空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサ及びその製作方法
【課題】超音波アクチュエータ部分と超音波センサ部分とがＭＥＭＳにより同時に一体化するように製造できるｐＭＵＴ型超音波トランスデューサを提供する。
【解決手段】空気中で超音波を用いて目標物までの距離を測定するのに利用され得る超音波トランスデューサであって、２つの超音波を空気中に高圧で発生させ、空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを形成して高指向性の差音（ｆｄ＝ｆ１−ｆ２）波が生成されるようにするために２つの超音波周波数ｆ１、ｆ２でそれぞれ共振周波数を有する２種類のｆ１共振型単位アクチュエータとｆ２共振型単位アクチュエータとが規則的に交互配列されて形成される超音波アクチュエータ部と、前記目標物に反射して戻ってくる超音波信号を感知するために差音の周波数（ｆｄ＝ｆ１−ｆ２）で共振周波数を有する少なくとも１つ以上の単位センサからなる超音波センサ部とを含む。
【解決手段】空気中で超音波を用いて目標物までの距離を測定するのに利用され得る超音波トランスデューサであって、２つの超音波を空気中に高圧で発生させ、空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを形成して高指向性の差音（ｆｄ＝ｆ１−ｆ２）波が生成されるようにするために２つの超音波周波数ｆ１、ｆ２でそれぞれ共振周波数を有する２種類のｆ１共振型単位アクチュエータとｆ２共振型単位アクチュエータとが規則的に交互配列されて形成される超音波アクチュエータ部と、前記目標物に反射して戻ってくる超音波信号を感知するために差音の周波数（ｆｄ＝ｆ１−ｆ２）で共振周波数を有する少なくとも１つ以上の単位センサからなる超音波センサ部とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイ（ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ａｒｒａｙ）を用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）に基づく多共振超音波トランスデューサに関し、更には、空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超音波距離測定方式に好適に利用され得る超音波トランスデューサに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、本出願人が既に出願した大韓民国特許出願番号１０−２００４−００４２２９９号（特許文献１）の「空気中のパラメトリックアレイを用いた超音波距離測定装置及び方法」とそれに基づく米国特許出願番号１０／９６０、０８３号（特許文献２）及び日本国特許出願番号２００５−１６９９３８号（特許文献３）の「Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｒａｎｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｔｈｅｒｅｏｆ ｉｎ ａｉｒ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ａｒｒａｙ」に適用されることができる超音波トランスデューサに関するものである。
【０００３】
ここで、「超音波トランスデューサ」とは、超音波を用いたパルス−エコー距離測定方式において送信機である超音波アクチュエータと受信機である超音波センサとを組み合わせて表現した用語である。
【０００４】
まず、パラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超音波距離測定方式について、図１を参照して説明する。
【０００５】
高周波発生器である超音波アクチュエータで周波数成分が２つ（ｆ１、ｆ２）の高圧の超音波（１次発生波）を同じ方向に発生させると、発生した超音波が進行しながら非線形現象により距離測定のための２次発生波である高指向性の差音（ｆｄ＝ｆ１−ｆ２）波を形成させ、この差音パルスが進行しながら目標物に反射して戻ってくると、この反射波を超音波センサで受信する。
【０００６】
このとき、距離測定において要求されるパルス信号を発生させ、また感知するために超音波アクチュエータと超音波センサとが組み合わせられたものが超音波トランスデューサである。
【０００７】
従来の超音波トランスデューサとしては、駆動方式に応じて、ボイスコイル型や、静電容量型、圧電型、電磁気力型、超小型加工技術により製造されるＭＵＴ(Ｍｉｃｒｏ−ｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）型などがある。
【０００８】
そのうち、現在距離測定において最も一般に使われるのが、圧電型と静電容量型トランスデューサであり、圧電型の場合は主に送信用アクチュエータと受信用センサとが分離されるのに対し、静電容量型の場合には送受信を兼ねる形態が多く用いられる。
【０００９】
一方、ＭＵＴ型において駆動物質として圧電体を用いるトランスデューサをｐＭＵＴ（ｐｉｅｚｏ−ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）というが、超小型加工技術の特性上、高周波数を有する超音波トランスデューサに適しており、単位超音波発生器の大きさが小さいので、出力向上のために一般的に小さな単位超音波発生器を複数配列する。
【特許文献１】韓国特許出願公開第２００５−０１１７１０３号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５／０２７６１６３号明細書
【特許文献３】特開２００５−３５１８９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、以上のような従来の超音波トランスデューサは、前述したパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いる距離測定方式に対してはその適用が好適ではないが、その理由と解決策などについて、以下では超音波アクチュエータ部分と超音波センサ部分とに分けて説明する。
【００１１】
超音波アクチュエータ
パラメトリック・トランスミッティング・アレイを形成して差音を発生させるために、超音波アクチュエータは、２つの周波数を有する超音波を同じ方向に発生させることができなければならず（条件Ｉ）、また空気の微弱な非線形特性により効率よく差音を発生させることができなければならないが、すなわち差音を効率よく発生させるためには、まず発生波（ｐ０＝ｐ１＝ｐ２）が大きな音圧に発生されなければならず（条件ＩＩ）、トランスデューサの大きさが大きくなければならない上（条件ＩＩＩ）、２つの高周波の周波数差（ｆｄ＝ｆ１−ｆ２）が大きくなければならない（条件ＩＶ）。
【００１２】
しかしながら、空気中での距離測定への実際的な活用を可能にするためには、幾つかの制約が伴うが、すなわちロボットのような小型システムへの適用のためにトランスデューサの大きさが非常に小さくならなければならないので、前述した条件ＩＩＩに反する。更に、空気中で超音波の減殺効果は周波数の自乗に比例するので、２つの周波数の差を大きくするのも限界があり、前述した条件ＩＶにも反する。
【００１３】
したがって、条件Ｉを満たしながら、条件ＩＩを極大化できる方式に超音波アクチュエータを設計しなければならず、すなわち小型で、且つ、２つの周波数で高出力が可能な超音波アクチュエータを提供しなければならない。
【００１４】
しかしながら、従来の超音波アクチュエータは、何れも単一共振型であることから、２つの周波数帯域で充分な出力を提供できないほか、サイズを小さく設計すれば放射面積が小さくなり、出力が非常に小さくなるため、パラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いる距離測定方式に対しては、事実上、その適用が不可能であった。
【００１５】
超音波センサ
従来の超音波距離測定方式では、アクチュエータで発生する発生波とセンサで測定される測定波との周波数が同一であるため、超音波センサの場合はアクチュエータと同じ周波数で共振が発生するようになっている。
【００１６】
従来の内視鏡挿入部の製造方法は、複数の節輪を軸方向にピン連結した状態で、チューブ、ケーブル等の内装物やワイヤを挿入して組み立てを行っている。このため節輪同士が揺動自在で回転するため、内装物を挿入しにくい。中でもワイヤ受けが離れているのでワイヤ挿入は困難であり熟練を伴う微細作業が要求される。
【００１７】
しかしながら、パラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いる距離測定方式では、アクチュエータで１次的に発生した超音波と、超音波センサで測定される超音波との周波数帯域が互いに大きく異なることから、従来のセンサを適用するのは非常に困難であるという問題点がある。
【００１８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定に好適に利用できる上、その超音波アクチュエータ部分と超音波センサ部分とが超小型加工技術により同時に一体化するように製造できるｐＭＵＴ型超音波トランスデューサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の一観点による空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサは、空気中で超音波を用いて目標物までの距離を測定するのに利用され得る超音波トランスデューサであって、２つの超音波を空気中に高圧で発生させ、空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを形成して高指向性の差音（ｆｄ＝ｆ１−ｆ２）波が生成されるようにするために２つの超音波周波数ｆ１、ｆ２でそれぞれ共振周波数を有する２種類のｆ１共振型単位アクチュエータとｆ２共振型単位アクチュエータとが規則的に交互配列して形成される超音波アクチュエータ部と、前記目標物に反射して戻ってくる超音波信号を感知するために差音の周波数（ｆｄ＝ｆ１−ｆ２）で共振周波数を有する少なくとも１つ以上の単位センサからなる超音波センサ部とを含むことを特徴とする。
【００２０】
本発明の他の観点による空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサの製造方法は、中間酸化層が中間に介在されたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェハを用意する段階と、前記ウェハの上面と下面に対して酸化層を薄く形成して絶縁されるようにする段階と、前記ウェハの上面上に順次下部電極、圧電体、上部電極が積層されるように形成する段階と、前記上部電極、前記圧電体、前記下部電極をパターニングする段階と、前記上部電極と前記下部電極を絶縁させるための絶縁層を形成する段階と、前記絶縁層をパターニングして前記ライニングパターンを形成する段階と、前記ウェハの下面上の前記酸化層を除去した後、前記ウェハの下部側の中心部と前記中間酸化層とを除去して前記メンブレイン部が形成されるようにする段階とを含むことを特徴とする。
