JP7099617B2 - 圧電デバイス - Google Patents

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Description

本発明は、圧電デバイスに関する。
特許文献１～４には、指紋等の生体情報を検知するために用いられる圧電デバイスが開示されている。
特許文献１には、圧電セラミック要素のアレイと、一組の電子機器とを備えるバイオメトリック感知装置が開示されている。特許文献１に記載のバイオメトリック感知装置において、上記電子機器及び要素は、指の指紋の少なくとも１つの２次元画像をエンコードする第１の組のデータを得るための第１のモードで動作可能であり、かつ上記指内に埋め込まれた組織内に位置する１つ以上の皮下組織構造の少なくとも１つの３次元表現をエンコードする第２の組のデータを得るための第２のモードで動作可能である。特許文献１には、上記要素が１－３コンポジットから構成されることが記載されており、図１Ｂには、柱状の要素の間が充填材料で埋められた１－３コンポジットの構造が示されている。
特許文献２には、指紋等の生体測定データ又は情報を取得するための圧電デバイスとして、感知要素のアレイを備える感知デバイスが開示されている。特許文献２に記載の感知デバイスにおいて、上記感知要素は、音響インピディオグラフィ原理に基づいて動作する。特許文献２の図６及び図７Ａには、特許文献１と同様に、柱状の圧電セラミック要素の間が充填材料で埋められた１－３コンポジットの構造が示されている。特許文献２には、指紋の隆起（山）によって要素に与えられる負荷と指紋のくぼみ（谷）によって要素に与えられる負荷との違いを利用して、指紋を画像化することが記載されている。
特許文献３及び４にも、音響インピディオグラフィ原理に基づく感知デバイスが開示されており、ポリマー等のマトリクス材料の中に圧電ピラーが埋め込まれた１－３コンポジットの構造が記載されている。特許文献３及び４には、ピラーが縦モードで振動すると剪断波が発生し、これらの剪断波がエネルギーの実質的な損失を生じさせることにより、ピラーの振動を減衰させていることが記載されている。特許文献３及び４では、マトリクス材料内の剪断波の発生及び伝搬を考慮した結果、近傍のピラーが剪断波を反射して、剪断波が発生したピラーに返すようにピラーを配列させており、具体的には、ピラー間の距離が剪断波の１／４波長である場合に剪断波の反射効果が最適化されることが記載されている。
米国特許出願公開第２０１４／０２１９５２１号明細書（特表２０１６－５１３９８３号公報） 米国特許出願公開第２０１０／０２３７９９２号明細書（特表２０１２－５２１５９７号公報） 米国特許出願公開第２００９／０２７９７４７号明細書（特表２０１１－５２４０３６号公報） 米国特許出願公開第２００９／０２７９７５１号明細書（米国特許第８，３３５，３５６号明細書）
特許文献１及び２では、１－３コンポジットの構造について説明されているものの、どのような構造であれば特性が向上するかについては記載も示唆もされていない。一方、特許文献３及び４では、マトリクス材料内に伝わる剪断波の波長とピラー間の距離との関係に着目したものではあるが、実用的であるとは言い難かった。
本発明者は、１－３コンポジットの構造が特性に与える影響を検討した結果、圧電ピラーの隙間に充填される樹脂部の厚み縦方向の共振周波数も特性に影響することが判明した。しかし、従来の技術では、樹脂部の厚み縦方向の共振周波数については設計時に考慮されていないため、樹脂部の振動によって圧電ピラーの振動が阻害されるという問題が生じていた。また、従来の技術では、上記問題を回避する設計指針が示されていなかった。
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、樹脂部の振動に起因する圧電ピラーの振動特性の悪化を低減できる圧電デバイスを提供することを目的とする。
本発明の圧電デバイスは、圧電セラミックで構成される柱状の圧電ピラーを複数本含み、上記複数本の圧電ピラーは、その高さ方向が平行となるように行方向及び列方向に沿って２次元アレイ状に配置された圧電アレイと、上記複数本の圧電ピラーの隙間に充填された樹脂部と、上記列方向に延びる第１電極線を複数本含み、上記複数本の第１電極線は、上記圧電アレイの上記列方向に沿って並んで配置され、上記圧電ピラーの第１端部に接続された第１電極と、上記行方向に延びる第２電極線を複数本含み、上記複数本の第２電極線は、上記圧電アレイの上記行方向に沿って並んで配置され、上記圧電ピラーの第２端部に接続された第２電極と、を備える圧電デバイスであって、上記圧電ピラー及び上記樹脂部は、いずれも厚み縦振動モードで共振振動し、上記圧電ピラーの共振周波数に対して上記樹脂部の共振周波数が１５％以上高い。
本発明によれば、樹脂部の振動に起因する圧電ピラーの振動特性の悪化を低減できる圧電デバイスを提供することができる。
