JP7409399B2 - 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。
圧電デバイスの構成を開示した文献として、米国特許出願公開第２０１９／０１１０１３２号明細書(特許文献１)および特許第５４９１０８０号(特許文献２)がある。特許文献１に記載された圧電デバイスは、音響トランスデューサであって、複数のプレートと、複数のスプリングとを含んでいる。音響トランスデューサは間隙を有し、この間隙は幾何学的な形状をコントロールしている。複数のスプリングの各々は、２つの隣接するプレートを接続するギャップ低減ばねである。スプリングアームは、プレートのエッチングされた部分を囲む部分を含む。隣接する複数のプレートは、複数のプレートの先端からスプリングの中央までの距離を含み得る。
特許文献２に記載された圧電デバイスは、マイクロフォンであって、支持フレームと、第１振動板と、第２振動板と、連結体とを備えている。第１振動板および第２振動板の一端は、いずれも、支持フレームによって弾性的に支持されている。第１振動板の他端と、第２振動板の他端とは、対向して配置されている。第１振動板の他端と、第２振動板の他端とは、連結体によって連結されている。連結体は、第１振動板の他端と、第２振動板の他端とに対して、変位可能とされることによって、第１振動板又は第２振動板の振動に伴い、平行振動又は傾き振動を行う構成となっている。連結体は、薄板の平板状である。
米国特許出願公開第２０１９／０１１０１３２号明細書 特許第５４９１０８０号
特許文献１に開示された圧電デバイスは、振動板またはプレートなどの複数の梁部のうち、互いに隣接する梁部を接続する接続部を備えている。これにより、複数の梁部の各々の振動のばらつきを小さくしている。特許文献２に開示された圧電デバイスにおいては、各梁部として各振動板が、接続部として連結体によって互いに連結されている。これにより、各梁部を位相差を持って振動させる。しかしながら、これら従来の圧電デバイスにおいては、接続部が梁部を引っ張る向きに応力が生じることで、接続部による各梁部の互いの接続が強固になりすぎる場合がある。上記の接続が強固になりすぎると、複数の梁部の各々が硬くなり、複数の梁部の各々の振動の共振周波数が高くなる。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、複数の梁部の各々の振動時の共振周波数が高くなることを抑制しつつ、複数の梁部の各々の振動ばらつきを小さくできる、圧電デバイスを提供することを目的とする。
本発明に基づく圧電デバイスは、基部と、複数の梁部と、接続部とを備えている。複数の梁部の各々は、固定端部と、先端部とを有している。固定端部は、基部に接続されている。先端部は、固定端部とは反対側に位置している。複数の梁部の各々は、固定端部から先端部に向かって延在している。複数の梁部の各々は、複数の層を含む圧電振動部である。接続部は、複数の梁部のうち互いに隣り合う一対の梁部同士を接続する。一対の梁部同士の間には、第１スリットおよび第２スリットが設けられている。第１スリットは、一対の梁部の互いに隣り合う一対の端縁の一部によって形成されている。第２スリットは、第１スリットとは異なる位置において、一対の梁部の互いに隣り合う一対の端縁の他の一部によって形成されている。接続部は、第１スリットと第２スリットとの間に少なくとも位置している。接続部は、第１端部と、第２端部と、橋渡し部と、第１連結部と、第２連結部とを有している。接続部は、第１端部において、一対の梁部の一方と接続している。接続部は、第２端部において、一対の梁部の他方と接続している。第２端部は、一対の梁部が並んでいる方向において第１端部と対向している。橋渡し部は、一対の梁部同士の間を折り返しつつ接続するために設けられている。第１連結部は、橋渡し部における一対の梁部の一方側に位置する部分に接続されている。第２連結部は、橋渡し部における一対の梁部の他方側に位置する部分に接続されている。第２連結部は、第１連結部に沿って位置している。接続部は、第１端部を１つのみ有している。接続部は、第２端部を１つのみ有している。第１端部および第２端部の各々は、一対の梁部の各々の固定端部より先端部の近くに位置している。
本発明によれば、複数の梁部の各々の振動時の共振周波数が高くなることを抑制しつつ、複数の梁部の各々の振動ばらつきを小さくできる。
本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの平面図である。 図１の圧電デバイスをＩＩ－ＩＩ線矢印方向から見た断面図である。 図１のＩＩＩ部を拡大して示す部分平面図である。 本発明の実施形態１の第１変形例に係る圧電デバイスの部分平面図である。 本発明の実施形態１の第２変形例に係る圧電デバイスの平面図である。 図５に示した圧電デバイスをＶＩ－ＶＩ線矢印方向から見た部分断面図である。 本発明の実施形態１の第３変形例に係る圧電デバイスの平面図である。 図７に示した圧電デバイスをＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線矢印方向から見た部分断面図である。 図７に示した圧電デバイスをＩＸ－ＩＸ線矢印方向から見た部分断面図である。 本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの梁部の一部を模式的に示した断面図である。 本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの、駆動時における梁部の一部を模式的に示した断面図である。 本発明の実施形態１に係る圧電デバイスについて、基本振動モードで振動している状態をシミュレーションによって示した斜視図である。 本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、圧電単結晶基板に第２電極層を設けた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、第１支持部を設けた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、第１支持部に、積層体を接合させた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、圧電単結晶基板を削って圧電体層を形成した状態を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、圧電体層に、第１電極層を設けた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、溝部および凹部を設けた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、第１接続電極層および第２接続電極層を設けた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態２に係る圧電デバイスの平面図である。 本発明の実施形態２の第１変形例に係る圧電デバイスの平面図である。 図２１に示した圧電デバイスをＸＸＩＩ－ＸＸＩＩ線矢印方向から見た部分断面図である。 本発明の実施形態２の第２変形例に係る圧電デバイスの平面図である。 図２３に示した圧電デバイスをＸＸＩＶ－ＸＸＩＶ線矢印方向から見た部分断面図である。 本発明の実施形態３に係る圧電デバイスの平面図である。 本発明の実施形態４に係る圧電デバイスの平面図である。 図２６の圧電デバイスをＸＸＶＩＩ－ＸＸＶＩＩ線矢印方向から見た断面図である。 本発明の実施形態４に係る圧電デバイスの接続部の構成を示す部分平面図である。 シミュレーション解析結果を示すグラフである。 本発明の実施形態４の第１変形例に係る圧電デバイスの接続部の形状を示す部分平面図である。 本発明の実施形態４の第２変形例に係る圧電デバイスの接続部の形状を示す部分平面図である。 本発明の実施形態４の第３変形例に係る圧電デバイスの接続部の形状を示す部分平面図である。 本発明の実施形態４の第４変形例に係る圧電デバイスの接続部の形状を示す部分平面図である。 本発明の実施形態４の第５変形例に係る圧電デバイスの接続部の形状を示す部分平面図である。 本発明の実施形態４の第６変形例に係る圧電デバイスの接続部の形状を示す部分平面図である。 本発明の実施形態４の第７変形例に係る圧電デバイスの接続部の形状を示す部分平面図である。
以下、本発明の各実施形態に係る圧電デバイスについて図面を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。
(実施形態１)
図１は、本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの平面図である。図２は、図１の圧電デバイスをＩＩ－ＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図３は、図１のＩＩＩ部を拡大して示す部分平面図である。
図１から図３に示すように、本発明の実施形態１に係る圧電デバイス１００は、基部１１０と、複数の梁部１２０と、接続部１３０とを備えている。本実施形態に係る圧電デバイス１００は、複数の梁部１２０の各々が屈曲振動可能であり、超音波トランスデューサとして用いることができる。
図１に示すように、基部１１０は、複数の梁部１２０の各々の固定端部１２１と接続されている。基部１１０は、後述する複数の層の積層方向から見て、環状の外形を有しており、具体的には、矩形環状の外形を有している。なお、基部１１０を上記積層方向から見たときの外形形状は特に限定されない。環状の外形を有する基部１１０は、上記積層方向から見て、外周側面が多角形状または円形状であってもよく、内周側面が多角形状または円形状であってもよい。
図２に示すように、複数の梁部１２０の各々は、複数の層１０を含む圧電振動部である。なお、図１においては、複数の層１０の各層については図示していない。複数の層１０の構成の詳細については後述する。
図１に示すように、複数の梁部１２０の各々は、固定端部１２１と、先端部１２２とを有している。固定端部１２１は、基部１１０に接続されている。複数の梁部１２０の各々の固定端部１２１は、同一の仮想平面内に位置している。複数の梁部１２０の各々の固定端部１２１は、上記積層方向から見たときに環状の基部１１０の内周面に接続されている。複数の梁部１２０の各々の固定端部１２１は、上記積層方向から見て上記内周面上において互いに隣り合うように位置している。本実施形態においては、複数の梁部１２０の各々の固定端部１２１は、上記積層方向からみたときに、基部１１０の矩形環状の内周面の複数の辺の各々と１対１で対応するように位置している。
本実施形態において、複数の梁部１２０の各々の先端部１２２は、上記積層方向から見て環状の基部１１０の中心近傍に位置している。複数の梁部１２０の各々は、固定端部１２１から先端部１２２に向かって延在している。すなわち、複数の梁部１２０の各々の延在方向において、先端部１２２は、固定端部１２１とは反対側の端部に位置している。本実施形態において、複数の梁部１２０の各々は、圧電デバイス１００が駆動していない状態において、同一の仮想平面に沿うように延在している。
図１に示すように、複数の梁部１２０の各々は、上記積層方向から見たときに、先端部１２２が先細の外形を有している。具体的には、複数の梁部１２０の各々は、上記積層方向から見て、略三角形状の外形を有している。先端部１２２が先細の外形を有している場合には、複数の梁部１２０の各々の延在方向は、固定端部１２１の中心と先端部１２２とを結ぶ方向である。本実施形態においては、この略三角形状は、固定端部１２１を底辺とし、先端部１２２に頂点が位置する、略二等辺三角形形状である。すなわち、本実施形態において、複数の梁部１２０の各々の延在方向とは、複数の梁部１２０の各々の外形形状である略二等辺三角形の底辺の中点と頂点とを互いに結ぶ方向である。本実施形態において、複数の梁部１２０の各々の延在方向の長さは、屈曲振動を容易にするという観点から、複数の梁部１２０の各々の上記積層方向における厚さの寸法の少なくとも５倍以上であることが好ましい。なお、図２においては、複数の梁部１２０の各々の厚さは、模式的に示している。
図１および図３に示すように、接続部１３０は、複数の梁部１２０のうち互いに隣り合う一対の梁部１２０同士を接続する。接続部１３０は、第１端部１３３Ａと、第２端部１３３Ｂとを有している。接続部１３０は、第１端部１３３Ａにおいて、一対の梁部１２０の一方と接続している。接続部１３０は、第２端部１３３Ｂにおいて、一対の梁部１２０の他方と接続している。第２端部１３３Ｂは、一対の梁部１２０が並んでいる方向において第１端部１３３Ａと対向している。本実施形態においては、接続部１３０は、第１端部１３３Ａを１つのみ有し、かつ、第２端部１３３Ｂを１つのみ有している。
