JP2005051687A - 圧電型超音波センサ及びその共振周波数調節方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 超音波受信素子がアレイ状に配列された圧電型超音波センサにおいて、各超音波受信素子の共振周波数をほぼ同じ値に揃えて、圧電型超音波センサによる物体の位置の確認精度を向上させる。
【解決手段】 複数のダイアフラム５が形成された基板３と、基板３の一面に形成された圧電材料の薄膜７と、圧電材料の薄膜７のうち、１つのダイアフラム５に対応する部分の両面にそれぞれ形成された金属薄膜の下部電極６及び上部電極８を備えた圧電型超音波センサ１において、各超音波受信素子２の共振周波数がほぼ同じ値となるように、下部電極６と上部電極８の間に所定の直流電圧を印加し、圧電材料の薄膜７に歪みを生じさせ、ダイアフラム５の見かけの縦弾性係数を所望する値に変化させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧電素子を用いて計測対象物までの距離を検出する圧電型超音波センサに関する。

従来から、計測対象物の位置や形状を計測するセンサとして、計測対象物からの反射超音波を受信する圧電型超音波センサが知られている。このセンサは、圧電素子を用いた超音波受信素子により、超音波の発射から反射波を受信するまでの時間によって、計測対象物までの距離を検出する。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。また、例えば特許文献１に記載されているように、圧電素子を用いた超音波受信素子をアレイ状に配列し、各超音波受信素子の出力に対して遅延処理を行うことにより、電気的に走査を行うことにより、計測対象物までの距離だけでなく、その形状なども検出することが可能である。

これら従来の圧電型超音波センサでは、例えばシリコン基板上に凹部を形成して、ダイアフラムを設け、さらに、ダイアフラムの片面に、圧電材料の薄膜及び圧電材料の薄膜の両面に形成された電極で構成された超音波受信素子を設けている。計測対象物からの反射波を受けると、ダイアフラムが振動し、その振動に応じて圧電材料が電圧を発生する。従って、電極間の電圧を測定することにより、測定対象物からの反射波を受信したことがわかる。

従来の圧電型超音波センサでは、媒質中を伝播する音波の周波数によって、さまざまな振動形態を示す。例えば、単層ダイヤフラムの超音波受信素子の共振周波数ｆｒは式１で与えられる。

式１から分かるように、超音波受信素子の共振周波数ｆｒは、ダイアフラムの形状のばらつきや、圧電材料の薄膜の厚さのばらつきなどの影響を受ける。特に、複数の超音波受信素子をアレイ状に配列した圧電型超音波センサでは、各超音波受信素子の共振周波数が同じになるように製作することは非常に困難であり、一般的に、各超音波受信素子の共振周波数にばらつきが生じている。また、単一の超音波受信素子を有する超音波センサにおいても、量産される各超音波センサの共振周波数特性を揃えることは困難である。共振周波数のばらつきは、特定の周波数の音波が入力されたときに、その周波数に対する電気変換効率（感度）の違いとなって現れる。そのため、仮に全ての各超音波受信素子の共振周波数が揃っていると仮定した場合に比べて、物体の位置の確認精度が低いという問題点を有していた。この点に関しては、特許文献１の超音波センサであっても同様である。
特開２００２−１５６４５１号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、複数の超音波受信素子をアレイ状に配列し、各超音波受信素子がほぼ同じ共振周波数を有する圧電型超音波センサ及びその共振周波数調節方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、圧電型超音波センサであって、１又は複数のダイアフラムが形成された基板と、前記基板の一面に形成された圧電材料の薄膜と、前記圧電材料の薄膜のうち１つのダイアフラムに対応する部分の両面にそれぞれ形成された金属薄膜の電極を備え、１つのダイアフラムに対応し、前記圧電材料の薄膜及び互いに対向する２つの電極の領域で構成される超音波受信素子に対して、外力を加えることにより、その超音波受信素子におけるダイアフラムの形状又は内部応力を変化させる。

