JP5293557B2 - 超音波トランスデューサー、超音波トランスデューサーアレイ及び超音波デバイス - Google Patents
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Description
本発明は、超音波トランスデューサー、超音波トランスデューサーアレイ及び超音波デバイスに関するものである。
従来から、ダイアフラム型の超音波センサーが知られている。この超音波センサーは、ダイアフラムの一方の面側に２つの電極で挟んだＰＺＴセラミックスの薄膜層を形成し、これらの電極から出力される電気信号を用いて超音波を検出するものである（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１の超音波センサーは、多層構造膜を有するダイアフラムの内部応力による座屈を利用して、ダイアフラムの成膜中においてダイアフラムの上方向に圧力を印加することによりダイアフラムの上方向に凸となるようにダイアフラムを静的に撓ませている。
しかしながら、上記従来の超音波センサーは、ダイアフラムの成膜条件等によりダイアフラムを撓ませているため、ダイアフラムを撓ませる応力の制御が困難であり、個々のセンサーの特性にばらつきを生じるという課題がある。また、ダイアフラムの温度が変動するとダイアフラムの撓み量が変動するため、特性が不安定であるという課題がある。加えて、超音波センサーの形成後はダイアフラムの形状を変化させることができないため、発信特性及び受信特性を最適化することが困難であるという課題がある。
そこで、本発明は、特性を均一化及び安定化させることができ、超音波の発信特性及び受信特性を容易に最適化することができる超音波トランスデューサー、超音波トランスデューサーアレイ及び超音波デバイスを提供するものである。
上記の課題を解決するために、本発明の超音波トランスデューサーは、超音波を発信又は受信する超音波トランスデューサーであって、振動板と、該振動板に設けられた圧電体と、を備え、前記圧電体は、印加電圧により変形して前記振動板を振動させるか又は前記振動板の振動により変形して電位差を発生させる第１圧電部と、印加電圧により変形して前記振動板を静的に撓ませる第２圧電部と、を有することを特徴とする。
ここで、本発明における超音波トランスデューサーとは、受信した超音波を電気信号に変換し、及び／又は、入力された電気信号を超音波に変換して発信する素子であり、例えば超音波センサーや超音波発信素子などを含む。
ここで、本発明における超音波トランスデューサーとは、受信した超音波を電気信号に変換し、及び／又は、入力された電気信号を超音波に変換して発信する素子であり、例えば超音波センサーや超音波発信素子などを含む。
このように構成することで、第２圧電部に印加する印加電圧により、振動板の静的な撓み量や撓み方向を制御することができる。これにより、超音波トランスデューサーの特性を均一化及び安定化させることができる。また、振動板を撓ませるとは、振動板（及び第１圧電部）が弾性変形する現象と、振動板の応力状態が変化する現象の二つの現象を指している。すなわち、第１圧電部により振動板を振動させる際に、第２圧電部によって振動板の撓み量（応力状態の変化量）や撓み方向（振動板の応力状態の分布）を制御することで、超音波トランスデューサーにおける超音波の指向性や発信特性を制御することができる。また、第２圧電部によって振動板の撓み量や撓み方向を制御することで、振動板に入射した超音波による振動板の振動状態を制御し、第１圧電部が変形して発生する電位差を制御することができる。これにより、超音波トランスデューサーにおける超音波の受信特性を制御することができる。
したがって、本発明の超音波トランスデューサーによれば、特性を均一化及び安定化させることができ、超音波の発信特性及び受信特性を容易に最適化することができる。
したがって、本発明の超音波トランスデューサーによれば、特性を均一化及び安定化させることができ、超音波の発信特性及び受信特性を容易に最適化することができる。
また、本発明の超音波トランスデューサーは、前記第１圧電部と前記第２圧電部とは一体的に設けられ、前記第１圧電部に接続された第１電極と、前記第２圧電部に接続された第２電極とが分離されていることを特徴とする。
このように構成することで、第１圧電部と第２圧電部とに異なる印加電圧を印加し、第１圧電部と第２圧電部とを個別に駆動させることができる。また、第２圧電部により振動板を静的に撓ませた状態で、振動板の振動により第１圧電部に発生した電位差を検出することができる。また、圧電体の製造を容易にし、超音波トランスデューサーの生産性を向上させ、超音波トランスデューサーの生産コストを低減することができる。
また、本発明の超音波トランスデューサーは、開口部が形成された基部を備え、前記振動板は前記基部の前記開口部を閉塞するように設けられ、前記第１圧電部及び前記第２圧電部は、前記振動板の前記基部とは反対側で前記開口部と平面的に重なる振動領域に設けられていることを特徴とする。
