(57)【要約】  固定枠（２）は、外部の部材に固定される。超音波発振部（３）は、固定枠（２）内に配置され、可撓性を有する第１の基板と第１の基板上に薄膜形成された第１の圧電素子とで構成され、第１の圧電素子の伸縮により撓んで超音波を発生する。アクチュエータ部（４）は、第１の基板と固定枠（２）との間を接続し可撓性を有する第２の基板と、第２の基板上に薄膜形成された第２の圧電素子とで構成され、第２の圧電素子の伸縮により撓んで固定枠（２）に対して超音波発振部（３）を揺動させる。固定枠（２）、第１の基板及び第２の基板が同一の基板で構成されている。
2019065182.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部の部材に固定される固定枠と、
前記固定枠内に配置され、可撓性を有する第１の基板と前記第１の基板上に薄膜形成された第１の圧電素子とで構成され、前記第１の圧電素子の伸縮により撓んで超音波を発生する超音波発振部と、
前記第１の基板と前記固定枠との間を接続し可撓性を有する第２の基板と、前記第２の基板上に薄膜形成された第２の圧電素子とで構成され、前記第２の圧電素子の伸縮により撓んで前記固定枠に対して前記超音波発振部を揺動させるアクチュエータ部と、
を備え、
前記固定枠、前記第１の基板及び前記第２の基板が同一の基板で構成されている、
超音波センサ。
【請求項２】
前記固定枠と、前記超音波発振部と、前記アクチュエータ部と、が同一平面上に配置されている、
請求項１に記載の超音波センサ。
【請求項３】
前記アクチュエータ部は、
前記超音波発振部を、一軸方向に揺動させる、
請求項１又は２に記載の超音波センサ。
【請求項４】
前記アクチュエータ部は、
前記超音波発振部における第１の方向の両側にそれぞれ配置された線状の一対の部材であり、
前記一対の部材のそれぞれについて、
前記第２の基板が前記固定枠の内辺から前記第１の方向に交差する第２の方向に沿って延びる部分を有し、その部分に前記第２の方向に沿って伸縮する前記第２の圧電素子が薄膜形成され、前記一対の部材が、前記第２の圧電素子の伸縮により変形して前記超音波発振部を揺動させる、
請求項３に記載の超音波センサ。
【請求項５】
前記一対の部材それぞれの前記第２の方向に沿って延びた部分の長さは、
前記アクチュエータ部が接続された前記固定枠の内辺から前記第２の方向に関する前記超音波発振部の外縁の中点までの距離よりも長い、
請求項４に記載の超音波センサ。
【請求項６】
前記超音波発振部は円板状に形成され、
前記アクチュエータ部は、
前記超音波発振部を中心として第１の方向の両側に配置され、前記超音波発振部の外縁に沿って円弧状に延びる一対の部材で構成され、
前記一対の部材のそれぞれについて、
前記第２の基板は、前記固定枠の内縁から前記超音波発振部の外縁に沿って円弧状に延びており、前記第２の圧電素子は、前記第２の基板が延びた方向に沿って伸縮し、
前記一対の部材は、前記第２の圧電素子の伸縮により変形して前記超音波発振部を揺動させる、
請求項３に記載の超音波センサ。
【請求項７】
前記一対の部材のそれぞれは、
前記超音波発振部を中心として２回回転対称に配置されている、
請求項６に記載の超音波センサ。
【請求項８】
前記一対の部材のうちの一方の部材は、
前記超音波発振部の中心から見て前記第１の方向に直交する第２の方向に位置する第１の位置で、前記固定枠と接続し、
前記超音波発振部の中心から見て前記第１の位置の逆側に位置する第２の位置で、前記超音波発振部と接続し、
前記一対の部材のうちの他方の部材は、
前記超音波発振部の中心から見て前記第２の方向に位置する第３の位置で、前記固定枠と接続し、
前記超音波発振部の中心から見て前記第３の位置の逆側に位置する第４の位置で、前記超音波発振部と接続する、
請求項７に記載の超音波センサ。
【請求項９】
前記一対の部材における一方の部材と他方の部材とは、その延びた方向両端で互いに対向するように配置されており、対向する外辺が、前記超音波発振部の中心を通り前記第２の方向に延びる直線と交差している、
請求項８に記載の超音波センサ。
【請求項１０】
前記アクチュエータ部は、
前記超音波発振部を、二軸方向に揺動させる、
請求項１又は２に記載の超音波センサ。
【請求項１１】
前記アクチュエータ部は、
前記第２の基板の一部で構成される可動枠と、
前記固定枠と前記可動枠とを接続し、前記固定枠に対して前記可動枠を第１の回転軸まわりに揺動させる第１のアクチュエータと、
前記可動枠と前記超音波発振部とを接続し、前記可動枠に対して前記超音波発振部を前記第１の回転軸とは異なる第２の回転軸まわりに揺動させる第２のアクチュエータと、
を備える、
請求項１０に記載の超音波センサ。
【請求項１２】
前記第１のアクチュエータは、
前記可動枠における第１の方向の両側にそれぞれ配置された線状の一対の部材で構成され、その一対の部材それぞれについて、前記第２の基板が前記固定枠の内辺から前記第１の方向に交差する第２の方向に沿って延びる部分を有し、その部分に前記第２の方向に沿って伸縮する前記第２の圧電素子が薄膜形成され、前記第１のアクチュエータを構成する一対の部材が、前記第２の圧電素子の伸縮により前記第２の基板が変形して前記第１の回転軸まわりに前記可動枠を揺動させ、
前記第２のアクチュエータは、
前記超音波発振部における第２の方向の両側にそれぞれ配置された線状の一対の部材で構成され、その一対の部材それぞれについて、前記第２の基板が前記可動枠の内辺から前記第１の方向に沿って延びる部分を有し、その部分に前記第１の方向に沿って伸縮する前記第２の圧電素子が薄膜形成され、前記第２のアクチュエータを構成する一対の部材が、前記第２の圧電素子の伸縮により変形して前記第２の回転軸まわりに前記超音波発振部を揺動させる、
請求項１１に記載の超音波センサ。
【請求項１３】
前記第１のアクチュエータの前記第２の方向に沿って延びた部分の長さは、
前記第１のアクチュエータが接続された前記固定枠の内辺から前記第２の方向に関する前記可動枠の外縁の中点までの距離よりも長い、
請求項１２に記載の超音波センサ。
【請求項１４】
前記第２のアクチュエータの前記第１の方向に沿って延びた部分の長さは、
前記第２のアクチュエータが接続された前記可動枠の内辺から前記第１の方向に関する前記超音波発振部の外縁の中点までの距離よりも長い、
請求項１２又は１３に記載の超音波センサ。
【請求項１５】
前記超音波発振部が円板状に形成され、前記可動枠は前記超音波発振部と同心の円環状に形成され、
前記第１のアクチュエータは、前記超音波発振部を中心として第１の方向の両側に配置され、前記可動枠の外縁に沿って円弧状に延びる一対の部材で構成され、前記一対の部材のそれぞれについて、前記第２の基板は、前記固定枠の内縁から前記可動枠の外縁に沿って円弧状に延びており、前記第２の圧電素子は、前記第２の基板が延びた方向に沿って伸縮し、前記第１のアクチュエータを構成する前記一対の部材は、前記第２の圧電素子の伸縮により変形して前記第１の回転軸まわりに前記可動枠を揺動させ、
前記第２のアクチュエータは、前記超音波発振部を中心として前記第１の方向に直交する第２の方向の両側に配置され、前記超音波発振部の外縁に沿って円弧状に延びる一対の部材で構成され、前記一対の部材のそれぞれについて、前記第２の基板は、前記可動枠の内縁から前記超音波発振部の外縁に沿って円弧状に延びており、前記第２の圧電素子は、前記第２の基板が延びた方向に沿って伸縮し、前記第２のアクチュエータを構成する前記一対の部材は、前記第２の圧電素子の伸縮により変形して前記第２の回転軸まわりに前記超音波発振部を揺動させる、
請求項１１に記載の超音波センサ。
【請求項１６】
前記第１のアクチュエータを構成する前記一対の部材は、
前記超音波発振部を中心として２回回転対称に配置されており、
前記第２のアクチュエータを構成する前記一対の部材は、
前記超音波発振部を中心として２回回転対称に配置されている、
請求項１５に記載の超音波センサ。
【請求項１７】
前記第１のアクチュエータを構成する前記一対の部材のうちの一方の部材は、
前記超音波発振部の中心から見て前記第２の方向に位置する第１の位置で、前記固定枠と接続し、
前記超音波発振部の中心から見て前記第１の位置の逆側に位置する第２の位置で、前記可動枠と接続し、
前記第１のアクチュエータを構成する前記一対の部材のうちの他方の部材は、
前記超音波発振部の中心から見て前記第２の方向に位置する第３の位置で、前記固定枠と接続し、
前記超音波発振部の中心から見て前記第３の位置の逆側に位置する第４の位置で、前記可動枠と接続し、
前記第２のアクチュエータを構成する前記一対の部材のうちの一方の部材は、
前記超音波発振部の中心から見て前記第１の方向に位置する第５の位置で、前記可動枠と接続し、
前記超音波発振部の中心から見て、前記第５の位置の逆側に位置する第６の位置で、前記超音波発振部と接続し、
前記第２のアクチュエータを構成する前記一対の部材のうちの他方の部材は、
前記超音波発振部の中心から見て前記第１の方向に位置する第７の位置で、前記可動枠と接続し、
前記超音波発振部の中心から見て前記第７の位置の逆側に位置する第８の位置で、前記超音波発振部と接続する、
請求項１６に記載の超音波センサ。
【請求項１８】
前記第１のアクチュエータを構成する前記一対の部材における一方の部材と他方の部材とは、その延びた方向両端で互いに対向するように配置されており、対向する外辺が、前記超音波発振部の中心から見て前記第２の方向に延びる直線と交差している、
請求項１７に記載の超音波センサ。
【請求項１９】
前記第２のアクチュエータを構成する前記一対の部材における一方の部材と他方の部材とは、その延びた方向両端で互いに対向するように配置されており、対向する外辺が、前記超音波発振部の中心から見て前記第１の方向に延びる直線と交差している、
請求項１７又は１８に記載の超音波センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、チタン酸ジルコン酸鉛（lead zirconate titanate；ＰＺＴともいう。）から成る振動子を超音波の発振源（超音波発振素子）として用いる超音波センサが、微細加工による薄膜製造技術であるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術によって製造されることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２５６５７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の超音波センサでは、超音波発振素子による超音波の発振方向を制御するために、超音波発振素子を駆動するアクチュエータが必要になる。しかしながら、超音波発振素子は、薄膜で形成されているため、超音波発振素子にアクチュエータ部を取り付けるのは容易ではないことから、薄膜により形成された超音波発振素子を駆動するのが困難となっていた。【０００５】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、薄膜により形成された超音波発振素子の駆動を容易に実現することができる超音波センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の超音波センサは、
