超音波センサ装置
【課題】送受信兼用の超音波センサを備えた超音波センサ装置において、被検体が相対的に移動していても、精度良く検出すること。
【解決手段】メンブレン構造体（３４）を有する圧電型の超音波センサ（３０）の基板（３１にカバー（５０）が固定されている。このカバー（５０）は、メンブレン構造体（３４）と離間しつつ対向して配置された対向部（５１）を有しており、基板（３１）との間に気体が封入された密閉空間（９０）を形成する。また、通電により静電引力を生じる一対の調整用電極（７０，７１）の一方（７０）が超音波センサ（３０）に、他方がカバー（５０）に形成されている。そして、静電引力により対向部（５１）がメンブレン構造体（３４）に近づき、少なくとも圧電振動子（３３）の受信状態で調整用電極（７０，７１）間に電圧が印加され、受信状態のほうが送信状態よりも対向部（５１）とメンブレン構造体（３４）との対向間隔が狭くされる。
【解決手段】メンブレン構造体（３４）を有する圧電型の超音波センサ（３０）の基板（３１にカバー（５０）が固定されている。このカバー（５０）は、メンブレン構造体（３４）と離間しつつ対向して配置された対向部（５１）を有しており、基板（３１）との間に気体が封入された密閉空間（９０）を形成する。また、通電により静電引力を生じる一対の調整用電極（７０，７１）の一方（７０）が超音波センサ（３０）に、他方がカバー（５０）に形成されている。そして、静電引力により対向部（５１）がメンブレン構造体（３４）に近づき、少なくとも圧電振動子（３３）の受信状態で調整用電極（７０，７１）間に電圧が印加され、受信状態のほうが送信状態よりも対向部（５１）とメンブレン構造体（３４）との対向間隔が狭くされる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板の薄肉部に圧電振動子が形成された超音波センサを備え、同一の圧電振動子によって、超音波を送信するととともにその反射波を受信する超音波センサ装置に関するものである。特に、相対的に移動する被検体の検出に適した超音波センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電型の超音波センサとして、例えば特許文献１に示されるように、ＭＥＭＳ（Micro ElectroMechanical System）技術を用いて作製されたものが知られている。
【０００３】
特許文献１では、基板の厚さ方向において対向配置された一対の電極間に強誘電体が介在されて圧電振動子が構成され、この圧電振動子が、半導体基板の一面上であって薄肉部の部分に形成されて、超音波センサ素子が構成されている。
【０００４】
また、特許文献１では、圧電振動子を構成する一対の電極間に所定のバイアス電圧を印加することで、超音波センサの共振周波数を所定の共振周波数に調整するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２８４１３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、超音波センサが取付けられた物体に対し、被検体が相対的に移動している場合、音波のドップラー効果により、反射波（受信した超音波）の周波数が、発信周波数に対してずれることがある。この場合、周波数のずれ量及びずれの方向は、相対的な速度、方向の影響を受けるため、一定ではない。
【０００７】
したがって、超音波センサを送受信兼用とすると、特許文献１に示されるように、電極間に所定のバイアス電圧を印加して共振周波数を所定値に調整し、超音波を発信したとしても、反射波の周波数が発信周波数とは異なるため、相対的に移動する被検体を精度良く検出することができない。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑み、送受信兼用の超音波センサを備えた超音波センサ装置において、被検体が相対的に移動していても、精度良く検出することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために請求項１に記載の超音波センサ装置は、
薄肉部（３２）を有する基板（３１）と、
基板（３１）の厚さ方向において対向配置された一対の検出用電極（３５，３６）間に圧電体（３７）が介在されてなり、基板（３１）の一面（３１ａ）であって薄肉部（３２）上に形成されて、薄肉部（３２）とともに基板（３１）の他の部分よりも剛性の低いメンブレン構造体（３４）を構成する圧電振動子（３３）と、を有し、
圧電振動子（３３）により超音波を送信するととともに、同一の圧電振動子（３３）によりその反射波を受信する超音波センサ（３０）を備える。
【００１０】
そして、基板（３１）の厚さ方向において、メンブレン構造体（３４）と離間しつつ対向して配置された対向部（５１）を有し、基板（３１）に固定されて、基板（３１）との間に気体が封入された密閉空間（９０）を形成するカバー（５０）と、
一方が超音波センサ（３０）に形成され、他方がカバー（５０）に形成されて基板（３１）の厚さ方向において対向配置され、通電により静電引力を生じる一対の調整用電極（７０，７１）と、
調整用電極（７０，７１）への通電を制御する制御部（１１０）と、を備え、
静電引力により、カバー（５０）の対向部（５１）がメンブレン構造体（３４）に近づくように構成されており、
制御部（１１０）は、少なくとも圧電振動子（３３）の受信状態で調整用電極（７０，７１）間に電圧を印加するとともに、圧電振動子（３３）の受信状態におけるカバー（５０）の対向部（５１）とメンブレン構造体（３４）との対向間隔（Ｄ２）のほうが、圧電振動子（３３）の送信状態におけるカバー（５０）の対向部（５１）とメンブレン構造体（３４）との対向間隔（Ｄ１）よりも狭くなるように、調整用電極（７０，７１）への通電を制御する電圧印加手段（Ｓ１１，Ｓ２５）を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明では、圧電型の超音波センサ（３０）にカバー（５０）が固定され、基板（３１）とカバー（５０）との間に、気体が封入された密閉空間（９０）が形成されている。また、密閉空間（９０）は、メンブレン構造体（３４）と隣接している。このように、メンブレン構造体（３４）の振動が、密閉空間（９０）のダンピングの影響を受けるようになっている。
【００１２】
ここで、メンブレン構造体（３４）の振動の状態を示すＱ値は、メンブレン構造体（３４）に隣接する密閉空間（９０）のダンピング係数に反比例し、ダンピング係数は、カバー（５０）の対向部（５１）とメンブレン構造体（３４）との対向間隔に反比例する。このため、対向間隔が狭いほどダンピング係数が大きくなり、Ｑ値は低くなる。本発明では、制御部（１１０）の電圧印加手段（Ｓ１１，Ｓ２５）により、少なくとも圧電振動子（３３）の受信状態で調整用電極（７０，７１）間に電圧が印加され、対向部（５１）とメンブレン構造体（３４）との対向間隔は、受信状態の対向間隔（Ｄ２）のほうが送信状態の対向間隔（Ｄ１）よりも狭くされる。すなわち、受信状態のＱ値が、送信状態のＱ値より低くなる。
【００１３】
また、対をなす調整用電極（７０，７１）は、基板（３１）の厚さ方向において互いに対向するように、一方が超音波センサ（３０）に形成され、他方がカバー（５０）に形成されている。そして、調整用電極（７０，７１）間に電圧を印加し、静電引力を生じさせると、対向部（５１）がメンブレン構造体（３４）に近づくようになっている。このように、静電引力によりカバー（５０）を変位させるため、調整用電極（７０，７１）に電圧を印加する構成でありながら、メンブレン構造体（３４）の共振周波数を、発信状態と受信状態とでほぼ一致させることができる。すなわち共振ピークのずれが生じるのを抑制することができる。
【００１４】
以上から、本発明によれば、共振周波数（共振ピーク）を同じとし、送信状態では周波数帯域が狭く、受信状態では周波数帯域が広くなる。したがって、被検体が相対的に移動し、ドップラーシフトが生じても、反射波、ひいては被検出体を精度良く検出することができる。
【００１５】
請求項２に記載のように、カバー（５０）は基板（３１）の一面（３１ａ）に固定され、カバー（５０）と基板（３１）との間に形成される密閉空間（９０）に、圧電振動子（３３）が収容される構成とすると良い。これによれば、カバー（５０）によって圧電振動子（３３）を保護することができる。
【００１６】
請求項３に記載のように、超音波センサ側の調整用電極（７０）は、基板（３１）において薄肉部（３２）とは異なる厚肉部（４３）に形成されることが好ましい。これによれば、静電引力によるメンブレン構造体（３４）の変形をより効果的に抑制することができる。すなわち、送信状態の共振周波数と受信状態の共振周波数のピークがずれるのを効果的に抑制することができる。例えば請求項４に記載のように、基板（３１）の厚さ方向に垂直な方向において、厚肉部（４３）は環状とされて薄肉部（３２）を取り囲んだ構成を採用することができる。
【００１７】
請求項５に記載のように、超音波センサ側の調整用電極（７０）は、基板（３１）の一面（３１ａ）上に形成されると良い。このように、圧電振動子（３３）と同一面に形成すると、検出用電極（３５）と工程を共通化し、製造工程を簡素化することができる。
【００１８】
請求項６に記載のように、カバー（５０）において、対向部（５１）と調整用電極（７１）の形成部分とを含む中央部分（５２）が、該中央部分（５２）に隣接する周辺部分（５３）よりも薄い構成とすると良い。これによれば、静電引力が生じたときに、カバー（５０）の対向部（５１）が変形し、メンブレン構造体（３４）に近づきやすくなる。
【００１９】
請求項７に記載のように、カバー側の調整用電極（７１）を含むカバー（５０）の中央部分（５２）の剛性が、メンブレン構造体（３４）の剛性よりも低いと尚良い。これによれば、メンブレン構造体（３４）よりもカバー（５０）の中央部分（５２）のほうが変形しやすい。したがって、メンブレン構造体（３４）の変形を抑制しつつ、静電引力によりカバー（５０）を変形させて、対向間隔を狭めることができる。
【００２０】
請求項８に記載のように、圧電振動子（３３）の検出用電極（３５，３６）の一方が、超音波センサ側の調整用電極（７０）を兼ねており、カバー側の調整用電極（７１）は、基板（３１）の厚さ方向に垂直な方向において、基板（３１）における薄肉部（３２）とは異なる厚肉部（４３）に対応して形成されても良い。これによれば、超音波センサ装置の構成を簡素化することができる。
【００２１】
一方、請求項９に記載のように、カバー（５０）は、基板（３１）における一面（３１ａ）と反対の面（３１ｂ）に固定され、対向部（５１）は、薄肉部（３２）における圧電振動子（３３）が形成された面と反対の面（３２ａ）に対向しており、
カバー側の調整用電極（７１）は、対向部（５１）に形成され、
超音波センサ側の調整用電極（７０）は、メンブレン構造体（３４）に形成され、
カバー側の調整用電極（７０）を含むカバー（５０）の対向部（５１）の剛性が、メンブレン構造体（３４）の剛性よりも低い構成を採用することもできる。
【００２２】
この場合、請求項１０に記載のように、圧電振動子（３３）の検出用電極（３５，３６）の一方が、超音波センサ側の調整用電極（７０）を兼ねると良い。これによれば、超音波センサ装置の構成を簡素化することができる。
【００２３】
請求項１１に記載のように、密閉空間（９０）に空気が封入されても良い。この場合、格別な装置を必要としない。また、請求項１２に記載のように、密閉空間（９０）に、空気よりも粘性係数の大きい気体が封入されても良い。ダンピング係数は、粘性係数に比例する。このため、空気より粘性係数が大きい気体（例えばヘリウム）を封入すると、調整用電極（７０，７１）に印加する電圧を低減することができる。また、同じ電圧なら、送信状態のＱ値と受信状態のＱ値との差を、空気に較べて大きくすることができる。したがって、ドップラーシフト量が大きくても、被検体を検出することが可能となる。
【００２４】
請求項１３に記載のように、電圧印加手段（Ｓ１１，Ｓ２５）は、圧電振動子（３３）の受信状態のみ、調整用電極（７０，７１）に電圧を印加するようにしても良い。これによれば、メンブレン構造体（３４）において、送信状態よりも受信状態のＱ値を低くすることができる。したがって、被検体が相対的に移動し、ドップラーシフトが生じても、反射波、ひいては被検出体を精度良く検出することができる。
【００２５】
請求項１５に記載のように、制御部（１１０）は、
調整用電極（７０，７１）に電圧を印加しない状態の、圧電振動子（３３）が送信する超音波の周波数と送信した超音波の反射波の周波数との差を算出する周波数差算出手段（Ｓ２２）と、
周波数差算出手段により算出された周波数差により、調整用電極（７０，７１）に印加する電圧値を決定する電圧値決定手段（Ｓ２３）と、を備え、
電圧印加手段（Ｓ２５）は、電圧値決定手段（Ｓ２３）にて決定された電圧値を調整用電極（７０，７１）に印加する構成としても良い。
【００２６】
これによれば、送信周波数と受信した反射波の周波数の差に基づいて、調整用電極（７０，７１）に印加される電圧値が決定される。すなわち、相対的に移動する被検体の移動状態（例えば速度）に応じて受信状態のＱ値が設定される。このため、被検体の相対的な移動状態によらず、被検体を精度良く検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１実施形態に係る超音波センサ装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】超音波センサ装置のうち、センサユニットの概略構成を示す平面図である。便宜上、カバーの図示を省略している。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う、センサユニットの断面図である。
