JP7124669B2 - 圧電デバイスおよび電子機器 - Google Patents

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Description

本発明は、圧電デバイスおよび電子機器に関する。
従来、振動板上に第1電極、圧電体層および第2電極が順に積層されて成る圧電素子を複数備える超音波デバイスなどの圧電デバイスが知られている(例えば特許文献1参照)。
特許文献1に記載の超音波デバイスでは、振動板上に複数の圧電素子が配置されており、各圧電素子の第1電極または第2電極に対して、複数の圧電素子毎に共通のバイパス配線(配線部)が電気的に接続されている。このバイパス配線は、振動板に対して圧電素子が配置された振動領域を迂回するように配置されており、各圧電素子の第1電極または第2電極に対して接続配線(接続部)を介して電気的に接続されている。
特開2018-107571号公報
上述した特許文献1に記載の圧電デバイスでは、圧電素子が電圧印加に応じて変形することにより、当該圧電素子が配置された振動板の振動領域が変形する。このとき、振動板において振動領域に隣り合う非振動領域には、振動領域の変形量に応じた応力が作用する。
しかし、振動板上に形成されるバイパス配線は、複数の圧電素子と電気的に接続される設計上、振動領域に隣り合う非振動領域に配置されている。このため、振動領域の変形時、非振動領域に作用する応力がバイパス配線に伝達し、バイパス配線にクラックが生じる恐れがある。
本発明の圧電デバイスは、開口部を有する基板と、前記基板と重なるように設けられ、前記基板の厚み方向からみた平面視で前記開口部と重なる振動領域を複数有する振動板と、前記振動領域に設けられた圧電素子と、前記振動板の前記振動領域外に設けられ、複数の前記圧電素子に電気的に接続されるバイパス配線と、を備え、前記バイパス配線には、当該バイパス配線を厚み方向に貫通するスリットが設けられていることを特徴とする。
本発明の圧電デバイスにおいて、前記バイパス配線には、複数の前記スリットが配線方向に沿って断続的に設けられていることが好ましい。
本発明の圧電デバイスにおいて、前記スリットは、前記バイパス配線を幅方向に分断しており、前記バイパス配線には、前記スリットにより分断された部位同士を電気的に接続し、前記バイパス配線よりも柔軟性の高い材料による補助配線が設けられていることが好ましい。
本発明の圧電デバイスにおいて、複数の前記スリットは、前記バイパス配線の幅方向に並んで設けられていることが好ましい。
本発明の電子機器は、上述したいずれかの圧電デバイスと、前記圧電デバイスを駆動する駆動回路と、前記駆動回路を介して前記圧電デバイスを制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
第1実施形態に係る圧電デバイスの概略構成を示す平面図。 図1の一部を示す拡大図。 図2のA-A線に対応した圧電デバイスの断面図。 図2のB-B線に対応した圧電デバイスの断面図。 第2実施形態に係る超音波センサーの概略構成を示すブロック図。 第1実施形態に係る圧電デバイスの変形例を示す図。 第1実施形態に係る圧電デバイスの変形例を示す図。
[第1実施形態]
本発明の一実施形態に係る圧電デバイス10について、図1~図4を参照して説明する。
図1は、圧電デバイス10の一部を厚み方向から見た平面図であり、図2は、図1の一部を示す拡大図である。図3は、図2のA-A線に対応した圧電デバイス10の断面図であり、図4は、図2のB-B線に対応した圧電デバイス10の断面図である。
(圧電デバイスの全体構成)
圧電デバイス10は、基板1と、基板1の一方側の主面に設けられた振動板2と、振動板2に設けられた複数の圧電素子3と、これらの圧電素子3を覆うように振動板2に接続された封止板4と、を備えている。なお、図1および図2では、封止板4の図示を省略している。
以降の説明にあたり、基板1の厚み方向をZ方向とし、Z方向に直交する2軸方向をそれぞれY方向およびX方向とする。
基板1は、シリコン等の半導体基板である。基板1には、基板1をZ方向に貫通する複数の開口部11が設けられている。開口部11は、X方向に沿って複数配置されており、開口部11のY方向に沿った長さ寸法は、開口部11のX方向に沿った長さ寸法に比べて大きく設定されている。
基板1のうち、開口部11を囲う部分を壁部12という。壁部12は、X方向に隣り合う開口部11を区画している。
基板1の開口部11内、すなわち、壁部12に囲まれる空間内には、シリコーン樹脂等による減衰層13が充填されている。この減衰層13は、後述する振動板2の振動が収束するまでの時間を短縮すると共に、後述する振動領域Ar同士の間の振動伝播(クロストーク)を抑制する機能を有する。
