JP3259322B2 - 音波トランスデューサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば物体の有無、物
体までの距離等を検出する超音波センサ等に用いて好適
な音波トランスデューサに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、製品等の物体の通過検知（有無
検知）や距離測定、形状計測等に用いられる超音波セン
サには、音圧による機械的振動と電気的信号とを相互に
変換する音波トランスデューサが設けられ、該音波トラ
ンスデューサによって物体に超音波を発射しつつ、該物
体からの反射波を受信することにより、物体の有無等を
非接触で検出するようになっている。

【０００３】そして、このような音波トランスデューサ
として、金属材料からなる台座と、該台座上に設けら
れ、圧電体の両面に電極が形成された振動子と、該振動
子を覆うように設けられた金属製のホーンとから構成さ
れたものが知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来技術による音波トランスデューサは、金属製のホーン
を備えているから、該金属製ホーンにより、振動子で発
生させた超音波の指向性を高めて、感度を向上させるこ
とができる。しかし、このホーンは、金属材料を用いて
所定角度で開口する形状に形成されているから、精密な
形状を保持したまま小型化するのが困難なばかりか、小
型化した場合には量産性が大幅に低下し、製造コストが
増大するという問題がある。

【０００５】このため、上述した従来技術によるもので
は、圧電素子等からなる振動子自体をいくら小型化して
も、金属製ホーンのために音波トランスデューサ全体を
小型化することができず、取付けの自由度や使い勝手が
低いという問題がある。特に、物体表面を多点検出する
場合等に用いられる１次元アレイ型，２次元アレイ型の
音波トランスデューサにあっては、複数の振動子を直線
状，平面状に配設して構成されているから、それぞれの
振動子に対して金属製のホーンを設けると、全体寸法が
大型化してしまい、取付けの自由度等が大幅に低下する
という問題がある。

【０００６】一方、上記問題点を解決すべく、金属製の
ホーンを省き、シリコン材料からなる台座上に振動子を
設けた音波トランスデューサも知られており、この場合
には、フォトリソグラフィ等の半導体微細加工技術を用
いて音波トランスデューサの小型化を図ることができ
る。しかし、この音波トランスデューサを小型化する
と、振動子も小さくなって該振動子から発射する超音波
の送波出力が弱くなるから、超音波の到達距離が短くな
り、性能が大幅に低下するという問題がある。また、小
型化のためにホーンを省いているから、超音波の指向性
が低く、検出精度、信頼性が低いという問題がある。

【０００７】本発明は上述した従来技術の問題に鑑みな
されたもので、精密な形状を保持したまま全体寸法を小
型化できる上に、超音波の指向性を高めて感度を向上で
きるようにした音波トランスデューサを提供することを
目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために請求項１の発明が採用する構成は、一端側から他
端側に向けて順次縮径する開口部が設けられたシリコン
製の台座と、前記開口部を施蓋するように該台座の他端
側に設けられた平板状の基板部と、該基板部の他端側に
設けられた第１の電極と、該第１の電極の他端側に設け
られた圧電体と、該圧電体の他端側に設けられた第２の
電極と、該第２の電極の他端側に位置して前記台座に設
けられ、一端側から他端側に向けて順次拡径する開口部
が形成されたシリコン製のホーンとからなる。また、請
求項２の発明では、台座とホーンとは接合手段を用いて
一体に接合している。

【０００９】

【作用】請求項１の発明では、台座とホーンとはシリコ
ン材料から形成されているから、半導体微細加工技術を
用いて音波トランスデューサの全体寸法を小型化するこ
とができる。そして、このシリコン製のホーンにより、
圧電体の振動によって生じた音波の指向性を高めること
ができる。また、請求項２の発明では、シリコン材料か
らなる台座とホーンとは、例えば陽極接合等の接合手段
を用いてこれらを一体に接合することができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１ないし図１１に
基づいて説明する。

【００１１】図において、１はシリコン材料から約３０
０μｍ程度の厚さ寸法ｈ1 を有する角筒状に形成された
台座を示し、該台座１の中央部には、一端面１Ａから他
端面１Ｂに向けて順次縮径するテーパ状の開口部２が軸
方向に形成されている。また、該台座１の一端面１Ａ等
には、後述する振動子４への電圧信号を供給する発振回
路や振動子４からの電圧信号を処理する受信回路（いず
れも図示せず）等がパターン形成されている。ここで、
前記開口部２は、シリコンの異方性エッチング技術を用
いることにより、シリコンの物性により定まる約５５°
の角度α1 で傾斜するテーパ状に形成されている。そし
て、該開口部２は、振動子４の振動を容易にするもので
ある。

