CN110324769A - 超声波传感器以及超声波装置 - Google Patents

超声波传感器以及超声波装置 Download PDF

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Abstract

一种超声波传感器以及超声波装置，抑制驱动特性的降低的同时，实现超声波的发送声压的增大。超声波传感器具备：振动板，具备多个振动部；壁部，设置于所述振动板，包围所述振动部；第一压电元件，设置于多个所述振动部中、规定数量的所述振动部；以及第二压电元件，设置于未设置所述第一压电元件的所述振动部，其中，所述第一压电元件能够进行驱动信号的输入输出，且与至少一个其他的所述第一压电元件并联连接，在一个方向上相邻的所述第一压电元件之间，配置有所述第二压电元件。

Description

超声波传感器以及超声波装置
技术领域
本发明涉及一种超声波传感器以及超声波装置。
背景技术
在现有技术中，已知有通过使振动板振动来进行超声波的发送接收的超声波传感器(例如，专利文献1)。
在专利文献1记载的超声波传感器中，包括振动膜、以及配置于振动膜上的压电元件而构成的超声波换能器在XY方向上配置为矩阵状。在该超声波传感器中，通过多个超声波换能器中、沿Y方向配置的各超声波换能器构成超声波换能器列(频道)，成为沿着X方向配置多个频道的构成。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017-34057号公报
可以认为在专利文献1记载的超声波传感器中，为了增大从超声波传感器发送的超声波的声压，而增大1频道所包括的超声波换能器的数量(元件数)。但是，如果增大频道所包括的元件数，则频道整体中的合计电容(合计静电电容)也会增大，从而用于使超声波传感器驱动的驱动特性降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在抑制驱动特性的降低的同时、实现超声波的发送声压的增大的超声波传感器、以及超声波装置。
本发明的一个适用例所涉及的超声波传感器的特征在于，具备：振动板，具备多个振动部；壁部，设置于所述振动板，包围所述振动部；第一压电元件，设置于多个所述振动部中、规定数量的所述振动部；以及第二压电元件，设置于未设置所述第一压电元件的所述振动部，其中，所述第一压电元件能够进行驱动信号的输入输出，且与至少一个其他的所述第一压电元件并联连接，所述第二压电元件与所述第一压电元件电绝缘，在一个方向上相邻的所述第一压电元件之间，配置有所述第二压电元件。
在本适用例的超声波传感器中，在振动板上设置被壁部包围的多个振动部，第一压电元件配置于这些振动部中规定数量的振动部，第二压电元件配置于剩余的振动部。第一压电元件是与至少一个其他第一压电元件电并联连接的压电元件，通过输入驱动信号，并联连接的多个第一压电元件同时被驱动。另一方面，第二压电元件是与第一压电元件电绝缘的压电元件，配置于在一个方向上相邻的第一压电元件之间。需要说明的是，在下面的说明中，有时将第一压电元件以及配置有该第一压电元件的振动部所构成的超声波换能器称为驱动换能器，将第二压电元件以及配置有该第二压电元件的振动部所构成的超声波换能器称为非驱动换能器。
在上述的本适用例中，通过向第一压电元件输入驱动信号，第一压电元件进行伸缩，配置有该第一压电元件的振动部进行振动，从而从驱动换能器发送超声波。此时，驱动换能器的振动部的振动通过振动板传递至配置有第二压电元件的振动部(机械性串扰)。由此，非驱动换能器的振动部进行共振，也从非驱动换能器发送超声波。也就是说，在本适用例中，通过仅使驱动换能器驱动，从配置于该驱动换能器的附近的非驱动换能器也发送超声波，从而能够从超声波传感器发送大声压的超声波。
此外，在这样的构成中，无需为了提高发送超声波的声压而增加输入驱动信号的第一压电元件的数量。因此，并联连接的驱动换能器的整体的合计静电电容也不会变大。因此，可以在抑制驱动特性的降低的同时，提高发送超声波的声压。
优选在本适用例的超声波传感器中，在所述振动板具备配置有包括并联连接的规定数量的所述第一压电元件而构成的元件组的第一区域，所述第一区域在第一方向上配置有多个，在所述第一方向上相邻的所述第一区域之间，配置有所述第二压电元件。
在本适用例中，通过并联连接的第一压电元件构成一个元件组。此外，在振动板上，沿第一方向配置多个配置元件组的第一区域在这些多个第一区域之间配置第二压电元件、即非驱动换能器。
