JP2011082624A - 近接超音波センサ - Google Patents

Abstract

【課題】送信用の超音波トランスデューサーと受信用の超音波トランスデューサーとを空隙部を介して隣接して一体的に配置し、音の回り込みや残響振動を抑えるようにすること。
【解決手段】近接超音波センサは、シリコン基板１と、シリコン基板１上に設けられた積層体２乃至５とをそれぞれ有する送信用の超音波トランスデューサーと受信用の超音波トランスデューサーとを備え、積層体は、シリコン基板１上に設けられた支持層２と、支持層２上に設けられた第１の電極３ａ，３ｂと、第１の電極３ａ，３ｂ上に設けられた圧電体層４ａ，４ｂと、圧電体層４ａ，４ｂ上に設けられた第２の電極５ａ，５ｂとから構成されている。送信用の超音波トランスデューサーと受信用の超音波トランスデューサーは、空隙部７を介して隣接して一体的に配置され、空隙部７は、送信用の超音波トランスデューサーから受信用の超音波トランスデューサーへ直接的に振動させない空間領域である。
【選択図】図２

Description

本発明は、近接超音波センサに関し、より詳細には、例えば、携帯電話の筐体の色や透明度などに依らず、折り畳み式開閉蓋やスライド式開閉蓋の開閉検出や、通話時に近接した人顔検知に適用可能にする近接超音波センサに関する。

一般に、超音波トランスデューサーから超音波を送信し、この反射波を受信することにより、物体の有無あるいは物体までの距離を測定する超音波センサはよく知られており、このような超音波センサは、物体検知用センサや測距用センサとして各種装置に用いられている。また、測距用センサとしては、近距離の検知ができるように送信用と受信用の超音波トランスデューサーを別々に設けるものも知られている。

また、半導体の薄膜形成技術の発展に伴い、基板上に薄膜を形成した薄膜デバイス、例えば、半導体基板に圧電体薄膜を形成してなる超音波センサも多く提案されている。この種の超音波センサにおける薄膜形成技術は、エレクトロニクス分野、特に、半導体製造プロセスを中心に発展してきたものである。

例えば、特許文献１に記載のものは、この種の超音波センサに関するもので、メンブレンが形成された半導体基板と、このメンブレン上に形成された下部電極と、この下部電極の表面に形成された圧電薄膜と、この圧電薄膜の表面に形成された上部電極と、圧電薄膜及び両電極を覆うようにして半導体基板の表面にフロロカーボンの薄膜を形成したものである。このフロロカーボンの薄膜は、高分子ポリマーであるため、圧電薄膜に比べて低密度で薄膜内部の音速が遅くなるので、この薄膜の音響インピーダンスが非常に小さくなり、空気との音響マッチングが良く、音圧に対する受信感度を向上させることができる。

また、特許文献２に記載のものは、ＭＵＴ（Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ：マイクロマシンプロセスを用いた超音波トランスデューサー）に関するもので、超音波を送信させるための第１の電極と、この第１の電極が形成されている基板と、第１の電極と所定の空間を隔てて対向している接地電極である第２の電極と、この第２の電極が形成され、第１及び第２の電極間に電圧が印加されることにより振動して前記超音波を発生させるメンブレンと、このメンブレンと接している圧電膜と、この圧電膜と導通している第３の電極とを備えたものである。そして、超音波送信時と超音波受信時にそれぞれ切り替え手段によりオフ・オン状態にするもので、超音波内視鏡スコープに用いられるものである。

また、上述したように、測距用センサとしては、近距離の検知ができるように送信用と受信用の超音波トランスデューサーを別々に設けるものも知られているが、このような従来の超音波センサで近距離の物体を検知しようとしても、送信用の超音波トランスデューサーから送信された超音波が、送信用の超音波トランスデューサーを取り付けた部材などで回折して直接受信用の超音波トランスデューサーに受信されてしまい、物体からの反射波との区別がつかないために近距離の測距には限界があった。そのために、例えば、特許文献３に記載のように、送信用トランスデューサーと受信用トランスデューサーとの間に、送信用トランスデューサーら受信用トランスデューサーへ直接伝播する超音波を規制するための仕切板を設けたものがある。

