JP5600431B2 - Obstacle ultrasonic detection device - Google Patents

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Description

本発明は、障害物から反射される超音波によって障害物を検知するデバイスに関するものである。   The present invention relates to a device that detects an obstacle by ultrasonic waves reflected from the obstacle.

近年、乗用車や自律移動ロボットの障害物検知や防犯用の侵入者検知センサ、あるいは視覚障害者用の行動補助装置のために、小型超音波センサが注目されている。超音波は、光に比べて伝搬速度が遅いため距離計測が容易である。超音波センサをアレイ化することにより、物体の三次元計測が可能である。   In recent years, small ultrasonic sensors have attracted attention for obstacle detection and crime prevention intruder detection sensors for passenger cars and autonomous mobile robots, or behavior assistance devices for visually impaired persons. Since ultrasonic waves have a slower propagation speed than light, distance measurement is easy. By arraying ultrasonic sensors, three-dimensional measurement of an object is possible.

三次元空間内での障害物検知のためには、超音波センサをフェイズドアレイとして用い、各方位角及び仰角における反射点までの距離を測定する必要がある。機械的な可動部を用いずに角度情報を得るためには、受信波形を遅延加算することにより電子的に角度走査する必要がある。この際、アレイ各素子の出力信号の周波数が一致していることが前提となる。   In order to detect an obstacle in a three-dimensional space, it is necessary to measure the distance to the reflection point at each azimuth and elevation using an ultrasonic sensor as a phased array. In order to obtain angle information without using a mechanical movable part, it is necessary to electronically scan the angle by delay-adding the received waveform. At this time, it is assumed that the frequency of the output signal of each element of the array matches.

特許文献1(特開2005-039720)においては、薄膜中空圧電体によって超音波センサを作製することが記載されている。また、特許文献2(特開2005-167820)では、多数の超音波センサを組み合わせてフェーズドアレイを作製し、三次元計測に適用することが記載されている。   Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-039720) describes that an ultrasonic sensor is manufactured using a thin-film hollow piezoelectric body. Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-167820) describes that a phased array is produced by combining a large number of ultrasonic sensors and applied to three-dimensional measurement.

また、非特許文献1によれば、タンタル酸リチウム単結晶のZ板の一方の表面をプロトン交換し、次いで熱処理することによって、Z板の一方の表面側だけを分極反転させ、他方の表面側は分極反転させずに残してある。更に、このようなZ板を厚み振動させ、厚み振動の共振レスポンスを測定している。これによって、タンタル酸リチウムのZ板を圧電共振子として用いることか示している。   According to Non-Patent Document 1, only one surface side of the Z plate is subjected to polarization inversion by proton exchange of one surface of the Z plate of lithium tantalate single crystal and then heat treatment, and the other surface side Is left unpolarized. Further, such a Z plate is vibrated in thickness, and the resonance response of thickness vibration is measured. This indicates that a lithium tantalate Z plate is used as the piezoelectric resonator.

なお、特許文献3(特開2007-228320)には、強誘電性単結晶のZ板を厚み振動させることで、共振子や発振子として用い得ることが記載されている。   Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 2007-228320) describes that a ferroelectric single crystal Z-plate can be used as a resonator or an oscillator by vibrating the thickness.

特開2005-039720JP2005-039720 特開2005-167820JP2005-167820 特開2007-228320JP2007-228320

電子情報通信学会 超音波研究会資料 US87-37(1987) 17〜22頁 「プロトン交換を利用したLiTaO3板の分極反転層形成」The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, Ultrasound Study Group, US87-37 (1987) pp. 17-22 “Polarization inversion of LiTaO3 plate using proton exchange”

一般に、超音波の発信源から放射された超音波は、空気中を伝播し、障害物によって反射され、超音波センサアレイに入射する。空気中にはノイズ音も存在するため、これと分離するため検出信号に閾値を設ける必要がある。検出信号が閾値よりも大きい場合には障害物が存在したものと判定し、閾値を超えない場合には、障害物がないものと判定する。   In general, an ultrasonic wave emitted from an ultrasonic wave transmission source propagates in the air, is reflected by an obstacle, and enters an ultrasonic sensor array. Since noise sound also exists in the air, it is necessary to provide a threshold value for the detection signal in order to separate it. When the detection signal is larger than the threshold value, it is determined that an obstacle exists, and when the detection signal does not exceed the threshold value, it is determined that there is no obstacle.

例えば車載用のセンサ、歩行補助用のセンサ、ロボット用のセンサにおいては、確実に障害物を検知しなければならない。もしも障害物の検知に失敗したり、あるいは障害物が存在しないのに検知信号を出してしまったりすると、事故を引き起こす原因となる可能性も否定でぎない。   For example, in an in-vehicle sensor, a walking assist sensor, and a robot sensor, an obstacle must be detected with certainty. If detection of an obstacle fails or if a detection signal is issued when no obstacle exists, the possibility of causing an accident cannot be denied.

しかし、特許文献2記載のような超音波センサアレイでは、小さい物体や、センサから離れた物体については正答率が低下する傾向が見られた。すなわち、障害物が実際に存在しているのにもかかわらず、障害物を検知できないことが多かった。本発明者は、この検知不能を防止するために、判定を行うときの閾値を小さくして感度を向上させることを検討した。しかし、実際には、閾値を小さくすると、ノイズ音の影響が大きくなり、障害物が存在しないのにもかかわらず、障害物を検知したとの信号を出すことが増えてきた。   However, in the ultrasonic sensor array as described in Patent Document 2, there is a tendency that the accuracy rate decreases for a small object or an object far from the sensor. That is, there are many cases where an obstacle cannot be detected even though the obstacle actually exists. In order to prevent this inability to detect, the present inventor has studied to improve the sensitivity by reducing the threshold value at the time of determination. However, in practice, if the threshold value is decreased, the influence of noise noise increases, and there is an increasing number of signals indicating that an obstacle has been detected even though no obstacle exists.