这样，在沿第一方向配置多个元件组的构成的情况下，例如通过使各元件组同时驱动，可以从超声波传感器发送更大声压的超声波。此外，如果使各元件组延迟驱动，则可以使超声波的发送方向向与延迟时间对应的方向移动，也可以进行超声波的发送方向的控制。此外，在本适用例中，非驱动换能器配置于第一方向上相邻的第一区域之间。在这样的构成中，通过使第一区域的元件组(驱动换能器)驱动，可以使在第一区域相邻配置的非驱动换能器的振动部共振。由此，可以在抑制超声波传感器的驱动特性的降低的同时，提高使第一区域的元件组驱动时的超声波的声压。
优选在本适用例的超声波传感器中，以包围所述第一区域的方式配置有多个所述第二压电元件。
在本适用例中，多个第二压电元件(非驱动换能器)配置为包围第一区域。由此，例如与非驱动换能器仅配置于第一方向上相邻的第一区域之间的情况相比，可以增加使第一区域的元件组驱动时进行共振的非驱动换能器的数量。由此，可以发送更大声压的超声波。
优选在本适用例的超声波传感器中，所述第一区域包括配置于所述第一方向的多个所述第一压电元件，在所述第一方向上相邻的所述第一压电元件之间，配置有所述第二压电元件。
在本适用例中，非驱动换能器不仅配置于第一方向上相邻的第一区域之间，而且也配置于第一区域内的第一方向上相邻的驱动换能器之间。由此，与将第一区域内的所有超声波换能器作为驱动换能器的情况相比，可以减少合计静电电容，实现超声波传感器的驱动特性的提高。此外，如果使驱动换能器驱动，则第一区域内的非驱动换能器的振动部也进行共振，因此，可以发送大声压的超声波。
在本适用例的超声波传感器中，所述第一区域包括配置在与所述第一方向交叉的第二方向上的多个所述第一压电元件，在所述第二方向上相邻的所述第一压电元件之间，配置有所述第二压电元件。
在本适用例中，非驱动换能器也配置在与第一方向交叉的第二方向上相邻的驱动换能器之间。由此，与将第一区域内的所有超声波换能器作为驱动换能器的情况相比，可以减少合计静电电容，实现超声波传感器的驱动特性的提高。此外，如果使驱动换能器驱动，则第一区域内的非驱动换能器的振动部也进行共振，因此，可以发送大声压的超声波。
本发明的一个适用例所涉及的超声波装置的特征在于，具备：上述适用例的超声波传感器；以及向所述第一压电元件输入所述驱动信号的驱动电路。
在本适用例中，如上所述，如果向构成第一压电元件的驱动换能器输入驱动信号使其驱动，则可以使与驱动换能器相邻的非驱动换能器的振动部振动，可以发送大声压的超声波。此外，能够抑制并联连接的超声波换能器的数量而合计静电电容不会变大，抑制驱动特性的降低的同时，提高发送超声波的声压。因此，向超声波传感器输出驱动信号的驱动电路的构成也可以实现简单化。
附图说明
图1是示出作为第一实施方式的超声波装置的一个例子的距离测定装置的概略构成的框图。
图2是示意性地示出第一实施方式的超声波传感器的构成的俯视图。
图3是图2的A-A线上的超声波传感器的剖视图。
图4是示意性地示出第一实施方式的第一变形例中的超声波传感器的构成的俯视图。
图5是示意性地示出第一实施方式的第二变形例中的超声波传感器的构成的俯视图。
图6是示出比较例1的超声波传感器的概略构成的俯视图。
图7是比较例1与本实施方式的发送声压的比较图。
图8是示意性地示出第二实施方式的超声波传感器的构成的俯视图。
图9是示意性地示出第二实施方式的变形例的超声波换能器的构成的俯视图。
图10是示意性地示出变形例4的超声波换能器的构成的俯视图。
附图标记说明
1距离测定装置(超声波装置)；10、10A、10B、10C、10D、10E超声波传感器；11元件基板；12压电元件；20控制部；30驱动电路；33发送电路；111基板主体部；111A开口部；111B壁部；112振动板；112A振动部；121下部电极；122压电体层；123上部电极；Ar1第一区域；Ar2第二区域；Ch发送接收部；Tr超声波换能器；Tr1驱动换能器；Tr1C驱动换能器列；Tr2非驱动换能器；Tr2C非驱动换能器列。
具体实施方式
[第一实施方式]
下面，对本发明的第一实施方式进行说明。
图1是示出作为第一实施方式的超声波装置的一个例子的距离测定装置1的概略构成的框图。
如图1所示，本实施方式的距离测定装置1具备超声波传感器10、以及控制超声波传感器10的控制部20。在该距离测定装置1中，控制部20通过驱动电路30来控制超声波传感器10，从超声波传感器10发送超声波。此外，如果超声波被对象物反射、反射波被超声波传感器10所接收，则控制部20基于超声波的发送定时至超声波的接收定时的时间，计算出超声波传感器10至对象物的距离。
下面，对这样的距离测定装置1的构成进行具体的说明。
[超声波传感器10的构成]
图2是示意性地示出超声波传感器10的构成的俯视图。图3是图2的A-A线上的超声波传感器10的剖视图。
如图3所示，超声波传感器10构成为具备元件基板11、压电元件12、以及减振层13。这里，在以后的说明中，将元件基板11的基板厚度方向设为Z方向，将与Z方向交叉(在本实施方式中为正交)的两轴方向分别设为X方向(第一方向)以及Y方向(第二方向)。
