JP2021057752A - 超音波デバイス、及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】クロストークによる影響を低減可能な超音波デバイス及び電子機器を提供する。【解決手段】超音波デバイスは、複数の振動部を備えた基板と、複数の前記振動部のそれぞれに設けられ、前記振動部を振動させる超音波素子と、前記基板及び前記超音波素子を覆う保護部材と、前記基板から前記保護部材に向かう積層方向で、前記基板と前記保護部材との間に設けられ、前記基板及び前記保護部材を接合する第一接合部と、前記積層方向で、前記保護部材の前記基板とは反対側に設けられた第二接合部と、を備え、前記基板は、複数の前記振動部が配置される素子領域と、前記素子領域を囲う外周領域とを含み、前記第二接合部は、前記素子領域には配置されず、前記外周領域に配置されている。【選択図】図３

Description

本発明は、超音波デバイス、及び電子機器に関する。

従来、超音波の送信や受信を行う超音波デバイスが知られている（特許文献１参照）。
特許文献１に記載の超音波デバイスは、素子基板と、圧電素子とを備えている。素子基板は、複数の開口部を有する基板本体部と、複数の開口部を閉塞するように設けられた振動膜とを備えている。また、圧電素子は、基板本体部の開口部と重なる位置で、振動膜上に設けられている。このような超音波デバイスでは、開口部と重なる位置の振動膜と圧電素子とにより超音波トランスデューサーが構成され、複数の超音波トランスデューサーが２次元アレイ状に配置される構成となる。そして、各超音波トランスデューサーを振動させることで、超音波デバイスから超音波を送信することができる。また、各超音波トランスデューサーに超音波が入力されると、開口部を閉塞する振動膜が振動して、圧電素子から受信信号が出力されるので、超音波の受信を検出することができる。
また、振動膜の基板本体部とは反対側には、保護部材（封止板）が設けられている。この保護部材は、基板本体部の開口部に対向する複数の凹溝と、これらの凹溝を囲う壁部とを備え、壁部を含む保護部材の素子基板に対向する面の全体が振動膜に接合される。これにより、素子基板が、保護部材により保護されている。

特開２０１８−６９６２０号公報

しかしながら、特許文献１に記載のような超音波デバイスを備えた電子機器では、１つの超音波トランスデューサーの振動が振動膜や保護部材を介して、他の超音波トランスデューサーに伝搬する（クロストーク）。
ここで、超音波デバイスの電子機器に組み込む場合、超音波デバイスを電子機器内に設けられるベース部に接合部材を介して接合する。保護部材の壁部の剛性が十分に大きい場合、接合部材による接合状態によらず、クロストークの影響は小さく、超音波測定における測定精度への影響は小さい。しかしながら、保護部材の凹溝が大きい場合、保護部材の壁部の剛性低下が生じる場合がある。この場合、超音波デバイスとベース部とを接合する接合部材の接合状態によっては、振動板や保護部材を介して伝搬する振動のバランスが崩れ、クロストークの影響が大きくなる。具体的には、超音波デバイスのクロストーク振動の周波数特性に、ディップと呼ばれる周波数異常が生じ、振動膜が振動してから、当該振動が収束するまでの時間が長くなる。

第一適用例に係る超音波デバイスは、複数の振動部を備えた基板と、複数の前記振動部のそれぞれに設けられ、前記振動部を振動させる超音波素子と、前記基板及び前記超音波素子を覆う保護部材と、前記基板から前記保護部材に向かう積層方向で、前記基板と前記保護部材との間に設けられ、前記基板及び前記保護部材を接合する第一接合部と、前記積層方向で、前記保護部材の前記基板とは反対側に設けられた第二接合部と、を備え、前記基板は、複数の前記振動部が配置される素子領域と、前記素子領域を囲う外周領域とを含み、前記第二接合部は、前記素子領域には配置されず、前記外周領域に配置されている。

第二適用例に係る超音波デバイスは、複数の振動部を備えた基板と、
複数の前記振動部のそれぞれに設けられ、前記振動部を振動させる超音波素子と、
前記基板及び前記超音波素子を覆う保護部材と、
前記基板から前記保護部材に向かう積層方向で、前記基板と前記保護部材との間に設けられ、前記基板及び前記保護部材を接合する第一接合部と、前記積層方向で、前記保護部材の前記基板とは反対側に設けられた第二接合部と、を備え、前記第二接合部のヤング率は、０．１ＧＰａ以下、又は、０．８ＧＰａ以上である。