非特許文献1では、分極反転されたタンタル酸リチウム薄板を厚み振動させることで、フィルターとして動作させている。しかし、仮にこのような圧電振動子を並べてフェーズアレイを作製したとしても、超音波の受信感度は極めて低く、障害物の確実な検知は考えられない。   In Non-Patent Document 1, a lithium tantalate thin plate whose polarization has been inverted is vibrated in thickness to operate as a filter. However, even if such a piezoelectric vibrator is arranged to produce a phase array, the ultrasonic wave reception sensitivity is extremely low, and reliable detection of an obstacle cannot be considered.

なお、特許文献3に記載の圧電薄膜デバイスは、発振子、トラップ、フィルター、デュプレクサ等のFBARを目的とするものであり、このため圧電単結晶薄膜の厚み振動を利用して共振させている。このため、仮にこのような圧電振動子を並べてフェーズアレイを作製したとしても、超音波の受信感度は極めて低く、超音波センサとして用いることは考慮されていない。   The piezoelectric thin film device described in Patent Document 3 is intended for an FBAR such as an oscillator, a trap, a filter, and a duplexer. For this reason, the piezoelectric thin film device is resonated using the thickness vibration of the piezoelectric single crystal thin film. For this reason, even if such piezoelectric vibrators are arranged side by side to produce a phase array, the ultrasonic wave reception sensitivity is extremely low, and use as an ultrasonic sensor is not considered.

本発明の課題は、障害物から反射される超音波によって障害物を検知する超音波センサアレイデバイスにおいて、障害物を確実に検知できるようにすることである。   An object of the present invention is to make it possible to reliably detect an obstacle in an ultrasonic sensor array device that detects an obstacle by ultrasonic waves reflected from the obstacle.

本発明は、障害物から反射される超音波によって障害物を検知するデバイスであって、
支持基板、
超音波を受信して振動する複数の撓み振動部を含む強誘電性単結晶板、
支持基板および強誘電性単結晶板の裏面側に接合されており、支持基板と強誘電性単結晶板との間に複数の空隙を形成する脚部、
強誘電性単結晶板の裏面側に形成されている複数の第一の電極であって、撓み振動部にそれぞれ設けられている第一の電極、および
強誘電性単結晶板の表面側に形成されている複数の第二の電極であって、第一の電極に対応して撓み振動部にそれぞれ形成されている第二の電極
を備えており、前記強誘電性単結晶板が前記表面側の上部と前記裏面側の下部とに分かれており、前記上部の分極方向と前記下部の分極方向とが反対であり、各空隙上にそれぞれ撓み振動部が形成されており、障害物からの反射された超音波による各撓み振動部の各撓み振動によって各第一の電極と各第二の電極との間に励起される各電気信号に基づいて障害物までの距離と角度とを得ることを特徴とする。
The present invention is a device for detecting an obstacle by ultrasonic waves reflected from the obstacle,
Support substrate,
A ferroelectric single crystal plate including a plurality of flexural vibration parts that receive and vibrate ultrasonic waves;
Legs that are bonded to the back side of the support substrate and the ferroelectric single crystal plate, and form a plurality of gaps between the support substrate and the ferroelectric single crystal plate,
A plurality of first electrodes formed on the back surface side of the ferroelectric single crystal plate, the first electrodes respectively provided on the flexural vibration part, and formed on the front surface side of the ferroelectric single crystal plate A plurality of second electrodes that are formed on the flexural vibration portion corresponding to the first electrode, and the ferroelectric single crystal plate is provided on the surface side. Are divided into an upper part and a lower part on the back side, the polarization direction of the upper part is opposite to the polarization direction of the lower part, and a flexural vibration part is formed on each gap, and reflection from an obstacle Obtaining the distance and angle to the obstacle based on each electric signal excited between each first electrode and each second electrode by each bending vibration of each bending vibration part by the ultrasonic wave Features.

本発明者は、特許文献2記載のような超音波センサについて、障害物の検知の確度が落ちた理由について検討した。その結果、圧電膜がゾルゲル法で成膜されているため、各圧電膜の膜厚や密度に微細なムラがあることを見いだした。このようなムラは特許文献1、2において解決されていたという記載があったため、意外な結果であった。このような微細な膜厚、膜質のムラが、圧電膜ごとの共振周波数の若干のズレをもたらし、この結果として障害物の位置情報を担持した波長の超音波の減衰とノイズレベルの上昇をもたらしたものと考えられる。   The present inventor has examined the reason why the accuracy of detecting an obstacle has decreased for an ultrasonic sensor as described in Patent Document 2. As a result, since the piezoelectric film was formed by the sol-gel method, it was found that the film thickness and density of each piezoelectric film had fine unevenness. Since there was a description that such unevenness was solved in Patent Documents 1 and 2, it was an unexpected result. Such fine film thickness and uneven film quality cause a slight shift in the resonance frequency of each piezoelectric film, resulting in attenuation of the ultrasonic wave of the wavelength carrying the obstacle position information and an increase in the noise level. It is thought that.

