CN118303038A - 超声波换能器 - Google Patents

Abstract

具备声学设备(100)和声学路径(P)。声学设备(100)包含声学MEMS元件(120)。声学路径(P)与声学MEMS元件(120)相通。在声学路径(P)中，能够与通过声学MEMS元件(120)的振动而产生的超声波共鸣。超声波换能器(400)具有通过声学MEMS元件(120)的共振和由声学路径(P)产生的共鸣组合而出现多个声压峰值的声压频率特性。如果将声学MEMS元件(120)的共振频率设为f0，将上述声压频率特性中出现多个声压峰值的频率之中低于共振频率f0且最接近共振频率f0的频率设为fl，则满足5≤(f0‑fl)/f0×100≤33的关系。

Description

超声波换能器

技术领域

本发明涉及超声波换能器。

背景技术

作为公开了超声波换能器的构成的在先技术文献，存在国际公开第2020/230484号(专利文献1)。专利文献1所记载的超声波换能器具有安装基板和压电设备。压电设备安装于安装基板。压电设备包含基板、压电元件和盖部。基板上形成有通孔。压电元件位于基板的第一主面上。安装基板与基板的第二主面相对。安装基板上形成有通孔。安装基板的通孔的压电设备侧的端部位于与基板的通孔正对的位置处。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2020/230484号

发明内容

发明要解决的课题

寻求超声波换能器能够在宽的频带中传播高声压级的超声波。

本发明就是鉴于上述课题而实现的，其目的在于提供能够在宽的频带中传播高声压级的超声波的超声波换能器。

用于解决课题的手段

基于本发明的超声波换能器具备声学设备和声学路径。声学设备包含声学MEMS元件。声学路径与声学MEMS元件相通。在声学路径中，能够与通过声学MEMS元件的振动而产生的超声波共鸣。超声波换能器具有通过声学MEMS元件的共振和由声学路径产生的共鸣组合而出现多个声压峰值的声压频率特性。如果将声学MEMS元件的共振频率设为f0，将上述声压频率特性中出现多个声压峰值的频率之中低于共振频率f0且最接近共振频率f0的频率设为fl，则满足5≤(f0-fl)/f0×100≤33的关系。

发明的效果

根据本发明，能够在宽的频带中传播高声压级的超声波。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的超声波换能器具备的声学设备的外观的立体图。

图2是表示本发明的实施方式1所涉及的超声波换能器具备的声学设备的构成的爆炸立体图。

图3是将图1的声学设备从III-III线箭头方向观察的截面图。

图4是将图1的声学设备从箭头IV方向观察的仰视图。

图5是表示本发明的实施方式1所涉及的超声波换能器具备的声学MEMS元件的外观的立体图。

图6是将图5的声学MEMS元件从VI-VI线箭头方向观察的截面图。

图7是表示本发明的实施方式1所涉及的超声波换能器的构成的截面图。

图8是表示声学路径的共鸣频率互不相同的超声波换能器的声压频率特性的曲线图。

图9是表示(f0-fl)/f0和(SPLmax-SPLmin)之间的关系的曲线图。

图10是表示(f0-fl)/f0和(fh-fl)/f0之间的关系的曲线图。

图11是表示本发明的实施方式2所涉及的超声波换能器的构成的截面图。

图12是表示本发明的实施方式3所涉及的超声波换能器具备的声学设备的外观的立体图。

图13是将图12的声学设备从箭头XIII方向观察的立体图。

图14是表示从与图12相同的方向观察下的声学设备的构成的爆炸立体图。

图15是表示从与图13相同的方向观察下的声学设备的构成的爆炸立体图。

图16是将图13的声学设备从XVI-XVI线箭头方向观察的截面图。

图17是表示本发明的实施方式3所涉及的超声波换能器的构成的截面图。

图18是表示本发明的实施方式4所涉及的超声波换能器的构成的截面图。

图19是表示实验例1中的超声波换能器的构造的图。

图20是表示实验例2中的超声波换能器的构造的图。

图21是表示对比例、实施例1和实施例2所涉及的超声波换能器的声压频率特性的曲线图。

具体实施方式

以下，参照附图，说明本发明的各实施方式所涉及的超声波换能器。在以下的实施方式的说明中，对图中相同或相当的部分标注相同标号，其说明不再重复。

在本说明书中，“MEMS”是Micro Electro Mechanical Systems(微机电系统)的简称。“声学MEMS元件”是MEMS拾音器、pMUT(piezoelectric Micro-machined UltrasonicTransducer：压电式微机械超声换能器)、cMUT(capacitive Micro-machined UltrasonicTransducer：电容式微机械超声换能器)、MEMS扬声器等的总称。