(元件基板11的构成)
如图3所示，元件基板11具备基板主体部111、以及设置于基板主体部111的-Z侧的振动板112。
基板主体部111是支承振动板112的基板，例如由Si等的半导体基板构成。这里，在元件基板11上设置有沿着X方向以及Y方向配置为二维阵列状的多个开口部111A。
在本实施方式中，各开口部111A是贯通基板主体部111的基板厚度方向(Z方向)的贯通孔，以堵塞该贯通孔的一端侧(-Z侧)的方式设置有振动板112。在基板主体部111中，未设置有开口部111A的部分构成壁部111B，在该壁部111B上层叠有振动板112。
振动板112例如由SiO2、或SiO2以及ZrO2的层叠体等构成，设置于基板主体部111的-Z侧。振动板112的厚度尺寸是相对于基板主体部111足够小的厚度。该振动板112被构成开口部111A的基板主体部111的壁部111B支承，堵塞开口部111A的-Z侧。振动板112中的在俯视观察时与开口部111A重叠的部分(堵塞开口部111A的区域)构成振动部112A。也就是说，振动部112的振动部112A被壁部111B包围，通过开口部111A来规定振动部112A的外缘。该振动部112A为能够通过压电元件12进行振动的振动区域。
(压电元件12的构成)
压电元件12分别设置于振动部112的一面(-Z侧的面)、且从Z方向观察的俯视观察时与各振动部112A重叠的位置。如图3所示，该压电元件12通过在转动部112上依次层叠下部电极121、压电体层122、以及上部电极123而构成。
这里，通过振动板112中的一个振动部112A、以及设置于该振动部112A上的压电元件12构成一个超声波换能器Tr。因此，如图2所示，在超声波传感器10中沿X方向以及Y方向配置多个超声波换能器Tr。
在这样构成的超声波换能器Tr中，通过在下部电极121以及上部电极123之间施加电压，压电体层122进行伸缩，设置有压电元件12的振动板112的振动部112A以开口部111A的开口宽度等所对应的频率进行振动。由此，从振动部112A的+Z侧(开口部111A侧)发送超声波。
此外，如果超声波被输入到开口部111A，则通过该超声波，振动部112A进行振动，在压电体层122的上下产生电位差。因此，通过检测在下部电极121以及上部电极123之间产生的电位差，可以检测(接收)超声波。
(减振层13的构成)
如图3所示，在振动板112的-Z侧设置有减振层13。
在本实施方式中，减振层13覆盖振动板112以及各压电元件12的-Z侧整体(也就是说，与发送接收超声波的一侧相反一侧的面)。从Z方向观察时，减振层13的与压电元件12重叠的部分紧贴于该压电元件12的表面，减振层13的与压电元件12不重叠的部分紧贴于振动板112的-Z侧的面。
该减振层13例如通过弹性模数为130MPa以下的素材(例如硅酮等)构成。
[超声波传感器10中的超声波换能器Tr的配置]
如图2所示，在本实施方式的超声波传感器10中，通过振动部112A以及压电元件12构成的超声波换能器Tr在XY平面上配置为二维阵列构造状。
在本实施方式的超声波传感器10中，振动板112包括第一区域Ar1(驱动区域)、以及第二区域Ar2(共振区域)。第一区域Ar1沿X方向配置有多个，以包围各第一区域Ar1的方式配置有第二区域Ar2。
(第一区域Ar1)
在第一区域Ar1内，配置有通过并联连接的超声波换能器Tr(下面，有时称为驱动换能器Tr1)构成的发送接收部Ch(元件组)。这里，构成发送接收部Ch的各驱动换能器Tr1的压电元件12相当于本发明的第一压电元件。
具体而言，在第一区域Ar1内，下部电极121跨Y方向上排列的多个超声波换能器Tr的列而形成为直线状。此外，在第一区域Ar1内沿X方向排列的多个(在图2的例子中为四个)的下部电极121彼此接线，例如与设置于振动板112的外周部的驱动端子121P连接。
另一方面，在第一区域Ar1内，上部电极123跨X方向上排列的多个超声波换能器Tr的行而形成为直线状，X方向上排列的多个上部电极123彼此接线，与共用端子123P连接。
驱动端子121P以及共用端子123P分别与驱动电路30连接，从驱动电路30向驱动端子121P输入驱动信号，规定的共用电位(例如-3V)施加于共用端子123P。
需要说明的是，这里，示出了上部电极123连接于第一区域Ar1内的所有的超声波换能器Tr而成为共用的例子，但是，并不限定于此。例如，施加共用电位的上部电极123也可以在配置于超声波传感器10内的各超声波换能器Tr成为共用。也就是说，上部电极123也可以是在第一区域Ar1的超声波换能器Tr、以及第二区域Ar2的超声波换能器Tr成为共用、被施加共用电位的构成。
