WO2023095829A1 - 超音波トランスデューサ - Google Patents

超音波トランスデューサ Download PDF

Info

Publication number
WO2023095829A1
WO2023095829A1 PCT/JP2022/043344 JP2022043344W WO2023095829A1 WO 2023095829 A1 WO2023095829 A1 WO 2023095829A1 JP 2022043344 W JP2022043344 W JP 2022043344W WO 2023095829 A1 WO2023095829 A1 WO 2023095829A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
acoustic
frequency
sound pressure
ultrasonic transducer
mems element
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/043344
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
伸介 池内
弘 松原
亮介 丹羽
Original Assignee
株式会社村田製作所
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社村田製作所 filed Critical 株式会社村田製作所
Publication of WO2023095829A1 publication Critical patent/WO2023095829A1/ja

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/20—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics
    • H04R1/22—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired frequency characteristic only 
    • H04R1/28—Transducer mountings or enclosures modified by provision of mechanical or acoustic impedances, e.g. resonator, damping means
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers

Definitions

  • the present invention relates to ultrasonic transducers.
  • Patent Document 1 As a prior art document disclosing the configuration of an ultrasonic transducer, there is International Publication No. 2020/230484 (Patent Document 1).
  • the ultrasonic transducer described in Patent Literature 1 includes a mounting substrate and a piezoelectric device.
  • a piezoelectric device is mounted on a mounting substrate.
  • a piezoelectric device includes a substrate, a piezoelectric element, and a lid.
  • a through hole is formed in the substrate.
  • a piezoelectric element is located on the first main surface of the substrate.
  • the mounting substrate faces the second major surface of the substrate.
  • a through hole is formed in the mounting substrate.
  • the end of the through-hole of the mounting substrate on the side of the piezoelectric device is located at a position facing the through-hole of the substrate.
  • Ultrasonic transducers are required to be able to emit ultrasonic waves with high sound pressure levels in a wide frequency band.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide an ultrasonic transducer capable of emitting ultrasonic waves with a high sound pressure level in a wide frequency band.
  • An ultrasonic transducer comprises an acoustic device and an acoustic path.
  • Acoustic devices include acoustic MEMS elements.
  • An acoustic path leads to the acoustic MEMS element.
  • ultrasonic waves generated by vibration of the acoustic MEMS element can resonate.
  • An ultrasonic transducer has sound pressure frequency characteristics in which a plurality of sound pressure peaks appear due to a combination of resonance of an acoustic MEMS element and resonance in an acoustic path.
  • f0 be the resonance frequency of the acoustic MEMS element
  • fl be the frequency lower than the resonance frequency f0 and closest to the resonance frequency f0 among the frequencies at which a plurality of sound pressure peaks appear in the sound pressure frequency characteristics. fl)/f0 ⁇ 100 ⁇ 33.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of an acoustic device included in an ultrasonic transducer according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing the configuration of an acoustic device included in an ultrasonic transducer according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view of the acoustic device of FIG. 1 as viewed in the direction of arrows on line III-III. It is the bottom view which looked at the acoustic device of FIG. 1 from the arrow IV direction.
  • 1 is a perspective view showing the appearance of an acoustic MEMS element included in an ultrasonic transducer according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the acoustic MEMS element of FIG. 5 viewed from the direction of the arrows on line VI-VI.
  • 1 is a cross-sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 4 is a graph showing sound pressure frequency characteristics of ultrasonic transducers having different resonance frequencies in acoustic paths. 4 is a graph showing the relationship between (f0-fl)/f0 and (SPLmax-SPLmin); 4 is a graph showing the relationship between (f0-fl)/f0 and (fh-fl)/f0;
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to Embodiment 2 of the present invention
  • FIG. 11 is a perspective view showing the appearance of an acoustic device included in an ultrasonic transducer according to Embodiment 3 of the present invention
  • FIG. 13 is a perspective view of the acoustic device of FIG. 12 as seen from the direction of arrow XIII
  • 13 is an exploded perspective view showing the configuration of the acoustic device viewed from the same direction as in FIG. 12
  • FIG. 14 is an exploded perspective view showing the configuration of the acoustic device viewed from the same direction as in FIG. 13
  • FIG. FIG. 14 is a cross-sectional view of the acoustic device of FIG.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to Embodiment 3 of the present invention
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to Embodiment 4 of the present invention
  • 4 is a diagram showing the structure of an ultrasonic transducer in Experimental Example 1.
  • FIG. FIG. 10 is a diagram showing the structure of an ultrasonic transducer in Experimental Example 2
  • 5 is a graph showing sound pressure frequency characteristics of ultrasonic transducers according to Comparative Example, Example 1, and Example 2;
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • Acoustic MEMS element is a general term for MEMS microphones, pMUTs (piezoelectric Micro-machined Ultrasonic Transducers), cMUTs (capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducers), MEMS speakers, and the like.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of an acoustic device included in an ultrasonic transducer according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing the configuration of an acoustic device included in the ultrasonic transducer according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the acoustic device of FIG. 1 as viewed in the direction of arrows on line III-III. 4 is a bottom view of the acoustic device of FIG. 1 as seen from the direction of arrow IV.
  • the acoustic device 100 included in the ultrasonic transducer according to Embodiment 1 of the present invention includes an acoustic MEMS element 120.
  • FIG. Acoustic device 100 further includes substrate 110 and lid 130 .
  • Acoustic device 100 may further include an ASIC (application specific integrated circuit).
  • ASIC application specific integrated circuit
  • the substrate 110 has a first principal surface 111 and a second principal surface 112 .
  • the substrate 110 has a first through hole 110h extending from the first major surface 111 to the second major surface 112 .
  • the substrate 110 has a rectangular outer shape.
  • the length of one side of substrate 110 is, for example, 1 mm or more and 3 mm or less.
  • the thickness of substrate 110 is, for example, 0.1 mm or more and 0.3 mm or less.
  • the material of the substrate 110 is a combination of resin such as glass epoxy and glass fiber, low temperature co-fired ceramics (LTCC), or ceramics such as alumina.
  • a plurality of first electrodes 113 are formed on the first main surface 111 of the substrate 110 .
  • the first electrodes 113 are electrically connected to corresponding pad electrodes of the acoustic MEMS element 120 by wires 160 . That is, the acoustic MEMS element 120 and the first electrode 113 are wire-bonded.
  • the first electrode 113 is electrically connected to one electrode of the ASIC, and the other electrode of the ASIC and the electrode of the acoustic MEMS element 120 are electrically connected.
  • a frame-shaped electrode 114 is formed along the edge of the substrate 110 on the first main surface 111 of the substrate 110 . Electrode 114 is electrically connected to the copper foil arranged on first major surface 111 .
  • a plurality of second electrodes 115 and a first annular electrode 116 are formed on the second main surface 112 of the substrate 110 .
  • two second electrodes 115 are formed on the second main surface 112 of the substrate 110 .
  • the second electrode 115 is positioned outside the first annular electrode 116 .
  • the second electrodes 115 are electrically connected to the corresponding first electrodes 113 via via electrodes or the like.
  • Second electrode 115 is electrically connected to acoustic MEMS element 120 through first electrode 113 and wire 160 . As will be described later, when the acoustic device 100 is mounted on the mounting board, the second electrodes 115 are electrically connected to the electrodes of the mounting board.
  • the first annular electrode 116 is formed so as to surround the first through hole 110h.
  • the first annular electrode 116 is circumferentially continuous to prevent sound leakage from between the mounting substrate and the acoustic MEMS element 120 .
  • the first annular electrode 116 may be formed discontinuously for the purpose of lowering the resonance Q value of the acoustic MEMS element 120 .
  • the first annular electrode 116 may have a circular annular shape as shown in FIG. 4, or may have an annular shape other than a circular shape.
  • the first through hole 110h faces a membrane portion of the acoustic MEMS element 120, which will be described later.
  • 110 h of 1st through-holes are circular, seeing from the direction orthogonal to the 1st main surface 111, but may be rectangular.
  • the diameter of the first through-hole 110h is, for example, 0.1 mm or more and 1.4 mm or less.
  • the lid portion 130 is arranged on the first main surface 111 of the substrate 110 .
  • Lid 130 is connected to electrode 114 via conductive adhesive 150 .
  • Conductive adhesive 150 is thermosetting.
  • the lid portion 130 is joined to the first main surface 111 without gaps over the entire circumference.
  • the lid 130 covers the acoustic MEMS element 120, the wires 160, the electrodes 114, and the like.
  • the lid portion 130 covers the acoustic MEMS element 120 while being separated from the acoustic MEMS element 120 .
  • the lid portion 130 has a shape along the edge of the substrate 110 when viewed from the direction perpendicular to the first main surface 111 .
  • the lid portion 130 is made of a conductive material.
  • the material of the lid portion 130 is metal or resin.
  • the lid portion 130 is formed of one member.
  • the lid portion 130 is formed by pressing, cutting, molding, or the like.
  • the thickness of lid portion 130 is, for example, 0.05 mm or more and 0.3 mm or less.
  • the height of lid 130 is adjusted so as not to contact acoustic MEMS element 120 and wire 160 .
  • Lid portion 130 is electrically connected to first annular electrode 116 through conductive adhesive 150 , electrode 114 , copper foil on first main surface 111 and via electrodes.
  • the acoustic MEMS element 120 is fixed to the first main surface 111 with a die bonding agent 140 so as to cover the first through holes 110h.
  • the acoustic MEMS element 120 is joined to the first main surface 111 without gaps over the entire circumference of the base described later.
  • the die bonding agent 140 is a thermosetting adhesive.
  • FIG. 5 is a perspective view showing the appearance of an acoustic MEMS element included in the ultrasonic transducer according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the acoustic MEMS element of FIG. 5 viewed from the direction of arrows VI--VI.
  • the acoustic MEMS element 120 includes a base portion 121 and a membrane portion 122. As shown in FIG. In this embodiment, the acoustic MEMS element 120 is a piezoelectric element. Membrane portion 122 performs at least one of vibration generation and vibration detection with a piezoelectric body. Acoustic MEMS element 120 is not limited to a piezoelectric element, and may be configured to perform at least one of vibration generation and vibration detection by an electrostatic method.
  • the acoustic MEMS element 120 has a first pad electrode 129a and a second pad electrode 129b.
  • the first pad electrode 129a is electrically connected to a lower electrode layer, which will be described later, via a connection wiring (not shown).
  • the second pad electrode 129b is electrically connected to an upper electrode layer, which will be described later, via a connection wiring (not shown).
  • Each of first pad electrode 129 a and second pad electrode 129 b is electrically connected to first electrode 113 of substrate 110 by wire 160 .
  • the base 121 has a rectangular annular shape.
  • the shape of the base portion 121 is not limited to a rectangular annular shape, and may be a circular annular shape or a polygonal annular shape other than a rectangular shape.
  • the length of one side of the outer edge of base 121 is, for example, 0.6 mm or more and 1.5 mm or less.
  • the thickness of base 121 is, for example, 0.2 mm or more and 0.5 mm or less.
  • the base 121 is composed of a support layer 123, an intermediate layer 124, and a laminate 128 consisting of a plurality of layers.
  • Support layer 123 is made of, for example, single crystal silicon.
  • Intermediate layer 124 is made of, for example, SiO 2 .
  • the laminate 128 includes at least one layer of a piezoelectric layer 125, an elastic layer 126, an upper electrode layer 127 and a lower electrode layer.
  • the piezoelectric layer 125 is a single-crystal piezoelectric body made of lithium tantalate or lithium niobate.
  • the piezoelectric layer 125 may be composed of a rotated Y-cut single-crystal piezoelectric.
  • the piezoelectric layer 125 may be composed of lead zirconate titanate (PZT), aluminum nitride (AlN), or a deposited film doped with impurities.
  • the elastic layer 126 is made of Si, for example.
  • the elastic layer 126 may be made of the same material as the piezoelectric layer 125 or a film doped with impurities.
  • the upper electrode layer 127 is made of a conductive material such as Pt.
  • the lower electrode layer is made of a conductive material such as Pt.
  • the membrane part 122 is positioned inside the base part 121 and supported by the base part 121 .
  • the acoustic MEMS element 120 has a concave portion X surrounded by the base portion 121 and the membrane portion 122 .
  • the membrane part 122 has a square outer shape, but may have a circular or polygonal outer shape.
  • the length of one side of the outer shape of the membrane part 122 is, for example, 0.5 mm or more and 1.4 mm or less.
  • the thickness of membrane part 122 is, for example, 0.5 ⁇ m or more and 6.0 ⁇ m or less.
  • a through slit SL penetrating through the membrane portion 122 is formed in the membrane portion 122 .
  • the membrane part 122 has a plurality of beams.
  • the width of the through slit SL is 10 ⁇ m or less. The narrower the width of the through slit SL, the more the sound leakage at the membrane portion 122 can be suppressed.
  • the width of the through slit SL may be 3 ⁇ m or more.
