JP2019110179A - 圧電フィルム、圧電モジュール、及び圧電フィルムの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
しかしながら、厚み振動は、共振周波数が圧電膜の膜厚で決まり、低周波になるほど膜厚を厚くする必要がある。この場合、低周波の超音波を出力するために圧電膜の厚み寸法を大きくすると、圧電膜の剛性も高くなり、圧電フィルムの可撓性が阻害されるとの課題があった。
また、撓み振動により超音波を出力する場合、振動板のうちの振動させる領域を、剛性を有する支持体で囲んでキャビティを形成する必要がある。よって、支持体が必要とされる構成となるので、圧電フィルムの可撓性が阻害されるとの課題があった。
すなわち、圧電特性及び耐熱性が高く、可撓性にも優れた圧電フィルムを提供できる。
本適用例では、3つ以上の圧電素子が第一方向に沿って等間隔で配置される。上述したように、本適用例の圧電フィルムでは、各圧電素子に対して駆動信号を入力すると、隣り合う圧電素子間の振動領域が腹となって振動して超音波を出力する。したがって、3つ以上の圧電素子が等間隔で配置されることで、各振動領域から同一周波数の超音波が出力されることになり、高い音圧の所定周波数の超音波を送信することができる。
上述のような圧電フィルムにおいて出力される超音波は、振動領域の短軸方向の寸法によって周波数が決定される。本実施形態では、第一方向に沿って配置される各圧電素子間の振動領域の第一方向に沿った寸法と、第二方向に沿って配置される各圧電素子間の振動領域の第二方向に沿った寸法が、同一寸法(第一寸法)となる。したがって、各振動領域から、第一寸法に対応する同じ周波数の超音波が出力されることになり、所定周波数の超音波を高出力で出力できる。
本適用例では、基板が樹脂製の第一基板と、酸化膜からなる第二基板とからなり、第二基板と圧電素子との合計厚み寸法が5μm以下となる。このような構造では、圧電フィルムがより撓み易くなり、可撓性の更なる向上を図れる。
本適用例において、圧電フィルムから超音波を出力する場合、上述したように、各圧電素子に同時に所定の駆動信号を入力して振動領域を振動させる。ここで、本適用例では、各圧電素子の第一電極膜同士がそれぞれ接続されており、第二電極膜同士がそれぞれ接続されている。したがって、各圧電素子のそれぞれの第一電極膜及び第二電極膜に対して信号線を接続する必要がなく、配線構造を簡略化することができる。
本適用例では、上述したように、圧電特性及び耐熱性が高く、可撓性にも優れた圧電フィルムを提供できる。また、制御部により当該圧電フィルムを制御することで、対象物に対して高い音圧で超音波を送信することができる。
圧電フィルムとして、各圧電素子の第一電極膜、第二電極膜が、それぞれ独立した信号線や端子部を備える構成としてもよく、この場合、制御部から、各端子部に対して同時に同一の駆動信号を入力する。これにより、上述したように、圧電素子を節、振動領域を腹とした振動モードが励起され、所定周波数の超音波を出力することが可能となる。
本適用例では、第一工程によって、第一基台上に、第一方向に沿って第一寸法の間隔で配置される圧電素子が形成される。そして、第二工程によりレジストを形成することで、各圧電素子がレジストに保持されることになり、第三工程により第二基台をレジストに接着することで、第四工程で、第一基台が除去された場合でも、第二基台及びレジストによって圧電素子の位置が維持される構成が形成される。そして、第五工程において、第一基台が除去された部分に可撓性の基板を形成することで、当該基板に圧電素子が保持される構成となる。よって、第六工程で、レジストを除去して第二基台を剥離させることで、可撓性の基板上に、第一方向に沿って等間隔で複数の圧電素子が配置される上述したような圧電フィルムを製造することが可能となる。
図1は、本実施形態の圧電モジュール1の概略構成を示す図である。
図1に示すように、本実施形態の圧電モジュール1は、圧電フィルム2と、圧電フィルム2の駆動を制御する制御部3とを備えている。
圧電フィルム2は、対象物10に取り付けて使用されるものであり、対象物10の形状に合わせて変形可能である。対象物10が配管等の円筒状の場合、圧電フィルム2を対象物10に巻装させることが可能となる。そして、制御部3により圧電フィルム2を制御することで、圧電フィルム2から対象物10に対して超音波を送信することができる。この圧電モジュール1を用いて、超音波の送受信を利用した対象物の内部検査、内部断層像の形成等の各種処理を実施することが可能となる。