如上所述，从超声波传感器10发送超声波时，共用电位施加于上部电极123，驱动信号输入到下部电极121。如图2所示，分别对应于各发送接收部Ch设置有驱动端子121P，因此，可以独立地向各发送接收部Ch输入驱动信号。因此，通过选择从驱动电路30输入驱动信号的驱动端子121P，可以延迟驱动、或同时驱动、或单独驱动各发送接收部Ch。
(第二区域Ar2)
第二区域Ar2配置于第一区域Ar1的外侧。需要说明的是，在本实施方式中，示出了通过从各第一区域Ar1的端部向X方向配置一个超声波换能器Tr、向Y方向配置两个超声波换能器Tr，从而构成第二区域Ar2的例子。
需要说明的是，配置于第二区域Ar2的超声波换能器Tr的数量并不限定于上述情况。例如，也可以将从第一区域Ar1向X方向以及Y方向配置一个超声波换能器Tr的区域作为第二区域Ar2，还可以将配置三个以上的超声波换能器Tr的区域作为第二区域Ar2。
第二区域Ar2内的各超声波换能器Tr(下面，有时称为非驱动换能器Tr2)与驱动换能器Tr1电绝缘。即，第二区域Ar2内的超声波换能器Tr的压电元件12相当于本发明的第二压电元件。
具体而言，在非驱动换能器Tr2中，下部电极121未与驱动换能器Tr1的下部电极121连接(绝缘)，未输入驱动信号。此外，非驱动换能器Tr2的上部电极123未与驱动换能器Tr1的上部电极123连接，未施加共用电位。需要说明的是，关于上部电极123，也可以与驱动换能器Tr1的上部电极123连接，施加共用电位。
在如上所述的非驱动换能器Tr2中，在使驱动换能器Tr1驱动时，未输入驱动信号。
在本实施方式中，在发送超声波時，使第一区域Ar1的各驱动换能器Tr1驱动，从而驱动换能器Tr1的振动部112A进行振动，该振动通过振动板112被传送至第二区域Ar2(机械性串扰)。由于该机械性串扰的影响，第二区域Ar2的各非驱动换能器Tr2的振动部112A进行共振，从第二区域Ar2的各非驱动换能器Tr2发送超声波。
这里，第二区域Ar2的各非驱动换能器Tr2与第一区域Ar1的各驱动换能器Tr1同样，通过在振动部112A上配置压电元件12而构成。由此，在第一区域Ar1及第二区域Ar2中，可以使超声波换能器Tr的机械特性(固有频率)相同。因此，在第二区域Ar2的各振动部112A共振时，以与第一区域Ar1的各振动部112A相同的频率进行振动，从第一区域Ar1及第二区域Ar2发送相同频率的超声波。
[控制部20的构成]
控制部20构成为包括使超声波传感器10驱动的驱动电路30、以及运算部40。此外，除此之外，控制部20也可以具备存储用于控制距离测定装置1的各种数据或各种程序等的存储部。
驱动电路30是用于控制超声波传感器10的驱动的驱动电路，例如如图1所示，具备基准电位电路31、切换电路32、发送电路33、以及接收电路34等。
基准电位电路31连接于超声波传感器10的上部电极123，在上部电极123上施加基准电位(例如-3V等)。
切换电路32与配置于第一区域Ar1的各驱动换能器Tr1的下部电极121(驱动端子121P)、发送电路33、以及接收电路34连接。该切换电路32由开关电路构成，切换分别连接各驱动端子121P与发送电路33的发送连接、以及分别连接各驱动端子121P与接收电路34的接收连接。
发送电路33与切换电路32及运算部40连接，在切换电路32切换为发送连接时，基于运算部40的控制，向第一区域Ar1内的各驱动换能器Tr1输出脉冲波形的驱动信号，从超声波传感器10发送超声波。
然而，从发送电路33向多个超声波换能器Tr输入驱动信号时，由于连接于发送电路33的超声波换能器Tr的数量，驱动特性(drive特性)发生变动。也就是说，在将能够从发送电路33输出的驱动信号的电压(上限值至下限值的电压宽度)设为Vp、将连接于发送电路33的超声波换能器Tr的合计静电电容设为C、将驱动信号的驱动频率设为f时，发送电路33所要求的有效值电流I通过I＝π·f·C·Vp/√2表示。
这里，在连接于发送电路33的超声波换能器Tr的数量多的情况下，合计静电电容C也增大，因此，与之对应，需要使发送电路33所要求的电流电容也增大，对应于并联连接的超声波换能器Tr的数量，需要电流电容大的高价格的发送电路33。换言之，这意味着在发送电路33的电流电容低于发送电路33所连接的超声波换能器Tr的合计静电电容C时，各超声波换能器Tr的驱动特性降低。
针对于此，在本实施方式中，如上所述，在超声波传感器10中，仅第一区域Ar1内的驱动换能器Tr1连接于驱动电路30，第二区域Ar2的非驱动换能器Tr2不连接于驱动电路30。也就是说，可以抑制连接于发送电路33的驱动换能器Tr1的数量，能够以高驱动特性使各驱动换能器Tr1驱动。
