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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023166676
(43)【公開日】2023-11-22
(54)【発明の名称】超音波センサ装置
(51)【国際特許分類】
   H04R 17/00 20060101AFI20231115BHJP
【FI】
H04R17/00 330K
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022077332
(22)【出願日】2022-05-10
(71)【出願人】
【識別番号】000003551
【氏名又は名称】株式会社東海理化電機製作所
(74)【代理人】
【識別番号】110002583
【氏名又は名称】弁理士法人平田国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】吉満 翔平
【テーマコード(参考)】
5D019
【Fターム(参考)】
5D019AA09
5D019BB02
5D019BB13
5D019FF01
(57)【要約】
【課題】減衰を抑制した超音波を送信することができる超音波センサ装置を提供する。
【解決手段】超音波センサ装置1は、開口24を有する基体2と、開口24に設けられ、超音波7の送受信により基体2に対して振動する振動板3と、基体2と振動板3の間に設けられた少なくとも1つの梁部4と、梁部4のみに設けられ、振動板3が基体の一部を薄膜化して形成される場合と比べて低い周波数の超音波7を送信する圧電体5と、を備えて概略構成されている。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
開口を有する基体と、
前記開口に設けられ、超音波の送受信により前記基体に対して振動する振動板と、
前記基体と前記振動板の間に設けられた少なくとも1つの梁部と、
前記梁部のみに設けられ、前記振動板が前記基体の一部を薄膜化して形成される場合と比べて低い周波数の超音波を送信する圧電体と、
を備えた超音波センサ装置。
【請求項2】
前記梁部は、前記基体と前記振動板の間に複数設けられた、
請求項1に記載の超音波センサ装置。
【請求項3】
前記梁部は、前記振動板を介して対向するように複数設けられた、
請求項2に記載の超音波センサ装置。
【請求項4】
前記振動板は、前記開口の縁部に向かって突出する複数の突出部を有し、
前記梁部は、複数の前記突出部の間に設けられている、
請求項2又は3に記載の超音波センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、超音波センサ装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来の技術として、超音波を送信する送信手段から送信され、被検出体にて反射された超音波が伝達して振動する振動部、及びこの振動部に超音波を伝達する伝達部を有した超音波検出素子と、被検出体にて反射された超音波を受信する受信面が被検出体の存在する空間側に露出し、受信面と対向する面に、伝達部において超音波検出素子が取り付けられ、受信面で受信した超音波を伝達部に伝達すると共に、受信面で受信した超音波により内部に定在波が発生し、繰り返し変形が生じる音響整合部材と、を備えた超音波センサが知られている(例えば、特許文献1参照。)。
【0003】
この超音波センサは、音響整合部材の受信面で受信した超音波により発生する定在波によって音響整合部材に生じる繰り返し変形により共振するように構成されているため、音響整合部材の受信面の大きさによらず、伝達される振動の振幅が増大する。また超音波センサは、超音波検出素子を、超音波を送信可能な素子として用いた場合、音響整合部材によって送信する超音波の音圧を増大させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2008-85462号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
超音波は、周波数が低いほど空気中における減衰が小さいことが知られている。従来の超音波センサは、音響整合部材を利用しない場合、送信する超音波の周波数を下げることが難しい。
【0006】
従って本発明の目的は、減衰を抑制した超音波を送信することができる超音波センサ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一態様は、開口を有する基体と、開口に設けられ、超音波の送受信により基体に対して振動する振動板と、基体と振動板の間に設けられた少なくとも1つの梁部と、梁部のみに設けられ、振動板が基体の一部を薄膜化して形成される場合と比べて低い周波数の超音波を送信する圧電体と、を備えた超音波センサ装置を提供する。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、減衰を抑制した超音波を送信することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