第三適用例に係る電子機器は、第一適用例または第二適用例の超超音波デバイスと、前記超音波デバイスが前記第二接合部を介して接合されるベース部と、を備える。

第一実施形態に係る電子機器である超音波計測装置の概略構成を示す模式図。 本実施形態の超音波デバイスの概略構成を示す平面図。 本実施形態の超音波デバイスを、図２のＡ−Ａ線で切断した際の断面図。 本実施形態の超音波デバイスを、図２のＢ−Ｂ線で切断した際の断面図。 比較例１の超音波デバイスの概略構成を示す模式図。 比較例１の超音波デバイスからのクロストーク振動の周波数特性を示す図。 比較例１の超音波デバイスの超音波トランスデューサーの送信素子から５波の超音波を送信した後の受信素子の振動部のクロストーク振動を示す図。 比較例１の超音波デバイスの超音波トランスデューサーの送信素子から５波の超音波を送信した後の受信素子の振動部のクロストーク振動を示す図。 ディップの大きさと残響振動との関係を示す図。 ディップの大きさと残響振動との関係を示す図。 比較例１の超音波デバイスにおいて、素子領域での保護部材と第二接合部との剥離割合が０％の場合のクロストーク振動の周波数特性を示す図。 比較例１の超音波デバイスにおいて、素子領域での保護部材と第二接合部との剥離割合が２５％の場合のクロストーク振動の周波数特性を示す図。 比較例１の超音波デバイスにおいて、素子領域での保護部材と第二接合部との剥離割合が５０％の場合のクロストーク振動の周波数特性を示す図。 比較例１の超音波デバイスにおいて、素子領域での保護部材と第二接合部との剥離割合が７５％の場合のクロストーク振動の周波数特性を示す図。 本実施形態の超音波デバイスのクロストーク振動の周波数特性を示す図。 本実施形態の超音波デバイスのクロストーク振動の周波数特性を示す図。 比較例２の超音波デバイスのクロストーク振動の周波数特性を示す図。 比較例２の超音波デバイスのクロストーク振動の周波数特性を示す図。 第二実施形態の超音波デバイスの概略構成を示す断面図。 第二実施形態の超音波デバイスのクロストーク振動の周波数特性を示す図。 比較例３の超音波デバイスのクロストーク振動の周波数特性を示す図。 比較例４の超音波デバイスのクロストーク振動の周波数特性を示す図。 比較例５の超音波デバイスのクロストーク振動の周波数特性を示す図。

［第一実施形態］
以下、第一実施形態について説明する。
図１は、第一実施形態に係る電子機器である超音波計測装置１０の概略構成を示す模式図である。
この超音波計測装置１０は、超音波の送受信を行う超音波デバイス２０と、超音波デバイス２０を制御する制御部３０とを備える。この超音波計測装置１０は、近接センサーであり、制御部３０の制御により超音波デバイス２０から対象物１に向かって超音波を送信し、対象物１で反射された超音波を超音波デバイス２０で受信する超音波送受処理を実施する。そして、制御部３０は、超音波デバイス２０による超音波送受処理の超音波の送信タイミングから、対象物１で反射された超音波の受信タイミングまでの時間に基づいて、超音波デバイス２０から対象物１までの距離を算出する。
以下、このような超音波計測装置１０の各構成の詳細について説明する。

［超音波デバイス２０の構成］
図２は、超音波デバイス２０の基板２１の概略構成を示す平面図である。図３は、超音波デバイス２０を、図２のＡ−Ａ線で切断した際の断面図であり、図４は、図２のＢ−Ｂ線で切断した際の断面図である。
図３及び図４に示すように、超音波デバイス２０は、基板２１と、基板２１上に配置される圧電素子２２と、基板２１に積層されて、基板２１及び圧電素子２２を覆う保護部材２３と、基板２１及び保護部材２３を接合する第一接合部２４と、保護部材２３及びベース部１１を接合する第二接合部２５と、を含んで構成されている。ここで、保護部材２３から基板２１に向かう積層方向をＺ方向として、以降説明する。また、Ｚ方向に直交する方向をＸ方向、Ｘ方向及びＺ方向に直交するＹ方向とする。

基板２１は、図２に示すように、素子領域Ａｒ１、外周領域Ａｒ２、及び端子領域Ａｒ３を備えている。
素子領域Ａｒ１は、基板２１をＺ方向から見た平面視で、基板２１の中央部に設けられる領域である。この素子領域Ａｒ１には、複数の超音波トランスデューサーＴｒが、２次元アレイ状にＸ方向及びＹ方向に沿って配列される領域である。
外周領域Ａｒ２は、Ｚ方向から見た平面視で、素子領域Ａｒ１を囲って設けられる領域である。この外周領域Ａｒ２には、保護部材２３が接合される。なお、図２の斜線部は、第二接合部２５が設けられる位置を示している。
端子領域Ａｒ３は、Ｚ方向から見た平面視で、素子領域Ａｒ１に隣り合って配置されている。この端子領域Ａｒ３には、素子領域Ａｒ１に配置される各超音波トランスデューサーＴｒに接続される配線の端子部２２１が設けられている。

