DE112020002000T5

DE112020002000T5 - Piezoelektrisches bauelement und ultraschallwandler

Info

Publication number: DE112020002000T5
Application number: DE112020002000.2T
Authority: DE
Inventors: Seiji Umezawa; Shinsuke Ikeuchi; Fumiya KUROKAWA; Nobuyoshi ADACHI; Masayuki Suzuki
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2019-05-16
Filing date: 2020-04-08
Publication date: 2022-01-20
Also published as: JPWO2020230484A1; CN113826408A; JP7251618B2; CN113826408B; WO2020230484A1; US20220040736A1

Abstract

Ein piezoelektrisches Bauelement (100) ist mit einer Basisplatte (110), einem piezoelektrischen Element (120) und einem Deckelabschnitt (130) versehen. Das piezoelektrische Element (120) umfasst einen Basisabschnitt (121) und einen Membranabschnitt (122). Der Basisabschnitt (121) ist an einer ersten Hauptoberfläche (111) positioniert und weist bei Betrachtung aus der Normallinienrichtung der ersten Hauptoberfläche (111) eine Ringau-ßenform auf. Der Membranabschnitt (122) ist bei Betrchtung aus der Normallinienrichtung im Inneren des Basisabschnitts (121) positioniert. Der Deckelabschnitt (130) ist an der ersten Hauptoberfläche (111) positioniert und bedeckt das piezoelektrische Element (120) an der Seite der ersten Hauptoberfläche (111), getrennt von dem piezoelektrischen Element (120). Ein erstes Durchgangsloch (113), das sich von der ersten Hauptoberfläche (111) zu einer zweiten Hauptoberfläche (112) erstreckt, ist in der Basisplatte (110) an einer Position gebildet, die dem Membranabschnitt (122) zugewandt ist. Ein Durchgangsschlitz (123) ist in dem Membranabschnitt (122) gebildet.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf piezoelektrische Bauelemente und Ultraschallwandler.
Hintergrundtechnik
Die US-Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2017/0184718 (Patentdokument 1) ist ein technisches Dokument verwandter Technik, das eine Ausbildung eines piezoelektrischen Bauelements offenbart. Das piezoelektrische Bauelement, das im Patentdokument 1 beschrieben ist, umfasst ein Substrat, einen Deckel, der an dem Substrat angebracht ist, einen Ultraschallwandler, der mit einer Membran ausgestattet ist, die getrieben werden kann, und an dem Substrat befestigt ist, und eine integrierte Schaltung, die an dem Substrat befestigt und mit dem Ultraschallwandler auf derartige Weise gekoppelt ist, dass sie auf den Ultraschallwandler wirken kann. Der Deckel umgibt den Ultraschallwandler und die integrierte Schaltung. Ein akustischer Hohlraum ist in dem Substrat gebildet. Der Ultraschallwandler ist auf derartige Weise an dem Substrat fixiert, dass er im Wesentlichen den akustischen Hohlraum bedeckt.
Referenzliste
Patentdokument
Patentdokument 1: US-Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2017/0184718
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Das Patentdokument 1 veranschaulicht einen Fall, in dem ein piezoelektrisches Bauelement mit Ultraschallwellen bei 200 kHz arbeitet, was eine relativ hohe Frequenz ist. Ultraschallwellen werden durch Mitschwingen in einem Durchgangsloch verstärkt.
Bei dem oben beschriebenen piezoelektrischen Bauelement jedoch wird, wenn versucht wird, Ultraschallwellen mit einer relativ niedrigen Frequenz, wie zum Beispiel 40 kHz, zu senden und zu empfangen, die mechanische Schwingungsfrequenz des Membranabschnitts ebenso gesenkt. Insbesondere wird, wenn die mechanische Schwingungsfrequenz des Membranabschnitts niedrig ist, das Treiben der Membran durch Restspannung in der Membran gehemmt. Dies macht es für das oben beschriebene piezoelektrische Bauelement schwierig, effizient Niedrigfrequenz-Ultraschallwellen zu senden und zu empfangen.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der obigen Probleme entworfen und eine Aufgabe derselben besteht darin, ein piezoelektrisches Bauelement bereitzustellen, das effizient Niedrigfrequenz-Ultraschallwellen senden und empfangen kann.
Lösung für das Problem
Ein piezoelektrisches Bauelement gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Substrat, ein piezoelektrisches Element und einen Deckel. Das Substrat weist eine erste Hauptoberfläche und eine zweite Hauptoberfläche auf, die an der gegenüberliegenden Seite zu der ersten Hauptoberfläche angeordnet ist. Das piezoelektrische Element befindet sich an der ersten Hauptoberfläche. Das piezoelektrische Element umfasst einen Basisabschnitt und einen Membranabschnitt. Der Basisabschnitt ist an der ersten Hauptoberfläche angeordnet und weist bei Betrachtung aus einer Normalrichtung der ersten Hauptoberfläche eine Ringaußenform auf. Der Membranabschnitt ist bei Betrachtung aus der Normalrichtung an einem Innenseitenabschnitt des Basisabschnitts angeordnet. Der Deckel ist an der ersten Hauptoberfläche angeordnet und bedeckt ein piezoelektrisches Element, während er von dem piezoelektrischen Element auf der ersten Hauptoberflächenseite beabstandet ist. In dem Substrat ist ein erstes Durchgangsloch, das sich von der ersten Hauptoberfläche zu der zweiten Hauptoberfläche erstreckt, an einer Position gebildet, die dem Membranabschnitt zugewandt ist. Ein Durchgangsschlitz ist in dem Membranabschnitt gebildet.
Ein Ultraschallwandler gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Befestigungssubstrat und ein piezoelektrisches Bauelement, das an dem Befestigungssubstrat befestigt ist. Das piezoelektrische Bauelement beinhaltet ein Substrat, ein piezoelektrisches Element und einen Deckel. Das Substrat weist eine erste Hauptoberfläche und eine zweite Hauptoberfläche auf, die sich an der gegenüberliegenden Seite zu der ersten Hauptoberfläche befindet. Das piezoelektrische Element ist an der ersten Hauptoberfläche angeordnet. Das piezoelektrische Element umfasst einen Basisabschnitt und einen Membranabschnitt. Der Basisabschnitt ist an der ersten Hauptoberfläche angeordnet und weist bei Betrachtung aus einer Normalrichtung der ersten Hauptoberfläche eine Ringaußenform auf. Der Membranabschnitt ist bei Betrachtung aus der Normalrichtung an einem Innenseitenabschnitt des Basisabschnitts angeordnet. Der Deckel ist an der ersten Hauptoberfläche angeordnet und bedeckt das piezoelektrische Element, während er von dem piezoelektrischen Element auf der ersten Hauptoberflächenseite beabstandet ist. In dem Substrat ist ein erstes Durchgangsloch, das sich von der ersten Hauptoberfläche zu der zweiten Hauptoberfläche erstreckt, an einer Position gebildet, die dem Membranabschnitt zugewandt ist. Ein Durchgangsschlitz ist in dem Membranabschnitt gebildet. Das Befestigungssubstrat ist der zweiten Hauptoberfläche zugewandt. Ein drittes Durchgangsloch ist in dem Befestigungssubstrat gebildet. Ein Endabschnitt des dritten Durchgangslochs an der Seite des piezoelektrischen Bauelements ist an einer Position angeordnet, die dem ersten Durchgangsloch zugewandt ist.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung können Niedrigfrequenz-Ultraschallwellen effizient gesendet und empfangen werden.
Figurenliste

1 ist eine Schnittansicht, die eine Ausbildung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung darstellt.
2 ist eine Ansicht, die nur ein piezoelektrisches Element darstellt, wenn das in 1 dargestellte piezoelektrische Bauelement aus der Richtung eines Pfeils II betrachtet wird.
3 ist eine Unteransicht, wenn das in 1 dargestellte piezoelektrische Bauelement aus der Richtung eines Pfeils III betrachtet wird.
4 ist eine Schnittansicht, die eine Ausbildung eines Ultraschallwandlers gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung darstellt.
5 ist eine Schnittansicht, die eine Ausbildung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß einer ersten Modifizierung des Ausführungsbeispiels 1 der vorliegenden Erfindung darstellt.
6 ist eine Unteransicht, die die Ausbildung des piezoelektrischen Bauelements darstellt, wenn das in 5 dargestellte piezoelektrische Bauelement aus der Richtung eines Pfeils VI betrachtet wird.
7 ist eine Schnittansicht, die eine Ausbildung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß einer zweiten Modifizierung des Ausführungsbeispiels 1 der vorliegenden Erfindung darstellt.
8 ist eine Unteransicht, die die Ausbildung des piezoelektrischen Bauelements darstellt, wenn das in 7 dargestellte piezoelektrische Bauelement aus der Richtung eines Pfeils VIII betrachtet wird.
9 ist eine Schnittansicht, die eine Ausbildung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß einer dritten Modifizierung des Ausführungsbeispiels 1 der vorliegenden Erfindung darstellt.
10 ist eine Unteransicht, die die Ausbildung des piezoelektrischen Bauelements darstellt, wenn das in 9 dargestellte piezoelektrische Bauelement aus der Richtung eines Pfeils X betrachtet wird.
11 ist eine Schnittansicht, die eine Ausbildung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß einer vierten Modifizierung des Ausführungsbeispiels 1 der vorliegenden Erfindung darstellt.
12 ist eine Unteransicht, die die Ausbildung des piezoelektrischen Bauelements darstellt, wenn das in 11 dargestellte piezoelektrische Bauelement aus der Richtung eines Pfeils XII betrachtet wird.
13 ist eine Draufsicht, die ein piezoelektrisches Element bei einer fünften Modifizierung des Ausführungsbeispiels 1 der vorliegenden Erfindung darstellt.
14 ist eine Schnittansicht, die eine Ausbildung eines Ultraschallwandlers gemäß einer sechsten Modifizierung des Ausführungsbeispiels 1 der vorliegenden Erfindung darstellt.
15 ist eine Schnittansicht, die eine Ausbildung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung darstellt.
16 ist eine Draufsicht, wenn das in 15 dargestellte piezoelektrische Bauelement aus der Richtung eines Pfeils XVI betrachtet wird.
17 ist eine Schnittansicht, die einen Zustand darstellt, bei dem eine Ansaughülse ein piezoelektrisches Bauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung hält.
18 ist eine Schnittansicht, die eine Ausbildung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß einer ersten Modifizierung des Ausführungsbeispiels 2 der vorliegenden Erfindung darstellt.
