DE112019006130B4

DE112019006130B4 - Piezoelektrischer Wandler

Info

Publication number: DE112019006130B4
Application number: DE112019006130.5T
Authority: DE
Inventors: Fumiya KUROKAWA; Shinsuke Ikeuchi; Yoichi Mochida; Seiji Umezawa; Nobuyoshi ADACHI; Yutaka Kishimoto
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2018-12-10
Filing date: 2019-09-04
Publication date: 2022-03-24
Anticipated expiration: 2039-09-05
Also published as: CN113169266B; JP7088314B2; DE112019006130T5; US11832522B2; CN113169266A; US20210202824A1; WO2020121609A1; JPWO2020121609A1

Abstract

Piezoelektrischer Wandler (100), aufweisend:mehrere Trägerabschnitte (110), von denen jeder einen festen Endabschnitt (111) aufweist und sich in einer Richtung weg von dem festen Endabschnitt erstreckt, undeinen Basisabschnitt (120), der mit dem festen Endabschnitt (111) jedes der mehreren Trägerabschnitte (110) verbunden ist,wobei sich jeder der mehreren Trägerabschnitte (110) in einer gleichen Ebene erstreckt und die jeweiligen Erstreckungsrichtungen (E) von mindestens zwei Trägerabschnitten (110) der mehreren Trägerabschnitte (110) voneinander verschieden sind,die mehreren Trägerabschnitte (110) jeweils eine piezoelektrische Einkristallschicht (10) mit einer Polarisationsachse in derselben Richtung, eine obere Elektrodenschicht (20), die auf einer Oberseite der piezoelektrischen Einkristallschicht (10) angeordnet ist, und eine untere Elektrodenschicht (30), die so angeordnet ist, dass sie zumindest einem Teil der oberen Elektrodenschicht (20) gegenüberliegt, wobei die piezoelektrische Einkristallschicht (10) dazwischen angeordnet ist, aufweisen,die Polarisationsachse (Z') eine Polarisationskomponente in der Ebene hat, undeine axiale Richtung einer orthogonalen Achse (X'), die orthogonal zur Polarisationsachse (Z') ist und sich in der Ebene erstreckt, eine Erstreckungsrichtung (E) jedes der mehreren Trägerabschnitte (110) schneidet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Wandler.
STAND DER TECHNIK
Die WO 2013/002 847 A1 kann als ein Patentdokument angegeben werden, das eine Konfiguration eines piezoelektrischen Wandlers offenbart. Der in der WO 2013/002 847 A1 beschriebene piezoelektrische Wandler umfasst ein Substrat und eine mehrere freitragende Träger. Die freitragenden Träger sind nebeneinander angeordnet und verjüngen sich. Jeder der mehreren freitragenden Träger definiert einen Trägerbasisabschnitt, einen Trägerkopfabschnitt und einen Trägerkörperabschnitt. Der Trägerkörperabschnitt ist zwischen dem Trägerbasisabschnitt und dem Trägerkopfabschnitt angeordnet. Jeder der mehreren freitragenden Träger ist so angeordnet, dass sich der Trägerkopfabschnitt in Richtung eines gemeinsamen imaginären Punktes erstreckt. Jeder der mehreren freitragenden Träger ist entlang des Trägerbasisabschnitts mit dem Substrat gekoppelt und ist entlang des Trägerkörperabschnitts frei von dem Substrat.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Technisches Problem
In einigen Fällen In jedem mehrerer Trägerabschnitte eines piezoelektrischen Wandlers wird eine piezoelektrische Einkristallschicht verwendet, die aus einem einkristallinen Material gebildet ist. Die piezoelektrische Einkristallschicht hat eine Polarisationsachse, die sich in eine Richtung erstreckt. Wenn die Polarisationsachse der piezoelektrischen Einkristallschicht eine Polarisationskomponente in nur einer Richtung in einer Ebene hat, in der sich jeder der mehreren Trägerabschnitte erstreckt, hat die piezoelektrische Einkristallschicht keine Polarisationskomponente in einer Richtung orthogonal zu dieser Polarisationskomponentenrichtung in der oben beschriebenen Ebene. Wenn die mehreren Trägerabschnitte einen Trägerabschnitt enthalten, der sich in Richtung der Polarisationskomponente erstreckt, und einen Trägerabschnitt, der sich in einer Richtung erstreckt, die die Richtung der Polarisationskomponente schneidet, nimmt die Differenz zwischen den jeweiligen Biegeelastizitätsmodulen der mehreren Trägerabschnitte zu. Dadurch werden z.B. während der Ansteuerung des piezoelektrischen Wandlers aufgrund der jeweiligen mechanischen Eigenschaften wie Resonanzfrequenzen, Verformungsbeträge und dergleichen der mehreren Trägerabschnitte, die sich voneinander unterscheiden, die Eingangs-/Ausgangs-Eigenschaften des piezoelektrischen Wandlers in einigen Fällen verschlechtert. Das heißt, dass in dem piezoelektrischen Wandler, in dem die piezoelektrische Einkristallschicht verwendet wird, aufgrund der jeweiligen spezifischen mechanischen Eigenschaften der mehreren Trägerabschnitte, die sich voneinander unterscheiden, ein Fall vorliegt, in dem problematische Geräteeigenschaften und dergleichen auftreten.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf das oben beschriebene Problem gemacht, und eines ihrer Ziele ist es, einen piezoelektrischen Wandler bereitzustellen, der in der Lage ist, einen Unterschied in den mechanischen Eigenschaften zwischen mehreren Trägerabschnitten, die eine piezoelektrische Einkristallschicht enthalten, zu reduzieren.
Lösung des Problems
Ein piezoelektrischer Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst mehrere Trägerabschnitte und einen Basisabschnitt. Jeder der mehreren Trägerabschnitte hat einen festen Endabschnitt und erstreckt sich in eine Richtung weg von dem festen Endabschnitt. Der Basisabschnitt ist mit dem festen Endabschnitt von jedem der mehreren Trägerabschnitte verbunden. Die mehreren Trägerabschnitte erstrecken sich in der gleichen Ebene, und die jeweiligen Erstreckungsrichtungen von mindestens zwei Trägerabschnitten der mehreren Trägerabschnitte sind voneinander verschieden. Die mehreren Trägerabschnitte enthalten jeweils eine piezoelektrische Einkristallschicht mit einer Polarisationsachse in derselben Richtung, eine obere Elektrodenschicht und eine untere Elektrodenschicht. Die obere Elektrodenschicht ist an einer Oberseite der piezoelektrischen Einkristallschicht angeordnet. Die untere Elektrodenschicht ist so angeordnet, dass sie zumindest einem Teil der oberen Elektrodenschicht zugewandt ist, wobei die piezoelektrische Einkristallschicht dazwischen angeordnet ist. Die Polarisationsachse hat eine Polarisationskomponente in der Ebene. Eine axiale Richtung einer orthogonalen Achse, die orthogonal zur Polarisationsachse ist und sich in der Ebene erstreckt, schneidet eine Erstreckungsrichtung jedes der mehreren Trägerabschnitte.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Unterschied in den mechanischen Eigenschaften zwischen mehreren Trägerabschnitten mit einer piezoelektrischen Einkristallschicht zu reduzieren.
Figurenliste

1 ist eine Draufsicht, die die Konfiguration eines piezoelektrischen Wandlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau des piezoelektrischen Wandlers gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von einer vorderen Oberseite aus betrachtet zeigt.
3 ist eine Schnittansicht entlang der Linie III-III des in 1 dargestellten piezoelektrischen Wandlers, gesehen aus der Richtung der Pfeile.
4 ist eine Schnittansicht, die einen Zustand zeigt, in dem eine untere Elektrodenschicht auf einer unteren Oberfläche einer piezoelektrischen Einkristallschicht in einem Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Wandlers gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen wird.
