JP7452476B2

JP7452476B2 - 圧電素子、圧電装置、および圧電素子の製造方法

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Publication number: JP7452476B2
Application number: JP2021038409A
Authority: JP
Inventors: 峰一酒井; 和明馬渡
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2021-03-10
Filing date: 2021-03-10
Publication date: 2024-03-19
Anticipated expiration: 2041-03-10
Also published as: EP4307712A1; WO2022191192A1; US20230345183A1; JP2022138494A; CN116848856A

Description

本発明は、振動領域を有する圧電素子、圧電装置、および圧電素子の製造方法に関するものである。

従来より、振動領域を有する圧電素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、この圧電素子は、支持体上に、圧電膜と、圧電膜と電気的に接続される電極膜とが積層された構成とされている。そして、圧電素子は、支持体に凹部が形成されており、圧電膜および電極膜の一部が支持体から浮遊した浮遊領域とされている。また、この圧電素子では、浮遊領域にスリットが形成されることにより、浮遊領域が複数の領域に分割されて振動領域が構成されている。なお、各振動領域は、支持体に片持ち支持された状態となっている。また、各振動領域は、平面略三角形状とされており、支持体側の一端部の質量が当該一端部と反対側の他端部の質量よりも重くされている。

特許５９３６１５４号公報

ところで、上記のような圧電素子では、低周波数側の検出精度を向上させたいという要望がある。

本発明は上記点に鑑み、検出精度の向上を図ることができる圧電素子、圧電装置、および圧電素子の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１では、圧力を検出する圧電素子であって、支持体（１０）と、支持体上に配置され、圧電膜（３０）と圧電膜と電気的に接続される電極膜（４０）とを有し、支持体に支持される支持領域（２１ａ）と、一端部（２２１）側が支持領域に支持されていると共に一端部と反対側の他端部（２２２）側が支持体から浮遊している複数の振動領域（２２）と、を有する振動部（２０）と、を備え、複数の振動領域は、一端部側の質量が他端部側の質量より重くされ、圧電膜の電荷に基づく第１検出信号を出力する圧力検出部（２２０ａ）とされる振動領域と、他端部側の質量が一端部側の質量より重くされ、圧電膜の電荷に基づく第２検出信号を出力する加速度検出部（２２０ｂ）とされる振動領域と、を有している。

これによれば、加速度検出部は、他端部側の質量が一端部側の質量よりも重くされている。このため、加速度検出部は、低周波ロールオフ周波数が圧力検出部よりも低くなる。このため、検出する圧力の周波数が所定の閾値未満である場合には、加速度検出部からの第２検出信号を用いて圧力を検出することにより、低周波数側の検出精度の向上を図ることができる。

請求項５は、圧力を検出する圧電装置であって、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の圧電素子と、所定の処理を行う制御部（２００）と、を備え、制御部は、第１検出信号および第２検出信号に基づいて印加される圧力の周波数を導出すると共に導出した周波数と所定の閾値とを比較し、導出した周波数が所定の閾値未満であると判定すると第２検出信号に基づいて圧力を検出し、導出した周波数が所定の閾値以上であると判定すると第１検出信号に基づいて圧力を検出する。

これによれば、制御部は、導出した圧力の周波数が所定の閾値未満であると判定すると第２検出信号に基づいて圧力を検出する。このため、低周波数側の検出精度の向上を図ることができる。

請求項７は、圧力を検出する圧電装置であって、支持体（１０）と、支持体上に配置され、圧電膜（３０）と圧電膜と電気的に接続される電極膜（４０）とを有し、支持体に支持される支持領域（２１ａ）と、一端部（２２１）側が支持領域に支持されていると共に一端部と反対側の他端部（２２２）側が支持体から浮遊している振動領域（２２）と、を有する振動部（２０）と、を備える圧電素子（１）と、所定の処理を行う制御部（２００）と、を備え、圧電素子は、複数備えられ、一端部側の質量が他端部側の質量より重くされ、圧電膜の電荷に基づく第１検出信号を出力する圧力検出部（２２０ａ）とされる振動領域を有する圧電素子と、他端部側の質量が一端部側の質量より重くされ、圧電膜の電荷に基づく第２検出信号を出力する加速度検出部（２２０ｂ）とされる振動領域を有する圧電素子と、を含み、制御部は、第１検出信号および第２検出信号に基づいて印加される圧力の周波数を導出すると共に導出した周波数と所定の閾値とを比較し、導出した周波数が所定の閾値未満であると判定すると第２検出信号に基づいて圧力を検出し、導出した周波数が所定の閾値以上であると判定すると第１検出信号に基づいて圧力を検出する。

これによれば、加速度検出部は、他端部側の質量が一端部側の質量よりも重くされている。このため、加速度検出部は、低周波ロールオフ周波数が圧力検出部よりも低くなる。そして、制御部は、導出した圧力の周波数が所定の閾値未満であると判定すると第２検出信号に基づいて圧力を検出する。このため、低周波数側の検出精度の向上を図ることができる。

