WO2024122021A1 - 超音波トランスデューサーアレイ及び超音波フェイズドアレイセンサー - Google Patents

超音波トランスデューサーアレイ及び超音波フェイズドアレイセンサー Download PDF

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WO2024122021A1
WO2024122021A1 PCT/JP2022/045251 JP2022045251W WO2024122021A1 WO 2024122021 A1 WO2024122021 A1 WO 2024122021A1 JP 2022045251 W JP2022045251 W JP 2022045251W WO 2024122021 A1 WO2024122021 A1 WO 2024122021A1
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WO
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transmitting
receiving
piezoelectric elements
voltage signal
transducer
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PCT/JP2022/045251
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English (en)
French (fr)
Inventor
知 高杉
Original Assignee
サンコール株式会社
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    • 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 an airborne ultrasonic transducer array and a phased array sensor having the array.
  • An ultrasonic transducer array has been proposed that includes a transmitting transducer row in which multiple transmitting transducers are arranged in a straight line at regular intervals, and a receiving transducer row in which multiple receiving transducers are arranged in a straight line at regular intervals, and that the transmitting transducer row and the receiving transducer row are arranged so that they do not cross and are at right angles to each other (see Patent Documents 1 and 2 below).
  • a driving voltage including a predetermined driving frequency component is applied sequentially to the multiple transmitting transducers with a constant phase difference, and the transmitting transducer array radiates ultrasonic waves in an azimuth angle corresponding to the phase difference.
  • the plurality of receiving transducers receive ultrasonic waves (received sound waves) that are emitted from the transmitting transducer array and reflected off an obstacle and returned, and generate a received voltage signal.
  • the receiving voltage signals generated by the plurality of receiving transducers are sequentially delayed by a predetermined time and then added together, where the delay times for the receiving voltage signals are set so as to add together receiving voltage signals based on received sound waves from the same azimuth as the azimuth of the emitted sound waves.
  • a drive voltage signal preferably a burst wave drive voltage signal, whose main component is the resonant frequency of the transmitting transducer is applied to the transmitting transducer, thereby resonating the transmitting transducer and emitting ultrasonic waves.
  • the receiving transducer will receive, as reflected sound waves from the nearest first obstacle, not only the sound waves emitted by the transmitting transducer in response to the drive voltage signal (hereinafter referred to as normal emitted sound waves) that are reflected by the first obstacle and return, but also the sound waves emitted by the transmitting transducer based on damped vibration (hereinafter referred to as attenuated emitted sound waves) that are reflected by the first obstacle and return.
  • the drive voltage signal hereinafter referred to as normal emitted sound waves
  • damped vibration hereinafter referred to as attenuated emitted sound waves
  • a situation may occur in which the reflected sound waves of the normal emitted sound waves that are reflected by a second obstacle farther away than the first obstacle and return, and the reflected sound waves of the attenuated emitted sound waves that are reflected by the first obstacle and return are received by the receiving transducer in a superimposed state.
  • Such a situation will result in a decrease in the distance resolution of obstacle detection.
  • the frequency response of the vibration operation of the transmitting transducer in response to the applied voltage changes significantly in phase near the resonant frequency of the transmitting transducer.
  • the non-resonant ultrasonic transducer has a resonant frequency set higher than the drive frequency (e.g., 40 kHz), and therefore can precisely control the phase of vibration at the drive frequency without being affected by fluctuations in the resonant frequency.
  • the drive frequency e.g. 40 kHz
  • the output voltage excited in response to the reception of the reflected sound waves becomes small, making it difficult to accurately separate the received voltage signal corresponding to the reflected sound waves from various noise components.
  • the present invention has been made in consideration of such conventional technology, and has as its first object to provide an ultrasonic transducer array which includes multiple transmitting transducers and one or more receiving transducers, and which improves the phase control performance of sound waves radiated from the multiple transmitting transducers while enabling the receiving transducer to excite a sufficiently large receiving voltage signal in response to receiving reflected sound waves.
  • a second object of the present invention is to provide a phased array sensor including the ultrasonic transducer array.
  • the first aspect of the present invention provides an ultrasonic transducer array comprising: a rigid support plate having a first surface on one side in the thickness direction and a second surface on the other side in the thickness direction, the support plate being provided with a through hole group including a plurality of through holes penetrating between the first and second surfaces; a flexible resin film fixed to the first surface of the support plate so as to cover the plurality of through holes; and piezoelectric elements fixed to the flexible resin film so as to overlap the corresponding through holes in a plan view at a central region and overlap the first surface of the support plate at a peripheral region, the number of which is equal to the number of the plurality of through holes, the plurality of piezoelectric elements including a plurality of transmitting piezoelectric elements forming a transmitting transducer that generates ultrasonic waves in response to application of a drive voltage signal of a predetermined drive frequency, and one or a plurality of receiving piezoelectric elements forming a receiving transducer that
  • the ultrasonic transducer array according to the first aspect of the present invention can improve the phase control performance of the sound waves emitted from the multiple transmitting transducers, while allowing the receiving transducer to excite a sufficiently large receiving voltage signal in response to receiving reflected sound waves.
  • the through-hole group may have an X-direction row formed by m (m is an integer of 3 or more) through-holes arranged at a predetermined X-direction array pitch in the X-direction of the X-Y plane of the support plate.
  • the through-hole group has one reference X-direction row and one or more parallel X-direction rows arranged in the Y direction of the reference X-direction row at a predetermined Y-direction arrangement pitch
  • the one or more receiving piezoelectric elements are arranged so as to cover the one or more through-holes forming the reference X-direction row in a plan view, and among the transmitting piezoelectric elements, a transmitting piezoelectric element adjacent to the receiving piezoelectric element in the Y direction is made thinner than the other transmitting piezoelectric elements.
  • the parallel X-direction rows include a first adjacent X-direction row and a second adjacent X-direction row adjacent to one side and the other side of the reference X-direction row in the Y direction at a predetermined Y-direction arrangement pitch, and among the transmitting piezoelectric elements, the transmitting piezoelectric elements adjacent to the receiving piezoelectric elements on one side and the other side in the Y direction, respectively, are made thinner than the other transmitting piezoelectric elements.
  • the X-direction array pitch and the Y-direction array pitch are the same interval.
  • the receiving piezoelectric elements are preferably arranged symmetrically with respect to the center of the X-direction row in the X-direction.
  • the through hole may preferably include a recess that opens onto the first surface of the support plate, and a waveguide having a first end on one end side that is narrower than the recess and opens onto the bottom surface of the recess, and a second end on the other end side that opens onto the second surface of the support plate.
  • the waveguide has a cylindrical portion including the first end opening on the bottom surface of the recess, and a horn portion including the second end opening on the second surface of the support plate.
  • the opening width of the cylindrical portion is smaller than the opening width of the recess and is the same throughout the thickness direction, and the opening width of the horn portion increases from the base end side that communicates with the cylindrical portion to the tip side that opens into the second surface of the support plate.
  • the transmitting piezoelectric element is preferably a laminated type
  • the receiving piezoelectric element is preferably a single-layer type.
  • the receiving piezoelectric element is preferably thinner than the transmitting piezoelectric element.
  • the ultrasonic transducer array according to the first aspect of the present invention may include a lower sealing plate having a plurality of piezoelectric element openings large enough to surround each of the plurality of piezoelectric elements and having a thickness greater than that of the transmitting piezoelectric elements, the lower sealing plate being affixed to the flexible resin film so that the plurality of piezoelectric elements are positioned within the corresponding piezoelectric element openings in a plan view, and a wiring assembly affixed to the lower sealing plate.
  • the wiring assembly has an insulating base layer, a conductor layer including transmitting wiring and receiving wiring provided on the base layer, and an insulating cover layer surrounding the conductor layer, and the base layer is provided with a transmitting connection opening that exposes the connection area of the transmitting wiring with the electrode of the transmitting piezoelectric element, and a receiving connection opening that exposes the connection area of the receiving wiring with the electrode of the receiving piezoelectric element.
  • the receiving connection area is preferably provided with a bump that protrudes outward through the receiving connection opening.
  • a second aspect of the present invention is a rigid support plate having a first surface on one side in a thickness direction and a second surface on the other side in the thickness direction, the support plate being provided with a through hole group including a plurality of through holes penetrating between the first and second surfaces, a flexible resin film fixed to the first surface of the support plate so as to cover the plurality of through holes, and piezoelectric elements of the same number as the plurality of through holes fixed to the flexible resin film so as to overlap the corresponding through holes in a plan view at a central region and overlap the corresponding through hole and the peripheral region of the piezoelectric elements is fixed to the first surface of the support plate so as to overlap the corresponding through hole in a plan view at a central region and overlap the corresponding through hole and the peripheral region of the piezoelectric elements, the through hole group being formed on an X-Y plane of the support plate.
  • the ultrasonic transducer array has an X-direction row formed by m pieces (m is an integer of 3 or more) of the through holes arranged at a predetermined X-direction arrangement pitch in the X-direction direction, and the plurality of piezoelectric elements include a plurality of transmitting piezoelectric elements forming a transmitting transducer that generates an ultrasonic wave in response to application of a driving voltage signal of a predetermined driving frequency, and a plurality of receiving piezoelectric elements forming a receiving transducer that generates a receiving voltage signal in response to reception of the ultrasonic wave, and a sine wave burst wave driving voltage signal applied to the plurality of transmitting piezoelectric elements, the transmitting transducer
  • the ultrasonic phased array sensor includes a transmission signal generator capable of generating a drive voltage signal of the predetermined drive frequency lower than the resonant frequency of the piezoelectric element with a delay time corresponding to each of the plurality of transmitting piezoelectric elements
  • the through-hole group has one reference X-direction row and one or more X-direction rows arranged in the Y direction of the reference X-direction row at a predetermined Y-direction arrangement pitch
  • the multiple receiving piezoelectric elements are arranged to cover corresponding through-holes among the multiple through-holes forming the reference X-direction row in a plan view
  • the transmission signal generating device is configured to make the amplitude of the drive voltage signal applied to the transmitting piezoelectric element adjacent to the receiving piezoelectric element in the Y direction among the transmitting piezoelectric elements larger than the amplitude of the drive voltage signal applied to the other transmitting piezoelectric elements.
  • the through-hole group includes a first adjacent X-direction row and a second adjacent X-direction row adjacent to one side and the other side of the reference X-direction row in the Y direction at a predetermined Y-direction arrangement pitch
  • the transmission signal generating device is configured to make the amplitude of the drive voltage signal applied to the transmitting piezoelectric elements adjacent to the receiving piezoelectric elements on one side and the other side in the Y direction, respectively, of the transmitting piezoelectric elements, larger than the amplitude of the drive voltage signal applied to the other transmitting piezoelectric elements.
  • the plurality of receiving piezoelectric elements are preferably arranged so as to cover the through holes at one end and the other end of the reference X-direction row in the X-direction in a plan view.
  • the through-hole group has one reference X-direction row and one or more X-direction rows arranged in the Y direction of the reference X-direction row at a predetermined Y-direction arrangement pitch, and the multiple receiving piezoelectric elements are arranged so as to cover corresponding through-holes among the multiple through-holes forming the reference X-direction row in a plan view.
  • the transmission signal generating device has a plurality of signal generating means provided for each of the plurality of transmitting piezoelectric elements.
  • the transmission signal generating device has a plurality of signal generating means provided for each transmitting piezoelectric element arranged at the same position in the X direction, and the transmitting piezoelectric elements arranged at the same position in the X direction are configured to be supplied with a drive voltage signal from a common signal generating means.
  • a third aspect of the present invention is an ultrasonic transducer array comprising: a rigid support plate having a first surface on one side in a thickness direction and a second surface on the other side in the thickness direction, the support plate being provided with a through hole group including a plurality of through holes penetrating between the first and second surfaces; a flexible resin film fixed to the first surface of the support plate so as to cover the plurality of through holes; and piezoelectric elements fixed to the flexible resin film so that a central region overlaps with a corresponding through hole in a plan view and a peripheral region overlaps with the first surface of the support plate, the through hole group having an X-direction row formed by m (m is an integer of 3 or more) of the through holes arranged at a predetermined X-direction array pitch in the X-direction of the X-Y plane of the support plate, the plurality of piezoelectric elements including a plurality of transmitting piezoelectric elements forming a transmitting trans
  • the ultrasonic phased array sensor includes a transmission signal generator capable of generating a drive voltage signal of a predetermined drive frequency lower than the resonant frequency of the transmission transducer with a delay time corresponding to each of the transmission piezoelectric elements, a detector that generates a detection signal of a width corresponding to the duration of the reception voltage signal generated by the reception piezoelectric element, a control device that controls the transmission signal generator, and a detection device that detects the position of an obstacle based on the time difference between a transmission timing signal based on the drive voltage signal sent from the control device and a reception timing signal based on the detection signal sent from the detector, as well as azimuth angle information sent from the control device, and the transmission transducer is a non-resonant type that generates ultrasonic waves without resonating in response to receiving a drive voltage signal of the drive frequency, while the reception transducer is a resonant type that resonates in response to receiving ultrasonic waves of a frequency corresponding to the drive frequency.
  • FIG. 1 is a partial vertical cross-sectional view of an airborne ultrasonic transducer array according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a partial plan view of the array taken along line II-II in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a single transmitting transducer in the first example model of the first embodiment.
  • FIG. 4 is a graph showing the results of calculating the relationship between the driving frequency of the driving voltage and the sound pressure level of the sound waves radiated by the first embodiment model by finite element analysis when the driving frequency of the driving voltage is changed in the range of 25 to 60 kHz in each of the following cases: a sine wave driving voltage with an amplitude of 10 V is applied to all 32 transmitting piezoelectric elements in the first embodiment model (first embodiment-(1)); a sine wave enhanced driving voltage with an amplitude of 15 V is applied to two transmitting piezoelectric elements adjacent to the receiving piezoelectric element in a direction perpendicular to the scanning direction among the transmitting piezoelectric elements in the first embodiment model, and a sine wave driving voltage with an amplitude of 10 V is applied to the remaining 30 transmitting piezoelectric elements (first embodiment-(2)); and a comparative example model in which one receiving piezoelectric element in the first embodiment model is changed to a transmitting piezoelectric element, and a sine wave driving voltage with an amplitude of 10 V
  • FIG. 5 is a graph showing the results of finite element analysis of the lateral sound pressure directivity of the radiated sound waves in the first embodiment (1), the first embodiment 1-2, and the comparative example when the driving frequency of the driving voltage is 40 kHz.
  • 6A to 6C are schematic cross-sectional views of receiving transducer models A to C, respectively, for which analysis of reception sensitivity was performed.
  • FIG. 7 is a graph showing the results of finite element analysis of the relationship between the frequency of the sound waves and the receiving sensitivity (V/P) when models A to C are vibrated by sound waves of sound pressure P incident on the tip opening of the waveguide and the frequency of the sound waves is changed from 25 kHz to 65 kHz.
  • FIG. 8(a) and (b) are a plan view and a cross-sectional view taken along line VIII-VIII in FIG. 8(a), respectively, of a transmitting piezoelectric element provided in the transducer array according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is a partial plan view of a transducer array according to a second embodiment of the present invention, which corresponds to FIG. 2 in the first embodiment.
  • FIG. 10 is a graph showing the results of calculating the relationship between the driving frequency of the driving voltage and the sound pressure level of the sound waves radiated by the second embodiment model by finite element analysis when the driving frequency of the driving voltage is changed in the range of 25 to 60 kHz in each of the following cases: when a sine wave driving voltage with an amplitude of 10 V is applied to all 30 transmitting piezoelectric elements in the second embodiment model (second embodiment-(1)); when an enhanced sine wave driving voltage with an amplitude of 15 V is applied to six transmitting piezoelectric elements adjacent to three receiving piezoelectric elements in a direction perpendicular to the scanning direction among the transmitting piezoelectric elements in the second embodiment model, and a sine wave driving voltage with an amplitude of 10 V is applied to the remaining 24 transmitting piezoelectric elements (second embodiment-(2)); and when a sine wave driving voltage with an amplitude of 10 V is applied to all 30 transmitting piezoelectric elements in a comparative example model in which the three receiving piezoelectric elements in the second
  • FIG. 11 is a graph showing the results of finite element analysis of the lateral sound pressure directivity of the radiated sound waves in the second embodiment (1), the second embodiment 1-2, and the comparative example when the driving frequency of the driving voltage is 40 kHz.
  • FIG. 12 is a schematic block diagram of a phased array sensor according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a schematic block diagram of a control device and a transmitting unit in the phased array sensor.
  • FIG. 14 is a schematic block diagram of the control device and the receiving unit in the phased array sensor.
  • FIG. 15 is a schematic diagram illustrating the operation of a transducer array including a plurality of transmitting piezoelectric elements arranged along the scanning direction (X direction) when an ultrasonic wave is emitted in response to a drive voltage signal supplied from the transmitting unit.
  • FIG. 16 is a schematic diagram of the received voltage signal processing performed by the receiving unit.
  • Fig. 17(a) is a schematic diagram of the received voltage signal processing subsequent to Fig. 16.
  • Fig. 17(b) is a reception timing signal of the received voltage signal generated based on the output signal of the adder, and
  • Fig. 17(c) is a transmission timing signal of the drive voltage signal generated based on the signal sent from the control device.
  • FIG. 18 is a schematic block diagram of a phased array sensor according to a first modified example of the third embodiment.
  • FIG. 19 is a schematic block diagram of a phased array sensor according to a second modification of the third embodiment.
  • FIG. 1 shows a partial vertical cross-sectional view of a transducer array 101 according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a partial plan view of the array 101 taken along line II-II in FIG.
  • the transducer array 101 includes: A rigid support plate 120 having a first surface 121 on one side in a thickness direction and a second surface 122 on the other side in the thickness direction, the support plate 120 being provided with a through hole group including a plurality of through holes 125 penetrating between the first and second surfaces 121, 122; a flexible resin film 130 fixed to the first surface 121 of the support plate 120 so as to cover the plurality of through holes 125; Piezoelectric elements, the number of which is equal to the number of the plurality of through holes 125, are fixed to the flexible resin film 130 so that a central region overlaps with a corresponding through hole 125 in a plan view and a peripheral region overlaps with the first surface 121 of the support plate 120; It is equipped with:
  • the plurality of piezoelectric elements and the corresponding portions of the flexible resin film 130 form a plurality of transducers 110.
  • the plurality of piezoelectric elements includes a plurality of transmitting piezoelectric elements 140 that form a transmitting transducer that generates ultrasonic waves in response to application of a drive voltage signal of a predetermined drive frequency (within the range of 30 kHz to 50 kHz, for example 40 kHz), and one or more receiving piezoelectric elements 141 that form a receiving transducer that generates a receiving voltage signal in response to receiving ultrasonic waves.
  • a drive voltage signal of a predetermined drive frequency (within the range of 30 kHz to 50 kHz, for example 40 kHz)
  • receiving piezoelectric elements 141 that form a receiving transducer that generates a receiving voltage signal in response to receiving ultrasonic waves.
  • the plurality of piezoelectric elements include 32 transmitting piezoelectric elements 140 and one receiving piezoelectric element 141 . It should be noted that the receiving piezoelectric element 141 is shaded in FIG. 2 for ease of understanding.
  • the transmitting piezoelectric element 140 cooperates with the corresponding portion of the flexible resin film 130 to form the transmitting transducer that generates ultrasonic waves in response to application of a drive voltage signal of the predetermined drive frequency to the transmitting piezoelectric element 140.
  • the transmitting transducer is a non-resonant type that effectively generates ultrasonic waves in response to application of a drive voltage signal of the predetermined drive frequency, which is lower than the frequency of the lowest resonant mode of the transmitting transducer, to the transmitting piezoelectric element, while the frequency of the lowest resonant mode is set higher than the drive frequency.
  • the support plate 120 can be made of various materials having rigidity, such as metals such as stainless steel, or preferably ceramic materials such as SiC and Al2O3, which have a lower density and a higher Young's modulus than metals.
