(57)【要約】【課題】超音波の送受信感度を高く維持しつつ、超音波の送受信制御が容易で、残響振動も抑制可能な超音波デバイス、及び超音波測定装置を提供する。【解決手段】超音波デバイスは、振動素子により振動可能となる振動領域を有する振動膜と、前記振動膜の前記振動領域を覆って設けられるダンパー層と、を備え、前記ダンパー層の厚み寸法は、１３μｍ以上２５μｍ以下である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動素子により振動可能となる振動領域を有する振動膜と、
前記振動膜の前記振動領域を覆って設けられるダンパー層と、を備え、
前記ダンパー層の厚み寸法は、１３μｍ以上２５μｍ以下である
ことを特徴とする超音波デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波デバイスにおいて、
前記ダンパー層は、ヤング率が１５０ＭＰａ以下の素材により構成されている
ことを特徴とする超音波デバイス。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の超音波デバイスにおいて、
前記振動素子は、前記振動膜の一面に設けられた下部電極、前記下部電極に積層された圧電体層、及び前記圧電体層に積層された上部電極を備える圧電素子であり、
前記ダンパー層は、前記圧電素子が設けられる前記振動膜の前記一面に設けられている
ことを特徴とする超音波デバイス。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波デバイスにおいて、
前記振動素子により前記振動領域を振動させた際に超音波が送信される方向を第一方向として、
前記ダンパー層は、前記振動膜の前記第一方向とは反対側の面に設けられている
ことを特徴とする超音波デバイス。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超音波デバイスと、
前記超音波デバイスを制御する制御部と、
を備えることを特徴とする超音波測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波デバイス、及び超音波測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、対象物に対して超音波を出力する超音波デバイスが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の超音波デバイス（超音波センサー）は、支持層の一部をエッチングすることで形成されたダイアフラム（メンブレン）と、当該ダイアフラム上に下部電極、圧電膜、及び上部電極を積層した圧電積層体とを備える。そして、この超音波デバイスでは、ダイアフラムの圧電積層体が設けられる側の面を覆うように、フロロカーボンの薄膜が設けられている。
このような超音波デバイスでは、圧電積層体の下部電極及び上部電極に電圧を印加することで、ダイアフラムを振動させ、当該ダイアフラムの振動が直接空気に作用して疎密波を生じさせることで超音波が空気中に送信される。このため、このような超音波デバイスでは、音響インピーダンスの整合を取るための層（音響整合層）等を別途設ける必要がなく、構成の簡素化を図れる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１８３４３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ダイアフラムを単独で振動させる構成とすると、ダイアフラム自身のＱ値が高くなって超音波の送受信制御が困難となり、また、超音波を送信した後の残響振動（振動の尾引き）も長くなり、超音波の送受信精度が低下するとの課題がある。
【０００５】
本発明は、超音波の送受信精度が高い超音波デバイス、及び超音波測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一適用例に係る超音波デバイスは、振動素子により振動可能となる振動領域を有する振動膜と、前記振動膜の前記振動領域を覆って設けられるダンパー層と、を備え、前記ダンパー層の厚み寸法は、１３μｍ以上２５μｍ以下であることを特徴とする。
