JP2022011510A - 超音波デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】簡素な構成で機械的クロストークを低減させつつ、超音波を好適に送受信する超音波デバイスを提供する。
【解決手段】超音波デバイスは、基板と、基板に設けられ、対象物に超音波を送信する送信素子と、基板の送信素子とは異なる位置に設けられ、対象物で反射された超音波を受信する受信素子と、を備え、送信素子の共振周波数ｆａ１は、受信素子の共振周波数ｆａ２よりも大きく、受信素子の反共振周波数ｆｂ２は、送信素子の共振周波数ｆａ１を含む小堤の周波数帯域ＦＷ内に含まれる。
【選択図】図６
【解決手段】超音波デバイスは、基板と、基板に設けられ、対象物に超音波を送信する送信素子と、基板の送信素子とは異なる位置に設けられ、対象物で反射された超音波を受信する受信素子と、を備え、送信素子の共振周波数ｆａ１は、受信素子の共振周波数ｆａ２よりも大きく、受信素子の反共振周波数ｆｂ２は、送信素子の共振周波数ｆａ１を含む小堤の周波数帯域ＦＷ内に含まれる。
【選択図】図６
Description
本発明は、超音波を送受信する超音波デバイスに関する。
従来、二次元的に配置された複数の超音波素子を有する超音波デバイスが知られている。また、このような超音波デバイスでは、超音波素子間の機械的クロストークを抑制するために、振動の伝搬を抑制する遮蔽部を超音波素子間に設けることが知られている。
例えば、特許文献１に記載の超音波デバイスでは、複数の超音波素子が二次元的に配置される樹脂部材に対して溝状の遮蔽部が設けられており、この遮蔽部は、樹脂部材を各超音波素子に対応する領域ごとに区画することで機械的クロストークを抑制している。
例えば、特許文献１に記載の超音波デバイスでは、複数の超音波素子が二次元的に配置される樹脂部材に対して溝状の遮蔽部が設けられており、この遮蔽部は、樹脂部材を各超音波素子に対応する領域ごとに区画することで機械的クロストークを抑制している。
上述の超音波デバイスのうち、送信用の超音波素子（送信素子）と受信用の超音波素子（受信素子）とが二次元的に配置されている送受信兼用の超音波デバイスでは、送信素子と受信素子との間の機械的クロストークが生じることにより、送受信性能が低下してしまうという問題がある。
しかし、上述の特許文献１に開示されている遮蔽部には、超音波デバイスの構造を複雑化させたり、超音波デバイスの機械的強度を低下させたりといった問題が存在しているため、送受信兼用の超音波デバイスにおいて当該遮蔽部を設けることは好ましくない。
しかし、上述の特許文献１に開示されている遮蔽部には、超音波デバイスの構造を複雑化させたり、超音波デバイスの機械的強度を低下させたりといった問題が存在しているため、送受信兼用の超音波デバイスにおいて当該遮蔽部を設けることは好ましくない。
本開示の一態様に係る超音波デバイスは、基板と、前記基板に設けられ、対象物に超音波を送信する送信素子と、前記基板の前記送信素子とは異なる位置に設けられ、前記対象物で反射された前記超音波を受信する受信素子と、を備え、前記送信素子の共振周波数は、前記受信素子の共振周波数よりも大きく、前記受信素子の反共振周波数は、前記送信素子の前記共振周波数に対応する周波数帯域内に含まれることを特徴とする。
以下、本開示の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る超音波装置１００の概略構成を示す図である。
この超音波装置１００は、図１に示すように、超音波デバイス１０と、制御部６０とを備えて構成されている。
このような超音波装置１００は、超音波デバイス１０から図示略の対象物に対して超音波を送信し、対象物で反射された超音波を受信することで距離センサーや厚み検出センサーとして利用することができる。
例えば、超音波装置１００を、距離センサーとして用いる場合、制御部６０は、超音波デバイス１０からの超音波の送信タイミングと、対象物で反射された超音波を超音波デバイス１０で受信した受信タイミングまでの時間を測定する。これにより、制御部６０は、測定された時間と、既知の音速とに基づいて、超音波デバイス１０から対象物の距離を算出する。
また、超音波装置１００を厚み検出センサーとして用いる場合、制御部６０は、超音波デバイス１０から対象物に超音波を送信し、対象物で反射されて超音波デバイス１０で受信された超音波の音圧を測定する。これにより、制御部６０は、音圧に基づいて、対象物の厚みや対象物の重なりを検出することができる。
以下、このような超音波装置１００の各構成について説明する。
図１は、本実施形態に係る超音波装置１００の概略構成を示す図である。
この超音波装置１００は、図１に示すように、超音波デバイス１０と、制御部６０とを備えて構成されている。
このような超音波装置１００は、超音波デバイス１０から図示略の対象物に対して超音波を送信し、対象物で反射された超音波を受信することで距離センサーや厚み検出センサーとして利用することができる。
例えば、超音波装置１００を、距離センサーとして用いる場合、制御部６０は、超音波デバイス１０からの超音波の送信タイミングと、対象物で反射された超音波を超音波デバイス１０で受信した受信タイミングまでの時間を測定する。これにより、制御部６０は、測定された時間と、既知の音速とに基づいて、超音波デバイス１０から対象物の距離を算出する。
また、超音波装置１００を厚み検出センサーとして用いる場合、制御部６０は、超音波デバイス１０から対象物に超音波を送信し、対象物で反射されて超音波デバイス１０で受信された超音波の音圧を測定する。これにより、制御部６０は、音圧に基づいて、対象物の厚みや対象物の重なりを検出することができる。
以下、このような超音波装置１００の各構成について説明する。
［超音波デバイス１０の構成］
図２は、図１のＡ－Ａ線で超音波デバイス１０を切断した場合の断面図である。この図２を主に参照し、超音波デバイス１０の構成について説明する。
図２に示すように、超音波デバイス１０は、基板２０と、基板２０上に配置される圧電素子３０と、圧電素子３０を覆う保護部材４０と、を含んで構成されている。
ここで、基板２０の厚み方向をＺ方向とする。また、Ｚ方向に直交する方向をＸ方向、Ｘ方向およびＺ方向に直交する方向をＹ方向とする。
図２は、図１のＡ－Ａ線で超音波デバイス１０を切断した場合の断面図である。この図２を主に参照し、超音波デバイス１０の構成について説明する。
図２に示すように、超音波デバイス１０は、基板２０と、基板２０上に配置される圧電素子３０と、圧電素子３０を覆う保護部材４０と、を含んで構成されている。
ここで、基板２０の厚み方向をＺ方向とする。また、Ｚ方向に直交する方向をＸ方向、Ｘ方向およびＺ方向に直交する方向をＹ方向とする。
基板２０は、基板本体部２１と、基板本体部２１の一面側に設けられる振動板２２と、を備える。