  • the multiple through holes 125 include multiple transmitting through holes 125a that are each covered by the multiple transmitting piezoelectric elements 140 in a planar view, and one or more receiving through holes 125b (one receiving through hole 125b in this embodiment) that are covered by one or more receiving piezoelectric elements 141 (one receiving piezoelectric element 141 in this embodiment) in a planar view.
  • the transmission through hole 125a includes a recess 126a opening into the first surface 121 of the support plate 120, and a waveguide 127a having a first end on one end side with an opening width smaller than that of the recess 126a opening into the bottom surface of the recess 126a and a second end on the other end side opening into the second surface 122 of the support plate 120.
  • the waveguide 127a has a cylindrical portion 128a including the first end that opens into the bottom surface of the recess 126a, and a horn portion 129a including the second end that opens into the second surface 122 of the support plate 120.
  • the opening width of the cylindrical portion 128a is smaller than the opening width of the recess 126a and is the same throughout the thickness direction.
  • the horn portion 129a is configured so that the opening width increases as it approaches the tip side that opens into the second surface 122 of the support plate 120 from the base end side that communicates with the cylindrical portion 128a.
  • the receiving through hole 125b has substantially the same configuration as the transmitting through hole 125a.
  • the receiving through hole 125b includes a recess 126b that opens into the first surface 121 of the support plate 120, and a waveguide 127b whose first end, which has a smaller opening width than the recess 126b, opens into the bottom surface of the recess 126b and whose second end, which opens into the second surface 122 of the support plate 120.
  • the waveguide 127b has a cylindrical portion 128b including the first end that opens into the bottom surface of the recess 126b, and a horn portion 129b including the second end that opens into the second surface 122 of the support plate 120.
  • the opening width of the cylindrical portion 128b is smaller than the opening width of the recess 126b and is the same throughout the thickness direction.
  • the horn portion 129b is configured so that the opening width increases as it approaches the tip side that opens into the second surface 122 of the support plate 120 from the base end side that communicates with the cylindrical portion 128b.
  • the receiving through-hole 125b it is also possible for the receiving through-hole 125b to have a different configuration from the transmitting through-hole 125a.
  • the support plate 120 has an upper support plate 120(1) having openings formed by the multiple recesses 126, and a lower support plate 120(2) having the multiple waveguides 125 formed therein, and is a laminated structure in which the upper support plate 120(1) and the lower support plate 120(2) are fixed together.
  • the support plate 120 can be a single structure that integrally includes a portion in which the multiple recesses 126 are formed and a portion in which the multiple waveguides 125 are formed.
  • the flexible resin film 130 is formed of an insulating resin such as polyimide having a thickness of, for example, 20 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the flexible resin film 130 is fixed to the support plate 120 by various methods such as adhesive or thermocompression bonding.
  • the transmitting piezoelectric element 140 is fixed to the first surface of the flexible resin film 130 (the surface opposite the support plate 120) so that the central region overlaps with the corresponding recess 126a in a plan view and the peripheral region overlaps with the first surface 121 of the support plate 120.
  • the rigidity of the transmitting piezoelectric element 140 and the overlap width in plan view between the transmitting piezoelectric element 140 and the first surface 121 of the support plate 120 are set so that the frequency of the lowest-order resonance mode of the transmitting transducer is higher than the drive frequency, and ultrasonic waves are effectively generated in response to application to the transmitting piezoelectric element 140 of a drive voltage signal of the predetermined drive frequency that is lower than the frequency of the lowest-order resonance mode of the transmitting transducer.
  • the resonant frequency of the transmitting transducer is set to, for example, 70 kHz to 80 kHz.
  • the transmitting transducer a non-resonant type, the following effects are achieved.
  • the multiple transmitting piezoelectric elements 140 that form the transmitting transducer are arranged in a line at a predetermined interval, it is necessary to precisely control the phase of the sound waves emitted from the multiple transmitting transducers formed by the multiple transmitting piezoelectric elements 140.
  • the frequency of the voltage applied to the transmitting piezoelectric element (drive frequency) must be set close to the resonant frequency of the flexural vibration of the transmitting transducer formed by the transmitting piezoelectric element.
  • the frequency response of the flexural vibration of the transmitting transducer formed by the transmitting piezoelectric element in response to the voltage applied to the transmitting piezoelectric element exhibits a large phase change near the resonant frequency of the transducer.
  • the ultrasonic transducer array 101 has the rigid support plate 120 provided with the plurality of transmitting through holes 125a penetrating the first surface 121 and the second surface 122, the flexible resin film 130 fixed to the first surface 121 of the support plate 120 so as to cover the plurality of transmitting through holes 125a, and the plurality of transmitting piezoelectric elements 140 fixed to the first surface 131 of the flexible resin film 130 so that their central regions overlap with the corresponding transmitting through holes 125a in a plan view and their peripheral regions overlap with the first surface 121 of the support plate 120.
  • the resonant frequency of the transmitting transducer is higher than the driving frequency applied to the transmitting piezoelectric element 140, even if there is "variation" in the resonant frequency among the multiple transmitting transducers, there will be no significant difference in the phase of the frequency response of the flexural vibration of the multiple transmitting transducers. Therefore, the phases of the sound waves generated by the plurality of transmitting transducers can be precisely controlled.
  • the frequency of the ultrasonic waves emitted by the transmitting transducer formed by the transmitting piezoelectric element 140 must be a low frequency of about 30 to 50 kHz.
  • the resonant frequency of the transmitting transducer is set to a resonant frequency (e.g., 70 kHz) that is sufficiently higher than the drive frequency (30 to 50 kHz) of the transmitting piezoelectric element 140, the sound pressure of the ultrasound generated by the transmitting transducer can be increased by increasing the vertical and horizontal dimensions in a plan view of the transmitting piezoelectric element 140.
  • a resonant frequency e.g. 70 kHz
  • the arrangement pitch of the multiple transmitting transducers needs to be less than or equal to half the wavelength ⁇ of the ultrasonic waves emitted by the transmitting transducers in order to suppress the occurrence of grating lobes in the sound waves emitted from the multiple transmitting transducers.
  • the planar vertical and horizontal dimensions of the transmitting piezoelectric element 140 are preferably 3.0 mm or more from the viewpoint of ensuring sound pressure, and 4.0 mm or less from the viewpoint of suppressing the occurrence of grating lobes.
  • the transmitting piezoelectric element 140 has a square shape in plan view, but instead, the shape of the transmitting piezoelectric element 140 in plan view can be a rectangle, including a rectangle with a maximum vertical and horizontal dimension of 4.30 mm or less, a circle with a diameter of 4.0 mm or less, or an ellipse with a major axis of 4.0 mm or less.
  • the opening width of the recess 125a is set so that the frequency of the lowest resonance mode of the flexural vibration of the transmitting transducer formed by the transmitting piezoelectric element 140 and the flexible resin film 130 is greater than the frequency (drive frequency) of the voltage signal applied to the transmitting piezoelectric element 140.
  • the recess 125a has a shape similar to that of the transmitting piezoelectric element 140 in a plan view so that the overlap width between the peripheral region of the transmitting piezoelectric element 140 and the support plate 120 in a plan view is 0.05 mm to 0.1 mm around the entire circumference of the transmitting piezoelectric element 140.
  • the recess 125a is preferably square in plan view with sides of 3.8 mm to 3.9 mm, and if the transmitting piezoelectric element 140 is circular in plan view with a diameter of 4.0 mm, the recess 125a is preferably circular in plan view with a diameter of 3.8 mm to 3.9 mm.
  • the transmitting through hole 125a includes a recess 126a opened on the first surface 121 of the support plate 120, and a waveguide 127a having a first end on one end side having an opening width smaller than that of the recess 126a, which opens on the bottom surface of the recess 126a, and a second end on the other end side which opens on the second surface 122 of the support plate 120, and the waveguide 127a has a tubular portion 128a including the first end opened on the bottom surface of the recess 126a, and a horn portion 129a including the second end opened on the second surface 122 of the support plate 120.
  • the through-hole group including the transmitting through-hole 125a and the receiving through-hole 125b has an X-direction row formed by m through-holes 125 (m is an integer of 3 or more, 11 in this embodiment) arranged at a predetermined X-direction arrangement pitch de in the X-direction of the X-Y plane of the support plate 120.
  • the through-hole group can have a single X-direction row, or can have multiple X-direction rows arranged in the Y direction of the X-Y direction at a predetermined Y-direction array pitch Py.
  • the through-hole group has three X-direction rows including one reference X-direction row 110A and a first adjacent X-direction row 110(1) and a second adjacent X-direction row 110(2) arranged at a Y-direction array pitch Py on one and the other Y-direction sides of the reference X-direction row 110A.
  • One of the m (in this embodiment, 11) through holes 125 forming the reference X-direction row 110A is the receiving through hole 125b, and the remaining through holes 125 are the transmitting through holes 125a.
  • the transmitting piezoelectric element 140 and the receiving piezoelectric element 141 are arranged so as to cover the corresponding transmitting through hole 125a and receiving through hole 125b in a plan view.
  • the numbers in parentheses added after the reference numerals 140 and 141 in FIG. 1 and FIG. 2 indicate XY coordinate positions (positions in the X direction and positions in the Y direction). That is, the first number in the parentheses indicates the X-direction position of the piezoelectric elements 140, 141 (the X-direction position when one end in the X-direction (the left end in FIG. 2) is regarded as the first position), and the second number indicates the Y-direction position of the piezoelectric elements 140, 141 (the Y-direction position when one end in the Y-direction (the top end in FIG. 2) is regarded as the first position).
  • (1,1) means the first position from one end in the X direction and the first position from one end in the Y direction
  • (2,3) means the second position from one end in the X direction and the third position from one end in the Y direction.
  • the receiving piezoelectric element 141 is located at the position indicated by (6,2) (i.e., the center in the X direction (the sixth position from one end in the X direction in the illustrated configuration) and the center in the Y direction (the second position from one end in the Y direction in the illustrated configuration)).
  • the X-direction arrangement pitch between the transmitting piezoelectric elements 141 is not the predetermined arrangement pitch de, but 2 ⁇ de.
  • the inventors of the present application performed a finite element analysis (hereinafter referred to as FEM analysis) of the sound pressure level (SPL) of the radiated sound wave using a model with the same arrangement as the ultrasonic transducer array 101 of this embodiment shown in Figure 2, i.e., a model in which the receiving piezoelectric element 141 is arranged at the center in the X direction of the reference X direction row 110A located in the center in the Y direction, and the other 32 piezoelectric elements are the transmitting piezoelectric elements 140 (hereinafter referred to as the first embodiment model).
  • FEM analysis finite element analysis
  • SPL sound pressure level
  • Figure 3 shows a schematic cross-sectional view of the transmitting transducer used in the first embodiment model.
  • the shape and dimensions of the first embodiment model are as follows: Transmitting piezoelectric element 140 Lead Zirconate Titanate (PZT) Density 7.97 x 103 kg/ m3 Two-layer laminate with a thickness of 0.13 mm per layer (total thickness 0.26 mm) A flexible resin film 130 having a square shape in plan view with each side having a length of 3.4 mm 0.05 mm thick polyimide film upper support plate 120 (1) SUS304 with a thickness of 0.1 mm Recess 126a (opening formed in upper support plate 120(1)) Lower support plate 120 (2) is a square with a side length of 3.3 mm in plan view Alumina (Al2O3) 3.25mm thick Waveguide 127a formed in lower support plate 120(2) The waveguide 127a has a cylindrical portion 128a having a diameter of 1.5 mm and a length of 0.5 mm, and a horn portion 129a having a length of 2.75 mm and an opening diameter of 3.7 mm on the tip side.
  • Example 1-(1) was the case where a sine wave voltage with an amplitude of 10 V was applied to all (32) transmitting piezoelectric elements 140 in the first example model, and the driving frequency of the driving voltage was changed within a frequency range (25 to 60 kHz) lower than the resonant frequency (approximately 80 kHz) of the transmitting transducer formed by the transmitting piezoelectric elements 140, and the SPL for each driving frequency was calculated by FEM analysis.
  • the analysis results of the first embodiment (1) are shown in FIG.
  • This first embodiment (2) is intended to cover the radiated sound waves from the transmitting piezoelectric element that cannot be placed at position (6,2) due to the placement of the receiving piezoelectric element 141, by using the first and second adjacent transmitting piezoelectric elements (the transmitting piezoelectric element 140 (6,1) and the transmitting piezoelectric element (6,3) in FIG. 2) to which an increased drive voltage is applied.
  • a sine wave voltage with an amplitude of 10 V is applied to all (33) transmitting piezoelectric elements 140, and the driving frequency of the driving voltage is changed within the same range (10 to 70 kHz) to calculate the SPL for each driving frequency by FEM analysis.
  • the results are also shown in FIG. 4 as a comparative example.
  • the sound pressure level in the first embodiment (1) is slightly lower than that in the comparative example, but it was confirmed that the sound pressure level in the first embodiment (2) is similar to that in the comparative example over the entire range of change in drive frequency.
  • both the first embodiment (1) and the first embodiment 1-2 were comparable to the comparative example.
  • all of the transmitting piezoelectric elements 140 have the same configuration, and the amplitude of the drive voltage signal applied to the first and second adjacent transmitting piezoelectric elements is made larger than the amplitude of the drive voltage signal applied to the other transmitting piezoelectric elements, thereby making the amplitude of the first and second adjacent transmitting piezoelectric elements larger than the amplitude of the other transmitting piezoelectric elements, thereby preventing or reducing a decrease in the sound pressure level of the radiated sound wave due to the presence of the receiving piezoelectric element 141.
  • the vibration displacement of the first and second adjacent transmitting piezoelectric elements can be made larger than the vibration displacement of the other transmitting piezoelectric elements, thereby preventing or reducing a decrease in the sound pressure level of the radiated sound wave.
  • the receiving piezoelectric elements 141 are arranged symmetrically with respect to the center of the X-direction row in the X-direction, so that reflected sound waves can be effectively received.
  • the transducer array 101 has a single receiving piezoelectric element 141 (6, 2).
  • the receiving piezoelectric element 141 (6, 2) is disposed at the center in the X direction of the X direction row.
  • the receiving transducer is a resonant type that resonates upon receiving ultrasonic waves with a frequency corresponding to the drive frequency.
  • the receiving transducer is configured so that the frequency of the lowest-order resonant mode is the same as or close to the specified drive frequency.
  • Figures 6(a) to (c) show schematic cross-sectional views of the receiving transducer models A to C used in this analysis.
  • Model A Receiving piezoelectric element 141 Lead Zirconate Titanate (PZT) Density 7.97 x 103 kg/ m3
  • a flexible resin film 130 having a thickness of 0.08 mm and a square shape with a side length of 3.4 mm in plan view 0.05 mm thick polyimide film upper support plate 120
  • SUS304 with a thickness of 0.1 mm
  • Recess 126b opening formed in upper support plate 120(1)
  • Lower support plate 120 (2) is a square with a side length of 3.3 mm in plan view Alumina (Al2O3) 3.25mm thick Waveguide 127b formed in lower support plate 120(2)
  • a cylindrical portion 128b having a diameter of 3.7 mm is formed over the entire thickness of the lower support plate 120(2).
  • models B and C are modified only in the waveguide 127b. That is, the waveguide 127b in the model B has a cylindrical portion 128b having a diameter of 2.5 mm and a length of 1.75 mm, and a horn portion 129b having a length of 1.5 mm and an opening diameter of 3.7 mm on the tip side.
  • the waveguide 127b in the model C has a cylindrical portion 128b having a diameter of 1.5 mm and a length of 0.5 mm, and a horn portion 129b having a length of 2.75 mm and an opening diameter of 3.7 mm on the tip side.
  • the model C has the same configuration as the model of the first embodiment, except that the transmitting piezoelectric element 141 is changed to the receiving piezoelectric element 140 .
  • model C was the best in the expected driving voltage driving frequency range (30 kHz to 50 kHz).
  • the receiving through hole 125b has the same shape as the transmitting through hole 125a.
  • FIG. 8A is a plan view of the transmitting piezoelectric element 140.
  • FIG. 8B is a cross-sectional view taken along line VIII-VIII in FIG.
  • the transmitting piezoelectric element 140 is of a laminated type. Compared with a single-layer piezoelectric element, a multi-layer piezoelectric element can increase the electric field strength when the same voltage is applied, and can increase the expansion/contraction displacement per applied voltage.
  • the laminated piezoelectric element used as the transmitting piezoelectric element 140 comprises the piezoelectric element body 142 formed of a piezoelectric material such as lead zirconate titanate (PZT), an inner electrode 144 that divides the piezoelectric element body 142 into a first piezoelectric portion 142a on the upper side and a second piezoelectric portion 142b on the lower side in the thickness direction, an upper electrode 146 fixed to a portion of the upper surface of the first piezoelectric portion 142a, a lower electrode 147 fixed to the lower surface of the second piezoelectric portion 142b, and a piezoelectric element 148 having one end connected to the front
  • the inner electrode connection member 145 is electrically connected to the inner electrode 144 and the other end forms an inner electrode terminal 144T accessible on the upper surface of the first piezoelectric portion 142a while insulated from the upper electrode 146, and the lower electrode connection member 148 is electrically connected to the lower electrode 147 and the other end forms
  • the outer electrode formed by the upper electrode 146 and the lower electrode 147 acts as one of the first and second electrodes
  • the inner electrode 144 acts as the other of the first and second electrodes.
  • the first and second piezoelectric parts 142a, 142b have the same polarization direction in the thickness direction, so that by applying a predetermined voltage at a predetermined frequency between the outer electrode and the inner electrode 144, an electric field in the opposite direction to each other is applied to the first and second piezoelectric parts 142a, 142b.
  • the upper electrode 146 and the lower electrode 147 are insulated from each other, and therefore, when creating the piezoelectric element 140, the polarization directions of the first and second piezoelectric portions 142a, 142b can be made the same by applying a voltage between the upper electrode 146 and the lower electrode 147.
  • the receiving piezoelectric element 141 is a single-layer type that is thinner than the transmitting piezoelectric element 140.
  • the stiffness of the receiving piezoelectric element 141 is made weaker than the stiffness of the transmitting piezoelectric element 140, so that the resonant frequency of the receiving transducer formed by the receiving piezoelectric element 141 can be made the same as or close to the drive frequency, while the resonant frequency of the transmitting transducer formed by the transmitting piezoelectric element 140 can be effectively made higher than the drive frequency.
  • the transducer array 101 in this embodiment further includes a lower sealing plate 150 and a wiring assembly 180.
  • the lower sealing plate 150 has a plurality of piezoelectric element openings large enough to surround each of the piezoelectric elements, and is fixed to the first surface of the flexible resin film 130 by adhesive, thermocompression, or the like so that the piezoelectric elements are positioned within the piezoelectric element openings in a plan view.
  • the thickness of the lower sealing plate 150 is greater than the thickness of the transmitting piezoelectric element 140, and when attached to the first surface of the flexible resin film 130, the first surface of the lower sealing plate 150 is spaced farther from the flexible resin film 130 than the upper electrode 146, the lower electrode terminal 147T, and the inner electrode terminal 144T (see FIG. 8) of the transmitting piezoelectric element 140.
  • the lower sealing plate 150 is formed of a rigid member such as a metal such as stainless steel, carbon fiber reinforced plastic, or ceramics.
  • the lower sealing plate 150 seals the sides of the piezoelectric element group including the plurality of piezoelectric elements, and also acts as a base to which the wiring assembly 180 is fixed.
  • the wiring assembly 180 transmits the drive voltage signal supplied from the transmitting unit described below to the multiple transmitting piezoelectric elements 140, and also forms a signal transmission path for transmitting the receiving voltage signal generated by the receiving voltage element 141 to the receiving unit 300 described below.