【０００７】
本適用例では、振動膜に、振動素子によって振動可能となる振動領域が設けられており、この振動領域を覆う位置に、厚み寸法が１３μｍ以上２５μｍ以下となるダンパー層が設けられている。
ここで、振動膜に設けられるダンパー層の厚み寸法が２５μｍを超える場合では、振動領域の振動がダンパー層により阻害される。この場合、超音波を送信する際に振動領域が十分な変位で振動できず、超音波の送信感度（超音波の音圧）が低下する。また、超音波を受信する際にも受信超音波による振動膜の変位が小さくなることで受信感度も低下する。さらに、振動膜に設けられるダンパー層の厚み寸法が１３μｍ未満となる場合では、振動領域が振動した際の残響振動（振動の尾引き）が長くなり、超音波の送受信精度が低下する。
これに対して、上記のように、１３μｍ以上２５μｍ以下となる厚み寸法のダンパー層を設ける場合、ダンパー層による振動領域の振動阻害が抑制されることで、超音波の送受信感度を高くすることができる。これに加え、ダンパー層によって、残響振動の発生をも抑制することができ、超音波の送受信精度を向上できる。また、ダンパー層が振動膜に設けられていることで、振動膜自身のＱ値も低減できるので、超音波の送受信に係る制御も容易となる。
【０００８】
本適用例の超音波デバイスにおいて、前記ダンパー層は、ヤング率が１５０ＭＰａ以下の素材により構成されていることが好ましい。
本適用例では、ダンパー層のヤング率が１５０ＭＰａ以下である。ダンパー層として、例えばフロロカーボン膜や、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のヤング率が高い素材で構成された層を形成した場合、ダンパー層によって振動領域の振動が阻害される。これに対して、上記のようなヤング率により構成されたダンパー層を用いることで、振動領域の振動が阻害される不都合を好適に抑制することができる。
【０００９】
本適用例の超音波デバイスにおいて、前記振動素子は、前記振動膜の一面に設けられた下部電極、前記下部電極に積層された圧電体層、及び前記圧電体層に積層された上部電極を備える圧電素子であり、前記ダンパー層は、前記圧電素子が設けられる前記振動膜の前記一面に設けられていることが好ましい。
本適用例では、振動素子は、下部電極、圧電体層、及び上部電極を積層した圧電素子により構成されている。このような圧電素子では、下部電極及び上部電極の間に電圧を印加することで、圧電体層を変形させることができ、この圧電体層の変形により振動領域を振動させて超音波を送信することができる。また、超音波が振動膜の振動領域に入力されると、振動領域が変位する。これにより、振動領域に設けられた圧電体層の変位量に応じた電位差が下部電極及び上部電極の間に生じ、この電位差を検出することで超音波の受信を検出することができる。
そして、本適用例では、ダンパー層は、振動膜の圧電体層が配置される側に設けられている。つまり、ダンパー層によって、圧電素子が覆われる構成となり、圧電素子を保護することができる。例えば、圧電体層への水滴の付着に起因する圧電体層の焼損等の発生を抑制できる。
【００１０】
本適用例の超音波デバイスにおいて、前記振動素子により前記振動領域を振動させた際に超音波が送信される方向を第一方向として、前記ダンパー層は、前記振動膜の前記第一方向とは反対側の面に設けられていることが好ましい。
本適用例の超音波デバイスにより、空気中に超音波を送信する場合、振動膜の超音波の送信方向（第一方向）側となる一面にダンパー層が設けられると、超音波がダンパー層を介して空気中に送信されることになる。この場合、ダンパー層によって超音波が減衰してしまう。これに対して、本適用例では、振動膜の第一方向とは反対側にダンパー層が設けられているので、超音波を減衰させることなく空気中に送信でき、また、空気中からの超音波を減衰されることなく振動領域で受信できる。
【００１１】
本発明に係る一適用例の超音波測定装置は、上述したような超音波デバイスと、前記超音波デバイスを制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
