(57)【要約】【課題】高精度に超音波を発生することが可能な超音波センサを提供する。【解決手段】超音波センサ１０は、基板１と、第１および第２ねじれ梁１１、１２と、第１および第２回転フレーム７１、７２と、第１および第２駆動リンク梁３１、３２と、駆動フレーム２１と、駆動電極５と、第１および第２振動リンク梁４１、４２と、振動フレーム２２と、検出電極６とを備える。第１駆動リンク梁３１は、第１回転フレーム７１の一方端部側に第１ねじれ軸Ｔ１を移動した軸上に位置する。第２駆動リンク梁３２は、一方端部側への第１ねじれ軸Ｔ１の移動の方向と逆方向に第２ねじれ軸Ｔ２を移動した軸上に位置する。第１振動リンク梁４１は、第１ねじれ軸Ｔ１と交差する方向に沿って第１回転フレーム７１の他方端部側に第１ねじれ軸Ｔ１を移動した軸上に位置する。第２振動リンク梁４２は、一方端部側への第１ねじれ軸Ｔ１の移動の方向に第２ねじれ軸Ｔ２を移動した軸上に位置する。【選択図】図１
2010139265.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板に支持された第１ねじれ軸の周りにねじれる第１ねじれ梁と、
前記第１ねじれ軸を中心に回転可能なように、前記第１ねじれ梁を介して前記基板に支持された第１回転フレームと、
前記基板に支持された第２ねじれ軸の周りにねじれる第２ねじれ梁と、
前記第２ねじれ軸を中心に回転可能なように、前記第２ねじれ梁を介して前記基板に支持され、前記第１ねじれ軸と交差する方向に沿って配置された第２回転フレームと、
前記第１ねじれ軸と交差する方向に沿って前記第１回転フレームの一方端部側に前記第１ねじれ軸を移動した軸上の位置において前記第１回転フレームに接続された第１駆動リンク梁と、
前記一方端部側への前記第１ねじれ軸の移動の方向と逆方向に前記第２ねじれ軸を移動した軸上の位置において前記第２回転フレームに接続された第２駆動リンク梁と、
前記第１および第２駆動リンク梁のそれぞれにより前記第１および第２回転フレームの各々に連結されることにより、前記基板上で前記基板の厚み方向に変位可能に支持された駆動フレームと、
前記駆動フレームと対向するように前記基板上に形成され、前記駆動フレームを静電気力により変位させるための駆動電極と、
前記第１ねじれ軸と交差する方向に沿って前記第１回転フレームの他方端部側に前記第１ねじれ軸を移動した軸上の位置において前記第１回転フレームに接続された第１振動リンク梁と、
前記他方端部側への前記第１ねじれ軸の移動の方向と逆方向に前記第２ねじれ軸を移動した軸上の位置において前記第２回転フレームに接続された第２振動リンク梁と、
前記第１および第２振動リンク梁のそれぞれにより前記第１および第２回転フレームの各々に連結されることにより、前記基板上で前記基板の厚み方向に変位可能に支持された振動フレームと、
前記振動フレームと対向するように前記基板上に形成され、前記基板に対する前記振動フレームの変位を静電容量により検出するための検出電極とを備えた、超音波センサ。
【請求項２】
前記第１ねじれ軸と前記第１駆動リンク梁との間のオフセットと、前記第２ねじれ軸と前記第２駆動リンク梁との間のオフセットとが等しい、請求項１に記載の超音波センサ。
【請求項３】
前記第１ねじれ軸と前記第１振動リンク梁との間のオフセットと、前記第２ねじれ軸と前記第２振動リンク梁との間のオフセットとが等しい、請求項１または２に記載の超音波センサ。
【請求項４】
前記第１ねじれ軸と前記第１駆動リンク梁との間のオフセットは、前記第１ねじれ軸と前記第１振動リンク梁との間のオフセットよりも小さく、かつ前記第２ねじれ軸と前記第２駆動リンク梁との間のオフセットは、前記第２ねじれ軸と前記第２振動リンク梁との間のオフセットよりも小さい、請求項１〜３のいずれかに記載の超音波センサ。
【請求項５】
前記第１および第２ねじれ軸が互いに平行である、請求項１〜４のいずれかに記載の超音波センサ。
【請求項６】
前記第１および第２回転フレームと、前記第１および第２ねじれ梁と、前記第１および第２駆動リンク梁と、前記第１および第２振動リンク梁とを９０度回転させた回転フレームと、ねじれ梁と、駆動リンク梁と、振動リンク梁とをさらに備えた、請求項１〜５のいずれかに記載の超音波センサ。
【請求項７】
前記駆動フレームに対して前記駆動電極と対称になるように配置された第２の駆動電極をさらに備えた、請求項１〜６のいずれかに記載の超音波センサ。
【請求項８】
前記第１および第２ねじれ梁と、前記第１および第２回転フレームと、前記第１および第２駆動リンク梁と、前記駆動フレームと、前記駆動電極と、前記第１および第２振動リンク梁と、前記振動フレームと、前記検出電極とを含む、複数のセンサ単位が前記基板上にアレイ状に配置され、