図2は、圧電モジュール1を構成する圧電フィルム2の概略構成を示す平面図である。図3は、図2の圧電フィルム2をA−A線で切断した際の圧電フィルム2の断面図、図4は、図2の圧電フィルム2をB−B線で切断した際の圧電フィルム2の断面図、図5は、圧電フィルム2をC−C線で切断した際の圧電フィルム2の断面図である。なお、図2では、説明の便宜上、圧電素子22の配置数を減らして表示しているが、実際には、より多くの圧電素子22が配置されている。
圧電フィルム2は、図2に示すように、可撓性の基板21と、基板21上に設けられた圧電素子22とを備えて構成されている。なお、以降の説明にあたり、基板21が振動していない状態での基板21の厚み方向をZ方向とし、Z方向に直交する方向をX方向(第一方向)とし、Z方向に直交し、かつX方向に交差(例えば直交)する方向をY(第二方向)とする。
基板21は、第一基板211及び第二基板212を含んで構成されている。
第一基板211は、例えばポリイミド等の樹脂部材により構成された樹脂製の可撓性基板である。
第二基板212は、第一基板211上に積層され金属酸化膜からなる膜部材である。本実施形態では、第二基板212は、第一基板211側からSiO2層212A、及びZrO2層212Bが積層された積層体により構成されている。
このような基板21は、可撓性を有し、対象物10の形状に合わせて湾曲させたり屈曲させたりすることができる。
駆動領域Ar1には、複数の圧電素子22が2次元アレイ構造に配置されており、制御部3の制御により駆動される領域である。外周領域Ar2は、駆動領域Ar1の外周を囲い、駆動領域Ar1を駆動(振動)させる際の固定端として機能する。また、外周領域Ar2には、駆動領域Ar1を駆動させるための駆動信号が入力される端子部221A,223Aが設けられる。
圧電素子22は、基板21の第二基板212上で、駆動領域Ar1内に複数設けられている。これらの圧電素子22は、図2に示すように、略千鳥配置で(ジグザグ状に)配置されている。すなわち、圧電素子22は、X方向に沿って所定の第一寸法wをあけて等間隔で配置されることでX方向に沿った素子列22Aを構成し、当該素子列22AがY方向に複数配置される構成となる。なお、基板21における、隣り合う圧電素子22の間の領域は、振動領域23を構成し、圧電フィルム2を駆動させた際に大きく変位する領域となる。
そして、本実施形態では、Y方向に隣り合う素子列22Aの圧電素子22が、ジグザグに配置されている。言い換えると、圧電フィルム2をY方向から見た投影視で、Y方向に対してi+1番目に配置される素子列22Aの各圧電素子22は、i番目に配置される素子列22Aの各圧電素子22と重なり合わず、i番目に配置される素子列22Aの振動領域23と重なり合ってジグザグ(略千鳥形状)となる。また、Y方向に対してi+2番目に配置される素子列22Aの各圧電素子22のX方向における配置位置は、i番目に配置される素子列22Aの各圧電素子22のX方向における配置位置と同じになる。よって、圧電フィルム2をY方向から見た投影視で、Y方向に対してi+2番目に配置される素子列22Aの各圧電素子22は、i番目に配置される素子列22Aの各圧電素子22と重なり合う。
すなわち、本実施形態では、X方向及びY方向のそれぞれの方向において、圧電素子22と振動領域23とが交互に配置される2次元アレイ構造となる。
圧電素子22は、図3及び図4に示すように、第二基板212から順に、第一電極膜221、圧電膜222、及び第二電極膜223が積層された積層体により構成されている。
第一電極膜221は、導電性素材により構成されている。導電性素材としては、例えばTi、Pt、Ta、Ir、Sr、In、Sn、Au、Al、Fe、Cr、Ni、Cu等の金属、又はランタンニッケル酸化物(LNO)等に代表される導電性酸化物、これらの材料の1種のみ、又はこれらの2種以上を混合又は積層したものを用いることができる。本実施形態では、Pt、Ti、Ir、Tiの積層体により第一電極膜221が構成されている。
よって、各圧電素子22を構成する第一電極膜221は、互いに接続される構成となる。
強誘電性セラミック材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)や、これに酸化ニオブ、酸化ニッケル又は酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの、鉄酸ビスマス、チタン酸バリウム、ニオブ酸カリウムナトリウムを用いることができる。なお、本実施形態では、圧電膜222として、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を用いる。