本適用例では、上述したように、超音波デバイスにおいて、ダンパー層が設けられることで、超音波の送受信制御が容易となる。また、振動領域の振動がダンパー層により阻害されることがないので、超音波の送受信感度を高めることができ、さらに、残響振動をも抑制することができ、高精度な超音波の送受信処理を実施できる。
したがって、超音波測定装置において、制御部は、当該超音波デバイスを容易に制御することが可能となり、高い送受信精度で超音波の送受信を行うことができるので、精度の高い超音波測定を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第一実施形態の超音波デバイスの概略構成を示す平面図。
【図２】第一実施形態の超音波デバイスの一部の断面図。
【図３】超音波デバイスにおけるダンパー層の厚み寸法と、振動部の最大変位量との関係を示す図。
【図４】ダンパー層が設けられていない場合の残響振動によるパルス幅を示す図。
【図５】厚み寸法が２０μｍのダンパー層を設けた場合の残響振動によるパルス幅を示す図。
【図６】開口部の幅寸法を１７０μｍ、２００μｍ、２６０μｍとした際の、ダンパー層の厚み寸法とパルス幅との関係を示す図。
【図７】図６において、ダンパー層の厚み寸法が０である場合を基準（１００％）とした際の、パルス幅の変化を示す図。
【図８】ダンパー層のヤング率と、振動部の振動振幅の変形効率との関係を示す図。
【図９】第二実施形態に係る距離センサーの概略構成を示す図。
【図１０】第一実施形態の変形例に係る超音波デバイスの概略構成を示す断面図。
【図１１】第一実施形態の他の変形例に係る超音波デバイスの概略構成を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［第一実施形態］
以下、本発明の第一実施形態に係る超音波デバイスについて説明する。図１は、超音波デバイス１０の概略構成を示す平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線を切断した際の超音波デバイス１０の一部の断面図である。
図１及び図２に示すように、超音波デバイス１０には、素子基板１１と、圧電素子１２と、ダンパー層１３（図２参照）と、を備えて構成されている。ここで、以降の説明にあたり、素子基板１１の基板厚み方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交する２軸方向をそれぞれＸ方向及びＹ方向とする。また、Ｚ方向（＋Ｚ側に向かう方向）は、本発明の第一方向に相当し、超音波を送信する方向となる。
【００１４】
（素子基板１１の構成）
素子基板１１は、図２に示すように、基板本体部１１１と、基板本体部１１１の−Ｚ側に設けられる振動膜１１２と、を備える。
基板本体部１１１は、振動膜１１２を支持する基板であり、例えばＳｉ等の半導体基板で構成される。ここで、素子基板１１には、Ｚ方向から見た平面視で、図１に示すように、Ｘ方向及びＹ方向に沿った２次元アレイ状に配置される複数の開口部１１１Ａが設けられている。
本実施形態では、各開口部１１１Ａは、基板本体部１１１の基板厚み方向（Ｚ方向）を貫通した貫通孔であり、当該貫通孔の一端側（−Ｚ側）を閉塞するように振動膜１１２が設けられている。
【００１５】
振動膜１１２は、例えばＳｉＯ２や、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２の積層体等より構成され、基板本体部１１１の−Ｚ側に設けられる。振動膜１１２の厚み寸法は、基板本体部１１１に対して十分小さい厚み寸法となる。この振動膜１１２は、開口部１１１Ａを構成する基板本体部１１１の壁部１１１Ｂ（図２参照）により支持され、開口部１１１Ａの−Ｚ側を閉塞する。振動膜１１２のうち、平面視で開口部１１１Ａと重なる部分（開口部１１１Ａを閉塞する領域）は、振動部１１２Ａを構成する。つまり、開口部１１１Ａは、振動膜１１２の振動部１１２Ａの外縁を規定する。この振動部１１２Ａは、圧電素子１２により振動可能となる振動領域となる。