基板本体部２１は、振動板２２を支持する部材であり、Ｓｉ等の半導体基板で構成される。
この基板本体部２１には、基板本体部２１をＺ方向に沿って貫通する複数の開口部２１０が設けられている。複数の開口部２１０は、基板本体部２１に対して、Ｘ方向およびＹ方向に沿った２次元アレイ状に配置されている（図１参照）。これにより、基板本体部２１において、Ｘ方向およびＹ方向に隣り合う開口部２１０の間には、壁部２１１が設けられている。
なお、開口部２１０の開口幅は、Ｘ方向およびＹ方向の各寸法であり、互いに等しいとする。開口幅の詳細については後述する。
基板本体部２１は、振動板２２を支持する部材であり、Ｓｉ等の半導体基板で構成される。
この基板本体部２１には、基板本体部２１をＺ方向に沿って貫通する複数の開口部２１０が設けられている。複数の開口部２１０は、基板本体部２１に対して、Ｘ方向およびＹ方向に沿った２次元アレイ状に配置されている（図１参照）。これにより、基板本体部２１において、Ｘ方向およびＹ方向に隣り合う開口部２１０の間には、壁部２１１が設けられている。
なお、開口部２１０の開口幅は、Ｘ方向およびＹ方向の各寸法であり、互いに等しいとする。開口幅の詳細については後述する。
振動板２２は、例えばＳｉＯ２およびＺｒＯ２の積層体等より構成されている。振動板２２は、基板本体部２１により支持され、開口部２１０のＺ方向の一方側（Ｚ方向－側）を閉塞する。
振動板２２のうち、Ｚ方向から見た際に開口部２１０に重なる領域、すなわち基板２０の壁部２１１の縁に囲われる領域は、振動部２３を構成している。振動部２３のＸ方向およびＹ方向の各寸法は、開口部２１０の開口幅のＸ方向およびＹ方向の各寸法に対応する。
また、複数の振動部２３は、複数の開口部２１０と同様、Ｘ方向およびＹ方向に沿って並んだ２次元アレイ状に配置されている。
振動板２２のうち、Ｚ方向から見た際に開口部２１０に重なる領域、すなわち基板２０の壁部２１１の縁に囲われる領域は、振動部２３を構成している。振動部２３のＸ方向およびＹ方向の各寸法は、開口部２１０の開口幅のＸ方向およびＹ方向の各寸法に対応する。
また、複数の振動部２３は、複数の開口部２１０と同様、Ｘ方向およびＹ方向に沿って並んだ２次元アレイ状に配置されている。
圧電素子３０は、振動板２２の各振動部２３に対してそれぞれ設けられている。この圧電素子３０は、振動部２３を振動させる振動素子である。圧電素子３０の詳細な構成の図示は省略するが、圧電素子３０は、振動部２３のＺ方向－側の面に対して、下部電極、圧電膜および上部電極を順に積層することで構成されている。
圧電素子３０を構成する下部電極および上部電極は、それぞれ、信号線を介して制御部６０に電気的に接続されている（図１参照）。
圧電素子３０を構成する下部電極および上部電極は、それぞれ、信号線を介して制御部６０に電気的に接続されている（図１参照）。
保護部材４０は、振動板２２に対向配置された基板状のベース部４１と、ベース部４１から振動板２２に向かって突出した形状の突出部４２とを備える。突出部４２の突出先端は、振動板２２のうち、Ｚ方向から見た際に基板本体部２１の壁部２１１に重なる領域に接合している。保護部材４０のうちの突出部４２に囲われた空間には、圧電素子３０が配置されている。なお、図１では、保護部材４０の図示を省略している。
以上の超音波デバイス１０では、１つの振動部２３と当該振動部２３上に配置された圧電素子３０とにより、１つの超音波素子５０が構成される。本実施形態の超音波素子５０は、撓み振動型の超音波トランスデューサーである。
この超音波素子５０は、後述する送信素子５１と受信素子５２とに分けられる。
以下では、送信素子５１に対応する開口部２１０、振動部２３、圧電素子３０を、それぞれ開口部２１０ａ（送信用開口部）、振動部２３ａ（送信用振動部）、圧電素子３０ａ（送信用圧電素子）と記載する。
同様に、受信素子５２に対応する開口部２１０、振動部２３、圧電素子３０を、それぞれ開口部２１０ｂ（受信用開口部）、振動部２３ｂ（受信用振動部）、圧電素子３０ｂ（受信用圧電素子）と記載する。
この超音波素子５０は、後述する送信素子５１と受信素子５２とに分けられる。
以下では、送信素子５１に対応する開口部２１０、振動部２３、圧電素子３０を、それぞれ開口部２１０ａ（送信用開口部）、振動部２３ａ（送信用振動部）、圧電素子３０ａ（送信用圧電素子）と記載する。
同様に、受信素子５２に対応する開口部２１０、振動部２３、圧電素子３０を、それぞれ開口部２１０ｂ（受信用開口部）、振動部２３ｂ（受信用振動部）、圧電素子３０ｂ（受信用圧電素子）と記載する。
［超音波の送受信］
本実施形態の超音波デバイス１０には、図１に示すように、超音波を送信する１以上の送信チャンネルＣｈ１と、超音波を受信する１以上の受信チャンネルＣｈ２とが設けられている。
送信チャンネルＣｈ１および受信チャンネルＣｈ２は、それぞれ、複数の超音波素子５０を含んでいる。送信チャンネルＣｈ１に含まれる超音波素子５０は、送信素子５１となり、受信チャンネルＣｈ２に含まれる超音波素子５０は、受信素子５２となる。
本実施形態の超音波デバイス１０には、図１に示すように、超音波を送信する１以上の送信チャンネルＣｈ１と、超音波を受信する１以上の受信チャンネルＣｈ２とが設けられている。
送信チャンネルＣｈ１および受信チャンネルＣｈ２は、それぞれ、複数の超音波素子５０を含んでいる。送信チャンネルＣｈ１に含まれる超音波素子５０は、送信素子５１となり、受信チャンネルＣｈ２に含まれる超音波素子５０は、受信素子５２となる。
なお、図１では、図の簡略化のために、送信チャンネルＣｈ１および受信チャンネルＣｈ２の各チャンネル数や、各チャンネルに含まれる超音波素子５０の数などを省略しているが、超音波デバイス１０は、より多くのチャンネルや超音波素子５０を含んでもよい。
また、送信チャンネルＣｈ１および受信チャンネルＣｈ２の各配置や、各チャンネルに含まれる超音波素子５０の配置は、図１に例示される配置に限られない。例えば、１つの送信チャンネルＣｈ１の周囲に、複数の受信チャンネルＣｈ２が配置されてもよい。また、各チャンネルに含まれる超音波素子５０は、直線状ではなく、二次元アレイ状に配置されてもよい。
また、送信チャンネルＣｈ１および受信チャンネルＣｈ２の各配置や、各チャンネルに含まれる超音波素子５０の配置は、図１に例示される配置に限られない。例えば、１つの送信チャンネルＣｈ１の周囲に、複数の受信チャンネルＣｈ２が配置されてもよい。また、各チャンネルに含まれる超音波素子５０は、直線状ではなく、二次元アレイ状に配置されてもよい。
送信チャンネルＣｈ１に含まれる各送信素子５１では、上部電極および下部電極がそれぞれ信号線に接続されている。
具体的には、各送信素子５１の上部電極は、コモン信号線に接続されており、当該コモン信号線は、基板２０の外周部に設けられた共通のコモン端子ＣＡに接続されている。