【図４】図２のＩＶ−ＩＶ線に沿う、センサユニットの断面図である。
【図５】超音波センサ装置の回路構成の概略を示すブロック図である。
【図６】送受信処理を示すフローチャートである。
【図７】調整用電圧の印加タイミングを示すタイミングチャートである。
【図８】センサユニットの送信状態を示す断面図である。
【図９】センサユニットの受信状態を示す断面図である。
【図１０】送信帯域と受信帯域を示す図である。
【図１１】調整用電極の変形例を示す断面図である。
【図１２】カバー側の調整用電極の配置の変形例を示す平面図であり、便宜上、カバー側の調整用電極を基板の一面に重ねて図示している。
【図１３】第２実施形態に係る超音波センサ装置において、センサユニットの概略構成を示す断面図である。
【図１４】第３実施形態に係る超音波センサ装置において、送受信処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下に示す各実施形態において、共通乃至関連する要素には同一の符号を付与するものとする。また、基板の厚さ方向、換言すればメンブレン構造体の振動方向を単に厚さ方向とし、該厚さ方向に垂直な方向を単に垂直方向と示す。
【００２９】
（第１実施形態）
図１に示すように、本実施形態に係る超音波センサ装置１０は、超音波センサ３０及びカバー５０を有するセンサユニット１１と、処理回路１１０が構成された回路チップ１２が、同一の配線基板１３に実装されてなる。配線基板１３には、超音波センサ３０が送受信可能なように、貫通孔１３ａが形成されている。
【００３０】
先ず、センサユニット１１について説明する。
【００３１】
図２〜図４に示すように、センサユニット１１は、ＭＥＭＳ技術を用いて作製された圧電式の超音波センサ３０（センサチップ）と、該超音波センサ３０を構成する基板３１に固定され、基板３１との間に密閉空間９０を形成するカバー５０を備える。さらに、互いに対向するように超音波センサ３０とカバー５０のそれぞれに形成された調整用電極７０，７１を備える。
【００３２】
超音波センサ３０は、薄肉部３２を有する基板３１と、基板３１の薄肉部３２上に形成された圧電振動子３３を有している。そして、薄肉部３２と圧電振動子３３とにより、基板３１の他の部位（厚肉部４３）よりも剛性の低いメンブレン構造体３４が構成されている。このメンブレン構造体３４が厚さ方向に振動することで、超音波の送信、受信がなされる。
【００３３】
本実施形態では、シリコンからなる支持基板３８とシリコンからなる半導体層４０の間に、二酸化シリコンからなる絶縁層３９が介在されたＳＯＩ構造の基板と、半導体層４０における絶縁層３９と反対の面上に形成された絶縁膜４１とにより、基板３１が構成されている。絶縁膜４１としては、二酸化シリコン、窒化シリコンなどを構成材料とする単層膜や多層膜を採用することができる。
【００３４】
このような基板３１において、絶縁膜４１における半導体層４０と反対の面が、圧電振動子３３の形成される一面３１ａをなし、支持基板３８における絶縁層３９と反対の面が一面３１ａの裏面３１ｂをなしている。基板３１には、半導体層４０における絶縁膜４１と反対の面を底面とし、裏面３１ｂに開口する開口部４２が形成されている。この開口部４２は、支持基板３８及び絶縁層３９をエッチングにより部分的に除去してなる。本実施形態では、基板３１の裏面３１ｂが（１００）面、支持基板３８の開口部壁面が（１１１）面となっている。
【００３５】
そして、基板３１のうち、開口部４２を架橋する部分、具体的には開口部４２を架橋する半導体層４０及び絶縁膜４１の部分が、基板３１のうちの薄肉部３２をなしている。なお、図３に示す符号３２ａは、薄肉部３２のうち、圧電振動子３３と反対の一面であり、この一面３２ａは、上記した半導体層４０における開口部４２の底をなす面と一致している。一方、基板３１のうち、薄肉部３２を除く部分が、基板３１のうちの厚肉部４３をなしている。薄肉部３２は、図２に示すように平面矩形状の外形輪郭を有しており、厚肉部４３は、この薄肉部３２を取り囲むように矩形環状を有している。
【００３６】
圧電振動子３３は、基板３１の一面３１ａ上であって、薄肉部３２の部分に形成されている。より詳しくは、図２に示すように、薄肉部３２の全域を覆うように、薄肉部よりも若干大きい平面矩形状をなすように形成されている。この圧電振動子３３は、圧電体薄膜３７を一対の検出用電極３５，３６間に配置してなるものである。なお、圧電体薄膜３７が特許請求の範囲に記載の圧電体に相当する。
【００３７】
また、厚さ方向において検出用電極３５，３６が対向している。すなわち厚さ方向において、基板３１の一面３１ａ上に、検出用電極３５、圧電体薄膜３７、検出用電極３６の順で積層配置されている。検出用電極３５，３６の構成材料しては、白金（Ｐｔ），金（Ａｕ），アルミニウム（Ａｌ）等を採用することができる。また、圧電体薄膜３７の構成材料としては、強誘電体であるＰＺＴや、窒化アルミニウム（ＡｌＮ），酸化亜鉛（ＺｎＯ）等を採用することができる。本実施形態では、検出用電極３５，３６の構成材料としてＰｔを採用し、圧電体薄膜３７の構成材料としてＰＺＴを採用している。なお、図２及び図４に示す符号４４は、カバー５０の図示しないパッドと検出用電極３５とを電気的に接続するための配線である。また、図２に示す符号４５は、カバー５０の図示しないパッドと検出用電極３６とを電気的に接続するための配線である。本実施形態では、これら配線４４，４５が、検出用電極３５，３６と同じ材料を用いて一体的に形成されている。
【００３８】
また、基板３１の一面３１ａであって、厚肉部４３には、基板３１にカバー５０を固定するための金属層４６が形成されている。この金属層４６は、図２に示すように、メンブレン構造体３４、配線４４，４５、調整用電極７０，７１を取り囲むように、基板３１の一面３１ａの外周端付近に形成されている。
【００３９】
カバー５０は、超音波センサ３０の基板３１に固定されて、基板３１との間に、メンブレン構造体３４に隣接する密閉空間９０を形成するものである。カバー５０の構成材料としては、合成樹脂、やシリコンなどの半導体、セラミックを採用することができる。本実施形態では、合成樹脂からなるカバー５０を採用している。
【００４０】
このカバー５０は、厚さ方向においてメンブレン構造体３４と対向しつつ離間して配置された対向部５１を少なくとも含む部分が、後述する静電引力により、メンブレン構造体３４に向けて変位するようになっている。具体的には、対向部５１を含む中央部分が、該中央部分を取り囲む周辺部分よりも薄肉となっている。本実施形態では、この薄肉の部分を薄肉部５２、周辺の厚肉の部分を厚肉部５３と示す。薄肉部５２は、薄肉部３２、ひいてはメンブレン構造体３４よりも大きく、対向部５１を除く部分が、基板３１の厚肉部４３に対向している。このように、合成樹脂からなり、薄肉部５２と厚肉部５３とで厚さが異なるカバー５０は、所定厚さの熱可塑性樹脂フィルムを部分的に複数枚積層し、接着することで、薄肉部５２と厚肉部５３の厚さを異ならせている。
【００４１】
また、カバー５０は、薄肉部５２を底部とする凹部５４が、密閉空間９０側となるように、基板３１の一面３１ａ側に配置されている。厚肉部５３における基板３１との対向面には、上記した金属層４６に対向して金属層５５が形成されている。すなわち、メンブレン構造体３４、配線４４，４５、調整用電極７０，７１を取り囲むように形成されている。そして、金属層４６,５５同士が接合されて、環状の接合部が形成されている。この接合部により、カバー５０と基板３１との間に密閉空間９０が形成されている。本実施形態では、この密閉空間９０に空気が大気圧状態で封入されている。
【００４２】
また、カバー５０には、圧電振動子３３を構成する検出用電極３５，３６、後述する調整用電極７０，７１を、密閉空間９０の外部と電気的に接続するための貫通電極が形成されている。図３に示す符号５６は、薄肉部５２における対向部５１とは異なる部分に形成され、カバー５０側の調整用電極７１と電気的に接続された貫通電極である。また、図４に示す符号５７は、厚肉部５３に形成され、超音波センサ３０側の調整用電極７０と電気的に接続された貫通電極である。また、符号５８は、厚肉部５３に形成され、圧電振動子３３の検出用電極３５（配線４４）と電気的に接続された貫通電極である。図示しないが、カバー５０の厚肉部５３には、検出用電極３６（配線４５）と電気的に接続された貫通電極も形成されている。このような貫通電極５６〜５８は、樹脂フィルムに貫通孔を形成した後、貫通孔内に導電性ペーストの充填や金属メッキを施すことで形成することができる。
【００４３】
また、カバー５０の外面には、一端が貫通電極５６に接続され、他端が厚肉部５３まで延設された配線６０が形成されている。そして、配線６０の厚肉部５３側の端部が図示しないパッドとされ、このパッドに例えばボンディングワイヤが接続されるようになっている。
【００４４】
なお、図４に示す符号５９は、厚肉部５３における基板３１との対向面に形成されたランドである。このランドは、例えば銅箔をパターニングしてなる。調整用電極７０は、配線７２及びランド５９を介して貫通電極５７と電気的に接続（はんだ接合）されている。また、検出用電極３５は、配線４４及びランド５９を介して貫通電極５８と電気的に接続（はんだ接合）されている。検出用電極３６についても同様である。このように、複数枚の樹脂フィルムを積層してなるカバー５０は、貫通電極５６〜５８，ランド５９、配線６０などを有している。すなわち、カバー５０は配線基板として構成されている。なお、配線７２は、調整用電極７０と貫通電極５７（ランド５９）とを繋ぐ配線である。
【００４５】
一対の調整用電極７０，７１は、通電により静電引力を生じて、カバー５０の薄肉部５２（対向部５１）を、超音波センサ３０のメンブレン構造体３４に近づける機能を果たすものである。調整用電極７０は、超音波センサ３０側に形成され、調整用電極７１は、カバー５０において調整用電極７０と対向する位置に形成される。
【００４６】
超音波センサ３０側の調整用電極７０は、圧電振動子３３を構成する検出用電極３５，３６と別の電極として構成されており、基板３１の一面３１ａ上であって厚肉部４３に、メンブレン構造体３４を取り囲むように形成されている。より詳しくは、メンブレン構造体３４との間に垂直方向において所定のクリアランスを有しつつメンブレン構造体３４の外形輪郭に沿って形成されており、配線４４，４５を引き出すべく略Ｃ字状を有している。本実施形態では、検出用電極３５，３６、配線４４，４５と同じ金属材料からなる。
【００４７】
カバー５０側の調整用電極７１は、カバー５０における薄肉部５２の内面（凹部５４側の面）に形成されている。より詳しくは、薄肉部５２のうち、垂直方向においてメンブレン構造体３４よりも外側の部分に形成されている。この調整用電極７１は、配線４４，４５を引き出す必要がないため、矩形環状を有している。本実施形態では、ランド５９同様、銅箔をパターニングしてなる。
【００４８】
このようにセンサユニット１１では、基板３１の薄肉部３２と圧電振動子３３とにより、他の部位よりも薄肉のメンブレン構造体３４が構成され、このメンブレン構造体３４が厚さ方向に振動可能となっている。また、基板３１の一面３１ａに固定されたカバー５０により、基板３１とカバー５０との間に密閉空間９０が形成されている。このため、カバー５０が配置された基板３１の一面３１ａ側で超音波の送受信がなされるのではなく、基板３１の裏面３１ｂ側で超音波の送受信がなされる。
【００４９】
次に、回路チップ１２に構成された処理回路１１０を含め、超音波センサ装置１０の回路構成について、図５を用いて説明する。
【００５０】
処理回路１１０は、制御回路１１１、駆動信号生成回路１１２、駆動回路１１３、増幅回路１１４、フィルタ回路１１５、ＴＡＤ１１６、ＤＳＰ１１７、及び調整用電圧生成回路１１８を備えている。この処理回路１１０が、特許請求の範囲に記載の制御部に相当する。
【００５１】
制御回路１１１は、図示しない中央演算装置（ＣＰＵ）、ＣＰＵが実行する各種プログラムが格納されたリードオンメモリ（ＲＯＭ）、ＣＰＵがＲＯＭに格納された各プログラムにしたがって実行する各種演算のための作業領域として用いられるランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等を備えている。そして、駆動信号生成回路１１２に対し、駆動信号生成のタイミングを制御する機能、被検体の有無や被検体の位置（距離及び方位）を検出する機能、検出結果を外部装置に出力する機能、調整用電圧生成回路１１８に、調整用電圧生成のタイミングを制御する機能などを有している。
【００５２】
駆動信号生成回路１１２は、制御回路１１１からの指示信号を受けると、基準周波数のパルス信号を一定期間だけ生成し、このパルス信号に基づいて、所定周波数ｆ１の駆動信号を生成する。具体的には、メンブレン構造体３４の共振周波数とほぼ一致する所定周波数ｆ１の駆動信号を生成する。
【００５３】
駆動回路１１３（ドライバ）は、駆動信号生成回路１１２から出力された駆動信号により、圧電振動子３３を駆動する駆動回路であり、これにより、超音波センサ３０（センサユニット１１）から所定周波数ｆ１の超音波が送信される。なお、本実施形態では、駆動回路１１３が、トランスなどの電力増幅回路を含んでいる。
