JP2020150476A - 超音波デバイス、超音波装置 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1に記載の超音波デバイスは、開孔が形成された基板と、開孔を塞ぐように基板に設けられた振動板と、振動板に積層された圧電素子とにより構成された超音波センサー素子を備える。そして、振動板の圧電素子が設けられる側に、封止板が配置され、封止板と振動板との間に、超音波拡散粒が保持された樹脂層が設けられている。つまり、樹脂層は、圧電素子及び振動板を覆って設けられている。
このような超音波デバイスでは、超音波センサー素子をアレイ状に複数配置する場合に、隣り合う超音波センサー素子への振動伝搬や超音波伝搬を抑制できるので、クロストークを抑制することもできる。
すなわち、圧電素子に対して信号線を接続するためには、樹脂層の一部をエッチングにより除去して、振動板に設けられた電極部の一部を露出させる必要がある。この際、樹脂層の剛性が低いと、電極部を露出させるためのエッチング工程の精度が低下し、超音波デバイスの信頼性が低下してしまう。
樹脂層の剛性を高くすると、エッチング工程の精度は高くなるが、この場合、振動板全体の変形に係る剛性も高くなるので、共振周波数が高くなってしまう。共振周波数を下げるためには、開孔の開口径を大きくすることも考えられるが、この場合、振動板を振動させる際に不要な振動モードが現れ、振動板の振動が不安定になって超音波デバイスの性能が低下する。
10×(1+γ)×W−100≦S≦(0.3γ+0.21)×W
を満たすことが好ましい。
図1は、本実施形態の超音波装置100の概略構成を示すブロック図である。
図1に示すように、本実施形態の超音波装置100は、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とを備える。本実施形態の超音波装置100では、制御部20は、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から超音波を送信する。そして、対象物により超音波が反射され、超音波デバイス10により反射波が受信されると、制御部20は、超音波の送信タイミングから超音波の受信タイミングの時間に基づいて、超音波デバイス10から対象物までの距離を算出する。
以下、このような超音波装置100の構成について、具体的に説明する。
図2は、超音波デバイス10を示す概略平面図である。図3は、図2に示す複数の超音波トランスデューサーTrのうちの1つを拡大した拡大平面図である。図4は、図3のA−A線で超音波トランスデューサーTrを切断した際の断面図である。
超音波デバイス10は、図4に示すように、基材である素子基板11と、振動板12と、圧電素子13と、を備えて構成されている。
素子基板11は、Si等の半導体基板で構成され、振動板12を支持する所定の厚みを有する基板である。素子基板11は、第一面11Aと、第一面11Aとは反対側の第二面11Bとを有する。ここで、以降の説明にあたり、第一面11Aから第二面11Bに向かう方向をZ方向とし、Z方向に直交する方向をX方向とし、X方向及びZ方向に直交する方向をY方向とする。第一面11A及び第二面11Bは、XY平面に平行な面となる。なお、本実施形態では、一例として、Y方向がX方向に対して直交する例を示すが、Y方向がX方向に対して90°以外の角度で傾斜していてもよい。また、以降の説明において、X方向、Y方向、及びZ方向に関し、向きを含まない場合も方向という場合がある。
また、素子基板11の第一面11Aには、振動板12が設けられており、開孔111の−Z側の開口端は、振動板12により閉塞されている。つまり、素子基板11のうち、開孔111が設けられていない部分は、壁部112を構成し、この壁部112上に振動板12が積層されている。
振動板12は、上述のように、素子基板11の第一面11Aに設けられている。振動板12の厚み寸法は、素子基板11に対して十分小さい厚み寸法となる。
ここで、振動板12のうち壁部112に積層される部分は支持部121を構成し、振動板12のうち開孔111を閉塞する部分は閉塞部122を構成する。閉塞部122と圧電素子13とにより超音波トランスデューサーTrが構成される。
より具体的には、超音波トランスデューサーTrを短軸方向(本実施形態ではY方向)及びZ方向を含む平面で切断した際の断面視の、第二閉塞部124の断面積Sが、以下の式(1)を満たすように、第二閉塞部124が形成されている。なお、式(1)において、Wは、超音波トランスデューサーTrの開孔111の短軸方向の開口幅であり、γは、開孔111のアスペクト比であって、具体的には、開孔111の長軸方向長さ÷開孔111の短軸軸方向長さWである。また、超音波トランスデューサーTrを長軸方向及びZ方向を含む平面で切断した際の断面視においても、第二閉塞部124の断面積Sは、式(1)を満たす。
10×(1+γ)×W−100≦S≦(0.3γ+0.21)×W …(1)
