(57)【要約】【課題】検知精度を高めることが可能な非接触センサー用駆動装置および非接触センサーを提供する。【解決手段】複数の空部（２０）が形成された基板（１８）と、空部の一部を区画する可撓面（２４）と、空部に対応して可撓面に設けられた圧電素子（５）と、を備える非接触センサー用駆動装置であって、複第１圧電素子に印加する第１駆動信号（ＶＤＲ）と、第１圧電素子とは異なる第２圧電素子に印加する第２駆動信号（ＶＡＤ）を発生する信号発生回路を備え、第１駆動信号は、測定対象に向けて音波を発信させるため第１圧電素子およびこれに対応する可撓面からなる第１振動部を振動させる信号であり、第２駆動信号は、少なくとも第１振動部の振動期間において第２圧電素子およびこれに対応する可撓面からなる第２振動部を変形させた状態とする信号であることを特徴とする。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の空部が形成された基板と、
前記基板における前記空部の一部を区画する可撓面と、
前記空部に対応して前記可撓面を挟んで反対側に設けられた圧電素子と、
を備える非接触センサーを駆動する非接触センサー用駆動装置であって、
複数の前記空部にそれぞれ対応する複数の前記圧電素子のうちの第１圧電素子に印加する第１駆動信号と、前記複数の圧電素子のうち前記第１圧電素子とは異なる第２圧電素子に印加する第２駆動信号を発生する信号発生回路を備え、
前記第１駆動信号は、測定対象に向けて音波を発信させるため前記第１圧電素子およびこれに対応する前記可撓面からなる第１振動部を振動させる信号であり、
前記第２駆動信号は、少なくとも前記第１振動部の振動期間において前記第２圧電素子およびこれに対応する前記可撓面からなる第２振動部を変形させた状態とする信号であることを特徴とする非接触センサー用駆動装置。
【請求項２】
前記第２駆動信号は、前記第２振動部を変形させた状態とすることで、前記第１振動部の振動時の振動周期を、当該第１振動部の単独での振動時の振動周期から変化させることを特徴とする請求項１に記載の非接触センサー用駆動装置。
【請求項３】
前記第１駆動信号は、時間に応じて変化する電圧波形を有し、
前記第２駆動信号は、少なくとも前記第１振動部の振動期間において一定の電圧を維持することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の非接触センサー用駆動装置。
【請求項４】
複数の空部が形成された基板と、
前記基板における前記空部の一部を区画する可撓面と、
前記空部に対応して前記可撓面を挟んで反対側に設けられた圧電素子と、
を備える非接触センサーを駆動する非接触センサー用駆動装置であって、
複数の前記空部にそれぞれ対応する複数の前記圧電素子のうち、測定対象に向けて発信された音波の反射波を受信する第１圧電素子とは異なる第２圧電素子に印加する駆動信号を発生する信号発生回路を備え、
前記駆動信号は、少なくとも前記第１圧電素子およびこれに対応する前記可撓面からなる第１振動部の前記反射波の受信による振動期間において前記第２圧電素子およびこれに対応する前記可撓面からなる第２振動部を変形させた状態とすることを特徴とする非接触センサー用駆動装置。
【請求項５】
前記駆動信号は、前記第２振動部を変形させた状態とすることで、前記第１振動部における受信時の振動周期を、当該第１振動部の単独での受信時の振動周期から変化させることを特徴とする請求項４に記載の非接触センサー用駆動装置。
【請求項６】
前記駆動信号は、少なくとも前記第１振動部の振動期間において一定の電圧を維持することを特徴とする請求項４または請求項５に記載の非接触センサー用駆動装置。
【請求項７】
前記第１振動部と前記第２振動部とは、前記空部を区画する壁を１つ隔てて互いに隣接していることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載の非接触センサー用駆動装置。
【請求項８】
前記第１振動部は、音波の発信と反射波の受信とを、時間を異ならせて交互に行うことを特徴とする請求項１から請求項７の何れか一項に記載の非接触センサー用駆動装置。
【請求項９】
請求項１から請求項８の何れか一項に記載の非接触センサー用駆動装置により駆動されることを特徴とする非接触センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触センサー用駆動装置、および、非接触センサーに関し、特に、圧電素子の振動により音波の発信および受信を行う非接触センサー用駆動装置、および、非接触センサーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