接收电路34连接于切换电路32以及运算部40，在切换电路32切换为接收连接时，输入来自于各下部电极121的接收信号。该接收电路34例如构成为包括线性噪声放大器、A/D转换器等，在实施了输入的接收信号的数字信号的转换、噪声成分的去除、期望信号电平的放大等的各信号处理之后，将处理后的接收信号向运算部40输出。
运算部40例如由CPU(Central Processing Unit：中央处理单元)等构成，通过驱动电路30控制超声波传感器10，由超声波传感器10实施超声波的发送接收处理。
即，运算部40将切换电路32切换为发送连接，通过发送电路33使超声波传感器10驱动，实施超声波的发送处理。此外，运算部40在紧接着发送了超声波之后，将切换电路32切换为接收连接，由超声波传感器10接收对象物所反射的反射波。此外，运算部40例如利用从超声波传感器10发送了超声波的发送定时至接收信号被接收的时间、以及空气中的音速，通过ToF(Time of Flight：飞行时间)法，计算出超声波传感器10至对象物的距离。
[第一实施方式的第一变形例]
在上述第一实施方式中，示出了配置于第一区域Ar1的超声波换能器Tr全部为驱动换能器Tr1的例子。针对于此，也可以在第一区域Ar1内包括非驱动换能器Tr2。
图4是示意性地示出第一实施方式的第一变形例中的超声波传感器10A的构成的俯视图。需要说明的是，在图4中，省略了下部电极121、上部电极123、驱动端子121P、以及共用端子123P的图示。
在图4所示的超声波传感器10A中，也和上述第一实施方式同样，振动板112包括在X方向上配置多个的第一区域Ar1、以及以包围第一区域Ar1的方式而配置的第二区域Ar2。
这里，如图4所示，在超声波传感器10A的第一区域Ar1中，非驱动换能器Tr2配置于X方向上相邻的驱动换能器Tr1之间。也就是说，沿Y方向配置有驱动换能器Tr1的驱动换能器列Tr1C与沿Y方向配置有非驱动换能器Tr2的非驱动换能器列Tr2C相对于X方向交替配置。
此外，第二区域Ar2和第一实施方式同样，设置为包围第一区域Ar1。在图4的例子中，通过从第一区域Ar1的端部向X方向以及Y方向配置一个超声波换能器Tr(非驱动换能器Tr2)，从而形成第二区域Ar2。此外，一个非驱动换能器Tr2配置于X方向上相邻的第一区域Ar1之间。
需要说明的是，如在上述第一实施方式中说明那样，配置于第二区域Ar2的非驱动换能器Tr2的数量并没有特别的限定。例如，也可以和第一实施方式同样，是从各第一区域Ar1的端部向X方向以及Y方向配置两个超声波换能器Tr2，在相邻的第一区域Ar1之间配置四个非驱动换能器Tr2的构成等。
在如上所述的超声波传感器10A中，在第一区域Ar1内，非驱动换能器Tr2配置于X方向上相邻的驱动换能器Tr1之间。在这种情况下，从两个驱动换能器Tr1向X方向上被两个驱动换能器Tr1夹着的非驱动换能器Tr2传递振动。因此，非驱动换能器Tr2的振动部112A共振时的振动振幅放大，例如与被传递来自于单一的驱动换能器Tr1的振动时相比，从超声波传感器10A发送更大的超声波。
[第一实施方式的第二变形例]
图5是示意性地示出第一实施方式的第二变形例中的超声波传感器10B的构成的俯视图。需要说明的是，在图5中，省略了下部电极121、上部电极123、驱动端子121P、以及共用端子123P的图示。
在图5所示的超声波传感器10B中，和超声波传感器10A同样，振动板112包括在X方向上配置多个的第一区域Ar1、以及以包围第一区域Ar1的方式而配置的第二区域Ar2。
此外，在超声波传感器10B的第一区域Ar1中，和上述的超声波传感器10A同样，非驱动换能器Tr2配置于X方向上相邻的驱动换能器Tr1之间。
此外，在该超声波传感器10B中，进而在各驱动换能器列Tr1C中，非驱动换能器Tr2配置于Y方向上相邻的驱动换能器Tr1之间。
在这样的超声波传感器10B中，与上述的超声波传感器10A同样，从两个驱动换能器Tr1向X方向上被两个驱动换能器Tr1夹着的非驱动换能器Tr2传递振动。
此外，从两个驱动换能器Tr1也向Y方向上被两个驱动换能器Tr1夹着的非驱动换能器Tr2传递振动。因此，与被传递来自于单一的驱动换能器Tr1的振动时相比，这些非驱动换能器Tr2的振动部112A以更大的振幅进行振动，从超声波传感器10B发送更大声压的超声波。
[声压比较]
下面，对通过本实施方式的超声波传感器10、10A、10B发送超声波时的超声波的声压进行说明。
图6是示出比较例1的超声波传感器90的一个例子的俯视图。图6所示的超声波传感器90通过仅使超声波传感器10的第一区域Ar1配置于X方向而构成。也就是说，超声波传感器90中未设置非驱动换能器Tr2。