このように構成することで、基部によって振動板を支持し、振動板の振動領域のみを振動させることができる。また、開口部の大きさや形状により振動領域の振動板の固有振動数を調整することができる。また、第２圧電部により振動板の振動領域を静的に撓ませた状態で、第１圧電部により振動板の振動領域を振動させ、あるいは振動板の振動領域の振動により第１圧電部を変形させることができる。
また、本発明の超音波トランスデューサーは、前記第１圧電部は前記振動領域の中央部に設けられ、前記第２圧電部は前記第１圧電部の周辺に設けられていることを特徴とする。
このように構成することで、第２圧電部により振動板の振動領域の周辺部を変形させ、振動領域の振動板を基部側に凸状又は凹状に撓ませることができる。そして、凸状又は凹状に撓んだ振動板を第１圧電部により振動させ、あるいは凸状又は凹状に撓んだ振動板の振動により第１圧電部を変形させることができる。
また、本発明の超音波トランスデューサーは、前記第２圧電部は前記振動領域の境界近傍に設けられていることを特徴とする。
このように構成することで、振動板の振動領域の境界近傍を変形させ、振動板の振動領域を基部側に凸状又は凹状により効率よく撓ませることができる。
また、本発明の超音波トランスデューサーは、前記第２圧電部を複数備えることを特徴とする。
このように構成することで、個々の第２圧電部の変形状態を変化させ、振動領域を所望の形状に変形させることができる。
また、本発明の超音波トランスデューサーアレイは、上記のいずれかの超音波トランスデューサーを複数備えることを特徴とする。
このように構成することで、超音波トランスデューサーアレイが備える各々の超音波トランスデューサー特性を均一化及び安定化させることができ、超音波の発信特性及び受信特性を容易に最適化することができる。
したがって、本発明の超音波トランスデューサーアレイによれば、超音波トランスデューサーアレイの特性を均一化及び安定化させることができ、超音波の発信特性及び受信特性を容易に最適化することができる。
したがって、本発明の超音波トランスデューサーアレイによれば、超音波トランスデューサーアレイの特性を均一化及び安定化させることができ、超音波の発信特性及び受信特性を容易に最適化することができる。
また、本発明の超音波デバイスは、上記の超音波トランスデューサー又は超音波トランスデューサーアレイを有し、前記超音波トランスデューサーに入力する入力信号を制御すると共に、前記超音波トランスデューサーから出力された出力信号を処理する制御部を備えていることを特徴とする。
このように構成することで、任意の超音波トランスデューサーにより超音波を発信し、その他の超音波トランスデューサーで超音波を受信することができる。また、個々の超音波トランスデューサーにより超音波を発信したのち、検出対象物に反射した超音波を個々の超音波トランスデューサーにより検出することができる。
また、本発明の超音波デバイスは、前記制御部は、前記第１圧電部への前記印加電圧を制御すると共に前記第１圧電部が発生する前記電位差を処理する第１制御部と、前記第２圧電部への印加電圧を制御する第２制御部と、を有することを特徴とする。
このように構成することで、第１制御部と第２制御部とを個別に動作させ、第１圧電部と第２圧電部とをそれぞれ個別に制御することが可能になる。
また、本発明の超音波デバイスは、前記第１制御部と前記第２制御部とは、独立して制御可能であることを特徴とする。
このように構成することで、第１制御部によって処理した第１圧電部の電位差に応じて、第２制御部による第２圧電部への印加電圧を制御したり、第２圧電部への印加電圧に応じて第１圧電部への印加電圧を制御したりすることができる。
＜第一実施形態＞
以下、本発明の第一実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各図面では、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や部材毎に縮尺を適宜変更している。
図１は本実施形態のＰＤＡ（Personal Data Assistance）１００の構成を模式的に表す斜視図である。図２は本実施形態のＰＤＡ１００が備える超音波デバイス５０の構成を模式的に表す分解斜視図である。図３は本実施形態の超音波デバイス５０の制御部４０の構成を模式的に表すシステム構成図である。なお、図３では後述する第２下部電極に一定電圧を印加する構成については省略している。
以下、本発明の第一実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各図面では、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や部材毎に縮尺を適宜変更している。
図１は本実施形態のＰＤＡ（Personal Data Assistance）１００の構成を模式的に表す斜視図である。図２は本実施形態のＰＤＡ１００が備える超音波デバイス５０の構成を模式的に表す分解斜視図である。図３は本実施形態の超音波デバイス５０の制御部４０の構成を模式的に表すシステム構成図である。なお、図３では後述する第２下部電極に一定電圧を印加する構成については省略している。
