JP2023065084A - 超音波センサー - Google Patents

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Abstract

【課題】近距離の対象物に対して小径なスポット径の超音波ビームを送信可能な超音波センサーを提供する。【解決手段】超音波センサーは、対象物に対して超音波を送信し、対象物により反射された超音波を受信するセンサーであって、超音波の送受信を行う超音波素子がアレイ状に配置された超音波アレイチップを備える。超音波素子は、振動部と、振動部に設けられた圧電素子と、を備え、圧電素子への電圧印加により振動部を振動させて超音波を送信し、振動部の振動により圧電素子から出力される信号により超音波の受信を検出し、超音波素子の共振周波数は、２０００ｋＨｚ以下である。【選択図】図２

Description

本発明は、超音波センサーに関する。
従来、超音波を送信し、対象物で反射された反射波を受信することで、対象物までの距離等を測定する超音波センサーが知られている（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１の従来の超音波センサーは、圧電振動子が振動することで超音波を発生させ、対象物で反射された超音波を圧電振動子で受信する。圧電振動子には、コンデンサーが並列に接続されており、スイッチ操作によって圧電振動子と並列につなぐコンデンサーを選択可能に構成されている。このような超音波センサーでは、圧電振動子につなぐコンデンサーの組み合わせを変化させることで、圧電振動子が反射波を受信した際に出力される受信信号が減衰されるまでにかかる残響時間を制御している。
特開２００４－３４３４８２号公報
しかしながら、上記特許文献１のような、圧電素子自体の振動により超音波を送信し、圧電素子自体が超音波を受信して振動することで超音波の受信を検出する、いわゆるバルク型の超音波振動子では、製造上、超音波素子の小型化が困難であり、例えば１０ｍｍ以下の近距離に対する測定が困難との課題がある。
つまり、超音波を用いて、近距離に配置された対象物を検出する場合、高い周波数の超音波を用いて、残響時間を低減させる必要がある。しかしながら、バルク型の超音波振動子では、上記のように小型化が困難であり、超音波の周波数を高めるには限界がある。
また、近距離に対する対象物を超音波により測定する場合には、対象物の狭範囲における凹凸等の形状、傾斜状態の検出も望まれる。しかしながら、特許文献１に記載のようなバルク型の超音波振動子では、小型化が困難であるため、超音波のスポット径を小さくすることにも限界がある、との課題もある。
本開示の第一態様の超音波センサーは、対象物に対して超音波を送信し、前記対象物により反射された超音波を受信する超音波センサーであって、超音波の送受信を行う超音波素子がアレイ状に配置された超音波アレイチップを備え、前記超音波素子は、振動部と、前記振動部に設けられた圧電素子と、を備え、前記圧電素子への電圧印加により前記振動部を振動させて超音波を送信し、前記振動部の振動により圧電素子から出力される信号により超音波の受信を検出し、前記超音波素子の共振周波数は、２０００ｋＨｚ以下である。
本態様の超音波センサーにおいて、超音波の送信方向から見た際に、前記超音波アレイチップは矩形状であり、一辺の長さが５ｍｍ以下である。
本態様の超音波センサーにおいて、前記超音波素子の共振周波数が１０００ｋＨｚ未満であり、前記超音波素子から超音波を送信することで発生する前記振動部の振動振幅が、超音波の送信直後の前記振動部の前記振動振幅の１０％以下となるまでの時間を残響時間として、前記残響時間が６０μｓ以下となるように、前記超音波素子が構成されている。
本態様の超音波センサーにおいて、前記超音波素子の共振周波数が１０００ｋＨｚ以上１５００ｋＨｚ未満であり、前記超音波素子から超音波を送信することで発生する前記振動部の振動振幅が、超音波の送信直後の前記振動部の前記振動振幅の１０％以下となるまでの時間を残響時間として、前記残響時間が５０μｓ以下となるように、前記超音波素子が構zu成されている。
本態様の超音波センサーにおいて、前記超音波素子の共振周波数が１５００ｋＨｚ以上２０００ｋＨｚ以下であり、前記超音波素子から超音波を送信することで発生する前記振動部の振動振幅が、超音波の送信直後の前記振動部の前記振動振幅の１０％以下となるまでの時間を残響時間として、前記残響時間が２５μｓ以下となるように、前記超音波素子が構成されている。