在以下示出的表1中，示出比较例1的超声波传感器90、以及本实施方式的超声波传感器10、10A、10B中的驱动元件数、非驱动元件数、振动元件数、标准化发送声压。
此外，图7是通过图表来示出比较例1与本实施方式的发送声压的差的图。
[表1]
这里，在表1中，驱动元件数是指输入驱动信号而被驱动的驱动换能器Tr1的数量。非驱动元件数是指未输入驱动信号的非驱动换能器Tr2的数量。振动元件数是指输入了驱动信号时，实际上振动部112A进行振动的超声波换能器Tr的数量。标准化声压表示将比较例1的超声波传感器90发送的超声波的声压作为100％时，从各超声波传感器90、10、10A、10B输出的超声波的声压的大小。需要说明的是，标准化发送声压表示测定使各发送接收部Ch同时驱动时发送的超声波的声压的结果。
在比较例1所示的超声波传感器90和本实施方式的超声波传感器10、10A、10B中，驱动元件数相同。因此，在比较例1所示的超声波传感器90和本实施方式的超声波传感器10、10A、10B中，驱动换能器Tr1的合计静电电容相同，驱动电路30使各超声波换能器Tr驱动时的驱动特性相同。
但是，如表1以及图7所示，在相同数量的超声波换能器Tr中输入了驱动信号时，相对于比较例1的超声波传感器90，超声波传感器10中可以获得1.54倍的声压的超声波、超声波传感器10A中可以获得1.87倍的声压的超声波、超声波传感器10B中可以获得2.85倍的声压的超声波。
[本实施方式的作用效果]
在本实施方式的超声波传感器10中，通过在设置多个振动部112A的振动板112的各振动部112A上设置压电元件12，从而超声波换能器Tr配置为二维阵列状。并且，振动板112具备X方向上排列的多个第一区域Ar1、以及包围第一区域Ar1的第二区域Ar2。配置于第一区域Ar1的规定数量的振动部112A上所配置的压电元件12(第一压电元件)与其他压电元件12并联连接，构成能够进行驱动信号的输入输出的驱动换能器Tr1。另一方面，配置于第二区域Ar2的振动部112A上的压电元件12(第二压电元件)与驱动换能器Tr1绝缘，构成非驱动换能器Tr2。此外，在本实施方式中，第二区域Ar2配置于沿X方向相邻的第一区域Ar1之间，因此，成为非驱动换能器Tr2配置于沿X方向配置的驱动换能器Tr1之间的构成。
在这样的构成中，如果在驱动换能器Tr1中输入驱动信号，则驱动换能器Tr1的振动部112A进行振动，发送超声波。并且，由于驱动换能器Tr1中的振动被传递至非驱动换能器Tr2，从而非驱动换能器Tr2的振动部112A进行共振。此时，非驱动换能器Tr2和驱动换能器Tr1同样地配置有压电元件12，因此，非驱动换能器Tr2的振动部112A以与驱动换能器Tr1的振动部112A相同的频率进行振动。由此，从非驱动换能器Tr2也可以发送与驱动换能器Tr1中产生的超声波相同频率的超声波，可以从超声波传感器10发送大声压的超声波。
此外，如果为了提高超声波传感器所发送的超声波的声压，而增加驱动换能器的数量，则合计静电电容C增大，驱动特性降低。针对于此，在本实施方式的超声波传感器10中，设置与驱动换能器Tr1绝缘的非驱动换能器Tr2。因此，可以在不增大电容(静电电容)的情况下，实现声压的提高。
而且，在具备这样的超声波传感器10的距离测定装置1(超声波装置)中，使用现有的驱动电路30即可，不需要为了发送大声压的超声波而例如提高驱动信号的电压。例如，可以将使表1所示的比较例1(现有构成)的超声波传感器90驱动的驱动电路30直接适用于本实施方式的超声波传感器10。
此外，在本实施方式的超声波传感器10中，第二区域Ar2以包围第一区域Ar1的周围的方式而配置。也就是说，不仅在X方向上相邻的第一区域Ar1之间(±X侧)，在第一区域Ar1的±Y侧也配置非驱动换能器Tr2。
也就是说，如果使配置于第一区域Ar1的各驱动换能器Tr1驱动，则从第一区域Ar1通过振动板112向四方传递振动。此时，由于是以包围第一区域Ar1的周围的方式配置有非驱动换能器Tr2，因此，可以使从第一区域Ar1向四方扩散的振动传递至各非驱动换能器Tr2。由此，从配置于第一区域Ar1的周围的多个非驱动换能器Tr2发送超声波，可以进一步提高超声波的声压。
此外，也可以如本实施方式的第一变形例所示的超声波传感器10A那样，在第一区域Ar1内，在X方向上相邻的驱动换能器Tr1之间配置有非驱动换能器Tr2。
在这样的构成中，由于第一区域内的驱动换能器Tr1的驱动，第一区域内的非驱动换能器Tr2进行共振，可以发送大声压的超声波。此时，非驱动换能器Tr2是在X方向上被两个驱动换能器Tr1夹着的构成，因此，从这两个驱动换能器Tr1传递振动。因此，非驱动换能器Tr2的振动部112A共振时的振动振幅比被传递来自于一个驱动换能器Tr1的振动时大。因此，可以进一步提高超声波的发送声压。
