にダイアフラム形成用膜を形成するダイアフラム積層工程と、前記ダイアフラム形成用膜の表面の一部をエッチングにより除去し、前記凹溝部を形成する凹溝形成工程と、前記凹溝部に、表面が前記ダイアフラム形成用膜の表面と同一平面となる犠牲層を埋める犠牲層埋め込み工程と、前記凹溝部を覆う前記圧電体を形成する圧電体形成工程と、前記圧電体に外部空間と前記犠牲層とを連通する連通部を形成する連通部形成工程と、前記連通部から前記犠牲層を除去する犠牲層除去工程と、前記基板をエッチングして前記開口部を形成し、前記支持体を形成する支持体形成工程と、を備えることを特徴とする。

この発明では、ダイアフラムに形成される凹溝部に犠牲層を埋め込み、ダイアフラムおよび犠牲層の表面に圧電体を形成する。この時、ダイアフラムの上部表面と犠牲層の表面とが同一平面となるように、犠牲層を形成する。したがって、圧電体形成工程において、犠牲層の表面を覆うようにダイアフラム形成用膜の表面に圧電体を形成することで、凹溝部の外周縁間を架橋する平面状の圧電体を容易に形成することができる。そして、連通部形成工程および犠牲層除去工程により、圧電体に連通部を形成し、この連通部から犠牲層を例えば等方性ドライエッチングなどの手法により除去することで、圧電体と、凹溝部の底面とを略平行に形成することができるとともに、圧電体と凹溝部の底面との間に空間を介在させた状態で、圧電体を保持することができる。
また、圧電体に撓みが生じている場合、圧電体を収縮させた際、圧電体の撓みを補正した後凹溝部の壁部を内側方向に引っ張るため、圧電体の撓みの補正分だけ、凹溝部の底面の変位量も少なくなり、出力される超音波も弱くなってしまう。これに対して、上記のような製造方法では、圧電体に撓みが生じないので、圧電体に電圧を印加した際、圧電体の収縮量をそのまま凹溝部の底面の変位量に変換することができ、大音圧の超音波を出力させることができる。

そして、本発明の超音波センサーの製造方法は、上述したような超音波トランスデューサーの製造方法により前記超音波トランスデューサーを製造する第一製造工程と、基板上に前記第二ダイアフラムを形成する第二ダイアフラム積層工程、前記第二ダイアフラム上に前記第二圧電体を積層形成する第二圧電体形成工程、および、前記基板をエッチングして前記第二開口部を形成し、前記第二支持体を形成する第二支持体形成工程、を備える第二製造工程と、を具備したことを特徴とする。

この発明では、超音波センサーは、上記した超音波トランスデューサーの製造方法と同様の第一製造工程と、第二ダイアフラム積層工程、第二圧電体形成工程、および第二支持体形成工程を備える第二製造工程と、により製造される。
このような発明では、第一製造工程により、上記発明と同様に容易に、かつ大音圧の超音波が出力可能な超音波トランスデューサーを製造することができ、第二製造工程により、ダイアフラムに圧電体を積層しただけの簡単な構成の第二超音波トランスデューサーを容易に製造することができる。

この時、本発明では、前記ダイアフラム積層工程および前記第二ダイアフラム積層工程、前記圧電体形成工程および前記第二圧電体形成工程、前記支持体形成工程および前記第二支持体形成工程は、それぞれ同一工程であることが好ましい。
この発明では、ダイアフラム積層工程および第二ダイアフラム積層工程が同一工程であり、基板上に、同一方法により一度にダイアフラム形成用膜が形成される。そして、超音波トランスデューサーに対してのみ、凹溝形成工程および犠牲層埋め込み工程を実施した後、圧電体形成工程および第二圧電体形成工程を同工程により実施する。これにより、一度に超音波トランスデューサーの圧電体と第二超音波トランスデューサーの第二圧電体とを形成することができる。そして、超音波トランスデューサーの犠牲層を除去した後、支持体形成工程および第二支持体形成工程を同工程で実施することで、支持体および第二支持体を一度に形成する。これにより、超音波トランスデューサーおよび第二超音波トランスデューサーをそれぞれ別々に製造する製造方法に比べて、製造時間や手間の大幅な短縮を図れ、製造効率を向上させることができる。

本発明に係る第一実施形態のＰＤＡの構成を模式的に示す斜視図である。 第一実施形態のＰＤＡが備える超音波センサーの構成を模式的に示す斜視図である。 第一実施形態のセンサーアレイ基板に設けられる超音波トランスデューサーおよび受信トランスデューサーのアレイ配置構造の例を示す図である。 第一実施形態のセンサーアレイ基板に設けられる超音波トランスデューサーおよび受信トランスデューサーのアレイ配置構造の他の例を示す図である。 第一実施形態の超音波トランスデューサーをセンサーアレイ基板の厚み方向に沿って断面した状態を模式的に示す断面図、および超音波トランスデューサーを構成する圧電体の概略構成を示す平面図である。 第一実施形態の超音波トランスデューサーを駆動させた状態を示す断面図である。 第一実施形態の受信トランスデューサーの概略構成を示す断面図である。 第一実施形態の超音波センサーの製造工程を示す図である。 図８に続く超音波センサーの製造工程を示す図である。 図９に続く超音波センサーの製造工程を示す図である。 図１０に続く超音波センサーの製造工程を示す図である。 図１１に続く超音波センサーの製造工程を示す図である。 本発明に係る第二実施形態の超音波センサーの構成を示す図であり、（Ａ）は、超音波センサーの構成を模式的に示す斜視図、（Ｂ）は、超音波送信用センサーアレイ基板の概略構成を示す平面図、（Ｃ）は、超音波受信用センサーアレイ基板の概略構成を示す平面図である。 圧電体の連通孔の変形例を示す超音波トランスデューサーの断面図および平面図である。 凹溝部の変形例を示す超音波トランスデューサーの断面図および平面図である。 圧電体の形状の変形例を示す超音波トランスデューサーの断面図および平面図である。 超音波センサーの構成の変形例を示す模式平面図である。 超音波センサーの構成の変形例を示す模式平面図である。

〔第一実施形態〕
以下、本発明に係る第一実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、以下の各図面では、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材毎に縮尺を適宜変更している。なお、以下の説明では、本発明の超音波トランスデューサーが組み込まれた超音波センサーを備えるＰＤＡ（Personal Data Assistance）を例示するが、これに限定されるものではなく、例えば超音波により対象物を洗浄する洗浄装置や、対象物体までの距離の測定、流速の測定、配管の非破壊検査などの測定を実施する測定センサーなど、超音波を出力して各種処理を実施するいかなる装置にも適用することができる。

（１．ＰＤＡの構成）
図１は、本発明に係る第一実施形態のＰＤＡ１の構成を模式的に示す斜視図である。図２は、前記第一実施形態のＰＤＡ１が備える超音波センサー１０の構成を模式的に示す斜視図である。

図１において、ＰＤＡ１は、装置本体２と、表示部３とを備えている。表示部３は、例えば液晶パネルや有機パネルなどにより構成され、装置本体２の内部に収容された演算制御部に接続され、この演算制御部により、種々の操作画像やその他の情報を表示するように構成されている。また、装置本体２の外周には、超音波センサー１０が配置されている。超音波センサー１０は、例えば人間の手、指または入力用のペンの形状や動作を検出してＰＤＡ１への入力とする入力装置として機能する。

