WO2012172775A1 - 超音波センサ装置 - Google Patents

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WO2012172775A1
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ultrasonic sensor
piezoelectric vibrator
substrate
cover
sensor device
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真紀子 杉浦
祐史 樋口
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Denso Corp
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Denso Corp
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    • H04R17/005—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers using a piezoelectric polymer
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    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
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    • B06B1/0666—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface used as a diaphragm
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    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/04—Microphones

Definitions

  • the present disclosure relates to an ultrasonic sensor device that includes an ultrasonic sensor in which a piezoelectric vibrator is formed on a thin portion of a substrate, and transmits an ultrasonic wave and receives a reflected wave by the same piezoelectric vibrator.
  • the present invention relates to an ultrasonic sensor device suitable for detecting a relatively moving subject.
  • a piezoelectric vibrator is configured by interposing a ferroelectric substance between a pair of electrodes arranged opposite to each other in the thickness direction of the substrate, and the piezoelectric vibrator is formed on one surface of a semiconductor substrate with a thin portion.
  • the ultrasonic sensor element is formed by forming the part.
  • Patent Document 1 a predetermined bias voltage is applied between a pair of electrodes constituting the piezoelectric vibrator so as to adjust the resonance frequency of the ultrasonic sensor to a predetermined resonance frequency.
  • the frequency of the reflected wave (received ultrasonic wave) is shifted from the transmission frequency due to the Doppler effect of the sound wave.
  • the frequency shift amount and the shift direction are not constant because they are affected by the relative speed and direction.
  • an object of the present disclosure is to detect with high accuracy even if the subject is relatively moving in an ultrasonic sensor device including an ultrasonic sensor for both transmission and reception.
  • the ultrasonic sensor device includes a substrate, a piezoelectric vibrator, and a Q value variable unit.
  • the piezoelectric vibrator includes a pair of detection electrodes disposed opposite to each other in the thickness direction of the substrate and a piezoelectric body disposed between the electrodes.
  • the piezoelectric vibrator is formed on one surface of the substrate and constitutes a membrane structure having lower rigidity than other portions of the substrate.
  • the ultrasonic wave is transmitted by the piezoelectric vibrator and the reflected wave is received by the same piezoelectric vibrator.
  • the Q value varying means is configured such that the Q value of the piezoelectric vibrator during the transmission period in which the piezoelectric vibrator transmits ultrasonic waves is greater than the Q value of the piezoelectric vibrator in the reception period during which the piezoelectric vibrator receives ultrasonic waves. Enlarge.
  • the ultrasonic sensor device has a facing portion that is disposed facing the membrane structure while being spaced apart from the membrane structure in the thickness direction of the substrate, and is fixed to the substrate. And a cover that forms a sealed space in which a gas is sealed between the substrate and the substrate.
  • the Q value varying means varies the gap interval between the facing portion and the membrane structure, thereby changing the Q value of the piezoelectric vibrator during the transmission period in which the piezoelectric vibrator transmits ultrasonic waves to the piezoelectric vibration.
  • the Q value of the piezoelectric vibrator in the reception period in which the child receives ultrasonic waves is set larger.
  • one of the Q value changing means is formed on the ultrasonic sensor, the other is formed on the cover, and is disposed to face the substrate in the thickness direction.
  • a pair of adjustment electrodes that generate an electric attractive force; and a control unit that controls energization of the adjustment electrodes. Due to the electrostatic attraction, the facing portion of the cover is configured to approach the membrane structure.
  • the control unit applies a voltage between the adjustment electrodes at least in the reception state of the piezoelectric vibrator, and the facing distance between the facing portion of the cover and the membrane structure in the reception state of the piezoelectric vibrator is greater.
  • voltage application means for controlling energization to the adjustment electrode so as to be narrower than a facing distance between the facing portion of the cover and the membrane structure in the transmission state of the piezoelectric vibrator.
  • the substrate has a thin portion.
  • the piezoelectric vibrator is formed on the thin portion on one surface of the substrate, and constitutes the membrane structure together with the thin portion.
  • FIG. 3 is a sectional view of the sensor unit taken along line III-III in FIG. 2.
  • FIG. 4 is a sectional view of the sensor unit taken along line IV-IV in FIG. 2.
  • It is a block diagram which shows the outline of the circuit structure of an ultrasonic sensor apparatus. It is a flowchart which shows a transmission / reception process.
  • the thickness direction of the substrate in other words, the vibration direction of the membrane structure is simply referred to as the thickness direction
  • the direction perpendicular to the thickness direction is simply referred to as the vertical direction.
  • the ultrasonic sensor device 10 includes a sensor unit 11 having an ultrasonic sensor 30 and a cover 50, and a circuit chip 12 in which a processing circuit 110 is configured in the same wiring board 13. To be implemented. A through-hole 13 a is formed in the wiring board 13 so that the ultrasonic sensor 30 can transmit and receive.
  • the sensor unit 11 is fixed to a piezoelectric ultrasonic sensor 30 (sensor chip) manufactured using the MEMS technology, and a substrate 31 constituting the ultrasonic sensor 30,
  • the cover 50 which forms the sealed space 90 between the substrates 31 is provided.
  • the electrodes 70 and 71 for adjustment formed in each of the ultrasonic sensor 30 and the cover 50 are provided so that it may mutually oppose.
  • the ultrasonic sensor 30 includes a substrate 31 having a thin portion 32 and a piezoelectric vibrator 33 formed on the thin portion 32 of the substrate 31.
  • the thin-walled portion 32 and the piezoelectric vibrator 33 constitute a membrane structure 34 having a lower rigidity than other portions (thick-walled portion 43) of the substrate 31.
  • the membrane structure 34 vibrates in the thickness direction, whereby ultrasonic waves are transmitted and received.
  • an SOI structure substrate in which an insulating layer 39 made of silicon dioxide is interposed between a support substrate 38 made of silicon and a semiconductor layer 40 made of silicon, and a surface of the semiconductor layer 40 opposite to the insulating layer 39.
  • a substrate 31 is constituted by the insulating film 41 formed thereon.
  • the insulating film 41 a single layer film or a multilayer film made of silicon dioxide, silicon nitride, or the like can be used.
  • the surface opposite to the semiconductor layer 40 in the insulating film 41 forms one surface 31a on which the piezoelectric vibrator 33 is formed, and the surface opposite to the insulating layer 39 in the support substrate 38 is the back surface 31b of the one surface 31a.
  • an opening 42 is formed which has a surface opposite to the insulating film 41 in the semiconductor layer 40 as a bottom surface and opens to the back surface 31 b.
  • the opening 42 is formed by partially removing the support substrate 38 and the insulating layer 39 by etching.
  • the back surface 31b of the substrate 31 is the (100) plane
  • the opening wall surface of the support substrate 38 is the (111) plane.
  • the portion of the substrate 31 that crosslinks the opening 42 forms the thin portion 32 of the substrate 31.
  • 3 is one surface of the thin portion 32 opposite to the piezoelectric vibrator 33, and this one surface 32a coincides with the surface forming the bottom of the opening 42 in the semiconductor layer 40 described above. Yes.
  • a portion of the substrate 31 excluding the thin portion 32 forms a thick portion 43 of the substrate 31.
  • the thin portion 32 has a planar rectangular outline
  • the thick portion 43 has a rectangular ring shape so as to surround the thin portion 32.
  • the piezoelectric vibrator 33 is formed on the one surface 31 a of the substrate 31 and in the thin portion 32. More specifically, as shown in FIG. 2, it is formed so as to form a planar rectangular shape slightly larger than the thin portion so as to cover the entire area of the thin portion 32.
  • the piezoelectric vibrator 33 includes a piezoelectric thin film 37 disposed between a pair of detection electrodes 35 and 36.
  • the piezoelectric thin film 37 corresponds to the piezoelectric body recited in the claims.
  • the detection electrodes 35 and 36 face each other in the thickness direction. That is, in the thickness direction, the detection electrode 35, the piezoelectric thin film 37, and the detection electrode 36 are stacked in this order on the one surface 31 a of the substrate 31.
  • platinum (Pt), gold (Au), aluminum (Al), or the like can be employed as a constituent material of the detection electrodes 35 and 36.
  • ferroelectric PZT, aluminum nitride (AlN), zinc oxide (ZnO), or the like can be used. In the present embodiment, Pt is adopted as the constituent material of the detection electrodes 35 and 36, and PZT is adopted as the constituent material of the piezoelectric thin film 37.
  • the reference numeral 44 shown in FIGS. 2 and 4 is a wiring for electrically connecting a pad (not shown) of the cover 50 and the detection electrode 35.
  • reference numeral 45 shown in FIG. 2 is a wiring for electrically connecting a pad (not shown) of the cover 50 and the detection electrode 36. In the present embodiment, these wirings 44 and 45 are integrally formed using the same material as the detection electrodes 35 and 36.
  • a metal layer 46 for fixing the cover 50 to the substrate 31 is formed on the thick portion 43 on the one surface 31 a of the substrate 31. As shown in FIG. 2, the metal layer 46 is formed in the vicinity of the outer peripheral end of the one surface 31a of the substrate 31 so as to surround the membrane structure 34, the wirings 44 and 45, and the adjustment electrodes 70 and 71.
  • the cover 50 is fixed to the substrate 31 of the ultrasonic sensor 30 and forms a sealed space 90 adjacent to the membrane structure 34 between the cover 31 and the substrate 31.
  • a synthetic resin a semiconductor such as silicon, or ceramic can be employed.
  • a cover 50 made of synthetic resin is employed.
  • the cover 50 is arranged such that a portion including at least a facing portion 51 that is disposed away from the membrane structure 34 in the thickness direction is displaced toward the membrane structure 34 by electrostatic attraction described later. It has become.
  • the central portion including the facing portion 51 is thinner than the peripheral portion surrounding the central portion.
  • this thin portion is referred to as a thin portion 52
  • the peripheral thick portion is referred to as a thick portion 53.
  • the thin portion 52 is larger than the thin portion 32 and thus the membrane structure 34, and the portion excluding the facing portion 51 faces the thick portion 43 of the substrate 31.
  • the cover 50 made of synthetic resin and having different thicknesses between the thin wall portion 52 and the thick wall portion 53 is obtained by partially laminating and bonding a plurality of thermoplastic resin films having a predetermined thickness.
  • the thickness of the part 52 and the thick part 53 is varied.
  • the cover 50 is disposed on the one surface 31a side of the substrate 31 so that the concave portion 54 having the thin-walled portion 52 as a bottom portion is on the sealed space 90 side.
  • a metal layer 55 is formed on the surface of the thick portion 53 facing the substrate 31 so as to face the metal layer 46 described above. That is, it is formed so as to surround the membrane structure 34, the wirings 44 and 45, and the adjustment electrodes 70 and 71. And metal layers 46 and 55 are joined together and the annular joined part is formed. With this joint, a sealed space 90 is formed between the cover 50 and the substrate 31. In the present embodiment, air is sealed in the sealed space 90 at atmospheric pressure.
