JPH02248864A - 超音波トランスジューサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、圧電素子の圧電効果を利用した超音波トラン
スジューサに関し、特に、広帯域周波数特性を有する超
音波トランスジューサに関する。

（従来技術） 超音波を用いた車両用計測装置としては、距離計測中心
のバックソナーが広く知られているが、現在では、離れ
た物体の距離、速度、形状等を検知する超音波レーダの
研究が進められている。斯かる研究は、自動車において
は、衝突回避等の安全性や、自動運転などの利便性等を
目的としている。また、超音波レーダは広く自立走行車
やロボット等にも応用されている。このような超音波レ
ーダに用いる超音波センサとしては広帯域な周波数特性
を有するものが要求されている。

第６図及び第７図は、例えば特開昭６１−２２０５９６
号公報に開示されている従来の超音波トランスジューサ
の構造を示したものである。これらの図を参照すると、
超音波トランスジューサは、上面に凹所１ａを形成した
シリコン（Ｓｉ）単結晶からなるウェハｌと、その上面
に一体に形成したカンチレバー型圧電振動子２とを備え
ており、細長く延びた平板状のカンチレバー型圧電振動
子２は、シリコンまたは酸化シリコン（３１０２）から
なるカンチレバー（片持ち支持梁構造体）３の上に下側
電極膜４と圧電材料層５と上側電極膜６とを順番に形成
したモノモルフ型積層構造となっている。このような構
造の超音波トランスジューサはシリコンのＩＣプロセス
技術に合致した製法と周辺回路の集積化を可能にする。

上記の超音波トランスジューサにおいては、カンチレバ
ー型圧電振動子２は、圧電材料層５の上下の電極膜４，
６に加えられた電圧の変化に応じて上下に撓み変形し、
超音波を送波する。また、逆の原理で超音波を受波する
ことができる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、細長い平板状の圧電振動子２を有する従
来の超音波トランスジューサの周波数特性は、第８図に
示すように、共振周波数ｆ０をピークとして非常にＱ値
の高い特性となっている。

このような特性を有する超音波トランスジューサは、物
体からの超音波ドツプラ信号等のような周波数変化した
信号を検知する場合には感度が激減するという欠点を有
する。これは従来の超音波トランスジューサが、圧電振
動子２の長さ方向の振動モードのみを利用しているため
である。

したがって、本発明の目的は、広帯域周波数特性を有す
る超音波トランスジューサを提供することにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明にあっては、次のよ
うな構成とされる。すなわち、 加速度を受けて偏位する圧電振動子を備えた超音波トラ
ンスジューサであって、 前記圧電振動子が、少なくとも一端側が支持部に固定さ
れた第１部分と、該第１部分に対し交差する方向に延び
る第２部分とを備えているような構成とされる。

（発明の作用、効果） 上記構成を有する超音波トランスジューサにおいては、
圧電振動子の第１部分によって規定される長さ方向の振
動モードだけでなく、第２部分によって規定される幅方
向の振動モードをも利用して複合振動を生じさせること
ができるので、１つの圧電振動子で周波数特性の広帯域
化を図ることができる。また、従来の超音波トランスジ
ューサと同様にＩＣプロセスで容易に作製できるので、
小型且つ高感度で周波数帯域の設計が容易な超音波トラ
ンスジューサを実現することができる。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

第１図及び第２図は本発明の一実施例を示したものであ
る。これらの図を参照すると、超音波トランスジューサ
は、上面に凹所１１ａを形成したシリコン（Ｓ　ｉ）単
結晶からなるウェハ１１と、その上面に一体に形成した
カンチレバー型圧電振動子１２とを備えており、カンチ
レバー型圧電振動子１２は、シリコンまたは酸化シリコ
ン（ＳｉＯ，）からなる微細なカンチレバー（片持ち支
持梁構造体）形基板１３の上に下側電極薄膜１４と圧電
材料の薄膜１５と上側電極薄膜１６とを順番に積層形成
したモノモルフ型積層構造となっている。

圧電材料としては、例えば、チタン酸鉛（ＰｂＴｉｅｓ
＞、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、酸化亜鉛（Ｚｎ
Ｏ）等を用いることができる。また、電極材料としては
例えば白金（Ｐｔ）を用いることができる。これら電極
薄膜１４．１６及び圧電薄膜１５は、例えば、真空蒸着
法、スパンタリング法、ＣＶＤ法等の薄膜形成技術によ
り形成することができ、また、電極薄膜１４．１６はウ
ェハ１１上に延びる端子部１４ａ、１６ａを有するよう
に、フォトリソグラフィによりパターン化することがで
きる。