請求項２の発明は、請求項１の圧電型超音波センサにおいて、前記超音波受信素子に対して、直流電圧を印加することにより、その超音波受信素子におけるダイアフラムの形状又は内部応力を変化させる。

請求項３の発明は、請求項２の圧電型超音波センサにおいて、前記直流電圧を、一旦所定の電圧よりも高い電圧まで上げた後、徐々に所定の電圧まで下げるようにして印加する。

請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかの圧電型超音波センサにおいて、所望する共振周波数よりも共振周波数の高い超音波受信素子を形成し、その超音波受信素子に圧縮応力を加えて、前記所望する共振周波数とする。

請求項５の発明は、請求項１の圧電型超音波センサにおいて、前記ダイアフラムを境として、その両側の部分の気圧に差を設けることにより、その超音波受信素子におけるダイアフラムの形状又は内部応力を変化させる。

請求項６の発明は、請求項５の圧電型超音波センサにおいて、前記基板のダイアフラムを形成するための凹部をガラス板で覆い、前記凹部内の圧力を外部の気圧とは異なる値とする。

請求項７の発明は、複数のダイアフラムが形成された基板と、前記基板の一面に形成された圧電材料の薄膜と、前記圧電材料の薄膜のうち１つのダイアフラムに対応する部分の両面にそれぞれ形成された金属薄膜の電極を備え、１つのダイアフラムに対応し、前記圧電材料の薄膜及び互いに対向する２つの電極の領域で構成される超音波受信素子がアレイ状に配列された圧電型超音波センサの共振周波数調節方法であって、いずれかの超音波受信素子の共振周波数を基準とし、前記基準の共振周波数床となる共振周波数を有する超音波受信素子に対して外力を加えることにより、各超音波受信素子の共振周波数をほぼ同じ値とする。

請求項８の発明は、請求項７の圧電型超音波センサの共振周波数調節方法において、各超音波受信素子の共振周波数のうち最も小さい値を基準値とし、前記基準値よりも大きい共振周波数を有する超音波受信素子に対して、圧縮応力を加える。

請求項９の発明は、圧電型超音波センサの共振周波数調節方法であって、１又は複数のダイアフラムが形成された基板と、前記基板の一面に形成された圧電材料の薄膜と、前記圧電材料の薄膜のうち１つのダイアフラムに対応する部分の両面にそれぞれ形成された金属薄膜の電極を備え、１つのダイアフラムに対応し、前記圧電材料の薄膜及び互いに対向する２つの電極の領域で構成される超音波受信素子に対して、外力を加えることにより、その超音波受信素子の共振周波数を変化させる。

請求項１の発明によれば、ダイアフラムの形状のばらつきや、圧電材料の薄膜の厚さのばらつきなどによって、超音波受信素子の共振周波数が所望する値とは異なる場合に、外力を加えることにより、その超音波受信素子におけるダイアフラムの形状又は内部応力を変化させ、見かけの縦弾性係数を変化させているので、超音波受信素子の共振周波数をほぼ所望する値に調節することができる。その結果、超音波受信素子がアレイ状に配列された圧電型超音波センサにおいては、各超音波受信素子の共振周波数をほぼ同じ値に揃えることができ、物体の位置の確認精度を向上させることができる。また、単一の超音波受信素子を有する超音波センサにおいても、量産される各超音波センサの共振周波数特性を揃えることができる。

請求項２の発明によれば、超音波受信素子を構成する互いに対向する電極間に直流電圧を印加して電位差を与え、圧電効果により圧電材料の薄膜に歪みを生じさせている。この歪みは、４辺が拘束されたダイアフラムでは、内部応力として働く。電極間に印加する直流電圧の極性により、圧縮応力又は引張り応力とすることが可能である。印加する直流電圧の値及び極性を適宜制御することにより、超音波受信素子の共振周波数を所望する値に調節することが可能である。