本発明に係る一実施形態の超音波センサーの概略構成を示す模式図。 本実施形態の超音波アレイチップの概略構成を示す断面図。 本実施形態の超音波アレイチップにおける超音波トランスデューサーの接続例を示す図。 超音波トランスデューサーの共振周波数を６００ｋＨｚとした場合の超音波アレイチップからの距離と超音波ビームのスポット径との関係を示す図。 超音波トランスデューサーの共振周波数を９００ｋＨｚとした場合の超音波アレイチップからの距離と超音波ビームのスポット径との関係を示す図。 超音波トランスデューサーの共振周波数を１０００ｋＨｚ、２０００ｋＨｚ、３０００ｋＨｚとした場合の超音波アレイチップからの距離と超音波ビームのスポット径との関係を示す図。 本実施形態の超音波センサーから超音波を送信した後の振動部の振動の変化を示す図。 バルク型の超音波振動子から超音波を送信した後の超音波振動子の振動の変化を示す図。 本実施形態の超音波センサーと、従来のバルク型の超音波振動子とにおいて、共振周波数と測定可能な距離との関係を示す図。 変形例１に係る超音波センサーの概略構成を示す模式図。
以下、一実施形態の超音波センサーについて説明する。
図１は、本実施形態の超音波センサー１０の概略構成を示す模式図である。
超音波センサー１０は、基材１１等に配置された超音波アレイチップ２０と、超音波アレイチップ２０を制御する制御回路３０とを備える。この超音波センサー１０は、制御回路３０の制御により超音波アレイチップ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アレイチップ２０で受信する超音波送受処理を実施する。そして、制御回路３０は、超音波アレイチップ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、超音波アレイチップ２０から対象物１までの距離を算出する。
特に、本実施形態の超音波センサー１０は、配置スペースが狭く、対象物１との距離が例えば１０ｍｍ以下となる近距離用の計測装置として有利となる。このような超音波センサー１０は、例えば、プリンターやイメージスキャナー等に適用でき、紙面を対象物１として紙面までの距離を計測したり、紙面の凹凸状態、紙面の搬送状態を検出したりすることに好適に利用できる。また、ロボットアーム等に取り付けることで、ロボットアームを対象物１に近接させる際に、対象物１とロボットアームとの距離を精度よく検出し、ロボットアームと対象物１との衝突による破損を測定する等の利用も可能となる。
プリンターやイメージスキャナーに適用する場合には、例えば、紙面の傾斜、皺等の凹凸等を同時に検出することが好ましい。
また、ロボットアーム等に超音波センサー１０を搭載する場合、対象物１に対してロボットアームを近接させる際に、対象物１に突起等があると、ロボットアームと対象物１との意図しない接触により、対象物１の破損や傷が生じる場合がある。
したがって、超音波センサー１０としては、単に対象物１との距離を計測するだけでなく、対象物１の表面形状を適正に判定することが好ましい。このため、本実施形態の超音波センサー１０では、対象物１の狭範囲に対する計測を行うことで、対象物１の凹凸等の検出を行う。
以下、このような超音波センサー１０の各構成の詳細について説明する。
［超音波アレイチップ２０の構成］
図２は、超音波アレイチップ２０の概略構成を示す断面図である。
超音波アレイチップ２０は、対象物１に超音波を送信し、対象物１で反射された超音波の受信により受信信号を出力する。
図２に示すように、この超音波アレイチップ２０は、素子基板２１と、振動板２２と、圧電素子２３と、を備えて構成されている。また、図示は省略するが、超音波アレイチップ２０には、素子基板２１が固定される固定基板も含まれる。なお、以降の説明にあたり、超音波アレイチップ２０から対象物１に向かう超音波の送受信方向をＺ方向とする。
素子基板２１は、振動板２２を支持する基板であり、Ｓｉ等の半導体基板で構成される。素子基板２１には、Ｚ方向に沿って素子基板２１を貫通する複数の開口部２１１が設けられている。