測定対象に向けて超音波を送信し、測定対象における音響インピーダンスの異なる界面からの反射波を受信する非接触センサーとしては、例えば、人体の内部を検査するための超音波センサーに応用されたものが知られている。このような超音波センサーとして、特許文献１には、圧電素子をマトリックスアレイ状に配列し、各圧電素子から超音波を発信し、測定対象からの反射波を圧電素子で受信することにより、測定対象までの距離（位置）や測定対象の形状等の検知を行うものが開示されている。この特許文献１の音波センサーは、開口部（空部）が形成された基板等の複数の部材が接着剤により接合されて構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１０２７７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記超音波センサーでは、製造ばらつきにより開口部と圧電素子の位置関係や各部の寸法が目標値と異なったり、基板間を接合している接着剤が開口部にはみ出して当該開口部を区画する可撓面に付着したりすることにより、圧電素子およびこれに対応する可撓面からなる振動部の振動周期が、設計上の目標値と異なる場合があった。その結果、検知精度が低下するおそれがあった。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、検知精度を高めることが可能な非接触センサー用駆動装置および非接触センサーを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の非接触センサー用駆動装置は、上記目的を達成するために提案されたものであり、複数の空部が形成された基板と、
前記基板における前記空部の一部を区画する可撓面と、
前記空部に対応して前記可撓面を挟んで反対側に設けられた圧電素子と、
を備える非接触センサーを駆動する非接触センサー用駆動装置であって、
複数の前記空部にそれぞれ対応する複数の前記圧電素子のうちの第１圧電素子に印加する第１駆動信号と、前記複数の圧電素子のうち前記第１圧電素子とは異なる第２圧電素子に印加する第２駆動信号を発生する信号発生回路を備え、
前記第１駆動信号は、測定対象に向けて音波を発信させるため前記第１圧電素子およびこれに対応する前記可撓面からなる第１振動部を振動させる信号であり、
前記第２駆動信号は、少なくとも前記第１振動部の振動期間において前記第２圧電素子およびこれに対応する前記可撓面からなる第２振動部を変形させた状態とする信号であることを特徴とする。
【０００７】
上記構成において、前記第２駆動信号は、前記第２振動部を変形させた状態とすることで、前記第１振動部の振動時の振動周期を、当該第１振動部の単独での振動時の振動周期から変化させる構成を採用することが望ましい。
【０００８】
本発明によれば、第１振動部の振動期間において第２振動部を変形させた状態とすることにより第１振動部の可撓面に付与される張力を変化させることができるので、第１振動部の振動周期を変化させることができる。したがって、例えば製造ばらつき等により、各第１振動部の固有の振動周期が設計上の目標値から異なる場合に、目標値に近づくように第２振動部により調整（補正）することが可能となる。
【０００９】
また、第１振動部の可撓面に付与される張力を変化させることにより、当該第１振動部の音響インピーダンスを変化させることができる。このため、第１振動部から発信される音波の進路に測定対象以外の媒質が存在する場合においても、当該媒質を透過させて測定対象に音波をより確実に到達させることができるように第２振動部により調整することが可能となる。
【００１０】
また、上記構成において、前記第１駆動信号は、時間に応じて変化する電圧波形を有し、
前記第２駆動信号は、少なくとも前記第１振動部の振動期間において一定の電圧を維持することが望ましい。
【００１１】
これによれば、第１振動部が振動している期間において第２振動部は振動することなく一定の形状が維持されるので、第１振動部の振動に第２振動部の振動が重畳して悪影響を及ぼすことが抑制される。
【００１２】
また、本発明の非接触センサー用駆動装置は、複数の空部が形成された基板と、
前記基板における前記空部の一部を区画する可撓面と、
前記空部に対応して前記可撓面を挟んで反対側に設けられた圧電素子と、
を備える非接触センサーを駆動する非接触センサー用駆動装置であって、
複数の前記空部にそれぞれ対応する複数の前記圧電素子のうち、測定対象に向けて発信された音波の反射波を受信する第１圧電素子とは異なる第２圧電素子に印加する駆動信号を発生する信号発生回路を備え、
前記駆動信号は、少なくとも前記第１圧電素子およびこれに対応する前記可撓面からなる第１振動部の前記反射波の受信による振動期間において前記第２圧電素子およびこれに対応する前記可撓面からなる第２振動部を変形させた状態とすることを特徴とする。
【００１３】
上記構成において、前記駆動信号は、前記第２振動部を変形させた状態とすることで、前記第１振動部における受信時の振動周期を、当該第１振動部の単独での受信時の振動周期から変化させることが望ましい。