【００１６】
（圧電素子１２の構成）
圧電素子１２は、本発明の振動素子であり、本実施形態では、振動膜１１２の一面（−Ｚ側の面）で、かつ、Ｚ方向から見た平面視で各振動部１１２Ａと重なる位置にそれぞれ設けられている。この圧電素子１２は、図２に示すように、振動膜１１２上に下部電極１２１、圧電体層１２２、及び上部電極１２３が順に積層されることにより構成されている。
【００１７】
具体的には、下部電極１２１は、図１に示すように、Ｘ方向に沿って直線状に形成される。下部電極１２１の両端部（±Ｘ側端部）は、例えば、超音波デバイス１０を制御する回路基板等に接続される下部電極端子１２１Ｐとなる。
また、上部電極１２３は、Ｙ方向に沿って直線状に形成されている。上部電極１２３の±Ｙ側端部は、共通電極線１２３Ａに接続される。共通電極線１２３Ａは、Ｘ方向に対して複数配置された上部電極１２３同士を結線し、共通電極線１２３Ａの両端部（±Ｘ側端部）は、回路基板等に接続される上部電極端子１２３Ｐとなる。
圧電体層１２２は、例えばＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）等の圧電体の薄膜により形成されている。なお、図２に示すように、圧電体層１２２の側面部を覆うように保護膜１２４が設けられる構成としてもよい。
【００１８】
ここで、振動膜１１２における１つの振動部１１２Ａと、当該振動部１１２Ａ上に設けられた圧電素子１２とにより、１つの超音波トランスデューサーＴｒが構成される。したがって、図１に示すように、超音波デバイス１０には、Ｘ方向及びＹ方向に沿って複数の超音波トランスデューサーＴｒが配置される。
また、本実施形態の超音波デバイス１０では、Ｘ方向に配置された複数の超音波トランスデューサーＴｒにおいて下部電極１２１が共通となり、これらのＸ方向に配置された複数の超音波トランスデューサーＴｒにより、１ＣＨ（チャネル）の送受信列Ｃｈが構成される。また、当該１ＣＨの送受信列ＣｈがＹ方向に沿って複数並んで配置されることで、１次元アレイ構造の超音波デバイス１０が構成されている。
【００１９】
このような構成の超音波トランスデューサーＴｒでは、下部電極１２１及び上部電極１２３の間に所定周波数のパルス波電圧が印加されることにより、圧電体層１２２が伸縮し、圧電素子１２が設けられた振動膜１１２の振動部１１２Ａが、開口部１１１Ａの開口幅等に応じた周波数で振動する。これにより、振動部１１２Ａの＋Ｚ側（開口部１１１Ａ側）から超音波が送信される。
また、開口部１１１Ａに超音波が入力されると、当該超音波によって振動部１１２Ａが振動し、圧電体層１２２の上下で電位差が発生する。したがって、下部電極１２１及び上部電極１２３間に発生する電位差を検出することにより、超音波を検出（受信）することが可能となる。
【００２０】
（ダンパー層１３の構成）
振動膜１１２の−Ｚ側には、ダンパー層１３が設けられている。
本実施形態では、ダンパー層１３は、振動膜１１２及び各圧電素子１２の−Ｚ側全体（つまり、超音波が送受信される側とは反対側の面）を覆う。ダンパー層１３は、Ｚ方向から見た際に、圧電素子１２と重なる部分が、当該圧電素子１２の表面に密着し、圧電素子１２と重ならない部分は振動膜１１２の−Ｚ側の面に密着している。
このダンパー層１３は、ヤング率が１３０ＭＰａ以下の素材（例えばシリコーン等）により構成されている。また、ダンパー層１３の厚み寸法（Ｚ方向に沿う寸法）は、１３μｍ以上、２５μｍ以下となる。
【００２１】
ところで、本実施形態では、上述したように、振動膜１１２の振動部１１２Ａの振動により超音波の送信を行う。具体的には、振動部１１２Ａを振動させることで、振動部１１２Ａの振動を直接空気に作用させて疎密波を生じさせて、超音波を送信する。
ここで、上記のように振動膜１１２を振動させて超音波を送信する構成では、ダンパー層１３が設けられていない場合、振動膜１１２自身のＱ値が非常に高くなり、超音波の送受信制御が困難となる。また、振動が収束するまでの時間（残響振動が発生している時間）も長くなる。
そこで、本実施形態では、上記の様に、厚み寸法が１３μｍ以上２５μｍ以下となるダンパー層１３を設けることで、上記の課題を解決している。