而且，也可以如本实施方式的第二变形例所示的超声波传感器10B那样，在第一区域Ar1内，在Y方向上相邻的驱动换能器Tr1之间配置有非驱动换能器Tr2。
在这种情况下，在Y方向上被两个驱动换能器Tr1夹着的非驱动换能器Tr2中，也可以提高基于共振的超声波的发送声压。由此，能够发送更大声压的超声波。
[第二实施方式]
下面，对第二实施方式进行说明。在上述的第一实施方式中，示出了X方向上设置多个第一区域Ar1(多个频道的发送接收部Ch)的例子。针对于此，在第二实施方式中，超声波传感器仅具备1频道的发送接收部Ch这一点与上述第一实施方式不同。需要说明的是，在下面的说明中，对相同的构成标注相同的附图标记，省略或简化其说明。
图8是示意性地示出第二实施方式的超声波传感器10C的构成的俯视图。需要说明的是，在图8中，省略了下部电极121、上部电极123、驱动端子121P、以及共用端子123P的图示。
如图8所示，在本实施方式的超声波传感器10C中，振动板112A包括单一的第一区域Ar1、以及以包围该第一区域Ar1的第二区域Ar2。
这里，本实施方式的第一区域Ar1具有和第一实施方式的第一变形例中示出的超声波传感器10A的第一区域Ar1同样的构成。
也就是说，在第一区域Ar1中具备沿Y方向配置有多个驱动换能器Tr1的驱动换能器列Tr1C、以及沿Y方向配置有多个非驱动换能器Tr2的非驱动换能器列Tr2C。并且，驱动换能器列Tr1C与非驱动换能器列Tr2C沿X方向交替配置。
此外，在图8中是非驱动换能器Tr2配置于X方向上相邻的驱动换能器Tr1之间的例子，但是，也可以是第一实施方式的第二变形例中示出的超声波传感器10B那样的构成。
图9是示意性地示出第二实施方式的变形例的超声波传感器10D的构成的俯视图。需要说明的是，在图9中，省略了下部电极121、上部电极123、驱动端子121P、以及共用端子123P的图示。
例如如超声波传感器10D所示，也可以是在第一区域Ar1中，将非驱动换能器Tr2分别配置于X方向上排列的驱动换能器Tr1之间、以及Y方向上排列的驱动换能器Tr1之间。
在如上所述的超声波传感器10C、10D中，具备并联连接的多个驱动换能器Tr1(第一压电元件)、以及与驱动换能器绝缘的非驱动换能器Tr2(第二压电元件)，是非驱动换能器Tr2配置于一个方向上(X方向或Y方向)相邻的驱动换能器Tr1之间的构成。因此，与超声波传感器10A、10B同样，可以通过驱动换能器Tr1的驱动，使非驱动换能器Tr2的振动部112A共振，能够从超声波传感器10C、10D发送大声压的超声波。
[其他的变形例]
需要说明的是，本发明并不限定于上述的各实施方式以及变形例，本发明包括通过对可以达成本发明的目的的范围内的变形、改良、以及各实施方式进行适当组合等所获得的构成。
(变形例1)
例如，在上述实施方式中，举例示出了非驱动换能器Tr2的下部电极121未连接于驱动电路30的构成，但是，并不限定于此。
非驱动换能器Tr2的各下部电极121也可以通过与驱动换能器Tr1不同的布线连接于驱动电路30。在这种情况下，切换电路32在发送连接时连接驱动换能器Tr1与发送电路33、断开非驱动换能器Tr2与发送电路33即可。由此，可以在不降低驱动特性的情况下，通过共振而使非驱动换能器Tr2的各振动部112A振动，可以提高发送超声波的声压。
此外，在这样的构成中，切换电路32也可以在接收超声波时将驱动换能器Tr1和非驱动换能器Tr2双方连接于接收电路。在这种情况下，可以基于对来自于驱动换能器Tr1的接收信号和来自于非驱动换能器Tr2的接收信号进行了加法运算的加算接收信号进行接收处理。在接收了超声波时，从各超声波换能器Tr输出的接收信号比驱动信号小，易于受到噪声等的影响。针对于此，将来自于驱动换能器Tr1的接收信号加上从非驱动换能器Tr2输出的接收信号，从而可以增大接收信号的信号强度，可以抑制噪声等的影响。
(变形例2)
在第一实施方式中，示出了以包围第一区域Ar1的外周的方式设置第二区域Ar2的例子。针对于此，也可以是仅在第一区域Ar1的±X侧、即X方向上相邻的第一区域Ar1之间(X方向上相邻的驱动换能器Tr1之间)设置第二区域Ar2的非驱动换能器Tr2的构成。
此外，也可以是在X方向上排列的多个第一区域Ar1中位于+X侧端部的第一区域Ar1中，在+X侧不设置第二区域Ar2、仅在-X侧设置第二区域Ar2。在-X侧端部的第一区域Ar1中也是同样的，也可以仅在+X侧设置第二区域Ar2。
(变形例3)
在第二实施方式中，也可以不设置第二区域Ar2。在这种情况下，也是在第一区域Ar1内，非驱动换能器Tr2设置于相邻的驱动换能器Tr1之间，因此，可以在驱动换能器Tr1的驱动时使非驱动换能器Tr2共振，可以发送大声压的超声波。
