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JP2011234073A - 超音波センサー、及び電子機器 - Google Patents

超音波センサー、及び電子機器 Download PDF

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Abstract

【課題】送信素子の振動ノイズの検出を抑制し、受信信号の検出精度を高めることが可能な超音波センサー、及び電子機器を提供すること。
【解決手段】超音波センサー１０は、同一のセンサーアレイ基板１１上に、送信素子２１と、受信素子３１と、を備える。そして、受信素子３１の一対の受信電極を第一電位にする電位制御部１５と、一対の受信電極及び電位制御部１５の接続状態を切り換える接続切換部１６と、を備える。接続切換部１６は、送信素子２１から超音波が送信される送信期間において、電位制御部１５と一対の受信電極とが接続される第一状態に切り換え、受信素子３１で超音波が受信される受信期間において、電位制御部１５と一対の受信電極とが切断される第二状態に切り換える。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波センサー、及び電子機器に関する。
従来、被検出体に対して超音波を送信する送信素子と、被検出体で反射された超音波を受信する受信素子とが同一基板上にアレイ状に配置され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）。
特許文献１に記載の超音波センサーは、超音波を送信する送信素子と超音波を受信する受信素子とを区画する振動分離部材を備えている。この振動分離部材は、超音波送信時の送信素子から受信素子への振動の伝達を抑制し、受信素子での振動ノイズの受信を低減する。
特開２００９−２２５４１９号公報
ところで、特許文献１に記載の超音波センサーでは、振動分離部材により、送信素子の振動ノイズを低減させている。しかしながら、送信素子の超音波送信時の振動は、受信素子における超音波受信時の振動に比べて大きくなるため、十分に振動ノイズを除去することができず、受信信号の検出精度が低下するという問題がある。
つまり、超音波センサーにおいて、送信素子から超音波が出力され、被検出体などの対象物により反射された超音波が受信素子に入力される場合、送信素子から対象物までの距離、対象物から受信素子までの距離により、超音波が減衰し、音圧が低下する。また、対象物での反射においても、超音波が減衰して、音圧が低下する。このように、受信素子に入力される超音波は、送信素子で出力される超音波に比べて音圧が小さくなるため、通常、受信素子には、増幅アンプが接続され、受信素子に入力される超音波に基づいた受信信号は、増幅アンプにより増幅されて検出される。
従って、振動分離部材を用いて、送信素子から伝達される振動を低減したとしても、受信素子に僅かな振動が伝達されると、その振動による信号が増幅されて振動ノイズとして検出される。このため、このような振動ノイズと、対象物により反射された超音波による受信信号との判別が困難となり、受信信号の検出精度が低下する。
本発明の目的は、送信素子の振動ノイズの検出を抑制し、受信信号の検出精度を高めることが可能な超音波センサー、及び電子機器を提供することにある。
本発明の超音波センサーは、振動することで超音波を送信する駆動膜、駆動膜を振動させる送信用圧電体、及び前記送信用圧電体に駆動電圧を印加する一対の駆動電極を備えた送信素子と、前記超音波を受信して振動する受動膜、前記受動膜の振動を電気信号に変換する受信用圧電体、及び前記受信用圧電体から出力される前記電気信号を取り出す一対の受信電極を備えた受信素子と、が同一基板上に配設された超音波センサーであって、前記一対の受信電極を第一電位にする電位制御部と、前記一対の受信電極及び前記電位制御部の接続状態を切り換える接続切換部と、を備え、前記接続切換部は、前記送信素子から超音波が送信される送信期間において、前記電位制御部と前記一対の受信電極とが接続される第一状態に切り換え、前記受信素子で超音波が受信される受信期間において、前記電位制御部と前記一対の受信電極とが切断される第二状態に切り換えることを特徴とする。
このような超音波センサーでは、送信素子において、送信用圧電体に駆動電極から駆動電圧が印加されると、送信用圧電体の伸縮により駆動膜が振動し、当該駆動膜から超音波が送信される。そして、受信素子は、被検出体により反射された超音波を受動膜にて受信することで、この受動膜が振動する。これにより、受信用圧電体に電位差が発生して、当該電位差に基づく電気信号が一対の受信電極から出力される。
そして、本発明によれば、送信素子が超音波を送信する送信期間において、接続切換部は、第一状態に切り換わる。これにより、一対の受信電極と電位制御部とが接続され、これら一対の受信電極の電位がそれぞれ同電位となる第一電位に設定される。このため、一対の受信電極の電位差が０となり、受信電極から電気信号が出力されない。これによれば、送信素子から超音波が送信されている期間、すなわち、送信素子の駆動膜が振動している期間において、受信素子に送信素子からの振動ノイズが伝達された場合でも、受信電極から電気信号が出力されない。従って、送信素子の振動により発生する振動ノイズが検出されない。
一方、送信期間経過後の受信期間において、接続切換部は、第二状態に切り換わる。これにより、受信素子は、超音波による受信信号のみを受信でき、超音波の受信信号の検出精度を高めることができる。
