特開 2024-146223 超音波装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024146223

(43)【公開日】2024-10-15

(54)【発明の名称】超音波装置

(51)【国際特許分類】

   H04R 3/00 20060101AFI20241004BHJP

【ＦＩ】

H04R3/00 330

【審査請求】未請求

【請求項の数】14

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023059001

(22)【出願日】2023-03-31

(71)【出願人】

【識別番号】000204284

【氏名又は名称】太陽誘電株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100087480

【弁理士】

【氏名又は名称】片山 修平

(72)【発明者】

【氏名】青木 達也

【テーマコード（参考）】

5D019

【Ｆターム（参考）】

5D019AA02

5D019FF01

(57)【要約】

【課題】超音波の位相の制御を適切に行うことができる超音波装置を提供する。
【解決手段】超音波装置１００は、基板１０と、前記基板１０の上面、下面および内部の少なくとも１つに設けられ、前記基板１０の変位を検出するセンサ３０と、前記基板１０の上面に設けられ、前記センサ３０の出力信号に基づき位相を制御された超音波を各々送信または受信する複数の素子２０と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板の上面、下面および内部の少なくとも１つに設けられ、前記基板の変位を検出するセンサと、
前記基板の上面に設けられ、前記センサの出力信号に基づき位相を制御された超音波を各々送信または受信する複数の素子と、
を備える超音波装置。

【請求項2】

前記センサの出力信号に基づき前記複数の素子が各々送信または受信する超音波の位相を制御する制御部を備える請求項１に記載の超音波装置。

【請求項3】

前記制御部は、前記複数の素子が送信または受信する超音波の焦点位置に関する情報に基づき、前記超音波の位相を制御する請求項２に記載の超音波装置。

【請求項4】

前記制御部は、前記出力信号に基づき、前記複数の素子の位置情報を算出し、前記位置情報に基づき、前記超音波の位相を制御する請求項２または３に記載の超音波装置。

【請求項5】

前記基板は、外部に固定される固定点を有し、前記制御部は、前記固定点を基準に前記位置情報を算出する請求項４に記載の超音波装置。

【請求項6】

複数の前記センサにそれぞれ接続され、平面視において前記複数の素子と重ならないように前記基板の上面、下面および内部の少なくとも１つに設けられた複数の配線を備える請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波装置。

【請求項7】

前記複数の素子は、前記基板の上面の第１方向と前記第１方向に交差する第２方向に配列された２行２列の４つの第１領域に設けられ、
前記センサは、前記４つの第１領域のうち２つの間にそれぞれ相当する４つの第２領域の各々に少なくとも１つ設けられている請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波装置。

【請求項8】

前記４つの第２領域の各々に複数の前記センサが設けられ、
前記４つの第１領域のうち、前記第１方向に配列された第１領域の間に位置する第２領域に設けられた複数のセンサは、前記第２方向に配列されている請求項７に記載の超音波装置。

【請求項9】

複数の前記センサにそれぞれ接続され、平面視において前記４つの第１領域の外側を通過するように前記基板の上面、下面および内部の少なくとも１つに設けられた複数の配線を備える請求項７に記載の超音波装置。

【請求項10】

振動する振動層の少なくとも１つの層が一体に設けられた複数の素子は、１つのチップ上に設けられ、
前記センサは、前記１つのチップの上面、下面および内部の少なくとも１つに設けられている請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波装置。

【請求項11】

前記複数の素子のうち振動する振動層が一体に設けられていない素子は別のチップに設けられ、前記基板に実装された複数のチップを備え、
前記センサは前記基板の上面、下面および内部の少なくとも１つに設けられている請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波装置。

【請求項12】

マトリックス状に設けられた仮想的な複数の配置領域と、前記複数の配置領域のうち隣接する配置領域の間に設けられた離間領域と、前記複数の配置領域と側辺の間のスペースと、を有する基板と、
前記複数の配置領域に各々設けられた振動素子と、
前記離間領域に設けられた変位素子と、
を備える超音波装置。

