JP7424069B2 - 超音波デバイス及び超音波センサー - Google Patents

Description

本発明は、超音波デバイス及び超音波センサーに関する。

従来から、基板と振動素子を有する振動板とを備える超音波デバイスが使用されている。このような超音波デバイスの一例として、例えば、特許文献１には、開口部が形成された基板と、該開口部を塞ぐように該基板に設けられた振動板と、圧電体層と第１電極と第２電極とが重なって構成される振動素子としての能動部と、該能動部間に設けられた振動の抑制部と、を備える超音波センサーが開示されている。

特開２０１５－１８８２０２号公報

しかしながら、基板と振動素子を有する振動板とを備える従来の超音波デバイスにおいては、振動素子を振動させることに伴い振動素子の形成部分などがクロストークにより振動し、例えば振動素子のうちの受信素子などにおいて該クロストークによる振動などの影響を受けて受信精度が低下する場合があった。そこで、本発明は、超音波デバイスの精度低下を抑制することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の超音波デバイスは、基板と、前記基板に設けられ、振動することにより超音波を生成する１つ以上の振動素子を有する振動板と、を備え、前記振動板は、前記振動素子が設けられ前記振動素子の振動に伴って振動する可動部と、前記可動部の周囲に形成され前記基板に固定される固定部と、を有し、前記固定部は、前記振動素子の振動に伴う前記可動部のクロストークによる振動周波数であるクロストーク振動周波数が前記振動素子の振動周波数帯域外となるように構成されており、前記クロストーク振動周波数は、前記振動素子の振動周波数帯域よりも高く、前記振動素子を複数有し、前記可動部には、各前記振動素子との間に第１壁部が設けられ、複数の前記振動素子の配置における端に配置された前記振動素子の前記固定部側には第２壁部が設けられ、前記第２壁部の前記振動素子とは反対側は空間部、または、前記第２壁部とは異なる材質の部材であり、前記空間部、または、前記第２壁部とは異なる材質の部材の体積が所定の体積以下に調整されていることで、前記クロストーク振動周波数が前記振動素子の振動周波数帯域よりも高くなるよう調整されていることを特徴とする。

本発明の超音波デバイスの一例としての実施例１の超音波センサーを表す概略図。 図１の超音波センサーで超音波を送信及び受信することに伴う、送信素子及び受信素子の振動状態を表すグラフ。 図１の超音波センサーにおける送信受信部を表す概略図。 図１の超音波センサーにおける振動素子を表す概略平面図。 図３の送信受信部における図４のＡ－Ａ断面を表す概略断面図。 図３の送信受信部における図４のＢ－Ｂ断面を表す概略断面図。 図３の送信受信部における図４のＣ－Ｃ断面を表す概略断面図。 図３の送信受信部を簡略的に表す概略断面図。 図１の超音波センサーにおける振動素子の振動周波数帯域とクロストークによる振動の周波数との関係を表すグラフ。 実施例２の超音波センサーの送信受信部を簡略的に表す概略断面図。 実施例３の超音波センサーの送信受信部を簡略的に表す概略断面図。 実施例４の超音波センサーの送信受信部を簡略的に表す概略断面図。 参考例の超音波センサーの送信受信部を簡略的に表す概略断面図。 図１３の超音波センサーにおける振動素子の振動周波数帯域とクロストークによる振動の周波数との関係を表すグラフ。

最初に、本発明について概略的に説明する。
上記課題を解決するための本発明の第１の態様の超音波デバイスは、基板と、前記基板に設けられ、振動することにより超音波を生成する１つ以上の振動素子を有する振動板と、を備え、前記振動板は、前記振動素子が設けられ前記振動素子の振動に伴って振動する可動部と、前記可動部の周囲に形成され前記基板に固定される固定部と、を有し、前記固定部は、前記振動素子の振動に伴う前記可動部のクロストークによる振動周波数であるクロストーク振動周波数が前記振動素子の振動周波数帯域外となるように構成されていることを特徴とする。

本態様によれば、可動部から送信し可動部で受信した波に基づくクロストーク振動周波数が振動素子の振動周波数帯域外となるように構成されている。このため、振動素子形成部におけるクロストークによる振動が振動素子の振動に影響を与えることを抑制することができる。すなわち、超音波デバイスの精度低下を抑制することができる。ここで、クロストークとは、送信素子を駆動することに伴って受信素子が振動し受信素子の感度に影響を与えることを意味する。