図1図1(a)は、超音波センサ装置の一例を示す上面図であり、図1(b)は、図1(a)のA-A線の断面図の一例であり、図1(c)は、図1(a)のB-B線の断面図の一例であり、図1(d)は、図1(a)のC-C線の断面図の一例である。
図2図2(a)は、超音波センサ装置のブロック図の一例であり、図2(b)は、振動板の直径と共振周波数の関係の一例を示すグラフであり、図2(c)は、第1の変形例に係る超音波センサ装置の一例を示す上面図である。
図3図3(a)は、第2の変形例に係る超音波センサ装置の一例を示す上面図であり、図3(b)は、第3の変形例に係る超音波センサ装置の一例を示す上面図である。
図4図4(a)~図4(d)は、超音波センサ装置の製造工程の一例を示す図である。
図5図5(a)~図5(d)は、超音波センサ装置の製造工程の一例を示す図である。
図6図6(a)及び図6(b)は、超音波センサ装置の製造工程の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
(実施の形態の要約)
実施の形態に係る超音波センサ装置は、開口を有する基体と、開口に設けられ、超音波の送受信により基体に対して振動する振動板と、基体と振動板の間に設けられた少なくとも1つの梁部と、梁部のみに設けられ、振動板が基体の一部を薄膜化して形成される場合と比べて低い周波数の超音波を送信する圧電体と、を備えて概略構成されている。
【0011】
この超音波センサ装置は、基体の一部を薄膜化して振動板を形成し、かつ振動板の上に圧電体を形成するセンサと比べ、振動板の剛性が低いことで、当該センサと比べて低い周波数の超音波を送信することができるので、減衰を抑制した超音波を送信することができる。
【0012】
[実施の形態]
(超音波センサ装置1の概要)
図1(a)は、実施の形態に係る超音波センサ装置の一例を示す上面図であり、図1(b)は、図1(a)のA-A線で切断した断面を矢印方向から見た断面図の一例であり、図1(c)は、図1(a)のB-B線で切断した断面を矢印方向から見た断面図の一例であり、図1(d)は、図1(a)のC-C線で切断した断面を矢印方向から見た断面図の一例である。図2(a)は、実施の形態に係る超音波センサ装置のブロック図の一例であり、図2(b)は、振動板の直径と共振周波数の関係の一例を示すグラフである。図2(b)のグラフは、縦軸の単位がkHzであり、横軸の単位がmmであり、シミュレーションした結果を示している。
【0013】
なお以下に記載する実施の形態に係る各図において、図形間の比率や形状は、実際の比率や形状とは異なる場合がある。また図2(a)では、主な信号や情報の流れを矢印で示している。さらに数値範囲を示す「A~B」は、A以上B以下の意味で用いるものとする。
【0014】
本実施の形態の超音波センサ装置1は、一例として、車両の外側に向けて超音波を送信し、対象物を反射した超音波を受信することにより、車両から当該対象物までの距離を測定するTOF(Time-of-Flight)センサである。従って送信される超音波は、遠くの対象物までの距離を測定可能であることが好ましい。このため、送信される超音波は、減衰が小さいことが好ましい。減衰が小さい超音波を送信するためには、振動板の剛性を下げて共振周波数を下げる必要がある。しかし共振周波数を下げるためには、振動板の直径を大きくする必要があり、センサの占有面積が増加する問題がある。本実施の形態の超音波センサ装置1は、振動板の直径を変えずに共振周波数を下げるように構成されている。
【0015】
具体的には、超音波センサ装置1は、図1(a)~図1(d)に示すように、開口24を有する基体2と、開口24に設けられ、超音波7の送受信により基体2に対して振動する振動板3と、基体2と振動板3の間に設けられた少なくとも1つの梁部4と、梁部4のみに設けられ、振動板3が基体の一部を薄膜化して形成される場合と比べて低い周波数の超音波7を送信する圧電体5と、を備えて概略構成されている。
【0016】
梁部4は、基体2と振動板3の間に複数設けられている。さらに本実施の形態の梁部4は、振動板3を介して対向するように複数設けられている。この梁部4は、図1(a)の紙面において時計回りに、第1の梁部41~第4の梁部44を備えて構成されている。第1の梁部41は、振動板3を介して第3の梁部43と対向している。第2の梁部42は、振動板3を介して第4の梁部44と対向している。
【0017】
超音波センサ装置1は、第1の梁部41~第4の梁部44を有しているので、それぞれの梁部に設けられた第1の圧電体5a~第4の圧電体5dを有している。
【0018】
超音波センサ装置1は、図2(a)に示すように、第1の圧電体5a~第4の圧電体5dと電気的に接続された制御部6を備えている。この制御部6は、第1の圧電体5a~第4の圧電体5dの測定結果に基づいて検出対象までの距離を算出し、距離情報Sとして接続先の電子機器9に出力する。この電子機器9は、一例として、車両の車両制御装置である。この車両制御装置は、例えば、車間距離を保つ機能や衝突を回避する機能などを制御するものである。
