JP6618938B2 - トランスデューサおよびトランスデューサアレイ - Google Patents
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Description
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚さと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既に説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図1は、第1実施形態に係るトランスデューサを例示する断面図である。
図1に表されるように、第1実施形態に係るトランスデューサ1は、第1電極11と、第2電極12と、第3電極13と、第1圧電部21と、第2圧電部22と、保持部30と、基体31と、抵抗41と、インダクタ42と、を含む。
第1圧電部21の一部は、第1電極11および第3電極13の少なくともいずれかと第1方向において重なっていない。第2圧電部22の一部は、第2電極12および第3電極13の少なくともいずれかと第1方向において重なっていない。第1圧電部21と第2圧電部22は一体に形成され、その中に第3電極13が設けられていてもよい。
図2に表されるように、第1方向と交差する第2方向における第1電極11の長さL1、第2方向における第2電極12の長さL2、および第2方向における第3電極13の長さL3の少なくともいずれかは、第2方向における第1圧電部21の長さL4以下であり、第2方向における第2圧電部22の長さL5以下である。図1に表された例では、長さL3は、長さL1より長く、長さL2よりも長い。図2に表された例では、長さL4と長さL5が等しいが、これらの長さは異なっていても良い。スペースSPの第2方向における長さL6は、例えば、長さL1、長さL2、および長さL3のそれぞれよりも長い。長さL6は、保持部30同士の間の第2方向における距離でもある。
トランスデューサ1によって音波を受信する場合、トランスデューサ1が受信した音波によって振動することで、第1電極11と第3電極13との間に電圧が発生する。この電圧を第1電極11に接続される不図示の受信回路によって測定することで、音波を検出することができる。
トランスデューサ1は、特に、超音波の送信および受信に好適に用いられる。
図3は、参考例に係るトランスデューサを表す断面図である。
図4(a)は、参考例に係るトランスデューサの送信時の等価回路である。図4(b)は、参考例に係るトランスデューサの受信時の等価回路である。
図5(a)は、第1実施形態に係るトランスデューサの送信時の等価回路である。図5(b)は、図5(a)を変形して得られる第1実施形態に係るトランスデューサの送信時の等価回路である。
図6に表されたLCR並列共振回路のインピーダンスZは、以下の式(9)で表される。
図8は、第1実施形態に係るトランスデューサの特性を示すグラフである。
図7(a)は送受信感度の周波数特性を表すシミュレーション結果である。図7(b)は、パルス電圧を印加して音波を送信し、その反射波を受信した際の電圧波形を表している。図8(a)は、減衰比ζRが0.1の場合の送受信感度の周波数特性を表すシミュレーション結果であり、図8(b)は、減衰比ζRが0.5の場合の送受信感度の周波数特性を表すシミュレーション結果である。図7(a)、図8(a)、および図8(b)では、共振周波数を300kHzとし、図2に表した長さL6を100〜1000μmまで変化させたときの結果を表している。
図9(a)は、帯域幅Δf/frの減衰比ζR(抵抗R)に対する依存性を示し、図9(b)は、Vmin/Vmaxの減衰比ζR(抵抗R)に対する依存性を示している。Vmin/Vmaxは、双峰性の度合いを表している。
図8(a)、図8(b)、図9(a)、および図9(b)は、屈曲振動子V(第1圧電部21および第2圧電部22)の第1共振周波数frとLCR並列共振回路の第2共振周波数f0が一致している場合の特性を表していた。図10(a)に、frとf0が一致していない場合の帯域幅Δf/frを示す。図10(a)に表されるように、frとf0が一致していない場合は、帯域幅が低下する。また、ζRが大きいほど、帯域幅の低下量が大きいことがわかる。
図11は、図10(a)および図10(b)に表されるデータを基に、帯域幅Δf/frを、帯域幅がfr=f0の場合の1/2(−6dB)となる|1−f0/fr|に対してプロットしたものである。
図11において、横方向に延びる実線は、ζR=0の場合(参考例に係るトランスデューサ1a)のデータを示している。
図12は、第2実施形態に係るトランスデューサアレイを例示する断面図である。
図12に表されるように、トランスデューサアレイ2は、複数の第1電極11と、複数の第2電極12と、複数の第3電極13と、複数の第1圧電部21と、複数の第2圧電部22と、保持部30と、抵抗41と、インダクタ42と、を含む。すなわち、トランスデューサアレイ2は、複数のトランスデューサ1を含む。
図13は、第3実施形態に係るトランスデューサを例示する断面図である。
図13に表されるように、トランスデューサ3は、第1電極11と、第2電極12と、第3電極13と、第1圧電部21と、保持部30と、抵抗41と、インダクタ42と、第1半導体部51と、第2半導体部52と、絶縁部53と、を含む。
