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技術 超音波デバイス、及び超音波測定装置

出願人 セイコーエプソン株式会社
発明者 大澤栄治
出願日 2017年10月26日 (3年2ヶ月経過) 出願番号 2017-207577
公開日 2019年5月23日 (1年7ヶ月経過) 公開番号 2019-080248
状態 未査定
技術分野 音波、超音波を用いた位置、速度等の測定 超音波変換器
主要キーワード パルス波電圧 基準電位回路 近距離センサ 残響振動 変形効率 超音波測定装置 送信感度 疎密波
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (12)

課題

音波送受信感度を高く維持しつつ、超音波の送受信制御が容易で、残響振動も抑制可能な超音波デバイス、及び超音波測定装置を提供する。

解決手段

超音波デバイスは、振動素子により振動可能となる振動領域を有する振動膜と、前記振動膜の前記振動領域を覆って設けられるダンパー層と、を備え、前記ダンパー層の厚み寸法は、13μm以上25μm以下である。

概要

背景

従来、対象物に対して超音波を出力する超音波デバイスが知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載の超音波デバイス(超音波センサー)は、支持層の一部をエッチングすることで形成されたダイアフラムメンブレン)と、当該ダイアフラム上に下部電極圧電膜、及び上部電極を積層した圧電積層体とを備える。そして、この超音波デバイスでは、ダイアフラムの圧電積層体が設けられる側の面を覆うように、フロロカーボン薄膜が設けられている。
このような超音波デバイスでは、圧電積層体の下部電極及び上部電極に電圧印加することで、ダイアフラムを振動させ、当該ダイアフラムの振動が直接空気に作用して疎密波を生じさせることで超音波が空気中に送信される。このため、このような超音波デバイスでは、音響インピーダンス整合を取るための層(音響整合層)等を別途設ける必要がなく、構成の簡素化を図れる。

概要

超音波の送受信感度を高く維持しつつ、超音波の送受信制御が容易で、残響振動も抑制可能な超音波デバイス、及び超音波測定装置を提供する。超音波デバイスは、振動素子により振動可能となる振動領域を有する振動膜と、前記振動膜の前記振動領域を覆って設けられるダンパー層と、を備え、前記ダンパー層の厚み寸法は、13μm以上25μm以下である。

目的

本発明は、超音波の送受信精度が高い超音波デバイス、及び超音波測定装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
0件

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請求項1

振動素子により振動可能となる振動領域を有する振動膜と、前記振動膜の前記振動領域を覆って設けられるダンパー層と、を備え、前記ダンパー層の厚み寸法は、13μm以上25μm以下であることを特徴とする超音波デバイス

請求項2

請求項1に記載の超音波デバイスにおいて、前記ダンパー層は、ヤング率が150MPa以下の素材により構成されていることを特徴とする超音波デバイス。

請求項3

請求項1または請求項2に記載の超音波デバイスにおいて、前記振動素子は、前記振動膜の一面に設けられた下部電極、前記下部電極に積層された圧電体層、及び前記圧電体層に積層された上部電極を備える圧電素子であり、前記ダンパー層は、前記圧電素子が設けられる前記振動膜の前記一面に設けられていることを特徴とする超音波デバイス。

請求項4

請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の超音波デバイスにおいて、前記振動素子により前記振動領域を振動させた際に超音波が送信される方向を第一方向として、前記ダンパー層は、前記振動膜の前記第一方向とは反対側の面に設けられていることを特徴とする超音波デバイス。

請求項5

請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の超音波デバイスと、前記超音波デバイスを制御する制御部と、を備えることを特徴とする超音波測定装置