外部の部材に固定される固定枠と、
前記固定枠内に配置され、可撓性を有する第１の基板と前記第１の基板上に薄膜形成された第１の圧電素子とで構成され、前記第１の圧電素子の伸縮により撓んで超音波を発生する超音波発振部と、
前記第１の基板と前記固定枠との間を接続し可撓性を有する第２の基板と、前記第２の基板上に薄膜形成された第２の圧電素子とで構成され、前記第２の圧電素子の伸縮により撓んで前記固定枠に対して前記超音波発振部を揺動させるアクチュエータ部と、
を備え、
前記固定枠、前記第１の基板及び前記第２の基板が同一の基板で構成されている。【０００７】
この場合、前記固定枠と、前記超音波発振部と、前記アクチュエータ部と、が同一平面上に配置されている、
こととしてもよい。【０００８】
また、前記アクチュエータ部は、
前記超音波発振部を、一軸方向に揺動させる、
こととしてもよい。【０００９】
前記アクチュエータ部は、
前記超音波発振部における第１の方向の両側にそれぞれ配置された線状の一対の部材であり、
前記一対の部材のそれぞれについて、
前記第２の基板が前記固定枠の内辺から前記第１の方向に交差する第２の方向に沿って延びる部分を有し、その部分に前記第２の方向に沿って伸縮する前記第２の圧電素子が薄膜形成され、前記一対の部材が、前記第２の圧電素子の伸縮により変形して前記超音波発振部を揺動させる、
こととしてもよい。【００１０】
前記一対の部材それぞれの前記第２の方向に沿って延びた部分の長さは、
前記アクチュエータ部が接続された前記固定枠の内辺から前記第２の方向に関する前記超音波発振部の外縁の中点までの距離よりも長い、
こととしてもよい。【００１１】
前記超音波発振部は円板状に形成され、
前記アクチュエータ部は、
前記超音波発振部を中心として第１の方向の両側に配置され、前記超音波発振部の外縁に沿って円弧状に延びる一対の部材で構成され、
前記一対の部材のそれぞれについて、
前記第２の基板は、前記固定枠の内縁から前記超音波発振部の外縁に沿って円弧状に延びており、前記第２の圧電素子は、前記第２の基板が延びた方向に沿って伸縮し、
前記一対の部材は、前記第２の圧電素子の伸縮により変形して前記超音波発振部を揺動させる、
こととしてもよい。【００１２】
前記一対の部材のそれぞれは、
前記超音波発振部を中心として２回回転対称に配置されている、
こととしてもよい。【００１３】
前記一対の部材のうちの一方の部材は、
前記超音波発振部の中心から見て前記第１の方向に直交する第２の方向に位置する第１の位置で、前記固定枠と接続し、
前記超音波発振部の中心から見て前記第１の位置の逆側に位置する第２の位置で、前記超音波発振部と接続し、
前記一対の部材のうちの他方の部材は、
前記超音波発振部の中心から見て前記第２の方向に位置する第３の位置で、前記固定枠と接続し、
前記超音波発振部の中心から見て前記第３の位置の逆側に位置する第４の位置で、前記超音波発振部と接続する、
こととしてもよい。【００１４】
前記一対の部材における一方の部材と他方の部材とは、その延びた方向両端で互いに対向するように配置されており、対向する外辺が、前記超音波発振部の中心を通り前記第２の方向に延びる直線と交差している、
こととしてもよい。【００１５】
前記アクチュエータ部は、
前記超音波発振部を、二軸方向に揺動させる、
こととしてもよい。【００１６】
前記アクチュエータ部は、
前記第２の基板の一部で構成される可動枠と、
前記固定枠と前記可動枠とを接続し、前記固定枠に対して前記可動枠を第１の回転軸まわりに揺動させる第１のアクチュエータと、
前記可動枠と前記超音波発振部とを接続し、前記可動枠に対して前記超音波発振部を前記第１の回転軸とは異なる第２の回転軸まわりに揺動させる第２のアクチュエータと、
を備える、
こととしてもよい。【００１７】
前記第１のアクチュエータは、
前記可動枠における第１の方向の両側にそれぞれ配置された線状の一対の部材で構成され、その一対の部材それぞれについて、前記第２の基板が前記固定枠の内辺から前記第１の方向に交差する第２の方向に沿って延びる部分を有し、その部分に前記第２の方向に沿って伸縮する前記第２の圧電素子が薄膜形成され、前記第１のアクチュエータを構成する一対の部材が、前記第２の圧電素子の伸縮により前記第２の基板が変形して前記第１の回転軸まわりに前記可動枠を揺動させ、
前記第２のアクチュエータは、
前記超音波発振部における第２の方向の両側にそれぞれ配置された線状の一対の部材で構成され、その一対の部材それぞれについて、前記第２の基板が前記可動枠の内辺から前記第１の方向に沿って延びる部分を有し、その部分に前記第１の方向に沿って伸縮する前記第２の圧電素子が薄膜形成され、前記第２のアクチュエータを構成する一対の部材が、前記第２の圧電素子の伸縮により変形して前記第２の回転軸まわりに前記超音波発振部を揺動させる、
こととしてもよい。【００１８】
前記第１のアクチュエータの前記第２の方向に沿って延びた部分の長さは、
前記第１のアクチュエータが接続された前記固定枠の内辺から前記第２の方向に関する前記可動枠の外縁の中点までの距離よりも長い、
こととしてもよい。【００１９】
前記第２のアクチュエータの前記第１の方向に沿って延びた部分の長さは、
前記第２のアクチュエータが接続された前記可動枠の内辺から前記第１の方向に関する前記超音波発振部の外縁の中点までの距離よりも長い、
こととしてもよい。【００２０】
前記超音波発振部が円板状に形成され、前記可動枠は前記超音波発振部と同心の円環状に形成され、
前記第１のアクチュエータは、前記超音波発振部を中心として第１の方向の両側に配置され、前記可動枠の外縁に沿って円弧状に延びる一対の部材で構成され、前記一対の部材のそれぞれについて、前記第２の基板は、前記固定枠の内縁から前記可動枠の外縁に沿って円弧状に延びており、前記第２の圧電素子は、前記第２の基板が延びた方向に沿って伸縮し、前記第１のアクチュエータを構成する前記一対の部材は、前記第２の圧電素子の伸縮により変形して前記第１の回転軸まわりに前記可動枠を揺動させ、
前記第２のアクチュエータは、前記超音波発振部を中心として前記第１の方向に直交する第２の方向の両側に配置され、前記超音波発振部の外縁に沿って円弧状に延びる一対の部材で構成され、前記一対の部材のそれぞれについて、前記第２の基板は、前記可動枠の内縁から前記超音波発振部の外縁に沿って円弧状に延びており、前記第２の圧電素子は、前記第２の基板が延びた方向に沿って伸縮し、前記第２のアクチュエータを構成する前記一対の部材は、前記第２の圧電素子の伸縮により変形して前記第２の回転軸まわりに前記超音波発振部を揺動させる、
こととしてもよい。【００２１】
前記第１のアクチュエータを構成する前記一対の部材は、
前記超音波発振部を中心として２回回転対称に配置されており、
前記第２のアクチュエータを構成する前記一対の部材は、
前記超音波発振部を中心として２回回転対称に配置されている、
こととしてもよい。【００２２】
前記第１のアクチュエータを構成する前記一対の部材のうちの一方の部材は、
前記超音波発振部の中心から見て前記第２の方向に位置する第１の位置で、前記固定枠と接続し、
前記超音波発振部の中心から見て前記第１の位置の逆側に位置する第２の位置で、前記可動枠と接続し、
前記第１のアクチュエータを構成する前記一対の部材のうちの他方の部材は、
前記超音波発振部の中心から見て前記第２の方向に位置する第３の位置で、前記固定枠と接続し、
前記超音波発振部の中心から見て前記第３の位置の逆側に位置する第４の位置で、前記可動枠と接続し、
前記第２のアクチュエータを構成する前記一対の部材のうちの一方の部材は、
前記超音波発振部の中心から見て前記第１の方向に位置する第５の位置で、前記可動枠と接続し、
前記超音波発振部の中心から見て、前記第５の位置の逆側に位置する第６の位置で、前記超音波発振部と接続し、
前記第２のアクチュエータを構成する前記一対の部材のうちの他方の部材は、
前記超音波発振部の中心から見て前記第１の方向に位置する第７の位置で、前記可動枠と接続し、
前記超音波発振部の中心から見て前記第７の位置の逆側に位置する第８の位置で、前記超音波発振部と接続する、
こととしてもよい。【００２３】
前記第１のアクチュエータを構成する前記一対の部材における一方の部材と他方の部材とは、その延びた方向両端で互いに対向するように配置されており、対向する外辺が、前記超音波発振部の中心から見て前記第２の方向に延びる直線と交差している、
こととしてもよい。【００２４】
前記第２のアクチュエータを構成する前記一対の部材における一方の部材と他方の部材とは、その延びた方向両端で互いに対向するように配置されており、対向する外辺が、前記超音波発振部の中心から見て前記第１の方向に延びる直線と交差している、
こととしてもよい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、固定枠と、超音波発振部を構成する第１の基板と、超音波発振部を揺動させるアクチュエータ部を構成する第２の基板とが、同一の基板で構成されているので、薄膜により形成された超音波発振素子の駆動を容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の形態１に係る超音波センサを表側から見た斜視図である。
【図２】図１の超音波センサを裏側から見た斜視図である。
【図３】図１の超音波センサの一部の積層構造を示す模式図である。
【図４Ａ】超音波発振部の動作（その１）を示す図である。
【図４Ｂ】超音波発振部の動作（その２）を示す図である。
【図４Ｃ】超音波発振部の動作（その３）を示す図である。
【図５Ａ】圧電素子の動作（その１）を示す図である。
【図５Ｂ】圧電素子の動作（その２）を示す図である。
【図５Ｃ】圧電素子の動作（その３）を示す図である。
【図６Ａ】アクチュエータ部の動作（その１）を示す断面図である。
【図６Ｂ】アクチュエータ部の動作（その２）を示す断面図である。
【図６Ｃ】アクチュエータ部の動作（その３）を示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る超音波センサの構成を示す斜視図である。
【図８】図７の超音波センサを裏側から見た斜視図である。
【図９】図７の超音波センサの一部の積層構造を示す模式図である。
【図１０Ａ】アクチュエータ部の動作（その１）を示す断面図である。
【図１０Ｂ】アクチュエータ部の動作（その２）を示す断面図である。
【図１０Ｃ】アクチュエータ部の動作（その３）を示す断面図である。
【図１１】超音波センサの変形例（その１）を示す模式図である。
【図１２】超音波センサの変形例（その２）を示す模式図である。
