(57)【要約】【課題】超音波の送信時及び受信時のいずれにおいても最大限の性能を発揮できる、超音波センサーユニットを提供することを目的としている。  【解決手段】圧電体３からなる超音波送信用センサー５２を送信側表面に複数有する超音波送信用センサーアレイと、圧電体３からなる超音波受信用センサー５３を受信側表面に複数有する超音波受信用センサーアレイと、を備え、各センサーアレイは、超音波送信用センサー５２及び超音波受信用センサー５３が平面視した状態で重なっておらず、かつ、送信側表面と受信側表面のどちらか一方が、超音波送信センサー５２の超音波送信方向と逆方向を向き、送信側表面と受信側表面で貼り合わされ、センサーアレイには、他方のセンサーアレイの超音波センサー５３を露出させる貫通孔１１ｂが形成されている。【選択図】図６
2010210283.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を送信する圧電体からなる超音波送信用センサーを、その片側表面に複数有する超音波送信用センサーアレイと、
前記超音波を受信する圧電体からなる超音波受信用センサーを、その片側表面に複数有する超音波受信用センサーアレイと、を備え、
前記超音波送信用センサーアレイ及び前記超音波受信用センサーアレイは、前記超音波送信用センサー及び前記超音波受信用センサーが平面視した状態で重なっておらず、
かつ、前記超音波送信用センサーアレイの前記超音波送信センサーが備えられた送信側表面と、前記超音波受信用センサーアレイの前記超音波受信センサーが備えられた受信側表面とが、同方向を向くように貼り合わされてなり、
前記超音波送信用センサーアレイ及び前記超音波受信用センサーアレイの一方には、他方のアレイにおける超音波センサーを露出させる貫通孔が形成されていることを特徴とする超音波センサーユニット。
【請求項２】
超音波を送信する圧電体からなる超音波送信用センサーを、その片側表面に複数有する超音波送信用センサーアレイと、
前記超音波を受信する圧電体からなる超音波受信用センサーを、その片側表面に複数有する超音波受信用センサーアレイと、を備え、
前記超音波送信用センサーアレイ及び前記超音波受信用センサーアレイは、前記超音波送信用センサー及び前記超音波受信用センサーが平面視した状態で重なっておらず、
かつ、前記超音波送信用センサーアレイの前記超音波送信センサーが備えられた送信側表面と、前記超音波受信用センサーアレイの前記超音波受信センサーが備えられた受信側表面のどちらか一方が、前記超音波送信センサーの前記超音波の送信方向と逆方向を向き、
前記送信側表面と前記受信側表面とが貼り合わされてなり、
前記超音波送信用センサーアレイ及び前記超音波受信用センサーアレイの一方には、他方のアレイにおける超音波センサーを露出させる貫通孔が形成されていることを特徴とする超音波センサーユニット。
【請求項３】
超音波を送信する圧電体からなる超音波送信用センサーを、その片側表面に複数有する超音波送信用センサーアレイと、
前記超音波を受信する圧電体からなる超音波受信用センサーを、その片側表面に複数有する超音波受信用センサーアレイと、を備え、
前記超音波送信用センサーアレイ及び前記超音波受信用センサーアレイは、前記超音波送信用センサー及び前記超音波受信用センサーが平面視した状態で重なっておらず、
かつ、前記超音波送信用センサーアレイの前記超音波送信センサーが備えられた送信側表面と、前記超音波受信用センサーアレイの前記超音波受信センサーが備えられた受信側表面のどちらか一方が、前記超音波送信センサーの前記超音波の送信方向と逆方向を向き、
前記超音波送信センサーアレイの前記超音波送信センサーが備えられていない送信側裏面と、前記超音波受信センサーアレイの前記超音波受信センサーが備えられていない受信側裏面とが貼り合わされてなり、
前記超音波送信用センサーアレイ及び前記超音波受信用センサーアレイの一方には、他方のアレイにおける超音波センサーを露出させる貫通孔が形成されていることを特徴とする超音波センサーユニット。
【請求項４】
前記超音波送信用センサーが前記超音波送信用センサーアレイに規則的に配置されており、前記超音波受信用センサーが前記超音波受信用セ１ンサーアレイに規則的に配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の超音波センサーユニット。
【請求項５】
前記前記超音波送信用センサーアレイにおける前記超音波送信用センサーの配置パターンと前記超音波受信用センサーアレイにおける前記超音波受信用センサーの配置パターンとが異なっていることを特徴とする請求項４に記載の超音波センサーユニット。
【請求項６】
前記超音波送信用センサーアレイにおける前記超音波送信用センサーの数と、超音波受信用センサーアレイにおける前記超音波受信用センサーの数とが異なることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の超音波センサーユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波センサーユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波センサーは、対象物体までの距離の測定、流速の測定、配管の非破壊検査など多くの測定や検出に活用されている。このような超音波センサーとして、従来から、ダイアフラム型のものが知られている。この超音波センサーは、ダイアフラムの一方の面側に２つの電極で挟んだＰＺＴセラミックスの薄膜層を形成し、これらの電極から出力される電気信号を用いて超音波を検出するものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