  • the beam portion of the membrane portion 122 has a substantially triangular outer shape when viewed from the direction perpendicular to the first main surface 111 .
  • the external shape of the beams of the membrane part 122 is not limited to a triangular shape when viewed from the direction perpendicular to the first main surface 111, but may be trapezoidal, or the beams may be curved at their tip ends.
  • the length dimension of the beams of the membrane part 122 is at least five times the thickness dimension of the membrane part 122 so that the membrane part 122 can easily vibrate.
  • the beam portion of the membrane portion 122 has a cantilever shape. However, the beams of the membrane part 122 may not have a cantilever shape, and a plurality of beams may be connected to each other other than the base 121 .
  • the beam portion of the membrane portion 122 includes at least a piezoelectric layer 125, an upper electrode layer 127, and a lower electrode layer.
  • the upper electrode layer 127 is arranged to face at least a portion of the lower electrode layer with the piezoelectric layer 125 interposed therebetween. As shown in FIG. 6, when the elastic layer 126 also serves as the lower electrode layer, the upper electrode layer 127 faces the elastic layer 126 with the piezoelectric layer 125 interposed therebetween.
  • the membrane part 122 has a stress neutral plane.
  • the stress neutral plane is located at a position substantially in the middle of the thickness of the membrane portion 122 .
  • the piezoelectric layer 125 is located on the side opposite to the substrate 110 with respect to the stress neutral plane of the membrane portion 122 .
  • the piezoelectric layer 125 may be positioned on the substrate 110 side with respect to the stress neutral plane of the membrane portion 122 .
  • the membrane part 122 bends when a potential difference is given between the upper electrode layer 127 and the lower electrode layer, that is, when a voltage is applied to the piezoelectric layer 125 . Further, when the membrane part 122 bends due to ultrasonic waves from the outside, electric charges are generated in the piezoelectric layer 125, and a potential difference is generated between the upper electrode layer 127 and the lower electrode layer.
  • the frequency at which the amplitude of bending caused by voltage application to the piezoelectric layer 125 or bending caused by the piezoelectric layer 125 receiving ultrasonic waves becomes maximum, that is, the resonance frequency of the membrane part 122 is 20 kHz or more and 60 kHz or less. .
  • the operation of the acoustic device 100 will be described.
  • the acoustic device 100 transmits ultrasonic waves, by applying a voltage to the two second electrodes 115, the upper electrode layer 127 electrically connected to one second electrode and the other second electrode A voltage is applied between the lower electrode layer electrically connected to the .
  • This drives the piezoelectric layer 125 positioned between the upper electrode layer 127 and the lower electrode layer.
  • the membrane part 122 vibrates to generate ultrasonic waves. This ultrasonic wave is radiated to the external space from the first through hole 110h.
  • the acoustic device 100 When the acoustic device 100 receives ultrasonic waves, the ultrasonic waves that reach the membrane part 122 through the first through-hole 110h from the external space cause the membrane part 122 to vibrate. As a result, the piezoelectric layer 125 is driven, and a potential difference is generated between the upper electrode layer 127 and the lower electrode layer sandwiching the piezoelectric layer 125 from both sides. This potential difference can be detected by two second electrodes 115 electrically connected to the upper electrode layer 127 and the lower electrode layer, respectively. Thus, the acoustic device 100 can receive ultrasonic waves.
  • a pulse echo method as a distance measurement method using ultrasonic waves. Specifically, by applying a pulse voltage to the acoustic device 100, an ultrasonic pulse is transmitted toward the object to be measured, and an ultrasonic pulse reflected from the object to be measured is received after a certain period of time has passed since the transmission, The distance to the object is measured from the time from transmission to reception.
  • the resonance of the membrane portion 122 of the acoustic MEMS element 120 and the resonance of an acoustic path are used to intensify the ultrasonic pulses emitted from the acoustic device 100 and to increase the reception sensitivity of the ultrasonic pulses by the acoustic device 100. You can raise it. However, in this case, the membrane part 122 continues to vibrate even after the pulse voltage is applied, resulting in so-called reverberation. If the reverberation does not stop by the time the ultrasonic pulse is received, the acoustic device 100 will be unable to receive the ultrasonic pulse reflected from the measurement object.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing the configuration of the ultrasonic transducer according to Embodiment 1 of the present invention.
  • an ultrasonic transducer 400 according to Embodiment 1 of the present invention includes an acoustic device 100 and an acoustic path P.
  • Acoustic path P is configured to pass through substrate 110 , mounting substrate 200 and housing 300 .
  • the acoustic device 100 is mounted inside the housing 300 of the electronic device while being mounted on the mounting substrate 200 .
  • the mounting board 200 faces the second main surface 112 of the board 110 .
  • a plurality of third electrodes 202 are formed on the surface of the mounting substrate 200 on the side of the substrate 110 .
  • Each of the multiple third electrodes 202 is electrically connected to the corresponding second electrode 115 by solder 203 .
  • a second through-hole 200h is formed in the mounting board 200 .
  • the end portion of the second through hole 200h on the substrate 110 side is located at a position facing the first through hole 110h.
  • the second through hole 200h is formed linearly from the surface of the mounting substrate 200 on the substrate 110 side to the surface on the opposite side of the substrate 110 side.
  • the diameter of the second through hole 200h is, for example, 0.4 mm or more and 1.2 mm or less.
  • a second annular electrode 201 is provided on the surface of the mounting substrate 200 on the substrate 110 side so as to surround the second through hole 200h.
  • the second ring-shaped electrode 201 is electrically connected to the first ring-shaped electrode 116 of the substrate 110 by solder 203 .
  • the first ring-shaped electrode 116 is formed discontinuously, the amount of leakage of ultrasonic waves is adjusted by changing the size of the portion where the first ring-shaped electrode 116 is not formed. can be done.
  • the material of the mounting substrate 200 is a material in which resin such as glass epoxy is combined with glass fiber, low temperature co-fired ceramics (LTCC), or ceramics made of alumina.
  • the mounting substrate 200 may be a flexible substrate made of copper foil and polyimide, or may be a composite substrate provided with a reinforcing plate.
  • the thickness of the mounting board 200 is, for example, 0.1 mm or more and 2.0 mm or less.
  • the housing 300 accommodates the acoustic device 100 mounted on the mounting board 200 .
  • a third through hole 300h facing the second through hole 200h of the mounting board 200 is formed in the housing 300 .
  • the diameter of the third through-hole 300h is, for example, 0.4 mm or more and 4.0 mm or less.
  • the length of the third through-hole 300h depends on the thickness of the housing 300, but is, for example, 0.4 mm or more and 3.0 mm or less.
  • a sealing portion 310 is provided between the housing 300 and the mounting board 200 .
  • Sealing portion 310 is formed to surround second through hole 200h and third through hole 300h.
  • the sealing portion 310 has an annular shape.
  • the sealing portion 310 is continuous in the circumferential direction to prevent sound leakage from between the housing 300 and the mounting board 200 .
  • the inner edge of the sealing portion 310 is circular or rectangular.
  • the inner diameter of sealing portion 310 is, for example, 0.4 mm or more and 3.0 mm or less.
  • the thickness of the sealing portion 310 is, for example, 0.1 mm or more and 1.0 mm or less.
  • the sealing portion 310 is made of resin.
  • the acoustic MEMS element 120 As shown in FIG. 7, in the ultrasonic transducer 400, the acoustic MEMS element 120, the first through hole 110h, the first annular electrode 116, the second annular electrode 201, the second through hole 200h, the sealing portion 310 and the third
  • the through hole 300h forms an acoustic path P, which is a path for ultrasonic waves. That is, acoustic path P leads to acoustic MEMS element 120 .
  • the acoustic path P extends linearly.
  • a drip-proof film or a dust-proof film may be provided at any position on the acoustic path P to prevent foreign matter and water droplets from entering.
  • the drip-proof film or dust-proof film may be a mesh made of metal or resin, or a flexible film made of PTFE (polytetrafluoroethylene).
  • the acoustic path P has a frequency response to ultrasonic waves and resonates at a specific natural frequency. That is, acoustic path P has a resonant frequency. In the acoustic path P, ultrasonic waves generated by vibration of the acoustic MEMS element 120 can resonate. On the other hand, the acoustic MEMS element 120 has the inherent resonance frequency of the membrane portion 122 as described above.
  • the resonance frequency of the acoustic path derivation methods such as Helmholtz resonance and air column resonance are known, but it is difficult to apply them to complex acoustic paths such as the acoustic path P above.
  • the membrane part 122 of the acoustic MEMS element 120 since the membrane part 122 of the acoustic MEMS element 120 is very thin, it interacts with the air in the acoustic path P in a vibrating state. Therefore, the resonance frequency of the acoustic MEMS element 120 and the resonance frequency of the acoustic path P cannot be separated. Therefore, in the ultrasonic transducer 400, it is difficult to widen the frequency band capable of emitting strong ultrasonic waves by making the resonance frequency of the acoustic MEMS element 120 and the resonance frequency of the acoustic path P adjacent to each other.
  • FIG. 8 is a graph showing sound pressure frequency characteristics of ultrasonic transducers whose acoustic paths have different resonance frequencies.
  • the vertical axis indicates the relative sound pressure level (dB), and the horizontal axis indicates the frequency (kHz).
  • the first sample is shown with a thin dashed line
  • the second sample is shown with a thin two-dot chain line
  • the third sample is shown with a solid line
  • the fourth sample is shown with a thick one-dot chain line
  • the fifth sample is shown with a thick two-dot chain line.
  • FIG. 8 shows the sound pressure frequency characteristics when the resonance frequency f0 of the acoustic MEMS element 120 is 40 kHz.
  • the resonance frequency f0 of the acoustic MEMS element 120 can be specified by observing the impedance frequency characteristics in a vacuum atmosphere. In some cases, the resonance frequency f0 can also be easily confirmed by observing the impedance frequency characteristic with the second through hole 200h of the mounting substrate 200 closed.
  • each of the first to fifth samples has two sound pressure peaks. Note that two or more sound pressure peaks may appear.
  • the ultrasonic transducers of the first to fifth samples have sound pressure frequency characteristics in which multiple sound pressure peaks appear due to the combination of the resonance of the acoustic MEMS element 120 and the resonance in the acoustic path P. .
  • fl be the frequency that is lower than the resonance frequency f0 and closest to the resonance frequency f0 among the frequencies at which a plurality of sound pressure peaks appear in the sound pressure frequency characteristics
  • Pl be the sound pressure peak.
  • the frequency higher than the resonance frequency f0 and closest to the resonance frequency f0 is fh
  • the sound pressure peak is Ph.
  • SPLmax is the higher sound pressure level between the sound pressure peak Pl and the sound pressure peak Ph
  • SPLmin is the lowest sound pressure level between the frequency fl and the frequency fh.
  • FIG. 9 is a graph showing the relationship between (f0-fl)/f0 and (SPLmax-SPLmin).
  • the vertical axis indicates (SPLmax ⁇ SPLmin) (dB), and the horizontal axis indicates (f0 ⁇ fl)/f0 ⁇ 100(%).
  • the resonance frequency f0 is indicated by a circle at 32 kHz, a triangle at 40 kHz, and a square at 46 kHz.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between (f0-fl)/f0 and (fh-fl)/f0.
  • the vertical axis indicates (fh ⁇ fl)/f0 ⁇ 100(%)
  • the horizontal axis indicates (f0 ⁇ fl)/f0 ⁇ 100(%).
  • the resonance frequency f0 is indicated by a circle at 32 kHz, a triangle at 40 kHz, and a square at 46 kHz.
  • the ultrasonic transducer 400 When the ultrasonic transducer 400 according to the present embodiment radiates an ultrasonic wave having a frequency within the frequency band of fl to fh or less from the acoustic path P to the outside, the sound pressure is stably high within the frequency band of fl to fh or less. is obtained, even if there are variations in the resonance frequency f0 of the acoustic MEMS elements 120 in the plurality of ultrasonic transducers 400, the difference in the sound pressure frequency characteristics of these ultrasonic transducers 400 can be alleviated. Also, the temperature characteristics of the ultrasonic transducer 400 can be stabilized.
  • the ultrasonic transducer 400 can select the frequency of ultrasonic waves emitted from the acoustic path P to the outside from a plurality of frequencies within a frequency band of fl to fh.
  • a frequency selected from among a plurality of frequencies within the frequency band of fl to fh or less ultrasonic waves can be radiated from the acoustic path P to the outside.
  • the ultrasonic transducer 400 when the ultrasonic transducer 400 according to the present embodiment radiates an ultrasonic wave having a frequency fb at which the sound pressure is lowest in the frequency band from fl to fh to the outside from the acoustic path P, the sound Since the ultrasonic transducer 400 can be used in a region where the change in pressure frequency characteristics is the smallest, the robustness of the ultrasonic transducer 400 can be enhanced.
  • Embodiment 2 An ultrasonic transducer according to Embodiment 2 of the present invention will be described below with reference to the drawings. Since the ultrasonic transducer according to the second embodiment of the present invention differs from the ultrasonic transducer according to the first embodiment of the present invention in the configuration of the acoustic path, the configuration similar to that of the ultrasonic transducer according to the first embodiment of the present invention does not repeat the description.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to Embodiment 2 of the present invention.