（２．超音波センサーの構成）
そして、図２に示すように、この超音波センサー１０は、複数の超音波トランスデューサー１００と、複数の第二超音波トランスデューサーである受信トランスデューサー２００と、これらの超音波トランスデューサー１００および受信トランスデューサー２００が配置されるセンサーアレイ基板１１と、を備えている。

超音波トランスデューサー１００は、演算制御部からの信号に基づいて超音波を発信する素子であり、受信トランスデューサー２００は、超音波を受信して電気信号に変換し、演算制御部に出力する素子である。なお、これらの超音波トランスデューサー１００および受信トランスデューサーの詳細な構成については後述する。

センサーアレイ基板１１は、本発明の支持体である支持部１１０（図５参照）および第二支持体である第二支持部２１０（図７参照）を備える基板であり、例えばシリコン（Ｓｉ）などの半導体形成素材により形成される。具体的には、支持部１１０は、超音波トランスデューサー１００の配置位置に設けられ、第二支持部２１０は、受信トランスデューサー２００の位置に設けられる。そして、このセンサーアレイ基板１１は、フレキシブル基板１２を介してＰＤＡ１の内部に設けられる演算制御部を構成する制御基板１３に接続されている。

図３は、センサーアレイ基板１１に設けられる超音波トランスデューサー１００および受信トランスデューサー２００のアレイ配置構造の例を示す図である。
図３に示すように、センサーアレイ基板１１の基板面に対して直交する方向から当該センサーアレイ基板１１を見た平面視（センサー平面視）において、センサーアレイ基板１１には、超音波トランスデューサー１００および受信トランスデューサー２００が、それぞれＸ方向およびＸ方向に直交するＹ方向に沿って、均等間隔で配置されている。
より具体的には、Ｘ方向に沿って互いに隣接する２つの超音波トランスデューサー１００、およびこれらの２つの超音波トランスデューサーに対して＋Ｙ方向に隣接する２つの超音波トランスデューサー１００の間に受信トランスデューサー２００が配置されている。つまり、センサーアレイ基板１１上の各トランスデューサー１００，２００の配置領域に、Ｘ軸座標およびＹ軸座標を設定した場合、超音波トランスデューサー１００は（２ｎ＋１，２ｍ＋１）（ｎ，ｍは自然数）の位置にそれぞれ配置され、受信トランスデューサー２００は、（２ｎ，２ｍ）（ｎ，ｍは自然数）の位置にそれぞれ配置される。

このように、超音波トランスデューサー１００をセンサーアレイ基板１１にアレイ状均等配置することで、超音波を効率的にＰＤＡ１の表示部３上に発信することができ、また、各超音波トランスデューサー１００における超音波発信タイミングを制御することで、所定位置に超音波を集束させることが可能となる。また、センサーアレイ基板１１上に、アレイ状に受信トランスデューサー２００を均等配置することで、例えばＰＤＡ１の表示部３上で手や指、ペンなどにより反射された超音波を効率よく受信することができる。すなわち、１つの受信トランスデューサーのみを設ける構成とした場合、この１つの受信トランスデューサーに超音波が戻ってこなかった場合、受信される超音波が弱くなる。これに対して、センサーアレイ基板１１にアレイ状に受信トランスデューサー２００を設けることで、センサーアレイ基板１１上のどの位置に超音波が入力されても、その超音波を適切に受信することができ、超音波が反射された位置をも把握することが可能となる。

なお、超音波トランスデューサー１００および受信トランスデューサー２００の配置位置としては、上記に限られず、例えば図４に示すような配置構造としてもよい。図４は、センサーアレイ基板１１上の超音波トランスデューサー１００および受信トランスデューサー２００を配置したアレイ構造の他の例を示す図である。この図４の例では、超音波トランスデューサー１００および受信トランスデューサー２００は、それぞれ、複数の同心円上に沿って配置される。具体的には、超音波トランスデューサー１００は、中心からの半径ＲがＲ＝Ｒ_2n-1となる円周上に沿って均等間隔に配置され、受信トランスデューサー２００は、中心からの半径ＲがＲ＝Ｒ_2nとなる円周上に沿って均等間隔に配置されている。このようなアレイ配置構造であっても、上記図３のアレイ構造と同様に、超音波トランスデューサー１００における超音波の発信、および受信トランスデューサー２００における超音波の受信を効率よく実施することができる。

（３．超音波トランスデューサーの構成）
次に、超音波トランスデューサー１００の具体的な構造について、図面に基づいて説明する。図５は、超音波トランスデューサー１００をセンサーアレイ基板１１の厚み方向に沿って断面した状態を模式的に示す断面図、および超音波トランスデューサー１００を構成する圧電体の概略構成を示す平面図である。なお、図５の上側に図示した断面図において、図面上側が超音波トランスデューサー１００の裏側であり、図面下側が超音波の出力方向となる表側となる。図６は、超音波トランスデューサー１００を駆動させた状態を示す断面図である。

図５に示すように、超音波トランスデューサー１００は、支持部１１０と、ダイアフラム１２０と、圧電体１３０とを備えている。
支持部１１０は、上記したように、センサーアレイ基板１１の超音波トランスデューサー１００の配置位置に形成される部分である。ここで、以降の説明において、センサーアレイ基板１１のダイアフラム１２０が積層される面をダイアフラム形成面１１１と称し、ダイアフラム形成面１１１とは反対側となる超音波の出力方向側の面を出力側面１１２と称す。
この支持部１１０には、超音波を出力する内周円筒形状の開口部１１３が形成されている。この開口部１１３は、例えばセンサー平面視において略円形に形成され、ダイアフラム形成面１１１から出力側面１１２を貫通する形状に形成されている。

ダイアフラム１２０は、ダイアフラム形成面１１１に形成され、開口部１１３を閉塞する。このダイアフラム１２０は、厚み寸法が例えば１μｍとなる膜状部材であり、例えばスパッタリングや蒸着などの手法によりセンサーアレイ基板１１（支持部１１０）上に成膜される。また、本実施形態では、このダイアフラム１２０は、２層構成により形成され、例えば支持部１１０上にＳｉＯ₂層１２０Ａを成膜し、このＳｉＯ₂層１２０ＡにＺｒＯ₂層１２０Ｂを成膜することで形成されている。ここで、ＺｒＯ₂層１２０Ｂは、後述する圧電体１３０の圧電膜１３１の焼成形成時の圧電膜１３１の剥離を防止するための層である。すなわち、圧電膜１３１（例えばＰＺＴ）の焼成時、ＺｒＯ₂層１２０Ｂが形成されていない場合、ＰｂがＳｉＯ₂層１２０Ａに拡散することで、ＳｉＯ₂層１２０Ａの融点が下がり、ＳｉＯ₂層１２０Ａの表面に気泡が生じて、この気泡によりＰＺＴが剥離してしまう。また、ＺｒＯ₂層１２０Ｂがない場合、圧電膜１３１の歪みに対する撓み効率が低下するなどの問題もある。これに対して、ＺｒＯ₂層１２０ＢがＳｉＯ₂層１２０Ａ上に形成される場合、圧電膜１３１の剥離や、撓み効率の低下などの不都合を回避することが可能となる。

