CN112887881B - 超声波设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及超声波设备,以简单的结构抑制强度下降且能够抑制从超声波发送部向超声波接收部的串扰。超声波设备具备:基板,具备多个开口部以及壁部;振动板,封闭开口部;以及振动元件,设置于振动板,多个开口部包括第一开口部、隔着第一壁部与第一开口部相邻的第二开口部以及隔着第二壁部与第一开口部相邻的第三开口部,封闭第一开口部的第一振动部与振动元件构成第一超声波发送部,封闭第二开口部的第二振动部与振动元件构成第一超声波接收部,封闭第三开口部的第三振动部与振动元件构成第二超声波发送部,第一壁部的壁宽度大于第二壁部的壁宽度。

Description

超声波设备
技术领域
本发明涉及超声波设备。
背景技术
现有技术中,已知发送接收超声波的超声波设备(例如,专利文献1)。该专利文献1的超声波设备具备接收部件以及固定于接收部件多个接收元件。接收部件具有多个接收区域,在这些接收区域之间形成有遮蔽部(凹槽)。由此,抑制在相邻的接收区域之间的串扰。另外,在每个接收区域配置有分别独立的接收元件。
专利文献1:日本特开2008-99103号公报
发明内容
然而,在专利文献1的超声波设备中,存在在接收部件的凹槽的形成位置强度变弱的问题。另外,由于是在相邻的接收区域之间设置凹槽,且对各接收区域分别配置独立的接收元件的结构,因此还存在结构复杂化的问题。
第一方式的超声波设备具备:基板,具备多个开口部以及壁部,所述壁部配置在相邻的所述开口部之间;振动板,封闭所述开口部;以及振动元件,设置在所述振动板的从所述基板及所述振动板的层叠方向观察时与所述开口部重叠的位置,多个所述开口部包括:第一开口部、隔着第一壁部与所述第一开口部相邻的第二开口部以及隔着第二壁部与所述第一开口部相邻的第三开口部,所述振动板中封闭所述第一开口部的第一振动部与配置于该第一振动部的所述第一振动元件构成发送超声波的第一超声波发送部,所述振动板中封闭所述第二开口部的第二振动部与配置于该第二振动部的所述第二振动元件构成接收超声波的超声波接收部,所述振动板中封闭所述第三开口部的第三振动部与配置于该第三振动部的所述第三振动元件构成发送超声波的第二超声波发送部,所述第一壁部的从所述第一开口部至所述第二开口部的宽度大于所述第二壁部的从所述第一开口部至所述第三开口部的宽度。
第二方式的超声波设备具备:振动板;保护部件,与所述振动板接合,且具备将所述振动板分割为多个振动部的突出部;以及振动元件,配置于所述振动板的各所述振动部,多个所述振动部包括:第四振动部、隔着第一突出部与所述第四振动部相邻的第五振动部以及隔着第二突出部与所述第四振动部相邻的第六振动部,所述第四振动部与配置于该第四振动部的所述第四振动元件构成发送超声波的第三超声波发送部,所述第五振动部与配置于该第五振动部的所述第五振动元件构成接收超声波的超声波接收部,所述第六振动部与配置于该第六振动部的所述第六振动元件构成发送超声波的第四超声波发送部,所述第一突出部的从所述第四振动部至所述第五振动部的宽度大于所述第二突出部的从所述第四振动部至所述第六振动部的宽度。
附图说明
图1是示出一实施方式所涉及的超声波装置的简要构成的图。
图2是在图1的A-A线切断超声波设备时的剖视图。
图3是在图1的B-B线切断超声波设备时的剖视图。
图4是示出本实施方式的壁部的壁宽度与串扰比率的关系的图。
图5是示出分别将壁部的壁长设为50μm、70μm以及90μm时的本实施方式的壁部的壁宽度与串扰比率的关系的图。
图6是示出本实施方式的突出部壁宽度与串扰比率的关系的图。
图7是示出分别将突出部壁长设为50μm、70μm以及90μm时的本实施方式的突出部壁宽度与串扰比率的关系的图。
附图标记说明
10、10A…超声波设备;11…超声波发送部;11A…最外超声波发送部;12…超声波接收部;20…基板;21…开口部;22…壁部;22I…接收部间的壁部;22IO…发送接收部间的壁部;22O…发送部间的壁部;30…振动板;31…振动部;40…压电元件;50…保护部件;51…基座部;52…突出部;52I…接收部间的突出部;52IO…发送接收部间的突出部;52O…发送部间的突出部;53…凹部;111…第一超声波发送部;112…第二超声波发送部;113…第三超声波发送部;114…第四超声波发送部;211…第一开口部;212…第二开口部;213…第三开口部;311…第一振动部;312…第二振动部;313…第三振动部;314…第四振动部;315…第五振动部;316…第六振动部;CHI…接收信道;CHO…发送信道;UI…接收部间的突出部的突出部壁宽度,UIO…发送接收部间的突出部的突出部壁宽度;UO…发送部间的突出部的突出部壁宽度;WI…接收部间的壁部的壁宽度;WIO…发送接收部间的壁部的壁宽度;WO…发送部间的壁部的壁宽度。
具体实施方式
下面对本公开的一实施方式进行说明。
图1是示出本实施方式所涉及的超声波装置100的简要构成的图。
如图1所示,该超声波装置100构成为具备超声波设备10以及控制部60。
在这样的超声波装置100中,从超声波设备10对省略图示的对象物发送超声波,且通过接收被对象物反射的超声波而能够被利用为距离传感器或厚度检测传感器。例如,在将超声波装置100用作距离传感器时,控制部60测量从超声波设备10发送超声波的发送定时至超声波设备10接收到被对象物反射的超声波的接收定时为止的时间。由此,控制部60基于所测量的时间与已知的音速来计算从超声波设备10到对象物的距离。另外,在将超声波装置100用作厚度检测传感器时,控制部60测量从超声波设备10向对象物发送超声波且被对象物反射而由超声波设备10接收到的超声波的音压。由此,控制部60能够基于音压来检测对象物的厚度、对象物的重叠。
下面对这样的超声波装置100的各构成进行说明。