近年、多数の超音波センサーをＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術によってアレイ状に配置した超音波センサーアレイは、所望の方向へ鋭い指向性を持つ超音波を生成することができることから、超音波センサーアレイを用いた３次元的なスキャニングを実現すべく、研究開発が行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−４９３０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ＭＥＭＳ技術によって製造される超音波センサーアレイは、超音波センサーを構成するダイアフラム構造が基本的に全てのセンサー間で同じになる。また、超音波センサーアレイを小型化するためには送信用超音波センサーと超音波受信用センサーとを同一基板上に形成することでアレイ化することが有効である。
しかしながら、ＭＥＭＳ技術を用いた場合、同一基板に形成される送信用素子及び受信用素子は同一のダイアフラム構造となってしまう。送信用超音波センサー及び超音波受信用センサーは、最適なダイアフラム構造が異なっている。そのため、送信用超音波センサー及び超音波受信用センサーは、それぞれの性能を最大限に発揮することができず、新たな技術提供が望まれていた。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、超音波の送信時及び受信時のいずれにおいても最大限の性能を発揮できる、超音波センサーユニットを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の超音波センサーユニットは、超音波を送信する圧電体からなる超音波送信用センサーを、その片側表面に複数有する超音波送信用センサーアレイと、前記超音波を受信する圧電体からなる超音波受信用センサーを、その片側表面に複数有する超音波受信用センサーアレイと、を備え、前記超音波送信用センサーアレイ及び前記超音波受信用センサーアレイは、前記超音波送信用センサー及び前記超音波受信用センサーが平面視した状態で重なっておらず、かつ、前記超音波送信用センサーアレイの前記超音波送信センサーが備えられた送信側表面と、前記超音波受信用センサーアレイの前記超音波受信センサーが備えられた受信側表面とが、同方向を向くように貼り合わされてなり、前記超音波送信用センサーアレイ及び前記超音波受信用センサーアレイの一方には、他方のアレイにおける超音波センサーを露出させる貫通孔が形成されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明の超音波センサーユニットによれば、超音波送信用センサーアレイ及び超音波受信用センサーを独立して備えるので、例えば超音波送信用センサーアレイ及び超音波受信用センサーをそれぞれに適した最適な条件で構成することで、強い音圧を出す超音波送信用センサーと受信感度に優れた超音波受信用センサーとを備えた構成を実現できる。よって、超音波の送信時及び受信時のいずれにおいても最大限の性能を発揮できる、信頼性の高いものを提供できる。また、超音波受信用センサーアレイと送信用超音波センサーアレイとが貼り合わされているのでセンサーユニット自体の剛性が高まり、超音波の送信時及び受信時の信頼性を向上できる。
【０００９】
また、上記課題を解決するために、本発明の超音波センサーユニットは、超音波を送信する圧電体からなる超音波送信用センサーを、その片側表面に複数有する超音波送信用センサーアレイと、前記超音波を受信する圧電体からなる超音波受信用センサーを、その片側表面に複数有する超音波受信用センサーアレイと、を備え、前記超音波送信用センサーアレイ及び前記超音波受信用センサーアレイは、前記超音波送信用センサー及び前記超音波受信用センサーが平面視した状態で重なっておらず、かつ、前記超音波送信用センサーアレイの前記超音波送信センサーが備えられた送信側表面と、前記超音波受信用センサーアレイの前記超音波受信センサーが備えられた受信側表面のどちらか一方が、前記超音波送信センサーの前記超音波の送信方向と逆方向を向き、前記送信側表面と前記受信側表面とが貼り合わされてなり、前記超音波送信用センサーアレイ及び前記超音波受信用センサーアレイの一方には、他方のアレイにおける超音波センサーを露出させる貫通孔が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明の超音波センサーユニットによれば、超音波送信用センサーアレイと超音波受信用センサーアレイとが、超音波送信用センサー及び超音波受信用センサーが備えられている送信側表面と受信側表面とが向き合わされた状態で貼り合わせられているので、各表面に形成された各配線を容易に接続し、共有することができる。
特に、超音波送信用センサーの圧電体に電圧を印加する電極対と、超音波受信用センサーの圧電体から発生する電圧を取り出す電極対とにおいて、定電圧を保持するグランド配線を共有化させることができる。送信側表面若しくは受信側表面のどちらか一方にグランド配線を形成しておけば、他方の表面にはグランド配線への接続端子となる引き出し配線を形成しておくだけで良いので、製造コストの低減が図れる。
【００１１】