  • an ultrasonic transducer 400a according to Embodiment 2 of the present invention includes an acoustic device 100 and an acoustic path Pa.
  • the third through-hole 300ah of the housing 300 is located on an extension line along the surface of the mounting substrate 200 opposite to the substrate 110 side surface.
  • a sealing portion 310 a is provided between the surface of the mounting substrate 200 on the substrate 110 side and the inner surface of the housing 300 .
  • the gap between the surface of the mounting substrate 200 on the substrate 110 side and the inner surface of the housing 300 is closed by the sealing portion 310a.
  • the sealing portion 310 has a C-shaped shape and is discontinuous at the portion that serves as the acoustic path Pa. Due to the above configuration, the acoustic path Pa detours inside the housing 300 .
  • the ultrasonic transducer 400a since the acoustic path Pa satisfies the same conditions as in the first embodiment, it is possible to radiate ultrasonic waves with a high sound pressure level in a wide frequency band.
  • Embodiment 3 an ultrasonic transducer according to Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to the drawings.
  • the ultrasonic transducer according to Embodiment 3 of the present invention is similar to the ultrasonic transducer according to Embodiment 1 of the present invention because the configuration of the acoustic device and the acoustic path is different from that of the ultrasonic transducer according to Embodiment 1 of the present invention. Certain configurations will not be repeated.
  • FIG. 12 is a perspective view showing the appearance of an acoustic device included in an ultrasonic transducer according to Embodiment 3 of the present invention.
  • 13 is a perspective view of the acoustic device of FIG. 12 as seen from the direction of arrow XIII.
  • 14 is an exploded perspective view showing the configuration of the acoustic device viewed from the same direction as in FIG. 12.
  • FIG. 15 is an exploded perspective view showing the configuration of the acoustic device viewed from the same direction as in FIG. 13.
  • FIG. FIG. 16 is a cross-sectional view of the acoustic device of FIG. 13 as viewed in the direction of arrows XVI--XVI.
  • an acoustic device 100b included in the ultrasonic transducer according to Embodiment 3 of the present invention includes an acoustic MEMS element 120.
  • FIG. Acoustic device 100 b further includes substrate 110 , tubular spacer 510 and counter substrate 610 .
  • a plurality of fourth electrodes 117 are formed on the first major surface 111 of the substrate 110 .
  • the fourth electrode 117 is electrically connected to the corresponding first electrode 113 via a via electrode or the like.
  • the second electrode 115 and the first annular electrode 116 are not formed on the second major surface 112 of the substrate 110 .
  • the spacer 510 has a first major surface 511 and a second major surface 512 .
  • Spacer 510 has a rectangular annular shape.
  • the spacer 510 has substantially the same rectangular outer shape as the substrate 110 .
  • the thickness of spacer 510 is adjusted so that acoustic MEMS element 120 and wire 160 do not come into contact with opposing substrate 610 .
  • the material of the spacer 510 is a combination of resin such as glass epoxy and glass fiber, low temperature co-fired ceramics (LTCC), or ceramics such as alumina.
  • a plurality of fifth electrodes 513 are formed on the first main surface 511 of the spacer 510 .
  • a frame-shaped electrode 514 is formed along the edge of the spacer 510 on the first main surface 511 of the spacer 510 .
  • a plurality of sixth electrodes 516 electrically connected to the plurality of fifth electrodes 513 via via electrodes or the like are formed on the second main surface 512 of the spacer 510 .
  • the sixth electrode 516 is connected to the corresponding fourth electrode 117 via the conductive adhesive 151 .
  • a frame-shaped electrode 515 is formed along the edge of the spacer 510 on the second main surface 512 of the spacer 510 .
  • the electrode 514 is electrically connected to the electrode 515 through a via electrode or the like.
  • Electrode 515 is connected to electrode 114 via conductive adhesive 150 .
  • the second main surface 512 of the spacer 510 and the first main surface 111 of the substrate 110 are joined to each other without gaps over the entire circumference by a
  • the opposing substrate 610 has a first principal surface 611 and a second principal surface 612 .
  • the opposing substrate 610 has substantially the same rectangular outer shape as the substrate 110 .
  • the thickness of counter substrate 610 is, for example, 0.1 mm or more and 0.3 mm or less.
  • the material of the counter substrate 610 is a combination of resin such as glass epoxy and glass fiber, low temperature co-fired ceramics (LTCC), or ceramics such as alumina.
  • a plurality of second electrodes 615 are formed on the first main surface 611 of the opposing substrate 610 .
  • a plurality of seventh electrodes 614 and a frame-shaped electrode 617 are formed on the second main surface 612 of the opposing substrate 610 .
  • Electrodes 617 are formed along the edges of the counter substrate 610 .
  • the second electrode 615 is electrically connected to the electrode 617 or the corresponding seventh electrode 614 via a via electrode or the like.
  • Electrode 617 is connected to electrode 514 via conductive adhesive 750 .
  • the first main surface 511 of the spacer 510 and the second main surface 612 of the counter substrate 610 are joined to each other without gaps over the entire circumference by a conductive adhesive 750 .
  • the seventh electrode 614 is connected to the corresponding fifth electrode 513 via a conductive adhesive 751 .
  • the second electrode 615 is electrically connected to the acoustic MEMS element 120 through the seventh electrode 614, the fifth electrode 513, the sixth electrode 516, the fourth electrode 117, the first electrode 113 and the wire 160.
  • the second electrodes 615 are electrically connected to the electrodes of the mounting board.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to Embodiment 3 of the present invention.
  • an ultrasonic transducer 400b according to Embodiment 3 of the present invention includes an acoustic device 100b and an acoustic path Pb.
  • Acoustic path Pb is configured to pass through substrate 110 and housing 300b.
  • the acoustic device 100b is mounted inside the housing 300b of the electronic device while being mounted on the mounting board 200b.
  • the acoustic device 100b is mounted on the mounting substrate 200b in which the second through holes 200h are not formed.
  • the mounting board 200b faces the opposing board 610 .
  • a plurality of third electrodes 202 are formed on the surface of the mounting substrate 200b on the opposing substrate 610 side. Each of the multiple third electrodes 202 is electrically connected to the corresponding second electrode 615 of the counter substrate 610 by solder 203 .
  • the third through hole 300bh of the housing 300b faces the first through hole 110h of the substrate 110.
  • a sealing portion 310b is provided between the housing 300b and the substrate 110 .
  • the sealing portion 310b is formed so as to surround the first through hole 110h and the third through hole 300bh.
  • the sealing portion 310b has an annular shape.
  • the sealing portion 310b is continuous in the circumferential direction to prevent sound leakage from between the housing 300b and the substrate 110.
  • the inner diameter of the sealing portion 310b is, for example, 0.4 mm or more and 3.0 mm or less.
  • the thickness of the sealing portion 310b is, for example, 0.1 mm or more and 1.0 mm or less.
  • the sealing portion 310b is made of resin. With the above configuration, the acoustic path Pb extends linearly.
  • the ultrasonic transducer 400b since the acoustic path Pb satisfies the same conditions as in the first embodiment, it is possible to radiate ultrasonic waves with a high sound pressure level in a wide frequency band.
  • Embodiment 4 An ultrasonic transducer according to Embodiment 4 of the present invention will be described below with reference to the drawings. Since the ultrasonic transducer according to Embodiment 4 of the present invention differs from the ultrasonic transducer according to Embodiment 3 of the present invention in the configuration of the acoustic path, the configuration similar to that of the ultrasonic transducer according to Embodiment 3 of the present invention does not repeat the description.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to Embodiment 4 of the present invention.
  • an ultrasonic transducer 400c according to Embodiment 4 of the present invention includes an acoustic device 100b and an acoustic path Pc.
  • the third through hole 300ch of the housing 300c is located on an extension line along the second main surface 112 of the substrate 110.
  • a sealing portion 310b is provided between the second main surface 112 of the substrate 110 and the inner surface of the housing 300c. The gap between the second main surface 112 of the substrate 110 and the inner surface of the housing 300 is closed by the sealing portion 310b.
  • the sealing portion 310b has a C-shape and is discontinuous at the portion that serves as the acoustic path Pc.
  • a sealing portion 310c is provided between the surface of the mounting substrate 200b facing the counter substrate 610 and the inner surface of the housing 300c. The gap between the surface of the mounting substrate 200 on the counter substrate 610 side and the inner surface of the housing 300 is closed by the sealing portion 310c. Due to the above configuration, the acoustic path Pc detours inside the housing 300c.
  • the ultrasonic transducer 400c according to Embodiment 3 of the present invention since the acoustic path Pc satisfies the same conditions as in Embodiment 1, it is possible to radiate ultrasonic waves with a high sound pressure level in a wide frequency band.
  • FIG. 19 is a diagram showing the structure of an ultrasonic transducer in Experimental Example 1.
  • FIG. 19 in the ultrasonic transducer 800 in Experimental Example 1, the second through hole 200 h of the mounting substrate 200 on which the acoustic device 100 is mounted is closed with a plate member 810 .
  • the thickness of the substrate 110 is 0.2 mm
  • the diameter of the first through hole 110h is 0.6 mm
  • the thickness of the base portion 121 is 0.3 mm
  • the length of one side of the membrane portion 122 is 0. 8 mm
  • the thickness of the membrane portion 122 is 3 ⁇ m
  • the width of the through slit SL is 1 ⁇ m
  • the diameter of the second through hole 200h is 1 mm
  • the thickness of the mounting substrate 200 is 1 mm
  • the thickness of the lid portion 130 is 0.08 mm. bottom.
  • the frequency at which the amount of displacement of the membrane part 122 became the largest was actually measured as the resonance frequency f0 of the acoustic MEMS element 120, and compared with the results of acoustic simulation analysis.
  • f0 43 kHz.
  • f0 is about 42 kHz to 43 kHz, which is substantially the same as the result of simulation analysis. From the results of Experimental Example 1, it was confirmed that the resonance frequency f0 can be specified by observing the impedance frequency characteristics with the second through hole 200h of the mounting board 200 closed.
  • Example 2 Next, a description will be given of an experimental example in which acoustic simulation analysis was performed by changing the length of the hole formed inside the housing, which serves as an acoustic path.
  • 20 is a diagram showing the structure of an ultrasonic transducer in Experimental Example 2.
  • FIG. 20 the ultrasonic transducer 900 in Experimental Example 2 includes an acoustic device 100 and an acoustic path P9.
  • the housing 390 is formed with a third through hole 390h that is L-shaped in longitudinal section.
  • the diameter of the third through-hole 390h was set to 1.5 mm.
  • the length (Ld+Le) of the third through-hole 390h of the comparative example is 6.5 mm
  • the length (Ld+Le) of the third through-hole 390h of the first embodiment is 9.5 mm
  • the third through-hole 390h of the second embodiment is The length (Ld+Le) of is set to 12.5 mm.
  • the diameter of the second through-hole 200h was set to 1.1 mm, and the other dimensions were the same as in Experimental Example 1.
  • FIG. 21 is a graph showing sound pressure frequency characteristics of ultrasonic transducers according to Comparative Example, Example 1, and Example 2.
  • FIG. 21 the vertical axis indicates SPL (dB) and the horizontal axis indicates frequency (kHz).
  • a comparative example is indicated by a solid line
  • Example 1 is indicated by a dotted line
  • Example 2 is indicated by a chain double-dashed line.
  • each of the ultrasonic transducers according to Comparative Example, Example 1, and Example 2 has two sound pressure peaks.
  • the resonance frequency f0 is 43 kHz from the results of Experimental Example 1.
  • the frequency fl of the comparative example was 41 kHz
  • the frequency fl of Example 1 was 38 kHz
  • the frequency fl of Example 2 was 39 kHz.
  • the frequency fh of Comparative Example was 50 kHz or higher
  • the frequency fh of Example 1 was 43 kHz
  • the frequency fh of Example 2 was 46 kHz.
  • the comparative example (SPLmax-SPLmin) was 20.2 dB
  • the example 1 (SPLmax-SPLmin) was 6.1 dB
  • the example 2 (SPLmax-SPLmin) was 9.0 dB.
  • (f0-fl)/f0 ⁇ 100 4.7 in Comparative Example
  • (f0-fl)/f0 ⁇ 100 11.6 in Example 1
  • (f0-fl )/f0 ⁇ 100 9.3.
  • the ultrasonic transducer according to the comparative example which does not satisfy the relationship of 5 ⁇ (f0 ⁇ fl)/f0 ⁇ 100 ⁇ 33, has a sound pressure peak height difference of 20 dB or more in the frequency band of fl to fh.
  • the height difference of the sound pressure peaks in the frequency band from fl to fh It was 10 dB or less, and it was confirmed that ultrasonic waves with a high sound pressure level could be emitted in a wide frequency band.
  • 100, 100b acoustic device 110 substrate, 110h first through hole, 111, 511, 611 first main surface, 112, 512, 612 second main surface, 113 first electrode, 114, 514, 515, 617 electrode, 115 , 615 second electrode, 116 first annular electrode, 117 fourth electrode, 120 element, 121 base portion, 122 membrane portion, 123 support layer, 124 intermediate layer, 125 piezoelectric layer, 126 elastic layer, 127 upper electrode layer, 128 laminated body, 129a first pad electrode, 129b second pad electrode, 130 lid, 140 die bonding agent, 150, 151, 750, 751 conductive adhesive, 160 wire, 200, 200b mounting substrate, 200h second through hole , 201 second annular electrode, 202 third electrode, 203 solder, 300, 300b, 300c, 390 housing, 300ah, 300bh, 300ch, 300h, 390h third through hole, 310, 310a, 310b, 310c sealing portion, 400, 400a