図１は、本発明の圧電デバイスの一例を模式的に示す斜視図である。 図２は、図１に示す圧電デバイスの分解斜視図である。 図３（ａ）は、圧電ピラーの厚み縦振動モードの説明図である。図３（ｂ）は、圧電ピラーの共振時の変位図である。 図４（ａ）は、樹脂部の厚み縦振動モードの説明図である。図４（ｂ）は、樹脂部の共振時の変位図である。 図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）及び図５（ｄ）は、図１に示す圧電デバイスの各断面図である。 図６は、圧電ピラーの変位の周波数依存性を示すグラフである。 図７は、圧電ピラーの共振周波数と樹脂部の共振周波数との差の影響を示すグラフである。 図８は、圧電ピラーの１本のサイズに対する共振抵抗の変化率の関係を示すグラフである。 図９は、超音波による指紋の検知原理を模式的に示す説明図である。 図１０は、実施例１の圧電デバイスの代表例を模式的に示す平面図である。 図１１は、圧電ピラーのサイズを変化させたときのＦＥＭ解析結果を示すグラフである。 図１２は、圧電ピラーのサイズと圧電ピラーの変位とのＦＥＭ解析結果を示すグラフである。 図１３は、実施例２の圧電デバイスの代表例を模式的に示す断面図である。 図１４は、樹脂部の厚みを変化させたときのＦＥＭ解析結果を示すグラフである。 図１５（ａ）、図１５（ｂ）及び図１５（ｃ）は、実施例３の圧電デバイスの代表例を模式的に示す平面図である。図１５（ｄ）は、樹脂部を覆う電極線の幅が圧電ピラーを覆う電極線の幅と同等である圧電デバイスを模式的に示す平面図である。 図１６は、樹脂部を覆う電極の幅を変化させたときのＦＥＭ解析結果を示すグラフである。 図１７は、実施例３の圧電デバイスの変形例を模式的に示す平面図である。 図１８は、実施例４の圧電デバイスの代表例を模式的に示す断面図である。 図１９は、実施例５の圧電デバイスの代表例を模式的に示す断面図である。 図２０は、樹脂部にずれる電極線のカバー率が７５％である場合のインピーダンス波形の実測値を示すグラフである。 図２１は、樹脂部にずれる電極線のカバー率を変化させたときのＦＥＭ解析結果を示すグラフである。 図２２は、樹脂部にずれる電極線のカバー率が８０％である場合の樹脂部の共振時の変位図である。 図２３は、樹脂部にずれる電極線のカバー率と樹脂部の共振の変位との関係を示すグラフである。 図２４（ａ）は、細かい番手で研削した際の写真である。図２４（ｂ）は、粗い番手で研削した際の写真である。 図２５（ａ）は、圧電ピラーの周囲が２μｍ凹んだモデルを示す斜視図である。図２５（ｂ）は、図２５（ａ）に示すモデルの断面図である。 図２６は、図２５（ａ）及び図２５（ｂ）に示すモデルのＦＥＭ解析結果を示すグラフである。変位モニター部分は樹脂部である。
以下、本発明の圧電デバイスについて説明する。
しかしながら、本発明は、以下の構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において適宜変更して適用することができる。なお、以下において記載する本発明の個々の望ましい構成を２つ以上組み合わせたものもまた本発明である。
図１は、本発明の圧電デバイスの一例を模式的に示す斜視図である。図２は、図１に示す圧電デバイスの分解斜視図である。
図１に示す圧電デバイス１は、図２に示すように、圧電アレイ１０と、樹脂部２０と、第１電極３０と、第２電極４０とを備える。
圧電アレイ１０は、図２に示すように、柱状の圧電ピラー１１を複数本含む。複数本の圧電ピラー１１は、その高さ方向（厚み方向）が平行となるように行方向及び列方向に沿って２次元アレイ状に配置されている。圧電アレイ１０の行方向及び列方向と直交する方向を圧電アレイ１０の厚み方向としたとき、圧電アレイ１０の厚み方向は、圧電ピラー１１の高さ方向と平行である。また、圧電アレイ１０の行方向及び列方向は、互いに直交することが望ましい。
圧電ピラー１１は、高さ方向に分極処理が行われている。分極方向は、高さ方向であれば上方向でも下方向でも構わないが、すべての圧電ピラー１１で同じ方向にしておく必要がある。
圧電ピラー１１は、圧電セラミックで構成される。圧電セラミックは、上下方向の圧電定数ｄ３３が高い方が望ましく、例えば、ソフト材が使用される。
圧電アレイ１０のピッチは、連邦捜査局（ＦＢＩ）が採用している指紋の解像度５００ｄｐｉを参考にしており、例えば、５０．８μｍのピッチで圧電ピラー１１が配列される。圧電ピラー１１のピッチは、行方向及び列方向で同じであることが望ましい。
指紋等の生体情報を検知するために充分な面積を確保する観点から、圧電アレイ１０は、例えば、１２０行×１２０列＝１４，４００本の圧電ピラー１１で構成される。
圧電ピラー１１の形状は、四角柱であることが望ましいが、円柱であってもよい。圧電ピラー１１の形状が四角柱である場合、圧電アレイ１０の厚み方向から見た圧電ピラー１１の平面形状は、正方形であることが望ましい。
圧電ピラー１１の高さ（厚み）は、後述する厚み縦振動の共振周波数に関わる。医療で使用される超音波エコーの周波数は２．５ＭＨｚ以上３．５ＭＨｚ以下であることが一般的だが、指紋や微小な血管等の生体情報を検知するためには、より平面方向の分解能が要求される。その場合、およそ２０ＭＨｚの周波数が適当であるため、厚み縦振動の共振周波数を２０ＭＨｚ付近に合わせようとすると、圧電ピラー１１の高さは７０μｍに設定される。
