JP7420234B2 - 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)がある。特許文献１に記載された圧電デバイスは、複数のプレートと、複数のスプリングとを含んでいる。複数のスプリングの各々は、２つの隣接するプレートを互いに接続する。複数のスプリングの各々は、２つの隣接するプレートの間のギャップを互いの間に挟む第１スプリングアームおよび第２スプリングアームを含む。第１スプリングアームおよび第２スプリングアームの各々は、プレートのエッチングされた部分を囲む部分を含む。
特許文献１に開示された圧電デバイスにおいては、スプリングの根元部分が梁部であるプレートの固定端側とは反対側の先端に配置されている。スプリングの根元部には、応力集中が発生するため、プレートの先端で互いに交差する２つの端縁の各々にスプリングが配置されて２つのスプリングの根元部同士が接近している場合、当該根元部同士の間に亀裂が発生して励振特性が低下する可能性がある。
本発明は上記の問題点に鑑みてなされてものであって、複数の梁部の各々において応力集中箇所を互いに離間させることにより励振特性の低下を抑制することができる、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、環状の基部と、複数の梁部と、接続部とを備える。複数の梁部は、基部に接続された固定端部と、固定端部とは反対側に位置する先端部とを有し、固定端部から先端部に向かって延在する。接続部は、複数の梁部のうち基部の周方向に互いに隣り合う一対の梁部を接続する。複数の梁部の各々は、複数の層を含む圧電振動部である。上記一対の梁部の間には、スリットと開口部とが設けられている。スリットは、上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。開口部は、スリットに間隔をあけつつ上記一対の梁部の各々の先端部に隣接して位置し、上記一対の端縁の他の一部によって形成される。接続部は、上記一対の梁部の間を折返すように設けられている。接続部は、第１連結部と、第２連結部と、橋渡し部とを含む。第１連結部は、スリットに沿って延在して一対の梁部の一方に接続されている。第２連結部は、スリットに沿って延在して一対の梁部の他方に接続されている。橋渡し部は、スリットと開口部との間に位置して第１連結部および第２連結部の各々と接続されている。複数の梁部の各々は、互いに交差する方向に延在するスリットに挟まれて位置しつつ接続部を介して上記周方向に互いに接続されている。
本発明によれば、複数の梁部の各々において応力集中箇所を互いに離間させることにより圧電デバイスの励振特性の低下を抑制することができる。
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、環状の基部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、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、環状の基部１１０の中心に向かって延出し、かつ、基部１１０の周方向に互いに隣り合っている。４つの接続部１３０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１つずつ配置されて隣り合う一対の梁部１２０を接続している。
本実施形態においては、４つの梁部１２０は、基部１１０の中心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、基部１１０の中心に関して互いに回転対象となるように構成されている。
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、環状の形状を有しており、具体的には、矩形環状の形状を有している。なお、基部１１０を上記積層方向から見たときの形状は、環状であれば特に限定されない。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、上記積層方向から見たときに、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。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、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、複数の梁部１２０のうち基部１１０の周方向に互いに隣り合う一対の梁部１２０の間には、スリット１４１と開口部１４２とが設けられている。本実施形態においては、外周スリット１４３がさらに設けられている。
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。上記積層方向から見て、スリット１４１は、複数の梁部１２０の各々の略三角形状の外形のうちの固定端部１２１から先端部１２２に向かって延在する２辺に沿って位置している。
開口部１４２は、スリット１４１に間隔をあけつつ一対の梁部１２０の各々の先端部１２２に隣接して位置し、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。上記積層方向から見て、開口部１４２は、スリット１４１の延長線上に位置している。上記積層方向から見て、開口部１４２は、環状の基部１１０の中心上に位置している。
外周スリット１４３は、スリット１４１に間隔をあけて後述する第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々に沿って延在しつつ開口部１４２と連通している。具体的には、外周スリット１４３は、接続部１３０を互いの間に挟んで並行に延在する２本のスリットで構成されている。
上記積層方向から見たときのスリット１４１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。
図１および図３に示すように、接続部１３０は、複数の梁部１２０のうち基部１１０の周方向に互いに隣り合う一対の梁部１２０を接続する。接続部１３０は、一対の梁部１２０の間を折返すように設けられている。
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第１端部１３３Ａと隙間をあけて並んでいる。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。
具体的には、接続部１３０は、第１連結部１３２Ａと、第２連結部１３２Ｂと、橋渡し部１３１とを含む。第１連結部１３２Ａは、スリット１４１に沿って延在して一対の梁部１２０の一方に接続されている。第２連結部１３２Ｂは、スリット１４１に沿って延在して一対の梁部１２０の他方に接続されている。
橋渡し部１３１は、スリット１４１と開口部１４２との間に位置して第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々と接続されている。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。
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。
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の各々において、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３に示すように、本実施形態において、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の長さＬの寸法は、互いに略同一である。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、互いに略同一である。第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の長さＬの寸法は、第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の最小幅Ｗの寸法より大きい。第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の長さＬの寸法は、橋渡し部１３１から基部１１０の中心までの最短長さｂの寸法より大きい。第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の長さＬの寸法は、橋渡し部１３１の最大幅ａの寸法より大きい。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。
第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の長さＬの寸法が小さいほど、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。第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々の長さＬの寸法が大きくなるほど、一対の梁部１２０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の寸法が大きいほど、一対の梁部１２０が互いに強固に接続される。橋渡し部１３１から基部１１０の中心までの最短長さｂの寸法が小さいほど、一対の梁部１２０が互いに強固に接続されるとともに、圧電デバイス１００の励振時に開口部１４２を通過する空気の量を低減できるため、圧電デバイス１００の損失を低減することができる。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。橋渡し部１３１から基部１１０の中心までの最短長さ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。
ここで、接続部の形状が異な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について説明する。