図14は、第4実施形態に係るトランスデューサアレイを例示する断面図である。
図14に表されるように、トランスデューサアレイ4は、複数の第1電極11と、複数の第2電極12と、複数の第3電極13と、第1圧電部21と、抵抗41と、インダクタ42と、第1半導体部51と、第2半導体部52と、絶縁部53と、を含む。すなわち、トランスデューサアレイ4は、複数のトランスデューサ3を含む。
図15(a)は、第5実施形態に係る検査装置を例示する平面図である。図15(b)は、第5実施形態に係る検査装置を例示する断面図である。図15(c)は、第5実施形態に係る検査装置に含まれるトランスデューサアレイを拡大した平面図である。
Claims (16)
- 第1電極と、
抵抗およびインダクタが接続される第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に設けられた第3電極と、
前記第1電極と前記第3電極との間に設けられた第1圧電部と、
前記第2電極と前記第3電極との間に設けられた第2圧電部と、
基体であって、前記第2電極は前記基体と前記第2圧電部との間に設けられた、前記基体と、
空間を形成するように前記基体と前記第2圧電部の外縁との間に設けられた保持部と、
を備え、
前記第1圧電部および前記第2圧電部の機械的な第1共振周波数と、前記第2電極と前記第3電極との間の静電容量と、前記インダクタと、前記抵抗と、を含む並列共振回路の第2共振周波数と、の差の絶対値の前記第1共振周波数に対する比は、0.29以下であるトランスデューサ。 - 前記第1圧電部の一部は、前記第1電極から前記第2電極に向かう第1方向において、前記第1電極および前記第2電極の少なくともいずれかと重なっていない請求項1記載のトランスデューサ。
- 前記第2圧電部の一部は、前記第1電極から前記第2電極に向かう第1方向において、前記第3電極と重なっていない請求項1または2に記載のトランスデューサ。
- 前記第1方向と交差する第2方向における前記第3電極の長さは、前記第2方向における前記第1電極の長さよりも長い請求項2または3に記載のトランスデューサ。
- 前記第2方向における前記第3電極の前記長さは、前記第2方向における前記第2電極の長さよりも長い請求項4記載のトランスデューサ。
- 前記第1共振周波数と前記第2共振周波数との差の絶対値の、前記第1共振周波数に対する比は、0.017以下である請求項1〜5のいずれか1つに記載のトランスデューサ。
- 前記インダクタは、1.2ミリヘンリー以上12ミリヘンリー以下であり、
前記抵抗は、39キロオーム以下である請求項1〜6のいずれか1つに記載のトランスデューサ。 - 第1電極と、
第2方向において前記第1電極と離間し、抵抗およびインダクタが接続される第2電極と、
前記第2方向と交差する第1方向において前記第1電極および前記第2電極と離間した第3電極と、
前記第1方向において、前記第1電極と前記第3電極との間、および前記第2電極と前記第3電極との間に設けられた第1圧電部と、
弾性部材であって、前記第3電極は前記第1方向において前記第1圧電部と前記弾性部材との間に設けられた、前記弾性部材と、
基体であって、前記弾性部材は前記第3電極と前記基体との間に設けられた、前記基体と、
空間を形成するように前記基体と前記弾性部材の外縁との間に設けられた保持部と、
を備え、
前記第1圧電部および前記弾性部材の機械的な第1共振周波数と、前記第2電極と前記第3電極との間の静電容量と、前記インダクタと、前記抵抗と、を含む並列共振回路の第2共振周波数と、の差の絶対値の前記第1共振周波数に対する比は、0.29以下であるトランスデューサ。 - 前記第2電極は、前記第2方向と、前記第1方向および前記第2方向と交差する第3方向と、に沿って、前記第1電極の周りに設けられた請求項8記載のトランスデューサ。
- 前記弾性部材は、第1半導体部を含む請求項8または9に記載のトランスデューサ。
- 前記保持部は、
第2半導体部と、
前記第1方向において前記第2半導体部と前記第1半導体部の外縁との間に設けられた第1絶縁部と、
をさらに備えた請求項10記載のトランスデューサ。 - 前記第1半導体部および前記第2半導体部はシリコンを含み、
前記第1絶縁部は酸化シリコンを含む請求項11記載のトランスデューサ。 - 前記第1共振周波数と前記第2共振周波数との差の絶対値の、前記第1共振周波数に対する比は、0.017以下である請求項8〜12のいずれか1つに記載のトランスデューサ。
- 前記インダクタは、1.2ミリヘンリー以上12ミリヘンリー以下であり、
前記抵抗は、39キロオーム以下である請求項8〜13のいずれか1つに記載のトランスデューサ。 - 100キロヘルツ以上、1メガヘルツ以下の周波数の空中超音波を発する請求項1〜14のいずれか1つに記載のトランスデューサ。
- 請求項1〜15のいずれか1つに記載の前記トランスデューサをN個備え、
前記複数の第2電極には、共通のインダクタおよび抵抗が接続され、
前記インダクタのインダクタンスは、1.2/Nミリヘンリー以上、12/Nミリヘンリー以下であり、
前記抵抗の抵抗値は、39/Nキロオーム以下であるトランスデューサアレイ。
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