JP2023042043A - 圧電体デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】圧電効果における縦効果を利用して小型で高感度の圧電体デバイスを提供する。【解決手段】小型化を実現した圧電体デバイスにおいて、縦効果（ｄ３３モード）を利用して入力信号により圧電体膜を変位させ、その変位から出力信号に変換する。そのため、平板状の圧電体膜３の厚さ方向に延出する電極５ａ、５ｂを配置し、電極間に電圧を印加して圧電体膜３を分極させ、その分極方向に変位させる構成としている。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電体を用いたアクチュエータやセンサなどの圧電体デバイスに関し、特に基板上に積層した圧電体膜を用いた圧電体デバイスに関する。

従来から、圧電体を機械加工して形成したバルク型の圧電体デバイスが用いられていた。また圧電体デバイスの小型化の要請に伴い、キャビティを備えた基板上に下層電極、圧電体膜および上層電極を積層し、下層電極と上層電極との間の圧電体膜の変位から入力信号を出力信号に変換する構成の圧電体デバイスが用いられている。このような構造の圧電デバイスは、下層電極と上層電極間に配置する圧電体膜の厚さを薄くすることで超音波のような高周波信号を送受信することが可能となっている。

例えば、超音波を送受信する圧電体デバイスは、車両に搭載された障害物検知や、医療用の超音波診断装置等、種々適用範囲が拡大している。従来提案されている圧電体デバイスでは、圧電体膜に印加される電圧の向きと、圧電体膜が変位する方向（伸縮する方向）が異なっている（特許文献１、図４参照）。

特開２０１３－１３５７９３号公報

圧電体デバイスの適用範囲が拡大するに伴い、小型化とともに高感度化の要請が高まっている。ところで一般的な圧電材料では、圧電効果における横効果（ｄ３１モード）は縦効果（ｄ３３モード）より小さいことが知られている。上述の小型化を実現した圧電体デバイスでは、圧電体膜に対して印加される電圧の向きと圧電体膜の変位の向きが直交している横効果を利用した圧電体デバイスであった。そこで本発明は、縦効果を利用して小型で高感度の圧電体デバイスを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、キャビティを備えた基板と、前記キャビティを覆い前記基板に支持された圧電体膜と、前記圧電体膜を挟んで配置された第１の電極と第２の電極とを備えた圧電体デバイスにおいて、前記圧電体膜は、第１の主面と第２の主面を有し、前記第２の主面を前記キャビティ側に配置し、前記第２の主面の端部が前記基板に支持され、前記第１の電極と前記第２の電極は、それぞれ前記キャビティ上に配置する前記圧電体膜の前記第１の主面と前記第２の主面のいずれか一方から他方側へ延出し、前記第１の電極と前記第２の電極間に電圧が印加され、前記電圧の印加方向に分極する圧電体膜の前記電圧の印加方向の変位から入力信号を出力信号に変換することを特徴とする。

本願請求項２に係る発明は、請求項１記載の圧電体デバイスにおいて、前記第１の電極と前記第２の電極は、同心円状に配置され、前記第１の電極と前記第２の電極間のドーナツ形状の前記圧電体膜の前記変位から入力信号を出力信号に変換することを特徴とする。

本願請求項３に係る発明は、請求項１記載の圧電体デバイスにおいて、前記キャビティ上に、前記第１の電極と、前記第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極間の前記圧電体膜を含む単位デバイスを複数備え、複数の前記単位デバイスは、前記第１の電極と前記第２の電極間の前記圧電体膜の前記変位と、前記単位デバイス間の前記圧電体膜の変位から入力信号を出力信号に変換することを特徴とする。

本願請求項４に係る発明は、請求項２記載の圧電体デバイスにおいて、前記ドーナツ形状の前記圧電体膜の前記変位と、前記第１の電極と前記第２の電極と前記第１の電極と前記第２の電極間の前記圧電体膜とに囲まれた円形の前記圧電体膜の変位から入力信号を出力信号に変換することを特徴とする。

本願請求項５に係る発明は、請求項１乃至請求項４いずれか記載の圧電体デバイスにおいて、前記第１の電極と、前記第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極間の前記圧電体膜を備えた前記圧電体膜を、絶縁膜を挟んで積層し、前記絶縁膜上層の前記圧電体膜の前記変位、前記絶縁膜下層の前記圧電体膜の前記変位の少なくともいずれか一方の変位から入力信号を出力信号に変換することを特徴とする。

