JP7205191B2 - 超音波センサー、及び電子機器 - Google Patents

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Description

本発明は、超音波センサー、及び電子機器に関する。
従来、開口部を有する基板の一面側に開口部を閉塞する振動板を設け、開口部に対応する位置の振動板上に圧電素子を配置した超音波センサーが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１の超音波センサーでは、開口部は、第１方向の長さに対して第２方向の長さが大きいアスペクト比の長方形状に形成されている。また、この開口部を閉塞する振動板には第２方向に沿って複数の能動部が設けられており、各能動部の間に柱状部が設けられている。これにより、各能動部は、開口部及び柱状部の縁に囲われることで、その大きさが規定され、所望の周波数の超音波を送受信することが可能となる。
特開２０１５－１８８２０８号公報
しかしながら、特許文献１に記載の超音波センサーの開口部は、平面視で長方形状に形成されている。このため、開口部内に出力された超音波の一部が、長方形の両端部間で反射し、能動部に再度入力されることがある。この場合、能動部に入射された超音波によりクロストークが発生する、との課題がある。
第一適用例に係る超音波センサーは、第一面、及び前記第一面とは反対側の第二面を有し、前記第一面から前記第二面に向かうＺ方向に貫通する開口部を備える素子基板と、前記素子基板の前記第一面に設けられて前記開口部を閉塞し、Ｚ方向から見た平面視で前記開口部と重なる位置に、Ｚ方向に直交するＸ方向に沿った複数の振動領域が設けられる振動板と、前記振動板の複数の前記振動領域のそれぞれに対応して設けられた複数の圧電素子と、を備え、前記開口部は、前記第一面において、Ｘ方向に平行な第一辺及び第二辺と、前記第一辺及び前記第二辺のＸ方向の端部間を、前記第一辺及び前記第二辺に対して鋭角または鈍角で接続する第三辺及び第四辺と、を含む。
本適用例の超音波センサーでは、前記開口部は、前記第二面において、Ｘ方向に平行な第五辺及び第六辺と、前記第五辺及び前記第六辺の端部間を、前記第五辺及び前記第六辺に対して鋭角または鈍角で接続する第七辺及び第八辺と、を含み、前記第一辺と前記第五辺は、Ｚ方向から見た平面視で少なくとも一部が重なり合い、前記第二辺と前記第六辺は、Ｚ方向から見た平面視で少なくとも一部が重なり合う。
本適用例の超音波センサーでは、Ｘ方向に直交する方向をＹ方向として、前記第一辺は、ＸＹＺ座標において、点Ａ（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）から、点Ａ（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）よりも＋Ｘ側の点Ｂ（Ｘ２，Ｙ１，Ｚ１）まで延設される辺であり、前記第二辺は、ＸＹＺ座標において、点Ａ（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）よりも－Ｘ側、＋Ｙ側に位置する点Ｃ（Ｘ３，Ｙ２，Ｚ１）から、点Ｂ（Ｘ２，Ｙ１，Ｚ１）よりも－Ｘ側、＋Ｙ側に位置する点Ｄ（Ｘ４，Ｙ２，Ｚ１）までの辺であり、前記第三辺は、ＸＹＺ座標において、点Ａ（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）から点Ｃ（Ｘ３，Ｙ２，Ｚ１）までの辺であり、前記第四辺は、ＸＹＺ座標において、点Ｂ（Ｘ２，Ｙ１，Ｚ１）から点Ｄ（Ｘ４，Ｙ２，Ｚ１）までの辺であり、前記第五辺は、ＸＹＺ座標において、点Ｃ（Ｘ３，Ｙ２，Ｚ１）よりも－Ｘ側、－Ｙ側、＋Ｚ側に位置する点Ｅ（Ｘ５，Ｙ１，Ｚ２）から、点Ｂ（Ｘ２，Ｙ１，Ｚ１）の＋Ｚ側の点Ｆ（Ｘ２，Ｙ１，Ｚ２）までの辺であり、前記第六辺は、ＸＹＺ座標において、点Ｃ（Ｘ３，Ｙ２，Ｚ１）の＋Ｚ側の点Ｇ（Ｘ３，Ｙ２，Ｚ２）から、点Ｂ（Ｘ２，Ｙ１，Ｚ１）よりも＋Ｘ側、＋Ｙ側、＋Ｚ側に位置する点Ｇ（Ｘ６，Ｙ２，Ｚ２）までの辺であり、前記開口部は、点Ｅ（Ｘ５，Ｙ１，Ｚ２）から前記第三辺に向かう第一傾斜面と、点Ｈ（Ｘ６，Ｙ２，Ｚ２）から前記第四辺に向かう第二傾斜面と、を有する。
本適用例の超音波センサーは、前記振動板の前記素子基板とは反対側で、隣り合う前記振動領域の間に設けられ、前記平面視で前記開口部と重なる前記振動板を複数の前記振動領域に区画する複数の梁部を備える。
本適用例の超音波センサーでは、前記第三辺及び前記第四辺は、前記平面視において、前記梁部と重なる位置に設けられている。
本適用例の超音波センサーにおいて、前記第三辺及び前記第四辺は、前記梁部よりも、前記振動領域から離れる側に位置する構成としてもよい。