【００２１】
本発明の前記目的と様々な長所については、本発明の実施例及び添付図面から明らかになるだろう。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、提供される超音波トランスデューサにより実質的に高指向性を有する距離測定が可能になるので、目標物の空間的位置を明確に区分できる超音波距離測定や高解像度の空間マッピングを可能にできることに加え、各種の産業用及び家庭用ロボットに適用する場合に空間分解能を向上させることができることから該当ロボットの性能向上に大きく貢献できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２４】
図２は、本発明に係る空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサを概略的に示す平面図である。
【００２５】
本発明によれば、空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いる距離測定のために２つの周波数ｆ１、ｆ２成分を１次的に空気中にパルス状に強力に発生できるように、ｆ１、ｆ２の２つの共振周波数をそれぞれ有する２種類の小さな単位アクチュエータ１１２ａ、１１２ｂを交互配列して超音波アクチュエータ１１０を形成する。また、差音周波数、ｆｄ＝ｆ１−ｆ２で共振を有して目標物に反射して戻ってくる超音波に対する測定感度が高く、１次的に発生したｆ１、ｆ２成分の流入は低減できる超音波センサ１２０を備える超音波トランスデューサ１００が提供される。
【００２６】
すなわち、本発明に係る超音波トランスデューサ１００は、２つの超音波を空気中に高圧で発生させて空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを形成して高指向性の差音（ｆｄ＝ｆ１−ｆ２）波が生成されるようにするために、２つの超音波周波数ｆ１、ｆ２でそれぞれ共振周波数を有する２種類の単位アクチュエータ１１２ａ、１１２ｂが互いに規則的に交互配列して形成される超音波アクチュエータ部１１０と、目標物に反射して戻ってくる超音波信号を感知するための少なくとも１つ以上の単位センサ１２２からなる超音波センサ部１２０とを備える。
【００２７】
そして、超音波アクチュエータ部１１０の単位アクチュエータ１１２ａ、１１２ｂ間を電気的に連結するためのライニングパターン１１４ａと、該当ライニングパターン１１４ａの端部に対し外部と電気的に接続され得る接続端子１１４ｂとが備えられ、また超音波センサ部１２０の各単位センサ１２２に対してもそれぞれライニングパターン１２４ａとそれに対する接続端子１２４ｂが備えられる。
【００２８】
ここで、基本的に超音波アクチュエータ部１１０と超音波センサ部１２０は、完全に独立して駆動され、超音波アクチュエータ部１１０を駆動するために印加される電気的信号が超音波センサ部１２０に直接流入しないように互いに電気的に完全に分離され、また超音波センサ部１２０の各単位センサ１２２も電気的にそれぞれ完全に分離される。
【００２９】
一方、本発明に係る超音波トランスデューサ１００は、基本的に超小型加工技術（ＭＥＭＳ）により非常に薄い薄板状に製造されることができるＭＵＴ型であるが、共振を利用して所望の超音波帯域で高い出力を確保できるように駆動物質として圧電体を用いるので、ｐＭＵＴ型となる。
【００３０】
そして、その製造において、超音波アクチュエータ部１１０と超音波センサ部１２０は同じ基板（例えば、ウェハ）上に一体に製造することができ、超音波アクチュエータ部１１０と超音波センサ部１２０は同じ積層構造を有するように形成することができる。
【００３１】
すなわち、ｆ１共振型単位アクチュエータ１１２ａとｆ２共振型単位アクチュエータ１１２ｂ及び単位センサ１２２は、何れも同じ積層構造を有し、それにより１つの基板を用いて１回のＭＥＭＳ工程を通じて製造できる。
【００３２】
図３は、単位アクチュエータ及び単位センサの同じ積層構造を概略的に示す断面図である。
【００３３】
図を参照すれば、積層構造は、外郭部はより厚く形成されて固定支持部２００ａ−１として形成され、中心部は非常に薄いメンブレイン部２００ａ−２として形成されて該当メンブレイン部２００ａ−２が上下に振動されるようにする基板部２００ａと、基板部２００ａの上面上に必要に応じて形成されて絶縁させる絶縁層２００ｂと、絶縁層２００ｂ上に形成される下部電極２００ｃと、この下部電極２００ｃ上に形成されて印加される電圧に応じて上下に振動して基板部２００ａのメンブレイン部２００ａ−２が振動されるようにする圧電体２００ｄと、この圧電体２００ｄ上に形成されて前述した下部電極２００ｃと共にそれらの間の圧電体２００ｄに対して所定の電圧を印加する上部電極２００ｅとからなる。
【００３４】
ここで、上部電極２００ｅ及び下部電極２００ｃは、電気的な連結のために前述したライニングパターン１１４ａ、１２４ａと接続される。
【００３５】
基板部２００ａは、主にシリコンウェハを用いて製造することができ、受動的に駆動されるため、能動的な駆動体である圧電体２００ｄを用いて基板部２００ａのメンブレイン部２００ａ−２を上下に振動させて超音波が発生するようにしたり、戻ってくる超音波を検出したりする。
【００３６】
このとき、圧電体２００ｄの機械的な上下振動のために電圧を加えなければならないが、その上下部側の電極２００ｃ、２００ｅを介して電圧信号を印加する。ここで、上部電極２００ｅ側が＋であり、下部電極２００ｃ側がグラウンド（接地）になる場合は上方へ動き、上部電極２００ｅ側が−であり、下部電極２００ｃ側のグラウンドになる場合には下方へ動くようになる。すなわち、０ボルトを中心にサイン（ｓｉｎｅ）波電圧が印加されると、メンブレイン部２００ａ−２は該当サイン波電圧の量と極に応じて上下に動く。
【００３７】
したがって、前述した圧電体２００ｄと上／下部電極２００ｃ、２００ｅを合せて圧電駆動部といい、メンブレイン部２００ａ−２と圧電体２００ｄは空気中の音響インピーダンスマッチング、すなわち音響発生効率のよい超小型放射板を形成する。
【００３８】
一方、前述した超音波アクチュエータ部１１０を構成する２種類の単位アクチュエータであるｆ１共振型単位アクチュエータ１１２ａと、ｆ２共振型単位アクチュエータ１１２ｂの代表的な配列方法について、図４Ａ、４Ｂ及び４Ｃを参照して説明する。
【００３９】
便宜上、図においては、ｆ１共振型単位アクチュエータ１１２ａを小さな円形で示され、ｆ２共振型単位アクチュエータ１１２ｂは大きな円形で示されている。
【００４０】
２種類の単位アクチュエータ１１２ａ、１１２ｂは、基本的に何れか１種類の単位アクチュエータ（１１２ａまたは１１２ｂ）を配列した後、その間に他の種類の単位アクチュエータ（１１２ｂまたは１１２ａ）を配列し、図４Ａ、４Ｂ及び４Ｃに示すように、様々な交互配列方法があり得る。
【００４１】
すなわち、（ａ）四角形構造の交互配列方法、（ｂ）正六角形構造の交互配列方法、（ｃ）環状構造の交互配列方法などがあり得る。
【００４２】
そのうち、特に、（ｂ）正六角形構造の交互配列方法が、音響発生効率及び発生超音波の同位相（もし、同位相でない場合、互いに干渉相殺される）を形成するのに最も良い方法といえる。
【００４３】
このような（ｂ）正六角形構造の交互配列方法において、単位アクチュエータ１１２ａ、１１２ｂ間の音響発生効率を極大化し、発生した超音波の位相を一致させるために、その配列は詳細に以下のように実施されることができる。
【００４４】
すなわち、何れか一種類の共振型単位アクチュエータ（１１２ａまたは１１２ｂ）のメンブレイン部２００ａ−２の半径をａ１、正六角形の一辺をｄ１、そして駆動周波数に該当して発生する超音波の空気中の波長の長さをλ１とすると、これらの関係は、以下の数式１のようになる。
【数１】
【００４５】
したがって、前記数式１を用いて、何れか１種類の共振型単位アクチュエータ（１１２ａまたは１１２ｂ）を正六角形に配列した後、その間に他の種類の共振型単位アクチュエータ（１１２ｂまたは１１２ａ）をまた正六角形に配列する。
【００４６】
一方、前述したメンブレイン部２００ａ−２の構造は、図５Ａ乃至図７Ｂに示すように、多様な形態になり得る。
【００４７】
すなわち、（ａ）一般のメンブレイン型構造、（ｂ）カンチレバー（ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ）型構造、（ｃ）ピストン型構造などがあり得る。
【００４８】
そのうち、（ａ）一般のメンブレイン型構造は、メンブレイン部２００ａ−２のすべての外郭部分が固定支持部２００ａ−１と連結され、（ｂ）カンチレバー型構造と（ｃ）ピストン型構造は、その一部の外郭部分が切断されて自由端に形成される。特に、（ｂ）カンチレバー型構造は、多数方向に分かれる時に一側のみ連結される構造であり、（ｃ）ピストン型構造は、多数方向に分かれる時に角頂（ｖｅｒｔｅｘ）部分のみ連結される構造である。
【００４９】
したがって、メンブレイン部２００ａ−２の連結程度が、（ａ）一般のメンブレイン型構造、（ｂ）カンチレバー型構造、（ｃ）ピストン型構造の順に小さくなり、バネ定数が減少し、図８Ａ、８Ｂ及び８Ｃに示すように、それぞれ異なる振幅分布を有する振動を形成させることができる。
【００５０】
このように、メンブレイン部２００ａ−２のバネ定数を変化させることにより、すなわち、そのメンブレイン部２００ａ−２の大きさが単位アクチュエータ１１２ａ、１１２ｂの大きさと同一ないし類似した状態で、（ａ）一般のメンブレイン型構造を適用せず、バネ定数の低い（ｂ）カンチレバー型構造や（ｃ）ピストン型構造を適用することで、単位アクチュエータ１１２ａ、１１２ｂに比べて、遥かに低い共振周波数を有する単位センサ１２２の場合にはその共振周波数を下げることができる。
【００５１】
すなわち、同じＭＥＭＳ工程を用いて超音波トランスデューサ１００を全体的に製造するので、超音波アクチュエータ部１１０の単位アクチュエータ１１２ａ、１１２ｂと、超音波センサ部１２０の単位センサ１２２のメンブレイン部２００ａ−２との厚さは同一になる。したがって、同じ厚さのメンブレイン部２００ａ−２で単位センサ１２２の共振周波数を低減する方法としては、大きく２通りが考えられるが、１つは単位センサ１２２のメンブレイン部２００ａ−２の大きさを単位アクチュエータ１１２ａ、１１２ｂのメンブレイン部２００ａ−２よりも大きくすることであり、もう１つは前述したように、バネ定数の低いメンブレイン構造を採用することである。
