JP2016102773A - 超音波センサー及びそれを用いた測定方法並びに超音波センサーの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】開口部Wが形成された基板10と、開口部Wを塞ぐように基板10上に設けられた振動板50と、振動板50の前記開口部とは反対側の面上に積層され、第1電極60、圧電体層70及び第2電極80を含む圧電素子300と、を具備する超音波センサー1であって、振動板50の開口部Wとは反対側の面上の、前記圧電素子の周囲の空間に、測定対象物側に発信される発信超音波とは異なる方向に発信される他の超音波が圧電素子300との界面で反射され、該発信超音波に重畳するような厚みを有する反射層71を具備することを特徴とする。
【選択図】 図2
Description
かかる態様によれば、測定対象物側に発信される発信超音波とは異なる方向(例えば反対方向)に発信される他の超音波を該発信超音波に重畳させ、その振幅を増大させることができる。よって、発信超音波の強度を大きくし、超音波の伝播効率を向上させることができる。
上記の態様において、反射層は、空気層として構成することもできる。反射層を空気層として構成すれば、圧電素子の周囲の領域に音響整合層(シリコーンオイル等)が設けられる場合と比べ、圧電素子の駆動時におけるリーク電流を著しく低減できる。これにより、測定対象物の検出に悪影響が生じることを防止でき、その結果、測定対象物を分離して識別できる能力(距離分解能)をはじめとする検出精度の向上を図ることができる。しかも、上記のようにリーク電流を著しく低減できるため、電気的安全性に優れた超音波センサーとなる。また、かかる態様によれば、振動板の圧電素子とは反対側に基板が取り付けられるため、開口部の加工が容易となる。
かかる態様によれば、振動板及び圧電素子の開口部に対向する領域が空気層とされているため、圧電素子の周囲の領域に音響整合層が設けられる場合と比べ、圧電素子の駆動時におけるリーク電流を著しく低減できる。これにより、測定対象物の検出に悪影響が生じることを防止でき、その結果、測定対象物を分離して識別できる能力(距離分解能)をはじめとする検出精度の向上を図ることができる。しかも、上記のようにリーク電流を著しく低減できるため、電気的安全性に優れた超音波センサーとなる。また、かかる態様によれば、振動板の圧電素子とは反対側に基板が取り付けられるため、開口部の加工が容易となる。
かかる態様によれば、測定対象物側に発信される発信超音波とは異なる方向(例えば反対方向)に発信される他の超音波を該発信超音波に重畳させ、その振幅を増大させることができる。よって、発信超音波の強度を大きくし、超音波の伝播効率を向上させることができる。
かかる態様によれば、振動板及び圧電素子の開口部に対向する領域を空気層として製造するため、圧電素子の周囲の領域に音響整合層が設けられる場合と比べ、圧電素子の駆動時におけるリーク電流を著しく低減できる超音波センサーとなる。これにより、測定対象物の検出に悪影響が生じることを防止でき、その結果、測定対象物を分離して識別できる能力(距離分解能)をはじめとする検出精度の向上を図ることができる。しかも、上記のようにリーク電流を著しく低減できるため、電気的安全性に優れた超音波センサーを製造できる。また、かかる態様によれば、振動板の圧電素子とは反対側に基板が取り付けられるため、開口部の加工が容易となる。
本発明の実施形態1は、測定対象物側に発信される発信超音波とは異なる方向に発信される他の超音波が圧電素子との界面で反射され、発信超音波に重畳するような厚みを有する反射層を具備する超音波センサー等に関する。
反射率R=(Z0−Z1)/(Z0+Z1)
(Z0:圧電素子の音響インピーダンス、Z1:空気層の音響インピーダンス)
以上、本発明の一実施形態を説明したが、その構成は上述したものに限定されるものではない。
図10は、本発明の実施形態2に係る超音波センサーの概略構成を示す分解斜視図であり、図11(a)は、図10に示す超音波センサーを幅方向に沿って切断した断面図である。尚、図11(b)はその変形例である。図中、超音波センサーにおける幅方向は第1の方向Xに対応し、第1の方向Xと直交する方向は第2の方向Yに対応する。
次に、本発明の実施形態3に係る超音波センサーについて説明する。本実施形態の超音波センサーは、音響整合層の残留振動を低減でき、これにより測定対象物を分離して識別できる能力(距離分解能)をはじめとする検出精度の向上を更に図ることができる態様となっている。以下、実施形態1や実施形態2と同様の部分は適宜省略し、異なる部分を中心に説明する。
以上、本発明の一実施形態を説明したが、その構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、上記の態様では、圧電素子300が、超音波を発信させる発信装置及び測定対象物からの反射超音波を受信する受信装置を兼ねるものとして説明したが、前記の例に限定されず、超音波を発信させる発信装置と、反射するエコー信号を受信する受信装置と、を別個に構成するようにしても構わない。
かかる態様によれば、測定対象物側に発信される発信超音波とは異なる方向(例えば反対方向)に発信される他の超音波を該発信超音波に重畳させ、その振幅を増大させることができる。よって、発信超音波の強度を大きくし、超音波の伝播効率を向上させることができる。