(实施方式1)

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的超声波换能器具备的声学设备的外观的立体图。

图2是表示本发明的实施方式1所涉及的超声波换能器具备的声学设备的构成的爆炸立体图。

图3是将图1的声学设备从III-III线箭头方向观察的截面图。图4是将图1的声学设备从箭头IV方向观察的仰视图。

如图1至图4所示，本发明的实施方式1所涉及的超声波换能器具备的声学设备100包含声学MEMS元件120。声学设备100还包含基板110和盖部130。声学设备100还可以包含ASIC(application specific integrated circuit：特定用途集成电路)。

基板110具有第一主面111和第二主面112。基板110上形成有从第一主面111至第二主面112的第一通孔110h。

基板110具有矩形形状的外形。基板110的一条边的长度例如为1mm以上而3mm以下。基板110的厚度例如为0.1mm以上而0.3mm以下。基板110的材料为玻璃环氧树脂等树脂和玻璃纤维组合而成的材料、低温共烧陶瓷(LTCC：Low Temperature Co-firedCeramics)、或者由氧化铝等构成的陶瓷。

基板110的第一主面111上形成有多个第一电极113。第一电极113通过引线160与声学MEMS元件120的对应的片状电极电连接。即，声学MEMS元件120和第一电极113之间引线键合。在第一主面111上安装有ASIC的情况下，第一电极113与ASIC的一个电极电连接，ASIC的另一个电极与声学MEMS元件120的电极电连接。在基板110的第一主面111上，沿着基板110的缘部形成有框状的电极114。电极114与配置于第一主面111上的铜箔电连接。

基板110的第二主面112上形成有多个第二电极115和第一环状电极116。在本实施方式中，在基板110的第二主面112形成有两个第二电极115。第二电极115位于第一环状电极116的外侧。第二电极115经由通路电极等与对应的第一电极113电连接。第二电极115通过第一电极113和引线160与声学MEMS元件120电连接。如后所述，在声学设备100安装于安装基板时，第二电极115与安装基板的电极电连接。

第一环状电极116以环绕第一通孔110h的方式形成。第一环状电极116为了防止从安装基板和声学MEMS元件120之间漏音而在周向上连续。此外，也可以为了降低声学MEMS元件120的共振的Q值为目的而使第一环状电极116非连续地形成。第一环状电极116可以是图4所示那样的圆形的环状，也可以是圆形之外的形状的环状。

第一通孔110h与声学MEMS元件120的后述的膜部正对。第一通孔110h在从与第一主面111正交的方向观察下为圆形，但也可以是矩形。第一通孔110h的直径例如为0.1mm以上而1.4mm以下。

盖部130配置于基板110的第一主面111上。盖部130经由导电性粘结剂150与电极114连接。导电性粘结剂150为热固化型粘结剂。盖部130在整个周部上毫无间隙地与第一主面111接合。盖部130覆盖并隐藏声学MEMS元件120、引线160和电极114等。盖部130与声学MEMS元件120分离地覆盖声学MEMS元件120。盖部130在从与第一主面111正交的方向观察下具有沿着基板110的缘部的形状。

盖部130由具有导电性的材料形成。盖部130的材料为金属或树脂。盖部130由单一构件形成。盖部130通过冲压加工、切削加工或模制成形等而成形。盖部130的厚度例如为0.05mm以上而0.3mm以下。盖部130的高度被调整为不与声学MEMS元件120和引线160接触。盖部130通过导电性粘结剂150、电极114、第一主面111上的铜箔和通路电极与第一环状电极116电连接。

如图3所示，声学MEMS元件120以覆盖第一通孔110h的方式通过芯片粘结剂140固定于第一主面111。声学MEMS元件120在后述的基部的整个周部上与第一主面111毫无间隙地接合。芯片粘结剂140是热固化型粘结剂。

图5是表示本发明的实施方式1所涉及的超声波换能器具备的声学MEMS元件的外观的立体图。图6是将图5的声学MEMS元件从VI-VI线箭头方向观察的截面图。

如图5和图6所示，声学MEMS元件120包含基部121和膜部122。在本实施方式中，声学MEMS元件120是压电元件。膜部122通过压电体进行产生振动以及振动检测的至少其中之一。此外，声学MEMS元件120不限定为压电元件，也可以构成为通过静电方式进行产生振动以及振动检测的至少其中之一。

如图6所示，声学MEMS元件120具有第一片状电极129a和第二片状电极129b。第一片状电极129a经由未图示的连接布线与后述的下部电极层と电连接。第二片状电极129b经由未图示的连接布线与后述的上部电极层电连接。第一片状电极129a和第二片状电极129b分别通过引线160与基板110的第一电极113电连接。