【００５２】
一方、本発明においては、超音波センサ部１２０が差音の周波数（ｆｄ＝ｆ１−ｆ２）で共振周波数を有して差音周波数でその検出感度（すなわち、受信感度）が大きく向上するようにし、後述する機械的ノッチフィルタとしての機能も可能にする。
【００５３】
すなわち、パラメトリック・トランスミッティング・アレイにより発生する差音成分は、非線形現象により間接的に発生した成分であるため、目標物が近距離にある場合は音圧が１次発生波であるｆ１、ｆ２成分に比べて非常に小さくなる。したがって、超音波センサ部１２０で検出する電気的信号は信号処理処置側に送られる前に適切なレベルに増幅されるプリアンプ（ｐｒｅ−ａｍｐｌｉｆｙｉｎｇ）過程を経るが、それにより増幅後の差音周波数の成分と共にｆ１、ｆ２成分の大きさも増幅し、信号処理処置側の入力端子側に過負荷を与える恐れがある。このとき、本発明でのように、差音周波数で共振されると、差音成分のみ敏感に感応でき、ｆ１、ｆ２成分の感応程度は大幅に低減できるようになるが、このような機能を機械的ノッチフィルタという。
【００５４】
一方、全体的な超音波トランスデューサ１００の構成において、超音波センサ部１２０の単位センサ１２２は中央部に１つ設置されるか、または外郭部の適切な位置に２つ以上設置されることができる。
【００５５】
このとき、単位センサ１２２が中央部に１つのみ設置される場合は、超音波センサ部１２０が反射された超音波パルスを単に検出する役割を果たすことができ、２つ以上設置される場合には、基本的な検出はもちろん、以降の信号処理処置において演算によるサイドローブ（ｓｉｄｅ ｌｏｂｅ）や外部ノイズによる干渉効果を低減できる。すなわち、超音波アクチュエータの特性上、中心方向以外にサイドローブも発生するが、２つ以上の超音波センサを適用する場合には測定された信号を分析し、２つ以上の超音波センサに同時に反射波の信号が入力されなければ、その信号はノイズである確率が非常に高いため、信号処理の正確性を高められる。
【００５６】
一方、本発明によれば、超音波距離測定用として円滑に利用され得るように、超音波トランスデューサ１００の全体の大きさを四角形状に仮定した場合、一辺の大きさを約３０〜５０ｍｍ程度に実現することができ、円形状に仮定した場合には直径を約３０〜６０ｍｍ程度に実現することができる。更に、差音周波数ｆｄは、２０〜６０ｋＨｚの範囲で選択することができるが、もし、差音周波数領域が２０ｋＨｚ未満になれば一般的な可聴音との混線が生じる恐れがあり、６０ｋＨｚを超えると減殺効果が過度に大きくなり、距離測定に用られなくなる。
【００５７】
一方、図９を参照すれば、単位アクチュエータ１１２ａ、１１２ｂ間を電気的に連結するライニングパターン１１４ａの端部に外部との電気的接続のために設けられる２つの接続端子１１４ｂのうち、１つは入力信号が印加されるものであり、もう１つは接地用である。単位センサ１２２にも２つの接続端子１２４ｂが提供されるが、１つは信号出力用であり、もう１つは接地用である。
【００５８】
一方、図１０、図１１Ａ及び１１Ｂを参照して、超音波アクチュエータ部１１０で前述したライニングパターン１１４ａによる電極連結方法について説明する。
【００５９】
図１０の場合は、直列型電極連結方法に関し、１つの単位アクチュエータ１１２ａ、１１２ｂの上部電極２００ｅを次の単位アクチュエータ１１２ａ、１１２ｂの下部電極２００ｃに連結する方法を示す。この方法を用いれば、それぞれの単位アクチュエータ１１２ａ、１１２ｂを通過する度に電気的信号の間で位相差が生じるが、その理由は、圧電体は電気的に見れば、一種のキャパシタと同じ特性を示すからである。したがって、このような電気的位相差は、それぞれの単位アクチュエータ１１２ａ、１１２ｂの振動の動きにおいて位相差（すなわち、ディレイ）を生成し、結果として、配列された単位アクチュエータ１１２ａ、１１２ｂの放射面で発生する音波発生に悪影響を及ぼしてしまうことから、事実上、この直列型電極連結方法はあまり好ましくない。
【００６０】
一方、図１１Ａ及び図１１Ｂは、並列型電極連結方法を示す。並列型電極連結方法とは、上部電極２００ｅは上部電極２００ｅ同士、下部電極２００ｃは下部電極２００ｃ同士連結する方法であって、上部電極２００ｅに信号を印加すると、すべての単位アクチュエータ１１２ａ、１１２ｂは理想的に同じ位相で動くようになり、すなわち配列されたすべてのアクチュエータ１１２ａ、１１２ｂの放射面で同位相を有する超音波が発生するので、非常に好ましくなる。
【００６１】
このような並列型電極連結方法としては、また２通りの場合を考えられるが、まず、ｆ１共振型単位アクチュエータ１１２ａとｆ２共振型単位アクチュエータ１１２ｂとを区分せず、全て並列型に連結する方法（図１１Ａの場合）であり、この場合は接続端子１１４ｂの１つの入力端に対して２つの周波数を有する電気的信号を、変調された形態で印加する。
【００６２】
もう１つの並列型電極連結方法は、ｆ１共振型単位アクチュエータ１１２ａ同士を並列に連結し、またｆ２共振型単位アクチュエータ１１２ｂ同士を並列に連結する方法（図１１（Ｂ）の場合）であって、この場合は接続端子１１４ｂの２つの入力端に対してそれぞれ異なる信号を印加し、この場合、ライニングパターン１１４ａが複雑になるほか、放射出力が小さくなるという短所から、あまり好ましくない。
【００６３】
一方、超音波トランスデューサ１００は、その実質的な装着使用のために、図１２に示すように、その上下部側に保護のための別途のハウジング１３０、１４０が結合される。
【００６４】
好ましくは、超音波トランスデューサ１００の上面である放射面上に結合される上部側ハウジング１３０はグリル状に備えられ、超音波は通過できるようにするものの、一定の大きさ以上のホコリのような異物は侵入できないようになっており、超音波トランスデューサ１００の後面上に結合される下部側ハウジング１４０は発生する超音波を吸収できるように吸音可能な材質からなる。
【００６５】
一方、以下では、図１３Ａ乃至図１３Ｈを参照して、本発明に係る超音波トランスデューサ１００の好適な一実施形態による製造方法について順次説明する。
【００６６】
まず、図１３Ａのように、中間酸化層３００ａが中間に介在されて３階の積層構造からなるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェハ３００を用意し、このウェハ３００は基板部２００ａになるが、その上部層は後でメンブレイン部２００ａ−２として形成される部分である。また、中間酸化層３００ａはディップエッチングなどにより下部層を深く除去して上部層に薄いメンブレイン部２００ａ−２を製造するとき、エッチングがそれ以上進まないように遮断する部分であり、下部層は基板部２００ａの外郭固定支持部２００ａ−１として形成される部分である。
【００６７】
次に、図１３Ｂのように、ＳＯＩウェハ３００の上面と下面に対して、酸化層３００ｂを薄く形成し、半導体であるウェハ３００が完全に絶縁されるようにする。
【００６８】
続いて、図１３Ｃのように、ウェハ３００の上面上に順次下部電極３０２、圧電体３０４、上部電極３０６を蒸着などの方法により形成する。
【００６９】
そして、図１３Ｄのように、形成された上部電極３０６、圧電体３０４、下部電極３０２の不要な部分をエッチングなどにより順次除去してパターニングする。
【００７０】
続いて、形成された圧電体３０４の性能を向上させるためにアニール熱処理を施した後、図１３Ｅのように、上部電極３０６と下部電極３０２を絶縁させるための絶縁層３０８を形成してから、ライニングパターン３１０が形成される部分の該当絶縁層３０８を除去してパターニングする。
【００７１】
その後、図１３Ｆのように、ライニングパターン３１０を金属コーティングやエッチングなどの方法により形成する。
【００７２】
続いて、図１３Ｇのように、ウェハ３００下面上の酸化層をエッチングなどにより除去した後、ディップエッチングなどを通じてウェハ３００の下部側中心部を深く除去することで、その中心部の上面側に薄いメンブレイン部２００ａ−２が形成されるようにし、このとき、ディップエッチング時に中間に介在された中間酸化層３００ａの存在により該当中間酸化層３００ａ部分以上はエッチングされない。
【００７３】
続いて、図１３Ｈのように、中間に介在された中間酸化層３００ａをエッチングなどにより最終的に除去することで、中心部のメンブレイン部２００ａ−２が完全に形成される。
【００７４】
これにより、本発明に係る超音波トランスデューサ１００が製造される。
【００７５】
以上で説明したように、本発明の最も好ましい実施の形態等について説明したが、本発明は、上記記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載され、または明細書に開示された発明の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能であることは勿論であり、斯かる変形や変更が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】パラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた距離測定方式について説明する図である。
【図２】本発明に係るパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた距離測定用ｐＭＵＴ型超音波トランスデューサを概略的に示す平面図である。
【図３】本発明に係るパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた距離測定用ｐＭＵＴ型超音波トランスデューサの単位アクチュエータ及び単位センサの同一な積層構造を示す断面図である。
【図４Ａ】本発明に係る超音波トランスデューサにおいて互いに異なる共振周波数を有する２種類の単位アクチュエータを配列する方法を説明する図である。
【図４Ｂ】本発明に係る超音波トランスデューサにおいて互いに異なる共振周波数を有する２種類の単位アクチュエータを配列する方法を説明する図である。
【図４Ｃ】本発明に係る超音波トランスデューサにおいて互いに異なる共振周波数を有する２種類の単位アクチュエータを配列する方法を説明する図である。
【図５Ａ】本発明に係る超音波トランスデューサにおいて単位アクチュエータ及び単位センサのメンブレイン部の構造を説明する図であり、一般のメンブレイン型構造の平面図である。
【図５Ｂ】本発明に係る超音波トランスデューサにおいて単位アクチュエータ及び単位センサのメンブレイン部の構造を説明する図であり、一般のメンブレイン型構造の断面図である。
【図６Ａ】本発明に係る超音波トランスデューサにおいて単位アクチュエータ及び単位センサのメンブレイン部の構造を説明する図であり、カンチレバー型構造の平面図である。
【図６Ｂ】本発明に係る超音波トランスデューサにおいて単位アクチュエータ及び単位センサのメンブレイン部の構造を説明する図であり、カンチレバー型構造の断面図である。