請求項８は、請求項１に記載の圧電素子の製造方法であり、支持体を用意することと、支持体上に、圧電膜および電極膜を形成することと、圧電膜を貫通して支持体に達するスリット（６０）を形成することで振動領域構成部分（２３０）を形成することと、支持体のうちの圧電膜側と反対側から凹部（１０ａ）を形成して振動領域構成部分を浮遊させることにより、振動領域を有する振動部を構成することと、を行い、スリットを形成することでは、振動部を構成することの際、一端部側の質量が他端部側の質量より重くされた圧力検出部とされる振動領域と、他端部側の質量が一端部側の質量より重くされた加速度検出部とされる振動領域とが構成されるように、スリットを形成する。

これによれば、圧力検出部および加速度検出部は、スリットの形状を調整することによって同じ工程で形成される。このため、製造工程の簡略化を図ることができる。

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態における圧電装置の断面図である。図１に示す圧電素子の平面図である。図２中のIII－III線に沿った断面図である。周波数と出力の周波数特性との関係を示す図である。第１実施形態における圧電素子の製造方法を示す断面図である。図５Ａに続く圧電素子の製造方法を示す断面図である。図５Ｂに続く圧電素子の製造方法を示す断面図である。周波数とノイズの周波数特性との関係を示す図である。第２実施形態における圧電素子の平面図である。第３実施形態における圧電素子の平面図である。第４実施形態における圧電素子の平面図である。第５実施形態における圧電装置の断面図である。第６実施形態における圧電装置の断面図である。他の実施形態における圧電装置の断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
第１実施形態の圧電装置Ｓ１０の構成について、図１～図３を参照しつつ説明する。なお、本実施形態の圧電装置Ｓ１０は、例えば、可聴域である１～２００００Ｈｚの音圧等の圧力を検出するのに用いられると好適であり、スマートフォンやＡＩスピーカ等に搭載されて用いられると好適である。また、本実施形態の圧電装置Ｓ１０は、例えば、電源無しで変位に応じた出力を得られるウェイクアップ機能を発揮する電子機器等に搭載され、当該変位を検出するのに利用されると好適である。

本実施形態の圧電装置Ｓ１０は、図１に示されるように、圧電素子１および制御部２００を有する回路基板２を備え、これら圧電素子１および回路基板２がケーシング１００に収容されて構成されている。まず、本実施形態の圧電素子１の構成について説明する。

圧電素子１は、図２および図３に示されるように、支持体１０と、振動部２０とを備え、平面形状が矩形状とされている。支持体１０は、一面１１ａおよび他面１１ｂを有する支持基板１１と、支持基板１１の一面１１ａ上に形成された絶縁膜１２とを有している。なお、支持基板１１は、例えば、シリコン基板等で構成され、絶縁膜１２は、酸化膜等で構成されている。

振動部２０は、支持体１０上に配置されており、圧電膜３０および圧電膜３０と電気的に接続される電極膜４０を有する構成とされている。圧電膜３０は、例えば、窒化スカンジウムアルミニウム（ＳｃＡｌＮ）や、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の鉛フリーの圧電セラミックス等を用いて構成されている。電極膜４０は、モリブデン、銅、プラチナ、白金、チタン等を用いて構成されている。

本実施形態では、圧電膜３０は、下層圧電膜３１と、下層圧電膜３１上に積層される上層圧電膜３２とを有している。また、電極膜４０は、下層圧電膜３１の下方に配置された下層電極膜４１、下層圧電膜３１と上層圧電膜３２との間に配置された中間電極膜４２、および上層圧電膜３２上に配置された上層電極膜４３を有している。つまり、振動部２０は、下層圧電膜３１が下層電極膜４１と中間電極膜４２とで挟み込まれており、上層圧電膜３２が中間電極膜４２と上層電極膜４３とで挟み込まれたバイモルフ構造とされている。そして、振動部２０は、下層電極膜４１と中間電極膜４２との間の容量、および中間電極膜４２と上層電極膜４３との間の容量に応じた検出信号を出力する。

なお、各電極膜４０は、振動部２０のうちの後述する各振動領域２２にそれぞれ形成されている。そして、各電極膜４０は、振動部２０のうちの後述する支持領域２１ａに形成された図示しない配線と適宜接続され、支持領域２１ａに形成された図示しない電極部を介して回路基板２と接続される。

また、本実施形態の振動部２０は、下層圧電膜３１および下層電極膜４１が配置される下地膜５０を有している。つまり、支持体１０上には、下地膜５０を介して圧電膜３０および電極膜４０が配置されている。下地膜５０は、必ずしも必要なものではないが、下層圧電膜３１等を成膜する際の結晶成長をし易くするために備えられている。なお、本実施形態の下地膜５０は、窒化アルミニウム等で構成される。また、圧電膜３０は、厚さが１μｍ程度とされており、下地膜５０は、厚さが数十ｎｍ程度とされている。つまり、下地膜５０は、圧電膜３０に対して極めて薄くされている。