超声波设备10的构成
图2是在图1的A-A线切断超声波设备10时的剖视图。图3是在图1的B-B线切断超声波设备10时的剖视图。
如图1所示,超声波设备10具备发送超声波的发送信道CHO以及接收超声波的接收信道CHI。在本实施方式中,在接收信道CHI的周围配置有8个发送信道CHO。各信道分别是被单独地驱动的元件组。例如,在一个发送信道CHO包括配置成2维阵列结构的多个超声波发送部11。通过使这些超声波发送部11的信号线彼此连结,从而能够使一个发送信道CHO所包括的超声波发送部11同时驱动。即,在本实施方式的超声波设备中,能够分别独立地驱动8个发送信道CHO
关于接收信道CHI也是同样的,在接收信道CHI内包括配置成2维阵列结构的多个超声波接收部12。
如图2以及图3所示,该超声波设备10构成为包括基板20、层叠于基板20上的振动板30、配置于振动板30的压电元件40(振动元件)、以及覆盖基板20、振动板30以及压电元件40的保护部件50。在此,将从保护部件50朝向振动板30及基板20的层叠方向设为Z方向。另外,将与Z方向正交的方向设为X方向,将与X方向以及Z方向正交的方向设为Y方向。
如图2以及图3所示,基板20是支承振动板30的部件,且由Si等半导体基板构成。在该基板20设置有沿Z方向贯通的多个开口部21。如图3所示,该开口部21形成为X方向为长边方向,且如图2所示,沿Y方向设置有多个。即,在基板20中,在Y方向上在相邻的开口部21之间设置有壁部22。
此外,关于各壁部22的壁宽度以及壁长的说明将后述。
振动板30由例如SiO2以及ZrO2的层叠体等构成。振动板30被基板20支承,且封闭开口部21的-Z侧。
保护部件50与振动板30的与基板20相反的一侧的面接合,是加强基板20以及振动板30的部件。该保护部件50具备基板状的基座部51以及从基座部51朝向振动板30突出的突出部52。
如图2所示,突出部52形成为Y方向为长边方向,且如图3所示,沿X方向设置有多个。该突出部52的突出前端例如通过聚硅氧烷等接合部件与振动板30接合。即,通过基座部51和突出部52形成凹部53。
此外,在图3中,示出了基座部51与突出部52构成为一体的例子,但也可以是基座部51与突出部52为单独的部件且突出部52接合于基座部51的结构。
在这样的构成中,在从Z方向观察时,振动板30中的与开口部21重叠的区域通过多个突出部52被划分为多个区域。即,在振动板30中,由被开口部21的边缘(壁部22的边缘)以及突出部52的边缘包围的区域构成振动部31。
如上所述,在本实施方式中,X方向为长边方向的开口部21沿Y方向设置有多个,Y方向为长边方向的突出部52沿X方向设置有多个。因此,这些振动部31沿X方向以及Y方向排列,配置成2维阵列结构。即,各发送信道CHO以及接收信道CHI分别具有在X方向以及Y方向上排列的配置成2维阵列结构的振动部31。另外,在一个发送信道CHO中沿X方向配置的振动部31和在与该发送信道CHO相邻的其他发送信道CHO中沿X方向配置的振动部31沿X方向排列。同样地,在一个发送信道CHO中沿X方向配置的振动部31和在与该发送信道CHO相邻的其他接收信道CHI中沿X方向配置的振动部31沿X方向排列。在Y方向中也是同样的。
压电元件40分别设置于振动板30的各振动部31。该压电元件40是使振动部31振动的振动元件。虽然省略了压电元件40的详细构成的图示,但例如构成为在振动板30依次层叠下部电极、压电膜以及上部电极。另外,在各下部电极、各上部电极连接有信号线。这些信号线经由设置于振动板30的端子部而与控制部60电连接,通过来自控制部60的控制来驱动各发送信道CHO以及接收信道CHI
在此,由发送信道CHO内的一个振动部31以及配置于该振动部31上的压电元件40构成一个超声波发送部11。另外,由接收信道CHI内的一个振动部31以及配置于该振动部31上的压电元件40构成一个超声波接收部12。
配置于同一发送信道CHO内的多个超声波发送部11的下部电极通过信号线彼此连结。同样地,配置于同一发送信道CHO内的多个超声波发送部11的上部电极通过信号线彼此连结。由此,例如,通过对与下部电极连接的信号线输入偏置信号,且对与上部电极连接的信号线输入驱动信号,能够同时驱动一个发送信道CHO所包括的各超声波发送部11。即,通过在各超声波发送部11的压电元件40中对下部电极与上部电极之间施加电压,使得压电膜伸缩,且使振动部31以与开口部21的开口宽度等相应的发振频率振动。由此,从发送信道CHO朝向+Z侧发送超声波。
另外,配置于接收信道CHI内的多个超声波接收部12的下部电极通过信号线彼此连结,且配置于接收信道CHI内的多个超声波接收部12的上部电极通过信号线彼此连结。由此,在接收信道CHI接收到超声波时,各超声波接收部12的振动部31振动,在压电膜的下部电极侧与上部电极侧之间产生电位差。因此,从接收信道CHI输出与该电位差相应的信号电压的接收信号,从而控制部60能够检测超声波的接收。
控制部60的构成
控制部60例如具备驱动超声波设备10的驱动电路以及控制超声波装置100的整体动作的控制电路。
驱动电路例如具备输出对超声波设备10的发送信道CHO输出的驱动信号(电压信号)的发送电路以及对从接收信道CHI输入的接收信号进行信号处理的接收电路。
控制电路例如由微型计算机等构成,且对驱动电路输出使其实施超声波的发送接收处理的旨意的指令信号。另外,控制电路实施基于从驱动电路的接收电路输入的接收信号的各种处理。例如,在将超声波装置100用作距离传感器时,控制电路基于从超声波的发送定时至接收信号的接收定时为止的时间,运算从超声波设备10到对象物的距离。
超声波设备10中的壁部22的壁宽度以及壁长
接着,基于图2对上述的超声波设备10的壁部22的壁宽度以及壁长进行说明。