また、特許文献４には、手を携帯電話にかざすと近接覚センサである超音波センサがその接近を検知し、時刻情報、着信情報等の音声応答や表示部のバックライトの点灯を行う機能を有する携帯電話が提案されている。

特開２００７−０３７００６号公報 特開２００７−２２９３２８号公報 特開２００２−３６５０３５号公報 特開２００５−０４５６５５号公報

上述した特許文献１のものは、半導体基板に薄膜を形成し、この薄膜の上面に圧電体を形成した超音波センサという点では本発明と類似しているが、その目的は、残響振動を短くするとともに、残留応力を低減することで感度を向上させた超音波センサを提供することであって、空気中に送波された超音波の反射波を受波することによって、超音波の伝搬時間から三次元空間における物体の位置や形状を検出するもので、圧電薄膜上に低密度物質としてフロロカーボンの薄膜を形成したことが開示されている。しかしながら、この特許文献１のものは、受信用の超音波トランスデューサーについて開示したものであって、送信用の超音波トランスデューサーと受信用の超音波トランスデューサーとを隣接して一体的に配置した超音波センサについては何ら開示されていない。

また、上述した特許文献２のものは、超音波内視鏡スコープに用いられた超音波トランスデューサーに関し、超音波送信時と超音波受信時にそれぞれ切り替え手段によりオフ・オン状態にするもので、送受信用の超音波トランスデューサーを兼用するものであり、送信用の超音波トランスデューサーと受信用の超音波トランスデューサーとを隣接して一体的に配置した超音波センサについては何ら開示されていない。

また、上述した特許文献３のものは、送信用トランスデューサーと受信用トランスデューサーとの間に、送信用トランスデューサーから受信用トランスデューサーへ直接伝播する超音波を規制するための仕切板を設けたものであるが、物体の肉厚や欠陥を検出する探傷装置における超音波センサであって、携帯電話の折り畳み式開閉蓋やスライド式開閉蓋の開閉検出や、通話時に近接した人顔検知にそのまま適用することは困難である。

また、上述した特許文献４のものは、手を携帯電話にかざすと近接覚センサである超音波センサがその接近を検知するものであるが、携帯電話の折り畳み式開閉蓋やスライド式開閉蓋の開閉検出を行うものではなく、送信用の超音波トランスデューサーと受信用の超音波トランスデューサーとを隣接して一体的に配置した超音波センサについては何ら開示されていない。

このように、従来の超音波センサでは実現できないような、Ｓｉ基板上に圧電膜にＡｌＮ（窒化アルミニウム）を用い、送信用の超音波トランスデューサーと受信用の超音波トランスデューサーとを隣接して一体的に配置し、音の回り込みや残響振動を抑えるようにした近接超音波センサの開発が望まれていた。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、送信用の超音波トランスデューサーと受信用の超音波トランスデューサーとを隣接して一体的に配置し、音の回り込みや残響振動を抑えるようにした近接超音波センサを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、シリコン基板と、該シリコン基板上に設けられた積層体とをそれぞれ有する送信用の超音波トランスデューサーと受信用の超音波トランスデューサーとを備えた近接超音波センサであって、前記積層体が、前記シリコン基板上に設けられた支持層と、該支持層上に設けられた第１の電極と、該第１の電極上に設けられた圧電体層と、該圧電体層上に設けられた第２の電極とから構成され、前記送信用の超音波トランスデューサーと前記受信用の超音波トランスデューサーとが、空隙部を介して隣接して一体的に配置されていることを特徴とする。（実施例１乃至５、図２乃至６に対応）

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記空隙部で、かつ前記支持層上に、前記第１の電極と、前記圧電体層と、前記第２の電極とからなる第１の仕切体を設けたことを特徴とする。（実施例３、図４に対応）

また、請求項３記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記送信用の超音波トランスデューサーに用いられる第２の電極又は前記受信用の超音波トランスデューサーに用いられる第２の電極に前記音響部材が設けられていることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記空隙部で、かつ前記支持層上に、前記第１の電極と、前記圧電体層と、前記第２の電極と、該第２の電極上に設けられ、前記送信用の超音波トランスデューサーから発信される音波を吸収または反射する音響部材とからなる第２の仕切体を設けたことを特徴とする。（実施例４、図５に対応）