【請求項13】

前記変位素子の出力を演算し、前記振動素子の動作を制御する制御部を備える請求項１２に記載の超音波装置。

【請求項14】

前記変位素子は、長手方向と短手方向を有する素子であり、前記離間領域の延在方向と前記変位素子の長手方向は平行である請求項１２または１３に記載の超音波装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超音波装置に関する。

【背景技術】

【0002】

超音波を出力する素子をアレイ状に複数配置し、複数の素子が出力する超音波の位相を制御することで、空中のユーザの手等に触覚を生じさせるシステムが知られている（例えば特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２０－２４７０９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

複数の素子が送信する複数の超音波の位相を制御することで、空中の所望の箇所に複数の超音波を集束させることができる。しかしながら、実装基板が撓むまたは歪んだ場合、素子間の相対位置が変化してしまう。そのため、所望の箇所に複数の超音波を集束することが難しくなる場合がある。

【0005】

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、超音波の位相の制御を適切に行うことを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、基板と、前記基板の上面、下面および内部の少なくとも１つに設けられ、前記基板の変位を検出するセンサと、前記基板の上面に設けられ、前記センサの出力信号に基づき位相を制御された超音波を各々送信または受信する複数の素子と、を備える超音波装置である。

【0007】

上記構成において、前記センサの出力信号に基づき前記複数の素子が各々送信または受信する超音波の位相を制御する制御部を備える構成とすることができる。

【0008】

上記構成において、前記複数の素子が送信または受信する超音波の焦点位置に関する情報に基づき、前記超音波の位相を制御する構成とすることができる。

【0009】

上記構成において、前記制御部は、前記出力信号に基づき、前記複数の素子の位置情報を算出し、前記位置情報に基づき、前記超音波の位相を制御する構成とすることができる。

【0010】

上記構成において、前記基板は、外部に固定される固定点を有し、前記制御部は、前記固定点を基準に前記位置情報を算出する構成とすることができる。

【0011】

上記構成において、複数の前記センサにそれぞれ接続され、平面視において前記複数の素子と重ならないように前記基板の上面、下面および内部の少なくとも１つに設けられた複数の配線を備える構成とすることができる。

【0012】

上記構成において、前記複数の素子は、前記基板の上面の第１方向と前記第１方向に交差する第２方向に配列された２行２列の４つの第１領域に設けられ、前記センサは、前記４つの第１領域のうち２つの間にそれぞれ相当する４つの第２領域の各々に少なくとも１つ設けられている構成とすることができる。

【0013】

上記構成において、前記４つの第２領域の各々に複数の前記センサが設けられ、前記４つの第１領域のうち、前記第１方向に配列された第１領域の間に位置する第２領域に設けられた複数のセンサは、前記第２方向に配列されている構成とすることができる。

【0014】

上記構成において、複数の前記センサにそれぞれ接続され、平面視において前記４つの第１領域の外側を通過するように前記基板の上面、下面および内部の少なくとも１つに設けられた複数の配線を備える構成とすることができる。

【0015】

上記構成において、振動する振動層の少なくとも１つの層が一体に設けられた複数の素子は、１つのチップ上に設けられ、前記センサは、前記１つのチップの上面、下面および内部の少なくとも１つに設けられている構成とすることができる。

【0016】

上記構成において、前記複数の素子のうち振動する振動層が一体に設けられていない素子は別のチップに設けられ、前記基板に実装された複数のチップを備え、前記センサは前記基板の上面、下面および内部の少なくとも１つに設けられている構成とすることができる。

【0017】

本発明は、マトリックス状に設けられた仮想的な複数の配置領域と、前記複数の配置領域のうち隣接する配置領域の間に設けられた離間領域と、前記複数の配置領域と側辺の間のスペースと、を有する基板と、前記複数の配置領域に各々設けられた振動素子と、前記離間領域に設けられた変位素子と、を備える超音波装置である。