此外,在之后的说明中,将发送信道CHO内的相邻的开口部21之间的壁部22,即位于相邻的超声波发送部11之间的壁部22称为发送部间的壁部22O。将接收信道CHI内的相邻的开口部21之间的壁部22,即位于相邻的超声波接收部12之间的壁部22称为接收部间的壁部22I。将在与接收信道CHI相邻的发送信道CHO中在配置于最靠近接收信道CHI的开口部21和与该开口部21相邻的接收信道CHI的开口部21之间所配置的壁部22,即相邻的超声波发送部11与超声波接收部12之间的壁部22称为发送接收部间的壁部22IO。将在与接收信道CHI相邻的发送信道CHO中配置于最靠近接收信道CHI的超声波发送部11称为最外超声波发送部11A。
另外,壁部22的壁宽度是指沿夹入壁部22的2个开口部21的配置方向的壁部22的尺寸,即夹入壁部22的2个开口部21的距离。另外,壁部22的壁长是指从壁部22的振动板30侧的端部至与振动板30相反的一侧的端部为止的长度,即是壁部22的Z方向的尺寸,是基板20的厚度。
进一步,在本实施方式中,突出部52的与振动板30接合的部分的宽度比壁部22的宽度小。突出部52的与振动板30接合的部分的宽度是指沿夹入突出部52的2个振动部31的配置方向的突出部52的尺寸。
在图2所示的例子中,沿Y方向排列有多个开口部21,其中,在发送信道CHO内最接近接收信道CHI的开口部21是本公开的第一开口部211,与第一开口部在X方向上相邻的接收信道CHI的开口部21是本公开的第二开口部212,第一开口部与第二开口部之间的发送接收部间的壁部22IO是本公开的第一壁部。另外,与第一开口部211相邻的发送信道CHO的开口部21是本公开的第三开口部213,第一开口部211与第三开口部213之间的发送部间的壁部22O是本公开的第二壁部。进一步,在从Z方向俯视观察时,设置于与第一开口部211重叠的位置的各振动部31是本公开的第一振动部311,包括这些第一振动部311的最外超声波发送部11A是本公开的第一超声波发送部111。在从Z方向俯视观察时,设置于与第二开口部212重叠的位置的各振动部31是本公开的第二振动部312。在从Z方向俯视观察时,设置于与第三开口部213重叠的位置的各振动部31是本公开的第三振动部313,包括第三振动部313的超声波发送部11是本公开的第二超声波发送部112。
并且,在本实施方式中,发送接收部间的壁部22IO的壁宽度WIO是与发送部间的壁部22O的壁宽度不同的尺寸。像这样,在发送部间的壁部22O的壁宽度WO与发送接收部间的壁部22IO的壁宽度WIO不同的情况下,驱动发送信道CHO的各超声波发送部11时,在该发送信道CHO内产生的串扰被发送接收部间的壁部22IO反射。因此,能够抑制从发送信道CHO向接收信道CHI的串扰的影响。
另外,最外超声波发送部11A是在发送信道CHO中最接近接收信道CHI的超声波发送部11,是最对接收信道CHI赋予串扰的影响的超声波发送部11。该最外超声波发送部11A构成为被发送接收部间的壁部22IO和发送部间的壁部22O包围。在该情况下,根据发送接收部间的壁部22IO的壁宽度WIO和发送部间的壁部22O的壁宽度WO,使得从最外超声波发送部11A向其他超声波发送部11、超声波接收部12的串扰成分变化。即,若从最外超声波发送部11A向超声波发送部11的串扰成分增大,则与此相应地,从最外超声波发送部11A向超声波接收部12的串扰成分减少。
图4是示出包围超声波发送部11的壁部22的壁宽度与串扰比率的关系的图。此外,在图4中示出,将壁长固定为90μm,且在使壁宽度变化时的串扰比率。另外,图5是示出分别将包围超声波发送部11的壁部22的壁长设为50μm、70μm以及90μm时的壁部22的壁宽度与串扰比率的关系的图。另外,在此叙述的串扰比率是指:将壁宽度设为100μm且将壁长设为90μm时的串扰的振幅设为基准值“1”,在使壁宽度在10μm至100μm的范围内变化时的串扰的振幅。
如图4所示,串扰比率随着壁宽度变大而下降。此时,将壁宽度成为40μm的点作为变化点,在壁宽度小于40μm时,串扰比率的变化较急剧。另一方面,若壁宽度成为大于40μm,则串扰比率变小,但其变化率较小,如图4所示缓慢地变化。
另外,图5是将壁部22的壁宽度的轴设为对数轴的半对数图表,在壁长为90μm时,串扰比率相对于壁宽度的变化以大致直线的方式变化。这表示壁长相对于串扰比率的壁长的影响的阈值是90μm。即,壁长为90μm以上时的串扰比率与壁长为90μm时大致相同。此外,在图5中,考虑到易于观察,省略显示壁长为90μm以上时的相对于壁宽度的串扰比率。
如图5所示,通过将壁长设为90μm以下,能够降低串扰比率。另一方面,串扰比率降低是在壁宽度为40μm以上时发生,在壁宽度小于40μm时,即使将壁长设为90μm以下,串扰比率的差也非常小。
从图4可知,若将发送接收部间的壁部22IO的壁宽度WIO设为比发送部间的壁部22O的壁宽度WO大,则从最外超声波发送部11A向接收信道CHI的超声波接收部12的串扰比率比从最外超声波发送部11A向发送信道CHO内的相邻的超声波发送部11的串扰比率小。即,使得从最外超声波发送部11A向接收信道CHI的超声波接收部12的串扰降低。
另外,送接收部间的壁部22IO的壁宽度WIO优选为40μm以上。由此,能够更有效地降低从最外超声波发送部11A向接收信道CHI的超声波接收部12的串扰。另一方面,若发送接收部间的壁部22IO的壁宽度WIO超过90μm,则有可能导致超声波设备10的平面尺寸大型化,或者根据从发送信道CHO发送的超声波的发送角度而在接收信道CHI接收到被对象物反射的超声波时的接收灵敏度下降。因此,发送接收部间的壁部22IO的壁宽度WIO优选为40μm以上且90μm以下。
进一步,如图5所示,发送接收部间的壁部22IO的壁长优选为90μm以下。另一方面,若将壁长设为小于30μm,则发送部间的壁部22O的机械强度下降。因此,发送部间的壁部22O的壁长优选为30μm以上且90μm以下。