  • the cover 50 is provided with through electrodes for electrically connecting the detection electrodes 35 and 36 constituting the piezoelectric vibrator 33 and the adjustment electrodes 70 and 71 described later to the outside of the sealed space 90.
  • Reference numeral 56 shown in FIG. 3 is a through electrode that is formed in a portion different from the facing portion 51 in the thin portion 52 and is electrically connected to the adjustment electrode 71 on the cover 50 side.
  • Reference numeral 57 shown in FIG. 4 is a through electrode formed in the thick portion 53 and electrically connected to the adjustment electrode 70 on the ultrasonic sensor 30 side.
  • Reference numeral 58 denotes a through electrode formed in the thick portion 53 and electrically connected to the detection electrode 35 (wiring 44) of the piezoelectric vibrator 33.
  • a through-hole electrode electrically connected to the detection electrode 36 (wiring 45) is also formed in the thick portion 53 of the cover 50.
  • Such through electrodes 56 to 58 can be formed by forming a through hole in a resin film and then filling the through hole with a conductive paste or metal plating.
  • a wiring 60 is formed on the outer surface of the cover 50, one end of which is connected to the through electrode 56 and the other end is extended to the thick portion 53.
  • the end of the wiring 60 on the thick portion 53 side is a pad (not shown), and for example, a bonding wire is connected to the pad.
  • symbol 59 shown in FIG. 4 is the land formed in the opposing surface with the board
  • FIG. This land is formed by patterning a copper foil, for example.
  • the adjustment electrode 70 is electrically connected (soldered) to the through electrode 57 via the wiring 72 and the land 59.
  • the detection electrode 35 is electrically connected (soldered) to the through electrode 58 via the wiring 44 and the land 59.
  • the cover 50 formed by laminating a plurality of resin films includes the through electrodes 56 to 58, the land 59, the wiring 60, and the like. That is, the cover 50 is configured as a wiring board.
  • the wiring 72 is a wiring that connects the adjustment electrode 70 and the through electrode 57 (land 59).
  • the pair of adjustment electrodes 70, 71 fulfills the function of generating electrostatic attraction by energization and bringing the thin portion 52 (opposing portion 51) of the cover 50 closer to the membrane structure 34 of the ultrasonic sensor 30.
  • the adjustment electrode 70 is formed on the ultrasonic sensor 30 side, and the adjustment electrode 71 is formed on the cover 50 at a position facing the adjustment electrode 70.
  • the adjustment electrode 70 on the ultrasonic sensor 30 side is configured as a separate electrode from the detection electrodes 35 and 36 constituting the piezoelectric vibrator 33, and is formed on the thick portion 43 on the one surface 31 a of the substrate 31. It is formed so as to surround the membrane structure 34. More specifically, it is formed along the outer contour of the membrane structure 34 while having a predetermined clearance in the vertical direction with respect to the membrane structure 34, and has a substantially C-shape for drawing out the wires 44 and 45. is doing.
  • the detection electrodes 35 and 36 and the wirings 44 and 45 are made of the same metal material.
  • the adjustment electrode 71 on the cover 50 side is formed on the inner surface (the surface on the concave portion 54 side) of the thin portion 52 in the cover 50. More specifically, the thin portion 52 is formed in a portion outside the membrane structure 34 in the vertical direction.
  • the adjustment electrode 71 has a rectangular ring shape because it is not necessary to draw out the wires 44 and 45. In the present embodiment, like the land 59, the copper foil is patterned.
  • the thin-walled portion 32 of the substrate 31 and the piezoelectric vibrator 33 form a membrane structure 34 that is thinner than other portions, and the membrane structure 34 can vibrate in the thickness direction. It has become. Further, a sealed space 90 is formed between the substrate 31 and the cover 50 by the cover 50 fixed to the one surface 31 a of the substrate 31. For this reason, transmission / reception of ultrasonic waves is not performed on the side 31a of the substrate 31 on which the cover 50 is disposed, but transmission / reception of ultrasonic waves is performed on the back surface 31b side of the substrate 31.
  • the processing circuit 110 includes a control circuit 111, a drive signal generation circuit 112, a drive circuit 113, an amplifier circuit 114, a filter circuit 115, a TAD 116, a DSP 117, and an adjustment voltage generation circuit 118.
  • the processing circuit 110 corresponds to a control unit described in the claims.
  • the control circuit 111 includes a central processing unit (CPU) (not shown), a read-on memory (ROM) in which various programs executed by the CPU are stored, and operations for various calculations that the CPU executes in accordance with the programs stored in the ROM.
  • a random access memory (RAM) used as an area is provided.
  • the drive signal generation circuit 112 has a function for controlling the timing of drive signal generation, a function for detecting the presence or absence of the subject and the position (distance and orientation) of the subject, a function for outputting the detection result to an external device, and adjustment
  • the voltage generation circuit 118 has a function of controlling the timing for generating the adjustment voltage.
  • the drive signal generation circuit 112 When the drive signal generation circuit 112 receives the instruction signal from the control circuit 111, the drive signal generation circuit 112 generates a pulse signal having a reference frequency for a certain period, and generates a drive signal having a predetermined frequency f1 based on the pulse signal. Specifically, a drive signal having a predetermined frequency f1 that substantially matches the resonance frequency of the membrane structure 34 is generated.
  • the drive circuit 113 is a drive circuit that drives the piezoelectric vibrator 33 by the drive signal output from the drive signal generation circuit 112, whereby the ultrasonic sensor 30 (sensor unit 11) has a predetermined frequency f1. Ultrasound is transmitted.
  • the drive circuit 113 includes a power amplifier circuit such as a transformer.
  • the amplification circuit 114 amplifies the signal received by the piezoelectric vibrator 33 and outputs the amplified reception signal to the filter circuit 115.
  • the filter circuit 115 performs a filter process on the received signal of the piezoelectric vibrator 33 amplified by the amplifier circuit 114. In the present embodiment, frequency components outside the reception band of the membrane structure 34 are removed.
  • the TAD 116 is a known time A / D conversion circuit
  • the DSP (digital signal processor) 117 is based on the reception signal of the piezoelectric vibrator 33 A / D converted by the TAD 116, and the amplitude and phase of the reception signal. Is calculated. These calculation results are output to the control circuit 111.
  • the DSP 117 has a memory.
  • the adjustment voltage generation circuit 118 When the adjustment voltage generation circuit 118 receives the instruction signal from the control circuit 111, the adjustment voltage generation circuit 118 applies a predetermined voltage between the adjustment electrodes 70 and 71. Further, when the instruction signal from the control circuit 111 is received, the voltage applied between the adjustment electrodes 70 and 71 is turned off.
  • the control circuit 111 instructs the drive signal generation circuit 112 to generate a drive signal.
  • the drive signal generation circuit 112 generates a drive signal having a predetermined frequency f 1 and outputs the drive signal to the drive circuit 113.
  • the output drive signal (voltage signal) is transmitted to the detection electrodes 35 and 36 of the piezoelectric vibrator 33 via the drive circuit 113.
  • the piezoelectric vibrator 33 vibrates in the vertical direction (d31 direction of PZT), and thereby the membrane structure 34 vibrates in the thickness direction.
  • the cover 50 is disposed on the one surface 31a side of the substrate 31 with respect to the ultrasonic sensor 30, ultrasonic waves are transmitted mainly from the back surface 31b side of the substrate 31 by this vibration.
  • the frequency of this ultrasonic wave coincides with the frequency f1 of the drive signal.
  • the control circuit 111 instructs the adjustment voltage generation circuit 118 to generate the adjustment voltage.
  • the adjustment voltage generation circuit 118 applies a predetermined voltage between the adjustment electrodes 70 and 71 (step 11).
  • This step 11 corresponds to the voltage applying means described in the claims.
  • the transmission process ends when the output of the drive signal from the drive signal generation circuit 112 is stopped, and as shown in FIG. 7, the output of the drive signal is stopped and the adjustment voltage is turned on. Note that after the output of the drive signal is stopped, the end of the reverberation period of the membrane structure 34 may end the transmission process, and the adjustment voltage may be turned on.
  • step 11 when the adjustment voltage is applied to the adjustment electrodes 70 and 71, the control circuit 111 stores the amplitude of the received signal of the piezoelectric vibrator 33 calculated by the DSP 117 in advance in the memory of the DSP 117. It is compared whether it is larger than a predetermined threshold. That is, it is determined whether or not the ultrasonic sensor 30 (piezoelectric vibrator 33) has received the reflected wave (step 12).
  • step 12 when the amplitude of the received signal of the piezoelectric vibrator 33 is larger than the threshold, the control circuit 111 determines that the subject exists (the subject is present), and from the timing when the amplitude exceeds the threshold, The distance to the subject is calculated (step 13).
  • the control circuit 111 instructs the adjustment voltage generation circuit 118 to turn off the adjustment voltage.
  • the adjustment voltage generation circuit 118 turns off the voltage application between the adjustment electrodes 70 and 71 (step 14).
  • the adjustment voltage is applied at least in a period during which the piezoelectric vibrator 33 can receive the reflected wave, and the adjustment voltage is turned off until the next drive signal generation instruction.
  • the cover 50 is fixed to the piezoelectric ultrasonic sensor 30, and a sealed space 90 in which air is sealed is formed between the substrate 31 and the cover 50.
  • the sealed space 90 is adjacent to the membrane structure 34. As described above, the vibration of the membrane structure 34 is affected by the damping of the sealed space 90.
  • the Q value indicating the vibration state of the membrane structure 34 is inversely proportional to the damping coefficient C of the sealed space 90 adjacent to the membrane structure 34, and the damping coefficient C depends on the facing portion 51 of the cover 50 and the membrane structure. 34 is inversely proportional to the facing distance D with respect to 34. For this reason, the damping coefficient C increases and the Q value decreases as the facing distance D decreases.
  • the adjustment voltage is not applied to the adjustment electrodes 70 and 71 in the transmission state of the piezoelectric vibrator 33, that is, the period from the start of driving signal output to the stop of output or the period of stop of reverberation. For this reason, electrostatic attraction is not generated between the adjustment electrodes 70 and 71, and the facing portion 51 (thin portion 52) of the cover 50 does not approach the membrane structure 34 of the ultrasonic sensor 30 as shown in FIG. . Therefore, the facing distance between the facing portion 51 and the membrane structure 34 is the initial distance D1 when the membrane structure 34 is located at the center position of vibration, when ultrasonic waves are not transmitted and received and no adjustment voltage is applied. Is equal to
  • an adjustment voltage is applied between the adjustment electrodes 70 and 71 in the reception state of the piezoelectric vibrator 33, that is, in a period during which the reflected wave can be received. For this reason, an electrostatic attractive force is generated between the adjustment electrodes 70 and 71, and the facing portion 51 (thin wall portion 52) of the cover 50 is deformed to the membrane structure 34 of the ultrasonic sensor 30 as shown in FIG. Gravitate. Accordingly, the facing distance between the facing portion 51 and the membrane structure 34 is D2, which is narrower than the initial distance D1, assuming that the membrane structure 34 is at the center position of vibration.
