周辺視野を有するセンサ、センサユニット、およびセンサの製造方法
【課題】保持部に対して浅い仰角方向から到来する波動（すなわち、周辺視野）をも検知し、広い方位角範囲で検知対象を非接触で検出することが可能なセンサ、センサユニット、及びセンサの製造方法を提供する。
【解決手段】検知対象を非接触で検出するセンサ１００であって、検知対象から到来する波動を検知する検知素子１０２と、検知素子１０２の第１端１０２ａ側を保持する保持部１０４とを備え、検知素子１０２の第２端１０２ｂ側は、保持部から離間する方向に変位している。
【解決手段】検知対象を非接触で検出するセンサ１００であって、検知対象から到来する波動を検知する検知素子１０２と、検知素子１０２の第１端１０２ａ側を保持する保持部１０４とを備え、検知素子１０２の第２端１０２ｂ側は、保持部から離間する方向に変位している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検知対象を非接触で検出するセンサ、センサユニット、およびセンサの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
センサは、人間の感覚に代わり、機械的、電磁気的、化学的変化を検知する装置である。例えば、触覚センサ、超音波センサが研究されている。
【０００３】
触覚センサは、静的に加わった力を検知する。触覚センサは、例えばロボットの手足に設けられる。触覚センサの検知素子として、片持ち梁状の素子が研究されている。特許文献１は、垂直応力だけでなく剪断力も検知することができる触覚センサを開示する。また、特許文献２および特許文献３は、湾曲状検知素子を備えた触覚センサの製造方法を開示する。
【０００４】
一方、超音波センサは、超音波に基づく振動を検知する。例えば、非特許文献１は、超音波入射により誘起される撓み振動を電気信号に変換することで超音波を検知する超音波センサを開示する。超音波センサは、シリコンＭＥＭＳ技術を用いて作製した微小なダイアフラム構造と、ダイアフラム構造上に形成された圧電体（ＰＺＴ薄膜）とを備える。
【０００５】
図８は、従来の超音波センサ５００を示す（ａ）平面図、（ｂ）断面図、及び（ｃ）拡大断面図である。超音波センサ５００は、検知対象を非接触で検出する前方視野型センサである。超音波センサ５００は、検知対象から到来する波動を検知する検知素子５０２と、保持部５０４とを備える。検知素子５０２は、圧電体を含む。検知素子５０２は、超音波センサ５００に対して前方から到来する音波を検知面で検知する。保持部５０４は、例えば、シリコン基板を含む。
【０００６】
超音波発生部（図示せず）から発生された超音波は、検知対象に到達し、検知対象で反射する。検知対象で反射した超音波は、超音波センサ５００に到来する。検知素子５０２は、保持部５０４に対して前方から到来する超音波を検知面で検知する。検知素子５０２に含まれた圧電体は、超音波によって振動し、電圧を発生する。超音波センサ５００は発生した電圧に基づいて検知対象を非接触で検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２０１０６１号公報
【特許文献２】特開２００８−００８８５４号公報
【特許文献３】特開２００８−０４９４３８号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】アイ・イー・イー・ジェイ トランザクションズ オン センサズ アンド マイクロマシンズ（IEEJ Transactions on Sensors and Micromachines）、第１２８巻、第５号、p193-197
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、触覚センサは、力が加わったときの静的撓みから力覚を得ることを目的としており、検知素子はシリコーンゴム等で覆われている。接触により検知素子が破壊されることを防ぐためである。従って、触覚センサをそのまま非接触型のセンサに転用しても、検知対象から到来する波動はシリコーンゴム等に遮られて検知素子に届くまでに殆ど減衰し、非接触での検知は不可能である。
【００１０】
一方、超音波センサ５００は、基板面に垂直な方向から測った角度θに対してcosθに比例する基本的な指向性を持つ。検知素子５０２の一端は、保持部５０４に対して反り上がっていない。したがって、超音波センサ５００は、基板面に対して垂直方向が最も感度が高く、いわば「前方視野」を得るために有用な特性を有しているが、基板面に平行または浅い角度方向に対して殆ど感度を持たない。
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来の正面方向から到来する波動（すなわち、前方視野）を検知するだけでなく、保持部に対して浅い仰角方向から到来する波動（すなわち、周辺視野）をも検知し、広い方位角範囲で検知対象を非接触で検出することが可能なセンサ、センサユニット、及びセンサの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するための本発明に係るセンサの特徴構成は、検知対象を非接触で検出するセンサであって、検知対象から到来する波動を検知する検知素子と、検知素子の第１端側を保持する保持部とを備え、検知素子の第２端側は、保持部から離間する方向に変位していることにある。
【００１３】
背景技術の項目で説明したように、従来の前方視野型センサでは、正面付近に対しては高い感度を有しているが、保持部に対して浅い仰角の範囲に対しては殆ど感度を有していなかった。これは、前方視野型センサは、検知面が前方を向いているゆえ、保持部に対して浅い仰角方向から到来する波動を十分に感知できないからである。
【００１４】
この点、本発明のセンサによれば、波動を検知する検知素子のうち、第２端側が保持部から離間する方向に変位している（すなわち、反り上がっている）ので、保持部に対して浅い仰角方向から到来する波動を反り上がった検知面で確実に検知することができる。その結果、広い方位角範囲で検知対象を非接触で検出することが可能となる、いわゆる、周辺視野型センサを構築することができる。
【００１５】
例えば、本発明の一実施例である超音波センサによれば、保持部に対して浅い角度で到来する音波によって、検知素子が保持部に対して水平な方向に振動するため、「周辺視野」を有するＭＥＭＳ超音波センサを実現し得る。
【００１６】
本発明によるセンサを用いれば、防犯用侵入者検知システムや自動ドアの開閉制御、さらにはホームからの転落防止等のセンシングを高精度かつ簡便に行うことができる。
【００１７】
本発明に係るセンサによれば、検知素子は、第１内部応力を含む第１層と、第１内部応力とは異なる第２内部応力を含む第２層とを備え、検知素子の第２端側は、第１内部応力と第２内部応力との差に基づいて、保持部から離間する方向に変位していてもよい。本構成のセンサであれば、センサを作製する場合、２つの異なる応力の差を利用して、検知素子が保持部から自発的に離間する方向に変位することにより反り上がるプロセスを用いることができる。例えば、シリコン微細加工技術を用いて検知素子の形状を完成させる際に、検知素子を構成する材料に含まれる内部応力を利用することにより、検知素子は保持部から自発的に離間し、反り上がる。
【００１８】
検知素子にＰＺＴ薄膜とシリコン熱酸化膜とが含まれる場合は、ＰＺＴ薄膜をゾル・ゲル法によって製膜すればＰＺＴ薄膜には保持部上で縮もうとする応力が生じ、一方、シリコン熱酸化膜には伸びようとする応力（逆向きの応力）が生じる。これらの応力差により、検知素子は保持部から離間する方向に自発的に反り上がる。
【００１９】
上記課題を解決するための本発明に係るセンサユニットの特徴構成は、検知対象を非接触で検出するセンサユニットであって、検知対象から到来する波動を検知する複数の検知素子と、複数の検知素子の第１端側を保持する保持部とを備え、複数の検知素子の少なくとも１つの第２端側は、保持部から離間する方向に変位している（すなわち、反り上がっている）ことにある。
【００２０】
検知対象から発生する波動は、現実には、四方八方に散乱する場合がある。したがって、これら種々の方向に散乱しながら移動する波動を確実に検知するためには、検知素子の構成をさらに工夫する必要がある。
【００２１】
この点、本構成のセンサユニットによれば、保持部から離間する方向に変位している検知素子を複数備えているので、あらゆる方向又は予期せぬ方向から到来する波動を確実に検知することができる。また、複数の検知素子のうちの１つの検知能力が落ちた場合でも、残りの健常な検知素子によって、保持部に対して浅い仰角方向から到来する波動を検知することができる。
【００２２】