需要说明的是，在超声波传感器10A、10B也是同样的，通过配置于第一区域Ar1内的非驱动换能器Tr2，可以提高超声波的发送声压，因此，也可以不设置第二区域Ar2的非驱动换能器Tr2。
(变形例4)
作为超声波传感器10B、10D，示出了在设置于第一区域Ar1内的各驱动换能器列Tr1C中，非驱动换能器Tr2配置于Y方向上相邻的驱动换能器Tr1之间的例子，但是，并不限定于此。
图10是示出非驱动换能器Tr2配置于X方向上相邻的驱动换能器Tr1之间、以及Y方向上相邻的驱动换能器Tr1之间的构成的其他例子的图。需要说明的是，在图10中，省略了下部电极121、上部电极123、驱动端子121P、以及共用端子123P的图示。
在图10所示的超声波传感器10E中，驱动换能器Tr1以及非驱动换能器Tr2配置为锯齿状。也就是说，在第一区域Ar1内，在通过(x,y)表示配置为矩阵状的超声波换能器Tr的XY平面的位置时，驱动换能器Tr1配置于(2k-1,2k-1)的坐标位置、以及(2k,2k)的坐标位置上。此外，非驱动换能器Tr2配置于(2k-1,2k)的坐标位置、以及(2k,2k-1)的坐标位置上。需要说明的是，驱动换能器Tr1和非驱动换能器Tr2的位置也可以是相反的。
在这样的构成中，第一区域Ar1内的非驱动换能器Tr2被四个驱动换能器Tr1包围。因此，如果使驱动换能器Tr1驱动，则从±X侧以及±Y侧的四个方向传递振动，可以使非驱动换能器Tr2的振动部112A共振时的振动振幅更大。
此外，通过比较图10和图9可知，与超声波传感器10D相比，可以减小超声波传感器10的尺寸。
需要说明的是，图10所示的超声波传感器10E是仅设置1频道的发送接收部Ch的构成，但是，如第一实施方式所示，也可以是将多个发送接收部Ch配置于X方向的构成。
(变形例5)
在第一实施方式中，示出了在X方向上配置多个第一区域Ar1(发送接收部Ch)的例子，但是，并不限定于此。
例如也可以是多个第一区域Ar1(发送接收部Ch)配置于X方向以及Y方向的构成。也就是说，多个第一区域Ar1(发送接收部Ch)也可以配置为二维阵列构造。在这种情况下，成为以包围第一区域Ar1的方式设置第二区域Ar2的构成(分别在X方向上相邻的第一区域Ar1之间、以及在Y方向上相邻的第一区域Ar1之间设置第二区域Ar2的构成)。由此，在使各发送接收部Ch驱动时，可以使第二区域Ar2的非驱动换能器Tr2共振，可以增大超声波的发送声压。
(变形例6)
在上述第一实施方式中，作为超声波装置的一个例子举例示出了距离测定装置1，但是，并不限定于此。例如，可以适用于根据超声波的发送接收结果，测定构造体的内部断层图像的超声波测定装置等。
此外，本发明实施时的具体构造也可以通过在可以达成本发明目的的范围内适当组合上述各实施方式以及变形例来构成，此外，也可以适当变更为其他构造等。

Claims (6)

1.一种超声波传感器，其特征在于，具备：
振动板，具备多个振动部；
壁部，设置于所述振动板，并包围所述振动部；
第一压电元件，设置于多个所述振动部中规定数量的所述振动部；以及
第二压电元件，设置于未设置所述第一压电元件的所述振动部，
所述第一压电元件能够进行驱动信号的输入输出，且与至少一个其他的所述第一压电元件并联连接，
所述第二压电元件与所述第一压电元件电绝缘，
在一个方向上相邻的所述第一压电元件之间，配置有所述第二压电元件。
2.根据权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，
所述振动板具备第一区域，所述第一区域配置有包括并联连接的规定数量的所述第一压电元件而构成的元件组，
所述第一区域在第一方向上配置有多个，
在所述第一方向上相邻的所述第一区域之间，配置有所述第二压电元件。
3.根据权利要求2所述的超声波传感器，其特征在于，
以包围所述第一区域的方式配置有多个所述第二压电元件。
4.根据权利要求2或3所述的超声波传感器，其特征在于，
所述第一区域包括配置于所述第一方向的多个所述第一压电元件，在所述第一方向上相邻的所述第一压电元件之间配置有所述第二压电元件。
5.根据权利要求2所述的超声波传感器，其特征在于，
所述第一区域包括配置在与所述第一方向交叉的第二方向上的多个所述第一压电元件，在所述第二方向上相邻的所述第一压电元件之间配置有所述第二压电元件。
6.一种超声波装置，其特征在于，具备：
权利要求1至5中任一项所述的超声波传感器；以及
向所述第一压电元件输入所述驱动信号的驱动电路。
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