  • the wiring assembly 180 has an insulating base layer 182 that is adhered to the lower sealing plate 150 by adhesive or the like, a conductor layer 185 that is adhered to the base layer 182, and an insulating cover layer 187 that surrounds the conductor layer 185.
  • the base layer 182 and the cover layer 187 are formed of an insulating resin such as polyimide.
  • the conductor layer 185 is formed of a conductive metal such as Cu.
  • the exposed portion of the Cu that forms the conductor layer 185 can be plated with Ni/Au.
  • the conductor layer 185 has a plurality of transmitting wirings respectively connected to the plurality of transmitting piezoelectric elements 140, and one or more receiving wirings connected to the one or more receiving piezoelectric elements 141 (in this embodiment, a single receiving piezoelectric element).
  • the transmission wiring includes a transmission first electrode wiring 185a and a transmission second electrode wiring 185b that are respectively connected to the first electrode (in this embodiment, the outer electrodes 146 and 147) and the second electrode (in this embodiment, the inner electrode 144) of the corresponding transmission piezoelectric element 140.
  • the receiving wiring includes a first receiving electrode wiring 186a and a second receiving electrode wiring 186b, respectively, for the first electrode (e.g., bottom electrode) and second electrode (e.g., top electrode) of the corresponding receiving piezoelectric element 141.
  • the base layer 182 is provided with a transmitting first electrode connection opening and a transmitting second electrode connection opening that expose the connection areas of the transmitting first electrode wiring 185a and the transmitting second electrode wiring 185b with the corresponding electrodes of the transmitting piezoelectric element 140, and a receiving first electrode connection opening and a receiving second electrode connection opening that expose the connection areas of the receiving first electrode wiring 186a and the receiving second electrode wiring 186b with the corresponding electrodes of the receiving piezoelectric element 141.
  • connection areas of the first transmitting electrode wiring 185a and the second transmitting electrode wiring 186b exposed through the first transmitting electrode connection opening and the second transmitting electrode connection opening are directly electrically connected to the corresponding electrodes of the transmitting piezoelectric element by, for example, a conductive adhesive or solder.
  • the receiving piezoelectric element 141 is thinner than the transmitting piezoelectric element 140, the distance between the receiving first electrode wiring 186a and the receiving second electrode wiring 186b and the receiving piezoelectric element 141 is relatively large.
  • bumps 189 made of a conductive material such as Cu are provided in the connection areas of the first receiving electrode wiring 186a and the second receiving electrode wiring 186b that are exposed through the first receiving electrode connection opening and the second receiving electrode connection opening.
  • the first receiving electrode wiring 186a and the second receiving electrode wiring 186b are each electrically connected to the corresponding electrodes of the receiving piezoelectric element 141 via the bump 189, for example, by a conductive adhesive or solder.
  • the electrical connection between the thin receiving piezoelectric element 141 and the corresponding receiving wiring 186a, 186b can be made using a conductive adhesive or solder of the same amount (height) as the conductive adhesive or solder electrically connecting the thick transmitting piezoelectric element 140 and the corresponding transmitting wiring 185a, 185b, and a stable electrical connection can be obtained.
  • the surface of the bump 189 may be provided with a Ni/Au layer to prevent oxidation and/or corrosion.
  • the Ni/Au layer has a thickness of a few microns or less and is preferably formed in the connection areas of the receiving wires 186 a , 186 b when the wiring assembly 180 is manufactured.
  • the transducer array 101 further includes an upper sealing plate 160 fixed to the upper surface of the lower sealing plate 150 and the wiring assembly 180 via a flexible resin 155 .
  • the upper sealing plate 160 has openings 162 at positions corresponding to the plurality of piezoelectric elements.
  • the upper sealing plate 160 is made of, for example, a metal such as stainless steel, carbon fiber reinforced plastic, or ceramics, with a thickness of 0.1 mm to 0.3 mm.
  • the transducer array 101 further includes a sound absorbing material 165 that is adhered by adhesive or the like to the upper surface of the upper sealing plate 160 so as to cover the multiple openings 162 of the upper sealing plate 160.
  • the sound absorbing material 165 is made of, for example, silicone resin or other foamable resin with a thickness of approximately 0.3 mm to 1.5 mm.
  • the transducer array 101 further includes a reinforcing plate 170 that is fixed to the upper surface of the sound absorbing material 165 by adhesive or the like.
  • the reinforcing plate 170 is made of, for example, a metal such as stainless steel, carbon fiber reinforced plastic, or ceramics, with a thickness of approximately 0.2 mm to 0.5 mm.
  • FIG. 9 shows a partial plan view of the transducer array 102 according to this embodiment, which corresponds to FIG. 2 in the first embodiment.
  • the same members as those in the first embodiment are given the same reference numerals, and detailed explanations thereof will be omitted as appropriate.
  • the transducer array 102 of this embodiment differs from the transducer array 101 of the first embodiment, which has a single receiving piezoelectric element 141, in that it has multiple receiving piezoelectric elements 141.
  • the transducer array 102 has three receiving piezoelectric elements 141(1,2), 141(6,2), and 141(11,2).
  • the first receiving piezoelectric element 141 (1, 2) is arranged at the outermost side of one end in the X direction of the reference X direction row 110A (leftmost side in FIG. 9)
  • the second receiving piezoelectric element 141 (6, 2) is arranged at the center in the X direction of the reference X direction row 110A
  • the third receiving piezoelectric element 141 (11, 2) is arranged at the outermost side of the other end in the X direction of the reference X direction row 110A (rightmost side in FIG. 9), so that the multiple (three) first to third receiving piezoelectric elements 141 (1, 2), 141 (6, 2), 141 (11, 2) are arranged symmetrically with respect to the center in the X direction of the X direction row.
  • the transducer array 102 in the transducer array 102 according to this embodiment, three of the total (33) piezoelectric elements are used as the receiving piezoelectric elements 141, and only the remaining 30 piezoelectric elements are used as the transmitting piezoelectric elements 140.
  • the piezoelectric elements at the outermost end of one end in the X direction, the center in the X direction, and the outermost end of the other end in the X direction of the reference X direction row 110A are the receiving piezoelectric elements 141, and the other 30 piezoelectric elements are the transmitting piezoelectric elements 140 (hereinafter referred to as the second embodiment model).
  • the transmitting transducer and receiving transducer in the second embodiment model were respectively identical to the transmitting transducer (see FIG. 3) and receiving transducer model C (see FIG. 6(c)) in the first embodiment model.
  • Example 2-(1) was a case in which a sine wave voltage with an amplitude of 10 V was applied to all (30 pieces) of the transmitting piezoelectric elements 140 in the second example model, and the driving frequency of the driving voltage was changed within a range (10 to 70 kHz) significantly lower than the resonant frequency (approximately 80 kHz) of the transmitting transducer formed by the transmitting piezoelectric elements 141, and the SPL for each driving frequency was calculated by FEM analysis.
  • the analysis results of the second embodiment (1) are shown in FIG.
  • the sound pressure level of the second embodiment (1) was slightly lower than that of the comparative example, but the decrease was only about 1%, and it was confirmed that a sufficiently large sound pressure was obtained.
  • Example 2-(1) and Example 2-1-2 were comparable to the comparative example.
  • FIG. 12 shows a schematic block diagram of the phased array sensor 1 according to this embodiment.
  • the phased array sensor 1 includes the airborne ultrasonic transducer array 102, a transmitting unit 200, a receiving unit 300, a control device 500, and a detection device 600.
  • FIG. 13 shows a schematic block diagram of the control device 500 and the transmitting unit 200
  • FIG. 14 shows a schematic block diagram of the control device 500 and the receiving unit 300.
  • FIG. 15 is a schematic diagram illustrating the operation of the transducer array 102, which includes a plurality of transmitting piezoelectric elements 140 arranged along a scanning direction (e.g., the X direction), when an ultrasonic wave is emitted by a driving voltage signal supplied from the transmitting unit 200.
  • a scanning direction e.g., the X direction
  • ⁇ is the azimuth angle of the ultrasonic waves emitted from the transducer array 101
  • de is the arrangement interval between adjacent transmitting piezoelectric elements
  • c is the speed of sound.
  • the control device 500 includes: A clock signal generating circuit 510 that generates a clock signal having a period of, for example, 0.1 ⁇ sec to determine the operation timing of the digital circuit; A time unit setting counter circuit 520 that reduces the frequency of the clock signal generated by the clock signal generating circuit 510 to an appropriate time interval, for example, a 0.1 msec period, in order to set a burst wave period; A burst interval counter circuit 530 that generates pulses at intervals corresponding to the generation timing of a burst wave drive voltage signal to be transmitted to the multiple transmitting piezoelectric elements 140 arranged along the X direction; an active counter circuit 540 for outputting an active pulse signal having a time width corresponding to the total time width of the burst wave driving voltage signal to be generated based on signals from the time unit setting counter circuit 520 and the burst interval counter circuit 530;
  • the transducer array 102 has an azimuth angle control unit 550 that outputs an azimuth angle signal indicating the azimut
  • the transmitting unit 200 has a transmission signal generating device 210 including a plurality (30 in the illustrated example) of signal generating means 220 that generates a drive voltage signal for each of the plurality (30 in the present embodiment) of transmitting piezoelectric elements 140, a transmitting side delay time control unit 560 that calculates a delay time ⁇ e based on the azimuth signal sent from the azimuth control unit 550 and outputs a delay control signal corresponding to the plurality of signal generating means 210, and a plurality of transmitting side channels 250 that transmit the drive voltage signals generated by the plurality of signal generating means 210 to the plurality of transmitting piezoelectric elements 140, respectively.
  • the transmission signal generating device 210 is configured to apply a driving voltage signal of a larger amplitude (e.g., 15 V) to the transmitting piezoelectric elements 140 (1, 1) and 140 (1, 3) that are adjacent to the receiving piezoelectric element 141 in the Y direction perpendicular to the scanning direction (X direction in the illustrated embodiment) among the plurality of transmitting piezoelectric elements 140, than the amplitude (e.g., 10 V) of the driving voltage signal applied to the other transmitting piezoelectric elements 140.
  • a driving voltage signal of a larger amplitude e.g. 15 V
  • This preferred configuration effectively prevents or reduces the deterioration of the sound wave radiation characteristics caused by using a portion of the multiple piezoelectric elements (in this embodiment, three of the 33 piezoelectric elements) as the receiving piezoelectric elements 141.
  • the signal generating means 220 includes a frequency divider 222, a delay time counter circuit 224, and a wave number counter circuit 226.
  • the frequency divider 222 divides the clock signal from the clock signal generating circuit 510 to generate a rectangular burst wave drive voltage signal of a predetermined frequency.
  • the delay time counter circuit 224 When the delay time counter circuit 224 is activated by the active pulse signal from the active counter circuit 540, it sends a start signal pulse to the frequency divider 222 according to the delay time specified by the delay control signal from the transmission side delay time control unit 560, causing the frequency divider 222 to start outputting a rectangular burst wave drive voltage signal.
  • the wave number counter circuit 226 sends a stop signal pulse to the frequency divider 222 when the wave number of the rectangular burst wave drive voltage signal output from the frequency divider 222 reaches a predetermined wave number.
  • the transmitting unit 200 further has a plurality of transmitting filters 260 respectively inserted in the plurality of transmitting channels 250.
  • the transmitting filter 260 is configured to remove at least the resonant frequency components of the transmitting transducer while allowing the drive frequency components to pass.
  • the transmitting filter 260 can be a low-pass filter or band-pass filter configured to remove the resonant frequency components of the transmitting transducer while allowing the drive frequency components to pass, or a band-rejection filter that pinpoints and removes only the resonant frequency components of the transducer 110.
  • the bandpass filter is preferably configured to pass only frequency components within ⁇ 10% of the drive frequency.
  • This configuration effectively passes the drive frequency (30 to 50 kHz) required to detect an object several meters away, while effectively removing or reducing the resonant frequency (e.g., 70 kHz) components of the non-resonant transmitting transducer.
  • the resonant frequency e.g. 70 kHz
  • f is the frequency of the ultrasound
  • ⁇ f is the frequency variation due to the Doppler effect
  • c the speed of sound.
  • the bandpass filter used as the transmission filter 260 is configured to pass only frequency components within ⁇ 1% of the drive frequency, it is possible to detect the speed of an obstacle with a certain degree of accuracy by detecting frequency fluctuations in the received sound waves due to the Doppler effect.
  • the square wave burst wave drive voltage signal is converted into a sine wave burst wave drive voltage signal with the same fundamental frequency (see Figure 15).
  • the transmitting unit 200 has a power amplifier circuit 270 inserted in the transmitting channel 250 downstream of the transmitting filter 260 in the signal transmission direction.
  • the power amplifier circuit 270 includes a buffer circuit 272 and an amplifier circuit 274 .
  • the receiving unit 300 includes: The device has a plurality of (three in this embodiment) receiving side channels 310 capable of receiving the receiving voltage signals generated by the plurality of (three in this embodiment) receiving piezoelectric elements 141, and a plurality of (three in this embodiment) envelope detectors 320 inserted in each of the plurality of receiving side channels 310.
  • the envelope detector 320 generates an envelope detection signal having a width corresponding to the duration (time width of the entire signal) of the received voltage signal transmitted from the corresponding receiving piezoelectric element 141 via the receiving channel 310 .
  • the envelope detector 320 includes a circuit that converts the envelope detection signal into a pulse waveform.
  • the receiving unit 300 further has a plurality of low-noise amplifier circuits 315 (three in this embodiment) that are inserted in each of the receiving channels 310 upstream in the signal transmission direction from the plurality of envelope detectors 330.
  • FIG. 16 is a schematic diagram showing the received voltage signal processing performed by the receiving unit 300. As shown in FIG. FIG. 17(a) shows a schematic diagram of the received voltage signal processing subsequent to FIG.
  • the receiving unit 300 further has a plurality of delay circuits 330 (three in the figure) that are inserted in the receiving channels 310 downstream in the signal transmission direction from the plurality of detectors 320 and are capable of delaying the received voltage signal by a corresponding predetermined time, and an adder circuit 340 that adds up the output signals of the plurality of delay circuits 330.
  • the delay times of the multiple delay circuits 330 are set so that, among the received voltage signals generated by the multiple receiving transducers in response to the reception of ultrasonic waves by the corresponding receiving piezoelectric elements 141, only the received voltage signals due to return ultrasonic waves at an azimuth angle ⁇ that are reflected off an obstacle at the azimuth angle ⁇ when the transmitting transducer radiates the ultrasonic waves are matched on the time axis.
  • the multiple delay circuits 330 delay the respective received voltage signals by the corresponding delay times in response to a delay control signal sent from a receiving side delay time control unit 562 provided in the receiving unit 300.
  • the receiving side delay time control unit 562 calculates a delay time ⁇ r corresponding to each of the multiple receiving side channels 310 based on the azimuth angle signal sent from the azimuth angle control unit 550, and delays each receiving voltage signal by the delay time based on the delay control signal for each of the multiple receiving side channels 310.
  • the delay time of the third delay circuit 330-3 that delays the reception voltage signal from the third receiving piezoelectric element 141 (11,1) is set to zero
  • the delay time of the first delay circuit 330-1 which delays the received voltage signal from the first receiving piezoelectric element 141 (1, 2), is set to a time ⁇ r relative to the received voltage signal from the adjacent second receiving piezoelectric element 141 (6, 2), that is, a time 2 ⁇ r relative to the received voltage signal from the third receiving piezoelectric element 141 (11, 1).
  • the adder circuit 370 adds the received voltage signals of the multiple receiving channels 310 whose time axes have been aligned by the multiple delay circuits 330.
  • This configuration effectively avoids detecting objects in directions other than the azimuth angle ⁇ at which the ultrasonic waves are emitted as false images of obstacles located at the azimuth angle ⁇ .
  • the phased array sensor 1 of this embodiment has the transducer array 102 of the second embodiment, which includes the multiple receiving piezoelectric elements 141, but it is also possible to have the transducer array 101 of the first embodiment, which includes a single receiving piezoelectric element 140, instead.
  • FIG. 18 shows a schematic block diagram of a phased array sensor 2 according to a first modified example of this embodiment, which includes the transducer array 101 according to the first embodiment.
  • the phased array sensor 2 has the transducer array 101 instead of the transducer array 102, and has a receiving unit 302 instead of the receiving unit 300.
  • the receiving unit 302 Compared to the receiving unit 300, the receiving unit 302 has the delay circuit 330, the receiving delay time control unit 562, and the adding circuit 340 removed.
  • phased array sensor 2 since there is only one receiving transducer that receives the returning ultrasonic waves, in addition to detecting an obstacle based on the returning ultrasonic waves at the azimuth angle ⁇ , it is possible to detect a virtual image based on multiple reflected ultrasonic waves that are reflected back from other obstacles in other directions by the reflected ultrasonic waves from the obstacle.
  • the phased array sensor 1 which is equipped with a plurality of the receiving transducers, can align only the received voltage signal of the return ultrasonic wave at azimuth angle ⁇ , which is emitted toward azimuth angle ⁇ and reflected back from an obstacle at azimuth angle ⁇ , with the time axis, thereby effectively avoiding detection of a false image.
  • the detector 320 may include a variable gain amplifier (not shown) and a logarithmic amplifier (not shown) in front of the circuit that performs envelope detection.
  • variable gain amplifier is configured so that the amplification gain increases as the time difference between the timing at which the transducer array 102 (101) emits ultrasonic waves due to the drive voltage signal from the transmitting unit 200 and the timing at which the transducer array 102 (101) receives the returning ultrasonic waves increases.
  • variable gain amplifier is provided taking into consideration that the more distant the obstacle, the greater the acoustic attenuation of the returning ultrasonic waves, and the smaller the amplitude of the received voltage signal.
  • the logarithmic amplifier is configured to provide a large gain for small amplitude signals and a small gain for large amplitude signals.
  • the logarithmic amplifier can prevent such problems, expand the amplitude range of signals that can be amplified, and effectively suppress distortion of the output signal of the detector.
  • the detection device 600 has a time difference detection unit 610, an orientation detection unit 620, and a position detection unit 630.
  • the generation timing t1 of the reception timing signal is the point in time when the reception voltage signal from the detector 320 exceeds a predetermined threshold value.
  • the azimuth detection unit 620 is configured to recognize the azimuth angle ⁇ at which the transducer array 102 (101) emits ultrasonic waves based on the azimuth angle information sent from the control device 500.
  • the position detection unit 630 identifies the position of the obstacle based on the distance to the obstacle calculated based on the detection result of the time difference detection unit 610 and the azimuth angle of the obstacle recognized by the azimuth detection unit 620.
  • the phased array sensor 1 (2) further includes a display device 700 that displays the position information of the obstacle identified by the detection device 600.
  • all delay and addition processes of the received signal in the receiving channel 310 are performed on the signal after envelope detection, so no grating lobes occur in the azimuth distribution of the receiving sensitivity, and even if the receiving piezoelectric elements 141 that form the receiving transducer are of a resonant type, there is no effect from variations in their resonant frequency. For this reason, the arrangement spacing dr of the receiving transducer (receiving piezoelectric elements 141) can be set arbitrarily, and it is advantageous to set dr wide in order to increase the azimuth resolution.
  • the first receiving piezoelectric element 141 (1, 2) is arranged at one end of the scanning direction (X direction)
  • the second receiving piezoelectric element 141 (6, 2) is arranged in the center of the scanning direction (X direction)
  • the third receiving piezoelectric element 141 (11, 2) is arranged at the other end of the scanning direction (X direction).
  • the transmitting unit 200 has the signal generating means 220 in a number corresponding to the number of the transmitting piezoelectric elements 140, and a drive voltage signal is supplied to each of the transmitting piezoelectric elements 140 from the dedicated signal generating means 220.
  • FIG. 19 shows a schematic block diagram of a phased array sensor 3 according to a second modified example having such a modified configuration.
