JP2020080497A - 超音波デバイスおよび超音波センサー - Google Patents

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Abstract

【課題】受信精度を向上させ、かつ、受信感度の低下を抑制した超音波デバイスを提供する。【解決手段】本発明の超音波デバイスは、厚み方向に貫通する開口部が設けられた基板と、前記開口部を塞ぐように前記基板に設けられた振動板と、前記振動板の前記基板側とは反対側の第１面において、前記開口部に対応する位置に設けられた圧電素子と、前記基板の前記開口部の内側において、前記振動板の前記基板側の第２面に接触するように設けられた弾性層と、を備え、前記弾性層は、前記振動板側とは反対側において、前記振動板側に凹んだ湾曲面を有することを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、超音波デバイスおよび超音波センサーに関する。
従来、ダイアフラムの振動を利用するダイアフラム型の超音波デバイスが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の超音波デバイス（超音波センサー）は、基板の開口部を閉塞するように設けられた振動板（ダイアフラム）と、振動板のうち開口部に対応する振動領域に設けられた圧電素子とを備えている。特許文献１に記載の超音波デバイスでは、圧電素子に電圧を印加することで、当該圧電素子が設けられた振動領域が振動し、超音波が空気中に送信される。
一般に、対象物に超音波を入射させる超音波プローブでは、圧電素子と対象物との間で音響インピーダンスの差が大きく、超音波が対象物で反射してしまうことを防ぐため、音響インピーダンスの整合を取るための層（音響整合層）が設けられている。
これに対して、特許文献１に記載の超音波デバイスでは、振動板の振動が媒質（空気）に直接作用して疎密波を生じさせるため、上述のような音響整合層を必要としない。このため、上述のような音響整合層は設けられておらず、振動板における圧電素子側とは反対側の面は、媒質（空気）に露出している。
特開２０１０−１８３４３７号公報
特許文献１に記載のダイアフラム型の超音波デバイスでは、振動板のＱ値が高く設定されていることにより、超音波の受信精度が低下してしまう。例えば、超音波デバイスにわずかな外乱振動が入力された場合であっても、受信信号がノイズとして出力されてしまう。また、超音波を送信した際の振動領域の振動（残響振動）が長時間継続し、当該振動領域が対象物からの超音波の反射波を受信した場合に、残響振動による信号と反射波の受信に伴う信号との判別がつき難くなってしまう。
そこで、上述の問題を解決するために、基板の開口部内に弾性層を設け、この弾性層に振動板の余分な振動を吸収させることが考えられる。
しかし、このような弾性層を設けると、超音波の受信精度が向上しても、振動板の振動領域Ａｒにおける変位量が低下することにより、超音波の受信感度が低下してしまう。これにより、超音波センサーの検出感度も低下してしまう。
本発明の超音波デバイスは、厚み方向に貫通する開口部が設けられた基板と、前記開口部を塞ぐように前記基板に設けられた振動板と、前記振動板の前記基板側とは反対側の第１面において、前記開口部に対応する位置に設けられた圧電素子と、前記基板の前記開口部の内側において、前記振動板の前記基板側の第２面に接触するように設けられた弾性層と、を備え、前記弾性層は、前記振動板側とは反対側において、前記振動板側に凹んだ湾曲面を有することを特徴とする。
本発明の超音波デバイスにおいて、前記湾曲面の曲率は、１０，０００〜２０，０００の範囲内に設定されていることが好ましい。
本発明の超音波デバイスにおいて、前記弾性層は、前記基板の厚み方向において、２０μｍ以上４０μｍ以下の厚みを有することが好ましい。
本発明の超音波センサーは、上述した超音波デバイスと、前記超音波デバイスを制御する制御部と、を備えていることを特徴とする。
第１実施形態に係る超音波デバイスの概略構成を示す平面図。 図１のＡ−Ａ線に対応した超音波デバイスの一例を示す断面図。 弾性層の厚みと超音波デバイスの受信電圧との関係を示す図。 弾性層の湾曲面の曲率と、超音波デバイスの受信電圧との関係を示す図。 第２実施形態に係る超音波センサーの概略構成を示すブロック図。 図１のＡ−Ａ線に対応した超音波デバイスの他の例を示す断面図。 比較例に係る超音波デバイスを示す断面図。