ところで、上述したように、通常、受信素子には、増幅アンプが接続され、受信素子に入力される超音波に基づいた受信信号は、増幅アンプにより増幅されて検出される。また、送信素子の駆動膜の振動により発生する振動ノイズは、受信素子に入力される超音波の受信信号よりも数十倍または数百倍の振幅を有するものである。このため、増幅アンプに振動ノイズが入力されると、増幅された振動ノイズにより、増幅アンプの出力電圧が高くなってしまい、消費電力が大きくなるおそれがある。
本発明によれば、超音波の送信期間において、一対の受信電極と電位制御部とが接続されて、一対の受信電極の電位差が０となり、受信電極から電気信号が出力されない。すなわち、増幅アンプには、振動ノイズによる信号が入力されないため、振動ノイズが増幅されて出力電圧が高くなることを防止できる。従って、増幅アンプの消費電力を低減できる。
本発明では、前記接続切換部は、前記一対の受信電極の少なくともいずれか一方の受信電極と、前記電位制御部と、の接続状態を切り換え可能な電位制御スイッチと、前記一対の受信電極のそれぞれに接続されて、これら一対の受信電極の接続状態を切り換え可能なショートスイッチと、を備えるとともに、前記第一状態では、前記ショートスイッチを、前記一対の受信電極が接続される接続状態に切り換えるとともに、前記電位制御スイッチを、前記一対の受信電極のうちいずれか一方の受信電極と前記電位制御部とが接続される接続状態に切り換えることが好ましい。
本発明によれば、送信期間において、ショートスイッチは、一対の受信電極をショートさせ、さらに、電位制御スイッチを電位制御部と一対の受信電極とを接続させて、電位制御部は、一対の受信電極の電位がそれぞれ同電位となる第一電位に設定される。これにより、一対の受信電極の電位差を０としている。すなわち、一対の受信電極を単にショートさせる状態とすればよいので、構成をより簡素化できる。
また、一対の受信電極をショートスイッチにより、ショートさせているので、一対の受信電極の電位差を確実に０にでき、受信電極から電気信号が出力されない状態にできる。
本発明では、前記電位制御部は、前記一対の受信電極のうち、一方の受信電極に電圧を印加する第１電位制御部と、前記一対の受信電極のうち、他方の受信電極に電圧を印加する第２電位制御部と、を備え、前記接続切換部は、前記一方の受信電極と、前記第１電位制御部との接続状態を切り換え可能な第１スイッチと、前記他方の受信電極と、前記第２電位制御部との接続状態を切り換え可能な第２スイッチとを備えるとともに、前記第一状態では、前記第１スイッチを、前記一方の受信電極と前記第１電位制御部とが接続される接続状態に切り換え、前記第２スイッチを、前記他方の受信電極と前記第２電位制御部とが接続される接続状態に切り換えることが好ましい。
本発明によれば、送信期間において、接続切換部は、第１スイッチを一方の受信電極と第１電位制御部とが接続される接続状態に切り換え、さらに第２スイッチを他方の受信電極と第２電位制御部とが接続される接続状態に切り換える。これにより、一対の受信電極と第１、第２電位制御部とが接続され、これら一対の受信電極の電位がそれぞれ同電位となる第一電位に設定される。このため、一対の受信電極の電位差が０となり、受信電極から電気信号が出力されない。これによれば、送信素子の駆動膜が振動している期間において、受信素子に送信素子からの振動ノイズが伝達された場合でも、受信電極から電気信号が出力されない。従って、送信素子の振動により発生する振動ノイズが検出されない。
一方、送信期間経過後の受信期間において、上述したように、接続切換部は、第二状態に切り換える。これにより、受信素子は、超音波による受信信号のみを受信でき、超音波の受信信号の検出精度を高めることができる。
本発明では、少なくとも前記送信期間において、トリガー信号を出力するトリガー信号出力部と、前記送信素子の前記一対の駆動電極に印加する駆動信号を出力すると同時に、前記トリガー信号出力部を起動させる駆動制御部と、を備え、前記接続切換部は、前記トリガー信号出力部から前記トリガー信号が入力されると、前記第一状態に切り換え、前記トリガー信号の入力が終了すると前記第二状態に切り換えることが好ましい。
本発明によれば、駆動制御部は、送信素子の一対の駆動電極に印加する駆動信号を出力すると同時に、トリガー信号出力部を起動させる。これにより、トリガー信号出力部がトリガー信号を出力することとなる。そして、接続切換部はトリガー信号が入力されると、第一状態に切り換え、トリガー信号の入力が終了すると第二状態に切り換える。これによれば、駆動制御部が送信素子に駆動信号を出力する際、接続切換部は、第一状態に確実に切り換えることができ、一対の受信電極の電位差を０にできる。従って、送信期間において、受信電極から電気信号が出力されず、送信素子の振動により発生する振動ノイズが検出されない。さらに、送信期間経過後の受信期間において、上述したように、受信素子は、超音波による受信信号のみを受信でき、超音波の受信信号の検出精度を高めることができる。
本発明では、前記トリガー信号出力部は、前記駆動信号の少なくとも１周期分と、前記送信期間とを加えたトリガー出力期間において、前記トリガー信号を出力することが好ましい。
本発明によれば、トリガー出力期間として、送信素子から送信される超音波の駆動信号の少なくとも１周期分と、送信期間とを加えた期間が設定されている。