本発明の第２の態様の超音波デバイスは、前記第１の態様において、前記クロストーク振動周波数は、前記振動素子の振動周波数帯域よりも高いことを特徴とする。

クロストーク振動周波数が振動素子の振動周波数帯域よりも低ければ、１次モードでクロストーク振動周波数が振動素子の振動周波数帯域外となるように構成しても、２次モードや３次モードでクロストーク振動周波数が振動素子の振動周波数帯域内になる虞がある。しかしながら、本態様によれば、クロストーク振動周波数は振動素子の振動周波数帯域よりも高い。このため、２次モードや３次モードでクロストーク振動周波数が振動素子の振動周波数帯域内になる虞を抑制することができる。

本発明の第３の態様の超音波デバイスは、前記第２の態様において、前記振動素子を複数有し、前記可動部には、各前記振動素子との間に第１壁部が設けられ、複数の前記振動素子の配置における端に配置された前記振動素子の前記固定部側には第２壁部が設けられ、前記第２壁部の前記振動素子とは反対側は空間部、または、前記第２壁部とは異なる材質の部材であり、前記空間部、または、前記第２壁部とは異なる材質の部材の体積が所定の体積以下に調整されていることで、前記クロストーク振動周波数が前記振動素子の振動周波数帯域よりも高くなるよう調整されていることを特徴とする。

本態様によれば、空間部または第２壁部とは異なる材質の部材の体積が所定の体積以下になるよう調整することで、クロストーク振動周波数が振動素子の振動周波数帯域よりも高くなるよう簡単に調整できる。

本発明の第４の態様の超音波デバイスは、前記第１から第３のいずれか１つの態様において、前記基板を補強する補強板を備えることを特徴とする。

基板は薄く壊れやすい場合があるが、本態様によれば、基板を補強する補強板を備えることで、基板の破損を抑制できる。

本発明の第５の態様の超音波デバイスは、前記第４の態様において、前記振動板は、前記基板の第１方向側の面に前記振動素子が設けられ、前記補強板は、前記振動板よりも前記第１方向側に設けられることを特徴とする。

本態様によれば、補強板は振動板よりも第１方向側に設けられる。このため、第１方向とは反対方向の第２方向側に超音波を送信する構成の超音波デバイスにおいて、基板の破損を抑制しつつ超音波デバイスの精度低下を抑制することができる。

本発明の第６の態様の超音波デバイスは、前記第５の態様において、前記補強板と前記振動板との間に、中間部材を備えることを特徴とする。

本態様によれば、補強板と振動板との間に中間部材を備える。このため、補強板と振動板とを直接接触させづらい構成においても、第２方向側に超音波を送信する構成の超音波デバイスを簡単に形成できる。

本発明の第７の態様の超音波デバイスは、前記第４の態様において、前記振動板は、前記基板の第１方向側の面に前記振動素子が設けられ、前記補強板は、前記基板の前記第１方向とは反対方向である前記第２方向側に設けられることを特徴とする。

本態様によれば、補強板は振動板よりも第２方向側に設けられる。このため、第１方向側に超音波を送信する構成の超音波デバイスにおいて、基板の破損を抑制しつつ超音波デバイスの精度低下を抑制することができる。

本発明の第８の態様の超音波デバイスは、前記第７の態様において、前記補強板と前記基板との間に、中間部材を備えることを特徴とする。

本態様によれば、補強板と基板との間に中間部材を備える。このため、補強板と基板とを直接接触させづらい構成においても、第１方向側に超音波を送信する構成の超音波デバイスを簡単に形成できる。

本発明の第９の態様の超音波センサーは、前記第１から第８のいずれか１つの態様の超音波デバイスと、前記振動素子を振動することにより送信された超音波の反射波を受信するまでの時間を計測するタイマーと、を備えることを特徴とする。

本態様によれば、精度低下を抑制しつつ振動素子を振動することにより送信された超音波の反射波を受信するまでの時間を計測することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。
［実施例１］
最初に、本発明の超音波デバイスの一例としての実施例１の超音波センサー１について図１から図９を参照して説明する。

超音波センサー１は、図１で表されるように、超音波を送信方向Ｄ１に送信し、対象物Ｏで反射されることで受信方向Ｄ２に移動してきた超音波を受信する、送信受信部１００を備えている。なお、送信受信部１００の詳細は後述するが、送信受信部１００は、図８で表されるように、超音波を送信する送信素子１２４ａと、送信素子１２４ａから送信された超音波を受信する受信素子１２４ｂと、を備えている。

また、送信受信部１００から送信された超音波を受信するまでの時間を計測するタイマー２００を備えている。超音波センサー１は、タイマー２００により計測された時間に基づいて、超音波センサー１から対象物Ｏまでの距離Ｌｏを計測することが可能である。