［第１実施形態］
本発明の一実施形態に係る超音波デバイス１０について、図１および図２を参照して説明する。
図１は、超音波デバイス１０の一部を厚み方向から見た平面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ線に対応した超音波デバイス１０の断面図である。
（圧電デバイスの全体構成）
超音波デバイス１０は、基板１と、基板１の一方側の主面に設けられた振動板２と、振動板２に設けられた複数の圧電素子３と、振動板２に対して圧電素子３の反対側に設けられた弾性層４と、を備えている。
以降の説明にあたり、基板１の基板厚み方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交する２軸方向をそれぞれＸ方向およびＹ方向とする。
基板１は、シリコン等の半導体基板である。基板１には、基板１をＺ方向に貫通する複数の開口部１１が設けられている。複数の開口部１１は、Ｚ方向からみた平面視において、Ｘ方向およびＹ方向に沿って２次元アレイ状に配置されている。基板１のうち、開口部１１を囲う部分を壁部１２という。
振動板２は、例えば酸化シリコンおよび酸化ジルコニウムによる積層体であり、振動板２の厚み寸法は、基板１に対して十分小さい厚み寸法となる。振動板２は、基板１の開口部１１を塞ぐように、基板１の一方側（−Ｚ側）の主面に設けられている。換言すると、振動板２は、基板１の−Ｚ側において、壁部１２により支持されている。
振動板２のうち、Ｚ方向から見た平面視において開口部１１と重なる部分、すなわち壁部１２に囲われる領域は、振動板２の振動領域Ａｒである。振動板２は、振動可能な複数の振動領域Ａｒを有している。
本実施形態では、振動板２のうち、基板１側とは反対側（−Ｚ側）の面を第１面２Ａとし、基板１側（＋Ｚ側）の面を第２面２Ｂとする。振動板２の第１面２Ａには、複数の圧電素子３がアレイ状に設けられており、振動板２の第２面２Ｂには、基板１が接合している。
圧電素子３は、振動板２の振動領域Ａｒ毎に設けられており、振動板２の第１面２Ａ上に、第１電極３１、圧電体層３２および第２電極３３が順に積層されることにより構成されている。第１電極３１および第２電極３３は、例えばイリジウムやチタン等の導電性層（単層または複層）によって構成され、圧電体層３２は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）によって構成される。
複数の圧電素子３によるＸ方向またはＹ方向の列では、第１電極３１または第２電極３３が共通である。
具体的には、第１電極３１は、Ｘ方向に沿って直線状に複数形成され、第１電極３１の両端部には、第１電極端子３１Ｐがそれぞれ設けられている。第２電極３３は、Ｙ方向に沿って直線状に複数形成され、第２電極３３の両端部は、共通電極線３４にそれぞれ接続されている。共通電極線３４は、複数の振動領域Ａｒが配置されるエリアに対するＹ方向の両側にそれぞれ配置され、Ｘ方向に沿って直線状に形成されている。共通電極線３４の両端部には、第２電極端子３３Ｐがそれぞれ設けられている。
第１電極３１と第２電極３３とは、Ｚ方向から見た平面視において振動領域Ａｒ毎に互いに交差しており、当該交差部位によって圧電素子３を構成している。
圧電体層３２は、振動領域Ａｒ毎に、第１電極３１と第２電極３３との間に配置されている。また、圧電体層３２の側面部には、保護膜３５（図２参照）が設けられている。なお、図１では、保護膜３５の図示を省略している。
振動板２の振動領域Ａｒと当該振動領域Ａｒに設けられた圧電素子３との組み合わせにより、１つの超音波トランスデューサーＴｒが構成される。本実施形態の超音波デバイス１０には、Ｘ方向およびＹ方向に沿って複数の超音波トランスデューサーＴｒがマトリクス状に配置されている。
超音波トランスデューサーＴｒでは、第１電極３１および第２電極３３の間に所定周波数のパルス波電圧が印加されることにより、圧電体層３２が撓んで振動領域Ａｒが振動し、これにより超音波が送信される。