相对于此,发送部间的壁部22O的壁宽度WO优选为小于40μm。由此,能够增大从最外超声波发送部11A向发送信道CHO内的相邻的超声波发送部11的串扰成分。因此,能够更有效地降低从最外超声波发送部11A向接收信道CHI的超声波接收部12的串扰。另一方面,若将发送部间的壁部22O的壁宽度WO设为小于30μm,则发送部间的壁部22O的机械强度下降。因此,发送部间的壁部22O的壁宽度WO优选为30μm以上且小于40μm。
另外,优选的是,发送部间的壁部22O以及发送接收部间的壁部22IO是通过在制造上相对于平行平板即基板20以蚀刻等方式形成开口部21而形成的。因此,发送部间的壁部22O的壁长与发送接收部间的壁部22IO的壁长为相同的尺寸。在此,在将发送部间的壁部22O的壁宽度WO设为小于40μm时,如图5所示,基于壁长的串扰比率的影响极小。因此,即使在发送部间的壁部22O的壁长较小的情况下,也不会增大最外超声波发送部11A向接收信道CHI的串扰成分。
此外,优选的是,接收部间的壁部22I的壁宽度WI与发送部间的壁部22O的壁宽度WO为相同的尺寸。进一步,在相邻的发送信道CHO之间的壁部22中,优选为与壁宽度WIO为相同的尺寸。在该情况下,在X方向上排列的3个信道中,能够使开口部21共通。
超声波设备10中的突出部52的突出部壁宽度以及突出部壁长
如上所述,在本实施方式中,振动部31的±Y侧的边缘由构成开口部21的壁部22的边缘规定。另一方面,振动部31的±X侧的边缘由保护部件50的突出部52的边缘规定。
在之后的说明中,将配置于超声波发送部11之间的突出部52称为发送部间的突出部52O,将配置于超声波接收部12之间的突出部52称为接收部间的突出部52I,将配置于最外超声波发送部11A与超声波接收部12之间的突出部52称为发送接收部间的突出部52IO
另外,突出部壁宽度是指沿夹入突出部52而配置的振动部31的配置方向的突出部52的尺寸,即夹入突出部52的2个振动部31的距离。进一步,将突出部52的基座部51至振动板30的突出尺寸,即凹部53的槽深度称为突出部壁长。
在图3所示的例子中,多个振动部31夹着突出部52而在X方向上排列,其中,发送信道CHO中最接近接收信道CHI的振动部31是本公开的第四振动部314,与第四振动部314在X方向上相邻的接收信道CHI的振动部31是本公开的第五振动部315,第四振动部314与第五振动部315之间的发送接收部间的突出部52IO是本公开的第一突出部。另外,与第四振动部314相邻的发送信道CHO的其他振动部31是本公开的第六振动部316,第四振动部314与第六振动部316之间的发送部间的突出部52O是本公开的第二突出部。进一步,包括第四振动部314的最外超声波发送部11A是本公开的第三超声波发送部113。由第五振动部315以及配置于第五振动部315的压电元件40构成一个超声波接收部12。包括第六振动部316的超声波发送部11是本公开的第四超声波发送部114。
并且,在本实施方式中,发送接收部间的突出部52IO的突出部壁宽度UIO与发送部间的突出部52O的突出部壁宽度UO为不同的尺寸。像这样,在发送部间的突出部52O的突出部壁宽度UO与发送接收部间的突出部52IO的突出部壁宽度UIO不同时,在驱动发送信道CHO的各超声波发送部11的情况下,在该发送信道CHO内产生的串扰被发送接收部间的突出部52IO反射。因此,能够抑制从发送信道CHO向接收信道CHI的串扰的影响。
图6是示出突出部壁宽度与串扰比率的关系的图。此外,在图6中,突出部壁长固定为90μm。另外,图7是示出分别将突出部52的突出部壁长设为50μm、70μm以及90μm时的突出部壁宽度与串扰比率的关系的图。另外,本实施方式中所叙述的串扰比率是指:将突出部壁宽度设为100μm且将突出部壁长设为90μm时的串扰的振幅设为基准值“1”,在使突出部壁宽度在10μm至100μm的范围内变化时的串扰的振幅。
如图6所示,突出部壁宽度与串扰比率的关系和壁宽度与串扰比率的关系相同,串扰比率随着突出部壁宽度变大而下降。更具体地,将突出部壁宽度成为40μm的点作为变化点,在突出部壁宽度小于40μm时,串扰比率的变化较急剧。另一方面,在突出部壁宽度为40μm以上时,串扰比率的变化相对于突出部壁宽度的变化较平缓。
另外,如图7所示,在将突出部52的突出部壁宽度的轴设为对数轴的半对数图表中,和图5的壁宽度与串扰比率的关系相同,在突出部壁长为90μm时,串扰比率相对于壁宽度的变化以大致直线的方式变化。这表示突出部壁长相对于串扰比率的影响的阈值是90μm。即,突出部壁长为90μm以上时的串扰比率与突出部壁长为90μm时大致相同。
如图7所示,通过将突出部壁长设为90μm以下,能够进一步降低串扰比率。另一方面,串扰比率降低是在突出部壁宽度为40μm以上时发生,在突出部壁宽度小于40μm时,即使将突出部壁长设为90μm以下,串扰比率的差也非常小。
从图6可知,若将发送接收部间的突出部52IO的突出部壁宽度UIO设为比发送部间的突出部52O的突出部壁宽度UO大,则从最外超声波发送部11A向接收信道CHI的超声波接收部12的串扰比率比从最外超声波发送部11A向发送信道CHO内的相邻的超声波发送部11的串扰比率小。即,从最外超声波发送部11A向接收信道CHI的超声波接收部12的串扰降低。
另外,发送接收部间的突出部52IO的突出部壁宽度UIO优选为40μm以上。由此,能够更有效地降低从最外超声波发送部11A向接收信道CHI的超声波接收部12的串扰。另一方面,若发送接收部间的突出部52IO的突出部壁宽度UIO超过90μm,则有可能导致超声波设备10的平面尺寸大型化,或者根据从发送信道CHO发送的超声波的发送角度而在接收信道CHI接收到被对象物反射的超声波时的接收灵敏度下降。因此,发送接收部间的突出部52IO的突出部壁宽度UIO优选为40μm以上且90μm以下。