このダイアフラム１２０は、支持部１１０に形成される開口部１１３から、超音波トランスデューサー１００の超音波出力方向の空間に露出している。また、ダイアフラム１２０の支持部１１０と接しない面（以降、圧電体対向面１２１と称す）には、凹溝部１２２が形成されている。この凹溝部１２２は、センサー平面視において、開口部１１３と同心円となる円形に形成される凹溝である。そして、この凹溝部１２２の底部１２３の厚み寸法、すなわち凹溝部１２２の底面からダイアフラム１２０の開口部１１３に臨む面までの寸法は、０．３μｍ〜０．６μｍに形成される。この厚み寸法としては、出力させる超音波の振幅により適宜設定される値であるが、厚み寸法が０．３μｍよりも小さくなる場合は、底部１２３の強度が維持できず、破損するおそれがあり、０．６μｍよりも大きくなる場合は、底部１２３の撓み量が減少し、超音波の振幅が小さくなる。

圧電体１３０は、センサー平面視において、開口部１１３および凹溝部１２２と同心円に形成される膜状部材であり、凹溝部１２２の径寸法より大きく、開口部１１３の径寸法よりも小さく形成されている。この圧電体１３０は、圧電膜１３１と、圧電膜１３１に電圧を印加する電極（下部電極１３２および上部電極１３３）と、を備えている。
圧電膜１３１は、例えばＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛：lead zirconate titanate）を膜状に形成することで形成される。なお、本実施形態では、圧電膜１３１としてＰＺＴを用いるが、電圧を印加することで、面内方向に収縮することが可能な素材であれば、いかなる素材を用いてもよく、例えばチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ₃）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ₃）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ、Ｌａ）ＴｉＯ₃）などを用いてもよい。

下部電極１３２および上部電極１３３は、圧電膜１３１を挟んで形成される電極であり、下部電極１３２は、圧電膜１３１のダイアフラム１２０に対向する面に形成され、上部電極１３３は、圧電膜１３１のダイアフラム１２０に対向する面とは反対側の裏面側に形成されている。これらの上部電極１３３および下部電極１３２は、それぞれダイアフラム１２０の裏面側に形成される図示しない引出部により引き出されて、フレキシブル基板１２に接続されており、演算制御部から入力される電圧信号により圧電膜１３１に所定の電圧を印加する。

上記のような圧電体１３０は、ダイアフラム１２０の凹溝部１２２を覆う状態に形成される。
具体的には、圧電体１３０は、図５に示すように、支持部１１０の開口部１１３の内周側で、かつダイアフラム１２０の凹溝部１２２の外周側の領域に密着固定されている。これにより、圧電体１３０は、凹溝部１２２に対向する面が撓むことなく、凹溝部１２２の底部１２３から所定の隙間寸法の空間１４０を介して配置される。
また、圧電体１３０には、図５の平面図にも示すように、本発明の連通部である複数の平面視円形の連通孔１３４が、凹溝部１２２の外周縁に対向する位置に均等に形成されている。この連通孔１３４は、圧電体１３０の厚み方向に沿って貫通形成され、ダイアフラム１２０および圧電体１３０の間に形成される空間１４０と、外部空間とを連通している。

そして、上記のような超音波トランスデューサー１００では、演算制御部から圧電体１３０の電極１３２，１３３間に所定の駆動電圧が印加されると、図６に示すように、圧電膜１３１が面内方向に収縮する。これにより、圧電体１３０が固定されるダイアフラム１２０の凹溝部１２２の外側領域が凹溝部１２２の内周側に引っ張られる。これにより、凹溝部１２２の内周壁１２２Ａも凹溝部１２２の中心軸方向に変位し、凹溝部１２２の底部１２３は、図６に示すように、超音波出力方向に向かって撓む。また、圧電膜１３１への電圧が切られたり、負電圧が印加されたりすると、圧電膜１３１は、図５に示すような初期状態に戻る。すなわち、駆動電圧として交流電圧を印加することで、圧電体１３０が面方向に対して伸縮し、これにより凹溝部１２２の底部１２３が前記面方向に対して直交する方向に振動するため、底部１２３の振動量に応じた超音波が連続的に出力方向に対して出力される。この時、圧電体１３０は、凹溝部１２２に対向する領域において、空間１４０を介して配置され、ダイアフラム１２０に密着固定されていないため、抵抗がなく、収縮量が大きくなる。また、圧電体１３０の収縮量を底部１２３の面方向に直交する方向への変位に変換するので、圧電体１３０の収縮量に対して、底部１２３の変位量が大きくなる。以上により、底部１２３の変位量が増幅されることで、大音圧の超音波を出力することが可能となる。

（４．受信トランスデューサーの構成）
次に、センサーアレイ基板１１の形成される受信トランスデューサー２００の構成について、説明する。図７は、受信トランスデューサーの概略構成を示す断面図である。
受信トランスデューサー２００は、図７に示すように、第二支持部２１０と、第二ダイアフラム２２０と、第二圧電体２３０とを備えている。なお、本実施の形態では、この受信トランスデューサー２００は、図２〜図４に示すように、センサー平面視において、超音波トランスデューサー１００の径寸法よりも小さい径寸法に形成されているが、これに限定されるものではなく、例えば超音波トランスデューサー１００と同程度の大きさや、より大きい径寸法に形成される構成としてもよい。
第二支持部２１０は、上記したように、センサーアレイ基板１１の受信トランスデューサー２００の配置位置に形成される部分である。この第二支持部２１０には、超音波が入力される第二開口部２１３が形成されている。この第二開口部２１３は、例えばセンサー平面視において略円形に形成され、この第二開口部２１３には、入力された超音波により変位する第二ダイアフラム２２０が臨んで設けられている。

第二ダイアフラム２２０は、第二支持部２１０の裏面（ダイアフラム形成面１１１）側に形成される。この第二ダイアフラム２２０は、ダイアフラム１２０と同様に、厚み寸法が例えば１μｍとなる膜状部材であり、例えばスパッタリングや蒸着などの手法により、ダイアフラム１２０の形成時に同時に形成される。すなわち、第二ダイアフラム２２０は、ダイアフラム１２０と同様、２層構成により形成され、例えばセンサーアレイ基板１１上にＳｉＯ₂層１２０Ａを成膜し、このＳｉＯ₂層１２０ＡにＺｒＯ₂層１２０Ｂを成膜することで形成されている。本実施形態では、ダイアフラム１２０および第二ダイアフラム２２０がセンサーアレイ基板１１の基板上で連続して形成されている。なお、これに限定されず、これらのダイアフラム１２０および第二ダイアフラム２２０が、センサーアレイ基板１１の基板上で連続せず、それぞれ別部材として形成される構成であってもよい。
また、受信トランスデューサー２００における第二ダイアフラム２２０は、裏面が平面状に形成され、凹溝部１２２は形成されない。

第二圧電体２３０は、第二ダイアフラム２２０上に密接して形成されており、第二ダイアフラム２２０が撓むと、第二圧電体２３０も同一撓み量だけ撓む。この第二圧電体２３０は、第二圧電膜２３１と、第二圧電膜２３１に電圧を印加する電極（下部電極２３２および上部電極２３３）と、を備えている。
第二圧電膜２３１は、超音波トランスデューサー１００の圧電膜１３１と同様に、膜状のＰＺＴにより形成される。なお、第二圧電膜２３１においても、上記ＰＺＴに限らず、例えばチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ₃）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ₃）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ、Ｌａ）ＴｉＯ₃）などを用いてもよい。
下部電極２３２および上部電極２３３は、第二圧電膜２３１を挟んで形成される電極であり、下部電極２３２は、第二圧電膜２３１の第二ダイアフラム２２０に対向する面に形成され、上部電極２３３は、第二圧電膜２３１の下部電極２３２が形成される面とは反対側となる裏面側に形成されている。これらの上部電極２３３および下部電極２３２は、それぞれ第二ダイアフラム２２０の裏面側に形成される図示しない引出部により引き出されて、フレキシブル基板１２に接続されている。

