(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を送信する複数の送信素子がアレイ状に配置された送信アレイと、
被検出体で反射された前記超音波を受信する複数の受信素子がアレイ状に配置された受信アレイと、を備え、
前記受信アレイは、前記送信アレイの外周縁よりも外側に３つ以上配設され、
前記３つ以上の受信アレイのうち少なくとも１つの受信アレイは、他の受信アレイのうち、いずれか２つの前記受信アレイを結んで形成される直線外に配設され、
前記送信アレイ及び前記受信アレイの距離は、前記送信アレイが送信する超音波の半波長より大きい
ことを特徴とする超音波センサー。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波センサーにおいて、
前記送信アレイの前記複数の送信素子は、マトリクス状に配置され、
前記受信アレイは、第一受信アレイおよび第二受信アレイを備え、
前記第一受信アレイおよび前記第二受信アレイは、前記送信アレイの中心を通る直線を挟んで配置されている
ことを特徴とする超音波センサー。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の超音波センサーにおいて、
前記送信アレイの互いに隣り合う前記送信素子間の距離は、前記送信アレイから送信される超音波の半波長より小さい
ことを特徴とする超音波センサー。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波センサーを備えたことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
超音波の送受信を行う超音波センサー、および電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波の送受信を実施する超音波センサーが知られている（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１の超音波センサーは、送信素子と、送信素子から離れた位置でアレイ状に配設された複数の受信素子を有する受信アレイ部とを備えている。このような超音波センサーでは、送信素子から超音波を出力し、対象物で反射された反射超音波を受信素子で受信する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−３１０３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記特許文献１の記載の超音波センサーでは、複数の受信素子により構成される受信アレイ部は、送信部の周囲に１つのみ設けられている。送信部における超音波送出タイミングから受信アレイ部における超音波受信タイミングまでの時間を計測することで、超音波センサーから対象物までの距離を算出することが可能となる。しかしながら、受信アレイ部が１つのみであるため、その対象物がどの方向に位置しているかまで検出することができない。これに対し、受信アレイ部の各受信素子により受信される超音波の位相差を検出し、位相差から対象物の位置を算出することも可能であるが、通常、超音波センサーの小型化などのため、受信アレイ部を構成する各受信素子の間隔寸法は非常に小さく設定されている。このため、各受信素子において受信超音波に位相差があった場合でも、微小な値となり、精度の高い位置検出を実施することができないという問題がある。
【０００５】
本発明は、上述のような問題に鑑みて、被検出物の検出精度が良好な超音波センサー、および電子機器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】
本発明の超音波センサーは、超音波を送信する複数の送信素子がアレイ状に配置された送信アレイと、被検出体で反射された前記超音波を受信する複数の受信素子がアレイ状に配置された受信アレイと、を備え、前記受信アレイは、前記送信アレイの外周縁よりも外側に３つ以上配設され、前記３つ以上の受信アレイのうち少なくとも１つの受信アレイは、他の受信アレイのうち、いずれか２つの前記受信アレイを結んで形成される直線外に配設され、前記送信アレイ及び前記受信アレイの距離は、前記送信アレイが送信する超音波の半波長より大きいことを特徴とする。
ここで、１つの受信アレイが、他の２つの受信アレイを結んで形成される直線外に配設されるとは、当該１つの受信アレイの重心が、他の２つの受信アレイの重心間を結ぶ直線から外れていることを意味する。
【０００７】
この発明では、送信アレイの外側に、３つ以上の受信アレイが設けられている。ここで、受信アレイが１つしか設けられていない場合では、超音波センサーからの被検出物までの距離は検出できるが、被検出物の位置を正確に検出することができない。また、受信アレイが２つのみ設けられている場合では、２次元範囲内であれば位置を検出することができるが、３次元での位置検出は困難となる。これに対して、本発明のように、３つ以上の受信アレイが設けられ、かつそのうちの１つの受信アレイが、他のいずれか２つの受信アレイの直線上に配置されていない配置構造とすることで、これらの受信アレイで受信される超音波の位相差に基づいて、被検出物の３次元座標での位置および距離を精度よく検出することができる。
また、送信アレイの外周縁よりも外側に受信アレイが配置されているため、送信アレイの振動が受信アレイに伝達されてノイズとして検出される不都合を抑制でき、これにより、ノイズによる検出精度の低下を抑制できる。
ここで、送信アレイおよび受信アレイの距離とは、送信アレイ内の複数の送信素子のうち、最も受信アレイに近い送信素子と、受信アレイ内の複数の受信素子のうち、最も送信アレイに近い受信素子との距離を指す。
この発明では、送信アレイと受信アレイの距離をＬとし、送信される超音波の波長がλである場合、Ｌとλは、Ｌ≧λ／２の関係を満たしている。