支持体１０には、振動部２０における内縁側を浮遊させるための凹部１０ａが形成されている。このため、振動部２０は、支持体１０上に配置された支持領域２１ａと、支持領域２１ａと繋がっていると共に凹部１０ａ上で浮遊する浮遊領域２１ｂとを有する構成となっている。なお、本実施形態の凹部１０ａは、振動部２０側の開口端の形状が平面矩形状とされている。このため、支持領域２１ａにおける内縁部の形状は、第１～第４辺２１１～２１４を有する矩形状となっている。

浮遊領域２１ｂには、当該浮遊領域２１ｂを厚さ方向に貫通するスリット６０が形成されている。本実施形態では、スリット６０は、浮遊領域２１ｂを６個に分割すると共に、分割された各領域が支持領域２１ａに片持ち支持されるように形成されている。そして、６個に分割された領域は、それぞれが振動領域２２として機能する。なお、各振動領域２２は、それぞれ同じ構成要素によって構成されており、具体的には後述するが、平面形状によって機能が分けられている。そして、各振動領域２２は、振動することで圧電膜３０の電荷が変化するため、電荷に応じた検出信号を電極膜４０から出力する。

以下、本実施形態の各振動領域２２の構成について説明する。以下では、各振動領域２２における支持領域２１ａ側の固定端となる端部を一端部２２１とし、各振動領域２２における支持領域２１ａ側と反対側の自由端となる端部を他端部２２２として説明する。また、以下では、振動領域２２における支持体１０と反対側の面を振動領域２２の一面２２ａとし、振動領域２２における支持体１０側の面を振動領域２２の他面２２ｂとする。

本実施形態では、６個の振動領域２２は、それぞれ平面略三角形状とされている。そして、６個の振動領域２２のうちの２個の振動領域２２は、一端部２２１側の質量が他端部２２２側の質量より重くなるように形成されている。本実施形態では、この２個の振動領域２２は、上記のように平面略三角形状とされており、一端部２２１側が２つの頂角を結ぶ１つの辺側で構成されると共に他端部２２２側が１つの頂角で構成されるように形成されている。そして、２個の振動領域２２は、振動領域２２の一面２２ａおよび他面２２ｂに対する法線方向（以下では、単に法線方向ともいう）において、一端部２２１側の幅が他端部２２２側の幅より広くされている。なお、本実施形態における幅とは、振動領域２２における支持領域２１ａ側からの延設方向と交差する方向であって、振動領域２２の面方向に沿った長さのことである。

このような振動領域２２は、当該振動領域２２に直接印加される圧力に応じて振動し、当該振動に基づく検出信号を出力する。言い換えると、このような振動領域２２は、一端部２２１側の質量が他端部２２２側の質量より重くされており、等分布荷重が印加された状態に相当する検出信号を出力する。以下では、このような振動領域２２を圧力検出部２２０ａとし、圧力検出部２２０ａから出力される検出信号を第１検出信号として説明する。なお、圧力検出部２２０ａは、後述する加速度検出部２２０ｂと比較すると、他端部２２２側の質量が一端部側の質量よりも小さくされているため、自重等に起因して振動し難くなっている。

６個の振動領域２２のうちの４個の振動領域２２は、他端部２２２側の質量が一端部２２１側の質量より重くなるように形成されている。本実施形態では、この４個の振動領域２２は、上記のように平面略三角形状とされており、一端部２２１側が１つの頂角側で構成されると共に他端部２２２が残りの２つの頂角側で構成されるように形成されている。そして、４個の振動領域２２は、法線方向において、他端部２２２側の幅が一端部２２１側の幅より広くされている。

このような振動領域２２は、圧力検出部２２０ａと比較すると、他端部２２２側の質量が重くされているため、当該振動領域２２に直接印加される圧力によって振動し難くなっている。そして、このような振動領域２２は、圧電素子１の全体に印加される圧力に基づく加速度に応じた検出信号を出力する。言い換えると、このような振動領域２２は、他端部２２２側の質量が一端部側の質量より重くされており、先端荷重が印加された状態に相当する検出信号を出力する。以下では、このような振動領域２２を加速度検出部２２０ｂとし、加速度検出部２２０ｂから出力される検出信号を第２検出信号として説明する。なお、圧電素子１の全体に印加される圧力に基づく加速度に応じた検出信号とは、圧電素子１の全体に印加される圧力に起因する振動、空気振動、他端部２２２側の質量が重くされていることによる自重に起因する振動等に基づいた信号である。また、このような振動領域２２は、他端部２２２側の質量が一端部２２１側の質量より重くされているため、隣合う振動領域２２の間のスリット６０を介して抜け出る圧力によって当該振動領域２２が振動し難くなっている。

