JP2011004280A - 静電容量型の電気機械変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 振動膜の撓み量をエレメント単位で任意に変化させることのできる電気機械変換装置を提供する。
【解決手段】 本発明の電気機械変換装置は、第１の電極と、前記第１の電極との間に間隙を挟んで設けられた第２の電極と、を備えるセルを1つ以上有する素子が複数形成された電気機械変換装置であって、前記第１の電極及び前記第２の電極は夫々、前記素子毎に電気的に分離され、前記第１の電極に前記素子毎に独立して直流電圧を印加する直流電圧印加手段を有している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、静電容量型の超音波トランスデューサなどの静電容量型の電気機械変換装置に関する。

超音波の送信又は受信のうち少なくともいずれか一方を行う電気機械変換装置として、静電容量型の超音波トランスデューサであるＣＭＵＴ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）が提案されている（特許文献１参照）。ＣＭＵＴは、半導体プロセスを応用したＭＥＭＳプロセスを用いて作製される。

図７にＣＭＵＴの断面の模式図を示す。ここで、振動膜１０１と間隙１０４を挟んで対向した第１の電極１０２と第２の電極１０５を１組としてセルと呼ぶ。振動膜１０１は基板１０６上に形成された支持部１０３により支持されている。第１の電極１０２はＣＭＵＴ内ですべて電気的に接続されており、第１の電極１０２には、第２の電極１０５間との間に所望の電位差が発生するように、所定の直流電圧が一様に印加されている。もう一方の、第２の電極１０５は、エレメント（セルの集合体である素子）毎に電気的に分離されており、交流の駆動電圧を印加することで、第１と第２の電極間に交流の静電引力が発生し、振動膜１０１をある周波数で振動させて超音波を送信することができる。また、振動膜１０１が超音波を受け振動することにより、第２の電極１０５に静電誘導により微小電流が発生し、その電流値を測定することで、エレメント毎に受信信号を取り出すことができる。

これらの超音波の送受信を行う際の特性は、第１の電極１０２に直流電圧を印加した時の振動膜１０１の撓み量によって決まる。通常、セルの間隙１０４内部の圧力は、大気圧より減圧されており、大気圧と間隙１０４の内部圧力の差により、振動膜１０１は基板１０６側に撓んでいる。この振動膜１０１の撓み量は、振動膜の大きさ、形、厚さ、膜質などのパラメータにより決まるメカニカルな特性によって決定される。また、ＣＭＵＴを動作させる時には、超音波の送受信の効率を高めるために、２つの電極間には所定の電位差が印加され、電極間に発生する静電引力により、振動膜１０１は更に基板１０６側に撓んだ状態となる。超音波を送信する場合には、静電引力は距離の二乗に反比例するため、電極間の距離を近づけた方が高効率となる。一方、超音波を受信する場合には、検出される微小電流の大きさは、電極間の距離に反比例し、電極間の電位差に比例するので、やはり電極間の距離を近づけた方が高効率となる。

特表２００３−５２７９４７

しかし、２つの電極間の電位差を大きくしていくと、電極間に働く静電気力と圧力差により発生する力が、振動膜のメカニカル特性の有する復元力を超えてしまう。それにより、振動膜が基板上の電極に接触してしまい、コラプスと呼ばれる状態となり、大きくＣＭＵＴの特性が変化してしまう。そのため、通常ＣＭＵＴの動作時（コラプス状態で駆動していない時）は、送受信の効率が高く、且つこのコラプスが発生しない振動膜の撓み量となるように、電極間の電位差を設定する。

従来、ＣＭＵＴ内の第１の電極は全て、ＣＭＵＴ内で電気的に接続されている。そのため、ＣＭＵＴを動作させる時は、第一の電極には一様に電圧を印加することとなる。ＣＭＵＴでは作製上の様々な要因で、前述した振動膜のパラメータについて、ばらつきが発生する。そのため、電極間に電位差がない場合でも、振動膜の撓み量のばらつきが発生する。更に、動作時の振動膜の撓み量もばらつくことになる。