【0018】

上記構成において、前記変位素子の出力を演算し、前記振動素子の動作を制御する制御部を備える構成とすることができる。

【0019】

上記構成において、前記変位素子は、長手方向と短手方向を有する素子であり、前記離間領域の延在方向と前記変位素子の長手方向は平行である構成とすることができる。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、超音波の位相の制御を適切に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】図１（ａ）は、実施例１に係る超音波装置の平面図、図１（ｂ）および図１（ｃ）は、図１（ａ）のそれぞれＣ－Ｃ断面およびＢ－Ｂ断面における基板の上面を示す図である。

【図2】図２（ａ）および図２（ｂ）は、実施例１の超音波装置の動作を示す模式図である。

【図3】図３（ａ）は、実施例２に係る超音波装置の平面図、図３（ｂ）および図３（ｃ）は、図３（ａ）のそれぞれＡ－Ａ線断面図およびＢ－Ｂ線断面図である。

【図4】図４は、図３（ａ）の２個の素子および２個のセンサを拡大した平面図である。

【図5】図５（ａ）および図５（ｂ）は、図４のそれぞれＡ－Ａ断面図およびＢ－Ｂ断面図である。

【図6】図６は、実施例２に係る超音波装置のブロック図である。

【図7】図７（ａ）および図７（ｂ）は、基板を回路基板に実装した断面図である。

【図8】図８（ａ）は、実施例２の変形例１に係る超音波装置の平面図、図８（ｂ）は、図８（ａ）のＡ－Ａ断面図である。

【図9】図９（ａ）は、実施例３に係る超音波装置の平面図、図９（ｂ）および図９（ｃ）は、図９（ａ）のそれぞれＡ－Ａ断面図およびＢ－Ｂ断面図である。

【図10】図１０は、実施例３における１つの素子の断面図である。

【図11】図１１は、実施例４に係る超音波装置の平面図である。

【図12】図１２は、実施例４の変形例１に係る超音波装置の平面図である。

【図13】図１３は、実施例４の変形例２に係る超音波装置の平面図である。

【図14】図１４は、実施例４の変形例３に係る超音波装置の平面図である。

【図15】図１５は、実施例４の変形例４に係る超音波装置の平面図である。

【図16】図１６（ａ）は、実施例５に係る超音波装置の平面図、図１６（ｂ）および図１６（ｃ）は、図１６（ａ）のそれぞれＡ－Ａ断面図およびＢ－Ｂ断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、図面を参照し実施例について説明する。

【実施例0023】

図１（ａ）は、実施例１に係る超音波装置１００の平面図、図１（ｂ）および図１（ｃ）は、図１（ａ）のそれぞれＣ－Ｃ断面およびＢ－Ｂ断面における基板１０の上面を示す図であり、基板１０の反りの状態を示している。図１（ａ）では、基板１０の厚さ方向をＺ方向、素子２０の配列方向をＸ方向およびＹ方向とする。

【0024】

まずは、基板１０、超音波を送受信する素子２０および変位を検出するセンサ３０の大まかな関係について２つの例を述べる。

【0025】

第１例：基板１０として、例えば半導体基板を採用し、素子２０およびセンサ３０は、この基板１０の上に、半導体プロセスを用い形成されたモノリシック型のデバイスである。なお、基板１０に空隙が形成され、支持体として半導体基板が採用されるものが考えられる。または、基板１０を取り除き、別途、樹脂で支持体と空隙とを形成するものが考えられる。

【0026】

第２例：回路基板２５（図９（ａ）～図９（ｃ）参照）として、無機材料または有機材料からなる基板を採用し、別途、半導体プロセスを用い製造されたディスクリート型の素子２０を有するチップ１５を実装するものが考えられる。なお、第１例および第２例において、センサ３０は、ディスクリート型を別途用意してもよいし、基板１０または回路基板２５の上に直接センサ３０を作り込んでもよい。
以下に説明する実施例１は、第１例である。

【0027】

チップ１５の平面形状は矩形であり、対向する辺は左右方向（Ｘ方向）に延伸し、別の対向する辺は上下方向（Ｙ方向）に延伸する。以降、説明する素子２０が作り込まれる第１領域５０は、規則性を持って配列されている。ここでは、第１領域５０は行列（マトリックス）状に配置されている。平面視で見たとき、隣接する２つの第１領域５０の間には、第２領域５２が設けられている。