そして、上記のような受信トランスデューサー２００では、第二開口部２１３から超音波が入力されると、その超音波の強さに応じて第二ダイアフラム２２０が振動し、第二ダイアフラム２２０に密着固定される第二圧電体２３０も振動する。そして、第二圧電膜２３１は、第二圧電体２３０の振動により撓み、その撓み量に応じた電気信号を、上部電極２３３および下部電極２３２からフレキシブル基板１２を介して、演算制御部に出力する。

（５．超音波センサーの製造）
次に、上述したような超音波センサー１０の製造方法について、図面に基づいて説明する。
図８から図１２は、超音波センサー１０の製造工程を示す図であり、各図における左側に各工程における超音波トランスデューサー１００の断面、右側に各工程における受信トランスデューサー２００の断面を示す。
本実施形態では、超音波センサー１０は、センサーアレイ基板１１上に、超音波トランスデューサー１００および受信トランスデューサー２００を同時に形成することで、製造効率の向上が図られている。すなわち、超音波センサー１０の製造では、センサーアレイ基板１１上にダイアフラム１２０および第二ダイアフラム２２０を形成するダイアフラム形成工程を実施する。

これには、まず、図８（Ａ）に示すように、開口部１１３および第二開口部２１３が形成されていない平板状のセンサーアレイ基板１１の表面に、ダイアフラム形成用のＳｉＯ₂層１２０Ａを成膜する（ダイアフラム積層工程，第二ダイアフラム積層工程）。このＳｉＯ₂層１２０Ａは、基板面全体（出力方向側の面、ダイアフラム形成側の面、および側面）に形成される。
そして、図８（Ｂ）に示すように、このＳｉＯ₂層１２０Ａ上に、超音波トランスデューサー１００の凹溝部１２２を形成するためのレジスト１５０Ａを成膜する。すなわち、凹溝部１２２の形成位置以外をレジスト１５０Ａによりマスクする。
この後、図８（Ｃ）に示すように、ＩＣＰ（Inductive Coupled Plasma）エッチング装置を用いたＲＩＥ（Reactive Ion Etching）により、レジスト１５０Ａが成膜されていない範囲のＳｉＯ₂層をエッチングし、凹溝部１２２を形成する（凹溝形成工程）。なお、本実施形態では、成膜されたＳｉＯ₂層１２０Ａを高精度によりエッチングして凹溝部１２２を形成する必要があるため、ＩＣＰエッチング装置によるＲＩＥ（ＩＣＰ−ＲＩＥ）を用いることが好ましいが、他のエッチング方法を用いてもよい。この時、凹溝部１２２の深さ寸法が、例えば０．５μｍとなるように、このＳｉＯ₂層のエッチングを実施する。なお、溝深さが０．５μｍである凹溝部１２２を形成したが、上述したように、凹溝部１２２の深さ寸法としては、０．３〜０．６μｍの間で適宜設定されればよい。
この後、図８（Ｄ）に示すように、凹溝部１２２形成用のレジスト１５０Ａを除去し、図９（Ａ）に示すように、ＳｉＯ₂層１２０Ａ上にＺｒＯ₂層１２０Ｂを形成する。このＺｒＯ₂層は、例えば０．２６μｍのＺｒを成膜し、ＲＴＡ酸化（Rapid Thermal Annealing）により、０．４μｍのＺｒＯ₂層１２０Ｂを成膜する。
以上により、超音波トランスデューサー１００のダイアフラム１２０および受信トランスデューサー２００の第二ダイアフラム２２０が製造される。

このダイアフラム形成工程の後、ダイアフラム１２０の凹溝部１２２に犠牲層１５１を埋め込む犠牲層埋め込み工程を実施する。
これには、図９（Ｂ）に示すように、ダイアフラム１２０および第二ダイアフラム２２０のＺｒＯ₂層１２０Ｂ上に、犠牲層１５１を形成する。この犠牲層１５１としては、例えばシリコン（Ｓｉ）を用いる。また、犠牲層１５１の形成には、凹凸面がある表面に対しても一様な厚みで成膜が可能な成膜方法が好ましく、本実施形態では、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相蒸着）を用いる。この時、凹溝部１２２の深さ寸法以上となるように、犠牲層１５１を形成し、凹溝部１２２を犠牲層１５１で充填させる。
そして、図９（Ｃ）に示すように、センサーアレイ基板１１上の犠牲層１５１を、ＺｒＯ₂層１２０Ｂまで研磨することで、凹溝部１２２に充填された犠牲層１５１以外を除去する。この時、犠牲層１５１は、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学機械研磨）により除去することが好ましく、ＣＭＰにより、凹溝部１２２以外に積層される犠牲層１５１のみを高速に除去することができ、かつ凹溝部１２２の犠牲層１５１の表面を平滑にすることが可能となる。

そして、犠牲層埋め込み工程の後、圧電体１３０および第二圧電体２３０を形成するための膜を積層する圧電体積層工程を実施する。
この圧電体積層工程では、まず、図９（Ｄ）に示すように、上記犠牲層埋め込み工程の後のダイアフラム１２０（第二ダイアフラム２２０）上に、下部電極１３２，２３２形成用の導電性膜１５２をスパッタリングにより形成する。本実施形態では、この導電性膜１５２として、例えばＴｉ／Ｉｒ／Ｐｔ／Ｔｉの積層構造膜を用い、膜厚さは圧電膜１３１（第二圧電膜２３１）の焼成後で０．２μｍとなるように形成する。
この後、図１０（Ａ）に示すように、導電性膜１５２の表面に圧電膜１３１および第二圧電体２３０を形成するためのＰＺＴ膜１５３を成膜する。このＰＺＴ膜１５３は、ＭＯＤ（Metal Organic Decomposition）法を用い、１２層の膜により、例えばトータル厚み寸法が１．４μｍとなるように形成する。
そして、図１０（Ｂ）に示すように、上記のように形成されたＰＺＴ膜１５３上に、上部電極１３３，２３３形成用の導電性膜１５４をスパッタリングにより形成する。この上部電極１３３，２３３形成用の導電性膜１５４としては、例えばＩｒ膜を用い、厚み寸法が例えば５０ｎｍとなるように形成する。

次に、この圧電体積層工程の後、圧電体１３０（第二圧電体２３０）を形成するための圧電体形成工程（第二圧電体形成工程）を実施する。この圧電体形成工程において、本発明の連通部形成工程も同時に実施される。
すなわち、圧電体形成工程（第二圧電体形成工程）では、図１０（Ｃ）に示すように、上部電極形成用の導電性膜１５４上に、圧電体１３０および第二圧電体２３０の形成位置にそれぞれレジスト１５０Ｂを形成する。この時、超音波トランスデューサー１００の圧電体１３０を形成するためのレジスト１５０Ｂには、連通孔１３４を形成するための孔部１５０Ｃを形成する。この後、図１１（Ａ）に示すように、ＩＣＰ−ＲＩＥにより、レジスト１５０Ｂの成膜部分以外をドライエッチングし、図１１（Ｂ）に示すように、レジスト１５０Ｂを除去する。これにより、圧電体１３０、第二圧電体２３０、および圧電体１３０を貫通する連通孔１３４が形成される。