技術分野

0001

本発明は、超音波デバイス、及び超音波測定装置に関する。

背景技術

0002

従来、対象物に対して超音波を出力する超音波デバイスが知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載の超音波デバイス(超音波センサー)は、支持層の一部をエッチングすることで形成されたダイアフラムメンブレン)と、当該ダイアフラム上に下部電極圧電膜、及び上部電極を積層した圧電積層体とを備える。そして、この超音波デバイスでは、ダイアフラムの圧電積層体が設けられる側の面を覆うように、フロロカーボン薄膜が設けられている。
このような超音波デバイスでは、圧電積層体の下部電極及び上部電極に電圧印加することで、ダイアフラムを振動させ、当該ダイアフラムの振動が直接空気に作用して疎密波を生じさせることで超音波が空気中に送信される。このため、このような超音波デバイスでは、音響インピーダンス整合を取るための層(音響整合層)等を別途設ける必要がなく、構成の簡素化を図れる。

先行技術

0003

特開2010−183437号公報

発明が解決しようとする課題

0004

しかしながら、ダイアフラムを単独で振動させる構成とすると、ダイアフラム自身のQ値が高くなって超音波の送受信制御が困難となり、また、超音波を送信した後の残響振動(振動の尾引き)も長くなり、超音波の送受信精度が低下するとの課題がある。

0005

本発明は、超音波の送受信精度が高い超音波デバイス、及び超音波測定装置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

0006

本発明の一適用例に係る超音波デバイスは、振動素子により振動可能となる振動領域を有する振動膜と、前記振動膜の前記振動領域を覆って設けられるダンパー層と、を備え、前記ダンパー層の厚み寸法は、13μm以上25μm以下であることを特徴とする。

0007

本適用例では、振動膜に、振動素子によって振動可能となる振動領域が設けられており、この振動領域を覆う位置に、厚み寸法が13μm以上25μm以下となるダンパー層が設けられている。
ここで、振動膜に設けられるダンパー層の厚み寸法が25μmを超える場合では、振動領域の振動がダンパー層により阻害される。この場合、超音波を送信する際に振動領域が十分な変位で振動できず、超音波の送信感度(超音波の音圧)が低下する。また、超音波を受信する際にも受信超音波による振動膜の変位が小さくなることで受信感度も低下する。さらに、振動膜に設けられるダンパー層の厚み寸法が13μm未満となる場合では、振動領域が振動した際の残響振動(振動の尾引き)が長くなり、超音波の送受信精度が低下する。
これに対して、上記のように、13μm以上25μm以下となる厚み寸法のダンパー層を設ける場合、ダンパー層による振動領域の振動阻害が抑制されることで、超音波の送受信感度を高くすることができる。これに加え、ダンパー層によって、残響振動の発生をも抑制することができ、超音波の送受信精度を向上できる。また、ダンパー層が振動膜に設けられていることで、振動膜自身のQ値も低減できるので、超音波の送受信に係る制御も容易となる。

0008

本適用例の超音波デバイスにおいて、前記ダンパー層は、ヤング率が150MPa以下の素材により構成されていることが好ましい。
本適用例では、ダンパー層のヤング率が150MPa以下である。ダンパー層として、例えばフロロカーボン膜や、ポリテトラフルオロエチレンPTFE)等のヤング率が高い素材で構成された層を形成した場合、ダンパー層によって振動領域の振動が阻害される。これに対して、上記のようなヤング率により構成されたダンパー層を用いることで、振動領域の振動が阻害される不都合を好適に抑制することができる。

0009

本適用例の超音波デバイスにおいて、前記振動素子は、前記振動膜の一面に設けられた下部電極、前記下部電極に積層された圧電体層、及び前記圧電体層に積層された上部電極を備える圧電素子であり、前記ダンパー層は、前記圧電素子が設けられる前記振動膜の前記一面に設けられていることが好ましい。
本適用例では、振動素子は、下部電極、圧電体層、及び上部電極を積層した圧電素子により構成されている。このような圧電素子では、下部電極及び上部電極の間に電圧を印加することで、圧電体層を変形させることができ、この圧電体層の変形により振動領域を振動させて超音波を送信することができる。また、超音波が振動膜の振動領域に入力されると、振動領域が変位する。これにより、振動領域に設けられた圧電体層の変位量に応じた電位差が下部電極及び上部電極の間に生じ、この電位差を検出することで超音波の受信を検出することができる。
そして、本適用例では、ダンパー層は、振動膜の圧電体層が配置される側に設けられている。つまり、ダンパー層によって、圧電素子が覆われる構成となり、圧電素子を保護することができる。例えば、圧電体層への水滴の付着に起因する圧電体層の焼損等の発生を抑制できる。