図２のパルスＰ１で表されるように送信素子１２４ａから超音波を送信することに伴って送信素子１２４ａは振動するが、図２のパルスＰ２で表されるように送信素子１２４ａの振動が伝わることにより受信素子１２４ｂも振動する。そして、対象物Ｏで反射されて送信受信部１００に超音波が戻ってくると、図２のパルスＰ３で表されるように受信素子１２４ｂは振動する。超音波センサー１は、パルスＰ１を送信してからパルスＰ３を受信するまでの時間により、超音波センサー１から対象物Ｏまでの距離Ｌｏを計測する。

本実施例においては、具体的には、送信素子１２４ａ及び受信素子１２４ｂの振動を、送信素子１２４ａ及び受信素子１２４ｂが振動することに伴って発生する電圧により検出している。すなわち、所定の閾値を超える電圧の印可タイミングから超音波センサー１から対象物Ｏまでの距離Ｌｏを計測する。ただし、超音波センサー１から対象物Ｏまでの距離Ｌｏの計測方法に特に限定はなく、電圧以外のものを検出する方法としてもよい。

図２では、パルスＰ２で表される送信素子１２４ａの振動が伝わることによる受信素子１２４ｂの振動はすぐに減衰しているためパルスＰ３を正確に検出することができている。しかしながら、送信素子１２４ａの振動が伝わることによる受信素子１２４ｂの振動が長く続くと、送信素子１２４ａの振動が伝わることによる受信素子１２４ｂの振動と、対象物Ｏで反射されて送信受信部１００に超音波が戻ってきたことに伴う受信素子１２４ｂの振動と、が干渉してクロストークする場合がある。このような干渉が生じると、超音波センサー１から対象物Ｏまでの距離Ｌｏの計測精度が低下する場合がある。そこで、本実施例の超音波センサー１では、送信受信部１００の構成を後述する構成とすることで、このような干渉を生じにくくしている。

次に、送信受信部１００の具体的な構成を説明する。図３で表されるように、送信受信部１００は、振動素子１２４（図４参照）としての送信素子１２４ａ及び受信素子１２４ｂが形成される振動素子形成部１２０と、振動素子形成部１２０の周囲に位置し振動素子１２４が形成されない周囲部１１０とを有している。ここで、送信受信部１００は略平板状であるが、図３などにおいては、略平板状の送信受信部１００を水平面に置いた場合、図３で表される状態を平面図としている。そして、図３などにおいては、図中のＸ軸方向は水平方向であり、Ｙ軸方向は水平方向であるとともにＸ軸方向と直交する方向であり、Ｚ軸方向は鉛直方向である。

本実施例の送信受信部１００は、周囲部１１０のＸ軸方向に沿う長さＬ１ａ及びＹ軸方向に沿う長さＬ１ｂは共に約１ｃｍ、振動素子形成部１２０のＸ軸方向に沿う長さＬ２ａ及びＹ軸方向に沿う長さＬ２ｂは共に約５ｍｍである。そして、振動素子形成部１２０は、領域Ｒ１から領域Ｒ９の９つの領域に分けられており、領域Ｒ１から領域Ｒ９の各々には、Ｘ軸方向に沿って１１個、Ｙ軸方向に沿って１１個、合計１２１個の振動素子１２４が設けられており。すなわち、振動素子形成部１２０の全体では合計１０８９個の振動素子１２４が設けられている。なお、振動素子形成部１２０を分ける領域数や各領域における振動素子１２４の数に特に限定はない。

ここで、本実施例の送信受信部１００は、領域Ｒ５に形成される振動素子１２４を受信素子１２４ｂとして使用し、残りの領域Ｒ１から領域Ｒ４と領域Ｒ６から領域Ｒ９とに形成される振動素子１２４を送信素子１２４ａとして使用している。そして、いずれの振動素子１２４も同じ構成である。すなわち、各々の送信素子１２４ａが同じ構成、各々の受信素子１２４ｂが同じ構成、というだけでなく、各々の送信素子１２４ａと各々の受信素子１２４ｂも同じ構成である。

なお、本実施例では、領域Ｒ５に形成される振動素子１２４を受信素子１２４ｂとして使用し、残りの領域Ｒ１から領域Ｒ４と領域Ｒ６から領域Ｒ９とに形成される振動素子１２４を送信素子１２４ａとして使用している。しかしながら、領域Ｒ５以外の領域に形成される振動素子１２４を受信素子１２４ｂとして使用してもよいし、受信素子１２４ｂとして使用する領域及び送信素子１２４ａとして使用する領域の数を変更してもよい。さらには、領域Ｒ１から領域Ｒ９の各々を送信素子１２４ａとして使用するとともに受信素子１２４ｂとして使用してもよい。

図４で表されるように、振動素子１２４は、第１電極１２３と圧電体層１２２と第２電極１２１とがＺ軸方向に沿って重ねられることで形成されている。第１電極１２３は、Ｙ軸方向に沿って延びており、Ｘ軸方向において複数設けられている。第２電極１２１は、Ｘ軸方向に沿って延びており、Ｙ軸方向において複数設けられている。圧電体層１２２は、Ｘ軸方向とＹ軸方向とにおいてマトリクス状に設けられている。