基部121具有矩形环状的形状。但基部121的形状并不限定于矩形环状，也可以是圆环状或矩形之外的多边形的环状。基部121的外缘的一条边的长度例如为0.6mm以上而1.5mm以下。基部121的厚度例如为0.2mm以上而0.5mm以下。

基部121由支承层123、中间层124、和由多个层形成的层叠体128构成。支承层123例如由单晶硅构成。中间层124例如由SiO₂构成。

层叠体128包含压电体层125、弹性体层126、上部电极层127和下部电极层的至少其中一层。压电体层125是由钽酸锂或铌酸锂构成的单晶压电体。压电体层125也可以由旋转Y形切割的单晶压电体构成。压电体层125还可以由锆钛酸铅(PZT)、氮化铝(AlN)、或者在这些物质中掺杂杂质而得到的沉积膜构成。

弹性体层126例如由Si构成。弹性体层126可以由与压电体层125为相同材料、或者在这些材料中掺杂杂质而得到的膜构成。上部电极层127由Pt等导电性材料构成。下部电极层由Pt等导电性材料构成。在弹性体层126由在Si中掺杂杂质而实施低电阻化的膜构成的情况下，弹性体层126能够兼作为下部电极层，无需另行设置下部电极层。

膜部122位于基部121的内侧，由基部121支承。由此，声学MEMS元件120中形成由基部121和膜部122包围的凹部X。膜部122具有正方形状的外形，但也可以具有圆形形状或多边形状的外形。膜部122的外形的一条边的长度例如为0.5mm以上而1.4mm以下。膜部122的厚度例如为0.5μm以上而6.0μm以下。

膜部122中形成有贯穿膜部122的贯穿狭缝SL。由此，膜部122具有多个梁部。贯穿狭缝SL的宽度为10μm以下。贯穿狭缝SL的宽度越窄就越能够抑制膜部122中的漏音。以降低膜部122的共振的Q值为目的，也可以将贯穿狭缝SL的宽度设为3μm以上。

从与第一主面111正交的方向观察，膜部122的梁部具有大致三角形状的外形。膜部122的梁部的外形并不限定于从与第一主面111正交的方向观察下的三角形状，也可以是梯形形状，也可以是梁部的前端侧弯曲。膜部122的梁部的长度的尺寸为膜部122的厚度尺寸的至少5倍以上，以能够使膜部122易于振动。膜部122的梁部为悬臂梁状。但膜部122的梁部也可以并非为悬臂梁状，而是多个梁部在基部121以外相互连接。

膜部122的梁部至少包含压电体层125、上部电极层127和下部电极层。上部电极层127以隔着压电体层125与下部电极层的至少一部分相对的方式配置。如图6所示，在弹性体层126兼作为下部电极层的情况下，上部电极层127隔着压电体层125与弹性体层126相对。

膜部122具有应力中立面。应力中立面位于膜部122的厚度的大致中间的位置。压电体层125相对于膜部122的应力中立面而位于基板110侧的相反侧。此外，压电体层125也可以相对于膜部122的应力中立面而位于基板110侧。

膜部122通过在上部电极层127和下部电极层之间被施加电位差、即压电体层125被施加电压而弯曲。另外，如果承受来自外部的超声波而膜部122弯曲，则压电体层125中产生电荷，在上部电极层127和下部电极层之间产生电位差。压电体层125被施加电压而产生的弯曲、或者压电体层125承受超声波而产生的弯曲的振幅最大的频率、即膜部122的共振频率为20kHz以上而60kHz以下。

在这里，说明声学设备100的动作。

在声学设备100发送超声波时，通过向两个第二电极115施加电压，从而与其中一个第二电极电连接的上部电极层127和与另一个第二电极电连接的下部电极层之间被施加电压。由此，位于上部电极层127和下部电极层之间的压电体层125被驱动。通过压电体层125被驱动而膜部122振动，产生超声波。该超声波从第一通孔110h向外部空间传播。

在声学设备100接收超声波时，从外部空间通过第一通孔110h到达膜部122的超声波使膜部122振动。由此，压电体层125被驱动，从两侧夹持压电体层125的上部电极层127和下部电极层之间产生电位差。该电位差能够通过分别与上部电极层127和下部电极层电连接的两个第二电极115检测出。这样，声学设备100能够接收超声波。

作为使用超声波进行的距离测定方法具有脉冲反射法。具体而言，通过向声学设备100施加脉冲电压而朝向测定对象物发送超声波脉冲，从发送时起经过一定时间后接收从测定对象物反射来的超声波脉冲，根据从发送至接收为止的时间测定与测定对象物相距的距离。