第二適用例に係る電子機器は、第一適用例の超音波センサーと、前記超音波センサーを制御する制御部と、を備える。
第一実施形態の距離測定装置の概略構成を示すブロック図。 第一実施形態の超音波センサーの一部を示す概略平面図。 図２のＩ－Ｉ線で超音波センサーを切断した際の断面図。 第一実施形態の素子基板の開口部を第一面側から見た際の開口縁の形状を示す図。 第一実施形態の素子基板の開口部を第二面側から見た際の平面図。 図５におけるＩＩ－ＩＩ線における素子基板及び振動板の断面形状を示す断面図。 図５におけるＩＩＩ－ＩＩＩ線における素子基板及び振動板の断面形状を示す断面図。 第一実施形態の開口部を、第二面側から見た際の斜視図。 第二実施形態における超音波センサーのＸ方向に沿った断面図。
［第一実施形態］
以下、第一実施形態について説明する。
図１は、第一実施形態の電子機器の一例である距離測定装置１００の概略構成を示すブロック図である。
図１に示すように、本実施形態の距離測定装置１００は、超音波センサー１０と、超音波センサー１０を制御する制御部２０とを備える。この距離測定装置１００では、制御部２０は、駆動回路３０を介して超音波センサー１０を制御し、超音波センサー１０から超音波を送信する。そして、対象物により超音波が反射され、超音波センサー１０により反射波が受信されると、制御部２０は、超音波の送信タイミングから超音波の受信タイミングの時間に基づいて、超音波センサー１０から対象物までの距離を算出する。
以下、このような距離測定装置１００の構成について、具体的に説明する。
［超音波センサー１０の構成］
図２は、超音波センサー１０の一部を示す概略平面図である。図３は、図２のＩ－Ｉ線で超音波センサー１０を切断した際の断面図である。
また、超音波センサー１０は、図３に示すように、素子基板１１と、振動板１２と、圧電素子１３と、封止板１４と、を備えて構成されている。
（素子基板１１の構成）
素子基板１１は、Ｓｉ等の半導体基板で構成され、振動板１２を支持する所定の厚みを有する基板である。素子基板１１は、第一面１１Ａと、第一面１１Ａとは反対側の第二面１１Ｂとを有する。ここで、以降の説明にあたり、第一面１１Ａから第二面１１Ｂに向かう方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交する方向をＸ方向とし、Ｘ方向及びＺ方向に直交する方向をＹ方向とする。第一面１１Ａ及び第二面１１Ｂは、ＸＹ平面に平行な面となる。なお、本実施形態では、一例として、Ｙ方向がＸ方向に対して直交する例を示すが、Ｙ方向がＸ方向に対して９０°以外の角度で傾斜していてもよい。
素子基板１１には、第一面１１Ａから第二面１１ＢまでをＺ方向に沿って貫通する開口部１１１が設けられている。この開口部１１１は、Ｘ方向の長さが、Ｙ方向の長さより十分に長いアスペクト比により構成されている。素子基板１１には、このような開口部１１１が、Ｙ方向に沿って複数配置されている。
なお、開口部１１１の詳細な説明については後述する。
素子基板１１において、開口部１１１が設けられていない部分は、隔壁部１１２を構成する。つまり、隔壁部１１２は、開口部１１１を囲って設けられている。この隔壁部１１２は、素子基板１１の第一面１１Ａ側に設けられる振動板１２を支持し、これにより、開口部１１１の－Ｚ側は、振動板１２により閉塞される。
（振動板１２の構成）
振動板１２は、例えばＳｉＯ２や、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２の積層体等より構成されている。振動板１２のＺ方向に沿った厚みは、素子基板１１に対して十分小さい厚みとなる。この振動板１２は、上述のように、開口部１１１を構成する素子基板１１の隔壁部１１２により支持されることで、開口部１１１の－Ｚ側を閉塞する。
Ｚ方向から見た平面視で、振動板１２の開口部１１１と重なる部分、つまり、振動板１２の開口部１１１を閉塞する部分は、封止板１４に設けられた梁部１４１Ａによって、複数の能動部１２１に区画されている。つまり、各能動部１２１は、開口部１１１の第一面１１Ａ側の開口縁と、梁部１４１Ａの縁とにより囲われる部分により外縁が規定される。これらの能動部１２１は、超音波の送受信において振動される振動領域であり、それぞれ、圧電素子１３が設けられて、この圧電素子１３の駆動によって振動可能となる。
（圧電素子１３の構成）
圧電素子１３は、振動板１２の素子基板１１とは反対側の面で、各能動部１２１上に設けられている。この圧電素子１３は、振動板１２側から順に、下部電極１３１、圧電膜１３２、及び上部電極１３３が順に積層されることで構成されている。