5 ist eine Schnittansicht, die einen Zustand zeigt, in dem eine Zwischenschicht auf den jeweiligen unteren Oberflächen der unteren Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Einkristallschicht in dem Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Wandlers gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen wird.
6 ist eine Schnittansicht, die ein vorbereitetes Substrat im Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Wandlers gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
7 ist eine Schnittansicht, die einen Zustand zeigt, in dem die in 5 dargestellten mehreren Schichten mit dem in 6 dargestellten Substrat in dem Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Wandlers gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verbunden wurde.
8 ist eine Schnittansicht, die einen Zustand zeigt, in dem eine obere Fläche der piezoelektrischen Einkristallschicht bei dem Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Wandlers gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geschliffen wird.
9 ist eine Schnittansicht, die einen Zustand zeigt, in dem eine obere Elektrodenschicht auf der oberen Oberfläche der piezoelektrischen Einkristallschicht in dem Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Wandlers gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen wird.
10 ist eine Schnittansicht, die einen Zustand zeigt, in dem ein Lochabschnitt an der piezoelektrischen Einkristallschicht und ein Spaltabschnitt zwischen mehreren Trägerabschnitten in dem Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Wandlers gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet werden.
11 ist eine perspektivische Ansicht, die die Konfiguration eines piezoelektrischen Wandlers gemäß einem Vergleichsbeispiel zeigt.
12 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Zustand zeigt, in dem jeder der mehreren Trägerabschnitte während der Ansteuerung des piezoelektrischen Wandlers gemäß dem Vergleichsbeispiel nach oben verschoben wurde.
13 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Zustand zeigt, in dem jeder der mehreren Trägerabschnitte während des Ansteuerns des piezoelektrischen Wandlers gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nach oben verschoben wurde.
14 ist eine Draufsicht, die die Konfiguration eines piezoelektrischen Wandlers gemäß einer ersten Modifikation der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
15 ist eine Draufsicht, die die Konfiguration eines piezoelektrischen Wandlers gemäß einer zweiten Modifikation der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
16 ist eine Draufsicht, die die Konfiguration eines piezoelektrischen Wandlers gemäß einer dritten Modifikation der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
17 ist eine Draufsicht, die die Konfiguration eines piezoelektrischen Wandlers gemäß einer vierten Modifikation der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
18 ist eine Draufsicht, die die Konfiguration eines piezoelektrischen Wandlers gemäß einer fünften Modifikation der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
19 ist eine Draufsicht, die die Konfiguration eines piezoelektrischen Wandlers gemäß einer sechsten Modifikation der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
20 ist eine Draufsicht, die die Konfiguration eines piezoelektrischen Wandlers gemäß einer siebten Modifikation der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend wird ein piezoelektrischer Wandler gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung der Ausführungsform werden identische oder korrespondierende Elemente in den Zeichnungen mit denselben Bezugszeichen versehen, und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt.
1 ist eine Draufsicht zur Veranschaulichung der Konfiguration des piezoelektrischen Wandlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 ist eine perspektivische Ansicht zur Veranschaulichung der Konfiguration des piezoelektrischen Wandlers gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn von einer vorderen Oberseite betrachtet. 3 ist eine Schnittdarstellung entlang einer Linie III-III des in 1 dargestellten piezoelektrischen Wandlers in Pfeilrichtung gesehen. Man beachte, dass in 1 und 2 die Grenzen der jeweiligen Schichten, die den piezoelektrischen Wandler bilden, nicht dargestellt sind.
Wie in 1 bis 3 dargestellt, umfasst ein piezoelektrischer Wandler 100 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mehrere Trägerabschnitte 110 und einen Basisabschnitt 120.
Wie in 1 dargestellt, hat jeder der mehreren Trägerabschnitte 110 einen festen Endabschnitt 111 und einen Kopfendabschnitt 112. Jeder der mehreren Trägerabschnitte 110 erstreckt sich in einer Richtung weg von dem festen Endabschnitt 111. Der Kopfendabschnitt 112 befindet sich an dem Kopfende in einer Erstreckungsrichtung E von dem festen Endabschnitt 111 in jedem der mehreren Trägerabschnitte 110. Jeder der mehreren Trägerabschnitten 110 erstreckt sich in der gleichen Ebene.
Jeder der mehreren Trägerabschnitte 110 hat eine äußere Form, die sich in der Erstreckungsrichtung E verjüngt, wenn man sie aus einer Richtung senkrecht zu der oben beschriebenen Ebene betrachtet. Insbesondere hat jeder der mehreren Trägerabschnitte 110 eine dreieckige Außenform, wenn er aus der Richtung senkrecht zu der oben beschriebenen Ebene betrachtet wird. In der vorliegenden Ausführungsform ist diese Dreiecksform eine gleichschenklige Dreiecksform mit dem festen Endabschnitt 111 als Basis und dem Kopfendabschnitt 112 als Scheitelpunkt. Das heißt, die Erstreckungsrichtung E jedes der mehreren Trägerabschnitte 110 ist eine Richtung, die den Mittelpunkt der Basis und den Scheitelpunkt der gleichschenkligen Dreiecksform verbindet, die die äußere Form jedes Trägerabschnitts 110 ist.
Man beachte, dass, von der Richtung senkrecht zur oben beschriebenen Ebene aus gesehen, jeder der mehreren Trägerabschnitte 110 eine äußere Form mit einer konstanten Breite in der Erstreckungsrichtung E haben kann oder eine äußere Form haben kann, bei der die Breite in der Erstreckungsrichtung E allmählich zunimmt. Piezoelektrische Wandler nach Modifikationen, die sich in Form und Anordnung der Trägerabschnitte 110 unterscheiden, werden später beschrieben.
Wie in 1 und 2 dargestellt, umfasst der piezoelektrische Wandler 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform vier Trägerabschnitte 110. Wie oben beschrieben, umfasst der piezoelektrische Wandler 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform als „die mehreren Trägerabschnitte 110“ drei oder mehr Trägerabschnitte 110.
Wie in 1 dargestellt, ist jeder der mehreren Trägerabschnitte 110 gegenseitig punktsymmetrisch in Bezug auf einen virtuellen Mittelpunkt C des piezoelektrischen Wandlers 100 angeordnet, wenn man ihn aus der Richtung senkrecht zur oben beschriebenen Ebene betrachtet. In der vorliegenden Ausführungsform sind die vier Trägerabschnitte 110 so angeordnet, dass die jeweiligen Erstreckungsrichtungen E der Trägerabschnitte 110, die benachbart sind, während sie sich in der oben beschriebenen Ebene in verschiedene Richtungen voneinander erstrecken, um 90° voneinander abweichen, wenn man sie aus der Richtung senkrecht zu der oben beschriebenen Ebene betrachtet.
Auf diese Weise sind die jeweiligen Erstreckungsrichtungen E von mindestens zwei Trägerabschnitten 110 der mehreren Trägerabschnitte 110 voneinander verschieden. Man beachte, dass Trägerabschnitte 110, die die gleiche Erstreckungsrichtung E haben, bei den mehreren Trägerabschnitten 110 enthalten sein können.
In der vorliegenden Ausführungsform erstrecken sich die jeweiligen Erstreckungsrichtungen E der mehreren Trägerabschnitte 110 in Richtung des virtuellen Mittelpunkts C, wenn man sie aus der Richtung senkrecht zur oben beschriebenen Ebene betrachtet. Man beachte, dass sich die Erstreckungsrichtung E jedes der mehreren Trägerabschnitte 110 so erstrecken kann, dass sie vom virtuellen Mittelpunkt entfernt ist. Piezoelektrische Wandler gemäß Modifikationen mit jeweils mehreren Trägerabschnitten, bei denen die Erstreckungsrichtungen E von denen der vorliegenden Ausführungsform abweichen, werden später beschrieben.