さらに、上記課題を解決するために、本発明の超音波センサーユニットは、超音波を送信する圧電体からなる超音波送信用センサーを、その片側表面に複数有する超音波送信用センサーアレイと、前記超音波を受信する圧電体からなる超音波受信用センサーを、その片側表面に複数有する超音波受信用センサーアレイと、を備え、前記超音波送信用センサーアレイ及び前記超音波受信用センサーアレイは、前記超音波送信用センサー及び前記超音波受信用センサーが平面視した状態で重なっておらず、かつ、前記超音波送信用センサーアレイの前記超音波送信センサーが備えられた送信側表面と、前記超音波受信用センサーアレイの前記超音波受信センサーが備えられた受信側表面のどちらか一方が、前記超音波送信センサーの前記超音波の送信方向と逆方向を向き、前記超音波送信センサーアレイの前記超音波送信センサーが備えられていない送信側裏面と、前記超音波受信センサーアレイの前記超音波受信センサーが備えられていない受信側裏面とが貼り合わされてなり、前記超音波送信用センサーアレイ及び前記超音波受信用センサーアレイの一方には、他方のアレイにおける超音波センサーを露出させる貫通孔が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の超音波センサーユニットによれば、超音波送信用センサーアレイと超音波受信用センサーアレイとが、送信側裏面と受信側裏面とで貼り合わされており、超音波送信用センサーと超音波受信用センサーとの間に各センサーアレイの基部が介在することとなる。よって、超音波送信用センサーでの超音波発生時の振動が超音波受信用センサーに伝播し難くなるので、超音波受信用センサーをより高感度のものにできる。加えて、この逆に、超音波受信用センサーへの影響が軽減されることにより、超音波送信用センサーの発信時の音圧を大きくすることも可能となる。よって、より良い性能を発揮でき、かつクロストークが少ない信頼性の高い超音波センサーユニットを提供できる。
【００１３】
また、上記超音波センサーユニットにおいては、前記超音波送信用センサーが前記超音波送信用センサーアレイに規則的に配置されており、前記超音波受信用センサーが前記超音波受信用センサーアレイに規則的に配置されているのが好ましい。
【００１４】
この構成によれば、超音波送信用センサーが規則的に配置されるので、超音波送信用センサーアレイは強い音圧で超音波を送信することができる。また、超音波受信用センサーが規則的に配置されるので、超音波受信用センサーアレイは超音波送信用センサーアレイから送信された超音波を優れた感度で受信することができる。
【００１５】
また、上記超音波センサーユニットにおいては、前記前記超音波送信用センサーアレイにおける前記超音波送信用センサーの配置パターンと前記超音波受信用センサーアレイにおける前記超音波受信用センサーの配置パターンとが異なっているのが好ましい。さらに前記超音波送信用センサー及び前記超音波受信用センサーは、圧電型センサー又は容量型センサーのいずれかであるのがより望ましい。
このようにすれば、圧電型又は容量型のセンサーが用いられるので、超音波送信用センサーアレイ及び超音波受信用センサーアレイの設計自由度を向上させることができる。よって、所望の条件において最大限の性能を発揮できる超音波センサーユニットを提供できる。
【００１６】
また、上記超音波センサーユニットにおいては、前記超音波送信用センサーアレイにおける前記超音波送信用センサーの数と、超音波受信用センサーアレイにおける前記超音波受信用センサーの数とが異なるのが好ましい。
このようにすれば、超音波センサーの数を両方のセンサーアレイ間で異ならせることで、超音波送信用センサーアレイ及び超音波受信用センサーアレイをそれぞれ最適な条件で設計することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】ＰＤＡの斜視図である。
【図２】第一実施形態に係る超音波センサーアレイの斜視図である。
【図３】超音波センサーユニットの構成要素を示す図である。
【図４】超音波センサーユニットの平面構成を示す図である。
【図５】超音波センサーユニットの制御部のシステム構成図である。
【図６】超音波センサーユニットの要部を拡大する図である。
【図７】超音波送信用センサーにおける下部電極の平面図である。
【図８】超音波センサーの振動板が撓んだ状態を示す断面図である。
【図９】第二実施形態に係る超音波センサーユニットの構成要素を示す図である。
【図１０】第二実施形態に係る超音波センサーユニットの平面構成を示す図である。
【図１１】第一実施形態、第三実施形態、及び第四実施形態に係る各超音波センサーユニットの要部を示す模式図である。
【図１２】第三実施形態に係る超音波センサーユニットの要部を拡大する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各図面では、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や部材毎に縮尺を適宜変更している。なお、以下の説明では、本発明の超音波センサーユニットを備えるＰＤＡ（Personal Data Assistance）を例に挙げて説明する。
【００１９】
（第一実施形態）
図１は本実施形態のＰＤＡの構成を模式的に表す斜視図である。図２は本実施形態のＰＤＡが備える超音波センサーユニットの構成を模式的に表す斜視図である。図３（ａ）は超音波センサーユニットの構成要素としての超音波送信用センサーユニットの平面構成を示す図であり、図３（ｂ）は超音波センサーユニットの構成要素としての超音波受信用センサーユニットの平面構成を示す図である。図４は超音波センサーユニットの平面構成を示す図である。図５は本実施形態の超音波センサーユニットの制御部の構成を模式的に表すシステム構成図である。なお、図５では後述する第２下部電極に一定電圧を印加する構成については省略している。
【００２０】
図１に示すように、本実施形態のＰＤＡ１００は本体３０に表示部２０を備えている。表示部２０は例えば液晶パネルや有機ＥＬパネル等からなり、本体３０内部に収容された演算・制御部に接続され、種々の操作画像やその他の情報を表示するように構成されている。また、本体３０の外周には、超音波センサーユニット１０が設置されている。超音波センサーユニット１０は、例えば人間の手、指またはや入力用のペンの形状や動作を検出してＰＤＡ１００への入力とする入力装置として機能するものである。
【００２１】