【0019】
(基体2の構成)
基体2は、一例として、シリコン膜の間に絶縁膜を設けたSOI(Silicon on Insulator)基板である。基体2は、図1(b)に示すように、第1のシリコン膜20、絶縁膜である酸化膜21、及び第2のシリコン膜22を有している。
【0020】
第1のシリコン膜20は、一例として、膜厚が100~800μmである。酸化膜21は、一例として、膜厚が0.1~5μmの酸化シリコン膜である。第2のシリコン膜22は、一例として、膜厚が1~20μmである。
【0021】
基体2は、図1(b)~図1(d)に示すように、第1のシリコン膜20と酸化膜21をエッチングすることで形成されたキャビティ10を有している。このキャビティ10は、第2のシリコン膜22側が先細りとなる円錐形状の一部となる形状を有している。キャビティ10は、一例として、直径が100~3000μmである。
【0022】
基体2は、開口24が第2のシリコン膜22の表面23に設けられている。この開口24は、キャビティ10と繋がるように貫通孔である。開口24は、半径の異なる2つの円の間のような扇形状を有する第1の開口24a~第4の開口24dを備えている。
【0023】
第1の開口24aは、第1の梁部41と第2の梁部42との間に設けられている。第2の開口24bは、第2の梁部42と第3の梁部43との間に設けられている。第3の開口24cは、第3の梁部43と第4の梁部44との間に設けられている。第4の開口24dは、第4の梁部44と第1の梁部41との間に設けられている。
【0024】
(振動板3の構成)
振動板3は、第2のシリコン膜22を加工して形成されている。従って振動板3は、一例として、膜厚が第2のシリコン膜22と同じである。
【0025】
振動板3は、円形の板形状を有している。振動板3は、一例として、直径が50~2500μmである。
【0026】
(梁部4の構成)
梁部4は、第2のシリコン膜22を加工して形成されている。従って梁部4は、一例として、膜厚が第2のシリコン膜22と同じである。
【0027】
第1の梁部41~第4の梁部44は、図1(a)に示すように、開口24の外周である縁部240と振動板3の外周である縁部300とを繋いでいる。つまり振動板3は、第1の梁部41~第4の梁部44を介して基体2に支持されている。なお梁部4は、縁部240と縁部300とを直線的に繋ぐ形状に限定されない。
【0028】
この開口24の外周である縁部240は、開口24を形成しない場合の振動板3の外周となる。つまり本実施の形態の振動板3は、開口24を形成しない場合と比べて、短い直径となっている。
【0029】
第1の梁部41~第4の梁部44は、細長い矩形状を有している。この第1の梁部41~第4の梁部44は、一例として、幅が10~500μmである。
【0030】
第1の梁部41~第4の梁部44は、90°間隔で設けられている。第1の梁部41は、第3の梁部43と振動板3を介して対向している。また第2の梁部42は、第4の梁部44と振動板3を介して対向している。
【0031】
(圧電体5の構成)
圧電体5は、第1の梁部41~第4の梁部44の上に設けられた第1の圧電体5a~第4の圧電体5dを有している。第1の圧電体5a~第2の圧電体5dは、図1(b)に示すように、下部電極50、圧電膜51及び上部電極52が積層されて構成されている。なお圧電体5は、梁部4の剛性を向上させている。
【0032】
下部電極50は、第2のシリコン膜22の上に設けられている。下部電極50は、一例として、白金やモリブデンを用いて細長い板形状に形成されている。下部電極50は、一例として、膜厚が20~1000nmである。
【0033】
圧電膜51は、下部電極50と上部電極52に挟まれている。圧電膜51は、窒化アルミニウムやチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などを用いて細長い板形状に形成されている。圧電膜51は、一例として、膜厚が500~5000nmである。
【0034】
上部電極52は、圧電膜51の上に設けられている。上部電極52は、一例として、白金やモリブデンを用いて細長い板形状に形成されている。上部電極52は、一例として、膜厚が20~1000nmである。
【0035】
(制御部6の構成)
制御部6は、例えば、記憶されたプログラムに従って、取得したデータに演算、加工などを行うCPU(Central Processing Unit)、半導体メモリであるRAM(Random Access Memory)及びROM(Read Only Memory)などから構成されるマイクロコンピュータである。このROMには、例えば、制御部6が動作するためのプログラムが格納されている。RAMは、例えば、一時的に演算結果などを格納する記憶領域として用いられる。また制御部6は、その内部にクロック信号を生成する手段を有し、このクロック信号に基づいて動作を行うと共に時間の測定を行う。
【0036】