【００１４】
本発明によれば、第１振動部の振動期間において第２振動部を変形させた状態とすることにより第１振動部の可撓面に付与される張力を変化させることができるので、第１振動部の振動周期を変化させることができる。したがって、測定対象からの反射波の受信時において、当該反射波に第１振動部がより共振するような振動周期に調整することにより、検知精度を高めることが可能となる。
【００１５】
また、上記構成において、前記駆動信号は、少なくとも前記第１振動部の振動期間において一定の電圧を維持することが望ましい。
【００１６】
これによれば、第１振動部が振動している期間において第２振動部は振動することなく一定の形状が維持されるので、第１振動部の振動に第２振動部の振動が重畳して悪影響を及ぼすことが抑制される。
【００１７】
また、上記各構成において、前記第１振動部と前記第２振動部とは、前記空部を区画する壁を１つ隔てて互いに隣接している構成を採用することが望ましい。
【００１８】
これによれば、第２振動部の変形による第１振動部の可撓面に付与される張力をより効率よく変化させることができる。
【００１９】
また、上記各構成において、前記第１振動部は、音波の発信と反射波の受信とを、時間を異ならせて交互に行う構成を採用することができる。
【００２０】
そして、本発明の非接触センサーは、上記何れかの構成の非接触センサー用駆動装置により駆動されることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】非接触センサーの一形態である超音波センサーの構成を説明する平面図である。
【図２】超音波センサーの行方向における断面図である。
【図３】非接触センサー用駆動装置の一形態である駆動装置の構成を説明するブロック図である。
【図４】駆動信号および調整信号の例を説明する波形図である。
【図５】駆動信号および調整信号の例を説明する波形図である。
【図６】駆動信号および調整信号の例を説明する波形図である。
【図７】超音波センサーの動作を説明する模式図である。
【図８】超音波センサーの動作を説明する模式図である。
【図９】超音波センサーの動作を説明する模式図である。
【図１０】調整用振動部に印加される調整電圧と検知用振動部の振動周期との関係を示すグラフである
【図１１】調整用振動部に印加される調整電圧と検知用振動部の音響インピーダンスの変化率との関係を示すグラフである。
【図１２】第２の実施形態における超音波センサーの動作を説明する模式図である。
【図１３】第３の実施形態における超音波センサーの動作を説明する模式図である。
【図１４】第４の実施形態における超音波センサーの動作を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下に述べる実施の形態では、本発明の好適な具体例として種々の限定がされているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
【００２３】
図１は本実施形態に係る超音波センサー１（非接触センサーの一種）の一例を示す平面図であり、図２は超音波センサー１の行方向（後述）における断面図である。例示した超音波センサー１は、表面（図１に示される面）から超音波（音波の一種）を測定対象に向けて発信するとともに、測定対象からの超音波の反射波を受信することにより、測定対象までの距離や測定対象の形状等の検知を行う。本実施形態における超音波センサー１は、基体２に素子アレイ３が形成されて構成されている。素子アレイ３は、圧電素子５（超音波トランデューサー）の配列で構成されている。配列は複数行・複数列のマトリクス状に形成されている。図２に示されるように、圧電素子５は上部電極６、下部電極７および圧電体膜８で構成され、上部電極６および下部電極７の間に圧電体膜８が挟み込まれている。
【００２４】
図１に示されるように、基体２の表面には、行方向（図中横方向）に延びる第１導電体１０が列方向（図中縦方向）に複数並設されている。１行の圧電素子５群ごとに１本の第１導電体１０が割り当てられている。各第１導電体１０は、行方向に並ぶ各圧電素子５の圧電体膜８に共通に接続されて上部電極６を形成している。各第１導電体１０の両端は、基体２の行方向における一方と他方にそれぞれ設けられた１対の共通配線１１にそれぞれ接続されている。両側の共通配線１１は列方向（図中縦方向）に相互に平行に延設されている。このように、マトリクス全体の圧電素子５に共通に上部電極６は接続されている。各列の圧電素子５の上部電極６として機能する第１導電体１０は、共通電極線としても機能する。
【００２５】