【0028】

この第１領域５０には、超音波を送信または受信する素子２０が少なくとも１つ以上設けられている。なお、ここでは、第１領域５０の配置は２行２列である。また第２領域５２は、十字状または格子状に配置されている。第２領域５２には、基板１０の変位を検出するセンサ３０（例えば歪検知素子）が設けられている。

【0029】

なお、チップ１５の中央にはチップ１５の平面形状の中心４４がある。センサ３０は、横方向（Ｘ方向）に延伸する仮想的なＣ－Ｃ直線と、縦方向（Ｙ方向）に延伸する仮想的なＢ－Ｂ直線と、に沿って配置されている。Ｂ－Ｂ直線およびＣ－Ｃ直線は、中心４４を通過する。第１領域５０の配列が２行２列のように偶数行偶数列の場合には、Ｂ－Ｂ直線およびＣ－Ｃ直線は中心４４を通過する。第１領域５０の配列が奇数行または奇数列の場合には、Ｂ－Ｂ直線およびＣ－Ｃ直線は中心４４を通過しない。

【0030】

１個の第１領域５０内の素子２０の数は１以上において適宜設定できる。また、第１領域５０内の素子２０の配列、および第１領域５０の配列は、ある規則性をもった配列であればよい。なお、第１領域５０内の素子２０、および第１領域５０は、不規則な配列で設けられてもよい。

【0031】

第２領域５２内には、または隣接する２つの第１領域５０の間には、少なくとも１つのセンサ３０が設けられる。なお、ここでは、１つの第２領域５２に２つのセンサ３０が設けられている。よって、センサ３０は、縦に４つ、横に４つが十字状に配列されている。制御部３８は、例えばプロセッサであり、複数の素子２０および複数のセンサ３０と電気的に接続されている。制御部３８は、基板１０の変位を検出し、素子２０の制御を行う。

【0032】

図２（ａ）および図２（ｂ）は、実施例１の超音波装置１００の動作を示す模式図である。図２（ａ）および図２（ｂ）は、図１のＡ－Ａにおける断面の模式図であり、基板１０の上面とセンサ３０を図示している。

【0033】

図２（ａ）は、基板１０に撓みがなく、基板１０の上面４３が平面である理想的な場合を示している。位置４０は、素子２０が出力する複数の超音波４２を集束させる位置、すなわち音場焦点であり、例えばユーザの手の位置である。ユーザの手の位置は、例えば光学方式のトラッキングシステム等により得られる。

【0034】

位置４０に超音波４２を集束させる方法の例を説明する。素子２０の積層膜１８が振動することで、素子２０は例えば放射状に超音波を発する。この超音波は、空間における音圧の場を形成し、任意の位置での超音波圧は、経時的に周期的な変化をする。このため、超音波圧の経時的変化は位相を有する。複数の素子２０が超音波を発すると、各々の素子２０のそれぞれが、音圧の場を形成する。超音波４２が集束するとは、音圧の場において、ある位置で超音波圧が強め合うことである。この位置を、集束位置または焦点位置と呼ぶ。

【0035】

集束位置４０の座標を（ｘ，ｙ，ｚ）とし、各素子２０の位置の座標を（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）とする。ｉは整数であり、図２では、１～４である。

【0036】

図１のように、素子２０が１６個設けられている場合、ｉは１～１６である。位置４０と素子２０との相対距離ｒｉは数１により表される。なお、座標（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）は、図１（ａ）において仮定したＸＹ座標とは異なっていてもよい。