ここで、超音波の送信期間中に発生した振動ノイズが送信期間経過後に、受信素子に伝達されている場合がある。ところが、本発明によれば、送信期間経過後もトリガー信号が出力されて、一対の受信電極の電位差は０となるので、送信期間経過後に、振動ノイズが受信素子に伝達された場合でも、受信素子は振動ノイズを受信信号として出力することがない。従って、受信素子は、超音波の受信信号の検出精度をより高めることができる。
本発明の電子機器は、上述の超音波センサーを備えることを特徴とする。
本発明では、上述の超音波センサーを備えるので、上述した超音波の受信信号の検出精度を高めることができる効果を奏する電子機器を実現できる。
また、従来では、上述した振動分離部材を備えていたが、本発明では、当該振動分離部材を備える必要がなく、構成を簡素化でき、例えば、生体検査装置等の小型化が求められる装置等に採用できる。
本発明の第１実施形態に係る生体検査装置の外観を示す図。 前記第１実施形態における超音波センサー模式的に示す回路ブロック図。 前記第１実施形態における送信素子及び受信素子の断面図。 前記第１実施形態における各信号の電圧値と時間との関係を示すグラフ。 前記第１実施形態における超音波センサーの動作を示すフローチャート。 本発明の第２実施形態における超音波センサー模式的に示す回路ブロック図。
［第１実施形態］
以下、本発明に係る第１実施形態を図面に基づいて説明する。
［生体検査装置の構成］
図１は、本実施形態に係る電子機器である生体検査装置１００の外観を示す図である。
生体検査装置１００は、図１に示すように、人体の手指にバンド１２０を用いて装着される装置である。この生体検査装置１００は、装置本体１１０と、装置本体１１０を手指に装着するためのバンド１２０とを備えており、装置本体１１０には、超音波センサー１０が設けられている。
そして、この生体検査装置１００では、例えば、接触面１１１に対して手指を接触させて、超音波センサー１０から手指に対して超音波を送信するとともに、例えば手指内の血管などの生体構成物で反射された超音波を受信し、例えば脈拍や血圧などの血流状態の検査、その他、生体の状態を検査する。
［超音波センサーの構成］
図２は、超音波センサー１０を模式的に示す回路ブロック図である。
超音波センサー１０は、手指に対して超音波を送信するとともに、例えば手指内の血管などの生体構成物で反射された超音波を受信するものである。
この超音波センサー１０は、図２に示すように、送信アレイ２０と、送信アレイ２０に隣接する受信アレイ３０とを有する。
送信アレイ２０は、複数の送信素子２１が、水平方向（図２におけるＸ軸方向）および垂直方向（図２におけるＹ軸方向）に沿って配置された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。
送信素子２１は、後述する駆動制御部１４から入力された送信信号（駆動信号）に基づいて、超音波を送信する素子である。また、受信素子３１は、被検出体等で反射された超音波を受信して電気信号に変換し、駆動制御部１４に出力する素子である。
ここで、本実施形態の超音波センサー１０は、図２に示すように、１つのセンサーアレイ基板１１上に、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、それぞれセンサーアレイ基板を有し、これらのセンサーアレイ基板が１つのセンサーアレイ基板上に固定される構成などとしてもよい。
センサーアレイ基板１１は、略矩形状に形成され、例えばシリコン（Ｓｉ）などの半導体形成素材により形成される。
超音波センサー１０は、各アレイ２０，３０の他、送信素子２１に入力される駆動信号を増幅する送信アンプ１２と、受信素子３１が受信する超音波の受信信号を増幅する受信アンプ１３と、超音波センサー１０の動作を制御する駆動制御部１４と、トリガー出力期間Ｔｒ（図４参照）において、受信素子３１の後述する受信電極３１３２，３１３３を第一電位にする電位制御部１５と、電位制御部１５及び受信電極３１３２，３１３３の接続状態を切り換える接続切換部１６とを備える。
［送信素子の構成］
図３は、送信素子２１及び受信素子３１をセンサーアレイ基板１１の厚み方向に沿って断面した状態を模式的に示す断面図である。図３の図面視において、右側が送信素子２１を示す図である。
送信素子２１は、図３に示すように、支持部２１１と、支持膜２１２と、送信用圧電体２１３とを備えている。
支持部２１１は、センサーアレイ基板１１の送信素子２１の配置位置に形成される部分である。この支持部２１１には、センサーアレイ基板１１の基板面に対して直交する方向から当該センサーアレイ基板１１を見た平面視（センサー平面視）において、例えば矩形状に形成される開口部２１１Ａが形成されている。
開口部２１１Ａの径寸法Ｄは、後述するダイアフラム２１２Ａ（駆動膜）の固有振動数に応じて、例えば約１００μｍ〜２００μｍ程度の範囲で適宜設定されている。このダイアフラム２１２Ａが振動することで、超音波が開口部２１１Ａ側に向けて発信される。
支持膜２１２は、開口部２１１Ａを閉塞し、本実施形態では、この支持膜２１２は、２層構成により形成される。例えば、支持部２１１がＳｉ基板である場合、支持部２１１上を熱酸化処理することで、厚み寸法が３μｍのＳｉＯ２層を成膜する。そして、このＳｉＯ２層にスパッタリングや蒸着などの手法により、厚み寸法が４００ｎｍのＺｒＯ２層を成膜することで２層に形成されている。
また、支持膜２１２により開口部２１１Ａを閉塞される部分が、ダイアフラム２１２Ａとなっている。ダイアフラム２１２Ａは、薄膜状部材であり、支持部２１１に形成される開口部２１１Ａから、送信素子２１の超音波出力方向（図３中、紙面下方向）の空間に対して露出している。