【図１３】超音波センサの変形例（その３）を示す模式図である。
【図１４】超音波センサの変形例（その４）を示す模式図である。
【図１５】本発明の実施の形態３に係る超音波センサを表側から見た斜視図である。
【図１６】図１５の超音波センサを裏側から見た斜視図である。
【図１７】本発明の実施の形態３に係る超音波センサの動作を示す斜視図である。
【図１８】本発明の実施の形態４に係る超音波センサを表側から見た斜視図である。
【図１９】図１８の超音波センサを裏側から見た斜視図である。
【図２０】本発明の実施の形態４に係る超音波センサの動作を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
実施の形態１．
まず、本発明の実施の形態１について図面を参照して詳細に説明する。
【００２８】
図１に示すように、超音波センサ１００Ａは、全体として、基板上に形成される矩形平板状の装置である。超音波センサ１００Ａでは、基板の一例である半導体基板にスリットが形成されて、固定枠２と、超音波発振部３と、アクチュエータ部４とが区画形成されている。すなわち、固定枠２、超音波発振部３及びアクチュエータ部４は、同一の基板上に形成されている。なお、基板の他の例としては、ステンレス板が例示される。
【００２９】
固定枠２は、最も外周に配置された矩形平板状の枠体であり、外部の部材である不図示の基台に固定される。超音波発振部３は、固定枠２の枠内に配置された円板状の部材である。アクチュエータ部４は、固定枠２の枠内に設けられた一対の梁状の部材である。
【００３０】
ここで、超音波発振部３の重心位置を原点ＯとするＸＹＺ３次元直交座標系を規定する。このＸＹＺ座標系では、図１において、超音波発振部３に対してアクチュエータ部４が配置される方向をＸ軸方向とし、超音波センサ１００Ａの面内方向でＸ軸に直交する方向をＹ軸方向とし、超音波センサ１００Ａの面の法線方向をＺ軸方向とする。本実施の形態では、第１の方向がＸ軸に平行であり、第２の方向がＹ軸に平行である。
【００３１】
超音波発振部３は、＋Ｚ方向を進行方向とする超音波を発生する。アクチュエータ部４は、超音波発振部３のＸ軸方向両側にそれぞれ配置された線状の一対の部材であり、固定枠２と超音波発振部３とを連結し、超音波発振部３を支持している。
【００３２】
図２に示すように、固定枠２の厚みに比べて、アクチュエータ部４の厚みは小さく設定されており、アクチュエータ部４は、少なくとも上下方向（Ｚ軸方向）に関して可撓性を有している。このため、アクチュエータ部４は、上方に反ったり、下方に反ったりして、所定の自由度の範囲内で、固定枠２に対して超音波発振部３を揺動させることができる。
【００３３】
図３に示すように、超音波センサ１００Ａは、Ａ層１Ａ、Ｂ層１Ｂ、Ｃ層１Ｃがこの順に積層された積層構造を有している。固定枠２、超音波発振部３及びアクチュエータ部４は、Ａ層１Ａ、Ｂ層１Ｂ、Ｃ層１Ｃの３層構造を含んでいる。
【００３４】
また、超音波発振部３及びアクチュエータ部４では、Ｃ層１Ｃ上にＤ層１Ｄが設けられている。Ａ層１Ａ、Ｂ層１Ｂ、Ｃ層１Ｃ及びＤ層１Ｄの４層は、平面形状（図１に示す形状）を有している。
【００３５】
Ａ層１Ａは、他の各層の支持基板となる基板層であり、その上面に形成されるＢ層１Ｂ、Ｃ層１Ｃ、Ｄ層１Ｄを支持することができる材質によって形成されている。ただし、アクチュエータ部４は、少なくとも上下方向（Ｚ軸方向）に関して可撓性を有している必要がある。すなわち、基板層としてのＡ層１Ａは、各アクチュエータ部４が必要な範囲内（超音波発振部３を、要求される角度で傾斜させるために必要な範囲内）で撓みを生じることができるよう、ある程度の可撓性を有する材料によって形成される。
【００３６】
本実施の形態では、シリコン基板によってＡ層１Ａが構成されている。より具体的には、Ａ層１Ａは、シリコンからなる支持層と、支持層の上に形成された二酸化シリコンのＢＯＸ層（二酸化ケイ素絶縁膜）と、ＢＯＸ層の上に形成されたシリコンからなる活性層の３層構造となっている。
【００３７】
本実施の形態では、Ａ層１Ａは、固定枠２の部分と、超音波発振部３を構成する第１の基板３Ａと、アクチュエータ部４を構成する第２の基板４Ａとに分かれている。
【００３８】
Ｂ層１Ｂは、圧電素子の下部電極層を構成する。また、Ｄ層１Ｄは、圧電素子の上部電極層を構成する。したがって、いずれも導電性材料によって形成される。
【００３９】
Ｃ層１Ｃは、圧電素子を構成し、圧電効果を呈する圧電材料によって構成される。例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）またはＫＮＮ（ニオブ酸カリウムナトリウム）の薄膜によってＣ層１Ｃが形成されている。本実施の形態では、圧電材料層（Ｃ層１Ｃ）を導電性材料層（Ｂ層１Ｂ及びＤ層１Ｄ）で挟んだサンドイッチ構造体によって圧電素子が構成される。Ｃ層１Ｃは、厚み方向に所定極性の電圧を印加すると、長手方向（厚み方向に直交する方向）に伸縮する性質を有する。
【００４０】
実際には、Ｄ層１Ｄは、超音波発振部３において設けられた上部電極層３Ｄと、アクチュエータ部４において設けられた上部電極層４Ｄと、検出用電極５Ｄとに分けられる。Ｃ層１Ｃ上には、Ｄ層１Ｄとして、他に配線が形成されているが、その図示は省略されている。
【００４１】
本実施の形態では、Ｂ層１Ｂ、Ｃ層１Ｃは、固定枠２の部分と、超音波発振部３の部分と、アクチュエータ部４の部分と、を有している。また、超音波発振部３においては、Ｂ層１Ｂが下部電極層３Ｂとなり、Ｃ層１Ｃが圧電材料層３Ｃとなり、Ｄ層１Ｄが上部電極層３Ｄとなる。下部電極層３Ｂ、圧電材料層３Ｃ及び上部電極層３Ｄで、第１の圧電素子（３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ）が構成される。また、アクチュエータ部４においては、Ｂ層１Ｂが下部電極層４Ｂとなり、Ｃ層１Ｃが圧電材料層４Ｃとなり、Ｄ層１Ｄが上部電極層４Ｄ又は検出用電極５Ｄとなる。下部電極層４Ｂ、圧電材料層４Ｃ及び上部電極層４Ｄで、第２の圧電素子（４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）が構成される。
【００４２】
超音波センサ１００Ａは、量産化に適した構造を有している。特に、超音波センサ１００Ａの製造には、半導体製造プロセスを利用したＭＥＭＳ素子の製造方法を適用することが可能である。超音波センサ１００Ａは、シリコン基板（Ａ層１Ａ：基板層）の上面に、白金層（Ｂ層１Ｂ：下部電極層）、ＰＺＴ層（Ｃ層１Ｃ：圧電材料層）、白金／金層（Ｄ層１Ｄ：下層部分は白金、上層部分は金からなる２層構造層）を順次堆積させて構成される。
【００４３】
４層の積層構造体を形成したら、Ｄ層１Ｄに対してパターニング処理を行ってＤ層１Ｄのみを残し、更に、Ａ層１Ａ、Ｂ層１Ｂ、Ｃ層１Ｃの３層からなる構造体の部分に対して、エッチングなどの方法で上下方向に貫通するスリットを形成する。また、アクチュエータ部４や超音波発振部３の下面側の一部分をエッチング等で除去すれば、超音波センサ１００Ａが完成する。
【００４４】
言い換えると、超音波センサ１００Ａにおいて、超音波発振部３は、Ａ層１Ａである第１の基板３Ａと、第１の基板３Ａ上に薄膜形成された第１の圧電素子（３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ）とで構成される。第１の基板３Ａは、その外周部分よりも第１の圧電素子（３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ）が設けられた内周部分において薄く構成されており、その内周部分は、可撓性を有する。超音波発振部３の内周部分は、第１の圧電素子（３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ）の伸縮により撓んで超音波を発生する。
【００４５】
また、アクチュエータ部４は、第２の基板４Ａと、第２の基板４Ａ上に薄膜形成された第２の圧電素子（４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）とで構成される。第２の基板４Ａは、第１の基板３Ａと固定枠２（Ａ層１Ａ）との間を接続する。アクチュエータ部４は、第２の圧電素子（４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）の伸縮により、撓んで固定枠２に対して超音波発振部３を揺動させる。
【００４６】
上述したように固定枠２、第１の基板３Ａ及び第２の基板４Ａは、同一の半導体基板で構成されている。また、固定枠２と、超音波発振部３と、アクチュエータ部４とは、同一平面上に配置されている。
【００４７】
さらに詳細には、図１及び図２に示すように、アクチュエータ部４は、３つの部分から構成されており、それぞれの部分を、アーム始端部４１と、アーム終端部４２と、アーム中継部４３としている。
【００４８】
アーム始端部４１は、固定枠２の内辺からＹ軸方向（第２の方向）に沿って延びている。アーム始端部４１は、超音波発振部３の外辺の中点Ｎを超えて直線状に延びている。アーム始端部４１の部分に、第２の圧電素子（４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）が薄膜形成されている。アクチュエータ部４は、第２の圧電素子（４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）の伸縮により変形して超音波発振部３を揺動させる。
【００４９】
アーム終端部４２は、一端が超音波発振部３の外辺の中点Ｎと接続され、アーム始端部４１と平行に延びている。アーム中継部４３は、Ｘ軸方向に沿って延び、アーム始端部４１の他端とアーム終端部４２の他端との間を連結する。また、アクチュエータ部４では、Ｙ軸方向に沿って延びた部分の長さは、アクチュエータ部４が接続された固定枠２の内辺からＹ軸方向に関する超音波発振部３の外縁の中点Ｎまでの距離よりも長くなっている。
【００５０】
アクチュエータ部４における一対の部材は、原点Ｏを中心として２回回転対称に配置されている。
【００５１】
本実施の形態では、アクチュエータ部４は、超音波発振部３を一軸方向（Ｘ軸まわりに）揺動させる。すなわち、アクチュエータ部４は、Ｘ軸方向における超音波発振部３の両側に配置され、圧電素子の伸縮により変形してＸ軸方向に沿った回転軸を中心に固定枠２に対して超音波発振部３を揺動させる。
【００５２】
次に、超音波センサ１００Ａの動作について説明する。
【００５３】
図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃは、超音波発振部３の動作を示す断面図である。図４Ａに示すように、第１の圧電素子（３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ）に電圧が与えられていない状態では、第１の圧電素子（３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ）は伸縮せず、第１の基板３Ａは水平のままとなっている。