また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記送信用の超音波トランスデューサーに用いられる第２の電極又は前記受信用の超音波トランスデューサーに用いられる第２の電極に前記音響部材が設けられていることを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載の発明において、前記第２の仕切体に溝が設けられたことを特徴とする。（実施例５、図６に対応）

また、請求項７に記載の発明は、請求項４，５又は６に記載の発明において、前記第２の仕切体が、送信音波の位相に対して所定の位相で駆動されることを特徴とする。（実施例４，５、図５，６に対応）

また、請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載の発明において、前記圧電体層が、窒化アルミニウムからなることを特徴とする。

また、請求項９に記載の発明は、請求項１乃至８のいずれかに記載の発明において、前記積層体が、マイクロマシンプロセスにより形成されたものであることを特徴とする。

本発明によれば、送信用の超音波トランスデューサーと受信用の超音波トランスデューサーとが空隙部を介して隣接して一体的に配置するようにしたので、既存の集積回路プロセスをそのまま適用可能であり、駆動に必要な電力がそれほど要らず、サイズ小型化や生産コスト低価格化が可能である。また、超音波センサを用いているので、携帯電話の筐体の色や透明度などに依らず、折り畳み式開閉蓋やスライド式開閉蓋の開閉検出や、通話時に近接した人顔や人体検知に適用可能である。特に、赤外線センサの場合は、黒色は吸収され、光センサの場合は、透明なものは透過してしまうので、発信波が反射した後の信号受信が上手くできなかったというこれまでの問題点が解決される。

先願発明における超音波センサを説明するための断面構成図である。 本発明に係る近接超音波センサの実施例１を説明するための断面構成図で、（ａ）は、超音波センサの上部に蓋の無い状態を示す図で、（ｂ）は、超音波センサの上部に蓋の有る状態を示す図である。 本発明に係る近接超音波センサの実施例２を説明するための断面構成図で、（ａ）は、超音波センサの上部に蓋の無い状態を示す図で、（ｂ）は、超音波センサの上部に蓋の有る状態を示す図である。 本発明に係る近接超音波センサの実施例３を説明するための断面構成図で、（ａ）は、超音波センサの上部に蓋の無い状態を示す図で、（ｂ）は、超音波センサの上部に蓋の有る状態を示す図である。 本発明に係る近接超音波センサの実施例４を説明するための断面構成図で、（ａ）は、超音波センサの上部に蓋の無い状態を示す図で、（ｂ）は、超音波センサの上部に蓋の有る状態を示す図で、（ｃ）は横から見た、板状又は鏡面状の蓋と仕切体との関係を示す図である。 本発明に係る近接超音波センサの実施例５を説明するための断面構成図で、（ａ）は、超音波センサの上部に蓋の無い状態を示す図で、（ｂ）は、超音波センサの上部に蓋の有る状態を示す図で、（ｃ）は横から見た、板状又は鏡面状の蓋と仕切体との関係を示す図である。 本発明の近接超音波センサによる、送信用の超音波トランスデューサーと受信用の超音波トランスデューサーとを向かい合わせたときの離間距離の変化と受信状況を示した図で、（ａ）が最も近い距離で、〜１ｃｍ前後の距離、（ｂ）が中間距離で、〜３ｃｍ前後の距離、（ｃ）が最も遠い距離で、〜６ｃｍ前後の距離の場合を示す図である。

まず、本発明の前提となる先願発明である特願平２００８−１０８１２８号の内容について以下に説明する。
図１は、先願発明における超音波センサを説明するための断面構成図で、図中符号１はシリコン基板、２は支持層、３は第１の電極、４は窒化アルミニウムからなる圧電体層、５は第２の電極、６は積層体のダイアフラム領域を示している。なお、積層体とは、支持層２と第１の電極３と圧電体層４と第２の電極５からなっている。

この超音波センサは、シリコン基板１と、このシリコン基板１上に支持層２と第１の電極３と窒化アルミニウムからなる圧電体層４と第２の電極５とがこの順に積層された積層体とを有する。つまり、積層体は、窒化アルミニウムからなる圧電体層4と、この圧電体層４を両面から挟むようにして形成された第１の電極３及び第２の電極５と、第１の電極３側に形成された支持層２とから構成されている。また、支持層２と第１の電極３の間に密着性を改善するための薄い層を挿入してもよい。また、第２の電極５上に表面保護層を形成してもよい。