【００２２】
図３は、圧電素子１２に所定の周期駆動電圧を印加して振動部１１２Ａを振動させた際の、ダンパー層１３の厚み寸法と、振動部１１２Ａの最大変位量との関係を示す図である。
ダンパー層１３の厚み寸法を大きくすると、振動部１１２Ａの振動振幅が低下し、これにより、超音波の送受信感度が低下する。特に、図３に示すように、ダンパー層１３の厚み寸法が２５μｍを超えると、最大変位量は大きく低下する。最大変位量が低下すると、圧電素子１２に電圧を印加した際の超音波の送信感度が低下する。また、超音波を受信した際にも、振動部１１２Ａが振動しにくくなるので、受信感度も低下する。
一方、ダンパー層１３の厚み寸法が２５μｍ以下である場合、振動部１１２Ａの最大変位量は１０μｍ近傍に維持される。すなわち、ダンパー層１３の厚み寸法２５μｍ以下である場合、ダンパー層１３を設けない場合と略同様の変位量が得られ、十分な超音波の送受信感度が得られることが分かる。
【００２３】
次に、振動部１１２Ａが振動した際の残響振動について説明する。
超音波デバイス１０では、各超音波トランスデューサーＴｒから超音波を送信し、対象物にて反射された超音波（反射波）を受信することで、超音波デバイス１０から対象物までの距離を測定することが可能となる。しかしながら、超音波トランスデューサーＴｒから超音波を送信した際の振動部１１２Ａの振動（残響振動）がある場合、反射波を受信した際に、残響振動による信号と反射波の受信に伴う振動部１１２Ａの振動による信号との判別がつきにくくなり、超音波受信時の精度が低下する。また、残響振動による微弱な超音波が送信されてしまうとの不都合も生じる。特に、超音波デバイス１０を、近距離の対象物を検出するための近距離センサー等として用いる場合、上記のような残響振動が残る期間に反射波を受信する可能性もあり、残響振動が長期間発生することは好ましくない。
【００２４】
ここで、超音波トランスデューサーＴｒにより１パルスの超音波を送信した後、その振幅が１／１０となるまでの時間を、残響振動によるパルス幅（μｓｅｃ）とする。図４は、ダンパー層１３が設けられていない場合の残響振動の波形を示す図である。図５は、厚み寸法が２０μｍのダンパー層１３を設けた際の残響振動の波形を示す図である。図４及び図５において、破線は、最大振幅の１／１０となる振幅を示している。この図４及び図５は、超音波トランスデューサーＴｒから１パルスの超音波を送信させた後の、振動部１１２Ａの振動振幅の変化を測定した結果である。
図４に示すように、ダンパー層１３を設けない場合のパルス幅（振幅が１／１０となるまでの時間）は約２００μｓｅｃである。これに対して、図５に示すように、２０μｍの厚み寸法のダンパー層１３を設けた場合、パルス幅は、約７５μｓｅｃとなり、残響振動が生じる期間がダンパー層１３を設けない場合に比べて、１／２以下になることが分かる。
【００２５】
また、図６は、開口部１１１Ａの幅寸法を１７０μｍ、２００μｍ、２６０μｍとした際の、ダンパー層１３の厚み寸法とパルス幅との関係を示す図である。図７は、図６において、ダンパー層１３の厚み寸法が０である場合を基準（１００％）とした際の、パルス幅の変化を示す図である。
図６及び図７に示すように、ダンパー層１３の厚み寸法を１３μｍ以上にすることで、開口部１１１Ａの開口幅（超音波の周波数）によらず、パルス幅を１／２以下にできる。
一方、ダンパー層１３の厚み寸法が１３μｍ未満である場合、残響振動によるパルス幅が長くなり、超音波の送受信時の精度を十分に維持することができない。
【００２６】
すなわち、厚み寸法が１３μｍ以上２５μｍ以下であるダンパー層１３が設けられていることで、超音波の送受信感度を高くでき、かつ、残響振動も短くすることができ、超音波の送受信精度を高めることができる。
【００２７】
次に、ダンパー層１３のヤング率について説明する。
図８は、ダンパー層１３のヤング率と、振動部１１２Ａの振動振幅の変形効率との関係を示す図である。図８では、ダンパー層１３を設けない場合の変形効率を１００％としている。