また、基体２の表面には、列方向に延びる第２導電体１２が行方向に複数並設されている。１列の圧電素子５群ごとに１本の第２導電体１２が割り当てられている。各第２導電体１２は、列方向に並ぶ圧電素子５の圧電体膜８にそれぞれ接続されて下部電極１２を形成している。そして、第２導電体１２を通じて列ごとに圧電素子５の通電が切り替えられる。本実施形態において、同一列の圧電素子５は超音波を同時に発信することから、１列の個数すなわち配列の行数は超音波の出力レベルに応じて決定されている。各列の圧電素子５の下部電極１２として機能する第２導電体１２は、駆動電極線としても機能する。以下においては、圧電素子５の列数をｎ（ｎは２以上の整数）として、各圧電素子５の列に対応する駆動電極線をＤＬ１〜ＤＬｎとして表す（図３参照）。
【００２６】
素子アレイ３における行数は例えば１０〜１５行程度に設定されている。図１では図示の便宜上５行とされている。配列の列数は、例えば検知範囲（スキャン範囲）に応じて決定される。より具体的には、列数は、例えば１２８列や２５６列に設定される。図１では図示の便宜上８列とされている。なお、素子アレイ３の配列に関し、例えば、隣り合う列の圧電素子５の列方向の位置が互い違いとなるような構成を採用することもできる。この場合、偶数列の圧電素子５群は、奇数列の圧電素子５群に対して行ピッチの２分の１で列方向にずらされて配置される構成とすることができる。また、上部電極６および下部電極７の機能は入れ替えられてもよい。すなわち、マトリクス全体の圧電素子５に共通に下部電極が接続される一方で、配列の列ごとに共通に圧電素子５に上部電極が接続されてもよい。
【００２７】
基体２において、圧電素子５の列方向における一端側と他端側であって、素子アレイ３から外れた位置に、それぞれ第１端子アレイ１４ａおよび第２端子アレイ１４ｂが形成されている。各端子アレイ１４ａ，１４ｂは、それぞれ、行方向の両側に配置された１対の共通電極端子１５と、両側の共通電極端子１５の間に配置された複数の個別電極端子１６とで構成されている。１本の共通配線１１の両端にそれぞれ共通電極端子１５が接続されている。また、１本の第２導電体１２の両端にそれぞれ個別電極端子１６は接続されている。各端子アレイ１４ａ，１４ｂには、一端が駆動装置３０と接続された図示しないフレキシブル配線基板が電気的に接続される。当該フレキシブル配線基板を通じて駆動装置３０と超音波センサー１との間で後述するように駆動信号ＶＤＲまたは調整用駆動信号ＶＡ、および受信信号ＶＲの送受信が行われる。
【００２８】
図２に示されるように、基体２は、基板１８および可撓膜１９を互いに積層した状態で備えている。より具体的には、基板１８の一方の面に可撓膜１９が一面に形成される。この基板１８には、個々の圧電素子５ごとに対応して複数の空部２０が隔壁２１により区画形成されている。すなわち、空部２０は、基板１８に対してアレイ状に配置されており、隣接する２つの空部２０の間には隔壁２１が配置されている。
【００２９】
可撓膜１９は、基板１８の表面に積層される酸化シリコン（ＳｉＯ２）層２２と、酸化シリコン層２２の表面に積層される酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）層２３とで構成される。可撓膜１９の一部は空部２０に臨む。すなわち、可撓膜１９における空部２０の上部開口に対応する部分が、可撓面２４として機能する。可撓面２４は、可撓膜１９のうち、空部２０に臨むことから基板１８の厚み方向に振動（変位）することができる部分である。酸化シリコン層２２の膜厚は共振周波数に基づき決定される。
【００３０】
可撓面２４の表面（空部２０側の面とは反対側の面）に第２導電体１２、圧電体膜８および第１導電体１０が順番に積層されて圧電素子５が形成されている。第２導電体１２には、例えばチタン（Ｔｉ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）およびチタン（Ｔｉ）の積層膜が用いられる。圧電体膜８は、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）で構成されている。そして、第１導電体１０は、例えばイリジウム（Ｉｒ）で形成されている。第１導電体１０および第２導電体１２にはその他の導電材が利用されてもよく、圧電体膜８にはその他の圧電材料が用いられてもよい。本実施形態における圧電体膜８は、第２導電体１２を覆うように形成されている。これにより、第１導電体１０と第２導電体１２とは、互いに電気的に絶縁されている。
【００３１】
基体２の裏面（可撓膜１９側とは反対側の面）には、補強板２７が接着剤等により接合されている。補強板２７は超音波センサー１の裏面で空部２０を閉じている。この補強板２７としては、例えばシリコン基板を用いることができる。この基体２の板厚は例えば１００μｍ程度に設定され、補強板２７の板厚は例えば１００〜１５０μｍ程度に設定されている。
【００３２】