ここで、１つの能動部１２１と、当該能動部１２１上に設けられた圧電素子１３とにより、１つの超音波トランスデューサーＴｒが構成される。本実施形態では、図２に示すように、超音波センサー１０には、Ｘ方向及びＹ方向に沿って複数の超音波トランスデューサーＴｒが配置される。
これらの超音波トランスデューサーＴｒでは、下部電極１３１及び上部電極１３３の間に電圧が印加されることにより、圧電素子１３が伸縮し、圧電素子１３が設けられた能動部１２１が、能動部１２１の幅に応じた周波数で振動する。これにより、能動部１２１から超音波が送信される。
また、開口部１１１から入力された超音波によって能動部１２１が振動すると、圧電膜１３２の上下で電位差が発生する。これにより、下部電極１３１及び上部電極１３３の間に発生する電位差を検出することで、超音波を検出（受信）することが可能となる。
ここで、本実施形態では、図２に示すように、Ｚ方向から見た平面視において、１つの開口部１１１と重なる位置に配置される各圧電素子１３は、Ｘ方向に隣り合う圧電素子１３の下部電極１３１同士が接続され、１つの素子列を構成する。また、Ｙ方向に並ぶ所定数の素子列の下部電極１３１は、下部バイパス配線１３１Ａにより結線されている。なお、下部バイパス配線１３１Ａは、図２に示すような駆動端子１３１Ｐに接続されている。
つまり、本実施形態では、下部バイパス配線１３１Ａにより接続される所定数の素子列により１つのチャンネルが構成される。図２では、図示を省略するが、本実施形態では、このようなチャンネルが、Ｙ方向に複数配置されている。各チャンネルには、それぞれ独立した駆動端子１３１Ｐが設けられている。このため、各駆動端子１３１Ｐに対して、それぞれ独立した駆動信号を入力することで、各チャンネルを、それぞれ個別に駆動させることが可能となる。
一方、上部電極１３３は、図２に示すように、Ｙ方向に直線状に形成されており、Ｙ方向に並ぶ複数の超音波トランスデューサーＴｒを接続する。また、図示は省略するが、各上部電極１３３の±Ｙ側端部は互いに結線され、上部バイパス配線を介して、図２に示すような共通端子１３３Ｐに接続されている。各上部電極１３３は、共通端子１３３Ｐを介して駆動回路３０に電気接続され、同一の共通電位が印加される。
（封止板１４の構成）
封止板１４は、振動板１２の－Ｚ側に設けられ、素子基板１１及び振動板１２を補強する機能を有する。この封止板１４は、Ｚ方向から見た際の平面形状が例えば素子基板１１と同形状に形成され、Ｓｉ等の半導体基板や、絶縁体基板により構成される。
この封止板１４は、振動板１２に対向する面に、振動板１２に向かって突出する複数の突出部１４１を有する。これらの突出部１４１は、Ｘ方向の幅がＹ方向の幅に比べて十分に小さい形状を有し、複数の開口部１１１を跨ぐようにＹ方向に長手に延設され、Ｘ方向に沿って等間隔で複数配置されている。そして、突出部１４１の突出先端面、つまり、振動板１２に対向する面は、接着剤等によって振動板１２に接合されている。
これらの突出部１４１のうち、Ｚ方向からの平面視で開口部１１１と重なる突出部１４１は、梁部１４１Ａを構成し、上述のように、能動部１２１の外周縁を規定する。
ここで、本実施形態では、Ｘ方向に並ぶ複数の梁部１４１Ａのうち、－Ｘ側端部の能動部１２１の－Ｘ外周縁を規定する第一梁部１４１Ａ１は、Ｚ方向から見た平面視で、開口部１１１の－Ｘ側端部と重なる位置に接合されている。つまり、図３に示すように、第一梁部１４１Ａ１は、開口部１１１の－Ｘ側端部（後述する第三辺１１３Ｃ）の－Ｚ側で振動板１２に接合されている。また、Ｘ方向に並ぶ複数の梁部１４１Ａのうち、＋Ｘ側端部の能動部１２１の＋Ｘ外周縁を規定する第二梁部１４１Ａ２（図４参照）は、開口部１１１の＋Ｘ側端部（後述する第四辺１１３Ｄ）の－Ｚ側で振動板１２に接合されている。
（素子基板１１における開口部１１１の詳細構成）
次に、素子基板１１に設けられる開口部１１１の具体的な構成について説明する。
図４は、素子基板１１の開口部１１１を第一面１１Ａ側から見た際、つまり、－Ｚ側から＋Ｚ側に向かって見た際の開口縁の形状を示す図である。図５は、素子基板の開口部１１１を、第二面１１Ｂ側から見た際、つまり、＋Ｚ側から－Ｚ側に向かって見た際の平面図である。図６は、図５におけるＩＩ－ＩＩ線における素子基板１１及び振動板１２の断面形状を示す断面図である。図７は、図５におけるＩＩＩ－ＩＩＩ線における素子基板１１及び振動板１２の断面形状を示す断面図である。図８は、開口部１１１を、第二面１１Ｂ側から見た際の斜視図である。