0010

本適用例の超音波デバイスにおいて、前記振動素子により前記振動領域を振動させた際に超音波が送信される方向を第一方向として、前記ダンパー層は、前記振動膜の前記第一方向とは反対側の面に設けられていることが好ましい。
本適用例の超音波デバイスにより、空気中に超音波を送信する場合、振動膜の超音波の送信方向(第一方向)側となる一面にダンパー層が設けられると、超音波がダンパー層を介して空気中に送信されることになる。この場合、ダンパー層によって超音波が減衰してしまう。これに対して、本適用例では、振動膜の第一方向とは反対側にダンパー層が設けられているので、超音波を減衰させることなく空気中に送信でき、また、空気中からの超音波を減衰されることなく振動領域で受信できる。

0011

本発明に係る一適用例の超音波測定装置は、上述したような超音波デバイスと、前記超音波デバイスを制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
本適用例では、上述したように、超音波デバイスにおいて、ダンパー層が設けられることで、超音波の送受信制御が容易となる。また、振動領域の振動がダンパー層により阻害されることがないので、超音波の送受信感度を高めることができ、さらに、残響振動をも抑制することができ、高精度な超音波の送受信処理を実施できる。
したがって、超音波測定装置において、制御部は、当該超音波デバイスを容易に制御することが可能となり、高い送受信精度で超音波の送受信を行うことができるので、精度の高い超音波測定を実施することができる。

図面の簡単な説明

0012

第一実施形態の超音波デバイスの概略構成を示す平面図。
第一実施形態の超音波デバイスの一部の断面図。
超音波デバイスにおけるダンパー層の厚み寸法と、振動部の最大変位量との関係を示す図。
ダンパー層が設けられていない場合の残響振動によるパルス幅を示す図。
厚み寸法が20μmのダンパー層を設けた場合の残響振動によるパルス幅を示す図。
開口部の幅寸法を170μm、200μm、260μmとした際の、ダンパー層の厚み寸法とパルス幅との関係を示す図。
図6において、ダンパー層の厚み寸法が0である場合を基準(100%)とした際の、パルス幅の変化を示す図。
ダンパー層のヤング率と、振動部の振動振幅変形効率との関係を示す図。
第二実施形態に係る距離センサーの概略構成を示す図。
第一実施形態の変形例に係る超音波デバイスの概略構成を示す断面図。
第一実施形態の他の変形例に係る超音波デバイスの概略構成を示す断面図。

実施例

0013

[第一実施形態]
以下、本発明の第一実施形態に係る超音波デバイスについて説明する。図1は、超音波デバイス10の概略構成を示す平面図である。図2は、図1のA−A線を切断した際の超音波デバイス10の一部の断面図である。
図1及び図2に示すように、超音波デバイス10には、素子基板11と、圧電素子12と、ダンパー層13(図2参照)と、を備えて構成されている。ここで、以降の説明にあたり、素子基板11の基板厚み方向をZ方向とし、Z方向に直交する2軸方向をそれぞれX方向及びY方向とする。また、Z方向(+Z側に向かう方向)は、本発明の第一方向に相当し、超音波を送信する方向となる。

0014

(素子基板11の構成)
素子基板11は、図2に示すように、基板本体部111と、基板本体部111の−Z側に設けられる振動膜112と、を備える。
基板本体部111は、振動膜112を支持する基板であり、例えばSi等の半導体基板で構成される。ここで、素子基板11には、Z方向から見た平面視で、図1に示すように、X方向及びY方向に沿った2次元アレイ状に配置される複数の開口部111Aが設けられている。
本実施形態では、各開口部111Aは、基板本体部111の基板厚み方向(Z方向)を貫通した貫通孔であり、当該貫通孔の一端側(−Z側)を閉塞するように振動膜112が設けられている。