また、第１の電極３のヤング率は、第２の電極５のヤング率より高くなっている。これにより、圧電効果による歪みを高効率で振幅変化に変換することが可能となる。ダイアフラム領域６の振幅値或いは変位量が大きくなれば、送出可能な音圧レベルも向上する。電極の厚みは、圧電特性に影響するので最適な厚みから大きく変えることはデメリットを伴う。そのため、膜の剛性率を制御するにはヤング率の異なる最適な材料の組み合わせを選ぶことが重要になる。例えば、第２の電極５の材料のヤング率に対する第１の電極３の材料のヤング率の比が、２．３以上であることが好ましい。

第１の電極３の材料は、タングステン，白金，ルテニウム，モリブデンのいずれかを含む材料を用いることができる。また、第１の電極３は、圧電係数が大きく結晶性の良い窒化アルミニウムを成膜するために、適切な結晶面が規則正しく形成されている必要がある。タングステン，白金，ルテニウム，モリブデンは、ヤング率が大きいことに加え、このような性質も兼ね備えた第１の電極３に適した材料である。

また、第２の電極５の材料は、アルミニウム，チタン，ポリシリコン，金のいずれかを含む材料を用いることができる。また、電極を構成するこれらの材料を主成分として含んでいれば、合金等であってもよい。なお、電極を構成する材料のうち、５０％以上を占める材料を、電極を構成する材料の主成分とする。また、支持層２にはシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等のシリコン化合物の膜又はその積層膜を用いることが好ましい。

また、窒化アルミニウムは、アルミニウムをターゲットとし、窒素雰囲気下の反応性スパッタ技術を用いて、４００℃以下の基板温度で、結晶性の良い圧電係数の高い膜を成膜することが可能である。また、第２の電極５上及びエッチング面上に配線絶縁層、配線層などが成膜されパターン形成される。第２の電極５に配線するためには、通常、ダイアフラム領域６の外側で配線絶縁層をエッチング除去してコンタクト部を形成する。第１の電極３に配線するためには、通常、ダイアフラム領域６の外側で配線絶縁層、第２の電極５と圧電体層４の一部をエッチング除去してコンタクト部を形成する。配線を済ませた後に表面保護層を形成すると信頼性、耐久性が向上する。シリコン基板１上に、支持層と電極と圧電体層と配線とを形成した後に、ディープ反応性イオンエッチングなどの深堀りマイクロマシンプロセス技術を用いて、シリコン基板１の背面側からダイアフラム領域６内のシリコン基板１をエッチング除去してダイアフラム領域６を形成する。

また、パターン形状としては、円形，楕円形，正方形，長方形，リング形状，単純メッシュ形状，バネ構造を基本要素とするメッシュ構造及びその組み合わせを用いることができる。

上述したように、図１には、支持層上２で、第１の電極３及び第２の電極５や圧電体層４がパターン形成されたダイアフラム領域６の断面図が示されており、圧電体層４上に第２の電極５をパターン形成したものである。したがって、第２の電極５の面積と支持層２の面積とは異なるものである。

上述した先願発明においては、送信用の超音波トランスデューサーと受信用の超音波トランスデューサーが隣接した配置構成にはなっていない。送信用の超音波トランスデューサーと受信用の超音波トランスデューサーを隣接した配置構成とすると、音の回り込みや残響振動を抑えること（残響コントロール）が必要になる。本発明は、この点を解決したものである。

以下、図面を参照して本発明の各実施例について説明する。

図２（ａ），（ｂ）は、本発明に係る近接超音波センサの実施例１を説明するための断面構成図で、図２（ａ）は、超音波センサの上部に蓋の無い状態を示す図で、図２（ｂ）は、超音波センサの上部に蓋の有る状態を示す図である。図面に向かって左側が送信側で右側が受信側を示している。なお、図１と同じ機能を有する構成要素には同一に符号を付してある。