なお、本構成のセンサユニットは、シリコンマイクロマシニング技術により、容易に作製できる。その結果、周辺視野方向でも角度分解して特定の方向のみに注目し、その注目方向を電子的に走査し得るセンサユニットを実現することができる。
【００２３】
本発明に係るセンサユニットにおいて、複数の検知素子の第２端側は保持部から離間する方向に変位しており、複数の検知素子の配置方向は各々異なっていてもよい。本構成のセンサユニットによれば、複数の検知素子の各々は、配置方向が異なっているため、例えば、センサユニットに対し放射状又は円周状に高角度の方向から到来する波動によって振動することができる。したがって、このセンサユニットは、センサユニットに対し放射状又は円周状に略全ての方向において感度を有し得る周辺視野型センサとして利用することができる。
【００２４】
また、例えば、検知素子の湾曲の軸を変えたセンサを集積化することもできるので、保持部に対して０度から１８０度までの仰角方向において感度を有し、さらにセンサユニットに対し放射線状に略全ての方向において感度を有し得る全方位視野型センサとして利用することができる。
【００２５】
さらに、同一基板上に前方視野のセンサと周辺視野のセンサとを集積化することも容易である。
【００２６】
本発明によるセンサユニットを用いれば、例えば、防犯や、自動ドア制御、ホームからの転落防止といった人の動向を検知するセンシングにおいて、人の位置だけでなくその動作・進行方向についても詳細な情報を得ることができる。その結果、誤検知や検知漏れのより少ない高度なセンシングと、それに基づく信頼性の高い制御が可能となる。
【００２７】
上記課題を解決するための本発明に係るセンサの製造方法の特徴構成は、検知対象を非接触で検出するセンサの製造方法であって、検知対象から到来する波動を検知する検知素子を保持部の上に形成する形成工程と、検知素子の第２端側が保持部から離間する方向に変位するように検知素子を変形する変形工程とを包含する。
【００２８】
本発明に係るセンサの製造方法によれば、上記説明した本発明のセンサと同様の作用効果を奏する。すなわち、変形工程において、波動を検知する検知素子のうち、第２端側を保持部から離間する方向に変位させている（すなわち、反り上げている）ので、出来上がった検知素子は、保持部に対して浅い仰角方向から到来する波動を反り上がった検知面で確実に検出することができる。その結果、広い方位角範囲で検知対象を非接触で検出することが可能となる、いわゆる、周辺視野型センサを構築することができる。
【００２９】
本発明に係るセンサの製造方法によれば、検知素子は、第１内部応力を含む第１層と、第１内部応力とは異なる第２内部応力を含む第２層とを備え、変形工程は、検知素子の第２端側が、第１内部応力と第２内部応力との差に基づいて、保持部から離間する方向に変位することにより実行されてもよい。
【００３０】
本構成のセンサ製造方法であれば、センサを作製する場合、２つの異なる応力の差を利用して、検知素子が保持部から自発的に離間する方向に変位することにより反り上がるプロセスを用いることができる。例えば、シリコン微細加工技術を用いて検知素子の形状を完成させる際に、検知素子を構成する材料に含まれる内部応力を利用することにより、検知素子は保持部から自発的に離間し、反り上がる。
【００３１】
検知素子にＰＺＴ薄膜とシリコン熱酸化膜とが含まれる場合は、ＰＺＴ薄膜をゾル・ゲル法によって製膜すればＰＺＴ薄膜には保持部上で縮もうとする応力が生じ、一方、シリコン熱酸化膜には伸びようとする応力（逆向きの応力）が生じる。これらの応力差により、検知素子は保持部から離間する方向に自発的に反り上がる。
【００３２】
本発明に係るセンサの製造方法において、変形工程は、検知素子に外力を作用させることにより実行されてもよい。本構成のセンサ製造方法であれば、検知素子に外力を作用させることにより、例えば、当該検知素子を引き付けることができる。この場合、検知素子を構成する材料に含まれる内部応力を利用することなく、検知素子を保持部から離間するように反り上げることができる。例えば、検知素子に磁性体が含まれる場合には、変形工程は、磁性体に磁力が作用することにより実行され得る。この場合、磁力により検知素子を引き付けることができる。この方法によれば、検知素子が微細な場合でも、検知素子を非接触で保持部から離間させて反り上げることができるので、検知素子を破壊することなくセンサを作製し得る。検知素子を非接触で反り上げる他の方法として、静電力、陰圧による吸引力等を利用することも可能である。
一方、検知素子に外力を作用させることにより実行される変形工程は、人の手により機械的に折り曲げたり、物理的な引張力等によっても実行可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１実施形態のセンサの構成を示す断面図である。
【図２】センサの断面図である。
【図３】屈曲状検知素子を備えたセンサを示す（ａ）平面図、（ｂ）断面図、及び（ｃ）拡大断面図である。
【図４】湾曲状検知素子を備えたセンサを示す（ａ）平面図、（ｂ）断面図、及び（ｃ）拡大断面図である。
【図５】湾曲状検知素子の拡大写真図である。
【図６】本発明の第２実施形態のセンサユニットの構成例を示す平面図である。
【図７】本発明の第３実施形態のセンサの製造方法を示す工程図である。
【図８】従来の超音波センサを示す（ａ）平面図、（ｂ）断面図、及び（ｃ）拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、図１から図７を参照して本発明のセンサ、センサユニット、及びセンサの製造方法に関する実施形態を説明する。本発明は、以下に説明する実施形態や図面に記載される構成に限定されることを意図せず、当該構成と均等な構成も含む。
【００３５】
〔第１実施形態：センサの構成〕
図１は、本発明の第１実施形態のセンサ１００の構成を示す断面図である。センサ１００は、検知対象を非接触で検出するセンサである。センサ１００は、検知対象から到来する波動を検知する検知素子１０２と、保持部１０４とを備える。
【００３６】
検知素子１０２は、第１端１０２ａと第２端１０２ｂとを有する。検知素子１０２は、圧電体を含む。圧電体に振動や圧力などの力が加わると圧電体に電圧が発生し、逆に圧電体に電圧が加えられると伸縮する。検知素子１０２の表面は剥き出しであってもよいが、圧電体に振動や圧力が伝達し得る限り、例えば、被膜コーティングが施されていても構わない。検知素子１０２の表面に被膜コーティングを施した場合、耐久性、耐傷性、防汚性等の機能向上が期待できる。検知素子１０２の第２端１０２ｂ側は、保持部１０４に対して反り上がっている。
【００３７】
保持部１０４は、検知素子１０２の第１端１０２ａ側を保持している。保持部１０４は、シリコン基板を含む。なお、保持部１０４は、検知素子１０２の第１端１０２ａ側を保持し得る限りは、シリコン基板に限定されない。例えば、ガラス基板でもよい。
【００３８】
波動発生源の一例である超音波発生部（図示せず）から発生された超音波は、検知対象に到達し、検知対象で反射する。検知対象で反射した超音波は、センサ１００に到来する。検知素子１０２は、正面から到来する超音波を第２端１０２ｂ側で検知し（図１中の縦方向の両矢印）、保持部１０４に対して浅い仰角方向から到来する超音波を保持部１０４から離間する方向に変位している（すなわち、反り上がっている）検知面で検知する（図１中の横方向の両矢印）。検知素子１０２に含まれた圧電体は、超音波によって振動し、電圧を発生する。センサ１００は、発生した電圧に基づいて検知対象を非接触で検出する。
【００３９】
なお、本明細書において、「検知素子の第２端側が保持部から離間する方向に変位する」ことは、上記のとおり「検知素子の第２端側が保持部に対して反り上がる」ことを意味する。そして、反り上がりの程度、曲率、形状等は、特に問わないものとする。
【００４０】
図２は、センサ１００の断面図である。保持部１０４は、第１ＳｉＯ２層２０２とＳｉ層２０４とを含む。検知素子１０２は、第２ＳｉＯ２層２０６と、下部電極層２０８と、圧電体層２１０と、上部電極層２１２とを含む。
【００４１】
下部電極層２０８は、ＰｔとＴｉとを含む。例えば、Ｐｔ／Ｔｉ電極が下部電極層２０８として機能する。圧電体層２１０は、ジルコニウム酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）：以下、「ＰＺＴ」と記す。）を含む。例えば、ＰＺＴ層が圧電体層２１０として機能する。上部電極層２１２は、Ａｕを含む。例えば、Ａｕ電極が上部電極層２１２として機能する。
【００４２】
