JP2018129755A - トランスデューサおよびトランスデューサアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】広帯域化できるトランスデューサおよびトランスデューサアレイを提供する。【解決手段】トランスデューサ１は、第１電極１１と、第２電極１２と、第３電極１３と、第１圧電部２１と、第２圧電部２２と、を含む。第２電極には、抵抗４１およびインダクタ４２が接続される。第３電極は、第１電極と第２電極との間に設けられている。第１圧電部は、第１電極と第３電極との間に設けられている。第２圧電部は、第２電極と第３電極との間に設けられている。第１圧電部および第２圧電部の機械的な第１共振周波数と、第２電極と第３電極との間の静電容量と、インダクタと、抵抗と、を含む並列共振回路の第２共振周波数と、の差の絶対値の第１共振周波数に対する比は、０．２９以下である。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、トランスデューサおよびトランスデューサアレイに関する。

圧電体を用いたトランスデューサについて、広帯域化が望まれる。

井播他,"バイモルフ構造を利用した空中超音波センサ",２０１２年 電子情報通信学会基礎・境界ソサイエティ大会Ａ−１１−３．

本発明の実施形態は、広帯域化できるトランスデューサおよびトランスデューサアレイを提供することを目的とする。

実施形態に係るトランスデューサは、第１電極と、第２電極と、第３電極と、第１圧電部と、第２圧電部と、を含む。前記第２電極には、抵抗およびインダクタが接続される。前記第３電極は、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられている。前記第１圧電部は、前記第１電極と前記第３電極との間に設けられている。前記第２圧電部は、前記第２電極と前記第３電極との間に設けられている。前記第１圧電部および前記第２圧電部の機械的な第１共振周波数と、前記第２電極と前記第３電極との間の静電容量と、前記インダクタと、前記抵抗と、を含む並列共振回路の第２共振周波数と、の差の絶対値の前記第１共振周波数に対する比は、０．２９以下である。

第１実施形態に係るトランスデューサを例示する断面図である。 第１実施形態に係るトランスデューサの一部を表す断面図である。 参考例に係るトランスデューサを表す断面図である。 （ａ）参考例に係るトランスデューサの送信時の等価回路である。（ｂ）参考例に係るトランスデューサの受信時の等価回路である。 （ａ）第１実施形態に係るトランスデューサの送信時の等価回路である。（ｂ）（ａ）を変形して得られる第１実施形態に係るトランスデューサの送信時の等価回路である。 ＬＣＲ並列共振回路を表す回路図である。 参考例に係るトランスデューサの特性を示すグラフである。 第１実施形態に係るトランスデューサの特性を示すグラフである。 第１実施形態に係るトランスデューサの別の特性を示すグラフである。 第１実施形態に係るトランスデューサの別の特性を示すグラフである。 第１実施形態に係るトランスデューサの別の特性を示すグラフである。 第２実施形態に係るトランスデューサアレイを例示する断面図である。 第３実施形態に係るトランスデューサを例示する断面図である。 第４実施形態に係るトランスデューサアレイを例示する断面図である。 （ａ）第５実施形態に係る検査装置を例示する平面図である。（ｂ）第５実施形態に係る検査装置を例示する断面図である。（ｃ）第５実施形態に係る検査装置に含まれるトランスデューサアレイを拡大した平面図である。

以下に、本発明の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚さと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既に説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るトランスデューサを例示する断面図である。
図１に表されるように、第１実施形態に係るトランスデューサ１は、第１電極１１と、第２電極１２と、第３電極１３と、第１圧電部２１と、第２圧電部２２と、保持部３０と、基体３１と、抵抗４１と、インダクタ４２と、を含む。

第１電極１１と第２電極１２は、第２電極１２から第１電極１１に向かう第１方向において、離間している。第１方向は、例えば、図１に表されたＺ方向である。第３電極１３は、第１電極１１と第２電極１２との間に設けられている。

第１電極１１は、例えば、図１に表されるように送信回路４０と接続される。第１電極１１は、送信回路４０に代えて受信回路と接続されても良い。第２電極１２は、グランドに接続される。第３電極１３には、抵抗４１とインダクタ４２が接続される。第１圧電部２１は、第１電極１１と第３電極１３との間に設けられている。第２圧電部２２は、第２電極１２と第３電極１３との間に設けられている。第１電極１１、第２電極１２、第３電極１３、第１圧電部２１、および第２圧電部２２によって、屈曲振動子Ｖが構成されている。

第１圧電部２１および第２圧電部２２の機械的な第１共振周波数と、第２電極１２と第３電極１３との間の静電容量と、インダクタ４２と、抵抗４１と、を含む並列共振回路の第２共振周波数と、の差の絶対値の、第１共振周波数に対する比は、０．２９以下に設定されている。