振動板２２は、例えばＳｉＯ２及びＺｒＯ２の積層体等より構成され、素子基板２１の－Ｚ側に設けられる。この振動板２２は、開口部２１１を構成する素子基板２１により支持され、開口部２１１の－Ｚ側を閉塞する。振動板２２のうち、Ｚ方向から見た際に各開口部２１１と重なる部分は、振動板２２において、振動により超音波の送受信を行う振動部２２１を構成する。また、振動板２２の＋Ｚ側の面、つまり、素子基板２１とは反対側の面であり、アレイ状に配置された複数の振動部２２１により構成される面は、超音波送受面２２Ａ(図１参照)を構成する。
圧電素子２３は、振動板２２上で、かつ、Ｚ方向から見た際に、各振動部２２１と重なる位置に設けられている。この圧電素子２３は、図２に示すように、振動板２２上に下部電極２３１、圧電膜２３２、及び上部電極２３３が順に積層されることにより構成されている。
このような超音波アレイチップ２０では、１つの振動部２２１と当該振動部２２１上に配置された圧電素子２３とにより、１つの超音波トランスデューサー２４（超音波素子）が構成される。
そして、この超音波アレイチップ２０では、下部電極２３１及び上部電極２３３との間に電圧が印加されると、圧電膜２３２が伸縮して、振動部２２１が開口部２１１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２２１から＋Ｚ側に向かって超音波が送信される。
また、超音波アレイチップ２０では、対象物１で反射された超音波が振動部２２１に入力されると、振動部２２１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２３２の下部電極２３１側と上部電極２３３側との間で電位差が発生する。よって、各圧電素子２３から当該電位差に応じた受信信号が出力される。
図３は、超音波アレイチップ２０における超音波トランスデューサー２４の接続例を示す図である。
本実施形態では、複数の超音波トランスデューサー２４が、ｎ行ｍ列のマトリクス状に配置される。そして、各超音波アレイチップ２０の下部電極２３１は、第一バイパス配線２３１Ａにより互いに結線され、素子基板２１の一部に設けられた第一端子２５１に接続されている。同様に、各超音波アレイチップ２０の上部電極２３３は、第二バイパス配線２３３Ａにより互いに結線され、素子基板２１の一部に設けられた第二端子２５２に接続されている。これらの第一端子２５１及び第二端子２５２は、それぞれ制御回路３０に接続されている。このような構成では、第一端子２５１と第二端子２５２との間に電圧を印加することで、全ての超音波トランスデューサー２４を同時に駆動させることができる。
なお、図３に示す例は、全ての超音波トランスデューサー２４の下部電極２３１を結線して第一端子２５１に接続する構成例であるが、所定数の超音波トランスデューサー２４を１つのチャンネルとし、各チャンネルに対して、第一端子２５１を設ける構成としてもよい。この場合、全ての第一端子２５１と第二端子２５２との間に同時に駆動信号を入力することで、図３と同様に、全ての超音波トランスデューサー２４を同時に駆動させることができる。また、各第一端子２５１を個別に駆動させることも可能となる。この場合、駆動させるチャンネル数を制御することで送信音圧の調整を行うこともでき、各チャンネルの駆動タイミングを遅延制御することで、超音波の送信方向を制御することもできる。また、複数のチャンネルを、超音波を送信する送信用チャンネルと、超音波を受信する受信用チャンネルとに分けて用いてもよい。
本実施形態では、超音波アレイチップ２０はＺ方向から見た平面視で矩形状を有する。具体的には、超音波アレイチップ２０において、複数の超音波トランスデューサー２４が配置される超音波の送受領域、つまり、超音波の送受信が行われる超音波送受面２２Ａを構成する領域が矩形状となり、当該矩形状の送受領域の長辺の長さ（アレイ開口幅）が、５ｍｍ以下に形成されている。つまり、本実施形態において、超音波アレイチップ２０の１辺の長さが５ｍｍ以下とは、複数の超音波トランスデューサー２４が配置される矩形状の送受領域における長辺（アレイ開口幅）が５ｍｍ以下であることを示す。
また、超音波アレイチップ２０は、振動板２２上に、所定のヤング率を有する振動抑制層が配置されてもよい。振動抑制層としては、例えば樹脂材等を用いることができ、振動抑制層により、各振動部２２１の振動をさらに抑制でき、残響時間を短くできる。ここで、本実施形態における残響時間とは、超音波トランスデューサー２４から超音波を送信した後、当該超音波の送信時に発生する振動部２２１の振動振幅が、１０％以下に減衰するまでの時間を指す。