本願請求項６に係る発明は、請求項１乃至請求項５いずれか記載の圧電体デバイスにおいて、それぞれ異なる周波数で変位する前記圧電体膜を有する前記圧電体デバイスを複数備えていることを特徴とする。

本発明の圧電体デバイスは、圧電効果における縦効果を利用しているため、圧電体膜の変位が大きく、小型で高感度の圧電体デバイスを提供することが可能となる。

本発明の第１の実施形態の圧電体デバイスの説明図である。 本発明の第２の実施形態の圧電体デバイスの説明図である。 本発明の第３の実施形態の圧電体デバイスの説明図である。 本発明の第４の実施形態の圧電体デバイスの説明図である。 本発明の第５の実施形態の圧電体デバイスの説明図である。

本発明の圧電体デバイスは、小型化を実現した圧電体デバイスにおいて、圧電効果における縦効果（ｄ３３モード）を利用して入力信号により圧電体膜を変位させ、その変位から出力信号に変換する構成としている。縦効果を利用することで、従来の横効果を利用した圧電体デバイスと比較して、圧電体膜の変位は大きくなる。その結果、本発明は小型で高感度の圧電体デバイスを実現することが可能となる。以下、本発明の実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
まず本発明の第１の実施形態について説明する。図１は本発明の第１の実施形態の圧電体デバイスの説明図で、図１（ａ）は平面図を、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ－Ａ線における断面図をそれぞれ示している。図１に示すように、基板１上に絶縁膜２を介して圧電体膜３が積層形成されている。基板１の一部は除去されキャビティ４が形成されている。圧電体膜３は所定の厚さの平板形状で、表面（第１の主面に相当）および裏面（第２の主面に相当）を有している。圧電体膜３の裏面は、その端部を絶縁膜２を介してキャビティ４が形成されていない厚い基板１に接合して支持されている。３ａはキャビティ４上に配置された圧電体膜で、変位が生じる圧電体膜となる。なお、図１（ｂ）に示す例では、キャビティ４が形成される領域に、基板１の一部が残る形状となっている。これは、超音波帯域の送受信を実現する場合、圧電体膜３ａの厚さを薄くする必要があり、圧電体膜３ａの破損等を防止しながら、変位の妨げとならない程度の厚さとなるように基板１の一部を残している。絶縁膜２も同様に、変位の妨げとならない程度の厚さとしている。

圧電体膜３には、その表面から裏面側（厚さ方向）に延出し、相互に平行に対向する一対の電極５ａ、５ｂが配置している。この一対の電極５ａ、５ｂはそれぞれ圧電体膜３と基板１との接合部の近傍に配置している。

このように配置することで、図示しない電圧印加手段により電極５ａ、５ｂ間に電圧を印加すると、この電極５ａ、５ｂ間の圧電体膜３ａは電圧の印加方向（圧電体膜の厚さ方向と直交する方向、圧電体膜３の表面に平行な方向）に分極する。

本実施形態の圧電体デバイスを送信装置として用いる場合、電極５ａ、５ｂ間に所望の周波数の電圧（入力信号に相当）を印加することで、圧電体膜３ａが分極方向と平行な方向に伸張するように変位する。この変位により圧電体膜３ａから出力信号（例えば超音波信号）が放射される。

また本実施形態の圧電体デバイスを受信装置として用いる場合、電極５ａ、５ｂ間の圧電体膜３ａを分極させた状態で、圧電体膜３ａが振動（入力信号）を受けると分極方向と平行な方向に伸張する変位が生じる。この変位にともなう電圧の変動は、電極５ａ、５ｂから出力信号（受信信号）として得ることができる。

圧電体膜３の厚さ、大きさ、一対の電極５ａ、５ｂ間の間隔を適宜設定し、一対の電極５ａ、５ｂ間に印加される電圧の印加方向を適宜設定することで、所望の周波数の変位の送受信が可能となる。

このように本実施形態の圧電体デバイスは、圧電効果の縦効果の変位を利用した構成となっており、従来の圧電体デバイスのような横効果を利用した変位より大きな変位を得ることができ、あるいは変位に伴い大きな出力信号を得ることが可能で、小型化と高感度化を実現することが可能となる。

（第２の実施形態）
次に本発明の第２の実施形態について説明する。図１では単一の圧電体デバイスについて説明したが、通常は複数の圧電体デバイスを並べて使用することになる。複数の圧電体デバイスの集合体からなる圧電体デバイスの例として、図１に示す圧電体デバイスを複数個集合させる実施形態を図２に示す。

