JP2023042042A - 圧電体デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】凸状の振動板を備えた高出力、かつ、高感度の圧電体デバイスを提供する。【解決手段】圧電体デバイスは、キャビティ４を備えた基板１と、基板１に支持された圧電体膜３と、圧電体膜３を挟んで配置された電極とを備え、キャビティ４上に配置され凸状あるいは凹状の圧電体膜３が振動板６となる。振動板６は、第１の圧電体からなる第１の領域と、第１の圧電体の圧電定数より大きい圧電定数の第２の圧電体からなる第２の領域とからなる単層の圧電体膜となる。第２の領域の圧電体膜を挟んで第１の電極５ａと第２の電極５ｂが配置され、この電極間の第２の領域の圧電体膜３ｂの変位から第１の入力信号を第１の出力信号に変換する。【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体デバイスは、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。この種の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。

圧電体デバイスの適用範囲が拡大するに伴い、小型化とともに高出力化、高感度化の要請が高まっている。高感度化を実現するため、凸状の振動板を備えた圧電体デバイスが提案されている（例えば特許文献１）。さらに出力特性のばらつきを抑え、より感度の高い圧電体デバイスが提案されている（特許文献２）。

特開２０１７－１１２６１２号公報 特開２０２０－１９１３５９号公報

従来の凸状の振動板を備えた圧電体デバイスは、一般的な平板状の振動板を備えた圧電体デバイスと比較すると、感度が向上する。しかしながら、さらに適用範囲を拡大するためには、さらなる高出力化、高感度化が必要となっている。そこで本発明は、凸状の振動板を備えた高出力、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電極とを備えた圧電体デバイスにおいて、前記キャビティ上に配置され凸状あるいは凹状の振動板となる前記圧電体膜は、第１の圧電体からなる第１の領域と、前記第１の圧電体の圧電定数より大きい圧電定数の第２の圧電体からなる第２の領域とからなる単層の圧電体膜であって、前記第２の領域の圧電体膜を挟んで第１の電極と第２の電極が配置され、前記第１の電極と前記第２の電極間の前記第２の領域の圧電体膜の変位から第１の入力信号を第１の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の電極間に前記第１の入力信号となる電圧が印加され、前記第２の領域の圧電体膜が変位することで、前記第１の出力信号となる振動に変換され前記振動板から出力され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、前記振動板に前記第１の入力信号となる振動が発生し、前記第２の領域の圧電体膜が変位することで、前記第１の出力信号となる電圧に変換され前記第１の電極と前記第２の電極から出力されることを特徴とする。

本願請求項４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の領域の圧電体膜を挟んで第３の電極と第４の電極が配置され、前記第３の電極と前記第４の電極間の前記第１の領域の圧電膜の変位から第２の入力信号を第２の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４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の電極間に前記第１の入力信号となる電圧が印加され、前記第２の領域の圧電体膜が変位することで、前記第１の出力信号となる振動に変換され前記振動板から出力され、前記第１の領域の圧電体膜に前記第２の入力信号となる振動が発生し、前記第１の領域の圧電体膜が変位することで、前記第２の出力信号となる電圧に変換され前記第３の電極と前記第４の電極から出力されることを特徴とする。

本発明の圧電体デバイスは、振動板を構成するキャビティ上の圧電体膜の一部の領域の圧電体膜を圧電定数の高い圧電体で構成することで、大きな変位に基づき入力信号を出力信号に変換することができ、高出力、高感度の圧電体デバイスを構成することができる。

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。

本発明の圧電体デバイスは、振動板を構成するキャビティ上の圧電体膜の一部（第２の領域の圧電体膜に相当）を、他の領域の圧電体膜（第１の領域の圧電体膜に相当）より圧電定数の大きい圧電体で構成することで、第２の領域の圧電体膜の大きな変位等により、入力信号を出力信号の変換する。その結果、高出力、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は所定の厚さの単層構造となっている。また、キャビティ４とは反対側に突出する凸状となっている。圧電体膜３の端部は、基板１に絶縁膜２を介して接合して支持され、キャビティ４は圧電体膜３で覆われている。

キャビティ４上の圧電体膜は、図１（ａ）に示すように第１の圧電体からなる第１の領域の圧電体膜３ａの一部がドーナツ形状に除去され、この領域に充填された第２の圧電体からなる第２の領域の圧電体膜３ｂとからなる。第２の領域の圧電体膜３ｂが形成される領域は、振動板が振動する際に大きな変位が生じる領域である。具体的には、図１（ｂ）に示すように圧電体膜３の端部が基板１に支持された近傍で、キャビティ４の壁部に沿った領域である。

