JP2021007118A - Piezoelectric transducer and piezoelectric module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は圧電トランスデューサ及び圧電モジュールに関し、より詳細には、複数の圧電層を含む圧電トランスデューサ及びこの圧電トランスデューサを備える圧電モジュールに関する。 The present invention relates to a piezoelectric transducer and a piezoelectric module, and more particularly to a piezoelectric transducer including a plurality of piezoelectric layers and a piezoelectric module including the piezoelectric transducer.
従来例として特許文献1記載の圧電デバイス(圧電トランスデューサ)を例示する。特許文献1記載の圧電デバイスは、基材と、基材によって支持された上部層(圧電部)とを備える。上部層は、振動部を含み、振動部は、厚み方向に互いに離隔して配置された下部電極、中間電極及び上部電極を含む。上部層は、下部電極及び中間電極によって少なくとも一部が挟み込まれるように配置された第1圧電体層(第一圧電層)と、第1圧電体層に重なるように配置されつつ中間電極及び上部電極によって少なくとも一部が挟み込まれるように配置された第2圧電体層(第二圧電層)とを含む。
As a conventional example, the piezoelectric device (piezoelectric transducer) described in
特許文献1記載の圧電デバイスにおいて、上部層が交流電圧を振動に変換する特性又は振動を交流電圧に変換する特性の向上を求められることがあった。
In the piezoelectric device described in
本発明は、圧電部の第一圧電領域及び第二圧電領域が交流電圧を振動に変換する特性又は振動を交流電圧に変換する特性を向上させた圧電トランスデューサ及び圧電モジュールを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a piezoelectric transducer and a piezoelectric module in which the first piezoelectric region and the second piezoelectric region of the piezoelectric portion have improved characteristics of converting an AC voltage into vibration or converting vibration into an AC voltage. To do.
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る圧電トランスデューサは、支持部と、圧電部と、を備える。前記支持部は、内側に空洞が形成された枠状である。前記圧電部は、前記支持部により支持される。前記圧電部は、前記空洞を厚み方向の一方側から覆う板状である。前記圧電部は、第一電極と、第二電極と、第一圧電層と、第三電極と、第四電極と、第二圧電層と、を含む。前記第一圧電層は、前記厚み方向において前記第一電極と前記第二電極との間に挟まれている。前記第二圧電層は、前記厚み方向において前記第三電極と前記第四電極との間に挟まれている。前記第一圧電層の少なくとも一領域は、前記厚み方向と直交する方向において前記第二圧電層の少なくとも一領域に重なる。前記圧電部は、第一圧電領域、及び、第二圧電領域を含む。前記第一圧電領域は、前記第一電極と前記第二電極と前記第一圧電層とが前記厚み方向において前記空洞に重なる領域である。前記第二圧電領域は、前記第三電極と前記第四電極と前記第二圧電層とが前記厚み方向において前記空洞に重なる領域である。前記第二圧電領域は、前記厚み方向から見て前記第一圧電領域を囲む領域に位置する。 In order to solve the above problems, the piezoelectric transducer according to one aspect of the present invention includes a support portion and a piezoelectric portion. The support portion has a frame shape with a cavity formed inside. The piezoelectric portion is supported by the support portion. The piezoelectric portion has a plate shape that covers the cavity from one side in the thickness direction. The piezoelectric portion includes a first electrode, a second electrode, a first piezoelectric layer, a third electrode, a fourth electrode, and a second piezoelectric layer. The first piezoelectric layer is sandwiched between the first electrode and the second electrode in the thickness direction. The second piezoelectric layer is sandwiched between the third electrode and the fourth electrode in the thickness direction. At least one region of the first piezoelectric layer overlaps with at least one region of the second piezoelectric layer in a direction orthogonal to the thickness direction. The piezoelectric portion includes a first piezoelectric region and a second piezoelectric region. The first piezoelectric region is a region in which the first electrode, the second electrode, and the first piezoelectric layer overlap the cavity in the thickness direction. The second piezoelectric region is a region in which the third electrode, the fourth electrode, and the second piezoelectric layer overlap the cavity in the thickness direction. The second piezoelectric region is located in a region surrounding the first piezoelectric region when viewed from the thickness direction.
本発明の一態様に係る圧電モジュールは、前記圧電トランスデューサを複数備える。 The piezoelectric module according to one aspect of the present invention includes a plurality of the piezoelectric transducers.
本発明の各態様に係る圧電トランスデューサ及び圧電モジュールでは、第一圧電領域及び第二圧電領域が交流電圧を振動に変換する特性又は振動を交流電圧に変換する特性を向上させることができる。 In the piezoelectric transducer and the piezoelectric module according to each aspect of the present invention, it is possible to improve the characteristic that the first piezoelectric region and the second piezoelectric region convert the AC voltage into the vibration or the characteristic that the vibration is converted into the AC voltage.
以下、実施形態に係る圧電トランスデューサ及び圧電モジュールについて、図面を用いて説明する。ただし、以下に説明する実施形態は、本発明の様々な実施形態の一部に過ぎない。下記の実施形態は、本発明の目的を達成できれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。下記の実施形態において説明する各図は模式的な図であり、図中の構成要素の大きさ及び厚さの比が、必ずしも実際の寸法比を反映しているとは限らない。 Hereinafter, the piezoelectric transducer and the piezoelectric module according to the embodiment will be described with reference to the drawings. However, the embodiments described below are only part of the various embodiments of the present invention. The following embodiments can be variously modified according to the design and the like as long as the object of the present invention can be achieved. Each figure described in the following embodiment is a schematic view, and the ratio of the size and the thickness of the components in the figure does not necessarily reflect the actual dimensional ratio.