【００１２】３は台座１の他端面１Ｂ上に一体形成され
た二酸化珪素からなる基板部を示し、該基板部３は、図
２にも示す如く、例えばＣＶＤ法，熱酸化法等の手段を
用いて台座１の他端面１Ｂ側に０．５〜１μｍ程度の二
酸化珪素を成膜し、不要部分をエッチングすることによ
り、方形な薄板状の皮膜として形成され、その両端側に
は後述する各電極５，７の各リード部５Ａ，７Ａに対応
するリード部３Ａ，３Ａが一体形成され、各リード部５
Ａ，７Ａと台座１とを電気的に絶縁している。そして、
該基板部３は、薄板状に形成されているため可撓性を有
し、振動子４と共に振動するようになっている。

【００１３】４は後述の収容穴１０内に位置して基板部
３の他端側に設けられた振動子を示し、該振動子４は、
基板部３の他端側に蒸着あるいはスパッタ等の手段を用
いて設けられ、アルミニウム等の金属材料からリード部
５Ａを有する略方形状に形成された第１の電極５と、該
第１の電極５の他端側にＣＶＤ法あるいはスパッタ等の
手段を用いて設けられ、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の圧電材
料から方形な薄膜状に形成された圧電体６と、該圧電体
６の他端側に位置して前記第１の電極と同様に蒸着等の
手段を用いて設けられ、アルミニウム等の金属材料から
リード部７Ａを有する略方形状に形成された第２の電極
７とから構成されている。ここで、前記各電極５，７は
例えば約０．３〜０．５μｍ程度の厚さ寸法をもって前
記圧電体６よりも若干小さく形成され、また、前記圧電
体６は約２〜２０μｍ程度の厚さ寸法を有するように形
成されている。

【００１４】そして、前記振動子４は、各電極５，７を
介して電圧信号が印加されると軸方向（図１中の上下方
向）に振動し、この電圧信号に応じた超音波を発生する
と共に、外部の物体で反射された反射波を受信すると軸
方向に振動し、この反射波に応じた電圧信号を出力する
ものである。

【００１５】８は振動子４の他端側に位置して台座１の
他端面１Ｂ上に固着され、図３にも示す如くシリコン材
料から約３００〜５００μｍ程度の厚さ寸法ｈ2 を有す
る略角筒状に形成されたホーンを示し、該ホーン８は、
図４に示す如く、その一端面８Ａが台座１の他端面１Ｂ
に当接し、陽極接合技術等の手段を用いて該台座１上に
直接的に固着されている。また、該ホーン８には、台座
１の開口部２に対応してホーン８の中央部に位置し、一
端面８Ａから他端面８Ｂに向けて順次拡径する開口部９
が形成され、該開口部９の一端９Ａ側には外側に向けて
伸長する角形状の収容穴１０が一体形成されている。そ
して、該収容穴１０内には振動子４が収容され、これに
より該振動子４は、台座１とホーン８との間でその周辺
が挟持されている。

【００１６】ここで、前記開口部９は、上述した台座１
の開口部２とほぼ同様に、シリコンの異方性エッチング
技術等の手段により、約５５°の角度α2 をもって傾斜
するテーパ状に形成されている。そして、前記ホーン８
は、振動子４で生じた超音波を高い指向性をもって外部
に送り出すと共に、外部の物体で反射された反射波を集
音して振動子４に伝達するものである。

【００１７】本実施例による音波トランスデューサは上
述の如き構成を有するもので、次に、その製造方法につ
いて図５ないし図１０を参照しつつ説明する。

【００１８】まず、図５に示す基板部形成工程では、シ
リコン材料から厚さ寸法ｈ1 を有する角柱状に形成され
た台座部材１１の表面に、ＣＶＤ法，熱酸化法等の手段
を用いて膜厚０．５〜１μｍをもった方形な薄板状の基
板部３を一体形成した後、図２，図４に示す如く、各リ
ード部３Ａを残すようにして外周側をエッチングにより
切除し、ホーン８と台座１とを接合する接合面を確保す
る。

