JP2019080249A

JP2019080249A - 超音波デバイス、及び超音波測定装置

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Publication number: JP2019080249A
Application number: JP2017207578A
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Inventors: 栄治大澤; Eiji Osawa
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Current assignee: Seiko Epson Corp
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Filing date: 2017-10-26
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Abstract

【課題】超音波の送受信効率が高い超音波デバイス、超音波モジュール、及び超音波測定装置を提供する。【解決手段】超音波デバイスは、第一開口と第二開口とを有する基板と、前記基板に設けられ、前記第一開口及び前記第二開口を閉塞する支持膜と、前記支持膜において前記基板の厚み方向から見た際に前記第一開口と重なる位置に設けられ、前記基板の厚み方向において一対の電極に挟まれた送信用圧電膜と、前記支持膜において前記基板の厚み方向から見た際に前記第二開口と重なる位置に設けられ、前記基板の厚み方向において一対の電極に挟まれた受信用圧電膜と、を備え、前記基板の厚み方向に対する前記送信用圧電膜の厚み寸法は、前記受信用圧電膜の厚み寸法よりも大きい。【選択図】図３

Description

本発明は、超音波デバイス、及び超音波測定装置等に関する。

従来、超音波の送信処理及び受信処理を行う超音波トランスデューサーとして、一対の電極により挟まれた圧電体を備え、電極間に電圧を印加して圧電体自身を振動させて超音波を送信したり、超音波が入力された圧電体からの出力電圧を検出することで超音波を受信したりする、いわゆるバルク型の圧電体を用いた超音波トランスデューサーが知られている。
しかしながら、このようなバルク型の圧電体では、圧電体の厚み寸法を厚く形成する必要があり、薄型化や小型化が困難となる。

これに対して、開口を有する支持体の前記開口を覆うように設けられた振動膜と、振動膜上に設けられ、一対の電極により挟まれた圧電膜とにより構成された、薄膜型の圧電膜を用いた超音波トランスデューサーが知られている（例えば、特許文献１参照）。
このような超音波トランスデューサーでは、電極間への電圧印加によって振動膜を振動させて超音波を送信し、振動膜の振動により圧電膜からの出力電圧により超音波の受信を検出する。このような薄膜型の圧電体により振動膜を振動させる超音波トランスデューサーでは、バルク型の超音波トランスデューサーに比べて、超音波の送受信方向に対する厚み寸法を大幅に縮小でき、超音波測定装置の薄型化及び小型化を図ることができる。

特開２００２−２７１８９７号公報

ところで、薄膜型の超音波トランスデューサーでは、振動膜の振動により超音波を送信させた後、反射された超音波により振動される振動膜により圧電膜が歪むことで超音波の受信を検出する。この場合、超音波を送信させる際には、振動膜を大きく変位させることで高出力の超音波を出力し、超音波を受信する際には、振動膜の振動が小さい場合でも高感度に振動を検出して超音波の受信を検出する必要がある。したがって、それぞれの機能に応じた特性となるように、送信用の超音波トランスデューサーと受信用の超音波トランスデューサーとを構成する必要がある。したがって、上記特許文献１に記載のような超音波トランスデューサーを送受兼用の超音波トランスデューサーとしたり、送信用と受信用とで同一構成の超音波トランスデューサーを用いたりすると、超音波の送受信効率が低下するとの課題がある。

本発明は、超音波の送受信効率が高い超音波デバイス、及び超音波測定装置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デバイスは、第一開口と第二開口とを有する基板と、前記基板に設けられ、前記第一開口及び前記第二開口を閉塞する支持膜と、前記支持膜において前記基板の厚み方向から見た際に前記第一開口と重なる位置に設けられ、前記基板の厚み方向において一対の電極に挟まれた送信用圧電膜と、前記支持膜において前記基板の厚み方向から見た際に前記第二開口と重なる位置に設けられ、前記基板の厚み方向において一対の電極に挟まれた受信用圧電膜と、を備え、前記基板の厚み方向に対する前記送信用圧電膜の厚み寸法は、前記受信用圧電膜の厚み寸法よりも大きいことを特徴とする。

本適用例では、超音波デバイスは、第一開口部を閉塞する支持膜と、送信用圧電膜と、当該送信用圧電膜を挟み込む一対の電極とにより送信用の超音波トランスデューサー（送信トランスデューサー）が構成される。また、第二開口部を閉塞する支持膜と、受信用圧電膜と、当該受信用圧電膜を挟み込む一対の電極とにより受信用の超音波トランスデューサー（受信トランスデューサー）が構成される。そして、送信トランスデューサーを構成する送信用圧電膜は、受信トランスデューサーを構成する受信用圧電膜の厚み寸法よりも大きく形成されている。
このような構成では、送信トランスデューサーと、受信トランスデューサーとがそれぞれ別体として設けられているので、送信トランスデューサーにおいては、超音波の送信に適した特性とし、受信トランスデューサーにおいては、超音波の受信に適した特性とすることができる。よって、１つの超音波トランスデューサーで、超音波の送信及び受信を行う場合に比べて、超音波の送受信効率を向上させることができる。つまり、超音波の送信においては、音圧の高い超音波を送信することができ、超音波の受信においては、高い受信効率で、高精度に超音波を受信できる。