【００５４】
上部電極層３Ｄ側が正、下部電極層３Ｂ側が負となるように、両電極層間に電圧を印加すると、圧電材料層３Ｃは長手方向（厚み方向に直交する方向）に伸びる。逆に、上部電極層３Ｄ側が負、下部電極層３Ｂ側が正となるように、両電極層間に電圧を印加すると、圧電材料層３Ｃは長手方向に縮む性質をもっている。伸縮の度合いは、印加する電圧値に応じた量になる。
【００５５】
したがって、図４Ｂに示すように、上部電極層３Ｄが正で、下部電極層３Ｂが負となる極性（以下、正極性と呼ぶ）の電圧を印加すると、第１の圧電素子（３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ）は長手方向に伸び、可撓性を有する第１の基板３Ａの上面側に、面方向に伸びる方向への応力が加わる。その結果、超音波発振部３は、上方が凸になるように反り返る。
【００５６】
これに対して、図４Ｃに示すように、上部電極層３Ｄが負で、下部電極層３Ｂが正となる極性（以下、負極性と呼ぶ）の電圧を印加すると、第１の圧電素子（３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ）は長手方向に縮み、可撓性を有する第１の基板３Ａの上面側に、面方向に縮む方向への応力が加わる。その結果、超音波発振部３は、下方が凸になるように反り返る。
【００５７】
このようにして、図４Ｂに示す状態と、図４Ｃに示す状態とを例えば２０ＫＨｚ以上の周波数で繰り返すように第１の圧電素子（３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ）を駆動して、超音波発振部３を振動させることにより超音波を発生させる。
【００５８】
もちろん、上部電極層３Ｄ側が正、下部電極層３Ｂ側が負となるように、両電極層間に電圧を印加すると、圧電材料層３Ｃが長手方向に縮む一方で、上部電極層３Ｄ側が負、下部電極層３Ｂ側が正となるように、両電極層間に電圧を印加すると、長手方向に伸びる性質を有するような圧電材料層３Ｃを用いても構わない。この場合、正極性の電圧を印加すると、下方が凸になるように反り返り、負極性の電圧を印加すると、上方が凸になるように反り返る。
【００５９】
いずれにしても、上部電極層３Ｄと下部電極層３Ｂとの間に、所定極性の電圧を印加することにより、図４Ｂ又は図４Ｃに示す変形を生じさせることができる。なお、圧電素子を構成する材料によって（例えば、バルク、薄膜によって）、分極作用が異なるので、電圧の極性と伸縮の関係とが上述とは逆になる場合がある。
【００６０】
続いて、アクチュエータ部４の動作について説明する。
【００６１】
図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃは、アクチュエータ部４の動作を示す断面図である。図５Ａに示すように、第２の圧電素子（４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）に電圧が与えられてない状態では、第２の圧電素子（４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）は伸縮せず、アクチュエータ部４のアーム始端部４１は水平となっている。
【００６２】
上部電極層４Ｄ側が正、下部電極層４Ｂ側が負となるように、両電極層間に電圧を印加すると、圧電材料層４Ｃは長手方向（厚み方向に直交する方向）に伸びる。逆に、上部電極層４Ｄ側が負、下部電極層４Ｂ側が正となるように、両電極層間に電圧を印加すると、圧電材料層４Ｃは長手方向に縮む性質をもっている。伸縮の度合いは、印加する電圧値に応じた量になる。
【００６３】
したがって、図５Ｂに示すように、上部電極層４Ｄが正で、下部電極層４Ｂが負となる極性（以下、正極性と呼ぶ）の電圧を印加すると、第２の圧電素子（４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）は長手方向に伸び、可撓性を有する第２の基板４Ａの上面側に、面方向（Ｙ軸に沿った方向）に伸びる方向への応力が加わる。その結果、アクチュエータ部４のアーム始端部４１は、上方が凸になるように反り返る。
【００６４】
これに対して、図５Ｃに示すように、上部電極層４Ｄが負で、下部電極層４Ｂが正となる極性（以下、負極性と呼ぶ）の電圧を印加すると、第２の圧電素子（４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）は長手方向に縮み、可撓性を有する第２の基板４Ａの上面側に、面方向に縮む方向への応力が加わる。その結果、アクチュエータ部４のアーム始端部４１は、下方が凸になるように反り返る。
【００６５】
電極間に印加される電圧と伸縮する方向との関係等は、超音波発振部３での説明と同じである。
【００６６】
図１に戻り、検出用電極５Ｄは、アクチュエータ部４の変位を検出するために設けられている。検出用電極５Ｄは、配線のため、アクチュエータ部４の幅よりも幅が狭くなるように形成されている。
【００６７】
検出用電極５Ｄは、アクチュエータ部４と固定枠２とが接続する部分に設けられている。これらの部分では、アクチュエータ部４の変形が大きくなる。したがって、これらの場所に検出用電極５Ｄを配設することにより、アクチュエータ部４の変位を安定して検出することができる。
【００６８】
超音波発振部３は、固定枠２に対して、アクチュエータ部４を介して接続されており、アクチュエータ部４によって、基台から浮いた宙吊り状態で支持されている。したがって、アクチュエータ部４が上方もしくは下方に反り返ると、宙吊り状態で支持されている超音波発振部３は、Ｘ軸まわり、すなわちＹ軸方向に傾斜する。
【００６９】
図６Ａに示すように、アクチュエータ部４の第２の圧電素子（４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）に電圧が加えられていない場合には、超音波発振部３は、アクチュエータ部４を介して基台（固定点）の上方に水平姿勢のまま支持されている。白い三角形は、超音波発振部３の重心Ｇを示す。重心Ｇは、座標系の原点Ｏと一致している。この場合、超音波発振部３は、＋Ｚ方向に超音波を発振する。
【００７０】
アクチュエータ部４のアーム始端部４１が上方に凸になるように反り返ると、アクチュエータ部４全体が、＋Ｙ端が下がるように傾斜するようになる。これにより、図６Ｂに示すように、超音波発振部３を、その＋Ｙ端が最も下がるように傾斜させることができる。この場合、超音波発振部３は、＋Ｚ方向から＋Ｙ側に傾斜する方向に超音波を発振する。
【００７１】
アクチュエータ部４のアーム始端部４１が下方に凸になるように反り返ると、アクチュエータ部４全体が、−Ｙ端が下がるように傾斜するようになる。これにより、図６Ｃに示すように、超音波発振部３を、その−Ｙ端が最も下がるように傾斜させることができる。この場合、超音波発振部３は、＋Ｚ方向から−Ｙ側に傾斜する方向に超音波を発振する。
【００７２】
＋Ｘ側のアクチュエータ部４の圧電素子及び−Ｘ側のアクチュエータ部４の圧電素子には、それぞれ負極性の電圧が加えられる。これにより、固定枠２に対して、超音波発振部３をＸ軸まわりに揺動させることができる。
【００７３】
傾斜の度合いは、印加する電圧値に応じた量になる。したがって、印加する電圧の極性および値を調整すれば、超音波発振部３のＸ軸方向への傾斜角度を任意に調整することが可能になる。
【００７４】
なお、この実施の形態では、固定枠２内に、アクチュエータ部４及び超音波発振部３を配置した構造を採用している。アクチュエータ部４及び超音波発振部３は、変位を生じる可動構成要素であるため、外部物体と接触することは避けた方がよい。この点、固定枠２のように枠状であれば、可動構成要素を内部に囲い込むことができるので、可動構成要素を外部物体との接触から保護できる。
【００７５】
以上詳細に説明したように、本実施の形態によれば、固定枠２と、超音波発振部３を構成する第１の基板３Ａと、超音波発振部３を揺動させるアクチュエータ部４を構成する第２の基板４Ａとが、同一の半導体基板で構成されている。これにより、超音波発振部３を外部の駆動部に取り付ける必要がなくなるので、薄膜により形成された超音波発振部３の駆動を容易に実現することができる。
【００７６】
また、本実施の形態によれば、固定枠２と、超音波発振部３と、アクチュエータ部４とが、同一平面内に配置されている。このため、超音波センサ１００Ａを小型化、薄膜化することができる。
【００７７】
また、本実施の形態によれば、アクチュエータ部４は、超音波発振部３を、一軸方向に揺動させる。このようにすれば、超音波を広い範囲に送信することができる。
【００７８】
また、本実施の形態によれば、一対の部材であるアクチュエータ部４を、Ｙ軸方向に伸縮する第２の圧電素子（４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）を有し、第２の圧電素子（４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）の伸縮により変形して、超音波発振部３を揺動させるものとした。このようにすれば、アクチュエータ部４を、極めて小型なものとすることができる。
【００７９】
また、本実施の形態によれば、アクチュエータ部４で第２の圧電素子（４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）が形成されたアーム始端部４１の長さを、固定枠２の内辺から超音波発振部３の外縁の中点Ｎまでの距離よりも長くしている。これにより、超音波発振部３が揺動する角度を大きくすることができる。
【００８０】
また、固定枠２については、矩形状に限られるものではなく、例えば楕円状、多角形状であってもよい。また、超音波発振部３については、円形状に限られるものではなく、楕円状、多角形状であってもよい。
【００８１】
また、アクチュエータ部４は、超音波発振部３の外辺の中点Ｎに接続されているので、ＸＹ方向以外のモーメントが超音波発振部３に殆ど働かず、超音波発振部３の振動がいずれかの方向に偏らず捩じれないようにすることができる。また、アクチュエータ部４については、簡素な構成として、超音波発振部３を小型化することができる。
【００８２】
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。
【００８３】
図７及び図８に示すように、本実施の形態２に係る超音波センサ１００Ｂは、アクチュエータ部４の構成が、上記実施の形態１と異なる。アクチュエータ部４は、Ｘ軸まわりだけでなく、Ｙ軸まわりにも、超音波発振部３を揺動させる。本実施の形態に係る超音波センサ１００Ｂでは、アクチュエータ部４は、超音波発振部３を、二軸方向に揺動させる。
【００８４】