接続部１３０は、橋渡し部１３１と、第１連結部１３２Ａと、第２連結部１３２Ｂとを有している。本実施形態において、橋渡し部１３１は、少なくとも第１連結部１３２Ａと第２連結部１３２Ｂとを介して、一対の梁部１２０同士の間を折り返しつつ、一対の梁部１２０同士を互いに接続するために設けられている。本実施形態において、接続部１３０のうち、橋渡し部１３１は、互いに隣り合う第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂが並んでいる方向に沿うように、延在している。
接続部１３０において、第１連結部１３２Ａは、橋渡し部１３１における一対の梁部１２０の一方側に位置する部分に接続されている。接続部１３０において、第２連結部１３２Ｂは、橋渡し部１３１における一対の梁部１２０の他方側に位置する部分に接続され、かつ、第１連結部１３２Ａに沿って位置している。
第１連結部１３２Ａは、第１端部１３３Ａを起点として一対の梁部１２０の一方から、後述する第２スリット１４２に沿って延出している。第２連結部１３２Ｂは、第２端部１３３Ｂを起点として一対の梁部１２０の他方から第２スリット１４２に沿って延出している。本実施形態において、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の延出長さは互いに略同一である。本実施形態においては、第１連結部１３２Ａは、第１端部１３３Ａ側とは反対側において橋渡し部１３１と直接接続されている。すなわち、本実施形態において、第１連結部１３２Ａは、橋渡し部１３１と、第１端部１３３Ａにおいて一対の梁部１２０の一方とを、互いに直接連結している。第２連結部１３２Ｂは、第２端部１３３Ｂ側とは反対側において橋渡し部１３１と直接接続されている。すなわち、本実施形態において、第２連結部１３２Ｂは、橋渡し部１３１と、第２端部１３３Ｂにおいて一対の梁部１２０の他方とを、互いに直接連結している。図１および図３に示すように、第１端部１３３Ａよび第２端部１３３Ｂの各々は、一対の梁部１２０の各々の固定端部１２１より先端部１２２の近くに位置している。
また、図３に示すように、本実施形態においては、複数の層１０の積層方向から見て、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々が橋渡し部１３１との接続箇所に向かって延びる経路の長さである、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の延出長さＬの寸法は、互いに同一である。また、上記積層方向から見て、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々が橋渡し部１３１との接続箇所に向かって延びる経路に沿う方向に直交する方向における、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の最小幅Ｗの寸法は互いに同一である。第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の延出長さＬの寸法は、上記積層方向から見て、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の最小幅Ｗの寸法より大きい。上記積層方向から見て、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の延出長さＬの寸法は、接続部１３０から先端部１２２までの最短長さｂの寸法より大きい。複数の層１０の積層方向から見て、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の延出長さＬの寸法は、一対の梁部１２０が互いに対向する方向に直交する方向における橋渡し部１３１の最大幅ａの寸法より大きい。複数の層１０の積層方向から見て、橋渡し部１３１の最大幅ａの寸法は、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の最小幅Ｗの寸法より大きい。
また、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の延出長さＬの寸法は、小さいほど、一対の梁部１２０が互いに強固に接続され、一対の梁部１２０の振動ばらつきが小さくなる。また、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の延出長さＬの寸法が大きくなるほど、一対の梁部の各々の振動の共振周波数が高くなることを抑制できる。第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の最小幅Ｗの寸法は、大きいほど、一対の梁部１２０が互いに強固に接続される。接続部１３０から先端部１２２までの最短長さｂの寸法は、小さいほど、一対の梁部１２０が互いに強固に接続される。橋渡し部１３１の最大幅ａの寸法は、接続部１３０が振動した際の接続部１３０の共振周波数に影響する。
本実施形態において、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の延出長さＬの寸法は、たとえば１０μｍ以上２００μｍ以下である。第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の最小幅Ｗの寸法は、たとえば１０μｍである。接続部１３０から先端部１２２までの最短長さｂの寸法は、たとえば２５μｍである。橋渡し部１３１の最大幅ａの寸法は、たとえば１５μｍである。
さらに、図１および図３に示すように、一対の梁部１２０同士の間には、第１スリット１４１と、第２スリット１４２と、外周スリット１４３とが設けられている。
本実施形態においては、第１スリット１４１は、一対の梁部１２０の互いに隣り合う一対の端縁の一部によって形成されている。第２スリット１４２は、第１スリット１４１とは異なる位置において、一対の梁部１２０の互いに隣り合う一対の端縁の他の一部によって形成されている。具体的には、第１スリット１４１および第２スリット１４２は、上記積層方向から見て、一対の梁部１２０の各々の固定端部１２１の両端点の一方から先端部１２２に向かって延びる仮想直線に沿って位置している。接続部１３０は、第１スリット１４１と第２スリット１４２との間に少なくとも位置している。
本実施形態においては、第１スリット１４１は、橋渡し部１３１に対して、一対の梁部１２０の各々の固定端部１２１側に位置している。第２スリット１４２は、橋渡し部１３１に対して、一対の梁部１２０の各々の先端部１２２側に位置している。第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々は、いずれも第１スリット１４１および第２スリット１４２の各々が延在する方向に沿って延出している。本実施形態においては、第２スリット１４２は、橋渡し部１３１における接続部１３０の折り返しの内周側に位置している。そして、第１連結部１３２Ａと第２連結部１３２Ｂとの間に、第２スリット１４２が位置している。第２スリット１４２のうち第１連結部１３２Ａと第２連結部１３２Ｂとの間に位置する部分は、第１連結部１３２Ａの端縁と、第２連結部１３２Ｂの端縁とにより形成されている。すなわち、本実施形態において、一対の梁部１２０が並んでいる方向において、第１端部１３３Ａおよび第２端部１３３Ｂは、第２スリット１４２を介して互いに対向している。
本実施形態においては、外周スリット１４３は、橋渡し部１３１における接続部１３０の折り返しの外周側の端縁と、一対の梁部１２０の各々の端縁により少なくとも形成されている。第１スリット１４１は、外周スリット１４３と接続されている。より具体的には、外周スリット１４３は、第１連結部１３２Ａと、一対の梁部１２０のうちの一方との間にまで連続して位置している。外周スリット１４３は、第２連結部１３２Ｂと、一対の梁部１２０のうちの他方との間にまで連続して位置している。
より具体的には、外周スリット１４３は、第１スリット１４１との接続部から、さらに、第１スリット１４１が延在する方向に対して直交方向に延び、橋渡し部１３１の延在方向における両端側に周り込むように形成される。そして、外周スリット１４３は、橋渡し部１３１の延在方向における両端の一方から、第１端部１３３Ａに隣接する位置に向かって、第２スリット１４２に平行に延びている。外周スリット１４３は、橋渡し部１３１の延在方向における両端の他方から、第２端部１３３Ｂに隣接する位置向かって、第２スリット１４２に平行に延びている。すなわち、外周スリット１４３は、第２スリット１４２の第１スリット１４１側に位置する部分を囲うような、略Ｕ字状の外形を有している。
上記積層方向から見たときの第１スリット１４１、第２スリット１４２および外周スリット１４３の各々の幅は、１０μｍ以下が好ましく、１μｍ以下がより好ましい。
本実施形態においては、上記積層方向から見たときに、橋渡し部１３１、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々が矩形状の外形を有しているが、橋渡し部１３１、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の外形の形状は特に限定されない。上記積層方向から見たときに、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の外形は、略楕円形状であってもよいし、多角形状であってもよい。橋渡し部１３１、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々は、上記積層方向に延びる側面が、上記積層方向から見て湾曲していてもよい。
図４は、本発明の実施形態１の第１変形例に係る圧電デバイスの部分平面図である。図４においては、図３に示した本発明の実施形態１に係る圧電デバイス１００と同様の部分を示している。図４に示すように、本発明の実施形態１の第１変形例に係る圧電デバイス１００ａにおいては、橋渡し部１３１における接続部１３０の折り返しの外周側に位置する、上記積層方向に延びる側面は、上記積層方向から見て湾曲している。また、第１連結部１３２Ａにおいて、一対の梁部１２０のうち第１連結部１３２Ａに直接接続している梁部１２０における上記側面のうち、第１端部１３３Ａの近傍が、上記積層方向から見て湾曲している。第２連結部１３２Ｂにおいて、一対の梁部１２０のうち第２連結部１３２Ｂに直接接続している梁部１２０における上記側面のうち、第２端部１３３Ｂの近傍が、上記積層方向から見て湾曲している。具体的には、第１連結部１３２Ａの延出方向に対する直交方向における幅が、第１端部１３３Ａに近づくにつれて広がるように、第１連結部１３２Ａの上記側面が、上記積層方向から見て湾曲している。第２連結部１３２Ｂの延出方向に対する直交方向における幅が、第２端部１３３Ｂに近づくにつれて広がるように、第２連結部１３２Ｂの上記側面が、上記積層方向から見て湾曲している。このように橋渡し部１３１の上記側面が湾曲していることにより、接続部１３０における内部応力を低減することができる。
図１に示すように、本発明の実施形態１に係る圧電デバイス１００は、複数の梁部１２０として、４つの梁部１２０と、接続部１３０として、４つの接続部１３０とを備えている。４つの梁部１２０の各々は、同一の平面内に沿って位置している。４つの梁部１２０の各々は、仮想中心点に向かって延出し、かつ、仮想中心点の周方向に互いに隣り合っている。４つの接続部１３０の各々は、４つの梁部１２０のうち互いに隣り合う梁部１２０同士の間にそれぞれ位置して隣り合う一対の梁部１２０同士を接続している。
本実施形態においては、４つの梁部１２０は、上記積層方向から見て、上記仮想中心点に関して互いに回転対称となるように構成されている。４つの接続部１３０も、上記積層方向から見て、上記仮想中心点に関して互いに回転対象となるように構成されている。
次に、複数の層１０について説明する。図２に示すように、本実施形態においては、複数の層１０は、圧電体層１１と、第１電極層１２と、第２電極層１３とを有している。
圧電体層１１は、単結晶圧電体で構成されている。圧電体層１１のカット方位は、所望のデバイス特性を発現するように適宜選択される。本実施形態において、圧電体層１１は単結晶基板を薄化したものであり、当該単結晶基板は具体的には回転Ｙカット基板である。また、当該回転Ｙカット基板のカット方位は具体的には３０°である。また、圧電体層１１の厚さは、たとえば０．３μｍ以上５．０μｍ以下である。上記単結晶圧電体は、分極軸を有している。分極軸の軸方向の詳細については後述する。