第１電極１２３や第２電極１２１は、導電性を有するものであれば、その材料は制限されない。第１電極１２３や第２電極１２１の材料としては、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。

圧電体層１２２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（ＡＢＯ_３型構造）の複合酸化物を用いることができる。これによれば、圧電素子である振動素子１２４の変位量を確保しやすくなる。

また、圧電体層１２２は、鉛を含まないペロブスカイト構造（ＡＢＯ_３型構造）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１を実現できる。

このような非鉛系の圧電材料としては、例えば、鉄酸ビスマス（ＢＦＯ；ＢｉＦｅＯ_３）を含むＢＦＯ系材料が挙げられる。ＢＦＯでは、ＡサイトにＢｉが位置し、Ｂサイトに鉄（Ｆｅ）が位置している。ＢＦＯに、他の元素が添加されていてもよい。例えば、ＫＮＮに、鉄酸マンガン（Ｍｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ランタン（Ｌａ）、バリウム（Ｂａ）、チタン（Ｔｉ）、コバルト（Ｃｏ）、セリウム（Ｃｅ）、サマリウム（Ｓｍ）、クロム（Ｃｒ）、カリウム（Ｋ）、リチウム（Ｌｉ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ
、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、ユウロビウム（Ｅｕ）から選択される少なくとも１種の元素が添加されていてもよい。

また、非鉛系圧電材料の他の例として、ニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ；ＫＮａＮｂＯ_３）を含むＫＮＮ系材料が挙げられる。ＫＮＮに、他の元素が添加されていてもよい。たとえば、ＫＮＮに、マンガン（Ｍｎ）、リチウム（Ｌｉ）、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、ビスマス（Ｂｉ）、タンタル（Ｔａ）、アンチモン（Ｓｂ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、銀（Ａｇ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、銅（Ｃｕ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、及びユーロビウム（Ｅｕ）から選択される少なくとも１種の元素が添加されていてもよい。

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。

次に、図５から図７を用いて振動素子形成部１２０の詳細な構成について説明する。図５から図７で表されるように、本実施例の超音波センサー１は、開口部１６０が形成された基板１５０と、開口部１６０を塞ぐように基板１５０上に設けられた振動板１４０と、振動板１４０における開口部１６０とは反対側に積層された第１電極１２３、圧電体層１２２及び第２電極１２１からなる振動素子１２４と、を具備するものである。第１電極１２３
、圧電体層１２２及び第２電極１２１が、Ｚ軸方向において完全に重なっている部分が振動素子１２４である。基板１５０は、シリコンからなる。基板１５０は、開口部１６０を取り囲む隔壁１５０ａを備える。振動板１４０は、酸化シリコン膜及び酸化ジルコニウムからなる積層体である。振動板１４０は、基板１５０の隔壁１５０ａによって支持されている。

開口部１６０は、平面視した場合に、Ｘ軸方向の長さに対してＹ軸方向の長さがかなり大きい高アスペクト比、例えば、アスペクト比１：７０の形状を有している。振動素子１２４は、平面視した場合に、Ｘ軸方向の長さがＹ軸方向長さに近い低アスペクト比、例えば、アスペクト比が１に近い形状を有している。Ｚ軸方向のひずみを大きくすることを考慮すると、理論的には振動素子１２４のアスペクト比は、１であることが最も理想的であるといえるが、１よりも大きな値であっても良い。振動素子１２４は、１つの開口部１６０に対して複数配置されている。

第１電極１２３と第２電極１２１との間に電圧を印加すると、振動素子１２４は振動板１４０とともに弾性変形し、これによって超音波が発生する。振動素子１２４のたわみ変形のしやすさは、振動素子１２４や振動板１４０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。

各材料に固有の共振周波数を利用して、これと振動素子１２４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、共振を利用して振動素子１２４をたわみ変形させるようにしてもよい。

第１電極１２３は、Ｘ軸方向において所定の幅でパターニングされ、Ｙ軸方向では複数の振動素子１２４に亘って連続して設けられている。また、第２電極１２１は、Ｘ軸方向では複数の振動素子１２４に亘って連続して設けられ、Ｙ軸法億において所定の幅でパターニングされている。図示はされないが、第２電極１２１はＸ軸方向に引き出され、Ｙ軸方向に延びる共通電極に接続される。第１電極１２３と第２電極１２１との間に電圧を印可することによって、振動素子１２４が駆動される。複数の振動素子１２４は、すべてを個別に駆動しても良いが、一般的には、本実施例の領域Ｒ１から領域Ｒ９のように、振動素子１２４をいくつかの領域に分割してこの領域毎に振動素子１２４を駆動する。また、第１電極１２３と第２電極１２１のうち、一方の電極には固定の電位が付与されることが多い。そのため、図示は省略するが、領域毎に第１電極１２３または第２電極１２１を共通化するための配線や、これらの配線をさらにまとめるための配線が設けられるのが一般的である。