本実施の形態では、アクチュエータ部４は、第１のアクチュエータ１４Ａと、可動枠１４Ｂと、第２のアクチュエータ１４Ｃと、を備える。
【００８５】
第１のアクチュエータ１４Ａは、固定枠２と可動枠１４Ｂとの間であって、Ｘ軸方向における可動枠１４Ｂの両側に設けられている。第１のアクチュエータ１４Ａは、固定枠２と可動枠１４Ｂとを接続し、固定枠２に対して可動枠１４ＢをＸ軸（第１の回転軸）まわりに揺動させる。この第１のアクチュエータ１４Ａの構成は、上記実施の形態１に係るアクチュエータ部４の構成とほぼ同じである。
【００８６】
可動枠１４Ｂは、第２の基板４Ａの一部で構成される矩形状の枠である。可動枠１４Ｂは、固定枠２内に配置され、超音波発振部３を囲むように配置されている。
【００８７】
第２のアクチュエータ１４Ｃは、可動枠１４Ｂと、超音波発振部３との間であって、Ｙ軸方向における超音波発振部３の両側に設けられている。第２のアクチュエータ１４Ｃは、可動枠１４Ｂと超音波発振部３とを接続し、可動枠１４Ｂに対して超音波発振部３をＹ軸（第２の回転軸）まわりに揺動させる。
【００８８】
本実施の形態２に係る超音波センサ１００Ｂにおいても、固定枠２、超音波発振部３、アクチュエータ部４（第１のアクチュエータ１４Ａ、可動枠１４Ｂ、第２のアクチュエータ１４Ｃ）は、図９に示すように、それぞれＡ層１Ａ、Ｂ層１Ｂ、Ｃ層１Ｃの３層構造を含んでいる。図８に示すように、固定枠２及び可動枠１４Ｂの厚みに比べて、第１のアクチュエータ１４Ａ、第２のアクチュエータ１４Ｃの厚みは小さく設定されており、第１のアクチュエータ１４Ａ、第２のアクチュエータ１４Ｃの下方には空隙が形成されている。これにより、第１のアクチュエータ１４Ａ、第２のアクチュエータ１４Ｃは、変形可能となっている。なお、第１のアクチュエータ１４Ａ、第２のアクチュエータ１４Ｃの厚みを小さくするための手段としては、Ａ層１Ａを構成する３層（支持層、ＢＯＸ層、活性層）のうち、支持層の一部を除去することが例示される。
【００８９】
各部の構成についてより具体的に説明する。アクチュエータ部４において、第１のアクチュエータ１４Ａは、可動枠１４ＢにおけるＸ軸方向の両側にそれぞれ配置された線状の一対の部材で構成される。そして、第１のアクチュエータ１４Ａは、その一対の部材それぞれについて、第２の基板４Ａが固定枠２の内辺からＹ軸方向に沿って延びる部分を有している。第１のアクチュエータ１４Ａは、その部分にＹ軸方向に沿って伸縮する第２の圧電素子（４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）が薄膜形成され、第２の圧電素子（４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）の伸縮により第２の基板４Ａが変形してＸ軸まわりに可動枠１４Ｂを揺動させる。また、第１のアクチュエータ１４ＡのＹ軸方向に沿って延びた部分の長さは、第１のアクチュエータ１４Ａが接続された固定枠２の内辺からＹ軸方向に関する可動枠１４Ｂの外縁の中点Ｎまでの距離よりも長くなっている。
【００９０】
第２のアクチュエータ１４Ｃは、３つの部分から構成されており、それぞれの部分を、アーム始端部５１と、アーム終端部５２と、アーム中継部５３としている。
【００９１】
アーム始端部５１は、可動枠１４Ｂの内辺からＸ軸方向（第１の方向）に沿って延びている。アーム始端部５１は、超音波発振部３の外縁の中点Ｍを超えて直線状に延びている。アーム始端部５１の部分に、第２の圧電素子（４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）が薄膜形成されている。アクチュエータ部４は、第２の圧電素子（４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）の伸縮により変形して超音波発振部３を揺動させる。
【００９２】
アーム終端部５２は、一端が超音波発振部３の外縁の中点Ｍと接続され、アーム始端部５１と平行に延びている。アーム中継部５３は、Ｙ軸方向に沿って延び、アーム始端部５１の他端とアーム終端部５２の他端との間を連結する。このように、アクチュエータ部４では、Ｘ軸方向に沿って延びた部分の長さは、可動枠１４Ｂの内辺からＸ軸方向に関する超音波発振部３の外縁の中点Ｍまでの距離よりも長くなっている。
【００９３】
第２のアクチュエータ１４Ｃの第２の圧電素子（４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）に、電圧が加えられていない場合には、図１０Ａに示すように、超音波発振部３は、水平姿勢のまま第２のアクチュエータ１４Ｃを介して可動枠１４Ｂ（図７参照）に支持されている。白い三角形は、超音波発振部３の重心Ｇを示す。重心Ｇは、座標系の原点Ｏと一致している。この場合、超音波の進行方向は＋Ｚ方向となる。
【００９４】
アーム始端部５１が上方に凸になるように反り返ると、第２のアクチュエータ１４Ｃ全体が、＋Ｘ端が下がるように傾斜するようになる。これにより、図１０Ｂに示すように、超音波発振部３を、その＋Ｘ端が最も下がるように傾斜させることができる。この場合、超音波の進行方向は、＋Ｘ側に傾斜した方向となる。
【００９５】
アーム始端部５１が下方に凸になるように反り返ると、第２のアクチュエータ１４Ｃ全体が、−Ｘ端が下がるように傾斜するようになる。これにより、図１０Ｃに示すように、超音波発振部３を、その−Ｘ端が最も下がるように傾斜させることができる。この場合、超音波の進行方向は、−Ｘ側に傾斜した方向となる。
【００９６】
一対の第２のアクチュエータ１４Ｃにおいて、＋Ｙ側の圧電素子と−Ｙ側の圧電素子との間には、それぞれ負極性の電圧が加えられる。これにより、可動枠１４Ｂに対して、超音波発振部３をＹ軸まわりに揺動させることができる。
【００９７】
傾斜の度合いは、印加する電圧値に応じた量になる。したがって、印加する電圧の極性および値を調整すれば、超音波発振部３のＹ軸方向への傾斜角度を任意に調整することが可能になる。
【００９８】
このように、超音波センサ１００Ｂは、Ｘ軸に沿って延びたアーム始端部５１を有しており、その上面もしくは下面には、それぞれ所定極性の電圧を印加することによりＸ軸方向に沿って伸縮する第２の圧電素子（４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）が固着されている。そのため、第２の圧電素子（４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）に電圧を印加して、第２の圧電素子（４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）を伸縮させれば、超音波発振部３をより大きくＸ軸方向に傾斜させる（Ｙ軸まわりに回転させる）ことができる。このため、Ｙ軸まわりに関して、十分な変位角を確保することが可能になる。
【００９９】
検出用電極６Ｄは、第２のアクチュエータ１４Ｃと可動枠１４Ｂとが接続する部分に設けられている。これらの部分は、第２のアクチュエータ１４Ｃの変形が大きくなる場所である。したがって、これらの場所に検出用電極６Ｄを配設することにより、第２のアクチュエータ１４Ｃの変位を安定して検出することができる。
【０１００】
以上述べたように、本実施の形態によれば、アクチュエータ部４は、超音波発振部３を、二軸方向に揺動させる。このようにすれば、超音波をより広い範囲に送信することができる。
【０１０１】
また、本実施の形態によれば、アクチュエータ部４を、超音波発振部３をＸ軸まわりに揺動する第１のアクチュエータ１４Ａと、可動枠１４Ｂと、超音波発振部３をＹ軸まわりに揺動する第２のアクチュエータ１４Ｃとで構成した。このようにすれば、超音波発振部３を二軸方向に揺動させるアクチュエータ部４の構成を、極めて小型なものとすることができる。
【０１０２】
また、本実施の形態によれば、一対の部材である第１のアクチュエータ１４Ａ、第２のアクチュエータ１４Ｃを、Ｘ，Ｙ軸方向に伸縮する第２の圧電素子（４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）を有し、第２の圧電素子（４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）の伸縮により変形して、超音波発振部３を揺動させるものとした。このようにすれば、アクチュエータ部４を、極めて小型なものとすることができる。
【０１０３】
また、本実施の形態によれば、第１のアクチュエータ１４Ａ、第２のアクチュエータ１４Ｃにおいて、第２の圧電素子（４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）が形成されたアーム始端部４１、５１の長さを、固定枠２の内辺から可動枠１４Ｂの外縁の中点Ｎまでの距離、可動枠１４Ｂの内辺から超音波発振部３の外縁の中点Ｍまでの距離よりも長くしている。これにより、超音波発振部３が揺動する角度を二軸方向に大きくすることができる。
【０１０４】
また、本実施の形態によれば、第１のアクチュエータ１４Ａ、第２のアクチュエータ１４Ｃの長さにより、第１のアクチュエータ１４Ａの駆動周波数と第２のアクチュエータ１４Ｃの駆動周波数との比率を所望の値に設定できる。よって、本実施の形態２の超音波センサ１００Ｂによれば、駆動周波数の最適化と小型化とを実現することができる。
【０１０５】
また、本実施の形態２では、第１のアクチュエータ１４Ａ同士が、超音波発振部３の原点Ｏを中心として２回回転対称に配置されている。また、第２のアクチュエータ１４Ｃ同士が、超音波発振部３を中心として２回回転対称に配置されている。そして、アーム始端部４１において固定枠２と接続される一端から他端へ向かう向きと、アーム始端部５１において可動枠１４Ｂと接続される一端から他端へ向かう向きとが、原点Ｏを中心とする回転方向に関して同じになっている。
【０１０６】
なお、第２のアクチュエータ１４Ｃの向きが異なっていてもよい。すなわち、アーム始端部４１の、固定枠２と接続された一端から他端へ向かう向きと、アーム始端部５１の、可動枠１４Ｂと接続された一端から他端へ向かう向きとが、原点Ｏを中心とする回転方向に関して逆向きとなっていてもよい。
【０１０７】
例えば、本実施の形態２に係る超音波センサ１００Ｂで超音波の二次元走査を行った場合に、超音波の進行方向に偏りが生じる場合には、代わりに第２のアクチュエータ１４Ｃの向きが異なる超音波センサ１００Ｂを用いることにより、超音波の進行方向の偏りが矯正される場合がある。このような場合には、第２のアクチュエータ１４Ｃが逆向きとなる超音波センサ１００Ｂを採用することが解決手段として考えられる。
【０１０８】
上述した二次元走査による画像の歪みを矯正する方法には、他に種々な方法がある。例えば、可動枠１４Ｂに重りを付けることにより、可動枠１４Ｂ及び超音波発振部３の揺動状態の軸ずれを補正して、超音波の進行方向を矯正するようにしてもよい。
【０１０９】