【００５４】
増幅回路１１４は、圧電振動子３３が受信した信号を増幅し、増幅後の受信信号をフィルタ回路１１５へ出力する。フィルタ回路１１５は、増幅回路１１４にて増幅された圧電振動子３３の受信信号に対してフィルタ処理を行う。本実施形態では、メンブレン構造体３４の受信帯域から外れた周波数成分を除去する。
【００５５】
ＴＡＤ１１６は、周知の時間Ａ／Ｄ変換回路であり、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）１１７は、ＴＡＤ１１６にてＡ／Ｄ変換された圧電振動子３３の受信信号に基づいて、受信信号の振幅や位相などを算出する。そして、これら算出結果は、制御回路１１１に出力される。なお、ＤＳＰ１１７はメモリを有している。
【００５６】
調整用電圧生成回路１１８は、制御回路１１１からの指示信号を受けると、所定の電圧を調整用電極７０，７１間に印加する。また、制御回路１１１からの指示信号を受けると、調整用電極７０，７１間に印加する電圧をオフとする。
【００５７】
次に、送受信処理の一例を、図６を用いて説明する。
【００５８】
例えば車両のイグニッションキーがオンされ、処理回路１１０の電源がオンされると、制御回路１１１は、駆動信号生成回路１１２に対し、駆動信号生成を指示する。これを受け、駆動信号生成回路１１２は、所定周波数ｆ１の駆動信号を生成し、駆動回路１１３に出力する。
【００５９】
出力された駆動信号（電圧信号）は、駆動回路１１３を介して圧電振動子３３の検出用電極３５，３６に伝達される。これにより、圧電振動子３３は垂直方向（ＰＺＴのｄ３１方向）に振動し、これによりメンブレン構造体３４が厚さ方向に振動する。超音波センサ３０に対して、基板３１の一面３１ａ側にはカバー５０が配置されているため、この振動により主として基板３１の裏面３１ｂ側から超音波が送信される。この超音波の周波数は駆動信号の周波数ｆ１と一致している。以上がステップ１０である。
【００６０】
次に、送信処理の終了後、制御回路１１１は、調整用電圧生成回路１１８に対し、調整用電圧の生成を指示する。これを受け、調整用電圧生成回路１１８は、所定電圧を調整用電極７０，７１間に印加する（ステップ１１）。このステップ１１が、特許請求の範囲に記載の電圧印加手段に相当する。本実施形態では、駆動信号生成回路１１２からの駆動信号の出力停止をもって送信処理の終了とし、図７に示すように、駆動信号の出力を停止させるとともに調整用電圧をオンとする。なお、駆動信号の出力停止後、メンブレン構造体３４の残響期間の終了をもって、送信処理の終了とするとともに、調整用電圧のオンとしても良い。
【００６１】
そして、ステップ１１にて、調整用電極７０，７１に調整用電圧が印加されると、制御回路１１１は、ＤＳＰ１１７が算出した圧電振動子３３の受信信号の振幅が、ＤＳＰ１１７のメモリに予め記憶された所定の閾値より大きいか否かを比較する。すなわち、超音波センサ３０（圧電振動子３３）が反射波を受信したか否かを判定する（ステップ１２）。
【００６２】
ステップ１２にて、圧電振動子３３の受信信号の振幅が閾値よりも大きい場合、制御回路１１１は、被検体が存在するもの（被検体あり）と判定し、振幅が閾値を超えたタイミングから、被検体までの距離を算出する（ステップ１３）。
【００６３】
そして、調整用電圧を印加してから所定時間経過後、制御回路１１１は、調整用電圧生成回路１１８に対し、調整用電圧のオフを指示する。これを受け、調整用電圧生成回路１１８は、調整用電極７０，７１間への電圧印加をオフとする（ステップ１４）。なお、調整用電圧の印加は、少なくとも圧電振動子３３が反射波の受信が可能な期間においてなされ、次の駆動信号の生成指示までに調整用電圧はオフ状態とされる。
【００６４】
次に、本実施形態に係る超音波センサ装置１０の特徴部分の効果について説明する。
【００６５】
本実施形態では、圧電型の超音波センサ３０にカバー５０が固定され、基板３１とカバー５０との間に、空気が封入された密閉空間９０が形成されている。また、密閉空間９０は、メンブレン構造体３４と隣接している。このように、メンブレン構造体３４の振動が、密閉空間９０のダンピングの影響を受けるようになっている。
【００６６】
ここで、メンブレン構造体３４の振動の状態を示すＱ値は、メンブレン構造体３４に隣接する密閉空間９０のダンピング係数Ｃに反比例し、ダンピング係数Ｃは、カバー５０の対向部５１とメンブレン構造体３４との対向間隔Ｄに反比例する。このため、対向間隔Ｄが狭いほどダンピング係数Ｃが大きくなり、Ｑ値は低くなる。
【００６７】
本実施形態では、圧電振動子３３の送信状態、すなわち駆動信号の出力開始から、出力停止までの期間又は残響停止までの期間において、調整用電極７０，７１に調整用電圧を印加しない。このため、調整用電極７０，７１間に静電引力が生じず、図８に示すように、カバー５０の対向部５１（薄肉部５２）は、超音波センサ３０のメンブレン構造体３４に近づかない。したがって、対向部５１とメンブレン構造体３４との対向間隔は、メンブレン構造体３４が振動の中心位置にあるとすると、超音波を送受信せず、且つ、調整用電圧を印加しないときの初期間隔Ｄ１と等しくなる。
【００６８】
一方、圧電振動子３３の受信状態、すなわち反射波を受信可能な期間において、調整用電極７０，７１間に調整用電圧を印加する。このため、調整用電極７０，７１間に静電引力が生じ、図９に示すように、カバー５０の対向部５１（薄肉部５２）は、変形しつつ超音波センサ３０のメンブレン構造体３４に引き寄せられる。したがって、対向部５１とメンブレン構造体３４との対向間隔は、メンブレン構造体３４が振動の中心位置にあるとすると、上記初期間隔Ｄ１よりも狭いＤ２となる。
【００６９】
このように、本実施形態では、受信状態の対向間隔Ｄ２を、送信状態の対向間隔Ｄ１よりも狭くする。すなわち、受信状態のＱ値を、送信状態のＱ値よりも低くする。このため、図１０に示すように、送信状態のメンブレン構造体３４の周波数帯域と、受信状態のメンブレン構造体３４の周波数帯域とでは、受信状態のほうが振幅のピークは下がるものの周波数帯域が広くなる。
【００７０】
また、調整用電極７０，７１間に電圧を印加し、静電引力を生じさせると、対向部５１がメンブレン構造体３４に近づくようになっている。したがって、調整用電極７０，７１に電圧を印加する構成でありながら、図１０に示すように、メンブレン構造体３４の共振周波数を、発信状態と受信状態とでほぼ一致（所定の共振周波数ｆ１で一致）させることができる。すなわち共振ピークのずれが生じるのを抑制することができる。
【００７１】
以上から、本実施形態によれば、共振周波数（共振ピーク）をｆ１で同じとしつつ、送信状態では周波数帯域が狭く、受信状態では周波数帯域が広くなる。したがって、被検体が相対的に移動し、ドップラーシフトが生じても、反射波、ひいては被検出体を精度良く検出することができる。
【００７２】
なお、６０ｋＨｚの超音波の場合、被検体の相対速度が１０ｍ／ｓだと、被検体が静止している場合と較べて２ｋＨｚ程度のシフトが生じる。例えば、ドップラーシフトにより、受信信号の周波数がｆ１よりも高周波のｆ２に変化した場合、送受信で周波数帯域が同じ場合、受信信号が閾値を下回り、被検体を検出することができない。これに対し、本実施形態では、図１０に示すように受信状態の周波数帯域を広くするため、周波数ｆ２において受信信号が閾値を上回り、これにより被検体を検出することができる。
【００７３】
また、本実施形態では、カバー５０が基板３１の一面３１ａに固定され、カバー５０と基板３１との間に形成される密閉空間９０に、圧電振動子３３が収容される。このため、カバー５０によって圧電振動子３３を保護することができる。
【００７４】
また、本実施形態では、超音波センサ３０側の調整用電極７０が、基板３１の厚肉部４３に形成される。このため、静電引力が生じても、メンブレン構造体３４に変形が生じ難い。したがって、送信状態の共振周波数と受信状態の共振周波数のピークがずれるのを効果的に抑制することができる。
【００７５】
また、本実施形態では、超音波センサ３０側の調整用電極７０が、基板３１の一面３１ａ上に形成される。このように、圧電振動子３３と同一面に形成すると、検出用電極３５や配線４４，４５などと工程を共通化し、製造工程を簡素化することができる。
【００７６】
また、本実施形態では、カバー５０の薄肉部５２の厚さを、薄肉部５２を取り囲む厚肉部５３よりも薄くしている。このため、静電引力が生じたときに、カバー５０の対向部５１が変形し、メンブレン構造体３４に近づきやすい。したがって、送信状態の共振周波数と受信状態の共振周波数のピークがずれるのをより効果的に抑制することができる。
【００７７】
さらに、本実施形態では、カバー５０の薄肉部５２の剛性が、メンブレン構造体３４の剛性よりも低くなっている。このため、静電引力が生じたときに、メンブレン構造体３４よりもカバー５０の薄肉部５２のほうが変形しやすい。したがって、メンブレン構造体３４の変形を抑制しつつ、静電引力によりカバー５０を変形させて、対向間隔Ｄを狭めることができる。
【００７８】
なお、本実施形態では、基板３１の一面３１ａに形成した金属層４６と、カバー５０の厚肉部５３の表面に形成した金属層５５とをはんだ等を介して接合する例を示したが、基板３１へのカバー５０の固定は上記例に特に限定されるものではない。例えば接着固定しても良い。また、カバー５０の構成材料としてシリコンを採用した場合、基板３１を構成する半導体層４０のシリコンに対して、直接接合によりカバー５０を固定しても良い。
【００７９】
（変形例）
本実施形態では、超音波センサ装置１０が、センサユニット１１とは別に回路チップ１２及び配線基板１３を有する例を示した。しかしながら、回路チップ１２に構成される処理回路１１０がセンサユニット１１に形成された構成（集積された構成）を採用することもできる。
【００８０】
また、本実施形態では、メンブレン構造体３４の受信時のみ、調整用電圧を印加して静電引力を生じさせる例を示した。しかしながら、受信時だけでなく送信時においても、調整用電圧を印加し、静電引力を生じさせても良い。静電引力は、印加電圧の２乗に比例するため、送信時よりも受信時を高電圧とすることで、受信状態の対向間隔Ｄ２を、送信状態の対向間隔Ｄ１よりも狭くする、すなわち、受信状態のＱ値を、送信状態のＱ値よりも低くすることができる。しかしながら、本実施形態に示したように、メンブレン構造体３４の受信時のみ調整用電圧を印加するほうが、調整用電圧を低くすることができる。
【００８１】
本実施形態では、垂直方向において、厚肉部４３は環状とされて薄肉部３２を取り囲む例を示した。しかしながら、薄肉部３２が２つの厚肉部４３を架橋する構成としても良い。この場合、カバー５０の少なくとも一部は薄肉部３２に固定されることとなる。
【００８２】
本実施形態では、圧電振動子３３の検出用電極３５，３６とは別に、超音波センサ３０側の調整用電極７０が形成される例を示した。しかしながら、圧電振動子３３の検出用電極３５，３６の一方が、超音波センサ３０側の調整用電極７０を兼ねた構成とすることもできる。図１１に示す例では、厚さ方向において対向部５１に近い検出用電極３６を、調整用電極７０と兼用としている。これによれば、調整用電極７０を兼用とするため、センサユニット１１、ひいては超音波センサ装置１０の構成を簡素化することができる。
【００８３】
ただし、検出用電極３５，３６は、基板３１の薄肉部３２上に位置するため、厚肉部４３に調整用電極７０が形成される構成に較べて、メンブレン構造体３４が静電引力により変形しやすくなる。このため、カバー５０側の調整用電極７１を、垂直方向において基板３１の厚肉部（４３）に対応する位置に形成すると良い。これによれば、調整用電極７０を兼用としつつ、メンブレン構造体３４の静電引力による変形を抑制することができる。なお、カバー５０側の調整用電極７０を、調整用電極７０を兼ねる検出用電極３６に対向して設ける場合には、調整用電極７０を含むカバー５０の対向部５１（薄肉部５２）の剛性を、メンブレン構造体３４の剛性よりも低くすれば良い。
【００８４】
本実施形態では、超音波センサ３０側の調整用電極７０を矩形環状の一部を除去してなる略Ｃ字状とし、カバー５０側の調整用電極７１を矩形環状とする例を示した。しかしながら、超音波センサ３０側の調整用電極７０を円形環状の一部を除去してなる略Ｃ字状とし、カバー５０側の調整用電極７１を円形環状としても良い。この場合、調整用電極７１の中心と、薄肉部５２の中心を一致させることで、矩形環状に較べて、薄肉部５２をきれいに変形させることができる。なお、図１２では、位置関係を示すために、カバー５０側の調整用電極７１を示している。
【００８５】
本実施形態では、圧電振動子３３を構成する検出用電極３５，３６の配線４４，４５を引き出すために、超音波センサ３０側の調整用電極７０をＣ字状とし、開放端（自由端）間から配線４４，４５を引き出す例を示した。しかしながら、配線４４，４５を調整用電極７０に対して下層配線とすることで、調整用電極７０を環状とすることもできる。また、配線７２、又は、調整用電極７０及び配線７２を、配線４４，４５に対して下層配線とすることで、調整用電極７０を環状とすることもできる。
【００８６】
本実施形態では、密閉空間９０に空気が封入される例を示した。しかしながら、封入される気体は、特に空気に限定されるものではない。例えば空気よりも粘性係数μの大きい気体が封入されても良い。ダンピング係数Ｃは、封入される気体の粘性係数μに比例する。このため、空気より粘性係数μが大きい気体（例えばヘリウム）を封入すると、調整用電圧を低減することができる。また、同じ電圧なら、送信状態のＱ値と受信状態のＱ値との差を、空気に較べて大きくすることができる。したがって、ドップラーシフト量が大きくても、被検体を検出することが可能となる。