以上より、本実施形態の圧電素子１は、２個の圧力検出部２２０ａと４個の加速度検出部２２０ｂとを有する構成とされている。つまり、本実施形態の圧電素子１は、いわゆる複合センサとされている。そして、本実施形態の圧電素子１は、圧力検出部２２０ａが振動領域２２に直接印加される圧力に基づいた第１検出信号を出力し、加速度検出部２２０ｂが圧電素子１の全体に印加される圧力等に基づいた第２検出信号を出力する。なお、本実施形態では、４つの圧力検出部２２０ａは、直列に接続されて１つの第１検出信号を出力する。同様に、２つの加速度検出部２２０ｂは、直列に接続されて１つの第２検出信号を出力する。

ここで、圧力検出部２２０ａは、一端部２２１側の質量が他端部２２２側の質量より重くされており、加速度検出部２２０ｂは、他端部２２２側の質量が一端部２２１側の質量より重くされている。このため、図４に示されるように、圧力検出部２２０ａおよび加速度検出部２２０ｂは、低周波ロールオフ周波数ｆｒ１、ｆｒ２および共振周波数ｆ１、ｆ２が互いに異なる。具体的には、加速度検出部２２０ｂから出力される第２検出信号の低周波ロールオフ周波数ｆｒ２は、圧力検出部２２０ａから出力される第１検出信号の低周波ロールオフ周波数ｆｒ１よりも低くなる。例えば、第２検出信号の低周波ロールオフ周波数ｆｒ２は、１Ｈｚ程度となり、第１検出信号の低周波ロールオフ周波数ｆｒ１は、１００Ｈｚ程度となる。また、加速度検出部２２０ｂの共振周波数ｆ２は、圧力検出部２２０ａの共振周波数ｆ１よりも低くなる。例えば、加速度検出部２２０ｂの共振周波数ｆ２は、４．５ｋＨｚ程度となり、圧力検出部２２０ａの共振周波数ｆ１は、１３ｋＨｚ程度となる。

なお、図４は、周波数が１ｋＨｚである際に圧力検出部２２０ａから出力される第１検出信号の出力を基準（すなわち、０ｄＢ）としている。また、各低周波ロールオフ周波数ｆｒ１、ｆｒ２および各共振周波数ｆ１、ｆ２の詳細な数値は、振動領域２２の他端部２２２側の幅等を調整することによって適宜変更可能である。但し、上記のように一端部２２１と他端部２２２との質量の大小関係が規定されて圧力検出部２２０ａおよび加速度検出部２２０ｂが構成されている場合、第２検出信号の低周波ロールオフ周波数ｆｒ２は、第１検出信号の低周波ロールオフ周波数ｆｒ１よりも低くなる。

そして、本実施形態の圧力検出部２２０ａおよび加速度検出部２２０ｂは、支持領域２１ａにおける相対する第１辺２１１および第３辺２１３に一端部２２１側が支持されて備えられている。具体的には、第１辺２１１には、１つの圧力検出部２２０ａと２つの加速度検出部２２０ｂとが備えられている。詳しくは、１つの圧力検出部２２０ａは、第１辺２１１の中心を含む位置に備えられている。２つの加速度検出部２２０ｂは、圧力検出部２２０ａを挟むように、第１辺２１１に備えられている。同様に、第３辺２１３には、１つの圧力検出部２２０ａと２つの加速度検出部２２０ｂとが備えられている。詳しくは、１つの圧力検出部２２０ａは、第３辺２１３の中心を含む位置に備えられている。２つの加速度検出部２２０ｂは、圧力検出部２２０ａを挟むように、第３辺２１３に備えられている。

以上が本実施形態における圧電素子１の構成である。

回路基板２は、所定の処理を行うものであり、本実施形態では制御部２００を有している。制御部２００は、ＣＰＵや、ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等の記憶部を備えたマイクロコンピュータ等で構成されており、圧電素子１と接続されている。そして、制御部２００は、ＣＰＵがＲＯＭ、または不揮発性ＲＡＭからプログラムを読み出して実行することで各種の制御作動を実現する。なお、ＲＯＭ、または不揮発性ＲＡＭには、プログラムの実行の際に用いられる各種のデータ（例えば、初期値、ルックアップテーブル、マップ等）が予め格納されている。また、ＲＯＭ等の記憶媒体は、非遷移的実体的記憶媒体である。ＣＰＵは、Central Processing Unitの略であり、ＲＯＭは、Read Only Memoryの略であり、ＲＡＭは、Random Access Memoryの略である。

本実施形態の制御部２００は、圧力検出部２２０ａから出力される第１検出信号および加速度検出部２２０ｂから出力される第２検出信号に基づき、印加されている圧力の周波数を導出する。例えば、制御部２００は、第１検出信号および第２検出信号に基づいてフーリエ解析を行うことにより、印加されている圧力の周波数を導出する。

そして、制御部２００は、導出した周波数が所定の閾値以上であると判定した場合には、第１検出信号を用いて印加されている圧力を検出する。また、制御部２００は、導出した周波数が所定の閾値未満であると判定した場合には、第２検出信号を用いて印加されている圧力を検出する。なお、所定の閾値は、圧力検出部２２０ａの低周波ロールオフ周波数ｆｒ１に基づいて設定され、例えば、本実施形態では１００Ｈｚとされる。