上記超音波センサー１において、超音波を発信する発信期間（振動期間）には、駆動装置３０が出力する駆動信号ＶＤＲまたは調整用駆動信号ＶＡ（いずれも後述）が個別電極端子１６および第２導電体１２を介して各圧電素子５に供給（印加）される。また、超音波の反射波（エコー）を受信する受信期間（振動期間）には、圧電素子５からの受信信号ＶＲが第２導電体１２および個別電極端子１６を介して出力される。また、共通電極端子１５には、共通電圧ＶＣＯＭが供給される。この共通電圧ＶＣＯＭは一定の直流電圧であればよく、０Ｖ即ちグランド電位（接地電位）でなくてもよい。駆動信号ＶＤＲと共通電圧ＶＣＯＭとの差の電圧が各圧電素子５に印加されると、当該圧電素子５からは所定の周波数の超音波が発信される。また、各列の圧電素子５に対し、同一の駆動信号ＶＤＲが供給されることで、全圧電素子５からそれぞれ放射される超音波が合成されて、超音波センサー１の素子アレイ面に垂直な方向に放射される超音波が形成される。また、本実施形態においては、所定の列の圧電素子５に駆動信号ＶＤＲ（本発明における第１駆動信号の一種）が供給されて当該圧電素子５（本発明における第１圧電素子に相当）から超音波が発信される際に、当該圧電素子５が属する列とは異なる列の圧電素子５（本発明における第２圧電素子に相当）に調整信号ＶＡＤ（本発明における第２駆動信号または駆動信号の一種）が供給されることにより、超音波を発信および受信する際の圧電素子５の振動周期、感度等を任意に調整することができるように構成されている。以下、この点について説明する。
【００３３】
図３は、本実施形態における駆動装置３０（本発明における非接触センサー用駆動装置の一種）の電気的な構成の一例を示すブロック図である。本実施形態における駆動装置３０は、送信回路３１（本発明における信号発生回路の一種）、制御部３２、スイッチ部３３、および受信回路３４を含む。送信回路３１は、超音波センサー１の第２導電体１２からなる第１〜第ｎの駆動電極線ＤＬ１〜ＤＬｎに対して第１〜第ｎの駆動信号ＶＤＲ１〜ＶＤＲｎ、または、第１〜第ｎの調整信号ＶＡＤ１〜ＶＡＤｎを出力する。なお、駆動信号ＶＤＲと調整信号ＶＡＤの詳細については後述する。
【００３４】
制御部３２は、送信回路３１、スイッチ部３３、および受信回路３４を制御する。具体的には、制御部３２は、送信回路３１が出力する駆動信号ＶＤＲ１〜ＶＤＲｎの位相差（タイミング）及び電圧振幅を制御する。また、スイッチ部３３が行う駆動信号と受信信号との切り換えを制御する。スイッチ部３３は、スイッチ回路ＳＷ１〜ＳＷｎを含み、駆動信号と受信信号との切り換えを行う。例えば、スイッチ回路ＳＷ１は、発信期間には送信回路３１からの駆動信号ＶＤＲ１を超音波センサー１の駆動電極線ＤＬ１に対して出力し、受信期間には駆動電極線ＤＬ１からの受信信号ＶＲ１〜ＶＲｎを受信回路３４に対して出力する。受信回路３４は、受信信号ＶＲの増幅やＡ／Ｄ変換などの処理を行い、検知データ（検知情報）として制御部３２に出力する。
【００３５】
図４から図６は、駆動信号ＶＤＲおよび調整信号ＶＡＤの例を説明する波形図である。本実施形態における駆動信号ＶＤＲは、時間に応じて電圧が変化する矩形波の駆動信号であって、半波の矩形波Ｐｄ１（図４）、１波の矩形波Ｐｄ２（図５）、および１．５波の矩形波Ｐｄ３（図６）が何れかが採用される。また、各図においては、各矩形波Ｐｄ１〜Ｐｄ３（ＶＤＲ）と調整信号ＶＡＤ（図中、太線）との関係が示されている。図４に示される矩形波Ｐｄ１は、基準電位ＶＢから当該基準電位ＶＢより高い最大電位ＶＨに変化した後、基準電位ＶＢに戻る矩形波である。また、図５に示される矩形波Ｐｄ２は、基準電位ＶＢから最大電位ＶＨに変化し、続いて当該最大電位ＶＨから基準電位ＶＢよりも低い最低電位ＶＬまで変化した後、基準電位ＶＢに戻る矩形波である。さらに、図６に示される矩形波Ｐｄ３は、基準電位ＶＢから最大電位ＶＨおよび最低電位ＶＬまで順次変化した後、最大電位ＶＨまで再度変化してから基準電位ＶＢに戻る矩形波である。このように駆動信号ＶＤＲ１〜ＶＤＲｎとして、ｋ（ｋは０．５の自然数倍、即ち、ｋ＝０．５、１、１．５、２、・・・）波の矩形波を用いることができる。なお、矩形波に限らず、同様にｋ波の正弦波を用いることも可能である。
【００３６】
本実施形態における調整信号ＶＡＤは、直流電圧である調整電圧Ｖｖを有し、当該調整電圧Ｖｖの値を変化させることにより、超音波の発信または反射波の受信の少なくとも何れか一方を行う圧電素子５（以下、適宜、検知用振動部という）の振動周期（共振周波数）等を任意に調整することができるように構成されている。また、本実施形態における調整信号ＶＡＤは、圧電素子５の振動を励起させない程度の電位変化率で基準電位ＶＢから調整電圧Ｖｖまで電位が変化する変化要素ｐ１、調整電圧Ｖｖで一定な要素、および、調整電圧Ｖｖから基準電位ＶＢまで電位が変化する変化要素ｐ２を有している。変化要素ｐ１は、駆動信号ＶＤＲの矩形波Ｐｄ１〜ｐｄ３が発生される前に発生され、超音波の発信を行う検知用振動部（本発明における第１振動部に相当）に矩形波Ｐｄ１〜Ｐｄ３が印加される前までに基準電位ＶＢから調整電圧Ｖｖまでの変化が完了する。