本発明者は、この仮説に基づき、圧電単結晶薄板を空隙上で規制することなしに共振させる構造とした。圧電単結晶板は研磨によって厚さを一定とすることが可能であり、かつ均質な単結晶を提供できる。このような圧電単結晶板を、空隙上で、機械的に規制することなしに撓み振動させることで、各素子を形成するとともに、一枚の圧電単結晶板について複数の素子をフェーズドアレイとして配列した。この結果として、障害物の位置情報を担持した超音波を高い信号/ノイズ比率で補足することに成功し、本発明に到達した。   Based on this hypothesis, the present inventor has a structure in which the piezoelectric single crystal thin plate is resonated without being restricted on the gap. The thickness of the piezoelectric single crystal plate can be made constant by polishing, and a uniform single crystal can be provided. Each piezoelectric single crystal plate is flexibly vibrated without being mechanically regulated in the gap, thereby forming each element and arranging a plurality of elements as a phased array for one piezoelectric single crystal plate. did. As a result, the ultrasonic wave carrying the obstacle position information was successfully supplemented with a high signal / noise ratio, and the present invention was achieved.

本発明の一実施形態に係る超音波センサアレイデバイスを概略的に示す平面図である。1 is a plan view schematically showing an ultrasonic sensor array device according to an embodiment of the present invention. 図1のデバイスをI−I線に沿って切ってみた模式的断面図である。It is typical sectional drawing which cut the device of FIG. 1 along the II line. (a)、(b)は、図1のデバイスの一つの撓み振動部の振動を示す模式的断面図である。(A), (b) is typical sectional drawing which shows the vibration of one bending vibration part of the device of FIG. センサ部と支持基板とが同種材料の場合における、放射角度の設定値と実測値との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the setting value of radiation angle, and a measured value in case a sensor part and a support substrate are the same kind of materials. センサ部と支持基板とが異種材料の場合における、放射角度の設定値と実測値との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the setting value of radiation angle, and a measured value in case a sensor part and a support substrate are different materials.

図1、図2は、本発明の実施形態に係るデバイス1を示す図である。図1は、デバイスを上方から見た平面模式図であり、図2は、図1のI−I線切断面の断面模式図となっている。   1 and 2 are diagrams showing a device 1 according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 is a schematic plan view of the device as viewed from above, and FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along the line II of FIG.

支持基板9上に一定間隔を置いて圧電単結晶板2が脚部8を介して接着されている。脚部8には平面的に見て図1のような空隙部10A、10B、10Cが形成されており、各空隙部はそれぞれ支持基板9と圧電単結晶板2とによって挟まれている。圧電単結晶板は、本例では、上部2aと下部2bとに二分されており、上部2aの分極方向と下部2bの分極方向とは反対である。すなわち、上部2aと下部2bとの一方が自発分極しており、他方が分極反転されている。   The piezoelectric single crystal plate 2 is bonded to the support substrate 9 via the legs 8 at a constant interval. The legs 8 are formed with gaps 10A, 10B, and 10C as shown in FIG. 1 when viewed in plan, and the gaps are sandwiched between the support substrate 9 and the piezoelectric single crystal plate 2, respectively. In this example, the piezoelectric single crystal plate is divided into an upper part 2a and a lower part 2b, and the polarization direction of the upper part 2a is opposite to the polarization direction of the lower part 2b. That is, one of the upper part 2a and the lower part 2b is spontaneously polarized, and the other is polarization-inverted.

圧電単結晶板2は、単独では自重に耐え得ない強度にまで薄くなっているので、支持基板9および脚部8によって支持されている。これによって、圧電単結晶板2のうち、脚部8に接触しない空隙10A、10B、10C上には、超音波を受信して撓み振動を起こす撓み振動部3A、3B、3Cが形成されている。   The piezoelectric single crystal plate 2 is so thin that it cannot withstand its own weight by itself, and is thus supported by the support substrate 9 and the legs 8. As a result, on the gaps 10A, 10B, and 10C that do not contact the leg portion 8 of the piezoelectric single crystal plate 2, bending vibration portions 3A, 3B, and 3C that receive the ultrasonic waves and cause the bending vibration are formed. .

圧電単結晶板2の各撓み振動部3A、3B、3Cの空隙側の裏面2d側に第一の電極7A、7B、7Cが形成されており,表面2c側にはそれぞれ第二の電極4A、4B、4Cが形成されている。これによって、各撓み振動部が、超音波を感知して共振する超音波センサとして機能する。   First electrodes 7A, 7B, and 7C are formed on the back surface 2d side of the air gap side of each of the flexural vibration portions 3A, 3B, and 3C of the piezoelectric single crystal plate 2, and the second electrodes 4A, 4B and 4C are formed. Thereby, each bending vibration part functions as an ultrasonic sensor that senses and resonates with ultrasonic waves.

圧電単結晶板2は、圧電単結晶材料を除去加工することにより得られる。具体的には、単独で自重に耐え得る厚み(例えば、50μm以上)を有する材料を、単独で自重に耐え得ない膜厚まで除去加工で薄肉化することにより得られる。この厚みは好ましくは10μm以下であり、更に好ましくは5〜1μmである。   The piezoelectric single crystal plate 2 is obtained by removing and processing the piezoelectric single crystal material. Specifically, it can be obtained by thinning a material having a thickness that can withstand its own weight (for example, 50 μm or more) to a thickness that cannot withstand its own weight. This thickness is preferably 10 μm or less, more preferably 5 to 1 μm.

