JP2018157458A - 超音波アレイ、超音波センサー及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波の送受信範囲を広角にできる超音波アレイ、超音波センサー、及び電子機器を提供する。【解決手段】超音波アレイは、複数の凹部が設けられた面と複数の超音波素子が設けられた面とが互いに表裏となる基板を備え、前記超音波素子は、前記基板の厚み方向から見て、前記凹部と重なる位置に設けられ、前記凹部の底面の法線は、前記凹部の内周面と交差する。【選択図】図２

Description

本発明は、超音波アレイ、超音波センサー及び電子機器に関する。

従来、測定対象に対して超音波の送受信を行う超音波センサーが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の超音波センサーは、車両のバンパーに設けられる超音波センサーであり、車両から２ｍ以上離れた長距離範囲を検知エリアとするセンサーである。この超音波センサーは、圧電素子と、圧電素子の一面に接合される音響整合層とを含み、音響整合層の前記一面とは反対側の面が、前記一面に対して角度αで傾斜する構成を有する。

特開２０１１−３９００３号公報

ところで、上記特許文献１に記載の技術は、車両からできるだけ離れた障害物を検知することを目的とした超音波センサーであり、このような技術の延長上には、車両の無人運転等が望まれている。このような車両の無人運転技術では、従来、人による観察によって判断されてきた、至近距離内で、かつ広角な範囲に対する障害物の検知が、危険回避上必要となる。
上記特許文献１の技術では、バンパーの傾斜角度αに合わせて、音響整合層の圧電素子とは反対側の面を角度αだけ傾斜させている。この場合、車両の前後方向の遠距離の障害物の検知を行うことができるが、単一のバルク側の圧電体により超音波センサーが構成されているので、広角な範囲に対する障害物の検知を好適に行うことができない。

つまり、超音波センサーにより、広角な範囲に対して障害物を検出する場合、超音波素子をアレイ状に配置し、各超音波素子からの超音波を合成して、音圧の高い超音波ビーム（メインローブ）を所定方向に形成する。この場合、各超音波素子の駆動タイミングを制御することで、超音波ビームの送受信方向を所定の角度範囲内で変化させて走査することが可能となる。
しかしながら、特許文献１に記載のような超音波センサーでは、バルク型の圧電体を用いているため、圧電体間のピッチ間隔を小さくするには限界がある。この場合、メインローブの他に、所謂グレーティングローブと呼ばれる超音波ビームがメインローブとは異なる方向に形成されてしまい、方位分解能が低下する。仮に、ピッチ間隔を小さくできたとしても、超音波ビームの送受信方向を走査する際に、送受信方向の角度が大きくなる程、見かけ上の開口が小さくなり、超音波センサーの送受信感度が低下する。このため、超音波を送受信可能な範囲には限界があり、当該限界を超えた死角範囲に対する障害物の検知ができないとの課題があった。

本発明は、超音波の送受信範囲を広角にできる超音波アレイ、超音波センサー、及び電子機器を提供することを目的とする。

本発明の一適用例に係る超音波アレイは、複数の凹部が設けられた面と複数の超音波素子が設けられた面とが互いに表裏となる基板を備え、前記超音波素子は、前記基板の厚み方向から見て、前記凹部と重なる位置に設けられ、前記凹部の底面の法線は、前記凹部の内周面と交差することを特徴とする。

本適用例では、超音波アレイは、複数の凹部がアレイ状に形成される基板を有し、各凹部に超音波素子が配置されている。つまり、凹部及び超音波素子により構成された超音波トランスデューサーがアレイ配置されている。そして、この超音波アレイでは、凹部の内周面が底面に対して傾斜している。このため、超音波素子により底面を振動させた際に凹部側に超音波が送信されると、当該超音波は凹部の内周面で反射されて、底面に対して傾斜する方向に送信される。また、当該超音波が送信される方向から、超音波が凹部内に入射すると、凹部の内周面で反射されて底面に到達して超音波が受信される。
これにより、凹部の内周面が底面に対して直交する従来の超音波アレイでは超音波の送受信を行うことができない（感度が低い）死角範囲に対して、超音波の送受信が可能となる。つまり、凹部の傾斜方向を上記死角範囲の方向に向けることで、従来の超音波アレイにおける死角範囲に対する超音波の送受信を行うことができ、超音波の送受信範囲を広角にできる。

本適用例の超音波アレイにおいて、前記底面を当該底面の法線方向に投影した際に、投影像が前記内周面に含まれることが好ましい。
本適用例では、底面の投影像が内周面に含まれるので、底面の振動により発生する超音波のうち、底面の法線方向に向かう超音波が内周面により反射されて、内周面の傾斜方向に応じた角度で出力される。このため、超音波アレイから、底面の法線方向に送信される超音波が少なくなり、内周面の傾斜方向に応じた角度に送信される超音波が多くなる。また、底面の法線方向から入射する超音波も内周面に反射される。よって、底面の法線方向から入射する超音波のうち、超音波素子が配置される底面に入射する超音波が少なくなる。
これにより、超音波アレイにおける超音波の送受信方向を、凹部の内周面に応じた方向に絞ることができ、方位分解能を向上させることができる。

本適用例の超音波アレイにおいて、前記凹部は、裾広がりに開口していることが好ましい。
本適用例では、凹部が裾広がりに開口している。このような構成では、超音波を受信する際に、凹部の底面よりも広い開口面積の凹部の開口端面から超音波を入射させることができる。これにより、内周面での反射損失を補償することができ、超音波アレイにおける受信感度を向上させることができる。

本発明の一適用例に係る超音波センサーは、上述のような超音波アレイを複数含むことを特徴とする。
本適用例では、超音波センサーは、上記のような超音波アレイが複数含まれている。ここで、凹部の内周面の底面に対する傾斜方向がそれぞれ異なる複数の超音波アレイを配置することで、複数の方向に対して好適に超音波を送受信することができる。