(圧電トランスデューサの構成)
図1〜4に示すように、圧電トランスデューサ1は、支持部2と、圧電部3と、を備えている。圧電部3は、第一圧電層40と、第二圧電層50と、第一電極41と、第二電極42と、第三電極51と、第四電極52と、を含む。圧電部3は、保護層6と、絶縁層7と、を更に含む。
(Piezoelectric transducer configuration)
As shown in FIGS. 1 to 4, the
支持部2は、内側に空洞23が形成された枠状に形成されている。支持部2の外縁は、正方形状である。支持部2は、例えば、半導体基板により形成されている。支持部2は、シリコンを主材料として形成されている。図2、3に示すように、支持部2は、第一面21と、支持部2の厚み方向において第一面21とは反対側の第二面22とを有している。空洞23は、支持部2の厚み方向に貫通した孔である。空洞23は、支持部2の厚み方向から見て、円状に形成されている。支持部2の厚み方向から見て、空洞23の中心は、支持部2の中心付近に位置している。
The
圧電部3は、板状に形成されている。圧電部3は、平面視において正方形状に形成されている。圧電部3は、支持部2により支持されている。支持部2の厚み方向と圧電部3の厚み方向とは、一致している。圧電部3は、空洞23を圧電部3の厚み方向の一方側(図2では紙面の上側)から覆っている。
The
圧電トランスデューサ1において、以下、特に断りの無い限り、圧電部3の厚み方向をZ軸方向と規定する。支持部2と圧電部3とは、Z軸方向に並んでいる。Z軸方向において、支持部2側をZ軸の負の側とし、圧電部3側をZ軸の正の側と規定する。また、圧電部3のうち、平面視において隣り合う2辺の方向を、それぞれX軸方向及びY軸方向と規定する。したがって、X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向は、互いに直交する。
In the
圧電部3の保護層6は、支持部2の第一面21に形成されている。保護層6は、空洞23をZ軸方向の一方側(正の側)から覆うようにして、第一面21の全域に形成されている。保護層6は、例えば、二酸化ケイ素(SiO2)により形成されている。
The
第一圧電層40及び第二圧電層50は、圧電体により形成されている。第一圧電層40及び第二圧電層50は、Z軸方向に厚みを有している。第一圧電層40及び第二圧電層50の分極方向は、Z軸方向に沿っている。
The first
圧電部3は、第二電極42、第一圧電層40及び第一電極41が、支持部2側(Z軸の負の側)からこの順に積層した構造を有している。また、圧電部3は、第四電極52、第二圧電層50及び第三電極51が、支持部2側(Z軸の負の側)からこの順に積層した構造を有している。
The
第二電極42及び第四電極52は、保護層6のうち支持部2側とは反対側の表面60に形成されている。第二電極42及び第四電極52は、Z軸方向において同じ位置に位置している。要するに、第二電極42及び第四電極52は、Z軸方向と直交する同一の平面上に位置している。第二電極42及び第四電極52は、例えば、白金により形成されている。
The
図4は、図2をC−C断面から見た図である。ただし、図4では、絶縁層7を図示していない。第二電極42は、円状に形成されている。第二電極42は、Z軸方向から見て圧電部3の中心付近に形成されている。圧電トランスデューサ1は、配線421を更に備えている。配線421は、直線状に形成されており、一端が第二電極42に繋がっており、他端が圧電部3の周縁付近に位置している。ここで、「Z軸方向から見て」とは、圧電トランスデューサ1を透視してZ軸方向から見ることである。以下の説明でも同様に、「Z軸方向から見て」とは、圧電トランスデューサ1を透視してZ軸方向から見ることである。
FIG. 4 is a view of FIG. 2 as viewed from a CC cross section. However, FIG. 4 does not show the insulating
第四電極52は、円弧状に形成されている。第四電極52は、第二電極42を囲むように形成されている。より詳細には、第四電極52は、第二電極42と同心の円弧状に形成されている。第四電極52の互いに対向する両端の間520には、第二電極42に繋がった配線421が位置している。圧電トランスデューサ1は、配線521を更に備えている。配線521は、直線状に形成されており、一端が第四電極52に繋がっており、他端が圧電部3の周縁付近に位置している。
The
図2に示すように、枠状の支持部2における圧電部3側の面は、第一面21である。第一面21のうち、空洞23側の内縁211は、円状である。第四電極52のうち、径方向において外側の縁(外縁522:図4参照)は、Z軸方向から見て第一面21の内縁211に沿っている。より詳細には、第四電極52の外縁522は、空洞23よりもわずかに直径が大きい円弧状に形成されている。また、第四電極52のうち、径方向において内側の縁(内縁525:図4参照)は、空洞23よりも直径が小さい円弧状に形成されている。すなわち、Z軸方向から見て、第四電極52は、空洞23と支持部2とに跨っている。
As shown in FIG. 2, the surface of the frame-shaped
図2、3に示すように、第一圧電層40は、第二電極42のうち支持部2側とは反対側の表面に、板状に形成されている。第一圧電層40は、第二電極42のうち支持部2側とは反対側の表面の全域に形成されている。すなわち、第一圧電層40は、円状に形成されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the first
第二圧電層50は、第四電極52のうち支持部2側とは反対側の表面に、板状に形成されている。第二圧電層50は、第四電極52のうち支持部2側とは反対側の表面の全域に形成されている。すなわち、第二圧電層50は、円弧状に形成されている。第二圧電層50は、第一圧電層40を囲むように形成されている。より詳細には、第二圧電層50は、第一圧電層40と同心の円弧状に形成されている。
The second
第二圧電層50は、Z軸方向と直交する方向において第一圧電層40に重なっている。より詳細には、Z軸方向において、第二圧電層50の両端は、第一圧電層40の両端に一致している。
The second
第一電極41は、第一圧電層40のうち支持部2側とは反対側の表面400に形成されている。第一電極41は、第一圧電層40の表面400の全域に形成されている。すなわち、第一電極41は、円状に形成されている。より詳細には、第一電極41は、第一圧電層40よりもわずかに直径が小さい円状に形成されている。第一電極41は、Z軸方向から見て圧電部3の中心付近に形成されている。第一電極41は、例えば、金により形成されている。
The
第三電極51は、第二圧電層50のうち支持部2側とは反対側の表面500に形成されている。第三電極51は、第二圧電層50の表面500の全域に形成されている。すなわち、第三電極51は、円弧状に形成されている。第三電極51は、第一電極41を囲むように形成されている。より詳細には、第三電極51は、第一電極41と同心の円弧状に形成されている。第三電極51の互いに対向する両端の間510(図1参照)には、第一電極41に繋がった後述の第一引出線413が位置している。第三電極51は、例えば、金により形成されている。
The
絶縁層7は、保護層6のうち支持部2側とは反対側の表面60であって第二電極42、第四電極52、配線421及び配線521が形成されていない部分61に形成されている。絶縁層7は、支持部2側とは反対側の表面70が平状に形成されている。絶縁層7の表面70と、第一圧電層40の表面400と、第二圧電層50の表面500とは、略面一である。絶縁層7は、例えば、二酸化ケイ素により形成されている。絶縁層7は、電気絶縁性を有している。第一電極41、第二電極42、第三電極51及び第四電極52は、互いの間にそれぞれ絶縁層7、第一圧電層40及び第二圧電層50のうち少なくとも1つを挟んで、互いに電気的に絶縁されている。絶縁層7は、後述の第一引出線413と配線421との間等、導体間で電気的なカップリングが発生する可能性を低減している。なお、絶縁層7は、例えば、樹脂材料により形成されていてもよい。
The insulating
以下に、各構成の寸法の一例を挙げる。支持部2の厚みは、200μmである。第二電極42及び第四電極52の厚みは、0.4μmである。第二圧電層50の厚みは、2μmである。第一圧電層40の厚みは、2μmである。絶縁層7の厚みは、2μmである。第一電極41及び第二電極42の厚みは、0.2μmである。保護層6の厚みは、2μmである。空洞23の直径は、30μmである。支持部2の一辺の長さは、50μmである。
An example of the dimensions of each configuration is given below. The thickness of the
第一圧電層40は、Z軸方向において第一電極41と第二電極42との間に挟まれている。第二圧電層50は、Z軸方向において第三電極51と第四電極52との間に挟まれている。
The first
