JP2021190920A - 連成振動体を含むセンシング素子およびそれを用いたソナー素子 - Google Patents

Abstract

【課題】より精度良いセンシングを行うことが可能な連成振動体を含むセンシング素子およびそれを用いたソナー素子を提供する。【解決手段】メンブレン構造の複数の振動体１０、２０が備えられたセンシング素子において、複数の振動体１０、２０を連成バネ３０で連成し、電気的に振動体を駆動する際には、複数の振動体１０、２０を一体で振動させる。これにより、加工出来映えの誤差等に関係なく、複数の振動体１０、２０を同一の共振周波数で振動させることが可能となる。また、複数の振動体１０、２０で受信を行う際には、アクチュエータ４０、５０を駆動して連成バネ３０による複数の振動体１０、２０の連成を解除する。これにより、複数の振動体１０、２０での振動に位相差を発生させることが可能となり、受信した超音波がどの方向から伝わってきたかを測定できる。【選択図】図１

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）などで構成される連成振動体を含むセンシング素子およびそれを用いたソナー素子に関するものである。

従来、複数の振動体を備え、複数の振動体の振動に基づいてセンシングを行う素子を構成する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。複数の振動体は、ＭＥＭＳなどで構成されており、例えば複数のメンブレンがそれぞれ独立して配置された構造とされ、独立して振動させられるようになっている。

特許３８７０８９５号公報

しかしながら、複数の振動体の加工出来映え誤差等により、各メンブレンでの共振周波数が完全には一致しない。このため、駆動周波数との誤差が生じ、メンブレン振幅にロスが生じる。したがって、従来構造の複数の振動体を備える素子では、精度良いセンシングを行うことができない。

本発明は上記点に鑑みて、より精度良いセンシングを行うことが可能な連成振動体を含むセンシング素子およびそれを用いたソナー素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、複数の振動体（１０、２０）を有するセンシング素子であって、複数の振動体を構成する第１振動体（１０）および第２振動体（２０）と、第１振動体と第２振動体とを連成すると共に、バネ定数が可変となる連成バネ（３０）と、を有し、電気的に第１振動体および第２振動体を振動させる際には、第１振動体と第２振動体とを連成バネによる連成に基づいて一体化して振動させ、外力に基づいて第１振動体および第２振動体が振動させられるときには、連成バネのバネ定数を電気的に第１振動体および第２振動体を振動させる際よりも小さくし、第１振動体と第２振動体の振動の位相差に基づいて外力のセンシングを行う。

このように、複数の振動体が備えられたセンシング素子において、複数の振動体を連成バネで連成し、電気的に振動体を駆動する際には、複数の振動体を一体で振動させている。このため、加工出来映えの誤差等に関係なく、複数の振動体を同一の共振周波数で振動させることが可能となる。また、外力に基づいて複数の振動体が振動させられる際には、連成バネのバネ定数を小さくして、複数の振動体での振動に位相差を発生させることが可能となり、外力がどの方向から伝わってきたものであるかを測定することが可能となる。よって、より精度良いセンシングを行うことが可能となる。

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態にかかるソナー素子の正面図である。 図１中のII−II断面図である。 図１中のIII−III断面図である。 図１に示すソナー素子の模式図である。 第１実施形態の変形例として説明するソナー素子の正面図である。 図５に示すソナー素子の両持梁の変形の様子を示した図である。 第２実施形態にかかるソナー素子の模式図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
第１実施形態について説明する。本実施形態では、連成振動体を含むセンシング素子として、物体検知を行うためのソナー素子を例に挙げて説明する。ただし、ここではセンシング素子の一例としてソナー素子を挙げたのであり、ソナー素子以外のセンシング素子であっても構わない。

図１に示すように、ソナー素子は、１対の振動体となる第１振動体１０および第２振動体２０と、連成バネ３０と、第１アクチュエータ４０および第２アクチュエータ５０とを有した構成とされている。

ソナー素子を構成する各部は、半導体基板を用いて形成したＭＥＭＳによって構成されている。ここでは、半導体基板として、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いてソナー素子を形成した場合について例に挙げるが、シリコンなどのバルク基板によってソナー素子を形成しても良い。