制御部6は、対象物までの距離を測定する場合、まず駆動信号S~駆動信号Sを第1の圧電体5a~第4の圧電体5dに出力する。この駆動信号S~駆動信号Sは、交流電圧信号である。第1の圧電体5a~第4の圧電体5dは、この駆動信号S~駆動信号Sにより、伸縮と伸長を繰り返すので、この伸縮と伸長に応じて振動板3が振動する。
【0037】
また制御部6は、予め定められた期間、駆動信号S~駆動信号Sを出力した後、駆動信号を停止する。振動板3の振動によってキャビティ10を介して送信された超音波7は、対象物に反射して再度キャビティ10に到達して振動板3を振動させる。この振動板3の振動によって第1の圧電体5a~第4の圧電体5dは、伸縮と伸長を繰り返し、受信信号S~受信信号Sを制御部6に出力する。制御部6は、超音波7の速度と、駆動信号S~駆動信号Sを出力してから受信信号S~受信信号Sを得るまでの時間と、に基づいて対象物までの距離を算出する。そして制御部6は、算出した距離の情報を含む距離情報Sを生成して電気的に接続された電子機器9に出力する。
【0038】
なお超音波センサ装置1は、超音波7の送信と受信を2つの超音波センサ装置で構成しても良い。
【0039】
・共振周波数について
超音波は、周波数が小さいほど空気中での減衰が小さくなり、遠距離の測定が可能となる。超音波の周波数を下げる方法は、一例として、以下に示す共振周波数を下げる方法が知られている。なお超音波センサ装置1は、振動板3の共振周波数で振動させると効率が良く、また超音波の受信感度も向上する。
【0040】
この共振周波数とは、振動板3が最も振動し易い周波数である。例えば、圧電体5を共振周波数で振動させて超音波7を送信すると、超音波7の音圧が高くなる。また対象物を反射して戻ってきた超音波7は、振動板3を共振周波数で振動させるので、大きく振動して受信感度が向上する。
【0041】
共振周波数ωは、以下の式で表される。
ω=(1/2π)√(k/m)
kは、弾性係数である。mは、質量である。この式より共振周波数ωは、弾性係数kを下げるか、質量mを大きくすることで下げることができる。
【0042】
振動板3は、膜厚が第2のシリコン膜22によって定まっているので、質量mを大きくするためには、面積を増やす、つまり直径を大きくすれば良い。共振周波数ωは、一例として、図2(b)に示すように、振動板3の直径を大きくすると下げることができる。しかし振動板3の直径を大きくした場合、超音波センサ装置1は、製品サイズが大きくなる問題がある。
【0043】
ここで上記の弾性係数kは、変形のし難さを示している。つまり弾性係数kは、低剛性とすることで下げることができる。本実施の形態の超音波センサ装置1は、基体2を薄膜化して振動板3を形成するのみでなく、開口24を設け、また梁部4によって支持することで振動板3の剛性を下げている。図2(b)に白丸で示す共振周波数は、基体を薄膜化するのみで振動板を形成した場合の黒丸で示す共振周波数と比べて、下がっている。つまり超音波センサ装置1は、振動板3の剛性を下げることにより、直径を変えずに共振周波数を下げ、周波数を小さくした超音波7を送信することができる。
【0044】
以下に超音波センサ装置1の変形例について説明する。
【0045】
(変形例について)
・第1の変形例について
図2(c)は、第1の変形例に係る超音波センサ装置の一例を示す上面図である。この変形例に係る超音波センサ装置1は、1つの梁部4によって振動板3が支持されている。梁部4には、1つの圧電体5が設けられている。
【0046】
・第2の変形例について
図3(a)は、第2の変形例に係る超音波センサ装置の一例を示す上面図である。
【0047】
超音波センサ装置1の振動板3は、図3(a)に示すように、は、開口24の縁部240に向かって突出する複数の突出部を有している。この梁部4は、複数の突出部の間に設けられている。
【0048】
本実施の形態の複数の突出部は、第1の突出部31~第4の突出部34である。第1の突出部31~第4の突出部34は、扇形状を有しているがこれに限定されない。第1の突出部31は、第3の突出部33と対向している。また第2の突出部32は、第4の突出部34と対向している。
【0049】
超音波センサ装置1は、第1の突出部31~第4の突出部34の間に第1の梁部41~第4の梁部44を有している。また超音波センサ装置1は、第1の梁部41~第4の梁部44の上に第1の圧電体5a~第4の圧電体5dが設けられている。
【0050】
振動板3は、突出部がない場合と比べて、面積が増加している。従って超音波センサ装置1は、剛性を下げると共に、質量をあげることができるので、この構成を採用しない場合と比べて、より周波数の小さい超音波7を送信することができる。また音圧は、振動板3の面積にほぼ比例する。よって超音波センサ装置1は、突出部を備えない場合と比べて、送信する際の音圧を高めることができる。
【0051】
・第3の変形例について
図3(b)は、第3の変形例に係る超音波センサ装置の一例を示す上面図である。この超音波センサ装置1は、図3(b)に示すように、第1の突出部31~第3の突出部33が互いに対向するのではなく、120°間隔で設けられている。また梁部4は、第1の突出部31~第3の突出部33の間に第1の梁部41~第3の梁部43が設けられている。この変形例の超音波センサ装置1は、音圧が高く、周波数の小さい超音波7を送信することができる。