ところで、送信トランスデューサーでは、所定の印加電界に対して出力される超音波は、送信用圧電膜の厚み寸法が大きい程、大きい音圧が出力される。すなわち、送信トランスデューサーでは、超音波の送信効率を向上させるために、送信用圧電膜の厚み寸法を大きくすることが好ましい。
一方、受信トランスデューサーにおいて、音源からの所定の音圧に対する受信用圧電膜の変位量は、受信用圧電膜の厚み寸法が小さい程大きくなり、受信用圧電膜から出力される信号値も大きくなる。すなわち、受信トランスデューサーでは、超音波の受信効率を向上させるために、受信用圧電膜の厚み寸法を小さくすることが好ましい。
本適用例では、送信用圧電膜が、受信用圧電膜よりも厚み寸法が大きくなるように構成されている。つまり、１つの超音波トランスデューサーにより超音波の送受信を行う場合、或いは、同じ厚み寸法の圧電膜を用いて、送信用のトランスデューサーと受信用のトランスデューサーとを構成する場合等に比べて、送信トランスデューサーにおける超音波の送信効率を高く、受信トランスデューサーにおける超音波の受信効率を高くすることができ、超音波デバイスにおける送受信効率の向上を図れる。

本適用例の超音波デバイスにおいて、前記基板の厚み方向から見た際に、前記送信用圧電膜と当該送信用圧電膜を挟み込む前記一対の電極とが重なる面積を第一面積とし、前記受信用圧電膜と当該受信用圧電膜を挟み込む前記一対の電極とが重なる面積を第二面積とした際に、前記第二面積は前記第一面積よりも小さいことが好ましい。

超音波を受信した際に受信トランスデューサーから出力される受信信号は、受信用圧電膜が変形した際に発生する、当該受信用圧電膜を挟み込む一対の電極間の電位差となる。この電位差は、電極間の静電容量に対して反比例し、静電容量を小さくする程、電位差が大きくなる。また、電極間の静電容量は電極面積に比例し、電極面積が小さい程、静電容量は小さくなる。
本適用例では、基板の厚み方向から見た平面視において、受信用圧電膜と一対の電極とが重なる第二面積（電極面積）が、送信用圧電膜と一対の電極とが重なる第一面積（電極面積）よりも小さくなる。このため、受信トランスデューサーにおける電極間の静電容量が小さくなるので、受信トランスデューサーにおいて、超音波を受信した際の受信信号の電圧が大きくなり、受信効率の更なる向上を図れる。

本適用例の超音波デバイスにおいて、前記受信用圧電膜と、前記第一の前記受信用圧電膜を挟み込む一対の電極とにより構成される受信トランスデューサーが複数設けられ、複数の前記受信トランスデューサーは、直列接続されていることが好ましい。

本適用例では、複数の受信トランスデューサーが直列接続される。
このように、複数の受信トランスデューサーを直列接続すると、これらの各受信トランスデューサーで受信された受信信号が加算されて出力されることになり、受信信号の電圧を上げることができる。言い換えると、直列接続された複数の受信トランスデューサーにより１つの受信素子群が形成され、当該受信素子群における見かけ上の静電容量が、直列接続される受信トランスデューサーの数に応じて小さくなるので、受信信号の電圧を上げることができる。

本発明の一適用例に係る超音波測定装置は、上述したような超音波デバイスと、前記超音波デバイスを制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。
本適用例では、上述したように、超音波デバイスにおける送受信効率を向上させることができる。したがって、このような超音波デバイスを制御部により制御することで、送受信効率の高い超音波の送受信処理を実施でき、その結果に基づいて精度の高い超音波測定を実施できる。

本発明の第一実施形態に係る超音波デバイスの概略構成を示す図。第一実施形態の超音波デバイスの一部を拡大した拡大平面図。図２におけるＢ−Ｂ線に沿った超音波デバイスの断面図。送信用圧電膜の厚み寸法と、送信トランスデューサーから出力される超音波の音圧との関係を示す図。受信用圧電膜の厚み寸法と、受信トランスデューサーで超音波を受信した際の第二振動部の変位量との関係を示す図。本発明の第二実施形態に係る超音波デバイスの一部を拡大した拡大平面図。本発明の第三実施形態に係る超音波デバイスの一部を拡大した拡大平面図。図７におけるＣ−Ｃ線に沿った超音波デバイスの断面図。第三実施形態の超音波デバイス１０Ｂの概略回路図。本発明の第四実施形態に係る距離センサーの概略構成を示すブロック図。

［第一実施形態］
以下、本発明の一実施形態に係る超音デバイスについて、図面に基づいて説明する。
図１は、超音波デバイス１０の概略構成を示す図である。なお、図１では、説明の便宜上、超音波トランスデューサー（送信トランスデューサー１１１，受信トランスデューサー１２１）の数を減らして表示しているが、実際にはより多くの超音波トランスデューサーがＹ方向及びＸ方向に沿って配置されている。
ここで、以下の説明において、超音波デバイス１０の厚み方向をＺ方向とし、Ｚ方向に対して直交する２軸方向を、それぞれＸ軸及びＹ軸とする。
超音波デバイス１０は、図１に示すように、Ｚ方向を厚み方向とした例えば矩形平板状に形成されており、ＸＹ平面内に、超音波送信部１１と、超音波受信部１２と、信号電極線ＳＬと、コモン電極線ＣＬと、第一信号端子ＳＡと、第二信号端子ＳＢと、コモン端子ＣＡと、が配置されて構成されている。そして、この超音波デバイス１０は、超音波送信部１１により、空気等の媒質に超音波を送信し、超音波受信部１２により、空気中を伝搬して入力された超音波を受信する。