この基板２１は、図３及び図４に示すように、基板本体部２１１と、基板本体部２１１に対して−Ｚ側に設けられる振動板２１２とを備える。
基板本体部２１１は、振動板２１２を支持する部材であり、Ｓｉ等の半導体基板で構成される。この基板本体部２１１の素子領域Ａｒ１には、Ｚ方向に沿って貫通する、複数の開口部２１１ＡがＸ方向及びＹ方向に沿ってアレイ状に設けられている。なお、外周領域Ａｒ２及び端子領域Ａｒ３には、開口部２１１Ａは配置されていない。

振動板２１２は、例えばＳｉＯ_２及びＺｒＯ_２の積層体等より構成されている。振動板２１２は、開口部２１１Ａを構成する基板本体部２１１により支持され、開口部２１１Ａの−Ｚ側を閉塞する。振動板２１２のうち、Ｚ方向から見た際に各開口部２１１Ａと重なる部分は、超音波の送受信を行う振動部２１２Ａを構成する。つまり、振動部２１２Ａは、素子領域Ａｒ１内に配置されている。

圧電素子２２は、振動板２１２上で、かつ、Ｚ方向から見た際に、各振動部２１２Ａと重なる位置にそれぞれ設けられている。この圧電素子２２は、振動部２１２Ａを振動させる超音波素子である。圧電素子２２の詳細な構成の図示は省略するが、例えば、振動板２１２に、下部電極、圧電膜、及び上部電極を順に積層することで構成されている。また、各下部電極、各上部電極には、基板２１の端子領域Ａｒ３まで延設される接続線が接続されており、端子領域Ａｒ３において、端子部２２１に接続されている。

このような超音波デバイス２０では、１つの振動部２１２Ａと当該振動部２１２Ａ上に配置された圧電素子２２とにより、１つの超音波トランスデューサーＴｒが構成される。
そして、この超音波デバイス２０では、下部電極及び上部電極との間に電圧が印加されると、圧電膜が伸縮して、振動部２１２Ａが開口部２１１Ａの開口幅等に応じた発振周波数で振動する。これにより、振動部２１２Ａから＋Ｚ側に向かって超音波が送信される。
また、超音波デバイス２０では、対象物１で反射された超音波が振動部２１２Ａに入力されると、振動部２１２Ａが入力された超音波の音圧に応じた振幅で振動し、圧電膜の下部電極側と上部電極側との間で電位差が発生する。よって、各圧電素子２２から当該電位差に応じた受信信号が出力され、超音波の受信を検出できる。
なお、ここでは、送受一体型の超音波トランスデューサーＴｒを備える超音波デバイス２０を例示するが、超音波送信部として機能する送信用超音波トランスデューサーと、超音波受信部として機能する受信用超音波トランスデューサーと、がそれぞれ別体として設けられる構成としてもよい。

保護部材２３は、基板２１の振動板２１２に接合されることで、基板２１を補強する。
この保護部材２３は、基板２１と略同一サイズの矩形状に形成され、基板２１及び圧電素子２２を覆う。つまり、保護部材２３は、基板２１の素子領域Ａｒ１及び外周領域Ａｒ２を覆う。
なお、保護部材２３の端子領域Ａｒ３に対向する部分には、図４に示すように、配線挿通部２３１が設けられている。配線挿通部２３１は、端子部２２１に接続される配線又はＦＰＣを挿通させる挿通孔である。配線挿通部２３１は、保護部材２３を貫通する貫通孔により構成されていてもよく、保護部材２３の外周縁の一部が切り欠かれて端子領域Ａｒ３が露出する構成とされてもよい。

