(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-09-09
(45)【発行日】2022-09-20
(54)【発明の名称】超音波トランスデューサー
(51)【国際特許分類】
H04R 17/00 20060101AFI20220912BHJP
H01L 41/113 20060101ALI20220912BHJP
【ＦＩ】
H04R17/00 332B
H01L41/113
H04R17/00 330H
H04R17/00 330L
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2022530743
(86)(22)【出願日】2021-09-01
(86)【国際出願番号】 JP2021032056
【審査請求日】2022-05-25
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000175722
【氏名又は名称】サンコール株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001597
【氏名又は名称】特許業務法人アローレインターナショナル
(72)【発明者】
【氏名】高杉 知
【審査官】西村 純
(56)【参考文献】
【文献】特許第６７７６４８１（ＪＰ，Ｂ１）
【文献】特開昭６２－０８１２００（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０４Ｒ １／００－３１／００
Ｈ０１Ｌ ４１／００－４１／４７
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
厚み方向一方側の第１面及び厚み方向他方側の第２面を有する剛性の支持板であって、前記第１面に開口された複数の空洞部及び前記空洞部よりも開口幅が小とされた一端側の第１端部が対応する前記空洞部の底面に開口され且つ他端側の第２端部が前記第２面に開口された複数の導波路が設けられた剛性の支持板と、前記複数の空洞部を覆うように前記支持板の第１面に固着された可撓性樹脂膜と、
平面視において中央領域が対応する空洞部と重合し且つ周縁領域が前記支持板の第１面と重合するように前記可撓性樹脂膜の第１面に固着された前記複数の空洞部と同数の圧電素子とを備え、
前記空洞部は、前記圧電素子の周縁領域と前記支持板との平面視重合幅が前記圧電素子の全周に亘って０．０５ｍｍ～０．１ｍｍとなるように前記圧電素子の平面視相似形状とされ、
前記導波路は、前記第１端部を含む筒状部と前記第２端部を含むホーン部とを有し、
前記筒状部は、前記支持板の厚み方向に亘って同一開口幅を有し、
前記ホーン部は、前記筒状部に連通する基端側から前記第２端部に近接するに従って、開口幅が大きくなるように構成されていることを特徴とする超音波トランスデューサー。
【請求項2】
前記支持板は、前記複数の空洞部のそれぞれと同一開口幅の複数の貫通孔が形成された第１板体と、前記複数の導波路のそれぞれと同一開口幅の複数の貫通孔が形成された第２板体とを含み、前記第１及び第２板体は厚み方向に積層状態で固着されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサー。
【請求項3】
前記支持板は、前記複数の空洞部及び前記複数の導波路が形成された単一部材とされていることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサー。
【請求項4】
前記圧電素子は、平面視縦横寸法の最大値が３．４ｍｍの平面視矩形状、直径が３．４ｍｍ以下の平面視円形状、又は、長径が３．４ｍｍ以下の平面視楕円形状とされ、配列ピッチ４．０ｍｍで配列され、前記空洞部は、前記圧電素子の周縁領域及び前記支持板の平面視重合幅が０．０５ｍｍとなるように形成されていることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の超音波トランスデューサー。
【請求項5】
前記導波路の第１端部は直径１．５ｍｍの円形とされていることを特徴とする請求項４に記載の超音波トランスデューサー。
【請求項6】
前記複数の圧電素子をそれぞれ囲む大きさの複数の圧電素子用開口を有し且つ前記圧電素子よりも厚みが大とされた下側封止板であって、平面視において前記複数の圧電素子が前記複数の圧電素子用開口内に位置するように前記可撓性樹脂膜に固着された下側封止板と、前記下側封止板に固着された配線アッセンブリとを備え、
前記配線アッセンブリは、絶縁性のベース層と、前記ベース層に設けられ、前記圧電素子における一対の第１及び第２電極にそれぞれ接続される第１及び第２配線を含む導体層と、前記導体層を囲繞する絶縁性のカバー層とを有し、
前記ベース層には、前記第１配線を対応する前記圧電素子の第１電極に接続する為の第１配線／圧電素子接続用開口と、前記第２配線を対応する前記圧電素子の第２電極に接続する為の第２配線／圧電素子接続用開口とが設けられていることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の超音波トランスデューサー。
【請求項7】
前記下側封止板及び前記配線アッセンブリに柔軟性樹脂を介して固着された上側封止板を備え、前記上側封止板は、前記複数の圧電素子のそれぞれに対応した位置に開口部を有していることを特徴とする請求項６に記載の超音波トランスデューサー。
【請求項8】
前記上側封止板の複数の開口部を覆うように前記上側封止板に固着された吸音材を備えていることを特徴とする請求項７に記載の超音波トランスデューサー。
【請求項9】
前記吸音材に固着された補強板を備えていることを特徴とする請求項８に記載の超音波トランスデューサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、複数の圧電素子が並列配置されてなり、フェイズドアレイセンサーとして好適に利用可能な空中超音波トランスデューサーに関する。
【背景技術】
【0002】
それぞれが振動体として作用する複数の圧電素子が並列配置されてなる超音波トランスデューサーは、前記複数の圧電素子から放射される音波の位相を制御することにより、物体の形状を検知したり又は広範囲に亘って物体の有無を検知する為のフェイズドアレイセンサーとして好適に利用可能である。
【0003】
この場合において、前記複数の圧電素子の共振周波数がばらついていると、前記複数の圧電素子に所定周波数の電圧を位相制御した状態で印加しても前記複数の圧電素子間で振動の位相にばらつきが発生することになり、前記複数の圧電素子のそれぞれから放射される音波の指向性を精密に制御することが困難になる。
【0004】
即ち、超音波トランスデューサーをフェイズドアレイセンサーとして安定して作動させる為には、前記超音波トランスデューサーに備えられる複数の圧電素子の共振周波数の均一性を確保する必要がある。しかしながら、材料や製造工程に起因する様々な理由によって複数の圧電素子の共振周波数を均一にすることは、非常に困難である。
【0005】
この点に関し、本願出願人は、振動体として作用する圧電素子に印加する駆動電圧の周波数（駆動周波数）を当該圧電素子の共振周波数よりも低く設定しても、前記圧電素子の振動振幅を有効に確保することが可能な超音波トランスデューサーに関する特許出願を行い、特許を得ている（下記特許文献１参照）。
【0006】