開口部１１１の第一面１１Ａにおける開口縁は、図４に示すように、第一辺１１３Ａ及び第二辺１１３Ｂが平行となり、第三辺１１３Ｃ及び第四辺１１３Ｄが平行となる平行四辺形となる。ここで、第一辺１１３Ａ及び第三辺１１３Ｃの交点を点Ａ、第一辺１１３Ａ及び第四辺１１３Ｄの交点を点Ｂ、第二辺１１３Ｂ及び第三辺１１３Ｃの交点を点Ｃ、第二辺１１３Ｂ及び第四辺１１３Ｄの交点を点Ｄとする。点Ａ～ＤのＸＹＺ座標は、それぞれ、点Ａ（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）、点Ｂ（Ｘ２，Ｙ１，Ｚ１）、点Ｃ（Ｘ３，Ｙ２，Ｚ１）、点Ｄ（Ｘ４，Ｙ２，Ｚ１）であり、Ｘ３＜Ｘ１＜Ｘ４＜Ｘ２、かつ、Ｙ１＞Ｙ２である。第一辺１１３Ａと第二辺１１３Ｂは、Ｘ方向に対して平行であり、第三辺１１３Ｃ及び第四辺１１３Ｄは、第一辺１１３Ａ及び第二辺１１３Ｂに対して傾斜、つまり鈍角または鋭角の角度で接続される。
ここで、Ｚ方向から見た平面視において、図４に示すように、第三辺１１３Ｃは、第一梁部１４１Ａ１と重なる位置に設けられ、第四辺１１３Ｄは、第二梁部１４１Ａ２と重なる位置に設けられている。
開口部１１１の第二面１１Ｂにおける開口縁は、図５に示すように、第五辺１１３Ｅ及び第六辺１１３Ｆが平行となり、第七辺１１３Ｇ及び第八辺１１３Ｈが平行となる平行四辺形となる。ここで、点Ｅ～ＨのＸＹＺ座標は、それぞれ、点Ｅ（Ｘ５，Ｙ１，Ｚ２）、点Ｆ（Ｘ２，Ｙ１，Ｚ２）、点Ｇ（Ｘ３，Ｙ２，Ｚ２）、点Ｈ（Ｘ６，Ｙ２，Ｚ２）であり、Ｘ５＜Ｘ３＜Ｘ１＜Ｘ４＜Ｘ２＜Ｘ６である。つまり、第五辺１１３Ｅと第六辺１１３Ｆは、Ｘ方向に対して平行であり、第七辺１１３Ｇ及び第八辺１１３Ｈは、第五辺１１３Ｅ及び第六辺１１３Ｆに対して傾斜、つまり鈍角または鋭角の角度で接続される。
Ｚ方向からの平面視において、第一辺１１３Ａ及び第五辺１１３Ｅは、Ｘ１～Ｘ４の間で重なり、第二辺１１３Ｂ及び第六辺１１３Ｆは、Ｘ１～Ｘ４の間で重なる。したがって、図７及び図８に示すように、隔壁部１１２の開口部１１１に臨む面のうち、第一辺１１３Ａ及び第二辺１１３Ｂを含む、Ｘ方向に平行な面は、振動板１２に対して略直交する直交面１１３Ｋとなる。
また、図５、図６、及び図８に示すように、開口部１１１は、点Ｅから第三辺１１３Ｃに向かって傾斜する第一傾斜面１１３Ｉと、点Ｈから第四辺１１３Ｄに向かって傾斜する第二傾斜面１１３Ｊとを備える。よって、超音波センサー１０をＸ方向に切断した場合の断面視において、図３に示すように、開口部１１１のＸ方向の端部に傾斜面が形成される。
このような開口部１１１は、以下のようにして形成される。
まず、Ｓｉを素材とした素子基板１１を用意する。素子基板１１は、第二面１１Ｂの結晶面が（１１０）面となる基板である。このような素子基板１１に対して、まず、第一面１１Ａ側を熱酸化処理してＳｉＯ２とする。そして、ＳｉＯ２面にさらにＺｒ層を積層し、これを熱酸化処理してＺｒＯ２とし、振動板１２を形成する。そして、振動板１２上に圧電素子１３やバイパス配線等の配線電極を形成する。
この後、素子基板１１の第二面１１Ｂに開口部１１１を形成するためのマスクパターンを形成し、第二面１１Ｂから結晶異方性エッチングを行うことで開口部１１１を形成する。この場合、エッチングレートが低い（１１１）面によって、直交面１１３Ｋ、第一傾斜面１１３Ｉ、及び第二傾斜面１１３Ｊが形成される。
ところで、従来の超音波センサーには、素子基板に複数の正方形状の開口部を２次元アレイ状に形成し、各開口部を閉塞する振動板に圧電素子を配置するものがある。このような超音波センサーを形成するには、素子基板の振動板とは反対側の第二面を、最もエッチングレートが高い（１００）面として、結晶異方性エッチングを行う。これにより、振動板から第二面に向かって傾斜する（１１１）面を有する、正四角錐台状の開口部を容易に形成することが可能となる。しかしながら、このような従来の超音波センサーでは、各開口部が正四角錐台状となるので、隣り合う開口部間の距離が長くなり、超音波センサーの小型化に対応できない。つまり、隣り合う第一開口部と第二開口部との間の距離として、第一開口部の正四角錐台の斜面に相当する寸法と、第二開口部の正四角錐台の斜面に相当する寸法と、振動板を支持する隔壁部の寸法との合計寸法を最低でも確保する必要がある。また、仮に本実施形態のように、第二面を（１１０）面とした場合、振動板側の開口縁が正方形状となる開口部を適正に形成できず、超音波の周波数特性や振動板の振動特性を所望の特性とすることが困難となる。
これに対して、本実施形態では、Ｘ方向に長手となる開口部１１１を振動板１２によって覆い、振動板１２の素子基板１１とは反対側から複数の梁部１４１Ａを接合することで、複数の能動部１２１を規定し、各能動部１２１上に圧電素子１３を配置して超音波トランスデューサーＴｒを構成する。