そして、この圧電体１３０、第二圧電体２３０、および連通孔１３４の形成後、超音波トランスデューサー１００の凹溝部１２２に充填された犠牲層１５１を除去する犠牲層除去工程を実施する。
この犠牲層除去工程では、連通孔１３４より例えばＸｅＦ₂などのエッチングガスを流入させることで、凹溝部１２２内の犠牲層１５１（Ｓｉ）のみを等方性エッチングし、図１１（Ｃ）に示すように、圧電体１３０および凹溝部１２２の底部１２３との間に空間１４０を形成する。
なお、この時、センサーアレイ基板１１の外周面にダイアフラム形成用のＳｉＯ₂層１２０Ａが成膜されている場合、センサーアレイ基板１１の超音波出力方向側の面のＳｉ基板がエッチングされることはない。一方、センサーアレイ基板１１のダイアフラム形成面１１１にのみＳｉＯ₂層１２０Ａを形成した場合、センサーアレイ基板１１の側面および出力側面１１２をマスクする必要がある。

犠牲層除去工程の後、センサーアレイ基板１１を加工して、支持部１１０および第二支持部２１０を形成する、本発明の支持体形成工程および第二支持体形成工程である基板加工工程を実施する。
これには、まず、センサーアレイ基板１１の厚み寸法を調節する。すなわち、支持部１１０および第二支持部２１０における開口部１１３および第二開口部２１３を形成する際、エッチング量の深さを浅くするために、センサーアレイ基板１１の出力側面１１２上に形成されたＳｉＯ₂層１２０Ａ、およびセンサーアレイ基板１１の出力側面１１２を研削する。ここで、開口部１１３および第二開口部２１３は、ＩＣＰ装置によりエッチング形成するが、エッチングする深さ寸法、膜応力反りに対する剛性、およびハンドリングに対する強度を考慮し、センサーアレイ基板１１のＳｉ厚み寸法が２００μｍとなるように研削することが好ましい。
開口部１１３および第二開口部２１３の形成では、図示は省略するが、センサーアレイ基板１１の出力側面１１２に開口部１１３および第二開口部２１３の形成位置以外にレジストを形成する。このレジストは、センサーアレイ基板１１の２００μｍ深さのエッチングに耐えられるように、例えば１０μｍ程度の厚みに形成する。この後、図１２に示すように、ＩＣＰ装置を用いて、センサーアレイ基板１１を、出力側面１１２からダイアフラム１２０のＳｉＯ₂層１２０Ａまでエッチングする。
以上により、超音波トランスデューサー１００及び受信トランスデューサー２００が複数配置されるセンサーアレイ基板１１が製造される。

なお、本実施形態では、センサーアレイ基板１１が支持部１１０および第二支持部２１０を構成し、ダイアフラム１２０および第二ダイアフラム２２０が一体に形成される例を示したが、例えば、センサーアレイ基板上の所定位置に、それぞれ別体として製造される超音波トランスデューサー１００、およびそれぞれ別体として製造される受信トランスデューサー２００を組み込む構成としてもよい。この場合、上記製造方法において、センサーアレイ基板１１を、超音波トランスデューサー１００の支持部１１０、受信トランスデューサー２００の第二支持部２１０を構成するＳｉ基板に置き換える。そして、上記製造方法に示すように、超音波トランスデューサー１００および受信トランスデューサー２００を製造した後、これらの超音波トランスデューサー１００、受信トランスデューサー２００を、例えばレーザーカットなどにより切断する。これにより、それぞれ別体となる超音波トランスデューサー１００および受信トランスデューサー２００を製造することができる。

（６．第一実施形態の作用効果）
上述したように、第一実施形態の超音波センサー１０を構成する超音波トランスデューサー１００は、支持部１１０の開口部１１３にダイアフラム１２０が形成され、このダイアフラム１２０の圧電体対向面１２１に凹溝部１２２が形成されている。そして、圧電体１３０は、ダイアフラム１２０の凹溝部１２２の外周側に密着固定されることで、この凹溝部１２２を覆う状態に設けられている。
このような構成の超音波トランスデューサー１００では、圧電体１３０に電圧が印加され、面方内向に収縮すると、凹溝部１２２の外周壁面が内側に変位され、凹溝部１２２の底部１２３が超音波の出力方向に撓み、超音波が出力される。このような構成では、圧電体１３０の収縮量を増幅させて底部１２３が変位するため、底部１２３の撓み量が大きくなる。また、圧電体１３０と底部１２３との間に空間１４０が形成されるため、圧電体１３０の収縮時の抵抗が小さく、収縮量が大きくなる。
以上により、例えば圧電体１３０の一面側の全面をダイアフラム上に密着固定するような構成に比べて、凹溝部１２２の底部１２３の撓み量を大きくすることができ、大音圧の超音波を出力することができる。

また、圧電体１３０に連通孔１３４が形成されているので、圧電体１３０とダイアフラム１２０の凹溝部１２２との間に上述なような空間を容易に設けることが可能となる。すなわち、超音波トランスデューサー１００の一部を構成する圧電体１３０は、膜状の下部電極１３２、上部電極、および圧電膜１３１により形成される。このような膜状の圧電体１３０をダイアフラム１２０の凹溝部１２２の底部１２３との間に空間を介した状態で形成することは、単にダイアフラム１２０上に圧電体１３０を積層するだけでは困難であり、例えば圧電体１３０が凹溝部１２２側に撓むなどの問題が発生する。したがって、凹溝部１２２に犠牲層１５１を埋め込み、犠牲層１５１の上から圧電体１３０を積層することになるが、この場合では、犠牲層の除去が困難となる。これに対して、本実施形態では、圧電体１３０は、厚み方向を貫通する連通孔１３４が設けられているため、この連通孔１３４を通してエッチングガスを流入させるだけで、凹溝部１２２に形成された犠牲層１５１を容易に除去することができる。

そして、本実施形態の超音波センサー１０は、センサーアレイ基板１１上に、超音波トランスデューサー１００および受信トランスデューサー２００が設けられている。このため、超音波トランスデューサー１００で出力した超音波を、受信トランスデューサー２００で受信することができる。したがって、１つの基板で超音波の出力および入力の双方を実施することができ、ＰＤＡ１における部品点数の削減、コストダウンを図ることができる。

また、この超音波センサー１０は、センサーアレイ基板１１上に、超音波トランスデューサー１００および受信トランスデューサー２００が２次元アレイ構造に配列されている。超音波トランスデューサー１００を２次元アレイ構造に配置することで、大音圧の超音波を所望の位置に向かって出力することができる。また、受信トランスデューサー２００を２次元アレイ構造に配置することで、利用者の指やペンなどのより反射された超音波がセンサーアレイ基板１１上のどの位置に入力されても、適切にその超音波を捉え、受信することができる。また、受信された超音波の大きさ、位相差などに基づいて、超音波トランスデューサー１００により出力された超音波がどの位置で反射されたかを、演算により容易に把握することができる。