また、超音波デバイス１０に向かって伝播した超音波が振動板２の振動領域Ａｒを振動させると、当該振動領域Ａｒにおける圧電体層３２の上下で電位差が発生する。このため、第１電極３１および第２電極３３間に発生する電位差を検出することにより、受信した超音波を検出することが可能となる。
なお、本実施形態において、超音波トランスデューサーＴｒは、振動板２の第１面２Ａ側（−Ｚ側）から第２面２Ｂ側（＋Ｚ側）へ向かう方向に、超音波を送信するものとする。
本実施形態では、Ｘ方向に配置された複数の超音波トランスデューサーＴｒにおいて第１電極３１が共通であり、これらの超音波トランスデューサーＴｒにより、１ＣＨ（チャネル）の送受信列Ｃｈが構成される。また、当該１ＣＨの送受信列ＣｈがＹ方向に沿って複数並んで配置されることで、１次元アレイ構造の超音波デバイス１０が構成されている。
（弾性層の構成）
基板１の開口部１１内、すなわち、振動板２および基板１の壁部１２に囲まれる空間内には、弾性層４がそれぞれ配置されている。弾性層４は、シリコーンや各種ゴム素材など、ヤング率が１０ＭＰａ以下の弾性材料により構成されており、いわゆるダンパー層として機能する。
具体的には、弾性層４は、開口部１１内において振動板２の第２面２Ｂに接触するように設けられており、振動板２の余分な振動を吸収することにより、超音波の受信精度を向上する。このような弾性層４によれば、超音波デバイス１０にわずかな外乱振動が入力された場合において、受信信号がノイズとして出力されてしまうことを抑制できる。また、超音波デバイス１０において、超音波を送信した際の振動領域Ａｒの振動（残響振動）が継続する時間を短縮できる。
弾性層４の厚みは、弾性層４が基板１の開口部１１内に収まる範囲内で適宜設定できる。本実施形態では、図２に示すように、基板１の厚み（例えば７０μｍ）の１／３程度に設定しているが、これに限られるものではない。
なお、以下では、単に「弾性層４の厚み」という場合、基板１の開口部１１の中央部分に対応する弾性層４の厚み（後述する凹部４１の底部分に対応する厚み）を示すものとする。
弾性層４は、その厚みが大きく設定されているほど、ダンパー層としての機能が向上する。しかし、弾性層４の厚みが大きいほど、超音波デバイス１０が超音波を受信する際の受信電圧が低下してしまう。すなわち、弾性層４の厚みが大きいほど、超音波の受信感度が低下してしまう。
図３は、弾性層４の厚みと超音波デバイス１０の受信電圧との関係を示す図である。なお、図３では、弾性層４のヤング率を１０Ｍｐａに、後述する湾曲面４１１の曲率を１５，０００に設定している。
本実施形態では、図３に示すように、７００ｍＶ以上の十分な受信電圧を得られることを目安として、弾性層４の厚みを４０μｍ以下に設定することが好ましい。また、より良好な受信電圧を得るためには３０μｍ以下に設定することが好ましい。
また、図３に示すように、弾性層４の厚みが小さいほど、超音波の受信感度は向上する。しかし、弾性層４の厚みが小さ過ぎる場合には、振動板２の余分な振動を吸収する能力が低下し、本来のダンパー層としての機能を果たすことができなくなる。そこで、本実施形態では、弾性層４を設けない場合に比べて残響振動が生じる期間を１／２以下にできることを目安として、弾性層４の厚みを２０μｍ以上に設定することが好ましい。
以上により、本実施形態の超音波デバイス１０では、弾性層４の厚みを２０μｍ以上４０μｍ以下、より好ましくは２０μｍ以上３０μｍ以下に設定することにより、超音波の受信精度を向上させ、かつ、超音波の受信感度の低下を抑制できる。
（弾性層の湾曲面）
弾性層４には、振動板２側とは反対側（＋Ｚ側）に面する部位において、振動板２側（−Ｚ側）に凹んだ凹部４１が設けられている。この凹部４１は、−Ｚ側に凹むように湾曲した湾曲面４１１を有している。湾曲面４１１は、Ｚ方向から見た平面視において、弾性層４と開口部１１との境界部分から開口部１１の中央部分にかけて、振動板２に近づくように湾曲している。
図４は、湾曲面４１１の曲率と、超音波デバイス１０の受信電圧との関係を示す図である。なお、図４では、弾性層４のヤング率を１０Ｍｐａに、弾性層４の厚みを３０μｍに設定している。
本実施形態では、図４に示すように、７００ｍＶ以上の十分な受信電圧を得られることを目安として、湾曲面４１１の曲率を１０，０００〜２０，０００の範囲内に設定することが好ましい。