前記特許文献１に記載の超音波トランスデューサーは、複数の開口部が設けられた剛性基板と、前記複数の開口部を覆うように前記基板の上面に固着された可撓性樹脂膜と、平面視において前記複数の開口部とそれぞれ重合するように前記可撓性樹脂膜の上面に固着された複数の圧電素子とを備えるように構成されており、これにより、駆動周波数を前記圧電素子の共振周波数よりも低くしても、前記圧電素子の振動振幅を有効に確保している。
【0007】
ところで、対象物の位置（対象物までの距離及び対象物の方向）の検知は、超音波トランスデューサーにおける複数の圧電素子に、位相制御された所定周波数のバースト波形電圧を印加して対象物の方向へ音波を放射させ、対象物に反射して戻ってきた音波を受信して、音波放射から反射波受信までの時間に基づき対象物までの距離を検知する（なお、反射波の受信は、音波放射を行った超音波トランスデューサーによって行うことも可能であるし、又は、他の受信専用の超音波トランスデューサーによって行うことも可能である）。
【0008】
ここで、超音波トランスデューサーから放射される音波の指向性の制御向上を図る為には、前記超音波トランスデューサーからは、駆動周波数の成分のみが含まれる音波が放射されることが望ましいが、この点に関し、前記特許文献１に記載の超音波トランスデューサーは改善の余地があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【文献】特許第６７７６４８１号公報
【発明の概要】
【0010】
本発明は、斯かる従来技術に鑑みなされたものであり、圧電素子に印加する駆動電圧の周波数（駆動周波数）を前記圧電素子の共振周波数より低くしても十分に高い放射音圧を得ることができ、さらに、放射音波の指向性の制御向上を図り得る超音波トランスデューサーの提供を目的とする。
【0011】
前記目的を達成するために、本発明は、厚み方向一方側の第１面及び厚み方向他方側の第２面を有する剛性の支持板であって、前記第１面に開口された複数の空洞部及び前記空洞部よりも開口幅が小とされた一端側の第１端部が対応する前記空洞部の底面に開口され且つ他端側の第２端部が前記第２面に開口された複数の導波路が設けられた剛性の支持板と、前記複数の空洞部を覆うように前記支持板の第１面に固着された可撓性樹脂膜と、平面視において中央領域が対応する空洞部と重合し且つ周縁領域が前記支持板の第１面と重合するように前記可撓性樹脂膜の第１面に固着された前記複数の空洞部と同数の圧電素子とを備え、前記空洞部は、前記圧電素子の周縁領域と前記支持板との平面視重合幅が前記圧電素子の全周に亘って０．０５ｍｍ～０．１ｍｍとなるように前記圧電素子の平面視相似形状とされ、前記導波路は、前記第１端部を含む筒状部と前記第２端部を含むホーン部とを有し、前記筒状部は、前記支持板の厚み方向に亘って同一開口幅を有し、前記ホーン部は、前記筒状部に連通する基端側から前記第２端部に近接するに従って、開口幅が大きくなるように構成されている超音波トランスデューサーを提供する。
【0012】
本発明に係る超音波トランスデューサーによれば、圧電素子に印加する駆動電圧の駆動周波数を前記圧電素子の共振周波数よりも低くしても十分に高い放射音圧を得ることができ、さらに、放射音波の指向性の制御向上を図ることができる。
【0013】
例えば、前記支持板は、前記複数の空洞部のそれぞれと同一開口幅の複数の貫通孔が形成された第１板体と、前記複数の導波路のそれぞれと同一開口幅の複数の貫通孔が形成された第２板体とを含むものとされる。
前記第１及び第２板体は厚み方向に積層状態で固着される。
前記第１及び第２板体は厚み方向に積層状態で固着される。
【0014】
これに代えて、前記支持板は、前記複数の空洞部及び前記複数の導波路が形成された単一部材とされ得る。
【0015】
前記種々の構成において、好ましくは、前記圧電素子は、平面視縦横寸法の最大値が３．４ｍｍの平面視矩形状、直径が３．４ｍｍ以下の平面視円形状、又は、長径が３．４ｍｍ以下の平面視楕円形状とされて、配列ピッチ４．０ｍｍで配列される。
この場合、前記空洞部は、前記圧電素子の周縁領域及び前記支持板の平面視重合幅が０．０５ｍｍとなるように形成される。
この場合、前記空洞部は、前記圧電素子の周縁領域及び前記支持板の平面視重合幅が０．０５ｍｍとなるように形成される。
【0016】
好ましくは、前記導波路の第１端部は直径１．５ｍｍの円形とされる。
【0017】
好ましくは、本発明に係る超音波トランスデューサーは、前記支持板、前記可撓性樹脂膜及び前記複数の圧電素子に加えて、下側封止板及び配線アッセンブリを有し得る。
【0018】
前記下側封止板は、前記複数の圧電素子をそれぞれ囲む大きさの複数の圧電素子用開口を有し且つ前記圧電素子よりも厚みが大とされ、平面視において前記複数の圧電素子が前記複数の圧電素子用開口内に位置するように前記可撓性樹脂膜に固着される。
【0019】
前記配線アッセンブリは前記下側封止板に固着される。
前記配線アッセンブリは、絶縁性のベース層と、前記ベース層に設けられ、前記圧電素子における一対の第１及び第２電極にそれぞれ接続される第１及び第２配線を含む導体層と、前記導体層を囲繞する絶縁性のカバー層とを有する。
前記配線アッセンブリは、絶縁性のベース層と、前記ベース層に設けられ、前記圧電素子における一対の第１及び第２電極にそれぞれ接続される第１及び第２配線を含む導体層と、前記導体層を囲繞する絶縁性のカバー層とを有する。
【0020】
前記ベース層には、前記第１配線を対応する前記圧電素子の第１電極に接続する為の第１配線／圧電素子接続用開口と、前記第２配線を対応する前記圧電素子の第２電極に接続する為の第２配線／圧電素子接続用開口とが設けられる。
【0021】
本発明に係る超音波トランスデューサーは、さらに、前記下側封止板及び前記配線アッセンブリに柔軟性樹脂を介して固着された上側封止板を備え得る。
前記上側封止板は、前記複数の圧電素子のそれぞれに対応した位置に開口部を有する。
前記上側封止板は、前記複数の圧電素子のそれぞれに対応した位置に開口部を有する。
【0022】
本発明に係る超音波トランスデューサーは、さらに、前記上側封止板の複数の開口部を覆うように前記上側封止板に固着された吸音材を備え得る。
【0023】
本発明に係る超音波トランスデューサーは、さらに、前記吸音材に固着された補強板を備え得る。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【発明を実施するための形態】
【0025】
以下、本発明に係る超音波トランスデューサーの一実施の形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図１に本実施の形態に係る超音波トランスデューサー１Ａの部分縦断面図を示す。
図１に本実施の形態に係る超音波トランスデューサー１Ａの部分縦断面図を示す。
【0026】
前記超音波トランスデューサー１Ａは、主要構成部材として、厚み方向一方側の第１面１０－１及び厚み方向他方側の第２面１０－２を有する剛性の支持板１０Ａと、厚み方向一方側の第１面２０－１及び厚み方向他方側の第２面２０－２を有し、第２面２０－２が前記支持板１０Ａの第１面１０－１に固着された可撓性樹脂膜２０と、前記可撓性樹脂膜２０の第１面２０－１に固着された複数の圧電素子３０とを備えている。
【0027】
図２(a)及び(b)に、前記支持板１０Ａ、前記支持板１０Ａの第１面１０－１に固着された前記可撓性樹脂膜２０及び前記可撓性樹脂膜２０の第１面２０－１に固着された前記複数（本実施の形態においては３×１１の３３個）の圧電素子３０を含む圧電体アッセンブリの平面図及び底面図を、それぞれ示す。
また、図３に、前記支持板１０の平面図を示す。
また、図３に、前記支持板１０の平面図を示す。