本適用例の超音波センサーにおいて、複数の凹部が設けられた面と複数の超音波素子が設けられた面とが互いに表裏となる基板を備え、前記基板の厚み方向から見て、前記凹部と前記超音波素子とが重なる位置に設けられ、前記凹部の内周面が前記凹部の底面の法線方向に沿う超音波アレイをさらに含むことが好ましい。
本適用例では、内周面が底面の法線方向となる凹部を有する基板を備え、当該基板の凹部と重なる位置に超音波素子が設けられる超音波アレイ（第一超音波アレイと称す）を更に含む。このような第一超音波アレイは、従来の超音波アレイと同様、各超音波素子の駆動タイミングを制御することで、当該第一超音波アレイを中心とした所定角度範囲に対して超音波ビームを形成することができる。一方、このような第一超音波アレイでは、上述したように、超音波の走査範囲に限界があり、超音波を好適に送受信できない死角範囲が存在する。これに対して、本適用例の超音波センサーでは、上記適用例のように、凹部の内周面の底面に対して傾斜する複数の超音波アレイが設けられ、超音波アレイ毎に内周面の底面に対する傾斜方向がそれぞれ異なっている。このような構成では、それぞれの第二超音波アレイにおける凹部の内周面を、前記死角範囲に向かうように傾斜させることで、死角範囲に対して、高い感度で超音波の送受信を行うことができる。これにより、本適用例の超音波アレイでは、広角な範囲に対する超音波の送受信を行うことができる。

本発明の一適用例に係る電子機器は、上述したような超音波センサーと、前記超音波センサーを制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
本適用例の電子機器は、上述したような超音波センサーを備える。したがって、超音波センサーにより広角な範囲に対して超音波の送受信が可能となり、電子機器における高精度な制御が可能となる。例えば、超音波センサーにより、対象物を検知して、対象物に対して所定の操作処理を実施する場合では、広角な範囲に対して対象物の存在を検知することが可能となり、対象物に対する操作処理を好適に実施できる。

第一実施形態の超音波センサーの概略構成を示す図。 第一実施形態の超音波センサーにおいて、第一センサー部及び第二センサー部の配置位置及び超音波送受エリアを示す図。 第一実施形態の第一センサー部の概略構成を示す断面図。 第一実施形態の第二センサー部の概略構成を示す断面図。 第一実施形態の第二基板の概略構成を示す斜視図である。 第一実施形態の第二トランスデューサーの拡大断面図。 第一実施形態の制御回路部の概略構成を示すブロック図。 従来の超音波アレイを用いて広角範囲に超音波の送受信を行う場合のセンサー構造の一例を示す図。 第二実施形態の第二基板の概略構成を示す断面図。 第二実施形態の第二基板の製造工程の概略を示す図。 第二実施形態の第二基板の製造工程の概略を示す図。 超音波センサーを適用した電子機器としての移動体の概略構成を示す斜視図。 超音波センサーを適用した電子機器としてのロボットの概略構成を示す斜視図。 超音波センサーを適用した電子機器としての超音波診断装置の概略構成を示す斜視図。 変形例における第二基板３１の概略構成を示す斜視図。 第一センサー部及び第二センサー部の配置位置の変形例を示す図。 第一センサー部及び第二センサー部の配置位置の他の変形例を示す図。

［第一実施形態］
以下、第一実施形態に係る超音波センサー１０について説明する。
［１．超音波センサー１０の概略構成］
図１は、本実施形態の超音波センサー１０の概略構成を示す図である。図２は、超音波センサー１０において、第一センサー部２０及び第二センサー部３０の配置位置及び超音波送受エリアを示す図である。
図１に示すように、超音波センサー１０は、ベース基板１１と、第一センサー部２０と、第二センサー部３０と、保護ケース１２と、を備える。
ベース基板１１は、第一センサー部２０及び第二センサー部３０を支持する基板である。ベース基板１１は、図２に示すように、基板中央部に第一センサー部２０を支持する。また、ベース基板１１は、第一センサー部２０の±Ｘ側、及び、±Ｙ側の４方のそれぞれに、第二センサー部３０を支持する。すなわち、本実施形態では、第二センサー部３０は、第一センサー部２０を囲って４つ設けられている。

また、ベース基板１１には、第一センサー部２０及び第二センサー部３０を制御する制御回路部１１Ａが設けられる。この制御回路部１１Ａは、第一センサー部２０及び第二センサー部３０と電気的に接続されるとともに、保護ケース１２に設けられたコネクター１２Ａに接続されている。したがって、制御回路部１１Ａは、コネクター１２Ａを介して、第一センサー部２０や第二センサー部３０から出力される検知信号を、コネクター１２Ａを介して外部機器に出力することができる。

［２．第一センサー部２０の構成］
第一センサー部２０は、ベース基板１１の基板厚み方向から見た平面視で、ベース基板１１の中央部に設けられる。
図３は、第一センサー部２０の概略構成を示す断面図である。
第一センサー部２０は、図３に示すように、第一基板２１と、第一封止板２３と、を備える。
第一基板２１は、超音波を送信する部分であり、第一超音波アレイＡｒ１（図２参照）を構成する複数の超音波トランスデューサー（第一トランスデューサーＴｒ１）を備える。
第一封止板２３は、第一基板２１を補強する基板であるとともに、接合部材（例えば接着剤等）を介してベース基板１１に固定される。
なお、本実施形態では、第一封止板２３がベース基板１１に接合されることで、ベース基板１１上に第一センサー部２０が配置される例を示すが、例えば、第一センサー部２０を制御する回路基板が、第一封止板２３とベース基板１１との間に設けられてもよい。
以下、第一基板２１について、詳細に説明する。

第一基板２１は、超音波が送受信される側の第一面２１Ａと、圧電素子２２が設けられる第二面２１Ｂとが互いに表裏になっており、第一面２１Ａに複数の凹部（第一凹部２１Ｃ）が設けられている。より具体的には、第一基板２１は、複数の貫通孔２１１Ａを有する第一基部２１１と、第一基部２１１の第二面２１Ｂ側に設けられて貫通孔２１１Ａの一端側を閉塞する第一支持膜２１２とを備える。各第一凹部２１Ｃは、貫通孔２１１Ａの内周面（第一内周面２１１Ａ１）と、第一支持膜２１２の貫通孔２１１Ａを閉塞する第一振動部２１２Ａの面（第一凹部２１Ｃの底面２１２Ａ１）と、により構成される。
ここで、第一基板２１では、貫通孔２１１Ａは、例えばＳｉにより構成された第一基部２１１に対して等方性エッチングを行うことで形成される。このため、第一凹部２１Ｃの第一内周面２１１Ａ１は、底面２１２Ａ１の法線に略沿った（略平行となる）面となる。