Abstract

音響デバイス(１００)と音響経路(Ｐ)とを備える。音響デバイス(１００)は、音響ＭＥＭＳ素子(１２０)を含む。音響経路(Ｐ)は、音響ＭＥＭＳ素子(１２０)に通じている。音響経路(Ｐ)において、音響ＭＥＭＳ素子(１２０)の振動によって発生した超音波が共鳴可能である。超音波トランスデューサ(４００)は、音響ＭＥＭＳ素子(１２０)の共振と音響経路(Ｐ)での共鳴とが組み合わされることにより、複数の音圧ピークが現れる音圧周波数特性を有する。音響ＭＥＭＳ素子(１２０)の共振周波数をｆ０とし、上記音圧周波数特性において複数の音圧ピークが現れた周波数のうち共振周波数ｆ０より低くかつ共振周波数ｆ０に最も近い周波数をｆｌとすると、５≦(ｆ０－ｆｌ)／ｆ０×１００≦３３の関係を満たす。

Description

超音波トランスデューサ
　本発明は、超音波トランスデューサに関する。
　超音波トランスデューサの構成を開示した先行技術文献として、国際公開第２０２０／２３０４８４号(特許文献１)がある。特許文献１に記載された超音波トランスデューサは、実装基板と、圧電デバイスとを備える。圧電デバイスは、実装基板に実装されている。圧電デバイスは、基板と、圧電素子と、蓋部とを含む。基板には、貫通孔が形成されている。圧電素子は、基板の第１主面上に位置する。実装基板は、基板の第２主面と面している。実装基板には、貫通孔が形成されている。実装基板の貫通孔の圧電デバイス側の端部は、基板の貫通孔と面する位置に位置している。
国際公開第２０２０／２３０４８４号
　超音波トランスデューサには、広い周波数帯域において高い音圧レベルの超音波を放射可能であることが求められる。
　本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、広い周波数帯域において高い音圧レベルの超音波を放射可能な超音波トランスデューサを提供することを目的とする。
　本発明に基づく超音波トランスデューサは、音響デバイスと音響経路とを備える。音響デバイスは、音響ＭＥＭＳ素子を含む。音響経路は、音響ＭＥＭＳ素子に通じている。音響経路において、音響ＭＥＭＳ素子の振動によって発生した超音波が共鳴可能である。超音波トランスデューサは、音響ＭＥＭＳ素子の共振と音響経路での共鳴とが組み合わされることにより、複数の音圧ピークが現れる音圧周波数特性を有する。音響ＭＥＭＳ素子の共振周波数をｆ０とし、上記音圧周波数特性において複数の音圧ピークが現れた周波数のうち共振周波数ｆ０より低くかつ共振周波数ｆ０に最も近い周波数をｆｌとすると、５≦(ｆ０－ｆｌ)／ｆ０×１００≦３３の関係を満たす。
　本発明によれば、広い周波数帯域において高い音圧レベルの超音波を放射可能である。
本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサが備える音響デバイスの外観を示す斜視図である。 本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサが備える音響デバイスの構成を示す分解斜視図である。 図１の音響デバイスをＩＩＩ－ＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。 図１の音響デバイスを矢印ＩＶ方向から見た底面図である。 本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサが備える音響ＭＥＭＳ素子の外観を示す斜視図である。 図５の音響ＭＥＭＳ素子をＶＩ－ＶＩ線矢印方向から見た断面図である。 本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサの構成を示す断面図である。 音響経路の共鳴周波数が互いに異なる超音波トランスデューサの音圧周波数特性を示すグラフである。 (ｆ０－ｆｌ)／ｆ０と(ＳＰＬｍａｘ－ＳＰＬｍｉｎ)との関係を示すグラフである。 (ｆ０－ｆｌ)／ｆ０と(ｆｈ－ｆｌ)／ｆ０との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサの構成を示す断面図である。 本発明の実施形態３に係る超音波トランスデューサが備える音響デバイスの外観を示す斜視図である。 図１２の音響デバイスを矢印ＸＩＩＩ方向から見た斜視図である。 図１２と同一方向から見た音響デバイスの構成を示す分解斜視図である。 図１３と同一方向から見た音響デバイスの構成を示す分解斜視図である。 図１３の音響デバイスをＸＶＩ－ＸＶＩ線矢印方向から見た断面図である。 本発明の実施形態３に係る超音波トランスデューサの構成を示す断面図である。 本発明の実施形態４に係る超音波トランスデューサの構成を示す断面図である。 実験例１における超音波トランスデューサの構造を示す図である。 実験例２における超音波トランスデューサの構造を示す図である。 比較例、実施例１および実施例２に係る超音波トランスデューサの音圧周波数特性を示すグラフである。
　以下、本発明の各実施形態に係る超音波トランスデューサについて図面を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。
　本明細書において、「ＭＥＭＳ」とは、Micro　Electro　Mechanical　Systemsの略称である。「音響ＭＥＭＳ素子」とは、ＭＥＭＳマイク、ｐＭＵＴ（piezoelectric　Micro-machined　Ultrasonic　Transducer）、ｃＭＵＴ（capacitive　Micro-machined　Ultrasonic　Transducer）、ＭＥＭＳスピーカなどの総称である。
　(実施形態１)
　図１は、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサが備える音響デバイスの外観を示す斜視図である。図２は、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサが備える音響デバイスの構成を示す分解斜視図である。図３は、図１の音響デバイスをＩＩＩ－ＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図４は、図１の音響デバイスを矢印ＩＶ方向から見た底面図である。
　図１～図４に示すように、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサが備える音響デバイス１００は、音響ＭＥＭＳ素子１２０を含む。音響デバイス１００は、基板１１０および蓋部１３０をさらに含む。音響デバイス１００は、ＡＳＩＣ(application　specific　integrated　circuit)をさらに含んでいてもよい。
　基板１１０は、第１主面１１１および第２主面１１２を有する。基板１１０には、第１主面１１１から第２主面１１２に達している第１貫通孔１１０ｈが形成されている。
　基板１１０は、矩形状の外形を有している。基板１１０の一辺の長さは、たとえば、１ｍｍ以上３ｍｍ以下である。基板１１０の厚さは、たとえば、０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下である。基板１１０の材料は、ガラスエポキシなどの樹脂とガラス繊維とが組み合わせられた材料、低温同時焼成セラミックス(ＬＴＣＣ：Low　Temperature　Co-fired　Ceramics)、または、アルミナなどからなるセラミックスである。
　基板１１０の第１主面１１１には、複数の第１電極１１３が形成されている。第１電極１１３は、音響ＭＥＭＳ素子１２０の対応するパッド電極とワイヤ１６０によって電気的に接続されている。すなわち、音響ＭＥＭＳ素子１２０と第１電極１１３とは、ワイヤボンディングされる。第１主面１１１上にＡＳＩＣが実装されている場合は、第１電極１１３はＡＳＩＣの一の電極と電気的に接続され、ＡＳＩＣの他の電極と音響ＭＥＭＳ素子１２０の電極とが電気的に接続される。基板１１０の第１主面１１１には、基板１１０の縁に沿って枠状の電極１１４が形成されている。電極１１４は、第１主面１１１上に配置された銅箔と電気的に接続されている。
　基板１１０の第２主面１１２には、複数の第２電極１１５および第１環状電極１１６が形成されている。本実施形態においては、基板１１０の第２主面１１２に２つの第２電極１１５が形成されている。第２電極１１５は、第１環状電極１１６の外側に位置している。第２電極１１５は、対応する第１電極１１３と、ビア電極などを介して電気的に接続されている。第２電極１１５は、第１電極１１３およびワイヤ１６０を通じて音響ＭＥＭＳ素子１２０と電気的に接続されている。後述するように、音響デバイス１００が実装基板に実装される際に、第２電極１１５が実装基板の電極に電気的に接続される。
　第１環状電極１１６は、第１貫通孔１１０ｈを取り囲むように形成されている。第１環状電極１１６は、実装基板と音響ＭＥＭＳ素子１２０との間からの音漏れを防ぐために周方向に連続している。なお、音響ＭＥＭＳ素子１２０の共振のＱ値を低くする目的で、第１環状電極１１６が不連続に形成されていてもよい。第１環状電極１１６は、図４に示したように円形の環状であってもよく、円形以外の形状の環状であってもよい。
　第１貫通孔１１０ｈは、音響ＭＥＭＳ素子１２０の後述するメンブレン部と面している。第１貫通孔１１０ｈは、第１主面１１１に直交する方向から見て、円形であるが、矩形でもよい。第１貫通孔１１０ｈの直径は、たとえば、０．１ｍｍ以上１．４ｍｍ以下である。
　蓋部１３０は、基板１１０の第１主面１１１上に配置される。蓋部１３０は、導電性接着剤１５０を介して電極１１４に接続されている。導電性接着剤１５０は熱硬化性である。蓋部１３０は、全周に亘って第１主面１１１と隙間なく接合されている。蓋部１３０は、音響ＭＥＭＳ素子１２０、ワイヤ１６０および電極１１４などを覆い隠している。蓋部１３０は、音響ＭＥＭＳ素子１２０に離間しつつ音響ＭＥＭＳ素子１２０を覆っている。蓋部１３０は、第１主面１１１に直交する方向から見て、基板１１０の縁に沿う形状を有している。
　蓋部１３０は、導電性を有する材料で形成されている。蓋部１３０の材料は、金属または樹脂である。蓋部１３０は、一部材で形成されている。蓋部１３０は、プレス加工、切削加工またはモールド成形などにより成形される。蓋部１３０の厚さは、たとえば、０．０５ｍｍ以上０．３ｍｍ以下である。蓋部１３０の高さは、音響ＭＥＭＳ素子１２０およびワイヤ１６０と接触しないように調整されている。蓋部１３０は、導電性接着剤１５０、電極１１４、第１主面１１１上の銅箔およびビア電極を通じて、第１環状電極１１６と電気的に接続されている。
　図３に示すように、音響ＭＥＭＳ素子１２０は、第１貫通孔１１０ｈを覆うようにダイボンド剤１４０によって第１主面１１１に固定されている。音響ＭＥＭＳ素子１２０は、後述する基部の全周に亘って第１主面１１１と隙間なく接合されている。ダイボンド剤１４０は、熱硬化性の接着剤である。
　図５は、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサが備える音響ＭＥＭＳ素子の外観を示す斜視図である。図６は、図５の音響ＭＥＭＳ素子をＶＩ－ＶＩ線矢印方向から見た断面図である。