図２、図３に示すように、ＳＯＩ基板６０は、シリコンなどで構成される支持基板６１の上に酸化膜などの埋込絶縁膜６２を介してシリコンで構成される活性層６３を備えた構造とされている。そして、本実施形態では、ＳＯＩ基板６０のうちのソナー素子を形成する位置において、支持基板６１および埋込絶縁膜６２を除去してメンブレン６４を構成し、このメンブレン６４上に各部を形成することでソナー素子を構成している。メンブレン６４は、例えば厚み数μｍの薄膜とされている。また、ＳＯＩ基板６０における支持基板６１側、つまりメンブレン６４と反対側に台座７０が貼り付けられ、支持基板６１などを支持すると共に、支持基板６１の開口部を覆っている。

図２および図３に示すように、第１振動体１０は、メンブレン６４の上に、下部電極１１と圧電薄膜１２および上部電極１３などを形成することによって構成されている。下部電極１１と圧電薄膜１２および上部電極１３は、その順番でメンブレン６４上に積層されており、圧電薄膜１２を下部電極１１と上部電極１３とによって挟む込んだ構造とされている。メンブレン６４のうち第１振動体１０を構成する部分の周囲、具体的には図１に示されるような円形状の部分の周囲には、埋込絶縁膜６２および支持基板６１が残されており、この部分においてメンブレン６４の周囲が支持された状態になっている。ただし、メンブレン６４のうち連成バネ３０と接続されている箇所だけは埋込絶縁膜６２および支持基板６１が除去されていて、薄膜の状態になっている。

なお、図２中には、図示されていないが、下部電極１１と上部電極１３は、それぞれ別々に備えられた配線部を通じてソナー素子の外部との電気的な接続が行われており、配線部を通じての通電もしくは電気信号の取り出しが行えるようになっている。

このような構成とされているため、第１振動体１０は、配線部を通じた通電に基づいて下部電極１１と上部電極１３との間に所定周波数の電位差を生じさせることにより、圧電薄膜１２の圧電効果によって第１振動体１０が振動させられる。また、外力に基づいて第１振動体１０が振動させられると、その振動に基づく圧電効果により、下部電極１１と上部電極１３との間に電位差が発生させられる。この電位差を配線部より取り出すことで、第１振動体１０に加えられた振動、換言すれば外力を検出することが可能となっている。

図３に示されるように、第２振動体２０も、メンブレン６４の上に下部電極２１と圧電薄膜２２および上部電極２３などを形成することによって構成されている。これら下部電極２１と圧電薄膜２２および上部電極２３は、それぞれ、第１振動体１０における下部電極１１と圧電薄膜１２および上部電極１３と同じ構成とされ、理想的には同一寸法、同一形状、同一厚さとされている。また、メンブレン６４のうち第２振動体２０を構成する部分の周囲、具体的には図１に示されるような円形状の部分の周囲には、埋込絶縁膜６２および支持基板６１が残されており、この部分においてメンブレン６４の周囲が支持された状態になっている。ただし、メンブレン６４のうち連成バネ３０と接続されている箇所だけは埋込絶縁膜６２および支持基板６１が除去されていて、薄膜の状態になっている。

なお、下部電極２１と上部電極２３も、それぞれ別々に備えられた配線部を通じてソナー素子の外部との電気的な接続が行われており、配線部を通じての通電もしくは電気信号の取り出しが行えるようになっている。このため、第２振動体２０は、第１振動体１０と同様の動作を行えるようになっている。

連成バネ３０は、第１振動体１０と第２振動体２０とを接続するバネ構造であり、本実施形態では、メンブレン６４によって連成バネ３０を構成している。連成バネ３０は、第１振動体１０と第２振動体２０とによって両持ちされた構造とされている。ＳＯＩ基板６０の平面上における一方向とその垂直方向、つまり図１の紙面上下方向と左右方向をそれぞれＸ方向とＹ方向として、連成バネ３０は、Ｘ方向において第１折返バネ３１、両持梁３２および第２折返バネ３３が並べられた構成とする。