また、第一支持膜２１２のうち、貫通孔２１１Ａを閉塞する第一振動部２１２Ａには、第一凹部２１Ｃとは反対側の第二面２１Ｂに圧電素子２２が設けられている。
圧電素子２２は、超音波素子に相当し、図３に示すように、第一支持膜２１２側から下部電極２２１、圧電膜２２２、及び上部電極２２３を積層した積層体により構成されている。
このような圧電素子２２では、下部電極２２１及び上部電極２２３の間に所定周波数の矩形波電圧（駆動信号）が印加されることで、圧電膜２２２が撓んで第一振動部２１２Ａが振動し第一凹部２１Ｃ側に超音波が送出される。また、第一凹部２１Ｃ側から超音波が入射されて第一振動部２１２Ａが振動されると、圧電膜２２２の上下で電位差が発生する。これにより、下部電極２２１及び上部電極２２３の間に発生する電位差を検出することで、受信した超音波を検出することが可能となる。

本実施形態では、１つの第一凹部２１Ｃ及び圧電素子２２により１つの超音波トランスデューサー（第一トランスデューサーＴｒ１）が構成される。これらの第一トランスデューサーＴｒ１がＸ方向及びＹ方向に対して格子状に配列されることで、超音波アレイ（第一超音波アレイＡｒ１）が構成される。
この第一超音波アレイＡｒ１において、各第一トランスデューサーＴｒ１の間のピッチ間隔は、第一超音波アレイＡｒ１により送受信される超音波の波長よりも小さい。つまり、本実施形態では、Ｓｉ等により構成された第一基部２１１に対して、ドライエッチング等を用いて貫通孔２１１Ａを形成する。この場合、隣り合う貫通孔２１１Ａのピッチ間隔（第一トランスデューサーＴｒ１のピッチ間隔）を例えば３０μｍ以下に形成することができる。一方、空気中に超音波を出力する場合では、通常、４０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの周波数の超音波が用いられる。よって、当該超音波の波長に対して、十分小さいピッチ間隔で第一トランスデューサーＴｒ１を配置することができ、グレーティングローブの発生を抑制した超音波の送受信が可能となる。

また、本実施形態では、図示は省略するが、下部電極２２１は、それぞれ独立して、制御回路部１１Ａに電気的に接続されている。一方、上部電極２２３は、例えばＸ方向に隣り合う圧電素子２２間で接続され、共通電位が印加される。
すなわち、本実施形態の第一超音波アレイＡｒ１は、各第一トランスデューサーＴｒ１に対する駆動タイミングを制御することで、図２に示すように、第一超音波アレイＡｒ１のアレイ面（底面２１２Ａ１）の法線方向（第一方向Ｄ１）を中心に、所定角度αの範囲（第一送受エリアＳ１）内に対して、超音波の送受信を行うことができる。

ところで、第一超音波アレイＡｒ１における各第一トランスデューサーＴｒ１は、第一凹部２１Ｃの第一内周面２１１Ａ１が、底面２１２Ａ１の法線に沿って形成される。よって、底面２１２Ａ１の振動により生じる超音波は、底面２１２Ａ１の法線方向（第一方向Ｄ１）に出力される。
この場合、各第一トランスデューサーＴｒ１の駆動タイミングを制御して、アレイ面の法線に対して角度α以上の範囲に超音波を送出すると、見かけ上の開口面積（超音波の送受信方向から見た際のアレイ面の面積）が小さくなる。よって、第一超音波アレイＡｒ１では、角度αを超える範囲に対して、超音波の送受信感度が低下する。つまり、送信超音波の音圧が低く、超音波受信時の検出信号の信号値も小さくなる。よって、第一超音波アレイＡｒ１で、送受信感度が低下する領域は、死角範囲となり、当該死角範囲に対して対象物が存在した場合、当該対象物の検知が困難となる。

［３．第二センサー部３０の構成］
上記の様に、第一センサー部２０では、超音波の送受信範囲に死角範囲が存在する。これに対して、本実施形態の超音波センサー１０は、第二超音波アレイＡｒ２を有する第二センサー部３０を設け、第一超音波アレイＡｒ１の死角範囲に対する検出感度を向上させている。
図４は、第二センサー部３０の概略構成を示す断面図である。図５は、第二基板３１の概略構成を示す斜視図である。
第二センサー部３０は、図４に示すように、第二基板３１と、第二封止板３３と、を備える。
第二基板３１は、超音波を送信する部分であり、第二超音波アレイＡｒ２を構成する複数の超音波トランスデューサー（第二トランスデューサーＴｒ２）を備える。
第二封止板３３は、第二基板３１を補強する基板であるとともに、接合部材（例えば接着剤等）を介してベース基板１１に固定される。
なお、本実施形態では、第二封止板３３がベース基板１１に接合されることで、ベース基板１１上に第二センサー部３０が配置される例を示すが、上記第一センサー部２０と同様、例えば、第二センサー部３０を制御する回路基板が、第二封止板３３とベース基板１１との間に設けられてもよい。
以下、第二基板３１について詳細に説明する。

第二基板３１は、超音波が送受信される側の第一面３１Ａと、圧電素子２２が設けられる第二面３１Ｂとが互いに表裏になっており、第一面３１Ａに複数の凹部（第二凹部３１Ｃ）が設けられている。より具体的には、第二基板３１は、複数の貫通孔３１１Ａを有する第二基部３１１と、第二基部３１１の第二面３１Ｂ側に設けられて貫通孔３１１Ａの一端側を閉塞する第二支持膜３１２とを備える。各第二凹部３１Ｃは、貫通孔３１１Ａの内周面（第二内周面３１１Ａ１）と、第二支持膜３１２の貫通孔３１１Ａを閉塞する第二振動部３１２Ａの面（第二凹部３１Ｃの底面３１２Ａ１）と、により構成される。