Wie in 1 und 2 dargestellt, ist jeder der mehreren Trägerabschnitte 110 mit dazwischen angeordneten Spalten 113 voneinander getrennt angeordnet. In der vorliegenden Ausführungsform erstrecken sich die Spalte 113, die sich zwischen den mehreren Trägerabschnitten 110 befinden, radial vom virtuellen Mittelpunkt C aus, wenn man sie aus der Richtung senkrecht zur oben beschriebenen Ebene betrachtet. In der Richtung, in der sich der Spalt 113 erstreckt, ist die Breite des Spalts 113 im Wesentlichen konstant.
Das heißt, aus der Richtung senkrecht zu der oben beschriebenen Ebene gesehen, ist jeder der mehreren Trägerabschnitte 110 so angeordnet, dass die Abstände zwischen den Trägerabschnitten 110, die benachbart sind, während sie sich in unterschiedlichen Richtungen voneinander in der oben beschriebenen Ebene erstrecken, einander gleich sind.
Wie in 1 bis 3 dargestellt, ist in der vorliegenden Ausführungsform der Basisabschnitt 120 mit dem festen Endabschnitt 111 jedes der mehreren Trägerabschnitte 110 verbunden. Der Kopfendabschnitt 112 jedes der mehreren Trägerabschnitte 110 ist ein freies Ende, das vom Basisabschnitt 120 beabstandet ist.
Man beachte, dass der Kopfendabschnitt 112 jedes der mehreren Trägerabschnitte 110 mit einem plattenförmigen Abschnitt verbunden sein kann, der während des Ansteuerns des piezoelektrischen Wandlers 100 auf und ab schwingt. Piezoelektrische Wandler gemäß den Modifikationen, die jeweils einen plattenförmigen Abschnitt aufweisen, werden später beschrieben.
Wie in 3 dargestellt, ist unterhalb der mehreren Trägerabschnitte 110 und der zwischen den jeweiligen Trägerabschnitten 110 befindlichen Spalte 113 ein vertiefter Abschnitt 115 ausgebildet, der nach unten geöffnet ist. Bei dem piezoelektrischen Wandler 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform dient ein oberhalb des vertieften Abschnitts 115 befindlicher Abschnitt als die mehreren Trägerabschnitte 110 und die zwischen den Trägerabschnitten 110 befindlichen Spalten 113.
Wie in 3 dargestellt, enthält der piezoelektrische Wandler gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine piezoelektrische Einkristallschicht 10, eine obere Elektrodenschicht 20 und eine untere Elektrodenschicht 30. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst jeder der mehreren Trägerabschnitte 110 die piezoelektrische Einkristallschicht 10, die obere Elektrodenschicht 20 und die untere Elektrodenschicht 30.
Die piezoelektrische Einkristallschicht 10 ist mit einem Lochabschnitt 11 versehen. Der Lochabschnitt 11 ist so ausgebildet, dass er die piezoelektrische Einkristallschicht 10 nach oben und unten durchdringt. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Lochabschnitt 11 so ausgebildet, dass er sich oberhalb der unteren Elektrodenschicht 30 befindet. Man beachte, dass in 1 und 2 der Lochabschnitt 11 nicht dargestellt ist.
In der vorliegenden Ausführungsform bildet die piezoelektrische Einkristallschicht 10 einen Teil des Trägerabschnitts 110 und einen Teil des Basisabschnitts 120. Das Material, aus dem die piezoelektrische Einkristallschicht 10 gebildet ist, wird später beschrieben.
Die obere Elektrodenschicht 20 ist auf einer Oberseite der piezoelektrischen Einkristallschicht 10 angeordnet. Die obere Elektrodenschicht 20 ist so angeordnet, dass sich zumindest ein Teil davon oberhalb des vertieften Abschnitts 115 befindet.
Bei der vorliegenden Ausführungsform bildet die obere Elektrodenschicht 20 einen Teil des Trägerabschnitts 110. Die obere Elektrodenschicht 20 ist aus einem leitfähigen Material wie Pt oder ähnlichem gebildet. Zwischen der oberen Elektrodenschicht 20 und der piezoelektrischen Einkristallschicht 10 kann eine enge Kontaktschicht aus Ti oder ähnlichem angeordnet sein.
Die untere Elektrodenschicht 30 ist so angeordnet, dass sie zumindest einem Teil der oberen Elektrodenschicht 20 gegenüberliegt, wobei die piezoelektrische Einkristallschicht 10 dazwischen angeordnet ist. Die untere Elektrodenschicht 30 ist so angeordnet, dass sich zumindest ein Teil der unteren Elektrodenschicht 30 oberhalb des vertieften Abschnitts 115 befindet. Die untere Elektrodenschicht 30 ist so angeordnet, dass zumindest ein Teil der oberen Elektrodenschicht 20 mit der dazwischen angeordneten piezoelektrischen Einkristallschicht 10 oberhalb des vertieften Abschnitts 115 liegt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform bildet die untere Elektrodenschicht 30 einen Teil des Trägerabschnitts 110 und einen Teil des Basisabschnitts 120. Außerdem liegt ist bei der vorliegenden Ausführungsform ein Endabschnitt der unteren Elektrodenschicht 30 auf der Seite des Spalts 113 nicht zum Spalt 113 frei, kann jedoch zum Spalt 113 freiliegen.
Die untere Elektrodenschicht 30 ist aus einem leitfähigen Material wie Pt oder ähnlichem gebildet. Zwischen der unteren Elektrodenschicht 30 und der piezoelektrischen Einkristallschicht 10 kann eine enge Kontaktschicht aus Ti oder ähnlichem angeordnet sein.
Der piezoelektrische Wandler gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst ferner ein Substrat 40. Das Substrat 40 ist unterhalb der unteren Elektrodenschicht 30 angeordnet. Das Substrat 40 umfasst eine Greifschicht 41, eine BOX-Schicht (vergrabenes Oxid) 42, die auf einen oberen Abschnitt der Greifschicht 41 laminiert ist, und eine aktive Schicht 43, die auf einen oberen Abschnitt der BOX-Schicht 42 laminiert ist.
Bei der vorliegenden Ausführungsform sind sowohl die Greifschicht 41 als auch die aktive Schicht 43 aus Si gebildet. Die BOX-Schicht 42 ist aus SiO₂ gebildet. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Substrat 40 ein sogenanntes Silizium-auf-Isolator (SOI)-Substrat.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der vertiefte Abschnitt 115 in der Greifschicht 41 und der BOX-Schicht 42 ausgebildet. Der Spalt 113 ist in der aktiven Schicht 43 ausgebildet. Das heißt, die Greifschicht 41 und die BOX-Schicht 42 bilden einen Teil des Basisabschnitts 120. Die aktive Schicht 43 bildet einen Teil des Trägerabschnitts 110 und einen Teil des Basisabschnitts 120.
Eine Zwischenschicht 50 ist zwischen dem Substrat 40 und der unteren Elektrodenschicht 30 und zwischen dem Substrat 40 und der piezoelektrischen Einkristallschicht 10 angeordnet. Die Zwischenschicht 50 ist so angeordnet, dass sie von unten eine untere Fläche der unteren Elektrodenschicht 30 und einen Teil einer unteren Fläche der piezoelektrischen Einkristallschicht 10 abdeckt, wo sich die untere Elektrodenschicht 30 nicht befindet. Die Zwischenschicht 50 ist z. B. aus SiO₂ gebildet.
Bei der vorliegenden Ausführungsform kann durch Anlegen einer Potenzialdifferenz zwischen der oberen Elektrodenschicht 20 und der unteren Elektrodenschicht 30 ein Teil der piezoelektrischen Einkristallschicht 10, der sich zwischen der oberen Elektrodenschicht 20 und der unteren Elektrodenschicht 30 befindet, verzerrt werden. Dementsprechend schwingt der piezoelektrische Wandler 100 so, dass sich die mehreren Trägerabschnitte 110 bei der Ansteuerung auf- und abbiegen. Man beachte, dass der piezoelektrische Wandler 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform als Empfangselement verwendet werden kann.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Wandlers 100 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
4 ist eine Schnittdarstellung, die einen Zustand zeigt, in dem die untere Elektrodenschicht auf der unteren Oberfläche der piezoelektrischen Einkristallschicht in dem Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Wandlers gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist. Wie in 4 dargestellt, wird die untere Elektrodenschicht 30 auf der unteren Oberfläche der piezoelektrischen Einkristallschicht 10 durch ein Abhebeverfahren, ein Plattierungsverfahren, ein Ätzverfahren oder dergleichen bereitgestellt.