19 ist eine Schnittansicht, die einen Zustand darstellt, bei dem eine Ansaughülse ein piezoelektrisches Bauelement gemäß der ersten Modifizierung des Ausführungsbeispiels 2 der vorliegenden Erfindung hält.
20 ist eine Schnittansicht, die eine Ausbildung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß einer zweiten Modifizierung des Ausführungsbeispiels 2 der vorliegenden Erfindung darstellt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden ein piezoelektrisches Bauelement und ein Ultraschallwandler gemäß jedem der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung Bezug nehmend auf die Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele sind die gleichen oder entsprechende Abschnitte in den Zeichnungen durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet und die Beschreibung derselben wird nicht wiederholt.
(Ausführungsbeispiel 1)
Zuerst wird ein piezoelektrisches Bauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 ist eine Schnittansicht, die eine Ausbildung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung darstellt. 2 ist eine Ansicht, die nur ein piezoelektrisches Element darstellt, wenn das in 1 dargestellte piezoelektrische Bauelement aus der Richtung eines Pfeils II betrachtet wird. 3 ist eine Unteransicht, bei der das in 1 dargestellte piezoelektrische Bauelement aus der Richtung eines Pfeils III betrachtet wird.
Wie in 1 dargestellt ist, umfasst ein piezoelektrisches Bauelement 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung ein Substrat 110, ein piezoelektrisches Element 120 und einen Deckel 130.
Das Substrat 110 weist eine erste Hauptoberfläche 111 und eine zweite Hauptoberfläche 112 auf, die sich an der gegenüberliegenden Seite zu der ersten Hauptoberfläche 111 befindet. Ein erstes Durchgangsloch 113 ist in dem Substrat 110 gebildet. Details des ersten Durchgangslochs 113 werden später beschrieben.
Wie in 1 und 3 dargestellt ist, weist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das Substrat 110 bei Betrachtung aus der Normalrichtung der ersten Hauptoberfläche 111 eine rechteckige Außenform auf. Bei Betrachtung aus der Normalrichtung liegt eine Länge einer Seite des Substrats 110 in einem Bereich von beispielsweise 1 mm bis 3 mm. Die Dicke des Substrats 110 in der Normalrichtung liegt beispielsweise in einem Bereich von 0,1 mm bis 0,3 mm.
Beispiele des Substrats 110 beinhalten ein Substrat, das aus einem Material ausgebildet ist, bei dem Harz und Glasfasern kombiniert sind, wie zum Beispiel ein Glasepoxidsubstrat, ein Mehrschichtsubstrat mit bei niedriger Temperatur gemeinsam gebrannten Keramiken (LTCC-Mehrschichtsubstrat; LTCC = low temperature co-fired ceramics), und ein Substrat, das aus einem Keramikmaterial ausgebildet ist, das aus Aluminiumoxid oder dergleichen hergestellt ist.
Wie in 1 dargestellt ist, ist eine Mehrzahl erster Elektroden 141 so angeordnet, dass diese voneinander an der ersten Hauptoberfläche 111 beabstandet sind. Es wird darauf hingewiesen, dass in 1 nur eine erste Elektrode 141 unter der Mehrzahl erster Elektroden 141 dargestellt ist. Jede der Mehrzahl erster Elektroden 141 ist elektrisch mit einer Elektrode verbunden, die in dem piezoelektrischen Element 120 beinhaltet ist, das später beschrieben wird.
Eine Mehrzahl zweiter Elektroden 142 ist voneinander beabstandet an der zweiten Hauptoberfläche 112 angeordnet. Wenn das piezoelektrische Bauelement 100 an einem Befestigungssubstrat befestigt ist, ist jede der Mehrzahl zweiter Elektroden 142 elektrisch mit dem Befestigungssubstrat verbunden.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind jede der Mehrzahl erster Elektroden 141 und eine beliebige zweite Elektrode 142 unter der Mehrzahl zweiter Elektroden 142 mit einer Durchgangslochelektrode 143 elektrisch miteinander verbunden. Die Durchgangslochelektrode 143 ist so angeordnet, dass sie auf derartige Weise durch das Substrat 110 verläuft, dass sie sich von der ersten Hauptoberfläche 111 zu der zweiten Hauptoberfläche 112 erstreckt.
Wie in den 1 und 2 dargestellt ist, ist das piezoelektrische Element 120 an der ersten Hauptoberfläche 111 angeordnet. Das piezoelektrische Element 120 umfasst einen Basisabschnitt 121 und einen Membranabschnitt 122.
Der Basisabschnitt 121 ist an der ersten Hauptoberfläche 111 angeordnet und weist bei Betrachtung aus einer Normalrichtung der ersten Hauptoberfläche 111 eine Ringaußenform auf. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel bildet eine Umfangsseitenoberfläche des Basisabschnitts 121 bei Betrachtung aus der Normalrichtung eine Rechteckform. Bei Betrachtung aus der Normalrichtung kann die Umfangsseitenoberfläche des Basisabschnitts 121 eine Kreisform oder eine Vieleckform bilden.
Der Membranabschnitt 122 ist bei Betrachtung aus der Normalrichtung an einem Innenseitenabschnitt des Basisabschnitts 121 angeordnet. Der Membranabschnitt 122 wird durch den Basisabschnitt 121 getragen. Entsprechend ist bei dem piezoelektrischen Element 120 eine Ausnehmung, die durch den Basisabschnitt 121 und den Membranabschnitt 122 umgeben ist, an der Seite des Substrats 110 gebildet.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Membranabschnitt 122 bei Betrachtung aus der Normalrichtung eine Rechteckaußenform, insbesondere eine quadratische Außenform auf. Die Länge einer Seite des Membranabschnitts 122 bei Betrachtung aus der Normalrichtung liegt beispielsweise in einem Bereich von 0,5 mm bis 1,5 mm. Der Membranabschnitt 122 kann bei Betrachtung aus der Normalrichtung eine Kreis- oder eine andere Vieleckaußenform aufweisen. Die Dicke des Membranabschnitts 122 in der Normalrichtung liegt beispielsweise in einem Bereich von 0,5 µm bis 6.0 µm.
In dem Membranabschnitt 122 ist ein Durchgangsschlitz 123 gebildet, der von der Seite des Substrats 110 zu der gegenüberliegenden Seite zu der Seite des Substrats 110 durchgeht. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beinhaltet der Membranabschnitt 122, da der Durchgangsschlitz 123 gebildet ist, eine Mehrzahl von Trägern 124. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein Ende jedes der Mehrzahl von Trägern 124 durch den Basisabschnitt 121 getragen. Beide Enden jedes der Mehrzahl von Trägern 124 können durch den Basisabschnitt 121 getragen werden.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Mehrzahl von Trägern 124 so gebildet, dass sie bei Betrachtung aus der Normalrichtung rotationssymmetrisch relativ zu der Mitte des Membranabschnitts 122 gebildet sind. Hiermit verformt sich, wenn der Membranabschnitt 122 getrieben wird, jeder der Mehrzahl von Trägern 124 in gleicher Weise, was es möglich macht, eine Situation zu unterdrücken, bei der die Breite des Durchgangsschlitzes 123, der zwischen der Mehrzahl von Trägern 124 angeordnet ist, übermäßig verbreitert wird. Folglich kann eine Situation unterdrückt werden, bei der Ultraschallwellen, die durch das piezoelektrische Element 120 gesendet und empfangen werden, durch den Durchgangsschlitz 123 laufen.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist jeder der Mehrzahl von Trägern 124 bei Betrachtung aus der Normalrichtung eine im Wesentlichen dreieckige Außenform auf, die Außenform jedes der Mehrzahl von Trägern 124 ist jedoch auf keine spezifische Form eingeschränkt. Jeder der Mehrzahl von Trägern 124 kann bei Betrachtung aus der Normalrichtung eine Vieleckaußenform aufweisen. Jeder der Mehrzahl von Trägern 124 kann sich von dem Basisabschnitt 121 nach außen erstrecken und dabei gekrümmt sein. Wenn ein Ende jedes der Mehrzahl von Trägern 124 durch den Basisabschnitt 121 getragen wird, beträgt die Abmessung der Länge von dem einen Ende zu dem anderen Ende jedes der Mehrzahl von Trägern 124 zumindest fünfmal oder mehr als die Abmessung der Dicke des Membranabschnitts 122, so dass jeder der Mehrzahl von Trägern 124 ohne weiteres schwingen kann.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Breite des Durchgangsschlitzes 123 nicht größer als 10 µm. Dies macht es möglich, eine Situation zu unterdrücken, bei der die Breite des Durchgangsschlitzes 123, der zwischen der Mehrzahl von Trägern 124 angeordnet ist, übermäßig verbreitert wird, wenn sich alle der Mehrzahl von Trägern 124 verformt haben.
Als nächstes wird das erste Durchgangsloch 113 beschrieben, das in dem Substrat 110 gebildet ist. Wie in 1 dargestellt ist, ist das erste Durchgangsloch 113 an einer Position gebildet, die dem Membranabschnitt 122 zugewandt ist. Das erste Durchgangsloch 113 ist auf derartige Weise gebildet, dass es sich von der ersten Hauptoberfläche 111 zu der zweiten Hauptoberfläche 112 erstreckt. So ist ein Raum zwischen dem Membranabschnitt 122 und dem Substrat 110 mit einem Raum an der Seite der zweiten Hauptoberfläche 112 des Substrats 110 verbunden.
Wie in den 1 und 3 dargestellt ist, ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Grenze X zwischen dem Membranabschnitt 122 und dem Basisabschnitt 121 bei Betrachtung aus der Normalrichtung an einem Außenseitenabschnitt relativ zu dem ersten Durchgangsloch 113 angeordnet. Das erste Durchgangsloch 113 weist bei Betrachtung aus der Normalrichtung eine Kreisaußenform auf. Das erste Durchgangsloch 113 kann bei Betrachtung aus der Normalrichtung eine Rechteckaußenform aufweisen. Eine Öffnungsgröße des ersten Durchgangslochs 113 liegt beispielsweise in einem Bereich von 0,1 mm bis 1,4 mm.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann zumindest ein Teil des ersten Durchgangslochs 113 mit einem porösen Material gefüllt sein. Dies macht es möglich, eine Situation zu unterdrücken, bei der Fremdmaterial, wie zum Beispiel Staub oder Wasser, von dem Außenraum an der Seite der zweiten Hauptoberfläche 112 durch das erste Durchgangsloch 113 in die Seite der ersten Hauptoberfläche 111 gelangt. Wenn das poröse Material so angeordnet ist, dass es das erste Durchgangsloch 113 füllt, weist das poröse Material vorzugsweise offene Zellen auf.