ダンパー層１３として、ヤング率が１０ＭＰａ以下の素材を用いた場合、図８に示すように、振動部１１２Ａの振動振幅は、ダンパー層１３を設けない場合に比べてほぼ変化がない。すなわち、超音波の送信時には音圧の高い超音波を送信でき、超音波を受信した際に、振動部１１２Ａの振動を大きくできることで、高い信号レベルの受信信号が得られる。
ヤング率を１０ＭＰａからさらに大きくすると、図８に示すように、振動部１１２Ａの振動効率は低下し、５００ＭＰａを超えると、振動部１１２Ａの振動効率が５０％を下回る。
超音波の送受信感度としては、振動効率の低下を５０％以下に抑えることが好ましい。したがって、ダンパー層１３のヤング率としては、５００ＭＰａ以下とすることが好ましい。このようなダンパー層１３の素材としては、例えばシリコーンゴムや各種ゴム素材、ポリエチレン等を用いることができ、特に、ヤング率が１０ＭＰａ以下となるシリコーンゴムや各種ゴム素材を用いることがより好ましい。
【００２８】
［本実施形態の作用効果］
本実施形態の超音波デバイス１０では、圧電素子１２が設けられる振動部１１２Ａに接してダンパー層１３が設けられており、このダンパー層１３の厚み寸法が１３μｍ以上２５μｍ以下の厚み寸法となる。
このようなダンパー層１３が設けられることで、振動部１１２ＡのＱ値を下げることが可能となり、超音波デバイス１０における超音波の送受信制御を容易に行うことができる。つまり、振動部１１２Ａにダンパー層１３が設けられない場合、各超音波トランスデューサーＴｒの応答性が過剰に高くなるため、例えば超音波デバイス１０に僅かな外乱振動が入力された場合でも、振動部１１２Ａが振動して受信信号が出力される等の不都合が生じる。この場合、超音波が入力されていないにもかかわらず、受信信号が出力されてしまう。これに対して、ダンパー層１３が設けられることで、振動部１１２ＡのＱ値が低下し、超音波の送受信制御を適切に実施することが可能となる。
また、本実施形態では、ダンパー層１３の厚み寸法が１３μｍ以上となるため、図６，図７に示すように、超音波トランスデューサーＴｒを駆動させた際の残響振動を抑制することができる。これにより、残響振動に起因する意図しない超音波発信や、残響振動中での反射波の受信等が抑制され、超音波の送受信精度を向上できる。
さらに、ダンパー層１３の厚み寸法が２５μｍ以下となるため、図３に示すように、振動部１１２Ａの最大変位量の低下を抑制できる。これにより、超音波の送信時には、高い出力値の超音波を送信でき、反射波の受信時には、信号レベルの高い受信信号を得ることができ、超音波の送受信感度を高めることができる。
すなわち、本実施形態では、超音波デバイス１０による超音波の送受信感度を高くでき、かつ、高い精度で超音波の送受信処理を実施することができ、さらに、超音波の送受信に係る制御も容易にできる。
【００２９】
本実施形態では、ダンパー層１３のヤング率が１５０ＭＰａ以下となる。このため、ダンパー層１３による振動部１１２Ａの振動が阻害される不都合が抑制され、図８に示すように、振動部１１２Ａの変形効率を５０％以上に維持できる。これにより、超音波の送受信感度を高めることができる。
【００３０】
本実施形態では、振動部１１２Ａの−Ｚ側の面に圧電素子１２が設けられており、ダンパー層１３は、振動部１１２Ａ及び圧電素子１２を覆って形成されている。このような構成では、ダンパー層１３によって、圧電素子１２が覆われる構造となり、例えば圧電素子１２への水滴の付着による焼損等の不都合を抑制でき、好適に圧電素子を保護することができる。
【００３１】
本実施形態では、超音波デバイス１０は、振動部１１２Ａを振動させることで、振動部１１２Ａから開口部１１１Ａ側に超音波を送信し、開口部１１１Ａ側から入力された超音波を受信する。そして、ダンパー層１３は、振動部１１２Ａの超音波の送受信方向である＋Ｚ側とは反対側の−Ｚ側に設けられている。このため、超音波の送受信処理において、ダンパー層１３が超音波の進路方向に介在することがなく、超音波の減衰が発生しない。よって、超音波の送信時には出力（振幅）の大きい超音波を出力することができ、超音波の受信時には、反射波による振動部１１２Ａの変位量を大きくでき、高い信号レベルの受信信号を得ることができる。