図２に示すように、超音波センサーユニット１０は、超音波送信用センサーアレイ５０と、超音波受信用センサーアレイ５１とを備えている。超音波送信用センサーアレイ５０は、超音波を送信する超音波送信用センサー５２を複数有している。また、超音波受信用センサーアレイ５１は、超音波を受信する超音波受信用センサー５３を複数有している。なお、詳細は後述するが、本実施形態に係る超音波送信用センサー５２及び超音波受信用センサー５３は、それぞれ圧電型の超音波センサーから構成されている。
【００２２】
図３（ａ）に示すように、超音波送信用センサーアレイ５０は、例えば単結晶シリコン基板等からなる基部１１を備えている。基部１１には、平面視略円形状の複数の開口部１１ａがアレイ状に形成されている。開口部１１ａの各々には、超音波を送信する超音波送信用センサー５２がそれぞれ設けられている。すなわち、超音波送信用センサーアレイ５０は、基部１１の一面に複数の超音波送信用センサー５２がアレイ状に規則的に配置された構成となっている。具体的に本実施形態では、複数の超音波送信用センサー５２がマトリクス状に配置されている。
【００２３】
また、基部１１には平面視略正方形状の複数の貫通孔１１ｂがマトリクス状に規則的に形成されている。具体的には、貫通孔１１ｂは、開口部１１ａに対して千鳥状となるように基部１１に形成されている。
【００２４】
また、図３（ｂ）に示すように、超音波受信用センサーアレイ５１は、例えば単結晶シリコン基板等からなる基部６１を備えている。基部６１には、平面視略円形状の複数の開口部６１ａがアレイ状に形成されている。開口部６１ａの各々には、上記超音波受信用センサー５３がそれぞれ設けられている。すなわち、超音波受信用センサーアレイ５１は、基部６１の一面に複数の超音波受信用センサー５３がアレイ状に規則的に配置された構成となっている。
【００２５】
本実施形態では、超音波送信用センサーアレイ５０における超音波送信用センサー５２の数と、超音波受信用センサーアレイ５１における超音波受信用センサー５３の数とが異なっている。具体的には、超音波センサーユニット１０は、超音波受信用センサー５３よりも超音波送信用センサー５２を多く備えている。このように超音波センサーの数を両センサーアレイ５０，５１間で異ならせることで、超音波送信用センサーアレイ５０及び超音波受信用センサーアレイ５１がそれぞれ最適な条件で設計されたものとなっている。
【００２６】
超音波センサーユニット１０は、図２に示したように、超音波送信用センサーアレイ５０及び超音波受信用センサーアレイ５１が貼り合わされることで構成されている。すなわち、超音波送信用センサーアレイ５０及び超音波受信用センサーアレイ５１が独立して形成されたものとなっている。
【００２７】
図４に示されるように、超音波送信用センサーアレイ５０及び超音波受信用センサーアレイ５１は、超音波送信用センサー５２及び超音波受信用センサー５３が平面視した状態で重ならないように貼り合わされたものとなっている。
【００２８】
具体的に超音波受信用センサー５３は、超音波送信用センサーユニット５０の基部１１に形成された貫通孔１１ｂ内に露出した状態となっている。これにより、超音波受信用センサーアレイ５１は、貫通孔１１ｂ内に露出された超音波受信用センサーアレイ５１によって所定の超音波を受信可能となっている。
また、超音波受信用センサーアレイ５１及び超音波送信用センサーアレイ５０は同一の外形形状となっており、超音波センサーユニット１０は平面視略矩形形状を有している。
【００２９】
超音波送信用センサー５２及び超音波受信用センサー５３の各々にはそれぞれ配線（図示略）が接続され、各配線はフレキシブルプリント基板１２を介して制御基板１３の端子部１３ａに接続されている。制御基板１３には演算部、記憶部等からなる制御部４０が設けられている。制御部４０は、超音波送信用センサー５２に入力する入力信号を制御すると共に、超音波受信用センサー５３から出力された出力信号を処理するように構成されている。
【００３０】
図５に示すように、制御部４０は超音波センサーユニット１０に接続され、主に制御・演算部４１と、記憶部４２と、超音波発生部４３と、超音波検出部４４と、送受信を切り替えるＴ／Ｒスイッチ４５とを備えている。超音波発生部４３は、サイン波を発生させるサイン波発生部４３ａと、個々の超音波センサー１に設けられサイン波の位相を変化させる移相部４３ｂと、ドライバー４３ｃとにより構成されている。超音波検出部４４は、主に増幅部４４ａと、Ａ／Ｄ変換部４４ｂとにより構成されている。
【００３１】
制御・演算部４１は、超音波センサーユニット１０による超音波の送信時には、サイン波発生部４３ａによりサイン波を発生させ、移相部４３ｂによりサイン波を個々の超音波送信用センサー５２に対応する位相に変化させる。また、制御・演算部４１は、超音波センサーユニット１０の超音波の受信時には、Ｔ／Ｒスイッチ４５を切り換えて超音波受信用センサー５３から出力された出力信号を増幅部４４ａに伝送させる。また、制御・演算部４１は、記憶部４２に記憶された情報をＰＤＡ１００の制御・演算部（図示略）に出力可能に構成されている。
【００３２】
図６は、図２に示す超音波センサーユニット１０をＡ−Ａ’線で切断し、超音波送信用センサー５２及び超音波受信用センサー５３の一つを拡大した拡大断面図である。図７は超音波送信用センサー５２における下部電極の平面図である。なお、図６の断面図は図７のＢ−Ｂ’線に沿う断面に対応している。
【００３３】
図６に示すように、超音波送信用センサー５２は、基部１１の開口部１１ａを閉塞するように設けられた振動板２と、振動板２の基部１１と反対側に設けられた圧電体３と、圧電体３に接続された下部電極４及び上部電極５とを備えている。基部１１に形成された開口部１１ａの深さｄは、例えば約１８０μｍ〜２００μｍ程度である。
【００３４】
また、超音波受信用センサー５３は、基部６１の開口部６１ａを閉塞するように設けられた振動板２と、振動板２の基部１１と反対側に設けられた圧電体３と、圧電体３に接続された下部電極４及び上部電極５とを備えている。なお、超音波受信用センサー５３は、超音波送信用センサー５２の基部１１に形成された貫通孔１１ｂ内に露出された状態となっている。