Das piezoelektrische Bauelement 100 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst ferner eine Ringelektrode 144, die so angeordnet ist, dass sie bei Betrachtung aus der Normalrichtung das erste Durchgangsloch 113 an der zweiten Hauptoberfläche 112 umgibt.
Wenn das piezoelektrische Bauelement 100 montiert ist, ist die Ringelektrode 144 elektrisch an eine Elektrode gebunden, die an dem Befestigungssubstrat vorgesehen ist. Eine der Mehrzahl erster Elektroden 141 kann elektrisch mit der Ringelektrode 144 verbunden sein, anstelle der zweiten Elektrode 142.
Als Nächstes wird die Ausbildung sowohl des Basisabschnitts 121 als auch des Membranabschnitts 122 detailliert beschrieben.
Wie in 1 dargestellt ist, beinhaltet bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Basisabschnitt 121 eine Stützschicht 121a, die an einer Seite angeordnet ist, die am nächsten an dem Substrat 110 liegt, eine Kastenschicht 121b, die sich an der gegenüberliegenden Seite zu der Seite des Substrats 110 relativ zu der Stützschicht 121a befindet, und einen Mehrschichtkörper, der aus einer Mehrzahl von Schichten gebildet ist, die sich an der gegenüberliegenden Seite zu der Seite der Stützschicht 121a relativ zu der Kastenschicht 121b befinden.
Die Stützschicht 121a ist aus beispielsweise einer Einkristall-Siliziumschicht gebildet und die Kastenschicht 121b ist beispielsweise aus SiO₂ gebildet. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Mehrschichtkörper bei Betrachtung aus der Normalrichtung zu einem Innenseitenabschnitt des Basisabschnitts 121, und bildet einen Teil des Membranabschnitts 122 aus. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst der Basisabschnitt 121 den Mehrschichtkörper, der aus einer piezoelektrischen Schicht 122a, einer Zwischenschicht 122d und einer aktiven Schicht 122e gebildet ist.
Wie in 1 dargestellt ist, umfasst bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Membranabschnitt 122 zumindest die piezoelektrische Schicht 122a, eine obere Elektrodenschicht 122b und eine untere Elektrodenschicht 122c. Bei dem Membranabschnitt 122 ist die obere Elektrodenschicht 122b so angeordnet, dass sie zumindest einem Teil der unteren Elektrodenschicht zugewandt ist, wobei die piezoelektrische Schicht 122a in der Normalrichtung zwischen denselben angeordnet ist.
Als piezoelektrische Schicht 122a kann beispielsweise eine piezoelektrische Einkristallschicht verwendet werden, die aus Lithiumtantalat oder Lithiumniobat hergestellt ist. Die piezoelektrische Schicht 122a kann aus einem piezoelektrischen gedrehten Y-Schnitt-Einkristallmaterial hergestellt sein. Wenn die piezoelektrische Schicht 122a aus einer piezoelektrischen gedrehten Y-Schnitt-Einkristallschicht gebildet ist, die aus Lithiumtantalat oder Lithiumniobat hergestellt ist, sind mechanische Charakteristika jedes der Mehrzahl von Trägern 124 in der Normalrichtung voneinander unterschiedlich.
Der Membranabschnitt 122 beinhaltet außerdem die Zwischenschicht 122d, die an der Seite des Substrats 110 der unteren Elektrodenschicht 122a angeordnet ist, und die aktive Schicht 122e, die an der Seite des Substrats 110 der Zwischenschicht 122d angeordnet ist. Die Zwischenschicht 122d ist beispielsweise aus SiO₂ hergestellt. Die aktive Schicht 122e ist aus beispielsweise einer Einkristallsiliziumschicht gebildet.
Der Membranabschnitt 122 weist eine spannungsneutrale Ebene senkrecht zu der Normalrichtung auf. Die spannungsneutrale Ebene des Membranabschnitts 122 befindet sich im Wesentlichen in der Mitte in der Normalrichtung des Membranabschnitts 122. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die piezoelektrische Schicht 122a an der gegenüberliegenden Seite zu der Seite des Substrats 110 relativ zu der spannungsneutralen Ebene des Membranabschnitts 122 angeordnet. Die piezoelektrische Schicht 122a kann an der Seite des Substrats 110 relativ zu der spannungsneutralen Ebene des Membranabschnitts 122 angeordnet sein.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel neigt die piezoelektrische Schicht 122a, an die eine Spannung angelegt ist, zu einem Ausdehnen und Zusammenziehen in der in der Ebene liegenden Richtung senkrecht zu der Normalrichtung. Unterdessen wirken, da die anderen Schichten als die piezoelektrische Schicht 122a, die den Membranabschnitt 122 bildet, direkt oder indirekt an die piezoelektrische Schicht 122a gebunden sind, diese so auf die piezoelektrische Schicht 122a, dass sie das Ausdehnen und Zusammenziehen in der in der Ebene liegenden Richtung der piezoelektrischen Schicht 122a einschränken. Da die piezoelektrische Schicht 122a an der Seite des Substrats 110 oder an der gegenüberliegenden Seite zu der Seite des Substrats 110 relativ zu der spannungsneutralen Ebene des Membranabschnitts 122 angeordnet ist, dehnt sich die piezoelektrische Schicht 122a in der in der Ebene liegenden Richtung aus und zieht sich zusammen, während sie durch andere Schichten eingeschränkt wird, wodurch sich der gesamte Membranabschnitt 122 in der Normalrichtung biegt. Da der Membranabschnitt 122 durch den Basisabschnitt 121 getragen wird, schwingt der Membranabschnitt 122, wenn sich der Membranabschnitt 122 in der Normalrichtung biegt.
Wie in den 1 und 2 dargestellt ist, umfasst bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das piezoelektrische Element 120 ferner eine Mehrzahl von Anschlussflächenelektroden 125. Die Mehrzahl von Anschlussflächenelektroden 125 ist elektrisch über eine Verbindungsverdrahtung 126 mit der oberen Elektrodenschicht 122b bzw. der unteren Elektrodenschicht 122c verbunden. Jede der Mehrzahl von Anschlussflächenelektroden 125 ist elektrisch dadurch mit jeder der Mehrzahl erster Elektroden 141 verbunden, dass sie mit jedem der Mehrzahl von Bonddrähten 150 an die Mehrzahl erster Elektroden 141 drahtgebondet ist.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das piezoelektrische Element 120 durch einen Piezoelektrisches-Element-Bindeabschnitt 129, der zwischen dem Basisabschnitt 121 und der ersten Hauptoberfläche 111 angeordnet ist, an das Substrat 110 gebunden. Der Piezoelektrisches-Element-Bindeabschnitt 129 ist aus einem Haftmittel hergestellt, wie zum Beispiel einem Chipbindemittel.
Wie in den 1 und 3 dargestellt ist, ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Basisabschnitt 121 bei Betrachtung aus der Normalrichtung durch den Piezoelektrisches-Element-Bindeabschnitt 129 ohne Lücke über den gesamten Umfang des Basisabschnitts 121 an die erste Hauptoberfläche 111 des Substrats 110 gebunden. Der Piezoelektrisches-Element-Bindeabschnitt 129 verfügt über Flüssigkeitsdichtheit. Entsprechend können als eine Bindegrenzfläche zwischen dem piezoelektrischen Element 120 und dem Substrat 110 ein Innenseitenabschnitt des Basisabschnitts 121 und ein Außenseitenabschnitt des Basisabschnitts 121 bei Betrachtung aus der Normalrichtung akustisch voneinander getrennt sein. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die gesamte Oberfläche des Basisabschnitts 121 an der Seite des Substrats 110 über den Piezoelektrisches-Element-Bindeabschnitt 129 an die erste Hauptoberfläche 111 des Substrats 110 gebunden.
In einem Fall, in dem ein Teil des Basisabschnitts 121 und der ersten Hauptoberfläche 111 des Substrats 110 durch den Piezoelektrisches-Element-Bindeabschnitt 129 aneinander gebunden sind, kann ein zusätzliches Chipbindematerial oder ein weiteres Bauteil zusätzlich vorgesehen sein, um die Lücke zu füllen, die zwischen dem Basisabschnitt 121 und der ersten Hauptoberfläche 111 des Substrats 110 gebildet ist. So können als die Bindegrenzfläche zwischen dem piezoelektrischen Element 120 und dem Substrat 110 der Innenseitenabschnitt des Basisabschnitts 121 und der Außenseitenabschnitt des Basisabschnitts 121 akustisch voneinander getrennt sein.
Wie in 1 dargestellt ist, weist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das piezoelektrische Element 120 bei Betrachtung aus der Normalrichtung eine Rechteckaußenform auf. Bei Betrachtung aus der Normalrichtung liegt die Länge einer Seite des piezoelektrischen Elements 120 beispielsweise in einem Bereich von 0,6 mm bis 1,5 mm. Die Dicke des piezoelektrischen Elements 120 in der Normalrichtung liegt beispielsweise in einem Bereich von 0,2 mm bis 0,5 mm.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das piezoelektrische Element 120 ein sogenanntes Mikroelektromechaniksystem(MEMS)-Element. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das piezoelektrische Element 120 in der Lage, Ultraschallwellen abzustrahlen oder Ultraschallwellen zu empfangen, indem der Membranabschnitt 122 mit relativ niedriger Frequenz schwingt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel liegen spezifische Frequenzen dieser Ultraschallwellen etwa in einem Bereich von 20 kHz bis 60 kHz.
Wie in 1 dargestellt ist, ist der Deckel 130 an der ersten Hauptoberfläche 111 angeordnet. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Deckel 130 bei Betrachtung aus der Normalrichtung im Wesentlichen die gleiche Außenform wie diejenige des Substrats 110 auf.