図５から図７で表されるように、第２電極１２１上には、例えばアルミナなどからなる絶縁層１２５がパターニングされる。さらに、振動素子１２４の周囲の空間Ｓａを封止するとともに基板１５０を補強する補強板１３０が、基板１５０の振動素子１２４側に設けられている。基板１５０は薄く壊れやすい場合があるが、基板１５０を補強する補強板を備えることで、基板１５０の破損を抑制できる。補強板１３０は、振動板１４０の振動を抑制する柱状部１３０ａを有している。補強板１３０の接合部が基板１５０に接合されることによって、振動素子１２４の周囲の空間Ｓａが封止されている。柱状部１３０ａは、振動板１４０の振動を抑制する抑制部として機能する。

図５で表されるように、Ｘ軸方向において隣り合う振動素子１２４の間には隔壁１５０ａが存在する。そして、各振動素子１２４のＹ軸方向に平行な辺の両外側の部分において、振動板１４０は、基板１５０の隔壁１５０ａにより固定されている。一方、図７に示すように、Ｙ軸方向において隣り合う振動素子１２４の間には隔壁１５０ａが存在しない箇所があり、当該箇所には柱状部１３０ａが設けられている。そして、各振動素子１２４のＸ軸方向に平行な辺の両外側の部分において、振動板１４０は、補強板１３０に設けられた柱状部１３０ａまたは基板１５０の隔壁１５０ａにより固定されている。

次に、本実施例の超音波センサー１に対応する図８及び図９と、参考例の超音波センサーに対応する図１３及び図１４と、を比較しながら、本実施例の超音波センサー１についてさらに詳細に説明する。なお、図８及び図１３は、図３における領域Ｒ４、領域Ｒ５及び領域Ｒ６の位置で切断した断面図であり、領域Ｒ４、領域Ｒ５及び領域Ｒ６における振動素子１２４を１つに省略して表している。実際には、上記のように、領域Ｒ４、領域Ｒ５及び領域Ｒ６のいずれにおいても複数の振動素子１２４を備えており、これに伴い、振動素子１２４同士を区切る柱状部１３０ａも複数備えている。

図８で表されるように、本実施例の超音波センサー１は、Ｚ軸方向に沿って、基板１５０、振動板１４０及び補強板１３０が積層されている。補強板１３０は、複数の柱状部１３０ａを備えており、柱状部１３０ａとして、振動素子１２４同士の配置空間である空間Ｓａを区切る第１壁部１３１と、振動素子形成部１２０と周囲部１１０とを区切るとともに周囲部１１０に形成された空間部Ｓｂと空間Ｓａとを区切る第２壁部１３２と、を有している。ここで、第２壁部１３２が設けられる理由は、周囲部１１０と隣接する振動素子１２４の振動状態を、周囲部１１０と隣接せず第１壁部１３１で区切られる振動素子１２４の振動状態と、揃えるためである。周囲部１１０に空間部Ｓｂを設けず第２壁部１３２が設けられない構成では、周囲部１１０と隣接する振動素子１２４を振動させた際に周囲部１１０側で拘束され、その振動状態が周囲部１１０と隣接しない振動素子１２４の振動状態に対して大きく異なる虞がある。なお、本実施例においては、空間Ｓａに振動素子１２４が収容されている。しかしながら、「振動素子１２４同士の配置空間」とは、本実施例のように空間Ｓａに振動素子１２４が収容されている構成のほか、後述の図１１で表される実施例３及び後述の図１２で表される実施例４の超音波センサーのように、空間Ｓａが振動素子１２４よりも第２方向側に位置しているなど、空間Ｓａに振動素子１２４が収容されていない構成も含む意味である。

図１３で表される参考例の超音波センサーも、図８で表される本実施例の超音波センサー１と同様、周囲部１１０に空間部Ｓｂを有し、空間部Ｓｂと空間Ｓａとを区切る第２壁部１３２を有している。しかしながら、図８と図１３とを比較すると明らかなように、図８で表される本実施例の超音波センサー１の空間部Ｓｂは、図１３で表される参考例の超音波センサーの空間部Ｓｂよりも狭くなっている。本実施例の超音波センサー１はこのような構成となっていることで、図９で表されるように、振動素子１２４の振動に伴って発生するクロストークによる振動素子形成部１２０の振動の周波数であるクロストーク振動周波数が、振動素子１２４の振動周波数帯域外となっている。一方、図１３で表される参考例の超音波センサーでは、図１４で表されるように、クロストーク振動周波数が、振動素子１２４の振動周波数帯域とオーバーラップしている。