［超音波ビームの周波数及びスポット径］
次に、超音波アレイチップ２０から発信される超音波の周波数、及び当該超音波によって形成される超音波ビームのスポット径について説明する。
本実施形態の超音波センサー１０は、上述したように、超音波アレイチップ２０と、当該超音波アレイチップ２０の超音波送受面２２Ａから近距離に位置する対象物１との距離を適正に計測すること、超音波アレイチップ２０の超音波送受面２２Ａから近距離に位置する対象物１の凹凸等の状態を適切に検出することを主な目的とする。
この場合、超音波アレイチップ２０は、超音波送受面２２Ａから目標とする距離範囲に対して、小スポット径の超音波ビームを送信することが求められる。
ここで、本実施形態の超音波センサー１０では、Ｚ方向から見た平面視において、超音波アレイチップ２０のアレイ開口幅が５ｍｍ以下に形成され、各超音波トランスデューサー２４の共振周波数が２０００ｋＨｚ以下となる。
このような超音波センサー１０では、超音波送受面２２Ａから５０ｍｍ以下の近距離に対して、１０ｍｍ以下のスポット径となる超音波ビームを送信することが可能となる。なお、スポット径とは、超音波の送信方向（Ｚ方向）に対して直交する平面における超音波ビームの最大径である。
図４は、超音波アレイチップ２０からの距離と、超音波ビームのスポット径との関係を示す図である。図４では、超音波トランスデューサー２４の共振周波数を６００ｋＨｚとし、アレイ開口幅を１０ｍｍ、５ｍｍ、３ｍｍ、１ｍｍとした場合のそれぞれについての超音波ビームのスポット径を示している。図５は、超音波トランスデューサー２４の共振周波数を９００ｋＨｚとし、アレイ開口幅を１０ｍｍ、５ｍｍ、３ｍｍ、１ｍｍとした場合のそれぞれについての超音波ビームのスポット径を示している。図６は、超音波トランスデューサー２４の共振周波数を２０００ｋＨｚとし、アレイ開口幅を１０ｍｍ、５ｍｍ、３ｍｍ、１ｍｍとした場合のそれぞれについての超音波ビームのスポット径を示している。図４から図６において、実線は５ｍｍ、一点鎖線は３ｍｍ、二点鎖線は１ｍｍ、破線は１０ｍｍの場合のデータを示している。
図４から図６に示すように、超音波トランスデューサー２４の共振周波数が２０００ｋＨｚ以下である場合、アレイ開口幅が５ｍｍ以下であれば、超音波送受面２２Ａから１０ｍｍ以下の距離範囲内において、スポット径を１０ｍｍ以下とすることができる。特に、共振周波数が１ＭＨｚを超えると、５０ｍｍ以下の近距離範囲に対して、１０ｍｍ以下のスポット径の超音波ビームを送信することができる。
一方、アレイ開口幅が５ｍｍを超える場合、超音波センサー１０から１０ｍｍ以下の範囲内においてもスポット径の１０ｍｍを超える場合がある。例えば、図４及び図５に示すように、アレイ開口幅を１０ｍｍとする場合、超音波センサー１０から１０ｍｍ前後の位置で、スポット径が１０ｍｍを超える。
なお、超音波トランスデューサー２４の共振周波数が高くなる程、超音波の減衰が大きくなる。特に、超音波トランスデューサー２４から空気中に超音波を送信する場合、減衰率がより大きくなり、対象物１で反射される超音波の検出が困難となる。よって、用いる超音波の周波数、つまり超音波トランスデューサー２４の共振周波数としては、２０００ｋＨｚ以下とすることが好ましい。
また、図４～６では、アレイ開口幅が５ｍｍより大きく１０ｍｍ以下である場合でも周波数帯によっては、スポット径を５ｍｍ以下になるグラフが表示されているが、アレイ開口幅が５ｍｍを超えると、サイドローブの影響が大きくなり、１０ｍｍ以下となるスポット径を達成できない場合がある。これに対して、アレイ開口幅は、５ｍｍ以下とすることで、サイドロープの影響を抑制しつつ、近距離範囲に対して図４～６に示すような１０ｍｍ以下のスポット径を達成することができる。
ところで、超音波アレイチップ２０から近距離に位置する対象物までの距離を測定する場合、超音波アレイチップ２０から超音波を送信し、対象物で反射された超音波を受信し、超音波の送信タイミングから反射超音波の受信タイミングまでの時間を測定する、いわゆるＴｏＦ（Time of Flight）法が用いられる。
ここで、ＴｏＦ法により適正に反射超音波の受信タイミングを検出するためには、超音波の送信時に発生する振動部２２１の残響振動に、反射超音波の受信による振動部２２１の振動が埋もれないようにする必要がある。つまり、反射超音波の受信時において、超音波送信時での振動部２２１の振動振幅が、１０％以下に減衰している必要がある。