その結果、送受信の効率が想定している値からずれたり、場合によっては一部のセルでコラプスが発生し、エレメント単位で送受信の特性が大きく変化してしまう。本発明は、これらの課題を解決するために、振動膜の撓み量をエレメント単位で任意に変化させることのできる静電容量型の電気機械変換装置を提供することを目的とする。

本発明の電気機械変換装置は、第１の電極と、前記第１の電極との間に間隙を挟んで設けられた第２の電極と、を備えるセルを1つ以上有する素子が複数形成された電気機械変換装置であって、前記第１の電極及び前記第２の電極は夫々、前記素子毎に電気的に分離され、前記第１の電極に前記素子毎に独立して直流電圧を印加する直流電圧印加手段を有していることを特徴とする。

本発明の電気機械変換装置を用いることで、電気機械変換装置内の振動膜の撓み量をエレメント単位で任意に調整することができる。

第１の実施形態に係る電気機械変換装置を説明する図である。 第１の実施形態に係る電気機械変換装置を説明する図である。 第２の実施形態に係る電気機械変換装置を説明する図である。 第３の実施形態に係る電気機械変換装置を説明する図である。 第４の実施形態に係る電気機械変換装置を説明する図である。 第５の実施形態に係る電気機械変換装置を説明する図である。 従来の静電容量型の電気機械変換装置を説明する図である。

以下、図面を用いて本発明による静電容量型の電気機械変換装置の実施形態を詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１に、本実施形態に係る電気機械変換装置の断面の模式図を示す。本実施形態では、第１の電極を上部電極、第２の電極を下部電極として説明を行う。上部電極１０２が形成された振動膜１０１は、基板１０６上に形成された支持部１０３により支持されており、上部電極１０２と共に振動するようになっている。振動膜１０１上の上部電極１０２と、間隙１０４を介して対向する位置に、下部電極１０５が基板１０６上に形成されている。本発明においては、１つの間隙１０４を挟んで対向する上部電極と下部電極とを備えた構成をセル１０７と呼ぶ。エレメント（素子）１０８は、このセル１０７を1つ以上有する。具体的には、１つのセル１０７、又は、複数（少なくとも２つ）のセルが電気的に接続（並列に接続）された構成である。図１においては２つのセルで１つのエレメントを形成しているが、本発明はこれに限られるものではなく、複数のセルを２次元アレイ状に接続しても良い。また、エレメントは複数形成（２つ以上形成）されているものとする。

本発明に用いられる上部電極としては、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｉから選択される金属、ＡｌＳｉ、ＡｌＣｕ、ＡｌＴｉ、ＭｏＷ、ＡｌＣｒから選択される合金のうち少なくとも１種を選んで用いることができる。また、上部電極は振動膜の上面、裏面、内部のうち少なくとも一ヶ所に設けるか、もしくは振動膜を導電体又は半導体で形成する場合は振動膜自体が上部電極を兼ねる構造にすることも可能である。また、本発明に用いられる下部電極としては、上部電極と同様の金属を用いることができる。基板がシリコン等の半導体基板を用いている場合、基板が下部電極を兼ねてもよい。

図２に本実施形態の電気機械変換装置の構成図を示す。本実施形態の電気機械変換装置は、下部電極１０５だけでなく、上部電極１０２もエレメント毎（素子毎）に電気的に分離されていることが特徴である。エレメント内では複数の上部電極１０２及び下部電極１０５は電気的に接続されている。本実施形態においては、エレメント内（素子内）の上部電極はセル毎に個別に形成され、振動膜上に形成された配線（不図示）により電気的に接続されているが、１つのエレメントに対し１つの上部電極を形成しても良い。また、下部電極に関しても本実施形態のようにセル毎に個別に形成しても良く、エレメント単位で１つの下部電極を形成しても良い。