超音波送信部１１には、送信用の超音波トランスデューサー（以降、送信トランスデューサー１１１と略す）が複数設けられ、これら複数の送信トランスデューサー１１１が、Ｙ方向に沿って配置されて構成される。
超音波受信部１２には、受信用の超音波トランスデューサー（以降、受信トランスデューサー１２１と略す）が複数設けられ、これら複数の受信トランスデューサー１２１が、Ｙ方向に沿って配置されて構成される。
本実施形態の超音波デバイス１０では、複数の超音波送信部１１及び超音波受信部１２が、Ｘ方向に対して交互に配置されており、１つの超音波送信部１１により１つの送信チャネルが構成され、１つの超音波受信部１２により１つの受信チャネルが構成される。なお、複数の超音波送信部１１により送信チャネルが構成されてもよく、同様に、複数の超音波受信部１２により１つの受信チャネルが構成されてもよい。
また、超音波送信部１１及び超音波受信部１２の配置としても、上記のように、Ｘ方向に交互に配置される構成に限られず、例えば、超音波デバイス１０のＸ方向の中心部を境として−Ｘ側に複数の超音波送信部１１が配置され、＋Ｘ側に複数の超音波受信部１２が配置される構成などとしてもよい。

図２は、本実施形態の超音波デバイス１０の一部（図１に示す領域Ａ）を拡大した送信トランスデューサー１１１及び受信トランスデューサー１２１の拡大平面図である。図３は、図２におけるＢ−Ｂ線に沿った超音波デバイス１０の断面図である。
超音波デバイス１０は、図３に示すように、素子基板１０１と、素子基板１０１に積層された支持膜１０２と、支持膜１０２上に設けられた送信圧電素子１１２と、支持膜１０２上に設けられた受信圧電素子１２２と、を備えている。
素子基板１０１は、例えばＳｉ等の半導体基板である。この素子基板１０１には、各送信トランスデューサー１１１の配置位置と重なる位置に設けられた第一開口１０１Ａ、各受信トランスデューサー１２１の配置位置と重なる位置に設けられた第二開口１０１Ｂと、が設けられている。これらの第一開口１０１Ａ及び第二開口１０１Ｂは、素子基板１０１の一面側（図３における−Ｚ側）に設けられた支持膜１０２により閉塞されている。なお、第一開口１０１Ａ及び第二開口１０１Ｂの開口幅（開口面積）は、送受信される超音波の周波数に基づいて設定される。

支持膜１０２は、例えばＳｉＯ_２の単層や、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、及びＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニウム）の積層体等より構成され、素子基板１０１の−Ｚ側の面全体を覆って設けられている。この支持膜１０２の厚み寸法は、素子基板１０１に対して十分小さい厚み寸法となる。なお、ＳｉＯ_２のヤング率は７５ＧＰａ程度である。また、ＺｒＯ_２のヤング率は２００ＧＰａ程度である。
ここで、支持膜１０２のうち、素子基板１０１及び支持膜１０２の厚み方向（Ｚ方向）から見た平面視において、第一開口１０１Ａと重なる領域は第一振動部１０２Ａを構成し、第二開口１０１Ｂと重なる領域は第二振動部１０２Ｂを構成する。つまり、第一振動部１０２Ａは、第一開口１０１Ａを囲う隔壁部１０１Ｃにより支持され、第二振動部１０２Ｂは、第二開口１０１Ｂを囲う隔壁部１０１Ｃにより支持されている。

送信圧電素子１１２は、第一開口１０１Ａを閉塞する第一振動部１０２Ａとともに、送信トランスデューサー１１１を構成する。
この送信圧電素子１１２は、図２及び図３に示すように、送信下部電極１１２Ａ、送信用圧電膜１１２Ｂ、及び上部電極１１２Ｃの積層体により構成されており、第一振動部１０２Ａ上に設けられる。送信下部電極１１２Ａ及び上部電極１１２Ｃは、送信用圧電膜１１２Ｂを基板の厚み方向において挟み込む本発明の一対の電極を構成する。

送信下部電極１１２Ａは、Ｙ方向に沿う直線状に形成されており、複数の送信トランスデューサー１１１に跨って設けられる。したがって、Ｙ方向に並ぶ送信トランスデューサー１１１において、送信下部電極１１２Ａは同電位となる。この送信下部電極１１２Ａは、図１に示すように、信号電極線ＳＬによって、支持膜１０２の±Ｙ側の外周部に配置された対応する第一信号端子ＳＡに接続される。

送信用圧電膜１１２Ｂは、ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）等の圧電体の薄膜により形成され、第一振動部１０２Ａ上で送信下部電極１１２Ａを覆うように構成される。この送信用圧電膜１１２Ｂの厚み寸法ｔ_Ａ（Ｚ方向における寸法）は、後述する受信用圧電膜１２２Ｂの厚み寸法ｔ_Ｂよりも大きく形成されている。なお、図３に示すように、送信用圧電膜１１２Ｂの側面部を覆うように保護膜１２４が設けられる構成としてもよい。
上部電極１１２Ｃは、Ｘ方向に沿う直線状に形成されており、Ｘ方向に並ぶ複数の超音波トランスデューサー（送信トランスデューサー１１１及び受信トランスデューサー１２１）に跨って設けられる。また、各上部電極１１２Ｃは、コモン電極線ＣＬによって接続されており、支持膜１０２の外周部（例えば±Ｙ側）に設けられたコモン端子ＣＡに接続されている（図１参照）。つまり、本実施形態では、上部電極１１２Ｃは、Ｘ方向に並ぶ送信圧電素子１１２と受信圧電素子１２２とにおいて共通の電極として機能し、各送信トランスデューサー１１１及び各受信トランスデューサー１２１に同一のコモン電位が印加される。