进一步,如图7所示,发送接收部间的突出部52IO的突出部壁长优选为90μm以下。另一方面,若将突出部壁长设为小于20μm,则保护部件50有可能与和振动部31一起振动的压电元件40接触。因此,发送部间的突出部52O的突出部壁长优选为20μm以上且90μm以下。
相对于此,发送部间的突出部52O的突出部壁宽度UO优选为小于40μm。由此,能够增大从最外超声波发送部11A向发送信道CHO内的相邻超的声波发送部11的串扰成分。因此,能够更有效地降低从最外超声波发送部11A向接收信道CHI的超声波接收部12的串扰。另一方面,若将发送部间的突出部52O的突出部壁宽度UO设为小于30μm,则发送部间的突出部52O的机械强度下降,且振动板30与突出部52的接合强度也变低。因此,发送部间的突出部52O的突出部壁宽度UO优选为30μm以上且小于40μm。
另外,优选的是,保护部件50在制造商相对于平行平板形成凹部53,或相对于平行平板的基座部51接合突出部52。在该情况下,发送部间的突出部52O与发送接收部间的突出部52IO的突出部壁长为相同的尺寸。在将发送部间的突出部52O的突出部壁宽度UO设为小于40μm时,如图7所示,基于突出部壁长的串扰比率的影响极小。因此,即使在发送部间的突出部52O的突出部壁长较小的情况下,也不会增大从最外超声波发送部11A向接收信道CHI的串扰成分。
此外,接收部间的突出部52I的突出部壁宽度UI也可以比突出部壁宽度UIO以及突出部壁宽度UO小。如图1所示,在以包围接收信道CHI的±X侧以及±Y侧的方式配置8个发送信道CHO时,各发送信道CHO之间的距离为突出部壁宽度UO。在该情况下,由于发送接收部间的突出部52IO的突出部壁宽度UIO比突出部壁宽度UO大,因此,接收部间的突出部52I的突出部壁宽度UI与其相应地比突出部壁宽度UO小。由此,在超声波设备10中,能够将各超声波发送部11以及各超声波接收部12的配置最优化。
本实施方式的作用效果
本实施方式的超声波装置100的超声波设备10具备:基板20,具备多个开口部21以及配置在相邻的开口部21之间的壁部22;振动板30,封闭开口部21;以及压电元件40(振动元件),设置在振动板30从Z方向俯视时与开口部21重叠的位置。多个开口部21包括第一开口部211、经由发送接收部间的壁部22IO(第一壁部)与第一开口部211相邻的第二开口部212以及经由发送部间的壁部22O(第二壁部)与第一开口部211相邻的第三开口部213。振动板30的封闭第一开口部211的第一振动部311与配置于第一振动部311的压电元件40构成发送超声波的第一超声波发送部111(最外超声波发送部11A)。振动板30的封闭第二开口部212的第二振动部312与配置于第二振动部312的压电元件40构成接收超声波的超声波接收部12。振动板30的封闭第三开口部213的第三振动部313与配置于第三振动部313的压电元件40构成发送超声波的第二超声波发送部112。并且,在本实施方式中,发送接收部间的壁部22IO的壁宽度WIO比发送部间的壁部22O的壁宽度WO大。
在这样的本实施方式中,由于发送部间的壁部22O的壁宽度WO与发送接收部间的壁部22IO的壁宽度WIO不同,因此,通过反共振的原理,使得从发送信道CHO朝向接收信道CHI的串扰被发送接收部间的壁部22IO反射。另外,由于壁宽度WIO比壁宽度WO大,因此,从最外超声波发送部11A向接收信道CHI的串扰成分比从最外超声波发送部11A向发送信道CHO的串扰成分少。由此,能够抑制从发送信道CHO向接收信道CHI的串扰。另外,在本实施方式中,由于不需要在基板20设置凹槽等,因此基板20的强度不会下降,且超声波设备10的结构也不会复杂化。即,在本实施方式中,能够以简单的构成抑制基板20的强度下降,且抑制串扰。
在本实施方式的超声波设备10中,发送接收部间的壁部22IO的壁宽度WIO为40μm以上,发送部间的壁部22O的壁宽度WO小于40μm。
如图3所示,将壁宽度成为40μm的点作为变化点,在壁宽度成为40μm以上时,串扰比率稳定地维持在10以下较低的值。另一方面,在壁宽度小于40μm时,串扰比率以与壁宽度变小的程度相应的方式变高,并且串扰的变化变得比较急剧。因此,通过将壁宽度WIO设为40μm以上,使得从最外超声波发送部11A朝向接收信道CHI的串扰成分降低,通过将壁宽度WO设为小于40μm,使得从最外超声波发送部11A朝向发送信道CHO的其他超声波发送部11的串扰成分增大。由此,能够进一步降低从发送信道CHO朝向接收信道CHI的串扰。
在本实施方式的超声波设备10中,包括发送部间的壁部22O、发送接收部间的壁部22IO以及接收部间的壁部22I的壁部22的壁长为90μm以下。
通过将发送接收部间的壁部22IO的壁长设为90μm以下,能够降低串扰比率,且能够进一步抑制从发送信道CHO内的超声波发送部11向接收信道CHI的串扰。另外,在壁部22的壁宽度小于40μm的情况下,使得由壁长的差异引起的串扰比率的变化极小。由此,将发送部间的壁部22O的壁宽度WO设为小于40μm,在超声波发送部11之间的串扰成分不会减少。即,从最外超声波发送部11A朝向接收信道CHI的串扰成分减少,而朝向发送信道CHO内的其他超声波发送部11的串扰成分增大,由此,能够更加降低从发送信道CHO向接收信道CHI的串扰。
本实施方式的超声波设备10具备:振动板30;保护部件50,与振动板30接合,且具备将振动板30分割为多个振动部31的突出部52;以及压电元件40(振动元件),配置于各振动部31。多个振动部31包括第四振动部314、经由发送接收部间的突出部52IO(第一突出部)与第四振动部314相邻的第五振动部315、以及经由发送部间的突出部52O(第二突出部)与第四振动部314相邻的第六振动部316。第四振动部314和配置于第四振动部314的压电元件40构成作为最外超声波发送部11A的第三超声波发送部113。第五振动部315和配置于第五振动部315的压电元件40构成超声波接收部12。第六振动部316和配置于第六振动部316的压电元件40构成第四超声波发送部114。并且,发送接收部间的突出部52IO的突出部壁宽度UIO比发送部间的突出部52O的突出部壁宽度UO大。