また、各送信素子５１の下部電極は、送信チャンネルＣｈ１ごとの送信信号線に接続されており、当該送信信号線は、基板２０の外周部に設けられた送信チャンネルＣｈ１ごとの信号端子ＳＡに接続されている。すなわち、送信チャンネルＣｈ１に含まれる送信素子５１の下部電極は、送信チャンネルＣｈ１ごとの信号端子ＳＡに直列に接続されている。
このような構成によれば、コモン端子ＣＡにバイアス信号を入力し、信号端子ＳＡに駆動信号を入力することで、当該信号端子ＳＡに対応する送信チャンネルＣｈ１の送信素子５１を駆動させることが可能となる。このとき、各送信素子５１の圧電素子３０ａでは、下部電極および上部電極との間に電圧が印加されることにより、圧電膜が伸縮し、振動部２３ａが開口部２１０ａの開口幅等に応じた発振周波数で振動する。これにより、送信チャンネルＣｈ１からＺ方向の他方側に向かって超音波が送信される。
具体的には、各送信素子５１の上部電極は、コモン信号線に接続されており、当該コモン信号線は、基板２０の外周部に設けられた共通のコモン端子ＣＡに接続されている。
また、各送信素子５１の下部電極は、送信チャンネルＣｈ１ごとの送信信号線に接続されており、当該送信信号線は、基板２０の外周部に設けられた送信チャンネルＣｈ１ごとの信号端子ＳＡに接続されている。すなわち、送信チャンネルＣｈ１に含まれる送信素子５１の下部電極は、送信チャンネルＣｈ１ごとの信号端子ＳＡに直列に接続されている。
このような構成によれば、コモン端子ＣＡにバイアス信号を入力し、信号端子ＳＡに駆動信号を入力することで、当該信号端子ＳＡに対応する送信チャンネルＣｈ１の送信素子５１を駆動させることが可能となる。このとき、各送信素子５１の圧電素子３０ａでは、下部電極および上部電極との間に電圧が印加されることにより、圧電膜が伸縮し、振動部２３ａが開口部２１０ａの開口幅等に応じた発振周波数で振動する。これにより、送信チャンネルＣｈ１からＺ方向の他方側に向かって超音波が送信される。
受信チャンネルＣｈ２に含まれる各受信素子５２では、上部電極および下部電極がそれぞれ信号線に接続されている。
具体的には、各受信素子５２の上部電極は、コモン信号線に接続されており、当該コモン信号線は、基板２０の外周部に設けられた共通のコモン端子ＣＡに接続されている。
また、各受信素子５２の下部電極は、受信チャンネルＣｈ２ごとの受信信号線に接続されており、当該受信信号線は、基板２０の外周部に設けられた受信チャンネルＣｈ２ごとの信号端子ＳＢに接続されている。すなわち、受信チャンネルＣｈ２に含まれる受信素子５２の下部電極は、受信チャンネルＣｈ２ごとの信号端子ＳＢに直列に接続されている。
このような構成によれば、受信チャンネルＣｈ２が超音波を受信した際、当該受信チャンネルＣｈ２の各受信素子５２では、振動部２３ｂが振動し、圧電素子３０ｂにおいて圧電膜の下部電極側と上部電極側との間で電位差が発生する。これにより、受信チャンネルＣｈ２から当該電位差に応じた信号電圧の受信信号が出力され、制御部６０は、超音波の受信を検出できる。
具体的には、各受信素子５２の上部電極は、コモン信号線に接続されており、当該コモン信号線は、基板２０の外周部に設けられた共通のコモン端子ＣＡに接続されている。
また、各受信素子５２の下部電極は、受信チャンネルＣｈ２ごとの受信信号線に接続されており、当該受信信号線は、基板２０の外周部に設けられた受信チャンネルＣｈ２ごとの信号端子ＳＢに接続されている。すなわち、受信チャンネルＣｈ２に含まれる受信素子５２の下部電極は、受信チャンネルＣｈ２ごとの信号端子ＳＢに直列に接続されている。
このような構成によれば、受信チャンネルＣｈ２が超音波を受信した際、当該受信チャンネルＣｈ２の各受信素子５２では、振動部２３ｂが振動し、圧電素子３０ｂにおいて圧電膜の下部電極側と上部電極側との間で電位差が発生する。これにより、受信チャンネルＣｈ２から当該電位差に応じた信号電圧の受信信号が出力され、制御部６０は、超音波の受信を検出できる。
［制御部６０の構成］
制御部６０は、図１に示すように、超音波デバイス１０を駆動させる駆動回路６１と、超音波装置１００の全体の動作を制御する演算部６２とを備える。また、制御部６０は、超音波装置１００を制御するための各種データや各種プログラム等を記憶した記憶部を備えていてもよい。
制御部６０は、図１に示すように、超音波デバイス１０を駆動させる駆動回路６１と、超音波装置１００の全体の動作を制御する演算部６２とを備える。また、制御部６０は、超音波装置１００を制御するための各種データや各種プログラム等を記憶した記憶部を備えていてもよい。
駆動回路６１は、超音波デバイス１０の駆動を制御するためのドライバー回路であり、コモン回路６１１、送信回路６１２および受信回路６１３等を備える。
コモン回路６１１は、コモン端子ＣＡに接続され、超音波素子５０の上部電極に基準電位（例えば０Ｖ等）を印加する。
送信回路６１２は、信号端子ＳＡおよび演算部６２に接続され、演算部６２の制御に基づいて、送信チャンネルＣｈ１の各送信素子５１にパルス波形の駆動信号を出力し、各送信素子５１から超音波を送信させる。
コモン回路６１１は、コモン端子ＣＡに接続され、超音波素子５０の上部電極に基準電位（例えば０Ｖ等）を印加する。
送信回路６１２は、信号端子ＳＡおよび演算部６２に接続され、演算部６２の制御に基づいて、送信チャンネルＣｈ１の各送信素子５１にパルス波形の駆動信号を出力し、各送信素子５１から超音波を送信させる。
受信回路６１３は、信号端子ＳＢおよび演算部６２に接続され、受信チャンネルＣｈ２から入力された受信信号を信号処理する。例えば、受信回路６１３は、リニアノイズアンプおよびＡ／Ｄコンバーター等を含んで構成されており、入力された受信信号のデジタル信号への変換、ノイズ成分の除去、所望信号レベルへの増幅等の各信号処理を実施した後、処理後の受信信号を演算部６２に出力する。
演算部６２は、例えばマイコン等により構成され、駆動回路６１を介して超音波デバイス１０を制御し、超音波デバイス１０による超音波の送受信処理を実施させる。
また、演算部６２は、駆動回路６１の受信回路６１３から入力される受信信号に基づいた各種処理を実施する。例えば、超音波装置１００を距離センサーとして用いる場合、演算部６２は、超音波の送信タイミングから受信信号の受信タイミングまでの時間に基づいて、超音波デバイス１０から対象物までの距離を演算する。
また、演算部６２は、駆動回路６１の受信回路６１３から入力される受信信号に基づいた各種処理を実施する。例えば、超音波装置１００を距離センサーとして用いる場合、演算部６２は、超音波の送信タイミングから受信信号の受信タイミングまでの時間に基づいて、超音波デバイス１０から対象物までの距離を演算する。
［超音波素子５０の周波数特性］
送信素子５１および受信素子５２に共通する超音波素子５０の周波数特性について説明する。
図３は、超音波素子５０のインピーダンス曲線を示すグラフである。当該グラフにおいて、縦軸は超音波素子５０のインピーダンスＺを示し、横軸は駆動周波数ｆを示す。