ここで、Ｌ＜λ／２となる場合、すなわち、送信アレイの最外周部に配置される送信素
子と、受信アレイの送信アレイに最も近い位置に配置される受信素子との距離Ｌがλ／２未満となる場合では、送信アレイから所定の第一送出方向に超音波を出力する際、受信アレイに振動が伝わって、誤検出や検出精度の低下を招く原因となる。これに対して、上記のようにＬ≧λ／２とすることで、送信アレイから受信アレイへの振動の伝達を抑え、被検出物の位置や距離を検出する際の検出精度の低下を抑えることができる。
【０００８】
本発明の超音波センサーでは、前記送信アレイの前記複数の送信素子は、マトリクス状に配置され、前記受信アレイは、第一受信アレイおよび第二受信アレイを備え、前記第一受信アレイおよび前記第二受信アレイは、前記送信アレイの中心を通る直線を挟んで配置されていることが好ましい。
ここで、第一受信アレイおよび第二受信アレイが送信アレイの中心を通る直線を挟んで配置されるとは、第一受信アレイの重心、および第二受信アレイの重心が、それぞれ送信アレイの中心を通る直線を挟んで配置されることを意味する。
【０００９】
この発明では、第一受信アレイおよび第二受信アレイが送信アレイを挟んで配置されているため、第一受信アレイおよび第二受信アレイで音圧の大きい超音波を受信することができる。
つまり、送信アレイの外側に第一受信アレイが配置され、さらにその外側に第二受信アレイが配置される場合、第二受信アレイで受ける超音波の音圧が減衰により小さくなる場合がある。例えば。Ｘ軸方向に沿って、送信アレイ、第一受信アレイ、第二受信アレイの順番に配置される超音波センサーでは、送信アレイから＋Ｘ方向側で被検出物があり、この被検出物で反射された超音波を受信する場合、第一受信アレイおよび第二受信アレイと被検出物との距離が短くなる。このため、反射超音波の減衰の影響を軽減でき、第一受信アレイおよび第二受信アレイの双方において、良好な音圧の超音波を受信することが可能となる。しかしながら、送信アレイから−Ｘ方向に被検出物がある場合、この被検出物と、第一受信アレイおよび第二受信アレイとの距離が長くなる。この場合、被検出物で反射された超音波が、第一受信アレイおよび第二受信アレイに到達するまでに減衰し、検出精度が悪化するおそれがある。
これに対して、送信アレイを挟んで−Ｘ方向側に第一受信アレイが配置され、＋Ｘ方向側に第二受信アレイが配置される場合では、第一受信アレイおよび第二受信アレイのいずれか一方で、音圧の大きい超音波を受信することができる。例えば、被検出物が−Ｘ方向側に位置する場合、被検出物から第二受信アレイまでの距離が長くなり、超音波が減衰してしまうものの、第一受信アレイは被検出物に近く、超音波の減衰を小さくでき、検出精度を向上させることができる。
以上のように、第一受信アレイおよび第二受信アレイが、送信アレイの中心を通る直線を挟んで配置することで、送信アレイからの超音波の送出範囲（スキャンエリア）内のどの位置に被検出物があった場合でも、被検出物の位置に応じて測定精度がばらつくなどの問題がなく、全スキャンエリアに対して高精度に被検出物の位置を検出することができる。
【００１２】
本発明の超音波センサーでは、前記送信アレイの互いに隣り合う前記送信素子間の距離は、前記送信アレイから送信される超音波の半波長より小さいことが好ましい。
【００１３】
この発明では、送信素子間の距離をＤとし、送信される超音波の波長がλである場合、Ｄとλとは、Ｄ＜λ／２の関係を満たしている。
ここで、Ｄ≧λ／２となる場合、すなわち、隣り合う送信素子間の距離Ｄがλ／２以上となる場合では、各送信アレイから所定の第一送出方向に超音波を出力する際、第一送出方向に沿った超音波（メインローブ）の他、メインローブに近接する位置に、第一送出方向とは異なる方向にも超音波（サブローブ）が出力されてしまう。このようなサブローブが発生すると、送信アレイから送信される超音波の方向を制御して、被検出物の位置を検出する位相走査を実施する際、サブローブにより反射される超音波が受信アレイに受信されてしまうことでクロストークが発生し、誤検出や検出精度の低下を招く原因となる。これに対して、上記のようにＤ＜λ／２とすることで、サブローブの発生を抑え、被検出物の位置や距離を検出する際の検出精度の低下を抑えることができる。
【００１４】
本発明の電子機器は、上述のような超音波センサーを備えたことを特徴とする。
この発明では、電子機器の超音波センサーは、上述したように、出力された超音波を精度よく検出することができ、被検出物の位置や距離を正確に検出できる。したがって、このような超音波センサーを備えた電子機器において、超音波センサーにより検出される正確な情報に基づいて各種動作を実施することができ、高性能化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る第一実施形態の超音波センサーの概略構成を示す平面図である。
【図２】本実施形態の送信素子の概略構成を示す断面図である。
【図３】超音波センサーにおける各素子の素子ピッチを示す図である。
【図４】超音波の周波数と、その周波数に対して設定される送信アレイおよび受信アレイの寸法例を示す図である。
【図５】１つの受信アレイの受信素子の配置例を示す図である。
【図６】第二実施形態のＰＤＡの構成を模式的に示す斜視図である。
【図７】他の実施形態における超音波センサーの概略構成を示す平面図である。
【図８】さらに他の実施形態における受信アレイの一部の概略構成を示す平面図である。
【図９】図８の受信アレイの一部を断面した断面図である。
【図１０】さらに他の実施形態における受信アレイの一部の概略構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
〔第一実施形態〕
