(57)【要約】【課題】  圧電型超音波センサにおいて、圧電材料の薄膜のうちダイアフラムに対応する部分から効率良く電気エネルギーを取り出す。【解決手段】  １又は複数のダイアフラム５が形成された基板３と、基板３の一面に形成された圧電材料の薄膜７と、圧電材料の薄膜７のうち、１つのダイアフラム５に対応する部分の両面にそれぞれ形成された金属薄膜の電極６及び８を備えた圧電型超音波センサ１において、一方の面に形成された電極８を複数（例えば２つ）の領域８Ａ、８Ｂに分割し、従来同一電極内で互いに打ち消し合っていた逆極性の電荷を、極性を逆にして電荷量を増やすように取り出す。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１又は複数のダイアフラムが形成された基板と、前記基板の一面に形成された圧電材料の薄膜と、前記圧電材料の薄膜のうち１つのダイアフラムに対応する部分の両面にそれぞれ形成された金属薄膜の電極を備え、
一方の面に形成された電極が複数の領域に分割されていることを特徴とする圧電型超音波センサ。
【請求項２】
１又は複数のダイアフラムが形成された基板と、前記基板の一面に形成された圧電材料の薄膜と、前記圧電材料の薄膜のうち１つのダイアフラムに対応する部分の両面にそれぞれ形成された金属薄膜の電極を備え、
両面に形成された電極が、それぞれ互いに対向するように、複数の領域に分割されていることを特徴とする圧電型超音波センサ。
【請求項３】
前記電極は３以上の領域に分割され、前記圧電材料の薄膜及び互いに対向する２つの電極の領域で構成される複数の超音波受信部が、直列及び並列を含む所定のパターンに接続されていることを特徴とする請求項２に記載の圧電型超音波センサ。
【請求項４】
前記電極は、マトリクス状に配置された複数の領域に分割されており、互いに対向する領域で構成される複数の超音波受信部からの信号が個別に出力されることを特徴とする請求項２に記載の圧電型超音波センサ。
【請求項５】
前記ダイアフラムは略正方形であり、分割された複数の領域はそれぞれ台形であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧電型超音波センサ。
【請求項６】
分割された複数の領域は、１つのダイアフラムの振動の腹となる部分にピンポイント状に設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の圧電型超音波センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子を用いて計測対象物までの距離を検出する圧電型超音波センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、計測対象物の位置や形状を計測するセンサとして、計測対象物からの反射超音波を受信する圧電型超音波センサが知られている。このセンサは、圧電素子を用いた超音波受信素子により、超音波の発射から反射波を受信するまでの時間によって、計測対象物までの距離を検出する。超音波は、光に比べて伝搬速度が遅いため、距離計測が容易である。また、例えば特許文献１に記載されているように、圧電素子を用いた超音波受信素子をアレイ状に配列し、各超音波受信素子の出力に対して遅延処理を行うことにより、電気的に走査を行うことにより、計測対象物までの距離だけでなく、その形状なども検出することが可能である。
【０００３】
これら従来の圧電型超音波センサでは、例えばシリコン基板上に凹部を形成して、ダイアフラムを設け、さらに、ダイアフラムの片面に、圧電材料の薄膜及び圧電材料の薄膜の両面に形成された電極で構成された超音波受信素子を設けている。計測対象物からの反射波を受けると、ダイアフラムが振動し、その振動に応じて圧電材料が電圧を発生する。従って、電極間の電圧を測定することにより、測定対象物からの反射波を受信したことがわかる。
【０００４】
ところで、従来の圧電型超音波センサにおける電極は、ダイアフラムの振動モードに応じた最適な形状とはなっておらず、カー電気変換効率が悪いという問題を有していた。図１０に従来の圧電型超音波センサにおける超音波受信素子の断面構成を示す。従来の圧電型超音波センサでは、ダイヤフラム５１が設けられたシリコン基板５２の片面に圧電材料の薄膜５３が形成され、この圧電材料の薄膜５３の両面に、金属薄膜による下部電極５４及び上部電極５５が形成されている。