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の開口部１４２と接している側面が湾曲している。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。
また、圧電デバイス１００ａにおいては、第１連結部１３２Ａの幅が第１端部１３３Ａに近づくにつれて広くなる部分を有するように、かつ、第２連結部１３２Ｂの幅が第２端部１３３Ｂに近づくにつれて広くなる部分を有するように、外周スリット１４３の開口部１４２側とは反対側の端部が互いに離れるように湾曲している。
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、単結晶基板は具体的には回転Ｙカット基板である。回転Ｙカット基板のカット方位は具体的には３０°である。圧電体層１１の厚さは、たとえば０．３μｍ以上５．０μｍ以下である。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、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。
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、および、第２電極層１３と圧電体層１１との間の各々には、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、スリット１４１、開口部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、環状の基部１１０の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２電極層１３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、穴部１０１が形成されている。本実施形態において、穴部１０１は、基部１１０、複数の梁部１２０、複数の接続部１３０およびスリット１４１、開口部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投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、上記積層方向から見て、複数のスリット１４１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、上記積層方向から見て、複数のスリット１４１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、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、いずれのスリット１４１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、上記積層方向から見て、上記仮想軸の軸方向と、複数のスリット１４１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、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、複数のスリット１４１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とを対比することにより、上記積層方向から見て上記仮想軸の軸方向と、複数のスリット１４１の各々の延在方向とのなす角が、４５度または１３５度である状態から、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。
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、スリット１４１側から見たときに、一対の梁部１２０の各々が上記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、接続部１３０は、一対の梁部１２０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、圧電デバイス１００によって超音波を発生させる場合には、図２に示す、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、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。また、第２支持部１４ｂが低抵抗なＳｉで構成されている場合、第２支持部１４ｂを下部電極層として機能させることが可能となり、この場合、第２電極層１３の形成および第１支持部１４ａの下面のＣＭＰを不要とすることができる。
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におけるスリット１４１、開口部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。
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、図２に示すように、穴部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においては、接続部１３０は、一対の梁部１２０の間を折返すように設けられている。接続部１３０は、第１連結部１３２Ａと、第２連結部１３２Ｂと、橋渡し部１３１とを含む。第１連結部１３２Ａは、スリット１４１に沿って延在して一対の梁部１２０の一方に接続されている。第２連結部１３２Ｂは、スリット１４１に沿って延在して一対の梁部１２０の他方に接続されている。橋渡し部１３１は、スリット１４１と開口部１４２との間に位置して第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々と接続されている。複数の梁部１２０の各々は、互いに交差する方向に延在するスリット１４１に挟まれて位置しつつ接続部１３０を介して環状の基部１１０の周方向に互いに接続されている。
この構成によって、複数の梁部１２０の各々において、応力集中箇所である、第１端部１３３Ａ同士または第２端部１３３Ｂ同士を互いに離間させることができ、圧電デバイス１００の励振特性の低下を抑制することができる。
また、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のように、外周スリット１４３の開口部１４２側とは反対側の端部が互いに離れるように湾曲している場合においても、特許文献１に記載された圧電デバイスにおいてプレートの先端で互いに交差する２つの端縁の各々にスプリングが配置されて２つのスプリングの根元部同士が接近している場合に比較して、複数の梁部１２０の各々における応力集中箇所である、外周スリット１４３の開口部１４２側とは反対側の端部に隣接している部分の第１端部１３３Ａ同士または第２端部１３３Ｂ同士を互いに離間させることができ、圧電デバイス１００ａの励振特性の低下を抑制することができる。
本実施形態においては、スリット１４１に間隔をあけて第１連結部１３２Ａおよび第２連結部１３２Ｂの各々に沿って延在しつつ開口部１４２と連通した外周スリット１４３がさらに設けられている。
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、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投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、上記積層方向から見て、複数の梁部１２０の各々の延在方向と交差している。
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の各々の延在方向と、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、延在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、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。
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、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２１は、図２０の圧電デバイスをＸＸＩ－ＸＸＩ線矢印方向から見た断面図である。図２２は、本発明の実施形態２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２１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２０から図２２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は、基部１１０と、４つの梁部１２０と、４つの接続部２３０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２０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２３０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２３０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２００において、接続部２３０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２３０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２３０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２３０とは、梁部１２０は第１電極層１２を含み、接続部２３０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２００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２００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２００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２００においては、圧電デバイス２００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２００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２００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２００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２００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２１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、６μｍ、１０μｍおよび１５μｍの３種類とした。