また、保護部材２３は、図３及び図４に示すように、素子領域Ａｒ１に対向する部分に、各振動部２１２Ａに対向して、凹部２３２が設けられている。

保護部材２３の基板２１の外周領域Ａｒ２に対向する部分、及び、素子領域Ａｒ１に対向する部分のうち隣り合う凹部２３２間に設けられる壁部２３３と基板２１との間には、第一接合部２４が設けられており、この第一接合部２４は、保護部材２３と基板２１とを接合する。
第一接合部２４は、永久レジストなどを用いてもよく、また、エポキシ樹脂等の接着剤を用いてもよく、さらに、同時に複数の部材を用いてもよい。
第二接合部２５は、ベース部１１に対して超音波デバイス２０を接合する接合部材である。例えば、超音波デバイス２０を図示略の筐体に収納して超音波計測装置１０に組み込む場合、ベース部１１は、筐体内に設けられている。また、超音波デバイス２０は、筐体内に収納されていなくてもよく、この場合、超音波計測装置１０内の所定位置にベース部１１が設けられ、当該ベース部１１に超音波デバイス２０が固定されていてもよい。この第二接合部２５は、シリコーンゴムなどを用いてもよく、また、エポキシ樹脂等の接着剤を用いてもよく、さらに、両面テープなどの粘着フィルムを用いてもよい。
なお、第二接合部２５の位置と、超音波デバイス２０で送受信される超音波の周波数特性との関係については後述する。

［制御部３０の構成］
図１に戻り、制御部３０について説明する。制御部３０は、超音波デバイス２０を制御する制御回路である。
この制御部３０は、図１に示すように、スイッチング回路３１、シグナルグラウンド３２、送信回路部３３、受信回路部３４、及びマイコン３５（マイクロコントローラー）を備えている。

スイッチング回路３１は、超音波デバイス２０の例えば下部電極に導通される端子部２２１、送信回路部３３、及び受信回路部３４に接続されている。このスイッチング回路３１は、マイコン３５の制御に基づいて、端子部２２１及び送信回路部３３を接続する送信接続と、端子部２２１及び受信回路部３４を接続する受信接続とに切り替える。
シグナルグラウンド３２は、超音波デバイス２０の例えば上部電極に導通される端子部２２１に接続されるグラウンドであり、上部電極を所定の基準電位に維持する。

送信回路部３３は、マイコン３５の制御により、駆動パルスを生成し、超音波デバイス２０に出力する。これにより、超音波デバイス２０の各超音波トランスデューサーＴｒが駆動され、超音波デバイス２０から対象物１に向かって超音波が出力される。

受信回路部３４は、超音波デバイス２０から出力された受信信号を処理してマイコン３５に出力する。具体的には、受信回路部３４は、アンプ、コンパレーター等の回路を備え、受信信号を所定のゲインで増幅し、コンパレーターで信号電圧が閾値を超える信号のゼロクロス点を検出してゼロクロス検出パルスをマイコン３５に出力する。

マイコン３５は、各種プログラムや各種データが記憶されるメモリー、及びメモリーに記憶されたプログラムの命令セットを実行するプロセッサーを含む。そして、マイコン３５は、メモリーに記憶されたプログラムをプロセッサーにより実行することで、超音波デバイス２０による超音波の送受信処理を制御したり、受信回路部３４から入力されるゼロクロス検出パルスに基づいて、超音波デバイス２０から対象物１までの距離を算出したりする。

［超音波デバイス２０の周波数特性］
次に、本実施形態の超音波デバイス２０で送受信される超音波の周波数特性について説明する。
図５は、比較例１である従来の超音波デバイス９０の概略構成を示す模式図である。
図５に示す超音波デバイス９０は、本実施形態の基板２１と同様の構成を有し、基板本体部２１１及び振動板２１２により構成された基板２１と、圧電素子２２とを備え、素子領域Ａｒ１には、複数の超音波トランスデューサーＴｒが配置される。また、比較例１の振動板２１２の外周領域Ａｒ２においても、本実施形態と同様、保護部材２３が第一接合部２４を介して基板２１に接合されている。
さらに、比較例１の保護部材２３の上には、素子領域Ａｒ１から外周領域Ａｒ２に亘って、保護部材２３の基板２１とは反対側の全面を覆って、超音波デバイス９０をベース部１１に接合する第二接合部９０１が接合されている。

このような超音波デバイス９０では、超音波トランスデューサーＴｒを駆動させて超音波を送信すると、当該超音波トランスデューサーＴｒの振動部２１２Ａの振動が、図５の矢印Ｃ１に示すように、当該超音波トランスデューサーＴｒに隣り合う他の超音波トランスデューサーＴｒに伝搬する。また、超音波トランスデューサーＴｒの振動は、図５の矢印Ｃ２に示すように、第一接合部２４を介して、振動板２１２に接合された保護部材２３にも伝搬される。これにより、保護部材２３が当該振動の影響によって変形（振動）し、その振動が他の超音波トランスデューサーＴｒに伝搬する。