  • the sensor 3 according to the second modified example has a transmitting unit 202 instead of the transmitting unit 200, as compared to the sensor 1 according to the present embodiment.
  • the transmitting unit 202 has a plurality of signal generating means 220 provided for one or more transmitting piezoelectric elements 140 arranged at the same position in the scanning direction (X direction) among the transmitting piezoelectric elements 140 in the cooperating transducer array (the transducer array 102 in the illustrated configuration).
  • the sensor 3 shown in FIG. 19 has the transducer array 101 according to the first embodiment, and the array 101 has eleven scanning direction (X-direction) positions, numbered 1 to 11, for the arrangement of the multiple transmitting piezoelectric elements 140.
  • the transmitting unit therefore has a transmission signal generator 212 including the first to eleventh signal generating means 220-1 to 220-11, and first to eleventh transmitting channels 250-1 to 250-11 that transmit the drive voltage signals generated by the first to eleventh signal generating means 220-1 to 220-11 to the transmitting piezoelectric elements 140 at the corresponding scanning direction (X direction) positions.
  • the first to eleventh transmitting channels 250-1 to 250-11 each have the transmitting filter 260 and the power amplifier circuit 270 inserted in series.

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Abstract

本発明に係る超音波トランスデューサーアレイは、複数の貫通孔を含む貫通孔群が設けられた剛性の支持板と、複数の貫通孔を覆うように支持板に固着された可撓性樹脂膜と、中央領域が貫通孔と重合し且つ周縁領域が支持板と重合するように可撓性樹脂膜に固着された複数の圧電素子とを備え、前記複数の圧電素子は、所定駆動周波数の駆動電圧信号の印加に応じて超音波を発生する送信用トランスデューサーを形成する複数の送信用圧電素子と、超音波の受信に応じて受信電圧信号を発生する受信用トランスデューサーを形成する一又は複数の受信用圧電素子とを含み、送信用トランスデューサーは駆動周波数の駆動電圧信号の印加に応じて共振せずに超音波を発生する非共振型とされる一方で、受信用トランスデューサーは駆動周波数に応じた周波数の超音波の受信によって共振する共振型とされている。

Description

超音波トランスデューサーアレイ及び超音波フェイズドアレイセンサー
　本発明は、空中超音波トランスデューサーアレイ及び前記アレイを有するフェイズドアレイセンサーに関する。
　複数の送信用トランスデューサーが一定間隔で直線状に配列されてなる送信用トランスデューサー列と、複数の受信用トランスデューサーが一定間隔で直線上に配列されてなる受信用トランスデューサー列とを備え、前記送信用トランスデューサー列及び前記受信用トランスデューサー列が交差することなく且つ互いに対する角度が直角となるように配置されている超音波トランスデューサーアレイが提案されている（下記特許文献１及び２参照）。
　前記超音波トランスデューサーアレイにおいては、前記複数の送信用トランスデューサーには、所定駆動周波数成分を含む駆動電圧が一定の位相差で順次印加され、前記送信用トランスデューサー列は前記位相差に対応した方位角へ超音波を放射する。
　一方、前記複数の受信用トランスデューサーは、前記送信用トランスデューサー列から放射されて障害物に反射して戻ってくる超音波（受信音波）を受信して、受信電圧信号を生成する。
　前記複数の受信用トランスデューサーがそれぞれ発生する受信電圧信号は順次所定時間ごと遅延されて、加算される。ここで、受信電圧信号に対する遅延時間は、放射音波の方位角と同じ方位角からの受信音波に基づく受信電圧信号を加算するように設定される。
　しかしながら、斯かる従来の超音波トランスデューサーアレイは下記問題点を有している。
　即ち、前記送信用トランスデューサーに十分に大きな振幅量の振動を行なわせる為に、前記送信用トランスデューサーを共振振動させることが一般的である。
　具体的には、前記送信用トランスデューサーには、当該送信用トランスデューサーの共振周波数を主成分とする駆動電圧信号、好ましくは、バースト波駆動電圧信号が印加され、これにより、前記送信用トランスデューサーを共振させて、超音波を放射させる。
　この場合、駆動電圧信号の印加時には前記送信用トランスデューサーから共振周波数の音波が放射されることになるが、駆動電圧信号（好ましくは、バースト波電圧信号）の印加が終了した後の暫くの期間においては、前記送信用トランスデューサーは、共振周波数での減衰振動を行なうことになる。
　従って、互いに対して近距離に複数の障害物が位置している場合には、前記受信用トランスデューサーは、最も近い第１の障害物からの反射音波として、駆動電圧信号に応じた前記送信用トランスデューサーの放射音波（以下、正常放射音波という）が第１の障害物に反射して戻ってくる反射音波に加えて、減衰振動に基づく前記送信用トランスデューサーの放射音波（以下、減衰放射音波という）が第１の障害物に反射して戻ってくる反射音波も受信することになる。このような場合、前記正常放射音波が第１の障害物よりも遠い第２の障害物に反射して戻ってくる反射音波と、前記減衰放射音波が第１の障害物に反射して戻ってくる反射音波とが重合された状態で、前記受信用トランスデューサーに受信される事態が生じ得る。斯かる事態は、障害物検知の距離分解能の低下を招く。
　さらに、前記送信用トランスデューサーの印加電圧に対する振動動作の周波数応答は、当該送信用トランスデューサーの共振周波数近傍において位相が大きく変化する。
　従って、前記複数の送信用トランスデューサーに印加する駆動電圧の周波数を当該送信用トランスデューサーの共振周波数近傍に設定しつつ、前記複数の送信用トランスデューサーから放射される音波の位相を精密に制御する為には、前記複数の送信用トランスデューサーの共振周波数の「ばらつき」を極限まで抑制する必要があるが、これは非常に難しい。
　本願出願人は、前述のような共振型超音波トランスデューサーとは異なるタイプの非共振型超音波トランスデューサーに関する発明を出願し、特許権を取得している（下記特許文献３及び４参照）。
　前記非共振型超音波トランスデューサーは、共振周波数が駆動周波数（例えば、４０ｋＨｚ）よりも高く設定されており、従って、共振周波数の変動の影響を受けることなく駆動周波数での振動の位相を精密に制御できる。
　しかしながら、前記非共振型超音波トランスデューサーを受信用トランスデューサーとして用いると、反射音波の受信に応じて励起される出力電圧が小さくなり、様々な雑音成分から反射音波に応じた受信電圧信号を正確に分離することは困難となる。
特開平２－１０２４８１号公報 特開平１１－２４８８２１号公報 特許第６７７６４８１号公報 特許第７０２３４３６号公報
　本発明は、斯かる従来技術に鑑みなされたものであり、複数の送信用トランスデューサー及び一又は複数の受信用トランスデューサーを備え、前記複数の送信用トランスデューサーから放射される音波の位相制御性能を向上させつつ、反射音波の受信に応じて前記受信用トランスデューサーが十分に大きな受信電圧信号を励起可能とされた超音波トランスデューサーアレイの提供を第１の目的とする。
　また、本発明は、前記超音波トランスデューサーアレイを備えたフェイズドアレイセンサーの提供を第２の目的とする。
　前記第１の目的を達成するために、本発明の第１態様は、厚み方向一方側の第１面及び厚み方向他方側の第２面を有する剛性の支持板であって、第１及び第２面の間を貫通する複数の貫通孔を含む貫通孔群が設けられた支持板と、前記複数の貫通孔を覆うように前記支持板の第１面に固着された可撓性樹脂膜と、平面視において中央領域が対応する貫通孔と重合し且つ周縁領域が前記支持板の第１面と重合するように前記可撓性樹脂膜に固着された前記複数の貫通孔と同数の圧電素子とを備え、前記複数の圧電素子は、所定駆動周波数の駆動電圧信号の印加に応じて超音波を発生する送信用トランスデューサーを形成する複数の送信用圧電素子と、超音波の受信に応じて受信電圧信号を発生する受信用トランスデューサーを形成する一又は複数の受信用圧電素子とを含み、前記送信用トランスデューサーは前記駆動周波数の駆動電圧信号の印加に応じて共振せずに超音波を発生する非共振型とされる一方で、前記受信用トランスデューサーは前記駆動周波数に応じた周波数の超音波の受信によって共振する共振型とされている超音波トランスデューサーアレイを提供する。
　本発明の第１態様に係る超音波トランスデューサーアレイによれば、前記複数の送信用トランスデューサーから放射される音波の位相制御性能を向上させつつ、反射音波の受信に応じて前記受信用トランスデューサーが十分に大きな受信電圧信号を励起することができる。
　前記第１態様の第１形態においては、前記貫通孔群は、前記支持板のＸ－Ｙ平面のＸ方向に所定のＸ方向配列ピッチで配置されたｍ個（ｍは３以上の整数）の前記貫通孔によって形成されるＸ方向列を有し得る。
　前記第１形態において、好ましくは、前記貫通孔群は、一の基準Ｘ方向列と前記基準Ｘ方向列のＹ方向に所定のＹ方向配列ピッチで配列された一又は複数の並列Ｘ方向列とを有し、前記一又は複数の受信用圧電素子は、前記基準Ｘ方向列を形成する一又は複数の貫通孔を平面視において覆うように配置され、前記送信用圧電素子のうち、前記受信用圧電素子のＹ方向に隣接する送信用圧電素子は、他の送信用圧電素子よりも厚さが小とされる。
　より好ましくは、前記並列Ｘ方向列は、前記基準Ｘ方向列のＹ方向一方側及び他方側にそれぞれ所定のＹ方向配列ピッチで隣接された第１隣接Ｘ方向列及び第２隣接Ｘ方向列を含み、前記送信用圧電素子のうち、前記受信用圧電素子のＹ方向一方側及び他方側にそれぞれ隣接する送信用圧電素子は、他の送信用圧電素子よりも厚さが小とされる。
　好ましくは、前記Ｘ方向配列ピッチ及び前記Ｙ方向配列ピッチは同一間隔とされる。
　前記種々の構成において、好ましくは、前記受信用圧電素子は、前記Ｘ方向列のＸ方向に関する中心を基準として対称に配置される。
　前記種々の構成において、好ましくは、前記貫通孔は、前記支持板の第１面に開口された凹部と、前記凹部よりも開口幅が小とされた一端側の第１端部が前記凹部の底面に開口され且つ他端側の第２端部が前記支持板の第２面に開口された導波路とを含み得る。
　より好ましくは、前記導波路は、前記凹部の底面に開口された前記第１端部を含む筒状部と、前記支持板の第２面に開口された前記第２端部を含むホーン部とを有する。
　前記筒状部は、開口幅が前記凹部の開口幅より小で且つ厚み方向全域に亘って同一開口幅とされ、前記ホーン部は、前記筒状部に連通する基端側から前記支持板の第２面に開口された先端側に近接するに従って、開口幅が大きくなるように構成される。
　前記種々の構成において、好ましくは、前記送信用圧電素子は積層型とされ、前記受信用圧電素子は単層型とされる。
　前記種々の構成において、好ましくは、前記受信用圧電素子は前記送信用圧電素子よりも厚さが小とされる。
　本発明の第１態様に係る前記超音波トランスデューサーアレイは、前記複数の圧電素子をそれぞれ囲む大きさの複数の圧電素子用開口を有し且つ前記送信用圧電素子よりも厚みが大とされた下側封止板であって、平面視において前記複数の圧電素子が対応する前記圧電素子用開口内に位置するように前記可撓性樹脂膜に固着された下側封止板と、前記下側封止板に固着された配線アッセンブリとを備え得る。
　前記配線アッセンブリは、絶縁性のベース層と、前記ベース層に設けられた送信用配線及び受信用配線を含む導体層と、前記導体層を囲繞する絶縁性のカバー層とを有するものとされ、前記ベース層には、前記送信用配線のうち前記送信用圧電素子の電極との接続領域を露出させる送信用接続開口と、前記受信用配線のうち前記受信用圧電素子の電極との接続領域を露出させる受信用接続開口とが設けられる。
　前記受信用圧電素子の厚さが前記送信用圧電素子の厚さよりも薄い構成においては、好ましくは、前記受信用接続領域には前記受信用接続開口を介して外方へ突出されたバンプが設けられる。
　前記第２の目的を達成するために、本発明の第２態様は、厚み方向一方側の第１面及び厚み方向他方側の第２面を有する剛性の支持板であって、第１及び第２面の間を貫通する複数の貫通孔を含む貫通孔群が設けられた支持板、前記複数の貫通孔を覆うように前記支持板の第１面に固着された可撓性樹脂膜、並びに、平面視において中央領域が対応する貫通孔と重合し且つ周縁領域が前記支持板の第１面と重合するように前記可撓性樹脂膜に固着された前記複数の貫通孔と同数の圧電素子を備え、前記貫通孔群は、前記支持板のＸ－Ｙ平面のＸ方向に所定のＸ方向配列ピッチで配置されたｍ個（ｍは３以上の整数）の前記貫通孔によって形成されるＸ方向列を有し、前記複数の圧電素子は、所定駆動周波数の駆動電圧信号の印加に応じて超音波を発生する送信用トランスデューサーを形成する複数の送信用圧電素子と、超音波の受信に応じて受信電圧信号を発生する受信用トランスデューサーを形成する複数の受信用圧電素子とを含んでいる超音波トランスデューサーアレイと、前記複数の送信用圧電素子に印加する正弦波のバースト波駆動電圧信号であって、前記送信用トランスデューサーの共振周波数よりも低い前記所定駆動周波数の駆動電圧信号を前記複数の送信用圧電素子のそれぞれに対応した遅延時間で発生可能な送信信号発生装置と、前記複数の受信用圧電素子がそれぞれ発生する受信電圧信号の継続時間に対応する幅の検波信号を生成する複数の検波器と、前記複数の検波器が生成する検波信号をそれぞれ所定時間遅延可能な複数の遅延回路と、前記複数の遅延回路の出力信号を加算して加算受信電圧信号を生成する加算回路と、前記送信信号発生装置及び前記遅延回路の制御を司る制御装置と、前記制御装置から送られてくる駆動電圧信号に基づく送信タイミング信号及び前記加算回路から送られてくる加算受信電圧信号に基づく受信タイミング信号の時間差並びに前記制御装置から送られてくる方位角情報に基づき、障害物の位置を検出する検知装置とを備え、前記送信用トランスデューサーは前記駆動周波数の駆動電圧信号の受信に応じて共振せずに超音波を発生する非共振型とされる一方で、前記受信用トランスデューサーは前記駆動周波数に応じた周波数の超音波の受信によって共振する共振型とされている超音波フェイズドアレイセンサーを提供する。
　前記第２態様の好ましい形態においては、前記貫通孔群は、一の基準Ｘ方向列と前記基準Ｘ方向列のＹ方向に所定のＹ方向配列ピッチで配列された一又は複数のＸ方向列とを有するものとされ、前記複数の受信用圧電素子は、前記基準Ｘ方向列を形成する複数の貫通孔のうちの対応する貫通孔を平面視において覆うように配置され、前記送信信号発生装置は、前記送信用圧電素子のうち、Ｙ方向に関し前記受信用圧電素子に隣接する送信用圧電素子に印加する駆動電圧信号の振幅を、他の送信用圧電素子に印加する駆動電圧信号の振幅よりも大きくするように構成される。
　より好ましくは、前記貫通孔群は、前記基準Ｘ方向列のＹ方向一方側及び他方側にそれぞれ所定のＹ方向配列ピッチで隣接された第１隣接Ｘ方向列及び第２隣接Ｘ方向列を含むものとされ、前記送信信号発生装置は、前記送信用圧電素子のうち、前記受信用圧電素子のＹ方向一方側及び他方側にそれぞれ隣接する送信用圧電素子に印加する駆動電圧信号の振幅を、他の送信用圧電素子に印加する駆動電圧信号の振幅よりも大きくするように構成される。
　前記第２態様の種々の構成において、好ましくは、前記複数の受信用圧電素子は、前記基準Ｘ方向列のＸ方向一端側及び他端側の貫通孔を平面視において覆うように配置される。
　前記第２態様の種々の構成において、前記貫通孔群は、一の基準Ｘ方向列と前記基準Ｘ方向列のＹ方向に所定のＹ方向配列ピッチで配列された一又は複数のＸ方向列とを有するものとされ、前記複数の受信用圧電素子は、前記基準Ｘ方向列を形成する複数の貫通孔のうちの対応する貫通孔を平面視において覆うように配置される。
　第１の形態においては、前記送信信号発生装置は、前記複数の送信用圧電素子毎に設けられた複数の信号発生手段を有するものとされる。
　第２の形態においては、前記送信信号発生装置は、Ｘ方向同一位置に配置された送信用圧電素子毎に設けられた複数の信号発生手段を有するものとされ、Ｘ方向同一位置に配置された送信用圧電素子は、共通の信号発生手段から駆動電圧信号が供給されるように構成される。
　前記第２の目的を達成するために、本発明の第３態様は、厚み方向一方側の第１面及び厚み方向他方側の第２面を有する剛性の支持板であって、第１及び第２面の間を貫通する複数の貫通孔を含む貫通孔群が設けられた支持板、前記複数の貫通孔を覆うように前記支持板の第１面に固着された可撓性樹脂膜、並びに、平面視において中央領域が対応する貫通孔と重合し且つ周縁領域が前記支持板の第１面と重合するように前記可撓性樹脂膜に固着された前記複数の貫通孔と同数の圧電素子を備え、前記貫通孔群は、前記支持板のＸ－Ｙ平面のＸ方向に所定のＸ方向配列ピッチで配置されたｍ個（ｍは３以上の整数）の前記貫通孔によって形成されるＸ方向列を有し、前記複数の圧電素子は、所定駆動周波数の駆動電圧信号の印加に応じて超音波を発生する送信用トランスデューサーを形成する複数の送信用圧電素子と、超音波の受信に応じて受信電圧信号を発生する受信用トランスデューサーを形成する単一の受信用圧電素子とを含んでいる超音波トランスデューサーアレイと、前記複数の送信用圧電素子に印加する正弦波のバースト波駆動電圧信号であって、前記送信用トランスデューサーの共振周波数よりも低い前記所定駆動周波数の駆動電圧信号を前記複数の送信用圧電素子のそれぞれに対応した遅延時間で発生可能な送信信号発生装置と、前記受信用圧電素子が発生する受信電圧信号の継続時間に対応する幅の検波信号を生成する検波器と、前記送信信号発生装置の制御を司る制御装置と、前記制御装置から送られてくる駆動電圧信号に基づく送信タイミング信号及び前記検波器から送られてくる検波信号に基づく受信タイミング信号の時間差並びに前記制御装置から送られてくる方位角情報に基づき、障害物の位置を検出する検知装置とを備え、前記送信用トランスデューサーは前記駆動周波数の駆動電圧信号の受信に応じて共振せずに超音波を発生する非共振型とされる一方で、前記受信用トランスデューサーは前記駆動周波数に応じた周波数の超音波の受信によって共振する共振型とされている超音波フェイズドアレイセンサーを提供する。