第２の領域の圧電体膜３ｂの表面および裏面には、それぞれ第１の電極５ａと第２の電極５ｂが配置されている。第１の電極５ａおよび第２の電極５ｂは、それぞれ図示しない電圧印加手段に接続されている。

図１（ｂ）に示すようにキャビティ４上の圧電体膜は凸状であるが、この凸形状を形成するため圧電体膜３を予め凸状に形成するほか、第１の電極５ａと第２の電極５ｂ間に電圧を印加することで第２の領域の圧電体膜３ｂを変位（伸張）させ、平板状の圧電体膜３を凸状に変形させてもよい。このように形成された第１の領域の圧電体膜３ａおよび第２の領域の圧電体膜３ｂからなるキャビティ４上の圧電体膜は、所望の形状の振動板６となる。

このような構成の圧電体デバイスでは、以下のように入力信号を出力信号に変換する。

例えば、第１の電極５ａと第２の電極５ｂに電圧信号（第１の入力信号に相当）を印加すると、第２の領域の圧電体膜３ｂが変位する。その結果、振動板６が変位する。具体的には、電圧の印加方向を所定の周波数で変更することで第２の領域の圧電体膜３ｂが伸張し、または収縮し、所望の周波数で振動板６を振動（第１の出力信号に相当）させることができる。ここで、第２の領域の圧電体膜３ｂは圧電定数の大きい圧電体で構成しているから、振動板６を第１の領域の圧電体膜３ａを構成する圧電体のみで構成する場合と比較して振動板６の変位が大きくなり、大きな出力信号を発生させることが可能となる。

また別の例として、振動板６が振動（第１の入力信号に相当）すると、第２の領域の圧電体膜３ｂが変位する。その結果、第２の領域の圧電体膜３ｂ内に生じる電荷により第１の電極５ａと第２の電極５ｂから所望の電圧信号（第１の出力信号に相当）を得ることができる。この場合も、第２の領域の圧電体膜３ｂは圧電定数の大きい圧電体で構成していることから、振動板６を第１の領域の圧電体膜３ａを構成する圧電体のみで構成する場合と比較して第２の領域の圧電体膜３ｂに多くの電荷が発生して電圧信号が大きくなり、大きな出力信号を発生させることが可能となる。あるいは小さな入力信号についても出力信号を発生させることが可能となる。

（第２の実施形態）
次に第２の実施形態について説明する。図２は本発明の第２の実施形態の圧電体デバイスの説明図で、図２（ａ）は平面図を、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ－Ｂ線における断面図をそれぞれ示している。図２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は所定の厚さの単層構造となっている。また、キャビティ４とは反対側に突出する凸状となっている。圧電体膜３の端部は、基板１に絶縁膜２を介して接合して支持され、キャビティ４は圧電体膜３で覆われている。

キャビティ４上の圧電膜は、図２（ａ）に示すように第１の圧電体からなる第１の領域の圧電体膜３ａの一部がドーナツ形状に除去され、この領域に充填された第２の圧電体からなる第２の領域の圧電体膜３ｂとからなる。第２の領域の圧電体膜３ｂが形成される領域は、振動板が振動する際に大きな変位が生じる領域である。具体的には、図２（ｂ）に示すように圧電体膜３の端部が基板１に支持された近傍で、キャビティ４の壁部に沿った領域である。

第２の領域の圧電体膜３ｂの表面および裏面には、それぞれ第１の電極５ａと第２の電極５ｂが配置されている。さらに本実施形態の圧電体デバイスでは、第１の領域の圧電体膜３ａの表面および裏面に、それぞれ第３の電極５ｃと第４の電極５ｄが配置されている。第１の電極５ａおよび第２の電極５ｂ、また第３の電極５ｃおよび第４の電極５ｄは、図示しない電圧印加手段あるいは電圧検出手段に接続されている。

図２（ｂ）に示すようにキャビティ４上の圧電体膜は凸状であるが、この凸形状を形成するため圧電体膜３を予め凸状に形成するほか、第１の電極５ａと第２の電極５ｂ間に電圧を印加することで第２の領域の圧電体膜３ｂを変位（伸張）させ、平板状の圧電体膜３を凸状に変形させてもよい。また凸状の圧電体膜３に対して第３の電極５ｃと第４の電極５ｄ間に電圧を印加することで、第１の領域の圧電体膜３ａを変位させ、所望の形状とすることも可能である。このように形成された第１の領域の圧電体膜３ａおよび第２の領域の圧電体膜３ｂからなるキャビティ４上の圧電体膜は、所望の形状の振動板６となる。

このような構成の圧電体デバイスでは、以下のように入力信号（第１の入力信号に相当）を出力信号（第１の出力信号に相当）に変換し、別の入力信号（第２の入力信号に相当）を別の出力信号（第２の出力信号に相当）に変換することができる。