  • the facing distance D2 in the reception state is narrower than the facing distance D1 in the transmission state. That is, the Q value in the reception state is set lower than the Q value in the transmission state. For this reason, as shown in FIG. 10, the frequency band of the membrane structure 34 in the transmission state and the frequency band of the membrane structure 34 in the reception state are wider in the reception state, although the amplitude peak is lower. .
  • the resonance frequency of the membrane structure 34 is substantially the same between the transmission state and the reception state (at a predetermined resonance frequency f1). Match). That is, it is possible to suppress the shift of the resonance peak.
  • the frequency band is narrow in the transmission state and the frequency band is wide in the reception state while the resonance frequency (resonance peak) is the same at f1. Therefore, even if the subject moves relatively and a Doppler shift occurs, it is possible to accurately detect the reflected wave, and thus the subject to be detected.
  • the cover 50 is fixed to the one surface 31 a of the substrate 31, and the piezoelectric vibrator 33 is accommodated in the sealed space 90 formed between the cover 50 and the substrate 31. For this reason, the piezoelectric vibrator 33 can be protected by the cover 50.
  • the adjustment electrode 70 on the ultrasonic sensor 30 side is formed on the thick portion 43 of the substrate 31. For this reason, even if electrostatic attraction occurs, the membrane structure 34 is unlikely to be deformed. Therefore, it is possible to effectively suppress the shift between the resonance frequency in the transmission state and the peak in the reception state.
  • the adjustment electrode 70 on the ultrasonic sensor 30 side is formed on the one surface 31 a of the substrate 31.
  • the process can be shared with the detection electrode 35, the wirings 44 and 45, and the manufacturing process can be simplified.
  • the thickness of the thin portion 52 of the cover 50 is made thinner than the thick portion 53 surrounding the thin portion 52. For this reason, when electrostatic attraction occurs, the facing portion 51 of the cover 50 is deformed and tends to approach the membrane structure 34. Therefore, it is possible to more effectively suppress the shift between the resonance frequency in the transmission state and the peak in the reception state.
  • the rigidity of the thin portion 52 of the cover 50 is lower than the rigidity of the membrane structure 34. For this reason, when the electrostatic attractive force is generated, the thin portion 52 of the cover 50 is more easily deformed than the membrane structure 34. Therefore, the cover 50 can be deformed by electrostatic attraction while the deformation of the membrane structure 34 is suppressed, and the facing distance D can be narrowed.
  • the metal layer 46 formed on the one surface 31a of the substrate 31 and the metal layer 55 formed on the surface of the thick part 53 of the cover 50 are joined via solder or the like.
  • the fixing of the cover 50 to the substrate 31 is not particularly limited to the above example. For example, it may be bonded and fixed. Further, when silicon is adopted as the constituent material of the cover 50, the cover 50 may be fixed to the silicon of the semiconductor layer 40 constituting the substrate 31 by direct bonding.
  • an example in which an electrostatic attraction is generated by applying an adjustment voltage only when the membrane structure 34 is received is shown.
  • an adjustment voltage may be applied to generate an electrostatic attractive force. Since the electrostatic attractive force is proportional to the square of the applied voltage, by setting the reception time higher than the transmission time, the reception interval D2 is narrower than the transmission interval D1. The Q value in the reception state can be made lower than the Q value in the transmission state.
  • the adjustment voltage can be lowered by applying the adjustment voltage only when the membrane structure 34 is received.
  • the thick portion 43 is annular and surrounds the thin portion 32 in the vertical direction.
  • the thin portion 32 may be configured to bridge the two thick portions 43. In this case, at least a part of the cover 50 is fixed to the thin portion 32.
  • the adjustment electrode 70 on the ultrasonic sensor 30 side is formed separately from the detection electrodes 35 and 36 of the piezoelectric vibrator 33 .
  • one of the detection electrodes 35 and 36 of the piezoelectric vibrator 33 can also serve as the adjustment electrode 70 on the ultrasonic sensor 30 side.
  • the detection electrode 36 close to the facing portion 51 in the thickness direction is also used as the adjustment electrode 70. According to this, since the adjustment electrode 70 is also used, the configuration of the sensor unit 11 and thus the ultrasonic sensor device 10 can be simplified.
  • the membrane structure 34 is deformed by electrostatic attraction as compared with the configuration in which the adjustment electrode 70 is formed on the thick portion 43. It becomes easy to do.
  • the adjustment electrode 71 on the cover 50 side is preferably formed at a position corresponding to the thick portion (43) of the substrate 31 in the vertical direction. According to this, the deformation due to the electrostatic attractive force of the membrane structure 34 can be suppressed while the adjustment electrode 70 is also used.
  • the adjustment electrode 70 on the cover 50 side is provided to face the detection electrode 36 that also serves as the adjustment electrode 70, the rigidity of the facing portion 51 (thin portion 52) of the cover 50 including the adjustment electrode 70. Is lower than the rigidity of the membrane structure 34.
  • the adjustment electrode 70 on the ultrasonic sensor 30 side has a substantially C shape by removing a part of the rectangular ring shape and the adjustment electrode 71 on the cover 50 side has a rectangular ring shape is shown.
  • the adjustment electrode 70 on the ultrasonic sensor 30 side may be substantially C-shaped by removing a part of the circular ring, and the adjustment electrode 71 on the cover 50 side may be circular.
  • the adjustment electrode 71 on the cover 50 side is shown to show the positional relationship.
  • the adjustment electrode 70 on the ultrasonic sensor 30 side is formed in a C shape and is open (free end). An example in which the wirings 44 and 45 are drawn from the gap is shown.
  • the adjustment electrode 70 can also be annular by using the wirings 44 and 45 as a lower layer wiring with respect to the adjustment electrode 70.
  • the adjustment electrode 70 can be formed in a ring shape by using the wiring 72 or the adjustment electrode 70 and the wiring 72 as a lower layer wiring with respect to the wirings 44 and 45.
  • the sealed gas is not particularly limited to air.
  • a gas having a viscosity coefficient ⁇ larger than that of air may be enclosed.
  • the damping coefficient C is proportional to the viscosity coefficient ⁇ of the sealed gas.
  • the adjustment electrode 71 on the cover 50 side is provided on the inner surface (the surface facing the substrate 31) of the thin portion 52 of the cover 50 has been described.
  • the adjustment electrode 71 may be provided on the outer surface of the thin portion 52. In this case, the configuration can be simplified.
  • the cover 50 is fixed to the one surface 31 a of the substrate 31, and the piezoelectric vibrator 33 is accommodated in the sealed space 90.
  • the present embodiment is characterized in that the cover 50 is fixed to the back surface 31b of the substrate 31, as shown in FIG. For this reason, as shown in the first embodiment, ultrasonic waves are not transmitted / received on the back surface 31 b side of the substrate 31, but ultrasonic waves are transmitted / received on the one surface 31 a side of the substrate 31.
  • the ultrasonic sensor 30 has substantially the same configuration as that shown in the first embodiment.
  • the bonding metal layer 46 is formed on the back surface 31 b of the substrate 31 in the thick portion 43.
  • the detection electrode 35 of the piezoelectric vibrator 33 also serves as the adjustment electrode 70 on the ultrasonic sensor 30 side.
  • the cover 50 includes a semiconductor substrate 61 and an insulating film 62 formed on one surface of the semiconductor substrate 61.
  • the cover 50 is formed with an opening 63 formed by removing at least the facing portion 51 of the semiconductor substrate 61 with the insulating film 62 as a bottom.
  • the semiconductor substrate 61 is made of silicon, and the opening wall surface of the semiconductor substrate 61 is a (111) plane.
  • a portion of the insulating film 62 that bridges the opening 63 forms a thin portion 52.
  • the portion of the facing portion 51 is a thin portion 52.
  • a metal layer 55 for bonding is formed on the thick portion 53 of the cover 50 on the surface opposite to the semiconductor substrate 61 in the insulating film 62.
  • the metal layer 55 is bonded to the metal layer 46 of the ultrasonic sensor 30 described above, and the sealed space 90 including the opening 42 of the substrate 31 is formed by this bonding.
  • the adjustment electrode 71 on the cover 50 side is formed on the surface of the insulating film 62 on which the metal layer 55 is formed, and on the facing portion 51.
  • the adjustment electrode 71 is formed to be slightly larger than the facing portion 51 so as to cover the entire area of the facing portion 51 (thin portion 52) having a planar rectangular shape in the vertical direction.
  • it is electrically connected to a through electrode 64 that penetrates the semiconductor substrate 61 and the insulating film 62 via a wiring 73.
  • the facing portion 51 of the cover 50 includes the insulating film 62 and the adjustment electrode 71.
  • the membrane structure 34 of the ultrasonic sensor 30 includes the thin portion 32 (semiconductor layer 40 and insulating film 41) of the substrate 31 and the piezoelectric vibrator 33, as in the first embodiment. For this reason, the rigidity of the facing portion 51 of the cover 50 including the adjustment electrode 70 is lower than the rigidity of the membrane structure 34.
  • the detection electrode 35 also serves as the adjustment electrode 70
  • the configuration of the sensor unit 11, and thus the ultrasonic sensor device 10 can be simplified.
  • the detection electrode 36 may also serve as the adjustment electrode 70.
  • the adjustment electrode 70 can be provided as an electrode different from the detection electrodes 35 and 36.
  • the adjustment electrode 70 can be provided between the semiconductor layer 40 and the insulating film 41 or on the one surface 32 a of the thin portion 32. That is, there is no particular limitation as long as it is within the formation range of the membrane structure 34.
  • cover 50 including the semiconductor substrate 61 and the insulating film 62 is shown, but the configuration of the cover 50 is not particularly limited to the above example.
  • a resin cover 50 may be employed.
  • the DSP 117 calculates the frequency of the received signal. Then, the control circuit 111 calculates the difference between the calculated frequency of the received signal and the frequency of the drive signal, that is, the frequency of the transmission signal, and generates an adjustment voltage so as to generate a predetermined voltage based on this frequency difference. It is characterized in that the circuit 118 is instructed.
  • step 20 The transmission process in step 20 is the same as step 10 shown in the first embodiment (see FIG. 7).
  • ultrasonic waves are transmitted from the one surface 31a side of the substrate 31 as described above.
  • the frequency of this ultrasonic wave coincides with the frequency f1 of the drive signal.
  • the control circuit 111 compares whether or not the amplitude of the received signal of the piezoelectric vibrator 33 calculated by the DSP 117 is larger than a predetermined threshold value stored in advance in the memory of the DSP 117. That is, it is determined whether or not the ultrasonic sensor 30 (piezoelectric vibrator 33) has received the reflected wave (step 21).
  • step 21 if the amplitude of the received signal of the piezoelectric vibrator 33 is smaller than the threshold in a predetermined period in which the reflected wave can be received after generating the drive signal, steps 20 and 21 are executed again.
  • the control circuit 111 calculates the frequency of the reception signal calculated by the DSP 117 and the frequency f1 of the drive signal stored in the memory of the control circuit 111.
  • a frequency difference is calculated (step 22). This step 22 corresponds to the frequency difference calculating means described in the claims.
  • the control circuit 111 determines a voltage value to be generated by the adjustment voltage generation circuit 118 from the calculated frequency difference (step 23).