図３に示すように、超音波素子５０は、駆動周波数ｆの変化に対してインピーダンスＺが変化する固有のインピーダンス特性を有している。
具体的には、超音波素子５０のインピーダンス特性は、インピーダンスＺが極小となる周波数（共振周波数ｆａ）と、インピーダンスＺが極大となる周波数（反共振周波数ｆｂ）とを有する。ここで、共振周波数ｆａ＜反共振周波数ｆｂである。
共振周波数ｆａでは、インピーダンスＺが極小となることにより、超音波素子５０に流れる電流が多くなり、反共振周波数ｆｂでは、インピーダンスＺが極大となることにより、超音波素子５０に流れる電流が少なくなる。
なお、超音波素子５０では、反共振周波数ｆｂは、以下の式(1)により表される。
上記式（１）において、ｋは結合定数であり、Caは、制動容量であり、Cbは、共振時の静電容量である。
送信素子５１および受信素子５２に共通する超音波素子５０の周波数特性について説明する。
図３は、超音波素子５０のインピーダンス曲線を示すグラフである。当該グラフにおいて、縦軸は超音波素子５０のインピーダンスＺを示し、横軸は駆動周波数ｆを示す。
図３に示すように、超音波素子５０は、駆動周波数ｆの変化に対してインピーダンスＺが変化する固有のインピーダンス特性を有している。
具体的には、超音波素子５０のインピーダンス特性は、インピーダンスＺが極小となる周波数（共振周波数ｆａ）と、インピーダンスＺが極大となる周波数（反共振周波数ｆｂ）とを有する。ここで、共振周波数ｆａ＜反共振周波数ｆｂである。
共振周波数ｆａでは、インピーダンスＺが極小となることにより、超音波素子５０に流れる電流が多くなり、反共振周波数ｆｂでは、インピーダンスＺが極大となることにより、超音波素子５０に流れる電流が少なくなる。
なお、超音波素子５０では、反共振周波数ｆｂは、以下の式(1)により表される。
図４は、超音波素子５０の共振曲線を示すグラフである。当該グラフにおいて、縦軸は超音波素子５０の変位量Δを示し、横軸は駆動周波数ｆを示す。なお、超音波素子５０の変位量Δは、振動部２３の厚み方向における変形量であり、例えば、超音波素子５０の振動時にレーザードップラー振動計を用いた計測を行うことにより求めることができる。
図４に示すように、超音波素子５０の変位量Δは、共振周波数ｆａでピークを示す。
図４に示すように、超音波素子５０の変位量Δは、共振周波数ｆａでピークを示す。
以上により、本実施形態の超音波素子５０において、送信効率が最も良好になる駆動周波数ｆは、共振周波数ｆａであり、受信感度が最も良好になる駆動周波数ｆは、反共振周波数ｆｂである。このような超音波素子５０の周波数特性は、送信素子５１および受信素子５２において共通する。
以下、送信素子５１の共振周波数ｆａを共振周波数ｆａ１、送信素子５１の反共振周波数ｆｂを反共振周波数ｆｂ１とし、受信素子５２の共振周波数ｆａを共振周波数ｆａ２、受信素子５２の反共振周波数ｆｂを反共振周波数ｆｂ２と記載する。
以下、送信素子５１の共振周波数ｆａを共振周波数ｆａ１、送信素子５１の反共振周波数ｆｂを反共振周波数ｆｂ１とし、受信素子５２の共振周波数ｆａを共振周波数ｆａ２、受信素子５２の反共振周波数ｆｂを反共振周波数ｆｂ２と記載する。
［送信素子５１および受信素子５２の各周波数特性］
本実施形態では、送信素子５１と受信素子５２との間で１つの振動板２２を共有しており、かつ、送信素子５１と受信素子５２との間で圧電素子３０ａ，３０ｂが共通の構成を有するため、送信素子５１および受信素子５２の各共振周波数は、送信素子５１および受信素子５２に対応する各開口部２１０ａ，２１０ｂの開口幅によって調整されている。
以下、送信素子５１の周波数特性と、受信素子５２の周波数特性との関係について、比較例を用いて説明する。
本実施形態では、送信素子５１と受信素子５２との間で１つの振動板２２を共有しており、かつ、送信素子５１と受信素子５２との間で圧電素子３０ａ，３０ｂが共通の構成を有するため、送信素子５１および受信素子５２の各共振周波数は、送信素子５１および受信素子５２に対応する各開口部２１０ａ，２１０ｂの開口幅によって調整されている。
以下、送信素子５１の周波数特性と、受信素子５２の周波数特性との関係について、比較例を用いて説明する。
図５は、本実施形態の比較例となる超音波デバイス１０を示す図である。なお、図５の比較例において、本実施形態に対応する構成要素には本実施形態と同じ符号を付している。
比較例では、図５に示すように、送信素子５１の開口部２１０ａの開口幅Ｗ１と、受信素子５２の開口部２１０ｂの開口幅Ｗ２とが等しいため（Ｗ１＝Ｗ２）、送信素子５１の共振周波数ｆａ１と受信素子５２の共振周波数ｆａ２とは互いに等しくなり（ｆａ１＝ｆａ２）、送信素子５１および受信素子５２は、互いに等しい周波数で効率的に振動可能である。
このような比較例では、送信素子５１が共振周波数ｆａ１で振動したとき、受信素子５２は、送信素子５１から伝搬される振動によって振動しやすい。すなわち、受信素子５２の性能は、送信素子５１から受信素子５２への機械的クロストークによって低下してしまう。
比較例では、図５に示すように、送信素子５１の開口部２１０ａの開口幅Ｗ１と、受信素子５２の開口部２１０ｂの開口幅Ｗ２とが等しいため（Ｗ１＝Ｗ２）、送信素子５１の共振周波数ｆａ１と受信素子５２の共振周波数ｆａ２とは互いに等しくなり（ｆａ１＝ｆａ２）、送信素子５１および受信素子５２は、互いに等しい周波数で効率的に振動可能である。
このような比較例では、送信素子５１が共振周波数ｆａ１で振動したとき、受信素子５２は、送信素子５１から伝搬される振動によって振動しやすい。すなわち、受信素子５２の性能は、送信素子５１から受信素子５２への機械的クロストークによって低下してしまう。
一方、本実施形態では、図２に示すように、送信素子５１の開口部２１０ａの開口幅Ｗ１が、受信素子５２の開口部２１０ｂの開口幅Ｗ２よりも小さいため（Ｗ１＜Ｗ２）、送信素子５１の共振周波数ｆａ１は、受信素子５２の共振周波数ｆａ２よりも大きくなり（ｆａ１＞ｆａ２）、送信素子５１および受信素子５２は、互いに異なる周波数で効率的に振動可能である。
このような実施形態では、送信素子５１が共振周波数ｆａ１で振動したとき、受信素子５２は、送信素子５１から伝搬される振動によって振動し難い。このため、送信素子５１から受信素子５２への機械的クロストークを低減できる。
また、本実施形態において、送信素子５１の開口幅Ｗ１と受信素子５２の開口幅Ｗ２との差、すなわち送信素子５１の共振周波数ｆａ１と受信素子５２の共振周波数ｆａ２との差は、以下に説明する条件を満たすように調整されている。
図６は、送信素子５１および受信素子５２の各インピーダンス特性を示すグラフであり、図７は、送信素子５１の駆動周波数ｆと、送信素子５１の変位量Δとの関係を示すグラフである。なお、送信素子５１の変位量Δは、送信素子５１から送信される超音波の音圧に対応する。