【００３２】
［第二実施形態］
次に、第二実施形態について説明する。第二実施形態では、第一実施形態で説明した超音波デバイス１０を備えた超音波測定装置の一例としての距離センサーについて説明する。
図９は、本実施形態に係る距離センサー１００の概略構成を示す図である。
本実施形態の距離センサー１００は、図９に示すように、超音波デバイス１０と、超音波デバイス１０を制御する制御部２０とにより構成されている。この制御部２０は、超音波デバイス１０を駆動させる駆動回路３０と、演算部４０とを含んで構成されている。また、制御部２０には、その他、距離センサー１００を制御するための各種データや各種プログラム等を記憶した記憶部を備えていてもよい。
【００３３】
駆動回路３０は、超音波デバイス１０の駆動を制御するためのドライバー回路であり、例えば図９に示すように、基準電位回路３１、切替回路３２、送信回路３３、及び受信回路３４等を備える。
基準電位回路３１は、上部電極端子１２３Ｐに接続され、上部電極端子１２３Ｐに基準電位（例えば−３Ｖ等）を印加する。
切替回路３２は、各下部電極端子１２１Ｐと、送信回路３３と、受信回路３４とに接続される。この切替回路３２は、スイッチング回路により構成されており、各下部電極端子１２１Ｐのそれぞれと送信回路３３とを接続する送信接続、及び、各下部電極端子１２１Ｐのそれぞれと受信回路３４とを接続する受信接続を切り替える。
【００３４】
送信回路３３は、切替回路３２及び演算部４０に接続され、切替回路３２が送信接続に切り替えられた際に、演算部４０の制御に基づいて、各超音波トランスデューサーＴｒにパルス波形の駆動信号を出力し、超音波デバイス１０から超音波を送信させる。
受信回路３４は、切替回路３２及び演算部４０に接続され、切替回路３２が受信接続に切り替えられた際に、各下部電極１２１からの受信信号が入力される。この受信回路３４は、例えばリニアノイズアンプ、Ａ／Ｄコンバーター等を含んで構成されており、入力された受信信号のデジタル信号への変換、ノイズ成分の除去、所望信号レベルへの増幅等の各信号処理を実施した後、処理後の受信信号を演算部４０に出力する。
【００３５】
演算部４０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等により構成され、駆動回路３０を介して超音波デバイス１０を制御し、超音波デバイス１０により超音波の送受信処理を実施させる。
すなわち、演算部４０は、切替回路３２を送信接続に切り替え、送信回路３３から超音波デバイス１０の各超音波トランスデューサーＴｒに駆動信号を出力させて、超音波を送信させる。また、演算部４０は、超音波を送信した直後に、切替回路３２を受信接続に切り替えさせる。これにより、超音波デバイス１０で反射波を受信した際に受信信号が受信回路３４を介して演算部４０に入力される。そして、演算部４０は、ＴｏＦ（Time of Flight）法により、超音波デバイス１０から超音波を送信した送信タイミングから、受信信号が受信されるまでの時間と、空気中における音速とを用いて、超音波デバイス１０から対象物までの距離を算出する。
【００３６】
上記のような本実施形態の距離センサー１００では、第一実施形態において説明した超音波デバイス１０を備える。この超音波デバイス１０は、上述したように、振動膜１１２に厚み寸法が１３μｍ以上２５μｍ以下となるダンパー層１３が設けられているため、当該超音波デバイス１０による超音波の送受信感度を高く維持しつつ、残響振動をも抑制した精度の高い超音波の送受信を行うことができ、超音波の送受信に係る制御も容易となる。
したがって、制御部２０は、超音波デバイス１０の超音波の送受信処理を容易に制御することができ、かつ、超音波デバイス１０により得られた精度の高い超音波の送受信結果に基づいて、超音波デバイス１０から対象物までの距離を高精度に算出することができる。
【００３７】
［変形例］
なお、本発明は上述の各実施形態及び変形例に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良、及び各実施形態を適宜組み合わせる等によって得られる構成は本発明に含まれるものである。