第１折返バネ３１は、第１振動体１０に接続される接続部３１ａと、Ｙ方向に伸びる並列配置されたバネ部３１ｂ、３１ｃと、両バネ部３１ｂ、３１ｃを両端で連結する連結部３１ｄ、３１ｅとによって構成されている。接続部３１ａを介して第１振動体１０とバネ部３１ｂの中央位置とが接続されており、バネ部３１ｃの中央位置において両持梁３２の一端が接続されている。このような構成の第１折返バネ３１は、バネ部３１ｂ、３１ｃがＳＯＩ基板６０の平面方向、特にＸ方向に撓むことができるようになっている。また、ＳＯＩ基板６０の平面、つまりＸＹ平面に対する法線方向となるＺ方向に対しては撓みにくくされている。

両持梁３２は、本実施形態の場合、Ｘ方向に伸びる直線状梁で構成されており、一端が第１折返バネ３１に接続され、他端が第２折返バネ３３に接続されている。

第２折返バネ３３は、第２振動体２０に接続される接続部３３ａと、Ｙ方向に伸びる並列配置されたバネ部３３ｂ、３３ｃと、両バネ部３３ｂ、３３ｃを両端で連結する連結部３３ｄ、３３ｅとによって構成されている。接続部３３ａを介して第２振動体２０とバネ部３３ｂの中央位置とが接続されており、バネ部３３ｃの中央位置において両持梁３２の一端が接続されている。このような構成の第２折返バネ３３は、バネ部３３ｂ、３３ｃがＳＯＩ基板６０の平面方向、特にＸ方向に撓むことができるようになっている。また、ＳＯＩ基板６０の平面、つまりＸＹ平面に対する法線方向となるＺ方向に対しては撓みにくくされている。

第１アクチュエータ４０は、両持梁３２のうち第１折返バネ３１との接続される側の端部に接続され、両持梁３２を介しての第１振動体１０と第２振動体２０の連成を解除する役割を果たす。ここでは、第１アクチュエータ４０は、後述する第２アクチュエータ５０と共に、両持梁３２を座屈させることで、両持梁３２による第１振動体１０と第２振動体２０の連成を解除するようになっている。両持梁３２の座屈方向については任意であるが、例えば中央部がＹ方向に突き出すように座屈することが想定される。

具体的には、第１アクチュエータ４０は、両持梁３２に接続された可動電極４１と、両持梁３２から分離され、支持基板６１に支持された固定電極４２とを有した構成とされている。可動電極４１は、両持梁３２を挟んでＹ方向の両側に伸びる支持部４１ａと、支持部４１ａからＸ方向に伸びる櫛歯部４１ｂとを有する可動櫛歯電極とされている。固定電極４２も、両持梁３２を挟んでＹ方向の両側に伸びる支持部４２ａと、支持部４２ａからＸ方向に伸びる櫛歯部４２ｂとを有する固定櫛歯電極とされている。櫛歯部４１ｂと櫛歯部４２ｂとは対向配置されており、可動電極４１と固定電極４２との間に電位差を生じさせると、これらの間に構成される静電容量による静電引力に基づいて、可動電極４１を第１振動体１０から離れる方向に付勢する。

第２アクチュエータ５０は、両持梁３２のうち第２折返バネ３３との接続される側の端部に接続され、両持梁３２を介しての第１振動体１０と第２振動体２０の連成を解除する役割を果たす。上記したように、ここでは、第２アクチュエータ５０は、第１アクチュエータ４０と共に、両持梁３２を座屈させることで、両持梁３２による第１振動体１０と第２振動体２０の連成を解除するようになっている。