Der Deckel 130 bedeckt das piezoelektrische Element 120, während er von dem piezoelektrischen Element 120 an der Seite der ersten Hauptoberfläche 111 beabstandet ist. Der Deckel 130 ist dazu ausgebildet, keinen Kontakt mit einem der Mehrzahl von Bonddrähten herzustellen.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Deckel 130 aus einem integrierten Bauteil gebildet und umfasst einen Gehäuseabschnitt 131 mit einer Aussparungsform an der Seite des Substrats 111. Die Dicke des Deckels 130 liegt beispielsweise in einem Bereich von 0,1 mm bis 0,3 mm.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind der Deckel 130 und das Substrat 110 durch einen Bindeabschnitt 132 mit Flüssigkeitsdichtheit aneinander gebunden. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Deckel 130 bei Betrachtung aus der Normalrichtung ohne Lücke über das gesamte Außenumfangsende des Deckels durch den Bindeabschnitt 132 an die erste Hauptoberfläche 111 gebunden. So sind der Innenraum an der Seite des piezoelektrischen Elements 120 und der Außenraum an der gegenüberliegenden Seite zu dem Innenraum relativ zu dem Bindeabschnitt 132 im Wesentlichen akustisch voneinander getrennt. Als Bindeabschnitt 132 kann ein bekanntes Haftmittel aus der verwandten Technik verwendet werden.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Deckel 130 aus einem Metallmaterial oder einem Harzmaterial hergestellt. Der Deckel 130 kann durch Schneiden oder Pressen eines Bauteils, das aus dem oben beschriebenen Material hergestellt ist, geformt werden oder kann durch Formen geformt werden.
Wie in 1 dargestellt ist, ist bei dem piezoelektrischen Bauelement 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung durch Anlegen einer Spannung an jede der Mehrzahl zweiter Elektroden 142 eine Spannung zwischen der oberen Elektrodenschicht 122b und der unteren Elektrodenschicht 122c angelegt, die elektrisch mit jeder der Mehrzahl zweiter Elektroden 142 verbunden sind. Folglich wird die piezoelektrische Schicht 122a, die zwischen der oberen Elektrodenschicht 122b und der unteren Elektrodenschicht 122c angeordnet ist, getrieben. Wenn die piezoelektrische Schicht 122a getrieben wird, schwingt der Membranabschnitt 122 und erzeugt dabei Ultraschallwellen 1. Die Ultraschallwellen 1 werden aus dem ersten Durchgangsloch 113 an den Außenraum abgestrahlt.
In einem Fall, in dem Schallwellen, wie zum Beispiel Ultraschallwellen, durch das piezoelektrische Bauelement 100 empfangen werden, laufen die Ultraschallwellen von dem Außenraum durch das erste Durchgangsloch 113 und erreichen den Membranabschnitt 122, wodurch der Membranabschnitt 122 zum Schwingen gebracht wird. So wird die piezoelektrische Schicht 122a getrieben. Ein Potenzialunterschied wird zwischen der oberen Elektrodenschicht 122b und der unteren Elektrodenschicht 122c erzeugt, die die getriebene piezoelektrische Schicht 122a von beiden Seiten sandwichartig umgeben. Dieser Potenzialunterschied kann durch die Mehrzahl zweiter Elektroden 142 erfasst werden, die elektrisch mit sowohl der oberen Elektrodenschicht 122b als auch der unteren Elektrodenschicht 122c verbunden sind. Auf diese Weise kann das piezoelektrische Bauelement 100 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel Ultraschallwellen empfangen.
Als nächstes wird ein Ultraschallwandler gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung beschrieben. 4 ist eine Schnittansicht, die eine Ausbildung eines Ultraschallwandlers gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung darstellt.
Wie in 4 dargestellt ist, umfasst ein Ultraschallwandler 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung ein Befestigungssubstrat 11, das piezoelektrische Bauelement 100, das an dem Befestigungssubstrat 11 montiert ist, und ein Gehäuse 12.
Das Befestigungssubstrat 11 ist der zweiten Hauptoberfläche 112 zugewandt. Insbesondere ist jede der Mehrzahl zweiter Elektroden 142, die sich an der zweiten Hauptoberfläche 112 befinden, elektrisch mit jeder von dritten Elektroden 111a an dem Befestigungssubstrat 11 verbunden.
Ein drittes Durchgangsloch 11c ist in dem Befestigungssubstrat 11 gebildet. Ein Endabschnitt des dritten Durchgangsloch 11c an der Seite des piezoelektrischen Bauelements 100 ist an einer Position angeordnet, die dem ersten Durchgangsloch 113 zugewandt ist. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das dritte Durchgangsloch 11c sich linear von einer Oberfläche des Befestigungssubstrats 11 an der Seite des piezoelektrischen Bauelements 100 zu einer Oberfläche desselben an der gegenüberliegenden Seite zu der Seite des piezoelektrischen Bauelements 100 erstreckend gebildet.
An der Oberfläche des Befestigungssubstrats 11 an der Seite des piezoelektrischen Bauelements 100 ist eine entsprechende Ringelektrode 11b vorgesehen, die bei Betrachtung aus der Normalrichtung so angeordnet ist, dass sie das dritte Durchgangsloch 11c umgibt. Die entsprechende Ringelektrode 11b ist elektrisch mit der Ringelektrode 144 des piezoelektrischen Bauelements 100 verbunden. Folglich ist es möglich, eine Situation zu unterdrücken, bei der die Ultraschallwellen zwischen dem piezoelektrischen Bauelement 100 und dem Befestigungssubstrat 11 nach außen durchlaufen, wenn die Ultraschallwellen zwischen dem ersten Durchgangsloch 113 und dem dritten Durchgangsloch 11c durchlaufen.
Wie in 4 dargestellt ist, bringt das Gehäuse 12 das Befestigungssubstrat 11 und das piezoelektrische Bauelement 100 unter. In 4 ist nur ein Abschnitt dargestellt, der dem Befestigungssubstrat 11 zugewandt ist. Ein viertes Durchgangsloch 12a, das dem dritten Durchgangsloch 11czugewandt ist, ist in dem Gehäuse 12 gebildet. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nimmt die Lochgröße des vierten Durchgangslochs 12a mit Erstreckung des Durchgangslochs von der Seite des Befestigungssubstrats 11 in Richtung einer Seite gegenüberliegend von der Seite des Befestigungssubstrats 11 zu.
Bei dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung liegt eine Strecke D von dem Membranabschnitt 122, durch das erste Durchgangsloch 113, das dritte Durchgangsloch 11c und das vierte Durchgangsloch 12a zu einem Endabschnitt des vierten Durchgangslochs 12a an der gegenüberliegenden Seite zu der Seite des piezoelektrischen Bauelements 100 in einem Bereich von 1,28 mm bis 4,17 mm.
Der numerische Wertebereich der Strecke D ist wie folgt festgelegt. Bei dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung ist die Strecke D derart eingestellt, dass eine Luftsäulenresonanz in einer Region von einer Endoberfläche des Membranabschnitts 122 an der Seite des Substrats 110 zu dem Endabschnitt des vierten Durchgangslochs 12a an der gegenüberliegenden Seite zu der Seite des piezoelektrischen Bauelements 100 erzeugt wird. Dies bedeutet, dass die Strecke D so eingestellt ist, dass sie die Beziehung der folgenden Gleichung (1) erfüllt. In der folgenden Gleichung (1) stellt „f“ eine Frequenz von Ultraschallwellen dar, die gesendet und empfangen werden sollen, „c“ stellt eine Schallgeschwindigkeit dar und „a“ stellt einen Durchschnittswert einer Lochgröße dar, wenn ein Teil von einem Abschnitt des Membranabschnitts 122 an der Seite des Substrats 110 zu dem Endabschnitt des vierten Durchgangslochs 12a an der gegenüberliegenden Seite zu der Seite des piezoelektrischen Bauelements 100 als einzelnes Durchgangsloch betrachtet wird. In der folgenden Gleichung (1) wird eine Öffnungsendekorrektur durchgeführt durch Addieren von (8a/3π) zu der Strecke D.
Gl. 1 $\frac{c}{4 ƒ} = D + \frac{8 a}{3 π}$
In der oben beschriebenen Gleichung (1) nimmt die einzustellende Strecke D mit zunehmender Frequenz f der Ultraschallwellen, die gesendet und empfangen werden sollen, ab und nimmt die einzustellende Strecke D mit abnehmender Frequenz f zu. Die einzustellende Strecke D nimmt mit zunehmendem Durchschnittswert a der Lochgröße ab und die einzustellende Strecke D nimmt mit abnehmendem Durchschnittswert a der Lochgröße zu.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel liegt die Frequenz f der Ultraschallwellen, die gesendet und empfangen werden, in einem Bereich von 20 kHz bis 50 kHz und liegt der Durchschnittswert a der Lochgröße in einem Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm. Wenn die Frequenz f bei dem Maximum von 50 kHz liegt und der Durchschnittswert a der Lochgröße bei dem Maximum von 0,5 mm liegt, ist die Strecke D basierend auf obiger Gleichung (1) auf 1,28 mm eingestellt. Wenn die Frequenz f bei dem Minimum von 20 kHz liegt und der Durchschnittswert a der Lochgröße bei dem Minimum von 0,1 mm liegt, ist die Strecke D basierend auf obiger Gleichung (1) auf 4,17 mm eingestellt. Entsprechend ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Strecke D auf einen Bereich von 1,28 mm bis 4,17 mm eingestellt.
Zwischen dem Befestigungssubstrat 11 und dem Gehäuse 12 ist ein Gehäuseverbindungsbauteil 13 an einer Position angeordnet, die weder das dritte Durchgangsloch 11c noch das vierte Durchgangsloch 12a blockiert. Das Gehäuseverbindungsbauteil 13 fixiert eine leitfähige Position des Befestigungssubstrats 11 in Bezug auf das Gehäuse 12. Das Gehäuseverbindungsbauteil 13 ist beispielsweise ein Abdichtmaterial oder eine Dichtung. Das Gehäuseverbindungsbauteil 13 ist so angeordnet, dass es das dritte Durchgangsloch 11c bei Betrachtung aus der Normalrichtung umgibt.
Wie oben beschrieben wurde, ist bei dem piezoelektrischen Bauelement 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung das erste Durchgangsloch 113, das sich von der ersten Hauptoberfläche 111 zu der zweiten Hauptoberfläche 112 erstreckt, in dem Substrat 110 an einer Position gebildet, die dem Membranabschnitt 122 zugewandt ist. Der Durchgangsschlitz 123 ist in dem Membranabschnitt 122 gebildet.
Durch Bilden des Durchgangsschlitzes 123 wird eine Restspannung in der piezoelektrischen Schicht 122a reduziert. Durch Reduzieren der Restspannung in der piezoelektrischen Schicht 122a kann der Membranabschnitt 122 mit relativ niedriger Frequenz schwingen. Dies macht es möglich, dass das piezoelektrische Element 120 Ultraschallwellen mit relativ niedriger Frequenz senden und empfangen kann. Folglich tritt, weil Ultraschallwellen mit relativ niedriger Frequenz eine relativ lange Wellenlänge aufweisen, eine Reduzierung der Menge an Verstärkung durch Resonanz, die durch einen Abmessungsfehler bei der Länge des ersten Durchgangslochs 113 bewirkt wird, nur unwahrscheinlich auf. Wie oben beschrieben wurde, kann bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Bildung des Durchgangsschlitzes 123 Bauelementcharakteristika des piezoelektrischen Bauelements 100 verbessern.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beinhaltet, da der Durchgangsschlitz 123 gebildet ist, der Membranabschnitt 122 die Mehrzahl von Trägern 124. Ein Ende jedes der Mehrzahl von Trägern 124 wird durch den Basisabschnitt 121 getragen.