前記複数のセンサ単位の前記駆動フレームが一体化されている、請求項１〜７のいずれかに記載の超音波センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波センサに関し、特に、静電容量型の超音波センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の超音波を送受信する超音波センサの原理の１つとして、電極間に電圧を印加し膜を振動させることで超音波の発信を行ない、膜の振動にともなう静電容量の変化で検出することで超音波の受信を行なう方法がある。この方法による半導体型の超音波センサは、ｃＭＵＴ（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer）と呼ばれ、たとえば、主な構成部分として、固定電極と、振動膜とを有する超音波センサが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
この特許文献１の超音波センサは、固定電極と振動膜との間に交流信号を印加することで、振動膜を振動させ超音波が発生する。
【０００４】
また、固定電極の形状を工夫し、固定電極と振動膜との距離を場所によって変化させることで、固定電極や振動膜に加える電圧を必要以上に上げることなく、振動膜の振幅距離を確保しながら静電力を高める構造などもある（たとえば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００５−３５４５８２号公報
【特許文献２】特開２００８−１９９３４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般的に、車載用のコーナーセンサなどに使用される超音波センサの必要音圧は約１００ｄＢ以上必要である。しかし、ｃＭＵＴでその音圧を得るためには、電極間のギャップが広い場合は高電圧が必要である。低電圧で１００ｄＢ以上の音圧を得るためには電極間のギャップを狭くする必要である。しかし、振動膜の変位が大きくなり対向電極に近づくと、線形性が崩れる、変位量は電極間ギャップの１／３が限界である、などの問題を抱えている。このため、高精度に超音波を発生することが難しい。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、高精度に超音波を発生することが可能な超音波センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の超音波センサは、基板と、第１ねじれ梁と、第１回転フレームと、第２ねじれ梁と、第２回転フレームと、第１駆動リンク梁と、第２駆動リンク梁と、駆動フレームと、駆動電極と、第１振動リンク梁と、第２振動リンク梁と、振動フレームと、検出電極とを備えている。
【０００８】
第１ねじれ梁は、第１ねじれ軸の周りにねじれることができ、基板に支持されている。第１回転フレームは、第１ねじれ軸を中心に回転可能なように、第１ねじれ梁を介して基板に支持されている。第２ねじれ梁は、第２ねじれ軸の周りにねじれることができ、基板に支持されている。第２回転フレームは、第２ねじれ軸を中心に回転可能なように、第２ねじれ梁を介して基板に支持され、第１ねじれ軸と交差する方向に沿って配置されている。第１駆動リンク梁は、第１ねじれ軸と交差する方向に沿って第１回転フレームの一方端部側に第１ねじれ軸を移動した軸上の位置において第１回転フレームに接続されている。第２駆動リンク梁は、一方端部側への第１ねじれ軸の移動の方向と逆方向に第２ねじれ軸を移動した軸上の位置において第２回転フレームに接続されている。駆動フレームは、第１および第２駆動リンク梁のそれぞれにより第１および第２回転フレームの各々に連結されることにより、基板上で基板の厚み方向に変位可能に支持されている。駆動電極は、駆動フレームを静電気力により変位させるためのものであり、駆動フレームと対向するように基板上に形成されている。第１振動リンク梁は、第１ねじれ軸と交差する方向に沿って第１回転フレームの他方端部側に第１ねじれ軸を移動した軸上の位置において第１回転フレームに接続されている。第２振動リンク梁は、他方端部側への第１ねじれ軸の移動の方向と逆方向に第２ねじれ軸を移動した軸上の位置において第２回転フレームに接続されている。振動フレームは、第１および第２振動リンク梁のそれぞれにより第１および第２回転フレームの各々に連結されることにより、基板上で基板の厚み方向に変位可能に支持されている。