【００８７】
本実施形態では、カバー５０側の調整用電極７１を、カバー５０の薄肉部５２における内面（基板３１との対向面）に設ける例を示した。しかしながら、薄肉部５２の外面に調整用電極７１を設けても良い。この場合、構成を簡素化することができる。
【００８８】
（第２実施形態）
第１実施形態では、基板３１の一面３１ａにカバー５０が固定され、圧電振動子３３が密閉空間９０に収容される例を示した。これに対し、本実施形態では、図１３に示すように、基板３１の裏面３１ｂにカバー５０が固定される点を特徴とする。このため、第１実施形態に示すように、基板３１の裏面３１ｂ側で超音波の送受信がなされるのではなく、基板３１の一面３１ａ側で超音波の送受信がなされる。
【００８９】
図１３に示す例において、超音波センサ３０は、第１実施形態に示すものとほぼ同じ構成となっている。図１３では、接合用の金属層４６が、基板３１の裏面３１ｂであって厚肉部４３の部分に形成されている。また、圧電振動子３３の検出用電極３５が、超音波センサ３０側の調整用電極７０を兼ねている。
【００９０】
カバー５０は、半導体基板６１と、半導体基板６１の一面に形成された絶縁膜６２からなる。このカバー５０には、絶縁膜６２を底部とし、半導体基板６１における少なくとも対向部５１の部分を除去してなる開口部６３が形成されている。本実施形態では、半導体基板６１がシリコンからなり、半導体基板６１の開口部壁面が（１１１）面となっている。
【００９１】
そして、カバー５０のうち、開口部６３を架橋する絶縁膜６２の部分が、薄肉部５２をなしている。図１３に示す例では、対向部５１の部分のみを薄肉部５２としている。絶縁膜６２における半導体基板６１と反対の面であってカバー５０の厚肉部５３には、接合用の金属層５５が形成されている。金属層５５は、上記した超音波センサ３０の金属層４６と接合されており、この接合により、基板３１の開口部４２を含んで密閉空間９０が形成されている。
【００９２】
また、金属層５５が形成された絶縁膜６２の表面であって、対向部５１にはカバー５０側の調整用電極７１が形成されている。この調整用電極７１は、垂直方向において平面矩形状の対向部５１（薄肉部５２）全域を覆うように、対向部５１よりも若干大きく形成されている。また、半導体基板６１及び絶縁膜６２を貫通する貫通電極６４に、配線７３を介して電気的に接続されている。
【００９３】
このように、本実施形態では、カバー５０の対向部５１が、絶縁膜６２と調整用電極７１からなる。一方、超音波センサ３０のメンブレン構造体３４は、第１実施形態同様、基板３１の薄肉部３２（半導体層４０及び絶縁膜４１）と圧電振動子３３からなる。このため、調整用電極７０を含むカバー５０の対向部５１の剛性が、メンブレン構造体３４の剛性よりも低くなっている。
【００９４】
このような構成を採用しても、第１実施形態に記載の超音波センサ装置１０と同等の効果を奏することができる。
【００９５】
また、検出用電極３５が調整用電極７０を兼ねるため、センサユニット１１、ひいては超音波センサ装置１０の構成を簡素化することができる。なお、検出用電極３６が調整用電極７０を兼ねても良い。さらには、検出用電極３５，３６とは別の電極として調整用電極７０を設けることもできる。例えば、半導体層４０と絶縁膜４１との間や薄肉部３２の一面３２ａに調整用電極７０を設けることができる。すなわち、メンブレン構造体３４の形成範囲内であれば特に限定されるものではない。
【００９６】
なお、本実施形態では、半導体基板６１及び絶縁膜６２からなるカバー５０の例を示したが、カバー５０の構成は上記例に特に限定されるものではない。第１実施形態同様、樹脂製のカバー５０を採用しても良い。
【００９７】
（第３実施形態）
第１実施形態では、受信時において、予め設定された所定電圧を調整用電圧として調整用電極７０，７１間に印加する例を示した。これに対し、本実施形態では、受信信号の周波数をＤＳＰ１１７が算出する。そして、制御回路１１１は、算出された受信信号の周波数と、駆動信号の周波数、すなわち送信信号の周波数との差を算出し、この周波数差に基づく所定電圧を生成するように、調整用電圧生成回路１１８に指示する点を特徴とする。
【００９８】
次に、本実施形態に係る送受信処理の一例を、図１４を用いて説明する。
【００９９】
ステップ２０の送信処理は、第１実施形態に示したステップ１０と同じである（図７参照）。なお、本実施形態では、上記したように基板３１の一面３１ａ側から超音波が送信される。この超音波の周波数は駆動信号の周波数ｆ１と一致している。
【０１００】
超音波が送信されると、次いで、制御回路１１１は、ＤＳＰ１１７が算出した圧電振動子３３の受信信号の振幅が、ＤＳＰ１１７のメモリに予め記憶された所定の閾値より大きいか否かを比較する。すなわち、超音波センサ３０（圧電振動子３３）が反射波を受信したか否かを判定する（ステップ２１）。
【０１０１】
ステップ２１にて、駆動信号を生成してから反射波を受信可能な所定期間において、圧電振動子３３の受信信号の振幅が閾値よりも小さい場合、再度ステップ２０，２１を実行する。一方、圧電振動子３３の受信信号の振幅が閾値よりも大きい場合、制御回路１１１は、ＤＳＰ１１７が算出した受信信号の周波数と、制御回路１１１のメモリに記憶された駆動信号の周波数ｆ１とから、周波数差を算出する（ステップ２２）。このステップ２２が、特許請求の範囲に記載の周波数差算出手段に相当する。
【０１０２】
そして、制御回路１１１は、算出した周波数差から、調整用電圧生成回路１１８が生成すべき電圧値を決定する（ステップ２３）。このステップ２３が、特許請求の範囲に記載の電圧値決定主段に相当する。例えば周波数差が大きい、すなわちドップラーシフト量が大きいほど、メンブレン構造体３４のＱ値が低くなるように、調整用電圧として大きい値が設定される。
【０１０３】
次いで、調整用電圧値が決定されると、Ｓ２０同様、超音波の送信処理が実行される（ステップ２４）。制御回路１１１から調整用電圧生成回路１１８には、調整用電圧生成の指示信号は出力されない。
【０１０４】
次に、送信処理（ステップ２３）の終了後、制御回路１１１は、調整用電圧生成回路１１８に対し、調整用電圧の生成を指示する。このとき、ステップ２０〜２３の処理で決定された所定の電圧値を生成すべく指示する。これを受け、調整用電圧生成回路１１８は、所定電圧を調整用電極７０，７１間に印加する（ステップ２５）。このステップ２５が、特許請求の範囲に記載の電圧印加手段に相当する。以後のステップ２６〜２８は、第１実施形態に示したステップ１２〜１４と同じである。
【０１０５】
このように本実施形態によれば、送信周波数と受信した反射波の周波数の差に基づいて、調整用電極７０，７１に印加される調整用電圧の電圧値が決定される。すなわち、相対的に移動する被検体の移動状態（例えば速度）に応じて受信状態のＱ値が設定される。このため、被検体の相対的な移動状態によらず、被検体を精度良く検出することができる。
【０１０６】
なお、図１４に示すフローでは、ステップ２４〜２８の処理を１回実行するごとに、ステップ２０〜２３の処理を実行する例を示した。しかしながら、所定の期間においてステップ２４〜２８の処理を繰り返し実行しても良い。すなわち、決定された調整用電圧値を用いて、複数回送受信処理を実行するようにしても良い。
【０１０７】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
【符号の説明】
【０１０８】
１０・・・超音波センサ装置
１１・・・センサユニット
３０・・・超音波センサ
３１・・・基板
３１ａ・・・一面
３２・・・薄肉部
３３・・・圧電振動子
３４・・・メンブレン構造体
３５，３６・・・調整用電極
３７・・・圧電体
５０・・・カバー
５１・・・対向部
５２・・・薄肉部（中央部分）
５３・・・厚肉部（周辺部分）
７０，７１・・・調整用電極
９０・・・密閉空間
１１０・・・制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板の薄肉部に圧電振動子が形成された超音波センサを備え、同一の圧電振動子によって、超音波を送信するととともにその反射波を受信する超音波センサ装置に関するものである。特に、相対的に移動する被検体の検出に適した超音波センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電型の超音波センサとして、例えば特許文献１に示されるように、ＭＥＭＳ（Micro ElectroMechanical System）技術を用いて作製されたものが知られている。
【０００３】
特許文献１では、基板の厚さ方向において対向配置された一対の電極間に強誘電体が介在されて圧電振動子が構成され、この圧電振動子が、半導体基板の一面上であって薄肉部の部分に形成されて、超音波センサ素子が構成されている。
【０００４】
また、特許文献１では、圧電振動子を構成する一対の電極間に所定のバイアス電圧を印加することで、超音波センサの共振周波数を所定の共振周波数に調整するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２８４１３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、超音波センサが取付けられた物体に対し、被検体が相対的に移動している場合、音波のドップラー効果により、反射波（受信した超音波）の周波数が、発信周波数に対してずれることがある。この場合、周波数のずれ量及びずれの方向は、相対的な速度、方向の影響を受けるため、一定ではない。
【０００７】
したがって、超音波センサを送受信兼用とすると、特許文献１に示されるように、電極間に所定のバイアス電圧を印加して共振周波数を所定値に調整し、超音波を発信したとしても、反射波の周波数が発信周波数とは異なるため、相対的に移動する被検体を精度良く検出することができない。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑み、送受信兼用の超音波センサを備えた超音波センサ装置において、被検体が相対的に移動していても、精度良く検出することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために請求項１に記載の超音波センサ装置は、
薄肉部（３２）を有する基板（３１）と、
基板（３１）の厚さ方向において対向配置された一対の検出用電極（３５，３６）間に圧電体（３７）が介在されてなり、基板（３１）の一面（３１ａ）であって薄肉部（３２）上に形成されて、薄肉部（３２）とともに基板（３１）の他の部分よりも剛性の低いメンブレン構造体（３４）を構成する圧電振動子（３３）と、を有し、
圧電振動子（３３）により超音波を送信するととともに、同一の圧電振動子（３３）によりその反射波を受信する超音波センサ（３０）を備える。
【００１０】
そして、基板（３１）の厚さ方向において、メンブレン構造体（３４）と離間しつつ対向して配置された対向部（５１）を有し、基板（３１）に固定されて、基板（３１）との間に気体が封入された密閉空間（９０）を形成するカバー（５０）と、
一方が超音波センサ（３０）に形成され、他方がカバー（５０）に形成されて基板（３１）の厚さ方向において対向配置され、通電により静電引力を生じる一対の調整用電極（７０，７１）と、
調整用電極（７０，７１）への通電を制御する制御部（１１０）と、を備え、
静電引力により、カバー（５０）の対向部（５１）がメンブレン構造体（３４）に近づくように構成されており、
制御部（１１０）は、少なくとも圧電振動子（３３）の受信状態で調整用電極（７０，７１）間に電圧を印加するとともに、圧電振動子（３３）の受信状態におけるカバー（５０）の対向部（５１）とメンブレン構造体（３４）との対向間隔（Ｄ２）のほうが、圧電振動子（３３）の送信状態におけるカバー（５０）の対向部（５１）とメンブレン構造体（３４）との対向間隔（Ｄ１）よりも狭くなるように、調整用電極（７０，７１）への通電を制御する電圧印加手段（Ｓ１１，Ｓ２５）を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明では、圧電型の超音波センサ（３０）にカバー（５０）が固定され、基板（３１）とカバー（５０）との間に、気体が封入された密閉空間（９０）が形成されている。また、密閉空間（９０）は、メンブレン構造体（３４）と隣接している。このように、メンブレン構造体（３４）の振動が、密閉空間（９０）のダンピングの影響を受けるようになっている。
【００１２】
ここで、メンブレン構造体（３４）の振動の状態を示すＱ値は、メンブレン構造体（３４）に隣接する密閉空間（９０）のダンピング係数に反比例し、ダンピング係数は、カバー（５０）の対向部（５１）とメンブレン構造体（３４）との対向間隔に反比例する。このため、対向間隔が狭いほどダンピング係数が大きくなり、Ｑ値は低くなる。本発明では、制御部（１１０）の電圧印加手段（Ｓ１１，Ｓ２５）により、少なくとも圧電振動子（３３）の受信状態で調整用電極（７０，７１）間に電圧が印加され、対向部（５１）とメンブレン構造体（３４）との対向間隔は、受信状態の対向間隔（Ｄ２）のほうが送信状態の対向間隔（Ｄ１）よりも狭くされる。すなわち、受信状態のＱ値が、送信状態のＱ値より低くなる。
【００１３】