具体的には、第２アクチュエータ５０は、両持梁３２に接続された可動電極５１と、両持梁３２から分離され、支持基板６１に支持された固定電極５２とを有した構成とされている。可動電極５１は、両持梁３２を挟んでＹ方向の両側に伸びる支持部５１ａと、支持部５１ａからＸ方向に伸びる櫛歯部５１ｂとを有する可動櫛歯電極とされている。固定電極５２も、両持梁３２を挟んでＹ方向の両側に伸びる支持部５２ａと、支持部５２ａからＸ方向に伸びる櫛歯部５２ｂとを有する固定櫛歯電極とされている。櫛歯部５１ｂと櫛歯部５２ｂとは対向配置されており、可動電極５１と固定電極５２との間に電位差を生じさせると、これらの間に構成される静電容量による静電引力に基づいて、可動電極５１を第２振動体２０から離れる方向に付勢する。

なお、図２および図３では、メンブレン６４が支持基板６１および埋込絶縁膜６２の開口部の全域を覆うように示されている。しかしながら、メンブレン６４になっているのは、第１振動体１０、第２振動体２０、連成バネ３０、第１アクチュエータ４０および第２アクチュエータ５０のみである。すなわち、これら各部と対応する部分がメンブレン６４となっており、それ以外の部分では活性層６３も除去され、浮遊状態となっている。

以上のようにして、本実施形態にかかるソナー素子が構成されている。続いて、このように構成されたソナー素子の作動について説明する。

ソナー素子では、振動体を振動させることによって超音波を送信すると共に、障害物などによって反射してきた超音波を外力として受信することで、障害物検知を行う。本実施形態のように、複数の振動体を同一構成で形成した場合、同じ共振周波数で振動するのが理想的であるが、実際には加工出来映え誤差等によって、複数の振動体の共振周波数が完全には一致しない。このため、駆動周波数との誤差が生じ、メンブレン振幅にロスが生じる。したがって、単に複数の振動体を同一構成としただけの素子では、精度良いセンシングを行うことができない。

これに対して、本実施形態では、第１振動体１０と第２振動体２０とを連成バネ３０によって連成した構造としている。このため、超音波の送信時には、下部電極１１と上部電極１３の間や下部電極２１と上部電極２３の間へ電圧印加を行うと、バネ構造で連結された第１振動体１０および第２振動体２０が同一の共振周波数で振動する。つまり、第１振動体１０および第２振動体２０が一体化して振動する固有振動モードを持たせることが可能となる。

したがって、加工出来映えの誤差等に関係なく、複数の振動体の共振周波数を一致させることが可能となり、駆動周波数との誤差が生じることが抑制され、メンブレン振幅にロスが生じないようにできる。

なお、超音波の送信時には、第１アクチュエータ４０および第２アクチュエータ５０を駆動しない状態としている。このため、超音波の送信時には、図４に示すように、単に第１振動体１０と第２振動体２０とを連成バネ３０によって連成した構造となり、上記のように第１振動体１０と第２振動体２０とが一体化して振動させられることになる。

一方、超音波の受信時には、超音波によって第１振動体１０や第２振動体２０の振動が励起されることで、圧電薄膜１２や圧電薄膜２２に歪みが生じ、電荷が発生する。このため、下部電極１１と上部電極１３の間や下部電極２１と上部電極２３の間に電位差が発生し、これらが受信出力とされる。この受信出力に基づいて超音波の受信タイミングが分かるため、超音波の送信タイミングと受信タイミングとの時間間隔と超音波の速度とに基づいて、ソナー素子から障害物までの距離を測定することが可能となる。

さらに、超音波の受信時には、第１アクチュエータ４０および第２アクチュエータ５０を駆動して両持梁３２を座屈させ、図４に示すように、連成バネ３０のバネ定数が可変させられることで第１振動体１０と第２振動体２０との連成を解除する。具体的には、第１アクチュエータ４０を駆動することで第１折返バネ３１がＸ方向に広がって長方形状から菱形状に変形し、第２アクチュエータ５０を駆動することで第２折返バネ３３がＸ方向に広がって長方形状から菱形状に変形する。これにより、両持梁３２が撓んで座屈させられる。

このようにすれば、受信する超音波の方位がＳＯＩ基板６０の平面に対して垂直でない場合、第１振動体１０と第２振動体２０との振動において、位相差が生じる。このため、第１振動体１０における下部電極１１と上部電極１３の間の電位差の位相と、第２振動体２０における下部電極２１と上部電極２３の間の電位差の位相との位相差に基づいて、超音波の方位についても測定が可能となる。具体的には、図１の紙面上下方向に沿うどの方向から超音波が伝わってきているかを測定することが可能となる。