ここで、超音波送信時から振動部２２１の振動振幅が１０％以下となるタイミングまでの残響時間は、主に、超音波トランスデューサー２４から発信する超音波の周波数、つまり、超音波トランスデューサー２４の共振周波数によって変化する。
図７は、本実施形態の超音波センサー１０から超音波を送信した後の振動部２２１の振動の変化を示す図である。図８は、バルク型の超音波振動子から超音波を送信した後の超音波振動子の振動の変化を示す図である。なお、図７は、超音波の周波数を１．７ＭＨｚ、図８は、超音波の周波数を１．５ＭＨｚとした場合の振動変化を示している。
図７に示すように、本実施形態の超音波センサー１０では、残響時間Ｔ１は、約２０μｓとなる。一方、図８に示すように、バルク型の超音波振動子では、残響時間Ｔ２は、約３０μｓとなる。
図７及び図８に示すように、バルク型の超音波振動子では、本実施形態のように、振動部２２１を圧電素子２３により振動させる薄膜型の超音波素子に比べて、残響時間が長くなる傾向にある。
図９は、本実施形態の超音波センサー１０と、従来のバルク型の超音波振動子とにおいて、共振周波数と、測定可能な距離との関係を示す図である。図９において、実線は本実施形態の超音波センサー１０について、破線は従来のバルク型の超音波振動子について示している。
従来のバルク型の超音波振動子では、一般に、電圧印加によって圧電体自体を振動させて超音波を送信し、対象物で反射された超音波が圧電体で受信されることで、圧電体自体が振動することで超音波の受信を検出する素子である。このようなバルク型の超音波振動子では、ピエゾ素子等の圧電体を、所望のサイズに切り出す必要があるため、微小サイズの形成が製造上、非常に困難となり、製造コストが高くなる。
例えば、図８では、残響時間Ｔ２が約３０μｓとなるバルク型の超音波振動子の一例を示しているが、実際には、超音波振動子のばらつき等により、残響時間はさらに長くなり、３０μｓ以下となるバルク型の超音波振動子を形成することが困難である。
バルク型の超音波振動子は、通常、圧電体をカットして形成されるが、製造コストがかからないレーザーカット等の手法によりカットする場合、図９に示すうちの１０００ｋＨｚ以下の周波数しか実現することができない。このような場合では、残響時間も長くなり、バルク型の超音波振動子で検出可能な距離は、１０ｍｍを超える。
また、バルク型の超音波振動子は、ブロック状に形成されるものであり、厚み寸法も大きくなるので、配置スペースも限られる。
一方、本実施形態の超音波センサー１０では、Ｓｉ等の素子基板２１に対して、エッチング処理等の微細加工により、薄膜状の振動部２２１を形成可能であり、かつ、薄膜状の圧電素子２３もエッチング処理により容易に所望のパターンに形成することができる。このような構成では、開口部２１１の開口幅や、振動部２２１の厚み等を制御することで、超音波トランスデューサー２４の共振周波数を５００ｋＨｚから２０００ｋＨｚの任意の値に設定できる。このような超音波センサー１０では、図７に示すように、バルク型の超音波振動子と比べて、残響時間を大幅に短くすることができ、これにより、図９に示すように、５００ｋＨｚから２０００ｋＨｚの間で、超音波センサー１０からの距離が１０ｍｍ以下に配置された対象物１を適正に検出することができる。
図４から図６、及び図９に示すように、本実施形態では、超音波トランスデューサー２４の共振周波数（送信される超音波の周波数）が６００ｋＨｚ以上１０００ｋＨｚ未満である場合に、残響時間が６０μｓ以下となるように超音波トランスデューサー２４を構成する。これにより、超音波センサー１０からの距離が１０ｍｍ前後の対象物１に対して、スポット径が１０ｍｍ以下の超音波ビームを送信することができる。
また、超音波トランスデューサー２４の共振周波数を１０００ｋＨｚ以上１５００ｋＨｚ未満とする場合、残響時間が５０μｓ以下となるように超音波トランスデューサー２４を構成する。これにより、超音波センサー１０からの距離が５ｍｍから１０ｍｍの間の対象物１に対して、スポット径が１０ｍｍ以下の超音波ビームを送信することができる。
さらに、超音波トランスデューサー２４の共振周波数を１５００ｋＨｚ以上２０００ｋＨｚ以下とする場合、残響時間が２５μｓ以下となるように超音波トランスデューサー２４を構成する。これにより、超音波センサー１０からの距離が５ｍｍ以内となる対象物１に対しても、スポット径が１０ｍｍ以下の超音波ビームを送信することができる。