また、撓み振動部の形態や寸法は、測定超音波の振動数および用途に合わせて適宜変更する。典型的には、円形や多角形であってよい。   Further, the form and dimensions of the flexural vibration part are appropriately changed according to the frequency of the measurement ultrasonic wave and the application. Typically, it may be circular or polygonal.

図3に撓み振動を示す。各空隙部10A、10B、10C上では、圧電単結晶板2は容易に振動できる状態にある。各撓み振動部を挟む第一の電極7A、7B、7Cと第二の電極4A、4B、4Cとの間に、それぞれ撓み振動部の共振周波数に準じた交流電気信号を印加すると、圧電横効果で圧電単結晶の面内方向に伸縮変形が発生する。対向する方位を持つ上部と下部との間では伸縮方向が逆方向になるため、各振動部に撓み振動A、Bが発生し、超音波が発振される。なお、符号5A〜5C、6A〜6Cは各電極用の端子である。   FIG. 3 shows the flexural vibration. On each of the gaps 10A, 10B, and 10C, the piezoelectric single crystal plate 2 can be easily vibrated. When an AC electrical signal is applied between the first electrodes 7A, 7B, and 7C and the second electrodes 4A, 4B, and 4C sandwiching each flexural vibration portion, the piezoelectric lateral effect is applied. Thus, expansion and contraction occurs in the in-plane direction of the piezoelectric single crystal. Since the expansion and contraction directions are opposite between the upper and lower parts having opposite directions, flexural vibrations A and B are generated in each vibration part, and ultrasonic waves are oscillated. Reference numerals 5A to 5C and 6A to 6C are terminals for the respective electrodes.

また、図2に示すように、障害物20から超音波センサアレイデバイスに超音波が伝搬すると、各撓み振動部が、圧電単結晶板の表面に対して略垂直に、矢印A、Bのように変形する(図3)。この振動によって一対の電極間に励起される電気信号を、所定の演算処理装置へと伝送する。複数の撓み振動部から伝送されたすべての電気信号を演算し、障害物までの距離と角度とを計算する。   Further, as shown in FIG. 2, when ultrasonic waves propagate from the obstacle 20 to the ultrasonic sensor array device, each flexural vibration portion is substantially perpendicular to the surface of the piezoelectric single crystal plate as indicated by arrows A and B. (FIG. 3). An electrical signal excited between the pair of electrodes by this vibration is transmitted to a predetermined arithmetic processing unit. All electric signals transmitted from a plurality of flexural vibrators are calculated, and the distance and angle to the obstacle are calculated.

圧電単結晶板に撓み振動部を形成し、撓み振動を電気信号に変換するためには、分極方向の異なる部分2a、2bを形成する必要がある。この方法としては以下がある。
(1) 圧電単結晶材料を脚部8を介して支持基板に接着する。次いで、圧電単結晶材料を薄肉化することで下部2bを得る。次いで、分極方向が反対の別の圧電単結晶材料を下部2bに接合し、薄肉化することで、上部2aを形成する。
(2) 単一の圧電単結晶材料を薄肉化した後、熱処理による分極反転処理によって上部2aと下部2bを得る。
In order to form a flexural vibration part on a piezoelectric single crystal plate and convert the flexural vibration into an electric signal, it is necessary to form portions 2a and 2b having different polarization directions. This method includes the following.
(1) A piezoelectric single crystal material is bonded to the support substrate through the legs 8. Next, the lower portion 2b is obtained by thinning the piezoelectric single crystal material. Next, another piezoelectric single crystal material having the opposite polarization direction is joined to the lower portion 2b and thinned to form the upper portion 2a.
(2) After thinning a single piezoelectric single crystal material, the upper part 2a and the lower part 2b are obtained by polarization inversion processing by heat treatment.

圧電単結晶板は、水晶(SiO2)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、四ホウ酸リチウム(Li2B4O7)、酸化亜鉛(ZnO)、ニオブ酸カリウム(KNbO3)及びランガサイト(La3Ga3SiO14)等の粒界を含まない単結晶からなる。   Piezoelectric single crystal plates include quartz (SiO2), lithium niobate (LiNbO3), lithium tantalate (LiTaO3), lithium tetraborate (Li2B4O7), zinc oxide (ZnO), potassium niobate (KNbO3) and langasite (La3Ga3SiO14) ) And the like.

圧電単結晶板における結晶方位は、所望の圧電特性を有する結晶方位を選択する。ここで、撓み振動部における結晶方位を、共振周波数や反共振周波数の温度特性が良好となる結晶方位、望ましくは、周波数温度係数が「0」となる結晶方位とすれば、温度特性が良好な圧電型超音波センサを実現可能になる。   As the crystal orientation in the piezoelectric single crystal plate, a crystal orientation having desired piezoelectric characteristics is selected. Here, if the crystal orientation in the flexural vibration part is a crystal orientation in which the temperature characteristics of the resonance frequency and the anti-resonance frequency are good, preferably a crystal orientation in which the frequency temperature coefficient is “0”, the temperature characteristics are good. A piezoelectric ultrasonic sensor can be realized.