0015

振動膜112は、例えばSiO2や、SiO2及びZrO2の積層体等より構成され、基板本体部111の−Z側に設けられる。振動膜112の厚み寸法は、基板本体部111に対して十分小さい厚み寸法となる。この振動膜112は、開口部111Aを構成する基板本体部111の壁部111B(図2参照)により支持され、開口部111Aの−Z側を閉塞する。振動膜112のうち、平面視で開口部111Aと重なる部分(開口部111Aを閉塞する領域)は、振動部112Aを構成する。つまり、開口部111Aは、振動膜112の振動部112Aの外縁を規定する。この振動部112Aは、圧電素子12により振動可能となる振動領域となる。

0016

(圧電素子12の構成)
圧電素子12は、本発明の振動素子であり、本実施形態では、振動膜112の一面(−Z側の面)で、かつ、Z方向から見た平面視で各振動部112Aと重なる位置にそれぞれ設けられている。この圧電素子12は、図2に示すように、振動膜112上に下部電極121、圧電体層122、及び上部電極123が順に積層されることにより構成されている。

0017

具体的には、下部電極121は、図1に示すように、X方向に沿って直線状に形成される。下部電極121の両端部(±X側端部)は、例えば、超音波デバイス10を制御する回路基板等に接続される下部電極端子121Pとなる。
また、上部電極123は、Y方向に沿って直線状に形成されている。上部電極123の±Y側端部は、共通電極線123Aに接続される。共通電極線123Aは、X方向に対して複数配置された上部電極123同士を結線し、共通電極線123Aの両端部(±X側端部)は、回路基板等に接続される上部電極端子123Pとなる。
圧電体層122は、例えばPZTジルコン酸チタン酸鉛)等の圧電体の薄膜により形成されている。なお、図2に示すように、圧電体層122の側面部を覆うように保護膜124が設けられる構成としてもよい。

0018

ここで、振動膜112における1つの振動部112Aと、当該振動部112A上に設けられた圧電素子12とにより、1つの超音波トランスデューサーTrが構成される。したがって、図1に示すように、超音波デバイス10には、X方向及びY方向に沿って複数の超音波トランスデューサーTrが配置される。
また、本実施形態の超音波デバイス10では、X方向に配置された複数の超音波トランスデューサーTrにおいて下部電極121が共通となり、これらのX方向に配置された複数の超音波トランスデューサーTrにより、1CH(チャネル)の送受信列Chが構成される。また、当該1CHの送受信列ChがY方向に沿って複数並んで配置されることで、1次元アレイ構造の超音波デバイス10が構成されている。

0019

このような構成の超音波トランスデューサーTrでは、下部電極121及び上部電極123の間に所定周波数パルス波電圧が印加されることにより、圧電体層122が伸縮し、圧電素子12が設けられた振動膜112の振動部112Aが、開口部111Aの開口幅等に応じた周波数で振動する。これにより、振動部112Aの+Z側(開口部111A側)から超音波が送信される。
また、開口部111Aに超音波が入力されると、当該超音波によって振動部112Aが振動し、圧電体層122の上下で電位差が発生する。したがって、下部電極121及び上部電極123間に発生する電位差を検出することにより、超音波を検出(受信)することが可能となる。

0020

(ダンパー層13の構成)
振動膜112の−Z側には、ダンパー層13が設けられている。
本実施形態では、ダンパー層13は、振動膜112及び各圧電素子12の−Z側全体(つまり、超音波が送受信される側とは反対側の面)を覆う。ダンパー層13は、Z方向から見た際に、圧電素子12と重なる部分が、当該圧電素子12の表面に密着し、圧電素子12と重ならない部分は振動膜112の−Z側の面に密着している。
このダンパー層13は、ヤング率が130MPa以下の素材(例えばシリコーン等)により構成されている。また、ダンパー層13の厚み寸法(Z方向に沿う寸法)は、13μm以上、25μm以下となる。