圧電体層１１を構成する材料は、圧電デバイス１００が所望のデバイス特性を発現するように適宜選択される。本実施形態においては、圧電体層１１は、無機材料で構成されている。具体的には、圧電体層１１は、ニオブ酸アルカリ系の化合物またはタンタル酸アルカリ系の化合物で構成されている。本実施形態においては、上記ニオブ酸アルカリ系の化合物または上記タンタル酸アルカリ系の化合物に含まれるアルカリ金属は、リチウム、ナトリウムおよびカリウムの少なくとも１つからなる。本実施形態において、圧電体層１１は、ニオブ酸リチウム(ＬｉＮｂＯ3)、または、タンタル酸リチウム(ＬｉＴａＯ3)で構成されている。
図２に示すように、第１電極層１２は、複数の層１０の積層方向において圧電体層１１の一方側に配置されている。第２電極層１３は、圧電体層１１を挟んで第１電極層１２の少なくとも一部と対向するように圧電体層１１の他方側に配置されている。また、本実施形態においては、第１電極層１２と圧電体層１１との間、および、第２電極層１３と圧電体層１１との間には、図示しない密着層が配置されている。また、複数の梁部１２０の各々において、第１電極層１２および第２電極層１３の各々は、第１スリット１４１、第２スリット１４２および外周スリット１４３の各々に面しないように設けられている。
本実施形態において、第１電極層１２および第２電極層１３の各々はＰｔで構成されている。第１電極層１２および第２電極層１３の各々は、Ａｌなどの他の材料で構成されていてもよい。密着層は、Ｔｉで構成されている。密着層は、ＮｉＣｒなど他の材料で構成されていてもよい。第１電極層１２、第２電極層１３および上記密着層の各々は、エピタキシャル成長膜であってもよい。圧電体層１１がニオブ酸リチウム(ＬｉＮｂＯ3)で構成されている場合には、密着層を構成する材料が第１電極層１２または第２電極層１３に拡散することを抑制するという観点から、密着層は、ＮｉＣｒで構成されることが好ましい。これにより、圧電デバイス１００の信頼性が向上する。
本実施形態においては、第１電極層１２および第２電極層１３の各々の厚さは、たとえば０．０５μｍ以上０．２μｍ以下である。密着層の厚さは、たとえば０．００５μｍ以上０．０５μｍ以下である。
複数の層１０は、支持層１４をさらに含んでいる。支持層１４は、圧電体層１１の第１電極層１２側とは反対側、および、第２電極層１３の圧電体層１１側とは反対側に配置されている。支持層１４は、第１支持部１４ａと、第１支持部１４ａの圧電体層１１側とは反対側に積層された第２支持部１４ｂとを有している。本実施形態において、第１支持部１４ａは、ＳｉＯ2で構成され、第２支持部１４ｂは、単結晶Ｓｉで構成されている。本実施形態において、支持層１４の厚さは、複数の梁部１２０の屈曲振動の観点から、圧電体層１１より厚いことが好ましい。なお、複数の梁部１２０の屈曲振動のメカニズムについては後述する。
また、図２に示すように、本実施形態においては、接続部１３０は、複数の梁部１２０の各々を構成する複数の層１０が積層方向に対する直交方向に連続することで構成されている。ただし、本実施形態においては、接続部１３０における複数の層１０は、第１電極層１２と第２電極層１３とを含んでいない。
さらに、基部１１０を構成する部材について説明する。図２に示すように、本実施形態においては、基部１１０は、複数の梁部１２０と同様の複数の層１０を含んでいる。基部１１０の複数の層１０は、複数の梁部１２０の複数の層１０が連続することで構成されている。具体的には、基部１１０を構成する圧電体層１１、第１電極層１２、第２電極層１３および支持層１４は、複数の梁部１２０を構成する圧電体層１１、第１電極層１２、第２電極層１３および支持層１４にそれぞれ連続するように構成されている。そして、基部１１０は、基板層１５と、第１接続電極層２０と、第２接続電極層３０とをさらに含んでいる。
基板層１５は、上記中心軸の軸方向において、支持層１４の圧電体層１１側とは反対側に接続されている。基板層１５は、第１基板層１５ａと、上記中心軸の軸方向において第１基板層１５ａの支持層１４側とは反対側に積層された第２基板層１５ｂとを含んでいる。本実施形態において、第１基板層１５ａは、ＳｉＯ2で構成されており、第２基板層１５ｂは、単結晶Ｓｉで構成されている。
図２に示すように，第１接続電極層２０は、図示しない密着層を介して、第１電極層１２に電気的に接続されつつ外部に露出している。具体的には、第１接続電極層２０は、基部１１０における第１電極層１２の支持層１４側とは反対側に配置されている。
第１接続電極層２０および第２接続電極層３０の各々の厚さは、たとえば０．１μｍ以上１．０μｍ以下である。第１接続電極層２０と接続している密着層および第２接続電極層３０の各々と接続している密着層の厚さはたとえば０．００５μｍ以上０．１μｍ以下である。
本実施形態において、第１接続電極層２０および第２接続電極層３０の各々は、Ａｕで構成されている。第１接続電極層２０および第２接続電極層３０は、Ａｌなどの他の導電材料で構成されていてもよい。第１接続電極層２０と接続している密着層および第２接続電極層３０と接続している密着層の各々は、たとえばＴｉで構成されている。これらの密着層はＮｉＣｒで構成されていてもよい。
図２に示すように、本実施形態に係る圧電デバイス１００には、上記積層方向において、圧電体層１１側とは反対側に開口する、開口部１０１が形成されている。本実施形態において、開口部１０１は、基部１１０、複数の梁部１２０、複数の接続部１３０および第１スリット１４１、第２スリット１４２および外周スリット１４３によって囲まれた空間である。
ここで、圧電体層１１を構成する単結晶圧電体の分極軸の軸方向について説明する。単結晶圧電体の分極軸を上記積層方向に直交する仮想平面上に上記積層方向から射影したときの仮想軸の軸方向は、複数の梁部１２０のいずれにおいても同一方向に延在しており、かつ、積層方向から見て、第１スリット１４１および第２スリット１４２の各々の延在方向とのなす角が４５度または１３５度でないことが好ましい。より具体的には、本実施形態においては、上記仮想軸の軸方向は、積層方向から見て、第１スリット１４１および第２スリット１４２の各々の延在方向とのなす角が、０度以上５度以下、８５度以上９５度以下、または、１７５度以上１８０度未満であることがより好ましい。また、上記積層方向から見て、複数の梁部１２０の各々の延出方向と、積層方向から見たときの上記仮想軸の軸方向とのなす角は、いずれも、４０度以上５０度以下、または、１３０度以上１４０度以下であることがより好ましい。本実施形態に係る圧電デバイス１００における上記仮想軸の軸方向は、いずれの第１スリット１４１、第２スリット１４２および橋渡し部１３１に対しても、上記の関係が成り立っていることが好ましい。上記仮想軸に関する各角度について、好適な範囲があることの理由については後述する。
本実施形態においては、上記仮想軸の軸方向は、特定の方向を向いているが、上記仮想軸の軸方向は特に限定されない。
また、本実施形態においては、単結晶圧電体が分極軸を有しているため、複数の梁部１２０に熱応力が発生することで、複数の梁部１２０の各々が上記積層方向に対する直交方向から見て反っている場合がある。複数の梁部１２０の各々が反っている変形例について、以下に説明する。
図５は、本発明の実施形態１の第２変形例に係る圧電デバイスの平面図である。図６は、図５に示した圧電デバイスをＶＩ－ＶＩ線矢印方向から見た部分断面図である。
図５に示すように、本発明の実施形態１の第２変形例に係る圧電デバイス１００ｂにおいては、積層方向から見て、上記仮想軸の軸方向と、複数の第１スリット１４１および複数の第２スリット１４２の各々とのなす角は、４５度である。
このため、本変形例においては、上記積層方向から見たときの上記仮想軸の軸方向における、接続部１３０の中央から、一対の梁部１２０のうち一方の梁部１２０の反対側の端部までの長さＬ１と、接続部１３０の中央から、一対の梁部１２０のうち他方の梁部１２０の反対側の端部までの長さＬ２とが、互いに異なっている。また、上記積層方向から見たときの上記仮想軸の軸方向における、一対の梁部１２０のうちの一方の梁部１２０の、接続部１３０の中央側とは反対側に位置する端部は、固定端部１２１でない。一方で、上記積層方向から見たときの上記仮想軸の軸方向における、他方の梁部１２０の、接続部１３０の中央側とは反対側に位置する端部は固定端部１２１である。このため、複数の梁部１２０に熱応力がかかった場合は、接続部１３０近傍においては、一対の梁部１２０がそれぞれ異なる態様で反ることとなる。
本変形例に係る圧電デバイス１００ｂにおいては、複数の梁部１２０に上述した熱応力が加わっている。結果として、図６に示すように、圧電デバイス１００ｂが駆動していない状態において、接続部１３０の中央近傍における、一対の梁部１２０の各々の端部は、上記積層方向において互いに異なる位置に位置している。
図７は、本発明の実施形態１の第３変形例に係る圧電デバイスの平面図である。図８は、図７に示した圧電デバイスをＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線矢印方向から見た部分断面図である。図９は、図７に示した圧電デバイスをＩＸ－ＩＸ線矢印方向から見た部分断面図である。
図７に示すように、本発明の実施形態１の第３変形例に係る圧電デバイス１００ｃにおいては、上記積層方向から見て、単結晶圧電体の上記仮想軸の軸方向と、複数の第１スリット１４１および複数の第２スリット１４２の各々とのなす角は、０度または９０度である。
このため、本変形例においては、上記積層方向から見たときの上記仮想軸の軸方向における、接続部１３０の中央から、一対の梁部１２０のうち一方の梁部１２０の反対側の端部までの長さＬ１と、接続部１３０の中央から、一対の梁部１２０のうち他方の梁部１２０の反対側の端部までの長さＬ２とが、互いに同一である。また、上記積層方向から見たときの上記仮想軸の軸方向において、一対の梁部１２０のうちの一方の梁部１２０における接続部１３０の中央近傍の端部から固定端部１２１までの距離は、他方の梁部１２０における、接続部１３０の中央近傍の端部から固定端部１２１までの距離と、互いに同一である。
さらに、本変形例に係る圧電デバイス１００ｃにおいては、複数の梁部１２０に熱応力が加わることで複数の梁部１２０の各々が反っている。結果としては、図８に示すように、圧電デバイス１００ｃが駆動していない状態において、接続部１３０の中央近傍における一対の梁部１２０の接続部１３０の中央側の端部が、上記積層方向において互いに略同一の位置に位置している。このように、本変形例においては、複数の梁部１２０の各々が熱応力により反った場合においても、接続部１３０、特に、橋渡し部１３１が破損することを抑制することができる。
上記のように、本発明の実施形態１の第２変形例に係る圧電デバイス１００ｂと第３変形例に係る圧電デバイス１００ｃとを対比すれば、本発明の実施形態１において、積層方向から見て上記仮想軸の軸方向と、第１スリット１４１および第２スリット１４２の各々の延在方向とのなす角が、４５度または１３５度であるのに対して、０度または９０度に近づくほど、一対の梁部１２０の熱応力による変位の差が大きくなることを抑制できることがわかる。同様に、本発明の実施形態１においては、積層方向から見て上記仮想軸の軸方向と、複数の梁部１２０の各々の延出方向とのなす角が、０度または９０度であるのに対して、４５度または１３５度に近づくほど、一対の梁部１２０の熱応力による変位の差が大きくなることを抑制できることがわかる。
なお、図９に示すように、本発明の実施形態１の第３変形例に係る圧電デバイス１００ｃにおいては、一対の梁部１２０の各々を、第１スリット１４１側および第２スリット１４２側から見たときに、一対の梁部１２０の各々が積層方向のいずれか一方向に傾いている。
本発明の実施形態１に係る圧電デバイス１００は、複数の梁部１２０の各々が屈曲振動可能に構成されている。ここで、複数の梁部１２０の屈曲振動のメカニズムについて説明する。
図１０は、本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの梁部の一部を模式的に示した断面図である。図１１は、本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの、駆動時における梁部の一部を模式的に示した断面図である。なお、図１０および図１１において第１電極層および第２電極層は図示していない。
図１０および図１１に示すように、本実施形態においては、複数の梁部１２０において、圧電体層１１が上記積層方向に直交する面内方向に伸縮可能な伸縮層として機能し、圧電体層１１以外の層が、拘束層として機能する。本実施形態においては、主に支持層１４が拘束層として機能する。このように、拘束層が、伸縮層に対して、伸縮層の伸縮方向の直交方向に積層されている。なお、複数の梁部１２０は、伸縮層が面内方向に伸びたときに面内方向に縮み、伸縮層が面内方向に縮んだときに面内方向に伸びることができる逆方向伸縮層を、拘束層の代わりに含んでいてもよい。