そして、本実施形態の超音波トランスデューサー１００は、ダイアフラム積層工程、凹溝形成工程、犠牲層埋め込み工程、圧電体形成工程、連通部形成工程、犠牲層除去工程、支持体形成工程である基板加工工程を実施することで製造される。すなわち、超音波トランスデューサー１００は、センサーアレイ基板１１上のダイアフラム１２０に凹溝部１２２を形成し、この凹溝部１２２に犠牲層１５１を埋め込む。そして、これらダイアフラム１２０および犠牲層１５１の上から、連通孔１３４を備える圧電体１３０を形成し、この連通孔１３４から犠牲層１５１を除去している。
このような製造方法により、上述したように、凹溝部１２２に形成された犠牲層１５１を、連通孔１３４からエッチングガスを流入させるだけで、容易に除去することができ、圧電体１３０と凹溝部１２２の底部１２３との間に空間１４０を形成することができる。また、圧電体１３０の凹溝部１２２側への撓みも防止することができる。

また、本実施形態では、超音波センサー１０は、超音波トランスデューサー１００および受信トランスデューサー２００の双方を同時に形成することができる。すなわち、センサーアレイ基板１１上にＳｉＯ₂層１２０ＡおよびＺｒＯ₂層１２０Ｂを形成することで、ダイアフラム１２０および第二ダイアフラム２２０を同時に形成することができる。また、センサーアレイ基板１１のダイアフラム対向面側に圧電体１３０および第二圧電体２３０の形成用の下部電極形成用の導電性膜１５２、ＰＺＴ膜１５３、上部電極形成用の導電性膜１５４を成膜し、レジスト１５０Ｂを形成してＩＣＰ−ＲＩＥによりエッチングすることで、圧電体１３０および第二圧電体２３０を同時に形成することができる。さらに、センサーアレイ基板１１の出力側面１１２にレジストを形成してＩＣＰエッチングすることで、開口部１１３および第二開口部２１３を同時に形成することができ、支持部１１０および第二支持部２１０を同時に形成することができる。すなわち、本発明のダイアフラム形成工程および第二ダイアフラム形成工程、圧電体形成工程および第二圧電体形成工程、支持体形成工程および第二支持体形成工程を共通に実施することができる。このような製造方法では、受信トランスデューサー２００の製造のために、別途製造装置を設け、別の製造工程を実施する必要がなく、超音波トランスデューサー１００の製造と同時に、受信トランスデューサー２００をも製造することができる。したがって、超音波センサー１０の製造を容易にでき、製造コストの低減をも図ることができる。

〔第二実施形態〕
次に、本発明に係る第二実施形態の超音波センサーについて、図面に基づいて説明する。
第二実施形態の超音波センサーは、第一実施形態のＰＤＡ１の超音波センサー１０のセンサーアレイ構造を変更したものであり、超音波トランスデューサー１００および第二超音波トランスデューサーである受信トランスデューサー２００の具体的な構成は同一である。したがって、以下、第二実施形態の超音波センサー１０Ａのアレイ構造について説明する。

第二実施形態の超音波センサー１０Ａは、図１３（Ａ）に示すように、２枚のセンサーアレイ基板、すなわち超音波送信用センサーアレイ基板１１Ａと、超音波受信用センサーアレイ基板１１Ｂと、を備えている。

超音波送信用センサーアレイ基板１１Ａは、例えば単結晶シリコン基板などにより形成されている。この超音波送信用センサーアレイ基板１１Ａには、図１３（Ｂ）に示すように、複数の超音波トランスデューサー１００が、マトリクス状に均等間隔で配置されている。ここで、この超音波送信用センサーアレイ基板１１Ａは、本発明の支持体を構成している。すなわち、超音波送信用センサーアレイ基板１１Ａには、超音波トランスデューサー１００の配置位置に支持部１１０および開口部１１３が設けられている。
また、超音波送信用センサーアレイ基板１１Ａには、貫通孔１１Ａ１がマトリクス状に均等間隔で配置されている。具体的には、この貫通孔１１Ａ１は、超音波トランスデューサー１００の配置位置に対して、千鳥状に超音波送信用センサーアレイ基板１１Ａに形成されている。

超音波受信用センサーアレイ基板１１Ｂは、例えば単結晶シリコン基板などに形成されている。この超音波受信用センサーアレイ基板１１Ｂには、図１３（Ｃ）に示すように、複数の受信トランスデューサー２００が、マトリクス状に均等間隔で配置されている。より具体的には、図１３（Ａ）に示すように、超音波送信用センサーアレイ基板１１Ａと超音波受信用センサーアレイ基板１１Ｂとを重ね合わせて超音波センサー１０Ａを形成した際に、超音波送信用センサーアレイ基板１１Ａの貫通孔１１Ａ１から、超音波受信用センサーアレイ基板１１Ｂの受信トランスデューサー２００が露出されるように、超音波受信用センサーアレイ基板１１Ｂに受信トランスデューサー２００が配置されている。
また、この超音波受信用センサーアレイ基板１１Ｂは、本発明の第二支持体を構成している。すなわち、超音波受信用センサーアレイ基板１１Ｂには、受信トランスデューサー２００の配置位置に対応して、第二支持部２１０および第二開口部２１３が設けられている。

このような第二実施形態の超音波センサー１０Ａでは、超音波送信用センサーアレイ基板１１Ａと、超音波受信用センサーアレイ基板１１Ｂとは、それぞれ別体として製造される。すなわち、図８から図１２における左側に示される各工程に従い、ダイアフラム形成工程（ダイアフラム積層工程、凹溝形成工程、ＺｒＯ₂層１２０Ｂの積層工程）、犠牲層埋め込み工程、圧電体積層工程、連通部形成工程を含む圧電体形成工程、犠牲層除去工程、基板加工工程により、超音波トランスデューサー１００を備えた超音波送信用センサーアレイ基板１１Ａを製造する（第一製造工程）。また、図８から図１２における右側に示される各工程に従い、ダイアフラム形成工程（第二ダイアフラム積層工程、ＺｒＯ₂層１２０Ｂの積層工程）、圧電体積層工程、第二圧電体形成工程、基板加工工程により、受信トランスデューサー２００を備えた超音波受信用センサーアレイ基板１１Ｂを製造する（第二製造工程）。そして、これらの第一製造工程、および第二製造工程においてそれぞれ製造された超音波送信用センサーアレイ基板１１Ａおよび超音波受信用センサーアレイ基板１１Ｂを重ね合わせて接合することで、超音波センサー１０Ａが製造される。

上述のような第二実施形態の超音波センサー１０Ａにおいても、第一実施形態と同様の構成の超音波トランスデューサー１００が設けられるため、上記第一実施形態と同様の作用効果が得られる。すなわち、超音波トランスデューサー１００の底部１２３の撓み量が大きくでき、大音圧の超音波を出力することができる。

また、第二実施形態の超音波センサー１０Ａでは、超音波送信用センサーアレイ基板１１Ａと、超音波受信用センサーアレイ基板１１Ｂとが別体として製造され、これらの基板を重ね合わせることで、超音波センサー１０Ａが形成される。このような構成では、例えば超音波送信用センサーアレイ基板１１Ａや、超音波受信用センサーアレイ基板１１Ｂを単体で用いるセンサーにも適用することができる。
さらに、各基板１１Ａ，１１Ｂには、各トランスデューサー１００，２００の電極１３２，１３３，２３２，２３３と演算制御部とを接続する配線パターンを形成する必要がある。ここで、第一実施形態のように、１つのセンサーアレイ基板１１に超音波トランスデューサー１００用の配線パターン、および受信トランスデューサー２００用の配線パターンを設ける場合、各配線パターン間の間隔が小さく、製造が困難となる場合もある。これに対して、第二実施形態のように、超音波センサー１０Ａを、超音波送信用センサーアレイ基板１１Ａと、超音波受信用センサーアレイ基板１１Ｂとに分けることで、各基板１１Ａ，１１Ｂに形成する配線パターンの間隔も大きく採れ、より容易に製造することが可能となる。