ここで、第二基板３１では、図４及び図５に示すように、貫通孔３１１Ａの第二内周面３１１Ａ１は、底面３１２Ａ１の法線に対して交差し、所定角度β（４５°＜β＜９０°）で傾斜している。本実施形態では、第二内周面３１１Ａ１は、例えばＳｉにより構成された第二基部３１１に、ＫＯＨを用いて（１１１）面が残るように異方性エッチングを行うことで形成される。
また、図２に示すように、第一センサー部２０の−Ｘ側に配置される第二センサー部３０の第二内周面３１１Ａ１は−Ｘ側に向かって傾斜し、第一センサー部２０の＋Ｘ側に配置される第二センサー部３０の第二内周面３１１Ａ１は＋Ｘ側に向かって傾斜する。また、第一センサー部２０の−Ｙ側に配置される第二センサー部３０の第二内周面３１１Ａ１は−Ｙ側に向かって傾斜し、第一センサー部２０の＋Ｙ側に配置される第二センサー部３０の第二内周面３１１Ａ１は＋Ｙ側に向かって傾斜する。

より具体的には、第二センサー部３０では、底面３１２Ａ１を第二基板３１の厚み方向（Ｚ方向）に投影した際の投影像３１２Ｂが、第二内周面３１１Ａ１内に含まれる。つまり、Ｚ方向から見た平面視において、底面３１２Ａ１全体が、第二凹部３１Ｃの第二内周面３１１Ａ１と重なる位置に位置している。言い換えると、第二基部３１１の厚み寸法は、底面３１２Ａ１の幅寸法をＷとしてＷｔａｎβ以上であり、第二内周面３１１Ａ１の底面３１２Ａ１から第一面３１Ａ側の開口端面３１１Ａ２までの距離がＷ／ｃｏｓβ以上となる。

第二支持膜３１２のうち、貫通孔３１１Ａを閉塞する第二振動部３１２Ａには、第二凹部３１Ｃとは反対側の第二面３１Ｂに圧電素子３２が設けられている。
この圧電素子３２は、超音波素子に相当し、第一センサー部２０に設けられる圧電素子２２と同一構成を有する。つまり、圧電素子３２は、第二支持膜３１２側から下部電極３２１、圧電膜３２２、及び上部電極３２３を積層した積層体により構成されている。
そして、１つの第二凹部３１Ｃ及び圧電素子３２により１つの超音波トランスデューサー（第二トランスデューサーＴｒ２）が構成される。第二センサー部３０では、これらの第二トランスデューサーＴｒ２がＸ方向及びＹ方向に対して格子状に配列されることで、図２に示すような第二超音波アレイＡｒ２が構成される。
また、第二超音波アレイＡｒ２は、第二凹部３１Ｃの第二内周面３１１Ａ１が底面３１２Ａ１に対して傾斜する以外、第一超音波アレイＡｒ１と同様に構成されている。よって、各第二トランスデューサーＴｒ２の間のピッチ間隔は、第二超音波アレイＡｒ２により送受信される超音波の波長よりも小さく、グレーティングローブの発生を抑制した超音波の送受信が可能となる。

図６は、第二トランスデューサーＴｒ２の拡大断面図である。
このような第二センサー部３０の第二トランスデューサーＴｒ２では、圧電素子３２を駆動させると、第二振動部３１２Ａが駆動され、図６に示すように、底面３１２Ａ１の法線方向に超音波が出力される。そして、当該超音波は、底面３１２Ａ１の法線方向に位置する第二内周面３１１Ａ１に到達すると、当該第二内周面３１１Ａ１の法線に対して角度β（底面３１２Ａ１の法線に対して２β）で反射される。本実施形態では、角度βが４５°＜β＜９０°であるので、超音波は、第二凹部３１Ｃから、第二内周面３１１Ａ１に沿って、底面３１２Ａ１から離れる側に、底面３１２Ａ１の法線に対して傾斜して進行する。

したがって、複数の第二トランスデューサーＴｒ２により構成される第二超音波アレイＡｒ２では、各第二トランスデューサーＴｒ２に対する駆動タイミングを制御することで、第二超音波アレイＡｒ２のアレイ面（底面３１２Ａ１）の法線方向に対して２βだけ傾斜した方向を中心に、所定角度γ（図２参照）の範囲内に対して、超音波の送受信を行うことができる。
また、第二センサー部３０は、第一センサー部２０の周囲４方向を囲って設けられているので、図２に示すように、第一センサー部２０による第一送受エリアＳ１の死角範囲に、第二送受エリアＳ２〜第五送受エリアＳ５が形成される。すなわち、第一センサー部２０の−Ｘ側に位置する第二センサー部３０により第二送受エリアＳ２が形成され、＋Ｘ側に位置する第二センサー部３０により第三送受エリアＳ３が形成され、−Ｙ側に位置する第二センサー部３０により第四送受エリアＳ４が形成され、＋Ｙ側に位置する第二センサー部３０により第五送受エリアＳ５が形成される。
これにより、超音波センサー１０における超音波の送受信範囲を広角に広げることが可能となる。

［制御回路部１１Ａの構成］
ベース基板１１は、上述したように第一センサー部２０、各第二センサー部３０、及びコネクター１２Ａに接続される制御回路部１１Ａを備える。
図７は、第一実施形態における制御回路部１１Ａの概略構成を示すブロック図である。
制御回路部１１Ａは、第一センサー部２０の各第一トランスデューサーＴｒ１を制御する第一制御回路１１Ａ１、各第二センサー部３０の各第二トランスデューサーＴｒ２に対応する第二制御回路１１Ｂ１〜１１Ｂ４を備える。