この場合、梁部１４１Ａにより能動部１２１の形状を決定することができ、各能動部１２１間の距離も、梁部１４１ＡのＸ方向の厚みのみにより規定することができる。このため、本実施形態の能動部１２１間の間隔は、従来の正方形状の開口部を複数配置する超音波センサーに比べて小さくできる。また、本実施形態では、上記のように、第二面１１Ｂを（１１０）面とすることで、Ｘ方向に沿った直交面１１３Ｋを容易に形成することが可能である。このため、従来の超音波センサーに比べて、Ｙ方向に隣り合う開口部１１１間の距離も短くできる。これにより、超音波センサーのさらなる小型化を促進できる。
［制御部２０の構成］
図１に戻り、制御部２０について説明する。
制御部２０は、超音波センサー１０を駆動させる駆動回路３０と、演算部４０とを含んで構成されている。また、制御部２０には、その他、距離測定装置１００を制御するための各種データや各種プログラム等を記憶した記憶部を備えていてもよい。
駆動回路３０は、超音波センサー１０の駆動を制御するためのドライバー回路であり、例えば図１に示すように、基準電位回路３１、切替回路３２、送信回路３３、及び受信回路３４等を備える。
基準電位回路３１は、超音波センサー１０の上部電極１３３の共通端子１３３Ｐに接続され、上部電極１３３に基準電位、例えば－３Ｖ等を印加する。
切替回路３２は、駆動端子１３１Ｐと、送信回路３３と、受信回路３４とに接続される。この切替回路３２は、スイッチング回路により構成されており、各駆動端子１３１Ｐのそれぞれと送信回路３３とを接続する送信接続、及び、各駆動端子１３１Ｐのそれぞれと受信回路３４とを接続する受信接続を切り替える。
送信回路３３は、切替回路３２及び演算部４０に接続される。そして、送信回路３３は、切替回路３２が送信接続に切り替えられた際に、演算部４０の制御に基づいて、各超音波トランスデューサーＴｒにパルス波形の駆動信号を出力し、超音波センサー１０から超音波を送信させる。
演算部４０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等により構成され、駆動回路３０を介して超音波センサー１０を制御し、超音波センサー１０により超音波の送受信処理を実施させる。
すなわち、演算部４０は、切替回路３２を送信接続に切り替え、送信回路３３から超音波センサー１０を駆動させて、超音波の送信処理を実施する。また、演算部４０は、超音波を送信した直後に、切替回路３２を受信接続に切り替えさせ、対象物で反射された反射波を超音波センサー１０で受信させる。そして、演算部４０は、例えば、超音波センサー１０から超音波を送信した送信タイミングから、受信信号が受信されるまでの時間と、空気中における音速とを用いて、ＴｏＦ（Time of Flight）法により、超音波センサー１０から対象物までの距離を算出する。
［本実施形態の作用効果］
上述したような本実施形態では、以下のような効果を奏することができる。
すなわち、本実施形態の距離測定装置１００は、超音波センサー１０と、超音波センサー１０を制御する制御部２０とを備える。
超音波センサー１０は、第一面１１Ａ及び第二面１１Ｂを有し、Ｚ方向に貫通する開口部１１１を備える素子基板１１と、第一面１１Ａに設けられて開口部１１１を閉塞する振動板１２を備える。また、振動板１２の素子基板１１とは反対側の面に接合される複数の梁部１４１Ａによって、振動板１２は、複数の能動部１２１に区画されており、各能動部１２１に圧電素子１３が設けられている。また、開口部１１１の第一面１１Ａにおける開口縁は、Ｘ方向に平行な第一辺１１３Ａ及び第二辺１１３Ｂと、第一辺１１３Ａ及び第二辺１１３Ｂの端部間を接続する第三辺１１３Ｃ及び第四辺１１３Ｄとを有する。そして、第三辺１１３Ｃ及び第四辺１１３Ｄは、第一辺１１３Ａ及び第二辺１１３Ｂに対して鋭角または鈍角で傾斜している。
このような超音波センサー１０では、各能動部１２１から出力された超音波の一部が開口部１１１の内でＸ方向に向かって進んだ場合でも、開口部１１１の±Ｘ側端部で超音波の進行方向を変えることができ、当該超音波が能動部１２１に再入射することによるクロストークの影響を抑制できる。また、開口部１１１内で±Ｘ側端部間での超音波の多重反射も抑制されるので、多重反射成分が能動部１２１に入射した際に圧電素子１３から出力されるノイズ信号も低減することができる。このように、超音波センサー１０におけるクロストークやノイズ信号を抑制することで、距離測定装置１００における距離測定精度を向上させることができる。
本実施形態では、開口部１１１の第二面１１Ｂにおける開口縁は、Ｘ方向に平行な第五辺１１３Ｅ及び第六辺１１３Ｆと、第五辺１１３Ｅ及び第六辺１１３Ｆの端部間を鋭角または鈍角で接続する第七辺１１３Ｇ及び第八辺１１３Ｈと、を含む。また、第五辺１１３Ｅは、第一辺１１３Ａの＋Ｚ側の辺であり、Ｚ方向からの平面視でＸ１～Ｘ４の範囲で第一辺１１３Ａと重なり合う。同様に、第六辺１１３Ｆは、第二辺１１３Ｂの＋Ｚ側の辺であり、Ｚ方向からの平面視でＸ１～Ｘ４の範囲で第二辺１１３Ｂと重なり合う。つまり、開口部１１１を構成する隔壁部１１２の開口部１１１に臨む面のうち、第一辺１１３Ａ及び第五辺１１３Ｅを含む面、及び、第二辺１１３Ｂ及び第六辺１１３Ｆを含む面は、振動板１２に対して略直交する直交面１１３Ｋとなる。