在这样的本实施方式中,发送部间的突出部52O的突出部壁宽度UO与发送接收部间的突出部52IO的突出部壁宽度UIO不同,由此,通过反共振的原理,使得从发送信道CHO朝向接收信道CHI的串扰被发送接收部间的突出部52IO反射。另外,由于突出部壁宽度UIO比突出部壁宽度UO大,因此从最外超声波发送部11A向接收信道CHI的串扰成分比从最外超声波发送部11A向发送信道CHO内的串扰成分少。由此,能够抑制从发送信道CHO向接收信道CHI的串扰。另外,在本实施方式中,不需要在基板20设置凹槽等,因此,基板20的强度不会下降,并且超声波设备10的构成也不会复杂化。因此,能够以简单的构成抑制基板20的强度下降,且抑制串扰。
在本实施方式的超声波设备10中,发送接收部间的突出部52IO的突出部壁宽度UIO为40μm以上,发送部间的突出部52O的突出部壁宽度UO小于40μm。
如图6所示,将壁宽度成为40μm的点作为变化点,在突出部壁宽度成为40μm以上时,串扰比率稳定地维持在10以下较低的值。另一方面,在突出部壁宽度小于40μm时,串扰比率以与壁宽度变低的程度相应的方式急剧地变大。因此,通过将突出部壁宽度UIO设为40μm以上,能够降低从最外超声波发送部11A朝向接收信道CHI的串扰成分,通过将突出部壁宽度UO设为小于40μm,能够使从最外超声波发送部11A朝向发送信道CHO的其他超声波发送部11的串扰成分增大。由此,能够进一步降低从发送信道CHO朝向接收信道CHI的串扰。
在本实施方式的超声波设备10中,包括发送部间的突出部52O、发送接收部间的突出部52IO以及接收部间的突出部52I的突出部52的壁长为90μm以下。
通过将发送接收部间的突出部52IO的突出部壁长设为90μm以下,能够降低串扰比率,从而能够进一步抑制从发送信道CHO内的超声波发送部11向接收信道CHI的串扰。另外,在突出部52的突出部壁宽度小于40μm时,基于突出部壁长的差异的串扰比率的变化极小。因此,通过将发送部间的突出部52O的突出部壁宽度UO设为小于40μm,不会使超声波发送部11之间的串扰成分减少。即,从最外超声波发送部11A向接收信道CHI的串扰成分减少,而向发送信道CHO内的其他超声波发送部11的串扰成分增大,由此能够更加降低从发送信道CHO向接收信道CHI的串扰。
变形例
此外,本发明不限定于上述的各实施方式,在能够达成本发明的目的的范围内进行的变形,改善以及通过将各实施方式适当组合等而得到的构成均包括在本发明内。
变形例1
例如,在上述实施方式中,将振动部31设为振动板30中的由X方向为长边方向的开口部21的边缘以及Y方向为长边方向的突出部52的边缘包围的区域。相对于此,也可以构成为,基板具备与各振动部31对应的多个开口部,且该开口部在X方向以及Y方向上配置成2维阵列结构。在该情况下,仅通过开口部的边缘(壁部的边缘)来规定振动部31的外形。
在设为这样的构成的情况下,不仅是在Y方向上,在X方向上也以发送接收部间的壁部22IO的壁宽度WIO比发送部间的壁部22O的壁宽度WO大的方式形成各开口部即可。在该情况下,在保护部件50中也可以不设置突出部52。
另外,保护部件50也可以构成为具备与各振动部31对置的多个凹部,仅通过凹部的边缘来规定各振动部31的外形。在该情况下构成为,凹部在X方向以及Y方向上配置成2维阵列结构。
在设为这样的构成的情况下,不仅是在X方向上,在Y方向中上也以发送接收部间的突出部52IO的突出部壁宽度UIO比发送部间的突出部52O的突出部壁宽度UO大的方式形成各凹部即可。在该情况下,也可以不设置基板20。
进一步,也可以构成为,在基板设置有与各振动部31对应的多个开口部,并且在保护部件设置有与各振动部31对应的多个凹部。在该情况下,也可以将突出部52的突出部壁宽度与壁部22的壁宽度设为相同的尺寸。
即,构成为,将发送接收部间的壁部22IO的壁宽度WIO与发送接收部间的突出部52IO的突出部壁宽度UIO设为相同的尺寸,且将发送部间的壁部22O的壁宽度WO与发送部间的突出部52O的突出部壁宽度UO设为相同的尺寸,且壁宽度WIO以及突出部壁宽度UIO比壁宽度WO以及突出部壁宽度UO大。在该情况下,优选将壁部22的壁长与突出部52的突出部壁长也设为相同的尺寸。
变形例2
在上述实施方式中,示出了将壁部22的壁长设为90μm以下,且将突出部52的突出部壁长设为90μm以下的例子,但不限定于此。
例如,可以将壁部22的壁长设为比90μm大,也可以将突出部52的突出部壁长设为比90μm大。
在该情况下,即使由于超声波设备10的制造误差而使壁部22的壁长、突出部52的突出部壁长的值多少变动,但串扰比率不变动。因此,不会由于制造误差而使从发送信道CHO向接收信道CHI的串扰的影响变动,且能够以稳健的设计提供一种稳定的发送接收性能的超声波设备10。
另外,也可以根据壁部22、突出部52的位置而使壁长、突出部壁长不同。
例如,发送接收部间的壁部22IO的壁长也可以比发送部间的壁部22O的壁长小。同样地,发送接收部间的突出部52IO的突出部壁长也可以比发送部间的突出部52O的突出部壁长小。
变形例3
在上述实施方式中,示出了将发送接收部间的壁部22IO的壁宽度WIO设为40μm以上且90μm以下,并且将发送部间的壁部22O的壁宽度WO设为30μm以上且小于40μm的例子。另外,示出了将发送接收部间的突出部52IO的突出部壁宽度UIO设为40μm以上且90μm以下,并且将发送部间的突出部52O的突出部壁宽度UO设为30μm以上且小于40μm的例子。相对于此,壁宽度WIO、壁宽度WO、突出部壁宽度UIO、突出部壁宽度UO不限定于上述方式。