　図５および図６に示すように、音響ＭＥＭＳ素子１２０は、基部１２１およびメンブレン部１２２を含む。本実施形態においては、音響ＭＥＭＳ素子１２０は、圧電素子である。メンブレン部１２２は、圧電体によって振動発生および振動検出の少なくとも一方を行なう。なお、音響ＭＥＭＳ素子１２０は、圧電素子に限られず、静電方式によって振動発生および振動検出の少なくとも一方を行なう構成であってもよい。
　図６に示すように、音響ＭＥＭＳ素子１２０は、第１パッド電極１２９ａおよび第２パッド電極１２９ｂを有している。第１パッド電極１２９ａは、図示しない接続配線を介して後述する下部電極層と電気的に接続されている。第２パッド電極１２９ｂは、図示しない接続配線を介して後述する上部電極層と電気的に接続されている。第１パッド電極１２９ａおよび第２パッド電極１２９ｂの各々は、基板１１０の第１電極１１３とワイヤ１６０によって電気的に接続されている。
　基部１２１は、矩形環状の形状を有している。ただし、基部１２１の形状は、矩形環状に限られず、円環状または矩形以外の多角形の環状でもよい。基部１２１の外縁の一辺の長さは、たとえば、０．６ｍｍ以上１．５ｍｍ以下である。基部１２１の厚さは、たとえば、０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。
　基部１２１は、支持層１２３と、中間層１２４と、複数の層からなる積層体１２８とで構成される。支持層１２３は、たとえば、単結晶シリコンで構成されている。中間層１２４は、たとえば、ＳｉＯ2で構成されている。
　積層体１２８は、圧電体層１２５、弾性体層１２６、上部電極層１２７および下部電極層の少なくとも一層を含む。圧電体層１２５は、タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムで構成された単結晶圧電体である。圧電体層１２５は、回転Ｙカットの単結晶圧電体で構成されていてもよい。圧電体層１２５は、チタン酸ジルコン酸鉛(ＰＺＴ)、窒化アルミニウム(ＡｌＮ)、またはこれらに不純物がドープされた堆積膜で構成されていてもよい。
　弾性体層１２６は、たとえば、Ｓｉで構成されている。弾性体層１２６は、圧電体層１２５と同じ材料、またはこれに不純物がドープされた膜で構成されていてもよい。上部電極層１２７は、Ｐｔなどの導電性材料で構成されている。下部電極層は、Ｐｔなどの導電性材料で構成されている。弾性体層１２６がＳｉに不純物がドープされて低抵抗化された膜で構成されている場合には、弾性体層１２６を下部電極層と兼ねることができ、下部電極層を別途設けなくてもよい。
　メンブレン部１２２は、基部１２１の内側に位置し、基部１２１に支持されている。これにより、音響ＭＥＭＳ素子１２０には、基部１２１とメンブレン部１２２とで囲まれた凹部Ｘが形成されている。メンブレン部１２２は、正方形状の外形を有しているが、円形状または多角形状の外形を有していてもよい。メンブレン部１２２の外形の一辺の長さは、たとえば、０．５ｍｍ以上１．４ｍｍ以下である。メンブレン部１２２の厚さは、たとえば、０．５μｍ以上６．０μｍ以下である。
　メンブレン部１２２には、メンブレン部１２２を貫通している貫通スリットＳＬが形成されている。これにより、メンブレン部１２２は複数の梁部を有する。貫通スリットＳＬの幅は、１０μｍ以下である。貫通スリットＳＬの幅が狭いほどメンブレン部１２２での音漏れを抑制することができる。メンブレン部１２２の共振のＱ値を低くする目的で、貫通スリットＳＬの幅を３μｍ以上としてもよい。
　メンブレン部１２２の梁部は、第１主面１１１に直交する方向から見て、略三角形状の外形を有している。メンブレン部１２２の梁部の外形は、第１主面１１１に直交する方向から見て、三角形状に限られず、台形状でもよく、梁部の先端側が湾曲していてもよい。メンブレン部１２２の梁部の長さの寸法は、メンブレン部１２２が容易に振動することができるように、メンブレン部１２２の厚さの寸法の少なくとも５倍以上である。メンブレン部１２２の梁部は、片持ち梁状である。ただし、メンブレン部１２２の梁部は、片持ち梁状でなくてもよく、複数の梁部が基部１２１以外で互いに接続されていてもよい。
　メンブレン部１２２の梁部は、少なくとも、圧電体層１２５と、上部電極層１２７と、下部電極層とを含む。上部電極層１２７は、圧電体層１２５を挟んで下部電極層の少なくとも一部に対向するように配置される。図６に示すように、弾性体層１２６が下部電極層と兼ねている場合は、上部電極層１２７は、圧電体層１２５を挟んで弾性体層１２６と対向している。
　メンブレン部１２２は、応力中立面を有している。応力中立面は、メンブレン部１２２の厚みの略中間の位置にある。圧電体層１２５は、メンブレン部１２２の応力中立面に関して基板１１０側とは反対側に位置している。なお、圧電体層１２５は、メンブレン部１２２の応力中立面に関して基板１１０側に位置していてもよい。
　メンブレン部１２２は、上部電極層１２７と下部電極層との間に電位差が与えられる、つまり、圧電体層１２５に電圧が印加されることで屈曲する。また、外部からの超音波を受けてメンブレン部１２２が屈曲すると、圧電体層１２５に電荷が発生し、上部電極層１２７と下部電極層との間に電位差が発生する。圧電体層１２５が電圧を印加されて生じる屈曲、または、圧電体層１２５が超音波を受けて生じる屈曲の、振幅が最大となる周波数、つまりメンブレン部１２２の共振周波数は２０ｋＨｚ以上６０ｋＨｚ以下である。
　ここで、音響デバイス１００の動作について説明する。
　音響デバイス１００が超音波を送信するときは、２つの第２電極１１５に電圧を印加することにより、一方の第２電極と電気的に接続されている上部電極層１２７と、他方の第２電極と電気的に接続されている下部電極層との間に、電圧が印加される。これにより、上部電極層１２７と下部電極層との間に位置する圧電体層１２５が駆動される。圧電体層１２５が駆動されることによりメンブレン部１２２が振動して、超音波が発生する。この超音波は、第１貫通孔１１０ｈから外部空間に放射される。
　音響デバイス１００が超音波を受信するときは、外部空間から第１貫通孔１１０ｈを通ってメンブレン部１２２に達した超音波が、メンブレン部１２２を振動させる。これにより、圧電体層１２５が駆動され、圧電体層１２５を両側から挟んでいる上部電極層１２７と下部電極層との間に電位差が生じる。この電位差は、上部電極層１２７および下部電極層に電気的にそれぞれ接続された２つの第２電極１１５で検出することができる。このようにして、音響デバイス１００は、超音波を受信することができる。
　超音波を用いた距離測定方法としてパルスエコー法がある。具体的には、音響デバイス１００にパルス電圧を印加することで測定対象物に向けて超音波パルスを送信し、測定対象物から反射してきた超音波パルスを送信時から一定時間経過後に受信し、送信から受信までの時間から測定対象物までの距離を測定する。
　ここで、音響ＭＥＭＳ素子１２０のメンブレン部１２２の共振および後述する音響経路の共鳴を利用して、音響デバイス１００から放射された超音波パルスを強めたり、音響デバイス１００による超音波パルスの受信感度を高めたりすることができる。しかしながら、このようにした場合、パルス電圧印加後もメンブレン部１２２の振動が続いてしまい、いわゆる残響が発生する。残響が超音波パルスの受信時までに止まらない場合、音響デバイス１００は測定対象物から反射してきた超音波パルスを受信することができなくなる。
　次に、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサの構成について説明する。図７は、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサの構成を示す断面図である。図７に示すように、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサ４００は、音響デバイス１００と、音響経路Ｐとを備える。音響経路Ｐは、基板１１０と実装基板２００と筐体３００とを貫通するように構成されている。具体的には、音響デバイス１００は、実装基板２００に実装された状態で電子機器の筐体３００の内側に取り付けられている。
　実装基板２００は、基板１１０の第２主面１１２と面している。実装基板２００の基板１１０側の面上には、複数の第３電極２０２が形成されている。複数の第３電極２０２の各々は、はんだ２０３によって対応する第２電極１１５と互いに電気的に接続されている。
　実装基板２００には、第２貫通孔２００ｈが形成されている。第２貫通孔２００ｈの基板１１０側の端部は、第１貫通孔１１０ｈと面する位置に位置している。第２貫通孔２００ｈは、実装基板２００の基板１１０側の面から基板１１０側とは反対側の面に達するまで直線状に形成されている。第２貫通孔２００ｈの直径は、たとえば、０．４ｍｍ以上１．２ｍｍ以下である。
　実装基板２００の基板１１０側の面上には、第２貫通孔２００ｈを取り囲むように位置する第２環状電極２０１が設けられている。第２環状電極２０１は、はんだ２０３によって基板１１０の第１環状電極１１６と互いに電気的に接続されている。これにより、超音波が第１貫通孔１１０ｈと第２貫通孔２００ｈとの間を通過するときに、音響デバイス１００と実装基板２００との間から超音波が外部へ漏れる量を、調整することができる。具体的には、第１環状電極１１６が不連続に形成されている場合に、第１環状電極１１６が形成されていない箇所の大きさを変更することにより、超音波の漏れ量を調整することができる。
　実装基板２００の材料は、ガラスエポキシなどの樹脂とガラス繊維とが組み合わせられた材料、低温同時焼成セラミックス(ＬＴＣＣ)、または、アルミナなどからなるセラミックスである。また、実装基板２００は、銅箔とポリイミドなどから構成されるフレキシブル基板であってもよく、これに補強板を備えた複合基板でもよい。実装基板２００の厚さは、たとえば、０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である。
　筐体３００は、実装基板２００に実装された音響デバイス１００を収容する。筐体３００には、実装基板２００の第２貫通孔２００ｈに面する第３貫通孔３００ｈが形成されている。第３貫通孔３００ｈの直径は、たとえば、０．４ｍｍ以上４．０ｍｍ以下である。第３貫通孔３００ｈの長さは、筐体３００の厚みに依るが、たとえば、０．４ｍｍ以上３．０ｍｍ以下である。
　筐体３００と実装基板２００との間に、封止部３１０が設けられている。封止部３１０は、第２貫通孔２００ｈおよび第３貫通孔３００ｈを取り囲むように形成されている。封止部３１０は、環状の形状を有している。封止部３１０は、筐体３００と実装基板２００との間からの音漏れを防ぐために周方向に連続している。封止部３１０の内縁は、円形状または矩形状である。封止部３１０の内径は、たとえば、０．４ｍｍ以上３．０ｍｍ以下である。封止部３１０の厚さは、たとえば、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である。封止部３１０は、樹脂で構成されている。
　図７に示すように、超音波トランスデューサ４００においては、音響ＭＥＭＳ素子１２０、第１貫通孔１１０ｈ、第１環状電極１１６、第２環状電極２０１、第２貫通孔２００ｈ、封止部３１０および第３貫通孔３００ｈによって、超音波の経路となる音響経路Ｐが形成される。すなわち、音響経路Ｐは、音響ＭＥＭＳ素子１２０に通じている。本実施形態においては、音響経路Ｐは、直線状に延在している。