樹脂部２０は、圧電アレイ１０を構成する複数本の圧電ピラー１１の隙間に充填されている。言い換えると、樹脂部２０には、複数本の圧電ピラー１１が埋め込まれている。圧電アレイ１０及び樹脂部２０により１－３コンポジットが構成される。
樹脂部２０には、圧電ピラー１１を独立に振動させつつ、それぞれの圧電ピラー１１の配列を保持する役割がある。
図１及び図２では、樹脂部２０の厚みは、圧電ピラー１１の高さと同一である。しかし、樹脂部２０の厚み方向の共振を高周波に配置することを考えると、圧電ピラー１１の高さよりも樹脂部２０の厚みが小さいことが望ましい。
第１電極３０は、駆動用の電極（Ｔｘ用電極）である。第１電極３０は、図２に示すように、列方向に延びる第１電極線３１を複数本含む。複数本の第１電極線３１は、圧電アレイ１０の列方向に沿って並んで配置され、圧電ピラー１１の第１端部１１ａに接続されている。図１及び図２では、第１電極線３１は圧電ピラー１１の上端に接続され、圧電アレイ１０の列方向の同一直線状のすべての圧電ピラー１１に接続されている。例えば、圧電アレイ１０が１２０行×１２０列＝１４，４００本の圧電ピラー１１で構成される場合、第１電極３０は１２０列の第１電極線３１で構成され、すべての圧電ピラー１１の上端をカバーする。
第２電極４０は、受信用の電極（Ｒｘ用電極）である。第２電極４０は、図２に示すように、行方向に延びる第２電極線４１を複数本含む。複数本の第２電極線４１は、圧電アレイ１０の行方向に沿って並んで配置され、圧電ピラー１１の第２端部１１ｂに接続されている。図１及び図２では、第２電極線４１は圧電ピラー１１の下端に接続され、圧電アレイ１０の行方向の同一直線状のすべての圧電ピラー１１に接続されている。例えば、圧電アレイ１０が１２０行×１２０列＝１４，４００本の圧電ピラー１１で構成される場合、第２電極４０は１２０行の第２電極線４１で構成され、すべての圧電ピラー１１の下端をカバーする。
ここで、超音波を出力させるときの駆動方法と超音波の受信方法について説明する。例えば、図１に示す圧電デバイス１を構成する圧電アレイ１０の中央の圧電ピラー１１を駆動させる場合、第１電極３０の中央の第１電極線３１に駆動用の電圧（例えば、２０ＭＨｚ、１０Ｖｐｐなど）を掛け、第２電極４０の中央の第２電極線４１をグランド（ＧＮＤ）にすれば、中央の圧電ピラー１１が振動する。その他の電極線は浮き電極である。一方、中央の圧電ピラー１１で超音波を受信する場合には、第１電極３０の中央の第１電極線３１をＧＮＤにして、第２電極４０の中央の第２電極線４１の電圧を取り出せば、超音波を検知することができる。
図１に示す圧電デバイス１では、圧電ピラー１１及び樹脂部２０は、いずれも厚み縦振動モードで共振振動する。
図３（ａ）は、圧電ピラーの厚み縦振動モードの説明図である。
図３（ａ）に示すように、圧電ピラー１１の厚み縦振動モードとは、１－３コンポジットの厚み方向、すなわち、圧電アレイ１０及び樹脂部２０の厚み方向に圧電ピラー１１が振動するモードであり、圧電ピラー１１の上端と下端が逆位相（上端が上に変位したときに下端は下に変位する）で振動するモードである。
図３（ｂ）は、圧電ピラーの共振時の変位図である。
図３（ｂ）に示すコンター図は、図１及び図２に示すモデルをＦＥＭ（有限要素法、Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ）で解析した変位図である。図３（ｂ）では、中央の圧電ピラーを圧電ピラーの厚み縦振動の共振点で振動させており、変位量の大小が色分けされている。図３（ｂ）に示すように、中央の圧電ピラーだけを振動させた場合であっても、周囲の圧電ピラーの共振周波数も中央の圧電ピラーの周波数と同じであるため、周囲の圧電ピラーも影響を受けて振動している。なお、厚み縦振動には厚みが影響し、厚みが大きくなると波長が長くなるため、厚み縦振動の共振周波数は低くなる。
同様に、図４（ａ）は、樹脂部の厚み縦振動モードの説明図である。図４（ｂ）は、樹脂部の共振時の変位図である。
樹脂部２０の厚みは圧電ピラー１１の高さとほぼ同じであるため、樹脂部２０の厚み縦振動の共振周波数は、圧電ピラー１１の共振の近辺であることが多い。また、厚み縦振動には、厚みの他に、音速（ヤング率、密度）や振動面積の広さも影響する。一般に、圧電ピラー１１のサイズの方が樹脂部２０のサイズに比べて大きいため、樹脂部２０の共振周波数は圧電ピラー１１の共振周波数よりも高周波にある。
しかし、樹脂部の共振周波数が圧電ピラーの共振周波数に近づくと、圧電ピラーの振動が阻害されてしまう。
図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）及び図５（ｄ）は、図１に示す圧電デバイスの各断面図である。図５（ａ）はＡ－Ａ線断面図、図５（ｂ）はＢ－Ｂ線断面図、図５（ｃ）及び図５（ｄ）はＣ－Ｃ線断面図を示している。
