JP2023166676A - 超音波センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】減衰を抑制した超音波を送信することができる超音波センサ装置を提供する。【解決手段】超音波センサ装置１は、開口２４を有する基体２と、開口２４に設けられ、超音波７の送受信により基体２に対して振動する振動板３と、基体２と振動板３の間に設けられた少なくとも１つの梁部４と、梁部４のみに設けられ、振動板３が基体の一部を薄膜化して形成される場合と比べて低い周波数の超音波７を送信する圧電体５と、を備えて概略構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、超音波センサ装置に関する。

従来の技術として、超音波を送信する送信手段から送信され、被検出体にて反射された超音波が伝達して振動する振動部、及びこの振動部に超音波を伝達する伝達部を有した超音波検出素子と、被検出体にて反射された超音波を受信する受信面が被検出体の存在する空間側に露出し、受信面と対向する面に、伝達部において超音波検出素子が取り付けられ、受信面で受信した超音波を伝達部に伝達すると共に、受信面で受信した超音波により内部に定在波が発生し、繰り返し変形が生じる音響整合部材と、を備えた超音波センサが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この超音波センサは、音響整合部材の受信面で受信した超音波により発生する定在波によって音響整合部材に生じる繰り返し変形により共振するように構成されているため、音響整合部材の受信面の大きさによらず、伝達される振動の振幅が増大する。また超音波センサは、超音波検出素子を、超音波を送信可能な素子として用いた場合、音響整合部材によって送信する超音波の音圧を増大させることができる。

特開２００８－８５４６２号公報

超音波は、周波数が低いほど空気中における減衰が小さいことが知られている。従来の超音波センサは、音響整合部材を利用しない場合、送信する超音波の周波数を下げることが難しい。

従って本発明の目的は、減衰を抑制した超音波を送信することができる超音波センサ装置を提供することにある。

本発明の一態様は、開口を有する基体と、開口に設けられ、超音波の送受信により基体に対して振動する振動板と、基体と振動板の間に設けられた少なくとも１つの梁部と、梁部のみに設けられ、振動板が基体の一部を薄膜化して形成される場合と比べて低い周波数の超音波を送信する圧電体と、を備えた超音波センサ装置を提供する。

本発明によれば、減衰を抑制した超音波を送信することができる。

図１（ａ）は、超音波センサ装置の一例を示す上面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ－Ａ線の断面図の一例であり、図１（ｃ）は、図１（ａ）のＢ－Ｂ線の断面図の一例であり、図１（ｄ）は、図１（ａ）のＣ－Ｃ線の断面図の一例である。 図２（ａ）は、超音波センサ装置のブロック図の一例であり、図２（ｂ）は、振動板の直径と共振周波数の関係の一例を示すグラフであり、図２（ｃ）は、第１の変形例に係る超音波センサ装置の一例を示す上面図である。 図３（ａ）は、第２の変形例に係る超音波センサ装置の一例を示す上面図であり、図３（ｂ）は、第３の変形例に係る超音波センサ装置の一例を示す上面図である。 図４（ａ）～図４（ｄ）は、超音波センサ装置の製造工程の一例を示す図である。 図５（ａ）～図５（ｄ）は、超音波センサ装置の製造工程の一例を示す図である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は、超音波センサ装置の製造工程の一例を示す図である。

（実施の形態の要約）
実施の形態に係る超音波センサ装置は、開口を有する基体と、開口に設けられ、超音波の送受信により基体に対して振動する振動板と、基体と振動板の間に設けられた少なくとも１つの梁部と、梁部のみに設けられ、振動板が基体の一部を薄膜化して形成される場合と比べて低い周波数の超音波を送信する圧電体と、を備えて概略構成されている。

この超音波センサ装置は、基体の一部を薄膜化して振動板を形成し、かつ振動板の上に圧電体を形成するセンサと比べ、振動板の剛性が低いことで、当該センサと比べて低い周波数の超音波を送信することができるので、減衰を抑制した超音波を送信することができる。

[実施の形態]
（超音波センサ装置１の概要）
図１（ａ）は、実施の形態に係る超音波センサ装置の一例を示す上面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ－Ａ線で切断した断面を矢印方向から見た断面図の一例であり、図１（ｃ）は、図１（ａ）のＢ－Ｂ線で切断した断面を矢印方向から見た断面図の一例であり、図１（ｄ）は、図１（ａ）のＣ－Ｃ線で切断した断面を矢印方向から見た断面図の一例である。図２（ａ）は、実施の形態に係る超音波センサ装置のブロック図の一例であり、図２（ｂ）は、振動板の直径と共振周波数の関係の一例を示すグラフである。図２（ｂ）のグラフは、縦軸の単位がｋＨｚであり、横軸の単位がｍｍであり、シミュレーションした結果を示している。