〔変形例〕
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

例えば、上記実施形態では、圧電体１３０は、凹溝部１２２の外周縁に沿って円形状の連通孔１３４が形成される例を示したが、これに限定されず、例えば、図１４に示すような形状であってもよい。なお、図１４、および以降に説明する図１５、図１６では、各構成をより簡略化して示したものであり、ダイアフラム１２０のＳｉＯ₂層１２０Ａ，ＺｒＯ₂層１２０Ｂの図示、圧電体１３０の圧電膜１３１、下部電極１３２、および上部電極１３３の図示を省略する。
すなわち、図１４に示すように、連通孔１３４の形状としては、例えば図１４（Ａ）に示すように、センサー平面視において、矩形状に形成され、これらの矩形状の連通孔１３４が放射状に配置されるものであってもよく、図１４（Ｄ）に示すように、扇状の連通孔１３４が配置されるものであってもよい。

また、図１４（Ｂ）に示すように、圧電体１３０が、凹溝部１２２の外周径寸法より小さい円形状の圧電本体部１３０Ａと、この圧電本体部１３０Ａから外周方向に延びる複数の接続部１３０Ｂと、を備え、接続部１３０Ｂがダイアフラム１２０の凹溝部１２２の外側領域に密着固定される構成としてもよい。なお、接続部１３０Ｂとしては、図１４（Ｂ）には、４つの接続部１３０Ｂが十字方向に延出するものを示すが、３つ以下の接続部１３０Ｂが例えば１２０度間隔で配置される構成としてもよく、５つ以上の接続部１３０Ｂが均等角度間隔で放射状に延出する構成であってもよい。このような構成では、各接続部１３０Ｂ間において、圧電本体部１３０Ａの外周縁と凹溝部１２２の外周縁との間に隙間１３０Ｃが形成され、この隙間１３０Ｃが本発明の連通部を構成する。
また、連通孔１３４が形成される位置としては、凹溝部１２２の外周縁に沿って形成される構成に限らず、図１４（Ｃ）に示すように、圧電体１３０の中心位置に形成される構成であってもよい。

さらに、凹溝部１２２として、センサー平面視において、円形状のものに限られず、その他いかなる形状であってもよい。例えば、図１５に示すように、センサー平面視において、正方形状に形成される構成であってもよい。この場合、圧電体１３０の形状としては、凹溝部１２２の形状に対応して、正方形状に形成してもよい。また、連通孔１３４の形成位置としては、上記実施形態や、図１４の例と同様に形成することができる。すなわち、図１５（Ａ）（Ｂ）に示すように、凹溝部１２２の外周縁に沿って連通孔１３４が形成される構成であってもよく、各連通孔１３４の形状も正方形状、長方形状の他、円形状などとしてもよい。さらに、図１４（Ｂ）と同様に、図１５（ｃ）に示すように、圧電体１３０は、正方形状の凹溝部１２２よりも小さい面積の圧電本体部１３０Ａ、およびこの圧電本体部１３０Ａから外周方向に延びる接続部１３０Ｂとを備える構成としてもよく、この場合は、上述したように、圧電本体部１３０Ａの外周縁と凹溝部１２２の外周縁との隙間１３０Ｃを連通部とすることができる。さらに、図１４（Ｃ）と同様に、図１５（Ｄ）に示すように、圧電体１３０の中心部に連通孔１３４を形成する構成などとしてもよい。
さらには、図１６に示すように、円形状の凹溝部１２２に対して、正方形状など多角形状の圧電体１３０を設ける構成としてもよく、正方形状など、多角形状の凹溝部１２２に対して、円形状の圧電体１３０を設ける構成などとしてもよい。

また、上記実施形態では、超音波トランスデューサー１００および受信トランスデューサー２００を同時に製造可能な製造方法により、超音波センサー１０を製造したが、超音波トランスデューサー１００および受信トランスデューサー２００をそれぞれ別工程で、製造してもよい。
また、上述したように、実施形態の製造方法により、所定の基板上に超音波トランスデューサー１００および受信トランスデューサー２００を製造し、これらの超音波トランスデューサー１００および受信トランスデューサー２００をレーザーカットなどにより切断して、それぞれ単体のトランスデューサーとして用いてもよい。このような場合でも、超音波トランスデューサー１００および受信トランスデューサー２００を同時に製造することができ、製造効率を向上させることができるとともに、例えば、センサーアレイ基板１１上で、各トランスデューサー１００，２００のアレイ配置位置を変更したい場合など、適宜取り外しが可能であり、利用の拡大を図ることができる。

また、上記実施形態では、受信トランスデューサー２００は、跳ね返った超音波を受信するセンサー素子としてセンサーアレイ基板１１上に配置されているが、例えば受信トランスデューサー２００に電圧を印加することで、超音波を出力させることもできる。この場合、例えば超音波トランスデューサー１００により出力される超音波と、受信トランスデューサー２００により出力される超音波とで、異なる音圧を出力させることができ、それぞれ異なる用途に用いることもできる。

また、上記実施形態では、超音波トランスデューサー１００と受信トランスデューサー２００との配置関係を、千鳥状に配置したり同心円状に配置したりしているが、例えば、図１７及び図１８に示すように、センサーアレイ基板１１における略中央領域に複数の超音波トランスデューサーを有する送信アレイを配置し、中央領域の周辺の少なくとも３箇所以上の領域（例えば４箇所）に複数の受信トランスデューサーを有する受信アレイを配置するようにしてもよい。図１７及び図１８は、超音波センサーの構成の変形例を示す模式平面図である。

まず、図１７に示す超音波センサー１０Ｂの構造について説明する。超音波センサー１０Ｂは、センサーアレイ基板１１における略中央の領域に送信アレイ３０１が配置されている。また、中央領域の周辺の四方に受信アレイ３０２（第１受信アレイ３０２ａ、第２受信アレイ３０２ｂ、第３受信アレイ３０２ｃ、第４受信アレイ３０２ｄ）が配置されている。

送信アレイ３０１には、複数の超音波トランスデューサー１００が、マトリクス状に設けられている。各受信アレイ３０２ａ，３０２ｂ，３０２ｃ，３０２ｄには、複数の受信トランスデューサー２００が、マトリクス状に設けられている。

送信アレイ３０１に設けられた超音波トランスデューサー１００は、図示しない外部の制御回路と接続された送信駆動電極線３０３と電気的に接続されている。また、各受信アレイ３０２ａ，３０２ｂ，３０２ｃ，３０２ｄに設けられた受信トランスデューサー２００も同様に、図示しない外部の制御回路と接続された受信検出電極線３０４と接続されている。これら、複数の送信駆動電極線３０３、及び複数の受信検出電極線３０４は、その一端がセンサーアレイ基板１１の一辺に集まるように延在している。