図５（ａ）に示すように、樹脂部２０の領域で第１電極３０がない部分では全体の厚みが小さいため、より高周波に共振がある。これに対し、図５（ｂ）及び図５（ｃ）に示すように、第１電極３０がある部分では周波数が低くなるため、樹脂部２０の共振周波数は圧電ピラー１１の共振周波数に近くなる。さらに、図５（ｄ）に示すように、第１電極３０のパターンがずれてしまうと、樹脂部２０が第１電極３０及び第２電極４０の両方で挟まれることにより、樹脂部２０の共振周波数が圧電ピラー１１の共振周波数により近くなり、特性が悪化する原因になる。
本発明の圧電デバイスでは、圧電ピラーの共振周波数に対して樹脂部の共振周波数が１５％以上高いことを特徴としている。これにより、樹脂部の振動に起因する圧電ピラーの振動特性の悪化を軽減できる。
圧電ピラーを圧電ピラーの共振周波数で駆動する場合、圧電ピラーの共振周波数と樹脂部の共振周波数が近いと、圧電ピラーの振動の位相と樹脂部の振動の位相とが異なるため、振動が打ち消し合う形となってしまう。さらに、樹脂部の共振周波数と近いところで圧電ピラーが駆動することになるため、樹脂部の振幅が大きくなり、振動を打ち消し合う力が大きくなる。
図６は、圧電ピラーの変位の周波数依存性を示すグラフである。
図６には、圧電ピラーを共振周波数付近で駆動させたときの変位が示されている。共振周波数から高周波側に７．５％のところに、ピークに対して１／２の変位となる周波数がある。当然、樹脂部の共振が７．５％より近づくと、圧電ピラーの振動に大きく影響を与えると考えられる。一方、樹脂部の共振が１５％以上離れると、圧電ピラーの振動自体が１／４以下になるため、圧電ピラーの振動に対する影響が小さくなると予想できる。
図７は、圧電ピラーの共振周波数と樹脂部の共振周波数との差の影響を示すグラフである。図７には、圧電アレイのピッチに対して圧電ピラーの１本のサイズが６０％又は８０％であり、圧電アレイの厚み方向から見た平面形状が正方形である圧電ピラーのインピーダンス波形の実験値が示されている。なお、圧電ピラーの１本のサイズとは、圧電ピラーの上端から下端までの平均を意味する。
図７に示すインピーダンス波形では、インピーダンスが一番小さい周波数（図７中、Ａ１又はＡ２で示す点）が共振点であり、その点のインピーダンスを共振抵抗と言う。一般的に、共振抵抗が小さいほど良い振動子と見なされる。図７に示すインピーダンス波形では、途中に凹んだ点（図７中、Ｂ１又はＢ２で示す点）がある。これは樹脂部の共振による影響であり、この点を樹脂部の共振周波数と見なすことができる。圧電ピラーの１本のサイズが６０％である場合は点Ｂ２で示す周波数１１％付近、８０％である場合は点Ｂ１で示す周波数１９％付近に樹脂部の共振周波数がある。また、圧電ピラーの１本のサイズが６０％である場合の共振抵抗が点Ａ２で示す１１６Ωであるのに対して、８０％である場合の共振抵抗は点Ａ１で示す３１Ωであるため、１／４程度小さくなっている。
図８は、圧電ピラーの１本のサイズに対する共振抵抗の変化率の関係を示すグラフである。図８には、ＦＥＭによる計算値が示されている。
圧電ピラーの１本のサイズを６０％から８０％に変更する場合、圧電ピラーの１本のサイズは面積で２倍近く大きくなるため、図８に示すように原理的には共振抵抗が１／２になるはずである。これに対し、図７に示すように共振抵抗が１／４程度小さくなるのは、樹脂部の振動の影響が小さくなったからに他ならないと考えられる。
本発明の圧電デバイスにおいて、樹脂部の共振周波数は、圧電ピラーの共振周波数に対して２００％以下であることが望ましい。樹脂部の共振周波数が圧電ピラーの共振周波数に対して２００％を超えることは、樹脂部のヤング率が高くなること、もしくは樹脂部の領域が小さいことを意味するため、圧電ピラー間の樹脂が実質的に硬いことを意味する。つまり、圧電ピラー同士の独立性が悪くなるため、解像度が悪くなる。また、圧電ピラー間の樹脂が硬いということは、圧電ピラーの振動を阻害し、振幅が小さくなる弊害がある。
本発明の圧電デバイスは、例えば、指紋や微小な血管等の生体情報を検知するために用いることができる。そのため、指紋センサ等の生体認証に用いることができる。
図９は、超音波による指紋の検知原理を模式的に示す説明図である。
図９では、下から順に、指紋センサ５１、第１機能性フィルム５２、有機ＥＬ（ＯＬＥＤ）ディスプレイ５３、第２機能性フィルム５４、カバーガラス５５及び指紋５６が配置されている。指紋５６は、山の部分と谷の部分を備えており、指紋５６の山がカバーガラス５５の表面に接触しており、指紋５６の谷はカバーガラス５５の表面に接触していない。指紋センサ５１として、例えば、図１及び図２に示す圧電デバイス１が用いられる。指紋センサ５１の圧電ピラー１１を振動させることで、指紋５６が存在する方向へ超音波を発生させることができる。超音波を発生した圧電ピラー１１の直上に指紋５６の山が存在する場合、超音波が指の中に進入していき、反射はあまり起こらない。一方、超音波を発生した圧電ピラー１１の直上に指紋５６の谷が存在する場合、カバーガラス５５と指紋５６との間に空気層が存在する。ガラスと空気の音響インピーダンスは大きく異なる（ガラス：１３．２×１０６ｋｇ／ｍ２・ｓ、空気：４２８ｋｇ／ｍ２・ｓ）ため、すべての超音波が反射して圧電ピラー１１に戻ってくる。圧電ピラー１１は戻ってきた超音波により振動し、電気信号を出力する。これにより、指紋を検知することができる。