一方、第二閉塞部124は、例えば、弾性を有するゴムや樹脂等のエラストマーにより構成されている。第二閉塞部124のヤング率(第二ヤング率)は、支持部121及び第一閉塞部123の第一ヤング率よりも小さい。第二ヤング率としては、1GPaから10GPaであることが好ましく、本実施形態では、3GPa程度であるシリコーンゴムを用いる。
なお、振動板12の閉塞部122の構成と、超音波トランスデューサーTrにおける共振周波数との関係についての詳細な説明は後述する。
圧電素子13は、振動板12の閉塞部122で、素子基板11とは反対側の面に設けられている。
より具体的には、圧電素子13は、図3及び図4に示すように、閉塞部122の第一閉塞部123上に配置されている。この圧電素子13は、振動板12上に、第一電極131、圧電膜132、及び第二電極133を順に積層することで構成されている。なお、圧電素子13が振動板12上に積層される構成を例示するが、圧電素子13と振動板12との間に他の層が設けられる構成としてもよい。
また、開孔111から閉塞部122に超音波が入力されると、閉塞部122が振動し、圧電素子13の圧電膜132の上下で電位差が発生する。したがって、第一電極131及び第二電極133の間に発生する電位差を検出することにより、超音波の受信を検出することが可能となる。
本実施形態では、図2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がアレイ状に配置されている。
また、本実施形態では、第一電極131は、X方向に沿って直線状に形成され、±X端部に設けられた駆動端子131Pに接続される。つまり、X方向に隣り合う超音波トランスデューサーTrでは、第一電極131が共通となり、1つのチャンネルCHを構成する。また、Y方向に沿って、複数のチャンネルCHが配置される。このため、各チャンネルCHに対応する駆動端子131Pに対して、それぞれ独立した駆動信号を入力することができ、各チャンネルCHを、それぞれ個別に駆動させることが可能となる。
図1に戻り、制御部20について説明する。
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、超音波装置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。
基準電位回路31は、超音波デバイス10の第二電極133の共通端子133Pに接続され、第二電極133に基準電位を印加する。
切替回路32は、駆動端子131P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、各駆動端子131Pのそれぞれと送信回路33とを接続する送信接続、及び、各駆動端子131Pのそれぞれと受信回路34とを接続する受信接続を切り替える。
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を駆動させて、超音波の送信処理を実施する。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、対象物で反射された反射波を超音波デバイス10で受信させる。そして、演算部40は、例えば、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、ToF(Time of Flight)法により、超音波デバイス10から対象物までの距離を算出する。
図5は、本実施形態の超音波デバイス10の製造方法を示す図である。
超音波デバイス10を作成するには、まず、Siからなる基板を母材50とし、母材50の一面を熱酸化処理してSiO2膜52Aを形成する。さらに、SiO2膜52A上にZr膜を成膜し、これを熱酸化処理する。これにより、図5の1番目に示すように、母材50の一面に、SiO2膜52A及びZrO2膜52Bの積層体が形成される。
次に、本実施形態の超音波デバイス10における振動抑制効果について説明する。
図6は、圧電素子13に駆動信号を入力した際の閉塞部122の相当ひずみを示した図である。図6の各曲線は、それぞれ、開孔111の開口幅Wを、77μm、170μm、200μm、260μm、300μm、及び480μmとした場合の相当ひずみを示している。
図6に示すように、超音波トランスデューサーTrを駆動させると、開孔111の開口幅によらず、閉塞部122の外縁よりも内側で、かつ、当該外縁に沿った位置、つまり、開孔111と壁部112との境界で、相当ひずみが最も大きくなる。
具体的には、相当ひずみが大きくなる範囲は、閉塞部122の、支持部121との境界位置から、式(1)で示される範囲である。本実施形態では、エラストマーにより構成された第二閉塞部124が、閉塞部122と支持部121との境界位置から、式(1)で示される範囲に設けられている。