本実施形態によれば、トランスデューサ１の帯域幅を広くすることができる。

第１実施形態に係るトランスデューサ１について、以下でより具体的に説明する。
第１圧電部２１の一部は、第１電極１１および第３電極１３の少なくともいずれかと第１方向において重なっていない。第２圧電部２２の一部は、第２電極１２および第３電極１３の少なくともいずれかと第１方向において重なっていない。第１圧電部２１と第２圧電部２２は一体に形成され、その中に第３電極１３が設けられていてもよい。

第２圧電部２２の外縁は、第１方向において保持部３０と重なっている。保持部３０は、例えば、第２圧電部２２の外縁に沿って設けられている。第２圧電部２２の外縁に沿って、複数の保持部３０が設けられていても良い。保持部３０は、第２圧電部２２と一体に設けられていても良いし、別個に設けられていても良い。

保持部３０は、第１方向において基体３１と重なっている。保持部３０は、第１方向において基体３１と第２圧電部２２との間に位置している。屈曲振動子Ｖは、保持部３０を介して、基体３１に保持されている。抵抗４１およびインダクタ４２は、基体３１の上に設けられていても良い。

第２電極１２は、第２圧電部２２と保持部３０との間に位置している。第２電極１２と基体３１との間にはスペースＳＰが形成されている。第２電極１２、第２圧電部２２、保持部３０、および基体３１は、スペースＳＰの周りに設けられている。

図２は、第１実施形態に係るトランスデューサの一部を表す断面図である。
図２に表されるように、第１方向と交差する第２方向における第１電極１１の長さＬ１、第２方向における第２電極１２の長さＬ２、および第２方向における第３電極１３の長さＬ３の少なくともいずれかは、第２方向における第１圧電部２１の長さＬ４以下であり、第２方向における第２圧電部２２の長さＬ５以下である。図１に表された例では、長さＬ３は、長さＬ１より長く、長さＬ２よりも長い。図２に表された例では、長さＬ４と長さＬ５が等しいが、これらの長さは異なっていても良い。スペースＳＰの第２方向における長さＬ６は、例えば、長さＬ１、長さＬ２、および長さＬ３のそれぞれよりも長い。長さＬ６は、保持部３０同士の間の第２方向における距離でもある。

第１電極１１、第２電極１２、および第３電極１３は、例えば、銅、アルミニウム、およびニッケルなどの金属材料を含む。第１圧電部２１、第２圧電部２２、および保持部３０は、例えば一体に形成され、酸化チタンまたは酸化バリウムなどの圧電材料を含む。第１圧電部２１および第２圧電部２２は、例えば、円板状である。基体３１は、金属材料、半導体材料、および絶縁材料の少なくともいずれかを含む。基体３１が屈曲振動子Ｖを保持することができれば、基体３１の形状や材料などは適宜変更可能である。基体３１は、例えば、シリコン基板またはプリント基板である。

トランスデューサ１によって音波を送信する場合、送信回路４０によって第１電極１１に交流電圧を印加する。第１電極１１と第３電極１３との間の電界に応じて第１圧電部２１が変形することで、トランスデューサ１が振動し、図１に表されたＺ方向に音波が放射される。
トランスデューサ１によって音波を受信する場合、トランスデューサ１が受信した音波によって振動することで、第１電極１１と第３電極１３との間に電圧が発生する。この電圧を第１電極１１に接続される不図示の受信回路によって測定することで、音波を検出することができる。
トランスデューサ１は、特に、超音波の送信および受信に好適に用いられる。

第２電極１２と第３電極１３は、第１方向において、第２圧電部２２を介在させて重なっている。従って、第２電極１２と第３電極１３との間には、静電容量が存在する。トランスデューサ１では、この静電容量と、抵抗４１と、インダクタ４２と、によって並列共振回路が構成されている。

トランスデューサ１の音波の送信時に、屈曲振動子Ｖの共振周波数近傍での機械エネルギーは、第２圧電部２２の圧電効果により電気エネルギーに変換される。一方、並列共振回路は、その共振周波数において、インピーダンスが抵抗と等しくなる。このため、並列共振回路は、トランスデューサ１の屈曲振動子Ｖの共振周波数近傍では抵抗として働く。この結果、第２圧電部２２の圧電効果によって変換された電気エネルギーは、抵抗４１で消費される。従って、振動の機械エネルギーの損失が生じて振動がダンピングされ、トランスデューサ１が広帯域化される。

以下で、参考例に係るトランスデューサを参照しつつ、第１実施形態に係るトランスデューサの機能について、より具体的に説明する。
図３は、参考例に係るトランスデューサを表す断面図である。
図４（ａ）は、参考例に係るトランスデューサの送信時の等価回路である。図４（ｂ）は、参考例に係るトランスデューサの受信時の等価回路である。
図５（ａ）は、第１実施形態に係るトランスデューサの送信時の等価回路である。図５（ｂ）は、図５（ａ）を変形して得られる第１実施形態に係るトランスデューサの送信時の等価回路である。