【００１９】次に、図６に示す第１の電極形成工程で
は、前記基板部形成工程で形成された基板部３の表面
に、蒸着，スパッタ等の手段を用いて０．３〜０．５μ
ｍ程度の厚さを有するアルミニウム製の第１の電極５を
形成する。

【００２０】そして、図７に示す圧電体形成工程では、
第１の電極５の表面に、ＣＶＤ法あるいはスパッタ等の
手段を用いて約２〜２０μｍ程度の厚さを有する酸化亜
鉛（ＺｎＯ）等の圧電材料からなる方形な薄膜状の圧電
体６を形成する。

【００２１】次に、図８に示す第２の電極形成工程で
は、圧電体６の表面に、前記第１の電極形成工程とほぼ
同様にして、蒸着，スパッタ等の手段を用いて０．３〜
０．５μｍ程度の厚さを有するアルミニウム製の第２の
電極７を形成する。これにより、圧電体６の両面に電極
５，７が形成され、振動子４が完成する。

【００２２】そして、図９に示す台座形成工程では、シ
リコンの異方性エッチング技術を用いて、台座部材１１
の中央部に基板部３に向けて順次縮径するテーパ状の開
口部２を形成し、これにより台座１を形成する。ここ
で、該開口部２が傾斜する角度α1 は、シリコンの物性
により定まる値で、約５５°となる。

【００２３】最後に、図１０に示す接合工程では、シリ
コンの異方性エッチング技術により別工程で形成された
ホーン８と振動子４を設けた台座１とを、陽極接合技術
を用いて接合し、音波トランスデューサを完成させる。

【００２４】本実施例による音波トランスデューサは、
このようにして製造されるもので、各電極５，７を介し
て振動子４に電圧信号を加えると、該振動子４は、各開
口部２，９内を基板部３と共に軸方向に微小振動し、こ
の電圧信号に応じた超音波を発生させる。そして、この
超音波は、ホーン８により指向性を高められつつ外部の
物体に向けて発射（送波）され、この物体にあたって反
射し、ホーン８により集音されて振動子４に伝達され
る。これにより、該振動子４は微小振動し、この反射波
に応じた電圧信号を各電極５，７を介して外部に出力す
る。

【００２５】かくして、本実施例によれば、台座１とホ
ーン８とをシリコン材料からシリコンの異方性エッチン
グ技術を用いてそれぞれ形成し、両者を陽極接合等の接
合手段を用いて接合する構成としたから、音波トランス
デューサ全体を確実に小型化でき、精密な形状に形成す
ることができる。特に、シリコンの異方性エッチング技
術を用いて台座１およびホーン８を形成する構成とした
から、各開口部２，９の各角度α1 ，α2 をシリコンの
物性に基づいて一義的に定めることができ、該各開口部
２，９を精密に形成することができる。

【００２６】この結果、シリコン製のホーン８により振
動子４からの超音波の指向性を効果的に高めて、検出感
度や性能等を大幅に向上することができ、取付けの自由
度や使い勝手を向上することができる。特に、１次元ア
レイ型，２次元アレイ型の音波トランスデューサを形成
する場合には、小さい面積中に多数の振動子を設けるこ
とができるから、物体表面の粗さや形状等の計測精度を
大幅に向上することができる。

【００２７】また、台座１はシリコン材料から形成され
ているから、該台座１に発振回路，受信回路，温度補償
回路等の回路を容易にパターン形成することができ、回
路の集積化を図ることができる。さらに、シリコン材料
は微細加工が容易で量産性に優れているから、製造コス
トを大幅に低減することができる。

【００２８】なお、前記実施例では、台座１に単一の振
動子４を設けた音波トランスデューサを例示したが、本
発明はこれに限らず、例えば図１１に示す変形例の如
く、台座１上に複数の振動子４，４，…を直線状，平面
状に配設し、１次元アレイ型，２次元アレイ型の音波ト
ランスデューサとして構成してもよい。この場合には、
ホーン８，台座１に各振動子４に対応する開口部２，９
をそれぞれ形成すればよい。