次に、本発明に係る第一実施形態の超音波センサーを、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る第一実施形態の超音波センサーの概略構成を示す平面図である。
【００１７】
［１．超音波センサーの概略構成］
図１において、超音波センサー１０は、送信アレイ２０と、送信アレイ２０の外周側で、送信アレイの外周縁から距離Ｌだけ離れた４つの受信アレイ３０（第一受信アレイ３０Ａ，第二受信アレイ３０Ｂ，第三受信アレイ３０Ｃ，第四受信アレイ３０Ｄ）と、を備えている。
送信アレイ２０は、複数の送信素子２１が、水平方向（図１におけるＸ軸方向）および垂直方向（図１におけるＹ軸方向）に沿って均等間隔に配置されたマトリクス状のアレイ構造に構成されている。また、受信アレイ３０は、複数の受信素子３１が、水平方向および垂直方向に沿って配置されたアレイ構造に構成されている。
ここで、本実施形態の超音波センサー１０は、１つのセンサー基板（図示略）上に、図１に示すように、複数の送信素子２１、複数の受信素子３１を形成される構成を例示するがこれに限定されない。例えば、送信アレイ２０および受信アレイ３０は、それぞれアレイ基板を有し、これらのアレイ基板が１つのセンサー基板上に固定される構成などとしてもよい。
【００１８】
［２．送信素子および受信素子の概略構成］
ここで、送信アレイ２０の送信素子２１の概略構成について説明する。図２は、本実施形態の送信素子の概略構成を示す平面図、および断面図である。なお、受信素子３１については、送信素子２１と略同一構成を有し、素子の平面寸法のみが異なる構成であるため、ここでの説明は省略する。
送信素子２１は、図２に示すように、開口部４１１が形成された基板４１と、基板４１上を覆い、開口部４１１を閉塞する支持膜４２と、支持膜４２上に形成される圧電体４３と、を備えている。
なお、本実施形態では、貫通孔である開口部４１１を有する基板４１上に支持膜４２を形成した送信素子２１を一例として示すが、これに限定されない。例えば、開口部４１１が凹溝であり、支持膜４２は、この凹溝の開口部４１１の開口を閉塞する構成であってもよい。また、基板４１に凹溝を形成し、その底部を、圧電体４３を積層させるダイアフラムとした送信素子であってもよい。さらに、支持膜４２上に圧電体４３が形成される構成を示すが、例えば支持膜４２上に絶縁層などの他層が別途形成され、この他層の上層に圧電体４３が形成される構成などとしてもよい。
【００１９】
基板４１は、例えばエッチングなどにより加工が容易なシリコン（Ｓｉ）などの半導体形成素材により形成される。また、基板４１に形成される開口部４１１は、平面視で円形状に形成されることが好ましい。これにより、開口部４１１の内側の支持膜４２であるダイアフラム４２１において、ダイアフラム４２１の撓みに対する応力を均一にすることができる。
【００２０】
支持膜４２は、基板４１上で、開口部４１１を閉塞する状態に成膜されている。この支持膜４２は、例えばＳｉＯ２層４２ＡとＺｒＯ２層４２Ｂとの２層構造により構成されている。ここで、ＳｉＯ２層４２Ａは、基板４１がＳｉ基板である場合、基板表面を熱酸化処理することで成膜することができる。また、ＺｒＯ２層４２Ｂは、ＳｉＯ２層４２Ａ上に例えばスパッタリングなどの手法により成膜される。ここで、ＺｒＯ２層４２Ｂは、圧電膜４３２として例えばＰＺＴを用いる場合に、ＰＺＴを構成するＰｂがＳｉＯ２層４２Ｂに拡散することを防止するための層である。また、ＺｒＯ２層４２Ｂは、圧電体４３の歪みに対する撓み効率が向上させるなどの効果もある。
【００２１】
圧電体４３は、支持膜４２の上層に積層される下部電極４３１と、下部電極４３１上に形成される圧電膜４３２と、圧電膜４３２上に形成される上部電極４３３とを備えている。
また、下部電極４３１には、例えば図１に示すように支持膜４２上のＹ軸方向に沿って延出する下部電極線４３４が接続されている。また、上部電極４３３には、支持膜４２上のＸ軸方向に沿って延出する上部電極線４３５が接続されている。
これらの下部電極４３１、上部電極４３３、下部電極線４３４，および上部電極線４３５の形成素材としては、導電性を有する金属膜であればよく、金属膜を複数層積層した積層膜を用いてもよい。なお、本実施形態では、下部電極４３１および下部電極線４３４として、Ti/Ir/Pt/Ti積層膜を用い、上部電極４３３および上部電極線４３５としては、Ir膜を用いている。
【００２２】
圧電膜４３２は、例えばＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛：lead zirconate titanate）を膜状に成膜することで形成される。なお、本実施形態では、圧電膜４３２としてＰＺＴを用いるが、電圧を印加することで、面内方向に収縮することが可能な素材であれば、いかなる素材を用いてもよく、例えばチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ、Ｌａ）ＴｉＯ３）などを用いてもよい。
【００２３】
このような送信素子２１では、下部電極４３１と、上部電極４３３とに電圧を印加することで、圧電膜４３２が面内方向に伸縮する。このとき、圧電膜４３２の一方の面は、下部電極４３１を介して支持膜４２に接合されるが、他方の面には、上部電極４３３が形成されるものの、この上部電極４３３上には他の層が積層形成されないため、圧電膜４３２の支持膜４２側が伸縮しにくく、上部電極４３３側が伸縮し易くなる。このため、圧電膜４３２に電圧を印加すると、開口部４１１側に凸となる撓みが生じ、ダイアフラム４２１を撓ませる。したがって、圧電膜４３２に交流電圧を印加することで、ダイアフラム４２１が膜厚方向に対して振動し、このダイアフラム４２１の振動により超音波が出力される。