【００３５】
ところで、超音波送信用センサーアレイ５０は超音波送信用センサー５２が規則的に配置されることで構成されているので、強い音圧で超音波を送信可能となっている。また、超音波受信用センサーアレイ５１は、超音波受信用センサー５３が規則的に配置されることで構成されているので、超音波受信用センサーアレイ５１は超音波送信用センサーアレイ５０から送信された超音波を優れた感度で受信可能となっている。
【００３６】
さらに本実施形態では、超音波送信用センサー５２及び超音波受信用センサー５３がＭＥＭＳ技術によりそれぞれ独立して形成されたものとなっている。したがって、超音波送信用センサーアレイ５０における超音波送信用センサー５２は、超音波送信用として最適な条件を満たすように形成されるため、より音圧の強い超音波を送波可能となっている。また、超音波受信用センサーアレイ５１における超音波受信用センサー５３は、超音波受信用として最適な条件を満たすように形成されるため、物体に当たって跳ね返ることで減衰した弱い超音波を受けてもダイアフラムの撓みが大きく得られ、より良好な出力感度が得られるようになっている。
【００３７】
ここで、超音波送信用センサー５２の構成について詳述する。なお、超音波受信用センサー５３の構成は、振動板２及び圧電体３等の厚さ等が異なるものの、基本的な構成は同一であるため、構成の説明は省略する。
【００３８】
振動板２は、基部１１側に設けられ例えばＳｉＯ２により形成された第１酸化膜２ａと、第１酸化膜２ａの基部１１とは反対側に積層され例えばＺｒＯ２により形成された第２酸化膜２ｂとの二層構造となっている。第１酸化膜２ａは例えば単結晶シリコン基板の表面を熱酸化させることにより約３μｍ程度の厚さに形成されている。第２酸化膜は例えばＣＶＤ（化学気相成長）法等により例えば約４００ｎｍ程度の厚さに形成されている。
【００３９】
振動板２が開口部１１ａと平面的に重なって開口部１１ａに露出された領域は、振動板２の振動領域Ｖとなっている。開口部１１ａの径Ｄは振動領域Ｖの振動板２の固有振動数に応じて例えば約１００μｍ〜数百μｍ程度の範囲で適宜設定されている。
振動板２の振動領域Ｖで基部１１と反対側の面には下部電極４が設けられている。
【００４０】
図６及び図７に示すように、下部電極４は振動領域Ｖの中央部に設けられた第１下部電極４ａと、その周辺に設けられた第２下部電極４ｂと、に分離されている。第１下部電極４ａと第２下部電極４ｂは、それぞれ超音波センサーユニット１０の制御部４０に接続された配線６ａ，６ｂに接続されている。下部電極４は例えばＩｒ等の導電性金属材料により約２００ｎｍ程度の厚さに形成されている。下部電極４上には下部電極４を覆うように振動領域Ｖ及びその境界の外側に圧電体３が設けられている。
【００４１】
圧電体３は例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＢａＴｉＯ３（チタン酸バリウム）等により形成され、中央部の第１圧電部３ａと周辺部の第２圧電部３ｂとにより構成されている。換言すると、圧電体３は一体的に形成され、第１下部電極４ａと第２下部電極４ｂとが分離されることにより、圧電体３の第１下部電極４ａに対応する部分が第１圧電部３ａとなり、圧電体３の第２下部電極４ｂに対応する部分が第２圧電部３ｂとなっている。
【００４２】
第１圧電部３ａは第１下部電極４ａに接続された圧電体３の中央部分である。第１圧電部３ａは印加電圧により変形して振動板２を振動させるか又は振動板２の振動により変形して電位差を発生させるためのものである。
第２圧電部３ｂは第２下部電極４ｂに接続された圧電体３の周辺部分である。第２圧電部３ｂは印加電圧により変形して振動板２を静的に撓ませるためのものである。第２圧電部３ｂは振動領域Ｖの境界を跨ぐように、振動領域Ｖの境界の近傍に設けられている。
【００４３】
圧電体３の上には上部電極５が形成されている。上部電極５は例えばＩｒ等の導電性金属材料により形成され、第１圧電部３ａおよび第２圧電部３ｂに接続されている。上部電極５の厚さは例えば約５０ｎｍ程度となっている。また、上部電極５は配線７を介して超音波センサーユニット１０の制御部４０に接続されている。このような構成に基づいて、超音波送信用センサーアレイ５０は音圧のより強い超音波を送波可能となっている。
【００４４】
次に、本実施形態に係るＰＤＡ１００の動作について説明する。
図１に示したように、ＰＤＡ１００において人間の手や指の形状や動作を検出する際には、超音波センサーユニット１０により検出領域に超音波を送信する。
【００４５】
具体的には、まず、超音波センサーユニット１０の制御部４０により、超音波送信用センサー５２の上部電極５と第２下部電極４ｂとの間に一定の電圧を印加する。図６に示すように振動板２の振動領域Ｖの境界を跨ぐように形成された第２圧電部３ｂは、上部電極５と第２下部電極４ｂとの間に電圧が印加されると、印加電圧に応じて振動板２の面方向に伸長されたり圧縮されたりする。
【００４６】
第２圧電部３ｂが振動板２の面方向に伸長されると、振動板２の振動領域Ｖの境界の近傍において振動板２の圧電体３側が面方向に伸長され、図８（ａ）に示すように振動板２の振動領域Ｖが基部１１側に凸（図の下方向に凸）となるように撓む。また、第２圧電部３ｂが振動板２の面方向に圧縮されると、振動板２の振動領域Ｖの境界の近傍において振動板２の圧電体３側が面方向に圧縮され、図８（ｂ）に示すように振動板２の振動領域Ｖが基部１１側に凹（図の上方向に凸）となるように撓む。
【００４７】
このように、個々の超音波送信用センサー５２の第２圧電部３ｂに印加する印加電圧を制御することにより、超音波送信用センサー５２の振動板２の静的な撓み量や撓み方向を所望の状態に制御する。また、それぞれの超音波送信用センサー５２の第２圧電部３ｂへの印加電圧を一定の電圧に維持することで、振動板２の振動領域Ｖを所望の形状に静的に撓ませた状態を維持しておく。