検出電極は、基板に対する振動フレームの変位を静電容量により検出するためのものであり、振動フレームと対向するように基板上に形成されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の超音波センサによれば、第１および第２の駆動リンク梁は、第１および第２ねじれ軸に対して逆の方向に位置し、かつ第１および第２の振動リンク梁は、第１および第２ねじれ軸に対して逆の方向に位置し、かつ第１の駆動リンク梁および第１の振動リンク梁は、第１のねじれ軸に対して逆の方向であり、かつ第２の駆動リンク梁および第２振動リンク梁は、第２ねじれ軸に対して逆の方向に位置している。この状態で、第１および第２のねじれ梁と、第１および第２駆動リンク梁との距離と、第１および第２のねじれ梁と、第１および第２振動リンク梁との距離とをそれぞれ異なるように設定することができる。これにより、てこの原理を利用して、駆動フレームの振動を微小に保ったまま、振動フレームの振動を大きくすることができる。すなわち、駆動フレームと駆動電極との間の変位を小さく、かつ振動フレームと検出電極との変位を大きくするように第１および第２回転フレームを変位させることができる。したがって、要求している動作からのずれを表す線形性を維持できる。以上より、線形性を維持したまま、振動フレームの変位を電極間ギャップの限界まで使用できるので、高精度に超音波を発生することが可能な超音波センサを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
最初に、本実施の形態の超音波センサの主要な構成について説明する。
【００１１】
図１は、本発明の実施の形態１における超音波センサの構成を概略的に示す上面図である。また、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う概略的な断面図である。なお、説明の便宜のため、座標軸Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が導入されている。図１において、Ｘ軸は横方向に沿う右方向が正の向きの軸であり、Ｙ軸は縦方向に沿う上方向が正の向きの軸であり、Ｚ軸は紙面に垂直で紙面の上方が正の向きの軸である。なお、Ｚ軸の方向は、本実施の形態の超音波センサ１０の音波送受信方向に一致する。
【００１２】
図１および図２を参照して、本実施の形態の超音波センサ１０は、主に、基板１と、第１および第２ねじれ梁１１、１２と、駆動フレーム２１と、振動フレーム２２と、第１および第２駆動リンク梁３１、３２と、第１および第２振動リンク梁４１、４２と、駆動電極５と、検出電極６と、第１および第２回転フレーム７１、７２を有している。
【００１３】
基板１としては、シリコン基板を用いることができる。また、第１および第２ねじれ梁１１、１２、駆動フレーム２１、振動フレーム２２、第１および第２駆動リンク梁３１、３２、第１および第２振動リンク梁４１、４２、駆動電極５、検出電極６、および第１および第２回転フレーム７１、７２の材質としては、たとえばポリシリコン膜を用いることができる。このポリシリコン膜は、低応力であり、かつ厚さ方向に応力分布がないことが望ましい。
【００１４】
第１ねじれ梁１１は、Ｘ軸に沿った第１ねじれ軸Ｔ１の周りにねじれることができるように、基板１に第１アンカー９１により支持されている。
【００１５】
第１回転フレーム７１は、第１ねじれ軸Ｔ１を中心に回転可能なように、第１ねじれ梁１１を介して基板１に支持されている。また、第１回転フレーム７１は、少なくともその一部が導電性を有している。
【００１６】
第２ねじれ梁１２は、Ｘ軸に沿った第２ねじれ軸Ｔ２の周りにねじれることができるように、基板１に第２アンカー９２により支持されている。
【００１７】
第２回転フレーム７２は、第２ねじれ軸Ｔ２を中心に回転可能なように、第２ねじれ梁１２を介して基板１に支持されている。また、第２回転フレーム７２は、少なくともその一部が導電性を有している。
【００１８】
第２回転フレーム７２は、第１ねじれ軸Ｔ１と交差する方向に沿って配置されている。第１ねじれ軸Ｔ１と第２ねじれ軸Ｔ２とは、重心Ｇを通りＸ軸に平行な中心線Ｂに対して対称に配置することが望ましい。また、第１回転フレーム７１と第２回転フレーム７２とは、中心線Ｂに対して対称に配置することが望ましく、重心Ｇを通りＹ軸に平行な中心線Ａに沿うのが好適である。
【００１９】
第１駆動リンク梁３１は、第１ねじれ軸Ｔ１が第１ねじれ軸Ｔ１と交差する方向に沿って第１回転フレーム７１の一方端部側（図１において上側）にオフセットｅ１１だけ平行移動された軸Ｌ１１上の位置において第１回転フレーム７１に設けられている。すなわち、オフセットｅ１１の絶対値は第１ねじれ軸Ｔ１と第１駆動リンク梁３１との間の寸法であり、その向きは第１ねじれ軸Ｔ１と交差して第１ねじれ軸Ｔ１から軸Ｌ１１へ向かう方向である。
【００２０】