このような構成では、例えば、開口部が四角錐台形状となる場合に比べて、Ｙ方向に隣り合う開口部１１１間の距離を短くできる。これにより、所定数の超音波トランスデューサーＴｒをＹ方向に並べる際に、従来に比べて、各超音波トランスデューサーＴｒ間の距離を短くできるので、超音波センサー１０の小型化を促進できる。
また、所定サイズの素子基板１１に対し、Ｙ方向に超音波トランスデューサーＴｒを配置する場合に、従来に比べてより多くの超音波トランスデューサーＴｒを配置することができる。この場合、送信超音波の増大、超音波の受信感度の向上を図れる。また、Ｙ方向に沿ってより多くのチャンネルを配置することができるため、各チャンネルの駆動を制御することで、送信超音波のビームの送信方向やビーム形状をより精細に制御することができる。
本実施形態では、第一辺１１３Ａは、点Ａから点Ｂまで延設される辺であり、第二辺１１３Ｂは、点Ａも－Ｘ側＋Ｙ側に位置する点Ｃから、点Ｂよりも－Ｘ側＋Ｙ側に位置する点Ｄまでの辺である。第五辺１１３Ｅは、点Ｃよりも－Ｘ側－Ｙ側＋Ｚ側に位置する点Ｅから、点Ｂの＋Ｚ側の点Ｆまでの辺であり、第六辺１１３Ｆは、点Ｃの＋Ｚ側の点Ｇから、点Ｂよりも＋Ｘ側＋Ｙ側＋Ｚ側に位置する点Ｇまでの辺である。そして、本実施形態では、開口部１１１には、点Ｅから第三辺１１３Ｃに向かって傾斜する第一傾斜面１１３Ｉと、点Ｈから第四辺１１３Ｄに向かう第二傾斜面１１３Ｊと、を有する。
このような構成では、各能動部１２１から出力され、開口部１１１の内でＸ方向に向かって進む超音波を、第一傾斜面１１３Ｉ及び第二傾斜面１１３Ｊで、開口部１１１から離れる方向に反射させることができる。これにより、開口部１１１内での超音波の多重反射をより適正に抑制することができ、クロストークやノイズ信号をより低減することができる。
また、素子基板１１に、開口部１１１を閉塞する振動板１２を設ける構成では、能動部１２１が振動した際や、外部から圧力波を受けた場合に、開口部１１１と重なる位置に振動板が変形する。この際、振動板１２の開口部１１１の第一面１１Ａ側の開口縁と重なる位置、特に、第三辺１１３Ｃ及び第四辺１１３Ｄで応力が集中し、振動板１２にクラックが生じるおそれがある。
これに対して、本実施形態では、第一傾斜面１１３Ｉ及び第二傾斜面１１３Ｊが設けられることで、振動板１２の第三辺１１３Ｃや第四辺１１３Ｄと重なる位置での応力を抑制でき、振動板１２のクラックを抑制できる。これにより、超音波センサー１０の信頼性を向上できる。
本実施形態では、振動板１２の素子基板１１とは反対側で、隣り合う能動部１２１の間に設けられ、平面視で開口部１１１と重なる振動板１２を複数の能動部に区画する複数の梁部１４１Ａが設けられている。
このような構成では、例えば、素子基板に対して複数の正方形状の開口部をＸ方向に沿って配置して超音波トランスデューサーを構成する場合に比べ、Ｘ方向に並ぶ超音波トランスデューサー間の間隔を小さくできる。つまり、複数の正方形状の開口部を素子基板のＸ方向に配置する場合、素子基板の第二面を（１００）面として結晶異方性エッチングを行うが、この場合、開口部が四角錐台形状となる。これに対して、本実施形態では、梁部１４１ＡのＸ方向の幅で能動部１２１のＸ方向の幅を規定でき、Ｘ方向に多くの能動部１２１を配置することができる。
本実施形態では、開口部１１１の±Ｘ側端部の第三辺１１３Ｃ及び第四辺１１３Ｄは、Ｚ方向から見た平面視で、梁部１４１Ａと重なる位置に設けられている。
上述したように、素子基板１１に、開口部１１１を閉塞する振動板１２を設ける構成では、振動板１２の第三辺１１３Ｃや第四辺１１３Ｄと重なる位置に応力が集中して、振動板１２にクラックが生じるおそれがある。
これに対して、本実施形態では、第一面１１Ａの開口部１１１の開口縁である第三辺１１３Ｃ及び第四辺１１３Ｄと重なる位置に、梁部１４１Ａが設けられている。これにより、振動板１２の開口部１１１の開口縁と重なる位置での応力をより緩和することができ、振動板１２のクラックを抑制できる。これにより、超音波センサー１０の信頼性をさらに向上できる。
［第二実施形態］
次に第二実施形態について説明する。
上記第一実施形態では、開口部１１１の第三辺１１３Ｃ及び第四辺１１３Ｄと重なる位置に梁部１４１Ａが設けられる構成を例示した。これに対して、第二実施形態では、開口部１１１の第三辺１１３Ｃ及び第四辺１１３Ｄが、梁部１４１Ａの外側に設けられる点で上記第一実施形態と相違する。なお、以降の説明にあたり、既に説明した構成については同符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