Dies erhöht die Menge an Verformung jedes der Mehrzahl von Trägern 124 während der Schwingung des Membranabschnitts 122, wodurch es möglich gemacht wird, die Bauelementcharakteristika des piezoelektrischen Bauelements 100 weiter zu verbessern. Zusätzlich ist die Bindungskraft durch den Basisabschnitt 121 in jedem der Mehrzahl von Trägern 124 kleiner als diejenige in dem Träger, dessen beide Enden durch den Basisabschnitt 121 getragen werden. Dies macht es möglich, die Frequenz der Ultraschallwellen, die das piezoelektrische Element 100 senden und empfangen kann, weiter zu senken.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind der Deckel 130 und das Substrat 110 durch den Bindeabschnitt 132 mit Flüssigkeitsdichtheit aneinander gebunden.
Dies macht es möglich, eine Situation zu unterdrücken, bei der die Ultraschallwellen, die durch die Schwingung des Membranabschnitts 122 gesendet und empfangen werden, zwischen dem Deckel 130 und dem Substrat 110 durchlaufen. Folglich ist es möglich, eine Situation zu unterdrücken, bei der der Träger nahe an dem Abschnitt, durch den die Ultraschallwellen laufen dürfen, und der Träger, der separat von dem obigen Abschnitt angeordnet ist, mit voneinander unterschiedlichen Verformungsmengen und mit zueinander unterschiedlichen Frequenzen schwingen.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Grenze X zwischen dem Membranabschnitt 122 und dem Basisabschnitt 121 bei Betrachtung aus der Normalrichtung an einem Außenseitenabschnitt relativ zu dem ersten Durchgangsloch 113 angeordnet.
Hiermit ist es, da die gesamte Endoberfläche des Basisabschnitts 121 an die erste Hauptoberfläche 111 des Substrats 110 gebunden ist, möglich, weiterhin eine Situation zu unterdrücken, bei der die Ultraschallwellen 1 zwischen dem Basisabschnitt 121 und dem Substrat 110 durchlaufen. Zusätzlich kann das piezoelektrische Element 120 fester an dem Substrat 110 fixiert sein.
Das piezoelektrische Bauelement 100 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst ferner die Ringelektrode 144, die so angeordnet ist, dass sie das erste Durchgangsloch 113 bei Betrachtung aus der Normalrichtung an der zweiten Hauptoberfläche 112 umgibt.
Dies macht es möglich, die Ringelektrode 144 an die entsprechende Ringelektrode 11b des Befestigungssubstrats 11 zu binden, wenn das piezoelektrische Bauelement 100 an dem Befestigungssubstrat 11 montiert ist. Folglich ist es möglich, eine Situation zu unterdrücken, bei der die Ultraschallwellen zwischen dem piezoelektrischen Bauelement 100 und dem Befestigungssubstrat 11 durchlaufen.
Bei dem Ultraschallwandler 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung ist das dritte Durchgangsloch 11c in dem Befestigungssubstrat 11 gebildet. Ein Endabschnitt des dritten Durchgangslochs 11c an der Seite des piezoelektrischen Bauelements 100 befindet sich an einer Position, die dem Durchgangsloch 113 zugewandt ist.
So ist es durch Verwenden des dritten Durchgangslochs 11c des Befestigungssubstrats 11 zusätzlich zu dem ersten Durchgangsloch 113 möglich, eine Resonanz von Ultraschallwellen mit relativ langer Wellenlänge zu erzeugen, das heißt Ultraschallwellen mit einer relativ niedrigen Frequenz unter den Ultraschallwellen, die das piezoelektrische Element 120 senden und empfangen kann.
Der Ultraschallwandler 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung umfasst ferner das Gehäuse 12, das dazu ausgebildet ist, das Befestigungssubstrat 11 und das piezoelektrische Bauelement 100 unterzubringen. Das vierte Durchgangsloch 12a, das dem dritten Durchgangsloch 11c zugewandt ist, ist in dem Gehäuse 12 gebildet.
So ist es durch Verwenden des vierten Durchgangslochs 12a zusätzlich zu dem ersten Durchgangsloch 113 und dem dritten Durchgangsloch 11c möglich, eine Resonanz von Ultraschallwellen mit längerer Wellenlänge zu erzeugen, das heißt Ultraschallwellen mit einer niedrigeren Frequenz unter den Ultraschallwellen, die der Membranabschnitt 122 senden und empfangen kann.
Bei dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung liegt die Strecke von dem Membranabschnitt 122, durch das erste Durchgangsloch 113, das dritte Durchgangsloch 11c und das vierte Durchgangsloch 12a zu einem Endabschnitt des vierten Durchgangslochs 12a an der gegenüberliegenden Seite zu der Seite des piezoelektrischen Bauelements 100 in einem Bereich von 1,28 mm bis 4,17 mm.
Dies macht es möglich, die Resonanz von Ultraschallwellen mit relativ niedriger Frequenz zu erzeugen, die nicht durch nur das erste Durchgangsloch 113 in dem existierenden piezoelektrischen Bauelement erzeugt werden kann.
Als Nächstes werden piezoelektrische Bauelemente gemäß einer ersten bis vierten Modifizierung des Ausführungsbeispiels 1 der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Ausbildung eines ersten Durchgangslochs eines piezoelektrischen Bauelements gemäß jeder der ersten bis vierten Modifizierung des Ausführungsbeispiels 1 der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von derjenigen des piezoelektrischen Bauelements 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine Schnittansicht, die die Ausbildung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß der ersten Modifizierung des Ausführungsbeispiels 1 der vorliegenden Erfindung darstellt. 6 ist eine Unteransicht, die die Ausbildung des piezoelektrischen Bauelements darstellt, wenn das in 5 dargestellte piezoelektrische Bauelement aus der Richtung eines Pfeils VI betrachtet wird.
Wie in den 5 und 6 dargestellt ist, ist bei einem piezoelektrischen Bauelement 100A gemäß der ersten Modifizierung des Ausführungsbeispiels 1 der vorliegenden Erfindung eine Grenze X zwischen einem Membranabschnitt 122 und einem Basisabschnitt 121 bei Betrachtung aus der Normalrichtung an einem Innenseitenabschnitt relativ zu einer Außenform eines ersten Durchgangslochs 113A angeordnet. Bei Betrachtung aus der Normalrichtung ist ein Außenumfangsrand eines piezoelektrischen Elements 120 an einem Außenseitenabschnitt relativ zu dem ersten Durchgangsloch 113A angeordnet.
Hiermit ist es, selbst wenn ein Abmessungsfehler bei einer relativen Positionsbeziehung zwischen dem ersten Durchgangsloch 113A und dem Basisabschnitt 121 des piezoelektrischen Elements 120 auftritt, möglich, eine Situation zu unterdrücken, bei der Ultraschallwellen 1, die in dem Membranabschnitt 122 gesendet und empfangen werden, durch ein Substrat 110 blockiert werden. Bei der vorliegenden Modifizierung ist es, da der Membranabschnitt 122 eine Mehrzahl von Trägern 124 aufweist, möglich, eine Situation zu unterdrücken, bei der der oben erwähnte Abmessungsfehler auftritt und ein Teil der Ultraschallwellen 1 durch das Substrat 110 blockiert wird, so dass eine Last in nur einem Teil der Mehrzahl von Trägern 124 erhöht wird.
7 ist eine Schnittansicht, die die Ausbildung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß der zweiten Modifizierung des Ausführungsbeispiels 1 der vorliegenden Erfindung darstellt. 8 ist eine Unteransicht, die die Ausbildung des piezoelektrischen Bauelements darstellt, wenn das in 7 dargestellte piezoelektrische Bauelement aus der Richtung eines Pfeils VIII betrachtet wird.
Wie in den 7 und 8 dargestellt ist, ist bei einem piezoelektrischen Bauelement 100B gemäß der zweiten Modifizierung des Ausführungsbeispiels 1 der vorliegenden Erfindung eine Grenze X zwischen einem Membranabschnitt 122 und einem Basisabschnitt 121 bei Betrachtung aus der Normalrichtung ein erstes Durchgangsloch 113B überlappend angeordnet.
Auch bei der vorliegenden Modifizierung kann ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung, da ein Durchgangsschlitz 123 in dem Membranabschnitt 122 gebildet ist, die Frequenz von Ultraschallwellen 1, die gesendet und empfangen werden können, gesenkt werden. Wie jedoch in 7 dargestellt ist, wird, da die Grenze X zwischen dem Membranabschnitt 122 und dem Basisabschnitt 121 das erste Durchgangsloch 113B in der Normalrichtung überlappt, ein Teil der Ultraschallwellen 1 durch ein Substrat 110 blockiert.
9 ist eine Schnittansicht, die die Ausbildung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß der dritten Modifizierung des Ausführungsbeispiels 1 der vorliegenden Erfindung darstellt. 10 ist eine Unteransicht, die die Ausbildung des piezoelektrischen Bauelements darstellt, wenn das in 9 dargestellte piezoelektrische Bauelement aus der Richtung eines Pfeils X betrachtet wird.
Wie in den 9 und 10 dargestellt ist, ist bei einem piezoelektrischen Bauelement 100C gemäß der dritten Modifizierung des Ausführungsbeispiels 1 der vorliegenden Erfindung eine Mehrzahl erster Durchgangslöcher 113C als die ersten Durchgangslöcher gebildet. Bei Betrachtung aus der Normalrichtung ist die Mehrzahl erster Durchgangslöcher 113C in einer Matrixform mit gleichen Abständen in einer Region eines Substrats 110 angeordnet, die einem Membranabschnitt 122 entspricht.
Dies macht es möglich, die Lochgröße für jedes der Mehrzahl erster Durchgangslöcher 113C zu reduzieren, während die Last in jedem Teil des Membranabschnitts 122 einheitlich gemacht wird, wobei es so möglich ist, eine Situation zu unterdrücken, bei der Fremdmaterial, wie zum Beispiel Staub oder Feuchtigkeit, zwischen dem Substrat 110 und einem piezoelektrischen Element 120 eintritt.