例えば、第１の電極５ａと第２の電極５ｂに電圧信号（第１の入力信号に相当）を印加すると、第２の領域の圧電体膜３ｂが変位する。その結果、振動板６が変位する。具体的には、電圧の印加方向を所定の周波数で変換することで第２の領域の圧電体膜３ｂが伸張し、または収縮し、所望の周波数で振動板６を振動（第１の出力信号に相当）させることができる。ここで、第２の領域の圧電体膜３ｂは圧電定数の大きい圧電体で構成しているから、振動板６を第１の領域の圧電体膜３ａを構成する圧電体のみで構成する場合と比較して振動６の変位が大きくなり、大きな出力信号を発生させることが可能となる。

また振動板６が振動（第２の入力信号に相当）すると、第１の領域の圧電体膜３ａが変位する。その結果、第１の領域の圧電体膜３ａ内に生じる電荷により第３の電極５ｃと第４の電極５ｄから所望の電圧信号（第２の出力信号に相当）を得ることができる。この場合、第１の領域の圧電体膜３ａを構成する圧電体は、第２の領域の圧電体膜３ｂを構成する圧電体より圧電定数が小さい。換言すると、第１の領域の圧電体膜３ａを構成する圧電体は、第２の領域の圧電体膜３ｂを構成する圧電体より容量が小さい。

一般的に圧電体を用いて超音波領域の信号を検知する場合、誘電率の小さい圧電体を用いることで高感度化が実現できる。従って、上述の第１の実施形態で説明した圧電体デバイスと比較して、本実施形態の圧電体デバイスのように構成すると、高感度で超音波領域の信号を検知できる圧電体デバイスを構成することができる。

上記第１および第２の実施形態の圧電体デバイスでは、第１の領域の圧電体膜３ａを構成する圧電体として窒化アルミニウム、第２の領域の圧電体膜３ｂを構成する圧電体としてＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を選択すると、図１および図２に示す形状の圧電体デバイスを容易に形成することができる。また第１の実施形態の圧電体デバイスでは、高出力化を図ることができ、第２の実施形態の圧電体デバイスでは、高出力化および高感度化を図ることができる。

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、第２の領域の圧電体膜３ｂは、ドーナツ形状に限定されない。また第１の圧電体膜を構成する圧電体と、第２の圧電体膜を構成する圧電体の組み合わせは適宜変更可能である。さらにまた圧電体膜３は、キャビティ４側に突出する凹状とすることも可能である。

この種の圧電体デバイスは、圧電体膜の厚さ等により出力信号の周波数等が決まる。そこで、出力信号の周波数等の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の信号変換が可能な圧電体デバイスとすることができる。

１：基板、２：絶縁膜、３：圧電体膜、３ａ：第１の領域の圧電体膜、３ｂ：第２の領域の圧電体膜、４：キャビティ、５ａ：第１の電極、５ｂ：第２の電極、５ｃ：第３の電極、５ｄ：第４の電極、６：振動板

Claims (5)

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電極とを備えた圧電体デバイスにおいて、
   前記キャビティ上に配置され凸状あるいは凹状の振動板となる前記圧電体膜は、第１の圧電体からなる第１の領域と、前記第１の圧電体の圧電定数より大きい圧電定数の第２の圧電体からなる第２の領域とからなる単層の圧電体膜であって、
   前記第２の領域の圧電体膜を挟んで第１の電極と第２の電極が配置され、前記第１の電極と前記第２の電極間の前記第２の領域の圧電体膜の変位から第１の入力信号を第１の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の電極間に前記第１の入力信号となる電圧が印加され、前記第２の領域の圧電体膜が変位することで、前記第１の出力信号となる振動に変換され前記振動板から出力され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、
   前記振動板に前記第１の入力信号となる振動が発生し、前記第２の領域の圧電体膜が変位することで、前記第１の出力信号となる電圧に変換され前記第１の電極と前記第２の電極から出力されることを特徴とする圧電体デバイス。
4. 請求項１記載の圧電体デバイスにおいて、
   前記第１の領域の圧電体膜を挟んで第３の電極と第４の電極が配置され、前記第３の電極と前記第４の電極間の前記第１の領域の圧電体膜の変位から第２の入力信号を第２の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４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の電極間に前記第１の入力信号となる電圧が印加され、前記第２の領域の圧電体膜が変位することで、前記第１の出力信号となる振動に変換され前記振動板から出力され、
   前記第１の領域の圧電体膜に前記第２の入力信号となる振動が発生し、前記第１の領域の圧電体膜が変位することで、前記第２の出力信号となる電圧に変換され前記第３の電極と前記第４の電極から出力されることを特徴とする圧電体デバイス。

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