【００４８】
次に、振動板２の振動領域Ｖを静的に撓ませた状態で、図３に示すように制御部４０のサイン波発生部４３ａによりサイン波を発生させ、移相部４３ｂ、ドライバー４３ｃ、Ｔ／Ｒスイッチ４５を介して超音波センサーユニット１０の各々の超音波送信用センサー５２の第１下部電極１４ａに少しずつ位相をずらしたサイン波電圧を印加する。これにより、各々の超音波送信用センサー５２の第１圧電部３ａが振動板２の面方向に伸縮し、振動板２の振動領域Ｖが振動板２の法線方向に振動する。
【００４９】
ここで、各々の超音波送信用センサー５２の第１下部電極４ａに少しずつ位相をずらしたサイン波電圧を印加する。これにより、各々の超音波送信用センサー５２の振動領域Ｖの振動板２は、少しずつ位相がずれた状態で振動する。
各々の超音波送信用センサー５２の振動領域Ｖの振動板２が少しずつ位相のずれた状態で振動することで、各々の超音波送信用センサー５２から発せられる超音波が干渉する。この各々の超音波送信用センサー５２から発せられる超音波の干渉により、超音波の進行方向が振動板２の法線方向に対して傾いた状態となり、超音波に指向性が付与される。
【００５０】
この超音波の指向性の変化を利用し、各々の超音波送信用センサー５２の第１圧電部３ａに印加するサイン波電圧の位相のずれを変化させることで、図１に示す超音波センサーユニット１０（超音波送信用センサーアレイ５０）から送信される超音波の方向を変化させ、ＰＤＡ１００の検出領域を走査する。
【００５１】
このとき、図１に示すように検出領域内に例えば人間の手や指が存在すると、超音波センサーユニット１０から送信された超音波は人間の手や指によって反射する。人間の手や指によって反射した超音波は、超音波送信用センサーアレイ５０に設けられた貫通孔１１ｂを介して超音波受信用センサー５３に到達すると、超音波受信用センサー５３の振動板２の振動領域Ｖが振動する。振動板２の振動領域Ｖが振動すると、第１圧電部３ａが振動板２の面方向の伸縮に伴って伸縮され、第１圧電部３ａに電位差が発生する。
【００５２】
第１圧電部３ａに発生した電位差は、上部電極５及び第１下部電極４ａに接続された配線６ａ，７によって超音波受信用センサー５３の出力信号として超音波センサーユニット１０の制御部４０に伝送される。超音波センサーユニット１０の制御部４０に伝送された個々の超音波受信用センサー５３からの出力信号は、Ｔ／Ｒスイッチ４５、増幅部４４ａ、Ａ／Ｄ変換部４４ｂを介して記憶部４２に記憶される。制御・演算部４１は、記憶部４２に記憶された個々の超音波受信用センサー５３の出力信号から検出領域の人間の手や指までの距離や移動速度を算出して出力する。
【００５３】
ＰＤＡ１００の演算制御部（図示略）は超音波センサーユニット１０から出力された人間の手や指までの距離や移動速度から手や指の状態や動作を認識し、予め登録された手や指の状態や動作と比較する。比較の結果、検出した人間の手や指の状態や動作が予め登録されたものと一致すれば、ＰＤＡ１００の演算制御部は人間の手や指の形状や動作を所定の入力として認識し、例えば表示部２０に画像を表示させる等、所定の動作を実行する。
したがって、本実施形態のＰＤＡ１００によれば、超音波センサーユニット１０を入力装置として機能させることができる。
【００５４】
ここで、超音波センサーユニット１０が備える超音波送信用センサー５２及び超音波受信用センサー５３は、圧電体３が第１圧電部３ａと第２圧電部３ｂとにより構成されている。そのため、第２圧電部３ｂに印加する印加電圧により振動板２の静的な撓み量や撓み方向を制御することができる。これにより、第１圧電部３ａにより振動板２を振動させ超音波を送信する際に、第２圧電部３ｂによって振動板２の撓み量や撓み方向を制御し、超音波送信用センサー５２における超音波の指向性や送信特性を制御することができる。
【００５５】
また、第２圧電部３ｂによって振動板２の撓み量や撓み方向を制御することで、振動板２の振動領域Ｖに入射した超音波による振動板２の振動状態を制御し、第１圧電部３ａが変形して発生する電圧を変化させ入力信号を調整することができる。これにより、超音波受信用センサー５３における超音波の感度や受信特性を制御することができる。
【００５６】
また、図８（ｂ）に示したように基部１１側に凹となるように振動板２を撓ませることで、振動板２の振動により発せられた超音波を収束させ、超音波の強度や到達距離を調整することができる。
【００５７】
また、本実施形態の超音波送信用センサー５２及び超音波受信用センサー５３は、第１圧電部３ａと第２圧電部３ｂとが一体的に設けられ、第１下部電極４ａと第２下部電極４ｂとが分離されている。これにより、第１圧電部３ａと第２圧電部３ｂとに異なる印加電圧を印加し、第１圧電部３ａと第２圧電部３ｂとを個別に駆動させることができる。また、第２圧電部３ｂにより振動板２を静的に撓ませた状態で、振動板２の振動により第１圧電部３ａに発生した電位差を検出することができる。また、圧電体３の製造を容易にし、超音波送信用センサー５２及び超音波受信用センサー５３の生産性を向上させ、超音波センサーユニット１０の生産コストを低減することができる。
【００５８】
また、本実施形態の超音波送信用センサー５２及び超音波受信用センサー５３は、振動板２が基部１１、６１の開口部１１ａ、６１ａを閉塞するように設けられ、第１圧電部３ａ及び第２圧電部３ｂは振動板２の振動領域Ｖに設けられている。これにより、基部１１、６１によって振動板２を支持し、振動板２の振動領域Ｖのみを振動させることができる。また、開口部１１ａ、６１ａの大きさや形状により振動領域Ｖの振動板２の固有振動数を調整することができる。また、第２圧電部３ｂにより振動板２の振動領域Ｖを静的に撓ませた状態で、第１圧電部３ａにより振動板２の振動領域Ｖを振動させ、あるいは振動板２の振動領域Ｖの振動により第１圧電部３ａを変形させることができる。