図３に表された参考例に係るトランスデューサ１ａは、第１実施形態に係るトランスデューサ１との比較において、第２電極１２、抵抗４１、およびインダクタ４２を含んでいない。図４（ａ）、図４（ｂ）、図５（ａ）、および図５（ｂ）において、Ｖは電圧であり、Ｉは電流である。Ｆおよびｖは、それぞれ、屈曲振動子Ｖが媒体（例えば空気）に対して及ぼす力と速度である。Ｃ_０は、第１圧電部２１および第２圧電部２２の静電容量である。ｍ_ｅ、ｋ_ｅ、およびｒ_ｅは、それぞれ、屈曲振動子Ｖの、等価質量、等価バネ定数、および等価減衰定数である。ｒａは、空気の音響負荷である。ηは、圧電効果を示す変性比である。

送信音圧をＰ_ｔ、第１方向に対して垂直な面に沿った屈曲振動子Ｖの面積をＳとすると、Ｆ＝Ｐ_ｔ・Ｓである。さらに、送信電圧をＶ_ｔとすると、送信感度は、以下の式（１）で表される。

式（１）において、ωは角周波数であり、ω_ｒは共振角周波数である。ω_ｒは、以下の式（２）で表される。

式（１）において、ζ_ａおよびζ_ｅａは、減衰比と呼ばれる定数である。ζ_ａおよびζ_ｅａは、それぞれ、以下の式（３）と式（４）で表される。

図４（ｂ）に表す受信時の等価回路において、開放端（Ｉ＝０）の場合の受信電圧をＶ_ｒ、受信音圧をＰ_ｒとすると、Ｆ_ｒ=Ｐ_ｒ・Ｓであり、受信感度は以下の式（５）表される。

ω_ａは、反共振周波数である。さらに、ｋ^’ _ｅ、ω_ａ、およびζ^’ _ｅａについて、以下の式（６）〜式（８）が成り立つ。

送受信感度は、式（１）と式（５）の積で得られる。ここで、ｋ^' _ｅ≒ｋ_ｅとすると、ω_ａ≒ω_ｒ、ζ^' _ｅａ≒ζ_ｅａとなる。このとき、式（１）と式（５）から、減衰比ζ_ｅａによって、周波数のプロファイル（バンド幅）が決定されることがわかる。

一般的に、圧電体を用いた屈曲振動子を含むトランスデューサは、狭帯域である。これは、媒体（例えば空気）の音響負荷ｒ_ａが小さく、減衰比ζ_ｅａが小さいためである。

図５（ａ）および図５（ｂ）において、上付き文字ｕが付された値は、第１圧電部２１に関し、上付き文字ｌが付された値は、第２圧電部２２に関する。Ｚ_Ｌは、付加するインダクタンスＬと抵抗Ｒの並列接続に対するインピーダンスである。図５（ａ）の等価回路は、下側の電気側の回路素子を機械側の回路に移動させると、図５（ｂ）に示す等価回路に変形できる。

図５（ｂ）と図４（ａ）の等価回路を比較すると、図５（ｂ）の等価回路は、図４（ｂ）の等価回路の機械側に容量Ｃ_０のコンデンサーとインピーダンスＺ_Ｌを並列接続し、そのインピーダンスをη^ｌ２倍して、機械側の回路に挿入したものであることがわかる。このη^ｌ２倍された機械側の量は、機械インピーダンスと呼ばれる。

図６は、ＬＣＲ並列共振回路を表す回路図である。
図６に表されたＬＣＲ並列共振回路のインピーダンスＺは、以下の式（９）で表される。

式（９）におけるインピーダンスＺは、以下の式（１０）で表される共振角周波数において、Ｚ＝Ｒとなる。

従って、ω_０がω_ｒと一致するようにインダクタンスＬを設定することで、屈曲振動子Ｖの機械的な共振周波数近傍において、ＬＣＲ並列共振回路のインピーダンスＺは、Ｒとなる。そして、これに対応する機械インピーダンスはη^ｌ２・Ｒとなる。これは、減衰比ζ_ｅａが、以下の式（１１）で表される分だけ増加することを意味する。

屈曲振動子Ｖを含むトランスデューサが狭帯域なのは、減衰比ζ_ｅａが小さいためである。式（１１）は、減衰比ζ_ｅａを大きくし、広帯域化できることを示している。さらにＬＣＲ並列共振回路が抵抗として動作する帯域幅は、以下の式（１２）で表される。

発明者は、検討の結果、ω_０がω_ｒに一致するように設定した場合、式（１０）および式（１１）から、インダクタンスＬと抵抗Ｒの屈曲振動子Ｖに対する依存性は、以下の式（１３）および式（１４）で表されることを見出した。