受信圧電素子１２２は、第二開口１０１Ｂを閉塞する第二振動部１０２Ｂとともに、受信トランスデューサー１２１を構成する。
この受信圧電素子１２２は、図２及び図３に示すように、受信下部電極１２２Ａ、受信用圧電膜１２２Ｂ、及び上部電極１１２Ｃの積層体であり、第二振動部１０２Ｂ上に設けられる。すなわち、受信下部電極１２２Ａ及び上部電極１１２Ｃは、受信用圧電膜１２２Ｂを基板の厚み方向において挟み込む一対の電極を構成する。

受信下部電極１２２Ａは、送信圧電素子１１２の送信下部電極１１２Ａと同様、Ｙ方向に沿う直線状に形成されており、複数の受信トランスデューサー１２１に跨って設けられる。したがって、Ｙ方向に並ぶ受信トランスデューサー１２１において、受信下部電極１２２Ａは同電位となる。この受信下部電極１２２Ａは、図１に示すように、信号電極線ＳＬによって、支持膜１０２の±Ｙ側の外周部に配置された対応する第二信号端子ＳＢに接続されている。

受信用圧電膜１２２Ｂは、送信用圧電膜１１２Ｂと同様、ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）等の圧電体の薄膜により形成され、第二振動部１０２Ｂ上で受信下部電極１２２Ａを覆うように構成される。この受信用圧電膜１２２Ｂの厚み寸法ｔ_Ｂは、上述のように、送信用圧電膜１１２Ｂの厚み寸法ｔ_Ａよりも小さい。
送信用圧電膜１１２Ｂ及び受信用圧電膜１２２Ｂを構成するＰＺＴは、ＺｒとＴｉの組成比が５２：４８であることが高い圧電特性を得るうえで好ましい。また、モノクリニックな結晶構造を有していると、より高い圧電特性を得ることができる。圧電体はＰＺＴに限らず、ＢｉＦｅＭｎＯ_３−ＢａＴｉＯ_３、ＫＮａＮｂＯ_３などのＰｂフリー材料であってもよい。ＰＺＴのヤング率は、薄膜では８０ＧＰａ程度である。
送信下部電極１１２Ａ、受信下部電極１２２Ａ、及び上部電極１１２Ｃは、導電性、材料の安定性、及びＰＺＴへの薄膜応力の観点から、Ｔｉ、Ｉｒ、ＴｉＯ_２、ＩｒＯ_２、Ｐｔのうち、複数の材料を複合させて用いることが好ましい。送信下部電極１１２Ａ、受信下部電極１２２Ａ、及び上部電極１１２Ｃのヤング率は２００ＧＰａ程度である。

このような構成の超音波デバイス１０では、送信下部電極１１２Ａ及び上部電極１１２Ｃの間に所定周波数の矩形波電圧が印加されることで、第一振動部１０２Ａが振動され、送信トランスデューサー１１１において、第一振動部１０２Ａから第一開口１０１Ａ側（＋Ｚ側）に向かって超音波を送信させる。
また、対象物で反射された超音波（反射波）が、第二開口１０１Ｂから第二振動部１０２Ｂに入力されると、第二振動部１０２Ｂが当該反射波によって振動する。これにより、受信下部電極１２２Ａから受信用圧電膜１２２Ｂの変形量（歪み量）に応じた出力電圧が出力され、超音波の受信が検出される。

［送信用圧電膜１１２Ｂ及び受信用圧電膜１２２Ｂの厚み寸法］
次に、上述したような送信トランスデューサー１１１及び受信トランスデューサー１２１の寸法について、以下に説明する。
図４は、送信用圧電膜１１２Ｂの厚み寸法ｔ_Ａと、送信トランスデューサー１１１から空気中に出力される超音波の音圧との関係を示す図である。
図４に示すように、送信トランスデューサー１１１に印加する電界を同一とした場合、送信用圧電膜１１２Ｂの厚み寸法ｔ_Ａが大きくなるほど、送信トランスデューサー１１１から出力される超音波の音圧も大きくなる。

図５は、受信用圧電膜１２２Ｂの厚み寸法ｔ_Ｂと、空気中を伝搬した超音波を受信トランスデューサー１２１で受信した際の第二振動部１０２Ｂの変位量との関係を示す図である。
図５に示すように、受信トランスデューサー１２１に入力する超音波の音圧を同一とした場合、受信用圧電膜１２２Ｂの厚み寸法ｔ_Ｂが小さくなるほど、第二振動部１０２Ｂの変位量が大きくなり、受信トランスデューサー１２１から出力される受信信号の電圧も高くなる。

そして、本実施形態の超音波デバイス１０において、送信用圧電膜１１２Ｂの厚み寸法ｔ_Ａが、受信用圧電膜１２２Ｂの厚み寸法ｔ_Ｂに比べて大きく形成されている。ここで、送信用圧電膜１１２Ｂは、厚み寸法ｔ_Ａが１．３μｍ以上の厚み寸法に形成され、受信用圧電膜１２２Ｂは、厚み寸法ｔ_Ｂが１．０μｍ以下の厚み寸法に形成されることが好ましい。このような構成とすることで、超音波の送信時に送信トランスデューサー１１１を用いて超音波を送信し、超音波の受信時に、受信トランスデューサー１２１を用いて超音波を受信することで、超音波の送受信効率を向上させることができる。