　なお、音響経路Ｐのいずれかの位置に、異物および水滴の侵入防止用の防滴膜または防塵膜が設けられていてもよい。防滴膜または防塵膜としては、金属または樹脂で形成されたメッシュ、もしくはＰＴＦＥ(polytetrafluoroethylene)で形成された可撓膜であってもよい。
　音響経路Ｐは、超音波に対して周波数応答を持ち、特定の固有周波数で共鳴する。すなわち、音響経路Ｐは、共鳴周波数を有する。音響経路Ｐにおいて、音響ＭＥＭＳ素子１２０の振動によって発生した超音波が共鳴可能である。一方、音響ＭＥＭＳ素子１２０は、上記の通り、メンブレン部１２２の固有の共振周波数を有している。
　音響経路の共鳴周波数については、ヘルムホルツ共鳴または気柱共鳴などの導出方法が知られているが、上記の音響経路Ｐのような複雑な音響経路に適用することは難しい。
　また、超音波トランスデューサ４００においては、音響ＭＥＭＳ素子１２０のメンブレン部１２２が非常に薄いため、振動状態において音響経路Ｐ中の空気と互いに影響を及ぼし合う。そのため、音響ＭＥＭＳ素子１２０の共振周波数と音響経路Ｐの共鳴周波数とを切り分けることができない。よって、超音波トランスデューサ４００においては、音響ＭＥＭＳ素子１２０の共振周波数と音響経路Ｐの共鳴周波数とを互いに隣接させることにより、強い超音波を放射可能な周波数帯域を広げることが難しい。
　ここで、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサ４００において、広い周波数帯域において高い音圧レベルの超音波を放射可能となるメカニズムについて説明する。
　まず、音響経路Ｐの長さおよび幅を変更することにより音響経路Ｐの共鳴周波数を互いに異ならせた５つの超音波トランスデューサのサンプルにおける音圧周波数特性についてシミュレーション解析を行なった。
　図８は、音響経路の共鳴周波数が互いに異なる超音波トランスデューサの音圧周波数特性を示すグラフである。図８においては、縦軸に、相対音圧レベル(ｄＢ)、横軸に、周波数(ｋＨｚ)を示している。第１サンプルを細一点鎖線、第２サンプルを細二点鎖線、第３サンプルを実線、第４サンプルを太一点鎖線、第５サンプルを太二点鎖線で示している。
　５つのサンプルにおいて、音響ＭＥＭＳ素子１２０の共振周波数ｆ０が、３２ｋＨｚ、４０ｋＨｚおよび４６ｋＨｚの３種類でシミュレーション解析を行なった。図８においては、音響ＭＥＭＳ素子１２０の共振周波数ｆ０が４０ｋＨｚであるときの音圧周波数特性を示している。
　なお、音響ＭＥＭＳ素子１２０の共振周波数ｆ０を特定するには、真空雰囲気にてインピーダンス周波数特性を見ることにより確認することができる。簡便には、実装基板２００の第２貫通孔２００ｈを塞いだ状態でインピーダンス周波数特性を見ることでも共振周波数ｆ０を確認することができる場合がある。
　図８に示すように、第１サンプル～第５サンプルの各々は、２つの音圧ピークを有している。なお、２つ以上の音圧ピークが現れていてもよい。このように、第１サンプル～第５サンプルの超音波トランスデューサは、音響ＭＥＭＳ素子１２０の共振と音響経路Ｐでの共鳴とが組み合わされることにより、複数の音圧ピークが現れる音圧周波数特性を有する。
　ここで、音圧周波数特性において複数の音圧ピークが現れた周波数のうち共振周波数ｆ０より低くかつ共振周波数ｆ０に最も近い周波数をｆｌとし、その音圧ピークをＰｌとする。音圧周波数特性において複数の音圧ピークが現れた周波数のうち共振周波数ｆ０より高くかつ共振周波数ｆ０に最も近い周波数をｆｈとし、その音圧ピークをＰｈとする。音圧ピークＰｌと音圧ピークＰｈとにおいて高い方の音圧レベルをＳＰＬｍａｘとし、周波数ｆｌと周波数ｆｈとの間において最も低い音圧レベルをＳＰＬｍｉｎとする。
　図９は、(ｆ０－ｆｌ)／ｆ０と(ＳＰＬｍａｘ－ＳＰＬｍｉｎ)との関係を示すグラフである。図９においては、縦軸に、(ＳＰＬｍａｘ－ＳＰＬｍｉｎ)(ｄＢ)、横軸に、(ｆ０－ｆｌ)／ｆ０×１００(％)を示している。また、共振周波数ｆ０が、３２ｋＨｚを丸、４０ｋＨｚを三角、４６ｋＨｚを四角で示している。
　図９に示すように、５≦(ｆ０－ｆｌ)／ｆ０×１００≦３３の範囲内において、(ＳＰＬｍａｘ－ＳＰＬｍｉｎ)、すなわち周波数ｆｌと周波数ｆｈとの間における音圧ピークの高低差が１０ｄＢ以下になっていた。
　図１０は、(ｆ０－ｆｌ)／ｆ０と(ｆｈ－ｆｌ)／ｆ０との関係を示すグラフである。図１０においては、縦軸に、(ｆｈ－ｆｌ)／ｆ０×１００(％)、横軸に、(ｆ０－ｆｌ)／ｆ０×１００(％)を示している。また、共振周波数ｆ０が、３２ｋＨｚを丸、４０ｋＨｚを三角、４６ｋＨｚを四角で示している。
　図１０に示すように、５≦(ｆ０－ｆｌ)／ｆ０×１００≦３３の範囲内において、２０≦(ｆｈ－ｆｌ)／ｆ０×１００≦４０となっていた。
　上記のシミュレーション解析結果から、音響ＭＥＭＳ素子１２０の共振と音響経路Ｐでの共鳴とが組み合わされることにより複数の音圧ピークが現れた周波数のうち共振周波数ｆ０より低くかつ共振周波数ｆ０に最も近い周波数をｆｌとすると、５≦(ｆ０－ｆｌ)／ｆ０×１００≦３３の関係を満たす音圧周波数特性を有する超音波トランスデューサ４００は、ピーク音圧を両端に含みつつ、共振周波数f０に対して２０％以上４０％以下の範囲となる広い周波数帯(たとえばｆ０＝４０ｋＨｚであるとき８ｋＨｚ以上１６ｋＨｚ以下の範囲)にて、音圧高低差を１０ｄＢ以内にできることが確認できた。すなわち、５≦(ｆ０－ｆｌ)／ｆ０×１００≦３３の関係を満たす音圧周波数特性を有する超音波トランスデューサ４００は、広い周波数帯域において高い音圧レベルの超音波を放射可能である。
　本実施形態に係る超音波トランスデューサ４００が、ｆｌ以上ｆｈ以下の周波数帯域内の周波数の超音波を音響経路Ｐから外部に放射する場合、ｆｌ以上ｆｈ以下の周波数帯域内で安定して高い音圧が得られるため、仮に、複数の超音波トランスデューサ４００における音響ＭＥＭＳ素子１２０の共振周波数f０にばらつきがあった場合においてもこれらの超音波トランスデューサ４００の音圧周波数特性の差異を緩和することができる。また、超音波トランスデューサ４００の温度特性を安定化させることができる。
　本実施形態に係る超音波トランスデューサ４００は、音響経路Ｐから外部に放射する超音波の周波数をｆｌ以上ｆｈ以下の周波数帯域内の複数の周波数の中から選択可能である。本実施形態に係る超音波トランスデューサ４００においては、ｆｌ以上ｆｈ以下の周波数帯域内で安定して高い音圧が得られるため、ｆｌ以上ｆｈ以下の周波数帯域内の複数の周波数の中から選択した周波数で音響経路Ｐから外部に超音波を放射することができる。よって、複数の超音波トランスデューサ４００を使用する場合に、これらが放射する超音波の周波数をｆｌ以上ｆｈ以下の周波数帯域内で使い分けることにより、混線防止することができ、また、超音波変調を容易にすることができる。
　図８に示すように、本実施形態に係る超音波トランスデューサ４００が、ｆｌ以上ｆｈ以下の周波数帯域内において最も音圧が低くなる周波数ｆｂの超音波を音響経路Ｐから外部に放射する場合、音圧周波数特性の変化が最も小さい領域で超音波トランスデューサ４００を使用できるため、超音波トランスデューサ４００のロバスト性を高くすることができる。
　(実施形態２)
　以下、本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサについて図を参照して説明する。本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサは、音響経路の構成が本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサと異なるため、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサと同様である構成については説明を繰り返さない。
　図１１は、本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサの構成を示す断面図である。図１１に示すように、本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサ４００ａは、音響デバイス１００と、音響経路Ｐａとを備える。
　筐体３００の第３貫通孔３００ａｈは、実装基板２００の基板１１０側の面とは反対側の面に沿った延長線上に位置している。実装基板２００の基板１１０側の面と筐体３００の内面との間に、封止部３１０ａが設けられている。封止部３１０ａによって、実装基板２００の基板１１０側の面と筐体３００の内面との間の隙間が封鎖されている。封止部３１０は、Ｃ字状の形状を有し、音響経路Ｐａとなる部分で不連続となっている。上記の構成により、音響経路Ｐａは筐体３００内で迂回している。
　本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサ４００ａにおいても、音響経路Ｐａが実施形態１と同様の条件を満たすことにより、広い周波数帯域において高い音圧レベルの超音波を放射することができる。
　(実施形態３)
　以下、本発明の実施形態３に係る超音波トランスデューサについて図を参照して説明する。本発明の実施形態３に係る超音波トランスデューサは、音響デバイスおよび音響経路の構成が本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサと異なるため、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサと同様である構成については説明を繰り返さない。
　図１２は、本発明の実施形態３に係る超音波トランスデューサが備える音響デバイスの外観を示す斜視図である。図１３は、図１２の音響デバイスを矢印ＸＩＩＩ方向から見た斜視図である。図１４は、図１２と同一方向から見た音響デバイスの構成を示す分解斜視図である。図１５は、図１３と同一方向から見た音響デバイスの構成を示す分解斜視図である。図１６は、図１３の音響デバイスをＸＶＩ－ＸＶＩ線矢印方向から見た断面図である。
　図１２～図１６に示すように、本発明の実施形態３に係る超音波トランスデューサが備える音響デバイス１００ｂは、音響ＭＥＭＳ素子１２０を含む。音響デバイス１００ｂは、基板１１０、筒状のスペーサ５１０および対向基板６１０をさらに含む。本実施形態においては、基板１１０の第１主面１１１に、複数の第４電極１１７が形成されている。第４電極１１７は、対応する第１電極１１３と、ビア電極などを介して電気的に接続されている。基板１１０の第２主面１１２に、第２電極１１５および第１環状電極１１６は形成されていない。
　スペーサ５１０は、第１主面５１１および第２主面５１２を有する。スペーサ５１０は、矩形環状の形状を有している。スペーサ５１０は、基板１１０と略同一の矩形状の外形を有している。スペーサ５１０の厚さは、音響ＭＥＭＳ素子１２０およびワイヤ１６０と対向基板６１０とが接触しないように調整されている。スペーサ５１０の材料は、ガラスエポキシなどの樹脂とガラス繊維とが組み合わせられた材料、低温同時焼成セラミックス(ＬＴＣＣ)、または、アルミナなどからなるセラミックスである。