また、受信素子３１は、上述したように、送信素子２１とは同一の構成を有するものであり、被検出物により反射された超音波をダイアフラム４２１で受信することでダイアフラム４２１が膜厚方向に振動する。受信素子３１では、このダイアフラム４２１の振動により、圧電膜４３２の下部電極４３１側の面と上部電極４３３側の面とで電位差が発生し、上部電極４３３および下部電極４３１から圧電膜４３２の変位量に応じた電気信号（電流）が出力される。
【００２４】
［３．送信アレイおよび受信アレイの構成］
次に、送信アレイ２０における送信素子２１の配置構成、受信アレイ３０における受信素子３１の配置構成、およびこれらの送信アレイ２０および受信アレイ３０の配置について、図面に基づいて、説明する。図３は、超音波センサー１０における各素子の間隔（素子ピッチ）を示す図である。図４は、超音波の周波数と、その周波数に対して設定される送信アレイおよび受信アレイの寸法例を示す図である。
【００２５】
［３−１．送信アレイの構成］
送信アレイ２０では、図１に示すように、Ｘ軸方向に沿って配設する送信素子２１同士で、上部電極線４３５が接続され、これらの上部電極線４３５は、送信アレイ２０のＸ方向両端部に設けられる送信共通電極線４３６に結線される。
また、送信アレイ２０のＹ軸方向に沿って配設する送信素子２１同士では、下部電極線４３４同士が接続され、例えば送信アレイ２０の一端縁（図１では、−Ｙ方向側端縁）に形成される送信駆動電極線４３７から外部に引き出される。
【００２６】
これらの送信共通電極線４３６および送信駆動電極線４３７は、それぞれ、図示略の制御回路に接続される。このような送信アレイ２０では、送信共通電極線４３６を例えばＧＮＤに接続するなどして同電位を印加し、送信駆動電極線４３７に駆動電圧を印加することで、送信素子２１を駆動させることが可能となる。この時、１つの送信駆動電極線４３７に駆動電圧を印加することで、この送信駆動電極線４３７に接続されて、Ｙ軸方向に沿って配置される１列の送信素子２１の全てが駆動し、超音波を出力する。したがって、各送信駆動電極線４３７への駆動電圧の印加タイミングをずらすことで、Ｘ軸方向に沿って超音波の送出角度を制御することが可能となる。
【００２７】
そして、このような送信アレイ２０では、図３に示すように、各送信素子２１におけるダイアフラム径寸法、素子ピッチＤout、および送信アレイ２０に配置される送信素子２１の素子数は、送受信する超音波の周波数により適宜設定される。
ここで、送信素子２１の素子ピッチＤoutは、送信超音波の波長をλとすると、以下の式（１）の関係を満たすことが好ましい。
【００２８】
［数  １］
Ｄout＜λ／２        …（１）
【００２９】
これは、送信素子２１の素子ピッチＤoutが送信超音波の半波長以上となる場合、各送信素子２１から送出される超音波が影響し合ってクロストークが発生し、超音波送出方向と異なる方向にも超音波（サブローブ）が出力されてしまうためである。特に、複数の送信素子２１の超音波出力タイミングを制御して、超音波（メインローブ）の送出角度を制御する場合、このようなサブローブが発生すると、サブローブの反射超音波をも受信アレイ３０で受信してしまう場合がある。この場合、正確な被検出物の位置検出が困難となる。これに対して、送信素子２１の素子ピッチＤoutを、上記式（１）を満たす値に設定することで、サブローブの発生を抑制することができ、精度の高い超音波の送受信が実施可能となる。
【００３０】
［３−２．受信アレイの構成］
各受信アレイ３０は、図１に示すように、送信アレイ２０と同様、Ｘ軸方向に沿って配設する受信素子３１同士で、上部電極線４３５が接続され、これらの上部電極線４３５は、受信アレイ３０のＸ方向一端部に設けられる受信共通電極線４３８に結線される。
また、受信アレイ３０のＹ軸方向に沿って配設する受信素子３１同士では、下部電極線４３４により接続され、一端縁（図１では、−Ｙ方向側端縁）に引き出される。ここで、図１では、送信アレイ２０の各下部電極線４３４と受信アレイ３０における各下部電極線４３４とを区別するため、受信アレイ３０から外部に引き出された各下部電極線４３４を受信検出電極線４３９と称し、以降、説明する。
なお、本実施形態では、各受信アレイ３０が独立し、受信した超音波に対してそれぞれ個別の受信信号を出力する構成としたが、これに限定されない。例えば、複数の受信アレイ３０が直列に接続された構成としてもよく、この場合、高い受信感度により超音波を受信でき、より信頼性の高い受信信号を出力することができる。
【００３１】
これらの受信共通電極線４３８および受信検出電極線４３９は、それぞれ、図示略の制御回路に接続される。このような送信アレイ２０では、受信共通電極線４３８を例えばＧＮＤに接続するなどして同電位を印加し、受信検出電極線４３９から制御回路部に流れる電流を測定することで、受信素子３１で受信した超音波の振幅や周波数を検出することが可能となる。
【００３２】
また、送信アレイ２０から送出された超音波が被検出物により反射されて受信アレイ３０にて受信される場合、送信アレイから被検出物、被検出物から受信アレイに超音波が伝搬する間に振動が減衰され、また、被検出物での反射時にも超音波が減衰される。したがって、受信アレイ３０で受信される超音波は送信アレイ２０から送出される超音波に比べて小さい音圧となる。このため、１個の受信素子３１のみでは、受信感度が低く、精度よく受信処理を実施できないので、受信アレイ３０に複数の受信素子３１が配置する必要がある。例えば、送信アレイ２０から３００ｋＨｚの超音波が出力される場合では、最低でも４つ以上の受信素子３１が必要となり、３つ以下では、受信感度が大きく低下してしまう。本実施形態では、各受信アレイ３０を、６つの受信素子３１により構成することで、受信感度の向上を図っている。
【００３３】
ここで、図５に、１つの受信アレイ３０における受信素子３１の配置位置を表した平面図を示す。この図５では、図１において第一および第四象限に配置された受信アレイ３０Ａ，３０Ｄの模式的に示す例を示す。