請求項３の発明によれば、圧電効果のヒステリシス特性に対して、一旦電圧を所定の電圧よりも高くして飽和領域まで到達させた後、電圧を徐々に所定の電圧まで下げるので、ヒステリシス特性曲線の同じ部分を用いて圧電材料の薄膜の歪みを制御することができ、電圧の値と内部応力との関係を一意的に決定することができる。その結果、超音波受信素子の共振周波数を正確に所望する値に調節することが可能である。

請求項４の発明によれば、一般的に、引張り応力に弱く破損しやすいという圧電材料の性質に対して、圧縮応力を働かせる方向に内部応力を作用させるので、圧電材料の薄膜の破損を防止して、超音波センサの信頼性を向上させつつ、同時に共振周波数を所望する値に調節することができる。

請求項５の発明によれば、ダイアフラムを境として、その両側の部分に気圧差を設けることによりダイアフラムの全体に荷重をかけ、その超音波受信素子におけるダイアフラムの形状又は内部応力を変化させている。そのため、この構成によっても、ダイアフラムの見かけの縦弾性係数を変化させることができ、超音波受信素子の共振周波数をほぼ所望する値に調節することができる。

請求項６の発明によれば、例えば、大気圧とは異なる気圧の状態で、基板のダイアフラムを形成するための凹部をガラス板で覆い、その後大気圧下で使用することにより、容易にダイアフラムを境として、その両側の部分の気圧に差を設けることができる。

請求項７の発明によれば、超音波受信素子がアレイ状に配列された圧電型超音波センサにおいて、いずれかの超音波受信素子の共振周波数を基準とし、前記基準の共振周波数と異なる共振周波数を有する超音波受信素子に対して外力を加えることにより、各超音波受信素子の共振周波数をほぼ同じ値に揃えることができ、超音波センサによる物体の位置の確認精度を向上させることができる。

請求項８の発明によれば、各超音波受信素子の共振周波数のうち最も小さい値を基準値とし、基準値よりも大きい共振周波数を有する超音波受信素子に対して、圧縮応力を加えるので、圧電材料の薄膜の破損を防止して、超音波センサの信頼性を向上させることができる。

請求項９の発明によれば、超音波受信素子がアレイ状に配列された圧電型超音波センサにおいては、各超音波受信素子の共振周波数をほぼ同じ値に揃えることができ、また、単一の超音波受信素子を有する超音波センサにおいても、量産される各超音波センサの共振周波数特性を揃えることができる。

本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。本発明の第１の実施の形態に係る圧電型超音波センサの構成を図１に示す。第１の実施の形態に係る圧電型超音波センサ１は、例えば４×４の計１６個の超音波受信素子２がマトリックス状に配列されたアレイ型の超音波センサである。

次に、１つの超音波受信素子２の構成を図２に示す。図２に示すように、シリコン基板３の片面側から、上記マトリックス状配列に対応して、略矩形（正方形）断面を有する凹部４が形成され、凹部４の底に肉厚の薄いダイアフラム５が形成されている。シリコン基板３の平坦面側には、ダイアフラム５に対応して、金属薄膜による略矩形（正方形又は長方形）の下部電極６が形成され、さらに、下部電極６の上から圧電材料の薄膜７が形成されている。さらに、圧電材料の薄膜７を介して下部電極６に対向するように、略矩形（正方形又は長方形）の上部電極８が形成されている。そして、下部電極６と上部電極８に配線を接続し、これらの間から信号を取り出す。