なお、開口部11に対する減衰層13の充填量は任意に設定可能であり、減衰層13が開口部11の全てを埋めていなくてもよい。または、開口部11に減衰層13が充填されていなくてもよい。
振動板2は、例えば酸化シリコンおよび酸化ジルコニウムによる積層体である。振動板2は、基板1の開口部11を塞ぐように、基板1の一方側の主面に設けられている。換言すると、振動板2は、基板1の壁部12により支持されている。振動板2のZ方向の厚み寸法は、基板1に対して十分小さい厚み寸法となる。
以下、振動板2のうち、Z方向の一方側の面を第1面2Aとし、Z方向の他方側の面を第2面2Bとする。振動板2の第1面2Aには、基板1が接しており、振動板2の第2面2Bには、複数の圧電素子3がアレイ状に設けられている。
封止板4は、振動板2上の複数の圧電素子3を収容するように設けられた複数の溝41を有しており、複数の圧電素子3毎に周囲の空間を封止している。
また、封止板4には、後述する第1電極端子31Pや第2電極端子33Pに接続する配線部(FPC等)を挿通させるための貫通孔(図示略)が設けられている。
封止板4は、溝41の底部側から振動板2側に突出した複数の隔壁42を有する。複数の隔壁42は、それぞれX方向に沿って延びており、Y方向に沿って所定間隔をあけて並んでいる。各隔壁42は、Y方向に隣り合う圧電素子3同士の間において、振動板2の第2面2Bに他部材(後述するバイパス配線51等)を介して接続している。
ここで、振動板2の第1面2A側には、基板1の壁部12が接続し、振動板2の第2面2B側には、封止板4の隔壁42が接続している。これにより、振動板2のうち、Z方向から見た平面視において、開口部11と重なる領域であって、かつ、平面視において壁部12および隔壁42によって周囲を囲われる各領域は、振動可能な振動領域Arとなる。換言すると、振動板2において、Y方向に隣り合う振動領域Arの間に壁部12が接している一方、X方向に隣り合う振動領域Arの間に隔壁42が接している。
圧電素子3は、第1電極31、圧電体32および第2電極33を有しており、これらは、振動板2の振動領域Arの第2面2B上に順に積層されている。第1電極31および第2電極33は、例えばイリジウムやチタン等の導電性層(単層または複層)によって構成され、圧電体32は、例えばPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)によって構成される。
圧電素子3は、振動板2の振動領域Ar毎に設けられており、振動領域Arと圧電素子3との組み合わせにより、1つの超音波トランスデューサーTrが構成される。本実施形態の圧電デバイス10には、Y方向およびX方向に沿って複数の超音波トランスデューサーTrがマトリクス状に配置されている。
超音波トランスデューサーTrでは、第1電極31および第2電極33の間に所定周波数のパルス波電圧が印加されることにより、圧電体32が撓んで振動領域Arが振動し、これにより超音波が送信される。
また、圧電デバイス10に向かって伝播した超音波が振動板2の振動領域Arを振動させると、当該振動領域Arにおける圧電体32の上下で電位差が発生する。このため、第1電極31および第2電極33間に発生する電位差を検出することにより、受信した超音波を検出することが可能となる。
なお、図1では、便宜上、実際よりも超音波トランスデューサーTrの数を減らして示している。
(配線の構成)
圧電デバイス10は、複数の第1電極31に接続された第1配線5と、複数の第2電極33に接続された第2配線6とを有している。
以下、第1配線5および第2配線6について説明する。なお、以下では、Y方向に並んだ圧電素子3の列を素子群3Aとする。
第1配線5は、振動板2の第2面2B上に設けられており、外部の駆動回路等に電気的に接続される第1バイパス配線51と、各圧電素子3の第1電極31と第1バイパス配線51とを接続する第1接続配線52とを含んでいる。なお、本実施形態では、2つの素子群3A毎に1つの第1配線5が配置されており、各第1配線5では、1つの第1バイパス配線51に対して複数の第1接続配線52が接続されている。
第1バイパス配線51は、振動板2の第2面2B上における振動領域Ar外に配置されており、Y方向またはX方向に沿って延びている。具体的には、第1バイパス配線51は、Y方向に沿って形成されたY方向バイパス配線511と、X方向に沿って形成された複数のX方向バイパス配線512とを有する。
Y方向バイパス配線511は、そのY方向の両端部が基板1の周縁部にまで引き出されており、当該両端部には第1電極端子31Pが設けられている。
X方向バイパス配線512は、Y方向に圧電素子3を挟んで複数配置されており、Y方向バイパス配線511と交差する部位において、当該Y方向バイパス配線511に接続されている。
第1接続配線52は、圧電素子3の第1電極31と、当該圧電素子3のY方向の一方側に配置されたX方向バイパス配線512とを接続している。圧電素子3の第1電極31には、Y方向の両側にそれぞれ、第1接続配線52が接続されている。