すなわち、広帯域化に必要なインダクタンスＬの値は屈曲振動子Ｖの共振周波数にのみ依存し、共振周波数が同じであれば、屈曲振動子Ｖのサイズには依存しない。広帯域化に必要な抵抗Ｒの値は共振周波数に依存せず、所望の減衰比のみに依存する。これらの結果および式（１２）から、ＬＣＲ並列共振回路が抵抗として働く帯域幅は、以下の式（１５）で表される。

すなわち、ＬＣＲ並列共振回路が抵抗として働く帯域幅は、抵抗Ｒと同様に、共振周波数に依存せず、所望の減衰比のみに依存することがわかった。式（１４）および式（１５）から、広帯域化のために抵抗Ｒを大きくして、減衰比ζ_Ｒを大きくしていくと、ＬＣＲ並列共振回路が抵抗Ｒとして働く帯域幅Δｆ／ｆ_ｒが狭くなっていくことがわかる。従って、抵抗Ｒには、望ましい範囲があることがわかる。

上述した技術思想を、典型的な圧電型の空中超音波用トランスデューサに適用した場合、インダクタンスＬと抵抗Ｒは以下のようになる。空中超音波の周波数範囲は、１００キロヘルツ（ｋＨｚ）以上１メガヘルツ（ＭＨｚ）以下である。インダクタンスＬは、共振周波数のみに基づいて決まり、１．２ミリヘンリー（ｍＨ）以上１２ｍＨ以下となる。

図７は、参考例に係るトランスデューサの特性を示すグラフである。
図８は、第１実施形態に係るトランスデューサの特性を示すグラフである。
図７（ａ）は送受信感度の周波数特性を表すシミュレーション結果である。図７（ｂ）は、パルス電圧を印加して音波を送信し、その反射波を受信した際の電圧波形を表している。図８（ａ）は、減衰比ζ_Ｒが０．１の場合の送受信感度の周波数特性を表すシミュレーション結果であり、図８（ｂ）は、減衰比ζ_Ｒが０．５の場合の送受信感度の周波数特性を表すシミュレーション結果である。図７（ａ）、図８（ａ）、および図８（ｂ）では、共振周波数を３００ｋＨｚとし、図２に表した長さＬ６を１００〜１０００μｍまで変化させたときの結果を表している。

図７（ａ）に表されるように、参考例に係るトランスデューサ１ａでは、共振周波数において送受信感度は高いものの、共振周波数から外れると送受信感度は急激に低下する。このような周波数プロファイルを有するトランスデューサを用いて音波の送受信を行った場合、図７（ｂ）に表されるように、パルス長が長くなる。パルス長が長くなると、距離方向の分解能が低下したり、多重反射と信号との分離が困難になるなどの課題が生じる。

図７（ａ）と図８（ａ）の比較から、本実施形態に係るトランスデューサ１は、参考例に係るトランスデューサ１ａよりも広帯域化していることがわかる。一方、図８（ｂ）に表されるように、減衰比ζ_Ｒが０．５の場合、感度の周波数プロファイルが双峰性を有しており、望ましくない。図８（ｂ）に表される２つのピークは、前述の共振周波数と反共振周波数に対応している。

図９は、第１実施形態に係るトランスデューサの別の特性を示すグラフである。
図９（ａ）は、帯域幅Δｆ／ｆ_ｒの減衰比ζ_Ｒ（抵抗Ｒ）に対する依存性を示し、図９（ｂ）は、Ｖ_ｍｉｎ／Ｖ_ｍａｘの減衰比ζ_Ｒ（抵抗Ｒ）に対する依存性を示している。Ｖ_ｍｉｎ／Ｖ_ｍａｘは、双峰性の度合いを表している。

図９（ｃ）には、帯域幅Δｆ／ｆ_ｒ、Ｖ_ｍｉｎ、およびＶ_ｍａｘの定義が示されている。すなわち、Ｖ_ｍａｘは、２つのピークのうち高い方の値であり、Ｖ_ｍｉｎは、２つのピークの間の谷の値である。Δｆ／ｆ_ｒは、−６ｄＢの帯域幅を表し、Δｆ／ｆ_ｒ＝（ｆ_２−ｆ_１）／ｆ_ｒで表される。

図９（ａ）から、帯域幅Δｆ／ｆ_ｒはζ_Ｒが増加するに連れて広くなるが、ζ_Ｒが０．１を超えると緩やかに減少することがわかる。図９（ｂ）から、双峰性は、ζ_Ｒが０．０８を超えると表われ、急激に大きくなることがわかる。双峰性が顕著になると広帯域化が難しくなる。