振動素子形成部１２０に受信素子１２４ｂは形成されているので、クロストーク振動周波数が振動素子１２４の振動周波数帯域とオーバーラップすると、クロストークによる振動素子形成部１２０の振動により、送信素子１２４ａから送信され対象物Ｏで反射されて戻ってきた反射波としての超音波の受信精度が低下する。一方、クロストーク振動周波数が振動素子１２４の振動周波数帯域とオーバーラップしていないと、反射波の受信精度が低下する虞を低減できる。

このように、超音波デバイスとしての本実施例の超音波センサー１は、基板１５０と、基板１５０に設けられ、振動することにより超音波を生成する１つ以上の振動素子を有する振動板１４０と、を備えている。振動板１４０は、振動素子１２４が設けられ振動素子１２４の振動に伴って振動する可動部としての振動素子形成部１２０と、振動素子形成部１２０の周囲に設けられ基板１５０に固定される固定部としての周囲部１１０と、を有している。周囲部１１０は、振動素子１２４の振動に伴う振動素子形成部１２０のクロストークによる振動周波数であるクロストーク振動周波数が振動素子１２４の振動周波数帯域外となるように構成されている。

本実施例の超音波センサー１は、クロストーク振動周波数が振動素子１２４の振動周波数帯域外となるように構成されているため、振動素子形成部１２０におけるクロストークによる振動が振動素子１２４の振動に影響を与えることを抑制することができる。すなわち、本実施例の超音波センサー１は、送信素子１２４ａが形成され送信素子１２４ａの振動に伴って振動する第１振動部としての領域Ｒ５と、受信素子１２４ｂが形成され領域Ｒ５と隣り合う第２振動部としての領域Ｒ１～Ｒ４及びＲ６～Ｒ９、を有する振動板１４０を備え、第２振動部の振動周波数帯が、第１振動部の振動周波数帯と異なる構成になっている。このような構成となっていることで、送信素子１２４ａを駆動することに伴う第１振動部の振動が第２振動部に伝わってクロストークによって受信素子の感度に影響を与えるということを抑制でき、超音波デバイスの精度低下を抑制することができる。

ここで、図９で表されるように、クロストーク振動周波数は、振動素子１２４の振動周波数帯域よりも高い。クロストーク振動周波数が振動素子１２４の振動周波数帯域よりも低ければ、１次モードでクロストーク振動周波数が振動素子の振動周波数帯域外となるように構成しても、２次モードや３次モードでクロストーク振動周波数が振動素子１２４の振動周波数帯域内になる虞がある。しかしながら、本実施例の超音波センサー１においては、クロストーク振動周波数は振動素子１２４の振動周波数帯域よりも高いため、２次モードや３次モードでクロストーク振動周波数が振動素子１２４の振動周波数帯域内になる虞を抑制することができている。

なお、上記のように、本実施例の超音波センサー１においては、クロストーク振動周波数が振動素子１２４の振動周波数帯域よりも高くなっているが、クロストーク振動周波数が振動素子１２４の振動周波数帯域よりも低くなるようにしてもよい。ただし、その場合、２次モードや３次モードでクロストーク振動周波数が振動素子１２４の振動周波数の半値幅の領域に入らないようにすることが好ましい。

上記について別の表現をすると、本実施例の超音波センサー１は、第２振動部の振動周波数帯は、第１振動部の振動周波数帯よりも高い。第２振動部の振動周波数帯が第１振動部の振動周波数帯よりも低ければ、１次モードとして伝わる第１振動部の振動周波数帯が第２振動部の振動周波数帯外となるように構成しても、２次モードや３次モードとして伝わる第１振動部の振動周波数帯が第２振動部の振動周波数帯内になる虞がある。しかしながら、本実施例の超音波センサー１は、第２振動部の振動周波数帯は、第１振動部の振動周波数帯よりも高い。このため、２次モードや３次モードとして伝わる第１振動部の振動周波数帯が第２振動部の振動周波数帯内になる虞を抑制することができる。