圧電部3は、第一圧電領域R4及び第二圧電領域R5を含む。第一圧電領域R4は、第一圧電層40と第一電極41と第二電極42とがZ軸方向において空洞23に重なっている領域である。第二圧電領域R5は、第二圧電層50と第三電極51と第四電極52とがZ軸方向において空洞23に重なっている領域である。第二圧電領域R5は、Z軸方向から見て第一圧電領域R4を囲む領域に位置している(図1参照)。
The
第一圧電領域R4は、第一電極41に沿った円状であり(図1参照)、第二圧電領域R5は、第三電極51に沿った円弧状である。Z軸方向から見て、第二圧電領域R5は、第三電極51が位置する領域に一致している(図2参照)。
The first piezoelectric region R4 has a circular shape along the first electrode 41 (see FIG. 1), and the second piezoelectric region R5 has an arc shape along the
上述の通り、Z軸方向から見て、第四電極52は、空洞23と支持部2とに跨っている。また、Z軸方向から見て、第三電極51及び第二圧電層50も、空洞23と支持部2とに跨っている。したがって、Z軸方向から見て、第二圧電領域R5は、空洞23と支持部2とに跨っている。
As described above, the
また、上述の通り、第四電極52の外縁522(図4参照)は、枠状の支持部2の第一面21の内縁211に沿っている。したがって、Z軸方向から見て、第二圧電領域R5の一部は、第一面21の内縁211に沿っている。また、第三電極51のうち、径方向において外側の縁512(図1参照)、及び、第二圧電層50のうち、径方向において外側の縁も、第一面21の内縁211に沿っている。
Further, as described above, the outer edge 522 (see FIG. 4) of the
第一圧電領域R4及び第二圧電領域R5は、超音波を受波すると交流電圧を発生する。また、第一圧電領域R4及び第二圧電領域R5は、交流電圧が印加されると振動して超音波を送波する。第一圧電領域R4及び第二圧電領域R5による超音波の受波及び送波は、保護層6を介して行われる。
The first piezoelectric region R4 and the second piezoelectric region R5 generate an AC voltage when receiving ultrasonic waves. Further, the first piezoelectric region R4 and the second piezoelectric region R5 vibrate when an AC voltage is applied to transmit ultrasonic waves. The reception and transmission of ultrasonic waves by the first piezoelectric region R4 and the second piezoelectric region R5 are performed via the
第一圧電領域R4の第一圧電層40は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)により形成されている。第二圧電領域R5の第二圧電層50は、例えば、窒化アルミニウム(AlN)により形成されている。窒化アルミニウムは、チタン酸ジルコン酸鉛と比較して、ヤング率が高くかつ密度が小さい材料である。
The first
第一圧電層40の圧電定数d31は、第二圧電層50の圧電定数d31よりも大きい。また、第一圧電層40の比誘電率εrは、第二圧電層50の比誘電率εrよりも大きい。第一圧電層40の比誘電率εrは、例えば、1200である。第二圧電層50の比誘電率εrは、例えば、10である。
The piezoelectric constant d 31 of the first
第一圧電層40の圧電定数d31が第二圧電層50の圧電定数d31よりも大きいため、第一圧電領域R4は、交流電圧をZ軸方向の振動に変換する特性が第二圧電領域R5よりも良好である。一方、第二圧電層50では、圧電定数d31を比誘電率εrで割った値(d31/εr)が第一圧電層40のd31/εrよりも大きいため、第二圧電領域R5は、振動を交流電圧に変換する特性が第一圧電領域R4よりも良好である。
Since the piezoelectric constant d 31 of the first
図1に示すように、圧電トランスデューサ1は、絶縁層7の表面70に、複数(図1では3つ)の引出線(第一引出線413、第二引出線423及び第四引出線523)と、複数(図1では4つ)のパッド(第一パッド414、第二パッド424、第三パッド514及び第四パッド524)と、を更に備えている。圧電トランスデューサ1は、第三引出線を更に備えていてもよい。各引出線及び各パッドは、導体層として形成されている。
As shown in FIG. 1, the
複数のパッドは、絶縁層7の表面70の周縁付近に形成されている。より詳細には、第一パッド414及び第二パッド424は、絶縁層7の表面70のうち、Y軸の正の側の周縁付近であってX軸方向における中心付近に形成されている。第三パッド514及び第四パッド524は、絶縁層7の表面70のうち、Y軸の負の側の周縁付近であってX軸方向における中心付近に形成されている。各パッドは、長方形状に形成されている。なお、各パッドは、正方形状に形成されていてもよい。
The plurality of pads are formed near the peripheral edge of the
第一引出線413は、第一電極41と第一パッド414とを電気的に接続している。
The
第二引出線423は、第二電極42に繋がった配線421と第二パッド424とを電気的に接続している。図1、3に示すように、絶縁層7は、開口部72を有している。開口部72の奥(図3では下)には、配線421の一端が位置している。第二引出線423が開口部72の内壁に沿って配線421へ向かって立ち下がり、配線421の一部とZ軸方向に重なって形成されていることにより、第二引出線423と配線421とが接続されている。
The
第三電極51は、第三パッド514に直接繋がることにより、第三パッド514に電気的に接続されている。なお、第三電極51は、絶縁層7の表面70に形成された第三引出線を介して第三パッド514に電気的に接続されていてもよい。
The
第四引出線523は、第四電極52に繋がった配線521と第四パッド524とを電気的に接続している。絶縁層7は、開口部74を有している。開口部74の奥(図3では下)には、配線521の一端が位置している。第四引出線523が開口部74の内壁に沿って配線521へ向かって立ち下がり、配線521の一部とZ軸方向に重なって形成されていることにより、第四引出線523と配線521とが接続されている。
The
(製造方法)
次に、圧電トランスデューサ1の製造方法の一例について、図5A〜5F、図6A〜6Dを参照して説明する。
(Production method)
Next, an example of a method for manufacturing the
まず、図5Aに示すように、圧電トランスデューサ1の支持部2の元になるシリコン基板である基材200の第一面201に、熱酸化膜からなる保護層6を形成する。また、基材200の厚み方向において第一面201とは反対側の第二面202にも、熱酸化膜からなる保護層を形成する。ただし、図5Aでは、第二面202に形成された保護層の図示を省略している。基材200は、円盤状のウェハである。
First, as shown in FIG. 5A, a
次に、図5Bに示すように、保護層6の表面60の全域に、白金の第一層91を形成する。第一層91は、後に第二電極42、第四電極52、配線421及び配線521となる層である(図4参照)。第一層91は、例えば、スパッタ法により形成される。
Next, as shown in FIG. 5B, the
次に、図5Cに示すように、第一層91の表面910の全域に、チタン酸ジルコン酸鉛の第二層92を形成する。第二層92は、後に第一圧電層40となる層である。第二層92は、例えば、スパッタ法により形成される。
Next, as shown in FIG. 5C, the
次に、図5Dに示すように、第二層92を、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術によりパターニングする。この工程により、第二層92の一部からなる第一圧電層40を形成する。
Next, as shown in FIG. 5D, the
次に、図5Eに示すように、第一層91を、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術によりパターニングする。この工程により、第一層91の一部からなる第二電極42、第四電極52、配線421(図4参照)及び配線521(図4参照)を形成する。
Next, as shown in FIG. 5E, the