図１は、本発明の実施の形態１に係る空中超音波トランスデューサーアレイの部分縦断面図である。 図２は、図１におけるII-II線に沿った前記アレイの部分平面図である。 図３は、前記実施の形態１の第１実施例モデルにおける送信用トランスデューサーの単体模式断面図である。 図４は、前記第１実施例モデルにおける３２個の送信用圧電素子の全てに振幅１０Ｖの正弦波の駆動電圧を印加した場合（第１実施例－（１））、前記第１実施例モデルにおける送信用圧電素子のうち走査方向とは直交する方向に関し受信用圧電素子に隣接する２個の送信用圧電素子には振幅１５Ｖの正弦波の増強駆動電圧を印加し且つその他の３０個の送信用圧電素子には振幅１０Ｖの正弦波の駆動電圧を印加した場合（第１実施例－（２））、及び、前記第１実施例モデルにおける１個の受信用圧電素子が送信用圧電素子に変更されてなる比較例モデルにおける３３個の送信用圧電素子の全てに振幅１０Ｖの正弦波の駆動電圧を印加した場合（比較例）のそれぞれにおいて、駆動電圧の駆動周波数を２５～６０ｋＨｚの範囲で変化させて、駆動電圧の駆動周波数と前記第１実施例モデルが放射する音波の音圧レベルとの関係を有限要素法解析によって算出した結果を示すグラフである。 図５は、駆動電圧の駆動周波数を４０ｋＨｚとした場合における前記第１実施例－（１）、前記第１実施例１－２及び前記比較例の放射音波の横方向の音圧指向性を有限要素法解析によって算出した結果を示すグラフである。 図６（ａ）～（ｃ）は、それぞれ、受信感度に関する解析を行った受信用トランスデューサーモデルＡ～Ｃの模式断面図である。 図７は、導波路の先端側開口に入射された音圧Ｐの音波によって前記モデルＡ～Ｃを振動させた場合において、前記音波の周波数を２５ｋＨｚ～６５ｋＨｚに変化させて、前記音波の周波数と受信感度（Ｖ／Ｐ）との関係を有限要素法解析によって算出した結果を示すグラフである。 図８（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、前記実施の形態１に係るトランスデューサーアレイに備えられる送信用圧電素子の平面図及び図８（ａ）におけるVIII-VIII線に沿った断面図である。 図９は、前記実施の形態１における図２に対応した、本発明の実施の形態２に係るトランスデューサーアレイの部分平面図である。 図１０は、前記第２実施例モデルにおける３０個の送信用圧電素子の全てに振幅１０Ｖの正弦波の駆動電圧を印加した場合（第２実施例－（１））、前記第２実施例モデルにおける送信用圧電素子のうち走査方向とは直交する方向に関し３個の受信用圧電素子に隣接する６個の送信用圧電素子には振幅１５Ｖの正弦波の増強駆動電圧を印加し且つその他の２４個の送信用圧電素子には振幅１０Ｖの正弦波の駆動電圧を印加した場合（第２実施例－（２））、及び、前記第２実施例モデルにおける３個の受信用圧電素子が送信用圧電素子に変更されてなる比較例モデルにおける３０個の送信用圧電素子の全てに振幅１０Ｖの正弦波の駆動電圧を印加した場合（比較例）のそれぞれにおいて、駆動電圧の駆動周波数を２５～６０ｋＨｚの範囲で変化させて、駆動電圧の駆動周波数と前記第２実施例モデルが放射する音波の音圧レベルとの関係を有限要素法解析によって算出した結果を示すグラフである。 図１１は、駆動電圧の駆動周波数を４０ｋＨｚとした場合における前記第２実施例－（１）、前記第２実施例１－２及び前記比較例の放射音波の横方向の音圧指向性を有限要素法解析によって算出した結果を示すグラフである。 図１２は、本発明の実施の形態３に係るフェイズドアレイセンサーの模式ブロック図である。 図１３は、前記フェイズドアレイセンサーにおける制御装置及び送信側ユニットの模式ブロック図である。 図１４は、前記フェイズドアレイセンサーにおける前記制御装置及び受信側ユニットの模式ブロック図である。 図１５は、前記送信側ユニットから供給される駆動電圧信号によって、走査方向（Ｘ方向）に沿って配列された複数の送信用圧電素子を含むトランスデューサーアレイが超音波を放射する際の模式動作説明図である。 図１６は、前記受信側ユニットによって行われる受信電圧信号処理の模式図である。 図１７（ａ）は、図１６に後続する受信電圧信号処理の模式図である。図１７（ｂ）は、前記加算器の出力信号に基づいて生成される受信電圧信号の受信タイミング信号であり、図１７（ｃ）は、前記制御装置から送られてくる信号に基づいて生成される駆動電圧信号の送信タイミング信号である。 図１８は、前記実施の形態３の第１変形例に係るフェイズドアレイセンサーの模式ブロック図である。 図１９は、前記実施の形態３の第２変形例に係るフェイズドアレイセンサーの模式ブロック図である。
実施の形態１
　以下、本発明に係る空中超音波トランスデューサーアレイの一実施の形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
　図１に、本実施の形態に係るトランスデューサーアレイ１０１の部分縦断面図を示す。
　また、図２に、図１におけるII-II線に沿った前記アレイ１０１の部分平面図を示す。
　図１及び図２に示すように、前記トランスデューサーアレイ１０１は、
・厚み方向一方側の第１面１２１及び厚み方向他方側の第２面１２２を有する剛性の支持板１２０であって、第１及び第２面１２１、１２２の間を貫通する複数の貫通孔１２５を含む貫通孔群が設けられた支持板１２０と、
・前記複数の貫通孔１２５を覆うように前記支持板１２０の第１面１２１に固着された可撓性樹脂膜１３０と、
・平面視において中央領域が対応する貫通孔１２５と重合し且つ周縁領域が前記支持板１２０の第１面１２１と重合するように前記可撓性樹脂膜１３０に固着された前記複数の貫通孔１２５と同数の圧電素子と、
を備えている。
　前記複数の圧電素子及び前記可撓性樹脂膜１３０の対応する部分が複数のトランスデューサー１１０を形成している。
　前記複数の圧電素子は、所定駆動周波数（３０ｋＨｚ～５０ｋＨｚの範囲内で、例えば４０ｋＨｚ）の駆動電圧信号の印加に応じて超音波を発生する送信用トランスデューサーを形成する複数の送信用圧電素子１４０と、超音波の受信に応じて受信電圧信号を発生する受信用トランスデューサーを形成する一又は複数の受信用圧電素子１４１とを含んでいる。
　図２に示すように、本実施の形態においては、前記複数の圧電素子は、３２個の送信用圧電素子１４０と１個の受信用圧電素子１４１とを有している。
　なお、前記受信用圧電素子１４１は、理解容易化の為に、図２において塗りつぶされている。
　前記送信用圧電素子１４０は、前記可撓性樹脂膜１３０の対応する部分と共働して、当該送信用圧電素子１４０への前記所定駆動周波数の駆動電圧信号の印加に応じて超音波を発生する前記送信用トランスデューサーを形成する。
　本実施の形態においては、下記構成を備えることによって、前記送信用トランスデューサーは、最低次の共振モードの周波数が前記駆動周波数よりも高く設定されつつ、当該送信用トランスデューサーの最低次の共振モードの周波数よりも低い前記所定駆動周波数の駆動電圧信号の前記送信用圧電素子への印加に応じて、有効に超音波を発生する非共振型とされている。
　前記支持板１２０は、剛性を有する種々の部材によって形成することができ、ステンレス等の金属、好ましくは、金属よりも密度が小さく且つヤング率の高いＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３等のセラミックス材料によって形成することができる。
　前記複数の貫通孔１２５は、平面視において前記複数の送信用圧電素子１４０によってそれぞれ覆われる複数の送信用貫通孔１２５ａと、平面視において前記一又は複数の受信用圧電素子１４１（本実施の形態においては１個の受信用圧電素子１４１）によって覆われる一又は複数の受信用貫通孔１２５ｂ（本実施の形態においては１個の受信用貫通孔１２５ｂ）とを含んでいる。
　図１に示すように、前記送信用貫通孔１２５ａは、前記支持板１２０の第１面１２１に開口された凹部１２６ａと、前記凹部１２６ａよりも開口幅が小とされた一端側の第１端部が前記凹部１２６ａの底面に開口され且つ他端側の第２端部が前記支持板１２０の第２面１２２に開口された導波路１２７ａとを含んでいる。
　前記導波路１２７ａは、前記凹部１２６ａの底面に開口された前記第１端部を含む筒状部１２８ａと、前記支持板１２０の第２面１２２に開口された前記第２端部を含むホーン部１２９ａとを有している。
　前記筒状部１２８ａは、開口幅が前記凹部１２６ａの開口幅より小で且つ厚み方向全域に亘って同一開口幅とされている。
　前記ホーン部１２９ａは、前記筒状部１２８ａに連通する基端側から前記支持板１２０の第２面１２２に開口された先端側に近接するに従って、開口幅が大きくなるように構成されている。
　本実施の形態においては、前記受信用貫通孔１２５ｂは、前記送信用貫通孔１２５ａと実質的に同一構成を有している。
　即ち、前記受信用貫通孔１２５ｂは、前記支持板１２０の第１面１２１に開口された凹部１２６ｂと、前記凹部１２６ｂよりも開口幅が小とされた一端側の第１端部が前記凹部１２６ｂの底面に開口され且つ他端側の第２端部が前記支持板１２０の第２面１２２に開口された導波路１２７ｂとを含んでいる。
　前記導波路１２７ｂは、前記凹部１２６ｂの底面に開口された前記第１端部を含む筒状部１２８ｂと、前記支持板１２０の第２面１２２に開口された前記第２端部を含むホーン部１２９ｂとを有している。
　前記筒状部１２８ｂは、開口幅が前記凹部１２６ｂの開口幅より小で且つ厚み方向全域に亘って同一開口幅とされている。
　前記ホーン部１２９ｂは、前記筒状部１２８ｂに連通する基端側から前記支持板１２０の第２面１２２に開口された先端側に近接するに従って、開口幅が大きくなるように構成されている。
　なお、前記受信用貫通孔１２５ｂを前記送信用貫通孔１２５ａとは異なる構成とすることも可能である。
　図１に示すように、本実施の形態においては、前記支持板１２０は、前記複数の凹部１２６が形成する開口が設けられた上部支持板１２０（１）と、前記複数の導波路１２５が形成された下部支持板１２０（２）とを有し、前記上部支持板１２０（１）及び前記下部支持板１２０（２）が固着されてなる積層構造体とされている。
　当然ながら、これに代えて、前記支持板１２０を、前記複数の凹部１２６が形成された部分及び前記複数の導波路１２５が形成された部分を一体的に備えた単一構造体とすることも可能である。
　前記可撓性樹脂膜１３０は、例えば、厚さ２０μｍ～１００μｍのポリイミド等の絶縁性樹脂によって形成される。
　前記可撓性樹脂膜１３０は、接着剤又は熱圧着等の種々の方法によって前記支持板１２０に固着される。
　前記送信用圧電素子１４０は、平面視において中央領域が対応する凹部１２６ａと重合し且つ周縁領域が前記支持板１２０の第１面１２１と重合するように、前記可撓性樹脂膜１３０の第１面（前記支持板１２０とは反対側の面）に固着されている。
　即ち、前記送信用圧電素子１４０の剛性及び前記送信用圧電素子１４０と前記支持板１２０の第１面１２１との平面視重合幅は、前記送信用トランスデューサーの最低次の共振モードの周波数が前記駆動周波数よりも高くなり、且つ、当該送信用トランスデューサーの最低次の共振モードの周波数よりも低い前記所定駆動周波数の駆動電圧信号の前記送信用圧電素子１４０への印加に応じて、有効に超音波を発生するように、設定される。
　例えば、前記駆動周波数が３０ｋＨｚ～５０ｋＨｚとされる場合には、前記送信用トランスデューサーの共振周波数は、例えば、７０ｋＨｚ～８０ｋＨｚとなるように設定される。
　このように、前記送信用トランスデューサーを非共振型とすることにより、以下の効果が奏される。
　即ち、前記送信用トランスデューサーを形成する複数の送信用圧電素子１４０が所定間隔で直線状に配置されているフェイズドアレイによって、数メートル先の物体を検知する為には、前記複数の送信用圧電素子１４０によって形成される複数の送信用トランスデューサーから放射される音波の位相を精密に制御する必要がある。
　例えば、ステンレス等の剛性の振動板に直接的に複数の送信用圧電素子が並列配置されている構成のフェイズドアレイにおいては、前記剛性振動板の剛性に抗して前記送信用圧電素子を伸縮させ、それによって前記送信用圧電素子及び前記剛性振動板によって形成される振動体（トランスデューサー）を所定の振幅でたわみ振動させて、発生音圧の大きさを確保する必要がある。
　その為には、前記送信用圧電素子への印可電圧の周波数（駆動周波数）を、当該送信用圧電素子によって形成される送信用トランスデューサーのたわみ振動の共振周波数の近傍に設定する必要がある。
　しかしながら、前記送信用圧電素子への印可電圧に対する、当該送信用圧電素子によって形成される送信用トランスデューサーのたわみ振動の周波数応答は、当該トランスデューサーの共振周波数近傍において位相が大きく変化する。
　従って、フェイズドアレイセンサーとして機能させるべく、前記複数の送信用トランスデューサーが発生する音波の位相を精密に制御する為には、前記複数の送信用トランスデューサー間における共振周波数に関する「ばらつき」を極限まで抑制する必要があるが、これは非常に難しい。
　この点に関し、前記超音波トランスデューサーアレイ１０１は、前述の通り、第１面１２１及び第２面１２２を貫通する複数の前記送信用貫通孔１２５ａが設けられた前記剛性の支持板１２０と、前記複数の送信用貫通孔１２５ａを覆うように前記支持板１２０の第１面１２１に固着された可撓性樹脂膜１３０と、平面視において中央領域が対応する前記送信用貫通孔１２５ａと重合し且つ周縁領域が前記支持板１２０の第１面１２１と重合するように前記可撓性樹脂膜１３０の第１面１３１に固着された前記複数の送信用圧電素子１４０とを有している。
　斯かる構成によれば、前記送信用圧電素子１４０によって形成される送信用トランスデューサーのたわみ振動の共振周波数が、前記送信用圧電素子１４０に印加する電圧信号の駆動周波数よりも高くなるように設定しても、前記送信用トランスデューサーの放射音波の音圧を十分に確保することができる。
　しかも、前記送信用トランスデューサーの共振周波数が前記送信用圧電素子１４０に印加する駆動周波数よりも高い場合には、前記複数の送信用トランスデューサー間において共振周波数の「ばらつき」があったとしても、前記複数の送信用トランスデューサーのたわみ振動の周波数応答の位相に大きな差異は生じない。
　従って、前記複数の送信用トランスデューサーが発生する音波の位相を精密に制御することができる。
　詳しくは、前記超音波トランスデューサーアレイ１０１によって数メートル先の物体を検知する為には、前記送信用圧電素子１４０によって形成される送信用トランスデューサーが放射する超音波の周波数を３０～５０ｋＨｚ程度の低周波数とする必要がある。
　前記送信用トランスデューサーの共振周波数を、前記送信用圧電素子１４０の駆動周波数（３０～５０ｋＨｚ）よりも十分に高い共振周波数（例えば、７０ｋＨｚ）とした場合、前記送信用圧電素子１４０の平面視縦横寸法を大きくした方が、前記送信用トランスデューサーが発生する超音波の音圧を高くすることができる。
　しかしながら、その一方で、前記トランスデューサーアレイ１０１におけるように、複数の送信用トランスデューサー（複数の送信用圧電素子１４０）が所定間隔で直線状に配置されてなる場合においては、前記複数の送信用トランスデューサーから放射される音波においてグレーティングローブの発生を抑制する為に、前記複数の送信用トランスデューサー（複数の送信用圧電素子１４０）の配列ピッチを当該送信用トランスデューサーが放射する超音波の波長λの１／２以下にする必要がある。
　温度２０℃の空気中の周波数４０ｋＨｚの超音波の波長λは８．６ｍｍであるから、前記送信用トランスデューサーが放射する超音波の周波数を４０ｋＨｚとしつつ、グレーティングローブの発生を抑制する為に、前記複数の送信用トランスデューサー（複数の送信用圧電素子１４０）の配列ピッチｄｅ（図２参照）を８．６ｍｍ／２＝４．３ｍｍ以下にする必要がある。
　従って、好ましくは、前記送信用圧電素子１４０の平面視縦横寸法は、音圧の確保の観点では３．０ｍｍ以上で、且つ、グレーティングローブの発生を抑制する観点では４．０ｍｍ以下とされる。
　なお、本実施の形態においては、前記送信用圧電素子１４０は、平面視正方形状とされているが、これに代えて、前記送信用圧電素子１４０の平面視形状を、平面視縦横寸法の最大値が４．３０ｍｍ以下の長方形を含む矩形状、直径が４．０ｍｍ以下の円形状、又は、長径が４．０ｍｍ以下の楕円形状とすることも可能である。
　前記凹部１２５ａの開口幅は、前記送信用圧電素子１４０及び前記可撓性樹脂膜１３０が形成する送信用トランスデューサーのたわみ振動の最低次の共振モードの周波数が当該送信用圧電素子１４０への印加電圧信号の周波数（駆動周波数）よりも大となるように、設定される。
　好ましくは、前記凹部１２５ａは、前記送信用圧電素子１４０の周縁領域と前記支持板１２０との平面視重合幅が前記送信用圧電素子１４０の全周に亘って０．０５ｍｍ～０．１ｍｍとなるように、前記送信用圧電素子１４０の平面視相似形状とされる。
　即ち、仮に、前記送信用圧電素子１４０が一辺４．０ｍｍの平面視正方形状とされている場合には、前記凹部１２５ａは、好ましくは、一辺３．８ｍｍ～３．９ｍｍの平面視正方形状とされ、前記送信用圧電素子１４０が直径４．０ｍｍの平面視円形状とされている場合には、前記凹部１２５ａは、好ましくは、直径３．８ｍｍ～３．９ｍｍの平面視円形状とされる。
　前記送信用トランスデューサーは、最低次の共振モードの周波数が駆動周波数の１．５倍以上となるように構成される。即ち、例えば、駆動周波数が４０ｋＨｚの場合には、前記送信用トランスデューサーは、最低次の共振モードの周波数が６０ｋＨｚ（＝１．５×４０Ｈｚ）以上となるように構成される。
　さらに、前記超音波トランスデューサーアレイ１０１においては、前記送信用貫通孔１２５ａは、前記支持板１２０の第１面１２１に開口された凹部１２６ａと、前記凹部１２６ａよりも開口幅が小とされた一端側の第１端部が前記凹部１２６ａの底面に開口され且つ他端側の第２端部が前記支持板１２０の第２面１２２に開口された導波路１２７ａとを含んでおり、前記導波路１２７ａは、前記凹部１２６ａの底面に開口された前記第１端部を含む筒状部１２８ａと、前記支持板１２０の第２面１２２に開口された前記第２端部を含むホーン部１２９ａとを有している。
　斯かる構成によって、前記送信用トランスデューサーの放射音波の音圧のさらなる確保を図っている。