【0028】
図１～図３に示すように、前記支持板１０には、当該支持板１０Ａの第１面１０－１に開口された複数（本実施の形態においては３×１１の３３個）の空洞部１５と、一端側の第１端部が前記複数の空洞部１５の底面にそれぞれ開口され且つ他端側の第２端部が当該支持板１０Ａの第２面１０－２に開口された複数（本実施の形態においては３×１１の３３個）の導波路１６とが設けられている。
【0029】
前記導波路１６の第１端部は、前記空洞部１５よりも開口幅が小とされている。
【0030】
本実施の形態においては、前記導波路１６は、前記第１端部を含む筒状部１７と、前記第２端部を含むホーン部１８とを有している。
【0031】
前記筒状部１７は、前記支持板１０Ａの厚み方向に亘って同一開口幅を有している。
前記ホーン部１８は、前記筒状部１７に連通する基端側から前記第２端部に近接するに従って、開口幅が大きくなるように構成されている。
前記ホーン部１８は、前記筒状部１７に連通する基端側から前記第２端部に近接するに従って、開口幅が大きくなるように構成されている。
【0032】
前記支持板１０Ａは、剛性を有する種々の部材によって形成することができ、ステンレス等の金属、好ましくは、金属よりも密度が小さく且つヤング率の高いＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３等のセラミックス材料によって形成することができる。
前記支持板１０Ａをセラミックス材料によって形成することにより、前記支持板１０Ａの共振周波数を可及的に高めることができる。
前記支持板１０Ａをセラミックス材料によって形成することにより、前記支持板１０Ａの共振周波数を可及的に高めることができる。
【0033】
図１に示すように、本実施の形態においては、前記支持板１０Ａは、前記複数の空洞部１５のそれぞれと同一開口幅の複数の貫通孔が形成された第１板体１１と、前記複数の導波路１６のそれぞれと同一開口幅の複数の貫通孔が形成された第２板体１２とを含み、前記第１及び第２板体１１、１２が厚み方向に積層状態で固着されている。
【0034】
前記第１及び第２板体１１、１２を有する前記支持板１０Ａに代えて、単一部材によって形成された支持板１０Ｂを用いることも可能である。
図４に、前記支持板１０Ａの代えて前記支持板１０Ｂを備えた、本実施の形態の変形例に係る超音波トランスデューサー１Ｂの部分縦断面図を示す。
図４に、前記支持板１０Ａの代えて前記支持板１０Ｂを備えた、本実施の形態の変形例に係る超音波トランスデューサー１Ｂの部分縦断面図を示す。
【0035】
前記可撓性樹脂膜２０は、前記複数の空洞部１５を覆うように前記支持板１０の第１面１０－１に固着されている。
【0036】
前記可撓性樹脂膜２０は、例えば、厚さ２０μｍ～１００μｍのポリイミド等の絶縁性樹脂によって形成される。
前記可撓性樹脂膜２０は、接着剤又は熱圧着等の種々の方法によって前記支持板１０Ａ（１０Ｂ）に固着される。
前記可撓性樹脂膜２０は、接着剤又は熱圧着等の種々の方法によって前記支持板１０Ａ（１０Ｂ）に固着される。
【0037】
前記超音波トランスデューサー１Ａ（１Ｂ）は、前記複数の空洞部１５と同数（本実施の形態においては３×１１の３３個）の前記圧電素子３０を有している。
前記圧電素子３０は、平面視において中央領域が対応する空洞部１５と重合し且つ周縁領域が前記支持板１０の第１面１０－１と重合するように、前記可撓性樹脂膜２０の第１面２０－１に固着されている。
前記圧電素子３０は、平面視において中央領域が対応する空洞部１５と重合し且つ周縁領域が前記支持板１０の第１面１０－１と重合するように、前記可撓性樹脂膜２０の第１面２０－１に固着されている。
【0038】
図５(a)に、前記圧電素子３０の平面図を示す。
また、図５(b)に、図５(a)におけるV-V線に沿った断面図を示す。
前記圧電素子３０は、圧電素子本体３２と、一対の第１及び第２電極とを有し、前記第１及び第２電極の間に電圧が印可されると伸縮するように構成されている。
また、図５(b)に、図５(a)におけるV-V線に沿った断面図を示す。
前記圧電素子３０は、圧電素子本体３２と、一対の第１及び第２電極とを有し、前記第１及び第２電極の間に電圧が印可されると伸縮するように構成されている。
【0039】
図５(a)及び(b)に示すように、本実施の形態においては、前記圧電素子３０は２層の積層型とされている。
積層型圧電素子は、単層型圧電素子に比して、同一電圧印可時に電界強度を高めることができ、印可電圧当たりの伸縮変位を大きくすることができる。
積層型圧電素子は、単層型圧電素子に比して、同一電圧印可時に電界強度を高めることができ、印可電圧当たりの伸縮変位を大きくすることができる。
【0040】
詳しくは、前記圧電素子３０は、チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）等の圧電材によって形成される前記圧電素子本体３２と、前記圧電素子本体３２を厚み方向に関し上方側の第１圧電部位３２ａ及び下方側の第２圧電部位３２ｂに区画する内側電極３４と、前記第１圧電部位３２ａの上面の一部に固着された上面電極３６と、前記第２圧電部位３２ｂの下面に固着された下面電極３７と、一端部が前記内側電極３４に電気的に接続され且つ他端部が前記上面電極３６とは絶縁状態で前記第１圧電部位３２ａの上面においてアクセス可能な内側電極端子３４Ｔを形成する内側電極用接続部材３５と、一端部が前記下面電極３７に電気的に接続され且つ他端部が前記上面電極３６及び前記内側電極３４とは絶縁状態で前記第１圧電部位３２ａの上面においてアクセス可能な下面電極端子３７Ｔを形成する下面電極用接続部材３８とを有している。
【0041】
この場合、前記上面電極３６及び前記下面電極３７によって形成される外側電極が第１及び第２電極の一方として作用し、前記内側電極３４が第１及び第２電極の他方として作用する。
【0042】
前記圧電素子３０においては、前記第１及び第２圧電部位３２ａ、３２ｂは、分極方向が厚み方向に関し同一とされており、これにより、前記外側電極３６、３７及び前記内側電極３４の間に所定の電圧を所定周波数で印可することによって、前記第１及び第２圧電部位３２ａ、３２ｂには互いに対して逆方向の電界が加わるようになっている。
【0043】
前述の通り、前記上面電極３６及び前記下面電極３７は互いに対して絶縁されており、従って、前記圧電素子３０を作成する際には、前記上面電極３６及び前記下面電極３７の間に電圧を印可することによって、前記第１及び第２圧電部位３２ａ、３２ｂの分極方向を同一とすることができる。
【0044】
前記超音波トランスデューサー１Ａ（１Ｂ）においては、前記圧電素子３０が超音波を発生する振動体として作用するが、この振動体は、たわみ振動の最低次の共振モードの周波数が当該圧電素子３０への印加電圧の周波数（駆動周波数）よりも大となるように構成されている。
【0045】
即ち、本実施の形態に係る前記超音波トランスデューサー１Ａ（１Ｂ）におけるように、振動体を形成する複数の圧電素子３０が並列配置されているフェイズドアレイによって、数メートル先の物体を検知する為には、前記複数の圧電素子３０から放射される音波の位相を精密に制御する必要がある。
【0046】
例えば、ステンレス等の剛性の支持板に直接的に複数の圧電素子が並列配置されている構成のフェイズドアレイにおいては、前記剛性支持板の剛性に抗して前記圧電素子を伸縮させ、それによって前記圧電素子及び前記剛性支持板によって形成される振動体を所定の振幅でたわみ振動させて、発生音圧の大きさを確保する必要がある。
【0047】