第２駆動リンク梁３２は、第１回転フレーム７１の一方端部側への第１ねじれ軸Ｔ１の移動の方向（図１において上側）と逆方向（図１において下側）に第２ねじれ軸Ｔ２を移動した軸Ｌ２１上の位置において第２回転フレームに接続されている。言い換えると、第２駆動リンク梁３２は、第２ねじれ軸Ｔ２が第２ねじれ軸Ｔ２と交差する方向に沿って第２回転フレーム７２の他方端部側（図１において下側）にオフセットｅ２１だけ平行移動された軸Ｌ２１上の位置において第２回転フレーム７２に設けられている。すなわち、オフセットｅ２１の絶対値は第２ねじれ軸Ｔ２と第２駆動リンク梁３２との間の寸法であり、その向きは第２ねじれ軸Ｔ２と交差して第２ねじれ軸Ｔ２から軸Ｌ２１へ向かう方向である。
【００２１】
第１振動リンク梁４１は、第１ねじれ軸Ｔ１が第１ねじれ軸Ｔ１と交差する方向に沿って第１駆動リンク梁３１と逆側の第１回転フレーム７１の一方端部側（つまり、第１回転フレーム７１の他方端部側（図１において下側））にオフセットｅ１２だけ平行移動された軸Ｌ１２上の位置において第１回転フレーム７１に設けられている。すなわち、オフセットｅ１２の絶対値は第１ねじれ軸Ｔ１と第１振動リンク梁４１との間の寸法であり、その向きは第１ねじれ軸Ｔ１と交差して第１ねじれ軸Ｔ１から軸Ｌ１２へ向かう方向である。
【００２２】
第２振動リンク梁４２は、第１回転フレーム７１の他方端部側への第１ねじれ軸Ｔ１の移動の方向（図１において下側）と逆方向（図１において上側）に第２ねじれ軸Ｔ２を移動した軸Ｌ２２上の位置において第２回転フレーム７２に接続されている。つまり、第２振動リンク梁４２は、第１回転フレーム７１の一方端部側への第１ねじれ軸Ｔ１の移動の方向（図１において上側）に第２ねじれ軸Ｔ２を移動した軸Ｌ２２上の位置において第２回転フレーム７２に接続されている。さらに言い換えると、第２振動リンク梁４２は、第２ねじれ軸Ｔ２が第２ねじれ軸Ｔ２と交差する方向に沿って第２駆動リンク梁３２と逆側の第２回転フレーム７２の一方端部側（図１において上側）にオフセットｅ２２だけ平行移動された軸Ｌ２２上の位置において第２回転フレーム７２に設けられている。すなわち、オフセットｅ２２の絶対値は第２ねじれ軸Ｔ２と第２振動リンク梁４２との間の寸法であり、その向きは第２ねじれ軸Ｔ２と交差して第２ねじれ軸Ｔ２から軸Ｌ２２へ向かう方向である。
【００２３】
好ましくは、第１ねじれ軸Ｔ１と第１駆動リンク梁３１との間のオフセットｅ１１と、第２ねじれ軸Ｔ２と第２駆動リンク梁３２との間のオフセットｅ２１とが等しくなるように配置されている。
【００２４】
また、好ましくは、第１ねじれ軸Ｔ１と第１振動リンク梁４１との間のオフセットｅ１２と、第２ねじれ軸Ｔ２と第２振動リンク梁４２との間のオフセットｅ２２とが等しくなるように配置されている。
【００２５】
また、好ましくは、第１ねじれ軸Ｔ１と第１駆動リンク梁３１との間のオフセットｅ１１は、第１ねじれ軸Ｔ１と第１振動リンク梁４１との間のオフセットｅ１２よりも小さく、かつ第２ねじれ軸Ｔ２と第２駆動リンク梁３２との間のオフセットｅ２１は、第２ねじれ軸Ｔ２と第２振動リンク梁４２との間のオフセットｅ２２よりも小さい。
【００２６】
なお、上記「オフセット」とは、その位置を、基準点からの差(距離)で表した値を意味する。
【００２７】
また、好ましくは、第１および第２ねじれ軸Ｔ１、Ｔ２が互いに平行である。すなわち、第１および第２駆動リンク梁３１、３２は互いに平行に配置され、かつ第１および第２駆動リンク梁３１、３２は互いに平行に配置されている。
【００２８】
駆動フレーム２１は、第１および第２駆動リンク梁３１、３２のそれぞれにより第１および第２回転フレーム７１、７２の各々に連結されることにより、基板１上で基板１の厚み方向に変位可能に支持されている。
【００２９】
振動フレーム２２は、第１および第２振動リンク梁４１、４２のそれぞれにより第１および第２回転フレーム７１、７２の各々に連結されることにより、基板１上で基板１の厚み方向に変位可能に支持されている。
【００３０】
検出電極６は、基板１に対する振動フレーム２２の変位を静電容量により検出することができるように、振動フレーム２２と対向するように基板１上に絶縁膜３を介して形成されている。なお、絶縁膜３としては、低応力の窒化シリコン膜やシリコン酸化膜が好適である。
【００３１】
駆動電極５は、駆動フレーム２１を静電気力により変位させることができるように、駆動フレーム２１に対向するように基板１上に絶縁膜３を介して形成されている。
【００３２】
続いて、本実施の形態の超音波センサ１０の駆動原理について説明する。
図３は、本発明の実施の形態１における超音波センサに対して基板の膜厚方向に沿って駆動電極５と駆動フレーム２１との間に電圧が加えられた際の様子を概略的に示す断面図である。図３は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う概略的な断面図である。なお、図３の断面位置は図２と同一である。また図３においては図を見易くするために第１および第２アンカー９１、９２は図示されていない。