上部電極１０２には、エレメント単位で直流電圧印加手段２０１が接続されている。直流電圧印加手段２０１は、上部電極にエレメント毎に独立して所望の電圧を印加し、下部電極の持つ電位との電位差を電極間に発生させる。この電位差により、振動膜１０１の撓み量が決まる。また、下部電極１０５には、エレメント単位で駆動検出手段２０２がそれぞれ接続されている。駆動検出手段２０２は、交流電圧発生手段２０３と、電流検出手段２０５と、保護スイッチ２０４とから手段とから構成される。

本実施形態の構成では、電気機械変換装置内にあるエレメントの数をＮとすると、直流電圧印加手段２０１も同数のＮ個有している。また、駆動検出手段２０２もエレメントと同数有している。

次に、超音波送信時と受信時の駆動検出手段２０２の動作を説明する。超音波の送信時は、下部電極１０５に接続された交流電圧発生手段２０３により、交流の電圧が印加される。これにより、上部電極１０２と下部電極１０５に交流的な電位差が発生し、振動膜１０１に交流的な静電引力が発生する。この静電引力により、振動膜１０１が振動し、超音波の送信を行う。超音波受信時は、下部電極１０５に接続された保護スイッチ２０４がＯＦＦとなることにより、交流電圧発生手段２０３が発生する電圧から、電流検出手段２０５の入力部を保護する。

超音波の受信時は、交流電圧発生手段２０３は、ハイ・インピーダンス状態になり、下部電極１０５の電位に影響を与えない。一方、保護スイッチ２０４はＯＮされて、下部電極１０５と電流検出手段２０３の入力部が接続された状態になる。外部より印加された超音波により、振動膜１０１が振動すると、上下電極間の静電容量変化が起こる。上部電極は、所定の電位に固定されているので、下部電極１０５に発生する誘導電荷により、下部電極１０５の配線に微小な電流が流れる。電流検出手段２０５により、この微小な電流の変化を検出することで、容量変化を起こした超音波の大きさを検出することができる。尚、下部電極の電位は、超音波の送信時以外は、駆動検出手段２０２により、所定の電位に固定されている。

本実施形態の構成によると、下部電極だけでなく、上部電極もエレメント単位で電気的に分離されており、更に、上部電極にはエレメント単位で直流電圧印加手段が接続されているため、エレメント毎に、独立して直流電圧を印加することができる。そのため、エレメント毎に異なる静電引力を印加することができ、振動膜の撓み量を調整することができる。よって、超音波送受信の特性のばらつきを低減することができる。

尚、本実施形態では、上部電極１０２に直流電圧発生手段２０３が接続され、下部電極１０５に電流検出手段２０５が接続された形態を説明したが、下部電極を直流電圧発生手段に接続し、上部電極を電流検出手段に接続しても良い。また、駆動検出手段の構成は、本明細書の構成に限定するものではなく、記載以外の構成や、送信のみ、または受信のみの構成を用いることができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態を、図３を用いて説明する。第２の実施形態は、上部電極及び下部電極からの配線の構成に関する。それ以外は、第１の実施形態と同じである。

図３に、本実施形態に係る電気機械変換装置の断面図を示す。貫通配線基板３０３は、基板を貫通する２種類の配線である下部電極用貫通配線３０１（第２の電極用の貫通配線）と上部電極用貫通配線３０２（第１の電極用の貫通配線）を有している。１つのエレメント内にある下部電極１０５は全て、１つの下部電極用貫通配線３０１に接続されている。下部電極用貫通配線３０１は、貫通配線基板３０３の下部電極側の面からプリント回路基板側の面へ貫通しており、バンプ用電極３０４に接続されている。また、上部電極１０２も、エレメント単位で上部電極用貫通配線３０２に接続され、上部電極用貫通配線３０２は、バンプ用電極３０４に接続されている。