第一制御回路１１Ａ１は、第一トランスデューサーＴｒ１の駆動タイミングを制御することで、超音波ビームの送受信方向を、第一方向Ｄ１を中心として、角度αの範囲内に走査させる。これにより、第一送受エリアＳ１における対象物の位置を検出することが可能となる。
第二制御回路１１Ｂ１は、−Ｘ側に配置された第二センサー部３０の各第二トランスデューサーＴｒ２の駆動タイミングを制御する。これにより、超音波ビームの送受信方向を、第二方向Ｄ２を中心として、角度γの範囲内に走査させ、第二送受エリアＳ２における対象物の位置を検出することが可能となる。
第二制御回路１１Ｂ２は、＋Ｘ側に配置された第二センサー部３０の各第二トランスデューサーＴｒ２の駆動タイミングを制御する。これにより、超音波ビームの送受信方向を、第三方向Ｄ３を中心として、角度γの範囲内に走査させ、第三送受エリアＳ３における対象物の位置を検出することが可能となる。
第二制御回路１１Ｂ３は、−Ｙ側に配置された第二センサー部３０の各第二トランスデューサーＴｒ２の駆動タイミングを制御する。これにより、超音波ビームの送受信方向を、第四方向Ｄ４を中心として、角度γの範囲内に走査させ、第四送受エリアＳ４における対象物の位置を検出することが可能となる。
第二制御回路１１Ｂ４は、＋Ｙ側に配置された第二センサー部３０の各第二トランスデューサーＴｒ２の駆動タイミングを制御する。これにより、超音波ビームの送受信方向を、第五方向Ｄ５を中心として、角度γの範囲内に走査させ、第五送受エリアＳ５における対象物の位置を検出することが可能となる。

［４．本実施形態の作用効果］
本実施形態の超音波センサー１０は、第一超音波アレイＡｒ１を有する第一センサー部２０と、第二超音波アレイＡｒ２を有する第二センサー部３０とを備える。第一センサー部２０は、第一面２１Ａに複数の第一凹部２１Ｃが設けられ、第二面２１Ｂに第一凹部２１Ｃと重なる位置に圧電素子２２が設けられた第一基板２１を有する。そして、第一凹部２１Ｃの第一内周面２１１Ａ１は、底面２１２Ａ１の法線方向と平行な面となる。一方、第二センサー部３０は、第一面３１Ａに複数の第二凹部３１Ｃが設けられ、第二面３１Ｂに第二凹部３１Ｃと重なる位置に圧電素子３２が設けられた第二基板３１を有する。そして、第二凹部３１Ｃの第二内周面３１１Ａ１は、底面３１２Ａ１の法線方向に対して角度βで傾斜している。
このような構成の超音波センサー１０では、第一センサー部２０の第一超音波アレイＡｒ１により、アレイ面（底面２１２Ａ１）の法線方向（第一方向Ｄ１）を中心とした角度αの第一送受エリアＳ１に対して超音波の送受信を行うことができる。一方、第一送受エリアＳ１では、角度αを超える範囲が死角範囲となり、当該死角範囲に対して精度の高い超音波の送受信を実施できない。

これに対して、第二センサー部３０の第二超音波アレイＡｒ２は、第二内周面３１１Ａ１が底面３１２Ａ１に対して傾斜している。このため、超音波の送信時において、底面３１２Ａ１を含む第二振動部３１２Ａが振動されると、法線方向に出力された超音波が第二内周面３１１Ａ１で反射される。これにより、第二内周面３１１Ａ１の傾斜方向に応じた角度（底面３１２Ａ１の法線に対して２βとなる角度）で超音波が送信される。また、当該超音波が送信される方向から、超音波が第二凹部３１Ｃ内に入射すると、第二内周面３１１Ａ１で反射されて底面３１２Ａ１に到達し、超音波が受信される。
また、本実施形態では、第二内周面３１１Ａ１が、第一センサー部２０の死角範囲に向かって傾斜している。よって、上記第一センサー部２０における死角範囲に対して、第二センサー部３０による超音波の送受信可能なエリア（第二送受エリアＳ２〜第五送受エリアＳ５）を重ねることができる。これにより、超音波センサー１０により、広角な範囲に対して超音波を送受信することができる。

第二センサー部３０は、第一センサー部２０の周囲を囲って、第一センサー部２０の±Ｘ側、±Ｙ側にそれぞれ設けられている。これにより、第一センサー部２０における±Ｘ側の死角範囲、±Ｙ側の死角範囲を、各第二センサー部３０によりカバーすることができる。
なお、図８に示すように、第一超音波アレイＡｒ１のような従来の超音波アレイのみを用いて、広角な範囲に対する超音波の送受信を行うことも可能である。しかしながら、この場合、図８に示すようにくさび型のベース部材９０を用いる必要が生じる。よって、超音波センサーの厚み寸法が増大してしまう。
これに対して、本実施形態では、第一センサー部２０の第一基板２１と同一平面上に、第二センサー部３０の第二基板３１を配置することができる。このため、図８に示すような従来の構成に比べて、超音波センサー１０を薄型化することができる。

本実施形態では、第二センサー部３０において、底面３１２Ａ１の法線方向への投影像３１２Ｂが、第二内周面３１１Ａ１に含まれる。このため、底面３１２Ａ１を含む第二振動部３１２Ａの振動により発生する超音波のうち、底面３１２Ａ１の法線方向に向かう超音波が第二内周面３１１Ａ１により反射されて、第二超音波アレイＡｒ２から送信される。つまり、第二超音波アレイＡｒ２から、底面３１２Ａ１の法線方向に送信される超音波が少なくなり、第二内周面３１１Ａ１の傾斜方向に応じた角度に送信される超音波が多くなる。また、底面３１２Ａ１の法線方向から入射する超音波も第二内周面３１１Ａ１に反射される。これにより、第二超音波アレイＡｒ２における超音波の送受信方向を、第二凹部３１Ｃの第二内周面３１１Ａ１に応じた方向に絞ることができ、方位分解能を向上させることができる。

［第二実施形態］
次に、第二実施形態について説明する。
上述した第一実施形態では、第二センサー部３０の第二基板３１は、底面３１２Ａ１の面積と、第二凹部３１Ｃの開口端面３１１Ａ２の面積を同一面積とした。これに対して、第二実施形態は、第二凹部の開口端面の面積が底面と異なる点で上記第一実施形態と相違する。なお、以降の説明に辺り、既に説明した構成については同符号を付し、その説明を省略又は簡略化する。