【００３８】
例えば、上記第一実施形態では、超音波デバイス１０が、素子基板１１の開口部１１１Ａ側から超音波を送信し、開口部１１１Ａに入力される超音波を受信し、ダンパー層１３が、振動膜１１２の基板本体部１１１とは反対側の面に設けられる構成としたが、これに限られない。
図１０及び図１１は、超音波デバイスの他の例を示す断面図である。
例えば、図１０に示す超音波デバイス１０Ａでは、素子基板１１の開口部１１１Ａとは反対側の面（圧電素子１２が設けられる面）が超音波の送受信面となる。つまり、超音波デバイス１０Ａは、振動膜１１２から−Ｚ側（基板本体部１１１とは反対側）に超音波が送信され、−Ｚ側から入力された超音波が振動部１１２Ａにて受信される。このような構成の超音波デバイス１０Ａでは、図１０に示すように、ダンパー層１３は、開口部１１１Ａ内に設けられることが好ましい。
また、この場合、図１１に示すように、基板本体部１１１の厚み寸法をダンパー層１３の厚み寸法と同寸法とする構成としてもよい。
【００３９】
上記第一実施形態において、ダンパー層１３のヤング率が１５０ＭＰ以下の素材により構成される例を示したが、より好ましくは、１０ＭＰａ以下であり、具体的にはシリコーンや、各種ゴム材により構成されていることがより好ましい。
【００４０】
第一実施形態において、振動膜１１２の振動部１１２Ａを振動させる振動素子として、圧電素子１２を例示したが、これに限定されない。
例えば、振動膜の振動領域（振動部）に対してエアギャップを介して対向する基板を設け、振動部と基板とのそれぞれに電極を設ける構成としてもよい。このような構成では、振動部に設けられた電極と、基板に設けられた電極との間に周期駆動電圧を印加することで、振動部が静電引力によって基板側に引き寄せられることで振動し、超音波を送信する。また、超音波を受信した際には、振動部が振動されることで、電極間の静電容量が変動する。すなわち、この静電容量の変動を検出により、超音波の受信を検出する。
また、当該構成では、超音波は振動部の基板とは反対側に出力される。したがって、振動部と基板との間（エアギャップ）に、振動部に接するダンパー層を設ける構成とする。これにより、上記実施形態と同様、超音波の送受信感度を高く維持しつつ、かつ、残響振動をも抑制することができ、超音波の送受信に係る制御も容易にできる。
【００４１】
上記第一実施形態では、超音波を空気中に送信し、空気中から伝搬された超音波を受信する超音波デバイス１０を例示し、ダンパー層１３を、振動膜１１２の超音波の送信方向とは反対側の面に設ける構成とした。
これに対して、例えば、超音波を水中等に送信する場合では、振動膜１１２のうち超音波の送信方向にシリコーンゴム等により構成されたダンパー層１３を設ける構成としてもよい。すなわち、超音波を伝搬させる媒質と同程度の音響インピーダンスを有するダンパー層１３であれば、超音波の送信方向に設けられていてもよい。
【００４２】
上記第二実施形態では、超音波測定装置の一例として距離センサー１００を例示したが、これに限定されない。例えば、超音波の送受信結果に応じて、構造体の内部断層像を測定する超音波測定装置等に適用することもできる。
【００４３】
その他、本発明の実施の際の具体的な構造は、本発明の目的を達成できる範囲で上記各実施形態及び変形例を適宜組み合わせることで構成してもよく、また他の構造などに適宜変更してもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１０、１０Ａ…超音波デバイス、１１…素子基板、１２…圧電素子、１３…ダンパー層、２０…制御部、３０…駆動回路、４０…演算部、１００…距離センサー（超音波測定装置）、１１１…基板本体部、１１１Ａ…開口部、１１１Ｂ…壁部、１１２…振動膜、１１２Ａ…振動部、１２１…下部電極、１２２…圧電体層、１２３…上部電極、Ｔｒ…超音波トランスデューサー。
【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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