5 ist eine Schnittdarstellung, die einen Zustand zeigt, in dem die Zwischenschicht auf den jeweiligen unteren Oberflächen der unteren Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Einkristallschicht in dem Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Wandlers gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist. Wie in 5 dargestellt, wird die Zwischenschicht 50 auf den jeweiligen unteren Oberflächen der unteren Elektrodenschicht 30 und der piezoelektrischen Einkristallschicht 10 durch ein Verfahren zur chemischen Gasphasenabscheidung (CVD), ein Verfahren zur physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) oder dergleichen bereitgestellt.
6 ist eine Schnittdarstellung, die ein vorbereitetes Substrat im Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Wandlers gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 6 dargestellt, wird das Substrat 40 in einem Zustand vorbereitet, in dem der vertiefte Abschnitt 115 noch nicht ausgebildet ist.
7 ist eine Schnittansicht, die einen Zustand zeigt, in dem die in 5 dargestellten mehreren Schichten mit dem in 6 dargestellten Substrat in dem Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Wandlers gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verbunden wurden. Wie in 7 dargestellt, ist eine Hauptoberfläche des Substrats 40 auf der Seite der aktiven Schicht 43 mit einer unteren Oberfläche der Zwischenschicht 50 verklebt.
8 ist ein Schaubild, das einen Zustand veranschaulicht, in dem eine obere Oberfläche der piezoelektrischen Einkristallschicht bei dem Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Wandlers gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geschliffen wird. Wie in 8 dargestellt, wird die obere Oberfläche der piezoelektrischen Einkristallschicht 10 durch chemischmechanisches Polieren (CMP) oder ähnliches geschliffen, und die piezoelektrische Einkristallschicht 10 wird auf eine gewünschte Dicke gebracht.
9 ist eine Schnittdarstellung, die einen Zustand zeigt, in dem die obere Elektrodenschicht auf der oberen Oberfläche der piezoelektrischen Einkristallschicht in dem Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Wandlers gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist. Wie in 9 dargestellt, wird die obere Elektrodenschicht 20 auf einem Teil der oberen Oberfläche der piezoelektrischen Einkristallschicht 10 durch das Abhebeverfahren, das Plattierungsverfahren, das Ätzverfahren oder dergleichen bereitgestellt.
10 ist eine Schnittdarstellung, die einen Zustand veranschaulicht, in dem der Lochabschnitt an der piezoelektrischen Einkristallschicht und der Spaltabschnitt zwischen den mehreren Trägerabschnitten in dem Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Wandlers gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet werden. Wie in 10 dargestellt, wird der Lochabschnitt 11 in der piezoelektrischen Einkristallschicht 10 durch das Abhebeverfahren, das Plattierungsverfahren, das Ätzverfahren oder ähnliches hergestellt. Ferner werden durch das Abhebeverfahren, das Plattierungsverfahren, das Ätzverfahren oder dergleichen die piezoelektrische Einkristallschicht 10, die obere Elektrodenschicht 20, die Zwischenschicht 50, die aktive Schicht 43 und die BOX-Schicht 42 mit dem Spalt 113 versehen, der sich zwischen den mehreren Trägerabschnitten 110 befindet.
Schließlich wird durch tiefes reaktives lonenätzen („Deep RIE“) oder ähnliches auf dem Substrat 40 von einer Hauptoberfläche auf der Unterseite des Substrats 40 der vertiefte Abschnitt 115 im Substrat 40 gebildet.
Durch die oben beschriebenen Verfahren wird der piezoelektrische Wandler 100 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 3 dargestellt, hergestellt.
Als nächstes wird ein Material beschrieben, aus dem die piezoelektrische Einkristallschicht 10 gebildet wird.
Die piezoelektrische Einkristallschicht 10 wird aus Lithiumniobat (LiNbO₃) oder Lithiumtantalat (LiTaO₃) gebildet. Lithiumniobat und Lithiumtantalat sind jeweils ein keramisches Material mit einer relativ hohen Piezoelektrizität.
Jede Kristallstruktur von Lithiumniobat und Lithiumtantalat gehört zu einem trigonalen System. Das trigonale System ist ein Kristallsystem mit einer dreifachen Rotationssymmetrie in Bezug auf eine Hauptachse. Die jeweiligen Polarisationsachsen von Lithiumniobat und Lithiumtantalat verlaufen so, dass sie jeweils entlang der Achsenrichtungen der Hauptachsen der trigonalen Systeme in den jeweiligen Kristallstrukturen liegen. Im einkristallinen piezoelektrischen Körper unterscheidet sich nur die axiale Richtung der Polarisationsachse weitgehend in einem Elastizitätsmodul von den anderen Richtungen.
Wie in 1 bis 3 dargestellt, hat die piezoelektrische Einkristallschicht 10 eine Polarisationsachse Z', die in eine Richtung ausgerichtet ist. Die Polarisationsachse Z' hat eine Polarisationskomponente in der gleichen Ebene, in der sich jeder der mehreren Trägerabschnitte 110 erstreckt. In der vorliegenden Ausführungsform schneidet die Polarisationsachse Z' die Ebene, in der sich jeder der mehreren Trägerabschnitte 110 erstreckt, während sie relativ dazu geneigt ist. Die Polarisationsachse Z' kann sich jedoch auch nur in der oben beschriebenen Ebene erstrecken.
Lithiumniobat und Lithiumtantalat, die als Material der piezoelektrischen Einkristallschicht 10 verwendet werden, werden jeweils einem X-Schnitt oder Y-Schnitt unterzogen, so dass die Polarisationsachse Z' die Polarisationskomponente aufweist, die in der oben beschriebenen Ebenenrichtung verläuft.
Wenn Lithiumniobat und Lithiumtantalat jeweils einem X-Schliff unterzogen werden, erstreckt sich die Polarisationsachse Z' nur in der oben beschriebenen Ebene. Das heißt, der Winkel, der zwischen der Polarisationsachse Z' und der oben beschriebenen Ebene gebildet wird, ist immer ungefähr 0°.
Wenn Lithiumniobat und Lithiumtantalat jeweils einem Y-Schnitt unterzogen werden, ändert sich die Piezoelektrizität des piezoelektrischen Wandlers 100 weitgehend, da sich der zwischen der Polarisationsachse Z' und der oben beschriebenen Ebene gebildete Winkel in Abhängigkeit von einem Schnittwinkel ändert, der der Ausschnittwinkel des Kristalls ist. Aus der Sicht der Piezoelektrizität ist der Y-Schnittwinkel vorzugsweise gleich oder größer als 20° und gleich oder kleiner als 35°, und beträgt am meisten bevorzugt 26°. In der vorliegenden Ausführungsform wird die piezoelektrische Einkristallschicht 10 aus Lithiumniobat gebildet, die einem Y-Schnitt mit einem Schnittwinkel von 30° unterzogen wird.
Wie oben beschrieben, hat in der vorliegenden Ausführungsform die piezoelektrische Einkristallschicht 10 die Polarisationsachse Z', die in eine Richtung ausgerichtet ist und die Polarisationskomponente in der oben beschriebenen Ebene hat. Das heißt, die Polarisationsachsen Z' der piezoelektrischen Einkristallschichten 10, die jeweils bei den mehreren Trägerabschnitten 110 enthalten sind, sind alle in die gleiche Richtung ausgerichtet.