ところで、上記のように、式１で示される超音波受信素子の共振周波数ｆｒは、ダイアフラム５の形状のばらつきや、圧電材料の薄膜７の厚さのばらつきなどの影響を受けるので、一般的に、複数の超音波受信素子２をアレイ状に配列した圧電型超音波センサ１では、各超音波受信素子２の共振周波数にばらつきが生じていると考えられる。第１の実施の形態では、圧電材料による圧電効果を利用し、外力として下部電極６と上部電極８の間にあらかじめ直流電圧を印加して電位差を与え、圧電材料の薄膜７に歪みを生じさせる。この圧電材料の薄膜７の歪みは、４辺が拘束されたダイアフラム５では、内部応力として働く。下部電極６と上部電極８の間に印加する直流電圧の極性により、圧縮応力又は引張り応力とすることが可能である。それによって、ダイアフラム５の形状又は内部応力が変化し、見かけの縦弾性係数が変化するので、印加する直流電圧の値及び極性を適宜選択することにより、超音波受信素子２の共振周波数を所望する値に調節することができる。このような共振周波数の調節を各超音波受信素子２に対して行うことにより、全ての超音波受信素子２の共振周波数をほぼ同じ値に揃えることができ、圧電型超音波センサ１による物体の位置の確認精度を向上させることができる。

周知のように、圧電材料に所定の極性の電圧を印加して歪みを発生させた後、逆極性の電圧を印加して逆向きの歪みを発生させても、図３に示すヒステリシス特性により、元の状態には戻らない。そこで、この圧電型超音波センサ１を使用する際、必ず一旦電圧を所定の電圧（所定の共振周波数が得られる電圧）よりも高くして飽和領域まで到達させた後、電圧を徐々に所定の電圧まで下げることが好ましい。このようにすれば、ヒステリシス特性曲線の同じ部分を用いて圧電材料の薄膜７の歪みを制御することができ、下部電極６と上部電極８の間に印加する電圧の値と、ダイアフラム５に発生する内部応力との関係を一意的に決定することができる。その結果、超音波受信素子２の共振周波数を正確に所望する値に調節することができる。なお、このような制御は、必ずしも全ての場合に行う必要はなく、圧電型超音波センサ１に要求される検出精度（物体の位置の確認精度）や、超音波受信素子２の共振周波数のばらつきの範囲などに応じて、必要な場合にのみ行えばよい。

さらに、一般的に、圧電材料は、圧縮応力には強いけれども、引張り応力には弱く、破損しやすいことが知られている。個々の超音波受信素子２についていえば、所望する共振周波数よりも共振周波数の高い超音波受信素子２を形成し、その超音波受信素子に圧縮応力を加えて、所望する共振周波数となるように調節すればよい。このようにすれば、圧電材料の薄膜７に引張り応力が働く可能性がほとんどなくなり、圧電材料の薄膜７の破損を防止しつつ、各超音波受信素子２の共振周波数を調節することができる。また、アレイ状に配列された複数の超音波素子２の全体についていえば、各超音波受信素子２の共振周波数のうち最も小さい値を基準値とし、基準値よりも大きい共振周波数を有する超音波受信素子２に対して圧縮応力を加えるので、特定の超音波受信素子２の破損を防止して、超音波センサ１全体の信頼性を向上させることができると共に、圧電型超音波センサ１による物体の位置の確認精度を向上させることができる。

ここで、複数の超音波受信素子２がアレイ状に配列された圧電型超音波センサ１において、各超音波受信部２の共振周波数が揃っていない場合に、共振周波数の調節を必要とする理由について簡単に説明する。図４に示すように、２つの超音波受信素子２ａと２ｂの距離をＬ、各超音波受信素子２Ｘ及び２Ｙに入射する反射波の方位角をθとすると、一方の超音波受信素子２ｂに反射波が到達する時間は、他方の超音波受信素子２ａに反射波が到達する時間よりも距離Ｄ（Ｄ＝Ｌ・ｓｉｎθ）分だけ遅くなる。また、各超音波受信素子２ａと２ｂの感度も、共振周波数のばらつきなどによって若干異なっている。超音波受信素子２ａによる受信波形をｆ_ａ（ｔ）、超音波受信素子２ｂによる受信波形をｆ_ｂ（ｔ）とすると、各受信波形ｆ_ａ（ｔ）及びｆ_ｂ（ｔ）は、それぞれ図５（ａ）に示すような波形となり、以下の式２及び式３で表される。