そして、伸縮層である圧電体層１１が上記面内方向に伸縮しようとすると、拘束層の主要部分である支持層１４は、圧電体層１１との接合面において圧電体層１１の伸縮を拘束する。また、本実施形態では、複数の梁部１２０の各々において、伸縮層である圧電体層１１が、複数の梁部１２０の各々の応力中立面Ｎの一方側にのみ位置している。拘束層を主に構成する支持層１４の重心の位置は、応力中立面Ｎの他方側に位置している。これにより、図１０および図１１に示すように、伸縮層である圧電体層１１が上記面内方向に伸縮したときには、複数の梁部１２０の各々が上記面内方向に対して直交方向に屈曲する。なお、複数の梁部１２０の各々が屈曲したときの複数の梁部１２０の各々の変位量は、応力中立面Ｎと圧電体層１１との離間距離が長くなるほど大きくなる。また、上記変位量は、圧電体層１１が伸縮しようとする応力が大きくなるほど、大きくなる。このようにして、複数の梁部１２０の各々は、上記面内方向の直交方向において、固定端部１２１を起点として屈曲振動する。
さらに、本実施形態に係る圧電デバイス１００においては、接続部１３０が設けられていることにより、基本振動モードでの振動が生じやすく、連成振動モードでの振動の発生が抑制される。基本振動モードとは、複数の梁部１２０の各々が屈曲振動するときの位相が揃っており、複数の梁部１２０全体が上下いずれか一方に変位するモードである。一方、連成振動モードとは、複数の梁部１２０の各々が屈曲振動するときに、複数の梁部１２０の少なくとも１つの位相が他の梁部１２０の位相と揃っていないモードである。
図１２は、本発明の実施形態１に係る圧電デバイスについて、基本振動モードで振動している状態をシミュレーションによって示した斜視図である。具体的には、図１２においては、複数の梁部１２０の各々が第１電極層１２側に変位している状態の圧電デバイス１００を示している。また、図１２においては、複数の梁部１２０の各々が第１電極層１２側に変位する変位量が大きくなるほど色が薄くなっている。なお、図１２においては複数の層１０を構成する各層は図示していない。
図１２に示すように、複数の梁部１２０の各々について、互いに隣り合う一対の梁部１２０同士が接続部１３０により互いに接続しているため、連成振動モードの発生が抑制されている。
さらに、本実施形態に係る圧電デバイス１００の接続部１３０においては、第１端部１３３Ａおよび第２端部１３３Ｂの各々が、一対の梁部１２０の固定端部１２１より先端部１２２の近くに位置している。これにより、複数の梁部１２０の各々は、比較的強固に互いに接続されるため、複数の梁部１２０の各々の振動の位相がより揃いやすくなる。また、本実施形態に係る圧電デバイス１００の接続部１３０は、橋渡し部１３１を含んでおり、橋渡し部１３１は、一対の梁部１２０同士の間を折り返しつつ接続する。このため、接続部１３０は、複数の梁部１２０が振動する際に、第１連結部１３２Ａと第２連結部１３２Ｂとが板ばねのように機能して、接続部１３０が一対の梁部１２０を互いに接続しつつ、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂが橋渡し部１３１を介して直列に接続され、接続部１３０の板バネとしての長さが長くなることで、その接続力が強固になりすぎることを抑制することができる。
本実施形態に係る圧電デバイス１００は、基本振動モードでの振動が生じやすく、連成振動モードの発生が抑制されているため、特に超音波トランスデューサとして用いたときのデバイス特性が向上している。以下、本実施形態に係る圧電デバイス１００を超音波トランスデューサとして用いたときの圧電デバイス１００の機能作用について説明する。
まず、図２に示すように、圧電デバイス１００によって超音波を発生させる場合には、第１接続電極層２０と、第２接続電極層３０との間に電圧を印加する。そして、第１接続電極層２０に接続された第１電極層１２と、第２接続電極層３０に接続された第２電極層１３との間に電圧が印加される。さらに、複数の梁部１２０の各々においても、圧電体層１１を介して互いに対向する第１電極層１２と第２電極層１３との間に電圧が印加される。そうすると、圧電体層１１は、上記積層方向に直交する面内方向に沿って伸縮するため、上述のメカニズムにより、複数の梁部１２０の各々が上記積層方向に沿って屈曲振動する。これにより、圧電デバイス１００の複数の梁部１２０の周辺の媒質に力が加えられ、さらに媒質が振動することにより、超音波が発生する。
また、本実施形態に係る圧電デバイス１００において、複数の梁部１２０の各々は固有の機械的な共振周波数を有している。そのため、印加した電圧が正弦波電圧であり、かつ、正弦波電圧の周波数が上記共振周波数の値に近い場合には、複数の梁部１２０の各々が屈曲したときの変位量が大きくなる。
圧電デバイス１００によって超音波を検知する場合には、超音波によって複数の梁部１２０の各々の周辺の媒質が振動し、当該周辺の媒質から複数の梁部１２０の各々に力が加えられ、複数の梁部１２０の各々が屈曲振動する。複数の梁部１２０の各々が屈曲振動すると、圧電体層１１に応力が加わる。圧電体層１１に応力が加わることで、圧電体層１１中に電荷が誘起される。圧電体層１１に誘起された電荷によって、圧電体層１１を介して対向する第１電極層１２と第２電極層１３との間に電位差が発生する。この電位差を、第１電極層１２に接続された第１接続電極層２０と、第２電極層１３に接続された第２接続電極層３０とで検知する。これにより、圧電デバイス１００において超音波を検知することができる。
また、検知の対象となる超音波が特定の周波数成分を多く含み、かつ、この周波数成分が上記共振周波数の値に近い場合には、複数の梁部１２０の各々が屈曲振動するときの変位量が大きくなる。当該変位量が大きくなることで、上記電位差が大きくなる。
このように、本実施形態に係る圧電デバイス１００を超音波トランスデューサとして用いる場合には、複数の梁部１２０の共振周波数の設計が重要となる。複数の梁部１２０の各々の延在方向の長さ、上記中心軸の軸方向における厚さおよび当該軸方向から見たときの固定端部１２１の長さ、および、複数の梁部１２０を構成する材料の密度および弾性率によって、上記共振周波数は変化する。また、複数の梁部の各々が互いに同一の共振周波数を有していることが好ましい。たとえば、複数の梁部１２０の各々の上記厚さが互いに異なる場合には、複数の梁部１２０の各々の延在方向の長さを調整することで、複数の梁部１２０の各々が互いに同一の共振周波数を有するようにする。
たとえば、図１から図３に示す本発明の実施形態１に係る圧電デバイス１００において、複数の梁部１２０の各々の共振周波数を４０ｋＨｚ近傍に設計する場合は、複数の梁部１２０の各々について、圧電体層１１の構成材料をニオブ酸リチウム、圧電体層１１の厚さを１μｍ、第１電極層１２および第２電極層１３の各々の厚さを０．１μｍ、第１支持部１４ａの厚さを０．８μｍ、第２支持部１４ｂの厚さを１．４μｍ、複数の梁部１２０の各々の固定端部１２１から先端部１２２までの最短距離を４００μｍ、上記積層方向から見たときの固定端部１２１の長さを８００μｍにすればよい。
なお、本実施形態に係る圧電デバイス１００は、上述の構成を有する接続部１３０を備えていることにより、基本振動モードでの振動が発生しやすく、連成振動モードの発生が抑制されている。このため、圧電デバイス１００を超音波トランスデューサとして用いる場合においては、共振周波数と同一の周波数成分を有する超音波を検知する際にも、複数の梁部１２０の各々の振動の位相が異なることが抑制される。ひいては、複数の梁部１２０の各々の振動の位相が異なることで、複数の梁部１２０の各々の圧電体層１１で発生した電荷が、第１電極層１２または第２電極層１３で打ち消し合うことが抑制される。
このように、圧電デバイス１００においては、超音波トランスデューサとしてのデバイス特性が向上している。
以下、本発明の実施形態１に係る圧電デバイス１００の製造方法について説明する。図１３は、本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、圧電単結晶基板に第２電極層を設けた状態を示す断面図である。図１３および以下に示す図１４から図１９においては、図２と同様の断面視にて図示している。
図１３に示すように、まず、圧電単結晶基板１１ａの下面に図示しない密着層を設けた後、密着層の圧電単結晶基板１１ａ側とは反対側に第２電極層１３を設ける。第２電極層１３は、蒸着リフトオフ法により、所望のパターンを有するように形成する。第２電極層１３は、スパッタリングにより圧電単結晶基板１１ａの下面の全面にわたって積層した後に、エッチング法により所望のパターンを形成することで形成してもよい。第２電極層１３および密着層は、エピタキシャル成長させてもよい。
図１４は、本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、第１支持部を設けた状態を示す断面図である。図１４に示すように、ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法またはＰＶＤ(Physical Vapor Deposition)法などにより、圧電単結晶基板１１ａおよび第２電極層１３の各々の下面に、第１支持部１４ａを設ける。第１支持部１４ａを設けた直後においては、第１支持部１４ａの下面のうち第１支持部１４ａの第２電極層１３側とは反対側に位置する部分が盛り上がっている。このため、化学機械研磨(ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing)などにより第１支持部１４ａの下面を削って、平坦化する。
図１５は、本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、第１支持部に、積層体を接合させた状態を示す断面図である。図１５に示すように、表面活性化接合または原子拡散接合により、第２支持部１４ｂと基板層１５とからなる積層体１６を、第１支持部１４ａの下面に接合する。本実施形態において、積層体１６は、ＳＯＩ(Silicon on Insulator)基板である。なお、第２支持部１４ｂの上面を予めＣＭＰなどにより平坦化しておくことにより、圧電デバイス１００の歩留まりが向上する。
図１６は、本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、圧電単結晶基板を削って圧電体層を形成した状態を示す断面図である。図１５および図１６に示すように、圧電単結晶基板１１ａの上面をグラインダで研削することにより、薄くする。薄くした圧電単結晶基板１１ａの上面を、ＣＭＰなどによりさらに研磨することで、圧電単結晶基板１１ａを圧電体層１１に成形する。
なお、圧電単結晶基板１１ａの上面側に、予めイオンを注入することにより、剥離層を形成し、上記剥離層を剥離することで、圧電単結晶基板１１ａを圧電体層１１に成形してもよい。また、上記剥離層を剥離した後の圧電単結晶基板１１ａの上面を、ＣＭＰなどによりさらに研磨することで、圧電単結晶基板１１ａを圧電体層１１に成形してもよい。
図１７は、本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、圧電体層に、第１電極層を設けた状態を示す断面図である。図１７に示すように、圧電体層１１の上面に図示しない密着層を設けた後、密着層の圧電体層１１側とは反対側に第１電極層１２を設ける。第１電極層１２は、蒸着リフトオフ法により、所望のパターンを有するように形成する。第１電極層１２は、スパッタリングにより圧電体層１１の上面の全面にわたって積層した後に、エッチング法により所望のパターンを形成することで形成してもよい。第１電極層１２および密着層は、エピタキシャル成長させてもよい。
図１８は、本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、溝部および凹部を設けた状態を示す断面図である。図１８に示すように、上記積層方向から見て圧電デバイス１００の基部１１０より内側の領域に相当する領域において、ＲＩＥ(Reactive Ion Etching)などでドライエッチングすることにより、圧電体層１１および第１支持部１４ａにスリットを形成する。上記スリットは、フッ硝酸などを用いてウェットエッチングすることにより形成してもよい。さらに、ＤＲＩＥ(Deep Reactive Ion Etching)によって、上記スリットが基板層１５の上面まで達するように、上記スリットに露出した第２支持部１４ｂを、エッチングする。これにより、図１および図２に示した圧電デバイス１００における第１スリット１４１、第２スリット１４２および外周スリット１４３に相当する、図１８に示した溝部１７が形成される。
さらに、図１８に示すように、圧電デバイス１００の基部１１０に相当する部分においては、上記ドライエッチングまたは上記ウェットエッチングにより、第２電極層１３の一部が露出するように、圧電体層１１をエッチングする。これにより、凹部１８が形成される。