Wie in 1 dargestellt, hat die axiale Richtung der Polarisationsachse Z' die Komponente nur in einer Richtung in der Ebene, in der sich jeder der mehreren Trägerabschnitte 110 erstreckt. Aus der Sicht einer piezoelektrischen Konstante und eines Elastizitätsmoduls der piezoelektrischen Einkristallschicht 10 wird im piezoelektrischen Wandler 100, der die Polarisationskomponente in der oben beschriebenen Ebene hat, die elektromechanische Umwandlungseffizienz verbessert.
Wie in 1 bis 3 dargestellt, weist die piezoelektrische Einkristallschicht 10 in der Ebene, in der sich jeder der mehreren Trägerabschnitte 110 erstreckt, eine orthogonale Achse X' auf, die orthogonal zu der Polarisationskomponente ist, die in der Polarisationsachse Z' in der oben beschriebenen Ebene enthalten ist. Das heißt, wie in 1 bis 3 dargestellt, ist die axiale Richtung der orthogonalen Achse X' orthogonal zur Polarisationsachse Z' und erstreckt sich in der oben beschriebenen Ebene. Die Polarisationsachse Z' der piezoelektrischen Einkristallschicht 10 hat keine Komponente in der axialen Richtung der orthogonalen Achse X'. Die piezoelektrische Einkristallschicht 10 weist ferner eine dritte Achse Y' auf, die orthogonal zu jeder der Polarisationsachse Z' und der orthogonalen Achse X' verläuft.
In der piezoelektrischen Einkristallschicht 10 sind die Biegeelastizitätsmodule der piezoelektrischen Einkristallschicht 10 signifikant unterschiedlich zwischen einer Richtung Z₁' der Polarisationskomponente, die in der Polarisationsachse Z' in der oben beschriebenen Ebene enthalten ist, und der axialen Richtung der orthogonalen Achse X'. Insbesondere ist der Biegeelastizitätsmodul der piezoelektrischen Einkristallschicht 10 in der Richtung Z₁' der Polarisationskomponente, die in der Polarisationsachse Z' in der oben beschriebenen Ebene enthalten ist, klein, und der Biegeelastizitätsmodul der piezoelektrischen Einkristallschicht 10 in der axialen Richtung der orthogonalen Achse X' ist groß. Dementsprechend ist bei der vorliegenden Ausführungsform der piezoelektrische Wandler 100 so konfiguriert, dass die mehreren Trägerabschnitte 110 nicht einen Trägerabschnitt, der sich in der Polarisationskomponentenrichtung Z₁' erstreckt, und einen Trägerabschnitt, der sich in der axialen Richtung der orthogonalen Achse X' erstreckt, umfasst.
Nun wird ein piezoelektrischer Wandler gemäß einem Vergleichsbeispiel beschrieben, bei dem sowohl ein in Richtung der Polarisationskomponente verlaufender Trägerabschnitt als auch ein in axialer Richtung der orthogonalen Achse X' verlaufender Trägerabschnitt bei den mehreren Trägerabschnitten enthalten ist.
11 ist eine perspektivische Ansicht, die die Konfiguration des piezoelektrischen Wandlers gemäß dem Vergleichsbeispiel zeigt. Wie in 11 dargestellt, hat ein piezoelektrischer Wandler 900 gemäß dem Vergleichsbeispiel die gleiche Konfiguration wie der piezoelektrische Wandler 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, mit der Ausnahme, dass eine Winkelbeziehung zwischen der Richtung der Polarisationskomponente und der axialen Richtung der orthogonalen Achse X' in der piezoelektrischen Einkristallschicht und der Erstreckungsrichtung jedes der mehreren Trägerabschnitte sich von der oben beschriebenen Winkelbeziehung in dem piezoelektrischen Wandler 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet.
Der piezoelektrische Wandler 900 gemäß dem Vergleichsbeispiel hat zwei in Polarisationskomponentenrichtung verlaufende Trägerabschnitte 910a und zwei in axialer Richtung der orthogonalen Achse X' verlaufende Trägerabschnitte 910b. Aus diesem Grund sind bei dem piezoelektrischen Wandler 900 gemäß dem Vergleichsbeispiel die Biegeelastizitätsmodule zwischen den beiden in Polarisationskomponentenrichtung verlaufenden Trägerabschnitten 910a und den beiden in der Schnittrichtung mit der Polarisationskomponentenrichtung verlaufenden Trägerabschnitten 910b deutlich unterschiedlich.
12 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Zustand zeigt, in dem jeder der mehreren Trägerabschnitte während der Ansteuerung des piezoelektrischen Wandlers gemäß dem Vergleichsbeispiel nach oben verschoben wurde. Wie in 12 dargestellt, sind während der Ansteuerung des piezoelektrischen Wandlers 900 gemäß dem Vergleichsbeispiel die maximalen Verschiebungen in der Auf-AbRichtung zwischen den beiden Trägerabschnitten 910a, die sich in Richtung der Polarisationskomponente erstrecken, und den beiden Trägerabschnitten 910b, die sich in axialer Richtung der orthogonalen Achse X' erstrecken, deutlich unterschiedlich. Dementsprechend wird der Spalt zwischen dem Trägerabschnitt 910a und dem Trägerabschnitt 910b, die benachbart sind, während sie sich in unterschiedlichen Richtungen in der oben beschriebenen Ebene erstrecken, während des Ansteuerns vergrößert.
Andererseits schneiden sich, wie in 1 und 2 dargestellt, im piezoelektrischen Wandler 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform sowohl die Polarisationskomponentenrichtung Z₁' als auch die axiale Richtung der orthogonalen Achse X' mit der Erstreckungsrichtung E eines jeden der mehreren Trägerabschnitte 110. Das heißt, die mehreren Trägerabschnitte 110 umfassen keinen Trägerabschnitt, der sich in der Polarisationskomponentenrichtung Z₁' und einen Trägerabschnitt, der sich in der axialen Richtung der orthogonalen Achse X' erstreckt.
Insbesondere ist der Winkel, der zwischen der Erstreckungsrichtung E jedes der mehreren Trägerabschnitte 110 und der axialen Richtung der orthogonalen Achse X' gebildet wird, gleich oder größer als 40 Grad und gleich oder kleiner als 50 Grad. Mit dieser Konfiguration werden die jeweiligen Biegeelastizitätsmodule der mehreren Trägerabschnitte 110, die die piezoelektrische Einkristallschicht 10 enthalten, egalisiert. Noch bevorzugter ist es, dass bei dem piezoelektrischen Wandler 100 der Winkel, der zwischen der Erstreckungsrichtung E eines jeden der mehreren Trägerabschnitte 110 und der axialen Richtung der orthogonalen Achse X' gebildet wird, 45 Grad beträgt. In diesem Fall können die jeweiligen Biegeelastizitätsmodule der mehreren Trägerabschnitte 110 im besten Maße vereinheitlicht werden.
13 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Zustand zeigt, in dem jeder der mehreren Trägerabschnitte während des Betriebs des piezoelektrischen Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung nach oben verschoben wurde. Wie in 13 dargestellt, werden in dem piezoelektrischen Wandler 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, da die jeweiligen Biegeelastizitätsmodule der mehreren Trägerabschnitte 110 einheitlich gestaltet sind, die mehreren Trägerabschnitte 110 während des Ansteuerns im Wesentlichen gleichmäßig in der Oben-unten-Richtung verschoben. Dementsprechend ist der Unterschied zwischen den Verformungsbeträgen der mehreren Trägerabschnitte 110 des piezoelektrischen Wandlers 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform kleiner als der Unterschied zwischen den Verformungsbeträgen der mehreren Trägerabschnitte 910a und 910b des piezoelektrischen Wandlers 900 gemäß dem Vergleichsbeispiel.
Dementsprechend wird der Spalt zwischen den Trägerabschnitten 110, die benachbart sind, während sie sich in der oben beschriebenen Ebene in unterschiedlichen Richtungen erstrecken, während des Ansteuerns schmaler gehalten als der Spalt zwischen dem Trägerabschnitt 910a und dem Trägerabschnitt 910b gemäß dem Vergleichsbeispiel.