本発明の近接超音波センサは、シリコン基板１と、このシリコン基板１上に設けられた積層体２乃至５とをそれぞれ有する送受信用の超音波トランスデューサーを備えたもので、積層体は、シリコン基板１上に設けられた支持層２と、この支持層２上に設けられた送信側の第１の電極３ａと受信側の第１の電極３ｂと、この第１の電極３ａ，３ｂ上に設けられた送信側の圧電体層４ａと受信側の圧電体層４ｂと、この圧電体層４ａ，４ｂ上に設けられた送信側の第２の電極５ａと受信側の第２の電極５ｂとから構成されている。なお、６ａ，６ｂは、積層体の送受信側のダイアフラム領域を各々示している。

送信用の超音波トランスデューサーと受信用の超音波トランスデューサーとは、空隙部７を介して隣接して一体的に配置されており、この空隙部７は幅狭に形成されている。例えば、図２では、送信側の第１の電極３ａ及び圧電体層４ａと、受信側の第１の電極３ｂ及び圧電体層４ｂとの間に溝が形成される事で空隙部７が形成される。場合によっては、支持体層２も含めて溝を形成してもよい。つまり、この空隙部７は、送信用の超音波トランスデューサーから積層を介して受信用の超音波トランスデューサーへ直接的に振動させない、つまり、直接伝播する超音波を規制する空間領域Ａを形成するものである。

例えば、支持層２はＳｉＯ₂（二酸化ケイ素）からなり、その厚さは１．０μｍであり、第１の電極３ａ，３ｂはＷ（タングステン）からなり、その厚さは０．２μｍであり、圧電体層４ａ，４ｂはＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなり、その厚さは１．２μｍであり、第２の電極５ａ，５ｂはＡｌ（アルミニウム）からなり、その厚さは０．１５μｍである。

このような構成により、本発明は、通常の酸化膜（ＳｉＯ₂）にて酸化膜が形成されたシリコン単結晶基板からなり、圧電膜にＡｌＮを適用し、また、電極には、既存の集積回路プロセスに親和する、安価なＡｌ又はＷを適用し、ＭＥＭＳプロセス技術により、送信用の超音波トランスデューサーと受信用の超音波トランスデューサーとは空隙部７を介して隣接して一体的に配置しているので、プロセス上、送信用の超音波トランスデューサーと受信用の超音波トランスデューサーの音響特性は近く、ともに音響収束レンズに当たるものが不要であり、空隙部７の空気にて減衰され、発信音の回り込みや隣のダイアフラムへ伝わっていく残響振動を抑えることが可能になり、物体ないし、板状或いは鏡面状の蓋８が近接することで、発信音波を受信用の超音波トランスデューサーで受け取れる。これにより、蓋の閉じた状態が検出できる。

或いは、別に開閉検出機能を装置に持たせておいて、蓋が開いた状態に相当するモードで本センシング技術によって物体近接を識別して、時刻情報、着信情報等の音声応答や表示部のバックライトの点灯を行う機能に役立てたり、或いは、通常の通話で無いスピーカモードにできる。

図３（ａ），（ｂ）は、本発明に係る近接超音波センサの実施例２を説明するための断面構成図で、図３（ａ）は、超音波センサの上部に蓋の無い状態を示す図で、図３（ｂ）は、超音波センサの上部に蓋の有る状態を示す図である。図面に向かって左側が送信側で右側が受信側を示している。なお、図２と同じ機能を有する構成要素には同一に符号を付してある。

空隙部９は、送信用の超音波トランスデューサーから受信用の超音波トランスデューサーへ直接的に振動させない、つまり、直接伝播する超音波を規制する空間領域Ａを設け、その空間領域Ａは、減衰しやすくさせた幅広な空隙部である。

図３（ｂ）に示したように、超音波センサの上部に蓋８の有る状態では、送信用の超音波トランスデューサーからの音波が、物体ないし、板状或いは鏡面状の蓋８が近づくことで受信用の超音波トランスデューサーに届くことになり、これにより、蓋８の閉じた状態が検出できる。

図４（ａ），（ｂ）は、本発明に係る近接超音波センサの実施例３を説明するための断面構成図で、図４（ａ）は、超音波センサの上部に蓋の無い状態を示す図で、図４（ｂ）は、超音波センサの上部に蓋の有る状態を示す図である。なお、図３と同じ機能を有する構成要素には同一に符号を付してある。