ここで、受信アレイ３０内を３×３の９個の領域し、受信アレイ３０のうち、送信アレイ２０に近接する端辺３２（図１参照）側から、送信アレイ２０から離れる方向に向かってｘ軸を設定した際に、図５に示すような位置に受信素子３１が配置される。すなわち、最も送信アレイ２０に近いｘ＝ｘ１の列では、ｙ＝ｙ３の位置に受信素子３１が配置され、次に送信アレイ２０に近いｘ＝ｘ２の列では、ｙ＝ｙ１およびｙ＝ｙ２の位置に受信素子３１が配置され、送信アレイ２０から最も離れたｘ＝ｘ３の列では、ｙ＝ｙ１，ｙ２，ｙ３の各位置に受信素子３１が配置されている。
また、上述したように、各受信素子３１では、Ｘ軸方向に沿って上部電極線４３５が配置され、Ｙ軸方向に沿って下部電極線４３４が配置される。
【００３４】
ここで、Ｘ軸方向に沿って配置される受信素子３１の上部電極４３３は、上部電極線４３５により接続され、これらの上部電極線４３５は、上記したように、受信アレイ３０の送信アレイ２０から遠ざかる側の端辺３２に沿って配置される受信共通電極線４３８に接続される。すなわち、この受信共通電極線４３８は、受信アレイ３０の全ての受信素子３１の上部電極４３３に接続される。また、この受信共通電極線４３８は、図１に示すように、Ｘ軸に沿って対象となる位置に配置される第一受信アレイ３０Ａ，第四受信アレイ３０Ｄにおいて共有されている。したがって、この受信共通電極線４３８は、第一受信アレイ３０Ａに配置される全ての受信素子３１の上部電極４３３と、第四受信アレイ３０Ｄに配置される全ての受信素子３１の上部電極４３３とに接続されている。
【００３５】
このような構成では、受信共通電極線４３８を、例えば基板４１の外周縁に設けられた端子４３８Ａに接続することで、受信アレイ３０Ａ，３０Ｄ内に全ての受信素子３１に同一の信号を与えることができ、例えば、受信共通電極線４３８をＧＮＤに接続することで、受信アレイ３０Ａ，３０Ｄの全ての受信素子３１の上部電極４３３に対して基準電位（０Ｖ）を印加することができる。
また、各上部電極線４３５を、それぞれ個別に超音波センサー１０の基板４１の外周端縁の端子部まで引き回す場合、これらの上部電極線４３５を配置するためのスペースが必要となり、超音波センサー１０のサイズも大型化してしまうが、本実施形態では、上記のように１つの受信共通電極線４３８を配線するだけのスペースがあれば、各受信素子３１の上部電極４３３に対して電圧を印加することができ、超音波センサー１０の小型化を促進できる。また、上述のように、受信共通電極線４３８を設けることで、配線スペースに余裕ができるため、受信共通電極線４３８が設けられない場合に比べて、上部電極線４３５や下部電極線４３４の配線幅を大きくすることができ、本実施形態では、例えば２００μｍの幅寸法で形成されている。このため、各配線における抵抗を下げることができ、受信信号の配線抵抗による減衰などを抑制できる。
さらに、３つの上部電極線４３５を、受信共通電極線４３８に接続する構成とすることで、１つの受信素子３１が破損しても、他の受信素子３１により信号を受信することができる。例えば、（ｘ，ｙ）＝（ｘ３，ｙ３）に配置される受信素子３１が破損した場合、共通の上部電極線４３５を用いた（ｘ，ｙ）＝（ｘ１，ｙ３）に配置される受信素子３１も動作しなくなるが、他の上部電極線４３５に接続される受信素子３１は、上記破損した受信素子３１の影響を受けない。したがって、これらの破損の影響を受けない受信素子３１により、反射超音波を受信することが可能となる。
【００３６】
また、各受信アレイ３０において、Ｙ軸方向に沿って配置される受信素子３１の下部電極４３１は、下部電極線４３４により接続され、これらの下部電極線４３４は、受信検出電極線４３９として超音波センサー１０の外周縁に向かって引き出され、端子４３４Ａに接続されている。
ここで、１つの受信アレイ３０に着目すると、（ｘ，ｙ）＝（ｘ１，ｙ３）に配置される受信素子３１により構成される第一受信素子群３１Ａから１つの受信信号が出力され、（ｘ，ｙ）＝（ｘ２，ｙ１），（ｘ２，ｙ２）に配置される２つの受信素子３１により構成された第二受信素子群３１Ｂから１つの受信信号が出力され、（ｘ，ｙ）＝（ｘ３、ｙ１），（ｘ３，ｙ２），（ｘ３，ｙ３）に配置される３つの受信素子３１により構成された第三受信素子群３１Ｃから１つの受信信号が出力される。
【００３７】
第一受信素子群３１Ａでは、ｙ＝ｙ３の位置にのみ受信素子３１が配置されるため、（ｘ、ｙ）＝（ｘ１、ｙ３）の位置（図５における領域３１１）に反射された超音波の大きさをそのまま受信信号として出力する。
一方、第二受信素子群３１Ｂでは、ｙ＝ｙ１，ｙ２の位置に配置される受信素子３１の双方から出力される受信信号が合計されて出力される。この場合では、２つの受信素子３１から出力された受信信号の平均値、すなわち、下部電極線４３４から出力された受信信号の半値を算出して、第二受信素子群３１Ｂからの受信信号とする。また、このように算出された受信信号の平均値は、２つの受信素子３１の中間位置（図５における領域３１２）において受信された超音波として見なすことができる。
同様にして、第三受信素子群３１Ｃでは、ｙ＝ｙ１，ｙ２，ｙ３の位置に配置される３つの受信素子３１から出力される受信信号が合計されて出力される。この場合では、３つの受信素子３１から出力された受信信号の平均値、すなわち、下部電極線４３４から出力された受信信号の１／３を算出して、第三受信素子群３１Ｃからの受信信号とする。このように算出された受信信号の平均値は、３つの受信素子３１の配置位置の重心位置（図５における領域３１３）において受信された超音波と見なすことができる。
【００３８】