Wie oben beschrieben, weist die piezoelektrische Einkristallschicht 10 im piezoelektrischen Wandler 100 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Polarisationsachse Z' in einer Richtung auf. Die Polarisationsachse Z' hat die Polarisationskomponente in der oben beschriebenen Ebene. Die axiale Richtung der orthogonalen Achse X', die orthogonal zur Polarisationsachse Z' ist und sich in der oben beschriebenen Ebene erstreckt, schneidet sich mit der Erstreckungsrichtung E eines jeden der mehreren Trägerabschnitte 110.
Gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform kann verhindert werden, dass der sich in der Polarisationskomponentenrichtung Z₁' erstreckende Trägerabschnitt und der sich in der axialen Richtung der orthogonalen Achse X' erstreckende Trägerabschnitt bei den mehreren Trägerabschnitte 110 enthalten sind, und es ist somit möglich, den Unterschied in den mechanischen Eigenschaften zwischen den mehreren Trägerabschnitten 110 zu reduzieren. Darüber hinaus können in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung insbesondere die jeweiligen Biegeelastizitätsmodule der mehreren Trägerabschnitte einheitlich gemacht werden. Infolgedessen können während der Ansteuerung des piezoelektrischen Wandlers 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, da der Unterschied in den mechanischen Eigenschaften, wie die Resonanzfrequenzen, die Verformungsbeträge und dergleichen der mehreren Trägerabschnitte 110 reduziert werden kann, die Eingangs-/Ausgangs-Eigenschaften des piezoelektrischen Wandlers 100 verbessert werden.
Bei dem piezoelektrischen Wandler 100 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Winkel, der zwischen der Erstreckungsrichtung E jedes der mehreren Trägerabschnitte 110 und der axialen Richtung der orthogonalen Achse X' gebildet wird, gleich oder größer als 40 Grad und gleich oder kleiner als 50 Grad.
Da bei der oben beschriebenen Konfiguration die Winkel, die jeweils zwischen der Erstreckungsrichtung E jedes der mehreren Trägerabschnitte 110 und der Richtung, die die Richtung der Polarisationskomponente Z₁' in der oben beschriebenen Ebene schneidet, gebildet werden, gleich oder größer als 40 Grad und gleich oder kleiner als 50 Grad in allen Trägerabschnitten 110 werden, können die jeweiligen Biegeelastizitätsmodule der mehreren Trägerabschnitte 110 einheitlicher gemacht werden. Infolgedessen können während der Ansteuerung des piezoelektrischen Wandlers 100 die Eingangs-/Ausgangs-Eigenschaften des piezoelektrischen Wandlers 100 effizient verbessert werden, da der Unterschied in den mechanischen Eigenschaften, wie z.B. die Resonanzfrequenzen, die Verformungsbeträge und dergleichen der mehreren Trägerabschnitte 110 weiter reduziert werden können.
Bei dem piezoelektrischen Wandler 100 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die piezoelektrische Einkristallschicht 10 aus Lithiumniobat oder Lithiumtantalat gebildet.
Jede Kristallstruktur von Lithiumniobat und Lithiumtantalat gehört dem trigonalen System an. Da die jeweiligen Polarisationsachsen von Lithiumniobat und Lithiumtantalat so verlaufen, dass sie jeweils entlang der Achsenrichtungen der Hauptachsen der trigonalen Systeme in den jeweiligen Kristallstrukturen liegen, sind die Polarisationsachsen jeweils extrem länger als die der anderen piezoelektrischen Keramikmaterialien. Darüber hinaus ist das trigonale System ein Kristallsystem mit einer dreifachen Rotationssymmetrie in Bezug auf die Hauptachse.
In dem Fall, in dem die Polarisationsachse die Ebene schneidet, während sie relativ dazu gekippt ist, in der sich jeder der mehreren Trägerabschnitte erstreckt, sind die Biegeelastizitätsmodule der piezoelektrischen Einkristallschicht 10 zwischen der Polarisationskomponentenrichtung Z₁' und der axialen Richtung der orthogonalen Achse X' signifikant unterschiedlich.
Aber auch in dem Fall, in dem die piezoelektrische Einkristallschicht 10 aus Lithiumniobat oder Lithiumtantalat gebildet ist, können die jeweiligen Biegeelastizitätsmodule der mehreren Trägerabschnitte 110 einheitlich gemacht werden, während die piezoelektrische Einkristallschicht 10 mit einem Material mit hoher Piezoelektrizität gebildet wird, indem die Erstreckungsrichtung E jedes der mehreren Trägerabschnitte 110 und die axiale Richtung der orthogonalen Achse X' die oben beschriebene Beziehung erfüllen. Infolgedessen ist es möglich, die Eingangs-/Ausgangs-Eigenschaften des piezoelektrischen Wandlers zu verbessern.
Bei dem piezoelektrischen Wandler 100 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darf sich die Polarisationsachse Z' nur in der oben beschriebenen Ebene erstrecken.
In der oben beschriebenen Konfiguration wird Lithiumniobat, das dem X-Schnitt unterzogen wird, oder Lithiumtantalat, das dem X-Schnitt unterzogen wird, als Material der piezoelektrischen Einkristallschicht 10 verwendet, in diesem Fall ist der Winkel, der zwischen der Polarisationsachse Z' und der oben beschriebenen Ebene gebildet wird, immer ungefähr 0°. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, das Auftreten einer Änderung der Piezoelektrizität des piezoelektrischen Wandlers 100 aufgrund der unterschiedlichen Schnittwinkel des X-Schnitts zu unterdrücken.
Bei dem piezoelektrischen Wandler 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind die mehreren Trägerabschnitte 110, von der Richtung senkrecht zu der oben beschriebenen Ebene aus gesehen, so angeordnet, dass jeder eine dreieckige oder viereckige äußere Form hat, und zwar so, dass die Abstände zwischen den Trägerabschnitten 110, die benachbart sind, während sie sich in unterschiedlichen Richtungen voneinander in der oben beschriebenen Ebene erstrecken, einander gleich sind.
In der oben beschriebenen Konfiguration können die Änderungsbeträge der Spalte 113 aufgrund der Verschiebungen der mehreren Trägerabschnitte 110 während der Ansteuerung einheitlich gemacht werden, indem die jeweiligen Biegeelastizitätsmodule der mehreren Trägerabschnitte 110 einheitlich gemacht werden, und die Eingangs-/Ausgangs-Eigenschaften des piezoelektrischen Wandlers 100 können verbessert werden.
Nachfolgend wird ein piezoelektrischer Wandler gemäß jeder Modifikation der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Man beachte, dass die Beschreibung der gleichen Konfiguration wie die des piezoelektrischen Wandlers 100 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nicht wiederholt wird.
14 ist eine Draufsicht, die die Konfiguration eines piezoelektrischen Wandlers gemäß einer ersten Modifikation der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 14 dargestellt, umfasst ein piezoelektrischer Wandler 100a gemäß der ersten Modifikation der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mehrere Trägerabschnitte 110a und einen Basisabschnitt 120a.
Die mehreren Trägerabschnitte 110a erstrecken sich in der gleichen Ebene und haben jeweils eine äußere Form, deren Breite in einer Erstreckungsrichtung Ea allmählich zunimmt, wenn man sie aus der Richtung senkrecht zu dieser Ebene betrachtet. Insbesondere hat jeder der mehreren Trägerabschnitte 110a eine trapezförmige Außenform mit einem festen Endabschnitt 111a als obere Basis, wenn er aus der Richtung senkrecht zu der oben beschriebenen Ebene betrachtet wird.
Die Erstreckungsrichtung Ea jedes der mehreren Trägerabschnitte 110a erstreckt sich so, dass sie von einem virtuellen Mittelpunkt Ca des piezoelektrischen Wandlers 100a entfernt ist, wenn man ihn aus der Richtung senkrecht zur oben beschriebenen Ebene betrachtet.