送信用圧電体２１３は、センサー平面視において、開口部２１１Ａと同様に、例えば矩形状に形成される膜状部材である。この送信用圧電体２１３は、圧電膜２１３１と、圧電膜２１３１に電圧を印加する駆動電極（下部電極２１３２及び上部電極２１３３）と、を備えている。
圧電膜２１３１は、例えばＰＺＴを膜状に形成して、厚み寸法が１.４μｍに形成される。なお、本実施形態では、圧電膜２１３１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。
下部電極２１３２及び上部電極２１３３は、圧電膜２１３１を挟んで形成される電極であり、下部電極２１３２は、厚み寸法が２００ｎｍとして、圧電膜２１３１のダイアフラム２１２Ａに対向する面に形成され、上部電極２１３３は、厚み寸法が５０ｎｍとして、圧電膜２１３１のダイアフラム２１２Ａに対向する面とは反対側の裏面側に形成されている。
送信素子２１の上部電極２１３３及び下部電極２１３２は、駆動制御部１４から入力される駆動信号により圧電膜２１３１に所定の電圧を印加する。
また、下部電極２１３２には、図２に示すようにセンサーアレイ基板１１のＹ軸方向に沿って延出する下部電極線２１４が接続されている。また、上部電極２１３３には、センサーアレイ基板１１のＸ軸方向に沿って延出する上部電極線２１５が接続されている。
このような送信素子２１では、下部電極２１３２と、上部電極２１３３とに電圧を印加することで、圧電膜２１３１が面内方向に伸縮する。このとき、圧電膜２１３１の一方の面は、下部電極２１３２を介してダイアフラム２１２Ａに接合されるが、他方の面には、上部電極２１３３が形成されるものの、この上部電極２１３３上には他の層が積層形成されないため、圧電膜２１３１のダイアフラム２１２Ａ側が伸縮しにくく、上部電極２１３３側が伸縮し易くなる。このため、圧電膜２１３１に電圧を印加すると、開口部２１１Ａ側に凸となる撓みが生じ、ダイアフラム２１２Ａを撓ませる。したがって、圧電膜２１３１に交流電圧を印加することで、ダイアフラム２１２Ａが膜厚方向に対して振動し、このダイアフラム２１２Ａの振動により超音波が出力される。
［受信素子の構成］
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るため、構成の説明を簡略化する。図３の図面視において、左側が受信素子３１を示す図である。
この受信素子３１は、支持部３１１と、支持膜３１２と、受信用圧電体３１３とを備えている。受信用圧電体３１３は、圧電膜３１３１と、電気信号（受信信号）を取り出す受信電極（一方の受信電極としての下部電極３１３２、及び他方の受信電極としての上部電極３１３３）とを備えている。そして、受信素子３１は、被検出体により反射された超音波をダイアフラム３１２Ａ（受動膜）で受信することでダイアフラム３１２Ａ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３１２Ａの振動により、圧電膜３１３１の下部電極３１３２側の面と上部電極３１３３側の面とで電位差が発生する。そして、上部電極３１３３および下部電極３１３２から圧電膜３１３１の変位量に応じた受信信号が駆動制御部１４へ出力される。
［送信アレイの構成］
送信アレイ２０では、図３に示すように、Ｘ軸方向に沿って配置される送信素子２１同士で、上述したように、上部電極線２１５が接続され、これらの上部電極線２１５は、送信アレイ２０のＸ方向両端側に設けられる送信共通電極線２１６に結線される。
また、送信アレイ２０のＹ軸方向に沿って配置される送信素子２１同士では、下部電極線２１４が接続され、例えば送信アレイ２０の−Ｙ方向の位置に設けられる送信駆動電極線２１７に接続される。ここで、本実施形態の送信アレイ２０は、超音波を一方向（Ｘ方向）に沿って送信角を調整し、走査する構成であるため、下部電極線２１４は、送信素子２１同士を接続していたが、超音波を二次元方向に走査する場合には、送信素子２１毎に下部電極線２１４を引き出す構成とすればよい。
これらの送信共通電極線２１６及び送信駆動電極線２１７は、送信アンプ１２に接続される。また、送信共通電極線２１６は、基準電位１７に接続されることでグランド（ＧＮＤ）されており、送信素子２１の上部電極２１３３はアースされた状態となる。一方、送信駆動電極線２１７は、送信アンプ１２から駆動信号が入力されて、下部電極２１３２に駆動電圧が印加されることで、駆動電極２１３２，２１３３に電位差が生じ、送信素子２１が駆動される。
［受信アレイの構成］
受信アレイ３０は、図２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２１５が接続され、これらの上部電極線２１５は、受信アレイ３０のＸ方向両端側に設けられる受信共通電極線３１６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２１４同士が接続され、例えば受信アレイ３０の−Ｙ方向の位置に設けられる受信検出電極線３１７に接続される。
これらの受信共通電極線３１６及び受信検出電極線３１７は、受信アンプ１３に接続される。受信素子３１の受信電極３１３２，３１３３から受信共通電極線３１６、及び受信検出電極線３１７に入力される受信信号の振幅（電位差）が、受信アンプ１３により増幅されることで、受信素子３１で受信した超音波の周波数等が検出される。
［送信アンプ及び受信アンプの構成］
送信アンプ１２は、駆動制御部１４から入力された駆動信号の電圧値を増幅して、増幅された駆動信号を送信駆動電極線２１７に出力する。この送信アンプ１２は、基準電位１７に接続される送信共通電極線２１６、及び送信駆動電極線２１７に接続される。