空隙部９で、かつ支持層２上に第１の仕切体１１を設けたもので、この第１の仕切体１１は、送受信用の超音波トランスデューサーと同様に、第１の電極３ｃと、圧電体層４ｃと、第２の電極５ｃとから構成されている。この第１の仕切体１１により、音響インピーダンスの不連続点が増加するため、送信の振動の漏れこみが減少する。つまり、この空隙部９は、送信用の超音波トランスデューサーから積層体を介して受信用の超音波トランスデューサーへ直接的に振動させない、つまり、直接伝播する超音波を規制する空間領域Ａを形成するものである。

また、図４（ａ），（ｂ）には図示されていないが、第２の電極５ａ，５ｂ，５ｃ上に音響部材を形成してもよい。後述する実施例４で記載されているように、発信音をあまり反射させない（吸収させる）ために空気の音響インピーダンス値に近い部材か、または、発信音をしっかり反射させるために空気の音響インピーダンスよりも高い値を持つ部材が形成される。この第１の仕切体１１は、送信部及び受信部の形成と同時プロセスで形成できるため、加工精度よく簡便に本実施例の近接超音センサを製造できる。

さらに、第１の電極３ｃと、第２の電極５ｃに、発信用超音波トランスデューサーと逆相または同相あるいは所定の位相角で駆動させるように電圧印加しても良い。これにより送信用超音波トランスデューサーから回り込んでくる音波をキャンセルすることができるため、より好ましい。

図４（ｂ）に示したように、超音波センサの上部に蓋８の有る状態では、送信用の超音波トランスデューサーからの音波が、物体ないし、板状或いは鏡面状の蓋８が近づくことで受信用の超音波トランスデューサーに届くことになり、これにより、蓋８の閉じた状態が検出できる。

図５（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の近接超音波センサ実施例４を説明するための断面構成図で、図５（ａ）は、超音波センサの上部に蓋の無い状態を示す図で、図５（ｂ）は、超音波センサの上部に蓋の有る状態を示す図である。図面に向かって左側が送信側で右側が受信側を示している。また、図５（ｃ）は、図５（ｂ）を横から見た板状或いは鏡面状の蓋と仕切体との関係を示す図である。図中記号Ｂは音波の伝播状況を示している。なお、図４と同じ機能を有する構成要素には同一に符号を付してある。

空隙部９でかつ支持層２上に第２の仕切体１３を設けたものであり、この第２の仕切体１３は、送受信用の超音波トランスデューサーと同様に、第１の電極３ｃと、圧電体層４ｃと、第２の電極５ｃと、この第２の電極５ｃ上に設けられた音響部材１２とから構成されている。

ここで、本実施例４における音響部材１２は、送信用の超音波トランスデューサーから発信される音波を吸収または反射するものである。例えば、音波をあまり反射させない（吸収させる）音響部材としては、ポリエチレン（Ｖｌ＝１９５０［ｍ／ｓ］）やポリスチレン（Ｖｌ＝２３５０［ｍ／ｓ］）等の縦波の音速Ｖｌが比較的低い材料があげられる。また、音波を反射する音響部材としては、アルミ（Ｖｌ＝６４２０［ｍ／ｓ］）やタングステン（Ｖｌ＝５４１０［ｍ／ｓ］）、金（Ｖｌ＝３２４０［ｍ／ｓ］）等の縦波の音速Ｖｌが比較的高い金属があげられる。

例えば、第２の仕切体１３が、音波をしっかり反射する音響部材１３を有している場合は、横から回り込んできた音波を反射させる。送信用の超音波トランスデューサーからの音波が、近接する板状あるいは鏡面状の蓋８からの反射音として受信用の超音波トランスデューサーで受信できるようになり、蓋８が閉じた状態が検出できる。

ここで、仕切体を構成する第１の電極３ｃと、第２の電極５ｃに、発信用超音波トランスデューサーと逆相または同相あるいは所定の位相角で駆動させるように電圧印加しても良い。これにより送信用超音波トランスデューサーから回り込んでくる音波をキャンセルすることができるため、より好ましい。