Der piezoelektrische Wandler 100a gemäß der ersten Modifikation der vorliegenden Ausführungsform umfasst ferner einen Umfangswandabschnitt 130a, der so angeordnet ist, dass er die mehreren Trägerabschnitte 110a umgibt, wenn man ihn aus der Richtung senkrecht zur oben beschriebenen Ebene betrachtet. Ein Kopfendabschnitt 112a jedes der mehreren Trägerabschnitte 110a und der Umfangswandabschnitt 130a sind voneinander beabstandet.
Der Basisabschnitt 120a und der Umfangswandabschnitt 130a sind direkt oder indirekt an einer unteren Seite in der Laminierungsrichtung der mehreren Trägerabschnitte 110a miteinander verbunden.
Auch bei dem piezoelektrischen Wandler 100a gemäß der ersten Modifikation der vorliegenden Ausführungsform schneidet sich die axiale Richtung der orthogonalen Achse X' mit der Erstreckungsrichtung Ea jedes der mehreren Trägerabschnitte 110a.
15 ist eine Draufsicht, die die Konfiguration eines piezoelektrischen Wandlers gemäß einer zweiten Modifikation der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 15 dargestellt, unterscheidet sich ein piezoelektrischer Wandler 100b gemäß der zweiten Modifikation der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von dem piezoelektrischen Wandler 100a gemäß der ersten Modifikation der vorliegenden Ausführungsform nur in einer Form jedes der mehreren Trägerabschnitte.
In dem piezoelektrischen Wandler 100b gemäß der zweiten Modifikation der vorliegenden Ausführungsform erstrecken sich mehrere Trägerabschnitte 110b in derselben Ebene. Jeder der mehreren Trägerabschnitte 110b hat eine äußere Form mit einer konstanten Breite in einer Erstreckungsrichtung Eb, wenn man sie aus der Richtung senkrecht zur oben beschriebenen Ebene betrachtet. Insbesondere hat jeder der mehreren Trägerabschnitte 110b eine rechteckige Außenform, wenn er aus der Richtung senkrecht zur oben beschriebenen Ebene betrachtet wird.
In dem piezoelektrischen Wandler 100b gemäß der zweiten Modifikation der vorliegenden Ausführungsform hat ein Spalt 113b, der sich zwischen den mehreren Trägerabschnitten 110b befindet, eine im Wesentlichen quadratische Form, wenn man ihn aus der Richtung senkrecht zu der oben beschriebenen Ebene betrachtet.
Auch bei dem piezoelektrischen Wandler 100b gemäß der zweiten Modifikation der vorliegenden Ausführungsform schneidet sich die axiale Richtung der orthogonalen Achse X' mit der Erstreckungsrichtung Eb jedes der mehreren Trägerabschnitte 110b.
16 ist eine Draufsicht, die die Konfiguration eines piezoelektrischen Wandlers gemäß einer dritten Modifikation der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 16 dargestellt, erstreckt sich in einem piezoelektrischen Wandler 100c gemäß der dritten Modifikation der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mehrere Trägerabschnitte 110c in der gleichen Ebene.
Jeder der mehreren Trägerabschnitte 110c hat eine trapezförmige Außenform mit einem festen Endabschnitt 111c als untere Basis, wenn man ihn aus der Richtung senkrecht zu dieser Ebene betrachtet. Dementsprechend ist im zentralen Abschnitt des piezoelektrischen Wandlers 100c ein im Wesentlichen rechteckiger Spalt ausgebildet, der von den jeweiligen Kopfendabschnitten 112c der mehreren Trägerabschnitte 110c umgeben ist.
Auch beim piezoelektrischen Wandler 100c gemäß der dritten Modifikation der vorliegenden Ausführungsform schneidet sich die axiale Richtung der orthogonalen Achse X' mit der Erstreckungsrichtung E jedes der mehreren Trägerabschnitte 110c.
17 ist eine Draufsicht, die die Konfiguration eines piezoelektrischen Wandlers gemäß einer vierten Modifikation der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 17 dargestellt, umfasst ein piezoelektrischer Wandler 100d gemäß der vierten Modifikation der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mehrere Trägerabschnitte 110d und einen Basisabschnitt 120d, und umfasst ferner einen plattenförmigen Abschnitt 140d.
Die mehreren Trägerabschnitte 110d erstrecken sich in derselben Ebene. Jeder der mehreren Trägerabschnitte 110d hat eine rechteckige Außenform, wenn man ihn aus der Richtung senkrecht zu dieser Ebene betrachtet.
Ein Kopfendabschnitt 112d von jedem der mehreren Trägerabschnitte 110d ist mit dem plattenförmigen Abschnitt 140d verbunden. Der plattenförmige Abschnitt 140d hat eine kreisförmige Außenform mit einem virtuellen Mittelpunkt Cd des piezoelektrischen Wandlers 100d als Zentrum, wenn er aus der Richtung senkrecht zur oben beschriebenen Ebene betrachtet wird.
Der plattenförmige Abschnitt 140d ist nicht mit dem Basisabschnitt 120d verbunden und ist von diesem beabstandet. Dementsprechend bewegt sich der plattenförmige Abschnitt 140d während der Ansteuerung des piezoelektrischen Wandlers 100d durch Verschiebung jedes der mehreren Trägerabschnitte 110d in der Oben-unten-Richtung in die Oben-unten-Richtung.
Aus der Richtung senkrecht zu der oben beschriebenen Ebene betrachtet, hat ein Kantenabschnitt auf der Seite des Basisabschnitts 120d eines Spalts 113d zwischen den Trägerabschnitten 110d, die benachbart sind, während sie sich in der oben beschriebenen Ebene in unterschiedliche Richtungen erstrecken, eine Kreisbogenform mit dem virtuellen Mittelpunkt Cd als Zentrum.
Auch bei dem piezoelektrischen Wandler 100d gemäß der vierten Modifikation der vorliegenden Ausführungsform schneidet sich die axiale Richtung der orthogonalen Achse X' mit der Erstreckungsrichtung E jedes der mehreren Trägerabschnitte 110d. Mit dieser Konfiguration kann in der vorliegenden Modifikation die Differenz der Spannungen in den jeweiligen Erstreckungsrichtungen E unter den mehreren Trägerabschnitten 110d reduziert werden. Aus diesem Grund kann in Bezug auf Spannungen, die jeweils auf mehrere Verbindungsabschnitten aufgebracht werden, die jeweils die mehreren Trägerabschnitte 110d und den plattenförmigen Abschnitt 140d miteinander verbinden, eine Spannungsdifferenz zwischen den Verbindungsabschnitten reduziert werden. Folglich kann die Zuverlässigkeit des piezoelektrischen Wandlers 100d verbessert werden.
18 ist eine Draufsicht, die die Konfiguration eines piezoelektrischen Wandlers gemäß einer fünften Modifikation der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 18 dargestellt, unterscheidet sich ein piezoelektrischer Wandler 100e gemäß der fünften Modifikation der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von dem piezoelektrischen Wandler 100d gemäß der vierten Modifikation der vorliegenden Ausführungsform nur in einer Form des plattenförmigen Abschnitts.
Bei dem piezoelektrischen Wandler 100e gemäß der fünften Modifikation der vorliegenden Ausführungsform erstrecken sich mehrere Trägerabschnitte 110e in derselben Ebene. Aus der Richtung senkrecht zu dieser Ebene betrachtet, hat ein plattenförmiger Abschnitt 140e eine im Wesentlichen quadratische Außenform mit einem virtuellen Mittelpunkt Ce des piezoelektrischen Wandlers 100e als Zentrum.
Entsprechende Kopfendabschnitte 112e der mehreren Trägerabschnitte 110e sind mit dem plattenförmigen Abschnitt 140e jeweils an den Scheitelpunkten der im Wesentlichen quadratischen Form des plattenförmigen Abschnitts 140e verbunden.