なお、重りを付けるのは、可動枠１４Ｂに限定されない。例えば、重りを、超音波発振部３に付けてもよい。或いは、重りを、第１、第２のアクチュエータ１４Ａ，１４Ｃの両方、或いは一方につけてもよい。
【０１１０】
上記実施の形態に係る超音波センサ１００Ａ，１００Ｂは、各種機器に組み込んで使用することが可能である。超音波を走査し、その受信状態から障害物を検知する、ドローンやお掃除ロボット等に組み込まれる超音波センサを実現することができる。
【０１１１】
また、アクチュエータ部４の形状は、上記各実施の形態にものには限られない。例えば、図１１に示す超音波センサ１００Ｃのように、アクチュエータ部４は、メアンダ状に形成されていてもよい。また、図１２に示す超音波センサ１００Ｄのように、アクチュエータ部４は、超音波発振部３の角部に接続するようにしてもよい。さらには、図１３に示す超音波センサ１００Ｅ及び図１４に示す超音波センサ１００Ｆのように、アクチュエータ部４はＬ字型に折れ曲がっていてもよい。
【０１１２】
上記実施の形態では、アーム始端部４１，５１に形成された第２の圧電素子（４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）が伸縮する構成であったが、これに限られるものではない。アーム始端部４１，５１に形成された第２の圧電素子（４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）の伸縮に加えて、アーム終端部４２，５２に形成された第２の圧電素子（４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）が伸縮する構成であってもよい。この構成の場合、アーム終端部４２，５２は、下部電極層４Ｂ、圧電材料層４Ｃ及び上部電極層４Ｄで形成される。
【０１１３】
このように、アクチュエータ部４において、どの部分を圧電素子で伸縮させるかについては、可動枠１４Ｂ及び超音波発振部３に要求される揺動状態に応じて、適宜設計可能である。
【０１１４】
実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について図面を参照して詳細に説明する。
【０１１５】
図１５、図１６に示すように、超音波センサ１０１Ａは、全体として、基板上に形成される円板状の装置である。超音波センサ１０１Ａでは、基板の一例である半導体基板にスリットが形成されて、固定枠２’と、超音波発振部３’と、アクチュエータ部４’とが区画形成されている。すなわち、固定枠２’、超音波発振部３’及びアクチュエータ部４’は、同一の基板上に形成されている。
【０１１６】
固定枠２’は、最も外周に配置された円環状の枠体である点が、上記各実施の形態に係る固定枠２と異なっている。超音波発振部３’は、固定枠２’の枠内に配置された円板状の部材である。固定枠２’と超音波発振部３’とは同心である。アクチュエータ部４’は、固定枠２’の枠内に設けられた一対の梁状の部材であり、超音波発振部３’の外縁に沿って円弧状に延びている。
【０１１７】
ここで、超音波発振部３’の重心位置を原点ＯとするＸＹＺ３次元直交座標系を規定する。このＸＹＺ座標系では、図１５、図１６において、超音波発振部３’に対してアクチュエータ部４’が配置される方向をＸ軸方向とし、超音波センサ１０１Ａの面内方向でＸ軸に直交する方向をＹ軸方向とし、超音波センサ１０１Ａの面の法線方向をＺ軸方向とする。
【０１１８】
超音波発振部３’は、＋Ｚ方向を進行方向とする超音波を発生する。アクチュエータ部４’は、超音波発振部３’を中心としてＸ軸方向（第１の方向）の両側にそれぞれ配置された一対の部材４Ｒ，４Ｌであり、固定枠２’と超音波発振部３’とを連結し、超音波発振部３’を支持している。
【０１１９】
図１６に示すように、固定枠２’の厚みに比べて、アクチュエータ部４’の厚みは小さく設定されており、アクチュエータ部４’は、少なくとも上下方向（Ｚ軸方向）に関して可撓性を有している。このため、アクチュエータ部４’は、上方に反ったり、下方に反ったりして、所定の自由度の範囲内で、固定枠２’に対して超音波発振部３’を揺動させることができる。
【０１２０】
超音波センサ１０１Ａは、超音波センサ１００Ａと同様に、Ａ層１Ａ、Ｂ層１Ｂ、Ｃ層１Ｃがこの順に積層された積層構造を有している。固定枠２’、超音波発振部３’及びアクチュエータ部４’が、Ａ層１Ａ、Ｂ層１Ｂ、Ｃ層１Ｃの３層構造を含んでいる点は、固定枠２，超音波発振部３及びアクチュエータ部４と同じである。また、アクチュエータ部４’を構成するＡ層１Ａを第２の基板４Ａとし、Ｂ層１Ｂ〜Ｄ層１Ｄを、第２の圧電素子（４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）とする点もアクチュエータ部４と同じである。この他、アクチュエータ部４’のＤ層１Ｄにより、検出用電極５Ｄが構成され、この部分で、アクチュエータ部４’の変位が検出される。
【０１２１】
アクチュエータ部４’の一対の部材４Ｒ，４Ｌのそれぞれについて、第２の基板４Ａは、固定枠２’の内縁から超音波発振部３’の外縁に沿って円弧状に延びている。また、第２の圧電素子（４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）は、第２の基板４Ａが延びた方向（円弧の方向）に沿って伸縮する。
【０１２２】
アクチュエータ部４’の一対の部材４Ｒ，４Ｌのそれぞれは、超音波発振部３’を中心として２回回転対称に配置されている。一対の部材４Ｒ，４Ｌのうちの一方の部材４Ｒは、超音波発振部３’の中心Ｏから見て第２の方向（Ｙ軸方向）に位置する第１の位置Ｐ１で、固定枠２’と接続する。また、さらに、一方の部材４Ｒは、超音波発振部３’の中心Ｏから見て第１の位置Ｐ１の逆側に位置する第２の位置Ｐ２で、超音波発振部３’と接続する。
【０１２３】
アクチュエータ部４’の一対の部材４Ｒ，４Ｌのうちの他方の部材４Ｌは、超音波発振部３’の中心Ｏから見て第２の方向（Ｙ軸方向）に位置する第３の位置Ｐ３で、固定枠２’と接続し、超音波発振部３’の中心Ｏから見て第３の位置Ｐ３の逆側に位置する第４の位置Ｐ４で、超音波発振部３’と接続する。
【０１２４】
アクチュエータ部４’の一対の部材における一方の部材４Ｒと他方の部材４Ｌとは、その延びた方向（円弧方向）両端で互いに対向するように配置されており、対向する外辺が、超音波発振部３’の中心Ｏを通り第２の方向（Ｙ軸方向）に延びる直線（Ｙ軸）と交差している。これにより、第１の位置Ｐ１、第２の位置Ｐ２、第３の位置Ｐ３、第４の位置Ｐ４を一直線上に配置することができる。この結果、一方の部材４Ｒによる超音波発振部３’の揺動方向と、他方の部材４Ｌによる超音波発振部３’の揺動方向をできるだけ一致させることができる。
【０１２５】
アクチュエータ部４’の一対の部材４Ｒ，４Ｌは、第２の圧電素子（４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）の伸縮により変形する。この変形により、図１７に示すように、第１の位置Ｐ１に対して第２の位置Ｐ２が＋Ｚ側に移動すると同時に、第３の位置Ｐ３に対して第４の位置Ｐ４が−Ｚ側に移動する。これにより、超音波発振部３’がＸ軸を半時計回りに回転する。その後、第１の位置Ｐ１に対して第２の位置Ｐ２が−Ｚ側に移動すると同時に、第３の位置Ｐ３に対して第４の位置Ｐ４が＋Ｚ側に移動する。これにより、超音波発振部３’がＸ軸を時計回りに回転する。アクチュエータ部４’の一対の部材４Ｒ，４Ｌがこのような動きを繰り返すことにより、超音波発振部３’がＸ軸周りに揺動する。なお、図１７では、上部電極層４Ｄ、検出用電極５Ｄの図示は省略されている。
【０１２６】
本実施の形態に係る超音波センサ１０１Ａによれば、アクチュエータ部４’を超音波発振部３’の外縁に沿った円弧状の部材とし、固定枠２’を円環状とすることで、固定枠２’、超音波発振部３’及びアクチュエータ部４’の隙間を少なくすることができるので、装置全体を小型化することができる。なお、固定枠２’の形状は円環状としたが、固定枠２’の内周形状がアクチュエータ部４’の外縁に沿った円弧形状であればよく、固定枠２’の外周形状は矩形状であってもよい。
【０１２７】
なお、アクチュエータ部４’の一対の部材４Ｒ，４Ｌは、中心Ｏに対して２回回転対称としたが、本発明はこれには限られない。一対の部材４Ｒ，４Ｌは、Ｙ軸に対して線対称であってもよい。
【０１２８】
なお、本実施の形態では、第１の位置Ｐ１、第２の位置Ｐ２、第３の位置Ｐ３、第４の位置Ｐ４は、Ｙ軸上にあるものとしたが、本発明はこれには限られない。アクチュエータ部４’により超音波発振部３’をＸ軸周りに揺動可能であれば、これらの位置は、Ｙ軸上になくてもよい。
【０１２９】
実施の形態４．
次に、本発明の実施の形態４について図面を参照して詳細に説明する。
【０１３０】
図１８及び図１９に示すように、本実施の形態４に係る超音波センサ１０１Ｂでは、アクチュエータ部４’の構成が、上記実施の形態３に係る超音波センサ１０１Ａと異なる。本実施の形態では、アクチュエータ部４’は、Ｘ軸まわりだけでなく、Ｙ軸まわりにも、超音波発振部３’を揺動させる。すなわち、本実施の形態に係る超音波センサ１０１Ｂでは、アクチュエータ部４’は、超音波発振部３’を、二軸方向に揺動させる。
【０１３１】
本実施の形態では、アクチュエータ部４’は、第１のアクチュエータ１４Ａ’と、可動枠１４Ｂ’と、第２のアクチュエータ１４Ｃ’と、を備える。本実施の形態では、超音波発振部３’が円板状に形成されている点は、上記実施の形態３と同じである。また、可動枠１４Ｂ’は、超音波発振部３’と同心の円環状に形成されている。
【０１３２】
第１のアクチュエータ１４Ａ’は、固定枠２’と可動枠１４Ｂ’との間であって、Ｘ軸方向における可動枠１４Ｂ’の両側に設けられている。第１のアクチュエータ１４Ａ’は、固定枠２’と可動枠１４Ｂ’とを接続し、固定枠２’に対して可動枠１４Ｂ’をＸ軸（第１の回転軸）まわりに揺動させる。この第１のアクチュエータ１４Ａ’の構成は、上記実施の形態３に係るアクチュエータ部４’の構成とほぼ同じである。
【０１３３】
可動枠１４Ｂ’は、第２の基板４Ａの一部で構成される円環状の枠である。可動枠１４Ｂ’は、固定枠２’内に配置され、超音波発振部３’を囲むように配置されている。
【０１３４】
第２のアクチュエータ１４Ｃ’は、可動枠１４Ｂ’と、超音波発振部３’との間であって、Ｙ軸方向における超音波発振部３’の両側に設けられている。第２のアクチュエータ１４Ｃ’は、可動枠１４Ｂ’と超音波発振部３’とを接続し、可動枠１４Ｂ’に対して超音波発振部３’をＹ軸（第２の回転軸）まわりに揺動させる。
【０１３５】