受信アンプ１３は、受信素子３１で受信した超音波に基づいて変換した受信信号が受信検出電極線３１７から入力されて、当該受信信号の電圧値を増幅して、駆動制御部１４へ出力する。この受信アンプ１３は、受信共通電極線３１６及び受信検出電極線３１７に接続されている。
［駆動制御部の構成］
駆動制御部１４は、超音波センサー１０の送信素子２１に入力する駆動信号を制御するとともに、超音波センサー１０の受信素子３１から出力された受信信号を処理するものである。この駆動制御部１４は、図２に示すように、駆動信号生成部１４１と、信号処理部１４２とを備える。
駆動信号生成部１４１は、送信素子２１に出力する駆動信号を生成し、送信アンプ１２へ出力する回路装置である。また、駆動信号生成部１４１は、駆動信号を送信アンプ１２へ出力すると、後述するトリガー信号出力部１６１を起動させる。具体的に、駆動信号生成部１４１は、バースト周期Ｔｐ（図４参照）毎に駆動信号を生成し、送信期間Ｔｔ（図４参照）中、送信アンプ１２へ駆動信号を出力する。
信号処理部１４２は、受信素子３１から出力されて、受信アンプ１３で増幅された受信信号を処理する回路装置である。この信号処理部１４２では、受信信号の周波数等に基づいて、例えば脈拍や血圧などを算出する。
［接続切換部の構成］
接続切換部１６は、トリガー信号出力部１６１と、電位制御スイッチ１６２と、ショートスイッチ１６３とを備えている。この接続切換部１６は、トリガー信号出力部１６１により出力されるトリガー信号の出力期間Ｔｒ（図４参照）中において、電位制御部１５と受信電極３１３２，３１３３とが接続される第一状態に切り換えるものである。また、接続切換部１６は、トリガー信号の出力期間Ｔｒ経過後、トリガー信号が停止すると、電位制御部１５と受信電極３１３２，３１３３とが切断される第二状態に切り換えるものである。
ここで、電位制御部１５は、第一状態において、負電圧を受信電極３１３２，３１３３に印加し、受信電極３１３２，３１３３を同電位とする第一電位にするものである。これにより、受信電極３１３２，３１３３の電位差が０となる。
トリガー信号出力部１６１は、駆動制御部１４の駆動信号生成部１４１により起動されると、電位制御スイッチ１６２、及びショートスイッチ１６３にトリガー信号を出力する回路装置である。また、トリガー信号出力部１６１は、所定時間（図４中のトリガー出力期間Ｔｒ）、トリガー信号を出力するように設定されている。
また、トリガー出力期間Ｔｒは、図４を参照すると、送信期間Ｔｔよりも長く設定され、具体的には、送信期間Ｔｔより駆動信号の少なくとも１周期（１波長）以上長く設定されていればよい。本実施形態では、トリガー出力期間Ｔｒは、送信期間Ｔｔより駆動信号の約２周期程度長く設定されている。
一方、トリガー出力期間Ｔｒの上限は、以下の式（１）で算出される。
Figure 2011234073
ここで、ｃは、媒体の音速（ｍ／ｓ）であり、Ｄｔｒは、超音波センサー１０から被検出体までの距離（ｍ）である。なお、この距離Ｄｔｒ（ｍ）は、超音波センサー１０の構造（素子２１，３１とセンサー表面との距離）、被検出体（本実施形態では血管）に基づいて決められる所定値である。
電位制御スイッチ１６２は、例えばマイクロスイッチ等が採用され、受信共通電極線３１６及び電位制御部１５に接続されている。また、電位制御スイッチ１６２は、受信共通電極線３１６に接続されている。
そして、電位制御スイッチ１６２は、トリガー信号出力部１６１からトリガー信号が入力されると、電位制御部１５と受信共通電極線３１６とを接続する第一状態となる。これにより、電位制御部１５から受信共通電極線３１６を介して、上部電極３１３３に負電圧を印加する状態となる。
一方、トリガー信号の入力が停止すると、電位制御スイッチ１６２は、電位制御部１５と受信共通電極線３１６との接続を切断する第二状態となる。これにより、上部電極３１３３に負電圧の印加を解除する状態となる。
ショートスイッチ１６３は、電位制御スイッチ１６２と同様に、例えばマイクロスイッチ等が採用されており、受信共通電極線３１６及び受信検出電極線３１７に接続されている。そして、各電極線３１６，３１７は、受信電極３１３２，３１３３、及び受信アンプ１３に接続されている。
そして、ショートスイッチ１６３は、トリガー信号出力部１６１からトリガー信号が入力されると、受信共通電極線３１６及び受信検出電極線３１７を接続する接続状態となる。これにより、受信電極３１３２，３１３３がショートされる状態となる。また、上述したように、電位制御スイッチ１６２は、電位制御部１５から受信共通電極線３１６を介して、上部電極３１３３に負電圧を印加する状態となる。このため、受信検出電極線３１７には、電位制御部１５から受信共通電極線３１６及びショートスイッチ１６３を介して、下部電極３１３２に負電圧を印加する状態となる。
以上により、受信電極３１３２，３１３３が同電位となる第一電位となり、受信電極３１３２，３１３３の電位差が０となる。
また、トリガー信号が停止すると、ショートスイッチ１６３は、受信共通電極線３１６及び受信検出電極線３１７との接続を切断する第二状態となる。これにより、下部電極３１３２に負電圧の印加を解除する状態となる。
［超音波センサーの動作］
超音波センサー１０の動作について、図４に示す各信号の電圧値と時間との関係のグラフ、及び図５に示すフローを参照して説明する。
まず、駆動制御部１４の駆動信号生成部１４１は、送信素子２１へ出力する駆動信号を生成し、送信期間Ｔｔ中において、駆動信号を送信アンプ１２へ出力するとともに、トリガー信号出力部１６１を起動させる。これにより、トリガー信号出力部１６１は、トリガー出力期間Ｔｒ中において、トリガー信号を電位制御スイッチ１６２及びショートスイッチ１６３へ出力する（ステップＳ１）。