在这里，能够利用声学MEMS元件120的膜部122的共振和后述的声学路径的共鸣，增强从声学设备100传播的超声波脉冲，提高通过声学设备100接收的超声波脉冲的接收灵敏度。但时，在像这样处理的情况下，在施加脉冲电压后膜部122的振动仍然持续，产生所谓的残响。在接收超声波脉冲时残响不停止的情况下，声学设备100变得无法接收从测定对象物反射来的超声波脉冲。

接下来，说明本发明的实施方式1所涉及的超声波换能器的构成。图7是表示本发明的实施方式1所涉及的超声波换能器的构成的截面图。如图7所示，本发明的实施方式1所涉及的超声波换能器400具备声学设备100和声学路径P。声学路径P构成为贯穿基板110、安装基板200和框体300。具体而言，声学设备100在安装于安装基板200的状态下设置于电子仪器的框体300的内侧。

安装基板200与基板110的第二主面112正对。在安装基板200的基板110侧的面上形成有多个第三电极202。多个第三电极202各自通过焊料203与对应的第二电极115相互电连接。

在安装基板200中形成有第二通孔200h。第二通孔200h的基板110侧的端部位于与第一通孔110h正对的位置。第二通孔200h从安装基板200的基板110侧的面至与基板110侧为相反侧的面为止形成为直线状。第二通孔200h的直径例如为0.4mm以上而1.2mm以下。

在安装基板200的基板110侧的面上设置有位置围绕第二通孔200h的第二环状电极201。第二环状电极201通过焊料203与基板110的第一环状电极116彼此电连接。由此，能够在超声波通过第一通孔110h和第二通孔200h之间时，调整超声波从声学设备100和安装基板200之间向外部泄漏的量。具体而言，在第一环状电极116非连续地形成的情况下，通过变更未形成第一环状电极116的部分的大小，从而能够调整超声波的泄漏量。

安装基板200的材料为玻璃环氧树脂等树脂和玻璃纤维组合而成的材料、低温共烧陶瓷(LTCC：Low Temperature Co-fired Ceramics)、或者由氧化铝等构成的陶瓷。另外，安装基板200也可以是由铜箔和聚酰亚胺构成的柔性基板，或者也可以是在这些基板之外还具备加强板的复合基板。安装基板200的厚度例如为0.1mm以上而2.0mm以下。

框体300收容安装于安装基板200的声学设备100。框体300中形成有与安装基板200的第二通孔200h正对的第三通孔300h。第三通孔300h的直径例如为0.4mm以上而4.0mm以下。第三通孔300h的长度取决于框体300的厚度，例如为0.4mm以上而3.0mm以下。

在框体300和安装基板200之间设有密封部310。密封部310以围绕第二通孔200h和第三通孔300h的方式形成。密封部310具有环状的形状。密封部310为了防止从框体300和安装基板200之间的漏音而在周向上连续。密封部310的内缘为圆形形状或矩形形状。密封部310的内径例如为0.4mm以上而3.0mm以下。密封部310的厚度例如为0.1mm以上而1.0mm以下。密封部310由树脂构成。

如图7所示，在超声波换能器400中，通过声学MEMS元件120、第一通孔110h、第一环状电极116、第二环状电极201、第二通孔200h、密封部310以及第三通孔300h形成作为超声波的路径的声学路径P。即，声学路径P与声学MEMS元件120相通。在本实施方式中，声学路径P以直线状延伸。

此外，也可以在声学路径P的任一个位置处设置用于防止异物和水滴侵入的防滴膜或防尘膜。作为防滴膜或防尘膜，可以是由金属或树脂形成的网、或者由PTFE(polytetrifluoroethylene：聚四氟乙烯)形成的柔性膜。

声学路径P对于超声波具有频率响应，以特定的固有频率进行共鸣。即，声学路径P具有共鸣频率。在声学路径P中，通过声学MEMS元件120的振动而产生的超声波能够共鸣。另一方面，声学MEMS元件120具有如上所述的膜部122固有的共振频率。

对于声学路径的共鸣频率，已知亥姆霍兹共鸣或空气柱共鸣等导出方法，但难以应用于上述的声学路径P这样的复杂的声学路径。

另外，在超声波换能器400中，由于声学MEMS元件120的膜部122非常薄，所以导致在振动状态下与声学路径P中的空气相互影响。因此，无法区分声学MEMS元件120的共振频率和声学路径P的共鸣频率。因此，难以在超声波换能器400中使声学MEMS元件120的共振频率和声学路径P的共鸣频率彼此相邻而扩展能够传播强超声波的频带。