本発明の特徴をなす圧電振動子１２は、一端側がウェハ
１１に固定（一体化）された第１部分１２ａと、該第１
部分１２ａの長さ方向に対し交差する方向に延びる第２
部分（１２ｂ）とを備えており、全体として十字状に形
成されている。

上記構成を有する超音波トランスジューサを超音波セン
サとして用いるときは、電極薄膜１４゜１６の端子部１
４ａ、１６ａに増幅回路を接続し、圧電振動子１２に超
音波を受波させる。また、超音波トランスジューサを超
音波センサとして用いるときは、電極薄膜１４．１６の
端子部１４ａ１６ａに高周波電源を接続し、圧電振動子
１２を励振させて超音波を送波させる。

第３図は、上記構成を有する超音波トランスジユーザの
圧電振動子１２の共振周波数を４０ｋＨ２付近に設定し
た場合の、超音波受波周波数特性を示している。この図
から判るように、本実施例の超音波トランスジューサは
、基本振動の４０ｋＨｚ付近で感度がピークとなってい
るが、圧電振動子１２の第２部分１２ｂによって規定さ
れる幅方向の振動モードが加わることにより、結果的に
広帯域の周波数特性となっている。もちろん、本実施例
の超音波トランスジューサは、圧電振動子１２を励撮さ
せて超音波を送波させるときにも、同様の広帯域特性を
有する。

第１部分１２ａ及び第２部分１２ｂを有する圧電振動子
１２の基板１３は、半導体の微細加工技術（シリコンの
マイクロマシニング技術）を用いて、従来の超音波トラ
ンスジューサき同様に、容易に加工形成することができ
る。

第４図及び第５図はそれぞれ本発明の他の実施例を示し
たものである。これらの図において、上記実施例と同様
の構成要素には同一の参照符号が付されている。

第４図に示す実施例では、圧電振動子１２は、一端が凹
所１１ａの一側でウェハ１１に一体化固定された第１部
分１２ａと、この第１部分１２ａの長さ方向に対し交差
する方向に延びる複数個（ここでは２つ）の第２部分１
２ｂ−１，１２ｂ２とを備えており、これら第２部分１
２ｂ−１゜１２ｂ−２は長さが異なっている。このよう
な圧電振動子構造によれば、上述した実施例よりも更に
周波数帯域を広げることができる。

第５図に示す実施例では、圧電振動子１２の第１部分１
２ａの長さ方向両端が凹所１１ａの両側でウェハ１１に
一体化固定されている。このような両端支持梁構造の圧
電振動子１２を用いても、第１部分１２ａの長さ方向の
振動モードと第２部分１２ｂにより規定される幅方向の
振動モードとにより、広帯域周波数特性を有する超音波
トランスジューサとすることができる。

以上、図示実施例につき説明したが、本発明は上記実施
例の態様のみに限定されるものではなく、例えば、圧電
振動子は図示したモノモルフ型のものに限られず、一対
の電極膜を圧電薄膜の一側に形成したバイモルフ型のも
のとしてもよい。また、圧電振動子の圧電材料膜及び電
極膜は厚膜形成技術により形成される厚膜としてもよく
、更に、圧電材料を電極と共に直接焼成したセラミック
材料で上述した実施例構造の如く形成し、その少なくと
も一端を基板に固定することにより圧電振動子を構成す
ることもできる。これらの製法では、薄膜技術による製
法に比べて圧電振動子が若干大型化するが、圧電振動子
の機械的強度が高まるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す超音波トランスジュー
サの概略平面斜視図。 第２図は第１図に示す超音波トランスジューサの第１図
中■−■線に沿った要部断面図。 第３図は第１図に示す超音波トランスジューサの周波数
特性を示すグラフ。 第４図及び第５図はそれぞれ本発明の他の実施例を示す
超音波トランスジューサの概略平面斜視図。 第６図は従来の超音波トランスジューサの構造を示す概
略平面斜視図。 第７図は第６図に示す超音波トランスジューサの第６図
中■−■線に沿った断面図。 第８図は第６図に示す超音波トランスジューサの周波数
特性を示すグラフ。 １１・・・シリコンウェハ １２・・・圧電振動子 】３・・・基板 １４．１６・・・電極薄膜 １５・・・圧電材料薄膜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）加速度を受けて偏位する圧電振動子を備えた超音
   波トランスジューサであって、 前記圧電振動子が、少なくとも一端側が支持部に固定さ
   れた第１部分と、該第１部分に対し交差する方向に延び
   る第２部分とを備えている、超音波トランスジューサ。