【0052】
以下に超音波センサ装置1の製造方法について図4(a)~図6(b)の工程図の一例を参照して説明する。
【0053】
(超音波センサ装置1の製造方法)
まず図4(a)に示すように、SOI基板である基体2を準備する。
【0054】
次に図4(b)に示すように、第2のシリコン膜22の上に、スパッタ法などによって下部電極50の前駆体膜となる金属膜500を形成する。
【0055】
次に図4(c)に示すように、金属膜500の上に、スパッタ法などによって圧電膜51の前駆体膜となる圧電前駆体膜510を形成する。
【0056】
次に図4(d)に示すように、圧電前駆体膜510の上に、スパッタ法などによって上部電極52の前駆体膜となる金属膜520を形成する。
【0057】
次に図5(a)に示すように、上部電極52に応じたレジストを金属膜520の上に形成した後、エッチング法などにより、金属膜520を加工して上部電極52を形成する。
【0058】
次に図5(b)に示すように、圧電膜51に応じたレジストを圧電前駆体膜510の上に形成した後、エッチング法などにより、圧電前駆体膜510を加工して圧電膜51を形成する。
【0059】
次に図5(c)に示すように、下部電極50に応じたレジストを金属膜500の上に形成した後、エッチング法などにより、金属膜500を加工して下部電極50を形成する。
【0060】
次に図5(d)に示すように、開口24に応じたレジストを第2のシリコン膜22の上に形成した後、エッチング法などにより、第2のシリコン膜22を加工して開口24を形成する。このエッチングでは、第2のシリコン膜22が選択的に除去される。
【0061】
次に図6(a)に示すように、基体2の上下を反転させて第1のシリコン膜20を上にし、キャビティ10に応じたレジストを第1のシリコン膜20の上に形成した後、エッチング法などにより、第1のシリコン膜20を加工してキャビティ10を形成する。このエッチングでは、第1のシリコン膜20が選択的に除去される。
【0062】
次に図6(b)に示すように、エッチング法などにより、キャビティ10に露出する酸化膜21を除去し、超音波センサ装置1を得る。このエッチングでは、酸化膜21が選択的に除去される。
【0063】
(実施の形態の効果)
本実施の形態に係る超音波センサ装置1は、減衰を抑制した超音波を送信することができる。具体的には、超音波センサ装置1は、開口24を設け、梁部4によって振動板3を支持することによって基板2に対する振動板3の剛性を下げるので、薄膜化のみで振動板を形成する場合と比べて、占有面積が同じでありながら共振周波数を下げて減衰を抑制した超音波7を送信することができる。
【0064】
超音波センサ装置1は、減衰の抑制された超音波7を送信することができるので、薄膜化のみで振動板を形成する場合と比べて、同じ製品サイズでありながら遠距離の測定を行うことができる。
【0065】
超音波センサ装置1は、薄膜化のみで振動板を形成する場合と同じ製品サイズでありながら共振周波数を下げて減衰の抑制された超音波7を送信することができる。
【0066】
超音波センサ装置1は、振動板3が突出部を有しているので、この構成を採用しない場合と比べて、振動板3の上に圧電体5を形成しなくても振動板3の質量を増加させてさらに共振周波数を下げることができ、また振動板3の面積を増加させて超音波7の音圧を向上させることができる。
【0067】
超音波センサ装置1は、梁部4のみに圧電体5を形成するので、振動板の上に圧電体を形成する場合と比べて、共振周波数を下げつつ超音波7の送受信の際の振動の振幅を大きくすることができる。従って超音波センサ装置1は、減衰の抑制された超音波7を送信し、さらに受信精度を高めることができる。
【0068】
以上、本発明のいくつかの実施の形態及び変形例を説明したが、これらの実施の形態及び変形例は、一例に過ぎず、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。これら新規な実施の形態及び変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。また、これら実施の形態及び変形例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。さらに、これら実施の形態及び変形例は、発明の範囲及び要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0069】
1…超音波センサ装置、2…基体、3…振動板、4…梁部、5…圧電体、5a~5d…第1の圧電体~第4の圧電体、7…超音波、20…第1のシリコン膜、21…酸化膜、22…第2のシリコン膜、24…開口、31~34…第1の突出部~第4の突出部、41~44…第1の梁部~第4の梁部、50…下部電極、51…圧電膜、52…上部電極、51~54…第1の圧電体~第4の圧電体
図1
図2
図3
図4
図5
図6