そして、電位制御スイッチ１６２及びショートスイッチ１６３は、トリガー信号出力部１６１からトリガー信号が入力されると、第一状態となり、電位制御部１５から負電圧が受信共通電極線３１６及び受信検出電極線３１７に供給されて、受信電極３１３２，３１３３が同電位となる第一電位となる（ステップＳ２）。
一方、送信アンプ１２は、駆動信号が入力されると、駆動信号の電圧値を増幅し、駆動信号を送信駆動電極線２１７に供給して、下部電極線２１４を介して送信素子２１の下部電極２１３２に駆動電圧を印加する。また、送信素子２１の上部電極２１３３は、送信共通電極線２１６を介して基準電位１７に接続され、アースされている。これにより、送信素子２１は、駆動電極２１３２，２１３３に電位差が発生することで駆動され、超音波を送信する（ステップＳ３）。
この時、受信アレイ３０では、電位制御部１５から負電圧が受信共通電極線３１６及び受信検出電極線３１７を介して、上部電極線２１５及び下部電極線２１４に供給される。このため、受信素子３１の受信電極３１３２，３１３３は、同電位となる第一電位となるので、電位差が０となり、受信素子３１から受信信号が出力されない。すなわち、図４のグラフに示すように、トリガー出力期間Ｔｒにおいて、受信素子３１の受信電極３１３２，３１３３には負電圧が印加されて、電位差が０となっているので、グラフが下がった状態となる。従って、送信素子２１が超音波を送信する際のダイアフラム２１２Ａの振動が受信素子３１に伝達されても、受信共通電極線３１６及び受信検出電極線３１７に電流が流れることがない。このため、受信アンプ１３においても受信信号が増幅されることがなく、出力電圧が低くなっている。
そして、トリガー信号出力部１６１は、トリガー出力期間Ｔｒ経過後、トリガー信号の出力を停止する（ステップＳ４）
ステップＳ４でトリガー信号の出力が停止すると、電位制御スイッチ１６２及びショートスイッチ１６３は電位制御部１５との接続が切断された第二状態となる（ステップＳ５）。
この時、受信共通電極線３１６及び受信検出電極線３１７に電位制御部１５から負電圧が供給されていないため、受信電極３１３２，３１３３に電位差が発生した状態となる。このため、受信アンプ１３には、受信電極３１３２，３１３３から圧電膜３１３１の変位量に応じた受信信号が受信共通電極線３１６及び受信検出電極線３１７から入力される。そして、受信アンプ１３は、図４のグラフに示すように、受信信号の電圧値を増幅する。
そして、駆動制御部１４の信号処理部１４２には、受信アンプ１３から増幅された受信信号が入力されて、信号処理部１４２は、当該受信信号を信号処理する（ステップＳ６）。これにより、信号処理部１４２では、受信素子３１で受信した超音波の振幅や周波数が検出され、例えば、脈拍や血圧等を算出する。
上述した第１実施形態における超音波センサー１０によれば、以下の効果を奏する。
（１）送信素子２１が超音波を送信する送信期間Ｔｔにおいて、接続切換部１６は、第一状態に切り換わる。これにより、一対の受信電極３１３２，３１３３と電位制御部１５とが接続され、これら一対の受信電極３１３２，３１３３の電位がそれぞれ同電位となる第一電位に設定される。このため、一対の受信電極３１３２，３１３３の電位差が０となり、受信電極３１３２，３１３３から電気信号が出力されない。これによれば、送信素子２１から超音波が送信されている期間、すなわち、送信素子２１のダイアフラム２１２Ａが振動している期間において、受信素子３１に送信素子２１からの振動ノイズが伝達された場合でも、受信電極３１３２，３１３３から電気信号が出力されない。従って、送信素子２１の振動により発生する振動ノイズが検出されない。
一方、送信期間Ｔｔ経過後の受信期間において、接続切換部１６は、第二状態に切り換わる。これにより、受信素子３１は、超音波による受信信号のみを受信でき、超音波の受信信号の検出精度を高めることができる。
（２）超音波の送信期間Ｔｔにおいて、一対の受信電極３１３２，３１３３と電位制御部１５とが接続されて、一対の受信電極３１３２，３１３３の電位差が０となり、受信電極３１３２，３１３３から電気信号が出力されない。すなわち、受信アンプ１３には、振動ノイズによる信号が入力されないため、振動ノイズが増幅されて出力電圧が高くなることを防止できる。従って、受信アンプ１３の消費電力を低減できる。
（３）送信期間Ｔｔにおいて、ショートスイッチ１６３は、一対の受信電極３１３２，３１３３をショートさせ、さらに、電位制御スイッチ１６２を電位制御部１５と一対の受信電極３１３２，３１３３とを接続させて、電位制御部１５は、一対の受信電極３１３２，３１３３の電位がそれぞれ同電位となる第一電位に設定される。これにより、一対の受信電極３１３２，３１３３の電位差を０としている。すなわち、一対の受信電極３１３２，３１３３を単にショートさせる状態とすればよいので、構成をより簡素化できる。
（４）駆動制御部１４は、送信素子２１の一対の駆動電極２１３２，２１３３に印加する駆動信号を出力すると同時に、トリガー信号出力部１６１を起動させる。これにより、トリガー信号出力部１６１がトリガー信号を出力することとなる。そして、接続切換部１６はトリガー信号が入力されると、第一状態に切り換え、トリガー信号の入力が終了すると第二状態に切り換える。これによれば、駆動制御部１４が送信素子２１に駆動信号を出力する際、接続切換部１６は、第一状態に確実に切り換えることができ、一対の受信電極３１３２，３１３３の電位差を０にできる。従って、送信期間Ｔｔにおいて、受信電極３１３２，３１３３から電気信号が出力されず、送信素子２１の振動により発生する振動ノイズが検出されない。さらに、送信期間Ｔｔ経過後の受信期間において、上述したように、受信素子３１は、超音波による受信信号のみを受信でき、超音波の受信信号の検出精度を高めることができる。