図１に示すように、本実施形態のＰＤＡ１００は本体３０に表示部２０を備えている。表示部２０は例えば液晶パネルや有機ＥＬパネル等からなり、本体３０内部に収容された演算・制御部に接続され、種々の操作画像やその他の情報を表示するように構成されている。また、本体３０の外周には、超音波デバイス５０が設置されている。超音波デバイス５０は、例えば人間の手、指またはや入力用のペンの形状や動作を検出してＰＤＡ１００への入力とする入力装置として機能する。
図２に示すように、超音波デバイス５０は複数の開口部１１ａがアレイ状に形成された基部１１を備えている。基部１１は例えば単結晶シリコン基板等により形成されている。開口部１１ａの各々には、超音波トランスデューサー１が設けられている。すなわち、超音波トランスデューサーアレイ１０は基部１１の一面に複数の超音波トランスデューサー１がアレイ状に配置された超音波トランスデューサーアレイ１０を備えた構成となっている。また、超音波デバイス５０は、超音波トランスデューサーアレイ１０を制御する制御部４０を備えている。
各々の超音波トランスデューサー１にはそれぞれ配線（図示略）が接続され、各配線は基部１１に接続されたフレキシブルプリント基板１２を介して制御基板１３の端子部１３ａに接続されている。制御基板１３には演算部、記憶部等からなる制御部４０が設けられている。制御部４０は、超音波トランスデューサー１に入力する入力信号を制御すると共に、超音波トランスデューサー１から出力された出力信号を処理するように構成されている。
図３に示すように、制御部４０は超音波トランスデューサーアレイ１０に接続され、主に制御・演算部４１と、記憶部４２と、超音波発生部４３と、超音波検出部４４と、送受信を切り替えるＴ／Ｒスイッチ４５とを備えている。超音波発生部４３は、サイン波を発生させるサイン波発生部４３ａと、個々の超音波トランスデューサー１に設けられサイン波の位相を変化させる移相部４３ｂと、ドライバー４３ｃとにより構成されている。超音波検出部４４は、主に増幅部４４ａと、Ａ／Ｄ変換部４４ｂとにより構成されている。
制御・演算部４１は、超音波トランスデューサーアレイ１０による超音波の発信時には、サイン波発生部４３ａによりサイン波を発生させ、移相部４３ｂによりサイン波を個々の超音波トランスデューサー１に対応する位相に変化させる。また、制御・演算部４１は、超音波トランスデューサーアレイ１０の超音波の受信時には、Ｔ／Ｒスイッチ４５を切り換えて超音波トランスデューサーアレイ１０から出力された出力信号を増幅部４４ａに伝送させる。また、制御・演算部４１は、記憶部４２に記憶された情報をＰＤＡ１００の制御・演算部（図示略）に出力可能に構成されている。また、制御・演算部４１は、第１制御部４１ａと第２制御部４１ｂとを備えている。
図４は、図２に示す超音波トランスデューサーアレイ１０をＡ−Ａ’線で切断し、超音波トランスデューサー１の一つを拡大した拡大断面図である。図５は超音波トランスデューサー１の下部電極の平面図である。なお、図４の断面図は図５のＢ−Ｂ’線に沿う断面に対応している。
ここで、図２では基部１１に設けられた開口部１１ａの形状を平面視で矩形状に表したが、以下では開口部１１ａの形状が平面視で円形状である場合について説明する。
ここで、図２では基部１１に設けられた開口部１１ａの形状を平面視で矩形状に表したが、以下では開口部１１ａの形状が平面視で円形状である場合について説明する。
図４に示す本実施形態の超音波トランスデューサー１は、超音波を発信又は受信する超音波トランスデューサーである。超音波トランスデューサー１は、開口部１１ａが形成された基部１１と、基部１１の開口部１１ａを閉塞するように設けられた振動板２と、振動板２の基部１１と反対側に設けられた圧電体３と、圧電体３に接続された下部電極４及び上部電極５とを備えている。
基部１１に形成された開口部１１ａの深さｄは、例えば約１８０μｍ〜２００μｍ程度である。
基部１１に形成された開口部１１ａの深さｄは、例えば約１８０μｍ〜２００μｍ程度である。
振動板２は、基部１１側に設けられ例えばＳｉＯ２により形成された第１酸化膜２ａと、第１酸化膜２ａの基部１１とは反対側に積層され例えばＺｒＯ２により形成された第２酸化膜２ｂとの二層構造となっている。第１酸化膜２ａは例えば単結晶シリコン基板の表面を熱酸化させることにより約３μｍ程度の厚さに形成されている。第２酸化膜は例えばＣＶＤ（化学気相成長）法等により例えば約４００ｎｍ程度の厚さに形成されている。
振動板２が開口部１１ａと平面的に重なって開口部１１ａに露出された領域は、振動板２の振動領域Ｖとなっている。開口部１１ａの径Ｄは振動領域Ｖの振動板２の固有振動数に応じて例えば約１００μｍ〜数百μｍ程度の範囲で適宜設定されている。
振動板２の振動領域Ｖで基部１１と反対側の面には下部電極４が設けられている。
振動板２の振動領域Ｖで基部１１と反対側の面には下部電極４が設けられている。