【数1】

【0037】

各素子２０が出力する超音波４２の超音波圧ｐｉを数２とする。

【数2】

ここで、Ａは超音波４２の振幅に相当する係数、ｋは超音波４２の波数、ωは超音波４２の周波数、ｔは時間、θｉは超音波４２の位相、θ０は基準とする位相である。

【0038】

各超音波４２の位相θｉを数３のように設定する。

【数3】

これにより、超音波４２は位置４０に集束する。

【0039】

出力された超音波４２が集束する位置４０に、人体の一部をかざすと、この集束された超音波によりユーザは皮膚に触感が得られる。このように、非接触インターフェースに実施例１の超音波装置を用いることができる。なお、人体の皮膚が触覚を感じやすい音波の周波数は例えば約２００Ｈｚである。数１００ｋＨｚの搬送波に２００Ｈｚ程度の低周波の音波を変調した超音波を皮膚に照射することで、皮膚に触覚を与えることができる。

【0040】

図２（ｂ）は、基板１０の上面４３が湾曲した場合を示している。例えば、プロセスの過程で熱処理したり、材料の異なる膜を積層したりすると、熱膨張係数の違いにより、基板１０に反りが発生することがある。各素子２０の位置の座標は、それぞれ変化し、（ｘ１´，ｙ１´，ｚ１´）～（ｘ４´，ｙ４´，ｚ４´）と変わる。このため、基板１０の反りを考慮しないと、位置４０に超音波４２が集束しなくなることがある。

【0041】

この反りを検知するため、図１（ａ）のように、基板１０の上面４３にひずみ（反り）を検出するセンサ３０として、例えば歪ゲージを設けている。Ｘ方向に並ぶ４個のセンサ３０は基板１０の左右方向（Ｘ方向）のひずみを主に検出し、Ｙ方向に並ぶ４個のセンサ３０は上下方向（Ｘ方向）のひずみを主に検出する。歪む前の基板１０の長さをＬ、力が加わることで変化する長さをΔＬとすると、ひずみεはΔＬ／Ｌで示される。ここで、引っ張られる方向のひずみεを正とする。

【0042】

図１（ｂ）および図１（ｃ）は、基板１０が撓んだときの上面４３を示している。図１（ｂ）および図１（ｃ）に示すように、基板１０の中心４４をゼロ起点とすると、基板１０の周縁がゼロ起点に対して＋Ｚ方向に反るように、基板１０が撓んでいる。基板１０が撓むと、センサ３０は、基板１０のひずみを検出する。例えばＸ方向に配列したセンサ３０は、歪εｘ１、εｘ２、εｘ３およびεｘ４を検出する。例えばＹ方向に配列したセンサ３０は、歪εｙ１、εｙ２、εｙ３およびεｙ４を検出する。

【0043】

センサ３０が検出した歪εｘ１、εｘ２、εｘ３、εｘ４、εｙ１、εｙ２、εｙ３およびεｙ４から基板１０の撓みの状態を認識でき、各素子２０の座標を演算および算出できる。例えば、図２（ｂ）における素子２０の座標（ｘ１´，ｙｉ´，ｚｉ´）がセンサ３０により算出できる。センサ３０が検出した歪εから素子２０の座標（ｘ１´，ｙｉ´，ｚｉ´）を算出する方法は、例えば、予め、基板１０を撓ませて歪εと座標（ｘ１´，ｙｉ´，ｚｉ´）を測定し、歪εと座標（ｘ１´，ｙｉ´，ｚｉ´）との対応関係をメモリに記憶させておけばよい。歪εと座標（ｘ１´，ｙｉ´，ｚｉ´）との対応関係は、シミュレーションにより算出してもよい。

【0044】

基板１０の撓みだけでは、座標（ｘ１´，ｙｉ´，ｚｉ´）が正確に算出できないことがある。そこで、基板１０が外部に固定される固定点４１を基準点となるように定めておく。固定点４１と超音波４２を集束させる位置４０との相対位置は基板１０が撓んでも変わらないとすると、固定点４１の座標（ｘ０，ｙ０，ｚ０）を基準に、座標（ｘ１´，ｙｉ´，ｚｉ´）を算出できる。

【0045】

例えば、制御部３８は、各素子２０の座標（ｘ１´，ｙｉ´，ｚｉ´）に基づき、数１～数３を用い、素子２０が出力する超音波４２の位相を制御する。これにより、基板１０が撓んだ場合でも超音波４２を所望の位置４０に集束させることができる。