以下、本発明の圧電デバイスをより具体的に開示した実施例を示す。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。また、異なる実施例で示した構成の部分的な置換又は組み合わせが可能である。
（実施例１）
実施例１の圧電デバイスでは、圧電ピラーの共振周波数に対して樹脂部の共振周波数が１５％以上高く、圧電アレイの厚み方向から平面視したとき、圧電アレイの１ドットの面積に対して圧電ピラーの１本の面積が４９％以上である。
例えば、圧電アレイの厚み方向から見た圧電ピラーの平面形状が正方形又は円形である場合、圧電ピラーの共振周波数に対して樹脂部の共振周波数が１５％以上高く、厚み方向から平面視したとき、圧電アレイのピッチに対して圧電ピラーの１本のサイズが７０％以上である。
図１０は、実施例１の圧電デバイスの代表例を模式的に示す平面図である。
図１０には、圧電ピラー１１のサイズをＤＰ、圧電アレイ１０のピッチをＤＡ、圧電ピラー１１の面積をＳＰ、圧電アレイ１０の１ドットの面積をＳＤで示している。
ここで、圧電ピラー１１のサイズ及び面積は、圧電ピラー１１の上端から下端までの平均を意味する。同様に、圧電アレイ１０のピッチ及び１ドットの面積は、圧電アレイ１０の上端から下端までの平均を意味する。
図１１は、圧電ピラーのサイズを変化させたときのＦＥＭ解析結果を示すグラフである。変位モニター部分は樹脂部であり、具体的には、樹脂部に電極が覆われた部分の変位である。
図１１中、低周波（左側）のピークは圧電ピラーの共振によるもの、高周波（右側）のピークは樹脂部の共振によるものである。図１１より、圧電ピラーのサイズが大きくなると樹脂部の共振は高周波に移動し、ピークの変位も小さくなることが分かる。
実施例１において、圧電ピラーの１本のサイズは、圧電アレイのピッチに対して７０％以上である限り特に限定されないが、樹脂部が小さくなると圧電ピラー間の距離が近くなるため、全体的に硬くなり、圧電ピラーの変位が小さくなる。
図１２は、圧電ピラーのサイズと圧電ピラーの変位とのＦＥＭ解析結果を示すグラフである。
図１２では、圧電ピラーのサイズが７０％以上であれば樹脂部の共振の影響がない状態であるが、圧電ピラーのサイズが８４％を超えると柔らかい樹脂部が小さくなるため、変位がむしろ小さくなる。
図１２の結果より、圧電ピラーの１本のサイズは、圧電アレイのピッチに対して８４％以下であることが望ましい。同様に、圧電ピラーの１本の面積は、圧電アレイの１ドットの面積に対して７１％以下であることが望ましい。
実施例１の圧電デバイスは、以下に示す少なくとも１つの構成を有してもよい。
・圧電ピラーの高さよりも樹脂部の厚みが小さい。
・第１電極及び第２電極の少なくとも一方において、樹脂部を覆う電極線の幅が圧電ピラーを覆う電極線の幅よりも小さい。
・第１電極及び第２電極の少なくとも一方において、樹脂部を覆う電極線の厚みが圧電ピラーを覆う電極線の厚みよりも小さい。
・第１電極及び第２電極の少なくとも一方において、樹脂部にずれる電極線のカバー率が３０％以下である。
・圧電ピラーの第１端部及び第２端部の少なくとも一方において、圧電ピラーの周囲の凹みの長さが圧電ピラーの周囲の長さに対して５０％以下である。
（実施例２）
実施例２の圧電デバイスでは、圧電ピラーの共振周波数に対して樹脂部の共振周波数が１５％以上高く、圧電ピラーの高さよりも樹脂部の厚みが小さい。
図１３は、実施例２の圧電デバイスの代表例を模式的に示す断面図である。
図１３では、圧電ピラー１１の高さよりも樹脂部２０の厚みが小さく、圧電ピラー１１の上下面に対して小さくなっている。圧電ピラー１１の高さよりも樹脂部２０の厚みが小さい限り、圧電ピラー１１の上面のみに対して小さくてもよく、下面のみに対して小さくてもよい。
通常、圧電デバイスは、研削もしくは研磨によって所望の厚みに加工される。このとき、セラミックは硬いため削れやすく、樹脂は柔らかいため削れにくい。さらに、砥石などで加圧しながら削ると、樹脂は柔らかいため容易に縮むが、セラミックは硬いため縮むことができない。したがって、セラミックが先に削れていく。その結果、圧電ピラーの高さに比べて樹脂部の厚みの方が大きくなりやすい。しかし、樹脂部の厚みが大きいと、樹脂部の共振が低周波にシフトするため、圧電ピラーの振動に悪影響を与える。そこで、機械的に研削もしくは研磨をした後、Ｏ２プラズマなどによるアッシングで樹脂部を焼き飛ばし、圧電ピラーよりも薄くすることにより、樹脂部の共振が高周波にシフトし、ピラーの振動特性を改善することができる。
図１４は、樹脂部の厚みを変化させたときのＦＥＭ解析結果を示すグラフである。変位モニター部分は樹脂部である。図１４には、７０μｍである圧電ピラーの高さに対して樹脂部の厚みが同等であるもの、上下面それぞれ２μｍ薄くしたもの、及び、上下面それぞれ２μｍ厚くしたものについてのＦＥＭ解析結果が示されている。図１４より、樹脂部の厚みが大きいと樹脂部の共振が圧電ピラーの共振に近くなることが分かる。