図９は、第二実施形態における超音波センサー１０ＡのＸ方向に沿った断面図である。
本実施形態では、図９に示すように、開口部１１１の第三辺１１３Ｃが、梁部１４１Ａよりも－Ｘ側に位置する。つまり、－Ｘ側端部の能動部１２１の－Ｘ側の縁を規定する第一梁部１４１Ａ１と、第一梁部１４１Ａ１の－Ｘ側に設けられる突出部１４１との間に位置する。
また、図９における図示は省略しているが、第四辺１１３Ｄと梁部１４１Ａとの位置関係も同様であり、第四辺１１３Ｄは、梁部１４１Ａよりも＋Ｘ側に位置する。つまり、第四辺１１３Ｄは、＋Ｘ側端部の能動部１２１の＋Ｘ側の縁を規定する第二梁部１４１Ａ２と、第二梁部１４１Ａ２の＋Ｘ側に設けられる突出部１４１との間に位置する。
［本実施形態の作用効果］
本実施形態では、第三辺１１３Ｃ及び第四辺１１３Ｄは、梁部１４１Ａよりも、能動部１２１から離れる側に位置する。つまり、第三辺１１３Ｃは、Ｘ方向に並ぶ複数の梁部１４１Ａのうち、－Ｘ側の端部に配置された第一梁部１４１Ａ１よりも－Ｘ側に位置し、第四辺１１３Ｄは、Ｘ方向に並ぶ複数の梁部１４１Ａのうち、＋Ｘ側の端部に配置された第二梁部１４１Ａ２よりも＋Ｘ側に位置する。
このような構成では、能動部１２１の振動が、開口部１１１の±Ｘ側端部の第三辺１１３Ｃ及び第四辺１１３Ｄに伝達されにくくなり、振動板１２のクラックを抑制することができる。
［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］
第二実施形態において、Ｚ方向から見た平面視で、第三辺１１３Ｃ及び第四辺１１３Ｄと重なる位置に、さらに、突出部１４１を配置する構成としてもよい。
この場合、振動板１２において、応力が集中する開口部１１１の±Ｘ側端部を突出部１４１によりさらに補強することができる。
［変形例２］
上記第一実施形態及び第二実施形態では、素子基板１１の第二面１１Ｂを（１１０）面で構成し、結晶異方性エッチングによって第一傾斜面１１３Ｉ及び第二傾斜面１１３Ｊを形成したが、これに限定されない。
例えば、イオンミリング装置を用いたドライエッチングにより、開口部１１１を形成してもよい。この場合、第一傾斜面１１３Ｉ及び第二傾斜面１１３Ｊが設けられず、開口部１１１の第二面１１Ｂ側の開口縁が、Ｚ方向からの平面視で第一面１１Ａ側の開口縁と一致する構成となる。つまり、開口部１１１は、振動板１２に対して略直交する直交面により囲われる構成となる。このような場合でも、第三辺１１３Ｃを含む直交面、及び、第四辺１１３Ｄを含む直交面は、Ｘ方向に対して傾斜している。よって、能動部１２１からＸ方向に向かって出力された超音波が、開口部１１１の±Ｘ側端部で反射される不都合を抑制でき、クロストークを低減できる。
また、素子基板１１の第二面１１Ｂを（１００）面として結晶異方性エッチングにより、開口部１１１を形成してもよい。この場合、開口部１１１を構成する隔壁部１１２の開口部１１１に臨む面に、振動板１２に直交する直交面が含まれなくなり、振動板１２の開口部１１１の開口縁と重なる位置での応力集中を軽減できる。
［変形例３］
上記第一実施形態では、電子機器の一例として距離測定装置１００を例示したが、これに限定されない。例えば、超音波の送受信結果に応じて、構造体の内部断層像を測定する超音波測定装置等に適用することもできる。
その他、本発明の実施の際の具体的な構造は、本発明の目的を達成できる範囲で上記各実施形態及び変形例を適宜組み合わせることで構成してもよく、また他の構造などに適宜変更してもよい。
１０，１０Ａ…超音波センサー、１１…素子基板、１１Ａ…第一面、１１Ｂ…第二面、１２…振動板、１３…圧電素子、１４…封止板、２０…制御部、１００…距離測定装置（電子機器）、１１１…開口部、１１２…隔壁部、１１３Ａ…第一辺、１１３Ｂ…第二辺、１１３Ｃ…第三辺、１１３Ｄ…第四辺、１１３Ｅ…第五辺、１１３Ｆ…第六辺、１１３Ｇ…第七辺、１１３Ｈ…第八辺、１１３Ｉ…第一傾斜面、１１３Ｊ…第二傾斜面、１１３Ｋ…直交面、１２１…能動部、１３１…下部電極、１３１Ａ…下部バイパス配線、１３２…圧電膜、１３３…上部電極、１４１…突出部、１４１Ａ…梁部、１４１Ａ１…第一梁部、１４１Ａ２…第二梁部、Ｔｒ…超音波トランスデューサー。

Claims (5)

  1. 第一面、及び前記第一面とは反対側の第二面を有し、前記第一面から前記第二面に向かうＺ方向に貫通する開口部を備える素子基板と、
    前記素子基板の前記第一面に設けられて前記開口部を閉塞し、Ｚ方向から見た平面視で前記開口部と重なる位置に、Ｚ方向に直交するＸ方向に沿った複数の振動領域が設けられる振動板と、