0021

ところで、本実施形態では、上述したように、振動膜112の振動部112Aの振動により超音波の送信を行う。具体的には、振動部112Aを振動させることで、振動部112Aの振動を直接空気に作用させて疎密波を生じさせて、超音波を送信する。
ここで、上記のように振動膜112を振動させて超音波を送信する構成では、ダンパー層13が設けられていない場合、振動膜112自身のQ値が非常に高くなり、超音波の送受信制御が困難となる。また、振動が収束するまでの時間(残響振動が発生している時間)も長くなる。
そこで、本実施形態では、上記の様に、厚み寸法が13μm以上25μm以下となるダンパー層13を設けることで、上記の課題を解決している。

0022

図3は、圧電素子12に所定の周期駆動電圧を印加して振動部112Aを振動させた際の、ダンパー層13の厚み寸法と、振動部112Aの最大変位量との関係を示す図である。
ダンパー層13の厚み寸法を大きくすると、振動部112Aの振動振幅が低下し、これにより、超音波の送受信感度が低下する。特に、図3に示すように、ダンパー層13の厚み寸法が25μmを超えると、最大変位量は大きく低下する。最大変位量が低下すると、圧電素子12に電圧を印加した際の超音波の送信感度が低下する。また、超音波を受信した際にも、振動部112Aが振動しにくくなるので、受信感度も低下する。
一方、ダンパー層13の厚み寸法が25μm以下である場合、振動部112Aの最大変位量は10μm近傍に維持される。すなわち、ダンパー層13の厚み寸法25μm以下である場合、ダンパー層13を設けない場合と略同様の変位量が得られ、十分な超音波の送受信感度が得られることが分かる。

0023

次に、振動部112Aが振動した際の残響振動について説明する。
超音波デバイス10では、各超音波トランスデューサーTrから超音波を送信し、対象物にて反射された超音波(反射波)を受信することで、超音波デバイス10から対象物までの距離を測定することが可能となる。しかしながら、超音波トランスデューサーTrから超音波を送信した際の振動部112Aの振動(残響振動)がある場合、反射波を受信した際に、残響振動による信号と反射波の受信に伴う振動部112Aの振動による信号との判別がつきにくくなり、超音波受信時の精度が低下する。また、残響振動による微弱な超音波が送信されてしまうとの不都合も生じる。特に、超音波デバイス10を、近距離の対象物を検出するための近距離センサー等として用いる場合、上記のような残響振動が残る期間に反射波を受信する可能性もあり、残響振動が長期間発生することは好ましくない。

0024

ここで、超音波トランスデューサーTrにより1パルスの超音波を送信した後、その振幅が1/10となるまでの時間を、残響振動によるパルス幅(μsec)とする。図4は、ダンパー層13が設けられていない場合の残響振動の波形を示す図である。図5は、厚み寸法が20μmのダンパー層13を設けた際の残響振動の波形を示す図である。図4及び図5において、破線は、最大振幅の1/10となる振幅を示している。この図4及び図5は、超音波トランスデューサーTrから1パルスの超音波を送信させた後の、振動部112Aの振動振幅の変化を測定した結果である。
図4に示すように、ダンパー層13を設けない場合のパルス幅(振幅が1/10となるまでの時間)は約200μsecである。これに対して、図5に示すように、20μmの厚み寸法のダンパー層13を設けた場合、パルス幅は、約75μsecとなり、残響振動が生じる期間がダンパー層13を設けない場合に比べて、1/2以下になることが分かる。

0025

また、図6は、開口部111Aの幅寸法を170μm、200μm、260μmとした際の、ダンパー層13の厚み寸法とパルス幅との関係を示す図である。図7は、図6において、ダンパー層13の厚み寸法が0である場合を基準(100%)とした際の、パルス幅の変化を示す図である。
図6及び図7に示すように、ダンパー層13の厚み寸法を13μm以上にすることで、開口部111Aの開口幅(超音波の周波数)によらず、パルス幅を1/2以下にできる。
一方、ダンパー層13の厚み寸法が13μm未満である場合、残響振動によるパルス幅が長くなり、超音波の送受信時の精度を十分に維持することができない。