なお以下に記載する実施の形態に係る各図において、図形間の比率や形状は、実際の比率や形状とは異なる場合がある。また図２（ａ）では、主な信号や情報の流れを矢印で示している。さらに数値範囲を示す「Ａ～Ｂ」は、Ａ以上Ｂ以下の意味で用いるものとする。

本実施の形態の超音波センサ装置１は、一例として、車両の外側に向けて超音波を送信し、対象物を反射した超音波を受信することにより、車両から当該対象物までの距離を測定するＴＯＦ（Time-of-Flight）センサである。従って送信される超音波は、遠くの対象物までの距離を測定可能であることが好ましい。このため、送信される超音波は、減衰が小さいことが好ましい。減衰が小さい超音波を送信するためには、振動板の剛性を下げて共振周波数を下げる必要がある。しかし共振周波数を下げるためには、振動板の直径を大きくする必要があり、センサの占有面積が増加する問題がある。本実施の形態の超音波センサ装置１は、振動板の直径を変えずに共振周波数を下げるように構成されている。

具体的には、超音波センサ装置１は、図１（ａ）～図１（ｄ）に示すように、開口２４を有する基体２と、開口２４に設けられ、超音波７の送受信により基体２に対して振動する振動板３と、基体２と振動板３の間に設けられた少なくとも１つの梁部４と、梁部４のみに設けられ、振動板３が基体の一部を薄膜化して形成される場合と比べて低い周波数の超音波７を送信する圧電体５と、を備えて概略構成されている。

梁部４は、基体２と振動板３の間に複数設けられている。さらに本実施の形態の梁部４は、振動板３を介して対向するように複数設けられている。この梁部４は、図１（ａ）の紙面において時計回りに、第１の梁部４１～第４の梁部４４を備えて構成されている。第１の梁部４１は、振動板３を介して第３の梁部４３と対向している。第２の梁部４２は、振動板３を介して第４の梁部４４と対向している。

超音波センサ装置１は、第１の梁部４１～第４の梁部４４を有しているので、それぞれの梁部に設けられた第１の圧電体５ａ～第４の圧電体５ｄを有している。

超音波センサ装置１は、図２（ａ）に示すように、第１の圧電体５ａ～第４の圧電体５ｄと電気的に接続された制御部６を備えている。この制御部６は、第１の圧電体５ａ～第４の圧電体５ｄの測定結果に基づいて検出対象までの距離を算出し、距離情報Ｓ_９として接続先の電子機器９に出力する。この電子機器９は、一例として、車両の車両制御装置である。この車両制御装置は、例えば、車間距離を保つ機能や衝突を回避する機能などを制御するものである。

（基体２の構成）
基体２は、一例として、シリコン膜の間に絶縁膜を設けたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板である。基体２は、図１（ｂ）に示すように、第１のシリコン膜２０、絶縁膜である酸化膜２１、及び第２のシリコン膜２２を有している。

第１のシリコン膜２０は、一例として、膜厚が１００～８００μｍである。酸化膜２１は、一例として、膜厚が０.１～５μｍの酸化シリコン膜である。第２のシリコン膜２２は、一例として、膜厚が１～２０μｍである。

基体２は、図１（ｂ）～図１（ｄ）に示すように、第１のシリコン膜２０と酸化膜２１をエッチングすることで形成されたキャビティ１０を有している。このキャビティ１０は、第２のシリコン膜２２側が先細りとなる円錐形状の一部となる形状を有している。キャビティ１０は、一例として、直径が１００～３０００μｍである。

基体２は、開口２４が第２のシリコン膜２２の表面２３に設けられている。この開口２４は、キャビティ１０と繋がるように貫通孔である。開口２４は、半径の異なる２つの円の間のような扇形状を有する第１の開口２４ａ～第４の開口２４ｄを備えている。

第１の開口２４ａは、第１の梁部４１と第２の梁部４２との間に設けられている。第２の開口２４ｂは、第２の梁部４２と第３の梁部４３との間に設けられている。第３の開口２４ｃは、第３の梁部４３と第４の梁部４４との間に設けられている。第４の開口２４ｄは、第４の梁部４４と第１の梁部４１との間に設けられている。