また、受信アレイ３０２ａ，３０２ｄと送信アレイ３０１の間、及び、受信アレイ３０２ｂ，３０２ｃと送信アレイ３０１との間には、一端がＧＮＤと接続された定電位配線３０５が設けられている。つまり、定電位配線３０５を挟んで送信アレイ３０１と受信アレイ３０２とが配置されている。

これにより、送信アレイ３０１に設けられた超音波トランスデューサー１００と、受信アレイ３０２に設けられた受信トランスデューサー２００との間に、電気ノイズが発生することを防ぐことができる。具体的には、超音波トランスデューサー１００が超音波を送信した際に発生した電気ノイズを、定電位配線３０５によって除去することができる。加えて、定電位配線３０５が設けられていることにより、受信トランスデューサー２００に振動ノイズが伝わることを抑えることができる。

次に、図１８に示す超音波センサー１０Ｃの構造について説明する。超音波センサー１０Ｃは、図１７に示す超音波センサー１０Ｂと略同様に、センサーアレイ基板１１における略中央の領域に送信アレイ４０１が配置されている。また、中央領域の周辺の四方に受信アレイ４０２（第１受信アレイ４０２ａ、第２受信アレイ４０２ｂ、第３受信アレイ４０２ｃ、第４受信アレイ４０２ｄ）が配置されている。

図１７に示す超音波センサー１０Ｂと同様に、送信アレイ４０１には、複数の超音波トランスデューサー１００が、マトリクス状に設けられている。各受信アレイ４０２ａ，４０２ｂ，４０２ｃ，４０２ｄには、複数の受信トランスデューサー２００が、マトリクス状に設けられている。

送信アレイ４０１に設けられた超音波トランスデューサー１００は、図示しない外部の制御回路と接続された送信駆動電極線４０３と電気的に接続されている。また、各受信アレイ４０２ａ，４０２ｂ，４０２ｃ，４０２ｄに設けられた受信トランスデューサー２００は、図示しない外部の制御回路と接続された受信検出電極線４０４と接続されている。

送信駆動電極線４０３は、例えば、送信アレイ４０１を構成する４つの辺からその辺に対して略垂直方向に向かって延在している。受信検出電極線４０４は、例えば、受信アレイ４０２を構成する４つの辺のうち２つの辺からその辺に対して略垂直方向に向かって延在している。

なお、図１７に示す超音波センサー１０Ｂと同様に、各受信アレイ４０２ａ，４０２ｂ，４０２ｃ，４０２ｄと送信アレイ４０１との間に、一端がＧＮＤと接続された定電位配線４０５が設けられている。

また、図１７に示す超音波センサー１０Ｂ、及び図１８に示す超音波センサー１０Ｃのように、センサーアレイ基板１１（共通基板）に送信アレイ３０１，４０１及び受信アレイ３０２，４０２を設けることに限定されず、それぞれ別々の基板に送信アレイ３０１，４０１や受信アレイ３０２，４０２を形成し、これらを組み合わせて使用するようにしてもよい。

その他、本発明の実施の際の具体的な構造および手順は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造などに適宜変更できる。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…超音波センサー、１１…センサーアレイ基板、１００…超音波トランスデューサー、１１０…支持体である支持部、１２０…ダイアフラム、１３０…圧電体、１３０Ｃ…連通部である隙間、１３４…連通孔、１４０…空間、１５１…犠牲層、２００…第二超音波トランスデューサーである受信トランスデューサー、２１０…第二支持体である第二支持部、２２０…第二ダイアフラム、２３０…第二圧電体、３０５，４０５…定電位配線。

Claims (9)

1. 開口部を有する支持体と、
   前記開口部を閉塞するダイアフラムと、
   前記ダイアフラムに設けられるとともに、電圧の印加により面内方向に伸縮する圧電体と、を備え、
   前記ダイアフラムは、前記開口部に臨む一面側とは反対側の面に、凹状に形成される凹溝部を備え、
   前記圧電体は、前記ダイアフラムにおける前記凹溝部の外側に固定されて、前記凹溝部を覆って配置され、前記凹溝部の底面との間に空間を介して対向配置されることを特徴とする超音波トランスデューサー。
2. 請求項１に記載の超音波トランスデューサーにおいて、
   前記圧電体は、前記凹溝部に対向する位置に、前記空間および外部空間を連通する少なくとも１つ以上の連通部を有することを特徴とする超音波トランスデューサー。
3. 請求項１または請求項２に記載の超音波トランスデューサーと、
   第二開口部を有する第二支持体、前記第二開口部を閉塞する第二ダイアフラム、および前記第二ダイアフラム上に積層され、前記第二ダイアフラムの変位を電気信号に変換して出力する第二圧電体を備えた第二超音波トランスデューサーと、
   を備えることを特徴とする超音波センサー。
4. 請求項３に記載の超音波センサーにおいて、
   前記超音波トランスデューサーおよび前記第二超音波トランスデューサーは、複数設けられ、二次元アレイ構造に配置されることを特徴とする超音波センサー。
5. 請求項４に記載の超音波センサーにおいて、
   前記超音波トランスデューサーは、前記二次元アレイ構造における中央領域に設けられており、
   前記第二超音波トランスデューサーは、前記中央領域の周辺において三箇所以上の領域に設けられており、
   前記超音波トランスデューサーと前記第二超音波トランスデューサーとの間の領域に定電位と接続された定電位配線が設けられていることを特徴とする超音波センサー。
6. 請求項３または請求項５に記載の超音波センサーにおいて、
   前記超音波トランスデューサーの前記支持体、および前記第二超音波トランスデューサーの前記第二支持体を構成するセンサーアレイ基板を備えることを特徴とする超音波センサー。
7. 超音波トランスデューサーの製造方法であって、
   基板上にダイアフラム形成用膜を形成するダイアフラム積層工程と、
   前記ダイアフラム形成用膜の表面の一部をエッチングにより除去し、凹溝部を形成する凹溝形成工程と、
   前記凹溝部に、表面が前記ダイアフラム形成用膜の表面と同一平面となる犠牲層を埋める犠牲層埋め込み工程と、
   前記凹溝部を覆う圧電体を形成する圧電体形成工程と、
   前記圧電体に外部空間と前記犠牲層とを連通する連通部を形成する連通部形成工程と、
   前記連通部から前記犠牲層を除去する犠牲層除去工程と、
   前記基板をエッチングして開口部を形成し、支持体を形成する支持体形成工程と、
   を備えたことを特徴とする超音波トランスデューサーの製造方法。
8. 超音波センサーの製造方法であって、
   請求項７に記載の超音波トランスデューサーの製造方法により前記超音波トランスデューサーを製造する第一製造工程と、
   基板上に第二ダイアフラムを形成する第二ダイアフラム積層工程、
   前記第二ダイアフラム上に第二圧電体を積層形成する第二圧電体形成工程、
   および、前記基板をエッチングして第二開口部を形成し、第二支持体を形成する第二支持体形成工程、を備える第二製造工程と、
   を具備したことを特徴とする超音波センサーの製造方法。
9. 請求項８に記載の超音波センサーの製造方法において、
   前記ダイアフラム積層工程および前記第二ダイアフラム積層工程、前記圧電体形成工程および前記第二圧電体形成工程、前記支持体形成工程および前記第二支持体形成工程は、それぞれ同一工程であることを特徴とする超音波センサーの製造方法。

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