  • This step 23 corresponds to the voltage value determining main stage described in the claims. For example, a larger value is set as the adjustment voltage so that the Q value of the membrane structure 34 becomes lower as the frequency difference is larger, that is, as the Doppler shift amount is larger.
  • an ultrasonic transmission process is executed as in S20 (step 24).
  • the control voltage generation instruction signal is not output from the control circuit 111 to the adjustment voltage generation circuit 118.
  • step 23 the control circuit 111 instructs the adjustment voltage generation circuit 118 to generate the adjustment voltage.
  • an instruction is given to generate a predetermined voltage value determined in the processing of steps 20 to 23.
  • the adjustment voltage generation circuit 118 applies a predetermined voltage between the adjustment electrodes 70 and 71 (step 25).
  • This step 25 corresponds to the voltage applying means described in the claims.
  • Subsequent steps 26 to 28 are the same as steps 12 to 14 shown in the first embodiment.
  • the voltage value of the adjustment voltage applied to the adjustment electrodes 70 and 71 is determined based on the difference between the transmission frequency and the frequency of the received reflected wave. That is, the Q value of the reception state is set according to the movement state (for example, speed) of the subject that moves relatively. For this reason, the subject can be detected with high accuracy regardless of the relative movement state of the subject.
  • the flow shown in FIG. 14 shows an example in which the processing of steps 20 to 23 is executed every time the processing of steps 24 to 28 is executed once.
  • the processing in steps 24 to 28 may be repeatedly executed in a predetermined period. That is, the transmission / reception processing may be executed a plurality of times using the determined adjustment voltage value.
  • the processing circuit 110 applies a voltage between the adjustment electrodes 70 and 71, and changes the facing distance D between the facing portion 51 of the cover 50 and the membrane structure 34 by electrostatic force, whereby the membrane structure.
  • the Q value of the body 34 is changed. That is, the adjustment electrodes 70 and 71 function as Q value varying means.
  • the Q value variable means is not limited to the above embodiment.
  • a film 200 having a thermal expansion coefficient different from that of the cover 50 is provided on the upper surface of the cover 50, and an electric current is passed through the cover 50 or the film 200 to generate heat.
  • the cover 50 bends due to the difference in thermal expansion coefficient between the cover 50 and the membrane 200, and the facing distance D is changed. That is, the film 200 functions as a Q value variable means.
  • the piezoelectric body 210 is fixed to the inner surface of the cover 50, and the piezoelectric body 200 is distorted by passing a current through the piezoelectric body 210. As a result, the cover 50 is bent and the facing distance D is changed. That is, the piezoelectric body 210 functions as a Q value variable means.
  • the cam 220 is provided on the upper portion of the cover 50.
  • the cam 220 is in contact with the upper surface of the cover 50 at a predetermined rotation angle.
  • the cover 50 is bent and the facing distance D is changed. That is, the cam 220 functions as a Q value variable means.
  • the roof portion of the cover 50 is removed, and the piston 230 is arranged so as to slide with the side surface of the cover 50 to form the sealed space 90.
  • the distance between the lower surface of the piston 230 and the membrane structure 34 is the facing distance D, and the facing distance D is changed as the piston 230 moves up and down. That is, the piston 230 functions as a Q value variable means.
  • a through hole is formed in the roof portion of the cover 50, and the pump 240 is connected to the sealed space 90 through the through hole.
  • the viscosity coefficient ⁇ of the gas in the sealed space 90 is changed.
  • the damping coefficient C of the sealed space 90 is proportional to the viscosity coefficient ⁇ of the gas sealed in the sealed space 90. Therefore, the damping coefficient C of the sealed space 90 can be changed by changing the pressure or temperature in the sealed space 90.
  • the Q value of the membrane structure 34 is changed. That is, the pump 240 functions as a Q value variable means.
  • the damping coefficient C of the sealed space 90 and consequently the Q value of the membrane structure 34 can be changed by replacing the gas in the sealed space 90 with the pump 240.
  • a first gas for example, air
  • a second gas for example, helium
  • the magnet 250 is fixed to the upper surface of the cover 50, and a magnetic field is generated around the magnet 250 by passing a current through a coil arranged in the vicinity. As a result, the cover 50 is bent and the facing distance D is changed. That is, the magnet 250 functions as a Q value variable means.
  • a hydraulic diaphragm pump is configured by the cover 50 and the diaphragm 260, and the gas pressure and temperature of the sealed space 90 are changed. That is, the diaphragm 260 functions as a Q value variable means.
  • the Q value of the membrane structure 34 is changed by changing the facing distance D or changing the viscosity coefficient of the gas in the sealed space 90.