【図７Ａ】本発明に係る超音波トランスデューサにおいて単位アクチュエータ及び単位センサのメンブレイン部の構造を説明する図であり、ピストン型構造の平面図である。
【図７Ｂ】本発明に係る超音波トランスデューサにおいて単位アクチュエータ及び単位センサのメンブレイン部の構造を説明する図であり、 ピストン型構造の断面図である。
【図８Ａ】図５Ａ乃至図７Ｂの複数の構造におけるメンブレイン部の動きを説明する図である。
【図８Ｂ】図５Ａ乃至図７Ｂの複数の構造におけるメンブレイン部の動きを説明する図である。
【図８Ｃ】図５Ａ乃至図７Ｂの複数の構造におけるメンブレイン部の動きを説明する図である。
【図９】本発明に係る超音波トランスデューサにおいて接続端子を説明するための図である。
【図１０】本発明に係る超音波トランスデューサの超音波アクチュエータ部における直列型電極連結方法を説明する概略図である。
【図１１Ａ】本発明に係る超音波トランスデューサの超音波アクチュエータ部における２通りの並列型電極連結方法の一方を説明する概略図である。
【図１１Ｂ】本発明に係る超音波トランスデューサの超音波アクチュエータ部における２通りの並列型電極連結方法の他方を説明する概略図である。
【図１２】本発明に係る超音波トランスデューサの実際の装着のために結合されるハウジングを説明するための図である。
【図１３Ａ】本発明に係る超音波トランスデューサの製造方法を順次示す図である。
【図１３Ｂ】本発明に係る超音波トランスデューサの製造方法を順次示す図である。
【図１３Ｃ】本発明に係る超音波トランスデューサの製造方法を順次示す図である。
【図１３Ｄ】本発明に係る超音波トランスデューサの製造方法を順次示す図である。
【図１３Ｅ】本発明に係る超音波トランスデューサの製造方法を順次示す図である。
【図１３Ｆ】本発明に係る超音波トランスデューサの製造方法を順次示す図である。
【図１３Ｇ】本発明に係る超音波トランスデューサの製造方法を順次示す図である。
【図１３Ｈ】本発明に係る超音波トランスデューサの製造方法を順次示す図である。
【符号の説明】
【００７７】
１００…超音波トランスデューサ、１１０…超音波アクチュエータ部、１１２ａ…ｆ１共振型単位アクチュエータ、１１２ｂ…ｆ２共振型単位アクチュエータ、１１４ａ…ライニングパターン、１１４ｂ…接続端子、１２０…超音波センサ部、１２２…単位センサ、１２４ａ…ライニングパターン、１２４ｂ…接続端子、１３０…上部側ハウジング、１４０…下部側ハウジング、２００ａ…基板部、２００ａ−１…固定支持部、２００ａ−２…メンブレイン部、２００ｂ…絶縁層、２００ｃ…下部電極、２００ｄ…圧電体、２００ｅ…上部電極、３００…ＳＯＩウェハ、３００ａ…中間酸化層、３００ｂ…酸化層、３０２…下部電極、３０４…圧電体、３０６…上部電極、３０８…絶縁層、３１０…ライニングパターン。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイ（ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ａｒｒａｙ）を用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）に基づく多共振超音波トランスデューサに関し、更には、空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超音波距離測定方式に好適に利用され得る超音波トランスデューサに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、本出願人が既に出願した大韓民国特許出願番号１０−２００４−００４２２９９号（特許文献１）の「空気中のパラメトリックアレイを用いた超音波距離測定装置及び方法」とそれに基づく米国特許出願番号１０／９６０、０８３号（特許文献２）及び日本国特許出願番号２００５−１６９９３８号（特許文献３）の「Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｒａｎｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｔｈｅｒｅｏｆ ｉｎ ａｉｒ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ａｒｒａｙ」に適用されることができる超音波トランスデューサに関するものである。
【０００３】
ここで、「超音波トランスデューサ」とは、超音波を用いたパルス−エコー距離測定方式において送信機である超音波アクチュエータと受信機である超音波センサとを組み合わせて表現した用語である。
【０００４】
まず、パラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超音波距離測定方式について、図１を参照して説明する。
【０００５】
高周波発生器である超音波アクチュエータで周波数成分が２つ（ｆ１、ｆ２）の高圧の超音波（１次発生波）を同じ方向に発生させると、発生した超音波が進行しながら非線形現象により距離測定のための２次発生波である高指向性の差音（ｆｄ＝ｆ１−ｆ２）波を形成させ、この差音パルスが進行しながら目標物に反射して戻ってくると、この反射波を超音波センサで受信する。
【０００６】
このとき、距離測定において要求されるパルス信号を発生させ、また感知するために超音波アクチュエータと超音波センサとが組み合わせられたものが超音波トランスデューサである。
【０００７】
従来の超音波トランスデューサとしては、駆動方式に応じて、ボイスコイル型や、静電容量型、圧電型、電磁気力型、超小型加工技術により製造されるＭＵＴ(Ｍｉｃｒｏ−ｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）型などがある。
【０００８】
そのうち、現在距離測定において最も一般に使われるのが、圧電型と静電容量型トランスデューサであり、圧電型の場合は主に送信用アクチュエータと受信用センサとが分離されるのに対し、静電容量型の場合には送受信を兼ねる形態が多く用いられる。
【０００９】
一方、ＭＵＴ型において駆動物質として圧電体を用いるトランスデューサをｐＭＵＴ（ｐｉｅｚｏ−ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）というが、超小型加工技術の特性上、高周波数を有する超音波トランスデューサに適しており、単位超音波発生器の大きさが小さいので、出力向上のために一般的に小さな単位超音波発生器を複数配列する。
【特許文献１】韓国特許出願公開第２００５−０１１７１０３号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５／０２７６１６３号明細書
【特許文献３】特開２００５−３５１８９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、以上のような従来の超音波トランスデューサは、前述したパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いる距離測定方式に対してはその適用が好適ではないが、その理由と解決策などについて、以下では超音波アクチュエータ部分と超音波センサ部分とに分けて説明する。
【００１１】
超音波アクチュエータ
パラメトリック・トランスミッティング・アレイを形成して差音を発生させるために、超音波アクチュエータは、２つの周波数を有する超音波を同じ方向に発生させることができなければならず（条件Ｉ）、また空気の微弱な非線形特性により効率よく差音を発生させることができなければならないが、すなわち差音を効率よく発生させるためには、まず発生波（ｐ０＝ｐ１＝ｐ２）が大きな音圧に発生されなければならず（条件ＩＩ）、トランスデューサの大きさが大きくなければならない上（条件ＩＩＩ）、２つの高周波の周波数差（ｆｄ＝ｆ１−ｆ２）が大きくなければならない（条件ＩＶ）。
【００１２】
しかしながら、空気中での距離測定への実際的な活用を可能にするためには、幾つかの制約が伴うが、すなわちロボットのような小型システムへの適用のためにトランスデューサの大きさが非常に小さくならなければならないので、前述した条件ＩＩＩに反する。更に、空気中で超音波の減殺効果は周波数の自乗に比例するので、２つの周波数の差を大きくするのも限界があり、前述した条件ＩＶにも反する。
【００１３】
したがって、条件Ｉを満たしながら、条件ＩＩを極大化できる方式に超音波アクチュエータを設計しなければならず、すなわち小型で、且つ、２つの周波数で高出力が可能な超音波アクチュエータを提供しなければならない。
【００１４】
しかしながら、従来の超音波アクチュエータは、何れも単一共振型であることから、２つの周波数帯域で充分な出力を提供できないほか、サイズを小さく設計すれば放射面積が小さくなり、出力が非常に小さくなるため、パラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いる距離測定方式に対しては、事実上、その適用が不可能であった。
【００１５】
超音波センサ
従来の超音波距離測定方式では、アクチュエータで発生する発生波とセンサで測定される測定波との周波数が同一であるため、超音波センサの場合はアクチュエータと同じ周波数で共振が発生するようになっている。
【００１６】
従来の内視鏡挿入部の製造方法は、複数の節輪を軸方向にピン連結した状態で、チューブ、ケーブル等の内装物やワイヤを挿入して組み立てを行っている。このため節輪同士が揺動自在で回転するため、内装物を挿入しにくい。中でもワイヤ受けが離れているのでワイヤ挿入は困難であり熟練を伴う微細作業が要求される。
【００１７】
しかしながら、パラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いる距離測定方式では、アクチュエータで１次的に発生した超音波と、超音波センサで測定される超音波との周波数帯域が互いに大きく異なることから、従来のセンサを適用するのは非常に困難であるという問題点がある。
【００１８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定に好適に利用できる上、その超音波アクチュエータ部分と超音波センサ部分とが超小型加工技術により同時に一体化するように製造できるｐＭＵＴ型超音波トランスデューサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の一観点による空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサは、空気中で超音波を用いて目標物までの距離を測定するのに利用され得る超音波トランスデューサであって、２つの超音波を空気中に高圧で発生させ、空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを形成して高指向性の差音（ｆｄ＝ｆ１−ｆ２）波が生成されるようにするために２つの超音波周波数ｆ１、ｆ２でそれぞれ共振周波数を有する２種類のｆ１共振型単位アクチュエータとｆ２共振型単位アクチュエータとが規則的に交互配列して形成される超音波アクチュエータ部と、前記目標物に反射して戻ってくる超音波信号を感知するために差音の周波数（ｆｄ＝ｆ１−ｆ２）で共振周波数を有する少なくとも１つ以上の単位センサからなる超音波センサ部とを含むことを特徴とする。