【0046】

このように、制御部３８は、センサ３０の出力信号に基づき、複数の素子２０がそれぞれ送信または受信する超音波４２の位相を制御する。これにより、基板１０が撓んだ場合でも、超音波の位相の制御を適切に行うことができる。

【0047】

複数の超音波４２を位置４０に集束させたい場合には、制御部３８は、複数の超音波４２を集束させる位置４０に関する情報に基づき、複数の超音波４２の位相を制御する。これにより、基板１０が撓んだ場合でも超音波４２を所望の位置４０に集束させることができる。

【0048】

制御部３８は、センサ３０の出力信号に基づき、複数の素子２０の位置情報（例えば座標（ｘ１´，ｙｉ´，ｚｉ´））を算出し、位置情報に基づき、複数の超音波４２の位相を制御する。このように、複数の素子２０の位置情報に基づき数１～数３を用いて超音波４２の位相を制御することで、基板１０が撓んだ場合でも超音波４２を所望の位置４０により正確に集束させることができる。

【0049】

超音波４２を集束させる位置４０の座標と基板１０内の座標との相対関係が変わってしまうと、超音波４２が集束される位置が所望の位置４０からずれてしまう。そこで、基板１０は、外部に固定された固定点４１を有し、制御部３８は、固定点４１を基準に複数の位置情報を算出する。これにより、位置情報を正確に算出でき、超音波４２を所望の位置４０により正確に集束させることができる。

【0050】

図１（ａ）のように、複数の素子２０は、基板１０の上面４３のＸ方向とＹ方向に配列された２行２列の４つの第１領域５０に設けられている。センサ３０は、４つの第２領域５２の各々に少なくとも１つ設けられている。このように、平面視で見たときに、基板１０の中心４４を通る十字に対応する位置（先に述べた、中心４４を通るＢ－Ｂ直線およびＣ－Ｃ直線の通過する第２領域５２）にセンサ３０を設けることで、センサ３０の個数が少なくてもセンサ３０の出力信号に基づき基板１０の撓んだ状態を把握できる。

【0051】

また、第２領域５２の各々に複数のセンサ３０が設けられており、各第２領域５２内のセンサ３０は、Ｘ方向またはＹ方向に配列されている。このＸ方向に配列されたセンサ３０により、Ｘ方向における基板１０の撓みを把握でき、Ｙ方向に配列されたセンサ３０により、Ｙ方向における基板１０の撓みを把握できる。よって、制御部３８は、センサ３０の出力信号に基づき、アレイ状の複数の素子２０の位置をより正確に算出できる。

【実施例0052】

実施例２は、実施例１の具体例であり、素子２０として、圧電型マイクロマシン超音波トランスデューサ（ｐＭＵＴ：Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer）を用いている。図３（ａ）は、超音波装置１０２の平面図、図３（ｂ）および図３（ｃ）は、図３（ａ）のそれぞれＡ－Ａ線断面図およびＢ－Ｂ線断面図である。

【0053】

この超音波装置１０２では、チップ１５の基板１０に基板１０の厚さ方向に下面から開口された空隙１３が設けられている。ｐＭＵＴ素子２０および歪センサ３０は、基板１０の上面４３に設けられている。ｐＭＵＴ素子２０は、空隙１３の上方を振動領域５４および駆動領域５６を有している。ｐＭＵＴ素子２０および歪センサ３０の平面配置は、実施例１の図１（ａ）と同じである。

【0054】

図４は、図３（ａ）の２個のｐＭＵＴ素子２０および隣に並んだ２個の歪センサ３０を拡大したものである。図５（ａ）および図５（ｂ）は、図４のそれぞれＡ－Ａ断面図およびＢ－Ｂ断面図である。