　スペーサ５１０の第１主面５１１には、複数の第５電極５１３が形成されている。スペーサ５１０の第１主面５１１には、スペーサ５１０の縁に沿って枠状の電極５１４が形成されている。スペーサ５１０の第２主面５１２には、複数の第５電極５１３とそれぞれビア電極などを介して電気的に接続される複数の第６電極５１６が形成されている。第６電極５１６は、導電性接着剤１５１を介して対応する第４電極１１７に接続されている。スペーサ５１０の第２主面５１２には、スペーサ５１０の縁に沿って枠状の電極５１５が形成されている。電極５１４は、ビア電極などを介して電極５１５と電気的に接続されている。電極５１５は、導電性接着剤１５０を介して電極１１４に接続されている。スペーサ５１０の第２主面５１２と、基板１１０の第１主面１１１とは、導電性接着剤１５０によって全周に亘って隙間なく互いに接合されている。
　対向基板６１０は、第１主面６１１および第２主面６１２を有する。対向基板６１０は、基板１１０と略同一の矩形状の外形を有している。対向基板６１０の厚さは、たとえば、０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下である。対向基板６１０の材料は、ガラスエポキシなどの樹脂とガラス繊維とが組み合わせられた材料、低温同時焼成セラミックス(ＬＴＣＣ)、または、アルミナなどからなるセラミックスである。
　対向基板６１０の第１主面６１１には、複数の第２電極６１５が形成されている。対向基板６１０の第２主面６１２には、複数の第７電極６１４および枠状の電極６１７が形成されている。電極６１７は、対向基板６１０の縁に沿って形成されている。第２電極６１５は、電極６１７または対応する第７電極６１４と、ビア電極などを介して電気的に接続されている。電極６１７は、導電性接着剤７５０を介して電極５１４に接続されている。スペーサ５１０の第１主面５１１と、対向基板６１０の第２主面６１２とは、導電性接着剤７５０によって全周に亘って隙間なく互いに接合されている。第７電極６１４は、導電性接着剤７５１を介して対応する第５電極５１３に接続されている。
　上記の構成により、第２電極６１５は、第７電極６１４、第５電極５１３、第６電極５１６、第４電極１１７、第１電極１１３およびワイヤ１６０を通じて音響ＭＥＭＳ素子１２０と電気的に接続されている。後述するように、音響デバイス１００ｂが実装基板に実装される際に、第２電極６１５が実装基板の電極に電気的に接続される。
　次に、本発明の実施形態３に係る超音波トランスデューサの構成について説明する。図１７は、本発明の実施形態３に係る超音波トランスデューサの構成を示す断面図である。図１７に示すように、本発明の実施形態３に係る超音波トランスデューサ４００ｂは、音響デバイス１００ｂと、音響経路Ｐｂとを備える。音響経路Ｐｂは、基板１１０と筐体３００ｂとを貫通するように構成されている。具体的には、音響デバイス１００ｂは、実装基板２００ｂに実装された状態で電子機器の筐体３００ｂの内側に取り付けられている。
　音響デバイス１００ｂは、第２貫通孔２００ｈが形成されていない実装基板２００ｂ上に実装されている。実装基板２００ｂは、対向基板６１０と面している。実装基板２００ｂの対向基板６１０側の面上には、複数の第３電極２０２が形成されている。複数の第３電極２０２の各々は、はんだ２０３によって対向基板６１０の対応する第２電極６１５と互いに電気的に接続されている。
　筐体３００ｂの第３貫通孔３００ｂｈは、基板１１０の第１貫通孔１１０ｈと面している。筐体３００ｂと基板１１０との間に、封止部３１０ｂが設けられている。封止部３１０ｂは、第１貫通孔１１０ｈおよび第３貫通孔３００ｂｈを取り囲むように形成されている。封止部３１０ｂは、環状の形状を有している。封止部３１０ｂは、筐体３００ｂと基板１１０との間からの音漏れを防ぐために周方向に連続している。封止部３１０ｂの内径は、たとえば、０．４ｍｍ以上３．０ｍｍ以下である。封止部３１０ｂの厚さは、たとえば、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である。封止部３１０ｂは、樹脂で構成されている。上記の構成により、音響経路Ｐｂは、直線状に延在している。
　本発明の実施形態３に係る超音波トランスデューサ４００ｂにおいても、音響経路Ｐｂが実施形態１と同様の条件を満たすことにより、広い周波数帯域において高い音圧レベルの超音波を放射することができる。
　(実施形態４)
　以下、本発明の実施形態４に係る超音波トランスデューサについて図を参照して説明する。本発明の実施形態４に係る超音波トランスデューサは、音響経路の構成が本発明の実施形態３に係る超音波トランスデューサと異なるため、本発明の実施形態３に係る超音波トランスデューサと同様である構成については説明を繰り返さない。
　図１８は、本発明の実施形態４に係る超音波トランスデューサの構成を示す断面図である。図１８に示すように、本発明の実施形態４に係る超音波トランスデューサ４００ｃは、音響デバイス１００ｂと、音響経路Ｐｃとを備える。
　筐体３００ｃの第３貫通孔３００ｃｈは、基板１１０の第２主面１１２に沿った延長線上に位置している。基板１１０の第２主面１１２と筐体３００ｃの内面との間に、封止部３１０ｂが設けられている。封止部３１０ｂによって、基板１１０の第２主面１１２と筐体３００の内面との間の隙間が封鎖されている。封止部３１０ｂは、Ｃ字状の形状を有し、音響経路Ｐｃとなる部分で不連続となっている。実装基板２００ｂの対向基板６１０側の面と筐体３００ｃの内面との間に、封止部３１０ｃが設けられている。封止部３１０ｃによって、実装基板２００の対向基板６１０側の面と筐体３００の内面との間の隙間が封鎖されている。上記の構成により、音響経路Ｐｃは筐体３００ｃ内で迂回している。
　本発明の実施形態３に係る超音波トランスデューサ４００ｃにおいても、音響経路Ｐｃが実施形態１と同様の条件を満たすことにより、広い周波数帯域において高い音圧レベルの超音波を放射することができる。
　(実験例１)
　以下、音響ＭＥＭＳ素子１２０の共振周波数ｆ０を実際に特定した実験例について説明する。図１９は、実験例１における超音波トランスデューサの構造を示す図である。図１９に示すように、実験例１における超音波トランスデューサ８００においては、音響デバイス１００を実装した実装基板２００の第２貫通孔２００ｈが板部材８１０で塞がれている。
　実験例１においては、基板１１０の厚さを０．２ｍｍ、第１貫通孔１１０ｈの直径を０．６ｍｍ、基部１２１の厚さを０．３ｍｍ、メンブレン部１２２の外形の一辺の長さを０．８ｍｍ、メンブレン部１２２の厚さを３μｍ、貫通スリットＳＬの幅を１μｍ、第２貫通孔２００ｈの直径を１ｍｍ、実装基板２００の厚さを１ｍｍ、蓋部１３０の厚さを０．０８ｍｍとした。
　メンブレン部１２２の変位量が最も大きくなった周波数を音響ＭＥＭＳ素子１２０の共振周波数ｆ０として実測するとともに、音響シミュレーション解析した結果と比較した。音響シミュレーション解析した結果では、ｆ０＝４３ｋＨｚであった。実測した結果では、ｆ０＝４２ｋＨｚ～４３ｋＨｚ程度であり、シミュレーション解析の結果と略同様の結果となった。実験例１の結果から、実装基板２００の第２貫通孔２００ｈを塞いだ状態でインピーダンス周波数特性を見ることで共振周波数ｆ０を特定できることが確認できた。
　(実験例２)
　次に、筐体の内部に形成された音響経路となる孔部の長さを変えて音響シミュレーション解析した実験例について説明する。図２０は、実験例２における超音波トランスデューサの構造を示す図である。図２０に示すように、実験例２における超音波トランスデューサ９００は、音響デバイス１００と、音響経路Ｐ９とを備える。
　筐体３９０には、縦断面にてＬ字状の第３貫通孔３９０ｈが形成されている。第３貫通孔３９０ｈの直径は、１．５ｍｍとした。第３貫通孔３９０ｈの中心軸を通過する音響経路Ｐ９における、第３貫通孔３９０ｈの深さの寸法をＬｄ、第３貫通孔３９０ｈの延在長さの寸法をＬｅとすると、Ｌｄ＝１．５ｍｍ、比較例のＬｅを５ｍｍ、実施例１のＬｅを８ｍｍ、実施例２のＬｅを１１ｍｍとした。すなわち、比較例の第３貫通孔３９０ｈの長さ(Ｌｄ＋Ｌｅ)を６．５ｍｍ、実施例１の第３貫通孔３９０ｈの長さ(Ｌｄ＋Ｌｅ)を９．５ｍｍ、実施例２の第３貫通孔３９０ｈの長さ(Ｌｄ＋Ｌｅ)を１２．５ｍｍとした。第２貫通孔２００ｈの直径を１．１ｍｍにし、他の寸法は、実験例１と同一とした。
　図２１は、比較例、実施例１および実施例２に係る超音波トランスデューサの音圧周波数特性を示すグラフである。図２１においては、縦軸に、ＳＰＬ(ｄＢ)、横軸に、周波数(ｋＨｚ)を示している。比較例を実線、実施例１を点線、実施例２を二点鎖線で示している。
　図２１に示すように、比較例、実施例１および実施例２に係る超音波トランスデューサの各々は、２つの音圧ピークを有している。共振周波数ｆ０は、実験例１の結果から４３ｋＨｚである。比較例の周波数ｆｌは４１ｋＨｚ、実施例１の周波数ｆｌは３８ｋＨｚ、実施例２の周波数ｆｌは３９ｋＨｚであった。比較例の周波数ｆｈは５０ｋＨｚ以上、実施例１の周波数ｆｈは４３ｋＨｚ、実施例２の周波数ｆｈは４６ｋＨｚであった。
　比較例の(ＳＰＬｍａｘ－ＳＰＬｍｉｎ)は２０．２ｄＢ、実施例１の(ＳＰＬｍａｘ－ＳＰＬｍｉｎ)は６．１ｄＢ、実施例２の(ＳＰＬｍａｘ－ＳＰＬｍｉｎ)は９．０ｄＢであった。比較例においては(ｆ０－ｆｌ)／ｆ０×１００＝４．７であり、実施例１においては(ｆ０－ｆｌ)／ｆ０×１００＝１１．６であり、実施例２においては(ｆ０－ｆｌ)／ｆ０×１００＝９．３であった。
　実験例２の結果から、５≦(ｆ０－ｆｌ)／ｆ０×１００≦３３の関係を満たさない比較例に係る超音波トランスデューサでは周波数がｆｌ～ｆｈの帯域において音圧ピークの高低差が２０ｄＢ以上生じていたが、５≦(ｆ０－ｆｌ)／ｆ０×１００≦３３の関係を満たす実施例１および実施例２に係る超音波トランスデューサでは周波数がｆｌ～ｆｈの帯域において音圧ピークの高低差が１０ｄＢ以下であり、広い周波数帯域において高い音圧レベルの超音波を放射可能であることが確認できた。
　上述した実施形態および実験例の説明において、組み合わせ可能な構成を相互に組み合わせてもよい。なお、上述した導電性接着剤は、はんだであってもよい。
　今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１００，１００ｂ　音響デバイス、１１０　基板、１１０ｈ　第１貫通孔、１１１，５１１，６１１　第１主面、１１２，５１２，６１２　第２主面、１１３　第１電極、１１４，５１４，５１５，６１７　電極、１１５，６１５　第２電極、１１６　第１環状電極、１１７　第４電極、１２０　素子、１２１　基部、１２２　メンブレン部、１２３　支持層、１２４　中間層、１２５　圧電体層、１２６　弾性体層、１２７　上部電極層、１２８　積層体、１２９ａ　第１パッド電極、１２９ｂ　第２パッド電極、１３０　蓋部、１４０　ダイボンド剤、１５０，１５１，７５０，７５１　導電性接着剤、１６０　ワイヤ、２００，２００ｂ　実装基板、２００ｈ　第２貫通孔、２０１　第２環状電極、２０２　第３電極、２０３　はんだ、３００，３００ｂ，３００ｃ，３９０　筐体、３００ａｈ，３００ｂｈ，３００ｃｈ，３００ｈ，３９０ｈ　第３貫通孔、３１０，３１０ａ，３１０ｂ，３１０ｃ　封止部、４００，４００ａ，４００ｂ，４００ｃ，８００，９００　超音波トランスデューサ、５１０　スペーサ、５１３　第５電極、５１６　第６電極、６１０　対向基板、６１４　第７電極、８１０　板部材。