また、本実施形態の超音波センサー１０は、薄膜状の振動部２２１に、薄膜状の圧電素子２３を配置した構成であり、バルク型の超音波振動子に比べて、厚みを極めて薄くできる。したがって、配置スペースの自由度が増し、例えば隙間寸法が５ｍｍ程度の狭空間に対しても超音波センサー１０を配置することができる。
［制御回路３０の構成］
図１に戻り、制御回路３０について説明する。制御回路３０は、上述したように、超音波アレイチップ２０の第一端子２５１及び第二端子２５２に接続されている。
この制御回路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、受信処理部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。制御回路３０の一例として、ＳｏＣ（System-On-Chip）やＡＳＳＰ（Application Specific Standard Product）のような集積回路が挙げられる。
スイッチング回路３１は、超音波アレイチップ２０の第一端子２５１、送信回路部３３、及び受信処理部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、第一端子２５１及び送信回路部３３を接続する送信接続と、第一端子２５１及び受信処理部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、第二端子２５２に接続されるグラウンドであり、第二端子２５２を所定の基準電位に維持する。
送信回路部３３は、例えば、マイコン３５により制御され、第一端子２５１に所定の電圧のパルス駆動信号を出力する。これにより、各超音波トランスデューサー２４が駆動され、超音波アレイチップ２０から対象物１に向かって超音波が出力される。
受信処理部３４は、例えば、受信アンプ、コンパレーター等を含んで構成され、超音波アレイチップ２０において超音波を受信した際に出力される受信信号を処理し、受信信号をマイコン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に記述された命令セットを実行するプロセッサー等を含む。そして、マイコン３５は、送信回路部３３にパルス駆動信号の出力を指令することで、超音波アレイチップ２０から超音波を送信させる。また、マイコン３５は、超音波の送信タイミングから、受信処理部３４から受信信号を出力されるまでの時間を計測し、当該時間に基づいて、超音波アレイチップ２０から対象物１までの距離を算出する。
本実施形態では、対象物１に対して１０ｍｍ以下の狭範囲に対して超音波が送信され、その反射超音波を受信するので、対象物１に対する超音波アレイチップ２０の相対位置を移動させながら、連続して対象物１と超音波アレイチップ２０との距離を算出することで、対象物１の表面状態、例えば、凹凸の有無や傾斜角度等を計測することができる。
［本実施形態の作用効果］
本実施形態の超音波センサー１０は、対象物に対して超音波を送信し、前記対象物により反射された超音波を受信する。この超音波センサー１０は、超音波の送受信を行う超音波トランスデューサー２４がアレイ状に配置された超音波アレイチップ２０を備える。超音波トランスデューサー２４は、振動部２２１と、振動部２２１に設けられた圧電素子２３と、を備え、圧電素子２３への電圧印加により振動部２２１を振動させて超音波を送信し、振動部２２１の振動により圧電素子から出力される信号に基づいて超音波の受信を検出する。そして、本実施形態では、この超音波トランスデューサー２４の共振周波数は、２０００ｋＨｚ以下となる。
このような構成の超音波センサー１０では、各超音波トランスデューサー２４において超音波を送信した際の振動部２２１の残響振動が減衰するまでの残響時間が、バルク型の超音波振動子に比べて十分小さくなる。したがって、超音波センサー１０から１０ｍｍ以下の位置に対象物１が存在する場合でも、対象物１で反射された超音波を超音波トランスデューサー２４で受信する際に、残響振動が抑制されており、反射超音波の受信を適正に検出することができる。また、共振数周波数を２０００ｋＨｚ以下とすることで、空気中での超音波減衰を抑制でき、近距離に位置する対象物１で反射された超音波でも適正に検出することができる。