圧電単結晶材料の除去加工は、切削、研削及び研磨等の機械加工並びにエッチング等の化学加工等により行う。ここで、複数の除去加工方法を組み合わせ、加工速度が速い除去加工方法から、加工対象に生じる加工変質が小さい除去加工方法へと除去加工方法を段階的に切り替えながら圧電体材料を除去加工できる。例えば、圧電体基板を固定砥粒に接触させて削る研削及び圧電体基板を遊離砥粒に接触させて削る研磨を順次行った後に、当該研磨によって圧電体基板に生じた加工変質層を仕上げ研磨により除去できる。   The removal processing of the piezoelectric single crystal material is performed by mechanical processing such as cutting, grinding and polishing, and chemical processing such as etching. Here, by combining a plurality of removal processing methods, the piezoelectric material can be removed while switching the removal processing method step by step from a removal processing method with a high processing speed to a removal processing method with a small process alteration that occurs in the processing target. For example, after performing grinding in which a piezoelectric substrate is brought into contact with fixed abrasive grains and polishing in which a piezoelectric substrate is brought into contact with loose abrasive grains in order, a work-affected layer generated on the piezoelectric substrate by the polishing is finished and polished. Can be removed.

第一の電極、第二の電極は、導電材料を成膜することにより得られた導電体薄膜である。各電極の膜厚は、撓み振動部への密着性、電気抵抗及び耐電力等を考慮して決定される。   The first electrode and the second electrode are conductor thin films obtained by depositing a conductive material. The film thickness of each electrode is determined in consideration of adhesion to the flexural vibration portion, electrical resistance, power resistance, and the like.

各電極の材質は、特に制限されないが、アルミニウム(Al)、銀(Ag)、銅(Cu)、白金(Pt)、金(Au)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)等の金属から選択することが望ましく、安定性に優れるアルミニウムを選択することが特に望ましい。また、電極材料としては、これらの合金を用いてもよい。   The material of each electrode is not particularly limited, but aluminum (Al), silver (Ag), copper (Cu), platinum (Pt), gold (Au), chromium (Cr), nickel (Ni), molybdenum (Mo) It is desirable to select from metals such as tungsten (W), and it is particularly desirable to select aluminum having excellent stability. Moreover, you may use these alloys as an electrode material.

脚部8の材質は、絶縁性と機械的強度があれば特に制限されないが、二酸化ケイ素(SiO2)、アルミナ(Al2O3)、五酸化二タンタル(Ta2O5)、四窒化三ケイ素(Si3N4)、二酸化チタン(TiO2)が好ましい。   The material of the leg 8 is not particularly limited as long as it has insulation and mechanical strength, but silicon dioxide (SiO2), alumina (Al2O3), ditantalum pentoxide (Ta2O5), trisilicon tetranitride (Si3N4), titanium dioxide (TiO2) is preferred.

圧電単結晶板を脚部8、支持基板9に接合する方法は、好ましくは有機接着剤である。これは更に好ましくは、充填効果を有し、接着対象が完全に平坦ではなくても十分な接着力を発揮するエポキシ接着剤(熱硬化性のエポキシ樹脂)およびアクリル接着剤(光硬化と熱硬化を併用するアクリル樹脂)を例示できる。   The method of bonding the piezoelectric single crystal plate to the leg portion 8 and the support substrate 9 is preferably an organic adhesive. This is more preferably an epoxy adhesive (thermosetting epoxy resin) and an acrylic adhesive (photocuring and thermosetting) that have a filling effect and exhibit sufficient adhesion even if the object to be bonded is not completely flat Acrylic resin) can be exemplified.

また、別の接合方法として、表面活性化接合、熱圧着接合、陽極接合、共晶結合等の接着剤を用いない方法で接合することも出来る。この場合、接合面に接着剤が存在しないため、振動の減衰など、超音波発信、受信特性への悪影響や、高温での接着剤材料の劣化などのセンサの劣化や製造プロセスの温度制限などの問題を解決することが出来る。   As another bonding method, bonding can be performed by a method that does not use an adhesive such as surface activated bonding, thermocompression bonding, anodic bonding, or eutectic bonding. In this case, since there is no adhesive on the joint surface, such as vibration attenuation, adverse effects on ultrasonic transmission and reception characteristics, sensor degradation such as adhesive material degradation at high temperatures, and temperature limitations in the manufacturing process, etc. The problem can be solved.

支持基板9の材質は、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、ジルコニア、シリコン単結晶が好ましい。   The material of the support substrate 9 is preferably quartz glass, borosilicate glass, zirconia, or silicon single crystal.

特に好ましくは、支持基板の材質が、圧電単結晶板の材質と同種である。これは、材質の主成分および結晶系が同一であることを意味しており、微量成分、ドープ成分ないし不可避的不純物は異なっていても良い。こうした材質としては、水晶(SiO2)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、四ホウ酸リチウム(Li2B4O7)、酸化亜鉛(ZnO)、ニオブ酸カリウム(KNbO3)及びランガサイト(La3Ga3SiO14)を例示できる。   Particularly preferably, the material of the support substrate is the same as the material of the piezoelectric single crystal plate. This means that the main component and crystal system of the material are the same, and the trace component, the doped component, or the inevitable impurities may be different. These materials include quartz (SiO2), lithium niobate (LiNbO3), lithium tantalate (LiTaO3), lithium tetraborate (Li2B4O7), zinc oxide (ZnO), potassium niobate (KNbO3) and langasite (La3Ga3SiO14) Can be illustrated.