Bei der vorliegenden Modifizierung ist bei Betrachtung aus der Normalrichtung unter der Mehrzahl erster Durchgangslöcher 113C die Mitte jedes der Mehrzahl erster Durchgangslöcher 113C an der äußersten Umfangsseite entlang einer Grenze X zwischen dem Membranabschnitt 122 und dem Basisabschnitt 121 angeordnet. Hiermit ist es, selbst wenn ein geringer Abmessungsfehler an einer Position des Membranabschnitts 122 in Bezug auf die Mehrzahl erster Durchgangslöcher 113C auftritt, möglich, eine Situation zu unterdrücken, bei der Ultraschallwellen 1, die in dem Membranabschnitt 122 gesendet und empfangen werden, durch das Substrat 110 blockiert werden. Bei der vorliegenden Modifizierung ist es, da der Membranabschnitt 122 eine Mehrzahl von Trägern 124 beinhaltet, möglich, eine Situation zu unterdrücken, bei der der oben erwähnte Abmessungsfehler auftritt und ein Teil der Ultraschallwellen durch das Substrat 110 blockiert wird, so dass eine Last in nur einem Teil der Mehrzahl von Trägern 124 erhöht wird.
11 ist eine Schnittansicht, die die Ausbildung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß der vierten Modifizierung des Ausführungsbeispiels 1 der vorliegenden Erfindung darstellt. 12 ist eine Unteransicht, die die Ausbildung des piezoelektrischen Bauelements darstellt, wenn das in 11 dargestellte piezoelektrische Bauelement aus der Richtung eines Pfeils XII betrachtet wird.
Wie in den 11 und 12 dargestellt ist, ist bei einem piezoelektrischen Bauelement 100D gemäß der vierten Modifizierung des Ausführungsbeispiels 1 der vorliegenden Erfindung eine Mehrzahl erster Durchgangslöcher 113D wie bei der Ausbildung des piezoelektrischen Bauelements gemäß der dritten Modifizierung des Ausführungsbeispiels 1 der vorliegenden Erfindung gebildet. Bei Betrachtung aus der Normalrichtung ist die Mehrzahl erster Durchgangslöcher 113D in einer Matrixform in gleichen Abständen in einer Region eines Substrats 110 angeordnet, die einem Membranabschnitt 122 entspricht. Dies macht es möglich, eine Situation zu unterdrücken, bei der, während die Last in jedem Teil des Membranabschnitts 122 einheitlich gemacht wird, Fremdmaterial, wie zum Beispiel Staub oder Feuchtigkeit, zwischen dem Substrat 110 und einem piezoelektrischen Element 120 eintreten kann.
Es wird darauf hingewiesen, dass bei der vierten Modifizierung des Ausführungsbeispiels 1 der vorliegenden Erfindung unter der Mehrzahl erster Durchgangslöcher 113D einige der Mehrzahl erster Durchgangslöcher 113D an der äußersten Umfangsseite bei Betrachtung aus der Normalrichtung an einem Innenseitenabschnitt relativ zu einer Grenze X zwischen dem Membranabschnitt 122 und einem Basisabschnitt 121 angeordnet sind.
Als Nächstes wird ein piezoelektrisches Bauelement gemäß einer fünften Modifizierung des Ausführungsbeispiels 1 der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Ausbildung eines Membranabschnitts eines piezoelektrischen Elements eines piezoelektrischen Bauelements gemäß der fünften Modifizierung der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von derjenigen des piezoelektrischen Bauelements 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung.
13 ist eine Draufsicht, die ein piezoelektrisches Element bei der fünften Modifizierung des Ausführungsbeispiels 1 der vorliegenden Erfindung darstellt. In 13 ist ein piezoelektrisches Element bei Betrachtung aus der gleichen Richtung wie in 2 dargestellt.
Wie in 13 dargestellt ist, weist bei einem piezoelektrischen Element 120E bei der fünften Modifizierung des Ausführungsbeispiels 1 der vorliegenden Erfindung ein Membranabschnitt 122E bei Betrachtung aus der Normalrichtung eine Kreisaußenform auf. Bei der vorliegenden Modifizierung ist eine Mehrzahl von Durchgangsschlitzen 123E in dem Membranabschnitt 122E gebildet. Die Mehrzahl von Durchgangsschlitzen 123E ist so gebildet, dass sie bei Betrachtung aus der Normalrichtung in gleichen Abständen in einer Umfangsrichtung um die Mitte des Membranabschnitts 122E ausgerichtet ist. Jeder der Mehrzahl von Durchgangsschlitzen 123E erstreckt sich von einer Grenze X zwischen einem Basisabschnitt 121 und dem Membranabschnitt 122E in Richtung der Mitte des Membranabschnitts 122E. So ist bei der vorliegenden Modifizierung eine kreisförmige Platte 127E in der Mitte des Membranabschnitts 122E gebildet.
Bei der vorliegenden Modifizierung wird jeder einer Mehrzahl von Trägern 124E durch den Basisabschnitt 121 an einem Ende desselben getragen und ist an dem anderen Ende desselben mit der Platte 127E verbunden. Ähnlich wie bei dem piezoelektrischen Bauelement 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung kann auch bei der vorliegenden Modifizierung das piezoelektrische Element 120 Ultraschallwellen mit relativ niedriger Frequenz durch die Platte 127E senden und empfangen, die zusammen mit der Mehrzahl von Trägern 124E schwingt.
Als Nächstes wird ein Ultraschallwandler gemäß einer sechsten Modifizierung des Ausführungsbeispiels 1 der vorliegenden Erfindung beschrieben. Ein Ultraschallwandler gemäß der sechsten Modifizierung des Ausführungsbeispiels 1 der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von dem Ultraschallwandler gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung in der Ausbildung eines dritten Durchgangslochs.
14 ist eine Schnittansicht, die die Ausbildung eines Ultraschallwandlers gemäß der sechsten Modifizierung des Ausführungsbeispiels 1 der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie in 14 dargestellt ist, ist bei einem Ultraschallwandler 10F gemäß der sechsten Modifizierung des Ausführungsbeispiels 1 der vorliegenden Erfindung ein drittes Durchgangsloch 11cF so gebildet, dass es sich von einer Oberfläche eines Befestigungssubstrats 11 an der Seite eines piezoelektrischen Bauelements 100 durch einen gebogenen Weg zu einer Oberfläche desselben an der gegenüberliegenden Seite zu der Seite des piezoelektrischen Bauelements 100 erstreckt. Dies macht es möglich, eine Strecke D von einem Membranabschnitt 122, durch eine erstes Durchgangsloch 113, das dritte Durchgangsloch 11cF und ein viertes Durchgangsloch 12a zu einem Endabschnitt des vierten Durchgangslochs 12a an der gegenüberliegenden Seite zu der Seite des piezoelektrischen Bauelements 100 zu verlängern, während die Dicke des Befestigungssubstrats 11 gedünnt ist.
(Ausführungsbeispiel 2)
Im Folgenden wird ein piezoelektrisches Bauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung beschrieben. Ein piezoelektrisches Bauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von dem piezoelektrischen Bauelement 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung hauptsächlich in der Ausbildung eines Deckels. Deshalb wird die Beschreibung der Ausbildung, die derjenigen des piezoelektrischen Bauelements 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung ähnelt, nicht wiederholt.
15 ist eine Schnittansicht, die die Ausbildung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung darstellt. 16 ist eine Draufsicht, wenn das in 15 dargestellte piezoelektrische Bauelement aus der Richtung eines Pfeils XVI betrachtet wird.
Wie in den 15 und 16 dargestellt ist, umfasst bei einem piezoelektrischen Bauelement 200 gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung ein Deckel 230 einen Rahmenabschnitt 233 und eine Bodenplatte 234.
Der Rahmenabschnitt 233 weist bei Betrachtung aus der Normalrichtung eine Rechteck-Ring-Außenform auf. Die Dicke eines Rahmens des Rahmenabschnitts 233 liegt beispielsweise in einem Bereich von 0,5 mm bis 1,0 mm. Eine Mehrzahl vierter Elektroden 246 ist an einer Oberfläche des Rahmenabschnitts 233 an der Seite eines Substrats 110 angeordnet. Eine Mehrzahl fünfter Elektroden 247 ist an einer Oberfläche des Rahmenabschnitts 233 an der gegenüberliegenden Seite zu der Seite des Substrats 110 angeordnet. Die vierte Elektrode 246 und die fünfte Elektrode 247 sind elektrisch durch eine zweite Weiterleitdurchgangslochelektrode 248b miteinander verbunden. Die zweite Weiterleitdurchgangslochelektrode 248b ist so angeordnet, dass sie von einer Oberfläche des Rahmenabschnitts 233 an der Seite des Substrats 110 zu einer Oberfläche an der gegenüberliegenden Seite zu der Seite des Substrats 110 durchläuft.
Jede der Mehrzahl vierter Elektroden 246 kann bei Betrachtung aus der Normalrichtung in Ringform über den gesamten Umfang des Rahmenabschnitts 233 gebildet sein. Hier kann jede der Mehrzahl vierter Elektroden 246 durch Löten oder Schweißen an das Substrat 110 gebunden sein. So können der Innenraum an der Seite eines piezoelektrischen Elements 120 und der Außenraum an der gegenüberliegenden Seite zu dem Innenraum relativ zu der vierten Elektrode 246 im Wesentlichen akustisch voneinander getrennt sein.
Der Rahmenabschnitt 233 kann aus einem Substrat ausgebildet sein, das als das Substrat 110 verwendet werden kann. In einem Fall, in dem der Rahmenabschnitt 233 aus einem Substrat ausgebildet ist, das aus einem Keramikmaterial hergestellt ist, ist der Rahmenabschnitt 233 gebildet durch Verarbeiten des Keramikmaterials, bevor dasselbe gebrannt wird, in eine erwünschte Form und darauffolgendes Brennen des Keramikmaterials.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind der Rahmenabschnitt 233 und das Substrat 110 durch einen Bindeabschnitt 232 mit Flüssigkeitsdichtheit aneinander gebunden.