図６は、超音波デバイス９０のクロストーク振動の周波数特性を示す図である。また、図７及び図８は、超音波デバイス９０の超音波トランスデューサーＴｒの送信素子から５波の超音波を送信した後の受信素子の振動部２１２Ａの振動を示す図である。図６において、上図は、各超音波トランスデューサーＴｒが正常に駆動している場合の超音波デバイス９０からのクロストーク振動の周波数特性を示している。また、図６の下図は、超音波デバイス９０からのクロストーク振動に周波数特性異常が発生している場合のクロストーク振動の周波数特性を示している。
なお、本実施形態では、超音波デバイス２０の各超音波トランスデューサーＴｒは、共振周波数が６００ｋＨｚであり、６００ｋＨｚを中心周波数とした５５０ｋＨｚから６５０ｋＨｚの駆動周波数帯域の超音波を送受信するものとする。比較例１においても同様に、超音波デバイス９０に含まれる各超音波トランスデューサーＴｒは、６００ｋＨｚを中心周波数とした５５０ｋＨｚから６５０ｋＨｚの駆動周波数帯域の超音波を送受信するものとする。
比較例１のような超音波デバイス９０では、素子領域Ａｒ１において、保護部材２３の壁部２３３の剛性が大きい場合、クロストークの影響は、さほど大きくならない。つまり、各超音波トランスデューサーＴｒで発生するクロストークは、素子領域Ａｒ１内でばらつきがなく一定であり、超音波デバイス２０の全体として影響は小さい。したがって、この場合、図６の上図に示すように、超音波トランスデューサーＴｒからのクロストーク振動の周波数特性は、超音波トランスデューサーＴｒの振動部２１２Ａの幅寸法等によって決定される中心周波数（６００ｋＨｚ）を中心とした、コーシー分布に略従った特性となる。また、各超音波トランスデューサーＴｒには、図７のように、クロストーク等によって残響振動が発生するものの、比較的早期にこの残響振動は減衰する。

しかしながら、比較例１の超音波デバイス９０では、保護部材２３側をベース部１１等の他の部材と接合する場合、第二接合部９０１を用いる場合がある。この場合、第二接合部９０１の一部が保護部材２３から剥離することがある。例えば、保護部材２３を、第二接合部９０１を介して他の部材に加熱接合すると、保護部材２３とそれ以外との線膨張係数の差によって、保護部材２３と第二接合部９０１に歪みが生じる場合がある。この場合、第二接合部９０１と保護部材２３との接合不良や、接合剥離が起こる可能性がある。
このように、素子領域Ａｒ１内の一部において、保護部材２３と第二接合部９０１との間が剥離すると、矢印Ｃ１の経路で伝搬する振動と、矢印Ｃ２の経路で伝搬する振動とのバランスが崩れる。これによって、図６の下図に示すように、超音波デバイス９０からのクロストーク振動の周波数特性において、一部の周波数（例えば図６のＤ）の出力が低下する現象である「ディップ」が発生する。
このようなディップが駆動周波数帯域内に発生すると、図８のように、振動部２１２Ａが振動した後の残響振動が長引き、振動収束までの時間が長くなる。特に、超音波計測装置１０を近距離センサーとして用いる場合では、超音波デバイス２０と対象物１との距離が近く、対象物１で反射された超音波が早期に超音波デバイス２０に戻ってくる。この場合、振動部２１２Ａで超音波を受信しても、残響振動に埋もれてしまう可能性がある。

図９及び図１０は、ディップの大きさと残響振動との関係を示す図である。図９は、駆動周波数帯域内に僅かなディップが発生している場合、図１０は、駆動周波数帯域内に図９の場合よりも大きいディップが発生している場合の残響振動を示している。
図９及び図１０に示すように、超音波の周波数特性にディップが発生した場合、ディップの大きさ（ディップの深さ）が大きいほど、残響振動が大きくなり、振動収束までの時間も長時間となる。

図１１から図１４は、図５に示す比較例１の超音波デバイス９０において、素子領域Ａｒ１での保護部材２３と第二接合部９０１との間の剥離割合と、クロストーク振動の周波数特性との関係を示す図である。図１１は、保護部材２３と第二接合部９０１との剥離がなく、保護部材２３の全面に第二接合部９０１が接合されている場合の周波数特性である。図１２は、保護部材２３の２５％が、第二接合部９０１から剥離している場合の周波数特性である。図１３は、保護部材２３の５０％が、第二接合部９０１から剥離している場合の周波数特性である。図１４は、保護部材２３の７５％が、第二接合部９０１から剥離している場合の周波数特性である。
なお、図１１から図１４では、超音波デバイス９０からのクロストーク振動のうちディップを発生させている振動成分の周波数に対する値（振幅）が大きくなる。