また、変化要素ｐ２は、駆動信号ＶＤＲの矩形波Ｐｄ１〜ｐｄ３の後に発生され、反射波の受信を行う検知用振動部による当該受信が完了した後に、調整電圧Ｖｖから基準電位ＶＢまでの変化が開始されるように構成されている。これにより、検知用振動部に意図しない振動が重畳して検知に悪影響を及ぼすことが抑制される。すなわち、調整信号ＶＡＤは、少なくとも検知用振動部の振動期間において一定の電圧（調整電圧Ｖｖ）を調整用振動部に継続して印加することにより当該調整用振動部を変形させた状態とする信号である。なお、調整信号ＶＡＤ（調整電圧Ｖｖ）は必ずしも一定である必要はなく、わずかに振動させたり、緩やかな傾きを持たせたりした波形でも良い（例えば、駆動信号ＶＤＲと異なる波形であって、かつ、調整用振動部が変形されるような波形であればよい。）。また、調整信号ＶＡＤは、変化要素ｐ１，ｐ２を必ずしも有している必要はなく、調整電圧Ｖｖのみから構成されてもよい。
【００３７】
図７から図９は、超音波センサー１の動作を説明する模式図であり、行方向の断面図である。ここで、各図において示されている隣接する３つの圧電素子５ａ〜５ｃのうち、中央に位置する圧電素子５ａが、超音波を発信し及び測定対象からの反射波を受信する検知用圧電素子（本発明における第１圧電素子に相当）であり、当該検知用圧電素子とこれに対応する可撓面２４が、検知用振動部（本発明における第１振動部に相当）である。また、この圧電素子５ａに対して両側の隔壁２１を１枚挟んでそれぞれ隣り合う圧電素子５ｂおよび５ｃが、圧電素子５の発信時および受信時の振動周期等を調整する調整用圧電素子（本発明における第２圧電素子に相当）であり、当該調整用圧電素子とこれに対応する可撓面２４が、調整用振動部（本発明における第２振動部に相当）である。本実施形態においては、圧電素子５ａが属する列の圧電素子５群および対応する可撓面２４が検知用振動部として機能し、その両隣の圧電素子５ｂ，５ｃがそれぞれ属する列の圧電素子５群および対応する可撓面２４が調整用振動部として機能する。
【００３８】
図７は、検知用振動部である圧電素子５ａおよび調整用振動部である圧電素子５ｂ，５ｃにそれぞれ基準電位ＶＢが継続的に印加された状態、より詳しくは、圧電素子５ａに駆動信号ＶＤＲの基準電位ＶＢが印加され、圧電素子５ｂ，５ｃに調整信号ＶＡＤの基準電位ＶＢが印加された状態、つまり初期状態を示している。この初期状態において各圧電素子５は厳密にはある程度撓んだ状態となるが、便宜上、フラットな状態（基板１８の表面に平行な状態）として図示されている。このフラットな状態では、それぞれの可撓面２４には、それぞれの振動部の自重以外に張力が付与されていない。次に、調整信号ＶＡＤの変化要素ｐ１が圧電素子５ｂ，５ｃにそれぞれ印加され、基準電位ＶＢから調整電圧Ｖｖまで変化する。これにより、図８に示されるように、調整用振動部（圧電素子５ｂ，５ｃおよびそれぞれの可撓面２４）の幅方向中央部が空部２０の内側（補強板２７側）に撓む（図８中、白抜きの矢印の方向）。このように、調整信号ＶＡＤの調整電圧Ｖｖが圧電素子５ｂ，５ｃに継続的に印加されて、当該圧電素子５ｂ，５ｃおよびそれぞれ対応する可撓面２４が撓んだ状態が形成されることにより、圧電素子５ａ（検知用振動部）に対応する空部２０を区画している両側の隔壁２１が外側（両隣の空部２０側）にそれぞれ引張される。これにより、図８において黒矢印で示されるように、圧電素子５ａに対応する可撓面２４が両側から引張され、当該可撓面２４に対して張力（テンション）が付与される。この状態で、図９に示されるように、圧電素子５ａに駆動信号ＶＤＲの矩形波が印加されて、当該矩形波に応じて検知用振動部が振動することにより、超音波センサー１の表面（図９において上側の面）から測定対象（例えば人体の内部）に向けて超音波が発信される。また、超音波が発信された後、測定対象から反射されてきた反射波が検知用振動部である圧電素子５ａに入力されると、これに応じて当該検知用振動部が振動することにより起電力が生じる。この起電力は受信信号ＶＲとして駆動装置３０の受信回路３４に出力される。圧電素子５ａの送信と受信の切り替えは、上述したように、スイッチ部３３により制御される。このように、本実施形態において、検知用振動部として機能する圧電素子群は、音波の発信と反射波の受信とを、時間を異ならせて交互に行う。
【００３９】