以上説明したように、メンブレン構造の複数の振動体１０、２０が備えられたセンシング素子において、複数の振動体１０、２０を連成バネ３０で連成し、電気的に振動体を駆動する際には、複数の振動体１０、２０を一体で振動させている。このため、加工出来映えの誤差等に関係なく、複数の振動体１０、２０を同一の共振周波数で振動させることが可能となる。また、複数の振動体１０、２０で受信を行う際には、アクチュエータ４０、５０を駆動して連成バネ３０による複数の振動体１０、２０の連成を解除している。このため、複数の振動体１０、２０での振動に位相差を発生させることが可能となり、受信した超音波がどの方向から伝わってきたものであるかを測定することが可能となる。よって、より精度良いセンシングを行うことが可能なソナー素子にできる。

（第１実施形態の変形例）
上記第１実施形態では、両持梁３２を直線状梁によって構成したが、直線状梁に限るものではない。

例えば、図５に示すように、両持梁３２が途中位置において２つに分岐した二本の梁３２ａ、３２ｂとされていても良い。このような構成とする場合、超音波の送信時には、図６（ａ）に示すように二本の梁３２ａ、３２ｂが伸びた強引張状態となり、剛性が高くなって、第１振動体１０と第２振動体２０を一体化して振動させることができる。また、超音波の受信時には、図６（ｂ）に示すように二本の梁３２ａ、３２ｂが撓んで弱引張状態となり、剛性が低くなって、第１振動体１０と第２振動体２０との連成が解除され、位相差を許容した受信が可能となる。

このように、両持梁３２を二本の梁３２ａ、３２ｂが含まれた構成とすることで、受信時には撓ませ易くなり、より的確に第１振動体１０と第２振動体２０との連成を解除することが可能となる。

（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して複数の振動体の数を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図７に示すように、本実施形態では、第１振動体１０を２つにすると共に、第２振動体２０を２つにしている。そして、２つの第１振動体１０を第１連成バネ８０で連成すると共に、２つの第２振動体２０を第２連成バネ９０で連成した構造としている。

なお、図７では、簡略化して、各第１振動体１０と各第２振動体２０との間に連成バネ３０のみを示しているが、実際には、図１に示したように、連成バネ３０に加えて第１アクチュエータ４０および第２アクチュエータ５０が備えられている。

このように、第１振動体１０を２つ、第２振動体２０を２つの合計４つの振動体を備えた構成とすることできる。この場合、超音波の送信時には、すべての振動体１０、２０を連成した状態とすることで、すべての振動体１０、２０を一体化して同一の共振周波数で振動させることができる。一方、超音波の受信時には、２つの第１振動体１０同士を第１連成バネ８０によって連成したままとし、２つの第２振動体２０同士を第２連成バネ９０によって連成したままとする。そして、２つの第１振動体１０と２つの第２振動体２０の受信出力の位相差に基づいて、超音波の受信を検出する。

本実施形態のようなソナー素子では、２つの第１振動体１０と２つの第２振動体２０とを備えた２振動子タイプで超音波の送受信を検出できることから、送信音圧増加と受信感度増加を図ることが可能となる。

（他の実施形態）
本開示は、上記した実施形態に準拠して記述されたが、当該実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

例えば、上記各実施形態で示した各部の構造については一例を挙げたに過ぎず、他の構造とされていても良い。一例を挙げると、第１振動体１０と第２振動体２０とを連成する連成バネ３０のバネ部として、第１折返バネ３１、第２折返バネ３３を用いたが、折返バネでなくても良い。また、第１アクチュエータ４０および第２アクチュエータ５０についても、櫛歯電極によって構成される場合を例に挙げたが、他の構造、例えば単にＸ方向に平行に可動電極と固定電極とが並べられたものであっても良い。

また、複数の振動体の数についても任意であり、１対の振動体が複数組備えられた構造とされたものであれば、その対の数については第１実施形態のような１つ、もしくは第２実施形態のような２つに限るものではない。