また、対をなす調整用電極（７０，７１）は、基板（３１）の厚さ方向において互いに対向するように、一方が超音波センサ（３０）に形成され、他方がカバー（５０）に形成されている。そして、調整用電極（７０，７１）間に電圧を印加し、静電引力を生じさせると、対向部（５１）がメンブレン構造体（３４）に近づくようになっている。このように、静電引力によりカバー（５０）を変位させるため、調整用電極（７０，７１）に電圧を印加する構成でありながら、メンブレン構造体（３４）の共振周波数を、発信状態と受信状態とでほぼ一致させることができる。すなわち共振ピークのずれが生じるのを抑制することができる。
【００１４】
以上から、本発明によれば、共振周波数（共振ピーク）を同じとし、送信状態では周波数帯域が狭く、受信状態では周波数帯域が広くなる。したがって、被検体が相対的に移動し、ドップラーシフトが生じても、反射波、ひいては被検出体を精度良く検出することができる。
【００１５】
請求項２に記載のように、カバー（５０）は基板（３１）の一面（３１ａ）に固定され、カバー（５０）と基板（３１）との間に形成される密閉空間（９０）に、圧電振動子（３３）が収容される構成とすると良い。これによれば、カバー（５０）によって圧電振動子（３３）を保護することができる。
【００１６】
請求項３に記載のように、超音波センサ側の調整用電極（７０）は、基板（３１）において薄肉部（３２）とは異なる厚肉部（４３）に形成されることが好ましい。これによれば、静電引力によるメンブレン構造体（３４）の変形をより効果的に抑制することができる。すなわち、送信状態の共振周波数と受信状態の共振周波数のピークがずれるのを効果的に抑制することができる。例えば請求項４に記載のように、基板（３１）の厚さ方向に垂直な方向において、厚肉部（４３）は環状とされて薄肉部（３２）を取り囲んだ構成を採用することができる。
【００１７】
請求項５に記載のように、超音波センサ側の調整用電極（７０）は、基板（３１）の一面（３１ａ）上に形成されると良い。このように、圧電振動子（３３）と同一面に形成すると、検出用電極（３５）と工程を共通化し、製造工程を簡素化することができる。
【００１８】
請求項６に記載のように、カバー（５０）において、対向部（５１）と調整用電極（７１）の形成部分とを含む中央部分（５２）が、該中央部分（５２）に隣接する周辺部分（５３）よりも薄い構成とすると良い。これによれば、静電引力が生じたときに、カバー（５０）の対向部（５１）が変形し、メンブレン構造体（３４）に近づきやすくなる。
【００１９】
請求項７に記載のように、カバー側の調整用電極（７１）を含むカバー（５０）の中央部分（５２）の剛性が、メンブレン構造体（３４）の剛性よりも低いと尚良い。これによれば、メンブレン構造体（３４）よりもカバー（５０）の中央部分（５２）のほうが変形しやすい。したがって、メンブレン構造体（３４）の変形を抑制しつつ、静電引力によりカバー（５０）を変形させて、対向間隔を狭めることができる。
【００２０】
請求項８に記載のように、圧電振動子（３３）の検出用電極（３５，３６）の一方が、超音波センサ側の調整用電極（７０）を兼ねており、カバー側の調整用電極（７１）は、基板（３１）の厚さ方向に垂直な方向において、基板（３１）における薄肉部（３２）とは異なる厚肉部（４３）に対応して形成されても良い。これによれば、超音波センサ装置の構成を簡素化することができる。
【００２１】
一方、請求項９に記載のように、カバー（５０）は、基板（３１）における一面（３１ａ）と反対の面（３１ｂ）に固定され、対向部（５１）は、薄肉部（３２）における圧電振動子（３３）が形成された面と反対の面（３２ａ）に対向しており、
カバー側の調整用電極（７１）は、対向部（５１）に形成され、
超音波センサ側の調整用電極（７０）は、メンブレン構造体（３４）に形成され、
カバー側の調整用電極（７０）を含むカバー（５０）の対向部（５１）の剛性が、メンブレン構造体（３４）の剛性よりも低い構成を採用することもできる。
【００２２】
この場合、請求項１０に記載のように、圧電振動子（３３）の検出用電極（３５，３６）の一方が、超音波センサ側の調整用電極（７０）を兼ねると良い。これによれば、超音波センサ装置の構成を簡素化することができる。
【００２３】
請求項１１に記載のように、密閉空間（９０）に空気が封入されても良い。この場合、格別な装置を必要としない。また、請求項１２に記載のように、密閉空間（９０）に、空気よりも粘性係数の大きい気体が封入されても良い。ダンピング係数は、粘性係数に比例する。このため、空気より粘性係数が大きい気体（例えばヘリウム）を封入すると、調整用電極（７０，７１）に印加する電圧を低減することができる。また、同じ電圧なら、送信状態のＱ値と受信状態のＱ値との差を、空気に較べて大きくすることができる。したがって、ドップラーシフト量が大きくても、被検体を検出することが可能となる。
【００２４】
請求項１３に記載のように、電圧印加手段（Ｓ１１，Ｓ２５）は、圧電振動子（３３）の受信状態のみ、調整用電極（７０，７１）に電圧を印加するようにしても良い。これによれば、メンブレン構造体（３４）において、送信状態よりも受信状態のＱ値を低くすることができる。したがって、被検体が相対的に移動し、ドップラーシフトが生じても、反射波、ひいては被検出体を精度良く検出することができる。
【００２５】
請求項１５に記載のように、制御部（１１０）は、
調整用電極（７０，７１）に電圧を印加しない状態の、圧電振動子（３３）が送信する超音波の周波数と送信した超音波の反射波の周波数との差を算出する周波数差算出手段（Ｓ２２）と、
周波数差算出手段により算出された周波数差により、調整用電極（７０，７１）に印加する電圧値を決定する電圧値決定手段（Ｓ２３）と、を備え、
電圧印加手段（Ｓ２５）は、電圧値決定手段（Ｓ２３）にて決定された電圧値を調整用電極（７０，７１）に印加する構成としても良い。
【００２６】
これによれば、送信周波数と受信した反射波の周波数の差に基づいて、調整用電極（７０，７１）に印加される電圧値が決定される。すなわち、相対的に移動する被検体の移動状態（例えば速度）に応じて受信状態のＱ値が設定される。このため、被検体の相対的な移動状態によらず、被検体を精度良く検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１実施形態に係る超音波センサ装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】超音波センサ装置のうち、センサユニットの概略構成を示す平面図である。便宜上、カバーの図示を省略している。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う、センサユニットの断面図である。
【図４】図２のＩＶ−ＩＶ線に沿う、センサユニットの断面図である。
【図５】超音波センサ装置の回路構成の概略を示すブロック図である。
【図６】送受信処理を示すフローチャートである。
【図７】調整用電圧の印加タイミングを示すタイミングチャートである。
【図８】センサユニットの送信状態を示す断面図である。
【図９】センサユニットの受信状態を示す断面図である。
【図１０】送信帯域と受信帯域を示す図である。
【図１１】調整用電極の変形例を示す断面図である。
【図１２】カバー側の調整用電極の配置の変形例を示す平面図であり、便宜上、カバー側の調整用電極を基板の一面に重ねて図示している。
【図１３】第２実施形態に係る超音波センサ装置において、センサユニットの概略構成を示す断面図である。
【図１４】第３実施形態に係る超音波センサ装置において、送受信処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下に示す各実施形態において、共通乃至関連する要素には同一の符号を付与するものとする。また、基板の厚さ方向、換言すればメンブレン構造体の振動方向を単に厚さ方向とし、該厚さ方向に垂直な方向を単に垂直方向と示す。
【００２９】
（第１実施形態）
図１に示すように、本実施形態に係る超音波センサ装置１０は、超音波センサ３０及びカバー５０を有するセンサユニット１１と、処理回路１１０が構成された回路チップ１２が、同一の配線基板１３に実装されてなる。配線基板１３には、超音波センサ３０が送受信可能なように、貫通孔１３ａが形成されている。
【００３０】
先ず、センサユニット１１について説明する。
【００３１】
図２〜図４に示すように、センサユニット１１は、ＭＥＭＳ技術を用いて作製された圧電式の超音波センサ３０（センサチップ）と、該超音波センサ３０を構成する基板３１に固定され、基板３１との間に密閉空間９０を形成するカバー５０を備える。さらに、互いに対向するように超音波センサ３０とカバー５０のそれぞれに形成された調整用電極７０，７１を備える。
【００３２】
超音波センサ３０は、薄肉部３２を有する基板３１と、基板３１の薄肉部３２上に形成された圧電振動子３３を有している。そして、薄肉部３２と圧電振動子３３とにより、基板３１の他の部位（厚肉部４３）よりも剛性の低いメンブレン構造体３４が構成されている。このメンブレン構造体３４が厚さ方向に振動することで、超音波の送信、受信がなされる。
【００３３】
本実施形態では、シリコンからなる支持基板３８とシリコンからなる半導体層４０の間に、二酸化シリコンからなる絶縁層３９が介在されたＳＯＩ構造の基板と、半導体層４０における絶縁層３９と反対の面上に形成された絶縁膜４１とにより、基板３１が構成されている。絶縁膜４１としては、二酸化シリコン、窒化シリコンなどを構成材料とする単層膜や多層膜を採用することができる。
【００３４】
このような基板３１において、絶縁膜４１における半導体層４０と反対の面が、圧電振動子３３の形成される一面３１ａをなし、支持基板３８における絶縁層３９と反対の面が一面３１ａの裏面３１ｂをなしている。基板３１には、半導体層４０における絶縁膜４１と反対の面を底面とし、裏面３１ｂに開口する開口部４２が形成されている。この開口部４２は、支持基板３８及び絶縁層３９をエッチングにより部分的に除去してなる。本実施形態では、基板３１の裏面３１ｂが（１００）面、支持基板３８の開口部壁面が（１１１）面となっている。
【００３５】
そして、基板３１のうち、開口部４２を架橋する部分、具体的には開口部４２を架橋する半導体層４０及び絶縁膜４１の部分が、基板３１のうちの薄肉部３２をなしている。なお、図３に示す符号３２ａは、薄肉部３２のうち、圧電振動子３３と反対の一面であり、この一面３２ａは、上記した半導体層４０における開口部４２の底をなす面と一致している。一方、基板３１のうち、薄肉部３２を除く部分が、基板３１のうちの厚肉部４３をなしている。薄肉部３２は、図２に示すように平面矩形状の外形輪郭を有しており、厚肉部４３は、この薄肉部３２を取り囲むように矩形環状を有している。
【００３６】
圧電振動子３３は、基板３１の一面３１ａ上であって、薄肉部３２の部分に形成されている。より詳しくは、図２に示すように、薄肉部３２の全域を覆うように、薄肉部よりも若干大きい平面矩形状をなすように形成されている。この圧電振動子３３は、圧電体薄膜３７を一対の検出用電極３５，３６間に配置してなるものである。なお、圧電体薄膜３７が特許請求の範囲に記載の圧電体に相当する。
【００３７】
また、厚さ方向において検出用電極３５，３６が対向している。すなわち厚さ方向において、基板３１の一面３１ａ上に、検出用電極３５、圧電体薄膜３７、検出用電極３６の順で積層配置されている。検出用電極３５，３６の構成材料しては、白金（Ｐｔ），金（Ａｕ），アルミニウム（Ａｌ）等を採用することができる。また、圧電体薄膜３７の構成材料としては、強誘電体であるＰＺＴや、窒化アルミニウム（ＡｌＮ），酸化亜鉛（ＺｎＯ）等を採用することができる。本実施形態では、検出用電極３５，３６の構成材料としてＰｔを採用し、圧電体薄膜３７の構成材料としてＰＺＴを採用している。なお、図２及び図４に示す符号４４は、カバー５０の図示しないパッドと検出用電極３５とを電気的に接続するための配線である。また、図２に示す符号４５は、カバー５０の図示しないパッドと検出用電極３６とを電気的に接続するための配線である。本実施形態では、これら配線４４，４５が、検出用電極３５，３６と同じ材料を用いて一体的に形成されている。
【００３８】
また、基板３１の一面３１ａであって、厚肉部４３には、基板３１にカバー５０を固定するための金属層４６が形成されている。この金属層４６は、図２に示すように、メンブレン構造体３４、配線４４，４５、調整用電極７０，７１を取り囲むように、基板３１の一面３１ａの外周端付近に形成されている。
【００３９】
カバー５０は、超音波センサ３０の基板３１に固定されて、基板３１との間に、メンブレン構造体３４に隣接する密閉空間９０を形成するものである。カバー５０の構成材料としては、合成樹脂、やシリコンなどの半導体、セラミックを採用することができる。本実施形態では、合成樹脂からなるカバー５０を採用している。
【００４０】
このカバー５０は、厚さ方向においてメンブレン構造体３４と対向しつつ離間して配置された対向部５１を少なくとも含む部分が、後述する静電引力により、メンブレン構造体３４に向けて変位するようになっている。具体的には、対向部５１を含む中央部分が、該中央部分を取り囲む周辺部分よりも薄肉となっている。本実施形態では、この薄肉の部分を薄肉部５２、周辺の厚肉の部分を厚肉部５３と示す。薄肉部５２は、薄肉部３２、ひいてはメンブレン構造体３４よりも大きく、対向部５１を除く部分が、基板３１の厚肉部４３に対向している。このように、合成樹脂からなり、薄肉部５２と厚肉部５３とで厚さが異なるカバー５０は、所定厚さの熱可塑性樹脂フィルムを部分的に複数枚積層し、接着することで、薄肉部５２と厚肉部５３の厚さを異ならせている。