  • the member functions as a Q value variable means.

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Abstract

　超音波センサ装置は、基板（３１）と圧電振動子（３３）とＱ値可変手段（７０，７１、１１０、２００，２１０，２２０，２３０，２４０，２５０，２６０）を有する。圧電振動子（３３）は、前記基板（３１）の厚さ方向において対向配置された一対の検出用電極（３５，３６）と前記電極（３５，３６）間に配置された圧電体（３７）を有する。圧電振動子（３３）は、前記基板（３１）の一面（３１ａ）上に形成されて、前記基板（３１）の他の部分よりも剛性の低いメンブレン構造体（３４）を構成する。前記圧電振動子（３３）により超音波を送信するととともに、同一の前記圧電振動子（３３）によりその反射波を受信する。Ｑ値可変手段は、前記圧電振動子（３３）が超音波を送信する送信期間の当該圧電振動子（３３）のＱ値を、前記圧電振動子（３３）が超音波を受信する受信期間の当該圧電振動子（３３）のＱ値よりも大きくする。

Description

超音波センサ装置 関連出願の相互参照
　本開示は、２０１１年６月１３日に出願された日本出願番号２０１１－１３１４１１号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。
　本開示は、基板の薄肉部に圧電振動子が形成された超音波センサを備え、同一の圧電振動子によって、超音波を送信するととともにその反射波を受信する超音波センサ装置に関するものである。特に、相対的に移動する被検体の検出に適した超音波センサ装置に関する。
　従来、圧電型の超音波センサとして、例えば特許文献１に示されるように、ＭＥＭＳ（Micro ElectroMechanical System）技術を用いて作製されたものが知られている。
　特許文献１では、基板の厚さ方向において対向配置された一対の電極間に強誘電体が介在されて圧電振動子が構成され、この圧電振動子が、半導体基板の一面上であって薄肉部の部分に形成されて、超音波センサ素子が構成されている。
　また、特許文献１では、圧電振動子を構成する一対の電極間に所定のバイアス電圧を印加することで、超音波センサの共振周波数を所定の共振周波数に調整するようにしている。
　ところで、超音波センサが取付けられた物体に対し、被検体が相対的に移動している場合、音波のドップラー効果により、反射波（受信した超音波）の周波数が、発信周波数に対してずれることがある。この場合、周波数のずれ量及びずれの方向は、相対的な速度、方向の影響を受けるため、一定ではない。
　したがって、超音波センサを送受信兼用とすると、特許文献１に示されるように、電極間に所定のバイアス電圧を印加して共振周波数を所定値に調整し、超音波を発信したとしても、反射波の周波数が発信周波数とは異なるため、相対的に移動する被検体を精度良く検出することができない。
特開２００３－２８４１３２号公報
　そこで本開示は、送受信兼用の超音波センサを備えた超音波センサ装置において、被検体が相対的に移動していても、精度良く検出することを目的とする。
　本開示の第一の態様によれば、超音波センサ装置は、基板と圧電振動子とＱ値可変手段を有する。圧電振動子は、前記基板の厚さ方向において対向配置された一対の検出用電極と前記電極間に配置された圧電体を有する。圧電振動子は、前記基板の一面上に形成されて、前記基板の他の部分よりも剛性の低いメンブレン構造体を構成する。前記圧電振動子により超音波を送信するととともに、同一の前記圧電振動子によりその反射波を受信する。Ｑ値可変手段は、前記圧電振動子が超音波を送信する送信期間の当該圧電振動子のＱ値を、前記圧電振動子が超音波を受信する受信期間の当該圧電振動子のＱ値よりも大きくする。
　本開示の第二の態様によれば、超音波センサ装置は、前記基板の厚さ方向において、前記メンブレン構造体と離間しつつ対向して配置された対向部を有し、前記基板に固定されて、前記基板との間に気体が封入された密閉空間を形成するカバーを備える。前記Ｑ値可変手段は、前記対向部と前記メンブレン構造体とのギャップ間隔を可変することで、前記圧電振動子が超音波を送信する送信期間の当該圧電振動子のＱ値を、前記圧電振動子が超音波を受信する受信期間の当該圧電振動子のＱ値よりも大きくする。
　本開示の第三の態様によれば、前記Ｑ値可変手段は、一方が前記超音波センサに形成され、他方が前記カバーに形成されて前記基板の厚さ方向において対向配置され、通電により静電引力を生じる一対の調整用電極と、前記調整用電極への通電を制御する制御部と、を備える。前記静電引力により、前記カバーの対向部が前記メンブレン構造体に近づくように構成される。前記制御部は、少なくとも前記圧電振動子の受信状態で前記調整用電極間に電圧を印加するとともに、前記圧電振動子の受信状態における前記カバーの対向部と前記メンブレン構造体との対向間隔のほうが、前記圧電振動子の送信状態における前記カバーの対向部と前記メンブレン構造体との対向間隔よりも狭くなるように前記調整用電極への通電を制御する電圧印加手段を有する。
　本開示の第四の態様によれば、前記基板は、薄肉部を有する。前記圧電振動子は、前記基板の一面であって前記薄肉部上に形成されて、前記薄肉部とともに前記メンブレン構造体を構成している。
　本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
第１実施形態に係る超音波センサ装置の概略構成を示す断面図である。 超音波センサ装置のうち、センサユニットの概略構成を示す平面図である。便宜上、カバーの図示を省略している。 図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿う、センサユニットの断面図である。 図２のＩＶ－ＩＶ線に沿う、センサユニットの断面図である。 超音波センサ装置の回路構成の概略を示すブロック図である。 送受信処理を示すフローチャートである。 調整用電圧の印加タイミングを示すタイミングチャートである。 センサユニットの送信状態を示す断面図である。 センサユニットの受信状態を示す断面図である。 送信帯域と受信帯域を示す図である。 調整用電極の変形例を示す断面図である。 カバー側の調整用電極の配置の変形例を示す平面図であり、便宜上、カバー側の調整用電極を基板の一面に重ねて図示している。 第２実施形態に係る超音波センサ装置において、センサユニットの概略構成を示す断面図である。 第３実施形態に係る超音波センサ装置において、送受信処理を示すフローチャートである。 他の実施形態に係る超音波センサ装置の概略断面図である。 他の実施形態に係る超音波センサ装置の概略断面図である。 他の実施形態に係る超音波センサ装置の概略断面図である。 他の実施形態に係る超音波センサ装置の概略断面図である。 他の実施形態に係る超音波センサ装置の概略断面図である。 他の実施形態に係る超音波センサ装置の概略断面図である。 他の実施形態に係る超音波センサ装置の概略断面図である。
　以下、本開示の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下に示す各実施形態において、共通乃至関連する要素には同一の符号を付与するものとする。また、基板の厚さ方向、換言すればメンブレン構造体の振動方向を単に厚さ方向とし、該厚さ方向に垂直な方向を単に垂直方向と示す。
　（第１実施形態）
　図１に示すように、本実施形態に係る超音波センサ装置１０は、超音波センサ３０及びカバー５０を有するセンサユニット１１と、処理回路１１０が構成された回路チップ１２が、同一の配線基板１３に実装されてなる。配線基板１３には、超音波センサ３０が送受信可能なように、貫通孔１３ａが形成されている。
　先ず、センサユニット１１について説明する。
　図２～図４に示すように、センサユニット１１は、ＭＥＭＳ技術を用いて作製された圧電式の超音波センサ３０（センサチップ）と、該超音波センサ３０を構成する基板３１に固定され、基板３１との間に密閉空間９０を形成するカバー５０を備える。さらに、互いに対向するように超音波センサ３０とカバー５０のそれぞれに形成された調整用電極７０，７１を備える。
　超音波センサ３０は、薄肉部３２を有する基板３１と、基板３１の薄肉部３２上に形成された圧電振動子３３を有している。そして、薄肉部３２と圧電振動子３３とにより、基板３１の他の部位（厚肉部４３）よりも剛性の低いメンブレン構造体３４が構成されている。このメンブレン構造体３４が厚さ方向に振動することで、超音波の送信、受信がなされる。
　本実施形態では、シリコンからなる支持基板３８とシリコンからなる半導体層４０の間に、二酸化シリコンからなる絶縁層３９が介在されたＳＯＩ構造の基板と、半導体層４０における絶縁層３９と反対の面上に形成された絶縁膜４１とにより、基板３１が構成されている。絶縁膜４１としては、二酸化シリコン、窒化シリコンなどを構成材料とする単層膜や多層膜を採用することができる。
　このような基板３１において、絶縁膜４１における半導体層４０と反対の面が、圧電振動子３３の形成される一面３１ａをなし、支持基板３８における絶縁層３９と反対の面が一面３１ａの裏面３１ｂをなしている。基板３１には、半導体層４０における絶縁膜４１と反対の面を底面とし、裏面３１ｂに開口する開口部４２が形成されている。この開口部４２は、支持基板３８及び絶縁層３９をエッチングにより部分的に除去してなる。本実施形態では、基板３１の裏面３１ｂが（１００）面、支持基板３８の開口部壁面が（１１１）面となっている。
　そして、基板３１のうち、開口部４２を架橋する部分、具体的には開口部４２を架橋する半導体層４０及び絶縁膜４１の部分が、基板３１のうちの薄肉部３２をなしている。なお、図３に示す符号３２ａは、薄肉部３２のうち、圧電振動子３３と反対の一面であり、この一面３２ａは、上記した半導体層４０における開口部４２の底をなす面と一致している。一方、基板３１のうち、薄肉部３２を除く部分が、基板３１のうちの厚肉部４３をなしている。薄肉部３２は、図２に示すように平面矩形状の外形輪郭を有しており、厚肉部４３は、この薄肉部３２を取り囲むように矩形環状を有している。
　圧電振動子３３は、基板３１の一面３１ａ上であって、薄肉部３２の部分に形成されている。より詳しくは、図２に示すように、薄肉部３２の全域を覆うように、薄肉部よりも若干大きい平面矩形状をなすように形成されている。この圧電振動子３３は、圧電体薄膜３７を一対の検出用電極３５，３６間に配置してなるものである。なお、圧電体薄膜３７が特許請求の範囲に記載の圧電体に相当する。
　また、厚さ方向において検出用電極３５，３６が対向している。すなわち厚さ方向において、基板３１の一面３１ａ上に、検出用電極３５、圧電体薄膜３７、検出用電極３６の順で積層配置されている。検出用電極３５，３６の構成材料としては、白金（Ｐｔ），金（Ａｕ），アルミニウム（Ａｌ）等を採用することができる。また、圧電体薄膜３７の構成材料としては、強誘電体であるＰＺＴや、窒化アルミニウム（ＡｌＮ），酸化亜鉛（ＺｎＯ）等を採用することができる。本実施形態では、検出用電極３５，３６の構成材料としてＰｔを採用し、圧電体薄膜３７の構成材料としてＰＺＴを採用している。なお、図２及び図４に示す符号４４は、カバー５０の図示しないパッドと検出用電極３５とを電気的に接続するための配線である。また、図２に示す符号４５は、カバー５０の図示しないパッドと検出用電極３６とを電気的に接続するための配線である。本実施形態では、これら配線４４，４５が、検出用電極３５，３６と同じ材料を用いて一体的に形成されている。
　また、基板３１の一面３１ａであって、厚肉部４３には、基板３１にカバー５０を固定するための金属層４６が形成されている。この金属層４６は、図２に示すように、メンブレン構造体３４、配線４４，４５、調整用電極７０，７１を取り囲むように、基板３１の一面３１ａの外周端付近に形成されている。
　カバー５０は、超音波センサ３０の基板３１に固定されて、基板３１との間に、メンブレン構造体３４に隣接する密閉空間９０を形成するものである。カバー５０の構成材料としては、合成樹脂、やシリコンなどの半導体、セラミックを採用することができる。本実施形態では、合成樹脂からなるカバー５０を採用している。