図２は、単一のキャビティ４上に圧電体デバイス（単位デバイスに相当）を複数配置した場合の断面図を示している。キャビティ４の形状を除けば、各圧電体デバイスは、図１（ａ）に示す圧電体デバイスと同一の構造とすることができる。

このように配置された各圧電体デバイスについて、図示しない電圧印加手段により電極５ａ、５ｂ間に電圧を印加すると、電極５ａ、５ｂ間の圧電体膜３ａ１と圧電体膜３ａ２は電圧の印加方向（圧電体膜の厚さ方向に直交する方向、圧電体膜３の表面に平行な方向であって、相互に逆方向）に分極する。

本実施形態の圧電体デバイスを送信装置として用いる場合、電極５ａ、５ｂ間に所定の周波数の電圧を印加することで、圧電体膜３ａ１と圧電体膜３ａ２が分圧方向と平行する方向であって相互に逆方向に伸張するように変位する。本実施形態では、圧電体膜３ａ１と圧電体膜３ａ２の変位により、圧電体デバイスの間の圧電体膜３ｂ１も変位することになる。これらの変位により圧電体膜から出力信号が放射される。

また本実施形態の圧電体デバイスを受信装置として用いる場合、電極５ａ、５ｂ間の圧電体膜３ａ１と圧電体膜３ａ２を分極させる電圧を印加した状態で、圧電体膜３ａ１、３ａ２、３ｂ１が振動を受けると分極方向と平行な方向に伸張する変位が生じる。この変位に伴う電圧の変動は電極５ａ、５ｂから出力信号として得ることができる。

このように単一のキャビティ４上に複数の圧電体デバイス（単位デバイス）を適宜配置することで、個々の圧電体デバイスの変位が相互に影響して圧電体膜を変位させることが可能となる。例えば圧電体膜３ｂ１を変位させるため、圧電体膜３ｂ１の周囲を取り囲むように複数の圧電体デバイスを配置することができる。

本実施形態の圧電体デバイスも、縦効果を利用した圧電体デバイスとなり、小型化と高感度化を実現することが可能となる。特に本実施形態では、圧電体膜３ｂ１の変位によっても入力信号を出力信号に変換することができ、好ましい。

（第３の実施形態）
次に本発明の第３の実施形態について説明する。図３は本発明の第３の実施形態の圧電体デバイスの説明図で、図３（ａ）は平面図を、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ－Ｂ線における断面図をそれぞれ示している。図３に示すように、本実施形態の圧電体デバイスの電極５ａ、５ｂは同心円状に配置され、その間にドーナツ形状の圧電体膜３ａ３が配置されている。この場合キャビティ４は円形となる。圧電体膜３は所定の厚さの平板形状で、その裏面の端部を絶縁膜２を介してキャビティ４が形成されていない厚い基板１に接合して支持されている。

圧電体膜３の表面から裏面側に延出し、相互に略平行に対向する一対の電極５ａ、５ｂが配置している。この一対の電極５ａ、５ｂはそれぞれ圧電体膜３と基板１との接合部の近傍に配置している。

このように配置することで、図示しない電圧印加手段により電極５ａ、５ｂ間に電圧をを印加すると、この電極電極５ａ、５ｂ間の圧電体膜３ａ３は電圧の印加方向（圧電体膜の厚さ方向と直交する方向、圧電体膜３の表面に平行な方向）に分極する。

本実施形態の圧電体デバイスを送信装置として用いる場合、電極５ａ、５ｂ間に所望の周波数の電圧を印加することで、圧電体膜３ａ３が分極方向と平行な方向に伸張するように変位する。本実施形態では、圧電体膜３ａ３の変位により、これに囲まれた圧電体膜３ｂ２を変位させることになる。これら変位により圧電体膜から出力信号が放射される。

また本実施形態の圧電体デバイスを受信装置として用いる場合、電極５ａ、５ｂ間の圧電体膜３ａ３を分極させる電圧を印加した状態で、圧電体膜３ａ３、３ｂ２が振動を受けると分極方向と平行な方向に伸張する変位が生じる。この変位に伴う電圧の変動は電極５ａ、５ｂから出力信号として得ることができる。

このように本実施形態の圧電体デバイスも、縦効果を利用した圧電体デバイスとなり、小型化と高感度化を実現することが可能となる。特に本実施形態では、圧電体膜３ｂ２の変位によっても入力信号を出力信号に変換することができ、好ましい。

（第４の実施形態）
次に本発明の第４の実施例について説明する。図４は本発明の第４の実施形態の圧電体デバイスの説明図である。上述の第１の実施形態で説明した圧電体デバイスは、圧電体膜を単層で形成した場合について説明したが、本実施形態では、圧電体膜を多層構造としている点で相違する。