図１９は、本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、第１接続電極層および第２接続電極層を設けた状態を示す断面図である。そして、図１９に示すように、基部１１０に相当する部分においては、第１電極層１２および第２電極層１３の各々に図示しない密着層を設けた後、蒸着リフトオフ法により、各密着層の上面に第１接続電極層２０および第２接続電極層３０を設ける。第１接続電極層２０および第２接続電極層３０は、スパッタリングにより圧電体層１１、第１電極層１２および露出した第２電極層１３の全面にわたって積層した後に、エッチング法により所望のパターンを形成することで形成してもよい。
そして、図１９および図２に示すように、最後に、基板層１５のうち第２基板層１５ｂの一部をＤＲＩＥにより除去した後、第１基板層１５ａの一部をＲＩＥにより除去する。これにより、開口部１０１が設けられるとともに、複数の梁部１２０および接続部１３０が形成される。
上記の工程により、図１から図３に示すような本発明の実施形態１に係る圧電デバイス１００が製造される。
上記のように、本発明の実施形態１に係る圧電デバイス１００は、基部１１０と、複数の梁部１２０と、接続部１３０とを備えている。複数の梁部１２０の各々は、固定端部１２１と、先端部１２２とを有している。固定端部１２１は、基部１１０に接続されている。先端部１２２は、固定端部１２１とは反対側に位置している。複数の梁部１２０の各々は、固定端部１２１から先端部１２２に向かって延在している。複数の梁部１２０の各々は、複数の層１０を含む圧電振動部である。接続部１３０は、複数の梁部１２０のうち互いに隣り合う一対の梁部１２０同士を接続する。一対の梁部１２０同士の間には、第１スリット１４１および第２スリット１４２が設けられている。第１スリット１４１は、一対の梁部１２０の各々の互いに隣り合う端縁の一部によって形成されている。第２スリット１４２は、第１スリット１４１とは異なる位置において、一対の梁部１２０の各々の互いに隣り合う端縁の他の一部によって形成されている。接続部１３０は、第１スリット１４１と第２スリット１４２との間に少なくとも位置している。接続部１３０は、第１端部１３３Ａと、第２端部１３３Ｂと、橋渡し部１３１と、第１連結部１３２Ａと、第２連結部１３２Ｂとを有している。接続部１３０は、第１端部１３３Ａにおいて、一対の梁部１２０の一方と接続している。接続部１３０は、第２端部１３３Ｂにおいて、一対の梁部１２０の他方と接続している。第２端部１３３Ｂは、一対の梁部１２０が並んでいる方向において第１端部１３３Ａと対向している。橋渡し部１３１は、一対の梁部１２０同士の間を折り返しつつ一対の梁部１２０同士を接続するために設けられている。第１連結部１３２Ａは、橋渡し部１３１における一対の梁部１２０の一方側に位置する部分に接続されている。第２連結部１３２Ｂは、橋渡し部１３１における一対の梁部１２０の他方側に位置する部分に接続されている。第２連結部１３２Ｂは、第１連結部１３２Ａに沿って位置している。接続部１３０は、第１端部１３３Ａを１つのみ有している。接続部１３０は、第２端部１３３Ｂを１つのみ有している。第１端部１３３Ａおよび第２端部１３３Ｂの各々は、一対の梁部１２０の各々の固定端部１２１より先端部１２２の近くに位置している。
これにより、複数の梁部１２０の各々の振動時の共振周波数が高くなることを抑制しつつ、振動ばらつきを小さくできる。
本実施形態においては、一対の梁部１２０同士の間には、橋渡し部１３１における接続部１３０の折り返しの外周側の端縁と、一対の梁部１２０の各々の端縁により、外周スリット１４３がさらに形成されている。第１スリット１４１は、外周スリット１４３と接続されている。第２スリット１４２は、橋渡し部１３１における接続部１３０の折り返しの内周側に位置している。
これにより、橋渡し部１３１の形成が容易になるとともに、複数の梁部１２０の振動時において、接続部１３０、特に橋渡し部１３１の動作が一対の梁部１２０によって阻害されることを抑制できる。
本実施形態においては、第１連結部１３２Ａは、第１端部１３３Ａを起点として第２スリット１４２に沿って延出しており、第２連結部１３２Ｂは、第２端部１３３Ｂを起点として第２スリット１４２に沿って延出している。
これにより、第２スリット１４２を形成することで第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂを容易に形成できる。
本実施形態においては、第１連結部１３２Ａは、第１端部１３３Ａ側とは反対側において橋渡し部１３１と直接接続されている。第２連結部１３２Ｂは、第２端部１３３Ｂ側とは反対側において橋渡し部１３１と直接接続されている。
これにより、接続部１３０の折り返しの回数が１回となり、必要最低限の構成部分によって接続部１３０を構成できる。
本実施形態においては、複数の層１０の積層方向から見て、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の延出長さＬの寸法は、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々が橋渡し部１３１との接続箇所に向かって延びる経路に沿う方向に直交する方向における、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の最小幅Ｗの寸法より大きい。
これにより、複数の梁部１２０の振動時において接続部１３０による接続力が強固になりすぎることを抑制できる。
本実施形態においては、複数の層１０の積層方向から見て、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々が橋渡し部１３１との接続箇所に向かって延びる経路の長さである、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの延出長さＬの寸法は、接続部１３０から先端部１２２までの最短長さｂの寸法より大きい。
これにより、上記最短長さｂを相対的に小さくすることで接続部１３０による一対の梁部１２０の接続力を強くするとともに、上記延出長さＬの寸法を大きくすることで、接続部１３０による接続力が強固になりすぎることを抑制できる。
本実施形態においては、複数の層１０の積層方向から見て、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々が橋渡し部１３１との接続箇所に向かって延びる経路の長さである、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の延出長さＬの寸法は、一対の梁部１２０が互いに対向する方向に直交する方向における橋渡し部１３１の最大幅ａの寸法より大きい。
これにより、接続部１３０において橋渡し部１３１の最大幅ａが相対的に小さくなる。すなわち、接続部１３０において橋渡し部１３１の重量が相対的に小さくなる。ひいては、橋渡し部１３１の不所望な振動により圧電デバイス１００のデバイス特性が低下することを抑制できる。
本実施形態においては、複数の層１０の積層方向から見て、一対の梁部１２０が互いに対向する方向に直交する方向における橋渡し部１３１の最大幅ａの寸法は、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々が橋渡し部１３１との接続箇所に向かって延びる経路に沿う方向に直交する方向における、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の最小幅Ｗの寸法より大きい。
これにより、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々と橋渡し部１３１が一体となって、複数の梁部１２０の振動時においては接続部１３０が１つの板ばねのように機能して、接続部１３０による接続力が強固になりすぎることをさらに抑制できる。
本実施形態においては、第１スリット１４１は、橋渡し部１３１に対して、一対の梁部１２０の各々の固定端部１２１側に位置している。第２スリット１４２は、橋渡し部１３１に対して、一対の梁部１２０の各々の先端部１２２側に位置している。
これにより、接続部１３０が、一対の梁部１２０の各々の先端部１２２同士を直接接続しないため、接続部１３０による一対の梁部１２０の各々による接続力が強固になりすぎることをさらに抑制できる。さらには、第１スリット１４１が外周スリット１４３と接続され、第２スリット１４２が橋渡し部１３１における接続部１３０の折り返しの内周側に位置していることにより、第１端部１３３Ａと第２端部１３３Ｂとがより先端部１２２の近くに位置するため、一対の梁部１２０の振動のばらつきをより一層小さくできる。
本発明の実施形態１に係る圧電デバイス１００は、複数の梁部１２０として、４つの梁部１２０と、接続部１３０として、４つの接続部１３０とを備えている。４つの梁部１２０の各々は、同一の平面内に沿って位置している。４つの梁部１２０の各々は、仮想中心点に向かって延出し、かつ、仮想中心点の周方向に互いに隣り合っている。４つの接続部１３０の各々は、４つの梁部１２０のうち互いに隣り合う梁部１２０同士の間にそれぞれ位置して隣り合う一対の梁部１２０同士を接続している。
これにより、４つの梁部１２０を備える圧電デバイス１００において、接続部１３０により、４つの梁部１２０の各々の振動時の共振周波数が高くなることを抑制しつつ、４つの梁部１２０の振動ばらつきを小さくできる。
本実施形態においては、複数の層１０は、圧電体層１１と、第１電極層１２と、第２電極層１３とを有している。圧電体層１１は、単結晶圧電体で構成されている。第１電極層１２は、複数の層１０の積層方向において圧電体層１１の一方側に配置されている。第２電極層１３は、圧電体層１１を挟んで第１電極層１２の少なくとも一部と対向するように圧電体層１１の他方側に配置されている。単結晶圧電体の分極軸を上記積層方向に直交する仮想平面上に上記積層方向から射影したときの仮想軸の軸方向は、複数の梁部１２０のいずれにおいても同一方向に延在しており、かつ、積層方向から見て、第１スリット１４１および第２スリット１４２の各々の延在方向とのなす角が４５度でない。
これにより、圧電体層１１が分極軸を有する単結晶圧電体で構成される圧電デバイス１００において、仮に一対の梁部１２０の各々に熱応力が生じた場合であっても、接続部１３０に生じる応力分布の偏りを低減して接続部１３０の破損を抑制することができる。
本実施形態においては、上記仮想軸の軸方向は、積層方向から見て、第１スリット１４１および第２スリット１４２の各々の延在方向とのなす角が、０度以上５度以下、８５度以上９５度以下、または、１７５度以上１８０度未満である。
これにより、接続部１３０に生じる応力分布の偏りをさらに低減して接続部１３０の破損を抑制することができる。
本発明の実施形態１の第３変形例に係る圧電デバイス１００ｃにおいては、一対の梁部１２０の各々を、第１スリット１４１側および第２スリット１４２側から見たときに、一対の梁部１２０の各々が積層方向のいずれか一方向に傾いている。
このような構成であっても、本発明の実施形態１の第３変形例に係る圧電デバイス１００ｃは、接続部１３０に生じる応力分布の偏りが低減されているため、接続部１３０の破損の発生が抑制されている。
本発明の実施形態１に係る圧電デバイス１００においては、上記積層方向から見て、複数の梁部１２０の各々の延出方向と、上記仮想軸の軸方向とのなす角は、いずれも、４０度以上５０度以下、または、１３０度以上１４０度以下である。
これにより、仮に複数の梁部１２０に熱応力が生じた場合においても、複数の梁部１２０の各々が、延出方向にかけて略同一の応力分布を有するため、複数の梁部１２０の各々の反り方も略同一となる。ひいては、圧電デバイス１００のデバイス特性の低下を抑制できる。
本実施形態においては、圧電体層１１は、ニオブ酸リチウム(ＬｉＮｂＯ3)、または、タンタル酸リチウム(ＬｉＴａＯ3)で構成されている。
これにより、圧電体層１１の圧電特性を向上できるため、圧電デバイス１００のデバイス特性を向上できる。
(実施形態２)
以下、本発明の実施形態２に係る圧電デバイスについて説明する。本発明の実施形態２に係る圧電デバイスは、梁部の数が主に、本発明の実施形態１に係る圧電デバイス１００と異なっている。このため、本発明の実施形態１に係る圧電デバイス１００と同様の構成については説明を繰り返さない。