第２ＳｉＯ２層２０６には、第２ＳｉＯ２層２０６が伸びる方向に内部応力が作用している。Ｓｉ層にＯ原子が入り込むことでＳｉＯ２層の体積がＳｉ層の体積よりも大きくなるためである。圧電体層２１０には、圧電体層２１０が縮む方向に内部応力が作用している。ゾル・ゲル法により圧電体層２１０を製膜する過程で、圧電体層２１０の結晶化の後に圧電体層２１０の体積が小さくなるためである。
【００４３】
検知素子１０２の第２端１０２ｂ側は、第２ＳｉＯ２層２０６が有する内部応力と圧電体層２１０が有する内部応力との差によって保持部１０４から離間し、反り上がっている。
【００４４】
以上のように、センサ１００は、超音波を検知する検知素子１０２の第２端１０２ｂ側が保持部１０４から離間する方向に変位しているので、保持部１０４に対して浅い仰角方向から到来する音波を検知素子１０２で確実に検知することができる。その結果、広い方位角範囲で検知対象を非接触で検出することが可能となる、いわゆる、周辺視野型センサを構築することができる。
【００４５】
なお、検知素子１０２の形状は、検知素子１０２の第２端１０２ｂ側が保持部１０４から離間する方向に変位している限りは、種々の形状で構成し得る。
【００４６】
例えば、センサ１００において、検知素子１０２の第２端１０２ｂ側は保持部１０４に対して屈曲していてもよい。
【００４７】
図３は、屈曲状検知素子を備えたセンサ１００ａを示す（ａ）平面図、（ｂ）断面図、及び（ｃ）拡大断面図である。センサ１００ａは、第２端１０２ｂ側が保持部１０４に対して屈曲している検知素子１０２を備える。
【００４８】
センサ１００ａであれば、保持部１０４に対して略平行に到来する波動に対しても検知素子１０２が確実に振動するため（図３中の横方向の両矢印）、単一の素子で、広範な検知領域を持つ周辺視野型センサを実現し得る。検知素子１０２は、例えば、機械的に折り曲げることにより、比較的簡単に作製し得る。
【００４９】
例えば、センサ１００において、検知素子１０２の第２端１０２ｂ側は保持部１０４に対して湾曲していてもよい。
【００５０】
図４は、湾曲状検知素子を備えたセンサ１００ｂを示す（ａ）平面図、（ｂ）断面図、及び（ｃ）拡大断面図である。センサ１００ｂは、第２端１０２ｂ側が、検知素子１０２の第２端１０２ｂを巻き込むように反り上がっている検知素子１０２を備える。
【００５１】
センサ１００ｂであれば、保持部１０４に対して略平行に到来する波動のみならず、保持部１０４に対して浅い仰角方向から到来する波動に対しても、検知素子１０２が確実に振動するため、単一の素子で、より広範な検知領域を持つ周辺視野型センサを実現し得る。
【００５２】
特に、検知素子１０２の第２端１０２ｂ側が、検知素子１０２の第２端１０２ｂを巻き込むように３６０度反り上がっている場合は、検知素子１０２は、保持部１０４に対して０度から１８０度までの仰角方向から到来する波動によっても振動するため（図４中の３つの両矢印）、保持部に対して略全方向で感度を有し得る。このように、単一の検知素子１０２で、保持部１０４に対して略全方向の信号を大きく捉えることができる。
【００５３】
なお、図４の湾曲状検知素子を備えたセンサ１００ｂにおいては、検知素子１０２の第２端１０２ｂの巻き込み度合いが大きい程、指向性として感度が得られる角度範囲が広くなる。また、このセンサ１００ｂにおいて、検知素子１０２の第２端１０２ｂ側から所定の距離のところを切断すると、例えば、図１に示すセンサ１００と同様のものを得ることも可能である。このように、本発明では、湾曲状検知素子を備えたセンサ１００ｂを元にして、検知素子１０２ｂの長さを調整することにより、測定条件に応じた最適な性能及び形状を有するセンサを容易に作製することが可能となる。
【００５４】
図５は、本発明の一例として作製した湾曲状検知素子の拡大写真図である。図５の上側の写真によれば、検知素子の第２端側が、検知素子の第２端を巻き込むように１８０度から３６０度反り上がっていることが明らかである。図５の下側の写真によれば、検知素子の第２端側が、検知素子の第２端を巻き込むように３６０度以上反り上がっていることが明らかである。本発明者の研究によれば、検知素子の幅、検知素子の厚さ等に応じて、反り上がり角度を制御し得ることが判明している。
【００５５】
上記説明では、波動として主に超音波に基づく波動を想定しているが、検知素子が検知対象から到来する波動を検知し得る限りは、到来する波動は、超音波に基づく波動に限定されない。例えば、到来する波動が、電磁波（光、赤外線、Ｘ線等）に基づく波動でもよい。
【００５６】
到来する波動が光に基づく波動である場合、検知素子として、例えば光電素子を採用し得る。光発生部（発光素子）は検知対象に向けて光を発する。光は、検知対象に到達し、検知対象で反射する。検知対象で反射した光は、センサに到来する。光電素子は、保持部に対して浅い仰角方向から到来する光波を、保持部から離間して反り上がった検知面で検知する。光電素子が光を受光することによって、光電素子に電流が流れる。センサは電流に基づいて検知対象を非接触で検出する。
【００５７】
上記光電素子としては、例えば硫化カドミウム素子（ＣｄＳ素子）を採用し得る。ＣｄＳ素子の外部から定電圧をかけておいて、ＣｄＳ素子への光照射による抵抗変化を通してＣｄＳ素子を流れる電流値が変化するのを検知する。例えば、ＣｄＳ素子に到来する光の強弱を制御することにより、ＣｄＳ素子の抵抗値を変更し得、明るさに応じてＣｄＳ素子の抵抗値が変化する。周囲が暗い時はＣｄＳ素子の抵抗値が高く、ＣｄＳ素子にはほとんど電流が流れない。周囲が明るくなると、ＣｄＳ素子の抵抗値が低くなり、ＣｄＳ素子に電流が流れる。
【００５８】
検知素子として、例えば、フォト・ダイオードを採用し得る。フォト・ダイオードのＰＮ接合に光が当たると電位差が生じ、フォト・ダイオードに電流が流れる。
【００５９】
〔第２実施形態：センサユニットの構成〕
図６は、本発明の第２実施形態のセンサユニット３００の構成例を示す平面図である。（ａ）は、複数の検知素子を放射状に配置した構成例である。（ｂ）は、複数の検知素子を円周状に配置した構成例である。なお、このセンサユニット３００では、８個の検知素子を使用しているが、検知素子の数は２つ以上あればよく、状況に応じて適宜増減することができる。センサユニット３００は、検知対象を非接触で検出する。センサユニット３００は、第１検知素子３０２ａ、第２検知素子３０２ｂと、第３検知素子３０２ｃ、第４検知素子３０２ｄ、第５検知素子３０２ｅ、第６検知素子３０２ｆ、第７検知素子３０２ｇ、第８検知素子３０２ｈ（以下、第１〜８検知素子３０２と称する）、及び保持部３０４を備える。
【００６０】
第１〜８検知素子３０２は、検知対象から到来する波動を検知する。
【００６１】
保持部３０４は、第１〜８検知素子３０２の各々の第１端側を保持する。第１〜８検知素子３０２の各々の第２端側は、保持部１０４から離間する方向に変位している（すなわち、反り上がっている）。第１〜８検知素子３０２の配置方向は、（ａ）又は（ｂ）に例示したように、各々異なっている。保持部３０４は、例えば、シリコン基板を含む。
【００６２】
センサユニット３００によれば、保持部３０４から離間する方向に変位している複数の検知素子（第１〜８検知素子３０２）を備えているので、あらゆる方向又は予期せぬ方向から到来する波動を確実に検知することができる。また、複数の検知素子（第１〜８検知素子３０２）のうちの１つの検知能力が落ちた場合でも、残りの健常な検知素子によって、保持部３０４に対して浅い仰角方向から到来する波動を検知することができる。
【００６３】
また、センサユニット３００によれば、複数の検知素子は、保持部３０４上で放射状又は円周状に配置されている。したがって、センサユニット３００に対し放射状又は円周状に高角度の方向から到来する波動によって振動するため、センサユニット３００に対し放射状又は円周状に高角度の方向の信号を大きく捉えることができる。
【００６４】
また、例えば、検知素子の湾曲の軸を変えたセンサを集積化することもできるので、保持部に対して０度から１８０度までの仰角方向において感度を有し、さらにセンサユニットに対し放射線状に略全ての方向において感度を有し得る全方位視野型センサとして利用することができる。
【００６５】
さらに、同一基板上に前方視野型センサと周辺視野型センサとを集積化することも容易である。
【００６６】
なお、センサユニット３００は、シリコンマイクロマシニング技術により、容易に作製できる。その結果、周辺視野方向でも角度分解して特定の方向のみに注目し、その注目方向を電子的に走査し得るセンサユニットを実現できる。
【００６７】
本発明によるセンサユニット３００を用いれば、例えば、防犯や、自動ドア制御、ホームからの転落防止といった人の動向を検知するセンシングにおいて、人の位置だけでなくその動作・進行方向についても詳細な情報を得ることができる。その結果、誤検知や検知漏れのより少ない高度なセンシングと、それに基づく信頼性の高い制御が可能となる。