このように配置することで、図示しない電圧印加手段により電極５ａ、５ｂ間に電圧を印加すると、この電極５ａ、５ｂ間の圧電体膜３ａ４が電圧の印加方向（圧電体膜の厚さ方向と直交する方向、圧電体膜３Ａの表面に平行な方向）に分極する。また電極５ｃ、５ｄ間に圧電体膜３ａ５に対する電圧の印加方向と逆向きの電圧を印加すると、この電極５ｃ、５ｄ間の圧電体膜３ａ５が電圧の印加方向に分極する。

本実施形態の圧電体デバイスを送信装置として用いる場合、電極５ａ、５ｂ間に所定の周波数の電圧を印加することで、圧電体膜３ａ４が分極方向と平行な方向に伸張するように変位する。このとき、電極５ｃ、５ｄ間に上述の所定の周波数であって同期した逆向きの電圧を印加することで、圧電体膜３ａ５が分極方向と平行な方向に収縮するように変位する。すなわち、圧電体膜３ａ４と圧電体膜３ａ５は、一方が伸張する変位をするとき他方は収縮する変位とする。このような変位により、圧電体膜３ａ４、３ａ５から出力信号放射される。

また本実施形態の圧電体デバイスを受信装置として用いる場合、電極５ａ、５ｂ間の圧電体膜３ａ４と、電極５ｃ、５ｄ間の圧電体膜３ａ５とを相互に逆方向に分極させる電圧を印加した状態で、圧電体膜３ａ４、３ａ５が振動（入力信号）を受けると分極方向と平行な方向にそれぞれ伸張する変位が生じる。この変位にともなう電圧の変動は、電極５ａ、５ｂ、あるいは電極５ｃ、５ｄの少なくともいずれか一方から出力信号（受信信号）として得ることができる。

本実施形態の圧電体デバイスも、縦効果の変位を利用した圧電体デバイスとなり、小型化と高感度化を実現することが可能となる。

なお、このように圧電体膜を多層構造とする構成は、図２に示す第２の実施形態の圧電体デバイス、図３に示す第３の実施形態の圧電体デバイスについても適用可能である。特にこれらの実施形態では、圧電体膜３ｂ１、３ｂ２の変位を大きくする効果が期待される。

（第５の実施形態）
次に本発明の第５の実施形態について説明する。上述の実施形態は、圧電体膜３の端部がすべて基板１に接合している場合について説明したが、本発明は、圧電体膜３の一端が自由端となっているカンチレバー型の圧電体デバイスとすることも可能である。

図５は本発明の第５の実施形態の圧電体デバイスの説明図で、図５（ａ）は平面図を、図５（ｂ）は図５（ａ）のＣ－Ｃ線における断面図をそれぞれ示している。図５に示すように、圧電体膜３はスリット６によって区画され、一端が基板１上に絶縁膜２を介して支持されている。図５には、圧電体膜３を多層構造とした圧電体デバイスを示している。

上述の第４の実施形態の圧電体デバイス同様、図示しない電圧印加手段により電極５ａ、５ｂ間に電圧を印加すると、この電極５ａ、５ｂ間の圧電体膜３ａ６が電圧の印加方向（圧電体膜の厚さ方向と直交する方向、圧電体膜３Ａの表面に平行な方向）に分極する。また電極５ｃ、５ｄ間に圧電体膜３ａ６に対する電圧の印加方向と逆向きの電圧を印加すると、この電極５ｃ、５ｄ間の圧電体膜３ａ７が電圧の印加方向に分極する。

本実施形態の圧電体デバイスを送信装置として用いる場合、電極５ａ、５ｂ間に所定の周波数の電圧を印加することで、圧電体膜３ａ６が分極方向と平行な方向に伸張するように変位する。このとき、電極５ｃ、５ｄ間に上述の所定の周波数であって同期した逆向きの電圧を印加することで、圧電体膜３ａ７が分極方向と平行な方向に収縮するように変位する。すなわち、圧電体膜３ａ６と圧電体膜３ａ７は、一方が伸張する変位のとき他方は収縮する変位とする。このような変位により、圧電体膜３Ａ、３Ｂの自由端が比較的大きな変位となり出力信号が放射される。