在这里，说明在本发明的实施方式1所涉及的超声波换能器400中，能够在宽的频带中传播高声压级的超声波的机制。

首先，针对通过变更声学路径P的长度和宽度而使声学路径P的共鸣频率互不相同的5个超声波换能器的样品中的声压频率特性进行模拟解析。

图8是表示声学路径的共鸣频率互不相同的超声波换能器的声压频率特性的曲线图。在图8中，纵轴表示相对声压级(dB)，横轴表示频率(kHz)。将第一样品以细单点划线表示，将第二样品以细双点划线表示，将第三样品以实线表示，将第四样品以粗单点划线表示，将第五样品以粗双点划线表示。

在5个样品中，以声学MEMS元件120的共振频率f0为32kHz、40kHz和46kHz这三种进行了模拟解析。在图8中，示出了声学MEMS元件120的共振频率f0为40kHz时的声压频率特性。

此外，在确定声学MEMS元件120的共振频率f0时，能够通过在真空气氛下观察阻抗频率特性而进行确认。为了简便，有时在堵塞安装基板200的第二通孔200h的状态下观察阻抗频率特性的方式也能够确认共振频率f0。

如图8所示，第一样品至第五样品各自具有两个声压峰值。此外，也可以出现两个以上的声压峰值。像这样，第一样品至第五样品的超声波换能器通过声学MEMS元件120的共振和由声学路径P产生的共鸣组合而具有出现多个声压峰值的声压频率特性。

在这里，将声压频率特性中出现了多个声压峰值的频率之中低于共振频率f0且最接近共振频率f0的频率设为fl，将其声压峰值设为Pl。将声压频率特性中出现了多个声压峰值的频率之中高于共振频率f0且最接近共振频率f0的频率设为fh，将其声压峰值设为Ph。将声压峰值Pl和声压峰值Ph之中较高一个的声压级设为SPLmax，将频率fl和频率fh之间最低的声压级设为SPLmin。

图9是表示(f0-fl)/f0和(SPLmax-SPLmin)之间的关系的曲线图。在图9中，纵轴表示(SPLmax-SPLmin)(dB)，横轴表示(f0-fl)/f0×100(％)。另外，对于共振频率f0，将32kHz以圆形表示，将40kHz以三角形表示，将46kHz以四边形表示。

如图9所示，在5≤(f0-fl)/f0×100≤33的范围内，(SPLmax-SPLmin)即频率fl和频率fh之间的声压峰值的高低差成为10dB以下。

图10是表示(f0-fl)/f0和(fh-fl)/f0之间的关系的曲线图。在图10中，纵轴表示(fh-fl)/f0×100(％)，横轴表示(f0-fl)/f0×100(％)。另外，对于共振频率f0，将32kHz以圆形表示，将40kHz以三角形表示，将46kHz以四边形表示。

如图10所示，在5≤(f0-fl)/f0×100≤33的范围内，成为20≤(fh-fl)/f0×100≤40。

根据上述的模拟分析结果，能够确认到如下情况：如果将通过声学MEMS元件120的共振和由声学路径P产生的共鸣组合而出现了多个声压峰值的频率之中低于共振频率f0且最接近共振频率f0的频率设为fl，则具有满足5≤(f0-fl)/f0×100≤33的关系的声压频率特性的超声波换能器400能够在将峰值声压包含于两端的同时，在相对于共振频率f0成为20％以上而40％以下的范围的宽的频带(例如在f0＝40kHz时为8kHz以上而16kHz以下的范围)中使声压高低差为10dB以内。即，具有满足5≤(f0-fl)/f0×100≤33的关系的声压频率特性的超声波换能器400能够在宽的频带中传播高声压级的超声波。

本实施方式所涉及的超声波换能器400在从声学路径P向外部传播fl以上而fh以下的频带内的频率的超声波的情况下，能够在fl以上而fh以下的频带内稳定地得到高声压，因此，即使在多个超声波换能器400中的声学MEMS元件120的共振频率f0存在变动的情况下，也能够缓和这些超声波换能器400的声压频率特性的差异。另外，能够使超声波换能器400的温度特性稳定化。

本实施方式所涉及的超声波换能器400能够从fl以上而fh以下的频带内的多个频率之中选择从声学路径P向外部传播的超声波的频率。在本实施方式所涉及的超声波换能器400中，由于能够在fl以上而fh以下的频带内稳定地得到高声压，所以能够以从fl以上而fh以下的频带内的多个频率之中选择的频率从声学路径P向外部传播超声波。由此，在使用多个超声波换能器400的情况下，通过在fl以上而fh以下的频带内使用不同的这些超声波换能器传播的超声波的频率，从而能够防止交叉线现象，另外能够容易地进行超声波调制。