図９（ａ）から、ζ_Ｒが０．０４以上になると、ζ_Ｒが０のときに比べて、Δｆ／ｆ_ｒは２倍以上となり、顕著な効果が得られる。ζ_Ｒ＝０．０４に相当する抵抗値Ｒは、１６ｋΩである。最適値は、帯域幅Δｆ／ｆ_ｒが最大であり、双方性が顕著ではないζ_Ｒ＝０．１である。ζ_Ｒ＝０．１に相当する抵抗値Ｒは、３９ｋΩである。これらの結果から、抵抗値Ｒは、３９ｋΩ以下が望ましいことがわかる。なお、これらの図は、共振周波数が３００ｋＨｚの場合の特性を表しているが、前述のように、この結果は共振周波数に依存しない。

図１０は、第１実施形態に係るトランスデューサの別の特性を示すグラフである。
図８（ａ）、図８（ｂ）、図９（ａ）、および図９（ｂ）は、屈曲振動子Ｖ（第１圧電部２１および第２圧電部２２）の第１共振周波数ｆ_ｒとＬＣＲ並列共振回路の第２共振周波数ｆ_０が一致している場合の特性を表していた。図１０（ａ）に、ｆ_ｒとｆ_０が一致していない場合の帯域幅Δｆ／ｆ_ｒを示す。図１０（ａ）に表されるように、ｆ_ｒとｆ_０が一致していない場合は、帯域幅が低下する。また、ζ_Ｒが大きいほど、帯域幅の低下量が大きいことがわかる。

図１０（ｂ）は、帯域幅がｆ_ｒ＝ｆ_０の場合の、１／２（−６ｄＢ）となる｜１−ｆ_０／ｆ_ｒ｜を、減衰比ζ_Ｒに対してプロットしたものである。図１０（ｂ）において、実線はｆ_０がｆ_ｒより小さい場合、破線はｆ_０がｆ_ｒより大きい場合である。図１０（ｂ）から、参考例に係るトランスデューサ１ａに比べて２倍以上の効果を奏するζ_Ｒ＝０．０４においては、ＬＣＲ並列共振回路の共振周波数を、屈曲振動子Ｖの共振周波数の２９％以内に設定することで、帯域幅の低下を１／２に抑えられることが分かる。すなわち、第１共振周波数ｆ_ｒと第２共振周波数ｆ_０との差の絶対値の、第１共振周波数ｆ_ｒに対する比は、０．２９以下であることが望ましい。また、最も広帯域化できるζ_Ｒ＝０．１は、ＬＣＲ並列共振回路の共振周波数を、屈曲振動子Ｖの共振周波数の１．７％以内に設定することで、帯域幅の低下を１／２に抑えられることが分かる。すなわち、第１共振周波数ｆ_ｒと第２共振周波数ｆ_０との差の絶対値の、第１共振周波数ｆ_ｒに対する比は、０．０１７以下であることがより望ましい。ＬＣＲ並列共振回路の共振周波数は、トランスデューサが決まれば、付加するコイルのインダクタンスＬで決めることができる。

図１１は、第１実施形態に係るトランスデューサの別の特性を示すグラフである。
図１１は、図１０（ａ）および図１０（ｂ）に表されるデータを基に、帯域幅Δｆ／ｆ_ｒを、帯域幅がｆ_ｒ＝ｆ_０の場合の１／２（−６ｄＢ）となる｜１−ｆ_０／ｆ_ｒ｜に対してプロットしたものである。
図１１において、横方向に延びる実線は、ζ_Ｒ＝０の場合（参考例に係るトランスデューサ１ａ）のデータを示している。

図１１から、｜１−ｆ_０／ｆ_ｒ｜が小さくなると、帯域幅Δｆ／ｆ_ｒが大きくなることが分かる。図１１から、｜１−ｆ_０／ｆ_ｒ｜が０．２９以下であれば、参考例に係るトランスデューサ１ａよりも、帯域幅Δｆ／ｆ_ｒを大きくできることがわかる。すなわち、第１共振周波数ｆ_ｒと第２共振周波数ｆ_０との差の絶対値の、第１共振周波数ｆ_ｒに対する比が、０．２９以下であることで、参考例に係るトランスデューサ１ａよりも、帯域幅Δｆ／ｆ_ｒを大きくできる。

以上の通り、本実施形態によれば、抵抗４１、インダクタ４２、および第２電極１２と第３電極１３との間のキャパシタを含むＬＣＲ並列共振回路および第２圧電部２２の圧電効果により、共振点近傍での振動の機械エネルギーが電気エネルギーに変換される。そして、変換された電気エネルギーが、抵抗４１で消費されることで、振動の機械エネルギーの損失が生じ、振動がダンピングされて広帯域のトランスデューサ１が実現される。

また、本発明者は、上述した通り、トランスデューサ１において、抵抗４１の抵抗値が３９ｋΩ以下、インダクタ４２のインダクタンスが１．２ｍＨ以上１２ｍＨ以下において、より望ましい特性が得られることを発見した。