ケーシング１００は、図１に示されるように、圧電素子１および回路基板２が搭載されるプリント基板１０１と、圧電素子１および回路基板２を収容するようにプリント基板１０１に固定される蓋部１０２とを有している。なお、本実施形態では、プリント基板１０１が被実装部材に相当する。

プリント基板１０１は、特に図示しないが、配線部やスルーホール電極等が適宜形成された構成とされており、必要に応じて図示しないコンデンサ等の電子部品等も搭載されている。そして、圧電素子１は、支持基板１１の他面１１ｂが接着剤等の接合部材３を介してプリント基板１０１の一面１０１ａに搭載されている。回路基板２は、導電性部材で構成される接合部材４を介してプリント基板１０１の一面１０１ａに搭載されている。そして、圧電素子１と回路基板２とは、ボンディングワイヤ１１０を介して電気的に接続されている。なお、蓋部１０２は、金属、プラスチック、または樹脂等で構成されており、圧電素子１および回路基板２を収容するように、図示しない接着剤等の接合部材を介してプリント基板１０１に固定されている。

また、本実施形態では、プリント基板１０１のうちの振動領域２２と対向する部分に、ケーシング１００の内部と外部とを連通させる貫通孔１０１ｂが形成されている。具体的には、貫通孔１０１ｂは、略円筒状とされており、法線方向において、中心軸が振動部２０の中心部と一致するように形成されている。

以上が本実施形態における圧電装置Ｓ１０の構成である。次に、上記圧電装置Ｓ１０における作動について説明する。

本実施形態の圧電装置Ｓ１０は、圧力が印加されると、当該圧力によって圧電装置Ｓ１０が全体的に振動しつつ、当該圧力が貫通孔１０１ｂを介して凹部１０ａに導入される。そして、圧力検出部２２０ａおよび加速度検出部２２０ｂは、振動することで圧電膜３０の電荷が変化するため、電荷の変化に応じた第１、第２検出信号を回路基板２に出力する。具体的には、圧力検出部２２０ａは、貫通孔１０１ｂから凹部１０ａ内に導入された圧力に基づいた第１検出信号を出力する。加速度検出部２２０ｂは、圧電装置Ｓ１０の全体（すなわち、圧電素子１の全体）に印加される圧力等に基づいた第２検出信号を出力する。

制御部２００は、回路基板２が上記の作動を行う。具体的には、制御部２００は、第１検出信号および第２検出信号に基づいて印加されている圧力の周波数を導出する。そして、導出した周波数が所定の閾値未満である場合には、第２検出信号を用いて圧力を検出し、導出した周波数が所定の閾値以上である場合には、第１検出信号を用いて圧力を検出する。

次に、上記圧電素子１の製造方法について、図５Ａ～図５Ｃを参照しつつ説明する。なお、図５Ａ～図５Ｃは、図３に相当する部分の断面図である。

まず、図５Ａに示されるように、支持基板１１および絶縁膜１２を有する支持体１０上に、下地膜５０、圧電膜３０、電極膜４０等が形成されたものを用意する。つまり、図３に示す圧電素子１における凹部１０ａおよびスリット６０が形成されていないものを用意する。なお、図５Ａの工程で構成される圧電膜３０および電極膜４０は、振動部２０を構成する部分である。このため、図５Ａ中では、振動領域２２の一面２２ａおよび他面２２ｂと同じ符号を付してある。

次に、図５Ｂに示されるように、図示しないマスクを用いて異方性ドライエッチングを行い、圧電膜３０を貫通して支持体１０に達するスリット６０を形成する。これにより、後述する凹部１０ａを形成することで振動領域２２となる振動領域構成部分２３０が構成される。また、スリット６０は、振動領域２２を構成した際、一端部２２１側の質量が他端部２２２側の質量より重くなる圧力検出部２２０ａと、他端部２２２側の質量が一端部２２１側の質量より重くなる加速度検出部２２０ｂとが構成されるように形成される。つまり、本実施形態では、圧力検出部２２０ａと加速度検出部２２０ｂとは、スリット６０の形状によってのみ分けられており、平面形状以外の構成が同じとされている。

なお、振動領域構成部分２３０は、凹部１０ａを形成することで振動領域２２となる部分である。このため、図中では、振動領域構成部分２３０の一面および他面に対して振動領域２２の一面２２ａおよび他面２２ｂと同じ符号を付してある。

続いて、図５Ｃに示されるように、図示しないマスクを用い、支持基板１１の他面１１ｂから絶縁膜１２を貫通して下地膜５０に達するようにエッチングを行って凹部１０ａを形成する。本実施形態では、支持基板１１を異方性ドライエッチングで除去した後、絶縁膜１２を等方性ウェットエッチングで除去して凹部１０ａを形成する。これにより、振動領域構成部分２３０が支持体１０から浮遊して振動領域２２が構成され、図１に示す圧電素子１が製造される。