上記のように、本実施例の超音波センサー１は、振動素子１２４を複数有している。また、振動素子形成部１２０は、振動素子１２４同士の配置空間である空間Ｓａを区切る第１壁部１３１が形成され、周囲部１１０は、空間部Ｓｂを有するとともに該空間部Ｓｂと振動素子形成部１２０とを区切る第２壁部１３２が形成されている。そして、図８と図１３とを比較すると明らかなように空間部Ｓｂの体積が所定の体積以下に調整されていることで、図９で表されるようにクロストーク振動周波数が振動素子１２４の振動周波数帯域よりも高くなるよう調整されている。すなわち、本実施例の超音波センサー１は、空間部Ｓｂの体積が所定の体積以下になるよう調整するという簡単な方法で、クロストーク振動周波数が振動素子１２４の振動周波数帯域よりも高くなるよう調整している。ただし、クロストーク振動周波数が振動素子１２４の振動周波数帯域よりも高くなる調整方法は、このような方法に限定されず、例えば、第２壁部１３２を第１壁部１３１とは異なる素材で形成し、異なる素材の領域の体積を所定の体積以下になるよう調整することなどによって調整してもよい。

また、図８で表されるように、本実施例の超音波センサー１においては、振動板１４０は、図８における上側に対応する第１方向側の面に振動素子１２４が設けられ、第１方向とは反対方向の第２方向側の面が基板１５０と対向する配置で基板１５０に設けられている。そして、補強板１３０は、振動板１４０よりも第１方向側に設けられている。このように、補強板１３０が振動板１４０よりも第１方向側に設けられることで、図８の送信方向Ｄ１の矢印及び受信方向Ｄ２の矢印で表されるように第２方向側に超音波を送信する構成の超音波デバイスを形成でき、このような構成の超音波デバイスにおいて、基板１５０の破損を抑制しつつ超音波デバイスの精度低下を抑制することができる。ただし、本発明は図８で表されるような構成に限定されない。以下に、図８で表される送信受信部１００とは異なる構成の送信受信部１００を有する超音波センサーの具体例について説明する。

［実施例２］
次に、実施例２の超音波センサーについて、図１０を参照して説明する。なお、図１０は実施例１の超音波センサー１における図８に対応する図であるとともに、図１０において上記実施例１と共通する構成部材は同じ符号で示しており、詳細な説明は省略する。ここで、本実施例の超音波センサーは、上記で説明した実施例１の超音波センサー１と同様の特徴を有しているとともに、下記での説明箇所以外は実施例１の超音波センサー１と同様の構成をしている。具体的には、本実施例の超音波センサーは、送信受信部１００の構成以外は、実施例１の超音波センサー１と同様の構成をしている。

図１０で表されるように、本実施例の超音波センサーにおける送信受信部１００は、補強板１３０と振動板１４０との間に、中間部材１３５を備えている。このような構成とすることで、補強板１３０と振動板１４０とを直接接触させづらい構成においても、図１０における下側に対応する第２方向側に超音波を送信する構成の超音波デバイスを簡単に形成できる。中間部材としては、例えば感光性樹脂を用いることができる。

なお、本実施例の送信受信部１００は、補強板１３０の構成を簡単にするため、補強板１３０を凹凸のない平板状の構成としている。そして、中間部材１３５で第１壁部１３１及び第２壁部１３２に対応する柱状部１３５ａを形成している。しかしながら、このような構成に限定されず、補強板１３０として、実施例１の超音波センサー１の補強板１３０と同様、柱状部１３０ａなどを設け、該柱状部１３０ａと振動板１４０との間に中間部材１３５を設ける構成としてもよい。

［実施例３］
次に、実施例３の超音波センサーについて、図１１を参照して説明する。なお、図１１は実施例１の超音波センサー１における図８に対応する図であるとともに、図１１において上記実施例１及び実施例２と共通する構成部材は同じ符号で示しており、詳細な説明は省略する。ここで、本実施例の超音波センサーは、上記で説明した実施例１及び実施例２の超音波センサー１と同様の特徴を有しているとともに、下記での説明箇所以外は実施例１及び実施例２の超音波センサー１と同様の構成をしている。具体的には、本実施例の超音波センサーは、送信受信部１００の構成以外は、実施例１及び実施例２の超音波センサー１と同様の構成をしている。

図１１で表されるように、本実施例の超音波センサーにおける送信受信部１００においては、振動板１４０は、図１１における上側に対応する第１方向側の面に振動素子１２４が設けられ、第１方向とは反対方向の第２方向側の面が基板１５０と対向する配置で基板１５０に設けられている。そして、補強板１３０は、基板１５０よりも第２方向側に設けられている。このように、補強板１３０が振動板１４０よりも第２方向側に設けられることで、図１１の送信方向Ｄ１の矢印及び受信方向Ｄ２の矢印で表されるように第１方向側に超音波を送信する構成の超音波デバイスを形成でき、このような構成の超音波デバイスにおいて、基板１５０の破損を抑制しつつ超音波デバイスの精度低下を抑制することができる。