（第２実施形態）
図１２は、第２実施形態に係るトランスデューサアレイを例示する断面図である。
図１２に表されるように、トランスデューサアレイ２は、複数の第１電極１１と、複数の第２電極１２と、複数の第３電極１３と、複数の第１圧電部２１と、複数の第２圧電部２２と、保持部３０と、抵抗４１と、インダクタ４２と、を含む。すなわち、トランスデューサアレイ２は、複数のトランスデューサ１を含む。

第１電極１１、第２電極１２、第３電極１３、第１圧電部２１、および第２圧電部２２は、それぞれ、第１方向と交差する第２方向において複数設けられる。さらに、第１電極１１、第２電極１２、および第３電極１３は、それぞれ、第３方向において複数設けられていてもよい。第３方向は、第１方向および第２方向と交差し、例えば図１２に表されたＹ方向である。

複数の第１圧電部２１は、それぞれ、第１方向において、複数の第１電極１１と複数の第３電極１３との間に設けられている。複数の第２圧電部２２は、それぞれ、第１方向において、複数の第２電極１２と複数の第３電極１３との間に設けられている。複数の第１圧電部２１および複数の第２圧電部２２は一体に設けられていても良いし、個別に設けられていても良い。抵抗４１およびインダクタ４２は、複数の第２電極１２に接続される。送信回路４０または不図示の受信回路は、複数の第１電極１１に接続される。

ここで、図１に表された第１実施形態に係るトランスデューサ１の抵抗４１の抵抗値をＲ、インダクタ４２のインダクタンスをＬとし、図１２に表された第２実施形態に係るトランスデューサアレイ２の抵抗４１の抵抗値をＲ’、インダクタ４２のインダクタンスをＬ’とする。トランスデューサアレイ２に含まれるそれぞれの屈曲振動子Ｖを、第１実施形態に係るトランスデューサ１に含まれる屈曲振動子Ｖと同様の条件で動作させるには、Ｌ’＝Ｌ／２、Ｒ’＝Ｒ／２となる。

同様に、Ｎ個の屈曲振動子が電気的に並列に接続された場合、必要なインダクタンスと抵抗の値は第１実施形態の１／Ｎとなる。例えば、トランスデューサの共振周波数が３００ｋＨｚ、大きさが３ｍｍ×３ｍｍ、トランスデューサが径３ｍｍの１個の屈曲振動子Ｖを含む場合、必要なインダクタンスＬの値は４ｍＨである。一方、屈曲振動子Ｖの径が０．５ｍｍの場合、トランスデューサは、３６個の屈曲振動子を保持することができる。この場合、必要なインダクタンスＬの値は、１１０μＨとなる。

ｍＨオーダーのインダクタンスを有するインダクタは、大きく、高コストであり、回路基板の大型化および高コスト化を招く。しかし、μＨオーダーのインダクタンスを有するインダクタは、小さく、安価なので、回路基板を小型化および低コスト化できる。従って、複数の屈曲振動子Ｖを用いてトランスデューサを構成することが望ましい。

（第３実施形態）
図１３は、第３実施形態に係るトランスデューサを例示する断面図である。
図１３に表されるように、トランスデューサ３は、第１電極１１と、第２電極１２と、第３電極１３と、第１圧電部２１と、保持部３０と、抵抗４１と、インダクタ４２と、第１半導体部５１と、第２半導体部５２と、絶縁部５３と、を含む。

第２電極１２は、第２方向と第３方向において、第１電極１１と離間している。第２電極１２は、第２方向および第３方向に沿って、第１電極１１の周りに設けられている。第３電極１３は、第１電極１１および第２電極１２と第１方向に離間している。第１圧電部２１は、第１方向において、第１電極１１と第３電極１３との間および第２電極１２と第３電極１３との間に設けられている。

第１半導体部５１および第２半導体部５２は、シリコンなどの半導体材料を含む。絶縁部５３は、酸化シリコンなどの絶縁材料を含む。第１半導体部５１に代えて、弾性を有する他の部材が設けられていても良い。第２半導体部５２および絶縁部５３に代えて、第１半導体部５１の外縁を保持する他の部材が設けられていても良い。

トランスデューサ３では、第１電極１１と、第３電極１３と、これらの電極の間の第１圧電部２１で音波の送受信が行われ、第２電極１２と、第３電極１３と、これらの電極の間の第１圧電部２１で振動のダンピングが行われる。

本実施形態に係るトランスデューサ３は、第１実施形態に係るトランスデューサ１のように、複数の圧電部を積層させずに形成することができる。本実施形態に係るトランスデューサ３は、例えば、圧電薄膜形成技術とＭＥＭＳ技術を用いて作製される。このような構造は、ｐＭＵＴ(piezoelectric micro-machined ultrasonic transducer)と呼ばれる。ＳＯＩ基板を用いてトランスデューサ３を作製する場合、第１半導体部５１はＳｉ層であり、第２半導体部５２はＳｉ基板であり、絶縁部５３は酸化シリコン層である。スペースＳＰは、Ｓｉ基板への反応性イオンエッチングで形成される。