その為には、前記圧電素子への印可電圧の周波数（駆動周波数）を、当該圧電素子のたわみ振動の共振周波数の近傍に設定する必要がある。
【0048】
しかしながら、前記圧電素子への印可電圧に対する、当該圧電素子のたわみ振動の周波数応答は、当該振動体の共振周波数近傍において位相が大きく変化する。
【0049】
従って、フェイズドアレイセンサーとして機能させるべく、前記複数の圧電素子が発生する音波の位相を精密に制御する為には、前記複数の振動体間における共振周波数に関する「ばらつき」を極限まで抑制する必要があるが、これは非常に難しい。
【0050】
この点に関し、本実施の形態に係る前記超音波トランスデューサー１Ａ（１Ｂ）は、前述の通り、第１面１０－１に開口された複数の空洞部１５及び前記空洞部１５の開口幅よりも開口幅が小とされた第１端部が前記空洞部１５の底面に開口され且つ第２端部が第２面１０－２に開口された複数の導波路１６が設けられた前記剛性の支持板１０Ａ（１０Ｂ）と、前記複数の空洞部１５を覆うように前記支持板１０Ａ（１０Ｂ）の第１面１０－１に固着された可撓性樹脂膜２０と、平面視において中央領域が対応する空洞部１５と重合し且つ周縁領域が前記支持板１０Ａ（１０Ｂ）の第１面１０－１と重合するように前記可撓性樹脂膜２０の第１面２０－１に固着された前記複数の圧電素子３０とを有している。
【0051】
斯かる構成によれば、前記圧電素子３０に印加する駆動電圧の周波数を、前記圧電素子３０のたわみ振動の共振周波数よりも低く設定しても、振動体として作用する前記圧電素子３０の振動振幅を十分に確保することができる。
【0052】
しかも、前記複数の振動体の共振周波数が前記圧電素子３０に印加する駆動電圧の駆動周波数よりも高い場合には、前記複数の振動体間において共振周波数の「ばらつき」があったとしても、前記複数の振動体のたわみ振動の周波数応答の位相に大きな差異は生じない。
従って、振動体として作用する前記複数の圧電素子３０が発生する音波の位相を精密に制御することができる。
従って、振動体として作用する前記複数の圧電素子３０が発生する音波の位相を精密に制御することができる。
【0053】
詳しくは、前記超音波トランスデューサー１Ａ（１Ｂ）をフェイズドアレイセンサーとして用いて、空気中で数メートル先の物体を検知する為には、前記圧電素子３０が放射する超音波の周波数を３０～５０ｋＨｚ程度の低周波数とする必要がある。
【0054】
前記圧電素子３０の共振周波数を、前記圧電素子３０に印加する電圧の駆動周波数（３０～５０ｋＨｚ）よりも十分に高い共振周波数（例えば、７５ｋＨｚ）とした場合、前記圧電素子３０の平面視縦横寸法を大きくした方が、前記振動体が発生する超音波の音圧を高くすることができる。
【0055】
しかしながら、その一方で、本実施の形態に係る超音波トランスデューサー１Ａ（１Ｂ）におけるように、複数の圧電素子３０が並列配置されてなる場合においては、前記複数の圧電素子３０から放射される音波においてその方位角を±90°の範囲で走査する際にグレーティングローブの発生を抑制する為に、前記複数の圧電素子３０の配列ピッチを当該圧電素子３０が放射する超音波の波長λの１／２以下にする必要がある。
【0056】
周波数４０ｋＨｚの超音波の波長λは８．６ｍｍであるから、前記圧電素子３０が放射する超音波の周波数を４０ｋＨｚとしつつ、グレーティングローブの発生を抑制する為に、前記複数の圧電素子３０の配列ピッチＰを８．６ｍｍ／２＝４．３ｍｍ以下にする必要がある。
【0057】
従って、好ましくは、前記圧電素子３０の平面視縦横寸法は、音圧の確保の観点では３．０ｍｍ以上で、且つ、グレーティングローブの発生を抑制する観点では４．０ｍｍ以下とされる。
【0058】
なお、本実施の形態においては、前記圧電素子３０は、平面視正方形状とされているが、これに代えて、前記圧電素子の平面視形状を、平面視縦横寸法の最大値が４．３０ｍｍ以下の長方形を含む矩形状、直径が４．０ｍｍ以下の円形状、又は、長径が４．０ｍｍ以下の楕円形状とすることも可能である。
【0059】
前記空洞部１５は、前記圧電素子３０の周縁領域と前記支持板１０Ａ（１０Ｂ）との平面視重合幅が前記圧電素子３０の全周に亘って０．０５ｍｍ～０．１ｍｍとなるように、前記圧電素子３０の平面視相似形状とされる。
【0060】
即ち、仮に、前記圧電素子３０が一辺４．０ｍｍの平面視正方形状とされている場合には、前記空洞部１５は、好ましくは、一辺３．８ｍｍ～３．９ｍｍの平面視正方形状とされ、前記圧電素子３０が直径４．０ｍｍの平面視円形状とされている場合には、前記空洞部１５は、好ましくは、直径３．８ｍｍ～３．９ｍｍの平面視円形状とされる。
【0061】
ところで、超音波トランスデューサーをフェイズドアレイセンサーとして用いて対象物の位置（対象物までの距離及び対象物の方向）を検知する際には、前記複数の圧電素子３０に、位相制御された所定駆動周波数のバースト波形電圧を印加して対象物の方向へ音波を放射させ、対象物に反射して戻ってきた音波を受信して、音波放射から反射波受信までの時間に基づき対象物までの距離を検知する（なお、反射波の受信は、音波放射を行った超音波トランスデューサーによって行うことも可能であるし、又は、他の受信専用の超音波トランスデューサーによって行うことも可能である）。
【0062】
従って、超音波トランスデューサーから放射される音波の指向性向上を図る為には、超音波トランスデューサーからは、圧電素子に印加する駆動電圧の周波数（駆動周波数）成分のみが含まれる音波が放射されることが望ましい。
【0063】
以下、この点に関し、本実施の形態に係る前記超音波トランスデューサー１Ａから放射される音波がどのような周波数を有しているかに関し、本願発明者が行った解析について説明する。
【0064】
解析（１）
前述の通り、超音波トランスデューサーを空中音波フェイズドアレイセンサーとして用いる場合には、通常、前記複数の圧電素子には一定数の周期の正弦波からなるバースト波形電圧が印加される。
前述の通り、超音波トランスデューサーを空中音波フェイズドアレイセンサーとして用いる場合には、通常、前記複数の圧電素子には一定数の周期の正弦波からなるバースト波形電圧が印加される。
【0065】
本解析（１）においては、図１に示す前記超音波トランスデューサー１Ａにおいて、前記圧電素子３０を共振周波数７５ｋＨｚ及び減衰比０．０３の１自由度の振動系と仮定し、前記圧電素子３０に振幅１０Ｖ及び周波数４０ｋＨｚの正弦波５周期のバースト波形電圧を印加した際の当該圧電素子３０の平面視中心点での速度応答の理論計算を行った。
その結果を図６に示す。
その結果を図６に示す。
【0066】
図６から、振幅１０Ｖ及び周波数４０ｋＨｚの５周期のバースト波形電圧に対する前記圧電素子３０の速度応答の波形には「歪」が発生し、さらに、駆動電圧の印加終了後においては、減衰振動波形が発生していることが確認できる。
【0067】
これは以下の理由によるものと考えられる。
前記圧電素子３０への印加電圧（駆動電圧）が所定周波数（駆動周波数）の正弦波のバースト波形を有している場合には、印加開始時点では電圧ゼロから突然に電圧が印加されることになり、印加終了時点では印加されていた電圧が突然にゼロになる。
前記圧電素子３０への印加電圧（駆動電圧）が所定周波数（駆動周波数）の正弦波のバースト波形を有している場合には、印加開始時点では電圧ゼロから突然に電圧が印加されることになり、印加終了時点では印加されていた電圧が突然にゼロになる。
【0068】
即ち、正弦波のバースト波形の印加開始時点及び印加終了時点では、駆動電圧波形は、駆動周波数よりも高い周波数成分を含むことになる。