0026

すなわち、厚み寸法が13μm以上25μm以下であるダンパー層13が設けられていることで、超音波の送受信感度を高くでき、かつ、残響振動も短くすることができ、超音波の送受信精度を高めることができる。

0027

次に、ダンパー層13のヤング率について説明する。
図8は、ダンパー層13のヤング率と、振動部112Aの振動振幅の変形効率との関係を示す図である。図8では、ダンパー層13を設けない場合の変形効率を100%としている。
ダンパー層13として、ヤング率が10MPa以下の素材を用いた場合、図8に示すように、振動部112Aの振動振幅は、ダンパー層13を設けない場合に比べてほぼ変化がない。すなわち、超音波の送信時には音圧の高い超音波を送信でき、超音波を受信した際に、振動部112Aの振動を大きくできることで、高い信号レベル受信信号が得られる。
ヤング率を10MPaからさらに大きくすると、図8に示すように、振動部112Aの振動効率は低下し、500MPaを超えると、振動部112Aの振動効率が50%を下回る。
超音波の送受信感度としては、振動効率の低下を50%以下に抑えることが好ましい。したがって、ダンパー層13のヤング率としては、500MPa以下とすることが好ましい。このようなダンパー層13の素材としては、例えばシリコーンゴムや各種ゴム素材ポリエチレン等を用いることができ、特に、ヤング率が10MPa以下となるシリコーンゴムや各種ゴム素材を用いることがより好ましい。

0028

[本実施形態の作用効果
本実施形態の超音波デバイス10では、圧電素子12が設けられる振動部112Aに接してダンパー層13が設けられており、このダンパー層13の厚み寸法が13μm以上25μm以下の厚み寸法となる。
このようなダンパー層13が設けられることで、振動部112AのQ値を下げることが可能となり、超音波デバイス10における超音波の送受信制御を容易に行うことができる。つまり、振動部112Aにダンパー層13が設けられない場合、各超音波トランスデューサーTrの応答性が過剰に高くなるため、例えば超音波デバイス10に僅かな外乱振動が入力された場合でも、振動部112Aが振動して受信信号が出力される等の不都合が生じる。この場合、超音波が入力されていないにもかかわらず、受信信号が出力されてしまう。これに対して、ダンパー層13が設けられることで、振動部112AのQ値が低下し、超音波の送受信制御を適切に実施することが可能となる。
また、本実施形態では、ダンパー層13の厚み寸法が13μm以上となるため、図6図7に示すように、超音波トランスデューサーTrを駆動させた際の残響振動を抑制することができる。これにより、残響振動に起因する意図しない超音波発信や、残響振動中での反射波の受信等が抑制され、超音波の送受信精度を向上できる。
さらに、ダンパー層13の厚み寸法が25μm以下となるため、図3に示すように、振動部112Aの最大変位量の低下を抑制できる。これにより、超音波の送信時には、高い出力値の超音波を送信でき、反射波の受信時には、信号レベルの高い受信信号を得ることができ、超音波の送受信感度を高めることができる。
すなわち、本実施形態では、超音波デバイス10による超音波の送受信感度を高くでき、かつ、高い精度で超音波の送受信処理を実施することができ、さらに、超音波の送受信に係る制御も容易にできる。

0029

本実施形態では、ダンパー層13のヤング率が150MPa以下となる。このため、ダンパー層13による振動部112Aの振動が阻害される不都合が抑制され、図8に示すように、振動部112Aの変形効率を50%以上に維持できる。これにより、超音波の送受信感度を高めることができる。

0030

本実施形態では、振動部112Aの−Z側の面に圧電素子12が設けられており、ダンパー層13は、振動部112A及び圧電素子12を覆って形成されている。このような構成では、ダンパー層13によって、圧電素子12が覆われる構造となり、例えば圧電素子12への水滴の付着による焼損等の不都合を抑制でき、好適に圧電素子を保護することができる。