このため、本実施形態では、閉塞部122の振動を第二閉塞部124で効率的に吸収でき、振動板12の振動エネルギーを第二閉塞部124で熱エネルギーに変換することができる。これにより、隣り合う超音波トランスデューサーTrの間での振動の伝搬(クロストーク)を抑制することができる。例えば、1つのチャンネルCHの超音波トランスデューサーTrを駆動させた際に、隣り合うチャンネルCHの超音波トランスデューサーTrがクロストークの影響によって振動することがなく、所望のチャンネルから超音波を送信することが可能となる。
また、(0.3γ+0.21)×W<Sとする場合では、振動板12の振動抑制効果を得ることはできるが、閉塞部122の変形効率が低下する。これに対し、式(1)に示す断面積Sが得られるように、第二閉塞部124を構成することで、振動板12の振動を効率的に抑制することができ、かつ、閉塞部122を効率的に変形可能となる。
図7は、比較例の超音波デバイスの概略構成を示す断面図である。
比較例の超音波デバイスでは、図7に示すような超音波トランスデューサー90を備える。つまり、超音波トランスデューサー90では、開孔911を有する素子基板91と、素子基板91の一面に設けられ、SiO2層及びZrO2層の積層体により構成された振動板92とを備え、開孔911が振動板92により閉塞されている。また、振動板92の開孔911に対応する位置には、第一電極931、圧電膜932、及び第二電極933を積層した圧電素子93が設けられ、さらに、クロストークの影響を抑制するために、振動板92及び圧電素子93を覆って樹脂層94が設けられている。
図8に示すように、樹脂層94のヤング率が小さく、10MPa以下である場合、樹脂層94の厚みの変化による超音波トランスデューサー90の共振周波数の変化は小さい。
しかしながら、樹脂層94のヤング率が10MPa以下の場合、樹脂層94に所望の形状のパターニングをすることが困難となる。すなわち、超音波トランスデューサー90に設けられた圧電素子93に対して信号線を接続する場合、第一電極931や第二電極933に接続された電極端子が露出するように、樹脂層94をエッチングする必要がある。しかしながら、樹脂層94が柔らかすぎることでエッチング工程の精度が低下する。つまり、エッチングが速く進行する部分と遅く進行する部分とが生じ、所望の形状のエッチングパターンを形成できず、超音波デバイスの信頼性が低下する可能性がある。
しかしながら、超音波トランスデューサー90の振動を抑制し、クロストークを効果的に抑制するには、Q値を下げる必要があり、Q値を下げるためには、樹脂層94の厚みを増大させる必要がある。
ところが、ヤング率が100MPaを超える樹脂層94を用いると、図8に示すように、樹脂層94の厚みを増大させるほど、超音波トランスデューサー90の共振周波数が高くなり、所望の周波数の超音波を出力することが困難となる。
超音波トランスデューサー90で送受信する超音波の周波数は、開孔911の開口幅を大きくすることで下げることができる。しかしながら、開孔911を大きくすると、振動板92を振動させた際に、不要な振動モードが発生してしまう。つまり、超音波トランスデューサー90から、音圧の高い超音波を出力するには、開孔911の開口端を節、圧電素子93が配置される開孔911の中央部を腹として振動板92を振動させることが好ましい。しかしながら、不要な振動モードが発生すると、開孔911を閉塞する振動板92内に、複数の節及び腹が生じ、超音波の音圧が低下する。
本実施形態の超音波トランスデューサーTrでは、第二閉塞部124は、振動板12の一部を構成し、その厚みtは、第一閉塞部123や、支持部121と同一の厚みと同一である。よって、図9では、第二閉塞部124の幅uを変更した際の共振周波数の変化を示している。
図9に示すように、第二閉塞部124の幅uを大きくすると、第二閉塞部124のヤング率によらず、超音波トランスデューサーTrの共振周波数が低下する。特に、1GPaから10GPaの範囲のヤング率では、第二閉塞部124の幅uを変更した際の共振周周波数の変化をより小さくでき、共振周波数の変動を抑えることができる。
図10の比較例1は、樹脂層94のヤング率を30MPaとした従来の超音波トランスデューサー90の性能を示している。この比較例1では、Q値が低く、共振周波数が415KHzとなる。しかしながら、比較例1の超音波トランスデューサー90では、上述したように、樹脂層94の形成時のエッチング精度が低くなり、超音波トランスデューサー90の信頼性が低下する。
比較例2の超音波トランスデューサー90では、樹脂層94の形成時のエッチング精度は改善され、超音波トランスデューサー90の信頼性は向上する。しかしながら、所望のQ値が得るためには、樹脂層94の厚みを厚くする必要がある。例えば、30〜60程度のQ値を得るために、膜厚を3μm以上とする必要がある。膜厚を大きくするほど、Q値は下がるが、超音波トランスデューサー90の剛性が高くなるため、共振周波数が高くなり、図10に示す例では、比較例1の2倍以上となる。