また、複数の振動体が連成バネによって連成された連成振動体を含むセンシング素子として、ソナー素子を例に挙げて説明したが、連成振動を含むセンシング素子であれば他の用途とされても良い。

さらに、複数の振動体を連成する連成バネについて、複数の振動体を振動させる際に連成バネとして機能し、超音波などに基づいて複数の振動体が振動させられる際に連成バネとしての機能が低下させられるバネ定数が可変となるものであれば良い。そして、複数の振動体が振動させられる際に連成バネとしての機能が完全に解除される必要は無く、少なくとも電気的に複数の振動体を振動させる際よりもバネ定数を低下させて各振動体の振動に位相差が生じさせられれば良い。ただし、超音波などに基づいて複数の振動体が振動させられる際にバネ定数をゼロ化できるようにしてあれば、第１振動体１０と第２振動体２０とを独立して振動させられ、より的確なセンシングが可能になる。上記した第１、第２実施形態のいずれの構造であっても、連成バネ３０のサイズや剛性、第１アクチュエータ４０および第２アクチュエータ５０による両持梁３２の撓ませ量の調整に基づいて、バネ定数のゼロ化は可能である。

１０ 第１振動体
２０ 第２振動体
３０ 連成バネ
３２ 両持梁
４０ 第１アクチュエータ
５０ 第２アクチュエータ
６０ ＳＯＩ基板
６４ メンブレン

Claims (6)

1. 複数の振動体（１０、２０）を有するセンシング素子であって、
   前記複数の振動体を構成する第１振動体（１０）および第２振動体（２０）と、
   前記第１振動体と前記第２振動体とを連成すると共に、バネ定数が可変となる連成バネ（３０）と、を有し、
   電気的に前記第１振動体および前記第２振動体を振動させる際には、前記第１振動体と前記第２振動体とを前記連成バネによる連成に基づいて一体化して振動させ、外力に基づいて前記第１振動体および前記第２振動体が振動させられるときには、前記連成バネのバネ定数を電気的に前記第１振動体および前記第２振動体を振動させる際よりも小さくし、前記第１振動体と前記第２振動体の振動の位相差に基づいて前記外力のセンシングを行う、連成振動体を含むセンシング素子。
2. 前記連成バネのバネ定数を変化させるアクチュエータ（４０、５０）を備えている、請求項１に記載の連成振動体を含むセンシング素子。
3. 前記連成バネは、前記第１振動体と前記第２振動体とによって両持ちされる両持梁（３２）を含み、
   前記アクチュエータは、前記両持梁のうち前記第１振動体に接続される一端に配置される第１アクチュエータ（４０）と、前記両持梁のうち前記第２振動体に接続される他端に配置される第２アクチュエータ（５０）とを含み、
   前記第１アクチュエータによって前記両持梁の一端を前記第１振動体から離れる方向に付勢すると共に、前記第２アクチュエータによって前記両持梁の他端を前記第２振動体から離れる方向に付勢することで、前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータとの間において前記両持梁を撓ませて座屈させて前記バネ定数を低下させる、請求項２に記載の連成振動体を含むセンシング素子。
4. 前記外力に基づいて前記第１振動体および前記第２振動体が振動させられるときには、前記連成バネのバネ定数がゼロ化される、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の連成振動体を含むセンシング素子。
5. 前記第１振動体および前記第２振動体は、半導体基板（５０）に形成された薄膜で構成されるメンブレン（５４）を含んで構成されるＭＥＭＳによって構成され、
   電気的に前記メンブレンを含む前記第１振動体および前記第２振動体を振動させる、請求項１ないし４のいずれか１つに記載のセンシング素子。
6. 請求項１ないし５のいずれか１つに記載の連成振動体を含むセンシング素子はソナー素子であり、
   電気的に前記第１振動体および前記第２振動体を振動させることで超音波を送信し、
   前記外力として、反射してきた前記超音波を前記第１振動体および前記第２振動体が振動させられることで受信する、ソナー素子。

Images