以上に示すような受信アレイ３０では、各受信素子郡３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃから出力される各受信信号を比較し、最大となる信号値を受信アレイ３０から出力される信号値として採用してする。ここで、上述したように、第一受信素子群３１Ａでは、領域３１１に到達する超音波を受信し、第二受信素子群３１Ｂでは、領域３１２に到達する超音波を受信し、第三受信素子群３１Ｃでは、領域３１３に到達する超音波を受信する。このように、３つの受信素子群３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃにおいて、Ｙ軸方向に対する受信位置をずらすことにより、Ｙ軸方向に対する受信精度をも向上させることが可能となる。
【００３９】
なお、本実施形態では、受信アレイ３０として、３×３の領域内に６個の受信素子３１が配置される例を示したが、これに限定されない。例えば、受信アレイ３０に配置される受信素子３１の個数としては、受信する超音波の周波数などに基づいて設定されるが、例えば３００ｋＨｚの超音波を受信する場合、ダイアフラム径が２００μｍの受信素子３１を少なくとも４つ以上設けられていればよい。
また、例えば、４×４以上の領域内に受信素子３１が配置される構成としてもよい。この場合でも、各Ｙ軸に沿って配置される各受信素子群内の受信素子３１の配置位置、および配置数を変更し、これらの受信素子３１の重心位置を各受信素子群において異ならせることで、Ｙ軸方向に対しても受信精度を向上させることができる。
【００４０】
そして、受信アレイの素子ピッチＤinは、以下の式（２）に満たすように設定されている。
【００４１】
［数  ２］
Ｄin≧λ／２        …（２）
【００４２】
これは、受信素子３１の素子ピッチＤinが受信超音波の半波長以下に設定されている場合、隣り合う受信素子３１間でダイアフラム４２１の振動に影響を及ぼしあい、ノイズ信号が出力されてしまうおそれがあるためである。これに対して、式（２）を満たす受信素子３１の素子ピッチＤinを設定することで、振動によるノイズ信号の出力を低減することが可能となり、受信アレイ３０の検出精度を向上させることが可能となる。
【００４３】
さらに、受信素子３１と送信素子２１とを同一ダイアフラム径とした場合、共振周波数にずれが生じる。このため、本実施形態では、共振周波数のずれを補正するために、図４に示すように、受信素子３１のダイアフラム径と、送信素子２１のダイアフラム径とをそれぞれ異なる寸法に設定している。
【００４４】
［３−３．超音波センサーにおける送信アレイと受信アレイとの配置関係］
本実施形態の超音波センサー１０では、図１に示すように、送信アレイ２０の中心点を原点としたＸＹ座標軸を設定した場合に、第一象限に第一受信アレイ３０Ａ、第二象限に第二受信アレイ３０Ｂ、第三象限に第三受信アレイ３０Ｃ、第四象限に第四受信アレイ３０Ｄが配置されている。すなわち、第一受信アレイ３０Ａ（第四受信アレイ３０Ｄ）と、第二受信アレイ３０Ｂおよび第三受信アレイ３０Ｃとは送信アレイ２０を挟んで配置され、第三受信アレイ３０Ｃ（第四受信アレイ３０Ｄ）は、第一受信アレイ３０Ａおよび第二受信アレイ３０Ｂを結ぶ直線上には配置されていない。
また、本実施形態では、上述したように、Ｙ軸方向に沿って並ぶ１列の送信素子２１の下部電極線４３４同士を送信駆動電極線４３７で引き出し、この送信駆動電極線４３７への電圧タイミングを制御することで、Ｘ軸方向に沿って超音波送信角度を制御することが可能となる。したがって、送信アレイ２０のＹ軸に沿う幅寸法がＷｙである場合、第一受信アレイ３０Ａおよび第二受信アレイ３０Ｂは、ｙ＝０〜Ｗｙ／２の範囲内に配置され、第三受信アレイ３０Ｃおよび第四受信アレイ３０Ｄは、ｙ＝０〜−Ｗｙ／２の範囲内に配置されることで、被検出物で反射された超音波を受信可能となる。
なお、本発明では、受信アレイ３０の位置関係としては、２つの受信アレイ３０の重心位置が送信アレイ２０の中心を通る直線を挟む位置に設けられていればよく、例えば第一受信アレイ３０Ａの外周部分と、第二受信アレイ３０Ｂの外周部分とが重なる位置関係であってもよい。ただし、この場合、隣り合う受信素子３１のピッチ間隔等の配置が複雑となる。このため、本実施形態に示すように、各受信アレイ３０の外周部が重ならないように、各受信アレイ３０の外周縁が、送信アレイ２０の中心を通る直線を挟むように配置されていることが好ましい。
【００４５】
そして、送信アレイ２０と受信アレイ３０と間の距離Ｌは、送信アレイ２０から出力される超音波の波長をλとした場合、次式（３）を満たすように設定されている。
【００４６】
［数  ３］
Ｌ≧λ／２        …（３）
【００４７】
これは、送信アレイ２０と受信アレイ３０との距離Ｌが、λ／２未満となる場合、送信アレイ２０により超音波を出力した際に、その振動が受信アレイ３０に伝搬し、受信アレイ３０にてノイズとして検出されたり、または誤検出が発生したりするなどの検出精度の低下の原因となるためである。これに対して、上記式（３）を満たすことで、送信アレイ２０の振動ノイズが受信アレイ３０で受信される不都合を軽減させることができる。また、超音波センサー１０のサイズにもよるが、送信アレイ２０と受信アレイ３０との距離Ｌが大きいほど、上記問題をより軽減することが可能となる。
【００４８】
このような超音波センサー１０では、４つの受信アレイ３０のうち、少なくとも３つの受信アレイ３０により超音波を受信し、送信アレイ２０から超音波を送出させた送出タイミングから、各受信アレイ３０で反射超音波を受信した受信タイミングまでの受信時間を測定する。そして、これらの受信時間の差、および送信アレイ２０から出力した超音波の送出方向により、超音波が反射された３次元座標位置を算出する。
【００４９】
この時、第一受信アレイ３０Ａおよび第二受信アレイ３０Ｂ、第三受信アレイ３０Ｃおよび第四受信アレイ３０Ｄが、それぞれ送信アレイ２０の中心を通るＹ軸を挟んで配置されているので、送信アレイ２０から出力される超音波が＋Ｘ方向および−Ｘ方向のうち、どちらの方向に送出された場合でも、感度良く反射波を受信することができる。