［第二基板３１の構成］
図９は、第二実施形態の第二センサー部３０の第二基板３１の概略構成を示す断面図である。
本実施形態では、第二基板３１の第二凹部３１Ｄは、底面３１２Ａ１の外周縁から連続する第三内周面３１１Ａ３を有する底側凹部３１Ｄ１と、底側凹部３１Ｄ１の＋Ｚ側（超音波の送信側）で底面３１２Ａ１に対して傾斜する第四内周面３１１Ａ４を有する筒状部３１Ｄ２とを備える。
底側凹部３１Ｄ１の第三内周面３１１Ａ３は、底面３１２Ａ１の法線と平行な面となる。また、底側凹部３１Ｄ１の＋Ｚ側端部には、第一センサー部２０から離れる方向（例えば第二センサー部３０では−Ｘ側）に延出する段差部３１Ｄ３が設けられる。
筒状部３１Ｄ２は、第一センサー部２０に近い一端側において、底側凹部３１Ｄ１の開口端３１Ｄ４から第四内周面３１１Ａ４が延出し、第一センサー部２０から離れる他端側において段差部３１Ｄ３から第四内周面３１１Ａ４が延出する開口となる。筒状部３１Ｄ２の第四内周面３１１Ａ４は、第一実施形態の第二内周面３１１Ａ１と同様、底面３１２Ａ１に対して、角度β（４５°＜β＜９０°）で傾斜する。
また、本実施形態では、底面３１２Ａ１を法線方向に投影した投影像３１２Ｂは、筒状部３１Ｄ２の第四内周面３１１Ａ４に含まれる。

このような第二凹部３１Ｄを有する第二基板３１では、第二凹部３１Ｄの底面３１２Ａ１の面積Ｍ１に対して、第二凹部３１Ｄの開口端面３１Ｄ５の面積Ｍ２が大きくなる。つまり、第二凹部３１Ｄは、底面３１２Ａから開口端面３１Ｄ５に向かって裾広がりに開口している。
この場合、図９に示すように、第二振動部３１２Ａの振動により出力された超音波は、法線方向において、筒状部３１Ｄ２の第一センサー部２０側の第四内周面３１１Ａ４により反射される。そして、筒状部３１Ｄ２の開口端面３１Ｄ５から反射角に応じた方向で、底面３１２Ａ１の法線に対して傾斜する方向に送信される。この際、互いに対向する第四内周面３１１Ａ４の間の寸法が、互いに対向する第三内周面３１１Ａ３の間の寸法よりも大きい。よって、第一センサー部２０に近い側の第四内周面３１１Ａ４で反射された超音波のうち、第一センサー部２０から遠い側の第四内周面３１１Ａ４で再反射される超音波が少なくなる。これにより、第二センサー部３０から出力される超音波の音圧を大きくすることができる。

［第二基板３１の製造方法］
次に、上述のような第二基板３１の製造方法について説明する。図１０及び図１１は、第二実施形態における第二基板３１の製造における各工程の概略を示す図である。
第二基板３１を製造するには、先ず、面方位を（１１２）を軸として所定角度βだけ傾けたＳｉにより構成されたウェハー４０を用意する。そして、図１０の１番目に示すように、ウェハー４０の表面を熱酸化処理し、表面にＳｉＯ_２の膜層４１を形成する。

次に、図１０の２番目に示すように、ウェハー４０の第二面３１Ｂ側のＳｉＯ_２の膜層４１のうち、第二振動部３１２Ａの形成位置にレジストパターンを形成し、第二振動部３１２Ａ以外の領域における膜層４１をエッチングにより除去する。
この後、ウェハー４０の第二面３１Ｂ側から等方性エッチング（例えばドライエッチング等）を行い、図１０の３番目に示すように、第二面３１Ｂ側に対して法線方向に凹溝４２を形成する。この際、当該凹溝４２の溝深さが底側凹部３１Ｄ１の溝深さとなるように、エッチングを行う。

次に、図１０の４番目に示すように、ウェハー４０の第二面３１Ｂ側を熱酸化処理して、ＳｉＯ_２の熱酸化膜４３を形成する。さらに、ウェハー４０の第二面３１Ｂ側の研削し、図１０の５番目に示すように、所定厚み寸法の第二振動部３１２Ａを有する第二支持膜３１２を形成する。
そして、図１０の６番目に示すように、ウェハー４０の第二面３１Ｂ上で、第二振動部３１２Ａと重なる位置に、下部電極３２１、圧電膜３２２、及び上部電極３２３を積層した圧電素子３２を形成する。

この後、図１１の１番目に示すように、第二基板３１の厚み寸法となるように、ウェハー４０を第一面３１Ａ側から研削する。また、この際、ウェハー４０の側面も研削してもよい。これにより、ウェハー４０の第一面３１Ａ側からＳｉが露出される。この際、後の筒状部３１Ｄ２を形成する際に、第四内周面３１１Ａ４が、底側凹部３１Ｄ１の開口端３１Ｄ４に一致するように、第二基板３１の厚み寸法を制御する。

次に、図１１の２番目に示すように、ウェハー４０の第一面３１Ａ側に、筒状部３１Ｄ２を形成するためのレジストパターン４４を形成する。この際、後の筒状部３１Ｄ２を形成する際に、第四内周面３１１Ａ４が、底側凹部３１Ｄ１の開口端３１Ｄ４に一致するように、レジストパターン４４の位置調整を行う。

そして、ＫＯＨを用いて、ウェハー４０を第一面３１Ａ側からＳｉを異方性エッチングする。この際、ウェハー４０は、面方位を（１１２）を軸として角度βだけ傾けて配置されているので、図１１の３〜５番目に示すように、（１１１）面に沿ってエッチングが進む。ＳｉＯ_２の熱酸化膜４３をエッチングストッパーとして、異方性エッチングを行うことで、図１１の５番目に示すように、底側凹部３１Ｄ１及び筒状部３１Ｄ２を有する第二凹部３１Ｄが形成される。
この後、図１１の６番目に示すように、レジストパターン４４を除去することで、第二基板３１が形成される。