（振動板３の構成）
振動板３は、第２のシリコン膜２２を加工して形成されている。従って振動板３は、一例として、膜厚が第２のシリコン膜２２と同じである。

振動板３は、円形の板形状を有している。振動板３は、一例として、直径が５０～２５００μｍである。

（梁部４の構成）
梁部４は、第２のシリコン膜２２を加工して形成されている。従って梁部４は、一例として、膜厚が第２のシリコン膜２２と同じである。

第１の梁部４１～第４の梁部４４は、図１（ａ）に示すように、開口２４の外周である縁部２４０と振動板３の外周である縁部３００とを繋いでいる。つまり振動板３は、第１の梁部４１～第４の梁部４４を介して基体２に支持されている。なお梁部４は、縁部２４０と縁部３００とを直線的に繋ぐ形状に限定されない。

この開口２４の外周である縁部２４０は、開口２４を形成しない場合の振動板３の外周となる。つまり本実施の形態の振動板３は、開口２４を形成しない場合と比べて、短い直径となっている。

第１の梁部４１～第４の梁部４４は、細長い矩形状を有している。この第１の梁部４１～第４の梁部４４は、一例として、幅が１０～５００μｍである。

第１の梁部４１～第４の梁部４４は、９０°間隔で設けられている。第１の梁部４１は、第３の梁部４３と振動板３を介して対向している。また第２の梁部４２は、第４の梁部４４と振動板３を介して対向している。

（圧電体５の構成）
圧電体５は、第１の梁部４１～第４の梁部４４の上に設けられた第１の圧電体５ａ～第４の圧電体５ｄを有している。第１の圧電体５ａ～第２の圧電体５ｄは、図１（ｂ）に示すように、下部電極５０、圧電膜５１及び上部電極５２が積層されて構成されている。なお圧電体５は、梁部４の剛性を向上させている。

下部電極５０は、第２のシリコン膜２２の上に設けられている。下部電極５０は、一例として、白金やモリブデンを用いて細長い板形状に形成されている。下部電極５０は、一例として、膜厚が２０～１０００ｎｍである。

圧電膜５１は、下部電極５０と上部電極５２に挟まれている。圧電膜５１は、窒化アルミニウムやチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などを用いて細長い板形状に形成されている。圧電膜５１は、一例として、膜厚が５００～５０００ｎｍである。

上部電極５２は、圧電膜５１の上に設けられている。上部電極５２は、一例として、白金やモリブデンを用いて細長い板形状に形成されている。上部電極５２は、一例として、膜厚が２０～１０００ｎｍである。

（制御部６の構成）
制御部６は、例えば、記憶されたプログラムに従って、取得したデータに演算、加工などを行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、半導体メモリであるＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）などから構成されるマイクロコンピュータである。このＲＯＭには、例えば、制御部６が動作するためのプログラムが格納されている。ＲＡＭは、例えば、一時的に演算結果などを格納する記憶領域として用いられる。また制御部６は、その内部にクロック信号を生成する手段を有し、このクロック信号に基づいて動作を行うと共に時間の測定を行う。

制御部６は、対象物までの距離を測定する場合、まず駆動信号Ｓ_１～駆動信号Ｓ_４を第１の圧電体５ａ～第４の圧電体５ｄに出力する。この駆動信号Ｓ_１～駆動信号Ｓ_４は、交流電圧信号である。第１の圧電体５ａ～第４の圧電体５ｄは、この駆動信号Ｓ_１～駆動信号Ｓ_４により、伸縮と伸長を繰り返すので、この伸縮と伸長に応じて振動板３が振動する。

また制御部６は、予め定められた期間、駆動信号Ｓ_１～駆動信号Ｓ_４を出力した後、駆動信号を停止する。振動板３の振動によってキャビティ１０を介して送信された超音波７は、対象物に反射して再度キャビティ１０に到達して振動板３を振動させる。この振動板３の振動によって第１の圧電体５ａ～第４の圧電体５ｄは、伸縮と伸長を繰り返し、受信信号Ｓ_４～受信信号Ｓ_８を制御部６に出力する。制御部６は、超音波７の速度と、駆動信号Ｓ_１～駆動信号Ｓ_４を出力してから受信信号Ｓ_４～受信信号Ｓ_８を得るまでの時間と、に基づいて対象物までの距離を算出する。そして制御部６は、算出した距離の情報を含む距離情報Ｓ_９を生成して電気的に接続された電子機器９に出力する。

なお超音波センサ装置１は、超音波７の送信と受信を２つの超音波センサ装置で構成しても良い。

・共振周波数について
超音波は、周波数が小さいほど空気中での減衰が小さくなり、遠距離の測定が可能となる。超音波の周波数を下げる方法は、一例として、以下に示す共振周波数を下げる方法が知られている。なお超音波センサ装置１は、振動板３の共振周波数で振動させると効率が良く、また超音波の受信感度も向上する。