［本実施形態の作用効果］
本実施形態の超音波デバイス１０は、超音波を送信する送信トランスデューサー１１１と、超音波を受信する受信トランスデューサー１２１とを有し、送信トランスデューサー１１１を構成する送信用圧電膜１１２Ｂの厚み寸法ｔ_Ａは、受信トランスデューサー１２１を構成する受信用圧電膜１２２Ｂの厚み寸法ｔ_Ｂよりも大きい。
このため、超音波の送信時に送信トランスデューサー１１１を用いて超音波を送信し、超音波の受信時に受信トランスデューサー１２１を用いて超音波を受信することで、超音波の送受信効率を向上させることができる。
また、超音波デバイスとして、送受兼用の超音波トランスデューサーを複数配置し、各超音波トランスデューサーにおける圧電膜の厚み寸法を同一寸法とする場合、超音波の送信及び受信の双方の感度を向上させる必要がある。この場合、送受兼用超音波トランスデューサーの圧電膜を薄くすると送信効率が低下し、厚くすると受信効率が低下するため、超音波の送信効率及び受信効率の双方を高めるには限界がある。これに対して、本実施形態では、上記のように、送信トランスデューサー１１１及び受信トランスデューサー１２１がそれぞれ別体であり、かつ、送信用圧電膜１１２Ｂ及び受信用圧電膜１２２Ｂが、送信及び受信のそれぞれの特性に応じた厚み寸法に形成されている。このため、送受兼用の超音波トランスデューサーを用いる場合に比べて、超音波の送信効率と受信効率との双方を大きく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。なお、以降の説明にあたり、既に説明した構成については同符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
上記第一実施形態では、Ｚ方向から見た平面視において、送信下部電極１１２Ａ、送信用圧電膜１１２Ｂ、及び上部電極１１２Ｃが重なる面積（第一面積）と、受信下部電極１２２Ａ、受信用圧電膜１２２Ｂ、及び上部電極１１２Ｃが重なる面積（第二面積）とが同一面積である例を示した。これに対して、第二実施形態では、第一面積と第二面積とが異なる点で上記第一実施形態と相違する。

図６は、第二実施形態における超音波デバイス１０Ａの一部の概略平面図である。
本実施形態では、第一実施形態と同様、超音波デバイス１０Ａに、複数の超音波送信部１１、及び複数の超音波受信部１２が配置されている。また、超音波送信部１１は、Ｙ方向に並ぶ複数の送信トランスデューサー１１１により構成され、超音波受信部１２は、Ｙ方向に並ぶ複数の受信トランスデューサー１３１により構成されている。

送信トランスデューサー１１１は、第一実施形態と同様に、第一振動部１０２Ａと送信圧電素子１１２とにより構成され、送信圧電素子１１２は、第一振動部１０２Ａ側から順に配置される送信下部電極１１２Ａ、送信用圧電膜１１２Ｂ、上部電極１１２Ｄにより構成されている。この上部電極１１２Ｄは、第一実施形態と同様、送信トランスデューサー１１１から受信トランスデューサー１３１に亘って設けられている。
ここで、本実施形態では、上部電極１１２Ｄのうち、送信圧電素子１１２を構成する部分（送信下部電極１１２Ａ及び送信用圧電膜１１２Ｂと重なる部分）において電極幅が第一幅寸法Ｗ_Ａに形成されている。

一方、受信トランスデューサー１３１は、第二振動部１０２Ｂと受信圧電素子１３２とにより構成され、受信圧電素子１３２は、第一振動部１０２Ａ側から順に配置される受信下部電極１２２Ａ、受信用圧電膜１２２Ｂ、上部電極１１２Ｄにより構成されている。ここで、上部電極１１２Ｄは、受信圧電素子１３２を構成する部分（受信下部電極１２２Ａ及び受信用圧電膜１２２Ｂと重なる部分）において電極幅が第二幅寸法Ｗ_Ｂに形成されており、第二幅寸法Ｗ_Ｂは、第一幅寸法Ｗ_Ａよりも小さい。なお、ここでは、受信下部電極１２２Ａの幅寸法は、送信下部電極１１２Ａの幅寸法と同寸法とする。

ところで、送信圧電素子１１２において、電圧が印加されることで実質的に駆動される部分は、送信下部電極１１２Ａ、送信用圧電膜１１２Ｂ、及び上部電極１１２Ｄが重なり合う部分である。ここで、送信下部電極１１２Ａ、送信用圧電膜１１２Ｂ、及び上部電極１１２Ｄが重なり合う部分の面積を第一面積Ｐ_Ａとする。
一方、受信圧電素子１３２の変位によって検出される電位差は、受信下部電極１２２Ａ、受信用圧電膜１２２Ｂ、及び上部電極１１２Ｄが重なり合う部分の電位差である。ここで、受信下部電極１２２Ａ、受信用圧電膜１２２Ｂ、及び上部電極１１２Ｄが重なり合う部分の面積を第二面積Ｐ_Ｂとする。
上述したように、本実施形態では、上部電極１１２Ｄは、送信圧電素子１１２において第一幅寸法Ｗ_Ａの電極幅となり、受信圧電素子１３２において、第一幅寸法Ｗ_Ａよりも小さい第二幅寸法Ｗ_Ｂの電極幅となる。このため、第二面積Ｐ_Ｂは第一面積Ｐ_Ａよりも小さくなる。