圧電単結晶板と支持基板とが異種材料の場合、センサ部と基板との界面で音波反射が起きるので、アレイを構成する各センサ部間の音波がお互いに結合してしまい、いわゆるクロストークが発生することがある。すると、所望の放射角度を得るために必要な各素子の独立した制御ができなくなってしまう。この結果として、設定角度と現実の放射角度の差異が発生してしまう。また、このクロストークはセンサ部厚さや基板との接合状態などの差異の影響を受けるため、放射角度の素子毎のばらつきも発生する。こうしたことは、障害物の位置特定に不具合を及ぼし、実用上問題になる。支持基板の材質を圧電単結晶板の材質と同種とすることによって、こうした素子間(撓み振動部間)のクロストークに起因する問題点を解決できる。   When the piezoelectric single crystal plate and the support substrate are made of different materials, sound wave reflection occurs at the interface between the sensor unit and the substrate, so that the sound waves between the sensor units constituting the array are coupled to each other, so-called crosstalk occurs. May occur. Then, independent control of each element necessary for obtaining a desired radiation angle becomes impossible. As a result, a difference between the set angle and the actual radiation angle occurs. Further, since this crosstalk is affected by differences in sensor portion thickness, bonding state with the substrate, etc., the radiation angle varies from element to element. This causes a problem in the location of the obstacle and becomes a practical problem. By making the material of the support substrate the same as the material of the piezoelectric single crystal plate, it is possible to solve the problems caused by the crosstalk between the elements (between the vibrating parts).

本発明の超音波センサアレイデバイスを使用することで、障害物までの距離およびセンサに対する角度を測定することができる。この方法それ自体は知られており、例えば特許文献2に記載されている。   By using the ultrasonic sensor array device of the present invention, the distance to the obstacle and the angle to the sensor can be measured. This method is known per se and is described, for example, in Patent Document 2.

すなわち、各撓み振動部からの各出力信号を電気的に遅延加算することにより、フェイズドアレイを構成し、センサ素子自体を機械的に動かさずに指向性を走査することができる。これを実現するには各超音波センサ素子の共振周波数が一致している必要がある。   That is, by electrically delay-adding each output signal from each flexural vibration unit, a phased array can be formed, and directivity can be scanned without mechanically moving the sensor element itself. In order to realize this, it is necessary that the resonance frequencies of the ultrasonic sensor elements coincide with each other.

[実験1]
(デバイスの製造)
図1〜図3に示したような形態の超音波センサアレイデバイスを製造した。
ただし、本実施例では、圧電単結晶板2および支持基板9をニオブ酸リチウム単結晶によって形成し、第一の電極および第二の電極をアルミニウムによって形成し、脚部8を二酸化ケイ素によって形成した。
[Experiment 1]
(Device manufacturing)
An ultrasonic sensor array device having a configuration as shown in FIGS. 1 to 3 was manufactured.
However, in this embodiment, the piezoelectric single crystal plate 2 and the support substrate 9 are formed of lithium niobate single crystal, the first electrode and the second electrode are formed of aluminum, and the legs 8 are formed of silicon dioxide. .

最初に、厚み0.5mm、直径3インチのニオブ酸リチウム単結晶の円形ウエハ(140°Y板)を、圧電単結晶及び支持基板9として準備した。圧電単結晶材料の一方の主面の全面に厚み1000オングストロームのアルミニウム膜をスパッタリングにより成膜し、フォトリソグラフィプロセスを用いて、エッチングにより第一の電極7A、7B、7Cをパターニングした。次いで、圧電単結晶材料の第一の電極側の主面に、全面にわたって厚み1μmの二酸化ケイ素膜8をスパッタリングにより成膜した。そして、フッ酸を用いたウエットエッチングにより、空隙10A〜10Cをパターニングした。   First, a circular niobate single crystal wafer (140 ° Y plate) having a thickness of 0.5 mm and a diameter of 3 inches was prepared as a piezoelectric single crystal and a support substrate 9. An aluminum film having a thickness of 1000 angstroms was formed on the entire surface of one main surface of the piezoelectric single crystal material by sputtering, and the first electrodes 7A, 7B, and 7C were patterned by etching using a photolithography process. Next, a silicon dioxide film 8 having a thickness of 1 μm was formed on the main surface of the piezoelectric single crystal material on the first electrode side by sputtering. Then, the gaps 10A to 10C were patterned by wet etching using hydrofluoric acid.

次いで、圧電単結晶板2および脚部8を支持基板9に対して表面活性化接合によって接合した。各空隙(キャビティ)の形状は円形とし、直径は2mmとした。空隙のピッチは3mmとした。   Next, the piezoelectric single crystal plate 2 and the legs 8 were bonded to the support substrate 9 by surface activation bonding. Each void (cavity) had a circular shape and a diameter of 2 mm. The gap pitch was 3 mm.

次いで、炭化珪素で作製した研磨治具に支持基板9を接着、固定し、圧電単結晶材料側を固定砥粒の研削機で研削加工し、材料の厚みを50μmまで薄肉化した。さらに、圧電単結晶材料の研削面をダイヤモンド砥粒で研磨加工し、その厚みを5μmまで薄肉化した。最後に、ダイヤモンド砥粒による研磨加工で基板に生じた加工変質層を除去するために、遊離砥粒及び不繊布系研磨パッドを使用して基板の仕上げ研磨を行い、厚みが4.00μm±0.01μmの圧電単結晶板2を形成した。   Next, the support substrate 9 was bonded and fixed to a polishing jig made of silicon carbide, and the piezoelectric single crystal material side was ground by a fixed abrasive grinder to reduce the thickness of the material to 50 μm. Furthermore, the grinding surface of the piezoelectric single crystal material was polished with diamond abrasive grains, and the thickness was reduced to 5 μm. Finally, in order to remove the work-affected layer generated on the substrate by polishing with diamond abrasive grains, the substrate is subjected to final polishing using loose abrasive grains and a non-woven cloth polishing pad, and the thickness is 4.00 μm ± 0. A .01 μm piezoelectric single crystal plate 2 was formed.