【００５９】
また、本実施形態の超音波送信用センサー５２及び超音波受信用センサー５３は、第１圧電部３ａが振動領域Ｖの中央部に設けられ、第２圧電部３ｂが第１圧電部３ａの周辺に設けられている。これにより、第２圧電部３ｂによって振動板２の振動領域Ｖの周辺部を変形させ、振動領域Ｖの振動板２を基部１１、６１側に凸状又は凹状に撓ませることができる。そして、凸状又は凹状に撓んだ振動板２を第１圧電部３ａにより振動させ、あるいは凸状又は凹状に撓んだ振動板２の振動により第１圧電部３ａを変形させることができる。
【００６０】
また、本実施形態の超音波送信用センサー５２及び超音波受信用センサー５３は、第２圧電部３ｂは振動領域Ｖの境界近傍に設けられている。これにより、振動板２の振動領域Ｖの近傍を変形させ、振動板２の振動領域Ｖを基部１１側に凸状又は凹状により効率よく撓ませることができる。
【００６１】
以上説明したように、本実施形態の超音波センサーユニット１０によれば、それぞれに適した最適な条件で構成された超音波送信用センサーアレイ５０及び超音波受信用センサーアレイ５１を独立して備えるので、強い音圧を出す超音波送信用センサー５２及び受信感度に優れた超音波受信用センサー５３を備えたものとなる。この超音波センサーユニット１０は、超音波の送信時及び受信時のいずれにおいても最大限の性能を発揮することができ、信頼性に優れたものとなっている。
また、超音波センサーユニット１０は、超音波受信用センサーアレイ５０と送信用超音波センサーアレイ５１とが貼り合わされているので、センサーユニット自体の剛性を高めることができ、超音波の送信時及び受信時の信頼性を向上させることができる。
【００６２】
（第二実施形態）
続いて、本発明の第二実施形態に係る超音波センサーユニットについて説明する。なお、本実施形態に係る超音波センサーユニットと第一実施形態に係る超音波センサーユニットとの違いは、超音波センサーの配置構造であり、それ以外の構成は共通となっている。そのため、第一実施形態と共通の部材については同一の符号を付し、その詳細な説明については省略する。
【００６３】
図９（ａ）は本実施形態に係る超音波送信用センサーアレイの平面構成を示す図であり、図９（ｂ）は本実施形態に係る超音波受信用センサーアレイの平面構成を示す図である。図１０は本実施形態に係る超音波センサーユニットの平面構造を示す図である。
【００６４】
図９（ａ）に示すように、本実施形態に係る超音波送信用センサーアレイ５０は、複数の超音波送信用センサー５２が同心円状に配置されている。また、基部１１には平面視略円形状の複数の貫通孔１１ｂが同心状に規則的に形成されている。具体的には、貫通孔１１ｂは、開口部１１ａに対して同心状となるように基部１１に形成されている。
図９（ｂ）に示すように、本実施形態に係る超音波受信用センサーアレイ５１は、複数の超音波送信用センサー５２が同心円状に配置されている。
【００６５】
超音波センサーユニット１００は、図１０に示すように、超音波送信用センサーアレイ５０及び超音波受信用センサーアレイ５１が貼り合わされることで構成されている。超音波送信用センサーアレイ５０及び超音波受信用センサーアレイ５１は、超音波送信用センサー５２及び超音波受信用センサー５３が平面視した状態で重ならないように貼り合わされたものとなっている。超音波受信用センサー５３は、超音波送信用センサーユニット５０の基部１１に形成された貫通孔１１ｂ内に露出した状態となっている。これにより、超音波受信用センサーアレイ５１は、貫通孔１１ｂ内に露出された超音波受信用センサーアレイ５１によって所定の超音波を受信可能となっている。
【００６６】
本実施形態の超音波センサーユニット１００においても、超音波送信用センサーアレイ５０及び超音波受信用センサーアレイ５１を独立して備えるので、強い音圧を出す超音波送信用センサー５２及び受信感度に優れた超音波受信用センサー５３を備えたものとなる。よって、超音波の送信時及び受信時のいずれにおいても最大限の性能を発揮することができ、信頼性に優れたものとなる。
【００６７】
なお、この発明は上述した実施の形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、基部１１、６１に形成する開口部１１ａ，６１ａの平面形状は円形状に限られず、基部１１に形成する貫通孔１１ｂの平面形状は矩形形状に限られない。
【００６８】
また、上述した実施形態では、超音波送信用センサーアレイ５０の基部１１に貫通孔１１ｂを形成する場合について説明したが、超音波受信用センサーアレイ５１の基部６１に貫通孔６１ｂを形成するようにしてもよい。すなわち、超音波送信用センサーアレイ５０及び超音波受信用センサーアレイ５１の貼り合せの順番を入れ替えるようにしてもよい。
【００６９】
また、上記第一実施形態では、超音波送信用センサー５２及び超音波受信用センサー５３が平面視した状態でそれぞれマトリクス状に配置され、上記第二実施形態では、超音波送信用センサー５２及び超音波受信用センサー５３が平面視した状態でそれぞれ同心円状に配置される場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、超音波送信用センサー５２及び超音波受信用センサー５３のいずれか一方をマトリクス状に配置し、超音波送信用センサー５２及び超音波受信用センサー５３の他方を同心円状に配置するようにしてもよい。
【００７０】
（第三実施形態）
続いて、本発明の第三実施形態に係る超音波センサーユニットについて説明する。なお、本実施形態に係る超音波センサーユニットと第一実施形態に係る超音波センサーユニットとの違いは、超音波送信用センサーアレイと超音波受信用センサーアレイとの配置方向と、その貼り付け位置であり、それ以外の構成は共通となっている。そのため、第一実施形態と共通の部材については同一の符号を付し、その詳細な説明については省略する。
【００７１】