【００４１】
また、カバー５０は、薄肉部５２を底部とする凹部５４が、密閉空間９０側となるように、基板３１の一面３１ａ側に配置されている。厚肉部５３における基板３１との対向面には、上記した金属層４６に対向して金属層５５が形成されている。すなわち、メンブレン構造体３４、配線４４，４５、調整用電極７０，７１を取り囲むように形成されている。そして、金属層４６,５５同士が接合されて、環状の接合部が形成されている。この接合部により、カバー５０と基板３１との間に密閉空間９０が形成されている。本実施形態では、この密閉空間９０に空気が大気圧状態で封入されている。
【００４２】
また、カバー５０には、圧電振動子３３を構成する検出用電極３５，３６、後述する調整用電極７０，７１を、密閉空間９０の外部と電気的に接続するための貫通電極が形成されている。図３に示す符号５６は、薄肉部５２における対向部５１とは異なる部分に形成され、カバー５０側の調整用電極７１と電気的に接続された貫通電極である。また、図４に示す符号５７は、厚肉部５３に形成され、超音波センサ３０側の調整用電極７０と電気的に接続された貫通電極である。また、符号５８は、厚肉部５３に形成され、圧電振動子３３の検出用電極３５（配線４４）と電気的に接続された貫通電極である。図示しないが、カバー５０の厚肉部５３には、検出用電極３６（配線４５）と電気的に接続された貫通電極も形成されている。このような貫通電極５６〜５８は、樹脂フィルムに貫通孔を形成した後、貫通孔内に導電性ペーストの充填や金属メッキを施すことで形成することができる。
【００４３】
また、カバー５０の外面には、一端が貫通電極５６に接続され、他端が厚肉部５３まで延設された配線６０が形成されている。そして、配線６０の厚肉部５３側の端部が図示しないパッドとされ、このパッドに例えばボンディングワイヤが接続されるようになっている。
【００４４】
なお、図４に示す符号５９は、厚肉部５３における基板３１との対向面に形成されたランドである。このランドは、例えば銅箔をパターニングしてなる。調整用電極７０は、配線７２及びランド５９を介して貫通電極５７と電気的に接続（はんだ接合）されている。また、検出用電極３５は、配線４４及びランド５９を介して貫通電極５８と電気的に接続（はんだ接合）されている。検出用電極３６についても同様である。このように、複数枚の樹脂フィルムを積層してなるカバー５０は、貫通電極５６〜５８，ランド５９、配線６０などを有している。すなわち、カバー５０は配線基板として構成されている。なお、配線７２は、調整用電極７０と貫通電極５７（ランド５９）とを繋ぐ配線である。
【００４５】
一対の調整用電極７０，７１は、通電により静電引力を生じて、カバー５０の薄肉部５２（対向部５１）を、超音波センサ３０のメンブレン構造体３４に近づける機能を果たすものである。調整用電極７０は、超音波センサ３０側に形成され、調整用電極７１は、カバー５０において調整用電極７０と対向する位置に形成される。
【００４６】
超音波センサ３０側の調整用電極７０は、圧電振動子３３を構成する検出用電極３５，３６と別の電極として構成されており、基板３１の一面３１ａ上であって厚肉部４３に、メンブレン構造体３４を取り囲むように形成されている。より詳しくは、メンブレン構造体３４との間に垂直方向において所定のクリアランスを有しつつメンブレン構造体３４の外形輪郭に沿って形成されており、配線４４，４５を引き出すべく略Ｃ字状を有している。本実施形態では、検出用電極３５，３６、配線４４，４５と同じ金属材料からなる。
【００４７】
カバー５０側の調整用電極７１は、カバー５０における薄肉部５２の内面（凹部５４側の面）に形成されている。より詳しくは、薄肉部５２のうち、垂直方向においてメンブレン構造体３４よりも外側の部分に形成されている。この調整用電極７１は、配線４４，４５を引き出す必要がないため、矩形環状を有している。本実施形態では、ランド５９同様、銅箔をパターニングしてなる。
【００４８】
このようにセンサユニット１１では、基板３１の薄肉部３２と圧電振動子３３とにより、他の部位よりも薄肉のメンブレン構造体３４が構成され、このメンブレン構造体３４が厚さ方向に振動可能となっている。また、基板３１の一面３１ａに固定されたカバー５０により、基板３１とカバー５０との間に密閉空間９０が形成されている。このため、カバー５０が配置された基板３１の一面３１ａ側で超音波の送受信がなされるのではなく、基板３１の裏面３１ｂ側で超音波の送受信がなされる。
【００４９】
次に、回路チップ１２に構成された処理回路１１０を含め、超音波センサ装置１０の回路構成について、図５を用いて説明する。
【００５０】
処理回路１１０は、制御回路１１１、駆動信号生成回路１１２、駆動回路１１３、増幅回路１１４、フィルタ回路１１５、ＴＡＤ１１６、ＤＳＰ１１７、及び調整用電圧生成回路１１８を備えている。この処理回路１１０が、特許請求の範囲に記載の制御部に相当する。
【００５１】
制御回路１１１は、図示しない中央演算装置（ＣＰＵ）、ＣＰＵが実行する各種プログラムが格納されたリードオンメモリ（ＲＯＭ）、ＣＰＵがＲＯＭに格納された各プログラムにしたがって実行する各種演算のための作業領域として用いられるランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等を備えている。そして、駆動信号生成回路１１２に対し、駆動信号生成のタイミングを制御する機能、被検体の有無や被検体の位置（距離及び方位）を検出する機能、検出結果を外部装置に出力する機能、調整用電圧生成回路１１８に、調整用電圧生成のタイミングを制御する機能などを有している。
【００５２】
駆動信号生成回路１１２は、制御回路１１１からの指示信号を受けると、基準周波数のパルス信号を一定期間だけ生成し、このパルス信号に基づいて、所定周波数ｆ１の駆動信号を生成する。具体的には、メンブレン構造体３４の共振周波数とほぼ一致する所定周波数ｆ１の駆動信号を生成する。
【００５３】
駆動回路１１３（ドライバ）は、駆動信号生成回路１１２から出力された駆動信号により、圧電振動子３３を駆動する駆動回路であり、これにより、超音波センサ３０（センサユニット１１）から所定周波数ｆ１の超音波が送信される。なお、本実施形態では、駆動回路１１３が、トランスなどの電力増幅回路を含んでいる。
【００５４】
増幅回路１１４は、圧電振動子３３が受信した信号を増幅し、増幅後の受信信号をフィルタ回路１１５へ出力する。フィルタ回路１１５は、増幅回路１１４にて増幅された圧電振動子３３の受信信号に対してフィルタ処理を行う。本実施形態では、メンブレン構造体３４の受信帯域から外れた周波数成分を除去する。
【００５５】
ＴＡＤ１１６は、周知の時間Ａ／Ｄ変換回路であり、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）１１７は、ＴＡＤ１１６にてＡ／Ｄ変換された圧電振動子３３の受信信号に基づいて、受信信号の振幅や位相などを算出する。そして、これら算出結果は、制御回路１１１に出力される。なお、ＤＳＰ１１７はメモリを有している。
【００５６】
調整用電圧生成回路１１８は、制御回路１１１からの指示信号を受けると、所定の電圧を調整用電極７０，７１間に印加する。また、制御回路１１１からの指示信号を受けると、調整用電極７０，７１間に印加する電圧をオフとする。
【００５７】
次に、送受信処理の一例を、図６を用いて説明する。
【００５８】
例えば車両のイグニッションキーがオンされ、処理回路１１０の電源がオンされると、制御回路１１１は、駆動信号生成回路１１２に対し、駆動信号生成を指示する。これを受け、駆動信号生成回路１１２は、所定周波数ｆ１の駆動信号を生成し、駆動回路１１３に出力する。
【００５９】
出力された駆動信号（電圧信号）は、駆動回路１１３を介して圧電振動子３３の検出用電極３５，３６に伝達される。これにより、圧電振動子３３は垂直方向（ＰＺＴのｄ３１方向）に振動し、これによりメンブレン構造体３４が厚さ方向に振動する。超音波センサ３０に対して、基板３１の一面３１ａ側にはカバー５０が配置されているため、この振動により主として基板３１の裏面３１ｂ側から超音波が送信される。この超音波の周波数は駆動信号の周波数ｆ１と一致している。以上がステップ１０である。
【００６０】
次に、送信処理の終了後、制御回路１１１は、調整用電圧生成回路１１８に対し、調整用電圧の生成を指示する。これを受け、調整用電圧生成回路１１８は、所定電圧を調整用電極７０，７１間に印加する（ステップ１１）。このステップ１１が、特許請求の範囲に記載の電圧印加手段に相当する。本実施形態では、駆動信号生成回路１１２からの駆動信号の出力停止をもって送信処理の終了とし、図７に示すように、駆動信号の出力を停止させるとともに調整用電圧をオンとする。なお、駆動信号の出力停止後、メンブレン構造体３４の残響期間の終了をもって、送信処理の終了とするとともに、調整用電圧のオンとしても良い。
【００６１】
そして、ステップ１１にて、調整用電極７０，７１に調整用電圧が印加されると、制御回路１１１は、ＤＳＰ１１７が算出した圧電振動子３３の受信信号の振幅が、ＤＳＰ１１７のメモリに予め記憶された所定の閾値より大きいか否かを比較する。すなわち、超音波センサ３０（圧電振動子３３）が反射波を受信したか否かを判定する（ステップ１２）。
【００６２】
ステップ１２にて、圧電振動子３３の受信信号の振幅が閾値よりも大きい場合、制御回路１１１は、被検体が存在するもの（被検体あり）と判定し、振幅が閾値を超えたタイミングから、被検体までの距離を算出する（ステップ１３）。
【００６３】
そして、調整用電圧を印加してから所定時間経過後、制御回路１１１は、調整用電圧生成回路１１８に対し、調整用電圧のオフを指示する。これを受け、調整用電圧生成回路１１８は、調整用電極７０，７１間への電圧印加をオフとする（ステップ１４）。なお、調整用電圧の印加は、少なくとも圧電振動子３３が反射波の受信が可能な期間においてなされ、次の駆動信号の生成指示までに調整用電圧はオフ状態とされる。
【００６４】
次に、本実施形態に係る超音波センサ装置１０の特徴部分の効果について説明する。
【００６５】
本実施形態では、圧電型の超音波センサ３０にカバー５０が固定され、基板３１とカバー５０との間に、空気が封入された密閉空間９０が形成されている。また、密閉空間９０は、メンブレン構造体３４と隣接している。このように、メンブレン構造体３４の振動が、密閉空間９０のダンピングの影響を受けるようになっている。
【００６６】
ここで、メンブレン構造体３４の振動の状態を示すＱ値は、メンブレン構造体３４に隣接する密閉空間９０のダンピング係数Ｃに反比例し、ダンピング係数Ｃは、カバー５０の対向部５１とメンブレン構造体３４との対向間隔Ｄに反比例する。このため、対向間隔Ｄが狭いほどダンピング係数Ｃが大きくなり、Ｑ値は低くなる。
【００６７】
本実施形態では、圧電振動子３３の送信状態、すなわち駆動信号の出力開始から、出力停止までの期間又は残響停止までの期間において、調整用電極７０，７１に調整用電圧を印加しない。このため、調整用電極７０，７１間に静電引力が生じず、図８に示すように、カバー５０の対向部５１（薄肉部５２）は、超音波センサ３０のメンブレン構造体３４に近づかない。したがって、対向部５１とメンブレン構造体３４との対向間隔は、メンブレン構造体３４が振動の中心位置にあるとすると、超音波を送受信せず、且つ、調整用電圧を印加しないときの初期間隔Ｄ１と等しくなる。
【００６８】
一方、圧電振動子３３の受信状態、すなわち反射波を受信可能な期間において、調整用電極７０，７１間に調整用電圧を印加する。このため、調整用電極７０，７１間に静電引力が生じ、図９に示すように、カバー５０の対向部５１（薄肉部５２）は、変形しつつ超音波センサ３０のメンブレン構造体３４に引き寄せられる。したがって、対向部５１とメンブレン構造体３４との対向間隔は、メンブレン構造体３４が振動の中心位置にあるとすると、上記初期間隔Ｄ１よりも狭いＤ２となる。
【００６９】
このように、本実施形態では、受信状態の対向間隔Ｄ２を、送信状態の対向間隔Ｄ１よりも狭くする。すなわち、受信状態のＱ値を、送信状態のＱ値よりも低くする。このため、図１０に示すように、送信状態のメンブレン構造体３４の周波数帯域と、受信状態のメンブレン構造体３４の周波数帯域とでは、受信状態のほうが振幅のピークは下がるものの周波数帯域が広くなる。
【００７０】
また、調整用電極７０，７１間に電圧を印加し、静電引力を生じさせると、対向部５１がメンブレン構造体３４に近づくようになっている。したがって、調整用電極７０，７１に電圧を印加する構成でありながら、図１０に示すように、メンブレン構造体３４の共振周波数を、発信状態と受信状態とでほぼ一致（所定の共振周波数ｆ１で一致）させることができる。すなわち共振ピークのずれが生じるのを抑制することができる。
【００７１】
以上から、本実施形態によれば、共振周波数（共振ピーク）をｆ１で同じとしつつ、送信状態では周波数帯域が狭く、受信状態では周波数帯域が広くなる。したがって、被検体が相対的に移動し、ドップラーシフトが生じても、反射波、ひいては被検出体を精度良く検出することができる。
【００７２】
