②超高性能圧電微小超音波レンジファインダーの開発

圧電MEMS超音波トランスデューサ(pMUT)は，小型かつ低消費電力のレンジファインダーとして近年注目されており，ジェスチャーインターフェースやゲームコントローラの位置認識等への応用が期待されております。そして，より長距離でより正確な測距が可能なpMUTが求められております。これを実現するためには，pMUTに使われている圧電薄膜を高性能にする必要があります。では，どんな圧電薄膜が，pMUTの高性能につながるのでしょうか？

あらゆるセンサにおいて，信号雑音(SN)比は最も重要な性能の一つであり，高SN比を達成できる圧電薄膜が高性能といえます。そして，圧電薄膜の圧電定数と誘電率をそれぞれe_31,f，εとしたとき，pMUTのS/N比は，機械ノイズが支配的な場合はe_31,f²，電子回路ノイズが支配的な場合は(e_31,f²/ε)²に比例します。実際にはこれらのノイズは混在するので，両性能指数の高い圧電薄膜を用いれば，pMUTは高性能化されます。我々の開発したc軸配向Pb(Mn,Nb)O₃- Pb(Zr,Ti)O₃ (PMnN-PZT)エピタキシャル薄膜(e_31,f :－14.5 C/m², 比誘電率ε_r: 200~300)の両性能指数は極めて高く(図1)，超高性能pMUTレンジファインダーを創りだすことを約束しております。

そこで本研究では，これを用いたpMUTレンジファインダーを実際に試作し，その性能を評価しました。図2に，試作したpMUTレンジファインダーの概略図を示します。効率的な圧電駆動を実現するために，上部電極は2つに分けました。このデバイスの共振周波数，電気機械結合係数k²，機械的Qは，それぞれ約152kHz，6.4%，30でした。次に，このデバイスを2つ用意し，図3に示す実験系のもと，測距能を評価しました。送信側の上部電極の内側と外側には，それぞれ逆位相の駆動電圧を印可しました。一方，受信側は内側電極のみを使用し，チャージアンプで発生電荷を検出しました。SN比と測距距離の関係を図4に示します。閾値を12 dBとしたとき，1 V_p-pという小さな駆動電圧でも，最大測距距離2m以上を達成できました。デバイス構造や回路設計を最適化することで，さらなる高性能化が期待できます。このデバイスの素子は極めて小さいので，アレイ化による3Dイメージングや，ロボットやドローンに分散設置した衝突回避システムなどへの応用が期待されます。

引用：

第64回応用物理学会春季学術講演会 講演予稿集,(2017),16p-411-6 吉田 慎哉，周 朕，田中 秀治

“MONOCRYSTALLINE PMNN-PZT THIN FILM ULTRASONIC RANGEFINDER WITH 2 METER RANGE AT 1 VOLT DRIVE”,

The proceedings of Transducers 2017, (2017) 167-170 Zhen Zhou, Shinya Yoshida, and Shuji Tanaka