如图8所示，本实施方式所涉及的超声波换能器400在将fl以上而fh以下的频带内声压最低的频率fb的超声波从声学路径P向外部传播的情况下，能够在声压频率特性变化最小的区域使用超声波换能器400，因此能够提高超声波换能器400的鲁棒性。

(实施方式2)

以下，参照附图，说明本发明的实施方式2所涉及的超声波换能器。本发明的实施方式2所涉及的超声波换能器仅声学路径的构成与本发明的实施方式1所涉及的超声波换能器不同，因此，对于与本发明的实施方式1所涉及的超声波换能器相同的构成，不再重复说明。

图11是表示本发明的实施方式2所涉及的超声波换能器的构成的截面图。如图11所示，本发明的实施方式2所涉及的超声波换能器400a具备声学设备100和声学路径Pa。

框体300的第三通孔300ah位于沿着与安装基板200的基板110侧的面为相反侧的面的延长线上。在安装基板200的基板110侧的面和框体300的内表面之间设有密封部310a。通过密封部310a将安装基板200的基板110侧的面和框体300的内表面之间的间隙封闭。密封部310具有C字状的形状，在作为声学路径Pa的部分处非连续。根据上述构成，声学路径Pa在框体300内迂回。

在本发明的实施方式2所涉及的超声波换能器400a中，也能够通过使声学路径Pa满足与实施方式1相同的条件而在宽的频带中传播高声压级的超声波。

(实施方式3)

以下，参照附图，说明本发明的实施方式3所涉及的超声波换能器。本发明的实施方式3所涉及的超声波换能器仅声学设备和声学路径的构成与本发明的实施方式1所涉及的超声波换能器不同，因此，对于与本发明的实施方式1所涉及的超声波换能器相同的构成，不再重复说明。

图12是表示本发明的实施方式3所涉及的超声波换能器具备的声学设备的外观的立体图。图13是将图12的声学设备从箭头XIII方向观察的立体图。图14是表示从与图12相同的方向观察到的声学设备的构成的爆炸立体图。图15是表示从与图13相同的方向观察到的声学设备的构成的爆炸立体图。图16是将图13的声学设备从XVI-XVI线箭头方向观察的截面图。

如图12至图16所示，本发明的实施方式3所涉及的超声波换能器具备的声学设备100b包含声学MEMS元件120。声学设备100b还包含基板110、筒状的分隔件510、以及对向基板610。在本实施方式中，在基板110的第一主面111上形成有多个第四电极117。第四电极117经由通路电极等与对应的第一电极113电连接。基板110的第二主面112上未形成第二电极115和第一环状电极116。

分隔件510具有第一主面511和第二主面512。分隔件510具有矩形环状的形状。分隔件510具有与基板110大致相同的矩形形状的外形。分隔件510的厚度被调整为使声学MEMS元件120和引线160不与对向基板610接触。分隔件510的材料为玻璃环氧树脂等树脂和玻璃纤维组合而成的材料、低温共烧陶瓷(LTCC：Low Temperature Co-fired Ceramics)、或者由氧化铝等构成的陶瓷。

分隔件510的第一主面511上形成有多个第五电极513。分隔件510的第一主面511上沿着分隔件510的缘部形成有框状的电极514。分隔件510的第二主面512上形成有经由通路电极等与多个第五电极513分别电连接的多个第六电极516。第六电极516经由导电性粘结剂151与对应的第四电极117连接。分隔件510的第二主面512上沿着分隔件510的缘部形成有框状的电极515。电极514经由通路电极等与电极515电连接。电极515经由导电性粘结剂150与电极114连接。分隔件510的第二主面512和基板110的第一主面111之间通过导电性粘结剂150在整个周部毫无间隙地彼此接合。

对向基板610具有第一主面611和第二主面612。对向基板610具有与基板110大致相同的矩形形状的外形。对向基板610的厚度例如为0.1mm以上而0.3mm以下。对向基板610的材料为玻璃环氧树脂等树脂和玻璃纤维组合而成的材料、低温共烧陶瓷(LTCC：LowTemperature Co-fired Ceramics)、或者由氧化铝等构成的陶瓷。

对向基板610的第一主面611上形成有多个第二电极615。对向基板610的第二主面612上形成有多个第七电极614和框状的电极617。电极617沿着对向基板610的缘部形成。第二电极615经由通路电极等与电极617或对应的第七电极614电连接。电极617经由导电性粘结剂750与电极514连接。分隔件510的第一主面511和对向基板610的第二主面612之间通过导电性粘结剂750在整个周部毫无间隙地彼此接合。第七电极614经由导电性粘结剂751与对应的第五电极513连接。