本実施の形態４に係る超音波センサ１０１Ｂにおいても、固定枠２’、超音波発振部３’、アクチュエータ部４’（第１のアクチュエータ１４Ａ’、可動枠１４Ｂ’及び第２のアクチュエータ１４Ｃ’）は、それぞれＡ層１Ａ、Ｂ層１Ｂ、Ｃ層１Ｃの３層構造（図９参照）を含んでいる。図１９に示すように、固定枠２’及び可動枠１４Ｂ’の厚みに比べて、第１のアクチュエータ１４Ａ’、第２のアクチュエータ１４Ｃ’の厚みは小さく設定されており、第１のアクチュエータ１４Ａ’、第２のアクチュエータ１４Ｃ’の下方には空隙が形成されている。これにより、第１のアクチュエータ１４Ａ’及び第２のアクチュエータ１４Ｃ’は、変形可能となっている。なお、第１のアクチュエータ１４Ａ’及び第２のアクチュエータ１４Ｃ’の厚みを小さくするための手段としては、Ａ層１Ａを構成する３層（支持層、ＢＯＸ層、活性層）のうち、支持層の一部を除去することが例示される。
【０１３６】
各部の構成についてより具体的に説明する。第１のアクチュエータ１４Ａ’は、超音波発振部３’を中心として第１の方向（Ｘ軸方向）の両側に配置され、可動枠１４Ｂ’の外縁に沿って円弧状に延びる一対の部材１４ＡＲ，１４ＡＬで構成される。第１のアクチュエータ１４Ａ’の一対の部材１４ＡＲ，１４ＡＬのそれぞれについて、第２の基板４Ａは、固定枠２’の内縁から可動枠１４Ｂ’の外縁に沿って円弧状に延びている。第２の圧電素子（４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）は、第２の基板４Ａが延びた方向（円弧方向）に沿って伸縮する。
【０１３７】
第２のアクチュエータ１４Ｃ’は、超音波発振部３’を中心として第１の方向（Ｘ軸方向）に直交する第２の方向（Ｙ軸方向）の両側に配置されている。第２のアクチュエータ１４Ｃ’は、超音波発振部３’の外縁に沿って円弧状に延びる一対の部材１４ＣＲ，１４ＣＬで構成されている。第２のアクチュエータ１４Ｃ’では、一対の部材１４ＣＲ，１４ＣＬのそれぞれについて、第２の基板４Ａは、可動枠１４Ｂ’の内縁から超音波発振部３’の外縁に沿って円弧状に延びており、第２の圧電素子（４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）は、第２の基板４Ａが延びた方向（円弧方向）に沿って伸縮する。
【０１３８】
第１のアクチュエータ１４Ａ’を構成する一対の部材１４ＡＲ，１４ＡＬは、超音波発振部３’を中心として２回回転対称に配置されており、第２のアクチュエータ１４Ｃ’を構成する一対の部材１４ＣＲ，１４ＣＬは、超音波発振部３’を中心として２回回転対称に配置されている。
【０１３９】
より具体的には、第１のアクチュエータ１４Ａ’を構成する一対の部材１４ＡＲ，１４ＡＬのうちの一方の部材１４ＡＲは、超音波発振部３’の中心から見て第２の方向（Ｙ軸方向）に位置する第１の位置Ｐ１で、固定枠２’と接続し、超音波発振部３’の中心から見て第１の位置Ｐ１の逆側に位置する第２の位置Ｐ２で、可動枠１４Ｂ’と接続する。第１のアクチュエータ１４Ａ’を構成する一対の部材１４ＡＲ，１４ＡＬのうちの他方の部材１４ＡＬは、超音波発振部３’の中心から見て第２の方向（Ｙ軸方向）に位置する第３の位置Ｐ３で、固定枠２’と接続し、超音波発振部３’の中心から見て第３の位置Ｐ３の逆側に位置する第４の位置Ｐ４で、可動枠１４Ｂ’と接続する。
【０１４０】
また、第２のアクチュエータ１４Ｃ’を構成する一対の部材１４ＣＲ，１４ＣＬのうちの一方の部材１４ＣＲは、超音波発振部３’の中心から見て第１の方向（Ｘ軸方向）に位置する第５の位置Ｐ５で、可動枠１４Ｂ’と接続し、超音波発振部３’の中心から見て、第５の位置Ｐ５の逆側に位置する第６の位置Ｐ６で、超音波発振部３’と接続する。また、第２のアクチュエータ１４Ｃ’を構成する一対の部材１４ＣＲ，１４ＣＬのうちの他方の部材１４ＣＬは、超音波発振部３’の中心Ｏから見て第１の方向（Ｘ軸方向）に位置する第７の位置Ｐ７で、可動枠１４Ｂ’と接続し、超音波発振部３’の中心Ｏから見て第７の位置Ｐ７の逆側に位置する第８の位置Ｐ８で、超音波発振部３’と接続する。
【０１４１】
また、第１のアクチュエータ１４Ａ’を構成する一対の部材１４ＡＲ，１４ＡＬにおける一方の部材１４ＡＲと他方の部材１４ＡＬとは、その延びた方向（円弧方向）両端で互いに対向するように配置されており、対向する外辺が、超音波発振部３’の中心Ｏから見て第２の方向（Ｙ軸方向）に延びる直線（Ｙ軸）と交差している。また、第２のアクチュエータ１４Ｃ’を構成する一対の部材１４ＣＲ，１４ＣＬにおける一方の部材１４ＣＲと他方の部材１４ＣＬとは、その延びた方向（円弧方向）両端で互いに対向するように配置されており、対向する外辺が、超音波発振部３’の中心から見て第１の方向（Ｘ軸方向）に延びる直線（Ｘ軸）と交差している。これにより、第１の位置Ｐ１〜第４の位置Ｐ４を一直線上に配置することができるうえ、第５の位置Ｐ５〜第８の位置Ｐ８を一直線上に配置することができる。この結果、一方の部材１４ＡＲによる超音波発振部３’の揺動方向と、他方の部材１４ＡＬによる超音波発振部３’の揺動方向とをできるだけ一致させることができる。また、一方の部材１４ＣＲによる超音波発振部３’の揺動方向と、他方の部材１４ＣＬによる超音波発振部３’の揺動方向とをできるだけ一致させることができる。
【０１４２】
第１のアクチュエータ１４Ａ’を構成する一対の部材１４ＡＲ，１４ＡＬは、第２の圧電素子（４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）の伸縮により変形する。この変形により、図２０に示すように、第１の位置Ｐ１に対して第２の位置Ｐ２が＋Ｚ側に移動すると同時に、第３の位置Ｐ３に対して第４の位置Ｐ４が−Ｚ側に移動する。これにより、超音波発振部３’がＸ軸を半時計回りに回転する。その後、第１の位置Ｐ１に対して第２の位置Ｐ２が−Ｚ側に移動すると同時に、第３の位置Ｐ３に対して第４の位置Ｐ４が＋Ｚ側に移動する。これにより、超音波発振部３’がＸ軸を時計回りに回転する。第１のアクチュエータ１４Ａ’の一対の部材１４ＡＲ，１４ＡＬがこのような動きを繰り返すことにより、超音波発振部３’がＸ軸周りに揺動する。
【０１４３】
一方、第２のアクチュエータ１４Ｃ’を構成する一対の部材１４ＣＲ，１４ＣＬは、第２の圧電素子（４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）の伸縮により変形する。この変形により、図２０に示すように、第５の位置Ｐ５に対して第６の位置Ｐ６が＋Ｚ側に移動すると同時に、第７の位置Ｐ７に対して第８の位置Ｐ８が−Ｚ側に移動する。これにより、超音波発振部３’がＹ軸を半時計回りに回転する。その後、第５の位置Ｐ５に対して第６の位置Ｐ６が−Ｚ側に移動すると同時に、第７の位置Ｐ７に対して第８の位置Ｐ８が＋Ｚ側に移動する。これにより、超音波発振部３’がＹ軸を時計回りに回転する。第２のアクチュエータ１４Ｃ’の一対の部材１４ＣＲ，１４ＣＬがこのような動きを繰り返すことにより、超音波発振部３’がＹ軸周りに揺動する。なお、図２０では、上部電極層４Ｄ、検出用電極５Ｄの図示は省略されている。
【０１４４】
本実施の形態に係る超音波センサ１０１Ｂによれば、第１のアクチュエータ１４Ａ’、可動枠１４Ｂ’及び第２のアクチュエータ１４Ｃ’を超音波発振部３’の外縁に沿った円弧状又は円環状の部材とする。このようにすれば、固定枠２’、超音波発振部３’及びアクチュエータ部４’の隙間を少なくすることができるので、さらに固定枠２’を円環状として、装置全体を小型化することができる。なお、固定枠２’の形状は円環状としたが、固定枠２’の内周形状がアクチュエータ部４’の外縁に沿った円弧形状であればよく、固定枠２’の外周形状は矩形状であってもよい。
【０１４５】
なお、第１のアクチュエータ１４Ａ’の一対の部材１４ＡＲ，１４ＡＬは、中心Ｏに対して２回回転対称としたが、本発明はこれには限られない。一対の部材１４ＡＲ，１４ＡＬは、Ｙ軸に対して線対称に配置されていてもよい。第２のアクチュエータ１４Ｃ’の一対の部材１４ＣＲ，１４ＣＬは、中心Ｏに対して２回回転対称としたが、本発明はこれには限られない。一対の部材１４ＣＲ，１４ＣＬは、Ｘ軸に対して線対称に配置されていてもよい。
【０１４６】
なお、本実施の形態では、第１の位置Ｐ１、第２の位置Ｐ２、第３の位置Ｐ３、第４の位置Ｐ４は、Ｙ軸上にあるものとしたが、本発明はこれには限られない。アクチュエータ部４’により超音波発振部３’をＸ軸周りに揺動可能であれば、これらの位置は、Ｙ軸上になくてもよい。また、本実施の形態では、第５の位置Ｐ５、第６の位置Ｐ６、第７の位置Ｐ７、第８の位置Ｐ８は、Ｘ軸上にあるものとしたが、本発明はこれには限られない。アクチュエータ部４’により超音波発振部３’をＹ軸周りに揺動可能であれば、これらの位置は、Ｘ軸上になくてもよい。
【０１４７】
上記各実施の形態に係る超音波センサ１００Ａ〜１００Ｆ、１０１Ａ，１０１Ｂによれば、超音波発振部３，３’とアクチュエータ部４、４’を一体化（半導体製造工程における一括同時加工）することで組立の簡易化や省スペース化が可能となる。また、圧電薄膜を用いて駆動させることで、低電圧で大変位を得ることが可能となる。また、アクチュエータ部４、４’を円形形状にすることで小型化が可能となる。
【０１４８】
この発明は、この発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。
【０１４９】
なお、本願については、２０１７年９月２７日に出願された日本国特許出願２０１７−１８５７５６号を基礎とする優先権を主張し、本明細書中に日本国特許出願２０１７−１８５７５６号の明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照として取り込むものとする。
【産業上の利用可能性】
【０１５０】
本発明は、超音波を発生する機器に用いることができる。
【符号の説明】
【０１５１】
１Ａ  Ａ層、１Ｂ  Ｂ層、１Ｃ  Ｃ層、１Ｄ  Ｄ層、２，２’  固定枠、３，３’  超音波発振部、３Ａ  第１の基板、３Ｂ  下部電極層、３Ｃ  圧電材料層、３Ｄ  上部電極層、４，４’  アクチュエータ部、４Ａ  第２の基板、４Ｂ  下部電極層、４Ｃ  圧電材料層、４Ｄ  上部電極層、４Ｒ，４Ｌ  部材、５Ｄ  検出用電極、６Ｄ  検出用電極、１４Ａ，１４Ａ’  第１のアクチュエータ、１４Ｂ，１４Ｂ’  可動枠、１４Ｃ，１４Ｃ’  第２のアクチュエータ、１４ＡＲ，１４ＡＬ  部材、１４ＣＲ，１４ＣＬ  部材、４１  アーム始端部、４２  アーム終端部、４３  アーム中継部、５１  アーム始端部、５２  アーム終端部、５３  アーム中継部、１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ，１００Ｆ，１０１Ａ，１０１Ｂ  超音波センサ
【図１】
2019065182.tif 000003
【図２】
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【図３】
2019065182.tif 000005
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2019065182.tif 000007