なお、スリット６０を上記のように形成するため、構成された振動領域２２は、圧力検出部２２０ａと加速度検出部２２０ｂとを有する構成となる。また、この工程では、特に図示しないが、上層圧電膜３２や上層電極膜４３を覆う保護レジスト等を配置して凹部１０ａを形成するようにしてもよい。これによれば、凹部１０ａを形成する際に振動領域２２が破壊されることを抑制できる。但し、保護レジストは、凹部１０ａが形成された後に除去される。

以上説明した本実施形態によれば、圧電装置Ｓ１０は、圧力検出部２２０ａおよび加速度検出部２２０ｂを有している。このため、検出精度の向上を図ることができる。すなわち、一端部２２１側の質量が他端部２２２側の質量より重くされた圧力検出部２２０ａのみを備える圧電素子１である場合、圧力検出部２２０ａから出力される検出信号は、図６に示されるようになる。なお、図６は、周波数が１ｋＨｚである際の出力を基準（すなわち、０ｄＢ）としている。

図６に示されるように、検出信号は、１ｋＨｚより大きい周波数ではホワイトノイズが含まれた一定の信号となるが、１ｋＨｚより低い周波数では、周波数が低くなるほど１／ｆノイズが大きくなる信号となる。つまり、圧力検出部２２０ａからの検出信号は、周波数が低くなるほど検出精度が低くなる。これは、圧力が低周波数である場合、圧力検出部２２０ａの一端部２２１側の質量が他端部２２２側の質量より重くされているため、スリット６０から抜け出る圧力による影響が大きくなるためである。

このため、本実施形態では、圧力検出部２２０ａに加え、加速度検出部２２０ｂを備える構成としている。また、加速度検出部２２０ｂは、他端部２２２側の質量が一端部２２１側の質量より重くなるようにし、第２検出信号の低周波ロールオフ周波数ｆｒ２が第１検出信号の低周波ロールオフ周波数ｆｒ１より低くなるようにしている。そして、圧電装置Ｓ１０は、所定の閾値未満である場合に第２検出信号に基づいて圧力を検出するようにしている。したがって、本実施形態の圧電装置Ｓ１０では、圧力検出部２２０ａの検出精度が低くなる低周波数の圧力を加速度検出部２２０ｂからの第２検出信号に基づいて検出するため、低周波数側の検出精度の向上を図ることができる。そして、低周波数側の検出精度の向上を図ることができることにより、ＡＯＰ（Acoustic Over Pointの略）の改善もできる。

（１）本実施形態では、圧力検出部２２０ａと加速度検出部２２０ｂとが共通の支持領域２１ａに支持されている。つまり、圧力検出部２２０ａおよび加速度検出部２２０ｂは、共通の支持体１０上に配置されている。このため、圧力検出部２２０ａおよび加速度検出部２２０ｂを別々の圧電素子１に形成して圧電装置Ｓ１０を構成する場合と比較して、部品点数の削減を図ることができる。

（２）本実施形態では、圧力検出部２２０ａおよび加速度検出部２２０ｂは、平面形状によって機能が分けられており、基本的な構成要素は同じとされている。このため、構成の簡略化を図ることができる。また、このような圧電素子１を製造する際、圧力検出部２２０ａおよび加速度検出部２２０ｂは、スリット６０の形状を調整することによって同じ工程で形成される。このため、製造工程の簡略化を図ることもできる。

（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対し、圧電素子１に温度検出部を備えたものである。その他に関しては、第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

本実施形態の圧電素子１では、図７に示されるように、圧電素子１のうちの支持領域２１ａに温度検出部７０が備えられている。なお、温度検出部７０は、温度に応じて抵抗値が変化する感温抵抗体等で構成される。

本実施形態の制御部２００は、温度検出部７０と接続され、温度検出部７０からの温度検出信号に基づいて所定の温度補正を行う。具体的には、振動領域２２は、上記のように、圧電膜３０と電極膜４０とが積層されて構成されている。このため、振動領域２２は、使用環境等によって周囲の温度が変化すると、圧電膜３０と電極膜４０との線膨張係数が異なるため、反る可能性がある。したがって、制御部２００は、温度検出信号から振動領域２２の反りを導出し、導出した反りに基づく温度補正を行って圧力を検出する。

本実施形態では、予め温度と振動領域２２の反りとの関係を実験等によって導出し、制御部２００に温度と振動領域２２の反りに関する補助データを記憶させておく。そして、制御部２００は、温度検出信号および補助データに基づいて振動領域２２の反りを導出すると共に、第１検出信号および第２検出信号から反りの影響を低減した補正信号を導出する温度補正を行い、補正信号を用いて圧力を検出する。なお、振動領域２２の反りの方向や大きさは、温度、圧電膜３０および電極膜４０を構成する材質や厚さ等によって変化する。このため、補助データは、実際の圧電膜３０および電極膜４０の材質や厚さ等を考慮して作成されることが好ましい。

以上説明した本実施形態によれば、圧電素子１に圧力検出部２２０ａおよび加速度検出部２２０ｂが備えられており、制御部２００が所定の閾値に基づいて圧力の検出を行うため、検出精度が低下することを抑制できる。