【００２９】また、前記実施例では、台座１，ホーン８
等を角筒状に形成するものとして述べたが、本発明はこ
れに限らず、例えばイオンビームエッチング技術等の手
段を用いて、円筒状等の他の形状に形成してもよい。

【００３０】さらに、前記実施例では、圧電体６は酸化
亜鉛等の圧電材料から形成するものとして述べたが、こ
れに限らず、例えばＰＺＴ、チタン酸鉛等の他の無機質
圧電材料の薄膜やセラミックバルクの薄片、ポリフッ化
ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の有機質圧電材料を用いて形
成してもよい。また、第２の電極７の他面側に保護層を
設けてもよい。

【００３１】さらにまた、前記実施例では、基板部３は
ＣＶＤ法，熱酸化法等の手段により、シリコン製の台座
１の表面を一部酸化して、二酸化珪素の皮膜として形成
するものとして述べたが、これに替えて、例えばＣＶＤ
法により台座１に窒素を付加し、窒化物の膜として形成
してもよく、あるいは、この窒化物膜，二酸化珪素膜，
シリコン膜を任意の組合わせで積層化した多層膜として
形成してもよい。

【００３２】

【発明の効果】以上詳述した通り、請求項１の発明によ
れば、一端側から他端側に向けて順次縮径する開口部が
設けられたシリコン製の台座と、前記開口部を施蓋する
ように該台座の他端側に設けられた平板状の基板部と、
該基板部の他端側に設けられた第１の電極と、該第１の
電極の他端側に設けられた圧電体と、該圧電体の他端側
に設けられた第２の電極と、該第２の電極の他端側に位
置して前記台座に設けられ、一端側から他端側に向けて
順次拡径する開口部が形成されたシリコン製のホーンと
から構成したから、半導体微細加工技術を用いて音波ト
ランスデューサ全体を確実に小型化することができる。
この結果、シリコン製のホーンによって圧電体で発生さ
せた音波の指向性を効果的に高めることができ、検出感
度や性能等を向上することができ、取付けの自由度や使
い勝手を高めることができる。

【００３３】特に、複数の圧電体を配設した１次元アレ
イ型，２次元アレイ型の音波トランスデューサの場合に
は、物体表面の粗さや形状等の計測精度を向上すること
ができる。また、台座をシリコン材料から形成する構成
としたから、該台座に発振回路，受信回路，温度補償回
路等の回路を容易にパターン形成することができ、回路
の集積化を図ることができる。さらに、シリコン材料は
微細加工が容易で量産性に優れているから、製造コスト
を低減することができる。また、請求項２の発明によれ
ば、シリコン材料からなる台座とホーンとは、例えば陽
極接合等の接合手段を用いてこれらを一体に接合するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による音波トランスデューサを
示す縦断面図である。

【図２】図１中の音波トランスデューサをホーンを除い
た状態で示す平面図である。

【図３】ホーンの平面図である。

【図４】図１中の矢示IV−IV方向断面図である。

【図５】基板部形成工程を示す縦断面図である。

【図６】第１の電極形成工程を示す縦断面図である。

【図７】圧電体形成工程を示す縦断面図である。

【図８】第２の電極形成工程を示す縦断面図である。

【図９】台座形成工程を示す縦断面図である。

【図１０】台座とホーンとを接合する接合工程を示す縦
断面図である。

【図１１】本実施例の変形例を示す平面図である。

【符号の説明】

１ 台座 ２ 開口部 ３ 基板部 ５ 第１の電極 ６ 圧電体 ７ 第２の電極 ８ ホーン ９ 開口部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04R 1/30 330 G01N 29/24 G01S 7/521 G01V 1/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一端側から他端側に向けて順次縮径する
   開口部が設けられたシリコン製の台座と、前記開口部を
   施蓋するように該台座の他端側に設けられた平板状の基
   板部と、該基板部の他端側に設けられた第１の電極と、
   該第１の電極の他端側に設けられた圧電体と、該圧電体
   の他端側に設けられた第２の電極と、該第２の電極の他
   端側に位置して前記台座に設けられ、一端側から他端側
   に向けて順次拡径する開口部が形成されたシリコン製の
   ホーンとから構成してなる音波トランスデューサ。
2. 【請求項２】 前記台座とホーンとは接合手段を用いて
   一体に接合してなる請求項１に記載の音波トランスデュ
   ーサ。