この共振周波数とは、振動板３が最も振動し易い周波数である。例えば、圧電体５を共振周波数で振動させて超音波７を送信すると、超音波７の音圧が高くなる。また対象物を反射して戻ってきた超音波７は、振動板３を共振周波数で振動させるので、大きく振動して受信感度が向上する。

共振周波数ωは、以下の式で表される。
ω＝（１／２π）√（ｋ／ｍ）
ｋは、弾性係数である。ｍは、質量である。この式より共振周波数ωは、弾性係数ｋを下げるか、質量ｍを大きくすることで下げることができる。

振動板３は、膜厚が第２のシリコン膜２２によって定まっているので、質量ｍを大きくするためには、面積を増やす、つまり直径を大きくすれば良い。共振周波数ωは、一例として、図２（ｂ）に示すように、振動板３の直径を大きくすると下げることができる。しかし振動板３の直径を大きくした場合、超音波センサ装置１は、製品サイズが大きくなる問題がある。

ここで上記の弾性係数ｋは、変形のし難さを示している。つまり弾性係数ｋは、低剛性とすることで下げることができる。本実施の形態の超音波センサ装置１は、基体２を薄膜化して振動板３を形成するのみでなく、開口２４を設け、また梁部４によって支持することで振動板３の剛性を下げている。図２（ｂ）に白丸で示す共振周波数は、基体を薄膜化するのみで振動板を形成した場合の黒丸で示す共振周波数と比べて、下がっている。つまり超音波センサ装置１は、振動板３の剛性を下げることにより、直径を変えずに共振周波数を下げ、周波数を小さくした超音波７を送信することができる。

以下に超音波センサ装置１の変形例について説明する。

（変形例について）
・第１の変形例について
図２（ｃ）は、第１の変形例に係る超音波センサ装置の一例を示す上面図である。この変形例に係る超音波センサ装置１は、１つの梁部４によって振動板３が支持されている。梁部４には、１つの圧電体５が設けられている。

・第２の変形例について
図３（ａ）は、第２の変形例に係る超音波センサ装置の一例を示す上面図である。

超音波センサ装置１の振動板３は、図３（ａ）に示すように、は、開口２４の縁部２４０に向かって突出する複数の突出部を有している。この梁部４は、複数の突出部の間に設けられている。

本実施の形態の複数の突出部は、第１の突出部３１～第４の突出部３４である。第１の突出部３１～第４の突出部３４は、扇形状を有しているがこれに限定されない。第１の突出部３１は、第３の突出部３３と対向している。また第２の突出部３２は、第４の突出部３４と対向している。

超音波センサ装置１は、第１の突出部３１～第４の突出部３４の間に第１の梁部４１～第４の梁部４４を有している。また超音波センサ装置１は、第１の梁部４１～第４の梁部４４の上に第１の圧電体５ａ～第４の圧電体５ｄが設けられている。

振動板３は、突出部がない場合と比べて、面積が増加している。従って超音波センサ装置１は、剛性を下げると共に、質量をあげることができるので、この構成を採用しない場合と比べて、より周波数の小さい超音波７を送信することができる。また音圧は、振動板３の面積にほぼ比例する。よって超音波センサ装置１は、突出部を備えない場合と比べて、送信する際の音圧を高めることができる。

・第３の変形例について
図３（ｂ）は、第３の変形例に係る超音波センサ装置の一例を示す上面図である。この超音波センサ装置１は、図３（ｂ）に示すように、第１の突出部３１～第３の突出部３３が互いに対向するのではなく、１２０°間隔で設けられている。また梁部４は、第１の突出部３１～第３の突出部３３の間に第１の梁部４１～第３の梁部４３が設けられている。この変形例の超音波センサ装置１は、音圧が高く、周波数の小さい超音波７を送信することができる。

以下に超音波センサ装置１の製造方法について図４（ａ）～図６（ｂ）の工程図の一例を参照して説明する。

（超音波センサ装置１の製造方法）
まず図４（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板である基体２を準備する。