さらに、圧電単結晶板2を所定温度で熱処理し、分極反転処理することによって、上層2aと下層2bとを精製させた。下層2bは自発分極層であり、上層2aは分極反転層である。次いで、圧電単結晶板2の一部にをエッチング加工を施し、貫通孔を設け、下部電極取出し孔を設けた。さらに、圧電単結晶板の研磨面を有機溶剤で洗浄し、研磨面の全面に厚み1000オングストロームのアルミニウムの膜をスパッタリングにより成膜し、フォトリソグラフィプロセスを用いて、エッチングにより第二の電極4A、4B、4Cを形成した。   Furthermore, the upper layer 2a and the lower layer 2b were refined by heat-treating the piezoelectric single crystal plate 2 at a predetermined temperature and subjecting it to polarization inversion. The lower layer 2b is a spontaneous polarization layer, and the upper layer 2a is a polarization inversion layer. Next, a part of the piezoelectric single crystal plate 2 was etched to provide a through hole and a lower electrode extraction hole. Further, the polished surface of the piezoelectric single crystal plate is washed with an organic solvent, an aluminum film having a thickness of 1000 angstroms is formed on the entire polished surface by sputtering, and the second electrode 4A, by etching using a photolithography process, 4B and 4C were formed.

(障害物の検知)
障害物として、所定直径のコンクリート製球体を設け、これを以下の実験条件に基づく位置に設置した。実験に用いた障害物設置条件を下表に示す。
(Detection of obstacles)
As an obstacle, a concrete sphere having a predetermined diameter was provided and installed at a position based on the following experimental conditions. The following table shows the obstacle installation conditions used in the experiment.

Figure 0005600431
Figure 0005600431

「超音波センサからの距離」は、超音波センサアレイデバイスの振動部分表面から障害物までの最短距離である。「超音波センサからの角度」は、デバイスと障害物を結ぶ線が超音波センサ表面垂直方向となす角度を示す。   The “distance from the ultrasonic sensor” is the shortest distance from the vibrating surface of the ultrasonic sensor array device to the obstacle. “An angle from the ultrasonic sensor” indicates an angle formed by a line connecting the device and an obstacle with a direction perpendicular to the surface of the ultrasonic sensor.

表1に示す各障害物設置条件にて、障害物検知実験を行った。具体的には、以下を検知した。
・ 障害物がある場合に、障害物があるという判断をできたか否か
・ 障害物が無い場合に、障害物が無いという判断をできたか否か
Obstacle detection experiments were performed under the respective obstacle installation conditions shown in Table 1. Specifically, the following was detected.
・ If there is an obstacle, can you judge that there is an obstacle? ・ If there is no obstacle, you can judge that there is no obstacle.

また、設定閾値レベルとして、標準レベルで行ったほか、正答率に問題がある場合には閾値レベルを振幅比で1/5に低く設定した高感度レベルにて実施した。特許文献2記載の超音波センサアレイを比較例とし、各実験条件での正答率を示す。   In addition to the standard threshold level, the threshold level was set to a low sensitivity level of 1/5 when there was a problem with the correct answer rate. Using the ultrasonic sensor array described in Patent Document 2 as a comparative example, the correct answer rate under each experimental condition is shown.

Figure 0005600431
Figure 0005600431

条件1、2では90%程度の正答率が得られており、多少問題はあるが、ある程度の実用化が可能である。しかし、より厳しい条件3、4では、障害物有りの場合の正答率が著しく低下することがわかった。これは主に障害物が小さくなったり、障害物が遠方に置かれているため、障害物から反射された超音波のセンサへの入射強度が低くなったためと考えらえる。そこで、閾値レベルを高感度レベルにした場合の実験を行った。正答率を示す。   Under conditions 1 and 2, a correct answer rate of about 90% is obtained, and although there are some problems, practical application to some extent is possible. However, it was found that under the more severe conditions 3 and 4, the correct answer rate when there was an obstacle was significantly reduced. This is mainly because the incident intensity of the ultrasonic wave reflected from the obstacle is lowered because the obstacle is small or the obstacle is placed in the distance. Therefore, an experiment was conducted when the threshold level was set to a high sensitivity level. Indicates the correct answer rate.

Figure 0005600431
Figure 0005600431

条件3、4において、障害物有りの場合の正答率は改善されたものの、今度は障害物無しの場合の正答率が低下した。閾値レベルを下げたため、これまではノイズ音として切り捨てていた、センサ以外から発せられた音波や、センサからの音波のうち、目標の障害物以外で多重反射などで反射された音波を障害物からの反射と誤認識してしまったためと考えられる。従って、閾値レベルの設定変更では正答率の改善はみられなかった。   Under conditions 3 and 4, the correct answer rate with an obstacle improved, but this time the correct answer rate with no obstacle decreased. Since the threshold level has been lowered, sound waves emitted from other than the sensor that have been discarded as noise sounds, and sound waves from the sensor that have been reflected by multiple reflections other than the target obstacle from the obstacles. This is thought to be due to misrecognition of the reflection. Therefore, the change in the threshold level setting did not improve the correct answer rate.