なお、湾曲面４１１は、一様な曲率を有する球面であってもよいし、凹部４１の底部分が平坦であって、かつ、凹部４１の縁に近い部分が大きな曲率を有する非球面であってもよい。
上述の凹部４１を有する弾性層４の製造方法は、特に限定されないが、開口部１１内に弾性層４の液状材料を充填した際に生じるメニスカス現象を利用してもよい。あるいは、開口部１１内に弾性層４の液状材料を充填した後、凹部４１の形状に対応した凸部を有する型を開口部１１内に挿入した状態で、弾性層４の材料を硬化させてもよい。
（本実施形態の効果）
本実施形態の超音波デバイス１０の効果を説明するために、まず、図７に示す比較例について説明する。
図７に示すように、比較例の超音波デバイス１１０では、基板１０１の開口部１１１に弾性層１０４が設けられており、この弾性層１０４は、振動板１０２に対して圧電素子１０３とは反対側において振動領域Ａｒに接触している。この超音波デバイス１１０では、弾性層１０４が振動板１０２の余分な振動を吸収することにより、超音波の受信精度が向上される。例えば、外乱振動によるノイズの発生を抑制したり、残響振動の時間を短縮したりできる。
しかし、比較例では、弾性層１０４が振動領域Ａｒに接触していることにより、振動領域Ａｒの変位量が低下するため、超音波の受信感度が低下してしまう。
また、比較例において、弾性層１０４は、本実施形態のような湾曲面４１１を有しておらず、その替わりに平坦面１４１を有している。このため、超音波デバイス１１０に向かって進む超音波は、弾性層１０４で屈折することなく、振動領域Ａｒの全体に一様に入射される。
本実施形態の超音波デバイス１０は、基板１の振動領域Ａｒに接触するように設けられた弾性層４を備えている。このため、比較例と同様、弾性層４が振動板２の余分な振動を吸収することにより、超音波デバイス１０における超音波の受信精度が向上される。例えば、外乱振動によるノイズの発生を抑制したり、残響振動の時間を短縮したりできる。
また、本実施形態の超音波デバイス１０において、弾性層４は、振動板２側とは反対側（＋Ｚ側）において、振動板２側（−Ｚ側）に凹んだ湾曲面４１１を有している。このため、超音波デバイス１０に向かう超音波は、弾性層４への入射時に湾曲面４１１で屈折し、振動領域Ａｒの中央部分に向かって収束する（図２参照）。よって、本実施形態では、比較例と比べて、振動領域Ａｒをより大きく変位させることができる。すなわち、本実施形態では、弾性層４が音響レンズとして機能することにより、比較例に比べて弾性層４による振動領域Ａｒの変位量の低下を抑制することができる。
従って、本実施形態の超音波デバイス１０では、超音波の受信精度を向上させ、かつ、超音波の受信感度の低下を抑制できる。
本実施形態では、湾曲面４１１の曲率が１０，０００〜２０，０００の範囲内に設定される。このような構成によれば、上述したように、弾性層４が音響レンズとしてより好適に機能する。また、このような構成は、超音波デバイス１０がＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）として構成される場合に特に好適である。
本実施形態では、弾性層４は、基板１の厚み方向（Ｚ方向）において、２０μｍ以上４０μｍ以下の厚みを有する。このような構成によれば、上述したように、超音波の受信精度を向上させ、かつ、超音波の受信感度の低下を抑制することが好適にできる。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態では、第１実施形態で説明した超音波デバイス１０を備えた電子機器の一例としての距離センサー１００について説明する。
図５に示すように、本実施形態の距離センサー１００は、超音波デバイス１０および駆動回路７を含んだ超音波モジュール７０と、超音波モジュール７０を制御する制御部８とにより構成されている。
駆動回路７は、切替回路７１、送信回路７２、受信回路７３および基準電位回路７４を含んでいる。
切替回路７１は、超音波デバイス１０の第１電極端子３１Ｐと、送信回路７２と、受信回路７３とに接続される。切替回路７１は、スイッチング回路により構成されており、超音波デバイス１０と送信回路７２とを接続する送信接続、および、超音波デバイス１０と受信回路７３とを接続する受信接続を切り替える。
送信回路７２は、切替回路７１および制御部８に接続され、切替回路７１が送信接続に切り替えられた際に、制御部８の制御に基づいて駆動信号を出力し、超音波デバイス１０から超音波を送信させる。