図２３は、シミュレーション解析結果を示すグラフである。図２３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、６μｍのデータを実線、１０μｍのデータを１点鎖線、１５μｍ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２３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６μｍ、１０μｍおよび１５μｍ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３２％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、３２％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２００の変換効率の低下、および、圧電デバイス２００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２３０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２３０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２００の変換効率の低下、および、圧電デバイス２００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２３０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２に係る圧電デバイス２００の接続部２３０と同一である構成については説明を繰り返さない。
図２４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接続部の形状を示す部分平面図である。図２４に示すように、本発明の実施形態２の第１変形例においては、接続部２３０ａの橋渡し部１３１は、スリット１４１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２５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接続部の形状を示す部分平面図である。図２５に示すように、本発明の実施形態２の第２変形例においては、接続部２３０ｂ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２６は、本発明の実施形態２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２６に示すように、本発明の実施形態２の第３変形例においては、接続部２３０ｃの橋渡し部１３１は、スリット１４１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２７は、本発明の実施形態２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２７に示すように、本発明の実施形態２の第４変形例においては、接続部２３０ｄ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、スリット１４１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２８は、本発明の実施形態２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２８に示すように、本発明の実施形態２の第５変形例においては、接続部２３０ｅ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、スリット１４１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２９は、本発明の実施形態２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２９に示すように、本発明の実施形態２の第６変形例においては、スリット１４１の先端に、直径ｒの円形の開口１４１ｒが形成されている。直径ｒの寸法は、スリット１４１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２３０ｆ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１４１ｒ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３０は、本発明の実施形態２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３０に示すように、本発明の実施形態２の第７変形例においては、スリット１４１の先端に、直径ｒの円形の開口１４１ｒが形成されている。直径ｒの寸法は、スリット１４１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２３０ｇ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１４１ｒ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。
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 圧電デバイス、１０１ 穴部、１１０ 基部、１２０ 梁部、１２１ 固定端部、１２２先端部、１３０，２３０，２３０ａ，２３０ｂ，２３０ｃ，２３０ｄ，２３０ｅ，２３０ｆ，２３０ｇ 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 スリット、１４１ｒ 開口、１４２ 開口部、１４３ 外周スリット。
Claims (6)
- 環状の基部と、
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、前記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前記基部の周方向に互いに隣り合う一対の梁部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スリットと、該スリットに間隔をあけつつ前記一対の梁部の各々の前記先端部に隣接して位置し、前記一対の端縁の他の一部によって形成される開口部とが設けられており、
前記接続部は、前記一対の梁部の間を折返すように設けられており、
前記接続部は、前記スリットに沿って延在して前記一対の梁部の一方に接続された第１連結部と、前記スリットに沿って延在して前記一対の梁部の他方に接続された第２連結部と、前記スリットと前記開口部との間に位置して前記第１連結部および前記第２連結部の各々と接続された橋渡し部とを含み、
前記複数の梁部の各々は、互いに交差する方向に延在する前記スリットに挟まれて位置しつつ前記接続部を介して前記周方向に互いに接続されており、
前記スリットに間隔をあけて前記第１連結部および前記第２連結部の各々に沿って延在しつつ前記開口部と連通した外周スリットがさらに設けられている、圧電デバイス。 - 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投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、前記複数の梁部の各々の延在方向と交差している、請求項１に記載の圧電デバイス。 - 前記積層方向から見て、前記仮想軸の軸方向は、前記複数の梁部の各々の延在方向とのなす角が、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２に記載の圧電デバイス。
- 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２または請求項３に記載の圧電デバイス。
- 前記複数の梁部として、４つの梁部を備え、
前記４つの梁部の前記固定端部は、前記積層方向から見て、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、３２％以下である、請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の圧電デバイス。 - 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積層方向における厚さの寸法より大きい、請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
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