    前記振動板の複数の前記振動領域のそれぞれに対応して設けられた複数の圧電素子と、
    前記振動板の前記素子基板とは反対側で、隣り合う前記振動領域の間に設けられ、前記平面視で前記開口部と重なる前記振動板を複数の前記振動領域に区画する複数の梁部と、を備え、
    前記開口部は、前記第一面において、Ｘ方向に平行な第一辺及び第二辺と、前記第一辺及び前記第二辺のＸ方向の端部間を、前記第一辺及び前記第二辺に対して鋭角または鈍角で接続する第三辺及び第四辺と、を含み、
    前記第三辺及び前記第四辺は、前記平面視において、前記梁部と重なる位置に設けられている
    ことを特徴とする超音波センサー。
  2. 第一面、及び前記第一面とは反対側の第二面を有し、前記第一面から前記第二面に向かうＺ方向に貫通する開口部を備える素子基板と、
    前記素子基板の前記第一面に設けられて前記開口部を閉塞し、Ｚ方向から見た平面視で前記開口部と重なる位置に、Ｚ方向に直交するＸ方向に沿った複数の振動領域が設けられる振動板と、
    前記振動板の複数の前記振動領域のそれぞれに対応して設けられた複数の圧電素子と、
    前記振動板の前記素子基板とは反対側で、隣り合う前記振動領域の間に設けられ、前記平面視で前記開口部と重なる前記振動板を複数の前記振動領域に区画する複数の梁部と、を備え、
    前記開口部は、前記第一面において、Ｘ方向に平行な第一辺及び第二辺と、前記第一辺及び前記第二辺のＸ方向の端部間を、前記第一辺及び前記第二辺に対して鋭角または鈍角で接続する第三辺及び第四辺と、を含み、
    前記開口部を複数の前記梁部で区画した領域のうち、前記第三辺を含む領域と前記第四辺を含む領域には前記圧電素子が配置されず、前記第三辺を含む領域と前記第四辺を含む領域との間に配置される複数の領域に前記圧電素子が配置されて前記振動領域を構成する
    ことを特徴とする超音波センサー。
  3. 請求項１または請求項２に記載の超音波センサーにおいて、
    前記開口部は、前記第二面において、Ｘ方向に平行な第五辺及び第六辺と、前記第五辺及び前記第六辺の端部間を、前記第五辺及び前記第六辺に対して鋭角または鈍角で接続する第七辺及び第八辺と、を含み、
    前記第一辺と前記第五辺は、Ｚ方向から見た平面視で少なくとも一部が重なり合い、
    前記第二辺と前記第六辺は、Ｚ方向から見た平面視で少なくとも一部が重なり合う
    ことを特徴とする超音波センサー。
  4. 請求項３に記載の超音波センサーにおいて、
    Ｘ方向に直交する方向をＹ方向として、
    前記第一辺は、ＸＹＺ座標において、点Ａ（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）から、点Ａ（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）よりも＋Ｘ側の点Ｂ（Ｘ２，Ｙ１，Ｚ１）まで延設される辺であり、
    前記第二辺は、ＸＹＺ座標において、点Ａ（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）よりも－Ｘ側、＋Ｙ側に位置する点Ｃ（Ｘ３，Ｙ２，Ｚ１）から、点Ｂ（Ｘ２，Ｙ１，Ｚ１）よりも－Ｘ側、＋Ｙ側に位置する点Ｄ（Ｘ４，Ｙ２，Ｚ１）までの辺であり、
    前記第三辺は、ＸＹＺ座標において、点Ａ（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）から点Ｃ（Ｘ３，Ｙ２，Ｚ１）までの辺であり、前記第四辺は、ＸＹＺ座標において、点Ｂ（Ｘ２，Ｙ１，Ｚ１）から点Ｄ（Ｘ４，Ｙ２，Ｚ１）までの辺であり、
    前記第五辺は、ＸＹＺ座標において、点Ｃ（Ｘ３，Ｙ２，Ｚ１）よりも－Ｘ側、－Ｙ側、＋Ｚ側に位置する点Ｅ（Ｘ５，Ｙ１，Ｚ２）から、点Ｂ（Ｘ２，Ｙ１，Ｚ１）の＋Ｚ側の点Ｆ（Ｘ２，Ｙ１，Ｚ２）までの辺であり、
    前記第六辺は、ＸＹＺ座標において、点Ｃ（Ｘ３，Ｙ２，Ｚ１）の＋Ｚ側の点Ｇ（Ｘ３，Ｙ２，Ｚ２）から、点Ｂ（Ｘ２，Ｙ１，Ｚ１）よりも＋Ｘ側、＋Ｙ側、＋Ｚ側に位置する点Ｇ（Ｘ６，Ｙ２，Ｚ２）までの辺であり、
    前記開口部は、点Ｅ（Ｘ５，Ｙ１，Ｚ２）から前記第三辺に向かう第一傾斜面と、点Ｈ（Ｘ６，Ｙ２，Ｚ２）から前記第四辺に向かう第二傾斜面と、を有する
    ことを特徴とする超音波センサー。
  5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超音波センサーと、
    前記超音波センサーを制御する制御部と、
    を備えることを特徴とする電子機器。
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