【0069】
この駆動周波数よりも高い周波数成分のうちの、前記圧電素子３０の共振周波数に近い周波数成分によって、前記圧電素子３０の共振が励起される。
【0070】
この励起された圧電素子３０の共振は、駆動電圧の印加開始時点及び印加終了時点から始まる減衰振動の波形を有する。
【0071】
なぜなら、前記圧電素子３０の共振周波数に近い周波数成分は、駆動電圧の印加開始時点及び印加終了時点においてのみ含まれるものであり、それ以外の時間帯においては、前記圧電素子３０の共振は励起されないからである。
【0072】
その為、前記圧電素子３０の速度応答の波形は、図６に示すように、駆動周波数の波形（振幅１０Ｖ及び周波数４０ｋＨｚの５周期のバースト波形）に、駆動電圧の印加開始時点及び印加終了時点を起点とする前記減衰振動波形が重なった波形となる。
【0073】
この解析（１）の結果から、本実施の形態に係る前記超音波トランスデューサー１Ａにおけるように、前記複数の空洞部１５及び前記複数の導波路１６が設けられた前記支持板１０Ａと、前記複数の空洞部１５を覆うように前記支持板１０Ａに固着された可撓性樹脂膜２０と、平面視において中央領域が対応する空洞部１５と重合し且つ周縁領域が前記支持板１０の第１面１０－１と重合するように前記可撓性樹脂膜２０に固着された前記複数の圧電素子３０とを有する構成においては、前記圧電素子３０に印加する駆動電圧の周波数（駆動周波数）を前記圧電素子３０のたわみ振動の共振周波数よりも低く設定しても、前記圧電素子３０の振動振幅を十分に確保することができる反面、前記圧電素子３０の振動には、駆動周波数成分に加えて、前記圧電素子３０の共振周波数成分が含まれていることが確認できる。
【0074】
この解析（１）の結果を踏まえて、本願発明者は、前記圧電素子３０が駆動周波数成分のみを含む音波を放射するように構成することは不可能であるものの、前記圧電素子３０と前記超音波トランスデューサー１Ａにおける音波放射口（前記導波路１６の第２端部）との間に、駆動周波数付近の音波は透過するが、前記圧電素子３０の共振周波数成分付近の音波の透過は防止乃至は低減する音波フィルター構造を設ければ、前記超音波トランスデューサー１Ａから放射される音波の指向性向上を図ることができるのではないか、という新規な着想を得て、前記空洞部１５及び前記導波路１６に関し下記解析を行った。
【0075】
【0076】
前記モデル１００は、本実施の形態に係る前記超音波トランスデューサー１Ａにおける前記支持板１０Ａ、前記可撓性樹脂膜２０及び３×１１＝３３個の前記圧電素子３０を有している。
【0077】
本解析（２）においては、前記圧電素子３０の共振周波数が２２０ｋＨｚとなるように前記圧電素子３０における圧電材の密度を７．９７×１０２ｋｇ／ｍ３に設定し、共振周波数よりも相当に低い駆動周波数（１０～１００ｋＨｚ）で振幅１０Ｖの正弦波の電圧を前記圧電素子３０に印加して、放射音波の音圧レベル（Sound Pressure Level、以下、ＳＰＬと称する）を有限要素法解析（以下、ＦＥＭ解析と称する）によって算出して、ＳＰＬ周波数特性を求めた。
【0078】
本解析（２）におけるＳＰＬは、３×１１＝３３個の前記圧電素子３０のうち中央に配置された圧電素子３０Ｘの平面視中央点を通り且つ前記圧電素子３０の配列面に対して垂直な直線上で、前記平面視中央点から３０ｃｍ離れた地点での値である。
【0079】
また、本解析（２）においては、前記支持板１０Ａ（前記第２板体１２）の第２面１０－２の全面において３軸方向の変位を拘束して、ＦＥＭ解析を行った。これは、前記支持板１０Ａの振動の影響を排除する為である。
【0080】
前記モデル１００の形状・寸法は下記の通りである。
圧電素子３０：チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）
３×１１の矩形配列 ピッチＰ＝４．０ｍｍ
密度７．９７×１０２ｋｇ／ｍ３（共振周波数が２２０ｋＨｚ）
一層の厚さが０．１３ｍｍの２層積層型（合計厚さ０．２６ｍｍ）
一辺の長さＡ＝３．４ｍｍの平面視正方形状
可撓性樹脂膜２０：厚さ０．０５ｍｍのポリイミドフィルム
第１板体１１：厚さｈｍｍのステンレス
空洞部１５：一辺の長さＢ＝３．３ｍｍの平面視正方形状、深さｈｍｍ
第２板体１２：厚さ３．０ｍｍのアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）
筒状部１７：直径Ｃ１＝１．５ｍｍ、長さＬ１＝０．２５ｍｍ
ホーン部１８：基端側直径Ｃ１＝１．５ｍｍ、放出側直径Ｃ２＝３．７ｍｍ、
長さＬ２＝２．７５ｍｍ
圧電素子３０：チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）
３×１１の矩形配列 ピッチＰ＝４．０ｍｍ
密度７．９７×１０２ｋｇ／ｍ３（共振周波数が２２０ｋＨｚ）
一層の厚さが０．１３ｍｍの２層積層型（合計厚さ０．２６ｍｍ）
一辺の長さＡ＝３．４ｍｍの平面視正方形状
可撓性樹脂膜２０：厚さ０．０５ｍｍのポリイミドフィルム
第１板体１１：厚さｈｍｍのステンレス
空洞部１５：一辺の長さＢ＝３．３ｍｍの平面視正方形状、深さｈｍｍ
第２板体１２：厚さ３．０ｍｍのアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）
筒状部１７：直径Ｃ１＝１．５ｍｍ、長さＬ１＝０．２５ｍｍ
ホーン部１８：基端側直径Ｃ１＝１．５ｍｍ、放出側直径Ｃ２＝３．７ｍｍ、
長さＬ２＝２．７５ｍｍ
【0081】
前記空洞部１５の深さｈ（前記第１板体１１の厚さ）を０．０５ｍｍ（モデルＡ１）、０．１ｍｍ（モデルＡ２）及び０．２ｍｍ（モデルＡ３）に設定して、各モデルＡ１～Ａ３におけるＳＰＬをＦＥＭ解析に基づき算出した。
その結果を図８に示す。
また、図９に、図８における駆動周波数６０～９０ｋＨｚの領域の拡大図を示す。
その結果を図８に示す。
また、図９に、図８における駆動周波数６０～９０ｋＨｚの領域の拡大図を示す。
【0082】
【0083】
また、モデルＡ１においてはＳＰＬの低下を招く駆動周波数は８０ｋＨｚ近傍となり、モデルＡ２においてはＳＰＬの低下を招く駆動周波数は７８ｋＨｚ近傍となり、モデルＡ３においてはＳＰＬの低下を招く駆動周波数は７７ｋＨｚとなっている。
【0084】
このことから、前記空洞部１５の深さｈを変更することによって、ＳＰＬが低下する周波数領域の変更が可能であることが推測される。
【0085】
【0086】
前記モデル１０２は、前記モデル１００に比して、前記ホーン部１８が削除されている点においてのみ相違している。
【0087】
即ち、前記モデル１０２は、前記モデル１００に比して、前記支持板１０Ａに代えて支持板１０Ｃを有している。
前記支持板１０Ｃは、前記第１板体１１及び第２板体１２Ｃを有している。
前記第２板体１２Ｃは、厚さ０．２５ｍｍのアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）とされており、前記第２板体１２Ｃに形成された導波路は前記筒状部１７（直径Ｃ１＝１．５ｍｍ、長さＬ１＝０．２５ｍｍ）のみを有している。
前記支持板１０Ｃは、前記第１板体１１及び第２板体１２Ｃを有している。
前記第２板体１２Ｃは、厚さ０．２５ｍｍのアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）とされており、前記第２板体１２Ｃに形成された導波路は前記筒状部１７（直径Ｃ１＝１．５ｍｍ、長さＬ１＝０．２５ｍｍ）のみを有している。
【0088】
【0089】