このような第二実施形態では、受信トランスデューサー１３１における受信効率をさらに向上させることが可能となる。
つまり、受信トランスデューサー１３１において超音波を受信した際に、受信トランスデューサー１３１から出力される受信信号は、受信用圧電膜１２２Ｂが変形した際に発生する、受信下部電極１２２Ａと上部電極１１２Ｄとの電位差ΔＶとなる。この電位差ΔＶは、各電極１２２Ａ，１１２Ｄの電荷をΔＱ、受信電極（受信下部電極１２２Ａ及び上部電極１１２Ｄ）の間の静電容量をＣとして、次式（１）で示すことができる。

［数１］
ΔＶ＝ΔＱ／Ｃ …（１）

式（１）に示すように、受信信号の電圧を大きくするためには、静電容量Ｃを小さくすることが好ましい。また、静電容量Ｃは、一般に、受信電極間の誘電率をε、電極面積をＳ、受信電極間の距離をｄとして、次式（２）に示す値となる。

［数２］
Ｃ＝εＳ／ｄ …（２）

式（１）及び式（２）より、受信トランスデューサー１３１では、電極面積Ｓを小さくするか、受信電極間の距離ｄを大きくすることで、電極間の静電容量Ｃが小さくなり、受信信号の電圧が増大することが分かる。しかしながら、電極間距離ｄを大きくすると、受信用圧電膜１２２ＢのＺ方向の剛性が高くなり、図５に示すように、受信用圧電膜１２２Ｂが撓みにくくなる。この場合、受信用圧電膜１２２Ｂで生じる電位差も小さくなり、受信信号の電圧が低下する。
これに対して、電極面積Ｓを小さくする場合では、受信用圧電膜１２２Ｂの撓み易さを維持したまま、静電容量Ｃを小さくすることができる。よって、受信信号の電圧を好適に大きくすることができ、受信効率の更なる向上を図れる。
特に、超音波デバイス１０Ａにおいて、送信トランスデューサー１１１から超音波を送信し、その反射波を受信トランスデューサー１３１で受信する処理（超音波の送受信処理）を行う場合、反射波は空気等の媒質中を伝搬する間に減衰される。したがって、特に、受信トランスデューサー１３１における受信効率を高める必要がある。本実施形態では、上記構成により、受信トランスデューサー１３１の受信効率を向上させることができ、上記のような超音波の送受信処理を好適に実施することができる。

［第三実施形態］
次に、第三実施形態について説明する。
上記第二実施形態では、受信トランスデューサー１３１において、受信電極間の静電容量Ｃを低減させるための構成として、受信下部電極１２２Ａ、受信用圧電膜１２２Ｂ、及び上部電極１１２Ｄが重なる第二面積Ｐ_Ｂを、送信下部電極１１２Ａ、送信用圧電膜１１２Ｂ、及び上部電極１１２Ｄが重なる第一面積Ｐ_Ａよりも小さくする例を示した。
これに対して、第三実施形態では、受信トランスデューサー１３１を直列に接続することで静電容量Ｃを低減させる点で、上記第二実施形態と相違している。

図７は、第三実施形態に係る超音波デバイス１０Ｂの一部を拡大した拡大平面図である。図８は、図７におけるＣ−Ｃ線における超音波デバイス１０Ｂの断面図である。図９は、第三実施形態における超音波デバイス１０Ｂの一部の回路図である。
本実施形態では、第一実施形態や第二実施形態と同様、超音波デバイス１０Ｂに、複数の超音波送信部１１、及び複数の超音波受信部１２が配置されている。また、超音波送信部１１は、Ｙ方向に並ぶ複数の送信トランスデューサー１１１により構成され、超音波受信部１２は、Ｙ方向に並ぶ複数の受信トランスデューサー１４１により構成されている。

本実施形態の送信トランスデューサー１１１における送信圧電素子１１２は、支持膜１０２側から順に配置される送信下部電極１１２Ａ、送信用圧電膜１１２Ｂ、上部電極１１２Ｅにより構成されている。
ここで、本実施形態では、上部電極１１２Ｅには、第一上部電極１１２Ｅ１と、第二上部電極１１２Ｅ２が含まれる。第一上部電極１１２Ｅ１は、送信トランスデューサー１１１と、当該送信トランスデューサー１１１とＸ方向に隣り合う受信トランスデューサー１４１とで共通となる電極である。一方、第二上部電極１１２Ｅ２は、送信トランスデューサー１１１とコモン電極線ＣＬとを接続する電極であり、平面視において、受信圧電素子１４２とは重ならない。

そして、本実施形態の超音波受信部１２では、Ｙ方向に並ぶ複数の受信トランスデューサー１４１のうち、Ｙ方向に隣り合う複数個（図７から図９に示す例では２つ）の受信トランスデューサー１４１により、１つの受信素子群１４１Ａを構成し、Ｙ方向に並ぶ複数の受信素子群１４１Ａにより１つの受信チャネルが構成される。そして、本実施形態では、受信素子群１４１Ａを構成する複数の受信トランスデューサー１４１は、直列に接続されている。

具体的には、本実施形態では、Ｙ方向に沿って、各受信トランスデューサー１４１とは重ならない位置に、受信信号電極線ＳＬ２が配置されており、この受信信号電極線ＳＬ２の両端部は、第二信号端子ＳＢに接続されている。
そして、受信素子群１４１Ａのうち、一端部（例えば＋Ｙ側の端部）に配置された受信トランスデューサー１４１の受信圧電素子１４２は、受信下部電極１４２Ａ、受信用圧電膜１２２Ｂ、及び第一上部電極１１２Ｅ１により構成される。一方、受信素子群１４１Ａのうち、他の受信トランスデューサー１４１の受信圧電素子１４２は、受信下部電極１４２Ａ、受信用圧電膜１２２Ｂ、及び受信上部電極１４２Ｂにより構成される。