図４及び図５に示すように、下部電極４は振動領域Ｖの中央部に設けられた第１下部電極（第１電極）４ａと、その周辺に設けられた第２下部電極（第２電極）４ｂと、に分離されている。第１下部電極４ａと第２下部電極４ｂは、それぞれ超音波トランスデューサーアレイ１０の制御部４０に接続された配線６ａ，６ｂに接続されている。下部電極４は例えばＩｒ等の導電性金属材料により約２００ｎｍ程度の厚さに形成されている。下部電極４上には下部電極４を覆うように振動領域Ｖ及びその境界の外側に圧電体３が設けられている。
圧電体３は例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＢａＴｉＯ３（チタン酸バリウム）等により形成され、中央部の第１圧電部３ａと周辺部の第２圧電部３ｂとにより構成されている。換言すると、圧電体３は一体的に形成され、第１下部電極４ａと第２下部電極４ｂとが分離されることにより、圧電体３の第１下部電極４ａに対応する部分が第１圧電部３ａとなり、圧電体３の第２下部電極４ｂに対応する部分が第２圧電部３ｂとなっている。
第１圧電部３ａは第１下部電極４ａに接続された圧電体３の中央部分である。第１圧電部３ａは印加電圧により変形して振動板２を振動させるか又は振動板２の振動により変形して電位差を発生させるためのものである。
第２圧電部３ｂは第２下部電極４ｂに接続された圧電体３の周辺部分である。第２圧電部３ｂは印加電圧により変形して振動板２を静的に撓ませるためのものである。第２圧電部３ｂは振動領域Ｖの境界を跨ぐように、振動領域Ｖの境界の近傍に設けられている。
第２圧電部３ｂは第２下部電極４ｂに接続された圧電体３の周辺部分である。第２圧電部３ｂは印加電圧により変形して振動板２を静的に撓ませるためのものである。第２圧電部３ｂは振動領域Ｖの境界を跨ぐように、振動領域Ｖの境界の近傍に設けられている。
圧電体３の上には上部電極５が形成されている。上部電極５は例えばＩｒ等の導電性金属材料により形成され、第１圧電部３ａおよび第２圧電部３ｂに接続されている。上部電極５の厚さは例えば約５０ｎｍ程度となっている。また、上部電極５は配線７を介して超音波トランスデューサーアレイ１０の制御部４０に接続されている。
図３に示す制御・演算部４１の第１制御部４１ａは、超音波発生部４３及びＴ／Ｒスイッチ４５を制御して、超音波トランスデューサーアレイ１０が備える個々の超音波トランスデューサー１（図４参照）の第１圧電部３ａへの印加電圧を制御するように構成されている。また、第１制御部４１ａは、図４に示す第１圧電部３ａが発生する電位差を、図３に示すＴ／Ｒスイッチ４５、超音波検出部４４及び記憶部４２を制御して処理するように構成されている。
また、図３に示す制御・演算部４１の第２制御部４１ｂは、Ｔ／Ｒスイッチ４５を制御して、超音波トランスデューサーアレイ１０が備える個々の超音波トランスデューサー１（図４参照）の第２圧電部３ｂへの印加電圧を制御するように構成されている。
また、図３に示す制御・演算部４１は、第１制御部４１ａと第２制御部４１ｂとを独立して制御することができるように構成されている。
また、図３に示す制御・演算部４１は、第１制御部４１ａと第２制御部４１ｂとを独立して制御することができるように構成されている。
次に、本実施形態の作用について説明する。
図１に示すように、ＰＤＡ１００において人間の手や指の形状や動作を検出する際には、超音波デバイス５０により検出領域に超音波を発信する。
図１に示すように、ＰＤＡ１００において人間の手や指の形状や動作を検出する際には、超音波デバイス５０により検出領域に超音波を発信する。
まず、超音波デバイス５０の制御部４０により、発信用の超音波トランスデューサー１の上部電極５と第２下部電極４ｂとの間に一定の電圧を印加する。具体的には、図３に示す第２制御部４１ｂによりＴ／Ｒスイッチ４５を制御して、超音波トランスデューサーアレイ１０が備える発信用の超音波トランスデューサー１（図４参照）の上部電極５と第２下部電極４ｂとの間に一定の電圧を印加する。図４に示すように振動板２の振動領域Ｖの境界を跨ぐように形成された第２圧電部３ｂは、上部電極５と第２下部電極４ｂとの間に電圧が印加されると、印加電圧に応じて振動板２の面方向に伸長されたり圧縮されたりする。
第２圧電部３ｂが振動板２の面方向に伸長されると、振動板２の振動領域Ｖの境界の近傍において振動板２の圧電体３側が面方向に伸長され、図６（ａ）に示すように振動板２の振動領域Ｖが基部１１側に凸（図の下方向に凸）となるように撓む。また、第２圧電部３ｂが振動板２の面方向に圧縮されると、振動板２の振動領域Ｖの境界の近傍において振動板２の圧電体３側が面方向に圧縮され、図６（ｂ）に示すように振動板２の振動領域Ｖが基部１１側に凹（図の上方向に凸）となるように撓む。
このように、個々の超音波トランスデューサー１の第２圧電部３ｂに印加する印加電圧を制御することにより、発信用及び受信用のそれぞれの超音波トランスデューサー１の振動板２の静的な撓み量や撓み方向を所望の状態に制御する。ここで、振動板２の撓みとは、振動板２が弾性変形する現象だけでなく、振動板２の応力状態が変化する現象も含むものとする。また、それぞれの超音波トランスデューサー１の第２圧電部３ｂへの印加電圧を一定の電圧に維持することで、振動板２の振動領域Ｖを所望の形状に静的に撓ませた状態を維持しておく。
