超声波传感器及其制造方法以及使用该超声波传感器的测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及超声波传感器及使用了该超声波传感器的测量方法以及该超声波传 感器的制造方法。
【背景技术】
[0002] 以往，作为用于获取关于测量对象物的各种信息的检测器之一，已知有超声波传 感器。超声波传感器基于从发送超声波的时刻到接收该发送的超声波被测量对象物反射而 返回的回波信号的时刻为止的时间，得到关于测量对象物的位置、形状以及速度等信息。
[0003] 作为这种超声波传感器，例如已知有如下的超声波传感器（例如参照专利文献 1):具备控制运算部，该控制运算部基于从具有振动板以及压电体的超声波传感器单元发 送的超声波和由检测对象反射并由超声波传感器单元接收的超声波，来计算检测对象（测 量对象物）的位置、形状以及速度，通过反射室覆盖上述的压电体的周围。另外，作为这种 超声波传感器，例如已知有如下的超声波传感器（例如参照专利文献2):在具备形成有开 口部的支承体、以闭塞开口部的方式设置的支承膜、设置在支承膜的与支承体相反侧的压 电体（压电元件）、以及设置在压电元件的周围的框体的超声波传感器中，进一步设置有密 封压电元件的密封膜，在被该密封膜密封的空间（包含压电元件的空间）填充作为压力介 质的硅油，该超声波传感器作为压力传感器应用。
[0004] 专利文献1 :日本特开2010-164331号公报
[0005] 专利文献2 :日本特开2012-215533号公报（图3的（B)等）
[0006] 然而，在专利文献1的超声波传感器中，存在产生向与向测量对象物侧发送的超 声波不同的方向发送的其他超声波的情况。因此，存在相对于产生的全部超声波，向测量对 象物侧发送的超声波的比例变低的情况。若向测量对象物侧发送的超声波的传播效率不充 分，则产生不能精度良好地获得关于测量对象物的各种信息的可能性。另外，在专利文献 2中，在包含压电元件的空间填充有硅油，所以存在在压电元件的驱动时产生经由硅油的漏 电流的情况。该情况下，产生实现以能够分离并识别测量对象物的能力（距离分辨率）为 首的检测精度的提高变得困难的可能性。
[0007] 此外，这样的问题不仅在专利文献1的超声波传感器中，在例如具有振动板以及 压电体且产生向与向测量对象物侧发送的超声波不同的方向发送的其他超声波的超声波 传感器中也同样存在。
【发明内容】
[0008] 本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供能够提高超声波的传播效率的 超声波传感器及使用了该超声波传感器的测量方法以及该超声波传感器的制造方法。
[0009] 解决上述课题的本发明的方式是一种超声波传感器，其特征在于，具备：形成有开 口部的基板、按照封闭上述开口部的方式设置在上述基板上的振动板、以及层叠在上述振 动板的与上述开口部相反侧的面上并包含第一电极、压电体层以及第二电极的压电元件， 上述超声波传感器在上述振动板的与上述开口部相反侧的面上的上述压电元件的周围的 空间设置有反射层，上述振动板以及上述压电元件的厚度按如下方式设定：相对于向测量 对象物侧发送的发送超声波，使向与上述发送超声波不同的方向发送的其他超声波在上述 压电元件与上述反射层之间的界面被反射而与上述发送超声波叠加。
[0010] 根据此，能够使向与向测量对象物侧发送的发送超声波不同的方向（例如相反方 向）发送的其他超声波与该发送超声波叠加，从而使其振幅增大。因此，能够增大发送超声 波的强度，提高超声波的传播效率。
[0011] 在上述方式中，反射层也能够是空气层而构成。如果使反射层为空气层而构成，则 与在压电元件的周围的区域设置了声匹配层（硅油等）的情况相比，能够显著地减少压电 元件的驱动时的漏电流。由此，能够防止对测量对象物的检测产生负面影响，其结果是，能 够实现以能够分离并识别测量对象物的能力（距离分辨率）为首的检测精度的提高。而且， 如上述那样能够显著地减少漏电流，所以成为电安全性优良的超声波传感器。另外，根据该 方式，在振动板的与压电兀件相反侧安装基板，所以开口部的加工变得容易。
[0012] 这里，优选上述反射层与上述压电元件的声阻抗比为3倍以上。根据此，能够在反 射层与压电元件之间的界面适当地反射上述其他超声波。因此，能够可靠地提高超声波的 传播效率。
[0013] 另外，优选上述反射层具有比上述压电元件的声阻抗小的声阻抗。根据此，能够扩 大上述的反射层的构成材料的选择性。因此，能够提高超声波的传播效率，并且也能够增大 超声波传感器的构成自由度。
[0014] 另外，优选：在上述压电元件上确保有空间，上述反射层由形成在上述压电元件与 包围板之间的空气层构成，上述包围板按照包围上述压电元件以及上述空间的方式形成在 振动板上。根据此，能够容易地形成反射层，而且能够通过包围板保护压电元件。因此，能 够容易地构成提高超声波的传播效率的超声波传感器，并且也能够提高超声波传感器的结 构稳定性。并且，如上述那样能够显著地减少压电元件的驱动时的漏电流，所以也能够实现 检测精度的提高。而且，在压电元件作为薄膜而构成的情况下，也能够使操作性提高，所以 超声波传感器的制造、操作变得容易。