【００３３】
図３を参照して、駆動フレーム２１と駆動電極５との間に電圧を印加すると、基板１の膜厚方向に沿って下方向、すなわちＺ軸の負方向（図中下方向）に駆動フレーム２１は初期位置（図中破線で示す位置）からＺ軸の負方向（図中下方向）に沈み込むように変位する。駆動フレーム２１と連結されている第１および第２駆動リンク梁３１、３２も、駆動フレーム２１と一体となってＺ軸の負方向（図中下方向）に変位する。
【００３４】
第１駆動リンク梁３１の変位により、第１回転フレーム７１は、軸Ｌ１１の部分でＺ軸の負方向（図中下方向）への力を受ける。この軸Ｌ１１は、第１ねじれ軸Ｔ１からオフセットｅ１１だけ平行移動された位置にあるため、第１回転フレーム７１にはトルクが作用する。この結果、第１回転フレーム７１が回転変位する。
【００３５】
また、第２駆動リンク梁３２の変位により、第２回転フレーム７２は、軸Ｌ２１の部分でＺ軸の負方向（図中下方向）への力を受ける。この軸Ｌ２１は、第２ねじれ軸Ｔ２からオフセットｅ２１だけ平行移動された位置にあるため、第２回転フレーム７２にはトルクが作用する。この結果、第２回転フレーム７２が回転変位する。
【００３６】
オフセットｅ１１とｅ２１とは逆向きであるため、第１回転フレーム７１と第２回転フレーム７２とは逆向きに回転する。すなわち、第１回転フレーム７１の上面は超音波センサ１０の一方端部側（図３の右側）を向き、第２回転フレーム７２の上面は超音波センサ１０の一方端部側（図３の左側）を向くように、第１および第２回転フレーム７１、７２が回転変位する。
【００３７】
第１および第２回転フレーム７１、７２が回転変位することにより、第１回転フレーム７１と連結している第１振動リンク梁４１が、軸Ｌ１２の部分でＺ軸の正方向（図中上方向）への力を受け、第２回転フレーム７２と連結している第２振動リンク梁４２が、軸Ｌ２２の部分でＺ軸の正方向（図中上方向）への力を受ける。この軸Ｌ１２は、第１ねじれ軸Ｔ１からオフセットｅ１２だけ平行移動された位置にあり、軸Ｌ２２は、第１ねじれ軸Ｔ２からオフセットｅ２２だけ平行移動された位置にある。
【００３８】
第１および第２振動リンク梁４１、４２の変位により振動フレーム２２は、Ｚ軸の正方向（図中上方向）への力を受ける。この結果、振動フレーム２２がＺ軸の正方向（図中上方向）に変位する。
【００３９】
このとき、第１ねじれ軸Ｔ１と第１駆動リンク梁３１との間のオフセットｅ１１は、第１ねじれ軸Ｔ１と第１振動リンク梁４１との間のオフセットｅ１２よりも小さく、かつ第２ねじれ軸Ｔ２と第２駆動リンク梁３２との間のオフセットｅ２１は、第２ねじれ軸Ｔ２と第２振動リンク梁４２との間のオフセットｅ２２よりも小さいと、てこの原理より、駆動フレーム２１の変位を微小にして振動フレーム２２を大変位させることができる。つまり、軸Ｌ１１、Ｌ２１を第１および第２ねじれ軸Ｔ１、Ｔ２に近くにする程、軸Ｌ１２、Ｌ２２を第１および第２回転フレーム７１、７２の端部近く（ねじれ軸Ｔ１、Ｔ２から遠く）にする程、駆動フレーム２１の変位を小さくし、かつ振動フレーム２２の変位を大きくすることができる。駆動フレーム２１の変位が微小であると、振動フレーム２２は検出電極６に接触する直前までの変位が可能である。
【００４０】
駆動フレーム２１と駆動電極５との間の電圧をＤＣ／ＡＣ電圧にすることで、振動フレーム２２を振動させることができる。ＡＣ電圧の周波数を構造の共振周波数に合わせ込むと、構造が持つＱ値の倍率で振動することができる。この振動の振幅は振動フレーム２２と検出電極６の間の静電容量の変化を検出することで得ることができ、発生音圧を推定することができる。これは、音波を受信した場合も同様で、音波を受信すると、振動フレーム２２が振動するので、振動フレーム２２と検出電極６との間の静電容量の変化を検出することで受信音圧を検出することができる。
【００４１】
続いて、本実施の形態の超音波センサ１０の製造方法について説明する。図４〜図８は、本発明の実施の形態１における超音波センサの製造方法の第１〜第５工程を順に示す概略的な断面図であり、その断面位置は図２の断面位置に対応する。
【００４２】
図４を参照して、シリコンからなる基板１上に、ＬＰＣＶＤ(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)法により、絶縁膜３が堆積される。絶縁膜３としては、低応力の窒化シリコン膜やシリコン膜などが適している。この絶縁膜３の上に、ＬＰＣＶＤ法により、たとえばポリシリコンからなる導電性の膜が堆積される。続いて、この導電性の膜がパターニングされて、検出電極６、駆動電極５が形成される。その後、基板１上全体にＰＳＧ（Phosphosilicate Glass）膜１０１が堆積される。