次に、振動板２の振動領域Ｖを静的に撓ませた状態で、図３に示すように制御部４０の第１制御部４１ａにより、サイン波発生部４３ａを制御してサイン波を発生させ、移相部４３ｂ、ドライバー４３ｃ、Ｔ／Ｒスイッチ４５を介して超音波トランスデューサーアレイ１０の各々の超音波トランスデューサー１の第１下部電極１４ａに少しずつ位相をずらしたサイン波電圧を印加する。これにより、各々の超音波トランスデューサー１の第１圧電部３ａが振動板２の面方向に伸縮し、振動板２の振動領域Ｖが振動板２の法線方向に振動する。
ここで、各々の超音波トランスデューサー１の第１下部電極４ａに少しずつ位相をずらしたサイン波電圧を印加する。これにより、各々の超音波トランスデューサー１の振動領域Ｖの振動板２は、少しずつ位相がずれた状態で振動する。
各々の超音波トランスデューサー１の振動領域Ｖの振動板２が少しずつ位相のずれた状態で振動することで、各々の超音波トランスデューサー１から発せられる超音波が干渉する。この各々の超音波トランスデューサー１から発せられる超音波の干渉により、超音波の進行方向が振動板２の法線方向に対して傾いた状態となり、超音波に指向性が付与される。
各々の超音波トランスデューサー１の振動領域Ｖの振動板２が少しずつ位相のずれた状態で振動することで、各々の超音波トランスデューサー１から発せられる超音波が干渉する。この各々の超音波トランスデューサー１から発せられる超音波の干渉により、超音波の進行方向が振動板２の法線方向に対して傾いた状態となり、超音波に指向性が付与される。
このとき、制御部４０の第１制御部４１ａにより超音波発生部４３を制御して第１圧電部３ａに印加するサイン波電圧の制御周波数は、例えば約１００ｋＨｚであり、振幅は約約１０Ｖである。また、各々の超音波トランスデューサー１に印加するサイン波電圧の位相差は、例えば約０．５μｓである。また、制御部４０の第２制御部４１ｂによりＴ／Ｒスイッチ４５を制御して第２圧電部３ｂ印加する印加電圧（ＤＣ電位）は、例えば約５Ｖである。
この超音波の指向性の変化を利用し、各々の超音波トランスデューサー１の第１圧電部３ａに印加するサイン波電圧の位相のずれを変化させることで、図１に示す超音波デバイス５０の超音波トランスデューサーアレイ１０から発信される超音波の方向を変化させ、ＰＤＡ１００の検出領域を走査する。
このとき、図１に示すように検出領域内に例えば人間の手や指が存在すると、超音波トランスデューサーアレイ１０から発信された超音波は人間の手や指によって反射する。人間の手や指によって反射した超音波が超音波トランスデューサーアレイ１０の受信用の超音波トランスデューサー１に到達すると、超音波トランスデューサー１の振動板２の振動領域Ｖが振動する。振動板２の振動領域Ｖが振動すると、第１圧電部３ａが振動板２の面方向の伸縮に伴って伸縮され、第１圧電部３ａに電位差が発生する。
第１圧電部３ａに発生した電位差は、上部電極５及び第１下部電極４ａに接続された配線６ａ，７によって超音波トランスデューサー１の出力信号として超音波トランスデューサーアレイ１０の制御部４０に伝送される。超音波トランスデューサーアレイ１０の制御部４０に伝送された個々の超音波トランスデューサー１からの出力信号は、Ｔ／Ｒスイッチ４５、増幅部４４ａ、Ａ／Ｄ変換部４４ｂを介して記憶部４２に記憶される。制御・演算部４１の第１制御部４１ａは、記憶部４２に記憶された個々の超音波トランスデューサー１の出力信号から検出領域の人間の手や指までの距離や移動速度を算出して出力する。
ＰＤＡ１００の演算制御部（図示略）は超音波トランスデューサーアレイ１０から出力された人間の手や指までの距離や移動速度から手や指の状態や動作を認識し、予め登録された手や指の状態や動作と比較する。比較の結果、検出した人間の手や指の状態や動作が予め登録されたものと一致すれば、ＰＤＡ１００の演算制御部は人間の手や指の形状や動作を所定の入力として認識し、例えば表示部２０に画像を表示させる等、予め登録された所定の動作を実行する。
したがって、本実施形態のＰＤＡ１００によれば、超音波トランスデューサーアレイ１０を入力装置として機能させることができる。
したがって、本実施形態のＰＤＡ１００によれば、超音波トランスデューサーアレイ１０を入力装置として機能させることができる。
ここで、超音波トランスデューサーアレイ１０が備える超音波トランスデューサー１は、圧電体３が第１圧電部３ａと第２圧電部３ｂとにより構成されている。そのため、第２圧電部３ｂに印加する印加電圧（ＤＣ電位）により振動板２の静的な撓み量や撓み方向を制御することができる。これにより、サイン波電圧を印加した第１圧電部３ａにより振動板２を振動させ超音波を発信する際に、ＤＣ電位の印加電圧を印加した第２圧電部３ｂによって振動板２の撓み量や撓み方向を制御し、超音波トランスデューサー１における超音波の指向性や発信特性を制御することができる。
また、第２圧電部３ｂによって振動板２の撓み量や撓み方向を制御することで、振動板２の振動領域Ｖに入射した超音波による振動板２の振動状態を制御し、第１圧電部３ａが変形して発生する電圧を変化させ入力信号を調整することができる。これにより、超音波トランスデューサー１における超音波の感度や受信特性を制御することができる。