　このカバー５０は、厚さ方向においてメンブレン構造体３４と対向しつつ離間して配置された対向部５１を少なくとも含む部分が、後述する静電引力により、メンブレン構造体３４に向けて変位するようになっている。具体的には、対向部５１を含む中央部分が、該中央部分を取り囲む周辺部分よりも薄肉となっている。本実施形態では、この薄肉の部分を薄肉部５２、周辺の厚肉の部分を厚肉部５３と示す。薄肉部５２は、薄肉部３２、ひいてはメンブレン構造体３４よりも大きく、対向部５１を除く部分が、基板３１の厚肉部４３に対向している。このように、合成樹脂からなり、薄肉部５２と厚肉部５３とで厚さが異なるカバー５０は、所定厚さの熱可塑性樹脂フィルムを部分的に複数枚積層し、接着することで、薄肉部５２と厚肉部５３の厚さを異ならせている。
　また、カバー５０は、薄肉部５２を底部とする凹部５４が、密閉空間９０側となるように、基板３１の一面３１ａ側に配置されている。厚肉部５３における基板３１との対向面には、上記した金属層４６に対向して金属層５５が形成されている。すなわち、メンブレン構造体３４、配線４４，４５、調整用電極７０，７１を取り囲むように形成されている。そして、金属層４６,５５同士が接合されて、環状の接合部が形成されている。この接合部により、カバー５０と基板３１との間に密閉空間９０が形成されている。本実施形態では、この密閉空間９０に空気が大気圧状態で封入されている。
　また、カバー５０には、圧電振動子３３を構成する検出用電極３５，３６、後述する調整用電極７０，７１を、密閉空間９０の外部と電気的に接続するための貫通電極が形成されている。図３に示す符号５６は、薄肉部５２における対向部５１とは異なる部分に形成され、カバー５０側の調整用電極７１と電気的に接続された貫通電極である。また、図４に示す符号５７は、厚肉部５３に形成され、超音波センサ３０側の調整用電極７０と電気的に接続された貫通電極である。また、符号５８は、厚肉部５３に形成され、圧電振動子３３の検出用電極３５（配線４４）と電気的に接続された貫通電極である。図示しないが、カバー５０の厚肉部５３には、検出用電極３６（配線４５）と電気的に接続された貫通電極も形成されている。このような貫通電極５６～５８は、樹脂フィルムに貫通孔を形成した後、貫通孔内に導電性ペーストの充填や金属メッキを施すことで形成することができる。
　また、カバー５０の外面には、一端が貫通電極５６に接続され、他端が厚肉部５３まで延設された配線６０が形成されている。そして、配線６０の厚肉部５３側の端部が図示しないパッドとされ、このパッドに例えばボンディングワイヤが接続されるようになっている。
　なお、図４に示す符号５９は、厚肉部５３における基板３１との対向面に形成されたランドである。このランドは、例えば銅箔をパターニングしてなる。調整用電極７０は、配線７２及びランド５９を介して貫通電極５７と電気的に接続（はんだ接合）されている。また、検出用電極３５は、配線４４及びランド５９を介して貫通電極５８と電気的に接続（はんだ接合）されている。検出用電極３６についても同様である。このように、複数枚の樹脂フィルムを積層してなるカバー５０は、貫通電極５６～５８，ランド５９、配線６０などを有している。すなわち、カバー５０は配線基板として構成されている。なお、配線７２は、調整用電極７０と貫通電極５７（ランド５９）とを繋ぐ配線である。
　一対の調整用電極７０，７１は、通電により静電引力を生じて、カバー５０の薄肉部５２（対向部５１）を、超音波センサ３０のメンブレン構造体３４に近づける機能を果たすものである。調整用電極７０は、超音波センサ３０側に形成され、調整用電極７１は、カバー５０において調整用電極７０と対向する位置に形成される。
　超音波センサ３０側の調整用電極７０は、圧電振動子３３を構成する検出用電極３５，３６と別の電極として構成されており、基板３１の一面３１ａ上であって厚肉部４３に、メンブレン構造体３４を取り囲むように形成されている。より詳しくは、メンブレン構造体３４との間に垂直方向において所定のクリアランスを有しつつメンブレン構造体３４の外形輪郭に沿って形成されており、配線４４，４５を引き出すべく略Ｃ字状を有している。本実施形態では、検出用電極３５，３６、配線４４，４５と同じ金属材料からなる。
　カバー５０側の調整用電極７１は、カバー５０における薄肉部５２の内面（凹部５４側の面）に形成されている。より詳しくは、薄肉部５２のうち、垂直方向においてメンブレン構造体３４よりも外側の部分に形成されている。この調整用電極７１は、配線４４，４５を引き出す必要がないため、矩形環状を有している。本実施形態では、ランド５９同様、銅箔をパターニングしてなる。
　このようにセンサユニット１１では、基板３１の薄肉部３２と圧電振動子３３とにより、他の部位よりも薄肉のメンブレン構造体３４が構成され、このメンブレン構造体３４が厚さ方向に振動可能となっている。また、基板３１の一面３１ａに固定されたカバー５０により、基板３１とカバー５０との間に密閉空間９０が形成されている。このため、カバー５０が配置された基板３１の一面３１ａ側で超音波の送受信がなされるのではなく、基板３１の裏面３１ｂ側で超音波の送受信がなされる。
　次に、回路チップ１２に構成された処理回路１１０を含め、超音波センサ装置１０の回路構成について、図５を用いて説明する。
　処理回路１１０は、制御回路１１１、駆動信号生成回路１１２、駆動回路１１３、増幅回路１１４、フィルタ回路１１５、ＴＡＤ１１６、ＤＳＰ１１７、及び調整用電圧生成回路１１８を備えている。この処理回路１１０が、特許請求の範囲に記載の制御部に相当する。
　制御回路１１１は、図示しない中央演算装置（ＣＰＵ）、ＣＰＵが実行する各種プログラムが格納されたリードオンメモリ（ＲＯＭ）、ＣＰＵがＲＯＭに格納された各プログラムにしたがって実行する各種演算のための作業領域として用いられるランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等を備えている。そして、駆動信号生成回路１１２に対し、駆動信号生成のタイミングを制御する機能、被検体の有無や被検体の位置（距離及び方位）を検出する機能、検出結果を外部装置に出力する機能、調整用電圧生成回路１１８に、調整用電圧生成のタイミングを制御する機能などを有している。
　駆動信号生成回路１１２は、制御回路１１１からの指示信号を受けると、基準周波数のパルス信号を一定期間だけ生成し、このパルス信号に基づいて、所定周波数ｆ１の駆動信号を生成する。具体的には、メンブレン構造体３４の共振周波数とほぼ一致する所定周波数ｆ１の駆動信号を生成する。
　駆動回路１１３（ドライバ）は、駆動信号生成回路１１２から出力された駆動信号により、圧電振動子３３を駆動する駆動回路であり、これにより、超音波センサ３０（センサユニット１１）から所定周波数ｆ１の超音波が送信される。なお、本実施形態では、駆動回路１１３が、トランスなどの電力増幅回路を含んでいる。
　増幅回路１１４は、圧電振動子３３が受信した信号を増幅し、増幅後の受信信号をフィルタ回路１１５へ出力する。フィルタ回路１１５は、増幅回路１１４にて増幅された圧電振動子３３の受信信号に対してフィルタ処理を行う。本実施形態では、メンブレン構造体３４の受信帯域から外れた周波数成分を除去する。
　ＴＡＤ１１６は、周知の時間Ａ／Ｄ変換回路であり、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）１１７は、ＴＡＤ１１６にてＡ／Ｄ変換された圧電振動子３３の受信信号に基づいて、受信信号の振幅や位相などを算出する。そして、これら算出結果は、制御回路１１１に出力される。なお、ＤＳＰ１１７はメモリを有している。
　調整用電圧生成回路１１８は、制御回路１１１からの指示信号を受けると、所定の電圧を調整用電極７０，７１間に印加する。また、制御回路１１１からの指示信号を受けると、調整用電極７０，７１間に印加する電圧をオフとする。
　次に、送受信処理の一例を、図６を用いて説明する。
　例えば車両のイグニッションキーがオンされ、処理回路１１０の電源がオンされると、制御回路１１１は、駆動信号生成回路１１２に対し、駆動信号生成を指示する。これを受け、駆動信号生成回路１１２は、所定周波数ｆ１の駆動信号を生成し、駆動回路１１３に出力する。
　出力された駆動信号（電圧信号）は、駆動回路１１３を介して圧電振動子３３の検出用電極３５，３６に伝達される。これにより、圧電振動子３３は垂直方向（ＰＺＴのｄ３１方向）に振動し、これによりメンブレン構造体３４が厚さ方向に振動する。超音波センサ３０に対して、基板３１の一面３１ａ側にはカバー５０が配置されているため、この振動により主として基板３１の裏面３１ｂ側から超音波が送信される。この超音波の周波数は駆動信号の周波数ｆ１と一致している。以上がステップ１０である。
　次に、送信処理の終了後、制御回路１１１は、調整用電圧生成回路１１８に対し、調整用電圧の生成を指示する。これを受け、調整用電圧生成回路１１８は、所定電圧を調整用電極７０，７１間に印加する（ステップ１１）。このステップ１１が、特許請求の範囲に記載の電圧印加手段に相当する。本実施形態では、駆動信号生成回路１１２からの駆動信号の出力停止をもって送信処理の終了とし、図７に示すように、駆動信号の出力を停止させるとともに調整用電圧をオンとする。なお、駆動信号の出力停止後、メンブレン構造体３４の残響期間の終了をもって、送信処理の終了とするとともに、調整用電圧のオンとしても良い。
　そして、ステップ１１にて、調整用電極７０，７１に調整用電圧が印加されると、制御回路１１１は、ＤＳＰ１１７が算出した圧電振動子３３の受信信号の振幅が、ＤＳＰ１１７のメモリに予め記憶された所定の閾値より大きいか否かを比較する。すなわち、超音波センサ３０（圧電振動子３３）が反射波を受信したか否かを判定する（ステップ１２）。
　ステップ１２にて、圧電振動子３３の受信信号の振幅が閾値よりも大きい場合、制御回路１１１は、被検体が存在するもの（被検体あり）と判定し、振幅が閾値を超えたタイミングから、被検体までの距離を算出する（ステップ１３）。
　そして、調整用電圧を印加してから所定時間経過後、制御回路１１１は、調整用電圧生成回路１１８に対し、調整用電圧のオフを指示する。これを受け、調整用電圧生成回路１１８は、調整用電極７０，７１間への電圧印加をオフとする（ステップ１４）。なお、調整用電圧の印加は、少なくとも圧電振動子３３が反射波の受信が可能な期間においてなされ、次の駆動信号の生成指示までに調整用電圧はオフ状態とされる。
　次に、本実施形態に係る超音波センサ装置１０の特徴部分の効果について説明する。
　本実施形態では、圧電型の超音波センサ３０にカバー５０が固定され、基板３１とカバー５０との間に、空気が封入された密閉空間９０が形成されている。また、密閉空間９０は、メンブレン構造体３４と隣接している。このように、メンブレン構造体３４の振動が、密閉空間９０のダンピングの影響を受けるようになっている。
　ここで、メンブレン構造体３４の振動の状態を示すＱ値は、メンブレン構造体３４に隣接する密閉空間９０のダンピング係数Ｃに反比例し、ダンピング係数Ｃは、カバー５０の対向部５１とメンブレン構造体３４との対向間隔Ｄに反比例する。このため、対向間隔Ｄが狭いほどダンピング係数Ｃが大きくなり、Ｑ値は低くなる。
　本実施形態では、圧電振動子３３の送信状態、すなわち駆動信号の出力開始から、出力停止までの期間又は残響停止までの期間において、調整用電極７０，７１に調整用電圧を印加しない。このため、調整用電極７０，７１間に静電引力が生じず、図８に示すように、カバー５０の対向部５１（薄肉部５２）は、超音波センサ３０のメンブレン構造体３４に近づかない。したがって、対向部５１とメンブレン構造体３４との対向間隔は、メンブレン構造体３４が振動の中心位置にあるとすると、超音波を送受信せず、且つ、調整用電圧を印加しないときの初期間隔Ｄ１と等しくなる。
　一方、圧電振動子３３の受信状態、すなわち反射波を受信可能な期間において、調整用電極７０，７１間に調整用電圧を印加する。このため、調整用電極７０，７１間に静電引力が生じ、図９に示すように、カバー５０の対向部５１（薄肉部５２）は、変形しつつ超音波センサ３０のメンブレン構造体３４に引き寄せられる。したがって、対向部５１とメンブレン構造体３４との対向間隔は、メンブレン構造体３４が振動の中心位置にあるとすると、上記初期間隔Ｄ１よりも狭いＤ２となる。
　このように、本実施形態では、受信状態の対向間隔Ｄ２を、送信状態の対向間隔Ｄ１よりも狭くする。すなわち、受信状態のＱ値を、送信状態のＱ値よりも低くする。このため、図１０に示すように、送信状態のメンブレン構造体３４の周波数帯域と、受信状態のメンブレン構造体３４の周波数帯域とでは、受信状態のほうが振幅のピークは下がるものの周波数帯域が広くなる。