図１１に示すように、保護部材２３と第二接合部９０１とが剥離していない場合では、ほぼディップが発生していない。つまり、比較例１の超音波デバイス９０でも、素子領域Ａｒ１内において、保護部材２３が確実に基板２１に接合されている場合は、ディップの影響は極めて小さく、理想的な残響振動が得られる。しかしながら、図１２から図１４に示すように、素子領域Ａｒ１において、保護部材２３と第二接合部９０１とが剥離すると、複数の周波数において、ディップが発生する。このようなディップが発生すると、図９及び図１０に示したように、ディップの大きさに応じて残響振動の収束時間が長くなり、受信信号の検出が困難となる。

図１５及び図１６は、本実施形態の超音波デバイス２０の超音波の周波数特性を示す図である。図１５は、第二接合部２５の縁が、素子領域Ａｒ１の縁に一致する場合の周波数特性である。図１６は、第二接合部２５の縁が、素子領域Ａｒ１の縁から外側に０．６ｍｍの位置にある場合の周波数特性である。
図１７及び図１８は、比較例２の超音波デバイスの超音波の周波数特性を示す図である。比較例２の超音波デバイスは、本実施形態の超音波デバイス２０の第二接合部２５の縁を、素子領域Ａｒ１の縁より内側、つまり、素子領域Ａｒ１内に配置した超音波デバイスである。図１７は、第二接合部２５の縁が、素子領域Ａｒ１の縁より内側に０．３ｍｍの位置にある場合の周波数特性である。図１８は、第二接合部２５の縁が、素子領域Ａｒ１の縁より内側に０．６ｍｍの位置にある場合の周波数特性である。

図１５及び図１６に示すように、第二接合部２５の縁が、素子領域Ａｒ１の縁よりも外側にある場合、超音波の駆動周波数帯域外の５２０ｋＨｚ近傍にディップが発生している。しかしながら、駆動周波数帯域である５５０ｋＨｚから６５０ｋＨｚ内にはディップが発生しておらず、残響異常を抑制できる。
一方、図１７に示すように、第二接合部２５の縁が素子領域Ａｒ１の縁よりも内側に位置する場合、駆動周波数帯域外の５２０ｋＨｚ近傍のディップが大きくなる。そして、このディップの影響は、駆動周波数帯域内にも及び、５５０ｋＨｚ近傍に僅かなディップが発生する。
また、図１８に示すように、第二接合部２５の縁が、図１７の場合よりもさらに、素子領域Ａｒ１の内側に位置する場合、駆動周波数帯域内に多数のディップが発生する。
図１５から図１８の各図から分かるように、第二接合部２５の縁は、素子領域Ａｒ１の縁よりも外側に設けられていることが好ましい。第二接合部２５の縁を、素子領域Ａｒ１の縁よりも外側に設け、所定寸法のマージンを持たせることで、保護部材２３と第二接合部２５を接合する際に位置ずれが発生した場合でも、第二接合部２５の縁が素子領域Ａｒ１内に入らず、ディップの発生を抑制することができる。

［本実施形態の作用効果］
本実施形態の超音波計測装置１０は、超音波デバイス２０と、超音波デバイス２０を制御する制御部３０とを備える。超音波デバイス２０は、複数の振動部２１２Ａを備えた基板２１と、複数の振動部２１２Ａのそれぞれに設けられ、振動部２１２Ａを振動させる圧電素子２２と、基板２１及び圧電素子２２を覆う保護部材２３と、Ｚ方向において基板２１と保護部材２３との間に設けられ、基板２１及び保護部材２３を接合する第一接合部２４と、Ｚ方向で、保護部材２３に設けられた第二接合部２５と、を備える。そして、基板２１は、複数の振動部２１２Ａが配置される素子領域Ａｒ１と、素子領域Ａｒ１を囲う外周領域Ａｒ２とを含んで構成されており、第二接合部２５は、素子領域Ａｒ１には配置されず、外周領域Ａｒ２に配置されて保護部材２３と他の部材とを接合する。

このような超音波デバイス２０では、第二接合部２５による接合状態が変化しても、超音波デバイス２０で送受信する超音波の周波数特性の駆動周波数帯域にディップが発生しない。
つまり、各超音波トランスデューサーＴｒの駆動周波数帯域に対して、保護部材２３の振動モードの周波数が低周波側になり、駆動周波数帯域外となる。この場合、保護部材２３の変形が発生しても、ディップの発生位置は、駆動周波数帯域外となる。したがって、本実施形態の超音波デバイス２０では、ディップによる残響異常が抑制され、対象物１で反射された超音波の受信タイミングを精度よく検出することができる。
これにより、超音波計測装置１０によって、超音波デバイス２０から対象物１までの距離を計測する場合に、超音波の受信タイミングを精度よく検出することができ、距離測定等の処理精度も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。
第一実施形態の超音波デバイス２０は、素子領域Ａｒ１の上に第二接合部２５が設けられず、外周領域Ａｒ２に第二接合部２５が設けられる構成とすることでディップの影響を低減した。これに対して、第二実施形態では、第二接合部２５の素材によりディップの影響を低減する点で、上記第一実施形態と相違する。
なお、以降の説明において、既に説明した事項については、同符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