［実施例４］
次に、実施例４の超音波センサーについて、図１２を参照して説明する。なお、図１２は実施例１の超音波センサー１における図８に対応する図であるとともに、図１２において上記実施例１から実施例３と共通する構成部材は同じ符号で示しており、詳細な説明は省略する。ここで、本実施例の超音波センサーは、上記で説明した実施例１から実施例３の超音波センサー１と同様の特徴を有しているとともに、下記での説明箇所以外は実施例１から実施例３の超音波センサー１と同様の構成をしている。具体的には、本実施例の超音波センサーは、送信受信部１００の構成以外は、実施例１から実施例３の超音波センサー１と同様の構成をしている。

図１２で表されるように、本実施例の超音波センサーにおける送信受信部１００は、補強板１３０と基板１５０との間に、中間部材１３５を備えている。このような構成とすることで、補強板１３０と基板１５０とを直接接触させづらい構成においても、図１２における上側に対応する第１方向側に超音波を送信する構成の超音波デバイスを簡単に形成できる。中間部材としては、例えば感光性樹脂を用いることができる。

なお、本実施例の送信受信部１００は、補強板１３０の構成を簡単にするため、補強板１３０を凹凸のない平板状の構成としている。そして、中間部材１３５で第１壁部１３１及び第２壁部１３２に対応する柱状部１３５ａを形成している。しかしながら、このような構成に限定されず、補強板１３０として、実施例３の超音波センサー１の補強板１３０と同様、柱状部１３０ａなどを設け、該柱状部１３０ａと振動板１４０との間に中間部材１３５を設ける構成としてもよい。

本発明は、上述の実施例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１…超音波センサー（超音波デバイス）、１００…送信受信部、
１１０…周囲部（固定部）、１２０…振動素子形成部（可動部）、１２１…第２電極、
１２２…圧電体層、１２３…第１電極、１２４…振動素子、１２４ａ…送信素子、
１２４ｂ…受信素子、１２５…絶縁層、１３０…補強板、１３０ａ…柱状部、
１３１…第１壁部、１３２…第２壁部、１３５…中間部材、１３５ａ…柱状部、
１４０…振動板、１５０…基板、１５０ａ…隔壁、１６０…開口部、
２００…タイマー、Ｏ…対象物、Ｒ１…領域（第２振動部）、
Ｒ２…領域（第２振動部）、Ｒ３…領域（第２振動部）、Ｒ４…領域（第２振動部）、
Ｒ５…領域（第１振動部）、Ｒ６…領域（第２振動部）、Ｒ７…領域（第２振動部）、
Ｒ８…領域（第２振動部）、Ｒ９…領域（第２振動部）、Ｓａ…空間（配置空間）、
Ｓｂ…空間部

Claims (8)

1. 基板と、
   前記基板に設けられ、振動することにより超音波を生成する複数の振動素子を有する振動板と、を備え、
   前記振動板は、前記振動素子が設けられ前記振動素子の振動に伴って振動する可動部と、前記可動部の周囲に形成され前記基板に固定される固定部と、を有し、
   前記可動部には、各前記振動素子との間に第１壁部が設けられ、
   複数の前記振動素子の配置における端に配置された前記振動素子の前記固定部側には第２壁部が設けられ、
   前記第２壁部の前記振動素子とは反対側に空間部を有し、
   前記振動素子の振動に伴う前記空間部のクロストークの周波数をクロストーク振動周波数とするとき、
   前記クロストーク振動周波数が前記振動素子の振動周波数帯域よりも高くなるように、前記空間部の体積が所定の体積以下に調整されていることを特徴とする超音波デバイス。
2. 請求項１に記載の超音波デバイスにおいて、
   前記空間部の前記第２壁部とは反対側は、前記第１壁部とは異なる部材で構成されることを特徴とする超音波デバイス。
3. 請求項１または２に記載の超音波デバイスにおいて、
   前記基板を補強する補強板を備えることを特徴とする超音波デバイス。
4. 請求項３に記載の超音波デバイスにおいて、
   前記振動板は、前記基板の第１方向側の面に前記振動素子が設けられ、
   前記補強板は、前記振動板よりも前記第１方向側に設けられることを特徴とする超音波デバイス。
5. 請求項４に記載の超音波デバイスにおいて、
   前記補強板と前記振動板との間に、中間部材を備えることを特徴とする超音波デバイス。
6. 請求項３に記載の超音波デバイスにおいて、
   前記振動板は、前記基板の第１方向側の面に前記振動素子が設けられ、
   前記補強板は、前記基板の前記第１方向とは反対方向である第２方向側に設けられることを特徴とする超音波デバイス。
7. 請求項６に記載の超音波デバイスにおいて、
   前記補強板と前記基板との間に、中間部材を備えることを特徴とする超音波デバイス。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の超音波デバイスと、
   前記振動素子を振動することにより送信された超音波の反射波を受信するまでの時間を計測するタイマーと、を備えることを特徴とする超音波センサー。

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