Claims (4)

  1. 　音響ＭＥＭＳ素子を含む音響デバイスと、
    　前記音響ＭＥＭＳ素子に通じており、前記音響ＭＥＭＳ素子の振動によって発生した超音波が共鳴可能な音響経路とを備え、
    　前記音響ＭＥＭＳ素子の共振と前記音響経路での共鳴とが組み合わされることにより、複数の音圧ピークが現れる音圧周波数特性を有し、
    　前記音響ＭＥＭＳ素子の共振周波数をｆ０とし、前記音圧周波数特性において前記複数の音圧ピークが現れた周波数のうち前記共振周波数ｆ０より低くかつ前記共振周波数ｆ０に最も近い周波数をｆｌとすると、５≦(ｆ０－ｆｌ)／ｆ０×１００≦３３の関係を満たす、超音波トランスデューサ。
  2. 　前記音圧周波数特性において前記複数の音圧ピークが現れた周波数のうち前記共振周波数ｆ０より高くかつ前記共振周波数ｆ０に最も近い周波数をｆｈとすると、ｆｌ以上ｆｈ以下の周波数帯域内の周波数の超音波を前記音響経路から外部に放射する、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
  3. 　前記音響経路から外部に放射する超音波の周波数を前記周波数帯域内の複数の周波数の中から選択可能である、請求項２に記載の超音波トランスデューサ。
  4. 　前記周波数帯域内において最も音圧が低くなる周波数の超音波を前記音響経路から外部に放射する、請求項２に記載の超音波トランスデューサ。
PCT/JP2022/043344 2021-11-26 2022-11-24 超音波トランスデューサ WO2023095829A1 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021191704 2021-11-26
JP2021-191704 2021-11-26

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023095829A1 true WO2023095829A1 (ja) 2023-06-01

Family

ID=86539551

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2022/043344 WO2023095829A1 (ja) 2021-11-26 2022-11-24 超音波トランスデューサ

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2023095829A1 (ja)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007195150A (ja) * 2005-12-19 2007-08-02 Seiko Epson Corp 静電型超音波トランスデューサの駆動制御方法、静電型超音波トランスデューサ、これを用いた超音波スピーカ、音声信号再生方法、超指向性音響システム及び表示装置
WO2013051400A1 (ja) * 2011-10-03 2013-04-11 株式会社村田製作所 超音波発生装置
WO2014174730A1 (ja) * 2013-04-25 2014-10-30 株式会社村田製作所 超音波発生装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007195150A (ja) * 2005-12-19 2007-08-02 Seiko Epson Corp 静電型超音波トランスデューサの駆動制御方法、静電型超音波トランスデューサ、これを用いた超音波スピーカ、音声信号再生方法、超指向性音響システム及び表示装置
WO2013051400A1 (ja) * 2011-10-03 2013-04-11 株式会社村田製作所 超音波発生装置
WO2014174730A1 (ja) * 2013-04-25 2014-10-30 株式会社村田製作所 超音波発生装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4766052B2 (ja) 電気音響変換器
JP5275565B2 (ja) 静電容量型超音波トランスデューサ
JP5742954B2 (ja) 超音波発生装置
WO2012164879A1 (ja) 超音波送受波器および超音波流量計
JP5026770B2 (ja) 超音波探触子及び超音波診断装置
US20220040736A1 (en) Piezoelectric device and ultrasonic transducer
JP3395672B2 (ja) 圧電型電気音響変換器
WO2023095829A1 (ja) 超音波トランスデューサ
WO2020230358A1 (ja) 圧電デバイスおよび音響トランスデューサ
JPH06269090A (ja) 圧電型超音波送受波器
WO2022168188A1 (ja) 超音波トランスデューサー及びその製造方法
JP7088099B2 (ja) 超音波センサ
JP2021111964A (ja) 超音波センサ
WO2014174730A1 (ja) 超音波発生装置
JP6514079B2 (ja) 音響発生器
WO2020250497A1 (ja) 圧電デバイス
JP6419037B2 (ja) 音響発生器
JP7139545B1 (ja) 超音波トランスデューサー
JP2012165308A (ja) 超音波トランスデューサー
US11039255B2 (en) Wide-passband capacitive vibrating-membrane ultrasonic transducer
WO2023022066A1 (ja) 超音波トランスデューサ
JP6595280B2 (ja) 音響発生器
JP2023116033A (ja) 圧電トランスデューサ
JP4124154B2 (ja) 音響変換器およびその製造方法
JP2023116035A (ja) 圧電トランスデューサ

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22898611

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1