図１９は、第二実施形態の超音波デバイス２０Ａの概略構成を示す断面図である。
第二実施形態の超音波デバイス２０Ａは、第一実施形態の超音波デバイス２０と同様に、基板２１、及び保護部材２３を備えて構成されている。
そして、本実施形態では、第二接合部２５Ａは、保護部材２３の基板２１とは反対側の面の全体に設けられている。

この第二接合部２５Ａは、ヤング率が０．１ＧＰａ以下、または、０．８ＧＰａ以上となる素材にて構成されている。
図２０は、本実施形態の超音波デバイス２０Ａのクロストーク振動の周波数特性を示す図であり、ヤング率が０．８ＧＰａの第二接合部２５Ａを用いている。
図２１は、比較例３の超音波デバイスの周波数特性を示す図であり、図２２は、比較例４の超音波デバイスの周波数特性を示す図であり、図２３は、比較例５の超音波デバイスの周波数特性を示す図である。比較例３の超音波デバイスは、本実施形態の超音波デバイス２０Ａにおいて、第二接合部２５Ａを、ヤング率が０．２ＧＰａである接合素材に交換したものである。比較例４の超音波デバイスは、本実施形態の超音波デバイス２０Ａにおいて、第二接合部２５Ａを、ヤング率が０．４ＧＰａである接合素材に交換したものである。比較例５の超音波デバイスは、本実施形態の超音波デバイス２０Ａにおいて、第二接合部２５Ａを、ヤング率が０．６ＧＰａである接合素材に交換したものである。

図２０に示すように、第二接合部２５Ａのヤング率が０．８ＧＰａである場合、駆動周波数帯域である５５０ｋＨｚから６５０ｋＨｚの周波数帯域内でのディップが発生していない。一方、図２１に示すように、第二接合部２５Ａのヤング率が０．２ＧＰａである場合、駆動周波数帯域である５５０ｋＨｚにディップの発生が確認された。なお、ヤング率が０．１ＧＰａ以下、または、０．８ＧＰａ以上の範囲であれば、駆動周波数帯域内でのディップの発生はない。
つまり、図２２及び図２３に示すように、ヤング率が０．２ＧＰａ以上、０．７ＧＰａ以下の第二接合部２５Ａを用いた場合、駆動周波数帯域内にディップが発生する。

［本実施形態の作用効果］
本実施形態の超音波デバイス２０Ａは、複数の振動部２１２Ａを備えた基板２１と、複数の振動部２１２Ａのそれぞれに設けられ、振動部２１２Ａを振動させる圧電素子２２と、基板２１及び圧電素子２２を覆う保護部材２３と、Ｚ方向において基板２１と保護部材２３との間に設けられ、基板２１及び保護部材２３を接合する第一接合部２４と、Ｚ方向で、保護部材２３に設けられた第二接合部２５Ａと、を備え、第二接合部２５Ａのヤング率は、０．１ＧＰａ以下、または、０．８ＧＰａ以上である。

このような超音波デバイス２０Ａでは、第二接合部２５Ａが０．１ＧＰａ以下、または、０．８ＧＰａ以上のヤング率を有することで、ディップの発生位置は、駆動周波数帯域外となる。したがって、本実施形態の超音波デバイス２０Ａでは、ディップによる残響異常が抑制され、対象物１で反射された超音波の受信タイミングを精度よく検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。

第一実施形態では、第二接合部２５を、基板２１の外周領域Ａｒ２の全体に設ける例を示したが、これに限定されない。
第二接合部２５が、素子領域Ａｒ１から外れた位置に設けられていればよく、例えば、基板の４隅や、外周縁に沿った一部など、外周領域Ａｒ２の一部にのみ第二接合部２５が設けられていてもよい。

上記実施形態では、基板本体部２１１の開口部２１１Ａにより振動部２１２Ａの外周縁が規定される構成であるが、基板本体部２１１の開口部２１１Ａと保護部材２３の壁部２３３により振動部２１２Ａの外周縁が規定される構成としてもよい。
つまり、基板本体部２１１において、開口部２１１ＡがＸ方向に長手に形成されており、Ｙ方向に長手の壁部２３３が当該開口部２１１Ａを複数の領域に分割するように配置されていてもよい。この場合、開口部２１１ＡのＸ方向に沿った縁により、振動部２１２ＡのＸ方向の縁が規定され、保護部材２３の壁部２３３のＹ方向に沿った縁により、振動部２１２ＡのＹ方向の縁が規定される。