0031

本実施形態では、超音波デバイス10は、振動部112Aを振動させることで、振動部112Aから開口部111A側に超音波を送信し、開口部111A側から入力された超音波を受信する。そして、ダンパー層13は、振動部112Aの超音波の送受信方向である+Z側とは反対側の−Z側に設けられている。このため、超音波の送受信処理において、ダンパー層13が超音波の進路方向に介在することがなく、超音波の減衰が発生しない。よって、超音波の送信時には出力(振幅)の大きい超音波を出力することができ、超音波の受信時には、反射波による振動部112Aの変位量を大きくでき、高い信号レベルの受信信号を得ることができる。

0032

[第二実施形態]
次に、第二実施形態について説明する。第二実施形態では、第一実施形態で説明した超音波デバイス10を備えた超音波測定装置の一例としての距離センサーについて説明する。
図9は、本実施形態に係る距離センサー100の概略構成を示す図である。
本実施形態の距離センサー100は、図9に示すように、超音波デバイス10と、超音波デバイス10を制御する制御部20とにより構成されている。この制御部20は、超音波デバイス10を駆動させる駆動回路30と、演算部40とを含んで構成されている。また、制御部20には、その他、距離センサー100を制御するための各種データや各種プログラム等を記憶した記憶部を備えていてもよい。

0033

駆動回路30は、超音波デバイス10の駆動を制御するためのドライバー回路であり、例えば図9に示すように、基準電位回路31、切替回路32、送信回路33、及び受信回路34等を備える。
基準電位回路31は、上部電極端子123Pに接続され、上部電極端子123Pに基準電位(例えば−3V等)を印加する。
切替回路32は、各下部電極端子121Pと、送信回路33と、受信回路34とに接続される。この切替回路32は、スイッチング回路により構成されており、各下部電極端子121Pのそれぞれと送信回路33とを接続する送信接続、及び、各下部電極端子121Pのそれぞれと受信回路34とを接続する受信接続切り替える。

0034

送信回路33は、切替回路32及び演算部40に接続され、切替回路32が送信接続に切り替えられた際に、演算部40の制御に基づいて、各超音波トランスデューサーTrにパルス波形駆動信号を出力し、超音波デバイス10から超音波を送信させる。
受信回路34は、切替回路32及び演算部40に接続され、切替回路32が受信接続に切り替えられた際に、各下部電極121からの受信信号が入力される。この受信回路34は、例えばリニアノイズアンプ、A/Dコンバーター等を含んで構成されており、入力された受信信号のデジタル信号への変換、ノイズ成分の除去、所望信号ベルへの増幅等の各信号処理を実施した後、処理後の受信信号を演算部40に出力する。

0035

演算部40は、例えばCPU(Central Processing Unit)等により構成され、駆動回路30を介して超音波デバイス10を制御し、超音波デバイス10により超音波の送受信処理を実施させる。
すなわち、演算部40は、切替回路32を送信接続に切り替え、送信回路33から超音波デバイス10の各超音波トランスデューサーTrに駆動信号を出力させて、超音波を送信させる。また、演算部40は、超音波を送信した直後に、切替回路32を受信接続に切り替えさせる。これにより、超音波デバイス10で反射波を受信した際に受信信号が受信回路34を介して演算部40に入力される。そして、演算部40は、ToF(Time of Flight)法により、超音波デバイス10から超音波を送信した送信タイミングから、受信信号が受信されるまでの時間と、空気中における音速とを用いて、超音波デバイス10から対象物までの距離を算出する。

0036

上記のような本実施形態の距離センサー100では、第一実施形態において説明した超音波デバイス10を備える。この超音波デバイス10は、上述したように、振動膜112に厚み寸法が13μm以上25μm以下となるダンパー層13が設けられているため、当該超音波デバイス10による超音波の送受信感度を高く維持しつつ、残響振動をも抑制した精度の高い超音波の送受信を行うことができ、超音波の送受信に係る制御も容易となる。
したがって、制御部20は、超音波デバイス10の超音波の送受信処理を容易に制御することができ、かつ、超音波デバイス10により得られた精度の高い超音波の送受信結果に基づいて、超音波デバイス10から対象物までの距離を高精度に算出することができる。