例如,若发送接收部间的壁部22IO的壁宽度WIO比发送部间的壁部22O的壁宽度WO大,则壁宽度WIO可以小于40μm。另外,若发送接收部间的壁部22IO的壁宽度WIO比发送部间的壁部22O的壁宽度WO大,则壁宽度WO可以为40μm以上。然而,如图4所示,相对于壁宽度的串扰比率在壁宽度为40μm以上时,其变化率变小。因此,优选的是,在将壁宽度WO以及壁宽度WIO设为40μm以上时,例如将壁长设为较小来减少向接收信道CHI的串扰成分。
另外,例如,在构成为能够控制从发送信道CHO发送的超声波的发送方向的情况等,壁宽度WIO也可以为90μm以上。进一步,在通过变更基板20的材料等而使发送部间的壁部22O的强度足够高的情况下,也可以将壁宽度WO设为小于30μm。
此外,对于突出部52的突出部壁宽度UIO以及突出部壁宽度UO也是同样的。
变形例4
在上述实施方式中,作为振动元件,例示了压电元件40,但不限定与次。
例如,作为振动元件,可以构成为具备设置于振动部的第一电极以及相对于第一电极隔着间隙而固定的第二电极。在该情况下,通过在第一电极与第二电极之间施加周期驱动电压,使得作用于第一电极与第二电极之间的静电引力周期性地变化而使振动部振动,从而能够从发送信道发送与振动部的振动相应的超声波。另外,若接收信道接收到超声波,则振动部振动,因此,通过检测第一电极与第二电极之间的静电容量的变化能够检测超声波的接收。
发明的总结
本发明所涉及的第一方式的超声波设备具备:基板;具备多个开口部以及配置在相邻的所述开口部之间的壁部;振动板,封闭所述开口部;以及,多个振动元件,设置在所述振动板的从所述基板及所述振动板的层叠方向观察时与所述开口部重叠的位置,多个所述开口部包括第一开口部、隔着第一壁部与所述第一开口部相邻的第二开口部以及隔着第二壁部与所述第一开口部相邻的第三开口部,所述振动板中封闭所述第一开口部的第一振动部与配置于该第一振动部的所述第一振动元件构成发送超声波的第一超声波发送部,所述振动板中封闭所述第二开口部的第二振动部与配置于该第二振动部的所述第二振动元件构成接收超声波的超声波接收部,所述振动板中封闭所述第三开口部的第三振动部与配置于该第三振动部的所述第三振动元件构成发送超声波的第二超声波发送部,所述第一壁部的从所述第一开口部至所述第二开口部的宽度比所述第二壁部的从所述第一开口部至所述第三开口部的宽度大。
在本方式中,由于第一壁部的壁宽度与第二壁部的壁宽度不同,因此,通过反共振的原理,使得从第一超声波发送部朝向超声波接收部的串扰成分被第一壁部反射。另外,由于第一壁部的壁宽度比第二壁部的壁宽度大,因此从第一超声波发送部向超声波接收部的串扰成分比从第一超声波发送部向第二超声波发送部的串扰成分少。由此,能够抑制从第一超声波发送部向超声波接收部的串扰。另外,在本方式中,由于不需要在基板设置凹槽等,因此,基板的强度不会下降,并且超声波设备的构成也不会复杂化。即,在本方式中,能够以简单的构成抑制基板的强度下降并且抑制串扰。
在第一方式的超声波设备中,优选的是,所述第一壁部的从所述第一开口部至所述第二开口部的宽度为40μm以上,所述第二壁部的从所述第一开口部至所述第三开口部的宽度小于40μm。
在从超声波发送部发送超声波时,关于包围超声波发送部的壁部的壁宽度与从该超声波发送部向其他超声波发送部、超声波接收部的串扰的振幅的关系,随着壁宽度变大,串扰的振幅下降。此时,将壁部的壁宽度成为40μm的点作为变化点,在壁宽度成为40μm以上时,随着壁宽度增大而串扰的振幅减少,但其减少量较小。另一方面,在壁宽度小于40μm时,壁宽度越变低,串扰的振幅越变高,并且,其变化较急剧。因此,通过将第一壁部的壁宽度设为40μm以上,能够降低从第一超声波发送部朝向超声波接收部的串扰成分,通过将第二壁部的壁宽度设为小于40μm,能够使从第一超声波发送部朝向第二超声波发送部的串扰成分增大。由此,能够进一步降低从第一超声波发送部向超声波接收部的串扰。
在第一方式的超声波设备中,优选的是,所述壁部的从所述振动板至与所述振动板相反的一侧的端面的尺寸为90μm以下。
在本方式中,从壁部的振动板侧的端面至壁部的与振动板相反的一侧的端面的尺寸即壁长为90μm以下。在壁宽度成为40μm以上时,通过将壁长设为90μm以下,使得壁长越小,串扰越降低。因此,通过将第一壁部的壁长设为90μm以下,能够降低从第一超声波发送部向超声波接收部的串扰。
另外,在壁宽度小于40μm时,基于壁长的差异的串扰比率的变化极小。因此,若将第二壁部的壁宽度设为小于40μm,则从第一超声波发送部向超声波接收部的串扰成分减少,而从第一超声波发送部向第二超声波发送部的串扰成分增大。因此,能够降低从第一超声波发送部向超声波接收部的串扰。
本发明所涉及的第二方式的超声波设备具备:振动板;保护部件,与所述振动板接合,且具备将所述振动板分割为多个振动部的突出部;以及振动元件,配置于所述振动板的各所述振动部,多个所述振动部包括第四振动部、隔着第一突出部与所述第四振动部相邻的第五振动部以及隔着第二突出部与所述第四振动部相邻的第六振动部,所述第四振动部与配置于该第四振动部的所述第四振动元件构成发送超声波的第三超声波发送部,所述第五振动部与配置于该第五振动部的所述第五振动元件构成接收超声波的超声波接收部,所述第六振动部与配置于该第六振动部的所述第六振动元件构成发送超声波的第四超声波发送部,所述第一突出部的从所述第四振动部至所述第五振动部的宽度比所述第二突出部的从所述第四振动部至所述第六振动部的宽度大。