【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
2019065182.tif 000009
【図５Ｂ】
2019065182.tif 000010
【図５Ｃ】
2019065182.tif 000011
【図６Ａ】
2019065182.tif 000012
【図６Ｂ】
2019065182.tif 000013
【図６Ｃ】
2019065182.tif 000014
【図７】
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【図８】
2019065182.tif 000016
【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
2019065182.tif 000019
【図１０Ｃ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2019065182.tif 000023
【図１４】
2019065182.tif 000024
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【手続補正書】
【提出日】平成31年1月24日(2019.1.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部の部材に固定される固定枠と、
前記固定枠内に配置され、可撓性を有する第１の基板と前記第１の基板上に薄膜形成された第１の圧電素子とで構成され、前記第１の圧電素子の伸縮により撓んで超音波を発生する超音波発振部と、
前記第１の基板と前記固定枠との間を接続し可撓性を有する第２の基板と、前記第２の基板上に薄膜形成された第２の圧電素子とで構成され、前記第２の圧電素子の伸縮により撓んで前記固定枠に対して前記超音波発振部を揺動させるアクチュエータ部と、
を備え、
前記固定枠、前記第１の基板及び前記第２の基板が同一の基板で構成されており、
前記第１の基板は、前記アクチュエータ部と接続する外周部分と、前記第１の圧電素子が設けられ前記第１の圧電素子の伸縮により撓んで超音波を発生するように前記外周部分よりも薄い内周部分とを備える、
超音波センサ。
【請求項２】
前記固定枠と、前記超音波発振部と、前記アクチュエータ部と、が同一平面上に配置されている、
請求項１に記載の超音波センサ。
【請求項３】
前記アクチュエータ部は、
前記超音波発振部を、一軸方向に揺動させる、
請求項１又は２に記載の超音波センサ。
【請求項４】
前記アクチュエータ部は、
前記超音波発振部における第１の方向の両側にそれぞれ配置された線状の一対の部材であり、
前記一対の部材のそれぞれについて、
前記第２の基板が前記固定枠の内辺から前記第１の方向に交差する第２の方向に沿って延びる部分を有し、その部分に前記第２の方向に沿って伸縮する前記第２の圧電素子が薄膜形成され、前記一対の部材が、前記第２の圧電素子の伸縮により変形して前記超音波発振部を揺動させる、
請求項３に記載の超音波センサ。
【請求項５】
前記一対の部材それぞれの前記第２の方向に沿って延びた部分の長さは、
前記アクチュエータ部が接続された前記固定枠の内辺から前記第２の方向に関する前記超音波発振部の外縁の中点までの距離よりも長い、
請求項４に記載の超音波センサ。
【請求項６】
前記超音波発振部は円板状に形成され、
前記アクチュエータ部は、
前記超音波発振部を中心として第１の方向の両側に配置され、前記超音波発振部の外縁に沿って円弧状に延びる一対の部材で構成され、
前記一対の部材のそれぞれについて、
前記第２の基板は、前記固定枠の内縁から前記超音波発振部の外縁に沿って円弧状に延びており、前記第２の圧電素子は、前記第２の基板が延びた方向に沿って伸縮し、
前記一対の部材は、前記第２の圧電素子の伸縮により変形して前記超音波発振部を揺動させる、
請求項３に記載の超音波センサ。
【請求項７】
前記一対の部材のそれぞれは、
前記超音波発振部を中心として２回回転対称に配置されている、
請求項６に記載の超音波センサ。
【請求項８】
前記一対の部材のうちの一方の部材は、
前記超音波発振部の中心から見て前記第１の方向に直交する第２の方向に位置する第１の位置で、前記固定枠と接続し、
前記超音波発振部の中心から見て前記第１の位置の逆側に位置する第２の位置で、前記超音波発振部と接続し、
前記一対の部材のうちの他方の部材は、
前記超音波発振部の中心から見て前記第２の方向に位置する第３の位置で、前記固定枠と接続し、
前記超音波発振部の中心から見て前記第３の位置の逆側に位置する第４の位置で、前記超音波発振部と接続する、
請求項７に記載の超音波センサ。
【請求項９】
前記一対の部材における一方の部材と他方の部材とは、その延びた方向両端で互いに対向するように配置されており、対向する外辺が、前記超音波発振部の中心を通り前記第２の方向に延びる直線と交差している、
請求項８に記載の超音波センサ。
【請求項１０】
前記アクチュエータ部は、
前記超音波発振部を、二軸方向に揺動させる、
請求項１又は２に記載の超音波センサ。
【請求項１１】
前記アクチュエータ部は、
前記第２の基板の一部で構成される可動枠と、
前記固定枠と前記可動枠とを接続し、前記固定枠に対して前記可動枠を第１の回転軸まわりに揺動させる第１のアクチュエータと、
前記可動枠と前記超音波発振部とを接続し、前記可動枠に対して前記超音波発振部を前記第１の回転軸とは異なる第２の回転軸まわりに揺動させる第２のアクチュエータと、
を備える、
請求項１０に記載の超音波センサ。
【請求項１２】
前記第１のアクチュエータは、
前記可動枠における第１の方向の両側にそれぞれ配置された線状の一対の部材で構成され、その一対の部材それぞれについて、前記第２の基板が前記固定枠の内辺から前記第１の方向に交差する第２の方向に沿って延びる部分を有し、その部分に前記第２の方向に沿って伸縮する前記第２の圧電素子が薄膜形成され、前記第１のアクチュエータを構成する一対の部材が、前記第２の圧電素子の伸縮により前記第２の基板が変形して前記第１の回転軸まわりに前記可動枠を揺動させ、
前記第２のアクチュエータは、
前記超音波発振部における第２の方向の両側にそれぞれ配置された線状の一対の部材で構成され、その一対の部材それぞれについて、前記第２の基板が前記可動枠の内辺から前記第１の方向に沿って延びる部分を有し、その部分に前記第１の方向に沿って伸縮する前記第２の圧電素子が薄膜形成され、前記第２のアクチュエータを構成する一対の部材が、前記第２の圧電素子の伸縮により変形して前記第２の回転軸まわりに前記超音波発振部を揺動させる、
請求項１１に記載の超音波センサ。
【請求項１３】
前記第１のアクチュエータの前記第２の方向に沿って延びた部分の長さは、
前記第１のアクチュエータが接続された前記固定枠の内辺から前記第２の方向に関する前記可動枠の外縁の中点までの距離よりも長い、
請求項１２に記載の超音波センサ。
【請求項１４】
前記第２のアクチュエータの前記第１の方向に沿って延びた部分の長さは、
前記第２のアクチュエータが接続された前記可動枠の内辺から前記第１の方向に関する前記超音波発振部の外縁の中点までの距離よりも長い、
請求項１２又は１３に記載の超音波センサ。
【請求項１５】
前記超音波発振部が円板状に形成され、前記可動枠は前記超音波発振部と同心の円環状に形成され、
前記第１のアクチュエータは、前記超音波発振部を中心として第１の方向の両側に配置され、前記可動枠の外縁に沿って円弧状に延びる一対の部材で構成され、前記一対の部材のそれぞれについて、前記第２の基板は、前記固定枠の内縁から前記可動枠の外縁に沿って円弧状に延びており、前記第２の圧電素子は、前記第２の基板が延びた方向に沿って伸縮し、前記第１のアクチュエータを構成する前記一対の部材は、前記第２の圧電素子の伸縮により変形して前記第１の回転軸まわりに前記可動枠を揺動させ、
前記第２のアクチュエータは、前記超音波発振部を中心として前記第１の方向に直交する第２の方向の両側に配置され、前記超音波発振部の外縁に沿って円弧状に延びる一対の部材で構成され、前記一対の部材のそれぞれについて、前記第２の基板は、前記可動枠の内縁から前記超音波発振部の外縁に沿って円弧状に延びており、前記第２の圧電素子は、前記第２の基板が延びた方向に沿って伸縮し、前記第２のアクチュエータを構成する前記一対の部材は、前記第２の圧電素子の伸縮により変形して前記第２の回転軸まわりに前記超音波発振部を揺動させる、
請求項１１に記載の超音波センサ。
【請求項１６】
前記第１のアクチュエータを構成する前記一対の部材は、
前記超音波発振部を中心として２回回転対称に配置されており、
前記第２のアクチュエータを構成する前記一対の部材は、
前記超音波発振部を中心として２回回転対称に配置されている、
請求項１５に記載の超音波センサ。
【請求項１７】
前記第１のアクチュエータを構成する前記一対の部材のうちの一方の部材は、
前記超音波発振部の中心から見て前記第２の方向に位置する第１の位置で、前記固定枠と接続し、
前記超音波発振部の中心から見て前記第１の位置の逆側に位置する第２の位置で、前記可動枠と接続し、
前記第１のアクチュエータを構成する前記一対の部材のうちの他方の部材は、
前記超音波発振部の中心から見て前記第２の方向に位置する第３の位置で、前記固定枠と接続し、
前記超音波発振部の中心から見て前記第３の位置の逆側に位置する第４の位置で、前記可動枠と接続し、
前記第２のアクチュエータを構成する前記一対の部材のうちの一方の部材は、
前記超音波発振部の中心から見て前記第１の方向に位置する第５の位置で、前記可動枠と接続し、
前記超音波発振部の中心から見て、前記第５の位置の逆側に位置する第６の位置で、前記超音波発振部と接続し、
前記第２のアクチュエータを構成する前記一対の部材のうちの他方の部材は、
前記超音波発振部の中心から見て前記第１の方向に位置する第７の位置で、前記可動枠と接続し、
前記超音波発振部の中心から見て前記第７の位置の逆側に位置する第８の位置で、前記超音波発振部と接続する、
請求項１６に記載の超音波センサ。
【請求項１８】
前記第１のアクチュエータを構成する前記一対の部材における一方の部材と他方の部材とは、その延びた方向両端で互いに対向するように配置されており、対向する外辺が、前記超音波発振部の中心から見て前記第２の方向に延びる直線と交差している、
請求項１７に記載の超音波センサ。
【請求項１９】
前記第２のアクチュエータを構成する前記一対の部材における一方の部材と他方の部材とは、その延びた方向両端で互いに対向するように配置されており、対向する外辺が、前記超音波発振部の中心から見て前記第１の方向に延びる直線と交差している、
請求項１７又は１８に記載の超音波センサ。
【国際調査報告】
2019065182.tif 000031
2019065182.tif 000032
2019065182.tif 000033
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