図５（ｃ）に示すように、蓋８が、音響部材１２に近接することにより、蓋８と音響部材１２との隙間を介して受信用の超音波トランスデューサーに音波が届くことになる。

このように、第２の仕切体１３は、直接的に受信側に振動させない空隙部９に設けられ、かつその空隙部９に設けられた第２の仕切体１３上には、反射しやすい音響部材１２が設けられているので、図５（ｂ）に示したように、超音波センサの上部に蓋８の有る状態では、送信用の超音波トランスデューサーからの音波が板状或いは鏡面状の蓋８が近づくことで受信用の超音波トランスデューサーに届くことになり、これにより、蓋８の閉じた状態が検出できる。

また、第２の仕切体１３が、音波を反射しにくい（吸収する）音響部材１２を有している場合は、音波が減衰するため、音の回り込みや残響振動を抑えることができる。さらに、送信側の第２の電極５ａ上に音波を吸収する音響部材（図示せず）を設けることで、空気の音響インピーダンスに近づけ、送信音圧がとりやすくなり、また、ダンピング効果により高周波側の振動を抑えることもできる。また、受信側の第２の電極５ｂ上に音波を吸収する音響部材（図示せず）を設けることで、空気の音響インピーダンスに近づけ、受信音圧がとりやすくなり、また、ダンピング効果により残響振動を抑えることができる。

図６（ａ）乃至（ｃ）は、本発明に係る近接超音波センサの実施例５を説明するための断面構成図で、図６（ａ）は、超音波センサの上部に蓋の無い状態を示す図で、図６（ｂ）は、超音波センサの上部に蓋の有る状態を示す図である。図面に向かって左側が送信側で右側が受信側を示している。また、図６（ｃ）は図６（ｂ）を横から見た板状或いは鏡面状の蓋と仕切体との関係を示す図である。なお、図５と同じ機能を有する構成要素には同一に符号を付してある。

この実施例５は、上述した実施例４における第２の仕切体１３を構成する音響部材１２の表面に溝１２ａを設けたものである。

図６（ｂ）に示したように、この溝付の第２の仕切体１３は、音響部材１２を有しているので横から回り込んできた音波を反射させるが、送信用の超音波トランスデューサーからの音波が、近接する板状或いは鏡面状の蓋８からの反射音として受信用の超音波トランスデューサーで受信できるようになり、蓋８が閉じた状態が検出できる。さらに、第１の電極３ｃと、第２の電極５ｃに、発信用超音波トランスデューサーと逆相または同相あるいは所定の位相角で駆動させるように電圧印加しても良い。これにより送信用超音波トランスデューサーから回り込んでくる音波をキャンセルすることができるため、より好ましい。

図６（ｃ）に示すように、音響部材１２の表面に溝１２ａが設けられているので、蓋８が、音響部材１２の表面に密接していても、この溝１２ａを介して受信用の超音波トランスデューサーに音波が届くことになる。条件によっては、必ずしも、音響部材１２の両端の盛り上がった部分は、蓋８にぴったり密着していなくても良い。

このように、溝付の第２の仕切体１３には、直接的に受信側に振動させない空隙部９を設け、かつその空隙部９に設けられた第２の仕切体１３上には反射しやすい音響部材１２が設けられているので、この音響部材１２は、空気の音響インピーダンスより高い値になり、また音波を反射しにくい（吸収しやすい）音響部材１２を設けた場合は、音波が減衰するため、音の回り込みや残響振動を抑えることができる。

また、場合によっては、蓋８側に音響部材（図示せず）を密着・取り付けて、蓋８が閉じられたときに、この音響部材と第２の電極５ｃが接する形態もある。

図７（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の超音波センサによる、送信用超音波トランスデューサーと受信用超音波トランスデューサーとの距離の変化とその受信状況を示した図で、図７（ａ）が最も近い距離で、〜１ｃｍ前後の距離、図７（ｂ）が中間距離で、〜３ｃｍ前後の距離、図７（ｃ）が最も遠い距離で、〜６ｃｍ前後の距離の場合を示している。この図からも明らかなように、送信用超音波トランスデューサーと受信用超音波トランスデューサーとが近接状態において受信出力が大きく、早くに、捉えられていることが分かる。これから、通常の酸化膜（ＳｉＯ₂）にて酸化膜が形成されたシリコン単結晶基板からなり、圧電膜に電気機械結合定数の高くないＡｌＮ（窒化アルミニウム）を適用し、また、電極には、既存の集積回路プロセスに親和する、安価なＡｌ（アルミニウム）やＷ（タングステン）を適用することにより、送信用の超音波トランスデューサーと受信用超音波トランスデューサーとが近接した状態が検出できるのが確認された。