　また、調整用電極７０，７１間に電圧を印加し、静電引力を生じさせると、対向部５１がメンブレン構造体３４に近づくようになっている。したがって、調整用電極７０，７１に電圧を印加する構成でありながら、図１０に示すように、メンブレン構造体３４の共振周波数を、発信状態と受信状態とでほぼ一致（所定の共振周波数ｆ１で一致）させることができる。すなわち共振ピークのずれが生じるのを抑制することができる。
　以上から、本実施形態によれば、共振周波数（共振ピーク）をｆ１で同じとしつつ、送信状態では周波数帯域が狭く、受信状態では周波数帯域が広くなる。したがって、被検体が相対的に移動し、ドップラーシフトが生じても、反射波、ひいては被検出体を精度良く検出することができる。
　なお、６０ｋＨｚの超音波の場合、被検体の相対速度が１０ｍ／ｓだと、被検体が静止している場合と較べて２ｋＨｚ程度のシフトが生じる。例えば、ドップラーシフトにより、受信信号の周波数がｆ１よりも高周波のｆ２に変化した場合、送受信で周波数帯域が同じ場合、受信信号が閾値を下回り、被検体を検出することができない。これに対し、本実施形態では、図１０に示すように受信状態の周波数帯域を広くするため、周波数ｆ２において受信信号が閾値を上回り、これにより被検体を検出することができる。
　また、本実施形態では、カバー５０が基板３１の一面３１ａに固定され、カバー５０と基板３１との間に形成される密閉空間９０に、圧電振動子３３が収容される。このため、カバー５０によって圧電振動子３３を保護することができる。
　また、本実施形態では、超音波センサ３０側の調整用電極７０が、基板３１の厚肉部４３に形成される。このため、静電引力が生じても、メンブレン構造体３４に変形が生じ難い。したがって、送信状態の共振周波数と受信状態の共振周波数のピークがずれるのを効果的に抑制することができる。
　また、本実施形態では、超音波センサ３０側の調整用電極７０が、基板３１の一面３１ａ上に形成される。このように、圧電振動子３３と同一面に形成すると、検出用電極３５や配線４４，４５などと工程を共通化し、製造工程を簡素化することができる。
　また、本実施形態では、カバー５０の薄肉部５２の厚さを、薄肉部５２を取り囲む厚肉部５３よりも薄くしている。このため、静電引力が生じたときに、カバー５０の対向部５１が変形し、メンブレン構造体３４に近づきやすい。したがって、送信状態の共振周波数と受信状態の共振周波数のピークがずれるのをより効果的に抑制することができる。
　さらに、本実施形態では、カバー５０の薄肉部５２の剛性が、メンブレン構造体３４の剛性よりも低くなっている。このため、静電引力が生じたときに、メンブレン構造体３４よりもカバー５０の薄肉部５２のほうが変形しやすい。したがって、メンブレン構造体３４の変形を抑制しつつ、静電引力によりカバー５０を変形させて、対向間隔Ｄを狭めることができる。
　なお、本実施形態では、基板３１の一面３１ａに形成した金属層４６と、カバー５０の厚肉部５３の表面に形成した金属層５５とをはんだ等を介して接合する例を示したが、基板３１へのカバー５０の固定は上記例に特に限定されるものではない。例えば接着固定しても良い。また、カバー５０の構成材料としてシリコンを採用した場合、基板３１を構成する半導体層４０のシリコンに対して、直接接合によりカバー５０を固定しても良い。
　（変形例）
　本実施形態では、超音波センサ装置１０が、センサユニット１１とは別に回路チップ１２及び配線基板１３を有する例を示した。しかしながら、回路チップ１２に構成される処理回路１１０がセンサユニット１１に形成された構成（集積された構成）を採用することもできる。
　また、本実施形態では、メンブレン構造体３４の受信時のみ、調整用電圧を印加して静電引力を生じさせる例を示した。しかしながら、受信時だけでなく送信時においても、調整用電圧を印加し、静電引力を生じさせても良い。静電引力は、印加電圧の２乗に比例するため、送信時よりも受信時を高電圧とすることで、受信状態の対向間隔Ｄ２を、送信状態の対向間隔Ｄ１よりも狭くする、すなわち、受信状態のＱ値を、送信状態のＱ値よりも低くすることができる。しかしながら、本実施形態に示したように、メンブレン構造体３４の受信時のみ調整用電圧を印加するほうが、調整用電圧を低くすることができる。
　本実施形態では、垂直方向において、厚肉部４３は環状とされて薄肉部３２を取り囲む例を示した。しかしながら、薄肉部３２が２つの厚肉部４３を架橋する構成としても良い。この場合、カバー５０の少なくとも一部は薄肉部３２に固定されることとなる。
　本実施形態では、圧電振動子３３の検出用電極３５，３６とは別に、超音波センサ３０側の調整用電極７０が形成される例を示した。しかしながら、圧電振動子３３の検出用電極３５，３６の一方が、超音波センサ３０側の調整用電極７０を兼ねた構成とすることもできる。図１１に示す例では、厚さ方向において対向部５１に近い検出用電極３６を、調整用電極７０と兼用としている。これによれば、調整用電極７０を兼用とするため、センサユニット１１、ひいては超音波センサ装置１０の構成を簡素化することができる。
　ただし、検出用電極３５，３６は、基板３１の薄肉部３２上に位置するため、厚肉部４３に調整用電極７０が形成される構成に較べて、メンブレン構造体３４が静電引力により変形しやすくなる。このため、カバー５０側の調整用電極７１を、垂直方向において基板３１の厚肉部（４３）に対応する位置に形成すると良い。これによれば、調整用電極７０を兼用としつつ、メンブレン構造体３４の静電引力による変形を抑制することができる。なお、カバー５０側の調整用電極７０を、調整用電極７０を兼ねる検出用電極３６に対向して設ける場合には、調整用電極７０を含むカバー５０の対向部５１（薄肉部５２）の剛性を、メンブレン構造体３４の剛性よりも低くすれば良い。
　本実施形態では、超音波センサ３０側の調整用電極７０を矩形環状の一部を除去してなる略Ｃ字状とし、カバー５０側の調整用電極７１を矩形環状とする例を示した。しかしながら、超音波センサ３０側の調整用電極７０を円形環状の一部を除去してなる略Ｃ字状とし、カバー５０側の調整用電極７１を円形環状としても良い。この場合、調整用電極７１の中心と、薄肉部５２の中心を一致させることで、矩形環状に較べて、薄肉部５２をきれいに変形させることができる。なお、図１２では、位置関係を示すために、カバー５０側の調整用電極７１を示している。
　本実施形態では、圧電振動子３３を構成する検出用電極３５，３６の配線４４，４５を引き出すために、超音波センサ３０側の調整用電極７０をＣ字状とし、開放端（自由端）間から配線４４，４５を引き出す例を示した。しかしながら、配線４４，４５を調整用電極７０に対して下層配線とすることで、調整用電極７０を環状とすることもできる。また、配線７２、又は、調整用電極７０及び配線７２を、配線４４，４５に対して下層配線とすることで、調整用電極７０を環状とすることもできる。
　本実施形態では、密閉空間９０に空気が封入される例を示した。しかしながら、封入される気体は、特に空気に限定されるものではない。例えば空気よりも粘性係数μの大きい気体が封入されても良い。ダンピング係数Ｃは、封入される気体の粘性係数μに比例する。このため、空気より粘性係数μが大きい気体（例えばヘリウム）を封入すると、調整用電圧を低減することができる。また、同じ電圧なら、送信状態のＱ値と受信状態のＱ値との差を、空気に較べて大きくすることができる。したがって、ドップラーシフト量が大きくても、被検体を検出することが可能となる。
　本実施形態では、カバー５０側の調整用電極７１を、カバー５０の薄肉部５２における内面（基板３１との対向面）に設ける例を示した。しかしながら、薄肉部５２の外面に調整用電極７１を設けても良い。この場合、構成を簡素化することができる。
　（第２実施形態）
　第１実施形態では、基板３１の一面３１ａにカバー５０が固定され、圧電振動子３３が密閉空間９０に収容される例を示した。これに対し、本実施形態では、図１３に示すように、基板３１の裏面３１ｂにカバー５０が固定される点を特徴とする。このため、第１実施形態に示すように、基板３１の裏面３１ｂ側で超音波の送受信がなされるのではなく、基板３１の一面３１ａ側で超音波の送受信がなされる。
　図１３に示す例において、超音波センサ３０は、第１実施形態に示すものとほぼ同じ構成となっている。図１３では、接合用の金属層４６が、基板３１の裏面３１ｂであって厚肉部４３の部分に形成されている。また、圧電振動子３３の検出用電極３５が、超音波センサ３０側の調整用電極７０を兼ねている。
　カバー５０は、半導体基板６１と、半導体基板６１の一面に形成された絶縁膜６２からなる。このカバー５０には、絶縁膜６２を底部とし、半導体基板６１における少なくとも対向部５１の部分を除去してなる開口部６３が形成されている。本実施形態では、半導体基板６１がシリコンからなり、半導体基板６１の開口部壁面が（１１１）面となっている。
　そして、カバー５０のうち、開口部６３を架橋する絶縁膜６２の部分が、薄肉部５２をなしている。図１３に示す例では、対向部５１の部分のみを薄肉部５２としている。絶縁膜６２における半導体基板６１と反対の面であってカバー５０の厚肉部５３には、接合用の金属層５５が形成されている。金属層５５は、上記した超音波センサ３０の金属層４６と接合されており、この接合により、基板３１の開口部４２を含んで密閉空間９０が形成されている。
　また、金属層５５が形成された絶縁膜６２の表面であって、対向部５１にはカバー５０側の調整用電極７１が形成されている。この調整用電極７１は、垂直方向において平面矩形状の対向部５１（薄肉部５２）全域を覆うように、対向部５１よりも若干大きく形成されている。また、半導体基板６１及び絶縁膜６２を貫通する貫通電極６４に、配線７３を介して電気的に接続されている。
　このように、本実施形態では、カバー５０の対向部５１が、絶縁膜６２と調整用電極７１からなる。一方、超音波センサ３０のメンブレン構造体３４は、第１実施形態同様、基板３１の薄肉部３２（半導体層４０及び絶縁膜４１）と圧電振動子３３からなる。このため、調整用電極７０を含むカバー５０の対向部５１の剛性が、メンブレン構造体３４の剛性よりも低くなっている。
　このような構成を採用しても、第１実施形態に記載の超音波センサ装置１０と同等の効果を奏することができる。
　また、検出用電極３５が調整用電極７０を兼ねるため、センサユニット１１、ひいては超音波センサ装置１０の構成を簡素化することができる。なお、検出用電極３６が調整用電極７０を兼ねても良い。さらには、検出用電極３５，３６とは別の電極として調整用電極７０を設けることもできる。例えば、半導体層４０と絶縁膜４１との間や薄肉部３２の一面３２ａに調整用電極７０を設けることができる。すなわち、メンブレン構造体３４の形成範囲内であれば特に限定されるものではない。
　なお、本実施形態では、半導体基板６１及び絶縁膜６２からなるカバー５０の例を示したが、カバー５０の構成は上記例に特に限定されるものではない。第１実施形態同様、樹脂製のカバー５０を採用しても良い。
　（第３実施形態）
　第１実施形態では、受信時において、予め設定された所定電圧を調整用電圧として調整用電極７０，７１間に印加する例を示した。これに対し、本実施形態では、受信信号の周波数をＤＳＰ１１７が算出する。そして、制御回路１１１は、算出された受信信号の周波数と、駆動信号の周波数、すなわち送信信号の周波数との差を算出し、この周波数差に基づく所定電圧を生成するように、調整用電圧生成回路１１８に指示する点を特徴とする。
　次に、本実施形態に係る送受信処理の一例を、図１４を用いて説明する。
　ステップ２０の送信処理は、第１実施形態に示したステップ１０と同じである（図７参照）。なお、本実施形態では、上記したように基板３１の一面３１ａ側から超音波が送信される。この超音波の周波数は駆動信号の周波数ｆ１と一致している。
　超音波が送信されると、次いで、制御回路１１１は、ＤＳＰ１１７が算出した圧電振動子３３の受信信号の振幅が、ＤＳＰ１１７のメモリに予め記憶された所定の閾値より大きいか否かを比較する。すなわち、超音波センサ３０（圧電振動子３３）が反射波を受信したか否かを判定する（ステップ２１）。
　ステップ２１にて、駆動信号を生成してから反射波を受信可能な所定期間において、圧電振動子３３の受信信号の振幅が閾値よりも小さい場合、再度ステップ２０，２１を実行する。一方、圧電振動子３３の受信信号の振幅が閾値よりも大きい場合、制御回路１１１は、ＤＳＰ１１７が算出した受信信号の周波数と、制御回路１１１のメモリに記憶された駆動信号の周波数ｆ１とから、周波数差を算出する（ステップ２２）。このステップ２２が、特許請求の範囲に記載の周波数差算出手段に相当する。