Die vierte Elektrode 246 ist mit jeder einer Mehrzahl erster Elektroden 141 elektrisch verbunden. Insbesondere ist jede der Mehrzahl erster Elektroden 141 elektrisch mit einer Innenelektrode 245, die sich im inneren des Substrats 110 befindet, durch eine Durchgangslochelektrode 143 verbunden. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel reicht die Durchgangselektrode 143 nicht bis zu einer zweiten Hauptoberfläche 112. Die Innenelektrode 245 ist elektrisch durch eine erste Weiterleitdurchgangslochelektrode 248a mit der vierten Elektrode 246 verbunden. Die vierte Elektrode 246 und die erste Weiterleitdurchgangslochelektrode 248a sind mit einem leitfähigen Haftmittel oder Lötmittel aneinander gebunden.
Die Bodenplatte 234 ist ein plattenförmiges Bauteil. Die Bodenplatte 234 weist bei Betrachtung aus der Normalrichtung im Wesentlichen die gleiche Außenform wie diejenige des Substrats 110 auf, außer dass die Bodenplatte 234 kein Durchgangsloch aufweist. Die Dicke der Bodenplatte 234 liegt beispielsweise in einem Bereich von 0,1 mm bis 0,3 mm.
Eine Mehrzahl zweiter Elektroden 242 ist voneinander beabstandet an einer Oberfläche der Bodenplatte 234 an der gegenüberliegenden Seite zu der Seite des Substrats 110 angeordnet. Dies bedeutet, dass bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sich die Mehrzahl zweiter Elektroden nicht an einer zweiten Hauptoberfläche 112 befindet. Jede der Mehrzahl zweiter Elektroden 142 und jede der Mehrzahl fünfter Elektroden 247 an dem Rahmenabschnitt 233 ist elektrisch durch eine dritte Weiterleitdurchgangslochelektrode 248c miteinander verbunden. Die dritte Weiterleitdurchgangslochelektrode 248c ist so angeordnet, dass sie von einer Oberfläche der Bodenplatte 234 an der Seite des Substrats 110 zu einer Oberfläche an der gegenüberliegenden Seite zu der Seite des Substrats 110 durchläuft. Die dritte Weiterleitdurchgangslochelektrode 248c und jede der fünften Elektroden 247 sind mit einem leitfähigen Haftmittel oder Lötmittel aneinander gebunden.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind der Rahmenabschnitt 233 und die Bodenplatte 234 durch einen dazwischenliegenden Bindeabschnitt 235 mit Flüssigkeitsdichtheit aneinander gebunden. Als dazwischenliegender Bindeabschnitt 235 kann ein bekanntes Haftmittel der verwandten Technik verwendet werden.
Die fünfte Elektrode 247 kann bei Betrachtung aus der Normalrichtung in Ringform über den gesamten Umfang des Rahmenabschnitts 233 gebildet sein. Hier kann die fünfte Elektrode 247 durch Löten oder Schweißen an die Bodenplatte 234 gebunden sein. So können der Innenraum an der Seite des piezoelektrischen Elements 120 und der Außenraum an der gegenüberliegenden Seite zu dem Innenraum relativ zu der fünften Elektrode 247 im Wesentlichen akustisch voneinander getrennt sein.
Anders ausgedrückt ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel durch Anlegen einer Spannung an jede der Mehrzahl zweiter Elektroden 142 eine Spannung zwischen einer oberen Elektrodenschicht 122b und einer unteren Elektrodenschicht 122c über die dritte Weiterleitdurchgangslochelektrode 248c, die fünfte Elektrode 247, die zweite Weiterleitdurchgangslochelektrode 248b, die vierte Elektrode 246, die erste Weiterleitdurchgangslochelektrode 248a, die Innenelektrode 245, die Durchgangslochelektrode 143 und die erste Elektrode 141 angelegt. Ein Potenzialunterschied, der zwischen der oberen Elektrodenschicht 122b und der unteren Elektrodenschicht 122c erzeugt wird, kann durch die Mehrzahl zweiter Elektroden 142 über die Mehrzahl von Elektroden und Mehrzahl von Durchgangslochelektroden erfasst werden, wie oben erläutert wurde.
Als Nächstes wird ein Verfahren zum Montieren des piezoelektrischen Bauelements 200 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel an einem Befestigungssubstrat beschrieben. Wenn das piezoelektrische Bauelement 200 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel an dem Befestigungssubstrat montiert ist, wird eine Oberflächenbefestigungsmaschine mit Ansaughülse verwendet. 17 ist eine Schnittansicht, die einen Zustand darstellt, bei dem eine Ansaughülse das piezoelektrische Bauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung hält.
Wie in 17 dargestellt ist, wird durch Einstellen eines Ansauglochs 3, das im Inneren einer Ansaughülse 2 gebildet ist, auf einen Unterdruck das piezoelektrische Bauelement 200 in einem Zustand gehalten, in dem es durch die Ansaughülse 2 angesaugt wird. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel saugt die Ansaughülse 2, um die zweite Elektrode 242 an eine Elektrode des Befestigungssubstrats zu binden, die zweite Hauptoberfläche 112 des Substrats 110 an.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel können, da die zweite Hauptoberfläche 112 des Substrats 110 durch die Ansaughülse 2 angesaugt wird, ein erstes Durchgangsloch 113 und das Ansaugloch 3 so angeordnet sein, dass sie einander in der Normalrichtung überlappen. Hiermit wird der Druck in einem Raum, der durch das Substrat 110 und das piezoelektrische Element 120 umgeben ist, in Bezug auf den Druck des Außenraums des piezoelektrischen Bauelements 200 negativ.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird, da ein Durchgangsschlitz 123 in einem Membranabschnitt 122 vorgesehen ist, Luft 4, die sich in einem Raum an der Seite des Deckels 230 relativ zu dem Membranabschnitt 122 befindet, ebenso herausgesaugt, wodurch der Druck des Raums an der Seite des Deckels 230 relativ zu dem Membranabschnitt 122 ebenso in Bezug auf den Druck des Außenraums des piezoelektrischen Bauelements 200 negativ wird. Dies bedeutet, dass eine Druckdifferenz zwischen dem Raum, der durch das Substrat 110 und das piezoelektrische Element 120 umgeben ist, und dem Raum an der Seite des Deckels 230 relativ zu dem Membranabschnitt 122 durch den Durchgangsschlitz 123 reduziert wird. Dies macht es möglich, eine Situation zu unterdrücken, bei der der Membranabschnitt 122 verformt wird und bricht.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird, da jeder einer Mehrzahl von Trägern 124 an einem Ende desselben getragen wird, wenn ein Druckunterschied zwischen den oben erwähnten beiden Räumen auftritt, das andere Ende jedes der Mehrzahl von Trägern 124 so verformt, dass es sich in der Normalrichtung verwölbt. Da jeder der Mehrzahl von Trägern 124 verformt wird, wird die Breite des Durchgangsschlitzes 123 verbreitert, wodurch es möglich gemacht wird, eine Situation zu unterdrücken, bei der der obige Druckunterschied größer oder gleich einem Sollwert wird.
Als Nächstes werden piezoelektrische Bauelemente gemäß einer ersten und einer zweiten Modifizierung des Ausführungsbeispiels 2 der vorliegenden Erfindung beschrieben. Piezoelektrische Bauelemente gemäß der ersten und der zweiten Modifizierung der vorliegenden Erfindung unterscheiden sich von dem piezoelektrischen Bauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung durch einen Punkt, dass ein Durchgangsloch in einem Substrat gebildet ist, das sich von einem ersten Durchgangsloch unterscheidet.
18 ist eine Schnittansicht, die die Ausbildung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß der ersten Modifizierung des Ausführungsbeispiels 2 der vorliegenden Erfindung darstellt. 19 ist eine Ansicht, die einen Zustand darstellt, bei dem eine Ansaughülse ein piezoelektrisches Bauelement gemäß der ersten Modifizierung des Ausführungsbeispiels 2 der vorliegenden Erfindung hält.
Wie in den 18 und 19 dargestellt ist, ist in einem piezoelektrischen Bauelement 200A gemäß der ersten Modifizierung des Ausführungsbeispiels 2 der vorliegenden Erfindung ein zweites Durchgangsloch 214A, das sich von einer ersten Hauptoberfläche 111 zu einer zweiten Hauptoberfläche 112 erstreckt, bei Betrachtung aus der Normalrichtung in einem Substrat 110 an einer Position eines Außenseitenabschnitts eines piezoelektrischen Elements 120 und eines Innenseitenabschnitts eines Bindeabschnitts 232 mit einem Deckel 230 gebildet.
Bei der vorliegenden Modifizierung kann, da ein erstes Durchgangsloch 113 und das zweite Durchgangsloch 214A gebildet sind, die Luft auch durch das zweite Durchgangsloch 214A laufen, wenn das Bauelement durch eine Ansaughülse 2 gehalten wird. Dies macht es möglich, einen Druckunterschied zwischen einem Raum, der durch den Deckel 230, das piezoelektrische Element 120 und das Substrat 110 umgeben ist, und einem Raum, der nur durch das Substrat 110 und das piezoelektrische Element 120 umgeben ist, weiter zu reduzieren. Folglich kann eine Verformung eines Membranabschnitts 122 weiter unterdrückt werden.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann das zweite Durchgangsloch 214A auch als ein Loch verwendet werden, das ein Durchlaufen von Ultraschallwellen durch dasselbe ermöglicht. Hier kann das piezoelektrische Bauelement 200A derart ausgebildet sein, dass eine Helmholtz-Resonanz von Ultraschallwellen, die durch das zweite Durchgangsloch 214A gesendet und empfangen werden, in einem Raum an der Seite des Deckels 230 relativ zu dem piezoelektrischen Element 120 bewirkt wird. Insbesondere sind eine Länge L des zweiten Durchgangslochs 214A, eine Öffnungsfläche S des zweiten Durchgangslochs 214A und ein Volumen V eines Raums, der durch das Substrat 110, das piezoelektrische Element 120 und den Deckel 230 umgeben ist, so angepasst, dass der Wert einer Resonanzfrequenz f, die durch die folgende Gleichung (2) ausgedrückt ist, sich einer Frequenz der Ultraschallwellen annähert, die durch die piezoelektrischen Elemente 120 gesendet und empfangen werden. In folgender Gleichung (2) stellt c eine Schallgeschwindigkeit dar und stellt ΔL die Länge einer Öffnungsendekorrektur des zweiten Durchgangslochs 214A dar.
GI. 2 $ƒ = \frac{c}{2 π} \sqrt{\frac{S}{V (L + Δ L)}}$
20 ist eine Schnittansicht, die die Ausbildung eines piezoelektrischen Bauelements gemäß der zweiten Modifizierung des Ausführungsbeispiels 2 der vorliegenden Erfindung darstellt.