本発明は、例えば、通常の酸化膜（ＳｉＯ₂）にて酸化膜が形成されたシリコン単結晶基板からなり、圧電膜にＡｌＮ（窒化アルミニウム）を適用し、また、電極には、通常のSi基板プロセスに親和する、安価なＡｌ（アルミニウム）やＷ（タングステン）を適用することにより、送信用超音波トランスデューサーと受信用超音波トランスデューサーとを空隙部を介して隣接して一体的に配置した近接超音波センサを提供するものである。必要に応じて、送受信の感度・タイミング等が目標範囲に収まるように、実施の形態・条件に合わせて、仕切りを調整して搭載すれば良い。

また、本発明は、既存の集積回路プロセスをそのまま適用可能とし、駆動に必要な電力がそれほど要らないことから、サイズ小型化や生産コスト低価格化が可能である。また、携帯電話の筐体の色や透明度などに依らず、折り畳み式開閉蓋やスライド式開閉蓋の開閉検出や、機器がオープン状態に相当する形態での、近接した人の顔や手などの検知に適用可能である。特に、赤外線センサの場合は、黒色は吸収され、光センサの場合は、透明なものは透過してしまうので、発信波が反射した後の信号受信が上手くできなかったというこれまでの問題点が解決される。また、プラスチック性の筐体や（折り畳み式やスライド式）蓋の表面を無電解鍍金にて一括鍍金処理するだけで、超音波反射領域が確保される。

１ シリコン基板
２ 支持層
３，３ａ，３ｂ、３ｃ 第１の電極
４，４ａ，４ｂ、４ｃ 圧電体層
５，５ａ，５ｂ、５ｃ 第２の電極
６，６ａ，６ｂ ダイアフラム領域
７ 幅狭な空隙部
８ 蓋
９ 幅広な空隙部
１１ 第１の仕切体
１２ 音響部材
１２ａ 溝
１３ 第２の仕切体

Claims (9)

1. シリコン基板と、該シリコン基板上に設けられた積層体とをそれぞれ有する送信用の超音波トランスデューサーと受信用の超音波トランスデューサーとを備えた近接超音波センサであって、
   前記積層体が、前記シリコン基板上に設けられた支持層と、該支持層上に設けられた第１の電極と、該第１の電極上に設けられた圧電体層と、該圧電体層上に設けられた第２の電極とから構成され、
   前記送信用の超音波トランスデューサーと前記受信用の超音波トランスデューサーとが、空隙部を介して隣接して一体的に配置されていることを特徴とする近接超音波センサ。
2. 前記空隙部で、かつ前記支持層上に、前記第１の電極と、前記圧電体層と、前記第２の電極とからなる第１の仕切体を設けたことを特徴とする請求項１に記載の近接超音波センサ。
3. 前記送信用の超音波トランスデューサーに用いられる第２の電極又は前記受信用の超音波トランスデューサーに用いられる第２の電極に前記音響部材が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の近接超音波センサ。
4. 前記空隙部で、かつ前記支持層上に、前記第１の電極と、前記圧電体層と、前記第２の電極と、該第２の電極上に設けられ、前記送信用の超音波トランスデューサーから発信される音波を吸収または反射する音響部材とからなる第２の仕切体を設けたことを特徴とする請求項１に記載の近接超音波センサ。
5. 前記送信用の超音波トランスデューサーに用いられる第２の電極又は前記受信用の超音波トランスデューサーに用いられる第２の電極に前記音響部材が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の近接超音波センサ。
6. 前記第２の仕切体に溝が設けられたことを特徴とする請求項４又は５に記載の近接超音波センサ。
7. 前記第２の仕切体が、送信音波の位相に対して所定の位相で駆動されることを特徴とする請求項４，５又は６に記載の近接超音波センサ。
8. 前記圧電体層が、窒化アルミニウムからなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の近接超音波センサ。
9. 前記積層体が、マイクロマシンプロセスにより形成されたものであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の近接超音波センサ。

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