次に、図5Fに示すように、保護層6の表面60であって第二電極42、第四電極52、配線421(図4参照)及び配線521(図4参照)が形成されていない部分61と、第一圧電層40、第四電極52、配線421及び配線521の表面とに、窒化アルミニウムの第三層93を形成する。第三層93は、後に第二圧電層50となる層である。第三層93は、例えば、スパッタ法により形成される。さらに、第三層93を研磨又はエッチングすることにより、第一圧電層40を露出させる。
Next, as shown in FIG. 5F, a portion of the
次に、図6Aに示すように、第三層93を、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術によりパターニングする。この工程により、第三層93の一部からなる第二圧電層50を形成する。
Next, as shown in FIG. 6A, the
次に、図6Bに示すように、絶縁層7を、保護層6の表面60のうち電極及び配線が形成されていない部分61に形成する。絶縁層7は、例えば、第一圧電層40及び第二圧電層50を覆うように化学気相成長(CVD)法により形成された後、表面から研磨又はエッチバックされることにより、第一圧電層40の表面400及び第二圧電層50の表面500と面一にされる。
Next, as shown in FIG. 6B, the insulating
次に、絶縁層7に、開口部72(図3参照)、74(図3参照)を形成する。開口部72、74は、例えば、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて形成される。
Next, openings 72 (see FIG. 3) and 74 (see FIG. 3) are formed in the insulating
次に、図6Cに示すように、第一圧電層40の表面400に第一電極41を形成する。第二圧電層50の表面500に第三電極51を形成する。絶縁層7の表面70に第一引出線413、第二引出線423、第四引出線523、第一パッド414、第二パッド424、第三パッド514及び第四パッド524を形成する。第一電極41、第三電極51、各引出線及び各パッドは、金を材料として、メタルマスクを用いて、蒸着法又はスパッタ法により形成される。また、第一電極41、第三電極51、各引出線及び各パッドは、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して形成されてもよい。また、第一電極41、第三電極51、各引出線及び各パッドは、フォトリソグラフィ技術、薄膜形成技術及びリフトオフ法を利用して形成されてもよい。
Next, as shown in FIG. 6C, the
次に、図6Dに示すように、基材200に空洞23を形成する。これにより、支持部2が形成される。空洞23は、例えば、アルカリ溶液による異方性エッチングにより形成される。より詳細には、まず、第二面202(図6C参照)に形成されている保護層を、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いてパターニングする。さらに、パターニングされて残った保護層をエッチングマスクとして用いて、第二面202から基材200の中心部分をエッチングすることにより、空洞23を形成する。保護層6は、エッチングストッパとして機能する。すなわち、保護層6は、アルカリ溶液によりエッチングされ難い。したがって、保護層6の厚さのばらつきが低減される。
Next, as shown in FIG. 6D, the
次に、基材200をダイシングする。つまり、1つの圧電トランスデューサ1が占める領域ごとに基材200を分割する。
Next, the
以上により、圧電トランスデューサ1が製造される。
As described above, the
(圧電モジュールの構成)
図7に示すように、圧電モジュール10は、圧電トランスデューサ1を複数(図7では16個)備えている。複数の圧電トランスデューサ1は、基板に実装されている。複数の圧電トランスデューサ1は、縦4列、横4列の2次元アレイ状に並んでいる。圧電モジュール10は、第一切替部11と、第二切替部12と、処理部13と、を更に備えている。
(Piezoelectric module configuration)
As shown in FIG. 7, the
第一切替部11及び第二切替部12はそれぞれ、複数のスイッチを有する。各圧電トランスデューサ1の第一電極41は、第一パッド414と、第一切替部11のスイッチとを介して、外部電源15に接続される。横一列に並んだ4つの圧電トランスデューサ1は、第一切替部11のうち外部電源15に接続された1つのスイッチを共用している。
The
各圧電トランスデューサ1の第二電極42は、第二パッド424と、第二切替部12のスイッチとを介して、グラウンドに接続される。縦一列に並んだ4つの圧電トランスデューサ1は、第二切替部12のうちグラウンドに接続された1つのスイッチを共用している。
The
各圧電トランスデューサ1の第三電極51は、第三パッド514と、第二切替部12のスイッチとを介して、処理部13に接続される。縦一列に並んだ4つの圧電トランスデューサ1は、第二切替部12のうち処理部13に接続された1つのスイッチを共用している。
The
各圧電トランスデューサ1の第四電極52は、第四パッド524と、第一切替部11のスイッチとを介して、グラウンドに接続される。横一列に並んだ4つの圧電トランスデューサ1は、第一切替部11のうちグラウンドに接続された1つのスイッチを共用している。
The
第一切替部11及び第二切替部12は、個々の圧電トランスデューサ1ごとに、圧電トランスデューサ1と外部電源15との接続を切り替える。また、第一切替部11及び第二切替部12は、個々の圧電トランスデューサ1ごとに、圧電トランスデューサ1と処理部13との接続を切り替える。圧電トランスデューサ1が外部電源15に接続されると、第一圧電層40には、外部電源15から交流電圧が印加される。圧電トランスデューサ1は、処理部13に接続されると、第二圧電領域R5で生じる交流電圧を、処理部13に出力する。なお、第一切替部11及び第二切替部12は、複数のスイッチに代えて、複数のリレー又は複数のマルチプレクサを有していてもよい。
The
処理部13は、例えば、CPU(Central Processing Unit)等のプロセッサと、AC−DCコンバータとを含む。AC−DCコンバータは、圧電トランスデューサ1から入力される交流電圧を直流電圧に変換し、プロセッサに出力する。プロセッサは、第一切替部11に電気的に接続されており、第一切替部11の複数のスイッチの開閉を制御する。さらに、プロセッサは、第二切替部12の複数のスイッチの開閉を制御する。
The
(動作)
次に、圧電トランスデューサ1及び圧電モジュール10の動作例を説明する。
(motion)
Next, an operation example of the
処理部13は、第一切替部11及び第二切替部12のスイッチの開閉を制御して、圧電トランスデューサ1を外部電源15に接続する。圧電トランスデューサ1の第一圧電層40に対して外部電源15から交流電圧が印加されると、第一圧電層40がZ軸方向に振動することにより、第一圧電領域R4は、超音波を送波する。第一電極41及び第二電極42は、第一圧電層40への交流電圧の印加用の電極である。
The
処理部13は、第一切替部11及び第二切替部12のスイッチの開閉を制御して圧電トランスデューサ1に接続する。第二圧電領域R5が超音波を受波すると、第二圧電層50がZ軸方向に振動し、第二圧電領域R5は、第二圧電層50のZ軸方向の振動を交流電圧に変換する。第三電極51及び第四電極52は、第二圧電領域R5で生じる交流電圧の取り出し用の電極である。第三電極51及び第四電極52は、第二圧電領域R5が超音波を受波することにより生じる交流電圧を取り出し、処理部13に出力する。
The
第一圧電領域R4は、主として、Z軸の負の向きに超音波を送波する。第二圧電領域R5は、主として、Z軸の負の側から到達した超音波を受波する。すなわち、第一圧電領域R4及び第二圧電領域R5の送波強度が最大となる向き及び受波感度が最大となる向きは、Z軸の負の向きに沿っている。 The first piezoelectric region R4 mainly transmits ultrasonic waves in the negative direction of the Z axis. The second piezoelectric region R5 mainly receives ultrasonic waves arriving from the negative side of the Z axis. That is, the direction in which the first piezoelectric region R4 and the second piezoelectric region R5 have the maximum transmission intensity and the direction in which the reception sensitivity is maximum are along the negative directions of the Z axis.