図１０は、調整用振動部の圧電素子５に印加される調整電圧Ｖｖ（横軸）と検知用振動部の振動周期（縦軸）との関係を示すグラフである。上記のように、検知用振動部による超音波の発信時の振動期間において可撓面２４にテンションが付与されることにより、検知用振動部の可撓面２４の硬さ（コンプライアンスＣ〔ｍｍ／Ｎ〕）が、単独で駆動された場合の検知用振動部の可撓面２４の本来の硬さよりも硬くなる。検知用振動部の振動周期は、コンプライアンスＣに応じて変化する。つまり、検知用振動部の可撓面２４の硬さの変化により、検知用振動部の振動周期が変化する。より具体的には、図１０に示されるように、調整信号ＶＡＤの調整電圧Ｖｖをより高くするほど、可撓面２４に付与されるテンションが大きくなってコンプライアンスＣが小さくなるので、検知用振動部の振動周期がより短くなる。また、調整信号ＶＡＤの調整電圧Ｖｖをより低くするほど（本実施形態においては、基準電位ＶＢにより近づけるほど）、可撓面２４に付与されるテンションが小さくなってコンプライアンスＣが大きくなるので、検知用振動部の振動周期がより長くなる。したがって、製造ばらつき等により、各圧電素子５およびそれぞれ対応する可撓面２４からなる振動部が持つ固有の振動周期が、設計上の目標値から異なる場合に、目標値に近づくように調整用振動部により調整（補正）することが可能となる。本実施形態においては、検知用振動部と調整用振動部とは、隔壁２１を１つ隔てて互いに隣接しているので、調整用振動部の変形による検知用振動部の可撓面２４に付与される張力を調整電圧Ｖｖの調整によってより効率よく変化させることができる。
【００４０】
本実施形態においては、基準電位ＶＢよりも調整電圧Ｖｖを高くすることで検知用振動部にテンションが付与される構成を例示したが、これには限られず、基準電位ＶＢよりも調整電圧Ｖｖを低くすることで検知用振動部にテンションが付与される構成を採用することも可能である。すなわち、この場合、調整電圧Ｖｖをより低くするほど、調整用振動部の幅方向中央部が空部２０の外側（補強板２７から離れる側）に撓む。これにより、検知用振動部にテンションが付与される。なお、検知用振動部の可撓面２４に付与されるテンションが最も小さくなるときの調整電圧Ｖｖの値は、必ずしも基準電位ＶＢに限られない。
【００４１】
図１１は、調整用振動部の圧電素子５に印加される調整電圧Ｖｖ（横軸）と検知用振動部の音響インピーダンスの変化率との関係を示すグラフである。調整用振動部が変形した状態とされて検知用振動部の可撓面２４にテンションが付与されることにより、検知用振動部の振動期間における音響インピーダンスを変化させることも可能である。ここで、例えば、測定対象が人体の臓器であって超音波センサー１から発信される超音波の進路に脂肪等の測定対象以外の媒質が存在する場合において、当該媒質を透過させて測定対象により確実に超音波を到達させる必要がある。この点に関し、測定対象に向けて超音波が発信された際、超音波の発信源である検知用振動部の音響インピーダンスと媒質の音響インピーダンスとが近い値であるほど、超音波は媒質で反射したり屈折したりすることなく透過していく。このため、超音波をより長い距離まで到達させる（伝播効率を高める）ためには、媒質の音響インピーダンスと、発信源の音響インピーダンスとができるだけ同じ値となるようにすることが望ましい。音響インピーダンスＺは、媒質の密度ρと音速ｃとにより、Ｚ＝ρ×ｃで表される。また、音速ｃは、密度ρと弾性率ｋとにより、ｃ＝√（ｋ／ρ）で表される。これを上記音響インピーダンスの式に代入すると、Ｚ＝√（ρ×ｋ）となる。つまり、音響インピーダンスの値を揃えるということは、検知用振動部の弾性率、すなわち硬さと媒質の弾性率とを揃えることに相関がある。したがって、調整用振動部に印加される調整電圧Ｖｖを変化させて検知用振動部の可撓面２４に付与されるテンションを変化させることで、検知用振動部の音響インピーダンスＺを変化させることも可能である。
【００４２】
図１１に示されるように、調整信号ＶＡＤの調整電圧Ｖｖをより高くするほど、可撓面２４に付与されるテンションが大きくなって当該可撓面２４がより硬くなるので、検知用振動部の音響インピーダンスＺがより大きくなる。また、調整信号ＶＡＤの調整電圧Ｖｖを低くするほど（本実施形態においては基準電位ＶＢにより近づけるほど）、可撓面２４に付与されるテンションが小さくなって当該可撓面２４が柔らかくなるので、検知用振動部の音響インピーダンスＺがより小さくなる。したがって、超音波センサー１から発信される超音波の進路に脂肪等の測定対象以外の媒質が存在する場合においても、当該媒質を透過させて測定対象により確実に超音波を到達させることができるように調整用振動部により調整することが可能となる。
【００４３】
また、調整用振動部に印加される信号は、上記調整信号ＶＡＤには限られず、例えば、検知用振動部に駆動信号ＶＤＲが印加されるタイミングと同じタイミングで同じ駆動信号ＶＤＲ（矩形波Ｐｄ）が調整用振動部に印加されることで、検知用振動部における送信時の振幅を増幅させることもできる。つまり、検知用振動部と調整用振動部とが同じように駆動されてそれぞれの振動が共振することにより、検知用振動部における振動の振幅が増幅される。これにより、検知精度をより向上させることもできる。
【００４４】