【００６８】
〔第３実施形態：センサの製造方法〕
図７は、本発明の第３実施形態のセンサ１００の製造方法を示す工程図である。センサ１００は、工程４０２〜工程４１２を実行することによって製造される。以下、センサ１００の製造方法を工程４０２〜工程４１２ごとに説明する。
【００６９】
工程４０２：シリコン基板の表面を酸化し、第１ＳｉＯ２層２０２とＳｉ層２０４と第２ＳｉＯ２層２０６とを含む表面熱酸化シリコン基板を作製する。第２ＳｉＯ２層２０６には、第２ＳｉＯ２層２０６が伸びる方向に内部応力が作用している。Ｓｉ層にＯが入り込むことでＳｉＯ２層の体積がＳｉ層の体積よりも大きくなるためである。なお、第１ＳｉＯ２層２０２とＳｉ層２０４とから保持部１０４が構成される。
【００７０】
工程４０４：スパッタリング法により第２ＳｉＯ２層２０６の上に下部電極層２０８を製膜し、リフトオフ法により下部電極層２０８をパターニングする。例えば、Ｐｔ／Ｔｉ電極が下部電極層２０８として機能する。
【００７１】
工程４０６：ゾル・ゲル法により下部電極層２０８の上に圧電体層２１０を製膜し、硝酸により圧電体層２１０をパターニングする。例えば、ＰＺＴ層が圧電体層２１０として機能する。圧電体層２１０には、圧電体層２１０が縮む方向に内部応力が作用している。ゾル・ゲル法により圧電体層２１０を結晶化する過程で、圧電体層２１０の製膜の前後で圧電体層２１０の体積が小さくなるためである。
【００７２】
工程４０８：蒸着法により圧電体層２１０の上に上部電極層２１２を製膜し、ヨウ素とヨウ化カリウムとを含む水溶液により上部電極層２１２をパターニングする。例えば、Ａｕ電極が上部電極層２１２として機能する。
【００７３】
工程４１０：下部電極層２０８と第２ＳｉＯ２層２０６とが当接する部分を残すように、第２ＳｉＯ２層２０６の一部をフッ酸によりエッチングし除去する。犠牲層エッチング用の窓明けのためである。
【００７４】
工程４１２：ＸeＦ２ガスにより第２ＳｉＯ２層２０６の下部（保持部１０４のうち検知素子１０２の第２端１０２ｂ側に当接する領域）の一部を犠牲層エッチングする。犠牲層エッチングにより、第２ＳｉＯ２層２０６に含まれている内部応力と圧電体層２１０に含まれている内部応力とが解き放たれる。その結果、検知素子１０２の第２端１０２ｂ側が第２ＳｉＯ２層２０６に含まれている内部応力と圧電体層２１０に含まれている内部応力との差に基づいて保持部１０４に対して反り上がる。
【００７５】
以上のように、検知素子１０２にＰＺＴ層とＳｉＯ２層とが含まれる場合は、ＰＺＴ層をゾル・ゲル法によって製膜すればＰＺＴ層には保持部上で縮もうとする応力が生じ、一方、ＳｉＯ２層には伸びようとする応力（逆向きの応力）が生じる。これらの応力差により、検知素子１０２は保持部１０４から離間する方向に自発的に反り上がる。このように、センサの製造工程の最終段階で、保持部１０４のうち検知素子１０２の第２端１０２ｂ側に当接する領域をエッチングすることにより、第２端部側が保持部１０４から離間して反り上がるので、カンチレバー構造を容易に作製することができる。
【００７６】
また、工程４１２において、検知素子１０２の第２端１０２ｂ側を保持部１０４に対して反り上げているので、センサ１００は、保持部１０４に対して浅い仰角方向から到来する波動を反り上がった検知素子１０２の検知面で確実に検出することができる。その結果、広い方位角範囲で検知対象を非接触で検出することが可能となる、いわゆる、周辺視野型センサを構築することができる。
【００７７】
本発明の第３実施形態のセンサ１００の製造方法によれば、工程４０２〜工程４１０は、検知素子１０２を保持部１０４の上に形成する形成工程に相当する。この形成工程では、形成された検知素子１０２は平面内において三方を周囲から分離されることが必要となる。さらに、工程４１２は、検知素子１０２の第２端１０２ｂ側が保持部１０４に対して反り上がるように検知素子１０２を変形する変形工程に相当する。この変形工程では、検知素子１０２の第２端１０２ｂ側が保持部１０４から離間する方向に変位すること、言い換えると、検知素子１０２の第２端１０２ｂ側が厚み方向において保持部１０４から隔絶されることが必要となる。
【００７８】
なお、変形工程は、検知素子１０２の第２端１０２ｂ側が保持部１０４から離間する方向に変位するように検知素子１０２を変形し得る限りは、２つの異なる内部応力の差を利用することにより実行される工程に限定されない。変形工程は、検知素子１０２に外力を作用させることにより実行することも可能である。
【００７９】
例えば、検知素子１０２に磁性体が含まれる場合には、変形工程は、磁性体に磁力が作用することにより実行され得る。この場合、磁力により検知素子を引き付けることができるので、検知素子を構成する材料に含まれる内部応力を利用することなく、検知素子を保持部から離間させて反り上げることができる。したがって、検知素子が微細な場合でも検知素子を非接触で反り上げることができるので、検知素子を破壊することなくセンサを作製し得る。
【００８０】
その他、変形工程は、静電力、陰圧による吸引力、あるいは、物理的な引張力等によっても実行可能である。
【００８１】
〔別実施形態〕
上記実施形態では、センサ１００を構成する検知素子１０２、又はセンサユニット３００を構成する検知素子３０２の形状は、図６に示すように、上方視で方形のものとして説明した。しかし、検知素子１０２又は検知素子３０２を、例えば、上方視で十字型にすることも有効である。この場合、十字型の検知素子の中央部を保持部に対して固定し、４つの端部を保持部から離間する方向に変位させて反り上げ得る。十字型の検知素子の４つの端部の内の１つを保持部に対して固定し、残り３つの端部を保持部から離間する方向に変位させて反り上げてもよい。検知素子１０２又は検知素子３０２を十字型にすれば、単一のセンサでありながら、平面視で複数の方向から感度を有し得る周辺視野型センサを構築することができる。また、十字型の検知素子を用いてセンサユニットを構成すれば、検知素子の数を比較的少なくしても、広範な角度方向から感度を有し得る周辺視野型センサユニットを構築することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明によるセンサ、センサユニット、およびセンサの製造方法は、センシング分野（例えば、防犯用侵入者検知システムや自動ドアの開閉制御、さらにはホームからの転落防止等のセンシングの分野）に広く利用可能である。
【符号の説明】
【００８３】
１００ センサ
１０２ 検知素子
１０２ａ 検知素子の第１端
１０２ｂ 検知素子の第２端
１０４ 保持部
３００ センサユニット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検知対象を非接触で検出するセンサ、センサユニット、およびセンサの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
センサは、人間の感覚に代わり、機械的、電磁気的、化学的変化を検知する装置である。例えば、触覚センサ、超音波センサが研究されている。
【０００３】
触覚センサは、静的に加わった力を検知する。触覚センサは、例えばロボットの手足に設けられる。触覚センサの検知素子として、片持ち梁状の素子が研究されている。特許文献１は、垂直応力だけでなく剪断力も検知することができる触覚センサを開示する。また、特許文献２および特許文献３は、湾曲状検知素子を備えた触覚センサの製造方法を開示する。
【０００４】
一方、超音波センサは、超音波に基づく振動を検知する。例えば、非特許文献１は、超音波入射により誘起される撓み振動を電気信号に変換することで超音波を検知する超音波センサを開示する。超音波センサは、シリコンＭＥＭＳ技術を用いて作製した微小なダイアフラム構造と、ダイアフラム構造上に形成された圧電体（ＰＺＴ薄膜）とを備える。
【０００５】
図８は、従来の超音波センサ５００を示す（ａ）平面図、（ｂ）断面図、及び（ｃ）拡大断面図である。超音波センサ５００は、検知対象を非接触で検出する前方視野型センサである。超音波センサ５００は、検知対象から到来する波動を検知する検知素子５０２と、保持部５０４とを備える。検知素子５０２は、圧電体を含む。検知素子５０２は、超音波センサ５００に対して前方から到来する音波を検知面で検知する。保持部５０４は、例えば、シリコン基板を含む。
【０００６】
超音波発生部（図示せず）から発生された超音波は、検知対象に到達し、検知対象で反射する。検知対象で反射した超音波は、超音波センサ５００に到来する。検知素子５０２は、保持部５０４に対して前方から到来する超音波を検知面で検知する。検知素子５０２に含まれた圧電体は、超音波によって振動し、電圧を発生する。超音波センサ５００は発生した電圧に基づいて検知対象を非接触で検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２０１０６１号公報