［本実施形態の作用効果］
本実施形態では、第二凹部３１Ｄの第一面３１Ａ側の開口端面３１Ｄ５の開口面積Ｍ２は、底面３１２Ａ１の面積Ｍ１よりも大きい。
このため、図９に示すように、第二振動部３１２Ａの振動により出力された超音波は、第四内周面３１１Ａ４で反射され、その後、対向する第四内周面３１１Ａ４で再反射されることなく、開口端面３１Ｄ５から外部に送信される。また、このため、送信超音波の音圧を上げることができる。
また、第四内周面３１１Ａ４の傾斜方向から入射した超音波は、広い面積の開口端面３１Ｄ５から第二トランスデューサーＴｒ２内に入射し、入射された超音波が第四内周面３１１Ａ４にて反射されることで、第二振動部３１２Ａに到達する。すなわち、より多くの超音波を第二振動部３１２Ａにて受信することができ、受信感度を高めることができる。

［第三実施形態］
次に、上述した第一及び第二実施形態の超音波センサー１０を適用した電子機器について説明する。

［超音波センサー１０を適用した移動体］
図１２は、超音波センサー１０を適用した電子機器としての移動体（自動車１０１）の概略構成を示す斜視図である。
本適用例では、自動車１０１のバンパー１０２に超音波センサー１０が設けられている。この超音波センサー１０は、例えば、自動車１０１の周囲（例えば前後左右）に対して、超音波を送信し、自動車１０１の周囲に存在する障害物により反射された超音波を検出する。

また、自動車１０１には、車体１０３に電子制御ユニット１０４（制御部）が設けられている。この電子制御ユニット１０４は、超音波センサー１０から入力される検出信号により、自動車１０１の周囲の障害物を検出して、危険回避処理等の各種処理を実施する。例えば、超音波センサー１０からの検出信号に基づいて、自動車１０１の自動走行（無人運転）をサポートする。例えば、電子制御ユニット１０４は、所定距離内の障害物が検知された場合、自動車１０１の移動を緊急停止させる。
また、電子制御ユニット１０４は、自動車１０１を後退させる場合等において、超音波センサー１０からの検出信号に基づいて障害物を検知すると、危険を知らせる報知情報（音声や画像等）を出力してもよい。
この際、超音波センサー１０は、上述したように第一送受エリアＳ１に加えて、第二送受エリアＳ２〜第五送受エリアＳ５を含む範囲に対して超音波の送受信を行うことができるので、第一送受エリアＳ１の死角範囲を小さくすることができる。これにより、電子制御ユニット１０４は、自動車１０１における自動走行や危険報知等において、広角な範囲に対して障害物があるか等を精度よく検出することができる。

また、図１２に示す例は、自動車１０１の例であるが、航空機や、船舶や潜水艇等においても適用することができる。
例えば、船舶や潜水艇等においては、船首部等の進行方向先端部に超音波センサー１０を設け、海底や岩壁等を検知することで、座礁等の危険を回避することが可能となる。また、漁船等において魚群を探知することもできる。

［超音波センサー１０を適用したロボット］
図１３は、超音波センサー１０を適用した電子機器としてのロボット１１０（例えば産業用ロボット）の概略構成を示す斜視図である。
ロボット１１０は、本体部１１１、アーム部１１２、ハンド部１１３を備えたロボットである。このロボット１１０は、例えば、アーム部１１２によりハンド部１１３を所定位置に移動させ、ハンド部１１３により作業対象に対して所定の処理（例えば、作業対象の把持や加工等）を実施する、産業用ロボットである。
このロボット１１０は、例えば、本体部１１１に超音波センサー１０と、制御部１１４とが設けられ、超音波センサー１０により作業対象の位置を検出してアーム部１１２の移動やハンド部１１３による処理を制御する。
この際、超音波センサー１０は、上述したように第一送受エリアＳ１に加えて、第二送受エリアＳ２〜第五送受エリアＳ５を含む範囲に対して超音波の送受信を行うことができるので、第一送受エリアＳ１の死角範囲を小さくすることができる。よって、制御部１１４は、作業対象の位置、作業対象の周囲の障害物を精度よく検出することができる。これにより、アーム部１１２やハンド部１１３を作業対象や障害物に衝突させないように移動させたり、ハンド部１１３により、作業対象に対する適正な処理を実施したりすることが可能となる。

［超音波センサー１０を適用した超音波診断装置］
図１４は、超音波センサー１０を適用した電子機器としての超音波診断装置１２０の概略構成を示す図である。
超音波診断装置１２０は、超音波プローブ１２１と、超音波プローブ１２１を制御する制御装置１２２（制御部）とを備える。
超音波プローブ１２１には、超音波センサー１０が格納されており、超音波プローブ１２１を測定対象に接触させることで、測定対象の超音波測定を実施する。そして、制御装置１２２は、超音波センサー１０から入力された超音波測定結果に基づいて、例えば、測定対象の内部断層像を形成して表示させる。
この際、超音波センサー１０は、上述したように第一送受エリアＳ１に加えて、第二送受エリアＳ２〜第五送受エリアＳ５を含む範囲に対して超音波の送受信を行うことができるので、第一送受エリアＳ１の死角範囲を小さくすることができる。よって、制御装置１２２は、超音波プローブ１２１からの受信信号に基づいて、測定対象の広い範囲に対する内部断層像を精度よく形成することができる。また、グレーティングローブによる所謂アーチファクトの発生をも抑制でき、精度の高い内部断層像を表示させることができる。

［変形例］
なお、本発明は上述の各実施形態及び変形例に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良、及び各実施形態を適宜組み合わせる等によって得られる構成は本発明に含まれるものである。

上記第一実施形態では、１つの凹部に対して１つの圧電素子２２が設けられる構成を例示したが、これに限定されない。
図１５は、第一実施形態の変形例における第二基板３１の概略構成を示す斜視図である。図１５に示すように、第二基板３１は、一方向（例えばＹ方向）に長手状の貫通孔３１１Ｃを備える構成としてもよい。この場合、当該貫通孔３１１Ｃを閉塞する第二支持膜３１２の第二面３１Ｂ上に複数の圧電素子３２を配置してもよい。これにより、１つの第二凹部３１Ｃに、複数の第二トランスデューサーＴｒ２が配置される構成となる。