本実施形態の超音波センサー１０では、超音波の送信方向から見た際に、超音波アレイチップ２０は矩形状であり、アレイ開口幅が５ｍｍ以下である。
このような構成では、超音波センサー１０に配置された各超音波トランスデューサー２４から送信される超音波により、超音波ビームが形成されるが、超音波センサー１０から１０ｍｍの距離範囲において、当該超音波ビームのスポット径が１０ｍｍ以下となる。したがって、対象物１に対して１０ｍｍ以下のスポット径となる狭範囲に対して超音波を送信することができ、対象物１の当該狭範囲と超音波センサー１０との距離を計測できる。
この場合、例えば、超音波が送信される狭範囲と超音波センサー１０との相対位置を連続的に変化させて、距離変化を監視することで、対象物１の傾斜や対象物１の表面形状を測定することができる。
本実施形態の超音波センサー１０では、超音波トランスデューサー２４の共振周波数を１０００ｋＨｚ未満とする場合に、残響時間が６０μｓ以下となるように、超音波トランスデューサー２４が構成される。
これにより、超音波センサー１０からの距離が１０ｍｍ前後の近距離の対象物１に対して、スポット径が１０ｍｍ以下の超音波ビームを送信することができる。
本実施形態の超音波センサー１０では、超音波トランスデューサー２４の共振周波数を１０００ｋＨｚ以上１５００ｋＨｚ未満とする場合に、残響時間が５０μｓ以下となるように、超音波トランスデューサー２４が構成される。
これにより、超音波センサー１０からの距離が５ｍｍから１０ｍｍの間の対象物１に対して、スポット径が１０ｍｍ以下の超音波ビームを送信することができる。
本実施形態の超音波センサー１０では、超音波トランスデューサー２４の共振周波数を１５００ｋＨｚ以上２０００ｋＨｚ以下とする場合に、残響時間が２５μｓ以下となるように、超音波トランスデューサー２４が構成される。
これにより、超音波センサー１０からの距離が５ｍｍ以内の対象物１に対して、スポット径が１０ｍｍ以下の超音波ビームを送信することができる。
［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。
［変形例１］
上記実施形態では、図１において、基材１１に配置された超音波アレイチップ２０と対象物１との間は、他の構成が配置された空間となっているが、これに限定されない。
図１０は、超音波センサー１０の他の構成例を示す模式図である。例えば、図１０に示すように、超音波アレイチップ２０を覆うように、対象物１との間に仕切板１２が設けられ、当該仕切板１２に、超音波ビームを通過する貫通孔１２１が設けられる構成としてもよい。
［変形例２］
上述したように、本開示において、超音波アレイチップ２０の１辺の長さが５ｍｍ以下とは、超音波アレイチップ２０において、超音波の送受信が行われる超音波トランスデューサー２４がアレイ状に配置された部分の矩形状の送受領域の１辺の長さを指す。したがって、送受領域の外側に、例えば配線が形成された配線領域がある場合、当該配線領域のサイズは特に限定されない。
ここで、上記実施形態では、超音波アレイチップ２０が矩形状であり、超音波送受面２２Ａの送受領域の形状も矩形状である例を示したが、これに限定されない。例えば、１辺の長さが５ｍｍ以下となる正方形の送受領域が設けられていてもよく、直径が５ｍｍ以下の円形状の送受領域が設けられていてもよく、長軸長さが５ｍｍ以下となる楕円形状の送受領域が設けられていてもよい。
［本開示のまとめ］
本開示の第一態様の超音波センサーは、対象物に対して超音波を送信し、前記対象物により反射された超音波を受信する超音波センサーであって、超音波の送受信を行う超音波素子がアレイ状に配置された超音波アレイチップを備え、前記超音波素子は、振動部と、前記振動部に設けられた圧電素子と、を備え、前記圧電素子への電圧印加により前記振動部を振動させて超音波を送信し、前記振動部の振動により圧電素子から出力される信号により超音波の受信を検出し、前記超音波素子の共振周波数は、２０００ｋＨｚ以下である。
これにより、超音波センサーの超音波素子において超音波を送信した際の残響振動が減衰するまでの残響時間を、バルク型の超音波振動子に比べて十分小さくできる。よって、超音波センサーから例えば１０ｍｍ以下の位置に対象物が存在する場合でも、対象物で反射された超音波を超音波素子で受信する際に、残響振動が抑制できており、反射超音波の受信を適正に検出することができる。