【００４３】
主に図５を参照して、第１および第２アンカー９１、９２（図２）が形成される部分のＰＳＧ膜１０１が選択的に除去される。
【００４４】
図６を参照して、基板１上全体に、ポリシリコン膜１０２が堆積される。続いて、その表面にＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)処理が施される。
【００４５】
図７を参照して、上記ＣＭＰ処理により、ポリシリコン膜１０２の表面が平坦化される。
【００４６】
図８を参照して、ポリシリコン膜１０２のＰＳＧ膜１０１の上面よりも上方の部分に対して、選択的なエッチングが行なわれる。これにより、駆動フレーム２１と、第１および第２駆動リンク梁３１、３２と、第１および第２回転フレーム７１、７２と、第１および第２ねじれ梁１１、１２と、第１および第２アンカー９１、９２とが一括形成される。その後、ＰＳＧ膜１０１がエッチングにより除去され、図１および図２に示される本実施の形態の超音波センサ１０が得られる。
【００４７】
以上より本実施の形態によれば、第１および第２の駆動リンク梁３１、３２は、第１および第２ねじれ軸Ｔ１、Ｔ２に対して逆の方向に位置し、かつ第１および第２の振動リンク梁４１、４２は、第１および第２ねじれ軸Ｔ１、Ｔ２に対して逆の方向に位置し、かつ第１の駆動リンク梁３１および第１の振動リンク梁４１は、第１のねじれ軸Ｔ１に対して逆の方向であり、かつ第２の駆動リンク梁３２および第２振動リンク梁４２は、第２ねじれ軸Ｔ２に対して逆の方向に位置している。この状態で、第１および第２のねじれ梁１１、１２と、第１および第２駆動リンク梁３１、３２との距離（オフセットｅ１１、ｅ２１）と、第１および第２のねじれ梁１１、１２と、第１および第２振動リンク梁４１、４２との距離（オフセットｅ１２、ｅ２２）とをそれぞれ異なるように設定することができる。これにより、てこの原理を利用して、駆動フレーム２１の振動を微小に保ったまま、振動フレーム２２の振動を大きくすることができる。すなわち、駆動フレーム２１と駆動電極５との間の変位を小さく、かつ振動フレーム２２と検出電極６との変位を大きくするように第１および第２回転フレーム７１、７２を変位させることができる。したがって、要求している動作からのずれを表す線形性を維持できる。以上より、線形性を維持したまま、振動フレームの変位を電極間ギャップの限界まで使用できるので、高精度に超音波を発生することが可能な超音波センサ１０を実現することができる。
【００４８】
また電極間ギャップを小さい状態で維持できるので、大音圧の超音波センサ１０を実現することができる。
【００４９】
また図７および図８に示すように、可動部となる駆動フレーム２１と、第１および第２駆動リンク梁３１、３２と、第１および第２回転フレーム７１、７２と、第１および第２ねじれ梁１１、１２とが、同一材料からなる膜から一括形成される。よって、可動部において異材料の接合部分がないため、異材料の熱膨張係数の差異により生じる歪の発生がない。このため、超音波センサ１０の温度依存性を抑制することができる。
【００５０】
本実施の形態において好ましくは、第１ねじれ軸Ｔ１と第１駆動リンク梁３１との間のオフセットｅ１１と、第２ねじれ軸Ｔ２と第２駆動リンク梁３２との間のオフセットｅ２１とが等しくなるように配置されている。これにより、第１および第２回転フレーム７１、７２のそれぞれの回転変位量が等しくなる。したがって、図３に示す振動フレーム２２の全域の変位量が等しくなる。このため、超音波センサ１０の音圧分布の誤差を抑制することができる。
【００５１】
また本実施の形態において好ましくは、第１ねじれ軸Ｔ１と第１振動リンク梁４１との間のオフセットｅ１２と、第２ねじれ軸Ｔ２と第２振動リンク梁４２との間のオフセットｅ２２とが等しくなるように配置されている。これにより、第１および第２回転フレーム７１、７２のそれぞれの回転変位量が等しくなる。したがって、図３に示す振動フレーム２２の全域の変位量が等しくなる。このため、超音波センサ１０の音圧分布の誤差を抑制することができる。
【００５２】
また本実施の形態において好ましくは、第１および第２ねじれ軸Ｔ１、Ｔ２が互いに平行である。すなわち、第１および第２駆動リンク梁３１、３２は互いに平行に配置され、かつ第１および第２駆動リンク梁３１、３２は互いに平行に配置されている。これにより、第１および第２回転フレーム７１、７２のそれぞれの回転変位量が等しくなる。したがって、図３に示す振動フレーム２２の全域の変位量が等しくなる。このため、超音波センサ１０の音圧分布の誤差を抑制することができる。
【００５３】