また、図６（ｂ）に示すように基部１１側に凹となるように振動板２を撓ませることで、振動板２の振動により発せられた超音波を収束させ、超音波の強度や到達距離を調整することができる。
また、本実施形態の超音波トランスデューサー１は、第１圧電部３ａと第２圧電部３ｂとが一体的に設けられ、第１下部電極４ａと第２下部電極４ｂとが分離されている。これにより、第１圧電部３ａと第２圧電部３ｂとに異なる印加電圧を印加し、第１圧電部３ａと第２圧電部３ｂとを個別に駆動させることができる。また、第２圧電部３ｂにより振動板２を静的に撓ませた状態で、振動板２の振動により第１圧電部３ａに発生した電位差を検出することができる。また、圧電体３の製造を容易にし、超音波トランスデューサー１の生産性を向上させ、超音波トランスデューサー１及び超音波トランスデューサーアレイ１０の生産コストを低減することができる。
また、本実施形態の超音波トランスデューサー１は、振動板２が基部１１の開口部１１ａを閉塞するように設けられ、第１圧電部３ａ及び第２圧電部３ｂは振動板２の振動領域Ｖに設けられている。これにより、基部１１によって振動板２を支持し、振動板２の振動領域Ｖのみを振動させることができる。また、開口部１１ａの大きさや形状により振動領域Ｖの振動板２の固有振動数を調整することができる。また、第２圧電部３ｂにより振動板２の振動領域Ｖを静的に撓ませた状態で、第１圧電部３ａにより振動板２の振動領域Ｖを振動させ、あるいは振動板２の振動領域Ｖの振動により第１圧電部３ａを変形させることができる。
また、本実施形態の超音波トランスデューサー１は、第１圧電部３ａが振動領域Ｖの中央部に設けられ、第２圧電部３ｂが第１圧電部３ａの周辺に設けられている。これにより、第２圧電部３ｂによって振動板２の振動領域Ｖの周辺部を変形させ、振動領域Ｖの振動板２を基部１１側に凸状又は凹状に撓ませることができる。そして、凸状又は凹状に撓んだ振動板２を第１圧電部３ａにより振動させ、あるいは凸状又は凹状に撓んだ振動板２の振動により第１圧電部３ａを変形させることができる。
また、本実施形態の超音波トランスデューサー１は、第２圧電部３ｂは振動領域Ｖの境界近傍に設けられている。これにより、振動板２の振動領域Ｖの近傍を変形させ、振動板２の振動領域Ｖを基部１１側に凸状又は凹状により効率よく撓ませることができる。
また、本実施形態の超音波デバイス５０は、超音波トランスデューサー１に入力する入力信号を制御すると共に、超音波トランスデューサー１から出力された出力信号を処理する制御部４０を備えている。これにより、超音波トランスデューサー１から発信する超音波の周波数や音圧を制御することができる。また、超音波トランスデューサー１により受信した超音波を検出して測定することが可能になる。
また、本実施形態の超音波デバイス５０は、制御部４０が第１圧電部３ａへの印加電圧を制御すると共に第１圧電部３ａが発生する電位差を処理する第１制御部４１ａと、第２圧電部３ｂへの印加電圧を制御する第２制御部４１ｂとを備えている。これにより、第１制御部４１ａと第２制御部４１ｂとを個別に動作させ、第１圧電部３ａと第２圧電部３ｂとをそれぞれ個別に制御することが可能になる。したがって、個々のトランスデューサー１の周波数調整を行ったり、トランスデューサーアレイ１０のトランスデューサー１間のばらつきの補正を行うことが可能になる。
また、本実施形態の超音波デバイス５０は、第１制御部４１ａと第２制御部４１ｂとが、独立して制御可能に構成されている。これにより、第１制御部４１ａによって処理した第１圧電部３ａの電位差に応じて、第２制御部４１ｂによる第２圧電部３ｂへの印加電圧を制御したり、第２圧電部３ｂへの印加電圧に応じて第１圧電部３ａへの印加電圧を制御したりすることができる。
例えば、第１制御部４１ｂによって検出した超音波の情報に基づいて演算・制御部４１により演算を行い、その結果を第２制御部４１ｂによる第２圧電部３ｂへの印加電圧の制御に反映させるフィードバック制御を行うこともできる。
例えば、第１制御部４１ｂによって検出した超音波の情報に基づいて演算・制御部４１により演算を行い、その結果を第２制御部４１ｂによる第２圧電部３ｂへの印加電圧の制御に反映させるフィードバック制御を行うこともできる。
以上説明したように、本実施形態の超音波トランスデューサー１及び超音波トランスデューサーアレイ１０を備えた超音波デバイス５０によれば、センシング特性を均一化及び安定化させることができ、超音波の発信特性及び受信特性を容易に最適化することができる。これにより、ＰＤＡ１００のへの入力を非接触とすると共に、入力を容易かつ確実にすることができる。
＜第二実施形態＞
次に、本発明の第二実施形態について、図１〜図３を援用し、図７及び図８を用いて説明する。本実施形態の超音波トランスデューサー１Ａは、複数の第２下部電極４ｂ１〜４ｂ４を備え、第２下部電極４ｂ１〜４ｂ４に対応して複数の第２圧電部３ｂ１〜３ｂ４を備えている点で上述の第一実施形態で説明した超音波トランスデューサー１と異なっている。その他の点は第一実施形態と同様であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。