【０００５】
図１０に示す従来の圧電型超音波センサでは、媒質中を伝播する音波の周波数によって、さまざまな振動形態を示す。例えば、単層ダイヤフラムの超音波受信素子の共振周波数ｆｒは式１で与えられ、振動モードによって共振周波数は大きく異なり、振動形態も異なる。
【数１】
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【０００６】
このとき、圧電材料による薄膜５３には、その部位によって圧縮応力又は引張り応力が働き、それぞれ極性の異なる電荷が発生する。例えば、上記式１において、ｍ＝１、ｎ＝２の振動モードの場合には、図１１に示すような応力が働き、図１２に示すような電荷が発生する。図１２に示すような電化が発生すると、同一の電極内で正負の電荷が発生するため、互いに打ち消しあい、大きな電気エネルギーを取り出すことができない。
【特許文献１】特開２００２−１５６４５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、圧電材料の薄膜のうちダイアフラムに対応する部分から効率良く電気エネルギーを取り出すことが可能な圧電型超音波センサ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】
【０００８】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、圧電型超音波センサであって、１又は複数のダイアフラムが形成された基板と、前記基板の一面に形成された圧電材料の薄膜と、前記圧電材料の薄膜のうち１つのダイアフラムに対応する部分の両面にそれぞれ形成された金属薄膜の電極を備え、一方の面に形成された電極が複数の領域に分割されている。
【０００９】
請求項２の発明は、１又は複数のダイアフラムが形成された基板と、前記基板の一面に形成された圧電材料の薄膜と、前記圧電材料の薄膜のうち１つのダイアフラムに対応する部分の両面にそれぞれ形成された金属薄膜の電極を備え、両面に形成された電極が、それぞれ互いに対向するように、複数の領域に分割されている。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項２の圧電型超音波センサにおいて、前記電極は３以上の領域に分割され、前記圧電材料の薄膜及び互いに対向する２つの電極の領域で構成される複数の超音波受信部が、直列及び並列を含む所定のパターンに接続されている。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項２の圧電型超音波センサにおいて、前記電極は、マトリクス状に配置された複数の領域に分割されており、互いに対向する領域で構成される複数の超音波受信部からの信号が個別に出力される。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項１又は２の圧電型超音波センサにおいて、前記ダイアフラムは略正方形であり、分割された複数の領域はそれぞれ台形である。
【００１３】
請求項６の発明は、請求項１ないし４の圧電型超音波センサにおいて、分割された複数の領域は、１つのダイアフラムの振動の腹となる部分にピンポイント状に設けられている。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１の発明によれば、圧電材料の薄膜の一方の面に形成された電極が、複数の領域に分割され、他方の面に形成された電極は分割されていないので、分割された各領域にそれぞれ配線を接続することにより、他方の面に形成された電極をコモン電極として、それぞれの領域から信号を取り出すことができる。そして、後から信号処理を行うことにより、逆極性の電荷による打ち消し合いを防止して、圧電材料の薄膜のうちダイアフラムに対応する部分から効率良く電気エネルギーを取り出すことができる。また、圧電材料の薄膜の一方の面に形成された電極が、２つの領域に分割されているときは、分割された各領域に配線を接続することにより、実質的に２つの超音波受信部が並列に設けられ、かつ、電気的に直列接続された構成となる。そのため、例えば、図１１に示すような応力が働き、図１２に示すような電荷が発生した場合でも、従来同一電極内で互いに打ち消し合っていた逆極性の電荷を、極性を逆にして電荷量を増やすように取り出すことができ、圧電材料の薄膜のうちダイアフラムに対応する部分から効率良く電気エネルギーを取り出すことができる。