受信素子群１４１Ａのうち他端部（例えば−Ｙ側の端部）に配置された受信トランスデューサー１４１の受信圧電素子１４２は、受信下部電極１４２Ａが受信信号電極線ＳＬ２に接続される。また、受信上部電極１４２Ｂが、＋Ｙ側に隣り合う受信トランスデューサー１４１の受信下部電極１４２Ａに接続される。
受信素子群１４１Ａの一端部（例えば＋Ｙ側の端部）に配置された受信トランスデューサー１４１の受信圧電素子１４２では、上述したように、第一上部電極１１２Ｅ１に接続される。また、受信下部電極１４２Ａが、−Ｙ側に隣り合う受信トランスデューサー１４１の受信上部電極１４２Ｂに接続される。
そして、受信素子群１４１Ａの両端部以外に配置される各受信トランスデューサー１４１は、受信下部電極１４２Ａが、受信素子群１４１Ａの他端側（例えば−Ｙ側）に隣り合う受信トランスデューサー１４１の受信上部電極１４２Ｂに接続される。さらに、受信上部電極１４２Ｂが、受信素子群１４１Ａの一端側（例えば＋Ｙ側）に隣り合う受信トランスデューサー１４１の受信下部電極１４２Ａに接続される。なお、本実施形態のように、受信素子群１４１Ａに含まれる受信トランスデューサー１４１が２つの場合は、受信信号電極線ＳＬ２に接続される受信トランスデューサー１４１の受信上部電極１４２Ｂと、コモン電極線ＣＬに接続される受信トランスデューサー１４１の受信下部電極１４２Ａとが接続される。

このような構成の超音波デバイス１０Ｂでは、図９に示すように、各受信トランスデューサー１４１における受信電極（受信下部電極１４２Ａ及び受信上部電極１４２Ｂ（又は第一上部電極１１２Ｅ１））の間の静電容量がＣ_２である場合、ｎ個の受信トランスデューサー１４１が直列接続された受信素子群１４１Ａの見かけ上の静電容量は、Ｃ_２／ｎ（本実施形態では、ｎ＝２）となる。したがって、本実施形態では、静電容量がＣ_２／ｎとなる各受信素子群１４１Ａから受信信号が出力される構成となり、各受信素子群１４１Ａから出力される受信信号は、単一の受信トランスデューサー１４１（静電容量Ｃ_２）で超音波を受信した際に出力される受信信号よりも電圧値が高い。つまり、受信素子群１４１Ａから、直列接続された各受信トランスデューサー１４１から出力される信号を加算した受信信号が出力されることになる。
これにより、本実施形態においても、第二実施形態と同様、超音波受信部１２における超音波の受信効率を高めることができる。

［第四実施形態］
次に、第四実施形態について説明する。第四実施形態では、第一実施形態から第三実施形態で説明した超音波デバイス１０，１０Ａ，１０Ｂを備えた超音波測定装置の一例としての距離センサーについて説明する。
図１０は、本実施形態に係る距離センサー１００の概略構成を示す図である。なお、ここでは、超音波デバイス１０を距離センサー１００に組み込む例を示すが、第二実施形態の超音波デバイス１０Ａや、第三実施形態の超音波デバイス１０Ｂが組み込まれる構成としてもよい。
本実施形態の距離センサー１００は、図１０に示すように、超音波デバイス１０と、超音波デバイス１０を制御する制御部２０とにより構成されている。この制御部２０は、超音波デバイス１０を駆動させる駆動回路３０と、演算部４０とを含んで構成されている。また、制御部２０には、その他、距離センサー１００を制御するための各種データや各種プログラム等を記憶した記憶部を備えていてもよい。

駆動回路３０は、超音波デバイス１０の駆動を制御するためのドライバー回路であり、例えば図１０に示すように、コモン回路３１、送信回路３２、及び受信回路３３等を備える。
コモン回路３１は、コモン端子ＣＡに接続され、上部電極１１２Ｃにコモン電位（例えば０Ｖ等）を印加する。
送信回路３２は、第一信号端子ＳＡ及び演算部４０に接続され、演算部４０の制御に基づいて、送信下部電極１１２Ａにパルス波形の駆動信号を出力し、各送信トランスデューサー１１１から超音波を送信させる。
受信回路３３は、第二信号端子ＳＢ及び演算部４０に接続され、各受信トランスデューサー１２１で超音波を受信した際の受信信号が入力される。この受信回路３３は、例えばリニアノイズアンプ、Ａ／Ｄコンバーター等を含んで構成されており、入力された受信信号のデジタル信号への変換、ノイズ成分の除去、所望信号レベルへの増幅等の各信号処理を実施した後、処理後の受信信号を演算部４０に出力する。

演算部４０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等により構成され、駆動回路３０を介して超音波デバイス１０を制御し、超音波デバイス１０により超音波の送受信処理を実施させる。
すなわち、演算部４０は、送信回路３２を制御して、超音波デバイス１０の各送信トランスデューサー１１１に駆動信号を出力させて、超音波を送信させる。また、超音波が対象物に反射され、反射波が受信トランスデューサー１２１に入射されると、受信トランスデューサー１２１から出力された受信信号が受信回路３３を介して取得される。そして、演算部４０は、例えばＴｏＦ（Time of Flight）法により、超音波デバイス１０から超音波を送信した送信タイミングから、受信信号が受信されるまでの時間と、空気中における音速とを用いて、超音波デバイス１０から対象物までの距離を算出する。