在本方式中,由于第一突出部的从第四振动部至第五振动部的宽度(突出部壁宽度)与第二突出部的突出部壁宽度不同,因此,通过反共振的原理,使得从第三超声波发送部朝向超声波接收部的串扰成分被第一壁部反射。另外,由于第一突出部的突出部壁宽度比第二突出部的突出部壁宽度大,因此,从第三超声波发送部向超声波接收部的串扰成分比从第三超声波发送部向第四超声波发送部的串扰成分少。由此,能够抑制从第三超声波发送部向超声波接收部的串扰。另外,在本方式中,由于不需要在基板设置凹槽等,因此,基板的强度不会下降,并且超声波设备的构成也不会复杂化。即,在本方式中,与第一方式同样地,能够以简单构成抑制基板的强度下降,并且抑制串扰。
在第二方式的超声波设备中,优选的是,所述第一突出部的从所述第四振动部至所述第五振动部的宽度为40μm以上,所述第二突出部的从所述第四振动部至所述第六振动部的宽度小于40μm。
在从超声波发送部发送超声波时,关于包围超声波发送部的突出部的突出部壁宽度与从该超声波发送部向其他超声波发送部、超声波接收部的串扰的振幅的关系,随着突出部壁宽度变大,串扰的振幅下降。此时,将突出部壁宽度成为40μm的点作为变化点,在突出部壁宽度成为40μm以上时,随着突出部壁宽度增大,串扰的振幅减少,但其减少量较小。另一方面,在突出部壁宽度小于40μm时,突出部壁宽度越变低,串扰的振幅越变高,并且,其变化较急剧。因此,通过将第一突出部的突出部壁宽度设为40μm以上,能够降低从第三超声波发送部朝向超声波接收部的串扰成分,通过经第二突出部的突出部壁宽度设为小于40μm,能够使从第三超声波发送部朝向第四超声波发送部的串扰成分增大。由此,能够进一步降低从第三超声波发送部向超声波接收部的串扰。
在第二方式的超声波设备中,优选的是,所述保护部件具备与所述振动板对置的基座部,所述突出部被设置为从所述基座部朝向所述振动板突出,所述突出部的从所述振动板至所述基座部的尺寸为90μm以下。
在本方式中,突出部的从振动板至基座部的尺寸即突出部壁长为90μm以下。在突出部壁宽度成为40μm以上时,通过将突出部壁长设为90μm以下,使得壁长越小,串扰越降低。因此,通过将第一突出部的突出部壁长设为90μm以下,能够降低从第三超声波发送部向超声波接收部的串扰。
另外,在突出部壁宽度小于40μm时,基于突出部壁长的差异的串扰比率的变化极小。因此,若将第二突出部的突出部壁宽度设为小于40μm,则与突出部壁长无关地,从第三超声波发送部向超声波接收部的串扰成分减少,从第三超声波发送部向第四超声波发送部的串扰成分增大。如上所述,能够更加降低从第三超声波发送部向超声波接收部的串扰。

Claims (6)

1.一种超声波设备,其特征在于,具备:
基板,具备多个开口部以及壁部,所述壁部配置在相邻的所述开口部之间;
振动板,封闭所述开口部;以及
多个振动元件,设置在所述振动板的从所述基板及所述振动板的层叠方向观察时与所述开口部重叠的位置,
所述多个振动元件包括第一振动元件、第二振动元件以及第三振动元件,
多个所述开口部包括:第一开口部、隔着第一壁部与所述第一开口部相邻的第二开口部、隔着第二壁部与所述第一开口部相邻的第三开口部和隔着第三壁部与所述第三开口部相邻的第四开口部,
所述振动板中封闭所述第一开口部的第一振动部与配置于该第一振动部的所述第一振动元件构成发送超声波的第一超声波发送部,
所述振动板中封闭所述第二开口部的第二振动部与配置于该第二振动部的所述第二振动元件构成接收超声波的第一超声波接收部,
所述振动板中封闭所述第三开口部的第三振动部与配置于该第三振动部的所述第三振动元件构成发送超声波的第二超声波发送部,
所述振动板中封闭所述第四开口部的第四振动部与配置于该第四振动部的所述第四振动元件构成接收超声波的第三超声波接收部,
所述第一壁部的从所述第一开口部至所述第二开口部的宽度大于所述第二壁部的从所述第一开口部至所述第三开口部的宽度,
所述第二壁部的从所述第一开口部至所述第三开口部的宽度等于所述第三壁部的从所述第三开口部至所述第四开口部的宽度。
2.根据权利要求1所述的超声波设备,其特征在于,
所述第一壁部的从所述第一开口部至所述第二开口部的宽度为40μm以上,
所述第二壁部的从所述第一开口部至所述第三开口部的宽度小于40μm。
3.根据权利要求1或2所述的超声波设备,其特征在于,
所述壁部的从所述振动板至与所述振动板相反的一侧的端面的尺寸为90μm以下。
4.一种超声波设备,其特征在于,具备:
振动板;
保护部件,与所述振动板接合,且具备将所述振动板分割为多个振动部的突出部;以及
多个振动元件,分别配置于所述振动板的所述多个振动部,
多个所述振动部包括:第四振动部、隔着第一突出部与所述第四振动部相邻的第五振动部、隔着第二突出部与所述第四振动部相邻的第六振动部和隔着第三突出部与所述第六振动部相邻的第七振动部,
所述多个振动元件包括第四振动元件、第五振动元件、第六振动元件和第七振动元件,
所述第四振动部与配置于该第四振动部的所述第四振动元件构成发送超声波的第三超声波发送部,
所述第五振动部与配置于该第五振动部的所述第五振动元件构成接收超声波的第二超声波接收部,
所述第六振动部与配置于该第六振动部的所述第六振动元件构成发送超声波的第四超声波发送部,
所述第七振动部与配置于该第七振动部的所述第七振动元件构成接收超声波的第四超声波接收部,
所述第一突出部的从所述第四振动部至所述第五振动部的宽度大于所述第二突出部的从所述第四振动部至所述第六振动部的宽度,
所述第二突出部的从所述第四振动部至所述第六振动部的宽度等于所述第三突出部的从第六振动部至所述第七振动部的宽度。
5.根据权利要求4所述的超声波设备,其特征在于,
所述第一突出部的从所述第四振动部至所述第五振动部的宽度为40μm以上,
所述第二突出部的从所述第四振动部至所述第六振动部的宽度小于40μm。
6.根据权利要求4或5所述的超声波设备,其特征在于,
所述保护部件具备与所述振动板对置的基座部,
所述突出部被设置为从所述基座部朝向所述振动板突出,
所述突出部的从所述振动板至所述基座部的尺寸为90μm以下。
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