図２０は、本発明の実施形態２に係る圧電デバイスの平面図である。図２０に示すように、本発明の実施形態２に係る圧電デバイス２００においても、接続部１３０は、複数の梁部２２０のうち互いに隣り合う一対の梁部２２０同士を接続する。一対の梁部２２０同士の間には、第１スリット１４１および第２スリット１４２が設けられている。第１スリット１４１は、一対の梁部２２０の互いに隣り合う一対の端縁の一部によって形成されている。第２スリット１４２は、第１スリット１４１とは異なる位置において、一対の梁部２２０の互いに隣り合う一対の端縁の他の一部によって形成されている。接続部１３０は、第１スリット１４１と第２スリット１４２との間に少なくとも位置している。接続部１３０は、第１端部１３３Ａと、第２端部１３３Ｂと、橋渡し部１３１と、第１連結部１３２Ａと、第２連結部１３２Ｂとを有している。接続部１３０は、第１端部１３３Ａにおいて、一対の梁部２２０の一方と接続している。接続部１３０は、第２端部１３３Ｂにおいて、一対の梁部２２０の他方と接続している。第２端部１３３Ｂは、一対の梁部２２０が並んでいる方向において第１端部１３３Ａと対向している。橋渡し部１３１は、一対の梁部２２０同士の間を折り返しつつ一対の梁部２２０同士を接続するために設けられている。第１連結部１３２Ａは、橋渡し部１３１における一対の梁部２２０の一方側に位置する部分に接続されている。第２連結部１３２Ｂは、橋渡し部１３１における一対の梁部２２０の他方側に位置する部分に接続されている。第２連結部１３２Ｂは、第１連結部１３２Ａに沿って位置している。接続部１３０は、第１端部１３３Ａを１つのみ有している。接続部１３０は、第２端部１３３Ｂを１つのみ有している。第１端部１３３Ａおよび第２端部１３３Ｂの各々は、一対の梁部２２０の各々の固定端部１２１より先端部１２２の近くに位置している。これにより、複数の梁部２２０の各々の振動時の共振周波数が高くなることを抑制しつつ、振動ばらつきを小さくできる。
また、本発明の実施形態２に係る圧電デバイス２００は、複数の梁部２２０として、２つの梁部２２０を備えている。２つの梁部２２０は、２つの梁部２２０の各々の先端部１２２が互いに対向するように位置している。第１スリット１４１および第２スリット１４２の各々は、２つの梁部２２０の各々の先端部１２２同士の間に位置している。これにより、２つの梁部２２０を備える圧電デバイス２００においても、接続部１３０により、２つの梁部２２０の各々の振動時の共振周波数が高くなることを抑制しつつ、２つの梁部２２０の振動ばらつきを小さくできる。
なお、本実施形態において、より具体的には、第１スリット１４１は、２つの梁部２２０の各々の先端部１２２の一部に隣接するように形成されている。第２スリット１４２は、第１スリット１４１とは異なる位置において、２つの梁部２２０の各々の先端部１２２の他の一部に隣接するように形成されている。
本実施形態において、２つの梁部２２０は、互いに同一の方向に沿って延在している。第１スリット１４１および第２スリット１４２の各々は、具体的には、２つの梁部２２０の各々の延在方向に交差する方向に延在しており、具体的には、２つの梁部２２０の各々の延在方向に直交する方向に延在している。これにより、本実施形態においても、簡易な構成で、接続部１３０を設けることができる。
本実施形態においては、固定端部１２１および先端部１２２が、それぞれ、２つの梁部２２０の各々の上記延在方向に対して直交方向に沿って位置している。これにより、２つの梁部２２０の外形形状を簡素化できる。なお、具体的には、２つの梁部２２０の各々は、上記積層方向から見て、略矩形状の外形を有している。２つの梁部２２０の各々は、一対の側端部２２３を有している。一対の側端部２２３の各々は、固定端部１２１の端部と先端部１２２の端部とを互いに接続している。一対の側端部２２３の各々は、基部１１０と離間して位置している。
本実施形態に係る圧電デバイス２００は、追加の接続部２３０をさらに備えている。追加の接続部２３０は、２つの梁部２２０の各々の先端部１２２同士の間において、２つの梁部２２０の各々の先端部１２２同士の間の仮想中心点に関して接続部１３０と点対称となるように配置されている。追加の接続部２３０は、接続部１３０と同様の構成を備えている。追加の接続部２３０を構成する各構成部分は、先端部１２２同士の間の上記仮想中心点に関して接続部１３０を構成する各構成部分と点対称となるように配置されている。
さらに、図２０に示すように、２つの梁部２２０同士の間には、追加の第１スリット２４１と、追加の外周スリット２４３とがさらに設けられている。追加の第１スリット２４１は、先端部１２２同士の間の上記仮想中心点に関して第１スリット１４１と点対称となるように配置されている。追加の第１スリット２４１は、第１スリット１４１および第２スリット１４２の各々と互いに同一方向に延在している。具体的には、上記積層方向から見て、追加の第１スリット２４１、第１スリット１４１および第２スリット１４２は、同一の仮想直線上に位置している。追加の外周スリット２４３は、先端部１２２同士の間の上記の仮想中心点に関して外周スリット１４３と点対称となるように配置されている。
本実施形態において、追加の接続部２３０に対する、追加の第１スリット２４１、第２スリット１４２および追加の外周スリット２４３の各々の相対的な位置の関係は、接続部１３０に対する、第１スリット１４１、第２スリット１４２および外周スリット１４３の各々の相対的な位置の関係と同様である。
また、本実施形態においても、圧電体層を構成する単結晶圧電体の分極軸の軸方向は、特定の方向を向いている。すなわち、単結晶圧電体の分極軸を上記積層方向に直交する仮想平面上に上記積層方向から射影したときの仮想軸の軸方向も、特定の方向を向いている。本実施形態において、２つの梁部２２０の各々の延在方向と、上記積層方向から見たときの上記仮想軸の軸方向とのなす角は、いずれも、０度以上５度以下、８５度以上９５度以下、または、１７５度以上１８０度未満である。ただし、本実施形態においても、単結晶圧電体の分極軸および上記仮想軸の各々の軸方向は上記の特定の方向に限定されない。
また、本実施形態においても、単結晶圧電体が分極軸を有しているため、２つの梁部２２０に熱応力が発生することで、２つの梁部２２０の各々が上記積層方向に対する直交方向から見て反っている場合がある。複数の梁部２２０の各々が反っている変形例について、以下に説明する。
図２１は、本発明の実施形態２の第１変形例に係る圧電デバイスの平面図である。図２２は、図２１に示した圧電デバイスをＸＸＩＩ－ＸＸＩＩ線矢印方向から見た部分断面図である。
図２１に示すように、本発明の実施形態２の第１変形例に係る圧電デバイス２００ａにおいては、積層方向から見て、単結晶圧電体の上記仮想軸の軸方向と、第１スリット１４１、第２スリット１４２および追加の第１スリット２４１の各々とのなす角は、４５度である。
このため、本変形例においては、上記積層方向から見たときの上記仮想軸の軸方向における、接続部１３０の中央から、２つの梁部２２０のうち一方の梁部２２０の反対側の端部までの長さＬ１と、接続部１３０の中央から、２つの梁部２２０のうち他方の梁部２２０の反対側の端部までの長さＬ２とが、互いに異なっている。また、上記積層方向から見たときの上記仮想軸の軸方向における、２つの梁部２２０のうちの一方の梁部２２０の、接続部１３０の中央側とは反対側に位置する端部は、固定端部１２１でない。一方で、上記積層方向から見たときの上記仮想軸の軸方向における、上記積層方向から見たときの上記仮想軸の軸方向における、他方の梁部２２０の、接続部１３０の中央側とは反対側に位置する端部は固定端部１２１である。このため、複数の梁部２２０に熱応力がかかった場合は、接続部１３０近傍においては、２つの梁部２２０がそれぞれ異なる態様で反ることとなる。
さらに、本変形例に係る圧電デバイス２００ａにおいては、複数の梁部２２０に熱応力が加わっている。結果として、図２２に示すように、圧電デバイス２００ａが駆動していない状態において、接続部１３０の中央近傍における、２つの梁部２２０の各々の端部は、上記積層方向において互いに異なる位置に位置している。
図２３は、本発明の実施形態２の第２変形例に係る圧電デバイスの平面図である。図２４は、図２３に示した圧電デバイスをＸＸＩＶ－ＸＸＩＶ線矢印方向から見た部分断面図である。
図２３に示すように、本発明の実施形態２の第２変形例に係る圧電デバイス２００ｂにおいては、上記積層方向から見て、単結晶圧電体の仮想軸の軸方向と、第１スリット１４１、第２スリット１４２および追加の第１スリット２４１の各々とのなす角は、０度または９０度である。
このため、本変形例においては、上記積層方向から見たときの上記仮想軸の軸方向における、接続部１３０の中央から、２つの梁部２２０のうち一方の梁部２２０の反対側の端部までの長さＬ１と、接続部１３０の中央から、２つの梁部２２０のうち他方の梁部２２０の反対側の端部までの長さＬ２とが、互いに同一である。また、上記積層方向から見たときの上記仮想軸の軸方向において、２つの梁部２２０のうちの一方の梁部２２０における、接続部１３０の中央近傍の端部から固定端部１２１までの距離は、他方の梁部２２０における、接続部１３０の中央近傍の端部から固定端部１２１までの距離と、互いに同一である。
さらに、本変形例に係る圧電デバイス２００ｂにおいては、２つの梁部２２０に熱応力が加わることで２つの梁部２２０の各々が反っている。結果として、図２４に示すように、圧電デバイス２００ｂが駆動していない状態において、接続部１３０の中央近傍における２つの梁部２２０の接続部１３０側の端部が、上記積層方向において互いに略同一の位置に位置している。このように、本変形例においては、複数の梁部２２０の各々が熱応力により反った場合においても、一対の梁部２２０が上記積層方向において同様に変形するため、接続部１３０、特に、橋渡し部１３１が破損することを抑制することができる。
上記のように、本発明の実施形態２の第１変形例に係る圧電デバイス２００ａと第２変形例に係る圧電デバイス２００ｂとを対比すれば、本発明の実施形態２において、積層方向から見て上記仮想軸の軸方向と、第１スリット１４１および第２スリット１４２の各々の延在方向とのなす角が、４５度または１３５度であるのに対して、０度または９０度に近づくほど、２つの梁部２２０の熱応力による変位の差が大きくなることを抑制できることがわかる。同様に、本発明の実施形態２においては、積層方向から見て上記仮想軸の軸方向と、２つの梁部２２０の各々の延在方向とのなす角が、４５度または１３５度であるのに対して、０度または９０度に近づくほど、熱応力による、上記積層方向における２つの梁部の変位の差が大きくなることを抑制できることがわかる。
(実施形態３)
以下、本発明の実施形態３に係る圧電デバイスについて説明する。本発明の実施形態３に係る圧電デバイスは、各スリットの構成が主に、本発明の実施形態２に係る圧電デバイス２００と異なる。このため、本発明の実施形態２に係る圧電デバイス２００と同様の構成については説明を繰り返さない。
図２５は、本発明の実施形態３に係る圧電デバイスの平面図である。図２５に示すように、本発明の実施形態３に係る圧電デバイス３００は、接続部３３０を１つのみ備えている。すなわち、本発明の実施形態３に係る圧電デバイス３００においては、本発明の実施形態２に係る圧電デバイス２００に設けられている追加の第１スリット、追加の外周スリットは設けられていない。
本発明の実施形態３に係る圧電デバイス３００においても、接続部３３０は、複数の梁部２２０のうち互いに隣り合う一対の梁部２２０同士を接続する。一対の梁部２２０同士の間には、第１スリット１４１および第２スリット１４２が設けられている。第１スリット１４１は、一対の梁部２２０の互いに隣り合う一対の端縁の一部によって形成されている。第２スリット１４２は、第１スリット１４１とは異なる位置において、一対の梁部２２０の互いに隣り合う一対の端縁の他の一部によって形成されている。接続部３３０は、第１スリット１４１と第２スリット１４２との間に少なくとも位置している。接続部３３０は、第１端部１３３Ａと、第２端部１３３Ｂと、橋渡し部１３１と、第１連結部１３２Ａと、第２連結部１３２Ｂとを有している。接続部３３０は、第１端部１３３Ａにおいて、一対の梁部２２０の一方と接続している。接続部３３０は、第２端部１３３Ｂにおいて、一対の梁部２２０の他方と接続している。第２端部１３３Ｂは、一対の梁部２２０が並んでいる方向において第１端部１３３Ａと対向している。橋渡し部１３１は、一対の梁部２２０同士の間を折り返しつつ一対の梁部２２０同士を接続するために設けられている。第１連結部１３２Ａは、橋渡し部１３１における一対の梁部２２０の一方側に位置する部分に接続されている。第２連結部１３２Ｂは、橋渡し部１３１における一対の梁部２２０の他方側に位置する部分に接続されている。第２連結部１３２Ｂは、第１連結部１３２Ａに沿って位置している。接続部３３０は、第１端部１３３Ａを１つのみ有している。接続部３３０は、第２端部１３３Ｂを１つのみ有している。第１端部１３３Ａおよび第２端部１３３Ｂの各々は、一対の梁部２２０の各々の固定端部１２１より先端部１２２の近くに位置している。これにより、複数の梁部２２０の各々の振動時の共振周波数が高くなることを抑制しつつ、複数の梁部２２０の振動ばらつきを小さくできる。
(実施形態４)