次に、本発明の第二実施形態について、図１〜図３を援用し、図７及び図８を用いて説明する。本実施形態の超音波トランスデューサー１Ａは、複数の第２下部電極４ｂ１〜４ｂ４を備え、第２下部電極４ｂ１〜４ｂ４に対応して複数の第２圧電部３ｂ１〜３ｂ４を備えている点で上述の第一実施形態で説明した超音波トランスデューサー１と異なっている。その他の点は第一実施形態と同様であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。
図７は第一実施形態の図５に相当する本実施形態の超音波トランスデューサー１Ａの下部電極４Ａの平面図である。図８は第一実施形態の図４に相当する本実施形態の超音波トランスデューサー１Ａの拡大断面図である。ここで、図８は図７のＣ−Ｃ’線に沿う断面に対応する断面図である。
図７に示すように、本実施形態の超音波トランスデューサー１Ａは振動板２の振動領域Ｖの中央部に第１下部電極４ａが設けられ、配線６ａを介して制御部４０に接続されている。また、第１下部電極４ａの周囲には、複数の第２下部電極４ｂ１〜４ｂ４が形成されている。第２下部電極４ｂ１〜４ｂ４はそれぞれ配線６ｂ１〜６ｂ４を介して制御部４０に接続されている。また、第２下部電極４ｂ１〜４ｂ４は振動板２の振動領域Ｖの境界を跨ぐように、境界の近傍に形成されている。
図８に示すように、これら第２下部電極４ｂ１〜４ｂ４と上部電極５とにより挟まれた部分が本実施形態の第２圧電部３ｂ１〜３ｂ４となっている。すなわち、本実施形態の超音波トランスデューサー１Ａは、複数の第２下部電極４ｂ１〜４ｂ４に対応して複数の第２圧電部３ｂ１〜３ｂ４を備えている。
次に、本実施形態の作用について説明する。
上部電極５と第２下部電極４ｂ４との間に電圧が印加され第２圧電部３ｂ４が振動板２の面方向に伸長されるとともに、上部電極５と第２下部電極４ｂ２との間に電圧が印加され第２圧電部３ｂ２が振動板の面方向に圧縮されると、図９（ａ）に示すように振動板２の振動領域Ｖを所定の傾きに傾けることができる。このとき、第２下部電極４ｂ１と第２下部電極４ｂ３には電圧を印加しない。
上部電極５と第２下部電極４ｂ４との間に電圧が印加され第２圧電部３ｂ４が振動板２の面方向に伸長されるとともに、上部電極５と第２下部電極４ｂ２との間に電圧が印加され第２圧電部３ｂ２が振動板の面方向に圧縮されると、図９（ａ）に示すように振動板２の振動領域Ｖを所定の傾きに傾けることができる。このとき、第２下部電極４ｂ１と第２下部電極４ｂ３には電圧を印加しない。
また、上部電極５と第２下部電極４ｂ２との間に電圧が印加され第２圧電部３ｂ２が振動板２の面方向に伸長されるとともに、上部電極５と第２下部電極４ｂ４との間に電圧が印加され第２圧電部３ｂ４が振動板２の面方向に圧縮されると、図９（ｂ）に示すように振動板２の振動領域Ｖを逆の傾きに傾けることができる。このとき、同様に第２下部電極４ｂ１と第２下部電極４ｂ３には電圧を印加しない。
このように、電圧を印加する第２圧電部３ｂ１〜３ｂ４を選択し、個々の第２圧電部３ｂ１〜３ｂ４に印加するＤＣ電圧を制御することで、振動板２の振動領域Ｖの傾き方向や角度を所定の範囲で自由に制御することができる。これにより、超音波の発信方向や受信方向をより自由に変化させ、個々の超音波トランスデューサー１の特性をより容易に最適化することが可能になる。したがって、個々のトランスデューサー１の周波数調整を行ったり、トランスデューサーアレイ１０のトランスデューサー１間のばらつきの補正を行うことが可能になる。
次に上述の第一実施形態で説明した超音波トランスデューサー１の変形例について説明する。
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、超音波トランスデューサー１の変形例を示す第一実施形態の図４に相当する拡大断面図である。
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、超音波トランスデューサー１の変形例を示す第一実施形態の図４に相当する拡大断面図である。
第一実施形態において説明した超音波トランスデューサー１において、図１０（ａ）に示すように下部電極４に加えて第１圧電部３ａと第２圧電部３ｂとを分離させて形成する。さらに上部電極５を第１圧電部３ａと第２圧電部３ｂとに対応させて分離させ、超音波トランスデューサー１Ｂを形成してもよい。
これにより、第１圧電部３ａの駆動と第２圧電部３ｂの駆動を完全に分離することができ、それぞれより独立して作動させることが可能となる。したがって、第２圧電部３ｂの伸縮が第１圧電部３ａによるセンシングや発振に不必要な影響を及ぼすことを防止できる。
これにより、第１圧電部３ａの駆動と第２圧電部３ｂの駆動を完全に分離することができ、それぞれより独立して作動させることが可能となる。したがって、第２圧電部３ｂの伸縮が第１圧電部３ａによるセンシングや発振に不必要な影響を及ぼすことを防止できる。