【特許文献２】特開２００８−００８８５４号公報
【特許文献３】特開２００８−０４９４３８号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】アイ・イー・イー・ジェイ トランザクションズ オン センサズ アンド マイクロマシンズ（IEEJ Transactions on Sensors and Micromachines）、第１２８巻、第５号、p193-197
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、触覚センサは、力が加わったときの静的撓みから力覚を得ることを目的としており、検知素子はシリコーンゴム等で覆われている。接触により検知素子が破壊されることを防ぐためである。従って、触覚センサをそのまま非接触型のセンサに転用しても、検知対象から到来する波動はシリコーンゴム等に遮られて検知素子に届くまでに殆ど減衰し、非接触での検知は不可能である。
【００１０】
一方、超音波センサ５００は、基板面に垂直な方向から測った角度θに対してcosθに比例する基本的な指向性を持つ。検知素子５０２の一端は、保持部５０４に対して反り上がっていない。したがって、超音波センサ５００は、基板面に対して垂直方向が最も感度が高く、いわば「前方視野」を得るために有用な特性を有しているが、基板面に平行または浅い角度方向に対して殆ど感度を持たない。
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来の正面方向から到来する波動（すなわち、前方視野）を検知するだけでなく、保持部に対して浅い仰角方向から到来する波動（すなわち、周辺視野）をも検知し、広い方位角範囲で検知対象を非接触で検出することが可能なセンサ、センサユニット、及びセンサの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するための本発明に係るセンサの特徴構成は、検知対象を非接触で検出するセンサであって、検知対象から到来する波動を検知する検知素子と、検知素子の第１端側を保持する保持部とを備え、検知素子の第２端側は、保持部から離間する方向に変位していることにある。
【００１３】
背景技術の項目で説明したように、従来の前方視野型センサでは、正面付近に対しては高い感度を有しているが、保持部に対して浅い仰角の範囲に対しては殆ど感度を有していなかった。これは、前方視野型センサは、検知面が前方を向いているゆえ、保持部に対して浅い仰角方向から到来する波動を十分に感知できないからである。
【００１４】
この点、本発明のセンサによれば、波動を検知する検知素子のうち、第２端側が保持部から離間する方向に変位している（すなわち、反り上がっている）ので、保持部に対して浅い仰角方向から到来する波動を反り上がった検知面で確実に検知することができる。その結果、広い方位角範囲で検知対象を非接触で検出することが可能となる、いわゆる、周辺視野型センサを構築することができる。
【００１５】
例えば、本発明の一実施例である超音波センサによれば、保持部に対して浅い角度で到来する音波によって、検知素子が保持部に対して水平な方向に振動するため、「周辺視野」を有するＭＥＭＳ超音波センサを実現し得る。
【００１６】
本発明によるセンサを用いれば、防犯用侵入者検知システムや自動ドアの開閉制御、さらにはホームからの転落防止等のセンシングを高精度かつ簡便に行うことができる。
【００１７】
本発明に係るセンサによれば、検知素子は、第１内部応力を含む第１層と、第１内部応力とは異なる第２内部応力を含む第２層とを備え、検知素子の第２端側は、第１内部応力と第２内部応力との差に基づいて、保持部から離間する方向に変位していてもよい。本構成のセンサであれば、センサを作製する場合、２つの異なる応力の差を利用して、検知素子が保持部から自発的に離間する方向に変位することにより反り上がるプロセスを用いることができる。例えば、シリコン微細加工技術を用いて検知素子の形状を完成させる際に、検知素子を構成する材料に含まれる内部応力を利用することにより、検知素子は保持部から自発的に離間し、反り上がる。
【００１８】
検知素子にＰＺＴ薄膜とシリコン熱酸化膜とが含まれる場合は、ＰＺＴ薄膜をゾル・ゲル法によって製膜すればＰＺＴ薄膜には保持部上で縮もうとする応力が生じ、一方、シリコン熱酸化膜には伸びようとする応力（逆向きの応力）が生じる。これらの応力差により、検知素子は保持部から離間する方向に自発的に反り上がる。
【００１９】
上記課題を解決するための本発明に係るセンサユニットの特徴構成は、検知対象を非接触で検出するセンサユニットであって、検知対象から到来する波動を検知する複数の検知素子と、複数の検知素子の第１端側を保持する保持部とを備え、複数の検知素子の少なくとも１つの第２端側は、保持部から離間する方向に変位している（すなわち、反り上がっている）ことにある。
【００２０】
検知対象から発生する波動は、現実には、四方八方に散乱する場合がある。したがって、これら種々の方向に散乱しながら移動する波動を確実に検知するためには、検知素子の構成をさらに工夫する必要がある。
【００２１】
この点、本構成のセンサユニットによれば、保持部から離間する方向に変位している検知素子を複数備えているので、あらゆる方向又は予期せぬ方向から到来する波動を確実に検知することができる。また、複数の検知素子のうちの１つの検知能力が落ちた場合でも、残りの健常な検知素子によって、保持部に対して浅い仰角方向から到来する波動を検知することができる。
【００２２】
なお、本構成のセンサユニットは、シリコンマイクロマシニング技術により、容易に作製できる。その結果、周辺視野方向でも角度分解して特定の方向のみに注目し、その注目方向を電子的に走査し得るセンサユニットを実現することができる。
【００２３】
本発明に係るセンサユニットにおいて、複数の検知素子の第２端側は保持部から離間する方向に変位しており、複数の検知素子の配置方向は各々異なっていてもよい。本構成のセンサユニットによれば、複数の検知素子の各々は、配置方向が異なっているため、例えば、センサユニットに対し放射状又は円周状に高角度の方向から到来する波動によって振動することができる。したがって、このセンサユニットは、センサユニットに対し放射状又は円周状に略全ての方向において感度を有し得る周辺視野型センサとして利用することができる。
【００２４】
また、例えば、検知素子の湾曲の軸を変えたセンサを集積化することもできるので、保持部に対して０度から１８０度までの仰角方向において感度を有し、さらにセンサユニットに対し放射線状に略全ての方向において感度を有し得る全方位視野型センサとして利用することができる。
【００２５】
さらに、同一基板上に前方視野のセンサと周辺視野のセンサとを集積化することも容易である。
【００２６】
本発明によるセンサユニットを用いれば、例えば、防犯や、自動ドア制御、ホームからの転落防止といった人の動向を検知するセンシングにおいて、人の位置だけでなくその動作・進行方向についても詳細な情報を得ることができる。その結果、誤検知や検知漏れのより少ない高度なセンシングと、それに基づく信頼性の高い制御が可能となる。
【００２７】
上記課題を解決するための本発明に係るセンサの製造方法の特徴構成は、検知対象を非接触で検出するセンサの製造方法であって、検知対象から到来する波動を検知する検知素子を保持部の上に形成する形成工程と、検知素子の第２端側が保持部から離間する方向に変位するように検知素子を変形する変形工程とを包含する。
【００２８】
本発明に係るセンサの製造方法によれば、上記説明した本発明のセンサと同様の作用効果を奏する。すなわち、変形工程において、波動を検知する検知素子のうち、第２端側を保持部から離間する方向に変位させている（すなわち、反り上げている）ので、出来上がった検知素子は、保持部に対して浅い仰角方向から到来する波動を反り上がった検知面で確実に検出することができる。その結果、広い方位角範囲で検知対象を非接触で検出することが可能となる、いわゆる、周辺視野型センサを構築することができる。
【００２９】
本発明に係るセンサの製造方法によれば、検知素子は、第１内部応力を含む第１層と、第１内部応力とは異なる第２内部応力を含む第２層とを備え、変形工程は、検知素子の第２端側が、第１内部応力と第２内部応力との差に基づいて、保持部から離間する方向に変位することにより実行されてもよい。
【００３０】