第一実施形態では、第一センサー部２０の±Ｘ側及び±Ｙ側にそれぞれ、傾斜方向が第一センサー部２０から離れる方向となる第二センサー部３０を配置する例を示したが、これに限定されない。
図１６及び図１７は、第一センサー部２０及び第二センサー部３０の他の配置例を示す図である。
例えば、図１６に示すように、平面視六角形状の第一センサー部２０の６辺に対向するように、第二センサー部３０を配置してもよい。また、図１７に示すように、第一センサー部２０が、平面視円形状や楕円形状に形成される場合は、第二センサー部３０として、第一センサー部２０の外周の一部に沿った円弧に形成してもよい。
いずれの場合でも、各第二センサー部３０の第二内周面３１１Ａ１を、底面３１２Ａ１から離れるに従って、第一センサー部２０から離れる方向に傾斜させる。これにより、上記実施形態と同様、各第二センサー部３０での超音波の送受信を行う送受信エリアを、第一センサー部２０による第一送受エリアＳ１の死角範囲に設定することで、広角な範囲に対する超音波の送受信を行うことができる。

また、第一実施形態や、図１６及び図１７の例において、第一センサー部２０が、第一超音波アレイＡｒ１が２次元アレイである例であるが、例えばＸ方向に対して超音波を走査する、１次元アレイであってもよい。この場合、第二センサー部３０として、第一センサー部２０の±Ｘ側に配置すればよい。

第二実施形態において、第二凹部３１Ｄの筒状部３１Ｄ２が、開口端面３１Ｄ５から、段差部３１Ｄ３まで、開口径寸法が略同一となる（内周円筒状となる）形状を一例として示したが、これに限定されない。例えば、底側凹部３１Ｄ１の端部から、第二凹部３１Ｄの開口端面３１Ｄ５に向かうに従って、開口径寸法が漸増する内周略円錐状となる形状としてもよい。

上記実施形態では、第二凹部３１Ｃにおいて、底面３１２Ａ１を法線方向に投影した際に、投影像３１２Ｂが第二内周面３１１Ａ１に含まれる例を示したが、これに限定されない。例えば、投影像３１２Ｂの一部が、第二内周面３１１Ａ１に含まれず、開口端面から露出してもよい。

第三実施形態において、超音波センサー１０を適用した電子機器として、移動体（自動車１０１）、ロボット１１０、及び超音波診断装置１２０を例示したが、これに限定されず、周囲の物体を検知して処理を実施する如何なる電子機器に対しても適用することができる。

その他、本発明の実施の際の具体的な構造は、本発明の目的を達成できる範囲で上記各実施形態及び変形例を適宜組み合わせることで構成してもよく、また他の構造などに適宜変更してもよい。

１０…超音波センサー、１１…ベース基板、１１Ａ…制御回路部、２０…第一センサー部、２１…第一基板、２１Ａ…第一面、２１Ｂ…第二面、２１Ｃ…第一凹部、２２…圧電素子（超音波素子）、３０…第二センサー部、３１…第二基板、３１Ａ…第一面、３１Ｂ…第二面、３１Ｃ…第二凹部、３１Ｄ…第二凹部、３１Ｄ１…底側凹部、３１Ｄ２…筒状部、３１Ｄ３…段差部、３１Ｄ４…開口端、３１Ｄ５…開口端面、３２…圧電素子、３３…第二封止板、４０…ウェハー、４１…膜層、４２…凹溝、４３…熱酸化膜、４４…レジストパターン、１０１…自動車（電子機器）、１０４…電子制御ユニット（制御部）、１１０…ロボット（電子機器）、１１４…制御部、１２０…超音波診断装置（電子機器）、１２１…超音波プローブ、１２２…制御装置（制御部）、２１１…第一基部、２１１Ａ…貫通孔、２１１Ａ１…第一内周面、２１２…第一支持膜、２１２Ａ…第一振動部、２１２Ａ１…底面、３１１…第二基部、３１１Ａ…貫通孔、３１１Ａ１…第二内周面、３１１Ａ２…開口端面、３１１Ａ３…第三内周面、３１１Ａ４…第四内周面、３１１Ｃ…貫通孔、３１２…第二支持膜、３１２Ａ…第二振動部、３１２Ａ１…底面、３１２Ｂ…投影像、Ａｒ１…第一超音波アレイ、Ａｒ２…第二超音波アレイ、Ｔｒ１…第一トランスデューサー、Ｔｒ２…第二トランスデューサー。

Claims (6)

1. 複数の凹部が設けられた面と複数の超音波素子が設けられた面とが互いに表裏となる基板を備え、
   前記超音波素子は、前記基板の厚み方向から見て、前記凹部と重なる位置に設けられ、
   前記凹部の底面の法線は、前記凹部の内周面と交差する
   ことを特徴とする超音波アレイ。
2. 請求項１に記載の超音波アレイにおいて、
   前記底面を当該底面の法線方向に投影した際に、投影像が前記内周面に含まれる
   ことを特徴とする超音波アレイ。
3. 請求項１又は請求項２に記載の超音波アレイにおいて、
   前記凹部は、裾広がりに開口している
   ことを特徴とする超音波アレイ。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波アレイを複数含む
   ことを特徴とする超音波センサー。
5. 請求項４に記載の超音波センサーにおいて、
   複数の凹部が設けられた面と複数の超音波素子が設けられた面とが互いに表裏となる基板を備え、前記基板の厚み方向から見て、前記凹部と前記超音波素子とが重なる位置に設けられ、前記凹部の内周面が前記凹部の底面の法線方向に沿う超音波アレイをさらに含む
   ことを特徴とする超音波センサー。
6. 請求項４又は請求項５に記載の超音波センサーと、
   前記超音波センサーを制御する制御部と、を備える
   ことを特徴とする電子機器。

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