【００２０】
本発明の他の観点による空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサの製造方法は、中間酸化層が中間に介在されたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェハを用意する段階と、前記ウェハの上面と下面に対して酸化層を薄く形成して絶縁されるようにする段階と、前記ウェハの上面上に順次下部電極、圧電体、上部電極が積層されるように形成する段階と、前記上部電極、前記圧電体、前記下部電極をパターニングする段階と、前記上部電極と前記下部電極を絶縁させるための絶縁層を形成する段階と、前記絶縁層をパターニングして前記ライニングパターンを形成する段階と、前記ウェハの下面上の前記酸化層を除去した後、前記ウェハの下部側の中心部と前記中間酸化層とを除去して前記メンブレイン部が形成されるようにする段階とを含むことを特徴とする。
【００２１】
本発明の前記目的と様々な長所については、本発明の実施例及び添付図面から明らかになるだろう。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、提供される超音波トランスデューサにより実質的に高指向性を有する距離測定が可能になるので、目標物の空間的位置を明確に区分できる超音波距離測定や高解像度の空間マッピングを可能にできることに加え、各種の産業用及び家庭用ロボットに適用する場合に空間分解能を向上させることができることから該当ロボットの性能向上に大きく貢献できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２４】
図２は、本発明に係る空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサを概略的に示す平面図である。
【００２５】
本発明によれば、空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いる距離測定のために２つの周波数ｆ１、ｆ２成分を１次的に空気中にパルス状に強力に発生できるように、ｆ１、ｆ２の２つの共振周波数をそれぞれ有する２種類の小さな単位アクチュエータ１１２ａ、１１２ｂを交互配列して超音波アクチュエータ１１０を形成する。また、差音周波数、ｆｄ＝ｆ１−ｆ２で共振を有して目標物に反射して戻ってくる超音波に対する測定感度が高く、１次的に発生したｆ１、ｆ２成分の流入は低減できる超音波センサ１２０を備える超音波トランスデューサ１００が提供される。
【００２６】
すなわち、本発明に係る超音波トランスデューサ１００は、２つの超音波を空気中に高圧で発生させて空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを形成して高指向性の差音（ｆｄ＝ｆ１−ｆ２）波が生成されるようにするために、２つの超音波周波数ｆ１、ｆ２でそれぞれ共振周波数を有する２種類の単位アクチュエータ１１２ａ、１１２ｂが互いに規則的に交互配列して形成される超音波アクチュエータ部１１０と、目標物に反射して戻ってくる超音波信号を感知するための少なくとも１つ以上の単位センサ１２２からなる超音波センサ部１２０とを備える。
【００２７】
そして、超音波アクチュエータ部１１０の単位アクチュエータ１１２ａ、１１２ｂ間を電気的に連結するためのライニングパターン１１４ａと、該当ライニングパターン１１４ａの端部に対し外部と電気的に接続され得る接続端子１１４ｂとが備えられ、また超音波センサ部１２０の各単位センサ１２２に対してもそれぞれライニングパターン１２４ａとそれに対する接続端子１２４ｂが備えられる。
【００２８】
ここで、基本的に超音波アクチュエータ部１１０と超音波センサ部１２０は、完全に独立して駆動され、超音波アクチュエータ部１１０を駆動するために印加される電気的信号が超音波センサ部１２０に直接流入しないように互いに電気的に完全に分離され、また超音波センサ部１２０の各単位センサ１２２も電気的にそれぞれ完全に分離される。
【００２９】
一方、本発明に係る超音波トランスデューサ１００は、基本的に超小型加工技術（ＭＥＭＳ）により非常に薄い薄板状に製造されることができるＭＵＴ型であるが、共振を利用して所望の超音波帯域で高い出力を確保できるように駆動物質として圧電体を用いるので、ｐＭＵＴ型となる。
【００３０】
そして、その製造において、超音波アクチュエータ部１１０と超音波センサ部１２０は同じ基板（例えば、ウェハ）上に一体に製造することができ、超音波アクチュエータ部１１０と超音波センサ部１２０は同じ積層構造を有するように形成することができる。
【００３１】
すなわち、ｆ１共振型単位アクチュエータ１１２ａとｆ２共振型単位アクチュエータ１１２ｂ及び単位センサ１２２は、何れも同じ積層構造を有し、それにより１つの基板を用いて１回のＭＥＭＳ工程を通じて製造できる。
【００３２】
図３は、単位アクチュエータ及び単位センサの同じ積層構造を概略的に示す断面図である。
【００３３】
図を参照すれば、積層構造は、外郭部はより厚く形成されて固定支持部２００ａ−１として形成され、中心部は非常に薄いメンブレイン部２００ａ−２として形成されて該当メンブレイン部２００ａ−２が上下に振動されるようにする基板部２００ａと、基板部２００ａの上面上に必要に応じて形成されて絶縁させる絶縁層２００ｂと、絶縁層２００ｂ上に形成される下部電極２００ｃと、この下部電極２００ｃ上に形成されて印加される電圧に応じて上下に振動して基板部２００ａのメンブレイン部２００ａ−２が振動されるようにする圧電体２００ｄと、この圧電体２００ｄ上に形成されて前述した下部電極２００ｃと共にそれらの間の圧電体２００ｄに対して所定の電圧を印加する上部電極２００ｅとからなる。
【００３４】
ここで、上部電極２００ｅ及び下部電極２００ｃは、電気的な連結のために前述したライニングパターン１１４ａ、１２４ａと接続される。
【００３５】
基板部２００ａは、主にシリコンウェハを用いて製造することができ、受動的に駆動されるため、能動的な駆動体である圧電体２００ｄを用いて基板部２００ａのメンブレイン部２００ａ−２を上下に振動させて超音波が発生するようにしたり、戻ってくる超音波を検出したりする。
【００３６】
このとき、圧電体２００ｄの機械的な上下振動のために電圧を加えなければならないが、その上下部側の電極２００ｃ、２００ｅを介して電圧信号を印加する。ここで、上部電極２００ｅ側が＋であり、下部電極２００ｃ側がグラウンド（接地）になる場合は上方へ動き、上部電極２００ｅ側が−であり、下部電極２００ｃ側のグラウンドになる場合には下方へ動くようになる。すなわち、０ボルトを中心にサイン（ｓｉｎｅ）波電圧が印加されると、メンブレイン部２００ａ−２は該当サイン波電圧の量と極に応じて上下に動く。
【００３７】
したがって、前述した圧電体２００ｄと上／下部電極２００ｃ、２００ｅを合せて圧電駆動部といい、メンブレイン部２００ａ−２と圧電体２００ｄは空気中の音響インピーダンスマッチング、すなわち音響発生効率のよい超小型放射板を形成する。
【００３８】
一方、前述した超音波アクチュエータ部１１０を構成する２種類の単位アクチュエータであるｆ１共振型単位アクチュエータ１１２ａと、ｆ２共振型単位アクチュエータ１１２ｂの代表的な配列方法について、図４Ａ、４Ｂ及び４Ｃを参照して説明する。
【００３９】
便宜上、図においては、ｆ１共振型単位アクチュエータ１１２ａを小さな円形で示され、ｆ２共振型単位アクチュエータ１１２ｂは大きな円形で示されている。
【００４０】
２種類の単位アクチュエータ１１２ａ、１１２ｂは、基本的に何れか１種類の単位アクチュエータ（１１２ａまたは１１２ｂ）を配列した後、その間に他の種類の単位アクチュエータ（１１２ｂまたは１１２ａ）を配列し、図４Ａ、４Ｂ及び４Ｃに示すように、様々な交互配列方法があり得る。
【００４１】
すなわち、（ａ）四角形構造の交互配列方法、（ｂ）正六角形構造の交互配列方法、（ｃ）環状構造の交互配列方法などがあり得る。
【００４２】
そのうち、特に、（ｂ）正六角形構造の交互配列方法が、音響発生効率及び発生超音波の同位相（もし、同位相でない場合、互いに干渉相殺される）を形成するのに最も良い方法といえる。
【００４３】
このような（ｂ）正六角形構造の交互配列方法において、単位アクチュエータ１１２ａ、１１２ｂ間の音響発生効率を極大化し、発生した超音波の位相を一致させるために、その配列は詳細に以下のように実施されることができる。
【００４４】
すなわち、何れか一種類の共振型単位アクチュエータ（１１２ａまたは１１２ｂ）のメンブレイン部２００ａ−２の半径をａ１、正六角形の一辺をｄ１、そして駆動周波数に該当して発生する超音波の空気中の波長の長さをλ１とすると、これらの関係は、以下の数式１のようになる。
【数１】
【００４５】
したがって、前記数式１を用いて、何れか１種類の共振型単位アクチュエータ（１１２ａまたは１１２ｂ）を正六角形に配列した後、その間に他の種類の共振型単位アクチュエータ（１１２ｂまたは１１２ａ）をまた正六角形に配列する。
【００４６】
一方、前述したメンブレイン部２００ａ−２の構造は、図５Ａ乃至図７Ｂに示すように、多様な形態になり得る。
【００４７】
すなわち、（ａ）一般のメンブレイン型構造、（ｂ）カンチレバー（ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ）型構造、（ｃ）ピストン型構造などがあり得る。
【００４８】
そのうち、（ａ）一般のメンブレイン型構造は、メンブレイン部２００ａ−２のすべての外郭部分が固定支持部２００ａ−１と連結され、（ｂ）カンチレバー型構造と（ｃ）ピストン型構造は、その一部の外郭部分が切断されて自由端に形成される。特に、（ｂ）カンチレバー型構造は、多数方向に分かれる時に一側のみ連結される構造であり、（ｃ）ピストン型構造は、多数方向に分かれる時に角頂（ｖｅｒｔｅｘ）部分のみ連結される構造である。
【００４９】
したがって、メンブレイン部２００ａ−２の連結程度が、（ａ）一般のメンブレイン型構造、（ｂ）カンチレバー型構造、（ｃ）ピストン型構造の順に小さくなり、バネ定数が減少し、図８Ａ、８Ｂ及び８Ｃに示すように、それぞれ異なる振幅分布を有する振動を形成させることができる。
【００５０】