圧電モジュール10は、例えば、自動車に搭載され、自動車の周りの物体との間の距離を測定する超音波センサとして用いられる。圧電モジュール10は、超音波の送波及び受波を行う。圧電モジュール10が超音波を送波してから超音波が物体で反射して戻ってくるまでの時間を処理部13が計測することにより、処理部13は、物体と圧電モジュール10との間の距離を算出することができる。
The
別の例として、圧電モジュール10は、携帯電話等に搭載され、人の指紋を検出するセンサとして用いられる。圧電モジュール10において、複数の圧電トランスデューサ1は、隣り合う圧電トランスデューサ1同士の中心間の間隔が、指紋の凹凸の間隔よりも小さい間隔となるように配置される。複数の圧電トランスデューサ1は、超音波を送波し、人の指で反射した超音波を受波する。指紋の凹部と凸部とで音響インピーダンスが異なるので、処理部13は、複数の圧電トランスデューサ1で受波した超音波の強度に基づいて指紋を検出することができる。
As another example, the
(効果)
仮に、圧電トランスデューサ1において、第一圧電領域R4と第二圧電領域R5とがZ軸方向に重なっている場合は、第一圧電層40が振動するときに、第一圧電層40が歪むことにより、第一圧電層40の近くの第二圧電層50が歪むことがある。また、第二圧電層50が振動するときに、第二圧電層50が歪むことにより、第一圧電層40が歪むことがある。特に、第一圧電層40がZ軸と直交する方向に収縮しようとし、第二圧電層50がZ軸と直交する方向に伸長しようとする場合は、第一圧電層40の歪みと第二圧電層50の歪みとが打ち消し合うように作用することがある。
(effect)
If the first piezoelectric region R4 and the second piezoelectric region R5 overlap in the Z-axis direction in the
本実施形態の圧電トランスデューサ1では、第二圧電領域R5は、Z軸方向から見て第一圧電領域R4を囲む領域に位置する。したがって、第一圧電領域R4と第二圧電領域R5とがZ軸方向に重なっている場合と比較して、第一圧電層40の歪みと第二圧電層50の歪みとが互いに影響し合う程度を低減させることができる。これにより、第一圧電領域R4及び第二圧電領域R5の特性(交流電圧を振動に変換する特性又は振動を交流電圧に変換する特性)を向上させることができる。
In the
また、仮に、第一圧電領域R4が、Z軸方向において空洞23の全域と重なるようにして配されている場合は、次のような問題が生じ得る。すなわち、第一圧電層40が振動するときに、第一圧電領域R4のうち空洞23の中央側の領域と重なる部分が歪む方向と、第一圧電領域R4のうち空洞23の外周側の領域と重なる部分が歪む方向とが反対となるため、第一圧電領域R4の特性(例えば、交流電圧を振動に変換する効率)が低下することがある。
Further, if the first piezoelectric region R4 is arranged so as to overlap the entire area of the
同様に、仮に、第二圧電領域R5が、Z軸方向において空洞23の全域と重なるようにして配されている場合は、次のような問題が生じ得る。すなわち、第二圧電層50が振動するときに、第二圧電領域R5のうち空洞23の中央側の領域と重なる部分が歪む方向と、第二圧電領域R5のうち空洞23の外周側の領域と重なる部分が歪む方向とが反対となるため、第二圧電領域R5の特性(例えば、受波感度)が低下することがある。
Similarly, if the second piezoelectric region R5 is arranged so as to overlap the entire area of the
そこで、本実施形態のように、第一圧電領域R4を空洞23の中央側の領域と重なる位置に配することで、第一圧電領域R4における歪みの方向を揃えることができる。また、第二圧電領域R5を空洞23の外周側の領域と重なる位置に配することで、第二圧電領域R5における歪みの方向を揃えることができる。これにより、第一圧電領域R4の特性と第二圧電領域R5の特性とが向上する。
Therefore, by arranging the first piezoelectric region R4 at a position overlapping the central region of the
また、仮に、第一圧電領域R4と第二圧電領域R5とがZ軸方向に重なっている場合は、第二電極42と第三電極51とがZ軸方向に向かい合う。この場合は、第二電極42と第三電極51とが互いに容量結合する場合がある。したがって、圧電部3が振動するときに、第二電極42と第三電極51との間で電気的干渉が生じる場合がある。
If the first piezoelectric region R4 and the second piezoelectric region R5 overlap in the Z-axis direction, the
一方、本実施形態の第二圧電領域R5は、Z軸方向から見て第一圧電領域R4を囲む領域に位置し、第一圧電領域R4と第二圧電領域R5とがZ軸方向に重ならないため、第二電極42と第三電極51との容量結合の発生が抑制される。したがって、第二電極42と第三電極51との間の電気的干渉が抑制される。例えば、第二電極42と第三電極51との間のクロストーク(電気的干渉の一例)が抑制されることにより、圧電トランスデューサ1では、送波強度及び受波感度が向上し、送信信号のノイズ及び受信信号のノイズが低減する。また、送信信号のノイズ及び受信信号のノイズが低減することにより、送信信号のS/N比及び受信信号のS/N比が向上する。
On the other hand, the second piezoelectric region R5 of the present embodiment is located in a region surrounding the first piezoelectric region R4 when viewed from the Z-axis direction, and the first piezoelectric region R4 and the second piezoelectric region R5 do not overlap in the Z-axis direction. Therefore, the occurrence of capacitive coupling between the
また、本実施形態の第二圧電領域R5は、Z軸方向から見て第一圧電領域R4を囲む領域に位置するので、第一圧電領域R4と第二圧電領域R5とがZ軸方向に重なっている場合と比較して、第一圧電層40及び第二圧電層50の曲げ剛性を低減できる。すなわち、第一圧電領域R4と第二圧電領域R5とがZ軸方向に重なっている場合と比較して、第一圧電層40が第二圧電層50の曲げを妨げたり、第二圧電層50が第一圧電層40の曲げを妨げたりしにくい。これにより、第一圧電領域R4の特性及び第二圧電領域R5の特性(例えば、送波強度及び受波感度)を向上させることができる。
Further, since the second piezoelectric region R5 of the present embodiment is located in a region surrounding the first piezoelectric region R4 when viewed from the Z-axis direction, the first piezoelectric region R4 and the second piezoelectric region R5 overlap in the Z-axis direction. The bending rigidity of the first
(実施形態の変形例)
以下、実施形態の変形例を列挙する。以下の変形例は、適宜組み合わせて実現されてもよい。
(Modified example of embodiment)
Hereinafter, modifications of the embodiment are listed. The following modifications may be realized in appropriate combinations.
Z軸方向において、第一圧電層40の両端は、第二圧電層50の両端に一致していなくてもよい。第一圧電層40の少なくとも一領域が、Z軸方向と直交する方向において第二圧電層50の少なくとも一領域に重なっていればよい。
In the Z-axis direction, both ends of the first
例えば、第一圧電層40よりも第二圧電層50の方が厚みが小さく、Z軸方向において、第一圧電層40の両端の間に第二圧電層50の両端が位置していてもよい。あるいは、第二圧電層50よりも第一圧電層40の方が厚みが小さく、Z軸方向において、第二圧電層50の両端の間に第一圧電層40の両端が位置していてもよい。
For example, the thickness of the second
あるいは、第一圧電層40のうちZ軸の正の側の一端付近が、Z軸方向と直交する方向において、第二圧電層50のうちZ軸の負の側の一端付近と重なっていてもよい。あるいは、第一圧電層40のうちZ軸の負の側の一端付近が、Z軸方向と直交する方向において、第二圧電層50のうちZ軸の正の側の一端付近と重なっていてもよい。
Alternatively, even if the vicinity of one end of the first
また、保護層6に凸部が設けられていてもよい。第一圧電層40と第二圧電層50とのうち一方が保護層6の凸部に形成されており、他方が保護層6の凸部の周りに形成されていてもよい。この構成によれば、第一圧電層40及び第二圧電層50では、支持部2側の端がZ軸方向において互いに異なる位置に位置することになる。第一圧電層40及び第二圧電層50における支持部2側とは反対側の端は、Z軸方向において同じ位置に位置していてもよいし、互いに異なる位置に位置していてもよい。保護層6にのみ凸部が形成されていてもよいし、支持部2に凸部が形成されており、支持部2の凸部に重なって保護層6の凸部が形成されていてもよい。
Further, the
また、実施形態の第二圧電領域R5は、Z軸方向から見て第一圧電領域R4を略囲んでいるが、Z軸方向から見て第二圧電領域R5が第一圧電領域R4を囲むことは必須ではない。Z軸方向から見て第二圧電領域R5は、第一圧電領域R4を囲む領域の少なくとも一部に位置していればよい。 Further, the second piezoelectric region R5 of the embodiment substantially surrounds the first piezoelectric region R4 when viewed from the Z-axis direction, but the second piezoelectric region R5 surrounds the first piezoelectric region R4 when viewed from the Z-axis direction. Is not required. The second piezoelectric region R5 may be located at least a part of the region surrounding the first piezoelectric region R4 when viewed from the Z-axis direction.