次に図４（ｂ）に示すように、第２のシリコン膜２２の上に、スパッタ法などによって下部電極５０の前駆体膜となる金属膜５００を形成する。

次に図４（ｃ）に示すように、金属膜５００の上に、スパッタ法などによって圧電膜５１の前駆体膜となる圧電前駆体膜５１０を形成する。

次に図４（ｄ）に示すように、圧電前駆体膜５１０の上に、スパッタ法などによって上部電極５２の前駆体膜となる金属膜５２０を形成する。

次に図５（ａ）に示すように、上部電極５２に応じたレジストを金属膜５２０の上に形成した後、エッチング法などにより、金属膜５２０を加工して上部電極５２を形成する。

次に図５（ｂ）に示すように、圧電膜５１に応じたレジストを圧電前駆体膜５１０の上に形成した後、エッチング法などにより、圧電前駆体膜５１０を加工して圧電膜５１を形成する。

次に図５（ｃ）に示すように、下部電極５０に応じたレジストを金属膜５００の上に形成した後、エッチング法などにより、金属膜５００を加工して下部電極５０を形成する。

次に図５（ｄ）に示すように、開口２４に応じたレジストを第２のシリコン膜２２の上に形成した後、エッチング法などにより、第２のシリコン膜２２を加工して開口２４を形成する。このエッチングでは、第２のシリコン膜２２が選択的に除去される。

次に図６（ａ）に示すように、基体２の上下を反転させて第１のシリコン膜２０を上にし、キャビティ１０に応じたレジストを第１のシリコン膜２０の上に形成した後、エッチング法などにより、第１のシリコン膜２０を加工してキャビティ１０を形成する。このエッチングでは、第１のシリコン膜２０が選択的に除去される。

次に図６（ｂ）に示すように、エッチング法などにより、キャビティ１０に露出する酸化膜２１を除去し、超音波センサ装置１を得る。このエッチングでは、酸化膜２１が選択的に除去される。

（実施の形態の効果）
本実施の形態に係る超音波センサ装置１は、減衰を抑制した超音波を送信することができる。具体的には、超音波センサ装置１は、開口２４を設け、梁部４によって振動板３を支持することによって基板２に対する振動板３の剛性を下げるので、薄膜化のみで振動板を形成する場合と比べて、占有面積が同じでありながら共振周波数を下げて減衰を抑制した超音波７を送信することができる。

超音波センサ装置１は、減衰の抑制された超音波７を送信することができるので、薄膜化のみで振動板を形成する場合と比べて、同じ製品サイズでありながら遠距離の測定を行うことができる。

超音波センサ装置１は、薄膜化のみで振動板を形成する場合と同じ製品サイズでありながら共振周波数を下げて減衰の抑制された超音波７を送信することができる。

超音波センサ装置１は、振動板３が突出部を有しているので、この構成を採用しない場合と比べて、振動板３の上に圧電体５を形成しなくても振動板３の質量を増加させてさらに共振周波数を下げることができ、また振動板３の面積を増加させて超音波７の音圧を向上させることができる。

超音波センサ装置１は、梁部４のみに圧電体５を形成するので、振動板の上に圧電体を形成する場合と比べて、共振周波数を下げつつ超音波７の送受信の際の振動の振幅を大きくすることができる。従って超音波センサ装置１は、減衰の抑制された超音波７を送信し、さらに受信精度を高めることができる。

以上、本発明のいくつかの実施の形態及び変形例を説明したが、これらの実施の形態及び変形例は、一例に過ぎず、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。これら新規な実施の形態及び変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。また、これら実施の形態及び変形例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。さらに、これら実施の形態及び変形例は、発明の範囲及び要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…超音波センサ装置、２…基体、３…振動板、４…梁部、５…圧電体、５ａ～５ｄ…第１の圧電体～第４の圧電体、７…超音波、２０…第１のシリコン膜、２１…酸化膜、２２…第２のシリコン膜、２４…開口、３１～３４…第１の突出部～第４の突出部、４１～４４…第１の梁部～第４の梁部、５０…下部電極、５１…圧電膜、５２…上部電極、５１～５４…第１の圧電体～第４の圧電体

Claims (4)

1. 開口を有する基体と、
   前記開口に設けられ、超音波の送受信により前記基体に対して振動する振動板と、
   前記基体と前記振動板の間に設けられた少なくとも１つの梁部と、
   前記梁部のみに設けられ、前記振動板が前記基体の一部を薄膜化して形成される場合と比べて低い周波数の超音波を送信する圧電体と、
   を備えた超音波センサ装置。
2. 前記梁部は、前記基体と前記振動板の間に複数設けられた、
   請求項１に記載の超音波センサ装置。
3. 前記梁部は、前記振動板を介して対向するように複数設けられた、
   請求項２に記載の超音波センサ装置。
4. 前記振動板は、前記開口の縁部に向かって突出する複数の突出部を有し、
   前記梁部は、複数の前記突出部の間に設けられている、
   請求項２又は３に記載の超音波センサ装置。

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