図１１（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ第１実施形態、第三実施形態及び第四実施形態に係る超音波送信センサーアレイ５０と超音波受信用センサーアレイ５１との貼り付け状態を示す模式図であって、図中において紙面上方が超音波の発信方向である。図１２は本第三実施形態に係る超音波センサーユニットの要部を拡大した図である。
以下の説明において、超音波送信用センサーアレイ５０の基部１１において超音波送信用センサー５２が形成されている面、すなわち圧電体３が形成されている表面を送信側表面５０ａ、その逆側の面を送信側裏面５０ｂと称する。これと全く同様に、超音波受信用センサーアレイ５１の基部６１において超音波受信用センサー５３が形成されている面を受信側表面５１ａ、その逆側の面を受信側裏面５１ｂと称する。また、超音波送信用センサー５２から超音波は、図１１で上方に向かって送信されるものとする。
【００７２】
図１１（ａ）に示したように、既述の第一実施形態においては、超音波送信用センサーアレイ５０の送信側表面５０ａと超音波受信用センサーアレイ５１の受信側表面５１ａとが同じ方向を向き、超音波送信用センサーアレイ５０の上に超音波受信用センサーアレイ５１が積層された状態で貼り合わされている。
これに対して、本実施形態においては、図１１（ｂ）に示したように、超音波送信用センサーアレイ５０の送信側表面５０ａと超音波受信用センサーアレイ５１の受信側表面５１ａとは逆方向を向き、送信側表面５０ａと受信側表面５１ａの各周縁部で互いに貼り合わされており、図１２に示したように、送信側表面５０ａ及び受信側表面５１ａの各第２下部電極４ｂからそれぞれ引き出された各配線６ｂがグランド配線（図示せず）に接続されている。
【００７３】
グランド配線は、送信側表面５０ａの圧電体３に電圧を印加する第１下部電極４ａと、受信側表面５１ａの圧電体３から発生する電圧を取り出す第１下部電極４ａとにおいて、定電圧を保持するものであって、図１２において紙面奥行き方向に延設されているものである。本実施形態においては、センサーユニットの下側となる超音波送信用センサーアレイ５０の基部１１上に圧電体３および電極４、５と共に配線されている。
一方、超音波受信用センサーアレイ５１には、グランド配線を設けずに、配線６ｂから引き出した接続端子（図示せず）を設け、送信側表面５０ａと受信側表面５１ａとを付き合わせた状態で貼り合せることで、接続端子を送信側表面５０ａの配線６ｂと接続してグランド配線を共有する。
【００７４】
このような構成とすることで、グランド配線のパターニングを一方の基部にのみ設ければ良いので、製造工程の簡略化が図ることができ、生産コストを低減することができる。
なお、本実施形態においては、共有する配線はグランド配線としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができ、例えば、他の配線を共有してもよい。また、同様の趣旨により、共有する配線は送信側表面５０ａのみならず、受信側表面５１ａに形成されていても良く、超音波送信用センサー５０からの超音波の送信方向は図１１で下方へ向かって送信されてもよい。
【００７５】
（第四実施形態）
本実施形態において、超音波センサーユニットが上述の第三実施形態における超音波センサーユニットと異なるところは、図１１（ｃ）に示したように、超音波送信用センサーアレイ５０と超音波受信用センサーアレイ５１とが、送信側裏面５０ｂと受信側裏面５１ｂとで貼り合わされているところである。
【００７６】
このような構成によれば、超音波送信用センサー５２と超音波受信用センサー５３の各振動板２の間に各センサーアレイの基部１１、６１が介在することとなる。
超音波送信用センサー５２において強い音圧を出す場合には、振動板２を大きく撓ませることになるが、本実施形態においては、第一実施形態および第三実施形態における超音波センサーユニットに比較して、振動板２どうしの距離が遠くなっているために、空気中を伝播する超音波の音圧の減衰度が大きくなるので、超音波受信用センサー５３で直接受信してしまうクロストークの度合いを小さくすることができる。また、基部１１、６１が介在することにより、センサーユニット自体を伝播する超音波も減数度が大きくなるので、これによってもクロストークを低減することができ、超音波受信用センサーをより高感度のものにできる。この超音波センサーユニット１０は、強い音圧を出す超音波送信用センサー５２及び受信感度に優れた超音波受信用センサー５３を備えたものとなり、超音波の送信時及び受信時のいずれにおいても最大限の性能を発揮することができ、信頼性に優れたものとなっている。
【符号の説明】
【００７７】
２…振動板、３…圧電体、４…下部電極、５…上部電極、１０…超音波センサーユニット、１１ｂ…貫通孔、５０…超音波送信用センサーアレイ、５０ａ…送信側表面、５０ｂ…送信側裏面、５１…超音波受信用センサーアレイ、５１ａ…受信側表面、５１ｂ…受信側裏面、５２…超音波送信用センサー、５３…超音波受信用センサー。
【図１】
2010210283.tif 000003
【図２】
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【図３】
2010210283.tif 000005
【図４】
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【図５】
2010210283.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2010210283.tif 000011
【図１０】
2010210283.tif 000012
【図１１】
2010210283.tif 000013
【図１２】
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