【0055】

図４および図５（ａ）のように、ｐＭＵＴ素子２０には、基板１０の下面から空隙１３が設けられており、この空隙１３の周囲は、リング状の基板１０が支持体となる。基板１０および空隙１３上には、２層からなる活性層１１が設けられている。層１１ａは、空隙１３を形成するときにエッチングストッパとして機能するストッパ層である。この層１１ａは例えば酸化シリコン層である。またこの上の層１１ｂは例えばシリコン層である。この２層の活性層１１は、基板１０全域に設けられ、全ての素子２０で着目すれば、全てのｐＭＵＴ素子２０が配置される領域を含め、基板１０全域に一体で連続して設けられている。なお、層１１ｂ上には、酸化シリコン膜等の絶縁膜が設けられていてもよい。

【0056】

下部電極１２は、活性層１１上に設けられている。下部電極１２上には圧電層１４が設けられている。さらに圧電層１４上に上部電極１６が設けられている。図５（ａ）のように、活性層１１、下部電極１２、圧電層１４および上部電極１６は積層膜１８を形成する。

【0057】

下部電極１２、圧電層１４および上部電極１６は、振動体となり、基板１０においてお互いに機械的に分離されて形成されている。下部電極１２または上部電極１６は、複数の素子２０において一体に連続して設けられていてもよい。

【0058】

基板１０上に、下部電極１２とコンタクト孔を介して接続された配線１９ａおよび上部電極１６に接続された配線１９ｂが設けられている。また圧電層１４および上部電極１６を覆うように保護膜が設けられていてもよい。

【0059】

空隙１３が活性層１１に接する領域は振動領域５４である。圧電層１４を挟み下部電極１２と上部電極１６とが重なる領域は、駆動領域５６である。振動領域５４および駆動領域５６の平面形状は例えば円で、両者の中心は略一致する。

【0060】

この振動領域５４を別の表現で言えば積層膜１８が振動する領域であり、駆動領域５６は、下部電極１２と上部電極１６との間の重畳部で交流電圧が印加された領域である。振動領域５４および駆動領域５６の平面形状は、略円形以外でもよく、例えば略多角形状でもよい。

【0061】

図４および図５（ｂ）のように、センサ３０は、半導体プロセスを用い形成され、金属線３１を有する。端子間の金属線３１はミアンダ状であり、第２領域５２の長辺方向に延伸する。なお、金属線３１を覆うようにカバー層３２が設けられている。カバー層３２は、例えば酸化シリコン層または窒化シリコン層などの無機絶縁層である。金属線３１の両端の端子は、カバー層３２を貫通するコンタクト孔を介しそれぞれ配線１９ｃおよび１９ｄに接続されている。基板１０が歪むと、金属線３１の抵抗が変化する。この抵抗の変化を検出することで、基板１０のひずみを検出できる。

【0062】

以下に、具体的に、各構成の材料などを説明する。
基板１０は、例えばシリコン基板である。この基板１０に、酸化シリコン層の層１１ａおよびシリコン層の層１１ｂを積層してもよいが、基板１０、層１１ａおよび１１ｂは、例えばＳＯＩ（Silicon on insulator）基板として用意してもよい。下部電極１２および上部電極１６は、例えばルテニウム、モリブデン、金、チタン、白金、アルミニウム、銅もしくはクロム等の金属膜から選択された膜、またはこれらの中から複数の膜が選択された積層膜である。また下部電極１２と上部電極１６とは互いに同じ材料からなる金属膜もよいし、互いに異なる材料からなる金属膜でもよい。

【0063】

圧電層１４の材料は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛)、ＢＴＯ(チタン酸バリウム)、ＡｌＮ(窒化アルミニウム)、ＰＶＤＦ(ポリフッ化ビニリデン)、ＬｉＮｂＯ_３(ニオブ酸リチウム)、ＬｉＴａＯ_３(タンタル酸リチウム)、ＺｎＯ(酸化亜鉛)またはＫＮＮ(ニオブ酸カリウムナトリウム)である。配線１９ａ～１９ｃは、例えば金層、銅層またはアルミニウム層等の金属層である。

【0064】

金属線３１は、例えば銅ニッケル合金またはニッケルクロム合金である。センサ３０として、金属式のひずみセンサを例に説明したが、センサ３０は、半導体式のひずみセンサでもよい。