なお、本実施形態において、第1バイパス配線51および第1接続配線52は、一体的に形成されるものであり、これらの間に明確な境界は設けられていない。ただし、第1配線5のうち、第1バイパス配線51の幅方向の端部に対して第1接続配線52の配線方向の端部が接している位置を、第1バイパス配線51と第1接続配線52との境界とみなすことができる。
ここで、配線方向とは、振動板2の第2面2Bに平行な方向において配線の長手方向(配線の延伸方向;電流が導通する方向)に相当する方向である。また、配線の幅方向とは、振動板2の第2面2Bに平行な方向であってかつ配線方向に対して直交する方向である。配線の幅とは、上述の幅方向における配線の寸法である。
第2配線6は、振動板2の第2面2B上に設けられており、外部の駆動回路等に電気的に接続される第2バイパス配線61と、各圧電素子3の第2電極33と第2バイパス配線61とを接続する第2接続配線62とを含んでいる。なお、本実施形態では、Y方向において第1配線5と交互に第2配線6が配置されており、各第2配線6では、1つの第2バイパス配線61に対して複数の第2接続配線62が接続されている。
第2バイパス配線61は、振動板2の第2面2B上における振動領域Ar外に配置されており、Y方向に沿って延びている。バイパス配線61は、そのY方向の両端部が基板1の周縁部にまで引き出されており、当該両端部には第2電極端子33Pが設けられている。
第2接続配線62は、圧電素子3の第2電極33と、当該圧電素子3のX方向の一方側に配置された第2バイパス配線61とを接続している。圧電素子3の第2電極33には、X方向の一方側に第2接続配線62が接続されている。
なお、本実施形態では、圧電デバイス10をZ方向から見た平面視において、圧電素子3に対する四方側のうち、三方側に第1バイパス配線51が配置され、他の一方側に第2バイパス配線61が配置される。これにより、圧電素子3は、第1バイパス配線51および第2バイパス配線61によって四方を囲われている。
ここで、第1接続配線52は、振動領域Arの内外にわたって配置されることにより、振動領域Arの内側に配置された第1電極31と、振動領域Arの外側に配置された第1バイパス配線51とを接続している。また、第1接続配線52は、第2接続配線62とは異なり、第1電極31と一体的に振動板2に密着している。このため、仮に、第1接続配線52が大きな幅を有することにより、第1接続配線52の可撓性が低くなってしまうと、振動領域Arの振動が阻害される可能性がある。
そこで、本実施形態は、第1接続配線52の幅を十分に小さな値に設定することにより、第1接続配線52が振動領域Arの振動を阻害しないように構成されている。
また、仮に、第1バイパス配線51および第2バイパス配線61の各幅が小さいと、各配線の電気抵抗が大きくなることにより、圧電素子3の特性が低下してしまう。
そこで、本実施形態は、第1バイパス配線51および第2バイパス配線61の各幅を十分に大きな値に設定することにより、自身の電気抵抗を抑制し、圧電素子3が十分な特性を発揮できるように構成されている。
(スリット)
本実施形態では、第1バイパス配線51に対して複数の第1スリット54が設けられており、第2バイパス配線61に対して複数の第2スリット64が設けられている。
なお、第1スリット54および第2スリット64は、互いに同様の構成を有している。以下では、第1スリット54および第2スリット64について、スリット54,64と記載する場合がある。また、第1バイパス配線51および第2バイパス配線61について、バイパス配線51,61と記載する場合がある。バイパス配線51,61は、それぞれ、本発明のバイパス配線に相当する。
スリット54,64は、バイパス配線51,61の幅方向の中央部分において、バイパス配線51,61を厚み方向(Z方向)に貫通している。バイパス配線51,61には、配線方向に沿って、複数のスリット54,64が断続的に設けられている。
また、スリット54,64は、バイパス配線51,61のうち、当該スリット54,64が設けられた部位の配線方向に沿って延びた形状を有する。
具体的には、第1バイパス配線51のうち、Y方向バイパス配線511に設けられた第1スリット54は、Y方向に沿って延びた矩形形状を有し、X方向バイパス配線512に設けられた第1スリット54は、X方向に沿って延びた矩形形状を有する。第2バイパス配線61に設けられた第2スリット64は、X方向に沿って延びた矩形形状を有する。また、第1スリット54および第2スリット64による矩形形状の各角部は、Z方向から見た平面視において、曲線状に形成されている。
なお、本実施形態では、バイパス配線51,61に対して、スリット54,64を埋めるように補助配線57,67が設けられている。補助配線57,67は、例えば金配線であり、バイパス配線51,61よりも柔軟性の高い材料から構成されている。なお、図1および図2では、補助配線57,67の図示を省略している。