（１）本実施形態では、圧電素子１の支持領域２１ａに温度検出部７０が備えられている。そして、制御部２００は、温度検出信号に基づいた温度補正を行う。このため、本実施形態の圧電装置Ｓ１０によれば、さらに検出精度の向上を図ることができる。

（第３実施形態）
第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対し、圧力検出部２２０ａおよび加速度検出部２２０ｂの構成を変更したものである。その他に関しては、第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

本実施形態の圧電素子１では、図８に示されるように、４個の圧力検出部２２０ａと２個の加速度検出部２２０ｂとが形成されている。具体的には、第１辺２１１には、第４辺２１４側に１つの加速度検出部２２０ｂが備えられ、第２辺２１２側に１つの圧力検出部２２０ａが備えられている。第１辺２１１と第２辺２１２との境界を含む部分には、１つの圧力検出部２２０ａが備えられている。第３辺２１３には、第２辺２１２側に１つの加速度検出部２２０ｂが備えられ、第４辺２１４側に１つの圧力検出部２２０ａが備えられている。第３辺２１３と第４辺２１４の境界を含む部分には、１つの圧力検出部２２０ａが備えられている。

以上説明した本実施形態によれば、圧電素子１に圧力検出部２２０ａおよび加速度検出部２２０ｂが備えられており、制御部２００が所定の閾値に基づいて圧力の検出を行うため、検出精度が低下することを抑制できる。そして、本実施形態のように、圧力検出部２２０ａと加速度検出部２２０ｂの数は、適宜変更可能である。

（第４実施形態）
第４実施形態について説明する。本実施形態は、第３実施形態に対し、圧力検出部２２０ａおよび加速度検出部２２０ｂの配置を変更したものである。その他に関しては、第３実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

本実施形態の圧電素子１は、図９に示されるように、支持領域２１ａの内縁側における所定の２箇所を結ぶ仮想線Ｋに対し、仮想線Ｋより一方の領域に４個の圧力検出部２２０ａが纏めて配置されている。また、圧電素子１は、仮想線Ｋより他方の領域に２個の加速度検出部２２０ｂが纏めて配置されている。

なお、本実施形態の仮想線Ｋは、浮遊領域２１ｂの中心部Ｃと、支持領域２１ａの内縁部における２つの箇所を結ぶ折れ線とされている。しかしながら、仮想線Ｋは、直線とされていてもよいし、中心部Ｃを通らない線であってもよい。

（１）本実施形態では、圧力検出部２２０ａおよび加速度検出部２２０ｂが纏めて配置されている。このため、支持領域２１ａに形成されて電極膜４０と接続される各配線の引き回し等を容易にでき、構成の簡素化を図ることができる。

（第５実施形態）
第５実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対し、圧電装置Ｓ１０の構成を変更したものである。その他に関しては、第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

本実施形態の圧電装置Ｓ１０では、図１０に示されるように、貫通孔１０１ｂは、圧力検出部２２０ａと対向する部分に形成されており、加速度検出部２２０ｂと対向する部分には形成されていない。つまり、本実施形態の貫通孔１０１ｂは、上記第１実施形態と比較すると、対向する側面の間隔が狭くされている。

そして、プリント基板１０１のうちの貫通孔１０１ｂの周囲には、仕切壁１２０が配置されている。具体的には、プリント基板１０１には、圧力検出部２２０ａとプリント基板１０１で囲まれる第１空間Ｓ１と、加速度検出部２２０ｂとプリント基板１０１で囲まれる第２空間Ｓ２とを区画するように仕切壁１２０が配置されている。言い換えると、プリント基板１０１には、圧力検出部２２０ａと対向する部分と加速度検出部２２０ｂと対向する部分とを区画する仕切壁１２０が配置されている。なお、この仕切壁１２０は、例えば、プリント基板１０１の所定箇所に樹脂材料で構成されるポッティング材を配置することで構成される。また、ここでの区画とは、第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２とが隙間等によって連通している場合を含むものである。

（１）本実施形態では、第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２とが区画されている。このため、貫通孔１０１ｂを介して凹部１０ａ内に導入された圧力が加速度検出部２２０ｂに直接印加され難くなり、加速度検出部２２０ｂが当該圧力によって振動し難くなる。そして、第２検出信号に、貫通孔１０１ｂから凹部１０ａ内に導入された圧力に起因する振動の影響が含まれ難くなる。したがって、さらに検出精度の向上を図ることができる。

（第６実施形態）
第６実施形態について説明する。本実施形態は、第５実施形態に対し、圧電装置Ｓ１０の構成を変更したものである。その他に関しては、第５実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