実施例２の圧電デバイスは、以下に示す少なくとも１つの構成を有してもよい。
・圧電アレイの厚み方向から平面視したとき、圧電アレイの１ドットの面積に対して圧電ピラーの１本の面積が４９％以上である。
・厚み方向から平面視したとき、圧電アレイのピッチに対して圧電ピラーの１本のサイズが７０％以上である。
・第１電極及び第２電極の少なくとも一方において、樹脂部を覆う電極線の幅が圧電ピラーを覆う電極線の幅よりも小さい。
・第１電極及び第２電極の少なくとも一方において、樹脂部を覆う電極線の厚みが圧電ピラーを覆う電極線の厚みよりも小さい。
・第１電極及び第２電極の少なくとも一方において、樹脂部にずれる電極線のカバー率が３０％以下である。
・圧電ピラーの第１端部及び第２端部の少なくとも一方において、圧電ピラーの周囲の凹みの長さが圧電ピラーの周囲の長さに対して５０％以下である。
（実施例３）
実施例３の圧電デバイスでは、圧電ピラーの共振周波数に対して樹脂部の共振周波数が１５％以上高く、第１電極及び第２電極の少なくとも一方において、樹脂部を覆う電極線の幅が圧電ピラーを覆う電極線の幅よりも小さい。
実施例３の圧電デバイスでは、第１電極及び第２電極のいずれか一方において、樹脂部を覆う電極線の幅が圧電ピラーを覆う電極線の幅よりも小さくてもよいし、第１電極及び第２電極の両方において、樹脂部を覆う電極線の幅が圧電ピラーを覆う電極線の幅よりも小さくてもよい。
図１５（ａ）、図１５（ｂ）及び図１５（ｃ）は、実施例３の圧電デバイスの代表例を模式的に示す平面図である。図１５（ｄ）は、樹脂部を覆う電極線の幅が圧電ピラーを覆う電極線の幅と同等である圧電デバイスを模式的に示す平面図である。
図１５（ａ）では、樹脂部２０を覆う第１電極線３１は、圧電アレイの厚み方向に貫通する開口３２を有する。図１５（ｂ）では、樹脂部２０を覆う第１電極線３１は、一辺に切り欠き３３を有する。図１５（ｃ）では、樹脂部２０を覆う第１電極線３１は、二辺に切り欠き３３を有する。
図１６は、樹脂部を覆う電極の幅を変化させたときのＦＥＭ解析結果を示すグラフである。変位モニター部分は樹脂部である。電極ａ、電極ｂ、電極ｃ及び電極ｄの平面形状は、それぞれ図１５（ａ）、図１５（ｂ）、図１５（ｃ）及び図１５（ｄ）に対応している。また、電極ａ、電極ｂ及び電極ｃは、電極ｄに比べて樹脂部を覆う電極線の幅の和が圧電ピラーを覆う電極線の幅の２／３になっている。図１６より、電極ａ、電極ｂ及び電極ｃでは、電極ｄに比べて樹脂部の共振が高周波に移動していることが分かる。また、電極ａのように、樹脂部を覆う電極線が開口を有すると、樹脂部の共振の変位が小さくなることが分かる。
図１７は、実施例３の圧電デバイスの変形例を模式的に示す平面図である。
図１７に示すように、樹脂部２０を覆う第１電極線３１が横に逃げるようなパターンであってもよい。
実施例３の圧電デバイスは、以下に示す少なくとも１つの構成を有してもよい。
・圧電アレイの厚み方向から平面視したとき、圧電アレイの１ドットの面積に対して圧電ピラーの１本の面積が４９％以上である。
・厚み方向から平面視したとき、圧電アレイのピッチに対して圧電ピラーの１本のサイズが７０％以上である。
・圧電ピラーの高さよりも樹脂部の厚みが小さい。
・第１電極及び第２電極の少なくとも一方において、樹脂部を覆う電極線の厚みが圧電ピラーを覆う電極線の厚みよりも小さい。
・第１電極及び第２電極の少なくとも一方において、樹脂部にずれる電極線のカバー率が３０％以下である。
・圧電ピラーの第１端部及び第２端部の少なくとも一方において、圧電ピラーの周囲の凹みの長さが圧電ピラーの周囲の長さに対して５０％以下である。
（実施例４）
実施例４の圧電デバイスでは、圧電ピラーの共振周波数に対して樹脂部の共振周波数が１５％以上高く、第１電極及び第２電極の少なくとも一方において、樹脂部を覆う電極線の厚みが圧電ピラーを覆う電極線の厚みよりも小さい。
実施例４の圧電デバイスでは、第１電極及び第２電極のいずれか一方において、樹脂部を覆う電極線の厚みが圧電ピラーを覆う電極線の厚みよりも小さくてもよいし、第１電極及び第２電極の両方において、樹脂部を覆う電極線の厚みが圧電ピラーを覆う電極線の厚みよりも小さくてもよい。
図１８は、実施例４の圧電デバイスの代表例を模式的に示す断面図である。
図１８では、樹脂部２０を覆う第１電極線３１の厚みが圧電ピラー１１を覆う第１電極線３１の厚みよりも小さい。
実施例４の圧電デバイスにおいても、実施例３の圧電デバイスと同様に、樹脂部の共振周波数を高周波化することができる。
実施例４の圧電デバイスは、以下に示す少なくとも１つの構成を有してもよい。
・圧電アレイの厚み方向から平面視したとき、圧電アレイの１ドットの面積に対して圧電ピラーの１本の面積が４９％以上である。
・厚み方向から平面視したとき、圧電アレイのピッチに対して圧電ピラーの１本のサイズが７０％以上である。
・圧電ピラーの高さよりも樹脂部の厚みが小さい。