このように、メンブレイン部２００ａ−２のバネ定数を変化させることにより、すなわち、そのメンブレイン部２００ａ−２の大きさが単位アクチュエータ１１２ａ、１１２ｂの大きさと同一ないし類似した状態で、（ａ）一般のメンブレイン型構造を適用せず、バネ定数の低い（ｂ）カンチレバー型構造や（ｃ）ピストン型構造を適用することで、単位アクチュエータ１１２ａ、１１２ｂに比べて、遥かに低い共振周波数を有する単位センサ１２２の場合にはその共振周波数を下げることができる。
【００５１】
すなわち、同じＭＥＭＳ工程を用いて超音波トランスデューサ１００を全体的に製造するので、超音波アクチュエータ部１１０の単位アクチュエータ１１２ａ、１１２ｂと、超音波センサ部１２０の単位センサ１２２のメンブレイン部２００ａ−２との厚さは同一になる。したがって、同じ厚さのメンブレイン部２００ａ−２で単位センサ１２２の共振周波数を低減する方法としては、大きく２通りが考えられるが、１つは単位センサ１２２のメンブレイン部２００ａ−２の大きさを単位アクチュエータ１１２ａ、１１２ｂのメンブレイン部２００ａ−２よりも大きくすることであり、もう１つは前述したように、バネ定数の低いメンブレイン構造を採用することである。
【００５２】
一方、本発明においては、超音波センサ部１２０が差音の周波数（ｆｄ＝ｆ１−ｆ２）で共振周波数を有して差音周波数でその検出感度（すなわち、受信感度）が大きく向上するようにし、後述する機械的ノッチフィルタとしての機能も可能にする。
【００５３】
すなわち、パラメトリック・トランスミッティング・アレイにより発生する差音成分は、非線形現象により間接的に発生した成分であるため、目標物が近距離にある場合は音圧が１次発生波であるｆ１、ｆ２成分に比べて非常に小さくなる。したがって、超音波センサ部１２０で検出する電気的信号は信号処理処置側に送られる前に適切なレベルに増幅されるプリアンプ（ｐｒｅ−ａｍｐｌｉｆｙｉｎｇ）過程を経るが、それにより増幅後の差音周波数の成分と共にｆ１、ｆ２成分の大きさも増幅し、信号処理処置側の入力端子側に過負荷を与える恐れがある。このとき、本発明でのように、差音周波数で共振されると、差音成分のみ敏感に感応でき、ｆ１、ｆ２成分の感応程度は大幅に低減できるようになるが、このような機能を機械的ノッチフィルタという。
【００５４】
一方、全体的な超音波トランスデューサ１００の構成において、超音波センサ部１２０の単位センサ１２２は中央部に１つ設置されるか、または外郭部の適切な位置に２つ以上設置されることができる。
【００５５】
このとき、単位センサ１２２が中央部に１つのみ設置される場合は、超音波センサ部１２０が反射された超音波パルスを単に検出する役割を果たすことができ、２つ以上設置される場合には、基本的な検出はもちろん、以降の信号処理処置において演算によるサイドローブ（ｓｉｄｅ ｌｏｂｅ）や外部ノイズによる干渉効果を低減できる。すなわち、超音波アクチュエータの特性上、中心方向以外にサイドローブも発生するが、２つ以上の超音波センサを適用する場合には測定された信号を分析し、２つ以上の超音波センサに同時に反射波の信号が入力されなければ、その信号はノイズである確率が非常に高いため、信号処理の正確性を高められる。
【００５６】
一方、本発明によれば、超音波距離測定用として円滑に利用され得るように、超音波トランスデューサ１００の全体の大きさを四角形状に仮定した場合、一辺の大きさを約３０〜５０ｍｍ程度に実現することができ、円形状に仮定した場合には直径を約３０〜６０ｍｍ程度に実現することができる。更に、差音周波数ｆｄは、２０〜６０ｋＨｚの範囲で選択することができるが、もし、差音周波数領域が２０ｋＨｚ未満になれば一般的な可聴音との混線が生じる恐れがあり、６０ｋＨｚを超えると減殺効果が過度に大きくなり、距離測定に用られなくなる。
【００５７】
一方、図９を参照すれば、単位アクチュエータ１１２ａ、１１２ｂ間を電気的に連結するライニングパターン１１４ａの端部に外部との電気的接続のために設けられる２つの接続端子１１４ｂのうち、１つは入力信号が印加されるものであり、もう１つは接地用である。単位センサ１２２にも２つの接続端子１２４ｂが提供されるが、１つは信号出力用であり、もう１つは接地用である。
【００５８】
一方、図１０、図１１Ａ及び１１Ｂを参照して、超音波アクチュエータ部１１０で前述したライニングパターン１１４ａによる電極連結方法について説明する。
【００５９】
図１０の場合は、直列型電極連結方法に関し、１つの単位アクチュエータ１１２ａ、１１２ｂの上部電極２００ｅを次の単位アクチュエータ１１２ａ、１１２ｂの下部電極２００ｃに連結する方法を示す。この方法を用いれば、それぞれの単位アクチュエータ１１２ａ、１１２ｂを通過する度に電気的信号の間で位相差が生じるが、その理由は、圧電体は電気的に見れば、一種のキャパシタと同じ特性を示すからである。したがって、このような電気的位相差は、それぞれの単位アクチュエータ１１２ａ、１１２ｂの振動の動きにおいて位相差（すなわち、ディレイ）を生成し、結果として、配列された単位アクチュエータ１１２ａ、１１２ｂの放射面で発生する音波発生に悪影響を及ぼしてしまうことから、事実上、この直列型電極連結方法はあまり好ましくない。
【００６０】
一方、図１１Ａ及び図１１Ｂは、並列型電極連結方法を示す。並列型電極連結方法とは、上部電極２００ｅは上部電極２００ｅ同士、下部電極２００ｃは下部電極２００ｃ同士連結する方法であって、上部電極２００ｅに信号を印加すると、すべての単位アクチュエータ１１２ａ、１１２ｂは理想的に同じ位相で動くようになり、すなわち配列されたすべてのアクチュエータ１１２ａ、１１２ｂの放射面で同位相を有する超音波が発生するので、非常に好ましくなる。
【００６１】
このような並列型電極連結方法としては、また２通りの場合を考えられるが、まず、ｆ１共振型単位アクチュエータ１１２ａとｆ２共振型単位アクチュエータ１１２ｂとを区分せず、全て並列型に連結する方法（図１１Ａの場合）であり、この場合は接続端子１１４ｂの１つの入力端に対して２つの周波数を有する電気的信号を、変調された形態で印加する。
【００６２】
もう１つの並列型電極連結方法は、ｆ１共振型単位アクチュエータ１１２ａ同士を並列に連結し、またｆ２共振型単位アクチュエータ１１２ｂ同士を並列に連結する方法（図１１（Ｂ）の場合）であって、この場合は接続端子１１４ｂの２つの入力端に対してそれぞれ異なる信号を印加し、この場合、ライニングパターン１１４ａが複雑になるほか、放射出力が小さくなるという短所から、あまり好ましくない。
【００６３】
一方、超音波トランスデューサ１００は、その実質的な装着使用のために、図１２に示すように、その上下部側に保護のための別途のハウジング１３０、１４０が結合される。
【００６４】
好ましくは、超音波トランスデューサ１００の上面である放射面上に結合される上部側ハウジング１３０はグリル状に備えられ、超音波は通過できるようにするものの、一定の大きさ以上のホコリのような異物は侵入できないようになっており、超音波トランスデューサ１００の後面上に結合される下部側ハウジング１４０は発生する超音波を吸収できるように吸音可能な材質からなる。
【００６５】
一方、以下では、図１３Ａ乃至図１３Ｈを参照して、本発明に係る超音波トランスデューサ１００の好適な一実施形態による製造方法について順次説明する。
【００６６】
まず、図１３Ａのように、中間酸化層３００ａが中間に介在されて３階の積層構造からなるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェハ３００を用意し、このウェハ３００は基板部２００ａになるが、その上部層は後でメンブレイン部２００ａ−２として形成される部分である。また、中間酸化層３００ａはディップエッチングなどにより下部層を深く除去して上部層に薄いメンブレイン部２００ａ−２を製造するとき、エッチングがそれ以上進まないように遮断する部分であり、下部層は基板部２００ａの外郭固定支持部２００ａ−１として形成される部分である。
【００６７】
次に、図１３Ｂのように、ＳＯＩウェハ３００の上面と下面に対して、酸化層３００ｂを薄く形成し、半導体であるウェハ３００が完全に絶縁されるようにする。
【００６８】
続いて、図１３Ｃのように、ウェハ３００の上面上に順次下部電極３０２、圧電体３０４、上部電極３０６を蒸着などの方法により形成する。
【００６９】
そして、図１３Ｄのように、形成された上部電極３０６、圧電体３０４、下部電極３０２の不要な部分をエッチングなどにより順次除去してパターニングする。
【００７０】
続いて、形成された圧電体３０４の性能を向上させるためにアニール熱処理を施した後、図１３Ｅのように、上部電極３０６と下部電極３０２を絶縁させるための絶縁層３０８を形成してから、ライニングパターン３１０が形成される部分の該当絶縁層３０８を除去してパターニングする。
【００７１】
その後、図１３Ｆのように、ライニングパターン３１０を金属コーティングやエッチングなどの方法により形成する。
【００７２】
続いて、図１３Ｇのように、ウェハ３００下面上の酸化層をエッチングなどにより除去した後、ディップエッチングなどを通じてウェハ３００の下部側中心部を深く除去することで、その中心部の上面側に薄いメンブレイン部２００ａ−２が形成されるようにし、このとき、ディップエッチング時に中間に介在された中間酸化層３００ａの存在により該当中間酸化層３００ａ部分以上はエッチングされない。
【００７３】
続いて、図１３Ｈのように、中間に介在された中間酸化層３００ａをエッチングなどにより最終的に除去することで、中心部のメンブレイン部２００ａ−２が完全に形成される。
【００７４】
これにより、本発明に係る超音波トランスデューサ１００が製造される。
【００７５】
以上で説明したように、本発明の最も好ましい実施の形態等について説明したが、本発明は、上記記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載され、または明細書に開示された発明の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能であることは勿論であり、斯かる変形や変更が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】パラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた距離測定方式について説明する図である。
【図２】本発明に係るパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた距離測定用ｐＭＵＴ型超音波トランスデューサを概略的に示す平面図である。
【図３】本発明に係るパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた距離測定用ｐＭＵＴ型超音波トランスデューサの単位アクチュエータ及び単位センサの同一な積層構造を示す断面図である。
【図４Ａ】本発明に係る超音波トランスデューサにおいて互いに異なる共振周波数を有する２種類の単位アクチュエータを配列する方法を説明する図である。