Auch bei dem piezoelektrischen Wandler 100e gemäß der fünften Modifikation der vorliegenden Ausführungsform schneidet sich die axiale Richtung der orthogonalen Achse X' mit der Erstreckungsrichtung E jedes der mehreren Trägerabschnitte 110e.
19 ist eine Draufsicht, die die Konfiguration eines piezoelektrischen Wandlers gemäß einer sechsten Modifikation der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 19 dargestellt, unterscheidet sich ein piezoelektrischer Wandler 100f gemäß der sechsten Modifikation der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von dem piezoelektrischen Wandler 100d gemäß der vierten Modifikation der vorliegenden Ausführungsform in einer äußeren Form jedes der mehreren Trägerabschnitte und einer äußeren Form des plattenförmigen Abschnitts.
Bei dem piezoelektrischen Wandler 100f gemäß der sechsten Modifikation der vorliegenden Ausführungsform erstrecken sich mehrere Trägerabschnitte 110f in derselben Ebene. Jeder der mehreren Trägerabschnitte 110f hat eine äußere Form, die sich in der Erstreckungsrichtung E verjüngt, wenn man sie aus der Richtung senkrecht zu dieser Ebene betrachtet. Insbesondere hat jeder der mehreren Trägerabschnitte 110f eine trapezförmige Außenform, wenn er aus der Richtung senkrecht zu der oben beschriebenen Ebene betrachtet wird. In einer Richtung, in der sich ein Spalt 113f erstreckt, ist die Breite des Spalts 113f im Wesentlichen konstant. Ein plattenförmiger Abschnitt 140f hat eine polygonale Außenform, wenn er aus der Richtung senkrecht zur oben beschriebenen Ebene betrachtet wird. Insbesondere hat der plattenförmige Abschnitt 140f eine achteckige Außenform, wenn er aus der Richtung senkrecht zu der oben beschriebenen Ebene betrachtet wird.
Entsprechende Kopfendabschnitte 112f der mehreren Trägerabschnitte 110f sind jeweils mit dem plattenförmigen Abschnitt 140f an den Seiten der polygonalen Form des plattenförmigen Abschnitts 140f verbunden.
Auch bei dem piezoelektrischen Wandler 100f gemäß der sechsten Modifikation der vorliegenden Ausführungsform schneidet sich die Achsrichtung der orthogonalen Achse X' mit der Erstreckungsrichtung E jedes der mehreren Trägerabschnitte 110f.
20 ist eine Draufsicht, die die Konfiguration eines piezoelektrischen Wandlers gemäß einer siebten Modifikation der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 20 dargestellt, unterscheidet sich ein piezoelektrischer Wandler 100g gemäß der siebten Modifikation der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von dem piezoelektrischen Wandler 100f gemäß der sechsten Modifikation der vorliegenden Ausführungsform hauptsächlich in einem Punkt, dass mehrere plattenförmige Abschnitte vorgesehen ist.
Bei dem piezoelektrischen Wandler 100g gemäß der siebten Modifikation der vorliegenden Ausführungsform erstrecken sich mehrere Trägerabschnitte 110g in derselben Ebene. Jeder der mehreren Trägerabschnitte 110g hat eine dreieckige Außenform, wenn man ihn aus der Richtung senkrecht zur oben beschriebenen Ebene betrachtet.
Der piezoelektrische Wandler 100g gemäß der siebten Modifikation der vorliegenden Ausführungsform umfasst mehrere plattenförmige Abschnitte 140g. Die mehreren plattenförmigen Abschnitte 140g sind jeweils bezüglich der mehreren Spalte 113g in einer Eins-zu-eins-Entsprechung angeordnet und verbinden jeweils zwei Trägerabschnitte 110g miteinander, die einander benachbart sind. Jeder der mehreren plattenförmigen Abschnitte 140g hat eine rechteckige Außenform, wenn man ihn aus der Richtung senkrecht zur oben beschriebenen Ebene betrachtet.
Auch bei dem piezoelektrischen Wandler 100g gemäß der siebten Modifikation der vorliegenden Ausführungsform schneidet sich die axiale Richtung der orthogonalen Achse X' mit der Erstreckungsrichtung E jedes der mehreren Trägerabschnitte 110g.
Bezugszeichenliste

10: piezoelektrische Einkristallschicht
11: Lochabschnitt
20: obere Elektrodenschicht
30: untere Elektrodenschicht
40: Substrat
41: Greifschicht
42: BOX-Schicht
43: aktive Schicht
50: Zwischenlage
100, 100a, 100b, 100c: piezoelektrischer Wandler
100d, 100e, 100f: piezoelektrischer Wandler
100g, 900: piezoelektrischer Wandler
110e, 110f, 110g: Trägerabschnitt
910a, 910b: Trägerabschnitt
111, 111 a, 111c: fester Endabschnitt
12, 112a, 112c, 112d: Kopfendabschnitt
112e, 112f: Kopfendabschnitt
113, 113b, 113d: Spalt
113f, 113g: Spalt
115: vertiefter Abschnitt
120, 120a, 120d: Basisabschnitt
130a: Umfangswandabschnitt
140d, 140e, 140f, 140g: plattenförmiger Abschnitt

Claims

Piezoelektrischer Wandler (100), aufweisend: mehrere Trägerabschnitte (110), von denen jeder einen festen Endabschnitt (111) aufweist und sich in einer Richtung weg von dem festen Endabschnitt erstreckt, und einen Basisabschnitt (120), der mit dem festen Endabschnitt (111) jedes der mehreren Trägerabschnitte (110) verbunden ist, wobei sich jeder der mehreren Trägerabschnitte (110) in einer gleichen Ebene erstreckt und die jeweiligen Erstreckungsrichtungen (E) von mindestens zwei Trägerabschnitten (110) der mehreren Trägerabschnitte (110) voneinander verschieden sind, die mehreren Trägerabschnitte (110) jeweils eine piezoelektrische Einkristallschicht (10) mit einer Polarisationsachse in derselben Richtung, eine obere Elektrodenschicht (20), die auf einer Oberseite der piezoelektrischen Einkristallschicht (10) angeordnet ist, und eine untere Elektrodenschicht (30), die so angeordnet ist, dass sie zumindest einem Teil der oberen Elektrodenschicht (20) gegenüberliegt, wobei die piezoelektrische Einkristallschicht (10) dazwischen angeordnet ist, aufweisen, die Polarisationsachse (Z') eine Polarisationskomponente in der Ebene hat, und eine axiale Richtung einer orthogonalen Achse (X'), die orthogonal zur Polarisationsachse (Z') ist und sich in der Ebene erstreckt, eine Erstreckungsrichtung (E) jedes der mehreren Trägerabschnitte (110) schneidet.
Piezoelektrischer Wandler (100) nach Anspruch 1, wobei ein Winkel, der zwischen der Erstreckungsrichtung (E) jedes der mehreren Trägerabschnitte (110) und der axialen Richtung der orthogonalen Achse (X') gebildet wird, gleich oder größer als 40 Grad und gleich oder kleiner als 50 Grad ist.
Piezoelektrischer Wandler (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die piezoelektrische Einkristallschicht (10) aus Lithiumniobat oder Lithiumtantalat gebildet ist.
Piezoelektrischer Wandler (100) nach Anspruch 3, wobei die Polarisationsachse (Z') nur in der Ebene verläuft.
Piezoelektrischer Wandler (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei drei oder mehr Trägerabschnitte (110) bei den mehreren Trägerabschnitten (110) enthalten sind, und bei Betrachtung aus einer Richtung senkrecht zu der Ebene jeder der mehreren Trägerabschnitte (110) so angeordnet ist, dass jeder eine dreieckige oder vierseitige äußere Form hat, und so, dass Abstände zwischen Trägerabschnitten (110), die benachbart sind, während sie sich in verschiedene Richtungen voneinander in der Ebene erstrecken, einander gleich sind.