上記の態様において、反射層は、空気層として構成することもできる。反射層を空気層として構成すれば、圧電素子の周囲の領域に音響整合層(シリコーンオイル等)が設けられる場合と比べ、圧電素子の駆動時におけるリーク電流を著しく低減できる。これにより、測定対象物の検出に悪影響が生じることを防止でき、その結果、測定対象物を分離して識別できる能力(距離分解能)をはじめとする検出精度の向上を図ることができる。しかも、上記のようにリーク電流を著しく低減できるため、電気的安全性に優れた超音波センサーとなる。また、かかる態様によれば、振動板の圧電素子とは反対側に基板が取り付けられるため、開口部の加工が容易となる。
Claims (16)
- 開口部が形成された基板と、
前記開口部を塞ぐように前記基板上に設けられた振動板と、
前記振動板の前記開口部とは反対側の面上に積層され、第1電極、圧電体層及び第2電極を含む圧電素子と、を具備する超音波センサーであって、
前記振動板の前記開口部とは反対側の面上の、前記圧電素子の周囲の空間に、測定対象物側に発信される発信超音波とは異なる方向に発信される他の超音波が前記圧電素子との界面で反射され、前記発信超音波に重畳するような厚みを有する反射層を具備することを特徴とする超音波センサー。 - 前記反射層及び前記圧電素子の音響インピーダンス比が3倍以上であることを特徴とする請求項1に記載の超音波センサー。
- 前記反射層が、前記圧電素子の音響インピーダンスよりも小さい音響インピーダンスを有することを特徴とする請求項1又は2に記載の超音波センサー。
- 前記反射層は、前記圧電素子と、前記圧電素子及び前記空間を包囲するように前記振動板上に形成された包囲板と、の間に形成される空気層からなることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の超音波センサー。
- 前記反射層は、前記圧電素子と、前記圧電素子及び前記空間を包囲するように前記振動板上に形成された包囲板と、の間に充填される樹脂組成物層からなることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の超音波センサー。
- 前記反射層及び前記圧電素子の界面で反射された前記他の超音波が、前記発信超音波に対して0度より大きく120度以下の位相差を具備することを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の超音波センサー。
- 前記圧電素子の厚みが0.4〜2.0μmであることを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載の超音波センサー。
- 前記振動板の厚みが0.5〜3.0μmであることを特徴とする請求項1〜7の何れか一項に記載の超音波センサー。
- 第1の面と第2の面とを有する振動板と、
前記振動板の前記第1の面上に設けられ、第1電極、圧電体層及び第2電極を含む圧電素子と、
前記振動板の前記第2の面に取り付けられ、前記圧電素子と対向する位置に開口部を有する基板と、
前記開口部と前記振動板の前記第2の面とによって形成された空間内に設けられ、前記圧電素子の駆動によって発生する超音波を伝播させる音響整合層と、を具備し、
前記圧電素子の周囲の領域は、空気層とされていること
を特徴とする超音波センサー。 - 前記基板は、
前記振動板の前記第2の面に対して平行であって前記第2の面と接合される第1の壁面と、前記開口部を区画する第2の壁面と、を有し、
前記第2の壁面は、前記第1の壁面に対して垂直な垂直壁と、前記第1の壁面と第2の壁面との間に設けられ、前記第1及び第2の壁面に対して傾斜した傾斜壁と、を有し、
前記傾斜壁と前記振動板の前記第2の面との成す角度は90度以上であること
を特徴とする請求項9に記載の超音波センサー。 - 前記圧電素子への駆動信号の送受信を行う回路を具備し、
前記回路は、前記圧電素子を共振モードで共振させる該駆動信号の送受信を行うこと
を特徴とする請求項9又は10に記載の超音波センサー。 - 前記振動板の前記第1の面上に、前記圧電素子及び前記空気層を包囲する包囲板を更に具備すること
を特徴とする請求項9〜11の何れか一項に記載の超音波センサー。 - 開口部が形成された基板と、前記開口部を塞ぐように前記基板上に設けられた振動板と、前記振動板上に積層され、第1電極、圧電体層及び第2電極を含む圧電素子と、を具備する超音波センサーを用いた測定方法であって、
前記振動板の前記開口部とは反対側の面上の、前記圧電素子の周囲に設けられた反射層により、測定対象物側に発信される発信超音波とは異なる方向に発信される他の超音波を反射させ、前記発信超音波に重畳させる工程を有することを特徴とする超音波センサーを用いた測定方法。 - 基板を準備し、
前記基板上に、第1の面と第2の面とを有する振動板を形成し、
前記振動板の前記第1の面上に、第1電極、圧電体層及び第2電極を含む圧電素子を形成し、
前記基板の前記圧電素子と対向する位置に開口部を形成し、
前記開口部と前記振動板の前記第2の面とによって形成された空間内に、前記圧電素子の駆動によって発生する超音波を伝播させる音響整合層を設け、
前記圧電素子の周囲の領域を、空気層とすること
を特徴とする超音波センサーの製造方法。 - 前記開口部を形成する工程は、
前記振動板の前記第2の面に対して垂直となるように前記基板をエッチングして垂直壁を形成する工程と、
前記振動板の前記第2の面及び前記垂直壁に対して傾斜するように、かつ、前記第2の面に対する角度が90度以上となるように、傾斜壁を形成する工程と、を含むこと
を特徴とする請求項14に記載の超音波センサーの製造方法。 - 前記振動板の前記第1の面上に、前記圧電素子及び前記空気層を包囲する包囲板を更に設けること
を特徴とする請求項14又は15に記載の超音波センサーの製造方法。
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