また本実施の形態において好ましくは、第１ねじれ軸Ｔ１と第１駆動リンク梁３１との間のオフセットｅ１１は、第１ねじれ軸Ｔ１と第１振動リンク梁４１との間のオフセットｅ１２よりも小さく、かつ第２ねじれ軸Ｔ２と第２駆動リンク梁３２との間のオフセットｅ２１は、第２ねじれ軸Ｔ２と第２振動リンク梁４２との間のオフセットｅ２２よりも小さい。これにより、駆動フレーム２１の振動を微小に保ったまま、振動フレーム２２の振動を大きくすることができる構成を実現できる。したがって、大音圧であっても、高精度に超音波を発生することが可能な超音波センサ１０を実現することができる。
【００５４】
なお、本実施の形態の駆動電極５と検出電極６とを逆に配置しても良い。大きな音圧を得るためには振動膜の面積が大きい方が良い。この構成にすると、振動膜としての駆動フレーム２１を大きくすることができるので、第１および第２アンカー９１、９２の距離を近づけることができる。このため、基板１の反りの影響などを低減することができ、超音波センサ１０の温度依存性を抑制することができる。
【００５５】
（実施の形態２）
図９は、本発明の実施の形態２における超音波センサの構成を概略的に示す上面図である。
【００５６】
図９に示すように、本実施の形態における超音波センサ２０の構成は、実施の形態１の構成に追加して、第３および第４ねじれ梁１３、１４、第３および第４駆動リンク梁３３、３４、第３および第４振動リンク梁４３、４４、第３および第４回転フレーム７３、７４、第３および第４アンカー９３、９４を実施の形態１のそれぞれの構成に対して９０度回転して配置している。
【００５７】
なお、本実施の形態のこれ以外の構成は上述した実施の形態１の構成と同様であるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００５８】
以上より本実施の形態によれば、超音波センサ２０は、第１および第２回転フレーム７１、７２と、第１および第２ねじれ梁１１、１２と、第１および第２駆動リンク梁３１、３２と、第１および第２振動リンク梁４１、４２とを９０度回転させた第３および第４回転フレーム７３、７４と、第３および第４ねじれ梁１３、１４と、第３および第４駆動リンク梁３３、３４と、第３および第４振動リンク梁４３、４４とをさらに備えている。
【００５９】
これにより、振動フレーム２２の回転を効果的に抑えることができるため、振動フレーム２２の振動を安定して板厚方向に平行振動することができる。したがって、音波をさらに効率良く発生することができる超音波センサ１０を実現できる。
【００６０】
（実施の形態３）
図１０は、本発明の実施の形態３における超音波センサの構成を概略的に示す断面図である。
【００６１】
図１０に示すように、本実施の形態における超音波センサ３０の構成は、実施の形態１の構成に追加して、駆動電極５２を駆動フレーム２１を挟んで駆動電極５に対称になるように基板８の上に配置する。基板８はガラスなどの絶縁基板が望ましいが、基板１のようにシリコンを用いた場合は同様に絶縁膜３を付けて駆動電極５２を配置しても良い。
【００６２】
なお、本実施の形態のこれ以外の構成は上述した実施の形態１の構成と同様であるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００６３】
以上より本実施の形態によれば、超音波センサ３０は、駆動フレーム２１に対して駆動電極５と対称になるように配置された駆動電極５２をさらに備えている。
【００６４】
静電力は引張力しかないために、片側電極のみで駆動していた場合は構造体は全体的に沈み込んでいたが、本実施の形態における超音波センサ２０では、駆動電極５、５２の両側から位相を１８０度ずらした電圧を印加することで、プッシュプル駆動となり構造体を中央に保つことができる。
【００６５】
（実施の形態４）
図１１は、本発明の実施の形態４における超音波センサの構成を概略的に示す上面図である。図１１においては図を見易くするために第１および第２アンカー９１、９２、第１および第２回転フレーム７１、７２、第１および第２ねじれ梁１１、１２、第１および第２駆動リンク梁３１、３２、第１および第２振動リンク梁４１、４２は図示されていない。
【００６６】
図１１に示すように、本実施の形態における超音波センサ４０の構成は、図１および図２に示す実施の形態１の超音波センサ１０をアレイ状に並べたものである。超音波センサ１０の配置個数は任意である。駆動フレーム２１は一体化して１つである。
【００６７】
なお、本実施の形態のこれ以外の構成は上述した実施の形態１の構成と同様であるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００６８】