つまり、４つの受信アレイ３０が全て送信アレイ２０よりも＋Ｘ方向側に配置されている場合では、送信アレイ２０から−Ｘ方向側に向かって超音波を送出し、被検出物により超音波が反射されて各受信アレイ３０に受信される場合、被検出物と受信アレイ３０との距離が大きくなり、超音波の減衰などにより、受信感度が低下してしまう。これに対して、送信アレイを挟んで各受信アレイ３０が配置される構成では、＋Ｘ方向側に送出した超音波に対して、第一受信アレイ３０Ａおよび第三受信アレイ３０Ｃで受信することで、超音波の減衰量が抑えられ、受信感度が向上する。また、−Ｘ方向側に送出した超音波に対して、第二受信アレイ３０Ｂおよび第四受信アレイ３０Ｄで受信することで、超音波の減衰量が抑えられ、受信感度が向上する。したがって、超音波を＋Ｘ方向および−Ｘ方向のいずれの方向に送出した場合でも、被測定物の検出精度にバラつきが生じることなく、精度良く被検出物の３次元座標位置を算出することができる。
【００５０】
〔第一実施形態の作用効果〕
上述したように、上記第一実施形態の超音波センサー１０では、送信アレイ２０の外周側に、４つの受信アレイ３０が配置されている。このとき、送信アレイ２０の中心を原点として、センサー面にＸＹ座標を設定した際、ＸＹ座標面内の第一象限に第一受信アレイ３０Ａが配置され、第二象限に第二受信アレイ３０Ｂが配置され、第三象限に第三受信アレイ３０Ｃが配置され、第四象限に第四受信アレイ３０Ｄが配置されている。すなわち、各受信アレイ３０は、他の受信アレイ３０のうち２つにより形成される直線上に配置されておらず、この直線から離れた位置に配置されている。例えば、第三受信アレイ３０Ｃは、第一受信アレイ３０Ａおよび第二受信アレイ３０Ｂを結ぶ直線よりも−Ｙ方向側に配置されている。
このような超音波センサー１０では、送信アレイ２０から超音波を所定の方向に送出し、これらの４つの受信アレイ３０のうち、少なくとも３つの受信アレイ３０で、被検出物により反射された超音波を受信する。これにより、超音波の送出方向、各受信アレイ３０の超音波の受信時間に基づいて、被検出物の３次元座標位置を容易に算出することができ、例えば送信アレイ２０と受信アレイ３０とが１：１で設けられた超音波センサーなどに比べ、被検出物の位置を精度良く求めることができる。
【００５１】
また、送信アレイ２０の中心点を通るＹ軸を挟んで＋Ｘ方向側に、第一受信アレイ３０Ａおよび第四受信アレイ３０Ｄが配置され、−Ｘ方向側に、第二受信アレイ３０Ｂおよび第三受信アレイ３０Ｃが配置されている。このため、送信アレイ２０から＋Ｘ方向側に超音波を送出した場合では、第一受信アレイ３０Ａおよび第四受信アレイ３０Ｄにより、良好な受信感度が得られ、送信アレイ２０から−Ｘ方向側に超音波を送出した場合では、第二受信アレイ３０Ｂおよび第三受信アレイ３０Ｃにより、良好な受信感度が得られる。したがって、例えば送信アレイ２０の＋Ｘ方向側にのみ受信アレイ３０がある場合などに比べて、送信アレイ２０により超音波を走査出力可能なスキャン範囲において、どの方向に超音波を送出した場合でも、良好な検出精度で反射超音波を受信することができる。したがって、被測定物の検出精度にバラつきが生じることなく、精度良く被検出物の３次元座標位置を算出することができる。
【００５２】
送信アレイ２０および受信アレイ３０の距離Ｌは、超音波の半波長以上に設定されている。このため、送信アレイ２０の超音波送出時の振動が受信アレイ３０に伝達されず、クロストーク（ノイズ）の干渉を抑えることができる。したがって、受信アレイ３０において、不要なノイズ成分を除去した精度の高い超音波検出を実施することができ、超音波センサー１０の高精度化を図ることができる。
また、受信アレイ３０の各受信素子３１の配置間隔も超音波の半波長以上に設定されているので、隣り合う受信素子３１の振動が伝達されず、受信感度を向上させることができる。
【００５３】
送信アレイ２０における送信素子２１の素子ピッチＤoutは、超音波の半波長より小さく設定されている。このため、送信アレイ２０からのサブローブの発信を抑制でき、被検出物の検出精度をより向上させることができる。
【００５４】
〔第二実施形態〕
次に、本発明の第二実施形態として、上述したような超音波センサーを備えた電子機器について説明する。この第二実施形態では、電子機器としてＰＤＡ（（Personal Data Assistance））を例示する。
図６は、第二実施形態のＰＤＡの構成を模式的に示す斜視図である。
【００５５】
図６において、ＰＤＡ１００は、装置本体２と、表示部３とを備えている。表示部３は、例えば液晶パネルや有機パネルなどにより構成され、装置本体２の内部に収容された図示略の演算制御部に接続され、この演算制御部により、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、装置本体２の外周には、上記第一実施形態で説明した超音波センサー１０が配置されている。
【００５６】
このような第二実施形態のＰＤＡ１００では、上述したように、超音波センサー１０において、被検出物である利用者の指やタッチペンの位置を精度良く検出することができる。したがって、このような超音波センサー１０を備えたＰＤＡ１００では、利用者の指やタッチペンの正確な位置に基づいて、利用者が所望する入力操作の内容を正確に認識することができ、ＰＤＡ１００の操作性を向上させることができる。
【００５７】
また、上記第二実施形態では、超音波センサー１０が組み込まれるＰＤＡ１００の入力装置に本発明の超音波センサー１０を適用する例を示したが、これに限定されない。例えば、携帯ゲーム機や携帯電話、パーソナルコンピューターや電子辞書などにおける入力装置として、本発明の圧電素子や圧電センサーを適用することも可能である。また、入力装置に限らず、例えば超音波により対象物を洗浄する洗浄装置や、例えばロボットや自動車などに組み込まれて、被検出物までの距離や速度を測定する近接センサーや距離測定センサー、配管の非破壊検査や配管中の流体の流速などの監視する測定センサー、生体の体内の状態を超音波により検査する生体検査装置など、超音波の出力により各種処理を実施するいかなる装置にも適用することができる。