上記のような本実施形態の距離センサー１００では、第一実施形態で説明したような超音波デバイス１０を備える。超音波デバイス１０は、上述したように、送信トランスデューサー１１１における送信用圧電膜１１２Ｂの厚み寸法ｔ_Ａが、受信トランスデューサー１２１における受信用圧電膜１２２Ｂの厚み寸法ｔ_Ｂよりも大きく、超音波の送受信効率が高い。したがって、演算部４０は、超音波デバイス１０により得られた精度の高い超音波の送受信結果に基づいて、超音波デバイス１０から対象物までの距離を高精度に算出することができる。

［変形例］
なお、本発明は上述の各実施形態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。

上記第二実施形態において、受信圧電素子１３２を構成する上部電極１１２Ｄの電極幅（第二幅寸法Ｗ_Ｂ）を、送信圧電素子１１２を構成する上部電極１１２Ｄの電極幅（第一幅寸法Ｗ_Ａ）よりも小さくすることで、第二面積Ｐ_Ｂを第一面積Ｐ_Ａよりも小さくしたが、これに限らない。例えば、受信下部電極１２２Ａの電極幅を、送信下部電極１１２Ａの電極幅よりも小さくすることで、第二面積Ｐ_Ｂを第一面積Ｐ_Ａよりも小さくしてもよい。
或いは、受信圧電素子１２２の上部電極１１２Ｄの電極幅、及び受信下部電極１２２Ａの電極幅の双方を、小さくする構成としてもよい。

第二実施形態及び第三実施形態において、第二面積Ｐ_Ｂを小さくする構成、受信トランスデューサー１４１を直列接続する構成を例示したが、これらを組み合わせてもよい。すなわち、複数の受信トランスデューサーを直列接続に接続し、かつ、各受信トランスデューサーにおいて、受信下部電極、受信用圧電膜、及び受信上部電極が重なり合う面積を小さくする。この場合、静電容量Ｃがさらに低減され、より大きい電圧の受信信号を得ることができる。

上記第一及び第二実施形態では、超音波デバイス１０が、素子基板１０１の第一開口１０１Ａから超音波を送信し、第二開口１０１Ｂから入射する超音波を受信する構成例を示したが、これに限定されない。例えば、第一開口１０１Ａとは反対側（送信圧電素子１１２側）に超音波を送信し、第二開口１０１Ｂとは反対側（受信圧電素子１２２側）から入射する超音波を受信する構成としてもよい。

上記第四実施形態では、超音波測定装置の一例として距離センサー１００を例示したが、これに限定されない。例えば、超音波の送受信結果に応じて、構造体の内部断層像を測定する超音波測定装置等に適用することもできる。

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。

１０，１０Ａ，１０Ｂ…超音波デバイス、１１…超音波送信部、１２…超音波受信部、２０…制御部、１００…距離センサー（超音波測定装置）、１０１…素子基板、１０１Ａ…第一開口、１０１Ｂ…第二開口、１０１Ｃ…隔壁部、１０２…支持膜、１０２Ａ…第一振動部、１０２Ｂ…第二振動部、１１１…送信トランスデューサー、１１２…送信圧電素子、１１２Ａ…送信下部電極、１１２Ｂ…送信用圧電膜、１１２Ｃ，１１２Ｄ，１１２Ｅ…上部電極、１１２Ｅ１…第一上部電極、１１２Ｅ２…第二上部電極、１２１，１３１，１４１…受信トランスデューサー、１２２，１３２，１４２…受信圧電素子、１２２Ａ、１４２Ａ…受信下部電極、１２２Ｂ…受信用圧電膜、１４１Ａ…受信素子群、１４２Ｂ…受信上部電極、Ｐ_Ａ…第一面積、Ｐ_Ｂ…第二面積、ｔ_Ａ…送信用圧電膜の厚み寸法、ｔ_Ｂ…受信圧電膜の厚み寸法。

Claims

第一開口と第二開口とを有する基板と、
前記基板に設けられ、前記第一開口及び前記第二開口を閉塞する支持膜と、
前記支持膜において前記基板の厚み方向から見た際に前記第一開口と重なる位置に設けられ、前記基板の厚み方向において一対の電極に挟まれた送信用圧電膜と、
前記支持膜において前記基板の厚み方向から見た際に前記第二開口と重なる位置に設けられ、前記基板の厚み方向において一対の電極に挟まれた受信用圧電膜と、
を備え、
前記基板の厚み方向に対する前記送信用圧電膜の厚み寸法は、前記受信用圧電膜の厚み寸法よりも大きい
ことを特徴とする超音波デバイス。
請求項１に記載の超音波デバイスにおいて、
前記基板の厚み方向から見た際に、前記送信用圧電膜と当該送信用圧電膜を挟み込む前記一対の電極とが重なる面積を第一面積とし、前記受信用圧電膜と当該受信用圧電膜を挟み込む前記一対の電極とが重なる面積を第二面積とした際に、前記第二面積は前記第一面積よりも小さい
ことを特徴とする超音波デバイス。
請求項１又は請求項２に記載の超音波デバイスにおいて、
前記受信用圧電膜と、前記受信用圧電膜を挟み込む前記一対の電極とにより構成される受信トランスデューサーが複数設けられ、
複数の前記受信トランスデューサーは、直列接続されている
ことを特徴とする超音波デバイス。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波デバイスと、
前記超音波デバイスを制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする超音波測定装置。