また本実施形態の圧電体デバイスを受信装置として用いる場合、電極５ａ、５ｂ間の圧電体膜３ａ６と、電極５ｃ、５ｄ間の圧電体膜３ａ７とを相互に逆方向に分極させる電圧を印加した状態で、圧電体膜３Ａ、３Ｂの自由端が振動（入力信号）を受けると分極方向と平行な方向に圧電体膜３ａ６、３ａ７のそれぞれに伸張する変位が生じる。この変位にともなう電圧の変動は、電極５ａ、５ｂ、あるいは電極５ｃ、５ｄの少なくともいずれか一方から出力信号（受信信号）として得ることができる。

なお、本実施例では圧電体膜を多層構造として説明したが、単層構造であっても何ら問題はない。

本実施形態の圧電体デバイスも、縦効果の変位を利用した圧電体デバイスとなり、小型化と高感度化を実現することが可能となる。特に本実施形態では、圧電体膜の一端が自由端となっているため、自由端の変位が大きくなり、圧電体膜３ａ６、３ａ７に加わる応力が大きくなり、大きな信号を出力することができ、あるいは小さな信号の入力を受信可能となる。

（第６の実施形態）
次に本発明の第６の実施形態について説明する。この種の圧電体デバイスでは、圧電体膜の厚さや電極間の寸法等が決まれば、発振周波数（共振周波数）が決まる。そこで、発振周波数（共振周波数）の帯域を広くするため、圧電体膜の変位の周波数が異なる圧電体デバイスを組み合わせることによって、広帯域化を図ることが可能となる。

例えば、図１、図２、図３で説明した圧電体デバイスを用いる場合、キャビティ４の大きさ、電極５ａ、５ｂ間の寸法を変えた圧電体デバイスを組み合わせることで広帯域の出力信号を得ることが可能となる。

以上本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものでないことは言うまでもない。例えば、超音波の送信装置あるいは受信装置に限定されるものではない。

１：基板、２、２ａ：絶縁膜、３、３ａ、３ａ１～３ａ、３Ａ、３Ｂ：圧電体膜、４：キャビティ、５ａ～５ｄ：電極、６：スリット

Claims (6)

1. キャビティを備えた基板と、前記キャビティを覆い前記基板に支持された圧電体膜と、前記圧電体膜を挟んで配置された第１の電極と第２の電極とを備えた圧電体デバイスにおいて、
   前記圧電体膜は、第１の主面と第２の主面を有し、前記第２の主面を前記キャビティ側に配置し、前記第２の主面の端部が前記基板に支持され、
   前記第１の電極と前記第２の電極は、それぞれ前記キャビティ上に配置する前記圧電体膜の前記第１の主面と前記第２の主面のいずれか一方から他方側へ延出し、
   前記第１の電極と前記第２の電極間に電圧が印加され、前記電圧の印加方向に分極する圧電体膜の前記電圧の印加方向の変位から入力信号を出力信号に変換することを特徴とする圧電体デバイス。
2. 請求項１記載の圧電体デバイスにおいて、
   前記第１の電極と前記第２の電極は、同心円状に配置され、
   前記第１の電極と前記第２の電極間のドーナツ形状の前記圧電体膜の前記変位から入力信号を出力信号に変換することを特徴とする圧電体デバイス。
3. 請求項１記載の圧電体デバイスにおいて、
   前記キャビティ上に、前記第１の電極と、前記第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極間の前記圧電体膜を含む単位デバイスを複数備え、
   複数の前記単位デバイスは、前記第１の電極と前記第２の電極間の前記圧電体膜の前記変位と、前記単位デバイス間の前記圧電体膜の変位から入力信号を出力信号に変換することを特徴とする圧電体デバイス。
4. 請求項２記載の圧電体デバイスにおいて、
   前記ドーナツ形状の前記圧電体膜の前記変位と、前記第１の電極と前記第２の電極と前記第１の電極と前記第２の電極間の前記圧電体膜とに囲まれた円形の前記圧電体膜の変位から入力信号を出力信号に変換することを特徴とする圧電体デバイス。
5. 請求項１乃至請求項４いずれか記載の圧電体デバイスにおいて、
   前記第１の電極と、前記第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極間の前記圧電体膜を備えた前記圧電体膜を、絶縁膜を挟んで積層し、
   前記絶縁膜上層の前記圧電体膜の前記変位、前記絶縁膜下層の前記圧電体膜の前記変位の少なくともいずれか一方の変位から入力信号を出力信号に変換することを特徴とする圧電体デバイス。
6. 請求項１乃至請求項５いずれか記載の圧電体デバイスにおいて、
   それぞれ異なる周波数で変位する前記圧電体膜を有する前記圧電体デバイスを複数備えていることを特徴とする圧電体デバイス。

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