【００５８】
〔その他の実施形態〕
なお、本発明は前述の実施形態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、改良等は本発明に含まれるものである。
【００５９】
例えば、上記第一実施形態では、Ｘ方向に沿って超音波の送出角度を制御可能な送信アレイ２０の構成を例示したが、これに限定されない。例えば、各送信素子２１の下部電極線４３４に対してそれぞれ送信駆動電極線４３７を形成し、各送信素子２１に対して個別に駆動電圧を印加する構成とすることで、送信アレイ２０から送信される超音波を、Ｙ軸方向に沿って送出角度を調整することも可能となり、３次元上の所望の位置に超音波を集束させるなどの制御も可能となる。
この場合、例えば図７に示すように、第一受信アレイ３０Ａおよび第二受信アレイ３０Ｂは、ｙ＞＋Ｗｙ／２となる位置に配置し、第三受信アレイ３０Ｃおよび第四受信アレイ３０Ｄは、ｙ＜Ｗｙ／２となる位置に配置する。すなわち、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のそれぞれにおいて送信アレイ２０を挟んで受信アレイ３０を配置することで、超音波の送出角度がどのような角度になった場合でも、被検出物にて反射された超音波を検出することができる。
【００６０】
さらに、上記実施形態では、受信アレイ３０Ａ，３０Ｄにおいて、それぞれ個別に超音波を受信し、それぞれにおいて受信した超音波に基づいた受信信号を出力したが、図８〜図１０に示すような構成としてもよい。
図８に示す例では、第一受信アレイ３０Ａと第四受信アレイ３０Ｄにおいて、図９に示すように、１つの受信素子３１の上部電極線４３５と、例えばこの受信素子３１にｘ軸方向に沿って隣り合った受信素子３１の下部電極４３１とが直列に接続されている。このような構成では、各受信素子３１で受信された超音波に基づく受信信号が合計されて出力される。この構成では、上記実施形態に比べて、超音波の受信位置を詳細に求めることは困難となるが、受信信号を大きくすることができ、受信感度を高めることができる。また、図８に示す例では、ｙ＝ｙ１（ｙ＝ｙ３）の列方向に配置される受信素子３１が直列に接続された素子群と、ｙ＝ｙ２（ｙ＝ｙ４）の列方向に配置される受信素子３１が直列に接続された素子群とが、それぞれ独立している。このため、例えば1つの受信素子３１が破損した場合でも、他の列の素子群により超音波を受信でき、受信信号を出力できないリスクを回避できる。
さらに、図１０の構成では、ｘ軸方向に沿う列方向に隣り合う受信素子３１の下部電極４３１と、上部電極線４３５とが直列に接続されるとともに、各列の端部の受信素子３１（例えば、（ｘ１、ｙ１）に位置する受信素子３１と（ｘ１、ｙ２）に位置する受信素子３１）も直列に接続されている。このような構成では、図８に示す受信アレイ３０Ａ，３０Ｄよりも、さらに受信信号を大きくでき、受信感度を向上させることができる。
【００６１】
また、上述したように、超音波センサー１０の送信アレイ２０を構成する送信素子２１の個数や、素子ピッチＤout、ダイアフラム径は、送受信する超音波の周波数により適宜設定されるものであり、図４に示す例に限られず、使用用途により適宜設定することができる。また受信アレイ３０の受信素子３１の素子数やダイアフラム径においても同様であり、必要とする超音波の受信感度や、受信する超音波の周波数などのパラーメータにより適宜設定することができる。
【００６２】
また、第一実施形態では、超音波センサー１０に4つの受信アレイ３０が設けられる例を示したが、これに限定されない。受信アレイ３０としては、少なくとも３つ設けられていればよく、３つの受信アレイ３０を設ける場合、例えば送信アレイ２０の中心点に対して６０度間隔で均等に配置される構成などとしてもよい。また、５つ以上の受信アレイ３０を設ける構成としてもよく、この場合、多くの受信アレイ３０で受信された超音波に基づいて、より精度の高い被検出物の位置検出を実施することができる。
【００６３】
さらに、図１において、各送信素子２１の上部電極線４３５を、送信共通電極線４３６で結線し、各受信素子３１の上部電極線４３５を、受信共通電極線４３８で結線する構成を例示したが、例えば、各送信素子２１の上部電極線４３５がそれぞれ独立して端子に接続され、各上部電極線４３５に対して個別に電圧を印加可能な構成としてもよい。
【００６４】
以上、本発明を実施するための最良の構成について具体的に説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、当業者が様々な変形および改良を加えることができるものである。
【符号の説明】
【００６５】
１０…超音波センサー、２０…送信アレイ、２１…送信素子、３０…受信アレイ、３０Ａ…第一受信アレイ、３０Ｂ…第二受信アレイ、３０Ｃ…第三受信アレイ、３０Ｄ…第四受信アレイ、３１…受信素子、１００…電子機器であるＰＤＡ。
【図１】
0005673005.tif 000002
【図２】
0005673005.tif 000003
【図３】
0005673005.tif 000004
【図４】
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【図５】
0005673005.tif 000006
【図６】
0005673005.tif 000007
【図７】
0005673005.tif 000008
【図８】
0005673005.tif 000009
【図９】
0005673005.tif 000010
【図１０】
0005673005.tif 000011