さらに、外周領域Ar2において、圧電膜222は、駆動領域Ar1を囲って枠状に形成されている。駆動領域Ar1の最外周(外周領域Ar2との境界)に配置される圧電素子22の圧電膜222は、外周領域Ar2の圧電膜222に接続されている。
この第二電極膜223は、図2に示すように、圧電膜222と略同一位置で、圧電膜222上に形成されている。このため、第一電極膜221と第二電極膜223とは、圧電膜222を介して絶縁されている。
上述したように、駆動領域Ar1内の圧電膜222は、圧電素子22に対応してそれぞれ形成されており、斜め方向に配置された圧電膜222同士が連結されている。したがって、圧電膜222上に配置される第二電極膜223も、同様に、斜め方向に配置された第二電極膜223同士で接続される構成となる。すなわち、各圧電素子22の第二電極膜223は、互いに接続された構成となる。
具体的には、X方向に沿って隣り合う2つの圧電素子22の間の振動領域23において、当該2つの圧電素子22からの距離が等距離となる位置、つまり、振動領域23におけるX方向の中心に、Y方向に沿って延びるスリット溝231Aが設けられている。
同様に、Y方向に沿って隣り合う2つの圧電素子22の間の振動領域23において、当該2つの圧電素子22からの距離が等距離となる位置、つまり、振動領域23におけるY方向の中心に、X方向に沿って延びるスリット溝231Bが設けられている。
すなわち、各振動領域23には、当該振動領域23の中心を通る十字型のスリット溝231A,231Bが設けられている。
このスリット溝231A,231Bは、振動領域23を振動させる際に、振動領域23の変位量を大きくするために形成された溝であり、その溝深さ(Z方向の寸法)は、特に限定されない。例えば、スリット溝231A,231Bの深さ寸法は、第一電極膜221から第二基板212のZrO2層212Bまでの深さで形成されてもよく、第一基板211の一部までスリット溝231A,231Bが形成されていてもよい。また、スリット溝231A,231Bの幅寸法も特に限定されない。
制御部3は、圧電フィルム2の端子部221A,223Aに接続され、圧電フィルム2の駆動を制御する回路により構成されている。制御部3としては、圧電フィルム2の駆動ドライバー回路が組み込まれた、パーソナルコンピューター等であってもよく、圧電フィルム2の駆動を制御する専用の制御装置であってもよい。
具体的には、制御部3は、圧電フィルム2の端子部221A、223Aに対して周期駆動電圧を印加する駆動信号を出力して圧電フィルム2から対象物10に対して超音波を出力させる。また、制御部3は、圧電フィルム2で受信された超音波により各圧電素子22が変位した際の受信信号を取得して、圧電フィルム2から超音波の反射位置までの距離を測長してもよい。
次に、上記のような圧電フィルム2の端子部221A及び端子部223A間に周期駆動電圧を印加した場合の、圧電フィルム2の駆動領域Ar1に発生する振動について説明する。
図6は、圧電フィルム2の駆動領域Ar1内に生じる振動を説明するための圧電フィルム2の断面図である。
本実施形態の圧電フィルム2を駆動させて、超音波を出力する場合、端子部221A及び端子部223Aに対して周期駆動電圧を印加する。これにより、各圧電素子22の第一電極膜221及び第二電極膜223の間に同時に駆動電圧が印加されて、各圧電素子22が同時に駆動される。
図7に示すように、振動領域23の共振周波数は、隣り合う圧電素子22間の距離(つまり、振動領域23の幅寸法である第一寸法w)によって変化する。
本実施形態では、X方向に沿った圧電素子22間の距離と、Y方向に沿った圧電素子22間の距離とが、いずれも第一寸法wとなるように、等間隔で配置されている。このため、各振動領域23の共振周波数は同一となり、これによって当該共振周波数の超音波が駆動領域Ar1から出力されることになる。なお、振動領域23のX方向の幅寸法とY方向の幅寸法とがそれぞれ異なる場合、各振動領域23の共振周波数は短軸方向の幅寸法によって決定される。例えば、振動領域23のX方向の幅寸法がY方向の幅寸法よりも小さい場合、X方向の幅寸法に対応した共振周波数で振動領域23が振動し、当該共振周波数の超音波が出力される。
言い換えると、図7に示すような、共振周波数と第一寸法wとの関係データに基づいて、圧電素子22間の距離を設定することで、所望の周波数の超音波を出力可能な圧電フィルム2を得ることができる。
次に、上述したような圧電フィルム2の製造方法について説明する。
図8は、圧電フィルム2の製造方法を示すフローチャートである。図9は、図8のステップS1からステップS4までの工程の概略を示す図である。図10は、図8のステップS5からステップS7までの工程の概略を示す図である。