[0015] 另外，优选：在上述压电元件上确保有空间，上述反射层由填充在上述压电元件与 包围板之间的树脂组合物层构成，上述包围板按照包围上述压电元件以及上述空间的方式 形成在振动板上。根据此，能够容易地形成声阻抗不同的反射层，而且能够通过包围板保护 压电元件。因此，能够容易地构成提高超声波的传播效率的超声波传感器，并且也能够提高 超声波传感器的结构稳定性。
[0016] 另外，优选：在上述反射层与上述压电元件之间的界面反射的上述其他超声波相 对于上述发送超声波，具备比〇度大且120度以下的相位差。根据此，能够根据相位差使超 声波的振幅增大。因此，能够进一步提尚超声波的传播效率。
[0017] 另外，优选上述压电元件的厚度为0.4~2.0 μπι。根据此，能够缩小从上述的其他 超声波产生的时刻到在反射层与压电元件之间的界面反射而向测量对象物侧传播的时刻 为止的差。因此，易于使其他超声波与发送超声波叠加，其他超声波也不会在测量对象物侧 与回波信号干扰。因此，能够提高超声波的传播效率，而且也能够提高测量分辨率。
[0018] 另外，优选上述振动板的厚度为0. 5~3. 0 μ m。根据此，能够缩小从上述的其他超 声波产生的时刻到在反射层与压电元件之间的界面反射而向测量对象物侧传播的时刻为 止的差。因此，易于使其他超声波与发送超声波叠加，其他超声波也不会在测量对象物侧与 回波信号干扰。因此，能够提高超声波的传播效率，而且也能够提高测量分辨率。
[0019] 另外，本发明的方式是一种超声波传感器，其特征在于，具备：振动板，其具有第一 面和第二面；压电元件，其设置在上述振动板的上述第一面上，包含第一电极、压电体层以 及第二电极；基板，其安装于上述振动板的上述第二面，在与上述压电元件对置的位置具有 开口部；以及声匹配层，其设置在由上述开口部和上述振动板的上述第二面形成的空间内， 使由上述压电元件的驱动而产生的超声波传播，上述压电元件的周围的区域为空气层。
[0020] 根据该方式，振动板以及压电元件的与开口部对置的区域为空气层，所以与在压 电元件的周围的区域设置了声匹配层的情况相比，能够显著地减少压电元件的驱动时的漏 电流。由此，能够防止对测量对象物的检测产生负面影响，其结果是，能够实现以能够分离 并识别测量对象物的能力（距离分辨率）为首的检测精度的提高。而且，如上述那样能够 显著地减少漏电流，所以成为电安全性优良的超声波传感器。另外，根据该方式，在振动板 的与压电元件相反侧安装基板，所以开口部的加工变得容易。
[0021] 优选：上述基板具有相对于上述振动板的上述第二面平行且与上述第二面接合的 第一壁面、和划分出上述开口部的第二壁面，上述第二壁面具有相对于上述第一壁面垂直 的垂直壁、和设置在上述第一壁面与垂直壁之间且相对于上述第一壁面以及垂直壁倾斜的 倾斜壁，上述倾斜壁与上述振动板的上述第二面所成的角度在90°以上。根据此，能够使开 口部的开口面积在厚度方向不同，使振动板侧的开口的面积比其他侧的开口的面积大。因 此，振动板与声匹配层的接触面积增大。因此，能够减少由基板限制振动板的位移的面积， 能够增大振动板的动作区域。振动板与声匹配层的接触面积增大，振动板的动作区域增大， 从而即使假设在声匹配层内产生了残留振动，也能够通过振动板适当地吸收该残留振动。 换句话说，声匹配层发挥作为所谓的减振器的功能，能够减少声匹配层中的残留振动。其结 果是，能够进一步实现以距离分辨率为首的检测精度的提高。特别是，在将由具有一个压电 元件和一个开口部的最小单位的结构构成的超声波传感器单元排列两个以上来构成超声 波传感器的情况下，在邻接的单元的开口部之间通过基板形成隔壁。这样，在邻接的开口部 间存在隔壁，从而能够遮断在声匹配层中传播的残留振动，能够抑制邻接的元件的振动衰 减。其结果是，能够实现以距离分辨率为首的检测精度的进一步的提高。
[0022] 另外，优选：具备进行向上述压电元件的驱动信号的发送接收的电路，上述电路进 行使上述压电元件以共振模式共振的该驱动信号的发送接收。根据此，能够利用共振，使压 电元件以及振动板较大地位移从而发送强度较大的超声波，另外根据来自测量对象物的反 射超声波而使压电元件以及振动板较大地位移，从而能够得到强度较大的电信号。这样，能 够进行使用了强度较大的电信号的检测，所以能够进一步实现以距离分辨率为首的检测精 度的提高。
[0023] 解决上述课题的本发明的其他方式是一种使用了超声波传感器的测量方法，其特 征在于，上述超声波传感器具备：形成有开口部的基板、以封闭上述开口部的方式设置在上 述基板上的振动板、以及由层叠在上述振动板上的第一电极、压电体层以及第二电极构成 的压电元件，上述使用了超声波传感器的测量方法具有如下步骤：通过设置于上述振动板 的与上述开口部相反侧的反射层，使向与发送超声波不同的方向发送的其他超声波反射， 并使上述其他超声波与上述发送超声