図６に示すように、受信素子５２の反共振周波数ｆｂ２は、送信素子５１の共振周波数ｆａ１を含む所定の周波数帯域ＦＷ内に含まれる。
ここで、周波数帯域ＦＷは、図７に示すように、送信素子５１の共振周波数ｆａ１の半値幅間の帯域であり、送信素子５１の共振周波数ｆａ１とＱ値とによって定義される。
具体的には、図７に示すグラフにおいて、送信素子５１の変位量Δがピーク値Δｐの半分の値Δｐ／２になる２つの周波数を周波数ｆｃ，ｆｄ（ｆｃ＜ｆｄ）とするとき、周波数帯域ＦＷは、周波数ｆｃから周波数ｆｄまでの範囲である。なお、Ｑ値は、図７に示す共振曲線の鋭さを表すパラメーター（尖鋭度）である。
図６に示すように、受信素子５２の反共振周波数ｆｂ２は、送信素子５１の共振周波数ｆａ１を含む所定の周波数帯域ＦＷ内に含まれる。
ここで、周波数帯域ＦＷは、図７に示すように、送信素子５１の共振周波数ｆａ１の半値幅間の帯域であり、送信素子５１の共振周波数ｆａ１とＱ値とによって定義される。
具体的には、図７に示すグラフにおいて、送信素子５１の変位量Δがピーク値Δｐの半分の値Δｐ／２になる２つの周波数を周波数ｆｃ，ｆｄ（ｆｃ＜ｆｄ）とするとき、周波数帯域ＦＷは、周波数ｆｃから周波数ｆｄまでの範囲である。なお、Ｑ値は、図７に示す共振曲線の鋭さを表すパラメーター（尖鋭度）である。
また、受信素子５２の反共振周波数ｆｂ２は、上述の周波数帯域ＦＷ内であって、かつ、送信素子５１の共振周波数ｆａ１と等しいことが望ましい。
換言すると、送信素子５１の共振周波数ｆａ１と受信素子５２の共振周波数ｆａ２との差は、受信素子５２における共振周波数ｆａ２と反共振周波数ｆｂ２との差に等しいことが望ましい。
換言すると、送信素子５１の共振周波数ｆａ１と受信素子５２の共振周波数ｆａ２との差は、受信素子５２における共振周波数ｆａ２と反共振周波数ｆｂ２との差に等しいことが望ましい。
このような実施形態では、駆動周波数ｆを周波数帯域ＦＷ内に合わせることで、送信素子５１の送信効率および受信素子５２の受信感度をそれぞれ好適に確保できる。特に、駆動周波数ｆを送信素子５１の共振周波数ｆａ１（＝受信素子５２の反共振周波数ｆｂ２）に合わせた場合には、送信素子５１の送信効率を向上させつつ、受信素子５２の受信感度を向上させることができる。
［本実施形態の効果］
本実施形態の超音波デバイス１０は、対象物に超音波を送信する送信素子５１と、対象物で反射された超音波を受信する受信素子５２とを備えるものであり、送信素子５１の共振周波数ｆａ１は、受信素子５２の共振周波数ｆａ２よりも大きく、受信素子５２の反共振周波数ｆｂ２は、送信素子５１の共振周波数ｆａ１に対応する周波数帯域ＦＷ内に含まれる。
このような本実施形態では、上述したように、送信素子５１から受信素子５２への機械的クロストークを低減できると共に、送信素子５１の送信効率と受信素子５２の受信感度とのそれぞれを好適に確保できる。
また、本実施形態において、送信素子５１および受信素子５２の各周波数特性は、各素子を構成する要素の寸法等によって調整されるものであり、従来技術のようなクロストークを低減させるための溝を設ける必要がない。このため、超音波デバイス１０の複雑化や強度低下を回避することができる。
したがって、本実施形態の超音波デバイス１０では、簡素な構成で機械的クロストークを低減させつつ、超音波を好適に送受信することができる。
本実施形態の超音波デバイス１０は、対象物に超音波を送信する送信素子５１と、対象物で反射された超音波を受信する受信素子５２とを備えるものであり、送信素子５１の共振周波数ｆａ１は、受信素子５２の共振周波数ｆａ２よりも大きく、受信素子５２の反共振周波数ｆｂ２は、送信素子５１の共振周波数ｆａ１に対応する周波数帯域ＦＷ内に含まれる。
このような本実施形態では、上述したように、送信素子５１から受信素子５２への機械的クロストークを低減できると共に、送信素子５１の送信効率と受信素子５２の受信感度とのそれぞれを好適に確保できる。
また、本実施形態において、送信素子５１および受信素子５２の各周波数特性は、各素子を構成する要素の寸法等によって調整されるものであり、従来技術のようなクロストークを低減させるための溝を設ける必要がない。このため、超音波デバイス１０の複雑化や強度低下を回避することができる。
したがって、本実施形態の超音波デバイス１０では、簡素な構成で機械的クロストークを低減させつつ、超音波を好適に送受信することができる。
本実施形態の超音波デバイス１０において、送信素子５１の共振周波数ｆａ１に対応する周波数帯域ＦＷは、送信素子５１の駆動周波数ｆと送信素子５１から送信される超音波の音圧との関係における共振周波数ｆａ１の半値幅間の帯域である。
このような本実施形態では、駆動周波数を周波数帯域ＦＷ内に合わせることで、送信素子５１の送信効率と受信素子５２の受信感度とのそれぞれをより好適に確保できる。
また、本実施形態の超音波デバイス１０では、受信素子５２の反共振周波数ｆｂ２が送信素子５１の共振周波数ｆａ１に一致することにより、送信素子５１の送信効率と受信素子５２の受信感度とのそれぞれを最適に確保できる。
このような本実施形態では、駆動周波数を周波数帯域ＦＷ内に合わせることで、送信素子５１の送信効率と受信素子５２の受信感度とのそれぞれをより好適に確保できる。
また、本実施形態の超音波デバイス１０では、受信素子５２の反共振周波数ｆｂ２が送信素子５１の共振周波数ｆａ１に一致することにより、送信素子５１の送信効率と受信素子５２の受信感度とのそれぞれを最適に確保できる。
本実施形態の超音波デバイス１０において、送信素子５１および受信素子５２は、それぞれ、基板２０に設けられた開口部２１０ａ，２１０ｂを閉塞する振動部２３ａ，２３ｂと、振動部２３ａ，２３ｂに配置された圧電素子３０ａ，３０ｂとを備え、振動部２３ａ，２３ｂが撓むことで超音波の送信または受信を行う撓み振動型送信素子である。
また、本実施形態の超音波デバイス１０において、送信素子５１の共振周波数ｆａ１と受信素子５２の共振周波数ｆａ２とは、それぞれ、対応する開口部２１０ａ，２１０ｂの開口幅によって調整されている。具体的には、送信素子５１に対応する開口部２１０ａの幅は、受信素子５２に対応する開口部２１０ｂの幅よりも小さい。
このような構成によれば、製造工数を大幅に増やすことなく、超音波デバイス１０を好適に製造することができる。
また、本実施形態の超音波デバイス１０において、送信素子５１の共振周波数ｆａ１と受信素子５２の共振周波数ｆａ２とは、それぞれ、対応する開口部２１０ａ，２１０ｂの開口幅によって調整されている。具体的には、送信素子５１に対応する開口部２１０ａの幅は、受信素子５２に対応する開口部２１０ｂの幅よりも小さい。
このような構成によれば、製造工数を大幅に増やすことなく、超音波デバイス１０を好適に製造することができる。
［変形例］