また、支持部2の外縁の形状は、正方形状に限定されない。支持部2の外縁は、例えば、長方形状又は円状に形成されていてもよい。また、空洞23の形状は、円状に限定されない。空洞23は、例えば、正方形状又は長方形状に形成されていてもよい。
Further, the shape of the outer edge of the
また、実施形態の支持部2は、周方向に連続した枠状に形成されている。支持部2において、枠状とは、周方向に連続した形状に限らず、周方向の一部が非連続な形状であってもよい。支持部において、枠状とは、圧電部3の厚み方向(Z軸方向)から見て環状である構造のうち、次の2つの部分を含む形状であればよい。すなわち、支持部において、当該2つの部分は、圧電部3の厚み方向から見て第一圧電領域R4と第二圧電領域R5とのうち少なくとも一方を間に挟んで向かい合っていればよい。当該2つの部分は、繋がっていてもよいし、別体に形成されていてもよい。支持部は、周方向の一部を欠いた形状、例えば、C字状又はU字状であってもよい。また、支持部は、複数の部材に分かれて形成されていて、圧電部3は、複数の部材に架け渡されていてもよい。複数の部材の各々は、例えば、直方体状又は立方体状に形成されていてもよい。
Further, the
また、Z軸方向から見て、第四電極52の外縁522は、枠状の支持部2の第一面21の内縁211の一部と重なっていてもよい。また、第三電極51のうち、径方向において外側の縁512が、第一面21の内縁211の一部と重なっていてもよい。また、第二圧電層50のうち、径方向において外側の縁が、第一面21の内縁211の一部と重なっていてもよい。
Further, when viewed from the Z-axis direction, the outer edge 522 of the
また、第一圧電層40及び第二圧電層50を形成する方法は、スパッタ法に限定されない。第一圧電層40及び第二圧電層50は例えば、MOCVD(有機金属化学気相成長)法等の化学気相成長(CVD)法、又は、ゾルゲル法により形成されてもよい。
Further, the method for forming the first
また、第三電極51、第四電極52、第一圧電層40及び第二圧電層50等は、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術により形成されるのに代えて、メタルマスク等を用いて、蒸着法又はスパッタ法により形成されてもよい。
Further, the
また、第一圧電層40の材料はチタン酸ジルコン酸鉛に限定されないし、第二圧電層50の材料は窒化アルミニウムに限定されない。例えば、第一圧電層40及び第二圧電層50は、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等の樹脂、又は、酸化亜鉛(ZnO)を材料として形成されていてもよい。また、第一圧電層40が窒化アルミニウムにより形成されていてもよいし、第二圧電層50がチタン酸ジルコン酸鉛により形成されていてもよい。また、第一圧電層40及び第二圧電層50の材料として、PZTN(:Pb(ZrTiNb)O3)、ビスマス(Bi)又はアルカリ金属を主成分とする圧電材料を用いてもよい。
Further, the material of the first
また、第一圧電領域R4及び第二圧電領域R5が送波又は受波する音波は、超音波に限定されない。例えば、第一圧電領域R4及び第二圧電領域R5は、可聴域の音波を送波又は受波してもよい。 Further, the sound waves transmitted or received by the first piezoelectric region R4 and the second piezoelectric region R5 are not limited to ultrasonic waves. For example, the first piezoelectric region R4 and the second piezoelectric region R5 may transmit or receive sound waves in the audible region.
また、第一圧電領域R4及び第二圧電領域R5のうち、一方を超音波の送波用に用いて他方を超音波の受波用に用いてもよいし、両方を超音波の送波用に用いてもよいし、両方を超音波の受波用に用いてもよい。すなわち、第一電極41及び第二電極42は、第一圧電領域R4で生じる交流電圧の取り出し用の電極であって、第三電極51及び第四電極52は、第二圧電層50への交流電圧の印加用の電極であってもよい。あるいは、第一電極41及び第二電極42は、第一圧電層40への交流電圧の印加用の電極であって、第三電極51及び第四電極52は、第二圧電層50への交流電圧の印加用の電極であってもよい。あるいは、第一電極41及び第二電極42は、第一圧電領域R4で生じる交流電圧の取り出し用の電極であって、第三電極51及び第四電極52は、第二圧電領域R5で生じる交流電圧の取り出し用の電極であってもよい。
Further, one of the first piezoelectric region R4 and the second piezoelectric region R5 may be used for transmitting ultrasonic waves and the other may be used for receiving ultrasonic waves, or both may be used for transmitting ultrasonic waves. It may be used for receiving ultrasonic waves, or both may be used for receiving ultrasonic waves. That is, the
また、圧電トランスデューサ1の用途は、音波を送波又は受波する用途に限定されない。例えば、圧電トランスデューサ1の用途は、アクチュエータであってもよい。
Further, the application of the
また、第一電極41と第三電極51とは、電気的に接続されていてもよい。例えば、絶縁層7の表面70、第一圧電層40の表面400及び第二圧電層50の表面500の全域に、第一電極41と第三電極51とが一体になった電極が形成されていてもよい。同様に、第二電極42と第四電極52とが、電気的に接続されていてもよい。第一電極41と第三電極51とが電気的に接続されている場合、又は、第二電極42と第四電極52とが電気的に接続されている場合に、次のようにして第一圧電層40と第二圧電層50との相互干渉を抑制してもよい。すなわち、第一圧電層40に交流電圧を印加することで圧電トランスデューサ1を送波用に用いるタイミングと、第二圧電層50で生じる交流電圧を取り出すことで圧電トランスデューサ1を受波用に用いるタイミングとを異ならせてもよい。
Further, the
また、圧電トランスデューサ1が備える圧電層の数は、第一圧電層40と第二圧電層50との2つに限定されない。圧電トランスデューサ1は、3つ以上の圧電層を備えていてもよい。例えば、圧電トランスデューサ1は、圧電層として、実施形態と同一形状の第一圧電層40と、X軸方向において第一圧電層40の両側に第一圧電層40を囲むように配置された2つの円弧状の圧電層と、を備えていてもよい。
Further, the number of piezoelectric layers included in the
また、支持部2の元になる基材として、シリコン基板の一の面に凹部が形成されており、凹部の開口を塞ぐように一の面に絶縁膜が形成された基材を用いてもよい。当該基材の絶縁膜上に圧電部3を形成してから、圧電部3とは反対側から当該基材のシリコン基板をエッチングし、一の面の凹部と繋がった空洞を形成することにより、圧電トランスデューサ1を形成してもよい。
Further, as the base material on which the
(まとめ)