本構成のセンサ製造方法であれば、センサを作製する場合、２つの異なる応力の差を利用して、検知素子が保持部から自発的に離間する方向に変位することにより反り上がるプロセスを用いることができる。例えば、シリコン微細加工技術を用いて検知素子の形状を完成させる際に、検知素子を構成する材料に含まれる内部応力を利用することにより、検知素子は保持部から自発的に離間し、反り上がる。
【００３１】
検知素子にＰＺＴ薄膜とシリコン熱酸化膜とが含まれる場合は、ＰＺＴ薄膜をゾル・ゲル法によって製膜すればＰＺＴ薄膜には保持部上で縮もうとする応力が生じ、一方、シリコン熱酸化膜には伸びようとする応力（逆向きの応力）が生じる。これらの応力差により、検知素子は保持部から離間する方向に自発的に反り上がる。
【００３２】
本発明に係るセンサの製造方法において、変形工程は、検知素子に外力を作用させることにより実行されてもよい。本構成のセンサ製造方法であれば、検知素子に外力を作用させることにより、例えば、当該検知素子を引き付けることができる。この場合、検知素子を構成する材料に含まれる内部応力を利用することなく、検知素子を保持部から離間するように反り上げることができる。例えば、検知素子に磁性体が含まれる場合には、変形工程は、磁性体に磁力が作用することにより実行され得る。この場合、磁力により検知素子を引き付けることができる。この方法によれば、検知素子が微細な場合でも、検知素子を非接触で保持部から離間させて反り上げることができるので、検知素子を破壊することなくセンサを作製し得る。検知素子を非接触で反り上げる他の方法として、静電力、陰圧による吸引力等を利用することも可能である。
一方、検知素子に外力を作用させることにより実行される変形工程は、人の手により機械的に折り曲げたり、物理的な引張力等によっても実行可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１実施形態のセンサの構成を示す断面図である。
【図２】センサの断面図である。
【図３】屈曲状検知素子を備えたセンサを示す（ａ）平面図、（ｂ）断面図、及び（ｃ）拡大断面図である。
【図４】湾曲状検知素子を備えたセンサを示す（ａ）平面図、（ｂ）断面図、及び（ｃ）拡大断面図である。
【図５】湾曲状検知素子の拡大写真図である。
【図６】本発明の第２実施形態のセンサユニットの構成例を示す平面図である。
【図７】本発明の第３実施形態のセンサの製造方法を示す工程図である。
【図８】従来の超音波センサを示す（ａ）平面図、（ｂ）断面図、及び（ｃ）拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、図１から図７を参照して本発明のセンサ、センサユニット、及びセンサの製造方法に関する実施形態を説明する。本発明は、以下に説明する実施形態や図面に記載される構成に限定されることを意図せず、当該構成と均等な構成も含む。
【００３５】
〔第１実施形態：センサの構成〕
図１は、本発明の第１実施形態のセンサ１００の構成を示す断面図である。センサ１００は、検知対象を非接触で検出するセンサである。センサ１００は、検知対象から到来する波動を検知する検知素子１０２と、保持部１０４とを備える。
【００３６】
検知素子１０２は、第１端１０２ａと第２端１０２ｂとを有する。検知素子１０２は、圧電体を含む。圧電体に振動や圧力などの力が加わると圧電体に電圧が発生し、逆に圧電体に電圧が加えられると伸縮する。検知素子１０２の表面は剥き出しであってもよいが、圧電体に振動や圧力が伝達し得る限り、例えば、被膜コーティングが施されていても構わない。検知素子１０２の表面に被膜コーティングを施した場合、耐久性、耐傷性、防汚性等の機能向上が期待できる。検知素子１０２の第２端１０２ｂ側は、保持部１０４に対して反り上がっている。
【００３７】
保持部１０４は、検知素子１０２の第１端１０２ａ側を保持している。保持部１０４は、シリコン基板を含む。なお、保持部１０４は、検知素子１０２の第１端１０２ａ側を保持し得る限りは、シリコン基板に限定されない。例えば、ガラス基板でもよい。
【００３８】
波動発生源の一例である超音波発生部（図示せず）から発生された超音波は、検知対象に到達し、検知対象で反射する。検知対象で反射した超音波は、センサ１００に到来する。検知素子１０２は、正面から到来する超音波を第２端１０２ｂ側で検知し（図１中の縦方向の両矢印）、保持部１０４に対して浅い仰角方向から到来する超音波を保持部１０４から離間する方向に変位している（すなわち、反り上がっている）検知面で検知する（図１中の横方向の両矢印）。検知素子１０２に含まれた圧電体は、超音波によって振動し、電圧を発生する。センサ１００は、発生した電圧に基づいて検知対象を非接触で検出する。
【００３９】
なお、本明細書において、「検知素子の第２端側が保持部から離間する方向に変位する」ことは、上記のとおり「検知素子の第２端側が保持部に対して反り上がる」ことを意味する。そして、反り上がりの程度、曲率、形状等は、特に問わないものとする。
【００４０】
図２は、センサ１００の断面図である。保持部１０４は、第１ＳｉＯ２層２０２とＳｉ層２０４とを含む。検知素子１０２は、第２ＳｉＯ２層２０６と、下部電極層２０８と、圧電体層２１０と、上部電極層２１２とを含む。
【００４１】
下部電極層２０８は、ＰｔとＴｉとを含む。例えば、Ｐｔ／Ｔｉ電極が下部電極層２０８として機能する。圧電体層２１０は、ジルコニウム酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）：以下、「ＰＺＴ」と記す。）を含む。例えば、ＰＺＴ層が圧電体層２１０として機能する。上部電極層２１２は、Ａｕを含む。例えば、Ａｕ電極が上部電極層２１２として機能する。
【００４２】
第２ＳｉＯ２層２０６には、第２ＳｉＯ２層２０６が伸びる方向に内部応力が作用している。Ｓｉ層にＯ原子が入り込むことでＳｉＯ２層の体積がＳｉ層の体積よりも大きくなるためである。圧電体層２１０には、圧電体層２１０が縮む方向に内部応力が作用している。ゾル・ゲル法により圧電体層２１０を製膜する過程で、圧電体層２１０の結晶化の後に圧電体層２１０の体積が小さくなるためである。
【００４３】
検知素子１０２の第２端１０２ｂ側は、第２ＳｉＯ２層２０６が有する内部応力と圧電体層２１０が有する内部応力との差によって保持部１０４から離間し、反り上がっている。
【００４４】
以上のように、センサ１００は、超音波を検知する検知素子１０２の第２端１０２ｂ側が保持部１０４から離間する方向に変位しているので、保持部１０４に対して浅い仰角方向から到来する音波を検知素子１０２で確実に検知することができる。その結果、広い方位角範囲で検知対象を非接触で検出することが可能となる、いわゆる、周辺視野型センサを構築することができる。
【００４５】
なお、検知素子１０２の形状は、検知素子１０２の第２端１０２ｂ側が保持部１０４から離間する方向に変位している限りは、種々の形状で構成し得る。
【００４６】
例えば、センサ１００において、検知素子１０２の第２端１０２ｂ側は保持部１０４に対して屈曲していてもよい。
【００４７】
図３は、屈曲状検知素子を備えたセンサ１００ａを示す（ａ）平面図、（ｂ）断面図、及び（ｃ）拡大断面図である。センサ１００ａは、第２端１０２ｂ側が保持部１０４に対して屈曲している検知素子１０２を備える。
【００４８】
センサ１００ａであれば、保持部１０４に対して略平行に到来する波動に対しても検知素子１０２が確実に振動するため（図３中の横方向の両矢印）、単一の素子で、広範な検知領域を持つ周辺視野型センサを実現し得る。検知素子１０２は、例えば、機械的に折り曲げることにより、比較的簡単に作製し得る。
【００４９】
例えば、センサ１００において、検知素子１０２の第２端１０２ｂ側は保持部１０４に対して湾曲していてもよい。
【００５０】
図４は、湾曲状検知素子を備えたセンサ１００ｂを示す（ａ）平面図、（ｂ）断面図、及び（ｃ）拡大断面図である。センサ１００ｂは、第２端１０２ｂ側が、検知素子１０２の第２端１０２ｂを巻き込むように反り上がっている検知素子１０２を備える。
【００５１】
センサ１００ｂであれば、保持部１０４に対して略平行に到来する波動のみならず、保持部１０４に対して浅い仰角方向から到来する波動に対しても、検知素子１０２が確実に振動するため、単一の素子で、より広範な検知領域を持つ周辺視野型センサを実現し得る。
【００５２】
特に、検知素子１０２の第２端１０２ｂ側が、検知素子１０２の第２端１０２ｂを巻き込むように３６０度反り上がっている場合は、検知素子１０２は、保持部１０４に対して０度から１８０度までの仰角方向から到来する波動によっても振動するため（図４中の３つの両矢印）、保持部に対して略全方向で感度を有し得る。このように、単一の検知素子１０２で、保持部１０４に対して略全方向の信号を大きく捉えることができる。