以上より本実施の形態によれば、超音波センサ４０は、第１および第２ねじれ梁１１、１２と、第１および第２回転フレーム７１、７２と、第１および第２駆動リンク梁３１、３２と、駆動フレーム２１と、駆動電極５と、第１および第２振動リンク梁４１、４２と、振動フレーム２２と、検出電極６とを含む、複数のセンサ単位が基板１上にアレイ状に配置され、複数のセンサ単位の駆動フレーム２１が一体化されている。
【００６９】
駆動フレーム２１は１つであるため、全ての振動フレーム２２の位相を同一にして振動することが可能となる。これは全ての振動フレーム２２が１つの振動膜として振動することと同意であり、振動フレーム２２を大きくすることなく、また大きな振動膜を形成することなく大音圧を得ることができる。このため、１つの振動フレーム２２を大きくする必要がないため、膜の反りや、振動時の膜中央と膜端部での変位量が異なることなどの超音波センサ４０の測定の誤差に繋がる影響を抑制することができる。
【００７０】
さらに、各振動フレーム２２間の距離ｄ（図１１参照）の大きさにより音波に指向性を持たせることができる。たとえば、振動フレーム２２が２個の場合は距離ｄ＝λ／２（λ：波長）以上で音圧が０となる角度が存在する。振動フレーム２２の配置は図１１のような矩形状だけでなく、直線状、円形状、ハニカム状などでも良い。
【００７１】
以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、各実施の形態の特徴を適宜組み合わせることも当初から予定している。また、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は、静電容量型の超音波センサに特に有利に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施の形態１における超音波センサの構成を概略的に示す上面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う概略的な断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１における超音波センサに対して電圧が加えられた際の基板の膜厚方向に沿って変位した様子を概略的に示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１における超音波センサの製造方法の第１工程を示す概略的な断面図であり、その断面位置は図２の断面位置に対応する。
【図５】本発明の実施の形態１における超音波センサの製造方法の第２工程を示す概略的な断面図であり、その断面位置は図２の断面位置に対応する。
【図６】本発明の実施の形態１における超音波センサの製造方法の第３工程を示す概略的な断面図であり、その断面位置は図２の断面位置に対応する。
【図７】本発明の実施の形態１における超音波センサの製造方法の第４工程を示す概略的な断面図であり、その断面位置は図２の断面位置に対応する。
【図８】本発明の実施の形態１における超音波センサの製造方法の第５工程を示す概略的な断面図であり、その断面位置は図２の断面位置に対応する。
【図９】本発明の実施の形態２における超音波センサの構成を概略的に示す上面図である。
【図１０】本発明の実施の形態３における超音波センサの構成を概略的に示す断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態４における超音波センサの構成を概略的に示す上面図である。
【符号の説明】
【００７４】
１，８  基板、３  絶縁部、５，５２  駆動電極、６  検出電極、１０，２０，３０，４０  超音波センサ、１１  第１ねじれ梁、１２  第２ねじれ梁、１３  第３ねじれ梁、１４  第４ねじれ梁、２１  駆動フレーム、２２  振動フレーム、３１  第１駆動リンク梁、３２  駆動リンク梁、３３  第３駆動リンク梁、３４  第４駆動リンク梁、４１  第１振動リンク梁、４２  第２振動リンク梁、４３  第３振動リンク梁、４４  第４振動リンク梁、７１  第１回転フレーム、７２  第２回転フレーム、７３  第３回転フレーム、７４  第４回転フレーム、９１  第１アンカー、９２  第２アンカー、９３  第３アンカー、１０１  ＰＳＧ膜、１０２  ポリシリコン膜。
【図１】
2010139265.tif 000003
【図２】
2010139265.tif 000004
【図３】
2010139265.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010139265.tif 000009
【図８】
2010139265.tif 000010
【図９】
2010139265.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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