以上説明したように、第1の態様に係る圧電トランスデューサ1は、支持部2と、圧電部3と、を備える。支持部2は、内側に空洞23が形成された枠状である。圧電部3は、支持部2により支持される。圧電部3は、空洞23を厚み方向(Z軸方向)の一方側から覆う板状である。圧電部3は、第一電極41と、第二電極42と、第一圧電層40と、第三電極51と、第四電極52と、第二圧電層50と、を含む。第一圧電層40は、厚み方向において第一電極41と第二電極42との間に挟まれている。第二圧電層50は、厚み方向において第三電極51と第四電極52との間に挟まれている。第一圧電層40の少なくとも一領域は、厚み方向と直交する方向において第二圧電層50の少なくとも一領域に重なる。圧電部3は、第一圧電領域R4、及び、第二圧電領域R5を含む。第一圧電領域R4は、第一電極41と第二電極42と第一圧電層40とが厚み方向において空洞23に重なる領域である。第二圧電領域R5は、第三電極51と第四電極52と第二圧電層50とが厚み方向において空洞23に重なる領域である。第二圧電領域R5は、厚み方向から見て第一圧電領域R4を囲む領域に位置する。
(Summary)
As described above, the
上記の構成によれば、第二圧電領域R5は、圧電部3の厚み方向(Z軸方向)から見て第一圧電領域R4を囲む領域に位置する。したがって、第一圧電領域R4と第二圧電領域R5とが厚み方向に重なっている場合と比較して、第一圧電領域R4の第一圧電層40の歪みにより第二圧電領域R5の第二圧電層50が歪む程度を低減させることができる。また、第二圧電層50の歪みにより第一圧電層40が歪む程度を低減させることができる。これにより、第一圧電領域R4及び第二圧電領域R5が交流電圧を振動に変換する特性又は振動を交流電圧に変換する特性を向上させることができる。
According to the above configuration, the second piezoelectric region R5 is located in a region surrounding the first piezoelectric region R4 when viewed from the thickness direction (Z-axis direction) of the
また、第2の態様に係る圧電トランスデューサ1では、第1の態様において、厚み方向(Z軸方向)において、第一圧電層40の両端の間に第二圧電層50の両端が位置する。
Further, in the
上記の構成によれば、厚み方向において、第一圧電層40の両端の間に第二圧電層50の両端が位置する。すなわち、第二圧電層50は第一圧電層40よりも厚みが小さく形成される。したがって、第二圧電領域R5の特性(振動を交流電圧に変換する特性又は交流電圧を振動に変換する特性)を向上させることができる。
According to the above configuration, both ends of the second
また、第3の態様に係る圧電トランスデューサ1では、第1又は2の態様において、第一電極41及び第二電極42は、第一圧電層40への交流電圧の印加用の電極である。第三電極51及び第四電極52は、第二圧電領域R5で生じる交流電圧の取り出し用の電極である。
Further, in the
上記の構成によれば、第一電極41及び第二電極42は、第一圧電層40への交流電圧の印加用の電極である。すなわち、第一圧電領域R4は、交流電圧を振動に変換する。また、第三電極51及び第四電極52は、第二圧電領域R5で生じる交流電圧の取り出し用の電極である。すなわち、第二圧電領域R5は、振動を交流電圧に変換する。圧電部3が音波を受波する等により、圧電部3に対して、厚み方向(Z軸方向)に力が加えられたとき、第一圧電領域R4よりも、第一圧電領域R4を囲む領域に位置する第二圧電領域R5に応力が集中する可能性が高い。したがって、上記の圧電トランスデューサ1では、第二圧電領域R5が振動を交流電圧に変換する特性を向上させることができる。
According to the above configuration, the
また、第4の態様に係る圧電トランスデューサ1では、第1又は2の態様において、第一電極41及び第二電極42は、第一圧電領域R4で生じる交流電圧の取り出し用の電極である。第三電極51及び第四電極52は、第二圧電層50への交流電圧の印加用の電極である。
Further, in the
上記の構成によれば、第一電極41及び第二電極42は、第一圧電領域R4で生じる交流電圧の取り出し用の電極である。すなわち、第一圧電領域R4は、振動を交流電圧に変換する。また、第三電極51及び第四電極52は、第二圧電層50への交流電圧の印加用の電極である。すなわち、第二圧電領域R5は、交流電圧を振動に変換する。圧電部3が音波を受波する等により、圧電部3に対して、厚み方向(Z軸方向)に力が加えられたとき、第一圧電領域R4よりも、第一圧電領域R4を囲む領域に位置する第二圧電領域R5に応力が集中する可能性が高い。したがって、上記の圧電トランスデューサ1では、第二圧電領域R5が交流電圧を振動に変換する特性を向上させることができる。
According to the above configuration, the
また、第5の態様に係る圧電トランスデューサ1では、第1又は2の態様において、第一電極41及び第二電極42は、第一圧電層40への交流電圧の印加用の電極である。第三電極51及び第四電極52は、第二圧電層50への交流電圧の印加用の電極である。
Further, in the
上記の構成によれば、第一圧電層40及び第二圧電層50には、交流電圧が印加される。つまり、圧電トランスデューサ1は、第一圧電層40及び第二圧電層50に印加された交流電圧を振動に変換する装置として機能する。すなわち、圧電トランスデューサ1が交流電圧を振動に変換する装置として機能する場合に、第一圧電領域R4及び第二圧電領域R5が交流電圧を振動に変換する特性を向上させることができる。
According to the above configuration, an AC voltage is applied to the first
また、第6の態様に係る圧電トランスデューサ1では、第1又は2の態様において、第一電極41及び第二電極42は、第一圧電領域R4で生じる交流電圧の取り出し用の電極である。第三電極51及び第四電極52は、第二圧電領域R5で生じる交流電圧の取り出し用の電極である。
Further, in the
上記の構成によれば、第一圧電領域R4から交流電圧が取り出され、第二圧電領域R5から交流電圧が取り出される。つまり、圧電トランスデューサ1は、第一圧電領域R4及び第二圧電領域R5において振動を交流電圧に変換する装置として機能する。すなわち、圧電トランスデューサ1が振動を交流電圧に変換する装置として機能する場合に、第一圧電領域R4及び第二圧電領域R5が振動を交流電圧に変換する特性を向上させることができる。
According to the above configuration, the AC voltage is taken out from the first piezoelectric region R4, and the AC voltage is taken out from the second piezoelectric region R5. That is, the
また、第7の態様に係る圧電トランスデューサ1では、第3の態様において、第一圧電層40の圧電定数d31は、第二圧電層50の圧電定数d31よりも大きい。
Further, in the
上記の構成によれば、第一圧電領域R4が交流電圧を振動に変換する特性と、第二圧電領域R5が振動を交流電圧に変換する特性とを向上させることができる。 According to the above configuration, the characteristic that the first piezoelectric region R4 converts the AC voltage into the vibration and the characteristic that the second piezoelectric region R5 converts the vibration into the AC voltage can be improved.
また、第8の態様に係る圧電トランスデューサ1では、第1〜7の態様のいずれかにおいて、第一電極41、第二電極42、第三電極51及び第四電極52は、互いに電気的に絶縁されている。
Further, in the
上記の構成によれば、第一圧電領域R4と第二圧電領域R5とで電気的なカップリングが生じる可能性を低減することができる。 According to the above configuration, the possibility of electrical coupling occurring between the first piezoelectric region R4 and the second piezoelectric region R5 can be reduced.