・第１電極及び第２電極の少なくとも一方において、樹脂部を覆う電極線の幅が圧電ピラーを覆う電極線の幅よりも小さい。
・第１電極及び第２電極の少なくとも一方において、樹脂部にずれる電極線のカバー率が３０％以下である。
・圧電ピラーの第１端部及び第２端部の少なくとも一方において、圧電ピラーの周囲の凹みの長さが圧電ピラーの周囲の長さに対して５０％以下である。
（実施例５）
実施例５の圧電デバイスでは、圧電ピラーの共振周波数に対して樹脂部の共振周波数が１５％以上高く、第１電極及び第２電極の少なくとも一方において、樹脂部にずれる電極線のカバー率が３０％以下である。樹脂部にずれる電極線のカバー率は、０％であってもよい。
実施例５の圧電デバイスでは、第１電極及び第２電極のいずれか一方において、樹脂部にずれる電極線のカバー率が３０％以下であってもよいし、第１電極及び第２電極の両方において、樹脂部にずれる電極線のカバー率が３０％以下であってもよい。
図１９は、実施例５の圧電デバイスの代表例を模式的に示す断面図である。
図１９では、第１電極線３１が樹脂部２０にずれており、第１電極線３１の一部が樹脂部２０を覆っている。樹脂部２０にずれる第１電極線３１のカバー率とは、樹脂部２０の幅Ｗ２０に対する、樹脂部２０を覆う第１電極線３１の幅Ｗ３１の割合を意味する。樹脂部２０にずれる第２電極線４１のカバー率も同様に、樹脂部２０の幅Ｗ２０に対する、樹脂部２０を覆う第２電極線４１の幅Ｗ４１（図示せず）の割合を意味する。
図５（ｄ）において説明したように、樹脂部２０の上下面とも第１電極線３１及び第２電極線４１で覆われると、樹脂部２０の共振が低周波化し、かつ、振幅が大きくなる。
図２０は、樹脂部にずれる電極線のカバー率が７５％である場合のインピーダンス波形の実測値を示すグラフである。
図２０より、樹脂部にずれる電極線のカバー率が７５％であると、樹脂部の共振が多数発生していることが分かる。
図２１は、樹脂部にずれる電極線のカバー率を変化させたときのＦＥＭ解析結果を示すグラフである。変位モニター部分は樹脂部である。図２２は、樹脂部にずれる電極線のカバー率が８０％である場合の樹脂部の共振時の変位図である。
図２１及び図２２より、樹脂部にずれる電極線のカバー率が５０％よりも大きくなると、樹脂部の共振が多数発生していることが分かる。
図２３は、樹脂部にずれる電極線のカバー率と樹脂部の共振の変位との関係を示すグラフである。
図２１及び図２３より、樹脂部にずれる電極線のカバー率を３０％以下にすることにより、樹脂部の共振の発生が抑えられることが分かる。
実施例５の圧電デバイスは、以下に示す少なくとも１つの構成を有してもよい。
・圧電アレイの厚み方向から平面視したとき、圧電アレイの１ドットの面積に対して圧電ピラーの１本の面積が４９％以上である。
・厚み方向から平面視したとき、圧電アレイのピッチに対して圧電ピラーの１本のサイズが７０％以上である。
・圧電ピラーの高さよりも樹脂部の厚みが小さい。
・第１電極及び第２電極の少なくとも一方において、樹脂部を覆う電極線の幅が圧電ピラーを覆う電極線の幅よりも小さい。
・第１電極及び第２電極の少なくとも一方において、樹脂部を覆う電極線の厚みが圧電ピラーを覆う電極線の厚みよりも小さい。
・圧電ピラーの第１端部及び第２端部の少なくとも一方において、圧電ピラーの周囲の凹みの長さが圧電ピラーの周囲の長さに対して５０％以下である。
（実施例６）
実施例６の圧電デバイスでは、圧電ピラーの共振周波数に対して樹脂部の共振周波数が１５％以上高く、圧電ピラーの第１端部及び第２端部の少なくとも一方において、圧電ピラーの周囲の凹みの長さが圧電ピラーの周囲の長さに対して５０％以下である。圧電ピラーの周囲の凹みの長さは圧電ピラーの周囲の長さに対して０％であってもよい。
実施例６の圧電デバイスでは、圧電ピラーの第１端部及び第２端部のいずれか一方において、圧電ピラーの周囲の凹みの長さが圧電ピラーの周囲の長さに対して５０％以下であってもよいし、圧電ピラーの第１端部及び第２端部の両方において、圧電ピラーの周囲の凹みの長さが圧電ピラーの周囲の長さに対して５０％以下であってもよい。
第１電極及び第２電極のパターンは、通常、リソグラフィによる蒸着リフトオフにより形成される。微細な電極を形成しようとすると、１－３コンポジットを構成する圧電アレイ及び樹脂部の表面粗さを細かくする必要がある。この際、細かい番手で削ると、樹脂とセラミックとの界面付近のセラミックが脱粒を起こし、圧電ピラーの周囲に深さ数μｍ程度の凹みが形成されてしまう。これは、番手が細かいと効率良く削れないため、圧力をかけながら研削する必要があり、その圧力で周辺部のセラミックの脱粒を起こしてしまうためである。なお、脱粒とは、圧電ピラーを構成するセラミックのグレイン（粒径数μｍ）が剥がれることを意味する。
図２４（ａ）は、細かい番手で研削した際の写真である。セラミックや樹脂の表面は傷の少ない良好な状態であるが、白線で示した箇所において周辺部のセラミックの脱粒が起きている。一方、図２４（ｂ）は、粗い番手で研削した際の写真である。研削による傷が目立つが、白線で示すように周辺部のセラミックの脱粒はほとんど起きていない。