図8に示すように、圧電フィルム2を製造する場合、第二基板212が形成された第一基台51上に圧電体22Bを形成する(ステップS1)。
具体的には、図9の1番目に示すように、Si基板により形成された第一基台51の一面を熱酸化処理して、SiO2層212Aを形成する。なお、第一基台51のSiO2層212Aとの境界面を第一面51Aとし、第一基台51の第一面51Aとは反対側の面を第二面51Bとする。この後、SiO2層212A上にZr膜を形成し、Zr層を熱酸化してZrO2層212Bを形成、すなわち、SiO2層212A及びZrO2層212Bにより構成された第二基板212を形成する。
次に、第二基板212の表面に、Pt、Ti、Ir、Tiの各金属層を形成して第一電極膜221を形成する。さらに、この第一電極膜221上に圧電膜222を形成する。圧電膜222は、例えば溶液法により形成することができ、例えば、第一電極膜221上にPZT溶液を塗布する塗布工程と、塗布されたPZT溶液を焼成する焼成工程とを複数回実施することで、圧電膜222を形成する。この後、さらに、圧電膜222上に、Ti,Irの各金属膜を積層して第二電極膜223を形成する。これにより、図9の1番目に示すように、第一基台51上に第二基板212及び圧電体22Bが形成される。
さらに、このレジスト52を覆うように、つまり、レジスト52の第一基台51とは反対側の面に第二基台53を接着する(ステップS4;本発明の第三工程)。
ここで、この第二基台53は、レジスト52側の第三面53A及び第三面53Aとは反対側の第四面53Bを有するSi基板である。また、第二基台53には、第三面53Aに複数の凹部53Cが設けられており、各凹部53Cから第四面53Bまでを貫通する貫通孔53Dが設けられている。各凹部53Cは、例えば、圧電素子22と重なる位置に設けられている。
また、ステップS4では、第二基台53の第四面53Bの全体に保護膜55を形成する。
これにより、図9の3番目に示すように、第二基板212と圧電素子22とが第一基台51と第二基台53とに挟まれる構造体が形成される。
この後、第二基板212のSiO2層212A側に、樹脂(例えばポリイミド)製の第一基板211を、例えばスピンコート等により形成する(ステップS6;本発明の第五工程)。これにより、図10の2番目に示すように、第二基台53により保持された圧電フィルム2が形成される。
以上の後、第二基台53の貫通孔53Dから凹部53C内に、レジスト52を除去するエッチング液を流入させ、レジスト52を除去する(ステップS7;第六工程)。これにより、レジスト52が除去され、第二基台53が剥離されることで、図10の3番目に示すような圧電フィルム2が形成される。
本実施形態の圧電フィルム2は、可撓性を有する基板21と、基板21上に設けられて、X方向(第一方向)に沿って第一寸法wの間隔で配置された複数の圧電素子22と、を備える。また、圧電素子22は、Z方向 (厚み方向)に沿って、第一電極膜221、無機材料からなる圧電膜222、及び第二電極膜223を積層することで構成されている。そして、基板21のX方向に沿って隣り合う圧電素子22の間は、Z向に対して変位可能な振動領域23を構成する。
すなわち、圧電特性及び耐熱性が高く、可撓性にも優れた圧電フィルム2が得られる。
このようなスリット溝231A,231Bが設けられることで、振動領域23がより振動しやすくなり、振動振幅を増幅させることができる。これにより、高い音圧の超音波を出力することができる。
このため、圧電フィルム2の第一電極膜221に対応する1つの端子部221Aと、第二電極膜223に対応する1つの端子部223Aとの間に電圧を印加すれば、全ての圧電素子22に駆動電圧が印加される。これにより、上述のように、各振動領域23を腹とした振動モードの振動を励起させることができ、圧電フィルム2から所定周波数の超音波を出力させることが可能となる。
なお、本発明は上述の各実施形態及び変形例に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良、及び各実施形態を適宜組み合わせる等によって得られる構成は本発明に含まれるものである。
また、X方向に沿った長手状のスリット溝231Aと、Y方向に沿った長手状のスリット溝231Bとが十字形状にクロスする構成を例示したが、これに限定されない。例えば、振動領域23の中心部に円形状の凹溝が設けられる構成としてもよい。
さらには、このようなスリット溝や凹溝を設ける構成の他、振動領域23と重なる領域全体の第一電極膜221及びZrO2層212Bを除去する構成としてもよい。