受信回路７３は、切替回路７１および制御部８に接続され、切替回路７１が受信接続に切り替えられた際に、超音波デバイス１０からの受信信号が入力される。この受信回路７３は、リニアノイズアンプおよび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制御部８に出力する。
基準電位回路７４は、超音波デバイス１０の第２電極端子３３Ｐに接続され、第２電極端子３３Ｐに基準電位を印加する。
制御部８は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等により構成されている。制御部８は、駆動回路７を介して超音波デバイス１０を制御し、超音波デバイス１０による超音波の送受信処理を実施させる。また、制御部８は、超音波デバイス１０から入力される受信信号に基づいて、対象物の位置情報を取得する。例えばＴｏＦ（Time of Flight）法を利用する場合、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できる。
また、制御部８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。
第２実施形態の距離センサー１００によれば、第１実施形態にて説明した超音波デバイス１０を備えることにより、検出精度を向上させ、かつ、検出感度の低下を抑制できる。
［変形例］
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または改良は、本発明に含まれるものである。
第１実施形態において、弾性層４の厚みは、基板１の厚みの１／３程度に設定されているが、本発明はこれに限られない。例えば、図６に示すように、弾性層４は、開口部１１からはみ出さない程度に、基板１と同程度の厚みを有していてもよい。図６に示す超音波デバイス１０Ａでは、第１実施形態と比べて、湾曲面４１１の曲率をより小さく設定することにより、超音波を振動領域Ａｒで好適に収束させることができる。
第２実施形態では、超音波センサーの一例として距離センサー１００を例示したが、本発明は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、対象物の内部断層像を測定する超音波測定装置に適用することもできる。
１…基板、１１…開口部、１２…壁部、２…振動板、２Ａ…第１面、２Ｂ…第２面、３…圧電素子、３１…第１電極、３１Ｐ…第１電極端子、３２…圧電体層、３３…第２電極、３３Ｐ…第２電極端子、３４…共通電極線、３５…保護膜、４…弾性層、４１…凹部、４１１…湾曲面、７…駆動回路、７０…超音波モジュール、７１…切替回路、７２…送信回路、７３…受信回路、７４…基準電位回路、８…制御部、１０…超音波デバイス、１００…距離センサー、Ａｒ…振動領域、Ｃｈ…送受信列、Ｔｒ…超音波トランスデューサー。

Claims (4)

  1. 厚み方向に貫通する開口部が設けられた基板と、
    前記開口部を塞ぐように前記基板に設けられた振動板と、
    前記振動板の前記基板側とは反対側の第１面において、前記開口部に対応する位置に設けられた圧電素子と、
    前記基板の前記開口部の内側において、前記振動板の前記基板側の第２面に接触するように設けられた弾性層と、を備え、
    前記弾性層は、前記振動板側とは反対側において、前記振動板側に凹んだ湾曲面を有することを特徴とする超音波デバイス。
  2. 請求項１に記載の超音波デバイスにおいて、
    前記湾曲面の曲率は、１０，０００〜２０，０００の範囲内に設定されていることを特徴とする超音波デバイス。
  3. 請求項１または請求項２に記載の超音波デバイスにおいて、
    前記弾性層は、前記基板の厚み方向において、２０μｍ以上４０μｍ以下の厚みを有することを特徴とする超音波デバイス。
  4. 請求項１から請求項３のいずれか一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、を備えていることを特徴とする超音波センサー。
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