なお、６０ｋＨｚの超音波の場合、被検体の相対速度が１０ｍ／ｓだと、被検体が静止している場合と較べて２ｋＨｚ程度のシフトが生じる。例えば、ドップラーシフトにより、受信信号の周波数がｆ１よりも高周波のｆ２に変化した場合、送受信で周波数帯域が同じ場合、受信信号が閾値を下回り、被検体を検出することができない。これに対し、本実施形態では、図１０に示すように受信状態の周波数帯域を広くするため、周波数ｆ２において受信信号が閾値を上回り、これにより被検体を検出することができる。
【００７３】
また、本実施形態では、カバー５０が基板３１の一面３１ａに固定され、カバー５０と基板３１との間に形成される密閉空間９０に、圧電振動子３３が収容される。このため、カバー５０によって圧電振動子３３を保護することができる。
【００７４】
また、本実施形態では、超音波センサ３０側の調整用電極７０が、基板３１の厚肉部４３に形成される。このため、静電引力が生じても、メンブレン構造体３４に変形が生じ難い。したがって、送信状態の共振周波数と受信状態の共振周波数のピークがずれるのを効果的に抑制することができる。
【００７５】
また、本実施形態では、超音波センサ３０側の調整用電極７０が、基板３１の一面３１ａ上に形成される。このように、圧電振動子３３と同一面に形成すると、検出用電極３５や配線４４，４５などと工程を共通化し、製造工程を簡素化することができる。
【００７６】
また、本実施形態では、カバー５０の薄肉部５２の厚さを、薄肉部５２を取り囲む厚肉部５３よりも薄くしている。このため、静電引力が生じたときに、カバー５０の対向部５１が変形し、メンブレン構造体３４に近づきやすい。したがって、送信状態の共振周波数と受信状態の共振周波数のピークがずれるのをより効果的に抑制することができる。
【００７７】
さらに、本実施形態では、カバー５０の薄肉部５２の剛性が、メンブレン構造体３４の剛性よりも低くなっている。このため、静電引力が生じたときに、メンブレン構造体３４よりもカバー５０の薄肉部５２のほうが変形しやすい。したがって、メンブレン構造体３４の変形を抑制しつつ、静電引力によりカバー５０を変形させて、対向間隔Ｄを狭めることができる。
【００７８】
なお、本実施形態では、基板３１の一面３１ａに形成した金属層４６と、カバー５０の厚肉部５３の表面に形成した金属層５５とをはんだ等を介して接合する例を示したが、基板３１へのカバー５０の固定は上記例に特に限定されるものではない。例えば接着固定しても良い。また、カバー５０の構成材料としてシリコンを採用した場合、基板３１を構成する半導体層４０のシリコンに対して、直接接合によりカバー５０を固定しても良い。
【００７９】
（変形例）
本実施形態では、超音波センサ装置１０が、センサユニット１１とは別に回路チップ１２及び配線基板１３を有する例を示した。しかしながら、回路チップ１２に構成される処理回路１１０がセンサユニット１１に形成された構成（集積された構成）を採用することもできる。
【００８０】
また、本実施形態では、メンブレン構造体３４の受信時のみ、調整用電圧を印加して静電引力を生じさせる例を示した。しかしながら、受信時だけでなく送信時においても、調整用電圧を印加し、静電引力を生じさせても良い。静電引力は、印加電圧の２乗に比例するため、送信時よりも受信時を高電圧とすることで、受信状態の対向間隔Ｄ２を、送信状態の対向間隔Ｄ１よりも狭くする、すなわち、受信状態のＱ値を、送信状態のＱ値よりも低くすることができる。しかしながら、本実施形態に示したように、メンブレン構造体３４の受信時のみ調整用電圧を印加するほうが、調整用電圧を低くすることができる。
【００８１】
本実施形態では、垂直方向において、厚肉部４３は環状とされて薄肉部３２を取り囲む例を示した。しかしながら、薄肉部３２が２つの厚肉部４３を架橋する構成としても良い。この場合、カバー５０の少なくとも一部は薄肉部３２に固定されることとなる。
【００８２】
本実施形態では、圧電振動子３３の検出用電極３５，３６とは別に、超音波センサ３０側の調整用電極７０が形成される例を示した。しかしながら、圧電振動子３３の検出用電極３５，３６の一方が、超音波センサ３０側の調整用電極７０を兼ねた構成とすることもできる。図１１に示す例では、厚さ方向において対向部５１に近い検出用電極３６を、調整用電極７０と兼用としている。これによれば、調整用電極７０を兼用とするため、センサユニット１１、ひいては超音波センサ装置１０の構成を簡素化することができる。
【００８３】
ただし、検出用電極３５，３６は、基板３１の薄肉部３２上に位置するため、厚肉部４３に調整用電極７０が形成される構成に較べて、メンブレン構造体３４が静電引力により変形しやすくなる。このため、カバー５０側の調整用電極７１を、垂直方向において基板３１の厚肉部（４３）に対応する位置に形成すると良い。これによれば、調整用電極７０を兼用としつつ、メンブレン構造体３４の静電引力による変形を抑制することができる。なお、カバー５０側の調整用電極７０を、調整用電極７０を兼ねる検出用電極３６に対向して設ける場合には、調整用電極７０を含むカバー５０の対向部５１（薄肉部５２）の剛性を、メンブレン構造体３４の剛性よりも低くすれば良い。
【００８４】
本実施形態では、超音波センサ３０側の調整用電極７０を矩形環状の一部を除去してなる略Ｃ字状とし、カバー５０側の調整用電極７１を矩形環状とする例を示した。しかしながら、超音波センサ３０側の調整用電極７０を円形環状の一部を除去してなる略Ｃ字状とし、カバー５０側の調整用電極７１を円形環状としても良い。この場合、調整用電極７１の中心と、薄肉部５２の中心を一致させることで、矩形環状に較べて、薄肉部５２をきれいに変形させることができる。なお、図１２では、位置関係を示すために、カバー５０側の調整用電極７１を示している。
【００８５】
本実施形態では、圧電振動子３３を構成する検出用電極３５，３６の配線４４，４５を引き出すために、超音波センサ３０側の調整用電極７０をＣ字状とし、開放端（自由端）間から配線４４，４５を引き出す例を示した。しかしながら、配線４４，４５を調整用電極７０に対して下層配線とすることで、調整用電極７０を環状とすることもできる。また、配線７２、又は、調整用電極７０及び配線７２を、配線４４，４５に対して下層配線とすることで、調整用電極７０を環状とすることもできる。
【００８６】
本実施形態では、密閉空間９０に空気が封入される例を示した。しかしながら、封入される気体は、特に空気に限定されるものではない。例えば空気よりも粘性係数μの大きい気体が封入されても良い。ダンピング係数Ｃは、封入される気体の粘性係数μに比例する。このため、空気より粘性係数μが大きい気体（例えばヘリウム）を封入すると、調整用電圧を低減することができる。また、同じ電圧なら、送信状態のＱ値と受信状態のＱ値との差を、空気に較べて大きくすることができる。したがって、ドップラーシフト量が大きくても、被検体を検出することが可能となる。
【００８７】
本実施形態では、カバー５０側の調整用電極７１を、カバー５０の薄肉部５２における内面（基板３１との対向面）に設ける例を示した。しかしながら、薄肉部５２の外面に調整用電極７１を設けても良い。この場合、構成を簡素化することができる。
【００８８】
（第２実施形態）
第１実施形態では、基板３１の一面３１ａにカバー５０が固定され、圧電振動子３３が密閉空間９０に収容される例を示した。これに対し、本実施形態では、図１３に示すように、基板３１の裏面３１ｂにカバー５０が固定される点を特徴とする。このため、第１実施形態に示すように、基板３１の裏面３１ｂ側で超音波の送受信がなされるのではなく、基板３１の一面３１ａ側で超音波の送受信がなされる。
【００８９】
図１３に示す例において、超音波センサ３０は、第１実施形態に示すものとほぼ同じ構成となっている。図１３では、接合用の金属層４６が、基板３１の裏面３１ｂであって厚肉部４３の部分に形成されている。また、圧電振動子３３の検出用電極３５が、超音波センサ３０側の調整用電極７０を兼ねている。
【００９０】
カバー５０は、半導体基板６１と、半導体基板６１の一面に形成された絶縁膜６２からなる。このカバー５０には、絶縁膜６２を底部とし、半導体基板６１における少なくとも対向部５１の部分を除去してなる開口部６３が形成されている。本実施形態では、半導体基板６１がシリコンからなり、半導体基板６１の開口部壁面が（１１１）面となっている。
【００９１】
そして、カバー５０のうち、開口部６３を架橋する絶縁膜６２の部分が、薄肉部５２をなしている。図１３に示す例では、対向部５１の部分のみを薄肉部５２としている。絶縁膜６２における半導体基板６１と反対の面であってカバー５０の厚肉部５３には、接合用の金属層５５が形成されている。金属層５５は、上記した超音波センサ３０の金属層４６と接合されており、この接合により、基板３１の開口部４２を含んで密閉空間９０が形成されている。
【００９２】
また、金属層５５が形成された絶縁膜６２の表面であって、対向部５１にはカバー５０側の調整用電極７１が形成されている。この調整用電極７１は、垂直方向において平面矩形状の対向部５１（薄肉部５２）全域を覆うように、対向部５１よりも若干大きく形成されている。また、半導体基板６１及び絶縁膜６２を貫通する貫通電極６４に、配線７３を介して電気的に接続されている。
【００９３】
このように、本実施形態では、カバー５０の対向部５１が、絶縁膜６２と調整用電極７１からなる。一方、超音波センサ３０のメンブレン構造体３４は、第１実施形態同様、基板３１の薄肉部３２（半導体層４０及び絶縁膜４１）と圧電振動子３３からなる。このため、調整用電極７０を含むカバー５０の対向部５１の剛性が、メンブレン構造体３４の剛性よりも低くなっている。
【００９４】
このような構成を採用しても、第１実施形態に記載の超音波センサ装置１０と同等の効果を奏することができる。
【００９５】
また、検出用電極３５が調整用電極７０を兼ねるため、センサユニット１１、ひいては超音波センサ装置１０の構成を簡素化することができる。なお、検出用電極３６が調整用電極７０を兼ねても良い。さらには、検出用電極３５，３６とは別の電極として調整用電極７０を設けることもできる。例えば、半導体層４０と絶縁膜４１との間や薄肉部３２の一面３２ａに調整用電極７０を設けることができる。すなわち、メンブレン構造体３４の形成範囲内であれば特に限定されるものではない。
【００９６】
なお、本実施形態では、半導体基板６１及び絶縁膜６２からなるカバー５０の例を示したが、カバー５０の構成は上記例に特に限定されるものではない。第１実施形態同様、樹脂製のカバー５０を採用しても良い。
【００９７】
（第３実施形態）
第１実施形態では、受信時において、予め設定された所定電圧を調整用電圧として調整用電極７０，７１間に印加する例を示した。これに対し、本実施形態では、受信信号の周波数をＤＳＰ１１７が算出する。そして、制御回路１１１は、算出された受信信号の周波数と、駆動信号の周波数、すなわち送信信号の周波数との差を算出し、この周波数差に基づく所定電圧を生成するように、調整用電圧生成回路１１８に指示する点を特徴とする。
【００９８】
次に、本実施形態に係る送受信処理の一例を、図１４を用いて説明する。
【００９９】
ステップ２０の送信処理は、第１実施形態に示したステップ１０と同じである（図７参照）。なお、本実施形態では、上記したように基板３１の一面３１ａ側から超音波が送信される。この超音波の周波数は駆動信号の周波数ｆ１と一致している。
【０１００】
超音波が送信されると、次いで、制御回路１１１は、ＤＳＰ１１７が算出した圧電振動子３３の受信信号の振幅が、ＤＳＰ１１７のメモリに予め記憶された所定の閾値より大きいか否かを比較する。すなわち、超音波センサ３０（圧電振動子３３）が反射波を受信したか否かを判定する（ステップ２１）。
【０１０１】
ステップ２１にて、駆動信号を生成してから反射波を受信可能な所定期間において、圧電振動子３３の受信信号の振幅が閾値よりも小さい場合、再度ステップ２０，２１を実行する。一方、圧電振動子３３の受信信号の振幅が閾値よりも大きい場合、制御回路１１１は、ＤＳＰ１１７が算出した受信信号の周波数と、制御回路１１１のメモリに記憶された駆動信号の周波数ｆ１とから、周波数差を算出する（ステップ２２）。このステップ２２が、特許請求の範囲に記載の周波数差算出手段に相当する。
【０１０２】
そして、制御回路１１１は、算出した周波数差から、調整用電圧生成回路１１８が生成すべき電圧値を決定する（ステップ２３）。このステップ２３が、特許請求の範囲に記載の電圧値決定主段に相当する。例えば周波数差が大きい、すなわちドップラーシフト量が大きいほど、メンブレン構造体３４のＱ値が低くなるように、調整用電圧として大きい値が設定される。
【０１０３】
次いで、調整用電圧値が決定されると、Ｓ２０同様、超音波の送信処理が実行される（ステップ２４）。制御回路１１１から調整用電圧生成回路１１８には、調整用電圧生成の指示信号は出力されない。
【０１０４】
次に、送信処理（ステップ２３）の終了後、制御回路１１１は、調整用電圧生成回路１１８に対し、調整用電圧の生成を指示する。このとき、ステップ２０〜２３の処理で決定された所定の電圧値を生成すべく指示する。これを受け、調整用電圧生成回路１１８は、所定電圧を調整用電極７０，７１間に印加する（ステップ２５）。このステップ２５が、特許請求の範囲に記載の電圧印加手段に相当する。以後のステップ２６〜２８は、第１実施形態に示したステップ１２〜１４と同じである。
【０１０５】
このように本実施形態によれば、送信周波数と受信した反射波の周波数の差に基づいて、調整用電極７０，７１に印加される調整用電圧の電圧値が決定される。すなわち、相対的に移動する被検体の移動状態（例えば速度）に応じて受信状態のＱ値が設定される。このため、被検体の相対的な移動状態によらず、被検体を精度良く検出することができる。