ヤング率が30MPaの樹脂層94を用いた際の超音波トランスデューサー90と同じ400kHz前後の共振数は数を得るためには、樹脂層94の厚みをさらに薄くする必要があり、この場合、もはや、樹脂層94による振動抑制効果が得られない。
また、仮に、比較例2と同じヤング率3000MPaの樹脂により、第二閉塞部124を形成した場合、図10に示すように、第二閉塞部124の幅uによらず、超音波トランスデューサーTrの共振周波数は400kHz前後となる。つまり、第二閉塞部124の幅uによる共振周波数の変動を小さくできる。
さらに、本実施形態では、図9及び図10に示すように、第二閉塞部124の幅uを増大させた際に、共振周波数が低下する。よって、開孔111の開口幅を変更することなく、第二閉塞部124の幅uを変更することで、所望の共振周波数及びQ値が得られる超音波トランスデューサーTrを得ることができる。
本実施形態では、超音波装置100は、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とを備える。この超音波デバイス10は、第一面11A、及び第一面11Aとは反対の第二面11Bとを有する素子基板11と、素子基板11の第一面11Aに設けられる振動板12と、振動板12に積層される圧電素子13と、を備える。素子基板11は、第一面11Aから第二面11Bに亘って設けられた開孔111と、開孔111を囲う壁部112を含む。また、振動板12は、第一面11Aから第二面11Bに向かうZ方向から見た際に、壁部112と重なり合う支持部121と、開孔111と重なり合って開孔を閉塞し、かつ、圧電素子13が積層される閉塞部122と、を備える。そして、本実施形態では、支持部121は、第一ヤング率を有し、閉塞部122は、第一ヤング率を有する第一閉塞部123と、第一ヤング率よりも小さい第二ヤング率を有する第二閉塞部124とを有する。
また、Q値を所望の値にするべく、第二閉塞部124の幅を増大させた場合でも、超音波トランスデューサーTrの共振周波数は低下する。したがって、開孔111の開口幅を広げる必要がない。また、逆に開孔111を狭くしてもよく、この場合、閉塞部122を振動させた際に、不要な振動モードが発生する不都合が生じない。したがって、超音波の送信時には、各超音波トランスデューサーTrから音圧の大きい超音波を送信することができ、超音波の受信時には、信号電圧の大きい受信信号を得ることができる。
これに対して、本実施形態では、上記のような樹脂層をエッチングする工程が不要であり、これによる超音波デバイス10の信頼性が低下することがなく、かつ、第二閉塞部124として用いる素材の自由度を広げることができる。
このため、閉塞部122が振動した際に、最も相当ひずみが大きくなる部位に第二閉塞部124が設けられることになり、閉塞部122の振動エネルギーを効果的に熱エネルギーに変換することができる。よって、閉塞部122の振動を効果的に抑制することができ、クロストークの発生を抑制することができる。
これにより、閉塞部122が振動した際に、もっとも相当ひずみが大きい位置に第二閉塞部124が設けられることになり、より効果的に閉塞部122の振動を抑制することができる。
このため、閉塞部122の振動の各方向への伝搬を抑制することができる。
特に、本実施形態の超音波デバイス10では、複数の超音波トランスデューサーTrがX方向及びY方向に沿ってアレイ状に配置されている。このような構成では、1つの超音波トランスデューサーTrの閉塞部122が振動した際に、その超音波トランスデューサーTrに対してX方向及びY方向に隣り合う他の超音波トランスデューサーTrがクロストークの影響を受ける可能性がある。本実施形態では、第二閉塞部124が圧電素子13を囲って設けられているので、閉塞部122のX方向及びY方向への振動伝搬を抑制することができる。つまり、アレイ状に配置された複数の超音波トランスデューサーTr間でのクロストークを効果的に抑制できる。
SiO2層を含む第一閉塞部123及び支持部121は、Si基板を熱酸化処理することで容易に構成することができ、製造効率の向上を図ることができる。
また、SiO2のヤング率は、70GPa以上であり、第二閉塞部124を樹脂やゴム等のエラストマーとすることで、第二閉塞部124のヤング率を第一閉塞部123や支持部121よりも小さくでき、上記のような振動抑制効果を得ることができる。
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。
上記実施形態では、第二閉塞部124が、支持部121と閉塞部122との境界に接して設けられる構成を例示したが、これに限定されない。
例えば、第二閉塞部124が、支持部121と閉塞部122との境界よりも、所定寸法、圧電素子13に近接した位置に設けられていてもよい。
また、第二閉塞部124が式(1)に基づいた断面積Sで形成される例を示したが、閉塞部122のうち、圧電素子13と重ならない位置に設けられる構成とすれば、断面積Sが式(1)から外れていてもよく、この場合でも、一定の振動抑制効果を得ることができる。