すなわち、圧電フィルム2として、基板21が第一基板211及び第二基板212を有する構成としたが、第一基板211のみにより構成されていてもよい。
この場合、制御部3が、各圧電素子22に対して、同時に駆動信号が入力されるように、各端子部に対する駆動信号の入力タイミングを制御する。これにより、上記実施形態と同様の振動モードで圧電フィルム2を駆動させることが可能となる。
Claims (10)
- 可撓性の基板と、
前記基板に設けられて、第一方向に沿って第一寸法の間隔をあけて配置された少なくとも2つ以上の圧電素子と、を備え、
前記圧電素子は、前記基板の厚み方向に沿って、第一電極膜、無機材料からなる圧電膜、及び第二電極膜を積層することで構成され、
前記基板の、前記第一方向に沿って隣り合う前記圧電素子の間の領域は、前記厚み方向に対して変位可能な振動領域を構成する
ことを特徴とする圧電フィルム。 - 請求項1に記載の圧電フィルムにおいて、
前記基板の前記振動領域の前記第一方向における中心には、前記厚み方向に沿って所定深さ寸法となるスリット溝が、前記第一方向に交差する第二方向に沿って設けられている
ことを特徴とする圧電フィルム。 - 請求項1又は請求項2に記載の圧電フィルムにおいて、
前記第一方向に沿って3つ以上の前記圧電素子が前記第一寸法の間隔で配置されている
ことを特徴とする圧電フィルム。 - 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の圧電フィルムにおいて、
前記第一方向に沿って配置される複数の前記圧電素子を素子列として、前記第一方向に交差する第二方向に沿って複数の前記素子列が配置され、
前記第二方向に対してi+1番目に配置される前記素子列の各前記圧電素子は、前記第二方向に沿った投影視において、前記第二方向に対してi番目に配置される前記素子列の各前記圧電素子の間に配置された各前記振動領域と重なり合い、
前記第二方向に対してi+2番目に配置される前記素子列の各前記圧電素子は、前記第二方向から見た投影視において、前記第二方向に対してi番目に配置される前記素子列の各前記圧電素子と重なり合う
ことを特徴とする圧電フィルム。 - 請求項4に記載の圧電フィルムにおいて、
前記第二方向に対してi番目の各前記圧電素子と、前記第二方向に対してi+2番目の各前記圧電素子とは、前記第一寸法の間隔をあけて配置されている
ことを特徴とする圧電フィルム。 - 請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の圧電フィルムにおいて、
前記基板は、樹脂製の第一基板と、
前記第一基板に積層される酸化膜からなる第二基板と、を備え、
前記圧電素子は、前記第二基板に設けられており、
前記第二基板及び前記圧電素子の前記厚み方向における厚みは5μm以下である
ことを特徴とする圧電フィルム。 - 請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の圧電フィルムにおいて、
複数の前記圧電素子の前記第一電極膜同士が互いに接続され、
複数の前記圧電素子の前記第二電極膜同士が互いに接続されている
ことを特徴とする圧電フィルム。 - 請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の圧電フィルムと、
前記圧電フィルムを制御する制御部と、を備える
ことを特徴とする圧電モジュール。 - 請求項8に記載の圧電モジュールにおいて、
前記制御部は、複数の前記圧電素子に対して、同一タイミングで所定の駆動信号を入力する
ことを特徴とする圧電モジュール。 - 可撓性の基板と、前記基板に設けられて、第一方向に沿って第一寸法の間隔をあけて配置された少なくとも2つ以上の圧電素子と、を備えた圧電フィルムの製造方法であって、
第一面及び前記第一面とは反対側の第二面を有する第一基台に、第一電極膜、無機材料からなる圧電膜、及び第二電極膜を積層した前記圧電素子を、前記第一方向に沿って第一寸法の間隔をあけて複数形成する第一工程と、
前記第一基台の前記第一面に、複数の前記圧電素子を覆うレジストを形成する第二工程と、
前記レジストの前記第一基台とは反対側の面に第二基台を接着する第三工程と、
前記第一基台を前記第二面から除去する第四工程と、
前記第四工程で除去した部分に可撓性の基板を形成する第五工程と、
前記レジストを除去して前記第二基台を剥離させる第六工程と、
を実施することを特徴とする圧電フィルムの製造方法。
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