第一実施形態では、素子領域Ａｒ１に対して第二接合部２５を設けず、素子領域Ａｒ１の外側の外周領域Ａｒ２に第二接合部２５を設けることで、駆動周波数帯域でのディップの発生を抑制した。また、第二実施形態では、第二接合部２５Ａのヤング率を変更することで、駆動周波数帯域でのディップの発生を抑制した。
これに対して、超音波デバイス２０の駆動周波数帯に基づいて、基板２１から保護部材２３に伝搬される振動によって変形する保護部材２３の周波数が、駆動周波数帯域外となるように、保護部材２３の形状を成形したり、保護部材２３の素材を選定したりしてもよい。

上記実施形態では、超音波素子として、振動部２１２Ａに下部電極、圧電体、及び上部電極を積層することで構成される圧電素子２２を例示したが、これに限定されない。
超音波素子は、所定周期で振動部２１２Ａを振動させる構成であればよく、各種振動素子を適用することができる。例えば、超音波素子は、振動部２１２Ａ上に配置される第１電極と、第１電極に対して所定のエアギャップを介して配置される第２電極とにより構成されていてもよい。この場合、第１電極と第２電極との間に周期駆動電圧を印加することで、電極間に作用する静電引力によって、振動部２１２Ａを振動させて超音波を送信することができる。また、第１電極と第２電極との間の静電容量の変化から、超音波の受信による振動部２１２Ａの振動を検出することができる。

第一実施形態では、電子機器の一例として、超音波デバイス２０から対象物１までの距離を計測する超音波計測装置１０を例示したが、超音波計測装置１０として、単体の計測センサーとして用いてもよく、各種電子機器や産業機器などに組み込んで用いてもよい。
例えば、インクジェットプリンター等の印刷装置に、超音波計測装置１０を組み込んでもよい。また、ロボットアーム等の産業機器において、対象物を把持するアームに超音波計測装置１０を組み込み、アームから対象物までの距離を計測してもよい。
また、電子機器としては、超音波デバイス２０から対象物１までの距離を測定するものに限定されない。例えば、電子機器は、送信用超音波デバイスから発信した超音波を、受信用超音波デバイスで受信することで、送信用超音波デバイスと受信用超音波デバイスとの間に配置された対象物の厚みや重送を検出するセンサーであってもよい。具体的には、プリンターやスキャナーの装置内で、トレイから搬送された紙面が２枚以上重なっていないかを検出する重送検出センサーとして用いることができる。

１…対象物、１０…超音波計測装置、１１…ベース部、２０,２０Ａ…超音波デバイス、２１…基板、２２…圧電素子（超音波素子）、２３…保護部材、２４…第一接合部、２５，２５Ａ…第二接合部、３０…制御部、２１１…基板本体部、２１１Ａ…開口部、２１２，２１２Ａ…振動部、２３２…凹部、２３３…壁部、Ａｒ１…素子領域、Ａｒ２…外周領域、Ａｒ３…端子領域、Ｔｒ…超音波トランスデューサー。

Claims (3)

1. 複数の振動部を備えた基板と、
   複数の前記振動部のそれぞれに設けられ、前記振動部を振動させる超音波素子と、
   前記基板及び前記超音波素子を覆う保護部材と、
   前記基板から前記保護部材に向かう積層方向で、前記基板と前記保護部材との間に設けられ、前記基板及び前記保護部材を接合する第一接合部と、
   前記積層方向で、前記保護部材の前記基板とは反対側に設けられた第二接合部と、を備え、
   前記基板は、複数の前記振動部が配置される素子領域と、前記素子領域を囲う外周領域とを含み、
   前記第二接合部は、前記素子領域には配置されず、前記外周領域に配置されている
   ことを特徴とする超音波デバイス。
2. 複数の振動部を備えた基板と、
   複数の前記振動部のそれぞれに設けられ、前記振動部を振動させる超音波素子と、
   前記基板及び前記超音波素子を覆う保護部材と、
   前記基板から前記保護部材に向かう積層方向で、前記基板と前記保護部材との間に設けられ、前記基板及び前記保護部材を接合する第一接合部と、
   前記積層方向で、前記保護部材の前記基板とは反対側に設けられた第二接合部と、を備え、
   前記第二接合部のヤング率は、０．１ＧＰａ以下、又は、０．８ＧＰａ以上である
   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と、
   前記超音波デバイスが前記第二接合部を介して接合されるベース部と、
   を備えることを特徴とする電子機器。

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