貫通配線基板３０３のプリント回路基板側面に形成されたバンプ用電極３０４には、バンプ３０５がそれぞれ形成されている。それぞれの配線は、バンプ３０５を介して、プリント回路基板３０６上の配線と接続されている。下部電極１０５の電気信号は、下部電極用貫通配線３０２と電気的に接続されたプリント回路基板上の配線を経由して、駆動検出手段２０２に入力される。上部電極１０２の電気信号は、上部電極用貫通配線３０３と電気的に接続されたプリント回路基板３０６上の配線を経由して、直流電圧印加手段２０１に入力される。

本実施形態の構成では、エレメントの数と、同数の下部電極用貫通配線及び上部電極貫通配線を有していることが特徴である。これにより、エレメントを複数備える場合でも、エレメント毎に上部電極１０２の配線を分離したまま、基板の裏面に上部電極の配線を夫々取り出すことが出来る。このため、超音波の送受信を行うための素子の面積をほとんど減らすことなく（送受信の効率をほとんど落とすことなく）、上部電極の配線を夫々複数の直流電圧印加手段２０１に接続することができる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態を、図４を用いて説明する。第３の実施形態は、直流電圧印加手段２０１に印加する直流電圧を指示する制御信号生成手段を有している点に特徴がある。それ以外は、第１から第２の実施形態の何れかと同じである。

図４に、本実施形態に係る電気機械変換装置の構成図を示す。振動膜状態検出手段４０１は、振動膜１０１の撓み量を検出する（つまり、上部電極と下部電極との電極間距離を検出することと同義）。下部電極で検出される電流の大きさは、上部電極と下部電極との電極間距離（以下、単に電極間距離という）のニ乗に反比例し、電極間の電位差に比例するため、本実施形態では、下部電極１０５に電流検出手段を接続することにより振動膜状態検出手段として用いている。

本実施形態の振動膜状態検出手段４０１を用いることにより、例えば外部から単一周波数の超音波を送波し、下部電極で発生した電流をエレメント毎に検出することで、エレメント単位で振動膜の撓み量の違いを検出することが出来る。また、上部電極に印加する直流電圧に交流電圧を重畳して、重畳された交流電圧により発生する電流を検出してもよい（第４の実施形態として後述する）。さらに、振動膜状態検出手段としては、電流を検出する以外の手段を用いても良く、例えば振動膜の撓み量を直接測定しても良い。一例を挙げると、振動膜の撓みをピエゾ抵抗効果を用いて検出する方法や、光学的に撓み量を検出する方法を用いることが出来る。

振動膜状態検出手段で検出された信号は、制御信号生成手段４０２に入力される。制御信号生成手段４０２では、検出された信号を元にして、ＣＭＵＴの振動膜１０１の撓み量が所望の状態になるように、直流電圧印加手段２０１に印加する直流電圧を指示する信号を出力する。直流電圧印加手段２０１は、制御信号生成手段４０２により指示された信号を元に、直流電圧を生成し、上部電極１０２に印加する。このような動作を行う直流電圧印加手段２０１は、電圧制御発信回路とコンデンサなどを用いることで容易に形成することができる。

本実施形態により、エレメント毎にそれぞれの振動膜１０１の撓み量を検出することができる。そして、エレメント毎の撓み量ばらつきを低減するように、エレメント毎に上部電極に直流電圧を印加することができるため、振動膜の撓み量を、より均一にすることが可能となる。また、経時変化や環境の変化により、振動膜１０１に影響を与えるパラメータが変化した場合でも、振動膜１０１状態をエレメント毎に調整することができる。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態を、図５を用いて説明する。第４の実施形態は、上部電極に印加する直流電圧に交流電圧を重畳する交流電圧重畳手段４０３を有している点に特徴がある。それ以外は、第３の実施形態とほぼ同じである。図５に、本実施形態に係る電気機械変換装置の構成図を示す。