　図２に示すように、本実施の形態においては、前記送信用貫通孔１２５ａ及び前記受信用貫通孔１２５ｂを含む前記貫通孔群は、前記支持板１２０のＸ－Ｙ平面のＸ方向に所定のＸ方向配列ピッチｄｅで配置されたｍ個（ｍは３以上の整数、本実施の形態においては１１個）の前記貫通孔１２５によって形成されるＸ方向列を有している。
　前記貫通孔群は、単一の前記Ｘ方向列を有することもできるし、Ｘ－Ｙ方向のＹ方向に所定のＹ方向配列ピッチＰｙで配列された複数の前記Ｘ方向列を有することも可能である。
　本実施の形態においては、図２に示すように、前記貫通孔群は、一の基準Ｘ方向列１１０Ａと、前記基準Ｘ方向列１１０ＡのＹ方向一方側及び他方側にそれぞれＹ方向配列ピッチＰｙで配列された第１隣接Ｘ方向列１１０（１）及び第２隣接Ｘ方向列１１０（２）とを含む３つのＸ方向列を有している。
　前記基準Ｘ方向列１１０Ａを形成するｍ個（本実施の形態においては１１個）の前記貫通孔１２５のうちの一つが前記受信用貫通孔１２５ｂとされ、残りの前記貫通孔１２５が前記送信用貫通孔１２５ａとされている。
　そして、前記送信用圧電素子１４０及び前記受信用圧電素子１４１が、それぞれ、対応する前記送信用貫通孔１２５ａ及び前記受信用貫通孔１２５ｂを平面視で覆うように配置されている。
　なお、図１及び図２中の符号１４０、１４１の後に付記されているカッコ内の数字は、ＸＹ座標位置（Ｘ方向位置及びＹ方向位置）を示している。
　即ち、カッコ内の前側の数字は前記圧電素子１４０、１４１のＸ方向位置（Ｘ方向一端（図２において左端）を第１番目とした場合のＸ方向位置）を示し、後側の数字は前記圧電素子１４０、１４１のＹ方向位置（Ｙ方向一端（図２において上端）を第１番目とした場合のＹ方向位置）を示している。
　具体的には、例えば、（１，１）は、Ｘ方向一端側から第１番目で且つＹ方向一端側から第１番目の位置を意味し、（２，３）は、Ｘ方向一端側から第２番目で且つＹ方向一端側から第３番目の位置を意味している。
　図２に示すように、本実施の形態においては、前記受信用圧電素子１４１は、（６，２）で表示される位置（即ち、Ｘ方向中央（図示の構成においてはＸ方向一端側から第６番目）で且つＹ方向中央（図示の構成においてはＹ方向一端側から第２番目）の位置）に配置されている。
　ここで、図２に示すように、前記受信用圧電素子１４１を挟んでＸ方向に隣接される前記送信用圧電素子１４１（図示の構成においては、送信用圧電素子１４０（５，２）及び送信用圧電素子１４０（７，２））の間のＸ方向配列ピッチは、所定配列ピッチｄｅではなく、２×ｄｅとなる。
　このように、前記アレイ１０１のうちの一部において送信用圧電素子のＸ方向配列ピッチが所定のＸ方向配列ピッチｄｅよりも大きくなる構成においては、前記複数の送信用トランスデューサーから放射される音波が所望の音圧レベルに達しない恐れがある。
　この点に関し、本願発明者は、図２に示す本実施の形態に係る超音波トランスデューサーアレイ１０１と同一配列のモデル、即ち、Ｙ方向に関し中央に位置する基準Ｘ方向列１１０ＡのＸ方向中央に前記受信用圧電素子１４１が配置され、その他の３２個の圧電素子が前記送信用圧電素子１４０とされたモデル（以下、第１実施例モデルという）を用いて、放射音波の音圧レベル（Sound Pressure Level、以下、ＳＰＬと称する）に関し有限要素法解析（以下、ＦＥＭ解析と称する）を行った。
　図３に、前記第１実施例モデルにおいて用いた送信用トランスデューサーの単体模式断面図を示す。
　前記第１実施例モデルの形状・寸法は以下の通りである。
・送信用圧電素子１４０
　チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）
　密度７．９７×１０３ｋｇ／ｍ３
　一層の厚さが０．１３ｍｍの２層積層型（合計厚さ０．２６ｍｍ）
　一辺の長さ３．４ｍｍの平面視正方形状
・可撓性樹脂膜１３０
　厚さ０．０５ｍｍのポリイミドフィルム
・上部支持板１２０（１）
　厚さ０．１ｍｍのＳＵＳ３０４
・凹部１２６ａ（上部支持板１２０（１）に形成された開口）
　一辺の長さ３．３ｍｍの平面視正方形状
・下部支持板１２０（２）
　厚さ３．２５ｍｍのアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）
・下部支持板１２０（２）に形成された導波路１２７ａ
　前記導波路１２７ａは、直径１．５ｍｍ且つ長さ０．５ｍｍの筒状部１２８ａと、先端側の開口直径が３．７ｍｍとされた長さ２．７５ｍｍのホーン部１２９ａとを有している。
　前記第１実施例モデルにおける送信用圧電素子１４０の全て（３２個）に振幅１０Ｖの正弦波の電圧を印加した場合を第１実施例－（１）とし、駆動電圧の駆動周波数を当該送信用圧電素子１４０が形成する送信用トランスデューサーの共振周波数（約８０ｋＨｚ）よりも低い周波数の範囲（２５～６０ｋＨｚ）で変化させて、ＦＥＭ解析によって駆動周波数毎のＳＰＬを算出した。
　第１実施例－（１）の解析結果を図４に示す。
　また、前記第１実施例モデルにおける送信用圧電素子１４０の全て（３２個）のうち、前記受信用圧電素子１４１のＹ方向一方側及び他方側にそれぞれ隣接された第１及び第２隣接送信用圧電素子（図２における送信用圧電素子１４０（６，１）及び送信用圧電素子（６，３））には振幅を１５Ｖに増強した正弦波の増強駆動電圧を印加し、その他の３０個の送信用圧電素子１４０には振幅１０Ｖの正弦波の駆動電圧を印加した場合を第１実施例－（２）とし、駆動電圧の駆動周波数を同様に変化させて、ＦＥＭ解析によって駆動周波数毎のＳＰＬを算出した。
　第１実施例－（２）の解析結果を図４に併せて示す。
　この第１実施例－（２）は、前記受信用圧電素子１４１を配置させた為に、位置（６，２）に配置できなくなった送信用圧電素子の放射音波を、増強された駆動電圧が印加される第１及び第２隣接送信用圧電素子（図２における送信用圧電素子１４０（６，１）及び送信用圧電素子（６，３））によってカバーすることを意図したものである。
　さらに、前記第１実施例モデルにおける受信用圧電素子１４１を送信用圧電素子１４０に変更した構成、即ち、１１×３個の圧電素子の全てが送信用圧電素子１４０とされた構成（比較例モデル）において、全て（３３個）の送信用圧電素子１４０に振幅１０Ｖの正弦波の電圧を印加した場合を比較例とし、駆動電圧の駆動周波数を同様の範囲（１０～７０ｋＨｚ）で変化させて、ＦＥＭ解析によって駆動周波数毎のＳＰＬを算出した。
　その結果を比較例として図４に併せて示す。
　図４に示すように、前記第１実施例－（１）では比較例より若干音圧レベルは低下するが、前記第１実施例－（２）では駆動周波数の変化範囲の全域に亘って前記比較例と同程度の音圧レベルを有していることが確認された。
　また、駆動電圧の駆動周波数が４０ｋＨｚとされた場合における前記第１実施例－（１）、前記第１実施例１－２及び前記比較例の放射音波の横方向の音圧指向性をＦＥＭ解析によって算出した。
　その結果を図５に示す。
　図５に示すように、音圧指向性に関しても、前記第１実施例－（１）及び前記第１実施例１－２共に、前記比較例に対して遜色ないことが確認された。
　なお、前記第１実施例においては、前記送信用圧電素子１４０の全てを同一構成としつつ、前記第１及び第２隣接送信用圧電素子に印加する駆動電圧信号の振幅を、他の送信用圧電素子に印加する駆動電圧信号の振幅よりも大とすることによって、前記第１及び第２隣接送信用圧電素子の振幅を他の送信用圧電素子の振幅よりも大とし、これにより、前記受信用圧電素子１４１を備えたことによる、放射音波の音圧レベルの低下を防止乃至は低減しているが、これに代えて、下記構成によって前記放射音波の音圧レベルの低下の防止乃至は低減を図ることも可能である。ただし、この場合は共振周波数が駆動周波数より高い領域に維持できるように圧電素子厚を決めることが必要となる。
　即ち、前記第１及び第２隣接送信用圧電素子として他の送信用圧電素子よりも厚さ小の圧電素子を用いることによって、同一振幅の駆動電圧信号が印加された場合において、前記第１及び第２隣接送信用圧電素子の振動変位を他の送信用圧電素子の振動変位よりも大きくすることができ、これによって、前記放射音波の音圧レベルの低下の防止乃至は低減を図ることができる。
　好ましくは、図１に示すように、前記受信用圧電素子１４１は、Ｘ方向列のＸ方向中心を基準にして対称に配置され、これにより、有効に反射音波を受信し得るようになっている。
　本実施の形態に係る前記トランスデューサーアレイ１０１は、単一の前記受信用圧電素子１４１（６，２）を有している。この場合、前記受信用圧電素子１４１（６，２）は、Ｘ方向列のＸ方向中央に配置される。
　次に、前記受信用圧電素子１４１及び前記可撓性樹脂膜１３０の対応する部分によって形成される前記受信用トランスデューサーについて説明する。
　本実施の形態においては、前記受信用トランスデューサーは、前記駆動周波数に応じた周波数の超音波の受信によって共振する共振型とされている。
　即ち、前記受信用トランスデューサーは、最低次の共振モードの周波数が前記所定駆動周波数と同一又は近傍になるように構成されている。
　詳しくは、前記受信用トランスデューサーは、最低次の共振モードの周波数が駆動周波数の０．８倍～１．２倍の範囲内となるように構成される。即ち、例えば、駆動周波数が４０ｋＨｚの場合には、前記受信用トランスデューサーは、最低次の共振モードの周波数が３２ｋＨｚ（＝０．８×４０Ｈｚ）～４８ｋＨｚ×（＝１．２×４０Ｈｚ）となるように構成される。
　ここで、前記受信用貫通孔１２５ｂの形状に関し、本願発明者が行なった解析について説明する。
　図６（ａ）～（ｃ）に、本解析で用いた受信用トランスデューサーモデルＡ～Ｃの模式断面図を示す。
　モデルＡ～Ｃの構成は以下の通りである。
　モデルＡ
・受信用圧電素子１４１
　チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）
　密度７．９７×１０３ｋｇ／ｍ３
　厚さ０．０８ｍｍ、一辺の長さ３．４ｍｍの平面視正方形状
・可撓性樹脂膜１３０
　厚さ０．０５ｍｍのポリイミドフィルム
・上部支持板１２０（１）
　厚さ０．１ｍｍのＳＵＳ３０４
・凹部１２６ｂ（上部支持板１２０（１）に形成された開口）
　一辺の長さ３．３ｍｍの平面視正方形状
・下部支持板１２０（２）
　厚さ３．２５ｍｍのアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）
・下部支持板１２０（２）に形成された導波路１２７ｂ
　下部支持板１２０（２）の厚さ方向全域に亘って形成された直径３．７ｍｍの筒状部１２８ｂ
　前記モデルＢ及びＣは、前記モデルＡに比して、前記導波路１２７ｂのみ変更されている。
　即ち、前記モデルＢにおける導波路１２７ｂは、直径２．５ｍｍ且つ長さ１．７５ｍｍの筒状部１２８ｂと、先端側の開口直径が３．７ｍｍとされた長さ１．５ｍｍのホーン部１２９ｂとを有している。
　前記モデルＣにおける導波路１２７ｂは、直径１．５ｍｍ且つ長さ０．５ｍｍの筒状部１２８ｂと、先端側の開口直径が３．７ｍｍとされた長さ２．７５ｍｍのホーン部１２９ｂとを有している。
　なお、前記モデルＣは、前記送信用圧電素子１４１が前記受信用圧電素子１４０に変更されている点を除き、前記第１実施例モデルと同一構成である。
　前記モデルＡ～Ｃに対して、前記導波路１２７ｂの先端側開口に入射された音圧Ｐの音波が前記導波路１２７ｂ及び前記凹部１２６ｂ内を伝播して前記受信用トランスデューサーを振動させ、この振動によって前記受信用圧電素子１４１が発生する受信電圧信号の電圧Ｖを有限要素解析によって求め、Ｖ／Ｐを受信感度として算出した。
　前記音波の周波数を２５ｋＨｚ～６５ｋＨｚに変化させて、それぞれの周波数の音波に対してＶ／Ｐを算出した。
　この解析結果を図７に示す。
　なお、図７の縦軸に示す感度はデシベル表記であり、０ｄＢ=１０Ｖ/Ｐ としている。
　図７に示されるように、想定される駆動電圧の駆動周波数の範囲（３０ｋＨｚ～５０ｋＨｚ）においては、前記モデルＣが最も良好であることが確認された。
　斯かる解析に基づき、本実施の形態においては、図１に示すように、前記受信用貫通孔１２５ｂは前記送信用貫通孔１２５ａと同一形状とされている。
　次に、前記圧電素子１４０、１４１の詳細構成について説明する。
　図８（ａ）、前記送信用圧電素子１４０の平面図を示す。
　また、図８（ｂ）に、図８（ａ）におけるVIII-VIII線に沿った断面図を示す。
　図１及び図８（ｂ）に示すように、本実施の形態においては、前記送信用圧電素子１４０は積層型とされている。
　積層型圧電素子は、単層型圧電素子に比して、同一電圧印可時に電界強度を高めることができ、印可電圧当たりの伸縮変位を大きくすることができる。
　詳しくは、前記送信用圧電素子１４０として用いられる積層型圧電素子は、チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）等の圧電材によって形成される前記圧電素子本体１４２と、前記圧電素子本体１４２を厚み方向に関し上方側の第１圧電部位１４２ａ及び下方側の第２圧電部位１４２ｂに区画する内側電極１４４と、前記第１圧電部位１４２ａの上面の一部に固着された上面電極１４６と、前記第２圧電部位１４２ｂの下面に固着された下面電極１４７と、一端部が前記内側電極１４４に電気的に接続され且つ他端部が前記上面電極１４６とは絶縁状態で前記第１圧電部位１４２ａの上面においてアクセス可能な内側電極端子１４４Ｔを形成する内側電極用接続部材１４５と、一端部が前記下面電極１４７に電気的に接続され且つ他端部が前記上面電極１４６及び前記内側電極３４とは絶縁状態で前記第１圧電部位３２ａの上面においてアクセス可能な下面電極端子１４７Ｔを形成する下面電極用接続部材１４８とを有している。
　この場合、前記上面電極１４６及び前記下面電極１４７によって形成される外側電極が第１及び第２電極の一方として作用し、前記内側電極１４４が第１及び第２電極の他方として作用する。
　前記積層型圧電素子１４０においては、前記第１及び第２圧電部位１４２ａ、１４２ｂは、分極方向が厚み方向に関し同一とされており、これにより、前記外側電極及び前記内側電極１４４の間に所定の電圧を所定周波数で印可することによって、前記第１及び第２圧電部位１４２ａ、１４２ｂには互いに対して逆方向の電界が加わるようになっている。
　前述の通り、前記上面電極１４６及び前記下面電極１４７は互いに対して絶縁されており、従って、前記圧電素子１４０を作成する際には、前記上面電極１４６及び前記下面電極１４７の間に電圧を印可することによって、前記第１及び第２圧電部位１４２ａ、１４２ｂの分極方向を同一とすることができる。
　一方、図１に示すように、前記受信用圧電素子１４１は、前記送信用圧電素子１４０よりも薄い単層型とされている。
　斯かる構成によれば、前記受信用圧電素子１４１の剛性を前記送信用圧電素子１４０の剛性よりも弱めて、これにより、前記受信用圧電素子１４１が形成する前記受信用トランスデューサーの共振周波数を駆動周波数と同一又は近傍としつつ、前記送信用圧電素子１４０が形成する前記送信用トランスデューサーの共振周波数を駆動周波数よりも有効に高めることができる。
　図１に示すように、本実施の形態に係る前記トランスデューサーアレイ１０１は、さらに、下側封止板１５０及び配線アッセンブリ１８０を有している。
　前記下側封止板１５０は、前記複数の圧電素子をそれぞれ囲む大きさの複数の圧電素子用開口を有しており、平面視において前記複数の圧電素子が前記複数の圧電素子用開口内に位置するように前記可撓性樹脂膜１３０の第１面に接着剤又は熱圧着等によって固着されている。
　図１に示すように、前記下側封止板１５０の厚さは、前記送信用圧電素子１４０の厚さよりも大とされており、前記可撓性樹脂膜１３０の第１面に固着された状態において前記下側封止板１５０の第１面が、前記送信用圧電素子１４０における前記上面電極１４６、前記下面電極端子１４７Ｔ及び前記内側電極端子１４４Ｔ（図８参照）よりも前記可撓性樹脂膜１３０から離間されている。
　前記下側封止板１５０は、ステンレス等の金属や炭素繊維強化プラスチック及びセラミックス等の剛性部材によって形成される。
　前記下側封止板１５０は、前記複数の圧電素子を含む圧電素子群の側方を封止するとともに、前記配線アッセンブリ１８０が固着される基台として作用する。
　前記配線アッセンブリ１８０は、下記送信側ユニットから供給される駆動電圧信号を前記複数の送信用圧電素子１４０に伝達し、且つ、前記受信用電圧素子１４１が発生する受信電圧信号を下記受信側ユニット３００へ伝達する為の信号伝達経路を形成する。
　図１に示すように、前記配線アッセンブリ１８０は、前記下側封止板１５０に接着剤等によって固着される絶縁性ベース層１８２と、前記ベース層１８２に固着された導体層１８５と、前記導体層１８５を囲繞する絶縁性のカバー層１８７とを有している。
　前記ベース層１８２及び前記カバー層１８７は、例えば、ポリイミド等の絶縁性樹脂によって形成される。
　前記導体層１８５は、例えば、Ｃｕ等の導電性金属によって形成される。
　好ましくは、前記導体層１８５を形成するＣｕの露出部分にＮｉ／Ａｕメッキを施すことができる。
　前記導体層１８５は、前記複数の送信用圧電素子１４０にそれぞれ接続される複数の送信用配線と、前記一又は複数の受信用圧電素子１４１（本実施の形態においては、単一の受信用圧電素子）に接続される一又は複数の受信用配線とを有している。
　前記送信用配線は、対応する前記送信用圧電素子１４０の第１電極（本実施の形態においては外側電極１４６、１４７）及び第２電極（本実施の形態においては内側電極１４４）にそれぞれ接続される送信用第１電極配線１８５ａ及び送信用第２電極配線１８５ｂを含んでいる。
　同様に、前記受信用配線は、対応する前記受信用圧電素子１４１の第１電極（例えば下面電極）及び第２電極（例えば上面電極）にそれぞれ受信用第１電極配線１８６ａ及び受信用第２電極配線１８６ｂを含んでいる。
　前記ベース層１８２には、前記送信用第１電極配線１８５ａ及び前記送信用第２電極配線１８５ｂのうち前記送信用圧電素子１４０の対応する電極との接続領域を露出させる送信用第１電極接続開口及び送信用第２電極接続開口と、前記受信用第１電極配線１８６ａ及び前記受信用第２電極配線１８６ｂのうち前記受信用圧電素子１４１の対応する電極との接続領域を露出させる受信用第１電極接続開口及び受信用第２電極接続開口とが設けられている。
　前記送信用第１電極配線１８５ａ及び前記送信用第２電極配線１８６ｂのうち前記送信用第１電極接続開口及び前記送信用第２電極接続開口を介して露出される接続領域は、例えば、導電性接着剤又ははんだによって対応する前記送信用圧電素子の電極に直接的に電気的に接続される。
　一方、前述のように、前記受信用圧電素子１４１は前記送信用圧電素子１４０よりも薄い為、前記受信用第１電極配線１８６ａ及び前記受信用第２電極配線１８６ｂと前記受信用圧電素子１４１との間の離間距離は、比較的大きくなる。
　この点を踏まえて、図２に示すように、本実施の形態においては、前記受信用第１電極配線１８６ａ及び前記受信用第２電極配線１８６ｂのうち前記受信用第１電極接続開口及び前記受信用第２電極接続開口を介して露出される接続領域には、Ｃｕ等の導電性材料からなるバンプ１８９が設けられている。
　そして、前記受信用第１電極配線１８６ａ及び前記受信用第２電極配線１８６ｂは、それぞれ、前記バンプ１８９を介して、例えば、導電性接着剤又ははんだによって対応する前記受信用圧電素子１４１の電極に電気的に接続される。