（５）トリガー出力期間Ｔｒとして、送信素子２１から送信される超音波の駆動信号の少なくとも１周期分と、送信期間Ｔｔとを加えた期間が設定されている。
ここで、超音波の送信期間Ｔｔ中に発生した振動ノイズが送信期間Ｔｔ経過後に、受信素子３１に伝達されている場合がある。ところが、本実施形態によれば、送信期間Ｔｔ経過後もトリガー信号が出力されて、一対の受信電極３１３２，３１３３の電位差は０となるので、送信期間Ｔｔ経過後に、振動ノイズが受信素子３１に伝達された場合でも、受信素子３１は振動ノイズを受信信号として出力することがない。従って、受信素子３１は、超音波の受信信号の検出精度をより高めることができる。
（６）上述した超音波センサー１０を備える生体検査装置１００は、接触面１１１に対して手指等を接触させて、血管に対して超音波を送信する。この場合、接触面１１１と血管とは、互いにかなり近い位置にある。このような、超音波センサー１０に対して被検出体が近接した位置にある場合、トリガー出力期間Ｔｒを短縮することで、迅速に第一状態と第二状態とを切り換えることができ、近接する被検出体のセンシングが可能となる。
［第２実施形態］
図６は、第２実施形態に係る超音波センサー１０を模式的に示す回路ブロック図である。
前記第１実施形態では、接続切換部１６は、電位制御スイッチ１６２及びショートスイッチ１６３を備える構成であったが、第２実施形態での接続切換部１６は、ショートスイッチ１６３を備えずに、第１スイッチ１６４及び第２スイッチ１６５を備え、電位制御部１５は、第１スイッチ１６４及び第２スイッチ１６５にそれぞれ接続される第１電位制御部１８及び第２電位制御部１９を備えている点で相違する。
第１スイッチ１６４は、前記実施形態での電位制御スイッチ１６２と同様の構成であり、下部電極３１３２に接続される受信検出電極線３１７と、第１電位制御部１８との接続状態を切り換えるものである。
第２スイッチ１６５は、前記実施形態での電位制御スイッチ１６２と同様の構成であり、上部電極３１３３に接続される受信共通電極線３１６と、第２電位制御部１９との接続状態を切り換えるものである。
第１電位制御部１８は、下部電極３１３２に負電圧を印加するものであり、第２電位制御部１９は、上部電極３１３３に負電圧を印加するものである。
そして、第１スイッチ１６４は、トリガー信号出力部１６１からトリガー信号が入力されると、第１電位制御部１８と受信検出電極線３１７とを接続し、第２スイッチ１６５は、第２電位制御部１９と受信共通電極線３１６とを接続する第一状態となる。これにより、各電位制御部１８，１９から一対の受信電極３１３２，３１３３に負電圧を印加する状態となる。これにより、一対の受信電極３１３２，３１３３が同電位となる第一電位となり、一対の受信電極３１３２，３１３３の電位差が０となる。
一方、トリガー信号の入力が停止すると、第１スイッチ１６４及び第２スイッチ１６５は、第１電位制御部１８と受信検出電極線３１７とを切断し、第２電位制御部１９と受信共通電極線３１６とを切断する第二状態となる。これにより、一対の受信電極３１３２，３１３３に負電圧の印加を解除する状態となる。
上述した第２実施形態によれば、前記第１実施形態の効果（１）、（２）、（４）〜（６）と同様の効果を奏する。
本実施形態では、送信期間Ｔｔにおいて、接続切換部１６は、第１スイッチ１６４を下部電極３１３２と第１電位制御部１８とが接続される接続状態に切り換え、さらに第２スイッチ１６５を上部電極３１３３と第２電位制御部１９とが接続される接続状態に切り換える。これにより、一対の受信電極３１３２，３１３３と第１、第２電位制御部１８、１９とが接続され、これら一対の受信電極３１３２，３１３３の電位がそれぞれ同電位となる第一電位に設定される。このため、一対の受信電極３１３２，３１３３の電位差が０となり、受信電極３１３２，３１３３から電気信号が出力されない。これによれば、送信素子２１のダイアフラム２１２Ａが振動している期間において、受信素子３１に送信素子からの振動ノイズが伝達された場合でも、受信電極３１３２，３１３３から電気信号が出力されない。従って、送信素子２１の振動により発生する振動ノイズが検出されない。
一方、送信期間Ｔｔ経過後の受信期間において、上述したように、接続切換部１６は、第二状態に切り換える。これにより、受信素子３１は、超音波による受信信号のみを受信でき、超音波の受信信号の検出精度を高めることができる。
［実施形態の変形］
本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。
前記各実施形態では、各電位制御部１５，１８，１９から一対の受信電極３１３２，３１３３へ負電圧が印加されることで、一対の受信電極３１３２，３１３３を第一電位にしていたが、各電位制御部１５，１８，１９を基準電位とし、一対の受信電極３１３２，３１３３をアースすることで、第一電位にしてもよい。
この場合において、前記第１実施形態での電位制御スイッチ１６２を設けずに、常時、電位制御部１５に上部電極３１３３をアースする構成としてもよい。また、前記第２実施形態でも、第２スイッチ１６５を設けずに、常時、第２電位制御部１９に上部電極３１３３をアースする構成としてもよい。この場合には、ショートスイッチ１６３や第１スイッチ１６４のみを制御する構成にでき、構成を簡素化できる。