【００１５】
請求項２の発明によれば、圧電材料の薄膜の両面に形成された電極が、それぞれ互いに対向するように、複数の領域に分割されているので、圧電材料の薄膜及び互いに対向する２つの電極の領域で構成される複数の超音波受信部が実質的に並列に設けられた構成となる。領域の分割数が２つの場合、これら２つの超音波受信部を電気的に直列接続すれば、請求項１と同等の効果が得られる。領域を３以上とすれば、上記以外の様々な振動モードに応じて、圧電材料の薄膜のうちダイアフラムに対応する部分から効率良く電気エネルギーを取り出すことが可能となる。
【００１６】
請求項３の発明によれば、領域の分割数を３以上とし、圧電材料の薄膜及び互いに対向する２つの電極の領域で構成される複数の超音波受信部が、直列及び並列を含む所定のパターンに接続されているので、様々な振動モードに応じて、圧電材料の薄膜のうちダイアフラムに対応する部分から効率良く電気エネルギーを取り出すことが可能となる。
【００１７】
請求項４の発明によれば、実質的にマトリックス状に配置された複数の超音波受信部からの信号が個別に出力されので、振動モードがあらかじめ判っていなくても、各超音波受信部からの信号を演算処理することによって、後から振動モードに応じた信号を取り出すことができる。そのため、同一の圧電型超音波センサを、様々なモードで振動する場合に適応させることができる。
【００１８】
請求項５の発明によれば、ダイアフラムを略正方形とし、分割された複数の領域をそれぞれ台形としているので、例えば、図１１に示すような応力が働き、図１２に示すような電荷が発生した場合に、実際の振動形態に適した形状とすることができ、圧電材料の薄膜のうちダイアフラムに対応する部分から効率良く電気エネルギーを取り出すことができる。
【００１９】
請求項６の発明によれば、分割された複数の領域を１つのダイアフラムの振動の腹となる部分にピンポイント状に設けているので、圧電材料の薄膜のうち最もひずみ量の大きい部分に超音波受信部を配置することができ、最も電位差の大きい信号が得られる。特に、マトリックス状に配置された複数の超音波受信部からの信号の中から、最も電位差の大きい組み合わせを選択することにより、振動モードが不明な場合においても、圧電材料の薄膜のうちダイアフラムに対応する部分から効率良く電気エネルギーを取り出すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。本発明の第１の実施の形態に係る圧電型超音波センサの構成を図１に示す。第１の実施の形態に係る圧電型超音波センサ１は、例えば４×４の計１６個の超音波受信素子２がマトリックス状に配列されたアレイ型の超音波センサである。
【００２１】
次に、１つの超音波受信素子２の構成を図２に示す。図２に示すように、シリコン基板３の片面側から、上記マトリックス状配列に対応して、略矩形（正方形）断面を有する凹部４が形成され、凹部４の底に肉厚の薄いダイアフラム５が形成されている。シリコン基板３の平坦面側には、ダイアフラム５に対応して、金属薄膜による略矩形（正方形）の下部電極６が形成され、さらに、下部電極６の上から圧電材料の薄膜７が形成されている。さらに、圧電材料の薄膜７を介して下部電極６に対向するように、略矩形（長方形）の２つの領域８Ａ及び８Ｂに分割された上部電極８が形成されている。そして、２つに分割された上部電極８の各領域８Ａ及び８Ｂに配線を接続し、これらの間から信号を取り出す。
【００２２】
このような構成により、圧電材料の薄膜７と、この両面に設けられた下部電極６及び上部電極８の領域８Ａとで１つの微小な超音波受信部を構成し、さらに、圧電材料の薄膜７と、この両面に設けられた下部電極６及び上部電極８の領域８Ｂとで他の１つの微小な超音波受信部を構成する。そして、下部電極６が共通であるため、これら２つの微小な超音波受信部は、極性を逆にして直列接続されていることになる。
【００２３】
例えば、上記式１における、ｍ＝１、ｎ＝２の振動モードの場合における、超音波受信素子２の状態を図３に示す。図１２に示す従来例と比較して、従来の構成によれば同一電極内で互いに打ち消し合っていた逆極性の電荷を、極性を逆にして、電荷量を増やすように取り出すことができる。その結果、圧電材料の薄膜７のうちダイアフラム５に対応する部分で発生した電気エネルギーを効率良く取り出すことができる。