このような受信波形ｆ_ａ（ｔ）とｆ_ｂ（ｔ）を合成すると、式４に示すようになる。式４のｓｉｎ成分に着目すると、式２及び式３と同様の波形を表している。ところが、これにｃｏｓ成分が掛かっているため、図５（ｂ）に示すように、周波数１／Ｔ＝（ω_ａ−ω_ｂ）／４πの振幅変動成分によるゴースト（うなり）が発生する。その結果、圧電型超音波センサ１による物体の位置の確認精度が低下する。ここで、２つの超音波受信素子２ａと２ｂの共振周波数を揃えると、ω_ａ≒ω_ｂとなり、ｃｏｓ成分をほぼ定数にすることができ、振幅変動成分によるゴーストの発生を低減もしくは防止することができる。その結果、圧電型超音波センサ１による物体の位置の確認精度を向上させることができる。従って、各超音波受信部２の共振周波数をほぼ同じ値に揃える必要がある。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。上記第１の実施の形態では、圧電材料の薄膜７に外力として直流電圧を印加して、圧電素子の薄膜７に歪みを生じさせ、それによってダイアフラム５の見かけの縦弾性係数を変化させたが、第２の実施の形態では、ダイアフラム５の両側に気圧差を設けて、ダイアフラム５の薄肉部の全体に荷重をかけて、見かけの縦弾性係数を変化させている。

第２の実施の形態における圧電型超音波センサ１の１つの超音波受信素子２の構成を図６に示す。図６から分かるように、シリコン基板３に形成された凹部４の開口をガラス板９で塞ぎ、凹部４の内部の気圧Ｐ１を大気圧Ｐ０とは異なる値（例えば、Ｐ０＞Ｐ１）に設定している。このような構成により、ダイアフラム５の全体に、圧力差による荷重が加えられることになる。

このような超音波センサ１の製造方法としては、例えばシリコン基板３上に下部電極６、圧電材料の薄膜７及び上部電極８を形成した後、製造装置内の圧力をＰ１に設定し、その状態でガラス板９をシリコン基板３の凹部４が形成されている側に接着などにより固定する。そうすると、凹部４の内部には、気圧Ｐ１の気体が封止されることになる。そして、大気圧Ｐ０の下で圧電型超音波センサ１を使用することにより、ダイアフラム５の見かけの縦弾性係数が変化され、超音波受信素子２の共振周波数を所望する値にすることができる。

なお、アレイ状に配置された個々の超音波受信素子２について、第２の実施の形態による手法で共振周波数を同じ値に揃えることは、工数及びコストの面で必ずしも有利であるとはいえない。そこで、第２の実施形態による手法を用いて所望する共振周波数よりも共振周波数の高い複数の超音波受信素子２を形成し、各超音波受信素子２に対して上記第１の実施の形態による手法を用いて圧縮応力を加えて、所望する共振周波数を得るようにしてもよい。

さらに、ダイアフラム５の形状を長方形とし、異なる振動モードにおける共振周波数を互いに近づけ、共振点のＱ値を下げるように構成してもよい。上記式１におけるaを長方形の短辺とし、ｂを長辺とする。ｍ＝１及びｎ＝２の振動モード（図７中Ｘで示すモード）とｍ＝２及びｎ＝１の振動モード（図７中Ｙで示す振動モード）の共振周波数の値が近づき、様々な振動モードに対応して超音波を検出することが可能となる（ブロードバンド化）。