Wie in 20 dargestellt ist, ist bei einem piezoelektrischen Bauelement 200B gemäß der zweiten Modifizierung des Ausführungsbeispiels 2 der vorliegenden Erfindung eine Mehrzahl erster Durchgangslöcher 213B als die ersten Durchgangslöcher gebildet und ist eine Mehrzahl zweiter Durchgangslöcher 214B als die zweiten Durchgangslöcher in einem Substrat 110 gebildet.
Dies macht es möglich, eine Situation zu unterdrücken, bei der der Druck lokal in sowohl einem Raum, der durch einen Deckel 230, ein piezoelektrisches Element 120 und das Substrat 110 umgeben ist, als auch einem Raum ansteigt, der nur durch das Substrat 110 und das piezoelektrische Element 120 umgeben ist, wenn das Bauelement durch die Ansaughülse 2 gehalten wird. Zusätzlich ist es, da die Lochgröße jedes der Mehrzahl erster Durchgangslöcher 213B und der Mehrzahl zweiter Durchgangslöcher 214B reduziert werden kann, möglich, eine Situation zu unterdrücken, bei der Fremdmaterial in jeden der obigen beiden Räume gelangt.
Bei der Beschreibung der vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiele können die Ausbildungen, die miteinander kombiniert werden dürfen, miteinander kombiniert werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass die hierin offenbarten Ausführungsbeispiele in allen Belangen veranschaulichend und nicht einschränkend sind. Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist nicht durch die obige Beschreibung definiert, sondern durch die Ansprüche, und soll alle Modifizierungen innerhalb der Bedeutung und des Schutzbereichs beinhalten, die äquivalent zu den Ansprüchen sind.
Bezugszeichenliste

1: ULTRASCHALLWELLEN
2: ANSAUGHÜLSE
3: ANSAUGLOCH
4: LUFT
10, 10F: ULTRASCHALLWANDLER
11: BEFESTIGUNGSSUBSTRAT
11a: DRITTE ELEKTRODE
11b: ENTSPRECHENDE RINGELEKTRODE
11c, 11cF: DRITTES DURCHGANGSLOCH
12: GEHÄUSE
12a: VIERTES DURCHGANGSLOCH
13: GEHÄUSEVERBINDUNGSBAUTEIL
100, 100A, 100B, 100C, 100D, 200, 200A, 200B: PIEZOELEKTRISCHES BAUELEMENT
110: SUBSTRAT
111: ERSTE HAUPTOBERFLÄCHE
112: ZWEITE HAUPTOBERFLÄCHE
113, 113A, 113B, 113C, 113D, 213B: ERSTES DURCHGANGSLOCH
120, 120E: PIEZOELEKTRISCHES ELEMENT
121: BASISABSCHNITT
121a: STÜTZSCHICHT
121b: KASTENSCHICHT
122, 122E: MEMBRANABSCHNITT
122a: PIEZOELEKTRIRSCHE SCHICHT
122b: OBERE ELEKTRODENSCHICHT
122c: UNTERE ELEKTRODENSCHICHT
122d: ZWISCHENSCHICHT
122e: AKTIVE SCHICHT
123, 123E: DURCHGANGSSCHLITZ
124, 124E: TRÄGER
125: ANSCHLUSSFLÄCHENELEKTRODE
126: VERBINDUNGSVERDRAHTUNG
127E: PLATTE
129: PIEZOELKETRISCHES-ELEMENT-BINDEABSCHNITT
130, 230: DECKEL
131: GEHÄUSEABSCHNITT
132, 232: BINDEABSCHNITT
141: ERSTE ELEKTRODE
142, 242: ZWEITE ELEKTRODE
143: DURCHGANGSLOCHELEKTRODE
144: RINGELEKTRODE
150: BONDDRAHT
214A, 214B: ZWEITES DURCHGANGSLOCH
233: RAHMENABSCHNITT
234: BODENPLATTE
235: ZWISCHENBINDEABSCHNITT
245: INNENELEKTRODE
246: VIERTE ELEKTRODE
247: FÜNFTE ELEKTRODE
248a: ERSTE WEITERLEITDURCHGANGSLOCHELEKTRODE
248b: ZWEITE WEITERLEITDURCHGANGSLOCHELEKTRODE
248c: DRITTE WEITERLEITDURCHGANGSLOCHELEKTRODE

Claims

Ein piezoelektrisches Bauelement, das folgende Merkmale aufweist: ein Substrat mit einer ersten Hauptoberfläche und einer zweiten Hauptoberfläche, die sich an einer gegenüberliegenden Seite zu der ersten Hauptoberfläche befindet; ein piezoelektrisches Element, das an der ersten Hauptoberfläche angeordnet ist; und einen Deckel, der an der ersten Hauptoberfläche angeordnet ist und das piezoelektrische Element in einem Zustand bedeckt, in dem er von dem piezoelektrischen Element an der Seite der ersten Hauptoberfläche beabstandet ist, wobei das piezoelektrische Element an der ersten Hauptoberfläche angeordnet ist und einen Basisabschnitt, der bei Betrachtung aus einer Normalrichtung der ersten Hauptoberfläche eine Ringaußenform aufweist, und einen Membranabschnitt aufweist, der sich bei Betrachtung aus der Normalrichtung an einem Innenseitenabschnitt des Basisabschnitts befindet, ein erstes Durchgangsloch, das sich von der ersten Hauptoberfläche zu der zweiten Hauptoberfläche erstreckt, an einer Position in dem Substrat gebildet ist, die dem Membranabschnitt zugewandt ist, und ein Durchgangsschlitz in dem Membranabschnitt gebildet ist.
Das piezoelektrische Bauelement gemäß Anspruch 1, bei dem der Membranabschnitt eine Mehrzahl von Trägern durch den gebildeten Durchgangsschlitz aufweist und ein Ende jedes der Mehrzahl von Trägern durch den Basisabschnitt getragen wird.
Das piezoelektrische Bauelement gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der Deckel und das Substrat durch einen Bindeabschnitt mit Flüssigkeitsdichtheit aneinander gebunden sind.
Das piezoelektrische Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem eine Grenze zwischen dem Membranabschnitt und dem Basisabschnitt bei Betrachtung aus der Normalrichtung an einem Außenseitenabschnitt relativ zu dem ersten Durchgangsloch angeordnet ist.
Das piezoelektrische Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem eine Grenze zwischen dem Membranabschnitt und dem Basisabschnitt bei Betrachtung aus der Normalrichtung an einem Innenseitenabschnitt relativ zu einer Außenform des ersten Durchgangslochs angeordnet ist und ein Außenumfangsrand des piezoelektrischen Elements bei Betrachtung aus der Normalrichtung an einem Außenseitenabschnitt relativ zu dem ersten Durchgangsloch angeordnet ist.
Das piezoelektrische Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem eine Mehrzahl erster Durchgangslöcher als die ersten Durchgangslöcher gebildet ist und die Mehrzahl erster Durchgangslöcher bei Betrachtung aus der Normalrichtung in Matrixform in gleichen Abständen in einer Region des Substrats angeordnet ist, die dem Membranabschnitt entspricht.
Das piezoelektrische Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, das ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Ringelektrode, die so angeordnet ist, dass sie bei Betrachtung aus der Normalrichtung das erste Durchgangsloch an der zweiten Hauptoberfläche umgibt.
Das piezoelektrische Bauelement gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem ein zweites Durchgangsloch, das sich von der ersten Hauptoberfläche zu der zweiten Hauptoberfläche erstreckt, bei Betrachtung aus der Normalrichtung in dem Substrat an einer Position eines Außenseitenabschnitts des piezoelektrischen Elements und eines Innenseitenabschnitts eines Bindeabschnitts mit dem Deckel gebildet ist.
Das piezoelektrische Bauelement gemäß Anspruch 8, bei dem in dem Substrat eine Mehrzahl erster Durchgangslöcher als die ersten Durchgangslöcher gebildet ist und eine Mehrzahl zweiter Durchgangslöcher als die zweiten Durchgangslöcher gebildet ist.
Ein Ultraschallwandler, der folgende Merkmale aufweist: ein Befestigungssubstrat; und ein piezoelektrisches Bauelement, das an dem Befestigungssubstrat montiert ist, wobei das piezoelektrische Bauelement folgende Merkmale aufweist: ein Substrat mit einer ersten Hauptoberfläche und einer zweiten Hauptoberfläche, die sich an einer gegenüberliegenden Seite zu der ersten Hauptoberfläche befindet; ein piezoelektrisches Element, das an der ersten Hauptoberfläche angeordnet ist; und einen Deckel, der an der ersten Hauptoberfläche angeordnet ist und das piezoelektrische Element in einem Zustand bedeckt, in dem er von dem piezoelektrischen Element an der Seite der ersten Hauptoberfläche beabstandet ist, wobei das piezoelektrische Element an der ersten Hauptoberfläche angeordnet ist und einen Basisabschnitt, der bei Betrachtung aus einer Normalrichtung der ersten Hauptoberfläche eine Ringaußenform aufweist, und einen Membranabschnitt aufweist, der sich bei Betrachtung aus der Normalrichtung an einem Innenseitenabschnitt des Basisabschnitts befindet, ein erstes Durchgangsloch, das sich von der ersten Hauptoberfläche zu der zweiten Hauptoberfläche erstreckt, an einer Position in dem Substrat gebildet ist, die dem Membranabschnitt zugewandt ist, ein Durchgangsschlitz in dem Membranabschnitt gebildet ist, das Befestigungssubstrat der zweiten Hauptoberfläche zugewandt ist, ein drittes Durchgangsloch in dem Befestigungssubstrat gebildet ist und ein Endabschnitt des dritten Durchgangslochs an der Seite des piezoelektrischen Bauelements an einer Position angeordnet ist, die dem ersten Durchgangsloch zugewandt ist.
Der Ultraschallwandler gemäß Anspruch 10, der ferner folgendes Merkmal aufweist: ein Gehäuse, das dazu ausgebildet ist, das Befestigungssubstrat und das piezoelektrische Bauelement aufzunehmen, wobei ein viertes Durchgangsloch, das dem dritten Durchgangsloch zugewandt ist, in dem Gehäuse gebildet ist.
Der Ultraschallwandler gemäß Anspruch 11, bei dem eine Strecke von dem Membranabschnitt, durch das erste Durchgangsloch, das dritte Durchgangsloch und das vierte Durchgangsloch zu einem Endabschnitt des vierten Durchgangslochs an der gegenüberliegenden Seite zu der Seite des piezoelektrischen Bauelements in einem Bereich von 1,28 mm bis 4,17 mm liegt.