【図４Ｂ】本発明に係る超音波トランスデューサにおいて互いに異なる共振周波数を有する２種類の単位アクチュエータを配列する方法を説明する図である。
【図４Ｃ】本発明に係る超音波トランスデューサにおいて互いに異なる共振周波数を有する２種類の単位アクチュエータを配列する方法を説明する図である。
【図５Ａ】本発明に係る超音波トランスデューサにおいて単位アクチュエータ及び単位センサのメンブレイン部の構造を説明する図であり、一般のメンブレイン型構造の平面図である。
【図５Ｂ】本発明に係る超音波トランスデューサにおいて単位アクチュエータ及び単位センサのメンブレイン部の構造を説明する図であり、一般のメンブレイン型構造の断面図である。
【図６Ａ】本発明に係る超音波トランスデューサにおいて単位アクチュエータ及び単位センサのメンブレイン部の構造を説明する図であり、カンチレバー型構造の平面図である。
【図６Ｂ】本発明に係る超音波トランスデューサにおいて単位アクチュエータ及び単位センサのメンブレイン部の構造を説明する図であり、カンチレバー型構造の断面図である。
【図７Ａ】本発明に係る超音波トランスデューサにおいて単位アクチュエータ及び単位センサのメンブレイン部の構造を説明する図であり、ピストン型構造の平面図である。
【図７Ｂ】本発明に係る超音波トランスデューサにおいて単位アクチュエータ及び単位センサのメンブレイン部の構造を説明する図であり、 ピストン型構造の断面図である。
【図８Ａ】図５Ａ乃至図７Ｂの複数の構造におけるメンブレイン部の動きを説明する図である。
【図８Ｂ】図５Ａ乃至図７Ｂの複数の構造におけるメンブレイン部の動きを説明する図である。
【図８Ｃ】図５Ａ乃至図７Ｂの複数の構造におけるメンブレイン部の動きを説明する図である。
【図９】本発明に係る超音波トランスデューサにおいて接続端子を説明するための図である。
【図１０】本発明に係る超音波トランスデューサの超音波アクチュエータ部における直列型電極連結方法を説明する概略図である。
【図１１Ａ】本発明に係る超音波トランスデューサの超音波アクチュエータ部における２通りの並列型電極連結方法の一方を説明する概略図である。
【図１１Ｂ】本発明に係る超音波トランスデューサの超音波アクチュエータ部における２通りの並列型電極連結方法の他方を説明する概略図である。
【図１２】本発明に係る超音波トランスデューサの実際の装着のために結合されるハウジングを説明するための図である。
【図１３Ａ】本発明に係る超音波トランスデューサの製造方法を順次示す図である。
【図１３Ｂ】本発明に係る超音波トランスデューサの製造方法を順次示す図である。
【図１３Ｃ】本発明に係る超音波トランスデューサの製造方法を順次示す図である。
【図１３Ｄ】本発明に係る超音波トランスデューサの製造方法を順次示す図である。
【図１３Ｅ】本発明に係る超音波トランスデューサの製造方法を順次示す図である。
【図１３Ｆ】本発明に係る超音波トランスデューサの製造方法を順次示す図である。
【図１３Ｇ】本発明に係る超音波トランスデューサの製造方法を順次示す図である。
【図１３Ｈ】本発明に係る超音波トランスデューサの製造方法を順次示す図である。
【符号の説明】
【００７７】
１００…超音波トランスデューサ、１１０…超音波アクチュエータ部、１１２ａ…ｆ１共振型単位アクチュエータ、１１２ｂ…ｆ２共振型単位アクチュエータ、１１４ａ…ライニングパターン、１１４ｂ…接続端子、１２０…超音波センサ部、１２２…単位センサ、１２４ａ…ライニングパターン、１２４ｂ…接続端子、１３０…上部側ハウジング、１４０…下部側ハウジング、２００ａ…基板部、２００ａ−１…固定支持部、２００ａ−２…メンブレイン部、２００ｂ…絶縁層、２００ｃ…下部電極、２００ｄ…圧電体、２００ｅ…上部電極、３００…ＳＯＩウェハ、３００ａ…中間酸化層、３００ｂ…酸化層、３０２…下部電極、３０４…圧電体、３０６…上部電極、３０８…絶縁層、３１０…ライニングパターン。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気中で超音波を用いて目標物までの距離を測定するのに利用され得る超音波トランスデューサであって、
２つの超音波を空気中に高圧で発生させ、空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを形成して高指向性の差音（ｆｄ＝ｆ１−ｆ２）波が生成されるようにするために２つの超音波周波数ｆ１、ｆ２でそれぞれ共振周波数を有する２種類のｆ１共振型単位アクチュエータとｆ２共振型単位アクチュエータとが規則的に交互配列されて形成される超音波アクチュエータ部と、
前記目標物に反射して戻ってくる超音波信号を感知するために差音の周波数（ｆｄ＝ｆ１−ｆ２）で共振周波数を有する少なくとも１つ以上の単位センサからなる超音波センサ部と
を含むことを特徴とする空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサ。
【請求項２】
前記超音波アクチュエータ部と前記超音波センサ部は、同じ基板部で薄板状に一体化するように超小型加工技術（ＭＥＭＳ）により製造されることを特徴とする請求項１に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサ。
【請求項３】
前記単位アクチュエータ部と前記単位センサは、同じ積層構造で形成され、
その積層構造は、
外郭部は厚く固定支持部として形成され、中心部は薄いメンブレイン部として形成されて前記メンブレイン部が上下振動されるようにする基板部と、
前記基板部の上面上に形成される下部電極と、
前記下部電極上に形成されて印加される電圧に応じて上下振動を発生させ、前記メンブレイン部が振動されるようにする圧電体と、
前記圧電体上に形成されて前記下部電極と共に前記圧電体に対して電圧を印加する上部電極と
からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサ。
【請求項４】
前記基板部と前記下部電極との間に形成され、前記基板部を絶縁させる絶縁層を更に含んでなることを特徴とする請求項３に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサ。
【請求項５】
前記超音波アクチュエータ部の前記単位アクチュエータの間を電気的に連結するライニングパターン及び前記ライニングパターンに対して外部と電気的に接続され得る接続端子と、
前記超音波センサ部の前記各単位センサに対して独立して設けられるライニングパターン及び前記ライニングパターンに対して外部と電気的に接続され得る接続端子と
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサ。
【請求項６】
前記ｆ１共振型単位アクチュエータと前記ｆ２共振型単位アクチュエータとを規則的に交互配列する方法は、
（ａ）四角形構造の交互配列方法、（ｂ）正六角形構造の交互配列方法、（ｃ）環状構造の交互配列方法の何れか１つであることを特徴とする請求項１に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサ。
【請求項７】
前記メンブレイン部の構造は、
（ａ）一般のメンブレイン型構造、（ｂ）カチンレバー（ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ）型構造、（ｃ）ピストン型構造の中から選択されることを特徴とする請求項３に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサ。
【請求項８】
前記超音波アクチュエータ部の前記メンブレイン部と前記超音波センサ部の前記メンブレイン部との厚さが同一である場合は、
前記超音波センサ部の共振周波数を相対的に下げるために、
前記単位センサの前記メンブレイン部が前記単位アクチュエータの前記メンブレイン部よりも大きなサイズを有するか、
前記単位センサの前記メンブレイン部の構造が前記単位アクチュエータの前記メンブレイン部よりも低いバネ定数を有することを特徴とする請求項３に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサ。
【請求項９】
前記超音波トランスデューサは、
四角状である場合は一辺の長さが３０〜５０ｍｍの範囲であり、
円形状である場合は直径が３０〜６０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサ。
【請求項１０】
前記差音周波数ｆｄは、
２０〜６０ｋＨｚの範囲で選択されることを特徴とする請求項１に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサ。
【請求項１１】
前記単位センサは、
中央部に１つ設けられるか、
外郭部に２つ以上設けられることを特徴とする請求項１に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサ。
【請求項１２】
前記単位アクチュエータ間の電極の連結は、
前記１つの単位アクチュエータの上部電極を次の前記単位アクチュエータの下部電極に連結する直列型であることを特徴とする請求項３に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサ。
【請求項１３】
前記単位アクチュエータ間の電極の連結は、
前記単位アクチュエータの前記上部電極は上部電極同士を、前記下部電極は下部電極同士を連結する並列型であることを特徴とする請求項３に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサ。
【請求項１４】
前記並列型電極の連結は、
前記ｆ１共振型単位アクチュエータと前記ｆ２共振型単位アクチュエータとを区分することなく、全て並列に連結することを特徴とする請求項１３に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサ。
【請求項１５】
前記並列型電極の連結は、
前記ｆ１共振型単位アクチュエータ同士のみを並列に連結し、前記ｆ２共振型単位アクチュエータ同士のみを並列に連結することを特徴とする請求項１３に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサ。
【請求項１６】
前記超音波トランスデューサの保護のために、その上下部側に結合されるハウジングを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサ。
【請求項１７】
前記上部側のハウジングはグリル状に備えられ、
前記下部側のハウジングは吸音可能な材質からなることを特徴とする請求項１６に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサ。
【請求項１８】