モデルＢ１においてはＳＰＬの低下を招く駆動周波数は７８ｋＨｚ近傍となっており、これは、ｈ＝０．１ｍｍのモデルＡ２と同じである。
このことから、所定周波数の音波の透過を防止乃至は低減するという作用に関し、前記ホーン部１８の有無は影響しないと推測される。
このことから、所定周波数の音波の透過を防止乃至は低減するという作用に関し、前記ホーン部１８の有無は影響しないと推測される。
【0090】
解析（４）
本解析（４）においては、導波路が前記筒状部１７のみを有する前記モデル１０２（図１０参照）において、前記空洞部１５の深さｈ（即ち、前記第１板体１１の厚さ）を０．１ｍｍで一定とした上で、前記筒状部１７の長さＬ１（即ち、前記第２板体１２Ｃの厚さ）を０．２５ｍｍで固定しつつ、前記筒状部１７の直径Ｃ１を１．０ｍｍ（モデルＢ２）、１．５ｍｍ（モデルＢ３）及び２．２ｍｍ（モデルＢ４）に設定して、各モデルＢ２～Ｂ４におけるＳＰＬをＦＥＭ解析に基づき算出した。
なお、前記モデルＢ２～Ｂ４は、その他の形状及び寸法については前記モデルＢ１と同一に設定した。
本解析（４）においては、導波路が前記筒状部１７のみを有する前記モデル１０２（図１０参照）において、前記空洞部１５の深さｈ（即ち、前記第１板体１１の厚さ）を０．１ｍｍで一定とした上で、前記筒状部１７の長さＬ１（即ち、前記第２板体１２Ｃの厚さ）を０．２５ｍｍで固定しつつ、前記筒状部１７の直径Ｃ１を１．０ｍｍ（モデルＢ２）、１．５ｍｍ（モデルＢ３）及び２．２ｍｍ（モデルＢ４）に設定して、各モデルＢ２～Ｂ４におけるＳＰＬをＦＥＭ解析に基づき算出した。
なお、前記モデルＢ２～Ｂ４は、その他の形状及び寸法については前記モデルＢ１と同一に設定した。
【0091】
【0092】
解析（５）
本解析（５）においては、導波路が前記筒状部１７のみを有する前記モデル１０２（図１０参照）において、前記空洞部１５の深さｈ（即ち、前記第１板体１１の厚さ）を０．１ｍｍで一定とした上で、前記筒状部１７の直径Ｃ１を１．５ｍｍで固定しつつ、前記筒状部１７の長さＬ１（即ち、前記第２板体１２Ｃの厚さ）を０．２５ｍｍ（モデルＢ５）及び０．１５ｍｍ（モデルＢ６）に設定して、各モデルＢ５及びＢ６におけるＳＰＬをＦＥＭ解析に基づき算出した。
なお、前記モデルＢ５及びＢ６は、その他の形状及び寸法については前記モデルＢ１と同一に設定した。
本解析（５）においては、導波路が前記筒状部１７のみを有する前記モデル１０２（図１０参照）において、前記空洞部１５の深さｈ（即ち、前記第１板体１１の厚さ）を０．１ｍｍで一定とした上で、前記筒状部１７の直径Ｃ１を１．５ｍｍで固定しつつ、前記筒状部１７の長さＬ１（即ち、前記第２板体１２Ｃの厚さ）を０．２５ｍｍ（モデルＢ５）及び０．１５ｍｍ（モデルＢ６）に設定して、各モデルＢ５及びＢ６におけるＳＰＬをＦＥＭ解析に基づき算出した。
なお、前記モデルＢ５及びＢ６は、その他の形状及び寸法については前記モデルＢ１と同一に設定した。
【0093】
【0094】
【0095】
前記モデル１０４は、前記第２板体１２、１２Ｃが削除されている点、及び、前記圧電素子３０の共振周波数が７５ｋＨｚとなるように前記圧電素子３０における圧電材の密度を９．９６×１０3ｋｇ／ｍ３に設定されている点において、前記モデル１００、１０２と相違している。
【0096】
即ち、前記モデル１０４は、前記空洞部１５及び前記導波路１６を有さず、前記圧電素子３０から直接的に音波が放射されるように構成されている。
【0097】
前記モデル１０４において、前記第１板体１１の厚さを０．１ｍｍ（モデルＣ１）に設定し、このモデルＣ１におけるＳＰＬをＦＥＭ解析に基づき算出した。
その結果を図１４に示す。
その結果を図１４に示す。
【0098】
また、前記モデルＣ１における前記圧電素子３０の平面視中心点の変位の周波数特性を算出した。
その結果を図１５に示す。
その結果を図１５に示す。
【0099】
図１４及び図１５に示される通り、前記空洞部１５及び前記導波路１６を有さない前記モデルＣ１においては、ＳＰＬも前記圧電素子３０の変位も前記圧電素子３０の共振周波数である７５ｋＨｚ付近で極大となっており、前記圧電素子３０の変位の周波数特性がＳＰＬの周波数特性にそのまま現出されている。
【0100】
解析（７）
前記空洞部１５及び前記導波路１６を有する前記モデル１００（図７(a)及び(b)）において、前記空洞部１５の深さｈを０．１ｍｍに固定した上で、前記圧電素子３０の共振周波数を７０ｋＨｚ（モデルＡ１１）、７４ｋＨｚ（モデルＡ１２）、７５ｋＨｚ（モデルＡ１３）、７７ｋＨｚ（モデルＡ１４）、８３ｋＨｚ（モデルＡ１５）に設定して、各モデルＡ１１～Ａ１５におけるＳＰＬをＦＥＭ解析に基づき算出した。
その結果を図１６に示す。
前記空洞部１５及び前記導波路１６を有する前記モデル１００（図７(a)及び(b)）において、前記空洞部１５の深さｈを０．１ｍｍに固定した上で、前記圧電素子３０の共振周波数を７０ｋＨｚ（モデルＡ１１）、７４ｋＨｚ（モデルＡ１２）、７５ｋＨｚ（モデルＡ１３）、７７ｋＨｚ（モデルＡ１４）、８３ｋＨｚ（モデルＡ１５）に設定して、各モデルＡ１１～Ａ１５におけるＳＰＬをＦＥＭ解析に基づき算出した。
その結果を図１６に示す。
【0101】
なお、前記各モデルＡ１１～Ａ１５における前記圧電素子３０の共振周波数の設定は、前記圧電素子３０における圧電材の密度の変更によって行っている。
即ち、前記モデルＡ１１～Ａ１５において、圧電材の密度を下記の通りに設定した。
モデルＡ１１（共振周波数７０ｋＨｚ）：１０．７６×１０3ｋｇ／ｍ３
モデルＡ１２（共振周波数７４ｋＨｚ）：１０．１２×１０3ｋｇ／ｍ３
モデルＡ１３（共振周波数７５ｋＨｚ）： ９．９６×１０3ｋｇ／ｍ３
モデルＡ１４（共振周波数７７ｋＨｚ）： ９．２５×１０3ｋｇ／ｍ３
モデルＡ１５（共振周波数８３ｋＨｚ）： ７．９７×１０3ｋｇ／ｍ３
即ち、前記モデルＡ１１～Ａ１５において、圧電材の密度を下記の通りに設定した。
モデルＡ１１（共振周波数７０ｋＨｚ）：１０．７６×１０3ｋｇ／ｍ３
モデルＡ１２（共振周波数７４ｋＨｚ）：１０．１２×１０3ｋｇ／ｍ３
モデルＡ１３（共振周波数７５ｋＨｚ）： ９．９６×１０3ｋｇ／ｍ３
モデルＡ１４（共振周波数７７ｋＨｚ）： ９．２５×１０3ｋｇ／ｍ３
モデルＡ１５（共振周波数８３ｋＨｚ）： ７．９７×１０3ｋｇ／ｍ３
【0102】
図１６から明らかなように、前記モデルＡ１１においては、駆動周波数７５ｋＨｚ付近においてＳＰＬが低下されている一方で、駆動周波数７２ｋＨｚ付近にＳＰＬの極大点が現出されている。
【0103】
前記モデルＡ１４においては、駆動周波数７５ｋＨｚ付近においてＳＰＬが低下されている一方で、駆動周波数７７ｋＨｚ付近にＳＰＬの極大点が現出されている。
【0104】
また、前記モデルＡ１５においては、駆動周波数７５ｋＨｚ付近においてＳＰＬが低下されている一方で、駆動周波数８３ｋＨｚ付近にＳＰＬの極大点が現出されている。
【0105】
これらの結果から、
・開口幅が一辺の長さＢ＝３．３ｍｍの平面視正方形状とされ且つ深さｈが０．１ｍｍとされた前記空洞部１５、及び、直径Ｃ１が１．５ｍｍで且つ長さＬ１が０．２５ｍｍとされた前記筒状部１７が、周波数７５ｋＨｚ近傍の音波の透過を防止乃至は低減する音波フィルターとして作用していること、
・前記圧電素子３０の共振周波数が、前記空洞部１５及び前記筒状部１７が透過を防止乃至は低減する周波数７５ｋＨｚとは異なっている前記モデルＡ１１（共振周波数７０ｋＨｚ）、前記モデルＡ１４（７７ｋＨｚ）及び前記モデルＡ１５（８３ｋＨｚ）においては、放射音波に圧電素子３０の共振周波数成分が重合されていること
が推測される。