【００５３】
なお、図４の湾曲状検知素子を備えたセンサ１００ｂにおいては、検知素子１０２の第２端１０２ｂの巻き込み度合いが大きい程、指向性として感度が得られる角度範囲が広くなる。また、このセンサ１００ｂにおいて、検知素子１０２の第２端１０２ｂ側から所定の距離のところを切断すると、例えば、図１に示すセンサ１００と同様のものを得ることも可能である。このように、本発明では、湾曲状検知素子を備えたセンサ１００ｂを元にして、検知素子１０２ｂの長さを調整することにより、測定条件に応じた最適な性能及び形状を有するセンサを容易に作製することが可能となる。
【００５４】
図５は、本発明の一例として作製した湾曲状検知素子の拡大写真図である。図５の上側の写真によれば、検知素子の第２端側が、検知素子の第２端を巻き込むように１８０度から３６０度反り上がっていることが明らかである。図５の下側の写真によれば、検知素子の第２端側が、検知素子の第２端を巻き込むように３６０度以上反り上がっていることが明らかである。本発明者の研究によれば、検知素子の幅、検知素子の厚さ等に応じて、反り上がり角度を制御し得ることが判明している。
【００５５】
上記説明では、波動として主に超音波に基づく波動を想定しているが、検知素子が検知対象から到来する波動を検知し得る限りは、到来する波動は、超音波に基づく波動に限定されない。例えば、到来する波動が、電磁波（光、赤外線、Ｘ線等）に基づく波動でもよい。
【００５６】
到来する波動が光に基づく波動である場合、検知素子として、例えば光電素子を採用し得る。光発生部（発光素子）は検知対象に向けて光を発する。光は、検知対象に到達し、検知対象で反射する。検知対象で反射した光は、センサに到来する。光電素子は、保持部に対して浅い仰角方向から到来する光波を、保持部から離間して反り上がった検知面で検知する。光電素子が光を受光することによって、光電素子に電流が流れる。センサは電流に基づいて検知対象を非接触で検出する。
【００５７】
上記光電素子としては、例えば硫化カドミウム素子（ＣｄＳ素子）を採用し得る。ＣｄＳ素子の外部から定電圧をかけておいて、ＣｄＳ素子への光照射による抵抗変化を通してＣｄＳ素子を流れる電流値が変化するのを検知する。例えば、ＣｄＳ素子に到来する光の強弱を制御することにより、ＣｄＳ素子の抵抗値を変更し得、明るさに応じてＣｄＳ素子の抵抗値が変化する。周囲が暗い時はＣｄＳ素子の抵抗値が高く、ＣｄＳ素子にはほとんど電流が流れない。周囲が明るくなると、ＣｄＳ素子の抵抗値が低くなり、ＣｄＳ素子に電流が流れる。
【００５８】
検知素子として、例えば、フォト・ダイオードを採用し得る。フォト・ダイオードのＰＮ接合に光が当たると電位差が生じ、フォト・ダイオードに電流が流れる。
【００５９】
〔第２実施形態：センサユニットの構成〕
図６は、本発明の第２実施形態のセンサユニット３００の構成例を示す平面図である。（ａ）は、複数の検知素子を放射状に配置した構成例である。（ｂ）は、複数の検知素子を円周状に配置した構成例である。なお、このセンサユニット３００では、８個の検知素子を使用しているが、検知素子の数は２つ以上あればよく、状況に応じて適宜増減することができる。センサユニット３００は、検知対象を非接触で検出する。センサユニット３００は、第１検知素子３０２ａ、第２検知素子３０２ｂと、第３検知素子３０２ｃ、第４検知素子３０２ｄ、第５検知素子３０２ｅ、第６検知素子３０２ｆ、第７検知素子３０２ｇ、第８検知素子３０２ｈ（以下、第１〜８検知素子３０２と称する）、及び保持部３０４を備える。
【００６０】
第１〜８検知素子３０２は、検知対象から到来する波動を検知する。
【００６１】
保持部３０４は、第１〜８検知素子３０２の各々の第１端側を保持する。第１〜８検知素子３０２の各々の第２端側は、保持部１０４から離間する方向に変位している（すなわち、反り上がっている）。第１〜８検知素子３０２の配置方向は、（ａ）又は（ｂ）に例示したように、各々異なっている。保持部３０４は、例えば、シリコン基板を含む。
【００６２】
センサユニット３００によれば、保持部３０４から離間する方向に変位している複数の検知素子（第１〜８検知素子３０２）を備えているので、あらゆる方向又は予期せぬ方向から到来する波動を確実に検知することができる。また、複数の検知素子（第１〜８検知素子３０２）のうちの１つの検知能力が落ちた場合でも、残りの健常な検知素子によって、保持部３０４に対して浅い仰角方向から到来する波動を検知することができる。
【００６３】
また、センサユニット３００によれば、複数の検知素子は、保持部３０４上で放射状又は円周状に配置されている。したがって、センサユニット３００に対し放射状又は円周状に高角度の方向から到来する波動によって振動するため、センサユニット３００に対し放射状又は円周状に高角度の方向の信号を大きく捉えることができる。
【００６４】
また、例えば、検知素子の湾曲の軸を変えたセンサを集積化することもできるので、保持部に対して０度から１８０度までの仰角方向において感度を有し、さらにセンサユニットに対し放射線状に略全ての方向において感度を有し得る全方位視野型センサとして利用することができる。
【００６５】
さらに、同一基板上に前方視野型センサと周辺視野型センサとを集積化することも容易である。
【００６６】
なお、センサユニット３００は、シリコンマイクロマシニング技術により、容易に作製できる。その結果、周辺視野方向でも角度分解して特定の方向のみに注目し、その注目方向を電子的に走査し得るセンサユニットを実現できる。
【００６７】
本発明によるセンサユニット３００を用いれば、例えば、防犯や、自動ドア制御、ホームからの転落防止といった人の動向を検知するセンシングにおいて、人の位置だけでなくその動作・進行方向についても詳細な情報を得ることができる。その結果、誤検知や検知漏れのより少ない高度なセンシングと、それに基づく信頼性の高い制御が可能となる。
【００６８】
〔第３実施形態：センサの製造方法〕
図７は、本発明の第３実施形態のセンサ１００の製造方法を示す工程図である。センサ１００は、工程４０２〜工程４１２を実行することによって製造される。以下、センサ１００の製造方法を工程４０２〜工程４１２ごとに説明する。
【００６９】
工程４０２：シリコン基板の表面を酸化し、第１ＳｉＯ２層２０２とＳｉ層２０４と第２ＳｉＯ２層２０６とを含む表面熱酸化シリコン基板を作製する。第２ＳｉＯ２層２０６には、第２ＳｉＯ２層２０６が伸びる方向に内部応力が作用している。Ｓｉ層にＯが入り込むことでＳｉＯ２層の体積がＳｉ層の体積よりも大きくなるためである。なお、第１ＳｉＯ２層２０２とＳｉ層２０４とから保持部１０４が構成される。
【００７０】
工程４０４：スパッタリング法により第２ＳｉＯ２層２０６の上に下部電極層２０８を製膜し、リフトオフ法により下部電極層２０８をパターニングする。例えば、Ｐｔ／Ｔｉ電極が下部電極層２０８として機能する。
【００７１】
工程４０６：ゾル・ゲル法により下部電極層２０８の上に圧電体層２１０を製膜し、硝酸により圧電体層２１０をパターニングする。例えば、ＰＺＴ層が圧電体層２１０として機能する。圧電体層２１０には、圧電体層２１０が縮む方向に内部応力が作用している。ゾル・ゲル法により圧電体層２１０を結晶化する過程で、圧電体層２１０の製膜の前後で圧電体層２１０の体積が小さくなるためである。
【００７２】
工程４０８：蒸着法により圧電体層２１０の上に上部電極層２１２を製膜し、ヨウ素とヨウ化カリウムとを含む水溶液により上部電極層２１２をパターニングする。例えば、Ａｕ電極が上部電極層２１２として機能する。
【００７３】
工程４１０：下部電極層２０８と第２ＳｉＯ２層２０６とが当接する部分を残すように、第２ＳｉＯ２層２０６の一部をフッ酸によりエッチングし除去する。犠牲層エッチング用の窓明けのためである。
【００７４】
工程４１２：ＸeＦ２ガスにより第２ＳｉＯ２層２０６の下部（保持部１０４のうち検知素子１０２の第２端１０２ｂ側に当接する領域）の一部を犠牲層エッチングする。犠牲層エッチングにより、第２ＳｉＯ２層２０６に含まれている内部応力と圧電体層２１０に含まれている内部応力とが解き放たれる。その結果、検知素子１０２の第２端１０２ｂ側が第２ＳｉＯ２層２０６に含まれている内部応力と圧電体層２１０に含まれている内部応力との差に基づいて保持部１０４に対して反り上がる。
【００７５】
以上のように、検知素子１０２にＰＺＴ層とＳｉＯ２層とが含まれる場合は、ＰＺＴ層をゾル・ゲル法によって製膜すればＰＺＴ層には保持部上で縮もうとする応力が生じ、一方、ＳｉＯ２層には伸びようとする応力（逆向きの応力）が生じる。これらの応力差により、検知素子１０２は保持部１０４から離間する方向に自発的に反り上がる。このように、センサの製造工程の最終段階で、保持部１０４のうち検知素子１０２の第２端１０２ｂ側に当接する領域をエッチングすることにより、第２端部側が保持部１０４から離間して反り上がるので、カンチレバー構造を容易に作製することができる。