交流電圧重畳手段４０３は、上部電極１０２に接続されている。振動膜の撓み量検出（撓み量ばらつき測定）を行う期間のみ、上部電極１０２に対して、直流電圧印加手段２０１が印加する直流電圧に交流電圧を重畳させる。この上部電極１０２に重畳された交流電圧により、振動膜１０１が振動しない場合でも、下部電極１０５に電荷が誘導され、下部電極１０５から電流が発生する。この電流は、重畳する交流電圧を一定とすると、上部電極１０２と下部電極１０５との電極間距離に対応した大きさの値となる。そのため、この電流を電流検出手段２０５で検出することにより、電極間距離という形で振動膜１０１の撓み量を検出することができる。

重畳する交流電圧の周波数は、振動膜１０１が応答する周波数を避けておくほうが望ましい。それにより、重畳した交流電圧によって振動膜１０１を振動させることなく、電極間距離のみを検出することができる。

電流検出手段２０５の出力には、信号切替手段４０４が接続されており、撓み量ばらつき測定を行う期間は、出力信号を制御信号生成手段４０２に出力する。一方、撓み量ばらつき測定を行わない期間（振動膜の振動により超音波を測定する際）は、出力信号をセンサ出力として、画像処理装置などの外部へ出力を行う。信号切替手段４０４を有していることで、電流検出手段２０５を、撓み量ばらつき測定時と、超音波の測定時のどちらにも用いることができる。

制御信号生成手段４０２では、入力された信号から、振動膜１０１の撓み量を所望の状態に保つように、直流電圧印加手段２０１に直流電圧を指示する信号を出力する。

本実施形態の構成により、交流電圧を重畳し、電流検出手段により下部電極に発生した電流を検出することで、エレメント毎の振動膜の撓み量を検出することが出来る。また、重畳する交流電圧の周波数として振動膜が振動する周波数を避けておくことにより、振動膜を振動させることなく振動膜の撓み量（上下電極の電極間距離）を検出することが出来る。よって、振動膜の機械的な振動特性を除くことができるので、より高精度に測定できる。そして、エレメント毎の撓み量ばらつきを低減するように、エレメント毎に上部電極に直流電圧を印加することができるため、振動膜の撓み量を、より均一にすることが可能となる。また、経時変化や環境の変化により、振動膜１０１に影響を与えるパラメータが変化した場合でも、振動膜１０１の撓み量をエレメント毎に調整することができる。また、電流検出手段２０５を撓み量ばらつき測定時と、超音波の測定時のどちらにも用いることができるため、簡易な構成で実現することができる。

（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態を、図６を用いて説明する。第５の実施形態は、電流検出手段２０５が、撓み量ばらつき測定時と、超音波の測定時の回路パラメータを切り替える構成になっていることが特徴である。それ以外は、第４の実施形態と同じである。

本実施形態では、微小電流の変化を電圧に変換する電流−電圧変換回路であるトランスインピーダンス回路を用いて説明する。図６に、本実施形態に係る電流検出手段２０５であるトランスインピーダンス回路の構成図を示す。６０１はオペアンプ、６０２・６０４・６０６は抵抗、６０３・６０５・６０７はコンデンサ、６０８は回路素子切替手段である。

図６では、オペアンプ６０１は正負電源ＶＤＤ、ＶＳＳに接続されている。まず、超音波の測定時の動作を説明する。オペアンプ６０１の反転入力端子（−ＩＮ）は、保護スイッチ２０４を介して下部電極１０２に接続されている。また、オペアンプ６０１の出力端子（ＯＵＴ）は、並列に接続された抵抗６０２とコンデンサ６０３が回路素子切替手段６０８により反転入力端子（−ＩＮ）に接続されて、出力信号がフィードバックされる構成になっている。オペアンプ６０１の非反転入力端子（＋ＩＮ）は、並列に接続された抵抗６０４とコンデンサ６０５により、グランド端子（ＧＮＤ）に接続されている。グランド端子（ＧＮＤ）の電圧は、正電源ＶＤＤと負電源ＶＳＳ間の中間電位となっている。抵抗６０２と６０４の値、コンデンサ６０３と６０５の値は、それぞれ同じ値であり、超音波の測定時の仕様に合ったパラメータとなっている。