以下、本発明の実施形態４に係る圧電デバイスについて説明する。本発明の実施形態４に係る圧電デバイスは、第１連結部および第２連結部の各々の延出長さ、最小幅および厚さの寸法関係を規定した点が、本発明の実施形態１に係る圧電デバイス１００と異なっている。このため、本発明の実施形態１に係る圧電デバイス１００と同様の構成については説明を繰り返さない。
図２６は、本発明の実施形態４に係る圧電デバイスの平面図である。図２７は、図２６の圧電デバイスをＸＸＶＩＩ－ＸＸＶＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図２８は、本発明の実施形態４に係る圧電デバイスの接続部の構成を示す部分平面図である。図２７においては、見やすくするために、各層を厚く記載している。
図２６から図２８に示すように、本発明の実施形態４に係る圧電デバイス４００は、基部１１０と、４つの梁部１２０と、４つの接続部４３０とを備えている。４つの梁部１２０の固定端部１２１は、上記積層方向から見て、正方形状に位置している。図２６に示す、上記積層方向から見て、４つの梁部１２０の固定端部１２１のうちの向かい合う固定端部１２１同士の最短距離Ｍの寸法は、向かい合う固定端部１２１同士のうちの一方の固定端部１２１を有する梁部１２０における固定端部１２１と先端部１２２とを最短で通過する直線に沿って測定される寸法である。
接続部４３０は、４つの梁部１２０のうち互いに隣り合う一対の梁部１２０同士を接続する。接続部４３０は、橋渡し部１３１と、第１連結部１３２Ａと、第２連結部１３２Ｂとを有している。
本実施形態においては、第１連結部１３２Ａ、第２連結部１３２Ｂおよび橋渡し部１３１の各々は、一定の幅を有しつつ直線状に延在している。第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の最小幅Ｗの寸法は、橋渡し部１３１の最大幅ａの寸法と同一である。
圧電デバイス４００において、接続部４３０による梁部１２０同士を接続する力が弱くなりすぎると、連成振動モードが発生しやすくなる。この発生しやすさは、連成振動モードの共振周波数と、基本振動モードの共振周波数とによって定量化することができる。これらの共振周波数が離れているほど、連成振動モードは発生しにくい状態となる。
ここで、連成振動モードの共振周波数は、４つの梁部１２０と接続部４３０との面外方向の曲げ剛性の比率により変化する。梁部１２０および接続部４３０の各々において、曲げ剛性は、厚さと長さならびに構成材料の硬さおよび密度などのパラメータに主に依存する。
４つの梁部１２０と接続部４３０とは、梁部１２０は第１電極層１２を含み、接続部４３０は第１電極層１２を含まない点で互いに異なるものの、略同じ積層構造を有するため、厚さ、硬さおよび密度については略同じであり、互いの長さの違いによって上記曲げ剛性の比率が大きく変化する。すなわち、固定端部１２１同士の最短距離Ｍの寸法に対する、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の延出長さＬの寸法の比率を調整することによって、連成振動モードの共振周波数を変化させることができる。
一般的に、本実施形態のような薄い梁部１２０の屈曲振動を利用する音響デバイスにおいては、空気抵抗による負荷によって共振時のＱ値が１０程度に抑えられる。これにより、たとえば、共振周波数から±５％ずれた周波数で圧電デバイス４００が用いられた場合でも、共振時の半分以上のエネルギーを圧電デバイス４００に入力できるため、使用可能帯域を広くすることができる。特に、圧電デバイス４００をＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)加工によって大量に製造した場合は、ＭＥＭＳの加工精度により±５％程度の共振周波数のばらつきが生ずることがあるが、上記のように使用可能帯域が広い圧電デバイス４００においては、圧電デバイス４００の特性が大きくばらつくことを抑制することができる。
しかしながら、上記の使用可能帯域内に連成振動モードの共振周波数が存在する場合、圧電デバイス４００に入力されたエネルギーは、基本振動モードではなく連成振動モードの振動エネルギーとして吸収される。この場合、圧電デバイス４００の変換効率が低下するとともに、連成振動モードのＱ値は高いため、圧電デバイス４００の駆動停止後の残響が長くなる。
この問題点に鑑みると、連成振動モードの共振周波数を、基本振動モードの共振周波数に対して、５％以上高くすることが好ましい。そこで、固定端部１２１同士の最短距離Ｍの寸法に対する、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の延出長さＬの寸法の比率と、４つの梁部１２０の各々における１次共振周波数に対する２次共振周波数と１次共振周波数と差の割合との関係について、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の最小幅Ｗの寸法を変えてシミュレーション解析を行なった。上記の１次共振周波数は、基本振動モードの共振周波数に相当し、上記の２次共振周波数は、連成振動モードの共振周波数に相当する。
シミュレーション解析条件として、本実施形態に係る圧電デバイス４００において、固定端部１２１同士の最短距離Ｍの寸法を８００μｍ、圧電体層１１の厚さの寸法を１μｍ、支持層１４の厚さを２μｍとした。すなわち、図２７に示す厚さＴの寸法を３μｍとした。この厚さＴは、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の上記積層方向における厚さに相当する。第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の最小幅Ｗの寸法を、１０μｍ、１５μｍおよび２０μｍの３種類とした。
図２９は、シミュレーション解析結果を示すグラフである。図２９においては、縦軸に、４つの梁部１２０の各々における１次共振周波数ｆｒ１に対する２次共振周波数ｆｒ２と１次共振周波数ｆｒ１と差の割合(％)、横軸に、固定端部１２１同士の最短距離Ｍの寸法に対する、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の延出長さＬの寸法の比率(％)を示している。また、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の最小幅Ｗの寸法が、１０μｍのデータを実線、１５μｍのデータを１点鎖線、２０μｍのデータを点線で示している。さらに、４つの梁部の各々における１次共振周波数ｆｒ１に対する２次共振周波数ｆｒ２と１次共振周波数ｆｒ１と差の割合が５％である基準線を点線で示している。
図２９に示すように、固定端部１２１同士の最短距離Ｍの寸法に対する、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の延出長さＬの寸法の比率〔(Ｌ／Ｍ)×１００(％)〕が大きくなるにしたがって、４つの梁部１２０の各々における１次共振周波数ｆｒ１に対する２次共振周波数ｆｒ２と１次共振周波数ｆｒ１と差の割合〔(ｆｒ２－ｆｒ１)／ｆｒ１×１００(％)〕が低下する傾向が認められた。
第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の最小幅Ｗの寸法が１０μｍ、１５μｍおよび２０μｍのいずれにおいても、固定端部１２１同士の最短距離Ｍの寸法に対する、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の延出長さＬの寸法の比率〔(Ｌ／Ｍ)×１００(％)〕が３０％以下の範囲において、４つの梁部１２０の各々における１次共振周波数ｆｒ１に対する２次共振周波数ｆｒ２と１次共振周波数ｆｒ１と差の割合〔(ｆｒ２－ｆｒ１)／ｆｒ１)×１００(％)〕が５％以上となった。
そこで、本実施形態においては、上記積層方向から見て、４つの梁部１２０の固定端部１２１のうちの向かい合う固定端部１２１同士の最短距離Ｍの寸法に対する、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の延出長さＬの寸法の比率は、３０％以下である。これにより、連成振動モードを生じにくくして、圧電デバイス４００の変換効率の低下、および、圧電デバイス４００の駆動停止後の残響が長くなることを、抑制することができる。
上述のとおり、連成振動モードの共振周波数は、４つの梁部１２０と接続部４３０との面外方向の曲げ剛性の比率により変化する。仮に、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の最小幅Ｗの寸法が、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の上記積層方向における厚さＴの寸法より小さい場合、４つの梁部１２０および接続部４３０の面内方向の曲げ剛性が面外方向の曲げ剛性より低くなる。この場合、連成振動モードの共振周波数が基本振動モードの共振周波数に近くなり、〔(ｆｒ２－ｆｒ１)／ｆｒ１)×１００(％)〕を５％以上確保することが難しくなる場合がある。
そこで、本実施形態においては、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の最小幅Ｗの寸法は、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の上記積層方向における厚さＴの寸法より大きい。これにより、連成振動モードを生じにくくして、圧電デバイス４００の変換効率の低下、および、圧電デバイス４００の駆動停止後の残響が長くなることを、抑制することができる。
なお、上記のパラメータによる限定が適用可能な接続部４３０の形状は上記に限られない。ここで、上記のパラメータによる限定が適用可能な変形例に係る接続部の形状について説明する。以下の変形例の説明においては、本発明の実施形態４に係る圧電デバイス４００の接続部４３０と同一である構成については説明を繰り返さない。
図３０は、本発明の実施形態４の第１変形例に係る圧電デバイスの接続部の形状を示す部分平面図である。図３０に示すように、本発明の実施形態４の第１変形例においては、接続部４３０ａの橋渡し部１３１は、第２スリット１４２の先端を中心として半径がａの半円状の形状を有している。第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の最小幅Ｗの寸法は、橋渡し部１３１の最大幅ａの寸法と同一である。
図３１は、本発明の実施形態４の第２変形例に係る圧電デバイスの接続部の形状を示す部分平面図である。図３１に示すように、本発明の実施形態４の第２変形例においては、接続部４３０ｂの第１連結部１３２Ａ、第２連結部１３２Ｂおよび橋渡し部１３１の各々は、一定の幅を有しつつ直線状に延在している。第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の最小幅Ｗの寸法は、橋渡し部１３１の最大幅ａの寸法より小さい。なお、橋渡し部１３１の最大幅ａの寸法は、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の最小幅Ｗの２倍の寸法以下である。
図３２は、本発明の実施形態４の第３変形例に係る圧電デバイスの接続部の形状を示す部分平面図である。図３２に示すように、本発明の実施形態４の第３変形例においては、接続部４３０ｃの橋渡し部１３１は、第２スリット１４２の先端を中心として半径がａの半円状の形状を有している。第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の最小幅Ｗの寸法は、橋渡し部１３１の最大幅ａの寸法より小さい。なお、橋渡し部１３１の最大幅ａの寸法は、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の最小幅Ｗの２倍の寸法以下である。
図３３は、本発明の実施形態４の第４変形例に係る圧電デバイスの接続部の形状を示す部分平面図である。図３３に示すように、本発明の実施形態４の第４変形例においては、接続部４３０ｄの第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの橋渡し部側の部分ならびに橋渡し部１３１の各々は、第２スリット１４２の先端を中心とする１辺の長さが２ａの仮想正方形に沿う形状を有している。第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の最小幅Ｗの寸法は、橋渡し部１３１の最大幅ａの寸法より小さい。なお、橋渡し部１３１の最大幅ａの寸法は、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の最小幅Ｗの２倍の寸法以下である。