上記実施形態では、第二閉塞部124が、圧電素子13を囲って、開孔111の周方向に亘ってもうけられる例を示したが、これに限定されない。
第二閉塞部124は、振動伝搬を抑制する方向に設けられていればよい。例えば、複数の超音波トランスデューサーTrを、開孔111の短軸方向に配置した1次元アレイ構造の超音波デバイスでは、第二閉塞部124を、短軸方向に関して、圧電素子13を挟みこむ位置に設けられていればよい。同様に、複数の超音波トランスデューサーTrを、開孔111の長軸方向に沿って配置する場合では、第二閉塞部124を、長軸方向に関して、圧電素子13を挟みこむ位置に設けられていればよい。
上記実施形態では、X方向に並ぶ1列の超音波トランスデューサーTrによって1つのチャンネルCHが構成されたが、例えば、X方向及びY方向に並ぶ複数の超音波トランスデューサーTrによりチャンネルCHが構成されていてもよい。
また、チャンネルCHが、Y方向に沿って複数配置されているが、チャンネルCHが、Y方向に沿って複数配置される構成としてもよく、X方向及びY方向に複数配置される構成としてもよい。
さらに、複数の超音波トランスデューサーTrにより、1つのチャンネルCHが構成される例を示しているが、複数の超音波トランスデューサーTrのそれぞれを独立して駆動可能な構成としてもよい。
図6に示す例では、第二閉塞部124は、開孔111の開口縁から、当該開口縁と圧電素子13との中間位置までの間に配置されている。これに対して、第二閉塞部124は、開孔111の開口縁から、圧電素子13の周縁までに亘って設けられてもよい。
超音波トランスデューサーTrを駆動させると、図6に示すように、閉塞部122の外縁よりも内側で、かつ、当該外縁に沿った位置の相当ひずみが最も大きくなり、次に、相当ひずみが大きくなる位置は、圧電素子13の周縁である。よって、第二閉塞部124が圧電素子13の周縁まで設けられていることで、閉塞部122の振動エネルギーを効果的に熱エネルギーに変換することができる。
上記実施形態では、基材である素子基板11は、第一面11Aと、第一面11Aの反対側に設けられる第二面11Bを有する構成を例示したが、これに限定されない。
例えば、基材がブロック状部材であり、第二面が、第一面に連続し、かつ、第一面に対して所定角度で交差する面であってもよい。
Claims (7)
- 第一面、及び前記第一面とは異なる第二面とを有する基材と、
前記基材の前記第一面に設けられる振動板と、
前記振動板に配置される圧電素子と、を備え、
前記基材は、前記第一面から前記第二面に亘って設けられた開孔と、前記開孔を囲う壁部と、を含み、
前記振動板は、前記第一面から前記第二面に向かう方向から見た際に、前記壁部と重なり合う支持部と、前記開孔と重なり合って前記開孔を閉塞し、かつ、前記圧電素子が配置される閉塞部と、を備え、
前記支持部は、第一ヤング率を有し、
前記閉塞部は、前記第一ヤング率を有する第一閉塞部と、前記第一ヤング率よりも小さい第二ヤング率を有する第二閉塞部とを有する
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項1に記載の超音波デバイスにおいて、
前記第二閉塞部は、前記閉塞部のうち、前記支持部との境界に接して設けられている
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、
前記第二閉塞部は、前記第一面から前記第二面に向かう方向から見た際に、前記圧電素子の周縁に設けられている
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、
前記開孔を前記第一面から前記第二面に向かう方向から見た際のアスペクト比をγ、前記開孔の前記第一面から前記第二面に向かう方向から見た際の短軸方向の開口幅をW、前記第二閉塞部の前記第一面から前記第二面に向かう方向の厚みと前記短軸方向の幅との積である断面積をSとした場合に、
10×(1+γ)×W−100≦S≦(0.3γ+0.21)×W
を満たすことを特徴とする超音波デバイス。 - 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において、
前記第一閉塞部は、SiO2を含み、
前記第二閉塞部は、エラストマー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1から請求項5のいずれか1項に記載の超音波デバイスにおいて、
前記基材は、複数の前記開孔を有し、
前記振動板は、各前記開孔に対応した複数の前記閉塞部を備える
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項1から請求項6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装置。
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