（第４実施形態）
図１４は、第４実施形態に係るトランスデューサアレイを例示する断面図である。
図１４に表されるように、トランスデューサアレイ４は、複数の第１電極１１と、複数の第２電極１２と、複数の第３電極１３と、第１圧電部２１と、抵抗４１と、インダクタ４２と、第１半導体部５１と、第２半導体部５２と、絶縁部５３と、を含む。すなわち、トランスデューサアレイ４は、複数のトランスデューサ３を含む。

第１電極１１、第２電極１２、および第３電極１３は、それぞれ、第１方向と交差する第２方向において複数設けられる。さらに、第１電極１１、第２電極１２、および第３電極１３は、それぞれ、第３方向において複数設けられていてもよい。複数の第２電極１２は、それぞれ、第２方向および第３方向に沿って、複数の第１電極１１の周りに設けられている。複数の第１圧電部２１は、それぞれ、第１方向において、複数の第１電極１１と複数の第３電極１３との間および複数の第２電極１２と複数の第３電極１３との間に設けられている。抵抗４１およびインダクタ４２は、複数の第２電極１２に接続される。送信回路４０または不図示の受信回路は、複数の第１電極１１に接続される。

本実施形態によれば、第２実施形態と同様に、所望の特性を得るために必要なインダクタ４２のインダクタンスを小さくすることができる。

（第５実施形態）
図１５（ａ）は、第５実施形態に係る検査装置を例示する平面図である。図１５（ｂ）は、第５実施形態に係る検査装置を例示する断面図である。図１５（ｃ）は、第５実施形態に係る検査装置に含まれるトランスデューサアレイを拡大した平面図である。

本実施形態に係る検査装置５は、図１５（ａ）および図１５（ｂ）に表されるように、送信モジュール６１と、受信モジュール６２と、ローラ６３と、を含む。検査装置５は、例えば、紙葉類の検査に用いられ、ローラ６３によって搬送される紙６４の厚さを超音波によって検査する。

送信モジュール６１と受信モジュール６２は、第１方向に離間している。ローラ６３は、紙６４が送信モジュール６１と受信モジュール６２との間を通過するように、紙６４を第２方向に搬送する。送信モジュール６１に電圧を印加すると、送信モジュール６１から受信モジュール６２に向けて超音波が放射される。放射された超音波は、紙を通り抜け、受信モジュール６２で受信される。紙６４の厚さが厚くなると、紙６４を通過した際の超音波の減衰が大きくなり、受信モジュール６２における受信信号の強度が低下する。従って、受信信号の強度に基づいて紙６４の厚さを確認することができる。

図１５（ａ）および図１５（ｃ）に表されるように、送信モジュール６１および受信モジュール６２は、例えば、複数のトランスデューサアレイ２を含む。トランスデューサアレイ２に代えて、他の実施形態に係るトランスデューサまたはトランスデューサアレイが設けられていても良い。送信モジュール６１および受信モジュール６２に複数のトランスデューサアレイ２が設けられていることで、第２方向および第３方向における紙６４の厚さの分布も検査することができる。

図１５（ｃ）に表されるように、トランスデューサアレイ２は、第２方向および第３方向に配列された複数の屈曲振動子Ｖを含む。屈曲振動子Ｖ同士の間には、補助電極６５が設けられている。トランスデューサアレイ２に含まれる複数の第１電極１１および複数の第２電極１２の一方は、補助電極６５およびコンタクト電極６６を介して、送信回路、受信回路、およびＬＲ並列回路のいずれかに接続される。複数の第１電極１１および複数の第２電極１２の他方は、不図示の電極を介して、送信回路、受信回路、およびＬＲ並列共振回路の別のいずれかに接続される。

ここで、紙６４の搬送速度をｖとし、紙６４の搬送方向に沿って間隔δｘで、紙６４の厚さの分布を検査するものとする。この場合、時間の間隔δｔ=δｘ／ｖで超音波パルスの送受信を行う必要がある。測定間隔δｘを小さくするにつれ、時間間隔δｔが小さくなる。このため、トランスデューサアレイ２が狭帯域であり、パルス長が長いと、時間δｔではパルスが整定しないようになる。従って、測定間隔δｘを小さくするには、広帯域でよりパルス長が短いトランスデューサを用いることが望ましい。すなわち、実施形態に係るトランスデューサまたはトランスデューサアレイを検査装置５に用いることで、検査速度を向上させることが可能となる。

なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、トランスデューサ１および３に含まれる第１電極１１、第２電極１２、第３電極１３、第１圧電部２１、第２圧電部２２、保持部３０、基体３１、送信回路４０、抵抗４１、インダクタ４２、第１半導体部５１、第２半導体部５２、絶縁部５３などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。