【００２４】
次に、第１の実施の形態に係る圧電型超音波センサ１の変形例について説明する。正方形のダイアフラム５が、上記式１における、ｍ＝１、ｎ＝２の振動モード、又は、ｍ＝２、ｎ＝１の振動モードで振動する場合、図４に示すような振動形態となる。なお、図４において、（ａ）はダイアフラム５を正面から見た時の等高線図であり、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。図４から分かるように、振動の腹となる部分は、上部電極８の各領域８Ａ及び８Ｂの中心からずれており、略台形状に変形している。そこで、図５に示すように、上部電極８の各領域８Ａ及び８Ｂの形状を台形状とすることにより、矩形の場合に比べて圧電材料の薄膜７で生じる電気エネルギーを効率良く取り出すことができる。
【００２５】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図６は、第２の実施の形態に係る圧電型超音波センサの側部断面構成を示す。第２の実施の形態では、圧電材料の薄膜７のうち１つのダイアフラム５に対応する部分の両面にそれぞれ形成された下部電極６及び上部電極８が、それぞれ互いに対向するように、複数の領域６Ａ、６Ｂ、・・・及び８Ａ、８Ｂ、・・・に分割されている。領域の分割数は、２つには限定されず、３以上であってもよい。特に、ダイアフラム５の様々な振動モードに対応するには、分割数を偶数にしてマトリックス状に配置することが好ましい。
【００２６】
第２の実施の形態によれば、圧電材料の薄膜７と、この両面に設けられた下部電極６の各領域６Ａ、６Ｂ・・・及び上部電極８の各領域８Ａ、８Ｂ・・・で構成された複数の微小な超音波受信部が並列に配列されることになる。例えば、領域の分割数が２の場合は、図７に示すように、これら２つの微小な超音波受信部を電気的に直列接続することにより、上記第１の実施の形態の場合と同様の効果が得られる。また、３以上の領域に分割されている場合は、各微小な超音波受信部のうち圧縮応力が働くもの同士を並列に接続し、また引っ張り応力が働くもの同士を並列に接続し、並列接続された圧縮応力が働く一群と、並列接続された引っ張り応力が働く一群とを直列接続する。このように、領域の分割数を３以上とし、複数の微小な超音波受信部を、直列及び並列を含む所定のパターンに接続することにより、ダイアフラム５の様々な振動モードに応じて、圧電材料の薄膜に発生する電気エネルギーを効率良く取り出すことができる。
【００２７】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図８は、第３の実施の形態に係る圧電型超音波センサの１つの超音波検出素子２における上部電極の領域の分割パターンを示す平面図である。図８に示すように、第３の実施の形態では、１つの超音波受信素子２の上部電極８を、４×４の計１６個のマトリックス状に配列された領域８Ａ、８Ｂ、・・・に分割している。各領域８Ａ、８Ｂ、・・・は、それぞれ金属薄膜による配線９Ａ、９Ｂ、・・・を介して、シリコン基板３上のダイアフラム５以外の部分に形成された端子１０Ａ、１０Ｂ、・・・に接続されている。また、下部電極６は、第１の実施の形態の場合と同様に単一であり、複数の領域には分割されておらず、コモン電極として機能する。そして、下部電極６と上部電極８の各領域８Ａ、８Ｂ、・・・との間から信号を取り出す。この構成によっても、圧電材料の薄膜７と、この両面に設けられた単一の下部電極６及び上部電極８の各領域８Ａ、８Ｂ・・・で構成された複数の微小な超音波受信部が並列に配列されることになる。
【００２８】
複数の微小な超音波受信部の中には、圧縮応力が働いているものと引っ張り応力が働いているものが混在しているので、取り出された各信号中にも極性が逆の信号が含まれる。そこで、取り出されたか各信号は、そのまま図示しない信号処理部に入力され、所定の信号処理を経て出力される。第３の実施の形態によれば、ダイアフラム５の振動モードがあらかじめ判っていなくても、各超音波受信部から取り出した信号を後から処理することにより、振動モードに対応した信号に加工して出力することができる。その結果、同一の圧電型超音波センサを様々なモードで振動する場合に適応させることができる。
【００２９】