【０１０６】
なお、図１４に示すフローでは、ステップ２４〜２８の処理を１回実行するごとに、ステップ２０〜２３の処理を実行する例を示した。しかしながら、所定の期間においてステップ２４〜２８の処理を繰り返し実行しても良い。すなわち、決定された調整用電圧値を用いて、複数回送受信処理を実行するようにしても良い。
【０１０７】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
【符号の説明】
【０１０８】
１０・・・超音波センサ装置
１１・・・センサユニット
３０・・・超音波センサ
３１・・・基板
３１ａ・・・一面
３２・・・薄肉部
３３・・・圧電振動子
３４・・・メンブレン構造体
３５，３６・・・調整用電極
３７・・・圧電体
５０・・・カバー
５１・・・対向部
５２・・・薄肉部（中央部分）
５３・・・厚肉部（周辺部分）
７０，７１・・・調整用電極
９０・・・密閉空間
１１０・・・制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄肉部（３２）を有する基板（３１）と、
前記基板（３１）の厚さ方向において対向配置された一対の検出用電極（３５，３６）間に圧電体（３７）が介在されてなり、前記基板（３１）の一面（３１ａ）であって薄肉部（３２）上に形成されて、前記薄肉部（３２）とともに前記基板（３１）の他の部分よりも剛性の低いメンブレン構造体（３４）を構成する圧電振動子（３３）と、を有し、
前記圧電振動子（３３）により超音波を送信するととともに、同一の前記圧電振動子（３３）によりその反射波を受信する超音波センサ（３０）を備えた超音波センサ装置であって、
前記基板（３１）の厚さ方向において、前記メンブレン構造体（３４）と離間しつつ対向して配置された対向部（５１）を有し、前記基板（３１）に固定されて、前記基板（３１）との間に気体が封入された密閉空間（９０）を形成するカバー（５０）と、
一方が前記超音波センサ（３０）に形成され、他方が前記カバー（５０）に形成されて前記基板（３１）の厚さ方向において対向配置され、通電により静電引力を生じる一対の調整用電極（７０，７１）と、
前記調整用電極（７０，７１）への通電を制御する制御部（１１０）と、を備え、
前記静電引力により、前記カバー（５０）の対向部（５１）が前記メンブレン構造体（３４）に近づくように構成され、
前記制御部（１１０）は、少なくとも前記圧電振動子（３３）の受信状態で前記調整用電極（７０，７１）間に電圧を印加するとともに、前記圧電振動子（３３）の受信状態における前記カバー（５０）の対向部（５１）と前記メンブレン構造体（３４）との対向間隔（Ｄ２）のほうが、前記圧電振動子（３３）の送信状態における前記カバー（５０）の対向部（５１）と前記メンブレン構造体（３４）との対向間隔（Ｄ１）よりも狭くなるように前記調整用電極（７０，７１）への通電を制御する電圧印加手段（Ｓ１１，Ｓ２５）を有することを特徴とする超音波センサ装置。
【請求項２】
前記カバー（５０）は、前記基板（３１）の一面（３１ａ）に固定され、
前記カバー（５０）と前記基板（３１）との間に形成される密閉空間（９０）に、前記圧電振動子（３３）が収容されることを特徴とする請求項１に記載の超音波センサ装置。
【請求項３】
前記超音波センサ側の調整用電極（７０）は、前記基板（３１）において前記薄肉部（３２）とは異なる厚肉部（４３）に形成されることを特徴とする請求項２に記載の超音波センサ装置。
【請求項４】
前記基板（３１）の厚さ方向に垂直な方向において、前記厚肉部（４３）は環状とされて前記薄肉部（３２）を取り囲んでいることを特徴とする請求項３に記載の超音波センサ装置。
【請求項５】
前記超音波センサ側の調整用電極（７０）は、前記基板（３１）の一面（３１ａ）上に形成されることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の超音波センサ装置。
【請求項６】
前記カバー（５０）において、前記対向部（５１）と前記調整用電極（７１）の形成部分とを含む中央部分（５２）が、該中央部分（５２）に隣接する周辺部分（５３）よりも薄いことを特徴とする請求項３〜５いずれか１項に記載の超音波センサ装置。
【請求項７】
前記カバー側の調整用電極（７０）を含むカバー（５０）の中央部分（５２）の剛性が、前記メンブレン構造体（３４）の剛性よりも低いことを特徴とする請求項６に記載の超音波センサ装置。
【請求項８】
前記圧電振動子（３３）の検出用電極（３５，３６）の一方が、前記超音波センサ側の調整用電極（７０）を兼ねており、
前記カバー側の調整用電極（７１）は、前記基板（３１）の厚さ方向に垂直な方向において、前記基板（３１）における薄肉部（３２）とは異なる厚肉部（４３）に対応して形成されることを特徴とする請求項２に記載の超音波センサ装置。
【請求項９】
前記カバー（５０）は、前記基板（３１）における一面（３１ａ）と反対の面（３１ｂ）に固定され、前記対向部（５１）は、前記薄肉部（３２）における圧電振動子（３３）が形成された面と反対の面（３２ａ）に対向しており、
前記カバー側の調整用電極（７１）は、前記対向部（５１）に形成され、
前記超音波センサ側の調整用電極（７０）は、前記メンブレン構造体（３４）に形成され、
前記カバー側の調整用電極（７１）を含むカバー（５０）の対向部（５１）の剛性が、前記メンブレン構造体（３４）の剛性よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の超音波センサ装置。
【請求項１０】
前記圧電振動子（３３）の検出用電極（３５，３６）の一方が、前記超音波センサ側の調整用電極（７０）を兼ねることを特徴とする請求項９に記載の超音波センサ装置。
【請求項１１】
前記密閉空間（９０）に空気が封入されていることを特徴とする請求項１〜１０いずれか１項に記載の超音波センサ装置。
【請求項１２】
前記密閉空間（９０）に、空気よりも粘性係数の大きい気体が封入されていることを特徴とする請求項１〜１０いずれか１項に記載の超音波センサ装置。
【請求項１３】
前記電圧印加手段（Ｓ１１，Ｓ２５）は、前記圧電振動子（３３）の受信状態のみ、前記調整用電極（７０，７１）に電圧を印加することを特徴とする請求項１〜１２いずれか１項に記載の超音波センサ装置。
【請求項１４】
前記制御部（１１０）は、
前記調整用電極（７０，７１）に電圧を印加しない状態で、前記圧電振動子（３３）が送信する超音波の周波数と、送信した超音波の反射波の周波数との差を算出する周波数差算出手段（Ｓ２２）と、
前記周波数差算出手段により算出された周波数差により、前記調整用電極（７０，７１）に印加する電圧値を決定する電圧値決定手段（Ｓ２３）と、を有し、
前記電圧印加手段（Ｓ２５）は、前記電圧値決定手段（Ｓ２３）にて決定された電圧値を前記調整用電極（７０，７１）に印加することを特徴とする請求項１３に記載の超音波センサ装置。
【請求項１】
薄肉部（３２）を有する基板（３１）と、
前記基板（３１）の厚さ方向において対向配置された一対の検出用電極（３５，３６）間に圧電体（３７）が介在されてなり、前記基板（３１）の一面（３１ａ）であって薄肉部（３２）上に形成されて、前記薄肉部（３２）とともに前記基板（３１）の他の部分よりも剛性の低いメンブレン構造体（３４）を構成する圧電振動子（３３）と、を有し、
前記圧電振動子（３３）により超音波を送信するととともに、同一の前記圧電振動子（３３）によりその反射波を受信する超音波センサ（３０）を備えた超音波センサ装置であって、
前記基板（３１）の厚さ方向において、前記メンブレン構造体（３４）と離間しつつ対向して配置された対向部（５１）を有し、前記基板（３１）に固定されて、前記基板（３１）との間に気体が封入された密閉空間（９０）を形成するカバー（５０）と、
一方が前記超音波センサ（３０）に形成され、他方が前記カバー（５０）に形成されて前記基板（３１）の厚さ方向において対向配置され、通電により静電引力を生じる一対の調整用電極（７０，７１）と、
前記調整用電極（７０，７１）への通電を制御する制御部（１１０）と、を備え、
前記静電引力により、前記カバー（５０）の対向部（５１）が前記メンブレン構造体（３４）に近づくように構成され、
前記制御部（１１０）は、少なくとも前記圧電振動子（３３）の受信状態で前記調整用電極（７０，７１）間に電圧を印加するとともに、前記圧電振動子（３３）の受信状態における前記カバー（５０）の対向部（５１）と前記メンブレン構造体（３４）との対向間隔（Ｄ２）のほうが、前記圧電振動子（３３）の送信状態における前記カバー（５０）の対向部（５１）と前記メンブレン構造体（３４）との対向間隔（Ｄ１）よりも狭くなるように前記調整用電極（７０，７１）への通電を制御する電圧印加手段（Ｓ１１，Ｓ２５）を有することを特徴とする超音波センサ装置。
【請求項２】
前記カバー（５０）は、前記基板（３１）の一面（３１ａ）に固定され、
前記カバー（５０）と前記基板（３１）との間に形成される密閉空間（９０）に、前記圧電振動子（３３）が収容されることを特徴とする請求項１に記載の超音波センサ装置。
【請求項３】
前記超音波センサ側の調整用電極（７０）は、前記基板（３１）において前記薄肉部（３２）とは異なる厚肉部（４３）に形成されることを特徴とする請求項２に記載の超音波センサ装置。
【請求項４】
前記基板（３１）の厚さ方向に垂直な方向において、前記厚肉部（４３）は環状とされて前記薄肉部（３２）を取り囲んでいることを特徴とする請求項３に記載の超音波センサ装置。
【請求項５】
前記超音波センサ側の調整用電極（７０）は、前記基板（３１）の一面（３１ａ）上に形成されることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の超音波センサ装置。
【請求項６】
前記カバー（５０）において、前記対向部（５１）と前記調整用電極（７１）の形成部分とを含む中央部分（５２）が、該中央部分（５２）に隣接する周辺部分（５３）よりも薄いことを特徴とする請求項３〜５いずれか１項に記載の超音波センサ装置。
【請求項７】
前記カバー側の調整用電極（７０）を含むカバー（５０）の中央部分（５２）の剛性が、前記メンブレン構造体（３４）の剛性よりも低いことを特徴とする請求項６に記載の超音波センサ装置。
【請求項８】
前記圧電振動子（３３）の検出用電極（３５，３６）の一方が、前記超音波センサ側の調整用電極（７０）を兼ねており、
前記カバー側の調整用電極（７１）は、前記基板（３１）の厚さ方向に垂直な方向において、前記基板（３１）における薄肉部（３２）とは異なる厚肉部（４３）に対応して形成されることを特徴とする請求項２に記載の超音波センサ装置。
【請求項９】
前記カバー（５０）は、前記基板（３１）における一面（３１ａ）と反対の面（３１ｂ）に固定され、前記対向部（５１）は、前記薄肉部（３２）における圧電振動子（３３）が形成された面と反対の面（３２ａ）に対向しており、
前記カバー側の調整用電極（７１）は、前記対向部（５１）に形成され、
前記超音波センサ側の調整用電極（７０）は、前記メンブレン構造体（３４）に形成され、
前記カバー側の調整用電極（７１）を含むカバー（５０）の対向部（５１）の剛性が、前記メンブレン構造体（３４）の剛性よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の超音波センサ装置。
【請求項１０】
前記圧電振動子（３３）の検出用電極（３５，３６）の一方が、前記超音波センサ側の調整用電極（７０）を兼ねることを特徴とする請求項９に記載の超音波センサ装置。
【請求項１１】
前記密閉空間（９０）に空気が封入されていることを特徴とする請求項１〜１０いずれか１項に記載の超音波センサ装置。
【請求項１２】
前記密閉空間（９０）に、空気よりも粘性係数の大きい気体が封入されていることを特徴とする請求項１〜１０いずれか１項に記載の超音波センサ装置。
【請求項１３】
前記電圧印加手段（Ｓ１１，Ｓ２５）は、前記圧電振動子（３３）の受信状態のみ、前記調整用電極（７０，７１）に電圧を印加することを特徴とする請求項１〜１２いずれか１項に記載の超音波センサ装置。
【請求項１４】
前記制御部（１１０）は、
前記調整用電極（７０，７１）に電圧を印加しない状態で、前記圧電振動子（３３）が送信する超音波の周波数と、送信した超音波の反射波の周波数との差を算出する周波数差算出手段（Ｓ２２）と、
前記周波数差算出手段により算出された周波数差により、前記調整用電極（７０，７１）に印加する電圧値を決定する電圧値決定手段（Ｓ２３）と、を有し、
前記電圧印加手段（Ｓ２５）は、前記電圧値決定手段（Ｓ２３）にて決定された電圧値を前記調整用電極（７０，７１）に印加することを特徴とする請求項１３に記載の超音波センサ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１３−５０４０（Ｐ２０１３−５０４０Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３１４１１（Ｐ２０１１−１３１４１１）
【出願日】平成２３年６月１３日（２０１１．６．１３）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１３日（２０１１．６．１３）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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