なお、本発明は上述の各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、および各実施形態を適宜組み合わせる等によって得られる構成は本発明に含まれるものである。
なお、本発明は上述の各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、および各実施形態を適宜組み合わせる等によって得られる構成は本発明に含まれるものである。
［変形例１］
上記実施形態では、基板２０は、各振動部２３ａ，２３ｂに対応する複数の開口部２１０ａ，２１０ｂを備えており、振動部２３ａ，２３ｂは、振動板２２のうち基板２０の開口部２１０ａ，２１０ｂの縁に囲われる部分であるが、本発明はこれに限られない。例えば、振動部２３は、Ｘ方向に長手を有するように基板２０に形成された開口部２１０ａ，２１０ｂと、Ｙ方向に長手を有するように形成された保護部材４０の突出部４２とにより規定されてもよい。すなわち、振動部２３ａ，２３ｂは、振動板２２のうち、Ｘ方向に長手の開口部２１０ａ，２１０ｂの縁と、Ｙ方向に長手の突出部４２の縁とで囲われる領域であってもよい。
また、上記実施形態では、基板２０は、基板本体部２１および振動板２２を備えており、振動板２２のうち基板本体部２１の開口部２１０ａ，２１０ｂを塞ぐ部分が振動部２３ａ，２３ｂとなるが、本発明はこれに限られない。例えば、基板２０に対してエッチングが行われ、基板２０のうちの厚みが薄くなった部分を振動部２３ａ，２３ｂとしてもよい。
また、上記実施形態では、各開口部２１０ａ，２１０ｂにおいて、Ｘ方向の寸法とＹ方向の寸法とが等しいと説明しているが、互いに異なってもよい。
上記実施形態では、基板２０は、各振動部２３ａ，２３ｂに対応する複数の開口部２１０ａ，２１０ｂを備えており、振動部２３ａ，２３ｂは、振動板２２のうち基板２０の開口部２１０ａ，２１０ｂの縁に囲われる部分であるが、本発明はこれに限られない。例えば、振動部２３は、Ｘ方向に長手を有するように基板２０に形成された開口部２１０ａ，２１０ｂと、Ｙ方向に長手を有するように形成された保護部材４０の突出部４２とにより規定されてもよい。すなわち、振動部２３ａ，２３ｂは、振動板２２のうち、Ｘ方向に長手の開口部２１０ａ，２１０ｂの縁と、Ｙ方向に長手の突出部４２の縁とで囲われる領域であってもよい。
また、上記実施形態では、基板２０は、基板本体部２１および振動板２２を備えており、振動板２２のうち基板本体部２１の開口部２１０ａ，２１０ｂを塞ぐ部分が振動部２３ａ，２３ｂとなるが、本発明はこれに限られない。例えば、基板２０に対してエッチングが行われ、基板２０のうちの厚みが薄くなった部分を振動部２３ａ，２３ｂとしてもよい。
また、上記実施形態では、各開口部２１０ａ，２１０ｂにおいて、Ｘ方向の寸法とＹ方向の寸法とが等しいと説明しているが、互いに異なってもよい。
［変形例２］
上記実施形態において、送信素子５１および受信素子５２の各共振周波数ｆａ１，ｆａ２は、送信素子５１および受信素子５２に対応する各開口部２１０ａ，２１０ｂの幅によって調整されている。ただし、送信素子５１および受信素子５２の各共振周波数ｆａ１，ｆａ２を調整する方法は、これに限られない。
例えば、送信素子５１の共振周波数ｆａ１は、送信素子５１の振動部２３ａの厚みによって調整され、受信素子５２の共振周波数ｆａ２は、受信素子５２の振動部２３ｂの厚みによって調整されてもよい。この場合、送信素子５１の振動部２３ａの厚みは、受信素子５２の振動部２３ｂの厚みよりも厚く形成される。
上記実施形態において、送信素子５１および受信素子５２の各共振周波数ｆａ１，ｆａ２は、送信素子５１および受信素子５２に対応する各開口部２１０ａ，２１０ｂの幅によって調整されている。ただし、送信素子５１および受信素子５２の各共振周波数ｆａ１，ｆａ２を調整する方法は、これに限られない。
例えば、送信素子５１の共振周波数ｆａ１は、送信素子５１の振動部２３ａの厚みによって調整され、受信素子５２の共振周波数ｆａ２は、受信素子５２の振動部２３ｂの厚みによって調整されてもよい。この場合、送信素子５１の振動部２３ａの厚みは、受信素子５２の振動部２３ｂの厚みよりも厚く形成される。
また、送信素子５１の共振周波数ｆａ１は、送信素子５１の振動部２３ａの曲げ剛性によって調整され、受信素子５２の共振周波数ｆａ２は、受信素子５２の振動部２３ｂの曲げ剛性によって調整されてもよい。この場合、送信素子５１の振動部２３ａの曲げ剛性は、受信素子５２の振動部２３ｂの曲げ剛性よりも大きい。
なお、曲げ剛性を調整する方法としては、例えば、振動板２２のうちの送信素子５１に対応する領域または受信素子５２に対応する領域においてエッチング処理を施す方法が挙げられる。
なお、曲げ剛性を調整する方法としては、例えば、振動板２２のうちの送信素子５１に対応する領域または受信素子５２に対応する領域においてエッチング処理を施す方法が挙げられる。
また、送信素子５１および受信素子５２の各共振周波数は、上述の方法を組み合わせることで調整されてもよい。
このような変形例であっても、上述の実施形態と同様の効果を奏することができる。
このような変形例であっても、上述の実施形態と同様の効果を奏することができる。
［変形例３］
上記実施形態において、送信素子５１および受信素子５２は、それぞれ、撓み振動型の超音波素子５０であるが本発明はこれに限られない。
例えば、図８に示すように、変形例に係る超音波デバイス１１は、送信素子５１および受信素子５２のうち、一方（図８では送信素子５１）が、上記実施形態と同様の撓み振動型の超音波素子５０であり、他方（図８では受信素子５２）が、厚み振動型の超音波素子５３であってもよい。
また、他の変形例において、送信素子５１および受信素子５２は、両者とも、図８に示すような厚み振動型の超音波素子５３であってもよい。
ここで、厚み振動型の超音波素子５３は、基板２０の所定領域２３Ｒに配置された圧電素子３１を備える。厚み振動型の送信素子５１では、送信用圧電素子となる圧電素子３１に電圧が印加されることにより、圧電素子３１を構成する圧電体が厚み方向に伸縮することで超音波が送信される。厚み振動型の受信素子５２では、受信用圧電素子となる圧電素子３１を構成する圧電体が厚み方向に伸縮することにより圧電素子３１に電位差が発生する。
厚み振動型の超音波素子５３の共振周波数は、圧電素子３１の厚みＷ３によって調整可能である。
このような変形例であっても、上述の実施形態と同様の効果を奏することができる。
上記実施形態において、送信素子５１および受信素子５２は、それぞれ、撓み振動型の超音波素子５０であるが本発明はこれに限られない。
例えば、図８に示すように、変形例に係る超音波デバイス１１は、送信素子５１および受信素子５２のうち、一方（図８では送信素子５１）が、上記実施形態と同様の撓み振動型の超音波素子５０であり、他方（図８では受信素子５２）が、厚み振動型の超音波素子５３であってもよい。