　そして、制御回路１１１は、算出した周波数差から、調整用電圧生成回路１１８が生成すべき電圧値を決定する（ステップ２３）。このステップ２３が、特許請求の範囲に記載の電圧値決定主段に相当する。例えば周波数差が大きい、すなわちドップラーシフト量が大きいほど、メンブレン構造体３４のＱ値が低くなるように、調整用電圧として大きい値が設定される。
　次いで、調整用電圧値が決定されると、Ｓ２０同様、超音波の送信処理が実行される（ステップ２４）。制御回路１１１から調整用電圧生成回路１１８には、調整用電圧生成の指示信号は出力されない。
　次に、送信処理（ステップ２３）の終了後、制御回路１１１は、調整用電圧生成回路１１８に対し、調整用電圧の生成を指示する。このとき、ステップ２０～２３の処理で決定された所定の電圧値を生成すべく指示する。これを受け、調整用電圧生成回路１１８は、所定電圧を調整用電極７０，７１間に印加する（ステップ２５）。このステップ２５が、特許請求の範囲に記載の電圧印加手段に相当する。以後のステップ２６～２８は、第１実施形態に示したステップ１２～１４と同じである。
　このように本実施形態によれば、送信周波数と受信した反射波の周波数の差に基づいて、調整用電極７０，７１に印加される調整用電圧の電圧値が決定される。すなわち、相対的に移動する被検体の移動状態（例えば速度）に応じて受信状態のＱ値が設定される。このため、被検体の相対的な移動状態によらず、被検体を精度良く検出することができる。
　なお、図１４に示すフローでは、ステップ２４～２８の処理を１回実行するごとに、ステップ２０～２３の処理を実行する例を示した。しかしながら、所定の期間においてステップ２４～２８の処理を繰り返し実行しても良い。すなわち、決定された調整用電圧値を用いて、複数回送受信処理を実行するようにしても良い。
（他の実施形態）
　本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
　上記実施形態では、処理回路１１０により調整用電極７０，７１間に電圧を印加して、カバー５０の対向部５１とメンブレン構造体３４との対向間隔Ｄを静電気力により変更することで、メンブレン構造体３４のＱ値を変更している。すなわち、調整用電極７０，７１がＱ値可変手段として機能する。Ｑ値可変手段は上記実施形態に限定されない。
　図１５に示す例では、カバー５０の上面にカバー５０とは異なる熱膨張係数を有する膜２００を設け、カバー５０あるいは膜２００に電流を流し、発熱させる。その結果、カバー５０と膜２００との熱膨張係数の差により、カバー５０がたわみ、対向間隔Ｄが変更される。すなわち、膜２００がＱ値可変手段として機能する。
　図１６に示す例では、カバー５０の内面に圧電体２１０を固定し、圧電体２１０に電流を流すことで圧電体２００を歪ませる。その結果、カバー５０がたわみ、対向間隔Ｄが変更される。すなわち、圧電体２１０がＱ値可変手段として機能する。
　図１７に示す例では、カム２２０がカバー５０の上部に設けられている。カム２２０は所定の回転角度でカバー５０の上面を押すように接する。その結果、カバー５０がたわみ、対向間隔Ｄが変更される。すなわち、カム２２０がＱ値可変手段として機能する。
　図１８に示す例では、カバー５０の屋根部が取り除かれ、ピストン２３０がカバー５０の側面と摺動するように配置されて、密閉空間９０を形成している。この場合、ピストン２３０の下面とメンブレン構造体３４との間隔が対向間隔Ｄであり、ピストン２３０が上下運動することで、対向間隔Ｄが変更される。すなわち、ピストン２３０がＱ値可変手段として機能する。
　図１９に示す例では、カバー５０の屋根部に貫通孔が形成され、ポンプ２４０が貫通孔を介して、密閉空間９０に接続されている。ポンプ２４０により、密閉空間９０内の圧力や温度を変化させることで、密閉空間９０内の気体の粘性係数μを変化させる。前述の通り、密閉空間９０のダンピング係数Ｃは、密閉空間９０に封入される気体の粘性係数μに比例する。従って、密閉空間９０内の圧力や温度を変化させれば、密閉空間９０のダンピング係数Ｃを変更できる。その結果、メンブレン構造体３４のＱ値が変更される。すなわち、ポンプ２４０がＱ値可変手段として機能する。
　あるいは、ポンプ２４０により、密閉空間９０内の気体を入れ替えることで、密閉空間９０のダンピング係数Ｃ、ひいてはメンブレン構造体３４のＱ値を変更することもできる。具体的には、超音波送信時には、粘性係数の小さな第一の気体(例えば空気)を入れ、超音波受信時には、第一の気体よりも粘性係数の大きな第二の気体(例えばヘリウム)と入れ替える。
　図２０に示す例では、カバー５０の上面に磁石２５０を固定し、近傍に配置されたコイルに電流を流して、磁石２５０の周りに磁界を発生させる。その結果、カバー５０がたわみ、対向間隔Ｄが変更される。すなわち、磁石２５０がＱ値可変手段として機能する。
　図２１に示す例では、カバー５０とダイアフラム２６０で油圧ダイヤフラムポンプ構成し、密閉空間９０の気体圧力や温度を変化させている。すなわち、ダイアフラム２６０がＱ値可変手段として機能する。
　上述のように、図１５～図２１に示す例では、対向間隔Ｄを変化させる、あるいは密閉空間９０内の気体の粘性係数を変化させることで、メンブレン構造体３４のＱ値を変化させている。その他の方法として、熱などにより伸び縮みする部材をメンブレン構造体３４の取り付けることでメンブレン構造体３４の応力を変化させ、メンブレン構造体３４のＱ値を変更することもできる。この場合、当該部材がＱ値可変手段として機能する。

Claims (17)

  1. 　基板（３１）と、
    　前記基板（３１）の厚さ方向において対向配置された一対の検出用電極（３５，３６）間に圧電体（３７）が介在されてなり、前記基板（３１）の一面（３１ａ）上に形成されて、前記基板（３１）の他の部分よりも剛性の低いメンブレン構造体（３４）を構成する圧電振動子（３３）と、を有し、
    　前記圧電振動子（３３）により超音波を送信するととともに、同一の前記圧電振動子（３３）によりその反射波を受信する超音波センサ（３０）を備えた超音波センサ装置であって、
    　前記圧電振動子（３３）が超音波を送信する送信期間の当該圧電振動子（３３）のＱ値を、前記圧電振動子（３３）が超音波を受信する受信期間の当該圧電振動子（３３）のＱ値よりも大きくするＱ値可変手段（７０，７１、１１０、２００，２１０，２２０，２３０，２４０，２５０，２６０）を有する超音波センサ装置。
  2. 　前記基板（３１）の厚さ方向において、前記メンブレン構造体（３４）と離間しつつ対向して配置された対向部（５１）を有し、前記基板（３１）に固定されて、前記基板（３１）との間に気体が封入された密閉空間（９０）を形成するカバー（５０）を備え、
    　前記Ｑ値可変手段（７０，７１、１１０、２００，２１０，２２０，２３０，２５０）は、前記対向部（５１）と前記メンブレン構造体（３４）とのギャップ間隔を可変することで、前記圧電振動子（３３）が超音波を送信する送信期間の当該圧電振動子（３３）のＱ値を、前記圧電振動子（３３）が超音波を受信する受信期間の当該圧電振動子（３３）のＱ値よりも大きくする請求項１に記載の超音波センサ装置。
  3. 　前記Ｑ値可変手段は、一方が前記超音波センサ（３０）に形成され、他方が前記カバー（５０）に形成されて前記基板（３１）の厚さ方向において対向配置され、通電により静電引力を生じる一対の調整用電極（７０，７１）と、
    　前記調整用電極（７０，７１）への通電を制御する制御部（１１０）と、を備え、
    　前記静電引力により、前記カバー（５０）の対向部（５１）が前記メンブレン構造体（３４）に近づくように構成され、
    　前記制御部（１１０）は、少なくとも前記圧電振動子（３３）の受信状態で前記調整用電極（７０，７１）間に電圧を印加するとともに、前記圧電振動子（３３）の受信状態における前記カバー（５０）の対向部（５１）と前記メンブレン構造体（３４）との対向間隔（Ｄ２）のほうが、前記圧電振動子（３３）の送信状態における前記カバー（５０）の対向部（５１）と前記メンブレン構造体（３４）との対向間隔（Ｄ１）よりも狭くなるように前記調整用電極（７０，７１）への通電を制御する電圧印加手段（Ｓ１１，Ｓ２５）を有する請求項２に記載の超音波センサ装置。
  4. 　前記基板（３１）は、薄肉部（３２）を有しており、
    　前記圧電振動子（３３）は、前記基板（３１）の一面（３１ａ）であって前記薄肉部（３２）上に形成されて、前記薄肉部（３２）とともに前記メンブレン構造体（３４）を構成している請求項１に記載の超音波センサ装置。
  5. 　前記カバー（５０）は、前記基板（３１）の一面（３１ａ）に固定され、
    　前記カバー（５０）と前記基板（３１）との間に形成される密閉空間（９０）に、前記圧電振動子（３３）が収容される請求項２に記載の超音波センサ装置。
  6. 　前記超音波センサ側の調整用電極（７０）は、前記基板（３１）において前記薄肉部（３２）とは異なる厚肉部（４３）に形成される請求項４に記載の超音波センサ装置。
  7. 　前記基板（３１）の厚さ方向に垂直な方向において、前記厚肉部（４３）は環状とされて前記薄肉部（３２）を取り囲んでいる請求項６に記載の超音波センサ装置。
  8. 　前記超音波センサ側の調整用電極（７０）は、前記基板（３１）の一面（３１ａ）上に形成される請求項３に記載の超音波センサ装置。
  9. 　前記カバー（５０）において、前記対向部（５１）と前記調整用電極（７１）の形成部分とを含む中央部分（５２）が、該中央部分（５２）に隣接する周辺部分（５３）よりも薄い請求項３に記載の超音波センサ装置。
  10. 　前記カバー側の調整用電極（７０）を含むカバー（５０）の中央部分（５２）の剛性が、前記メンブレン構造体（３４）の剛性よりも低い請求項９に記載の超音波センサ装置。
  11. 　前記圧電振動子（３３）の検出用電極（３５，３６）の一方が、前記超音波センサ側の調整用電極（７０）を兼ねており、
    　前記カバー側の調整用電極（７１）は、前記基板（３１）の厚さ方向に垂直な方向において、前記基板（３１）における薄肉部（３２）とは異なる厚肉部（４３）に対応して形成される請求項３に記載の超音波センサ装置。
  12. 　前記カバー（５０）は、前記基板（３１）における一面（３１ａ）と反対の面（３１ｂ）に固定され、前記対向部（５１）は、前記薄肉部（３２）における圧電振動子（３３）が形成された面と反対の面（３２ａ）に対向しており、
    　前記カバー側の調整用電極（７１）は、前記対向部（５１）に形成され、
    　前記超音波センサ側の調整用電極（７０）は、前記メンブレン構造体（３４）に形成され、
    　前記カバー側の調整用電極（７１）を含むカバー（５０）の対向部（５１）の剛性が、前記メンブレン構造体（３４）の剛性よりも低い請求項３に記載の超音波センサ装置。
  13. 　前記圧電振動子（３３）の検出用電極（３５，３６）の一方が、前記超音波センサ側の調整用電極（７０）を兼ねる請求項１２に記載の超音波センサ装置。
  14. 　前記密閉空間（９０）に空気が封入されている請求項２～１３いずれか１項に記載の超音波センサ装置。
  15. 　前記密閉空間（９０）に、空気よりも粘性係数の大きい気体が封入されている請求項２～１３いずれか１項に記載の超音波センサ装置。
  16. 　前記電圧印加手段（Ｓ１１，Ｓ２５）は、前記圧電振動子（３３）の受信状態のみ、前記調整用電極（７０，７１）に電圧を印加する請求項３に記載の超音波センサ装置。
  17. 　前記制御部（１１０）は、
    　前記調整用電極（７０，７１）に電圧を印加しない状態で、前記圧電振動子（３３）が送信する超音波の周波数と、送信した超音波の反射波の周波数との差を算出する周波数差算出手段（Ｓ２２）と、
    　前記周波数差算出手段により算出された周波数差により、前記調整用電極（７０，７１）に印加する電圧値を決定する電圧値決定手段（Ｓ２３）と、を有し、
    　前記電圧印加手段（Ｓ２５）は、前記電圧値決定手段（Ｓ２３）にて決定された電圧値を前記調整用電極（７０，７１）に印加する請求項１６に記載の超音波センサ装置。
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