また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。

その他、本発明の実施の形態として上述した、トランスデューサ、トランスデューサアレイ、および検査装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全てのトランスデューサ、トランスデューサアレイ、および検査装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１、１ａ、３ トランスデューサ、 ２、４ トランスデューサアレイ、 ５ 検査装置、 １１ 第１電極、 １２ 第２電極、 １３ 第３電極、 ２１ 第１圧電部、 ２２ 第２圧電部、 ３０ 保持部、 ３１ 基体、 ４０ 送信回路、 ４１ 抵抗、 ４２ インダクタ、 ５１ 第１半導体部、 ５２ 第２半導体部、 ５３ 絶縁部、 ６１ 送信モジュール、 ６２ 受信モジュール、 ６３ ローラ、 ６４ 紙、 ６５ 補助電極、 ６６ コンタクト電極、 Ｌ１〜Ｌ６ 長さ、 ＳＰ スペース、 Ｖ 屈曲振動子

Claims (15)

1. 第１電極と、
   抵抗およびインダクタが接続される第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた第３電極と、
   前記第１電極と前記第３電極との間に設けられた第１圧電部と、
   前記第２電極と前記第３電極との間に設けられた第２圧電部と、
   を備え、
   前記第１圧電部および前記第２圧電部の機械的な第１共振周波数と、前記第２電極と前記第３電極との間の静電容量と、前記インダクタと、前記抵抗と、を含む並列共振回路の第２共振周波数と、の差の絶対値の前記第１共振周波数に対する比は、０．２９以下であるトランスデューサ。
2. 前記第１圧電部の一部は、前記第１電極から前記第２電極に向かう第１方向において、前記第１電極および前記第２電極の少なくともいずれかと重なっていない請求項１記載のトランスデューサ。
3. 前記第２圧電部の一部は、前記第１電極から前記第２電極に向かう第１方向において、前記第３電極と重なっていない請求項１または２に記載のトランスデューサ。
4. 前記第１方向と交差する第２方向における前記第３電極の長さは、前記前記第２方向における前記第１電極の長さよりも長い請求項２または３に記載のトランスデューサ。
5. 前記第２方向における前記第３電極の前記長さは、前記第２方向における前記第２電極の長さよりも長い請求項４記載のトランスデューサ。
6. 前記第１共振周波数と前記第２共振周波数との差の絶対値の、前記第１共振周波数に対する比は、０．０１７以下である請求項１〜５のいずれか１つに記載のトランスデューサ。
7. 前記インダクタは、１．２ミリヘンリー以上１２ミリヘンリー以下であり、
   前記抵抗は、３９キロオーム以下である請求項１〜６のいずれか１つに記載のトランスデューサ。
8. 第１電極と、
   第２方向において前記第１電極と離間し、抵抗およびインダクタが接続される第２電極と、
   前記第２方向と交差する第１方向において前記第１電極および前記第２電極と離間した第３電極と、
   前記第１方向において、前記第１電極と前記第３電極との間、および前記第２電極と前記第３電極との間に設けられた第１圧電部と、
   を備え、
   前記第１圧電部および前記第２圧電部の機械的な第１共振周波数と、前記第２電極と前記第３電極との間の静電容量と、前記インダクタと、前記抵抗と、を含む並列共振回路の第２共振周波数と、の差の絶対値の前記第１共振周波数に対する比は、０．２９以下であるトランスデューサ。
9. 前記第２電極は、前記第２方向と、前記第１方向および前記第２方向と交差する第３方向と、に沿って、前記第１電極の周りに設けられた請求項８記載のトランスデューサ。
10. 第１半導体部をさらに備え、
    前記第３電極は、前記第１方向において、前記第１圧電部と前記第１半導体部との間に設けられた請求項８または９に記載のトランスデューサ。
11. 前記第１方向において前記第１半導体部の外周と重なる第１絶縁部と、
    前記第１方向において前記第１絶縁部と重なる第２半導体部と、
    をさらに備えた請求項９記載のトランスデューサ。
12. 前記第１半導体部および前記第２半導体部はシリコンを含み、
    前記第１絶縁部は酸化シリコンを含む請求項１１記載のトランスデューサ。
13. 前記第１共振周波数と前記第２共振周波数との差の絶対値の、前記第１共振周波数に対する比は、０．０１７以下である請求項８〜１２のいずれか１つに記載のトランスデューサ。
14. 前記インダクタは、１．２ミリヘンリー以上１２ミリヘンリー以下であり、
    前記抵抗は、３９キロオーム以下である請求項８〜１３のいずれか１つに記載のトランスデューサ。
15. 請求項１〜１４のいずれか１つに記載の前記トランスデューサをＮ個備え、
    前記複数の第２電極には、共通のインダクタおよび抵抗が接続され、
    前記インダクタのインダクタンスは、１．２／Ｎミリヘンリー以上、１２／Ｎミリヘンリー以下であり、
    前記抵抗の抵抗値は、３９／Ｎキロオーム以下であるトランスデューサアレイ。