なお、上記各実施の形態では、超音波受信素子２がマトリックス状に配列されたアレイ型の超音波センサを例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、超音波受信素子を１つしか有していない圧電型超音波センサにも適用できることは言うまでもない。その場合、量産される各超音波センサの共振周波数特性を揃えることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る圧電型超音波センサの構成を示す正面図 第１の実施の形態における圧電型超音波センサの１つの超音波受信素子の構成を示す側部断面図 圧電材料のヒステリシス特性を示すグラフ ２つの超音波受信素子に入射する反射波の時間的な遅れを説明した図 （ａ）は単一の超音波受信素子による受信波形を示す波形図、（ｂ）は２つの超音波受信素子による受信波形を合成した波形図 本発明の第２の実施の形態における圧電型超音波センサの１つの超音波受信素子の構成を示す側部断面図 ダイアフラムの形状を長方形とした場合の振動モードと共振周波数の関係を示すグラフ

符号の説明

１ 圧電型超音波センサ
２ 超音波受信素子
３ シリコン基板
４ 凹部
５ ダイアフラム
６ 下部電極
７ 圧電材料の薄膜
８ 上部電極
９ ガラス板

Claims (9)

1. １又は複数のダイアフラムが形成された基板と、前記基板の一面に形成された圧電材料の薄膜と、前記圧電材料の薄膜のうち１つのダイアフラムに対応する部分の両面にそれぞれ形成された金属薄膜の電極を備え、
   １つのダイアフラムに対応し、前記圧電材料の薄膜及び互いに対向する２つの電極の領域で構成される超音波受信素子に対して、外力を加えることにより、その超音波受信素子におけるダイアフラムの形状又は内部応力を変化させることを特徴とする圧電型超音波センサ。
2. 前記超音波受信素子に対して、直流電圧を印加することにより、その超音波受信素子におけるダイアフラムの形状又は内部応力を変化させることを特徴とする請求項１に記載の圧電型超音波センサ。
3. 前記直流電圧を、一旦所定の電圧よりも高い電圧まで上げた後、徐々に所定の電圧まで下げるようにして印加することを特徴とする請求項２に記載の圧電型超音波センサ。
4. 所望する共振周波数よりも共振周波数の高い超音波受信素子を形成し、その超音波受信素子に圧縮応力を加えて、前記所望する共振周波数とすることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の圧電型超音波センサ。
5. 前記ダイアフラムを境として、その両側の部分の気圧に差を設けることにより、その超音波受信素子におけるダイアフラムの形状又は内部応力を変化させることを特徴とする請求項１に記載の圧電型超音波センサ。
6. 前記基板のダイアフラムを形成するための凹部をガラス板で覆い、前記凹部内の圧力を外部の気圧とは異なる値とすることを特徴とする請求項５に記載の圧電型超音波センサ。
7. 複数のダイアフラムが形成された基板と、前記基板の一面に形成された圧電材料の薄膜と、前記圧電材料の薄膜のうち１つのダイアフラムに対応する部分の両面にそれぞれ形成された金属薄膜の電極を備え、１つのダイアフラムに対応し、前記圧電材料の薄膜及び互いに対向する２つの電極の領域で構成される超音波受信素子がアレイ状に配列された圧電型超音波センサの共振周波数調節方法であって、
   いずれかの超音波受信素子の共振周波数を基準とし、前記基準の共振周波数床となる共振周波数を有する超音波受信素子に対して外力を加えることにより、各超音波波受信素子の共振周波数をほぼ同じ値とすることを特徴とする圧電型超音波センサの共振周波数調節方法。
8. 各超音波受信素子の共振周波数のうち最も小さい値を基準値とし、前記基準値よりも大きい共振周波数を有する超音波受信素子に対して、圧縮応力を加えることを特徴とする請求項７に記載の圧電型超音波センサの共振周波数調節方法。
9. １又は複数のダイアフラムが形成された基板と、前記基板の一面に形成された圧電材料の薄膜と、前記圧電材料の薄膜のうち１つのダイアフラムに対応する部分の両面にそれぞれ形成された金属薄膜の電極を備え、１つのダイアフラムに対応し、前記圧電材料の薄膜及び互いに対向する２つの電極の領域で構成される超音波受信素子に対して、外力を加えることにより、その超音波受信素子の共振周波数を変化させることを特徴とする圧電型超音波センサの共振周波数調節方法。

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