【００７６】
また、工程４１２において、検知素子１０２の第２端１０２ｂ側を保持部１０４に対して反り上げているので、センサ１００は、保持部１０４に対して浅い仰角方向から到来する波動を反り上がった検知素子１０２の検知面で確実に検出することができる。その結果、広い方位角範囲で検知対象を非接触で検出することが可能となる、いわゆる、周辺視野型センサを構築することができる。
【００７７】
本発明の第３実施形態のセンサ１００の製造方法によれば、工程４０２〜工程４１０は、検知素子１０２を保持部１０４の上に形成する形成工程に相当する。この形成工程では、形成された検知素子１０２は平面内において三方を周囲から分離されることが必要となる。さらに、工程４１２は、検知素子１０２の第２端１０２ｂ側が保持部１０４に対して反り上がるように検知素子１０２を変形する変形工程に相当する。この変形工程では、検知素子１０２の第２端１０２ｂ側が保持部１０４から離間する方向に変位すること、言い換えると、検知素子１０２の第２端１０２ｂ側が厚み方向において保持部１０４から隔絶されることが必要となる。
【００７８】
なお、変形工程は、検知素子１０２の第２端１０２ｂ側が保持部１０４から離間する方向に変位するように検知素子１０２を変形し得る限りは、２つの異なる内部応力の差を利用することにより実行される工程に限定されない。変形工程は、検知素子１０２に外力を作用させることにより実行することも可能である。
【００７９】
例えば、検知素子１０２に磁性体が含まれる場合には、変形工程は、磁性体に磁力が作用することにより実行され得る。この場合、磁力により検知素子を引き付けることができるので、検知素子を構成する材料に含まれる内部応力を利用することなく、検知素子を保持部から離間させて反り上げることができる。したがって、検知素子が微細な場合でも検知素子を非接触で反り上げることができるので、検知素子を破壊することなくセンサを作製し得る。
【００８０】
その他、変形工程は、静電力、陰圧による吸引力、あるいは、物理的な引張力等によっても実行可能である。
【００８１】
〔別実施形態〕
上記実施形態では、センサ１００を構成する検知素子１０２、又はセンサユニット３００を構成する検知素子３０２の形状は、図６に示すように、上方視で方形のものとして説明した。しかし、検知素子１０２又は検知素子３０２を、例えば、上方視で十字型にすることも有効である。この場合、十字型の検知素子の中央部を保持部に対して固定し、４つの端部を保持部から離間する方向に変位させて反り上げ得る。十字型の検知素子の４つの端部の内の１つを保持部に対して固定し、残り３つの端部を保持部から離間する方向に変位させて反り上げてもよい。検知素子１０２又は検知素子３０２を十字型にすれば、単一のセンサでありながら、平面視で複数の方向から感度を有し得る周辺視野型センサを構築することができる。また、十字型の検知素子を用いてセンサユニットを構成すれば、検知素子の数を比較的少なくしても、広範な角度方向から感度を有し得る周辺視野型センサユニットを構築することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明によるセンサ、センサユニット、およびセンサの製造方法は、センシング分野（例えば、防犯用侵入者検知システムや自動ドアの開閉制御、さらにはホームからの転落防止等のセンシングの分野）に広く利用可能である。
【符号の説明】
【００８３】
１００ センサ
１０２ 検知素子
１０２ａ 検知素子の第１端
１０２ｂ 検知素子の第２端
１０４ 保持部
３００ センサユニット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検知対象を非接触で検出するセンサであって、
前記検知対象から到来する波動を検知する検知素子と、
前記検知素子の第１端側を保持する保持部と
を備え、
前記検知素子の第２端側は、前記保持部から離間する方向に変位している、センサ。
【請求項２】
前記検知素子は、
第１内部応力を含む第１層と、
前記第１内部応力とは異なる第２内部応力を含む第２層と
を備え、
前記検知素子の前記第２端側は、前記第１内部応力と前記第２内部応力との差に基づいて、前記保持部から離間する方向に変位している、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
検知対象を非接触で検出するセンサユニットであって、
前記検知対象から到来する波動を検知する複数の検知素子と、
前記複数の検知素子の第１端側を保持する保持部と
を備え、
前記複数の検知素子の少なくとも１つの第２端側は、前記保持部から離間する方向に変位している、センサユニット。
【請求項４】
前記複数の検知素子の第２端側は、前記保持部から離間する方向に変位しており、
前記複数の検知素子の配置方向は各々異なっている、請求項３に記載のセンサユニット。
【請求項５】
検知対象を非接触で検出するセンサの製造方法であって、
前記検知対象から到来する波動を検知する検知素子を保持部の上に形成する形成工程と、
前記検知素子の第２端側が前記保持部から離間する方向に変位するように前記検知素子を変形する変形工程と
を包含する、センサの製造方法。
【請求項６】
前記検知素子は、
第１内部応力を含む第１層と、
前記第１内部応力とは異なる第２内部応力を含む第２層と
を備え、
前記変形工程は、前記検知素子の前記第２端側が、前記第１内部応力と前記第２内部応力との差に基づいて、前記保持部から離間する方向に変位することにより実行される、請求項５に記載のセンサの製造方法。
【請求項７】
前記変形工程は、前記検知素子に外力を作用させることにより実行される、請求項５に記載のセンサの製造方法。
【請求項１】
検知対象を非接触で検出するセンサであって、
前記検知対象から到来する波動を検知する検知素子と、
前記検知素子の第１端側を保持する保持部と
を備え、
前記検知素子の第２端側は、前記保持部から離間する方向に変位している、センサ。
【請求項２】
前記検知素子は、
第１内部応力を含む第１層と、
前記第１内部応力とは異なる第２内部応力を含む第２層と
を備え、
前記検知素子の前記第２端側は、前記第１内部応力と前記第２内部応力との差に基づいて、前記保持部から離間する方向に変位している、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
検知対象を非接触で検出するセンサユニットであって、
前記検知対象から到来する波動を検知する複数の検知素子と、
前記複数の検知素子の第１端側を保持する保持部と
を備え、
前記複数の検知素子の少なくとも１つの第２端側は、前記保持部から離間する方向に変位している、センサユニット。
【請求項４】
前記複数の検知素子の第２端側は、前記保持部から離間する方向に変位しており、
前記複数の検知素子の配置方向は各々異なっている、請求項３に記載のセンサユニット。
【請求項５】
検知対象を非接触で検出するセンサの製造方法であって、
前記検知対象から到来する波動を検知する検知素子を保持部の上に形成する形成工程と、
前記検知素子の第２端側が前記保持部から離間する方向に変位するように前記検知素子を変形する変形工程と
を包含する、センサの製造方法。
【請求項６】
前記検知素子は、
第１内部応力を含む第１層と、
前記第１内部応力とは異なる第２内部応力を含む第２層と
を備え、
前記変形工程は、前記検知素子の前記第２端側が、前記第１内部応力と前記第２内部応力との差に基づいて、前記保持部から離間する方向に変位することにより実行される、請求項５に記載のセンサの製造方法。
【請求項７】
前記変形工程は、前記検知素子に外力を作用させることにより実行される、請求項５に記載のセンサの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１０１３２（Ｐ２０１１−１０１３２Ａ）
【公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１５２９１０（Ｐ２００９−１５２９１０）
【出願日】平成２１年６月２６日（２００９．６．２６）
【出願人】（５０４２５５６８５）国立大学法人京都工芸繊維大学 (203)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月２６日（２００９．６．２６）
【出願人】（５０４２５５６８５）国立大学法人京都工芸繊維大学 (203)
【Ｆターム（参考）】
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