(本実施形態の作用効果)
本実施形態において、複数の圧電素子3に電気的に接続されるバイパス配線51,61には、バイパス配線51,61を厚み方向(Z方向)に貫通するスリット54,64が設けられている。このため、バイパス配線51,61は、厚み方向に対して直交する方向から作用する力によって撓み易くなっている。
このような構成では、振動板2の振動領域Arが振動したとき、振動板2を介してバイパス配線51,61に作用する応力は、スリット54,64により緩和される。これにより、バイパス配線51,61におけるクラックの発生を抑制することができる。
特に、本実施形態では、バイパス配線51,61は、自身の電気的抵抗を低減させるために十分に大きな幅を有しているが、このような構成であっても、スリット54,64の存在により、バイパス配線51,61におけるクラックの発生が抑制される。
また、本実施形態では、バイパス配線51,61が、振動板2において隣り合う2つの振動領域Arの間に設けられており、スリット54,64が、当該2つの振動領域Arの間に配置されている。このような構成によれば、ある振動領域Arに発生した振動の一部は、バイパス配線51,61におけるスリット54,64の断面部分で反射するため、他の振動領域Arに伝達することが抑制される。すなわち、本実施形態では、スリット54,64の存在により、振動板2におけるクロストークを抑制することもできる。
本実施形態において、バイパス配線51,61には、複数のスリット54,64が配線方向に沿って断続的に設けられている。このような構成によれば、バイパス配線51,61において、振動領域Arに隣り合う部位毎に、スリット54,64を好適に配置できる。また、スリット54,64は、バイパス配線51,61を完全に分断していないため、バイパス配線51,61に対して補助配線57,67が設けられずともよい。
[第2実施形態]
次に、第2実施形態について説明する。第2実施形態では、第1実施形態で説明した圧電デバイス10を備えた電子機器の一例としての距離センサー100について説明する。
図5に示すように、本実施形態の距離センサー100は、圧電デバイス10および駆動回路7を含んだ超音波モジュール101と、超音波モジュール101を制御する制御部8とにより構成されている。
駆動回路7は、切替回路71、送信回路72および受信回路73を含んでいる。
切替回路71は、圧電デバイス10(具体的には第1実施形態における第1電極端子31Pおよび第2電極端子33P)と、送信回路72と、受信回路73とに接続される。切替回路71は、スイッチング回路により構成されており、圧電デバイス10と送信回路72とを接続する送信接続、および、圧電デバイス10と受信回路73とを接続する受信接続を切り替える。
送信回路72は、切替回路71および制御部8に接続され、切替回路71が送信接続に切り替えられた際に、制御部8の制御に基づいて駆動信号を出力し、圧電デバイス10から超音波を送信させる。
受信回路73は、切替回路71および制御部8に接続され、切替回路71が受信接続に切り替えられた際に、圧電デバイス10からの受信信号が入力される。この受信回路73は、リニアノイズアンプおよびA/Dコンバーター等を含んで構成されており、入力された受信信号のデジタル信号への変換、ノイズ成分の除去、所望信号レベルへの増幅等の各信号処理を実施した後、処理後の受信信号を制御部8に出力する。
制御部8は、CPU(Central Processing Unit)等により構成されている。制御部8は、駆動回路7を介して圧電デバイス10を制御し、圧電デバイス10による超音波の送受信処理を実施させる。また、制御部8は、圧電デバイス10から入力される受信信号に基づいて、対象物の位置情報を取得する。例えばToF(Time of Flight)法を利用する場合、圧電デバイス10から超音波を送信した送信タイミングから、受信信号が受信されるまでの時間と、空気中における音速とを用いて、圧電デバイス10から対象物までの距離を算出できる。
また、制御部8は、その他、距離センサー100を制御するための各種データや各種プログラム等を記憶した記憶部を備えていてもよい。
[変形例]
本発明は上述の各実施形態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または改良は、本発明に含まれるものである。
第1実施形態において、バイパス配線51,61は、配線方向に断続的に配置された複数のスリット54,64を有するが、スリット54,64の数、配置および形状はこれに限られない。