また、第9の態様に係る圧電トランスデューサ1では、第1〜8の態様のいずれかにおいて、厚み方向(Z軸方向)から見て、第二圧電領域R5の少なくとも一部は、支持部2における圧電部3側の面(第一面21)のうち、空洞23側の内縁211に沿っている。
Further, in the
圧電部3が音波を受波する等により、圧電部3に対して、厚み方向(Z軸方向)に力が加えられたとき、支持部2の内縁211付近に応力が集中する可能性が高い。したがって、上記の圧電トランスデューサ1では、第二圧電領域R5の特性(振動を交流電圧に変換する特性又は交流電圧を振動に変換する特性)を向上させることができる。
When a force is applied to the
また、第10の態様に係る圧電トランスデューサ1では、第1〜9の態様のいずれかにおいて、厚み方向(Z軸方向)から見て、第二圧電領域R5は、空洞23と支持部2とに跨っている。
Further, in the
圧電部3が音波を受波する等により、圧電部3に対して、厚み方向(Z軸方向)に力が加えられたとき、支持部2の内縁211付近に応力が集中する可能性が高い。したがって、上記の圧電トランスデューサ1では、第二圧電領域R5の特性(振動を交流電圧に変換する特性又は交流電圧を振動に変換する特性)を向上させることができる。
When a force is applied to the
また、第11の態様に係る圧電モジュール10は、第1〜10の態様のいずれかに係る圧電トランスデューサ1を複数備える。
Further, the
上記の構成によれば、圧電トランスデューサ1の第二圧電領域R5は、圧電部3の厚み方向(Z軸方向)から見て第一圧電領域R4を囲む領域に位置する。したがって、第一圧電領域R4と第二圧電領域R5とが厚み方向に重なっている場合と比較して、第一圧電領域R4の第一圧電層40の歪みにより第二圧電領域R5の第二圧電層50が歪む程度を低減させることができる。また、第二圧電層50の歪みにより第一圧電層40が歪む程度を低減させることができる。これにより、第一圧電領域R4及び第二圧電領域R5が交流電圧を振動に変換する特性又は振動を交流電圧に変換する特性を向上させることができる。また、圧電モジュール10は、圧電トランスデューサ1を複数備える。これにより、圧電トランスデューサ1を1つのみ用いる場合と比較して、第一圧電領域R4及び第二圧電領域R5が交流電圧を振動に変換することによる出力をより大きくすることができる、又は、振動を交流電圧に変換する感度をより大きくすることができる。
According to the above configuration, the second piezoelectric region R5 of the
第2〜10の態様に係る構成については、圧電トランスデューサ1に必須の構成ではなく、適宜省略可能である。
The configuration according to the second to tenth aspects is not an essential configuration for the
1 圧電トランスデューサ
10 圧電モジュール
2 支持部
21 第一面(面)
23 空洞
211 内縁
3 圧電部
40 第一圧電層
41 第一電極
42 第二電極
50 第二圧電層
51 第三電極
52 第四電極
R4 第一圧電領域
R5 第二圧電領域
1
23
Claims (11)
前記支持部により支持され、前記空洞を厚み方向の一方側から覆う板状の圧電部と、を備え、
前記圧電部は、
第一電極と、
第二電極と、
前記厚み方向において前記第一電極と前記第二電極との間に挟まれた第一圧電層と、
第三電極と、
第四電極と、
前記厚み方向において前記第三電極と前記第四電極との間に挟まれた第二圧電層と、を含み、
前記第一圧電層の少なくとも一領域は、前記厚み方向と直交する方向において前記第二圧電層の少なくとも一領域に重なり、
前記圧電部は、
前記第一電極と前記第二電極と前記第一圧電層とが前記厚み方向において前記空洞に重なる第一圧電領域、及び、
前記第三電極と前記第四電極と前記第二圧電層とが前記厚み方向において前記空洞に重なる第二圧電領域を含み、
前記第二圧電領域は、前記厚み方向から見て前記第一圧電領域を囲む領域に位置する
圧電トランスデューサ。 A frame-shaped support with a cavity formed inside,
A plate-shaped piezoelectric portion that is supported by the support portion and covers the cavity from one side in the thickness direction is provided.
The piezoelectric part is
With the first electrode
With the second electrode
A first piezoelectric layer sandwiched between the first electrode and the second electrode in the thickness direction,
With the third electrode
With the 4th electrode
A second piezoelectric layer sandwiched between the third electrode and the fourth electrode in the thickness direction is included.
At least one region of the first piezoelectric layer overlaps with at least one region of the second piezoelectric layer in a direction orthogonal to the thickness direction.
The piezoelectric part is
A first piezoelectric region in which the first electrode, the second electrode, and the first piezoelectric layer overlap the cavity in the thickness direction, and
A second piezoelectric region in which the third electrode, the fourth electrode, and the second piezoelectric layer overlap the cavity in the thickness direction is included.
The second piezoelectric region is a piezoelectric transducer located in a region surrounding the first piezoelectric region when viewed from the thickness direction.
請求項1記載の圧電トランスデューサ。 The piezoelectric transducer according to claim 1, wherein both ends of the second piezoelectric layer are located between both ends of the first piezoelectric layer in the thickness direction.
前記第三電極及び前記第四電極は、前記第二圧電領域で生じる交流電圧の取り出し用の電極である
請求項1又は2に記載の圧電トランスデューサ。 The first electrode and the second electrode are electrodes for applying an AC voltage to the first piezoelectric layer.
The piezoelectric transducer according to claim 1 or 2, wherein the third electrode and the fourth electrode are electrodes for extracting an AC voltage generated in the second piezoelectric region.
前記第三電極及び前記第四電極は、前記第二圧電層への交流電圧の印加用の電極である
請求項1又は2に記載の圧電トランスデューサ。 The first electrode and the second electrode are electrodes for extracting an AC voltage generated in the first piezoelectric region.
The piezoelectric transducer according to claim 1 or 2, wherein the third electrode and the fourth electrode are electrodes for applying an AC voltage to the second piezoelectric layer.
前記第三電極及び前記第四電極は、前記第二圧電層への交流電圧の印加用の電極である
請求項1又は2に記載の圧電トランスデューサ。 The first electrode and the second electrode are electrodes for applying an AC voltage to the first piezoelectric layer.
The piezoelectric transducer according to claim 1 or 2, wherein the third electrode and the fourth electrode are electrodes for applying an AC voltage to the second piezoelectric layer.
前記第三電極及び前記第四電極は、前記第二圧電領域で生じる交流電圧の取り出し用の電極である
請求項1又は2に記載の圧電トランスデューサ。 The first electrode and the second electrode are electrodes for extracting an AC voltage generated in the first piezoelectric region.
The piezoelectric transducer according to claim 1 or 2, wherein the third electrode and the fourth electrode are electrodes for extracting an AC voltage generated in the second piezoelectric region.
請求項3記載の圧電トランスデューサ。 The piezoelectric transducer according to claim 3, wherein the piezoelectric constant d 31 of the first piezoelectric layer is larger than the piezoelectric constant d 31 of the second piezoelectric layer.
請求項1〜7のいずれか一項に記載の圧電トランスデューサ。 The piezoelectric transducer according to any one of claims 1 to 7, wherein the first electrode, the second electrode, the third electrode, and the fourth electrode are electrically insulated from each other.
請求項1〜8のいずれか一項に記載の圧電トランスデューサ。 Any one of claims 1 to 8, wherein at least a part of the second piezoelectric region is along the inner edge of the cavity side of the surface of the support portion on the piezoelectric portion side when viewed from the thickness direction. Piezoelectric transducers described in.
請求項1〜9のいずれか一項に記載の圧電トランスデューサ。 The piezoelectric transducer according to any one of claims 1 to 9, wherein the second piezoelectric region straddles the cavity and the support portion when viewed from the thickness direction.
圧電モジュール。 A piezoelectric module including a plurality of piezoelectric transducers according to any one of claims 1 to 10.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017181581A JP2021007118A (en) | 2017-09-21 | 2017-09-21 | Piezoelectric transducer and piezoelectric module |
PCT/JP2018/032951 WO2019058978A1 (en) | 2017-09-21 | 2018-09-06 | Piezoelectric transducer and piezoelectric module |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017181581A JP2021007118A (en) | 2017-09-21 | 2017-09-21 | Piezoelectric transducer and piezoelectric module |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2021007118A true JP2021007118A (en) | 2021-01-21 |
Family
ID=74165351
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2017181581A Pending JP2021007118A (en) | 2017-09-21 | 2017-09-21 | Piezoelectric transducer and piezoelectric module |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2021007118A (en) |
-
2017
- 2017-09-21 JP JP2017181581A patent/JP2021007118A/en active Pending
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