さらに、送信時に限られず、検知用振動部が測定対象からの反射を受信する際においても、上記と同様にして調整用振動部に印加される調整信号ＶＡＤの調整電圧Ｖｖを変化させて検知用振動部の振動周期を調整することにより、検知感度をより一層向上させることが可能となる。より具体的には、調整信号ＶＡＤの調整電圧Ｖｖが圧電素子５ｂ，５ｃに継続的に印加されて、当該圧電素子５ｂ，５ｃおよびそれぞれ対応する可撓面２４が撓んだ状態が形成されることにより、検知用振動部の可撓面２４に対してテンションが付与される。この状態で、反射波が検知用振動部である圧電素子５ａに入力される。このときに調整電圧Ｖｖによって反射波に検知用振動部がより共振するような振動周期に調整することにより、検知感度を高めることができる。
【００４５】
なお、本実施形態においては、検知用振動部である圧電素子５ａが発信と受信の両方を行う構成を例示したが、これには限られず、発信する圧電素子５と受信する圧電素子５とがそれぞれ異なってもよい。例えば、圧電素子５ａの発信時に調整用振動部として機能した圧電素子５ｂや圧電素子５ｃが、圧電素子５ａから発信された超音波の反射波を受信する検知用振動部として機能させるようにすることもできる。この場合、圧電素子５ａが調整用振動部として機能させる。また、例えば、奇数列の圧電素子５群と偶数列の圧電素子５群とで時間を異ならせて交互に検知用振動部および調整用振動部として機能させることも可能である。
【００４６】
図１２から図１４は本発明における他の実施形態について説明する図である。
上記第１の実施形態においては、検知用振動部である圧電素子５ａに対して隔壁２１を１つ挟んで隣り合う圧電素子５ｂ，５ｃが調整用振動部として機能する構成を例示したが、これには限られず、例えば、図１２に示される第２の実施形態のように、検知用振動部（圧電素子５ａ）と調整用振動部（圧電素子５ｄ，５ｅ）との間に検知および調整に係らない別の圧電素子５（圧電素子５ｂ，５ｃ）が配置されていてもよい。要するに、調整用振動部として駆動したときに検知用振動部にテンションが作用するような位置関係にある圧電素子５であれば、調整用振動部として機能させることが可能である。
【００４７】
また、図１３に示される第３の実施形態のように、１つの検知用振動部に対して３つ以上（３列以上）の圧電素子５ｂ〜５ｅが調整用振動部として機能する構成を採用することもできる。このように、より多くの調整用振動部が駆動することにより検知用振動部により大きなテンションを作用させることができる。これにより、検知用振動部の振動周期等の調整幅をより大きく確保することが可能となる。
【００４８】
さらに、図１４に示される第４の実施形態における圧電素子３９は、圧電体層と電極層（何れも図示せず）とを交互に積層した圧電板を櫛歯状に切り分けることで作製された積層型であって、積層方向（電界方向）に直交する方向に伸縮する電界横効果型の所謂縦振動モードの圧電素子である。そして、例えば、検知用振動部としての圧電素子３９ａの振動期間において、圧電素子３９ｂ，３９ｃおよび対応する可撓面２４が調整用振動部として機能し、検知用振動部の振動周期を調整することができる。この例においては、調整用振動部に印加する調整信号の電圧を高めるほど当該調整用振動部が収縮し、これに応じて可撓面２４が、空部２０よりも外側に変位する。これにより、検知用振動部の可撓面２４が両側から引張され、当該可撓面２４に対してテンションが付与される。このような構成においても、上記第１の実施形態と同様に、検知用振動部の振動周期や音響インピーダンス等を調整することが可能である。
【００４９】
なお、上記各実施形態で例示した構成には限定されず、本発明の発明特定事項および効果から実質的に逸脱しない多くの変形が可能である。したがって、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれる。そして、本発明に係る非接触センサー用駆動装置は、例えば振動センサー等の圧電素子を利用した種々の構成の非接触用センサーに適用することが可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１...超音波センサー，２...基体，３...素子アレイ，５...圧電素子，６...上部電極，７...下部電極，８...圧電体膜，１０...第１導電体，１１...共通配線，１２...第２導電体，１４...端子アレイ，１５...共通電極端子，１６...個別電極端子，１８...基板，１９...可撓膜，２０...空部，２１...隔壁，２２...酸化シリコン層，２３...酸化ジルコニウム層，２４...可撓面，２７...補強板，３０...駆動装置，３１...送信回路，３２...制御部，３３...スイッチ部，３４...受信回路，３９...圧電素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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