次いで、前記の実施例のデバイスでの正答率を示す。   Subsequently, the correct answer rate in the device of the said Example is shown.

Figure 0005600431
Figure 0005600431

以上、良好な正答率が得られている。一部、誤判定が起きた例があるが、繰り返し測定を行い、誤りを訂正するなどの手法と組み合わせることで、実用上は問題の無い障害物検知が可能である。   As described above, a good accuracy rate is obtained. In some cases, misjudgment has occurred, but by combining with methods such as repeated measurement and error correction, obstacle detection with no problem in practice is possible.

[実験2]
実験1の実施例のデバイスを用い、各アレイ駆動条件に基づく放射角度設定値と実際の放射角度の関係を評価した。この結果を図4に示す。放射角度設定値と実際の放射角度とは、よく対応しており、正常な動作が行われていた。
[Experiment 2]
Using the device of the example of Experiment 1, the relationship between the radiation angle setting value based on each array driving condition and the actual radiation angle was evaluated. The result is shown in FIG. The radiation angle set value and the actual radiation angle corresponded well, and normal operation was performed.

次に、実験1の実施例の素子において、支持基板の材質をシリコン単結晶に変更した。3個の素子を作製し、それぞれについて、各アレイ駆動条件に基づく放射角度設定値と実際の放射角度の関係を評価した。この結果を図5に示す。   Next, in the element of the example of Experiment 1, the material of the support substrate was changed to a silicon single crystal. Three elements were manufactured, and the relationship between the radiation angle setting value based on each array driving condition and the actual radiation angle was evaluated. The result is shown in FIG.

この結果、放射角度の設定値が大きい領域で、実際の放射角度が設定値に比べて小さく、また素子ごとの差異も見られることがわかる。こうしたことは、障害物の位置特定に不具合を及ぼし、実用上問題になる。   As a result, it can be seen that in a region where the set value of the radiation angle is large, the actual radiation angle is smaller than the set value, and a difference for each element is also seen. This causes a problem in the location of the obstacle and becomes a practical problem.

(符号の説明)
1 障害物検知デバイス 2 強誘電性単結晶板 2a 上層 2b 下層 3A、3B、3C 撓み振動部 4A、4B、4C 第二の電極 7A、7B、7C 第一の電極 8 脚部 9 支持基板 10A、10C、10C 空隙 20 空隙
(Explanation of symbols)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Obstacle detection device 2 Ferroelectric single crystal board 2a Upper layer 2b Lower layer 3A, 3B, 3C Flexural vibration part 4A, 4B, 4C 2nd electrode 7A, 7B, 7C 1st electrode 8 Leg part 9 Support substrate 10A, 10C, 10C gap 20 gap

Claims (3)

障害物から反射される超音波によって障害物を検知するデバイスであって、
支持基板、
前記超音波を受信して振動する複数の撓み振動部を含む強誘電性単結晶板、
前記支持基板および前記強誘電性単結晶板の裏面側に接合されており、前記支持基板と前記強誘電性単結晶板との間に複数の空隙を形成する脚部、
前記強誘電性単結晶板の前記裏面側に形成されている複数の第一の電極であって、前記撓み振動部にそれぞれ設けられている第一の電極、および
前記強誘電性単結晶板の表面側に形成されている複数の第二の電極であって、前記第一の電極に対応して前記撓み振動部にそれぞれ形成されている第二の電極
を備えており、前記強誘電性単結晶板が前記表面側の上部と前記裏面側の下部とに分かれており、前記上部の分極方向と前記下部の分極方向とが反対であり、前記各空隙上にそれぞれ前記撓み振動部が形成されており、前記障害物から反射された超音波による前記各撓み振動部の各撓み振動によって前記各第一の電極と前記各第二の電極との間に励起される各電気信号に基づいて前記障害物までの距離と角度とを得ることを特徴とする、障害物の超音波検知デバイス。
A device for detecting an obstacle by ultrasonic waves reflected from the obstacle,
Support substrate,
A ferroelectric single crystal plate including a plurality of flexural vibration parts that receive and vibrate the ultrasonic waves;
Legs that are bonded to the back side of the support substrate and the ferroelectric single crystal plate, and that form a plurality of voids between the support substrate and the ferroelectric single crystal plate,
A plurality of first electrodes formed on the back surface side of the ferroelectric single crystal plate, each of the first electrodes provided in the flexural vibration portion, and the ferroelectric single crystal plate a plurality of second electrodes formed on the surface side provided with a second electrode that are formed on the deflection vibration unit in response to the first electrode, the ferroelectric single The crystal plate is divided into an upper part on the front side and a lower part on the back side, the polarization direction of the upper part is opposite to the polarization direction of the lower part, and the flexural vibration part is formed on each gap. And based on each electrical signal excited between each first electrode and each second electrode by each flexural vibration of each flexural vibration part due to ultrasonic waves reflected from the obstacle Obstacles characterized by obtaining the distance and angle to the obstacle Ultrasonic detection device for harmful substances.
前記強誘電性単結晶板と前記支持基板とが同種の材質からなることを特徴とする、請求項1記載のデバイス。   The device according to claim 1, wherein the ferroelectric single crystal plate and the support substrate are made of the same kind of material. 前記強誘電性単結晶板の厚さが10μm以下であることを特徴とする、請求項1または2記載のデバイス。
Wherein the thickness of said ferroelectric single crystal plate is 10μm or less, according to claim 1 or 2 wherein the device.
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