通过上述的构成，第二电极615通过第七电极614、第五电极513、第六电极516、第四电极117、第一电极113和引线160与声学MEMS元件120电连接。如后所述，在声学设备100b安装于安装基板时，第二电极615与安装基板的电极电连接。

接下来，说明本发明的实施方式3所涉及的超声波换能器的构成。图17是表示本发明的实施方式3所涉及的超声波换能器的构成的截面图。如图17所示，本发明的实施方式3所涉及的超声波换能器400b具备声学设备100b和声学路径Pb。声学路径Pb构成为贯穿基板110和框体300b。具体而言，声学设备100b在安装于安装基板200b的状态下设置于电子仪器的框体300b的内侧。

声学设备100b安装于未形成第二通孔200h的安装基板200b上。安装基板200b与对向基板610正对。安装基板200b的对向基板610侧的面上形成有多个第三电极202。多个第三电极202分别通过焊料203与对向基板610的对应的第二电极615相互电连接。

框体300b的第三通孔300bh与基板110的第一通孔110h正对。在框体300b和基板110之间设置有密封部310b。密封部310b以围绕第一通孔110h和第三通孔300bh的方式形成。密封部310b具有环状的形状。密封部310b为了防止从框体300b和基板100之间的漏音而在周向上连续。密封部310b的内径例如为0.4mm以上而3.0mm以下。密封部310b的厚度例如为0.1mm以上而1.0mm以下。密封部310b由树脂构成。通过上述的构成，声学路径Pb以直线状延伸。

在本发明的实施方式3所涉及的超声波换能器400b中，也能够通过使声学路径Pb满足与实施方式1相同的条件而在宽的频带中传播高声压级的超声波。

(实施方式4)

以下，参照附图，说明本发明的实施方式4所涉及的超声波换能器。本发明的实施方式4所涉及的超声波换能器仅声学路径的构成与本发明的实施方式3所涉及的超声波换能器不同，因此，对于与本发明的实施方式3所涉及的超声波换能器相同的构成，不再重复说明。

图18是表示本发明的实施方式4所涉及的超声波换能器的构成的截面图。如图18所示，本发明的实施方式4所涉及的超声波换能器400c具备声学设备100b和声学路径Pc。

框体300c的第三通孔300ch位于沿着基板110的第二主面112的延长线上。在基板110的第二主面112和框体300c的内表面之间设置有密封部310b。通过密封部310b将基板110的第二主面112和框体300的内表面之间的间隙封闭。密封部310具有C字状的形状，在作为声学路径Pc的部分处非连续。在安装基板200b的对向基板610侧的面和框体300c的内表面之间设置有密封部310c。通过密封部310c将安装基板200的对向基板610侧的面和框体300的内表面之间的间隙封闭。根据上述构成，声学路径Pc在框体300c内迂回。

在本发明的实施方式3所涉及的超声波换能器400c中，也能够通过使声学路径Pc满足与实施方式1相同的条件而在宽的频带中传播高声压级的超声波。

(实验例1)

以下，说明实际确定声学MEMS元件120的共振频率f0的实验例。图19是表示实验例1中的超声波换能器的构造的图。如图19所示，在实验例1中的超声波换能器800中，安装了声学设备100的安装基板200的第二通孔200h被板构件810堵塞。

在实验例1中，使基板110的厚度为0.2mm，使第一通孔110h的直径为0.6mm，使基部121的厚度为0.3mm，使膜部122的外形的一条边的长度为0.8mm，使膜部122的厚度为3μm，使贯穿狭缝SL的宽度为1μm，使第二通孔200h的直径为1mm，使安装基板200的厚度为1mm，使盖部130的厚度为0.08mm。

将膜部122的位移量变为最大的频率作为声学MEMS元件120的共振频率f0进行实际测量，并且与进行了声学模拟解析的结果进行比较。在声学模拟解析后得到的结果中，f0＝43kHz。在实际测量的结果中，f0＝42kHz～43kHz左右，得到与模拟解析的结果大致相同的结果。根据实验例1的结果，能够确认到下述内容：能够通过以堵塞安装基板200的第二通孔200h的状态观察阻抗频率特性的方式确定共振频率f0。

(实验例2)

接下来，说明改变形成于框体的内部的、作为声学路径的孔部的长度而进行声学模拟解析的实验例。图20是表示实验例2中的超声波换能器的构造的图。如图20所示，实验例2中的超声波换能器900具备声学设备100和声学路径P9。