　かかる構成によれば、厚みの小さい前記受信用圧電素子141と対応する前記受信用配線１８６ａ、１８６ｂとの間の電気接続を、厚みの大きい前記送信用圧電素子１４０と対応する前記送信用配線１８５ａ、１８５ｂとの間を電気接続する導電性接着材又ははんだと同程度の量（高さ）の導電性接着材又ははんだによって行うことができ、安定した電気接合を得ることができる。
　なお、前記バンプ１８９の表面には、酸化及び／又は腐食等を防止する為のＮｉ／Ａｕ層を設けることができる。
　前記Ｎｉ／Ａｕ層は、厚さ数ミクロン以下とされ、好ましくは、前記配線アッセンブリ１８０を製造する際に、前記受信用配線１８６ａ、１８６ｂの接続領域に形成される。
　図１に示すように、前記トランスデューサーアレイ１０１は、さらに、前記下側封止板１５０及び前記配線アッセンブリ１８０の上面に柔軟性樹脂１５５を介して固着された上側封止板１６０を有している。
　前記上側封止板１６０は、前記複数の圧電素子のそれぞれに対応した位置に開口部１６２を有している。
　前記上側封止板１６０を備えることにより、前記トランスデューサーの振動動作への影響を可及的に防止しつつ、前記配線アッセンブリ１８０の支持安定化を図ることができる。
　前記上側封止板１６０は、例えば、厚さ０．１ｍｍ～０．３ｍｍのステンレス等の金属や炭素繊維強化プラスチック及びセラミックス等によって形成される。
　前記トランスデューサーアレイ１０１は、さらに、前記上側封止板１６０の複数の開口部１６２を覆うように前記上側封止板１６０の上面に接着等によって固着された吸音材１６５を備えている。
　前記吸音材１６５は、例えば、厚さ０．３ｍｍ～１．５ｍｍ程度のシリコーン樹脂又は他の発泡性樹脂によって形成される。
　前記吸音材１６５を備えることにより、前記トランスデューサーによって生成される超音波が放射されるべき側（図１において下側）とは反対側へ放射されることを有効に抑制することができる。
　前記トランスデューサーアレイ１０１は、さらに、前記吸音材１６５の上面に接着等によって固着された補強板１７０を備えている。
　前記補強板１７０は、例えば、厚さ０．２ｍｍ～０．５ｍｍ程度のステンレス等の金属や炭素繊維強化プラスチック及びセラミックス等によって形成される。
　前記補強板１７０を備えることにより、外力が前記基板１２０及び前記圧電素子１４０に影響を与えることを可及的に防止することができる。
実施の形態２
　以下、本発明に係る空中超音波トランスデューサーアレイの他の実施の形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
　図９に、前記実施の形態１における図２に対応した、本実施の形態に係るトランスデューサーアレイ１０２の部分平面図を示す。
　なお、図中、前記実施の形態１におけると同一部材には同一符号を付して、その詳細な説明を適宜省略する。
　本実施の形態に係るトランスデューサーアレイ１０２は、複数の前記受信用圧電素子１４１を備えている点において、単一の前記受信用圧電素子１４１を備えている前記実施の形態１に係るトランスデューサーアレイ１０１と相違している。
　図９に示すように、前記トランスデューサーアレイ１０２は、３個の受信用圧電素子１４１（１，２）、１４１（６，２）、１４１（１１，２）を有している。
　詳しくは、第１の受信用圧電素子１４１（１，２）は基準Ｘ方向列１１０ＡのＸ方向一端側最外方（図９において最も左側）に配置され、第２の受信用圧電素子１４１（６，２）は基準Ｘ方向列１１０ＡのＸ方向中央に配置され、且つ、第３の受信用圧電素子１４１（１１，２）は基準Ｘ方向列１１０ＡのＸ方向他端側最外方（図９において最も右側）に配置されており、これにより、前記複数（３個）の前記第１～第３の受信用圧電素子１４１（１，２）、１４１（６，２）、１４１（１１，２）が、Ｘ方向列のＸ方向に関する中心を基準として対称に配置されている。
　このように、本実施の形態に係るトランスデューサーアレイ１０２は、全て（３３個）の圧電素子のうちの３個の圧電素子が前記受信用圧電素子１４１とされ、残りの３０個の圧電素子だけが前記送信用圧電素子１４０とされている。
　ここで、図９に示す本実施の形態に係る超音波トランスデューサーアレイ１０２と同一構成のモデル、即ち、基準Ｘ方向列１１０ＡのＸ方向一端側最外方、Ｘ方向中央及びＸ方向他端側最外方の圧電素子が前記受信用圧電素子１４１とされ、その他の３０個の圧電素子は送信用圧電素子１４０とされたモデル（以下、第２実施例モデルという）に対して行なった、ＳＰＬに関するＦＥＭ解析について説明する。
　前記第２実施例モデルにおける送信用トランスデューサー及び受信用トランスデューサーは、それぞれ、前記第１実施例モデルにおける送信用トランスデューサー（図３参照）及び前記受信用トランスデューサーモデルＣ（図６（ｃ）参照）と同一とした。
　前記第２実施例モデルにおける送信用圧電素子１４０の全て（３０個）に振幅１０Ｖの正弦波の電圧を印加した場合を第２実施例－（１）とし、駆動電圧の駆動周波数を当該送信用圧電素子１４１が形成する送信用トランスデューサーの共振周波数（約８０ｋＨｚ）よりも相当に低い周波数の範囲（１０～７０ｋＨｚ）で変化させて、ＦＥＭ解析によって駆動周波数毎のＳＰＬを算出した。
　第２実施例－（１）の解析結果を図１０に示す。
　また、前記第２実施例モデルにおける送信用圧電素子１４０の全て（３０個）のうち、前記第１～第３受信用圧電素子のＹ方向一方側及び他方側にそれぞれ隣接された６個の送信用圧電素子１４０（１，１）、１４０（１，３）、１４０（６，１）、１４０（６，３）、１４０（１１，１）、１４０（１１，３）には振幅を１５Ｖに増強した正弦波の増強電圧を印加し、その他の２４個の送信用圧電素子１４０には振幅１０Ｖの正弦波の電圧を印加した場合を第２実施例－（２）とし、駆動電圧の駆動周波数を同様に変化させて、ＦＥＭ解析によって駆動周波数毎のＳＰＬを算出した。
　第２実施例－（２）の解析結果を図１０に併せて示す。
　なお、図１０には、前記比較例の結果を併せて示している。
　図１０に示すように、前記第２実施例－（１）は、前記比較例に比して若干音圧レベルの低下がみられるものの、その低下は１％程度であり、十分な大きさの音圧が得られていることが確認された。
　前記第２実施例－（２）は、駆動周波数の変化範囲の全域に亘って前記比較例と同程度の音圧レベルを有していることが確認された。
　また、駆動電圧の駆動周波数が４０ｋＨｚとされた場合における前記第２実施例－（１）、前記第２実施例－（２）及び前記比較例の放射音波の横方向の音圧指向性をＦＥＭ解析によって算出した。
　その結果を図１１に示す。
　図１１に示すように、音圧指向性に関しても、前記第２実施例－（１）及び前記第２実施例１－２共に、前記比較例に対して遜色ないことが確認された。
実施の形態３
　以下、本発明に係るフェイズドアレイセンサーの一実施の形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
　図１２に、本実施の形態に係るフェイズドアレイセンサー１の模式ブロック図を示す。
　図１２に示すように、前記フェイズドアレイセンサー１は、前記空中超音波トランスデューサーアレイ１０２と、送信側ユニット２００と、受信側ユニット３００と、制御装置５００と、検知装置６００とを備えている。
　図１３に前記制御装置５００及び前記送信側ユニット２００の模式ブロック図を、図１４に前記制御装置５００及び前記受信側ユニット３００の模式ブロック図を、それぞれ示す。
　まず、前記制御装置５００及び前記送信側ユニット２００について説明する。
　図１５に、前記送信側ユニット２００から供給される駆動電圧信号によって、走査方向（例えば、Ｘ方向）に沿って配列された複数の前記送信用圧電素子１４０を含む前記トランスデューサーアレイ１０２が超音波を放射する際の模式動作説明図を示す。
　なお、図１５中のτｅは、一の送信用圧電素子（例えば送信用圧電素子１４０（１、１））に印加するバースト波駆動電圧信号と、隣接する送信用圧電素子（例えば送信用圧電素子１４０（２、１））に印加するバースト波駆動電圧信号との遅延時間であり、
　τｅ＝（ｄｅ×ｓｉｎθ）／ｃ
によって算出される。
　ここで、θは前記トランスデューサーアレイ１０１から放射される超音波の方位角、ｄｅは隣接する前記送信用圧電素子の配列間隔、ｃは音速である。
　なお、前記配列間隔ｄｅは、前述の通り、グレーティングローブの発生を抑制する為には、前記送信用圧電素子１４０が形成する前記送信用トランスデューサーが放射する超音波の波長λの１／２以下に設定される。
　温度２０℃の空気中の周波数４０ｋＨｚの超音波の波長λは８．６ｍｍであるから、前記配列間隔ｄｅは、８．６ｍｍ／２＝４．３ｍｍ以下に設定される。
　図１３に示すように、前記制御装置５００は、
・デジタル回路の動作タイミングを決める為の例えば０．１μｓｅｃ周期のクロック信号を発生するクロック信号発生回路５１０と、
・前記クロック信号発生回路５１０で発生されたクロック信号の周波数を、バースト波周期を設定する為に適切な時間刻み、例えば０．１ｍｓｅｃ周期に低下させる時間単位設定カウンター回路５２０と、
・Ｘ方向に沿って配列された複数の送信用圧電素子１４０に送信するバースト波駆動電圧信号の発生タイミングの間隔でパルスを発生するバースト間隔カウンター回路５３０と、
・前記時間単位設定カウンター回路５２０及び前記バースト間隔カウンター回路５３０からの信号に基づき、発生させるべきバースト波駆動電圧信号の全体時間幅に対応した時間幅のアクティブパルス信号を出力するアクティブカウンター回路５４０と、
・前記トランスデューサーアレイ１０２が放射する超音波の方位角θを示す方位角信号を出力する方位角制御部５５０とを有している。
　図１２及び図１３に示すように、前記送信側ユニット２００は、前記複数（本実施の形態においては３０個）の送信用圧電素子１４０のそれぞれに対する駆動電圧信号を発生する複数（図示においては３０個）の信号発生手段２２０を含む送信信号発生装置２１０と、前記方位角制御部５５０から送られてくる方位角信号に基づき遅延時間τｅを算出し、前記複数の信号発生手段２１０に対応する遅延制御信号を出力する送信側遅延時間制御部５６０と、前記複数の信号発生手段２１０によって発生された駆動電圧信号をそれぞれ前記複数の送信用圧電素子１４０に伝達する複数の送信側チャンネル２５０とを有している。
　好ましくは、前記送信信号発生装置２１０は、前記複数の送信用圧電素子１４０のうち、走査方向（図示の形態においてはＸ方向）とは直交するＹ方向に関し前記受信用圧電素子１４１と隣接する送信用圧電素子１４０(１，１）、１４０（１，３）には、他の送信用圧電素子１４０に印加する駆動電圧信号の振幅（例えば１０Ｖ）よりも大きい振幅（例えば１５Ｖ）の駆動電圧信号を印加するように構成される。
　斯かる好ましい構成によれば、複数の圧電素子の一部（本実施の形態においては、３３個の圧電素子のうちの３個の圧電素子）を受信用圧電素子１４１としたことによる、音波放射特性の劣化を有効に防止乃至は低減することができる。
　図１３に示すように、前記信号発生手段２２０は、分周器２２２と、遅延時間カウンター回路２２４と、波数カウンター回路２２６とを有している。
　前記分周器２２２は、前記クロック信号発生回路５１０からのクロック信号を分周して、所定周波数の矩形波のバースト波駆動電圧信号を生成する。
　前記遅延時間カウンター回路２２４は、前記アクティブカウンター回路５４０からのアクティブパルス信号によってアクティブとされると、前記送信側遅延時間制御部５６０からの遅延制御信号によって指定された遅延時間に応じて前記分周器２２２にスタート信号パルスを送り、これにより、前記分周器２２２が矩形波のバースト波駆動電圧信号の出力を開始する。
　前記波数カウンター回路２２６は、前記分周器２２２から出力される矩形波のバースト波駆動電圧信号の波数が所定波数に到達すると前記分周器２２２にストップ信号パルスを送る。
　図１２及び図１３に示すように、本実施の形態においては、前記送信側ユニット２００は、さらに、前記複数の送信側チャンネル２５０にそれぞれ介挿された複数の送信側フィルタ２６０を有している。
　前記送信側フィルタ２６０は、駆動周波数成分の通過を許容しつつ少なくとも前記送信用トランスデューサーの共振周波数成分を除去するように構成されている。
　前記送信側フィルタ２６０は、駆動周波数成分の通過を許容しつつ前記送信用トランスデューサーの共振周波数成分を除去するように構成されたローパスフィルタ又はバンドパスフィルタ、若しくは、前記トランスデューサー１１０の共振周波数成分のみをピンポイントで除去する帯域阻止フィルタとされ得る。
　前記送信側フィルタ２６０がバンドパスフィルタとされた構成においては、好ましくは、前記バンドパスフィルタは、駆動周波数の±１０％の周波数成分のみを通過させるように構成される。
　斯かる構成によれば、数メートル先の物体を検知する為に必要とされる駆動周波数（３０～５０ｋＨｚ）を有効に通過させつつ、非共振型の前記送信用トランスデューサーの共振周波数（例えば、７０ｋＨｚ）の成分を有効に除去乃至は低減することができる。
　例えば、本実施の形態に係る超音波フェイズドアレイセンサー１をサービスロボット等の障害物に対する最大相対速度差ｖが１０ｋｍ／ｈ（＝２．７８ｍ／ｓｅｃ）程度の装置に装着される場合には、
　△ｆ／ｆ≒±ｖ／ｃ＝±０．００８０８（＝±０．８０８％）
となる。
　ここで、ｆは超音波の周波数、△ｆはドップラー効果による周波数変動、及び、ｃは音速である。
　従って、前記送信側フィルタ２６０として用いられるバンドパスフィルタが駆動周波数の±１％の周波数成分のみを通過させるように構成すれば、ドップラー効果による受信音波の周波数変動を検知することにより障害物の速度をある程度の精度で検出することが可能となる。
　前記送信側フィルタ２６０を通過させることによって、矩形波のバースト波駆動電圧信号から、基本周波数は同一の正弦波のバースト波駆動電圧信号（図１５参照）に変換される。
　本実施の形態においては、図１２及び図１３に示すように、前記送信側ユニット２００は、前記送信側フィルタ２６０より信号伝達方向下流側において前記送信側チャンネル２５０に介挿された電力増幅回路２７０を有している。
　前記電力増幅回路２７０は、バッファ回路２７２及び増幅回路２７４を有している。
　次に、前記受信側ユニット３００について説明する。
　図１２及び図１４に示すように、前記受信側ユニット３００は、
前記複数（本実施の形態においては３個）の受信用圧電素子１４１が発生する受信電圧信号をそれぞれ受信可能な複数（本実施の形態においては３個）の受信側チャンネル３１０と、前記複数の受信側チャンネル３１０にそれぞれ介挿された複数（本実施の形態においては３個）の包絡線検波器３２０とを有している。
　前記包絡線検波器３２０は、対応する前記受信用圧電素子１４１から前記受信側チャンネル３１０を介して伝達された受信電圧信号の継続時間（信号全体の時間幅）に応じた幅を有する包絡線検波信号を生成する。
　前記包絡線検波器３２０は、包絡線検波信号をパルス波形に変換する回路を含む。
　本実施の形態においては、図１２、１４及び１６に示すように、前記受信側ユニット３００は、さらに、前記複数の包絡線検波器３３０より信号伝達方向上流側において前記複数の受信側チャンネル３１０にそれぞれ介挿された複数（本実施の形態においては３個）の低雑音増幅回路３１５を有している。
　図１６に、前記受信側ユニット３００によって行われる受信電圧信号処理の模式図を示す。
　図１７（ａ）に、図１６に後続する受信電圧信号処理の模式図を示す。
　本実施の形態におけるように、前記トランスデューサーアレイ１０２が複数の前記受信用トランスデューサーを有している場合には、図１２、１４、１６及び１７（ａ）に示すように、前記受信側ユニット３００は、さらに、前記複数の検波器３２０より信号伝達方向下流側において前記複数の受信側チャンネル３１０にそれぞれ介挿され、受信電圧信号をそれぞれ対応する所定時間遅延可能な複数（図示においては３個）の遅延回路３３０と、前記複数の遅延回路３３０の出力信号を加算する加算回路３４０とを有している。
　前記複数の遅延回路３３０の遅延時間は、対応する前記受信用圧電素子１４１の超音波の受信に応じて前記複数の受信用トランスデューサーが発生する受信電圧信号のうち、前記送信用トランスデューサーが超音波を放射した際の方位角θに存在する障害物に反射して戻ってきた方位角θの戻り超音波による受信電圧信号のみを時間軸に対して一致させるように、設定される。
　具体的には、前記複数の遅延回路３３０は、前記受信側ユニット３００に備えられる受信側遅延時間制御部５６２から送られてくる遅延制御信号によって、対応する遅延時間だけそれぞれの受信電圧信号を遅延させる。
　なお、受信側遅延時間制御部５６２は、前記方位角制御部５５０から送られてくる方位角信号に基づき、前記複数の受信側チャンネル３１０毎に対応する遅延時間τｒを算出し、前記複数の受信側チャンネル３１０毎の遅延制御信号に基づく遅延時間だけ、それぞれの受信電圧信号を遅延させる。
　図１６に示す例においては、第３の受信用圧電素子１４１（１１，１）からの受信電圧信号を遅延させる第３の遅延回路３３０－３の遅延時間はゼロに設定され、第２の受信用圧電素子１４１（６，２）からの受信電圧信号を遅延させる第２の遅延回路３３０－２の遅延時間τｒは、第３の受信用圧電素子１４１（１１，１）からの受信電圧信号を基準にして、隣接する第３の受信用圧電素子１４１（１１，１）との配列間隔ｄｒ（本実施の形態においては、ｄｒ＝５×ｄｅ）、方位角θ及び音速ｃに基づいて、
　τｒ＝(ｄｒ×ｓｉｎθ)／ｃ
によって算出される。
　そして、第１の受信用圧電素子１４１（１，２）からの受信電圧信号を遅延させる第１の遅延回路３３０－１の遅延時間は、隣接する第２の受信用圧電素子１４１（６，２）からの受信電圧信号に対して時間τｒ、即ち、第３の受信用圧電素子１４１（１１，１）からの受信電圧信号を基準にすると時間２τｒに設定されている。
　図１７（ａ）に示すように、前記加算回路３７０は、前記複数の遅延回路３３０によって時間軸が一致された状態の前記複数の受信側チャンネル３１０の受信電圧信号を加算する。
　斯かる構成によれば、超音波が放射される方位角θ以外の方向の存在物を、方位角θに存在する障害物であるとして虚像検知することを有効に回避することができる。
　前述の通り、本実施の形態に係るフェイズドアレイセンサー１は、前記複数の受信側圧電素子１４１を含む前記実施の形態２に係るトランスデューサーアレイ１０２を有しているが、これに代えて、単一の受信側圧電素子１４０を含む前記実施の形態１に係るトランスデューサーアレイ１０１を有することも可能である。
　図１８に、前記実施の形態１に係るトランスデューサーアレイ１０１を備えた、本実施の形態の第１変形例に係るフェイズドアレイセンサー２の模式ブロック図を示す。
　図１８に示すように、前記フェイズドアレイセンサー２は、本実施の形態に係るフェイズドアレイセンサー１に比して、前記トランスデューサーアレイ１０２に代えて前記トランスデューサーアレイ１０１を有し、且つ、前記受信側ユニット３００に代えて受信側ユニット３０２を有している。
　前記受信側ユニット３０２は、前記受信側ユニット３００に比して、前記遅延回路３３０、前記受信側遅延時間制御部５６２及び前記加算回路３４０が削除されている。