次に、撓み量ばらつき測定時は、回路素子切替手段６０８が切り替わり、並列に接続された抵抗６０６とコンデンサ６０７により、オペアンプのフィードバックが行われる構成に変化する（図６（ｂ）の回路構成参照）。この抵抗６０６とコンデンサ６０７は、撓み量ばらつき測定時の仕様に合ったパラメータとなっている。

本実施形態により、撓み量ばらつき測定時に用いる周波数や電流の大きさなどの仕様と、超音波測定時の超音波の周波数や電流の大きさなどの仕様に合わせた電流検出を行うことができる。尚、図６（ａ）、（ｂ）では、回路素子切替手段６０８を、オペアンプのフィードバック部分にのみ用いたが、オペアンプの非反転入力（＋ＩＮ）とグランド端子間も同様の構成で、撓み量ばらつき測定時・超音波測定時の切り替えに合わせて素子定数を切り替えてもよい。

また、本明細書中では、電気機械変換装置の送受信動作時には、振動膜１０１が下部電極１０５との間隙が常に存在するコンベンショナルモードで動作すると説明したが、本発明はこれに限るものではない。振動膜１０１が下部電極１０５との間隙が一部無くなるコラプスモード等のそれ以外の状態での動作においても、本発明は用いることができる。

１０１ 振動膜
１０２ 上部電極（第１の電極）
１０３ 支持部
１０４ 間隙
１０５ 下部電極（第２の電極）
１０６ 基板
２０１ 直流電圧印加手段
２０２ 駆動検出手段
２０３ 交流電圧発生手段
２０４ 保護スイッチ
２０５ 電流検出手段
３０１ 下部電極用貫通配線
３０２ 上部電極用貫通配線
３０３ 貫通配線基板
４０１ 振動膜状態検出手段
４０２ 制御信号生成手段
４０３ 交流電圧重畳手段
４０４ 信号切替手段
６０８ 回路素子切替手段

Claims (6)

1. 第１の電極と、前記第１の電極との間に間隙を挟んで設けられた第２の電極と、を備えるセルを1つ以上有する素子が複数形成された電気機械変換装置であって、
   前記第１の電極及び前記第２の電極は夫々、前記素子毎に電気的に分離され、
   前記第１の電極に前記素子毎に独立して直流電圧を印加する直流電圧印加手段を有していることを特徴とする電気機械変換装置。
2. 前記素子内の、前記第１の電極と前記第２の電極の数は同数であることを特徴とする請求項１に記載の電気機械変換装置。
3. 前記素子毎に前記第１の電極用の貫通配線と前記第２の電極用の貫通配線が夫々１つずつ形成されている基板を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の電気機械変換装置。
4. 前記第２の電極に接続され、前記第２の電極に発生する電流を検出する電流検出手段と、検出された前記電流をもとにして前記直流電圧印加手段に印加する直流電圧を指示する制御信号生成手段と、を有することを特徴とする請求項３に記載の電気機械変換装置。
5. 前記第１の電極に接続され、前記直流電圧に交流電圧を重畳させる交流電圧重畳手段を有し、前記交流電圧により発生する電流を前記電流検出手段により検出し、
   前記交流電圧により発生する前記電流をもとにして前記制御信号生成手段に前記直流電圧を指示することを特徴とする請求項４に記載の電気機械変換装置。
6. 前記交流電圧により発生する電流を検出する場合は前記電流検出手段からの出力信号を前記制御信号生成手段に接続し、前記第１の電極又は第２の電極が形成される振動膜の振動により発生する電流を検出する場合は前記電流検出手段からの出力信号を前記制御信号生成手段に接続しないように切り替える信号切替手段を有することを特徴とする請求項５に記載の電気機械変換装置。

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