【0065】

基板１０の厚さは、例えば１０μｍ～１００μｍである。活性層１１の厚さは例えば１μｍ～１０μｍである。下部電極１２および上部電極１６の厚さは例えば１０ｎｍ～５００ｎｍである。圧電層１４の厚さは、例えば１μｍ～１０μｍである。振動領域５４の直径は、例えば２００μｍ～２０００μｍ、駆動領域５６の直径は、振動領域５４よりも小さく、例えば１００μｍ～１５００μｍである。

【0066】

図６は、実施例２に係る超音波装置１０２のブロック図である。超音波装置１０２は、素子２０、センサ３０、制御部３８および位置測定器６６を備えている。制御部３８は、ひずみ検出部６０、素子位置算出部６１、位相算出部６２、位置検出部６４および駆動部６５を備えている。ひずみ検出部６０、素子位置算出部６１、位相算出部６２、位置検出部６４および駆動部６５の少なくとも一部は、プロセッサ等がソフトウエアと協働して機能してもよく、専用回路によりハードウエアのみで機能してもよい。

【0067】

位置測定器６６は、図２（ｂ）において超音波４２を集束させる位置４０を測定する機器であり、例えば光学方式のトラッキングシステムである。

【0068】

ひずみ検出部６０は、センサ３０の出力信号から基板１０の歪εを検出する。素子位置算出部６１は、基板１０の歪εに基づき、素子２０の位置を算出する。例えば、素子位置算出部６１は、図２（ｂ）の各素子２０の座標（ｘ１´，ｙｉ´，ｚｉ´）を算出する。位置検出部６４は、位置測定器６６の出力信号から超音波４２を集束させる位置４０の座標（ｘ，ｙ，ｚ）を検出する。位相算出部６２は、素子２０の座標（ｘ１´，ｙｉ´，ｚｉ´）と位置４０の座標（ｘ，ｙ，ｚ）から、数１～数３を用い、各素子２０の超音波４２の位相θｉを算出する。駆動部６５は、位相θｉに基づき、数３の超音波４２を素子２０が出力するように、素子２０を駆動する。

【0069】

図７（ａ）および図７（ｂ）は、基板を回路基板に実装した断面図である。図７（ａ）および図７（ｂ）は、それぞれ図３のＡ－Ａ断面図およびＢ－Ｂ断面図に相当する。

【0070】

基板１０は、半田等のバンプ２７によりプリント基板などの回路基板２５に搭載されている。回路基板２５には、制御部３８の少なくとも一部が設けられていてもよい。基板１０のうちバンプ２７により固定された箇所が固定点４１となる。固定点４１以外では、基板１０は固定されていない。このため、基板１０は撓みやすくなる。よって、センサ３０を用い素子２０の位置を算出することで、超音波４２を所望の位置４０に集束できる。基板１０と回路基板２５との間は、隙間があってもよいが、樹脂テープ、ソルダーレジストまたはシリコン等の柔らかい材料が隙間を埋めるように設けられていてもよい。

【0071】

（実施例２の変形例１）
図８（ａ）は、実施例２の変形例１に係る超音波装置１０４の平面図、図８（ｂ）は、図８（ａ）のＡ－Ａ断面図である。

【0072】

超音波装置１０４では、センサ３０は、基板１０の下面、すなわち素子２０が設けられた面と反対の面に設けられている。センサ３０は、基板１０の上面、下面および内部の少なくとも１つに設けられていればよい。その他の構成は実施例２と同じであり説明を省略する。

【0073】

図５（ａ）のように、実施例１および２のように、振動領域５４において振動する積層膜１８（振動層）のうち活性層１１が一体に設けられた複数の素子２０は、チップ１５の基板１０に設けられている。センサ３０も、このチップ１５の上面に設けられている。これにより、センサ３０は、基板１０の変位を検出できる。よって、超音波４２を位置４０（集束位置）に集束させることができる。積層膜１８のうち少なくとも１つの層が複数の素子２０に一体に設けられていればよい。センサ３０は、チップ１５の上面、下面または内部に設けられていればよい。