・開口幅が一辺の長さＢ＝３．３ｍｍの平面視正方形状とされ且つ深さｈが０．１ｍｍとされた前記空洞部１５、及び、直径Ｃ１が１．５ｍｍで且つ長さＬ１が０．２５ｍｍとされた前記筒状部１７が、周波数７５ｋＨｚ近傍の音波の透過を防止乃至は低減する音波フィルターとして作用していること、
・前記圧電素子３０の共振周波数が、前記空洞部１５及び前記筒状部１７が透過を防止乃至は低減する周波数７５ｋＨｚとは異なっている前記モデルＡ１１（共振周波数７０ｋＨｚ）、前記モデルＡ１４（７７ｋＨｚ）及び前記モデルＡ１５（８３ｋＨｚ）においては、放射音波に圧電素子３０の共振周波数成分が重合されていること
が推測される。
【0106】
これに対し、圧電素子３０の共振周波数が７５ｋＨｚに設定された前記モデルＡ１３においては、周波数７５ｋＨｚ付近におけるＳＰＬの低下及び極大の何れも現出されていない。
【0107】
これは、前記モデルＡ１３においては、放射音波に含有されている前記圧電素子３０の共振周波数７５ｋＨｚの成分が、周波数７５ｋＨｚ近傍の音波の透過を防止乃至は低減するように構成された前記空洞部１５及び前記筒状部１７によって有効にカットされているものと考えられる。
【0108】
また、圧電素子３０の共振周波数が７４ｋＨｚに設定された前記モデルＡ１２においても、ＳＰＬの低下及び極大の双方ともにかなり低減されている。
【0109】
これは、放射音波に含有されている前記圧電素子３０の共振周波数７４ｋＨｚの成分が、周波数７５ｋＨｚ近傍の音波の透過を防止乃至は低減するように構成された前記空洞部１５及び前記筒状部１７によって有効にカットされているものと考えられる。
【0110】
このことから、前記空洞部１５及び前記筒状部１７が前記圧電素子３０の共振周波数の±１．５％内の周波数の音波の透過を低下させるように、前記空洞部１５及び前記筒状部１７を構成することによって、放射音波から前記圧電素子３０の共振周波数成分を有効にカットできると考えられる。
【0111】
なお、前記解析（２）及び（４）において記載した通り、透過の防止乃至は低減を行なえる周波数の調整は、前記空洞部１５の深さ及び／又は前記導波路１６の筒状部１７の直径を変更することによって有効に行うことができる。
【0112】
解析（８）
前記空洞部１５及び前記導波路１６を有する前記モデル１００（図７(a)及び(b)）において、前記圧電素子３０の共振周波数を７５ｋＨｚに固定し且つ前記空洞部１５の深さｈを０．１ｍｍに固定した上で、前記筒状部１７の直径Ｃ１を１．２ｍｍ（モデルＡ２１）、１．５ｍｍ（モデルＡ２２）、１．８ｍｍ（モデルＡ２３）及び２．２ｍｍ（モデルＡ２４）に設定して、各モデルＡ２１～Ａ２４におけるＳＰＬをＦＥＭ解析に基づき算出した。
その結果を図１７に示す。
前記空洞部１５及び前記導波路１６を有する前記モデル１００（図７(a)及び(b)）において、前記圧電素子３０の共振周波数を７５ｋＨｚに固定し且つ前記空洞部１５の深さｈを０．１ｍｍに固定した上で、前記筒状部１７の直径Ｃ１を１．２ｍｍ（モデルＡ２１）、１．５ｍｍ（モデルＡ２２）、１．８ｍｍ（モデルＡ２３）及び２．２ｍｍ（モデルＡ２４）に設定して、各モデルＡ２１～Ａ２４におけるＳＰＬをＦＥＭ解析に基づき算出した。
その結果を図１７に示す。
【0113】
図１７から明らかなように、前記モデルＡ２１、Ａ２３、Ａ２４においては、駆動周波数７５ｋＨｚ付近にＳＰＬの極大点が現出されている。
これは、駆動周波数７５ｋＨｚの際に、前記圧電素子３０から放射される音波に当該圧電素子３０の共振周波数成分が重合されている為と推測される。
これは、駆動周波数７５ｋＨｚの際に、前記圧電素子３０から放射される音波に当該圧電素子３０の共振周波数成分が重合されている為と推測される。
【0114】
そして、前記モデルＡ２１においては、駆動周波数７１ｋＨｚ付近においてＳＰＬが低下され、前記モデルＡ２３においては、駆動周波数７９ｋＨｚ付近においてＳＰＬが低下され、前記モデルＡ２４においては、駆動周波数８８ｋＨｚ付近においてＳＰＬが低下されている。
【0115】
このことから、前記モデルＡ２１における前記空洞部１５（一辺の長さＢ＝３．３ｍｍの平面視正方形状×深さｈ＝１．５ｍｍ）及び前記筒状部１７（直径Ｃ１＝１．２ｍｍ×長さＬ１＝０．２５ｍｍ）の組み合わせは周波数７１ｋＨｚ付近の音波の透過を抑制し、前記モデルＡ２３における前記空洞部１５（一辺の長さＢ＝３．３ｍｍの平面視正方形状×深さｈ＝１．５ｍｍ）及び前記筒状部１７（直径Ｃ１＝１．８ｍｍ×長さＬ１＝０．２５ｍｍ）の組み合わせは周波数７９ｋＨｚ付近の音波の透過を抑制し、前記モデルＡ２４における前記空洞部１５（一辺の長さＢ＝３．３ｍｍの平面視正方形状×深さｈ＝１．５ｍｍ）及び前記筒状部１７（直径Ｃ１＝２．２ｍｍ×長さＬ１＝０．２５ｍｍ）の組み合わせは周波数８８ｋＨｚ付近の音波の透過を抑制するものと推測される。
【0116】
一方、前記モデルＡ２２においては、特定周波数領域でのＳＰＬの低下及び極大は現出されていない。
【0117】
これは、前記モデルＡ２２においても、駆動周波数７５ｋＨｚの際に、前記圧電素子３０から放射される音波に当該圧電素子３０の共振周波数成分が重合されているものの、前記モデルＡ２２における前記空洞部１５（一辺の長さＢ＝３．３ｍｍの平面視正方形状×深さｈ＝１．５ｍｍ）及び前記筒状部１７（直径Ｃ１＝１．５ｍｍ×長さＬ１＝０．２５ｍｍ）の組み合わせが周波数７５ｋＨｚ付近の音波の透過を抑制している為と考えられる。
【0118】
ここで、前記空洞部１５及び前記筒状部１７が形成する音波フィルターの効果を確かめる為に行った検証について説明する。
【0119】
検証（１）
前記解析（７）で用いたモデルＡ２２と同一形状、同一材質及び同一寸法の試作品を作成し、この試作品に対して前記解析（１）におけると同一条件（振幅１０Ｖ及び周波数４０ｋＨｚの正弦波５周期のバースト波形電圧）で電圧を印加し、放射音波の応答を時間領域で測定した。
測定結果を図１８に示す。
前記解析（７）で用いたモデルＡ２２と同一形状、同一材質及び同一寸法の試作品を作成し、この試作品に対して前記解析（１）におけると同一条件（振幅１０Ｖ及び周波数４０ｋＨｚの正弦波５周期のバースト波形電圧）で電圧を印加し、放射音波の応答を時間領域で測定した。
測定結果を図１８に示す。
【0120】
図１８に示す通り、音圧の時間領域波形には、ほぼ駆動周波数の正弦波の波形のみが現出されている。
【0121】
これは、前記圧電素子３０から発生された音波には、駆動周波数成分に加えて、前記圧電素子３０の共振周波数成分が重合されているものの、前記圧電素子３０の共振周波数成分は前記空洞部１５及び前記筒状部１７によって形成される音波フィルターによって有効にカットされた為、と考えられる。
【0122】
【0123】
また、前記試作品に対して、連続波の駆動電圧（振幅１０Ｖ及び周波数４０ｋＨｚの正弦波の連続波形電圧）を印加した場合の音圧の指向性を測定した。
その結果を図１９に併せて示す。
その結果を図１９に併せて示す。
【0124】
図１９に示されるように、駆動電圧がバースト波形電圧の場合及び連続波形電圧の場合の双方において、鋭く良好な音圧指向性が確認された。
【0125】
また、バースト波形電圧を印加した際の指向性は、連続波形電圧を印加した際の指向性とほぼ重なっていることが確認できる。
【0126】
これは、前記空洞部１５及び前記筒状部１７によって形成される音波フィルターが、放射音波から前記圧電素子３０の共振周波数成分を有効にカットしている為、と考えられる。
【0127】
以下、本実施の形態に係る超音波トランスデューサー１Ａの任意構成部材について説明する。