本態様の超音波センサーにおいて、超音波の送信方向から見た際に、前記超音波アレイチップは矩形状であり、一辺の長さが５ｍｍ以下である。
これにより、超音波センサーから１０ｍｍの距離範囲に形成される超音波ビームのスポット径を１０ｍｍ以下にでき、対象物の傾斜や表面形状を測定することができる。
本態様の超音波センサーにおいて、前記超音波素子の共振周波数が１０００ｋＨｚ未満であり、前記超音波素子から超音波を送信することで発生する前記振動部の振動振幅が、超音波の送信直後の前記振動部の前記振動振幅の１０％以下となるまでの時間を残響時間として、前記残響時間が６０μｓ以下となるように、前記超音波素子が構成されている。
これにより、超音波センサーからの距離が１０ｍｍ前後の近距離の対象物に対して、スポット径が１０ｍｍ以下の超音波ビームを送信することができる。
本態様の超音波センサーにおいて、前記超音波素子の共振周波数が１０００ｋＨｚ以上１５００ｋＨｚ未満であり、前記超音波素子から超音波を送信することで発生する前記振動部の振動振幅が、超音波の送信直後の前記振動部の前記振動振幅の１０％以下となるまでの時間を残響時間として、前記残響時間が５０μｓ以下となるように、前記超音波素子が構成されている。
これにより、超音波センサーからの距離が５ｍｍから１０ｍｍの間の対象物に対して、スポット径が１０ｍｍ以下の超音波ビームを送信することができる。
本態様の超音波センサーにおいて、前記超音波素子の共振周波数が１５００ｋＨｚ以上２０００ｋＨｚ以下であり、前記超音波素子から超音波を送信することで発生する前記振動部の振動振幅が、超音波の送信直後の前記振動部の前記振動振幅の１０％以下となるまでの時間を残響時間として、前記残響時間が２５μｓ以下となるように、前記超音波素子が構成されている。
これにより、超音波センサーからの距離が５ｍｍ以内の対象物に対して、スポット径が１０ｍｍ以下の超音波ビームを送信することができる。
１…対象物、１０…超音波センサー、２０…超音波アレイチップ、２１…素子基板、２２…振動板、２２Ａ…超音波送受面、２３…圧電素子、２４…超音波トランスデューサー、３０…制御回路、３１…スイッチング回路、３２…シグナルグラウンド、３３…送信回路部、３４…受信処理部、３５…マイコン、２１１…開口部、２２１…振動部、２３１…下部電極。

Claims (5)

  1. 対象物に対して超音波を送信し、前記対象物により反射された超音波を受信する超音波センサーであって、
    超音波の送受信を行う超音波素子がアレイ状に配置された超音波アレイチップを備え、
    前記超音波素子は、振動部と、前記振動部に設けられた圧電素子と、を備え、前記圧電素子への電圧印加により前記振動部を振動させて超音波を送信し、前記振動部の振動により圧電素子から出力される信号により超音波の受信を検出し、
    前記超音波素子の共振周波数は、２０００ｋＨｚ以下である、超音波センサー。
  2. 超音波の送信方向から見た際に、前記超音波アレイチップは矩形状であり、一辺の長さが５ｍｍ以下である、請求項１に記載の超音波センサー。
  3. 前記超音波素子の共振周波数が１０００ｋＨｚ未満であり、
    前記超音波素子から超音波を送信することで発生する前記振動部の振動振幅が、超音波の送信直後の前記振動部の前記振動振幅の１０％以下となるまでの時間を残響時間として、前記残響時間が６０μｓ以下となるように、前記超音波素子が構成されている、請求項１または請求項２に記載の超音波センサー。
  4. 前記超音波素子の共振周波数が１０００ｋＨｚ以上１５００ｋＨｚ未満であり、
    前記超音波素子から超音波を送信することで発生する前記振動部の振動振幅が、超音波の送信直後の前記振動部の前記振動振幅の１０％以下となるまでの時間を残響時間として、前記残響時間が５０μｓ以下となるように、前記超音波素子が構成されている、請求項１または請求項２に記載の超音波センサー。
  5. 前記超音波素子の共振周波数が１５００ｋＨｚ以上２０００ｋＨｚ以下であり、
    前記超音波素子から超音波を送信することで発生する前記振動部の振動振幅が、超音波の送信直後の前記振動部の前記振動振幅の１０％以下となるまでの時間を残響時間として、前記残響時間が２５μｓ以下となるように、前記超音波素子が構成されている、請求項１または請求項２に記載の超音波センサー。
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