また、他の変形例において、送信素子５１および受信素子５２は、両者とも、図８に示すような厚み振動型の超音波素子５３であってもよい。
ここで、厚み振動型の超音波素子５３は、基板２０の所定領域２３Ｒに配置された圧電素子３１を備える。厚み振動型の送信素子５１では、送信用圧電素子となる圧電素子３１に電圧が印加されることにより、圧電素子３１を構成する圧電体が厚み方向に伸縮することで超音波が送信される。厚み振動型の受信素子５２では、受信用圧電素子となる圧電素子３１を構成する圧電体が厚み方向に伸縮することにより圧電素子３１に電位差が発生する。
厚み振動型の超音波素子５３の共振周波数は、圧電素子３１の厚みＷ３によって調整可能である。
このような変形例であっても、上述の実施形態と同様の効果を奏することができる。
［変形例４］
上記実施形態において、送信素子５１の共振周波数ｆａ１を含む所定の周波数帯域ＦＷは、送信素子５１の駆動周波数ｆと送信素子５１から送信される超音波の音圧との関係における共振周波数ｆａ１の半値幅間の帯域であるが、本発明はこれに限られない。例えば、任意の手法により、送信素子５１が超音波送信のために必要な送信効率を示す周波数範囲を求め、当該周波数範囲を所定の周波数帯域ＦＷに設定してもよい。
上記実施形態において、送信素子５１の共振周波数ｆａ１を含む所定の周波数帯域ＦＷは、送信素子５１の駆動周波数ｆと送信素子５１から送信される超音波の音圧との関係における共振周波数ｆａ１の半値幅間の帯域であるが、本発明はこれに限られない。例えば、任意の手法により、送信素子５１が超音波送信のために必要な送信効率を示す周波数範囲を求め、当該周波数範囲を所定の周波数帯域ＦＷに設定してもよい。
［本開示のまとめ］
以下、本開示のまとめを付記する。
本発明の一態様の超音波デバイスは、基板と、前記基板に設けられ、対象物に超音波を送信する送信素子と、前記基板の前記送信素子とは異なる位置に設けられ、前記対象物で反射された前記超音波を受信する受信素子と、を備え、前記送信素子の共振周波数は、前記受信素子の共振周波数よりも大きく、前記受信素子の反共振周波数は、前記送信素子の前記共振周波数を含む所定の周波数帯域内に含まれる。
このような態様では、送信素子から受信素子への機械的クロストークを低減できると共に、送信素子の送信効率と受信素子の受信感度とのそれぞれを好適に確保できる。
また、送信素子および受信素子の各周波数特性は、各素子を構成する要素の寸法等によって調整されるものであり、従来技術のようなクロストークを低減させるための溝を設ける必要がない。このため、超音波デバイスの複雑化や強度低下を回避することができる。
以下、本開示のまとめを付記する。
本発明の一態様の超音波デバイスは、基板と、前記基板に設けられ、対象物に超音波を送信する送信素子と、前記基板の前記送信素子とは異なる位置に設けられ、前記対象物で反射された前記超音波を受信する受信素子と、を備え、前記送信素子の共振周波数は、前記受信素子の共振周波数よりも大きく、前記受信素子の反共振周波数は、前記送信素子の前記共振周波数を含む所定の周波数帯域内に含まれる。
このような態様では、送信素子から受信素子への機械的クロストークを低減できると共に、送信素子の送信効率と受信素子の受信感度とのそれぞれを好適に確保できる。
また、送信素子および受信素子の各周波数特性は、各素子を構成する要素の寸法等によって調整されるものであり、従来技術のようなクロストークを低減させるための溝を設ける必要がない。このため、超音波デバイスの複雑化や強度低下を回避することができる。
本態様の超音波デバイスにおいて、前記周波数帯域は、前記送信素子の駆動周波数と前記送信素子から送信される前記超音波の音圧との関係における前記共振周波数の半値幅間の帯域であることが好ましい。このような態様では、駆動周波数を周波数帯域内に合わせることで、送信素子の送信効率と受信素子の受信感度とのそれぞれをより好適に確保できる。
本態様の超音波デバイスにおいて、前記受信素子の前記反共振周波数は、前記送信素子の前記共振周波数と等しいことが好ましい。これにより、送信素子の送信効率と受信素子の受信感度とのそれぞれを最適に確保できる。
本態様の超音波デバイスにおいて、前記送信素子は、前記基板に設けられた送信用開口部を閉塞する送信用振動部と、前記送信用振動部に配置された送信用圧電素子とを備え、前記送信用圧電素子に電圧が印加されることにより前記送信用振動部が撓んで前記超音波が送信される撓み振動型送信素子であり、前記受信素子は、前記基板に設けられた受信用開口部を閉塞する受信用振動部と、前記受信用振動部に配置された受信用圧電素子とを備え、前記受信用振動部の振動により前記受信用圧電素子に電位差が発生する撓み振動型受信素子である。
また、本態様の超音波デバイスにおいて、前記送信用開口部の幅は、前記受信用開口部の幅よりも小さいことが好ましい。
これにより、製造工数を大幅に増やすことなく、本態様の超音波デバイスを好適に製造することができる。
また、本態様の超音波デバイスにおいて、前記送信用開口部の幅は、前記受信用開口部の幅よりも小さいことが好ましい。
これにより、製造工数を大幅に増やすことなく、本態様の超音波デバイスを好適に製造することができる。
本態様の超音波デバイスにおいて、前記送信用振動部の曲げ剛性は、前記受信用振動部の曲げ剛性よりも大きくてもよい。
このような態様によっても、本態様の超音波デバイスを好適に製造することができる。
このような態様によっても、本態様の超音波デバイスを好適に製造することができる。
本態様の超音波デバイスにおいて、前記送信用圧電素子の厚みは、前記受信用圧電素子の厚みよりも厚くてもよい。
このような態様によっても、本態様の超音波デバイスを好適に製造することができる。
このような態様によっても、本態様の超音波デバイスを好適に製造することができる。
本態様の超音波デバイスにおいて、前記送信素子は、記基板に配置された圧電素子を備え、前記圧電素子に電圧が印加されることにより前記圧電素子を構成する圧電体が厚み方向に伸縮することで前記超音波が送信される厚み振動型送信素子であり、前記受信素子は、前記基板に配置された圧電素子を備え、前記圧電素子を構成する圧電体の厚み方向の伸縮により前記圧電素子に電位差が発生する厚み振動型受信素子であってもよい。
また、本態様の超音波デバイスにおいて、前記送信素子は、前記基板に設けられた送信用開口部を閉塞する送信用振動部と、前記送信用振動部に配置された送信用圧電素子とを備え、前記送信用圧電素子に電圧が印加されることにより前記送信用振動部が撓んで前記超音波が送信される撓み振動型送信素子であり、前記受信素子は、前記基板に配置された圧電素子を備え、前記圧電素子を構成する圧電体の厚み方向の伸縮により前記圧電素子に電位差が発生する厚み振動型受信素子であってもよい。