例えば、図6に示すように、第1スリット54Aおよび第2スリット64A(スリット54A,64A)は、バイパス配線51,61を幅方向に完全に分断するように設けられてもよい。換言すると、スリット54A,64Aは、当該スリット54A,64Aが設けられたバイパス配線51,61の部位の配線方向に、バイパス配線51,61を貫通していてもよい。
また、図7に示すように、バイパス配線51,61を幅方向に完全に分断する第1スリット54Bおよび第2スリット64B(スリット54B,64B)が、バイパス配線51,61の幅方向に複数並んで配置されていてもよい。
図6または図7に示すような構成によれば、バイパス配線51,61は、その幅方向に応力が作用した場合に、より撓み易くなる。これにより、バイパス配線51,61におけるクラックの発生をより好適に抑制することができる。
なお、図6または図7に示すような構成では、第1実施形態の補助配線57,67と同様の補助配線が設けられる。当該補助配線は、バイパス配線51,61において、スリット54A,64A,54B,64Bにより分断された部位同士を電気的に接続する。ここで、補助配線は、バイパス配線51,61よりも柔軟性の高い材料により構成されているため、バイパス配線51,61は、補助配線に阻害されずに撓むことができる。
また、他の変形例として、バイパス配線51,61の配線方向に断続的に配置されたスリット54,64が、バイパス配線51,61の幅方向に複数並んで配置されていてもよい。あるいは、スリット54,64は、バイパス配線51,61において千鳥状に配置されてもよい。
また、スリット54,64の形状は、矩形形状や直線形状であることに限定されず、丸形状や波形状など、その他の形状であってもよい。
第1実施形態では、バイパス配線51,61の両方が形成されており、バイパス配線51,61のそれぞれがスリット54,64を有しているが、本発明はこれに限られない。
例えば、バイパス配線51またはバイパス配線61にいずれか一方がスリット54,64を有さなくてもよい。あるいは、振動板2上にバイパス配線51またはバイパス配線61にいずれか一方が形成されず、その替わりとして、複数の第1電極31または複数の第2電極33を構成する直線状の電極層が形成されてもよい。
第2実施形態では、圧電デバイス10を備える電子機器の一例として距離センサー100を例示したが、これに限定されない。例えば、本発明の圧電デバイスは、圧電素子を駆動させてインク滴を吐出させるインクジェットヘッドや、圧電素子の変位量から圧力媒体の圧力を測定する圧力センサーなどにも利用できる。
1…基板、11…開口部、12…壁部、13…減衰層、2…振動板、2A…第1面、2B…第2面、3…圧電素子、31…第1電極、31P…第1電極端子、32…圧電体、33…第2電極、33P…第2電極端子、3A…素子群、4…封止板、41…溝、42…隔壁、5…第1配線、51…第1バイパス配線,511…Y方向バイパス配線、512…X方向バイパス配線、52…第1接続配線,54…第1スリット,6…第2配線、61…第2バイパス配線、62…第2接続配線、64…第2スリット、57,67…補助配線、7…駆動回路、71…切替回路、72…送信回路、73…受信回路、8…制御部、10…圧電デバイス、100…距離センサー、101…超音波モジュール、Ar…振動領域、Tr…超音波トランスデューサー。

Claims (5)

  1. 開口部を有する基板と、
    前記基板と重なるように設けられ、前記基板の厚み方向からみた平面視で前記開口部と重なる振動領域を複数有する振動板と、
    前記振動領域に設けられた圧電素子と、
    前記振動板の前記振動領域外に設けられ、複数の前記圧電素子に電気的に接続されるバイパス配線と、を備え、
    前記バイパス配線には、当該バイパス配線を前記厚み方向に貫通するスリットが設けられていることを特徴とする圧電デバイス。
  2. 請求項1に記載の圧電デバイスにおいて、
    前記バイパス配線には、複数の前記スリットが配線方向に沿って断続的に設けられていることを特徴とする圧電デバイス。
  3. 請求項1に記載の圧電デバイスにおいて
    前記スリットは、前記バイパス配線を幅方向に分断しており、
    前記バイパス配線には、前記スリットにより分断された部位同士を電気的に接続し、前記バイパス配線よりも柔軟性の高い材料による補助配線が設けられていることを特徴とする圧電デバイス。
  4. 請求項1または請求項2に記載の圧電デバイスにおいて
    複数の前記スリットは、前記バイパス配線の幅方向に並んで設けられていることを特徴とする圧電デバイス。
  5. 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の圧電デバイスと、
    前記圧電デバイスを駆動する駆動回路と、
    前記駆動回路を介して前記圧電デバイスを制御する制御部と、を備えることを特徴とする電子機器。
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