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図９は、第４の実施の形態に係る圧電型超音波センサの１つの超音波検出素子２における上部電極の領域の分割パターンを示す平面図である。図４（ａ）と図９を参照して分かるように、第４の実施の形態では、上部電極８の分割された２つの領域８Ｘ及び８Ｙを、１つのダイアフラム５の振動の腹となる部分にピンポイント状に設けている。下部電極６は、例えば第１及び第３の実施の形態の場合と同様に、複数の領域に分割せずに単一としてもよいし、第２の実施の形態の場合と同様に、上部電極８の各領域８Ｘ及び８Ｙに対向するように、２つの領域に分割してもよい。
【００３０】
第４の実施の形態によれば、１つのダイアフラム５に対応する圧電材料の薄膜７のうち最もひずみ量の大きい部分に、上部電極８の分割された領域８Ｘ及び８Ｙを配置しているので、実質的に、圧電材料の薄膜７と、この両面に設けられた下部電極６及び上部電極８の各領域８Ｘ及び８Ｙで構成された２つの微小な超音波受信部を配置することができ、最も電位差の大きい信号を得ることができる。この信号を増幅することにより、ダイアフラム５における振動を効率良く検出することができる。なお、上部電極８の各領域８Ｘ及び８Ｙの大きさ及び形状としては、例えば直径約５０μｍ程度の円形又は１辺が約５０μｍの正方形、その他任意の形状とすることができる。
【００３１】
また、上記第３の実施の形態における上部電極８の各領域８Ａ、８Ｂ、・・・の大きさを、第４の実施の形態における領域８Ｘ及び８Ｙと同様に、ピンスポット状に小さくすることにより、ダイアフラム５の振動モードがあらかじめ判っていなくても、各超音波受信部から取り出した信号の中から最も電位差の大きい信号を抽出することにより、振動モードに対応することができ、同一の圧電型超音波センサを様々なモードで振動する場合に適応させることができる。
【００３２】
なお、上記、各実施の形態では、超音波受信素子２がマトリックス状に配列されたアレイ型の超音波センサを例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、超音波受信素子を１つしか有していない圧電型超音波センサにも適用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る圧電型超音波センサの構成を示す正面図
【図２】第１の実施の形態における圧電型超音波センサの１つの超音波受信素子の構成を示す側部断面図
【図３】第１の実施の形態における圧電型超音波センサの１つの超音波受信素子の振動状態の一例を示す側部断面図
【図４】第１の実施の形態に係る圧電型超音波センサの振動形態を示す図であり、（ａ）はダイアフラムを正面から見た時の等高線図、（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図
【図５】第１の実施の形態の変形例における上部電極の分割された各領域の形状を示す正面図
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る圧電型超音波センサの構成を示す側部断面図
【図７】第２の実施の形態における圧電型超音波センサの１つの超音波受信素子における電極の分割された各領域の接続例を示す断面図
【図８】本発明の第３の実施の形態に係る圧電型超音波センサの１つの超音波受信素子における上部電極の領域分割例を示す平面図
【図９】本発明の第４の実施の形態に係る圧電型超音波センサの１つの超音波受信素子における上部電極の領域分割例を示す平面図
【図１０】従来の圧電型超音波センサの構成を示す断面図
【図１１】従来の圧電型超音波センサが振動モードにあるときの応力状態を示す断面図
【図１２】従来の圧電型超音波センサが振動モードにあるときの電荷発生状態を示す断面図
【符号の説明】
【００３４】
１  圧電型超音波センサ
２  超音波受信素子
３  シリコン基板
４  凹部
５  ダイアフラム
６  下部電極
６Ａ、６Ｂ  下部電極の分割された領域
７  圧電材料の薄膜
８  上部電極
８Ａ、８Ｂ、８Ｘ、８Ｙ  上部電極の分割された領域
【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】
2005051686.tif 000013
【図１１】
2005051686.tif 000014
【図１２】
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