0037

[変形例]
なお、本発明は上述の各実施形態及び変形例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、及び各実施形態を適宜組み合わせる等によって得られる構成は本発明に含まれるものである。

0038

例えば、上記第一実施形態では、超音波デバイス10が、素子基板11の開口部111A側から超音波を送信し、開口部111Aに入力される超音波を受信し、ダンパー層13が、振動膜112の基板本体部111とは反対側の面に設けられる構成としたが、これに限られない。
図10及び図11は、超音波デバイスの他の例を示す断面図である。
例えば、図10に示す超音波デバイス10Aでは、素子基板11の開口部111Aとは反対側の面(圧電素子12が設けられる面)が超音波の送受信面となる。つまり、超音波デバイス10Aは、振動膜112から−Z側(基板本体部111とは反対側)に超音波が送信され、−Z側から入力された超音波が振動部112Aにて受信される。このような構成の超音波デバイス10Aでは、図10に示すように、ダンパー層13は、開口部111A内に設けられることが好ましい。
また、この場合、図11に示すように、基板本体部111の厚み寸法をダンパー層13の厚み寸法と同寸法とする構成としてもよい。

0039

上記第一実施形態において、ダンパー層13のヤング率が150MP以下の素材により構成される例を示したが、より好ましくは、10MPa以下であり、具体的にはシリコーンや、各種ゴム材により構成されていることがより好ましい。

0040

第一実施形態において、振動膜112の振動部112Aを振動させる振動素子として、圧電素子12を例示したが、これに限定されない。
例えば、振動膜の振動領域(振動部)に対してエアギャップを介して対向する基板を設け、振動部と基板とのそれぞれに電極を設ける構成としてもよい。このような構成では、振動部に設けられた電極と、基板に設けられた電極との間に周期駆動電圧を印加することで、振動部が静電引力によって基板側に引き寄せられることで振動し、超音波を送信する。また、超音波を受信した際には、振動部が振動されることで、電極間静電容量が変動する。すなわち、この静電容量の変動を検出により、超音波の受信を検出する。
また、当該構成では、超音波は振動部の基板とは反対側に出力される。したがって、振動部と基板との間(エアギャップ)に、振動部に接するダンパー層を設ける構成とする。これにより、上記実施形態と同様、超音波の送受信感度を高く維持しつつ、かつ、残響振動をも抑制することができ、超音波の送受信に係る制御も容易にできる。

0041

上記第一実施形態では、超音波を空気中に送信し、空気中から伝搬された超音波を受信する超音波デバイス10を例示し、ダンパー層13を、振動膜112の超音波の送信方向とは反対側の面に設ける構成とした。
これに対して、例えば、超音波を水中等に送信する場合では、振動膜112のうち超音波の送信方向にシリコーンゴム等により構成されたダンパー層13を設ける構成としてもよい。すなわち、超音波を伝搬させる媒質と同程度の音響インピーダンスを有するダンパー層13であれば、超音波の送信方向に設けられていてもよい。

0042

上記第二実施形態では、超音波測定装置の一例として距離センサー100を例示したが、これに限定されない。例えば、超音波の送受信結果に応じて、構造体の内部断層像を測定する超音波測定装置等に適用することもできる。

0043

その他、本発明の実施の際の具体的な構造は、本発明の目的を達成できる範囲で上記各実施形態及び変形例を適宜組み合わせることで構成してもよく、また他の構造などに適宜変更してもよい。

0044

10、10A…超音波デバイス、11…素子基板、12…圧電素子、13…ダンパー層、20…制御部、30…駆動回路、40…演算部、100…距離センサー(超音波測定装置)、111…基板本体部、111A…開口部、111B…壁部、112…振動膜、112A…振動部、121…下部電極、122…圧電体層、123…上部電極、Tr…超音波トランスデューサー。

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