このようなセラミックの脱粒によって圧電ピラーの周囲が凹むと、樹脂部の共振が低周波化して振幅が大きくなるため、圧電ピラーの共振の阻害要因となる。
図２５（ａ）は、圧電ピラーの周囲が２μｍ凹んだモデルを示す斜視図である。図２５（ｂ）は、図２５（ａ）に示すモデルの断面図である。
図２６は、図２５（ａ）及び図２５（ｂ）に示すモデルのＦＥＭ解析結果を示すグラフである。変位モニター部分は樹脂部である。
図２６より、圧電ピラーの周囲が凹んでいないモデルに対して、圧電ピラーの周囲が２μｍ凹んだモデルでは、樹脂部の共振が低周波化し、振幅が大きくなっていることが分かる。
実施例６の圧電デバイスは、以下に示す少なくとも１つの構成を有してもよい。
・圧電アレイの厚み方向から平面視したとき、圧電アレイの１ドットの面積に対して圧電ピラーの１本の面積が４９％以上である。
・厚み方向から平面視したとき、圧電アレイのピッチに対して圧電ピラーの１本のサイズが７０％以上である。
・圧電ピラーの高さよりも樹脂部の厚みが小さい。
・第１電極及び第２電極の少なくとも一方において、樹脂部を覆う電極線の幅が圧電ピラーを覆う電極線の幅よりも小さい。
・第１電極及び第２電極の少なくとも一方において、樹脂部を覆う電極線の厚みが圧電ピラーを覆う電極線の厚みよりも小さい。
・第１電極及び第２電極の少なくとも一方において、樹脂部にずれる電極線のカバー率が３０％以下である。
その他、本発明の圧電デバイスは、上記実施例に限定されるものではなく、圧電デバイスの構成、製造条件等に関し、本発明の範囲内において、種々の応用、変形を加えることが可能である。
１ 圧電デバイス
１０ 圧電アレイ
１１ 圧電ピラー
１１ａ 圧電ピラーの第１端部
１１ｂ 圧電ピラーの第２端部
２０ 樹脂部
３０ 第１電極
３１ 第１電極線
３２ 開口
３３ 切り欠き
４０ 第２電極
４１ 第２電極線
５１ 指紋センサ
５２ 第１機能性フィルム
５３ 有機ＥＬ（ＯＬＥＤ）ディスプレイ
５４ 第２機能性フィルム
５５ カバーガラス
５６ 指紋
ＤＡ 圧電アレイのピッチ
ＤＰ 圧電ピラーのサイズ
ＳＤ 圧電アレイの１ドットの面積
ＳＰ 圧電ピラーの面積
Ｗ２０ 樹脂部の幅
Ｗ３１ 樹脂部を覆う第１電極線の幅

Claims (9)

  1. 圧電セラミックで構成される柱状の圧電ピラーを複数本含み、前記複数本の圧電ピラーは、その高さ方向が平行となるように行方向及び列方向に沿って２次元アレイ状に配置された圧電アレイと、
    前記複数本の圧電ピラーの隙間に充填された樹脂部と、
    前記列方向に延びる第１電極線を複数本含み、前記複数本の第１電極線は、前記圧電アレイの前記列方向に沿って並んで配置され、前記圧電ピラーの第１端部に接続された第１電極と、
    前記行方向に延びる第２電極線を複数本含み、前記複数本の第２電極線は、前記圧電アレイの前記行方向に沿って並んで配置され、前記圧電ピラーの第２端部に接続された第２電極と、を備える圧電デバイスであって、
    前記圧電ピラー及び前記樹脂部は、いずれも厚み縦振動モードで共振振動し、
    前記圧電ピラーの共振周波数に対して前記樹脂部の共振周波数が１５％以上高い、圧電デバイス。
  2. 前記圧電アレイの厚み方向から平面視したとき、前記圧電アレイの１ドットの面積に対して前記圧電ピラーの１本の面積が４９％以上である、請求項１に記載の圧電デバイス。
  3. 前記圧電アレイの厚み方向から平面視したとき、前記圧電アレイの１ドットの面積に対して前記圧電ピラーの１本の面積が７１％以下である、請求項２に記載の圧電デバイス。
  4. 前記圧電アレイの厚み方向から平面視したとき、前記圧電アレイのピッチに対して前記圧電ピラーの１本のサイズが７０％以上である、請求項１に記載の圧電デバイス。
  5. 前記圧電アレイの厚み方向から平面視したとき、前記圧電アレイのピッチに対して前記圧電ピラーの１本のサイズが８４％以下である、請求項４に記載の圧電デバイス。
  6. 前記圧電ピラーの高さよりも前記樹脂部の厚みが小さい、請求項１～５のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
  7. 前記第１電極及び前記第２電極の少なくとも一方において、前記樹脂部を覆う電極線の幅が前記圧電ピラーを覆う電極線の幅よりも小さい、請求項１～６のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
  8. 前記樹脂部を覆う電極線は、前記圧電アレイの厚み方向に貫通する開口を有する、請求項７に記載の圧電デバイス。
  9. 前記第１電極及び前記第２電極の少なくとも一方において、前記樹脂部を覆う電極線の厚みが、前記圧電ピラーを覆う電極線の厚みよりも小さい、請求項１～８のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
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