図３４は、本発明の実施形態４の第５変形例に係る圧電デバイスの接続部の形状を示す部分平面図である。図３４に示すように、本発明の実施形態４の第５変形例においては、接続部４３０ｅの第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの橋渡し部側の部分ならびに橋渡し部１３１の各々は、第２スリット１４２の先端を中心とする半径がａの仮想円に沿う形状を有している。第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の最小幅Ｗの寸法は、橋渡し部１３１の最大幅ａの寸法より小さい。なお、橋渡し部１３１の最大幅ａの寸法は、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の最小幅Ｗの２倍の寸法以下である。
図３５は、本発明の実施形態４の第６変形例に係る圧電デバイスの接続部の形状を示す部分平面図である。図３５に示すように、本発明の実施形態４の第６変形例においては、第２スリット１４２の先端に、直径ｒの円形の開口１４２ｒが形成されている。直径ｒの寸法は、第２スリット１４２の幅の寸法より大きく、かつ、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の最小幅Ｗの寸法以下である。接続部４３０ｆの第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの橋渡し部側の部分ならびに橋渡し部１３１の各々は、開口１４２ｒの中心を中心とする１辺の長さが(２ａ＋ｒ)の仮想正方形に沿う形状を有している。第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の最小幅Ｗの寸法は、橋渡し部１３１の最大幅ａの寸法以下である。なお、橋渡し部１３１の最大幅ａの寸法は、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の最小幅Ｗの２倍の寸法以下である。
図３６は、本発明の実施形態４の第７変形例に係る圧電デバイスの接続部の形状を示す部分平面図である。図３６に示すように、本発明の実施形態４の第７変形例においては、第２スリット１４２の先端に、直径ｒの円形の開口１４２ｒが形成されている。直径ｒの寸法は、第２スリット１４２の幅の寸法より大きく、かつ、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の最小幅Ｗの寸法以下である。接続部４３０ｇの第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの橋渡し部側の部分ならびに橋渡し部１３１の各々は、開口１４２ｒの中心を中心とする半径が(ａ＋ｒ／２)の仮想円に沿う形状を有している。第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の最小幅Ｗの寸法は、橋渡し部１３１の最大幅ａの寸法以下である。なお、橋渡し部１３１の最大幅ａの寸法は、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の最小幅Ｗの２倍の寸法以下である。
上述した実施形態の説明において、組み合わせ可能な構成を相互に組み合わせてもよい。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１０ 複数の層、１１ 圧電体層、１１ａ 圧電単結晶基板、１２ 第１電極層、１３ 第２電極層、１４ 支持層、１４ａ 第１支持部、１４ｂ 第２支持部、１５ 基板層、１５ａ 第１基板層、１５ｂ 第２基板層、１６ 積層体、１７ 溝部、１８ 凹部、２０ 第１接続電極層、３０ 第２接続電極層、１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，２００，２００ａ，２００ｂ，３００，４００ 圧電デバイス、１０１ 開口部、１１０ 基部、１２０，２２０，３２０ 梁部、１２１ 固定端部、１２２ 先端部、１３０，３３０，４３０，４３０ａ，４３０ｂ，４３０ｃ，４３０ｄ，４３０ｅ，４３０ｆ，４３０ｇ 接続部、１３１ 橋渡し部、１３２Ａ 第１連結部、１３２Ｂ 第２連結部、１３３Ａ 第１端部、１３３Ｂ 第２端部、１４１ 第１スリット、１４２ 第２スリット、１４２ｒ 開口、１４３ 外周スリット、２２３ 側端部、２３０ 追加の接続部、２４１ 追加の第１スリット、２４３ 追加の外周スリット。

Claims (20)

  1. 基部と、
    前記基部に接続された固定端部と、該固定端部とは反対側に位置する先端部とを有し、該固定端部から前記先端部に向かって延在する複数の梁部と、
    前記複数の梁部のうち互いに隣り合う一対の梁部同士を接続する接続部とを備え、
    前記複数の梁部の各々は、複数の層を含む圧電振動部であり、
    前記一対の梁部同士の間には、前記一対の梁部の互いに隣り合う一対の端縁の一部によって形成される第１スリットと、該第１スリットとは異なる位置において、前記一対の梁部の互いに隣り合う一対の端縁の他の一部によって形成される第２スリットとが設けられており、
    前記接続部は、前記第１スリットと前記第２スリットとの間に少なくとも位置し、
    前記接続部は、前記一対の梁部の一方と接続する第１端部と、前記一対の梁部の他方と接続し、かつ、前記一対の梁部が並んでいる方向において前記第１端部と対向する第２端部と、前記一対の梁部同士の間を折返しつつ前記一対の梁部同士を接続するために設けられる橋渡し部と、該橋渡し部における前記一対の梁部の一方側に位置する部分に接続される第１連結部と、前記橋渡し部における前記一対の梁部の他方側に位置する部分に接続され、かつ、前記第１連結部に沿って位置する、第２連結部とを有し、
    前記接続部は、前記第１端部を１つのみ有し、かつ、前記第２端部を１つのみ有し、
    前記第１端部および前記第２端部の各々は、前記一対の梁部の各々の前記固定端部より前記先端部の近くに位置している、圧電デバイス。
  2. 前記一対の梁部同士の間には、前記橋渡し部における前記接続部の折り返しの外周側の端縁と、前記一対の梁部の各々の端縁とにより、外周スリットがさらに形成されており、
    前記第１スリットは、前記外周スリットと接続されており、
    前記第２スリットは、前記橋渡し部における前記接続部の折り返しの内周側に位置している、請求項１に記載の圧電デバイス。
  3. 前記第１連結部は、前記第１端部を起点として前記第２スリットに沿って延出しており、
    前記第２連結部は、前記第２端部を起点として前記第２スリットに沿って延出している、請求項１または請求項２に記載の圧電デバイス。
  4. 前記第１連結部は、前記第１端部側とは反対側において前記橋渡し部と直接接続されており、
    前記第２連結部は、前記第２端部側とは反対側において前記橋渡し部と直接接続されている、請求項３に記載の圧電デバイス。
  5. 前記複数の層の積層方向から見て、前記第１連結部および前記第２連結部の各々の延出長さの寸法は、前記第１連結部および前記第２連結部の各々が前記橋渡し部との接続箇所に向かって延びる経路に沿う方向に直交する方向における、前記第１連結部および前記第２連結部の各々の最小幅の寸法より大きい、請求項３または請求項４に記載の圧電デバイス。
  6. 前記複数の層の積層方向から見て、前記第１連結部および前記第２連結部の各々が前記橋渡し部との接続箇所に向かって延びる経路の長さである、前記第１連結部および前記第２連結部の各々の延出長さの寸法は、前記接続部から前記先端部までの最短長さの寸法より大きい、請求項３または請求項４に記載の圧電デバイス。
  7. 前記複数の層の積層方向から見て、前記第１連結部および前記第２連結部の各々が前記橋渡し部との接続箇所に向かって延びる経路の長さである、前記第１連結部および前記第２連結部の各々の延出長さの寸法は、前記一対の梁部が互いに対向する方向に直交する方向における前記橋渡し部の最大幅の寸法より大きい、請求項３または請求項４に記載の圧電デバイス。
  8. 前記複数の層の積層方向から見て、前記一対の梁部が互いに対向する方向に直交する方向における前記橋渡し部の最大幅の寸法は、前記第１連結部および前記第２連結部の各々が前記橋渡し部との接続箇所に向かって延びる経路に沿う方向に直交する方向における、前記第１連結部および前記第２連結部の各々の最小幅の寸法より大きい、請求項３または請求項４に記載の圧電デバイス。
  9. 前記第１スリットは、前記橋渡し部に対して、前記一対の梁部の各々の前記固定端部側に位置し、
    前記第２スリットは、前記橋渡し部に対して、前記一対の梁部の各々の前記先端部側に位置している、請求項１に記載の圧電デバイス。
  10. 前記複数の梁部として、４つの梁部と、
    前記接続部として、４つの接続部とを備えており、
    前記４つの梁部の各々は、同一の平面内に沿って位置しており、
    前記４つの梁部の各々は、仮想中心点に向かって延出し、かつ、前記仮想中心点の周方向に互いに隣り合っており、
    前記４つの接続部の各々は、前記４つの梁部のうち互いに隣り合う梁部同士の間にそれぞれ位置して隣り合う一対の梁部同士を接続する、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
  11. 前記複数の梁部として、２つの梁部を備え、
    前記２つの梁部は、前記２つの梁部の各々の前記先端部が互いに対向するように位置しており、
    前記第１スリットおよび前記第２スリットの各々は、前記２つの梁部の各々の前記先端部同士の間に位置している、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
  12. 前記２つの梁部は、互いに同一の方向に沿って延在しており、
    前記第１スリットおよび前記第２スリットの各々は、前記２つの梁部の各々の延在方向に直交する方向に延在している、請求項１１に記載の圧電デバイス。
  13. 前記固定端部と前記先端部は、それぞれ、前記２つの梁部の各々の延在方向に対して直交方向に沿って位置している、請求項１２に記載の圧電デバイス。
  14. 前記複数の層は、
    単結晶圧電体で構成された圧電体層と、
    前記複数の層の積層方向において前記圧電体層の一方側に配置された第１電極層と、
    前記圧電体層を挟んで前記第１電極層の少なくとも一部と対向するように前記圧電体層の他方側に配置された第２電極層とを有し、
    前記単結晶圧電体の分極軸を、前記積層方向に直交する仮想平面上に前記積層方向から射影したときの仮想軸の軸方向は、前記複数の梁部のいずれにおいても同一方向に延在しており、かつ、前記積層方向から見て、前記第１スリットおよび前記第２スリットの各々の延在方向とのなす角が４５度でない、請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
  15. 前記仮想軸の軸方向は、前記積層方向から見て、前記第１スリットおよび前記第２スリットの各々の延在方向とのなす角が、０度以上５度以下、８５度以上９５度以下、または、１７５度以上１８０度未満である、請求項１４に記載の圧電デバイス。
  16. 前記一対の梁部の各々を、前記第１スリット側および前記第２スリット側から見たときに、前記一対の梁部の各々が前記積層方向のいずれか一方向に傾いている、請求項１４または請求項１５に記載の圧電デバイス。
  17. 前記積層方向から見て、前記複数の梁部の各々の延出方向と、前記積層方向から見たときの前記仮想軸の軸方向とのなす角は、いずれも、４０度以上５０度以下、または、１３０度以上１４０度以下である、請求項１４から請求項１６のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
  18. 前記圧電体層は、ニオブ酸リチウム(ＬｉＮｂＯ3)、または、タンタル酸リチウム(ＬｉＴａＯ3)で構成されている、請求項１４から請求項１６のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
  19. 前記４つの梁部の前記固定端部は、前記複数の層の積層方向から見て、正方形状に位置しており、
    前記積層方向から見て、前記４つの梁部の前記固定端部のうちの向かい合う固定端部同士の最短距離の寸法に対する、前記第１連結部および前記第２連結部の各々の延出長さの寸法の比率は、３０％以下である、請求項１０に記載の圧電デバイス。
  20. 前記第１連結部および前記第２連結部の各々の最小幅の寸法は、前記第１連結部および前記第２連結部の各々の、前記複数の層の積層方向における厚さの寸法より大きい、請求項１から請求項１９のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
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