　前記第１変形例に係るフェイズドアレイセンサー２においては、戻り超音波を受信する受信用トランスデューサーが単一である為に、方位角θの戻り超音波に基づく障害物の検知に加えて、前記障害物に反射した反射超音波が他の方向に存在する他の障害物に反射して戻ってくる多重反射超音波に基づく虚像を検知する可能性がある。
　この点に関し、複数の前記受信用トランスデューサーを備えた本実施の形態に係るフェイズドアレイセンサー１によれば、方位角θに向けて放射され、方位角θに存在する障害物に反射して戻ってきた方位角θの戻り超音波による受信電圧信号のみを時間軸に対して一致させることができ、虚像の検知を有効に回避することができる。
　前記検波器３２０は、包絡線検波を行う回路の前段に可変ゲイン増幅器（図示せず）と対数増幅器（図示せず）とを含むことができる。
　前記可変ゲイン増幅器は、前記送信側ユニット２００からの駆動電圧信号による前記トランスデューサーアレイ１０２（１０１）の超音波の放射タイミングから、前記トランスデューサーアレイ１０２(１０１）による戻り超音波の受信タイミングまでの時間差が大きくなるに従って増幅ゲインが大きくなるように、構成されている。
　前記可変ゲイン増幅器は、遠方の障害物からの戻り超音波ほど音波減衰が大きくなり、受信電圧信号の振幅が小さくなることを考慮して備えられる。
　前記対数増幅器は、振幅の小さい信号に対してはゲインを大きく且つ振幅の大きい信号に対してゲインを小さくすることができるように構成されている。
　即ち、受信電圧信号中の振幅の小さい信号を増幅する為にはゲインを大きく設定する必要があるが、受信電圧信号の全てに対して設定ゲインが単一であるとすると、大振幅の信号が飽和して、歪みが生じることになる。
　前記対数増幅器は、斯かる不都合を防止して、増幅できる信号の振幅範囲を拡げることができ、前記検波器の出力信号の歪みを有効に抑制することができる。
　図１２～図１４及び図１８に示すように、前記検知装置６００は、時間差検出部６１０と、方位検出部６２０と、位置検知部６３０とを有している。
　前記時間差検出部６１０は、前記制御装置５００から送られてくる駆動電圧信号に基づく送信タイミング信号（図１７（ｂ））及び前記受信側ユニット３００（３０２）から送られてくる受信電圧信号に基づく受信タイミング信号（図１７（ａ））の時間差ｔｄ（図１７（ａ）及び（ｂ））の例においては、ｔｄ＝ｔ１－ｔ０を検出するように構成されている。なお、前記受信タイミング信号の発生タイミングｔ1は、前記検波器３２０からの受信電圧信号が所定閾値を越えた時点とされる。
　前記方位検出部６２０は、前記制御装置５００から送られてくる方位角情報に基づき、前記トランスデューサーアレイ１０２(１０１）が超音波を放射した方位角θを認識するように構成されている。
　前記位置検知部６３０は、前記時間差検出部６１０の検出結果に基づき算出される障害物までの距離と前記方位検出部６２０によって認識された障害物の方位角とに基づき、障害物の位置を特定する。
　図１２～図１４及び図１８に示すように、前記フェイズドアレイセンサー１（２）は、さらに、前記検知装置６００によって特定された障害物の位置情報を表示する表示装置７００を有している。
　前述の通り、本実施の形態においては、前記受信側チャンネル３１０における受信信号の遅延処理及び加算処理は全て包絡線検波後の信号に対して行なわれている為、受信感度の方位角分布におけるグレーティングローブの発生はなく、受信用トランスデューサを形成する受信用圧電素子１４１が共振型であっても、その共振周波数のばらつきの影響を受けることがない。このため、受信用トランスデューサ（受信用圧電素子１４１）の配列間隔ｄｒは任意に設定可能であり、方位角分解能を高めるためには ｄｒを広く設定する方が有利である。
　この点を考慮して、本実施の形態においては、３個の受信用圧電素子１４１のうちの第１の受信用圧電素子１４１（１，２）を走査方向（Ｘ方向）一端側に配置させ、第２の受信用圧電素子１４１（６，２）を走査方向（Ｘ方向）中央に配置させ、第３の受信用圧電素子１４１（１１，２）を走査方向（Ｘ方向）他端側に配置させている。
　なお、本実施の形態（図１２及び図１３参照）及び第１変形例においては、前記送信側ユニット２００は、前記複数の送信用圧電素子１４０の個数に対応した個数の前記信号発生手段２２０を有しており、前記複数の送信用圧電素子１４０にはそれぞれに専用の前記信号発生手段２２０から駆動電圧信号が供給されるようになっている。
　これに代えて、前記複数の送信用圧電素子１４０のうち走査方向（Ｘ方向）に関し同一位置に配置された送信用圧電素子には、共通の信号発生手段２２０から駆動電圧信号が供給されるように変形することも可能である。
　図１９に、斯かる変形構成を備えた第２変形例に係るフェイズドアレイセンサー３の模式ブロック図を示す。
　図１９に示すように、前記第２変形例に係るセンサー３は、本実施の形態に係るセンサー１に比して、前記送信側ユニット２００に代えて送信側ユニット２０２を有している。
　前記送信側ユニット２０２は、共働するトランスデューサーアレイ（図示の構成においては、前記トランスデューサーアレイ１０２）における送信用圧電素子１４０のうち、走査方向（Ｘ方向）に関し同一位置に配置された一又は複数の送信用圧電素子毎に設けられた複数の信号発生手段２２０を有している。
　図１９に示す前記センサー３は、前記実施の形態１に係る前記トランスデューサーアレイ１０１を有しており、前記アレイ１０１は、前記複数の送信用圧電素子１４０の配置に関し、第１～第１１の１１個の走査方向（Ｘ方向）位置を有している。
　従って、前記送信側ユニットは、第１～第１１の１１個の前記信号発生手段２２０－１～２２０－１１を含む送信信号発生装置２１２と、前記第１～第１１信号発生手段２２０－１～２２０－１１で発生された駆動電圧信号をそれぞれ対応する走査方向（Ｘ方向）位置の送信用圧電素子１４０に伝達する第１～第１１の送信側チャンネル２５０－１～２５０－１１とを有している。
　前記送信側ユニットにおけると同様に、前記第１～第１１の送信側チャンネル２５０－１～２５０－１１には、それぞれ、前記送信側フィルタ２６０及び前記電力増幅回路２７０が直列に介挿されている。
１～３　　　フェイズドアレイセンサー
１０１、１０２　　　　トランスデューサーアレイ
１１０Ａ　　基準Ｘ方向列
１１０（１）、（２）　第１、第２隣接Ｘ方向列
１２０　　　支持板
１２１　　　支持板の第１面
１２２　　　支持板の第２面
１２５ａ　　送信用貫通孔
１２５ｂ　　受信用貫通孔
１２６ａ、ｂ　　　　　凹部
１２７ａ、ｂ　　　　　導波路
１２８ａ、ｂ　　　　　筒状部
１２９ａ、ｂ　　　　　ホーン部
１３０　　　可撓性樹脂膜
１４０　　　送信用圧電素子
１４１　　　受信用圧電素子
１５０　　　下側封止板
１８０　　　配線アッセンブリ
１８２　　　絶縁性ベース層
１８５　　　導体層
１８５ａ、ｂ　　　　　送信用第１及び第２電極配線
１８６ａ、ｂ　　　　　受信用第１及び第２電極配線
１８９　　　バンプ
２１０　　　送信信号発生装置
３２０　　　検波器
３３０　　　遅延回路
３４０　　　加算器
５００　　　制御装置
６００　　　検知装置

Claims (18)

  1. 　厚み方向一方側の第１面及び厚み方向他方側の第２面を有する剛性の支持板であって、第１及び第２面の間を貫通する複数の貫通孔を含む貫通孔群が設けられた支持板と、
    　前記複数の貫通孔を覆うように前記支持板の第１面に固着された可撓性樹脂膜と、
    　平面視において中央領域が対応する貫通孔と重合し且つ周縁領域が前記支持板の第１面と重合するように前記可撓性樹脂膜に固着された前記複数の貫通孔と同数の圧電素子とを備え、
    　前記複数の圧電素子は、所定駆動周波数の駆動電圧信号の印加に応じて超音波を発生する送信用トランスデューサーを形成する複数の送信用圧電素子と、超音波の受信に応じて受信電圧信号を発生する受信用トランスデューサーを形成する一又は複数の受信用圧電素子とを含み、
    　前記送信用トランスデューサーは前記駆動周波数の駆動電圧信号の印加に応じて共振せずに超音波を発生する非共振型とされる一方で、前記受信用トランスデューサーは前記駆動周波数に応じた周波数の超音波の受信によって共振する共振型とされていることを特徴とする超音波トランスデューサーアレイ。
  2. 　前記貫通孔群は、前記支持板のＸ－Ｙ平面のＸ方向に所定のＸ方向配列ピッチで配置されたｍ個（ｍは３以上の整数）の前記貫通孔によって形成されるＸ方向列を有していることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサーアレイ。
  3. 　前記貫通孔群は、一の基準Ｘ方向列と前記基準Ｘ方向列のＹ方向に所定のＹ方向配列ピッチで配列された一又は複数の並列Ｘ方向列とを有し、
    　前記一又は複数の受信用圧電素子は、前記基準Ｘ方向列を形成する一又は複数の貫通孔を平面視において覆うように配置され、
    　前記送信用圧電素子のうち、前記受信用圧電素子のＹ方向に隣接する送信用圧電素子は、他の送信用圧電素子よりも厚さが薄いことを特徴とする請求項２に記載の超音波トランスデューサーアレイ。
  4. 　前記並列Ｘ方向列は、前記基準Ｘ方向列のＹ方向一方側及び他方側にそれぞれ所定のＹ方向配列ピッチで隣接された第１隣接Ｘ方向列及び第２隣接Ｘ方向列を含み、
    　前記送信用圧電素子のうち、前記受信用圧電素子のＹ方向一方側及び他方側にそれぞれ隣接する送信用圧電素子は、他の送信用圧電素子よりも厚さが小とされていることを特徴とする請求項３に記載の超音波トランスデューサーアレイ。
  5. 　前記Ｘ方向配列ピッチ及び前記Ｙ方向配列ピッチは同一間隔とされていることを特徴とする請求項３又は４に記載の超音波トランスデューサーアレイ。
  6. 　前記受信用圧電素子は、前記Ｘ方向列のＸ方向に関する中心を基準として対称に配置されていることを特徴とする請求項２から４の何れかに記載の超音波トランスデューサーアレイ。
  7. 　前記貫通孔は、前記支持板の第１面に開口された凹部と、前記凹部よりも開口幅が小とされた一端側の第１端部が前記凹部の底面に開口され且つ他端側の第２端部が前記支持板の第２面に開口された導波路とを含んでいることを特徴とする請求項２から４の何れかに記載の超音波トランスデューサーアレイ。
  8. 　前記導波路は、前記凹部の底面に開口された前記第１端部を含む筒状部と、前記支持板の第２面に開口された前記第２端部を含むホーン部とを有し、
    　前記筒状部は、開口幅が前記凹部の開口幅より小で且つ厚み方向全域に亘って同一開口幅とされており、
    　前記ホーン部は、前記筒状部に連通する基端側から前記支持板の第２面に開口された先端側に近接するに従って、開口幅が大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項７に記載の超音波トランスデューサーアレイ。
  9. 　前記送信用圧電素子は積層型とされ、前記受信用圧電素子は単層型とされていることを特徴とする請求項２から４の何れかに記載の超音波トランスデューサーアレイ。
  10. 　前記受信用圧電素子は前記送信用圧電素子よりも厚さが小とされていることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の超音波トランスデューサーアレイ。
  11. 　前記複数の圧電素子をそれぞれ囲む大きさの複数の圧電素子用開口を有し且つ前記送信用圧電素子よりも厚みが大とされた下側封止板であって、平面視において前記複数の圧電素子が対応する前記圧電素子用開口内に位置するように前記可撓性樹脂膜に固着された下側封止板と、
    　前記下側封止板に固着された配線アッセンブリとを備え、
    　前記配線アッセンブリは、絶縁性のベース層と、前記ベース層に設けられた送信用配線及び受信用配線を含む導体層と、前記導体層を囲繞する絶縁性のカバー層とを有し、
    　前記ベース層には、前記送信用配線のうち前記送信用圧電素子の電極との接続領域を露出させる送信用接続開口と、前記受信用配線のうち前記受信用圧電素子の電極との接続領域を露出させる受信用接続開口とが設けられ、
    　前記受信用接続領域には前記受信用接続開口を介して外方へ突出されたバンプが設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の超音波トランスデューサーアレイ。
  12. 　厚み方向一方側の第１面及び厚み方向他方側の第２面を有する剛性の支持板であって、第１及び第２面の間を貫通する複数の貫通孔を含む貫通孔群が設けられた支持板、前記複数の貫通孔を覆うように前記支持板の第１面に固着された可撓性樹脂膜、並びに、平面視において中央領域が対応する貫通孔と重合し且つ周縁領域が前記支持板の第１面と重合するように前記可撓性樹脂膜に固着された前記複数の貫通孔と同数の圧電素子を備え、前記貫通孔群は、前記支持板のＸ－Ｙ平面のＸ方向に所定のＸ方向配列ピッチで配置されたｍ個（ｍは３以上の整数）の前記貫通孔によって形成されるＸ方向列を有し、前記複数の圧電素子は、所定駆動周波数の駆動電圧信号の印加に応じて超音波を発生する送信用トランスデューサーを形成する複数の送信用圧電素子と、超音波の受信に応じて受信電圧信号を発生する受信用トランスデューサーを形成する複数の受信用圧電素子とを含んでいる超音波トランスデューサーアレイと、
    　前記複数の送信用圧電素子に印加する正弦波のバースト波駆動電圧信号であって、前記送信用トランスデューサーの共振周波数よりも低い前記所定駆動周波数の駆動電圧信号を前記複数の送信用圧電素子のそれぞれに対応した遅延時間で発生可能な送信信号発生装置と、
    　前記複数の受信用圧電素子がそれぞれ発生する受信電圧信号の継続時間に対応する幅の検波信号を生成する複数の検波器と、
    　前記複数の検波器が生成する検波信号をそれぞれ所定時間遅延可能な複数の遅延回路と、
    　前記複数の遅延回路の出力信号を加算して加算受信電圧信号を生成する加算回路と、
    　前記送信信号発生装置及び前記遅延回路の制御を司る制御装置と、
    　前記制御装置から送られてくる駆動電圧信号に基づく送信タイミング信号及び前記加算回路から送られてくる加算受信電圧信号に基づく受信タイミング信号の時間差並びに前記制御装置から送られてくる方位角情報に基づき、障害物の位置を検出する検知装置とを備え、
    　前記送信用トランスデューサーは前記駆動周波数の駆動電圧信号の受信に応じて共振せずに超音波を発生する非共振型とされる一方で、前記受信用トランスデューサーは前記駆動周波数に応じた周波数の超音波の受信によって共振する共振型とされていることを特徴とする超音波フェイズドアレイセンサー。
  13. 　前記貫通孔群は、一の基準Ｘ方向列と前記基準Ｘ方向列のＹ方向に所定のＹ方向配列ピッチで配列された一又は複数のＸ方向列とを有し、
    　前記複数の受信用圧電素子は、前記基準Ｘ方向列を形成する複数の貫通孔のうちの対応する貫通孔を平面視において覆うように配置され、
    　前記送信信号発生装置は、前記送信用圧電素子のうち、Ｙ方向に関し前記受信用圧電素子に隣接する送信用圧電素子に印加する駆動電圧信号の振幅を、他の送信用圧電素子に印加する駆動電圧信号の振幅よりも大きくするように構成されていることを特徴とする請求項１２に記載の超音波フェイズドアレイセンサー。
  14. 　前記貫通孔群は、前記基準Ｘ方向列のＹ方向一方側及び他方側にそれぞれ所定のＹ方向配列ピッチで隣接された第１隣接Ｘ方向列及び第２隣接Ｘ方向列を含み、
    　前記送信信号発生装置は、前記送信用圧電素子のうち、前記受信用圧電素子のＹ方向一方側及び他方側にそれぞれ隣接する送信用圧電素子に印加する駆動電圧信号の振幅を、他の送信用圧電素子に印加する駆動電圧信号の振幅よりも大きくするように構成されていることを特徴とする請求項１３に記載の超音波フェイズドアレイセンサー。
  15. 　前記複数の受信用圧電素子は、前記基準Ｘ方向列のＸ方向一端側及び他端側の貫通孔を平面視において覆うように配置されていることを特徴とする請求項１２から１４の何れかに記載の超音波フェイズドアレイセンサー。
  16. 　前記貫通孔群は、一の基準Ｘ方向列と前記基準Ｘ方向列のＹ方向に所定のＹ方向配列ピッチで配列された一又は複数のＸ方向列とを有し、
    　前記複数の受信用圧電素子は、前記基準Ｘ方向列を形成する複数の貫通孔のうちの対応する貫通孔を平面視において覆うように配置され、
    　前記送信信号発生装置は、前記複数の送信用圧電素子毎に設けられた複数の信号発生手段を有していることを特徴とする請求項１２に記載の超音波フェイズドアレイセンサー。
  17. 　前記貫通孔群は、一の基準Ｘ方向列と前記基準Ｘ方向列のＹ方向に所定のＹ方向配列ピッチで配列された一又は複数のＸ方向列とを有し、
    　前記複数の受信用圧電素子は、前記基準Ｘ方向列を形成する複数の貫通孔のうちの対応する貫通孔を平面視において覆うように配置され、
    　前記送信信号発生装置は、Ｘ方向同一位置に配置された送信用圧電素子毎に設けられた複数の信号発生手段を有し、
    　Ｘ方向同一位置に配置された送信用圧電素子は、共通の信号発生手段から駆動電圧信号が供給されることを特徴とする請求項１２に記載の超音波フェイズドアレイセンサー。
  18. 　厚み方向一方側の第１面及び厚み方向他方側の第２面を有する剛性の支持板であって、第１及び第２面の間を貫通する複数の貫通孔を含む貫通孔群が設けられた支持板、前記複数の貫通孔を覆うように前記支持板の第１面に固着された可撓性樹脂膜、並びに、平面視において中央領域が対応する貫通孔と重合し且つ周縁領域が前記支持板の第１面と重合するように前記可撓性樹脂膜に固着された前記複数の貫通孔と同数の圧電素子を備え、前記貫通孔群は、前記支持板のＸ－Ｙ平面のＸ方向に所定のＸ方向配列ピッチで配置されたｍ個（ｍは３以上の整数）の前記貫通孔によって形成されるＸ方向列を有し、前記複数の圧電素子は、所定駆動周波数の駆動電圧信号の印加に応じて超音波を発生する送信用トランスデューサーを形成する複数の送信用圧電素子と、超音波の受信に応じて受信電圧信号を発生する受信用トランスデューサーを形成する単一の受信用圧電素子とを含んでいる超音波トランスデューサーアレイと、
    　前記複数の送信用圧電素子に印加する正弦波のバースト波駆動電圧信号であって、前記送信用トランスデューサーの共振周波数よりも低い前記所定駆動周波数の駆動電圧信号を前記複数の送信用圧電素子のそれぞれに対応した遅延時間で発生可能な送信信号発生装置と、
    　前記受信用圧電素子が発生する受信電圧信号の継続時間に対応する幅の検波信号を生成する検波器と、
    　前記送信信号発生装置の制御を司る制御装置と、
    　前記制御装置から送られてくる駆動電圧信号に基づく送信タイミング信号及び前記検波器から送られてくる検波信号に基づく受信タイミング信号の時間差並びに前記制御装置から送られてくる方位角情報に基づき、障害物の位置を検出する検知装置とを備え、
    　前記送信用トランスデューサーは前記駆動周波数の駆動電圧信号の受信に応じて共振せずに超音波を発生する非共振型とされる一方で、前記受信用トランスデューサーは前記駆動周波数に応じた周波数の超音波の受信によって共振する共振型とされていることを特徴とする超音波フェイズドアレイセンサー。
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