中間酸化層が中間に介在されたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェハを用意する段階と、
前記ウェハの上面と下面に対して酸化層を薄く形成して絶縁されるようにする段階と、
前記ウェハの上面上に順次下部電極、圧電体、上部電極が積層されるように形成する段階と、
前記上部電極、前記圧電体、前記下部電極をパターニングする段階と、
前記上部電極と前記下部電極を絶縁させるための絶縁層を形成する段階と、
前記絶縁層をパターニングして前記ライニングパターンを形成する段階と、
前記ウェハの下面上の前記酸化層を除去した後、前記ウェハの下部側の中心部と前記中間酸化層とを除去して前記メンブレイン部が形成されるようにする段階と
を含むことを特徴とする空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサの製造方法。
【請求項１９】
前記圧電体を形成した後、前記圧電体の性能向上のためにアニール熱処理を行う段階を更に含むことを特徴とする請求項１８に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサの製造方法。
【請求項１】
空気中で超音波を用いて目標物までの距離を測定するのに利用され得る超音波トランスデューサであって、
２つの超音波を空気中に高圧で発生させ、空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを形成して高指向性の差音（ｆｄ＝ｆ１−ｆ２）波が生成されるようにするために２つの超音波周波数ｆ１、ｆ２でそれぞれ共振周波数を有する２種類のｆ１共振型単位アクチュエータとｆ２共振型単位アクチュエータとが規則的に交互配列されて形成される超音波アクチュエータ部と、
前記目標物に反射して戻ってくる超音波信号を感知するために差音の周波数（ｆｄ＝ｆ１−ｆ２）で共振周波数を有する少なくとも１つ以上の単位センサからなる超音波センサ部と
を含むことを特徴とする空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサ。
【請求項２】
前記超音波アクチュエータ部と前記超音波センサ部は、同じ基板部で薄板状に一体化するように超小型加工技術（ＭＥＭＳ）により製造されることを特徴とする請求項１に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサ。
【請求項３】
前記単位アクチュエータ部と前記単位センサは、同じ積層構造で形成され、
その積層構造は、
外郭部は厚く固定支持部として形成され、中心部は薄いメンブレイン部として形成されて前記メンブレイン部が上下振動されるようにする基板部と、
前記基板部の上面上に形成される下部電極と、
前記下部電極上に形成されて印加される電圧に応じて上下振動を発生させ、前記メンブレイン部が振動されるようにする圧電体と、
前記圧電体上に形成されて前記下部電極と共に前記圧電体に対して電圧を印加する上部電極と
からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサ。
【請求項４】
前記基板部と前記下部電極との間に形成され、前記基板部を絶縁させる絶縁層を更に含んでなることを特徴とする請求項３に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサ。
【請求項５】
前記超音波アクチュエータ部の前記単位アクチュエータの間を電気的に連結するライニングパターン及び前記ライニングパターンに対して外部と電気的に接続され得る接続端子と、
前記超音波センサ部の前記各単位センサに対して独立して設けられるライニングパターン及び前記ライニングパターンに対して外部と電気的に接続され得る接続端子と
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサ。
【請求項６】
前記ｆ１共振型単位アクチュエータと前記ｆ２共振型単位アクチュエータとを規則的に交互配列する方法は、
（ａ）四角形構造の交互配列方法、（ｂ）正六角形構造の交互配列方法、（ｃ）環状構造の交互配列方法の何れか１つであることを特徴とする請求項１に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサ。
【請求項７】
前記メンブレイン部の構造は、
（ａ）一般のメンブレイン型構造、（ｂ）カチンレバー（ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ）型構造、（ｃ）ピストン型構造の中から選択されることを特徴とする請求項３に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサ。
【請求項８】
前記超音波アクチュエータ部の前記メンブレイン部と前記超音波センサ部の前記メンブレイン部との厚さが同一である場合は、
前記超音波センサ部の共振周波数を相対的に下げるために、
前記単位センサの前記メンブレイン部が前記単位アクチュエータの前記メンブレイン部よりも大きなサイズを有するか、
前記単位センサの前記メンブレイン部の構造が前記単位アクチュエータの前記メンブレイン部よりも低いバネ定数を有することを特徴とする請求項３に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサ。
【請求項９】
前記超音波トランスデューサは、
四角状である場合は一辺の長さが３０〜５０ｍｍの範囲であり、
円形状である場合は直径が３０〜６０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサ。
【請求項１０】
前記差音周波数ｆｄは、
２０〜６０ｋＨｚの範囲で選択されることを特徴とする請求項１に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサ。
【請求項１１】
前記単位センサは、
中央部に１つ設けられるか、
外郭部に２つ以上設けられることを特徴とする請求項１に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサ。
【請求項１２】
前記単位アクチュエータ間の電極の連結は、
前記１つの単位アクチュエータの上部電極を次の前記単位アクチュエータの下部電極に連結する直列型であることを特徴とする請求項３に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサ。
【請求項１３】
前記単位アクチュエータ間の電極の連結は、
前記単位アクチュエータの前記上部電極は上部電極同士を、前記下部電極は下部電極同士を連結する並列型であることを特徴とする請求項３に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサ。
【請求項１４】
前記並列型電極の連結は、
前記ｆ１共振型単位アクチュエータと前記ｆ２共振型単位アクチュエータとを区分することなく、全て並列に連結することを特徴とする請求項１３に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサ。
【請求項１５】
前記並列型電極の連結は、
前記ｆ１共振型単位アクチュエータ同士のみを並列に連結し、前記ｆ２共振型単位アクチュエータ同士のみを並列に連結することを特徴とする請求項１３に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサ。
【請求項１６】
前記超音波トランスデューサの保護のために、その上下部側に結合されるハウジングを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサ。
【請求項１７】
前記上部側のハウジングはグリル状に備えられ、
前記下部側のハウジングは吸音可能な材質からなることを特徴とする請求項１６に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサ。
【請求項１８】
中間酸化層が中間に介在されたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェハを用意する段階と、
前記ウェハの上面と下面に対して酸化層を薄く形成して絶縁されるようにする段階と、
前記ウェハの上面上に順次下部電極、圧電体、上部電極が積層されるように形成する段階と、
前記上部電極、前記圧電体、前記下部電極をパターニングする段階と、
前記上部電極と前記下部電極を絶縁させるための絶縁層を形成する段階と、
前記絶縁層をパターニングして前記ライニングパターンを形成する段階と、
前記ウェハの下面上の前記酸化層を除去した後、前記ウェハの下部側の中心部と前記中間酸化層とを除去して前記メンブレイン部が形成されるようにする段階と
を含むことを特徴とする空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサの製造方法。
【請求項１９】
前記圧電体を形成した後、前記圧電体の性能向上のためにアニール熱処理を行う段階を更に含むことを特徴とする請求項１８に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのＭＥＭＳに基づく多共振超音波トランスデューサの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図９】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１３Ｃ】
【図１３Ｄ】
【図１３Ｅ】
【図１３Ｆ】
【図１３Ｇ】
【図１３Ｈ】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図９】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１３Ｃ】
【図１３Ｄ】
【図１３Ｅ】
【図１３Ｆ】
【図１３Ｇ】
【図１３Ｈ】
【公開番号】特開２００８−２０４２９（Ｐ２００８−２０４２９Ａ）
【公開日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２８７６０３（Ｐ２００６−２８７６０３）
【出願日】平成１８年１０月２３日（２００６．１０．２３）
【出願人】（５９８０５７４７５）學校法人浦項工科大學校 (5)
【出願人】（５０５２８２０４２）ポステック・アカデミー‐インダストリー・ファウンデーション (34)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１０月２３日（２００６．１０．２３）
【出願人】（５９８０５７４７５）學校法人浦項工科大學校 (5)
【出願人】（５０５２８２０４２）ポステック・アカデミー‐インダストリー・ファウンデーション (34)
【Ｆターム（参考）】
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