前記各実施形態では、トリガー信号はトリガー出力期間Ｔｒ中に出力されていたが、送信期間Ｔｔ中のみ送信されていてもよく、被検出体までの距離に応じて、トリガー出力期間Ｔｒを適宜設定してもよい。
前記各実施形態では、駆動制御部１４と接続切換部１６とは別構成であったが、接続切換部１６へ駆動制御部１４を組み込んで構成してもよい。この場合には、駆動信号生成部１４１が駆動信号を生成すると、トリガー信号出力部１６１はトリガー信号を出力するように構成され、トリガー信号出力部１６１の応答性を向上できる。また、トリガー信号出力部１６１を接続切換部１６の構成としたが、駆動制御部１４の構成としてもよい。さらに、トリガー信号出力部１６１を設けずに、駆動信号生成部１４１に駆動信号を生成する際に、トリガー信号を生成させる構成としてもよい。
前記各実施形態では、電子機器として生体検査装置を例示したが、これに限定されるものではなく、例えば、車間距離を検出する装置や、配管内を流れる流体の流量や流速を計測する装置等が例示できる。
１０…超音波センサー、１１…センサーアレイ基板（基板）、１４…駆動制御部、１５…電位制御部、１６…接続切換部、１８…第１電位制御部、１９…第２電位制御部、２１…送信素子、３１…受信素子、１００…生体検査装置（電子機器）、１６１…トリガー信号出力部、１６２…電位制御スイッチ、１６３…ショートスイッチ、１６４…第１スイッチ、１６５…第２スイッチ、２１２Ａ…ダイアフラム（駆動膜）、２１３…送信用圧電体、３１３…受信用圧電体、３１２Ａ…ダイアフラム（受動膜）、２１３２，２１３３…駆動電極、３１３２…下部電極、受信電極（一方の受信電極）、３１３３…上部電極、受信電極（他方の受信電極）、Ｔｔ…送信期間、Ｔｒ…トリガー出力期間。

Claims (6)

  1. 振動することで超音波を送信する駆動膜、駆動膜を振動させる送信用圧電体、及び前記送信用圧電体に駆動電圧を印加する一対の駆動電極を備えた送信素子と、前記超音波を受信して振動する受動膜、前記受動膜の振動を電気信号に変換する受信用圧電体、及び前記受信用圧電体から出力される前記電気信号を取り出す一対の受信電極を備えた受信素子と、が同一基板上に配設された超音波センサーであって、
    前記一対の受信電極を第一電位にする電位制御部と、
    前記一対の受信電極及び前記電位制御部の接続状態を切り換える接続切換部と、を備え、
    前記接続切換部は、前記送信素子から超音波が送信される送信期間において、前記電位制御部と前記一対の受信電極とが接続される第一状態に切り換え、前記受信素子で超音波が受信される受信期間において、前記電位制御部と前記一対の受信電極とが切断される第二状態に切り換える
    ことを特徴とする超音波センサー。
  2. 請求項１に記載の超音波センサーにおいて、
    前記接続切換部は、
    前記一対の受信電極の少なくともいずれか一方の受信電極と、前記電位制御部と、の接続状態を切り換え可能な電位制御スイッチと、
    前記一対の受信電極のそれぞれに接続されて、これら一対の受信電極の接続状態を切り換え可能なショートスイッチと、を備えるとともに、
    前記第一状態では、前記ショートスイッチを、前記一対の受信電極が接続される接続状態に切り換えるとともに、前記電位制御スイッチを、前記一対の受信電極のうちいずれか一方の受信電極と前記電位制御部とが接続される接続状態に切り換える
    ことを特徴とする超音波センサー。
  3. 請求項１に記載の超音波センサーにおいて、
    前記電位制御部は、
    前記一対の受信電極のうち、一方の受信電極に電圧を印加する第１電位制御部と、
    前記一対の受信電極のうち、他方の受信電極に電圧を印加する第２電位制御部と、を備え、
    前記接続切換部は、
    前記一方の受信電極と、前記第１電位制御部との接続状態を切り換え可能な第１スイッチと、
    前記他方の受信電極と、前記第２電位制御部との接続状態を切り換え可能な第２スイッチとを備えるとともに、
    前記第一状態では、前記第１スイッチを、前記一方の受信電極と前記第１電位制御部とが接続される接続状態に切り換え、前記第２スイッチを、前記他方の受信電極と前記第２電位制御部とが接続される接続状態に切り換える
    ことを特徴とする超音波センサー。
  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において、
    少なくとも前記送信期間において、トリガー信号を出力するトリガー信号出力部と、前記送信素子の前記一対の駆動電極に印加する駆動信号を出力すると同時に、前記トリガー信号出力部を起動させる駆動制御部と、を備え、
    前記接続切換部は、前記トリガー信号出力部から前記トリガー信号が入力されると、前記第一状態に切り換え、前記トリガー信号の入力が終了すると前記第二状態に切り換える
    ことを特徴とする超音波センサー。
  5. 請求項４に記載の超音波センサーにおいて、
    前記トリガー信号出力部は、前記駆動信号の少なくとも１周期分と、前記送信期間とを加えたトリガー出力期間において、前記トリガー信号を出力する
    ことを特徴とする超音波センサー。
  6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の超音波センサーを備える
    ことを特徴とする電子機器。
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