図１に示すように、本実施の形態に係る前記超音波トランスデューサー１Ａは、前記支持板１０Ａ、前記可撓性樹脂膜２０及び前記複数の圧電素子３０に加えて、任意構成部材として下側封止板４０及び配線アッセンブリ１５０を有している。
図１に示すように、本実施の形態に係る前記超音波トランスデューサー１Ａは、前記支持板１０Ａ、前記可撓性樹脂膜２０及び前記複数の圧電素子３０に加えて、任意構成部材として下側封止板４０及び配線アッセンブリ１５０を有している。
【0128】
図２０に、図１におけるXX-XX線に沿った断面図を示す。
図２０に示すように、前記下側封止板４０は、前記複数の圧電素子３０をそれぞれ囲む大きさの複数の圧電素子用開口４２を有しており、前記下側封止板４０は、平面視において前記複数の圧電素子３０が前記複数の圧電素子用開口４２内に位置するように前記可撓性樹脂膜２０の第１面２０－１に接着剤又は熱圧着等によって固着されている。
図２０に示すように、前記下側封止板４０は、前記複数の圧電素子３０をそれぞれ囲む大きさの複数の圧電素子用開口４２を有しており、前記下側封止板４０は、平面視において前記複数の圧電素子３０が前記複数の圧電素子用開口４２内に位置するように前記可撓性樹脂膜２０の第１面２０－１に接着剤又は熱圧着等によって固着されている。
【0129】
図１に示すように、前記下側封止板４０の厚さは、前記圧電素子３０の厚さよりも大とされており、前記可撓性樹脂膜２０の第１面２０－１に固着された状態において前記下側封止板４０の第１面が、前記圧電素子３０における前記上面電極３６、前記下面電極端子３７Ｔ及び前記内側電極端子３４Ｔ（図５参照）よりも前記可撓性樹脂膜２０から離間されている。
【0130】
前記下側封止板４０は、ステンレス等の金属や炭素繊維強化プラスチック及びセラミックス等の剛性部材によって形成される。
【0131】
前記下側封止板４０は、前記複数の圧電素子３０を含む圧電素子群の側方を封止するとともに、前記配線アッセンブリ１５０が固着される基台として作用する。
【0132】
前記配線アッセンブリ１５０は、外部から供給される印可電圧を前記複数の圧電素子３０へ伝達する為のものである。
【0133】
図１に示すように、前記配線アッセンブリ１５０は、前記下側封止板４０に接着剤等によって固着される絶縁性ベース層１６０と、前記ベース層１６０に固着された導体層１７０と、前記導体層１７０を囲繞する絶縁性のカバー層１８０とを有している。
【0134】
前記ベース層１６０及び前記カバー層１８０は、例えば、ポリイミド等の絶縁性樹脂によって形成される。
【0135】
前記導体層１７０は、例えば、Ｃｕ等の導電性金属によって形成される。
前記導体層１７０は、前記ベース層１６０上に積層された厚さ１２～２５μｍ程度のＣｕ箔に対して不要部分をエッチング除去することによって形成可能である。
好ましくは、前記導体層１７０を形成するＣｕの露出部分にＮｉ／Ａｕメッキを施すことができる。
前記導体層１７０は、前記ベース層１６０上に積層された厚さ１２～２５μｍ程度のＣｕ箔に対して不要部分をエッチング除去することによって形成可能である。
好ましくは、前記導体層１７０を形成するＣｕの露出部分にＮｉ／Ａｕメッキを施すことができる。
【0136】
本実施の形態においては、前記導体層１７０は、前記圧電素子３０の第１電極（本実施の形態においては外側電極３６、３７）及び第２電極（本実施の形態においては内側電極３４）にそれぞれ接続される第１配線１７０ａ及び第２配線１７０ｂを含んでいる。
【0137】
前記ベース層１６０には、前記第１配線１７０ａを対応する前記圧電素子３０の第１電極に接続する為の第１配線／圧電素子接続用開口１６１ａと、前記第２配線１７０ｂを対応する前記圧電素子３０の第２電極に接続する為の第２配線／圧電素子接続用開口１６１ｂとが形成されている。
【0138】
本実施の形態においては、前述の通り、前記上面電極３６及び前記下面電極３７が前記第１電極として作用し且つ前記内側電極３４が前記第２電極として作用している。
【0139】
従って、前記第１配線１７０ａのうち前記第１配線／圧電素子接続用開口１６１ａを介して露出する部分が前記上面電極３６の一部及び前記下面電極端子３７Ｔの双方に、例えば、導電性接着剤又ははんだによって電気的に接続されている。
【0140】
そして、前記第２配線１７０ｂのうち前記第２配線／圧電素子接続用開口１６１ｂを介して露出する部分が前記内側電極端子３４Ｔに、例えば、導電性接着剤又ははんだによって電気的に接続されている。
【0141】
前記カバー層１８０には、前記第１及び第２配線１７０ａ、１７０ｂをそれぞれ外部に電気的に接続させる為の第１配線／外部接続用開口及び第２配線／外部接続用開口が設けられている。
【0142】
図１に示すように、本実施の形態に係る前記超音波トランスデューサー１Ａは、さらに、前記下側封止板４０及び前記配線アッセンブリ１５０の上面に柔軟性樹脂５５を介して固着された上側封止板６０を有している。
前記上側封止板６０は、前記複数の圧電素子３０のそれぞれに対応した位置に開口部６５を有している。
前記上側封止板６０は、前記複数の圧電素子３０のそれぞれに対応した位置に開口部６５を有している。
【0143】
前記上側封止板６０を備えることにより、前記振動体のたわみ振動動作への影響を可及的に防止しつつ、前記配線アッセンブリ１５０の支持安定化を図ることができる。
【0144】
前記上側封止板６０は、例えば、厚さ０．１ｍｍ～０．３ｍｍのステンレス等の金属や炭素繊維強化プラスチック及びセラミックス等によって形成される。
【0145】
本実施の形態に係る超音波トランスデューサー１Ａは、さらに、前記上側封止板６０の複数の開口部６５を覆うように前記上側封止板６０の上面に接着等によって固着された吸音材７０を備えている。
【0146】
前記吸音材７０は、例えば、厚さ０．３ｍｍ～１．５ｍｍ程度のシリコーン樹脂又は他の発泡性樹脂によって形成される。
【0147】
前記吸音材７０を備えることにより、前記圧電素子３０によって生成される音波が放射されるべき側（図１において下側）とは反対側へ放射されることを有効に抑制することができる。
【0148】
前記超音波トランスデューサー１Ａは、さらに、前記吸音材７０の上面に接着等によって固着された補強板７５を備えている。
【0149】
前記補強板７５は、例えば、厚さ０．２ｍｍ～０．５ｍｍ程度のステンレス等の金属や炭素繊維強化プラスチック及びセラミックス等によって形成される。
【0150】
前記補強板７５を備えることにより、外力が前記基板１０及び前記圧電素子３０に影響を与えることを可及的に防止することができる。
【符号の説明】
【0151】
１Ａ、１Ｂ 超音波トランスデューサー
１０Ａ、１０Ｂ 支持板
１０－１ 支持板の第１面
１０－２ 支持板の第２面
１５ 空洞部
１６ 導波路
１７ 筒状部
１８ ホーン部
２０ 可撓性樹脂膜
１０Ａ、１０Ｂ 支持板
１０－１ 支持板の第１面
１０－２ 支持板の第２面
１５ 空洞部
１６ 導波路
１７ 筒状部
１８ ホーン部
２０ 可撓性樹脂膜
【要約】
本発明の超音波トランスデューサーは、第１面に開口された複数の空洞部及び第２面に開口された複数の導波路を有する支持板と、支持板に固着された可撓性樹脂膜と、平面視において中央領域が空洞部と重合し且つ周縁領域が支持板と重合するように可撓性樹脂膜に固着された複数の圧電素子とを備え、空洞部及び導波路は、圧電素子の共振周波数の±１．５％内の周波数の音波の透過を低下させるように形状及び寸法が設定されている。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】