在框体390中形成有纵剖面为L字状的第三通孔390h。第三通孔390h的直径为1.5mm。如果将穿过第三通孔390h的中心轴的声学路径P9中的、第三通孔390h的深度的尺寸设为Ld，将第三通孔390h的延伸长度的尺寸设为Le，则Ld＝1.5mm，对比例的Le为5mm，实施例1的Le为8mm，实施例2的Le为11mm。即，对比例的第三通孔390h的长度(Ld+Le)为6.5mm，实施例1的第三通孔390h的长度(Ld+Le)为9.5mm，实施例2的第三通孔390h的长度(Ld+Le)为12.5mm。使第二通孔200h的直径为1.1mm，其它尺寸与实验例1相同。

图21是表示对比例、实施例1和实施例2所涉及的超声波换能器的声压频率特性的曲线图。在图21中，纵轴表示SPL(dB)，横轴表示频率(kHz)。将对比例以实线表示，将实施例1以虚线表示，将实施例2以双点划线表示。

如图21所示，对比例、实施例1和实施例2所涉及的超声波换能器各自具有两个声压峰值。作为共振频率f0，根据实验例1的结果为43kHz。对比例的频率fl为41kHz，实施例1的频率fl为38kHz，实施例2的频率fl为39kHz。对比例的频率fh为50kHz以上，实施例1的频率fh为43kHz，实施例2的频率fh为46kHz。

对比例的(SPLmax-SPLmin)为20.2dB，实施例1的(SPLmax-SPLmin)为6.1dB，实施例2的(SPLmax-SPLmin)为9.0dB。在对比例中，(f0-fl)/f0×100＝4.7，在实施例1中，(f0-fl)/f0×100＝11.6，在实施例2中，(f0-fl)/f0×100＝9.3。

根据实验例2的结果，能够确认到下述情况：在不满足5≤(f0-fl)/f0×100≤33的关系的对比例所涉及的超声波换能器中，在频率为fl～fh的频带中，声压峰值的高低差发生20dB以上，在满足5≤(f0-fl)/f0×100≤33的关系的实施例1和实施例2所涉及的超声波换能器中，在频率为fl～fh的频带中，声压峰值的高低差为10dB以下，能够在宽的频带中传播高声压级的超声波。

在上述的实施方式和实施例的说明中，可以将能够组合的构成相互组合。此外，上述的导电性粘结剂也可以是焊料。

应该认为本次公开的实施方式和实施例的所有方面都仅为例示，并非限定性的内容。本发明的范围并不由上述说明所示出，而是通过权利要求书示出，其意图在于包括与权利要求书等同的意义及范围内的所有变更。

标号的说明

100、100b声学设备，110基板，110h第一通孔，111、511、611第一主面，112、512、612第二主面，113第一电极，114、514、515、617电极，115、615第二电极，116第一环状电极，117第四电极，120元件，121基部，122膜部，123支承层，124中间层，125压电体层，126弹性体层，127上部电极层，128层叠体，129a第一片状电极，129b第二片状电极，130盖部，140芯片粘结剂，150、151、750、751导电性粘结剂，160引线，200、200b安装基板，200h第二通孔，201第二环状电极，202第三电极，203焊料，300、300b、300c、390框体，300ah、300bh、300ch、300h、390h第三通孔，310、310a、310b、310c密封部，400、400a、400b、400c、800、900超声波换能器，510分隔件，513第五电极，516第六电极，610对向基板，614第七电极，810板构件。

Claims (4)

1.一种超声波换能器，其具备：

声学设备，包含声学MEMS元件；以及

声学路径，与所述声学MEMS元件相通，能够与通过所述声学MEMS元件的振动而产生的超声波共鸣，

具有通过所述声学MEMS元件的共振和由所述声学路径产生的共鸣组合而出现多个声压峰值的声压频率特性，

如果将所述声学MEMS元件的共振频率设为f0，将所述声压频率特性中出现所述多个声压峰值的频率之中低于所述共振频率f0且最接近所述共振频率f0的频率设为fl，则满足5≤(f0-fl)/f0×100≤33的关系。

2.根据权利要求1所述的超声波换能器，其中，

如果将所述声压频率特性中出现所述多个声压峰值的频率之中高于所述共振频率f0且最接近所述共振频率f0的频率设为fh，则将fl以上而fh以下的频带内的频率的超声波从所述声学路径向外部传播。

3.根据权利要求2所述的超声波换能器，其中，

能够从所述频带内的多个频率之中选择从所述声学路径向外部传播的声波的频率。

4.根据权利要求2所述的超声波换能器，其中，

将所述频带内声压为最低的频率的超声波从所述声学路径向外部传播。