同様に、本態様の超音波デバイスにおいて、前記送信素子は、前記基板に配置された圧電素子を備え、前記圧電素子に電圧が印加されることにより前記圧電素子を構成する圧電体が厚み方向に伸縮することで前記超音波が送信される厚み振動型送信素子であり、前記受信素子は、前記基板に設けられた受信用開口部を閉塞する受信用振動部と、前記受信用振動部に配置された受信用圧電素子とを備え、前記受信用振動部の振動により前記受信用圧電素子に電位差が発生する撓み振動型受信素子であってもよい。
すなわち、本態様の超音波デバイスは、様々なタイプの超音波素子を組み合わせた超音波デバイスに適用することができる。
また、本態様の超音波デバイスにおいて、前記送信素子は、前記基板に設けられた送信用開口部を閉塞する送信用振動部と、前記送信用振動部に配置された送信用圧電素子とを備え、前記送信用圧電素子に電圧が印加されることにより前記送信用振動部が撓んで前記超音波が送信される撓み振動型送信素子であり、前記受信素子は、前記基板に配置された圧電素子を備え、前記圧電素子を構成する圧電体の厚み方向の伸縮により前記圧電素子に電位差が発生する厚み振動型受信素子であってもよい。
同様に、本態様の超音波デバイスにおいて、前記送信素子は、前記基板に配置された圧電素子を備え、前記圧電素子に電圧が印加されることにより前記圧電素子を構成する圧電体が厚み方向に伸縮することで前記超音波が送信される厚み振動型送信素子であり、前記受信素子は、前記基板に設けられた受信用開口部を閉塞する受信用振動部と、前記受信用振動部に配置された受信用圧電素子とを備え、前記受信用振動部の振動により前記受信用圧電素子に電位差が発生する撓み振動型受信素子であってもよい。
すなわち、本態様の超音波デバイスは、様々なタイプの超音波素子を組み合わせた超音波デバイスに適用することができる。
１０，１１…超音波デバイス、１００…超音波装置、２０…基板、２１…基板本体部、２１０，２１０ａ，２１０ｂ…開口部、２１１…壁部、２２…振動板、２３，２３ａ，２３ｂ…振動部、３０，３０ａ，３０ｂ，３１…圧電素子、４０…保護部材、４１…ベース部、４２…突出部、５０…撓み振動型の超音波素子、５１…送信素子、５２…受信素子、５３…厚み振動型の超音波素子、６０…制御部、６１…駆動回路、６１１…コモン回路、６１２…送信回路、６１３…受信回路、６２…演算部、ＣＡ…コモン端子、Ｃｈ１…送信チャンネル、Ｃｈ２…受信チャンネル、ｆ…駆動周波数、ｆａ，ｆａ１，ｆａ２…共振周波数、ｆｂ，ｆｂ１，ｆｂ２…反共振周波数、ＦＷ…周波数帯域、ＳＡ，ＳＢ…信号端子、Ｗ１，Ｗ２…開口幅、Ｚ…インピーダンス、Δ…変位量、Δｐ…ピーク値。
Claims (10)
- 基板と、
前記基板に設けられ、対象物に超音波を送信する送信素子と、
前記基板の前記送信素子とは異なる位置に設けられ、前記対象物で反射された前記超音波を受信する受信素子と、を備え、
前記送信素子の共振周波数は、前記受信素子の共振周波数よりも大きく、
前記受信素子の反共振周波数は、前記送信素子の前記共振周波数を含む所定の周波数帯域内に含まれる
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項１に記載の超音波デバイスにおいて、
前記周波数帯域は、前記送信素子の駆動周波数と前記送信素子から送信される前記超音波の音圧との関係における前記共振周波数の半値幅間の帯域である
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項２に記載の超音波デバイスにおいて、
前記受信素子の前記反共振周波数は、前記送信素子の前記共振周波数と等しい
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波デバイスにおいて、
前記送信素子は、
前記基板に設けられた送信用開口部を閉塞する送信用振動部と、前記送信用振動部に配置された送信用圧電素子とを備え、前記送信用圧電素子に電圧が印加されることにより前記送信用振動部が撓んで前記超音波が送信される撓み振動型送信素子であり、
前記受信素子は、
前記基板に設けられた受信用開口部を閉塞する受信用振動部と、前記受信用振動部に配置された受信用圧電素子とを備え、前記受信用振動部の振動により前記受信用圧電素子に電位差が発生する撓み振動型受信素子である
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項４に記載の超音波デバイスにおいて、
前記送信用開口部の幅は、前記受信用開口部の幅よりも小さい
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項４に記載の超音波デバイスにおいて、
前記送信用振動部の曲げ剛性は、前記受信用振動部の曲げ剛性よりも大きい
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項４に記載の超音波デバイスにおいて、
前記送信用振動部の厚みは、前記受信用振動部の厚みよりも厚い
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波デバイスにおいて、
前記送信素子は、
前記基板に配置された送信用圧電素子を備え、前記送信用圧電素子に電圧が印加されることにより前記送信用圧電素子を構成する圧電体が厚み方向に伸縮することで前記超音波が送信される厚み振動型送信素子であり、
前記受信素子は、
前記基板に配置された受信用圧電素子を備え、前記受信用圧電素子を構成する圧電体の厚み方向の伸縮により前記受信用圧電素子に電位差が発生する厚み振動型受信素子である
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波デバイスにおいて、
前記送信素子は、
前記基板に設けられた送信用開口部を閉塞する送信用振動部と、前記送信用振動部に配置された送信用圧電素子とを備え、前記送信用圧電素子に電圧が印加されることにより前記送信用振動部が撓んで前記超音波が送信される撓み振動型送信素子であり、
前記受信素子は、
前記基板に配置された圧電素子を備え、前記圧電素子を構成する圧電体の厚み方向の伸縮により前記圧電素子に電位差が発生する厚み振動型受信素子である
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波デバイスにおいて、
前記送信素子は、
前記基板に配置された送信用圧電素子を備え、前記圧電素子に電圧が印加されることにより前記圧電素子を構成する圧電体が厚み方向に伸縮することで前記超音波が送信される厚み振動型送信素子であり、
前記受信素子は、
前記基板に設けられた受信用開口部を閉塞する受信用振動部と、前記受信用振動部に配置された受信用圧電素子とを備え、前記受信用振動部の振動により前記受信用圧電素子に電位差が発生する撓み振動型受信素子である
ことを特徴とする超音波デバイス。
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