また、第一実施形態において説明した超音波トランスデューサー１において、図１０（ｂ）に示すように下部電極４を一体的に形成し、上部電極５を第１圧電部３ａと第２圧電部３ｂとに対応させて第１上部電極５ａと第２上部電極５ｂとに分離させ、超音波トランスデューサー１Ｃを形成してもよい。これにより第一実施形態の超音波トランスデューサー１と同様の効果を得ることができる。
尚、この発明は上述した実施の形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、基部に形成する開口部の平面形状は矩形状や円形状に限られない。
また、第２圧電部を振動板の振動領域の中央部に設け、第１圧電部を第２圧電部の周辺に設けてもよい。
また、第２圧電部を振動板の振動領域の中央部に設け、第１圧電部を第２圧電部の周辺に設けてもよい。
また、振動板の振動領域の境界近傍に設けられる下部電極は、境界の外側に端部が境界と重なるように設けてもよいし、境界の内側に端部が境界と重なるように設けてもよい。また、端部が境界と重ならず、振動領域の内側又は外側に設けられていてもよい。
また、第１圧電部が複数に分割されていてもよい。
また、超音波トランスデューサーアレイの各々の超音波トランスデューサーを受信用と発信用に分けず、それぞれを受信と発信に兼用してもよい。
また、ＰＤＡは複数の超音波トランスデューサーアレイを備えていてもよい。
また、第１圧電部が複数に分割されていてもよい。
また、超音波トランスデューサーアレイの各々の超音波トランスデューサーを受信用と発信用に分けず、それぞれを受信と発信に兼用してもよい。
また、ＰＤＡは複数の超音波トランスデューサーアレイを備えていてもよい。
また、上述した実施形態では複数の超音波トランスデューサーを備えた超音波デバイスについて説明したが、本発明は単一の超音波トランスデューサーと制御部からなる超音波デバイスに適用可能であることはいうまでもない。
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 超音波トランスデューサー、２ 振動板、３ 圧電体、３ａ 第１圧電部、３ｂ，３ｂ１，３ｂ２，３ｂ３，３ｂ４ 第２圧電部、４，４Ａ 下部電極、４ａ 第１下部電極、４ｂ，４ｂ１，４ｂ２，４ｂ３，４ｂ４ 第２下部電極、５ 上部電極、１０ 超音波トランスデューサーアレイ、１１ 基部、１１ａ 開口部、４０ 制御部、５０ 超音波デバイス、Ｖ 振動領域
Claims (10)
- 超音波を発信又は受信する超音波トランスデューサーであって、
振動板と、該振動板に設けられた圧電体と、を備え、
前記圧電体は、
印加電圧により変形して前記振動板を振動させるか又は前記振動板の振動により変形して電位差を発生させる第１圧電部と、
印加電圧により変形して前記振動板を静的に撓ませる第２圧電部と、
を有することを特徴とする超音波トランスデューサー。 - 前記第１圧電部と前記第２圧電部とは一体的に設けられ、
前記第１圧電部に接続された第１電極と、前記第２圧電部に接続された第２電極とが分離されていることを特徴とする請求項１記載の超音波トランスデューサー。 - 開口部が形成された基部を備え、
前記振動板は前記基部の前記開口部を閉塞するように設けられ、
前記第１圧電部及び前記第２圧電部は、前記振動板の前記基部とは反対側で前記開口部と平面的に重なる振動領域に設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超音波トランスデューサー。 - 前記第１圧電部は前記振動領域の中央部に設けられ、前記第２圧電部は前記第１圧電部の周辺に設けられていることを特徴とする請求項３記載の超音波トランスデューサー。
- 前記第２圧電部は前記振動領域の境界近傍に設けられていることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の超音波トランスデューサー。
- 前記第２圧電部を複数備えることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサー。
- 請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサーを複数備えることを特徴とする超音波トランスデューサーアレイ。
- 請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサー又は請求項７記載のトランスデューサーアレイを有し、
前記超音波トランスデューサーに入力する入力信号を制御すると共に、前記超音波トランスデューサーから出力された出力信号を処理する制御部を備えることを特徴とする超音波デバイス。 - 前記制御部は、前記第１圧電部への前記印加電圧を制御すると共に前記第１圧電部が発生する前記電位差を処理する第１制御部と、前記第２圧電部への印加電圧を制御する第２制御部と、を有することを特徴とする請求項８記載の超音波デバイス。
- 前記第１制御部と前記第２制御部とは、独立して制御可能であることを特徴とする請求項９記載の超音波デバイス。
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