本実施形態の圧電装置Ｓ１０では、図１１に示されるように、凹部１０ａは、第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２とを区画する仕切壁１３が構成されるように形成されている。つまり、凹部１０ａは、圧力検出部２２０ａと支持体１０とで囲まれる第１空間Ｓ１と、加速度検出部２２０ｂと支持体１０とで囲まれる第２空間Ｓ２とを区画する仕切壁１３が構成されるように形成されている。言い換えると、凹部１０ａ内の空間には、圧力検出部２２０ａ側の第１空間Ｓ１と、加速度検出部２２０ｂ側の第２空間Ｓ２とを区画するように、仕切壁１３が配置されている。なお、本実施形態では、上記第５実施形態における仕切壁１２０は形成されていない。また、本実施形態の仕切壁１３は、支持基板１１および絶縁膜１２によって構成されている。

以上説明した本実施形態によれば、圧電素子１に圧力検出部２２０ａおよび加速度検出部２２０ｂが備えられており、制御部２００が所定の閾値に基づいて圧力の検出を行うため、検出精度が低下することを抑制できる。また、仕切壁１３を圧電素子１に備えるようにしても、上記第５実施形態と同様の効果を得ることができる。

（他の実施形態）
本開示は、実施形態に準拠して記述されたが、本開示は当該実施形態や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

例えば、上記第１実施形態では、圧力検出部２２０ａおよび加速度検出部２２０ｂが異なる支持体１０上に配置されていてもよい。つまり、上記第１実施形態では、２つの圧電素子１を備え、一方の圧電素子１に圧力検出部２２０ａが形成され、他方の圧電素子１に加速度検出部２２０ｂが形成されるようにしてもよい。なお、このような構成とする場合には、貫通孔１０１ｂは、圧力検出部２２０ａが構成される圧電素子１の凹部１０ａと連通するように形成されていればよい。

また、上記各実施形態において、制御部２００は、回路基板２に備えられていなくてもよい。例えば、制御部２００は、ケーシング１００外に配置される別の回路部に備えられていてもよい。

そして、上記各実施形態において、圧力検出部２２０ａおよび加速度検出部２２０ｂの数は適宜変更可能である。例えば、圧力検出部２２０ａおよび加速度検出部２２０ｂは、それぞれ１つずつ形成されていてもよい。

また、上記各実施形態において、振動部２０は、少なくとも１層の圧電膜３０と、１層の電極膜４０とを有する構成とされていればよい。また、圧電素子１は、平面形状が矩形状ではなく、五角形状や六角形状等の多角形状とされていてもよい。さらに、浮遊領域２１ｂの平面形状は、略矩形状ではなく、略五角形状や略六角形状等の多角形状とされていてもよい。

さらに、上記第１～第５実施形態では、図１２に示されるように、蓋部１０２に貫通孔１０２ａが形成されていてもよい。なお、上記第５実施形態において蓋部１０２に貫通孔１０２ａを形成する場合には、蓋部１０２に仕切壁を備えるようにすればよい。

そして、上記各実施形態を適宜組み合わせるようにしてもよい。例えば、上記第２実施形態を上記第３～第６実施形態に組み合わせ、温度検出部７０を備える構成としてもよい。上記第３実施形態を上記第５、第６実施形態に組み合わせ、圧力検出部２２０ａおよび加速度検出部２２０ｂの数を変更するようにしてもよい。上記第４実施形態を上記第５、第６実施形態に組み合わせ、圧力検出部２２０ａを纏めて配置すると共に加速度検出部２２０ｂを纏めて配置するようにしてもよい。上記第５実施形態を上記第６実施形態に組み合わせ、プリント基板１０１に仕切壁１２０を配置すると共に圧電素子１に仕切壁１３を配置するようにしてもよい。

本開示に記載の制御部及びその手法は、コンピュータプログラムにより具体化された一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリーを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。あるいは、本開示に記載の制御部及びその手法は、一つ以上の専用ハードウエア論理回路によってプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。もしくは、本開示に記載の制御部及びその手法は、一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリーと一つ以上のハードウエア論理回路によって構成されたプロセッサとの組み合わせにより構成された一つ以上の専用コンピュータにより、実現されてもよい。また、コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されていてもよい。

１圧電素子
１０支持体
２０振動部
２１ａ支持領域
２２振動領域
２２０ａ圧力検出部
２２０ｂ加速度検出部
２２１一端部
２２２他端部

Claims

圧力を検出する圧電素子であって、
支持体（１０）と、
前記支持体上に配置され、圧電膜（３０）と前記圧電膜と電気的に接続される電極膜（４０）とを有し、前記支持体に支持される支持領域（２１ａ）と、一端部（２２１）側が前記支持領域に支持されていると共に前記一端部と反対側の他端部（２２２）側が前記支持体から浮遊している複数の振動領域（２２）と、を有する振動部（２０）と、を備え、
前記複数の振動領域は、
前記一端部側の質量が前記他端部側の質量より重くされ、前記圧電膜の電荷に基づく第１検出信号を出力する圧力検出部（２２０ａ）とされる振動領域と、
前記他端部側の質量が前記一端部側の質量より重くされ、前記圧電膜の電荷に基づく第２検出信号を出力する加速度検出部（２２０ｂ）とされる振動領域と、を有する圧電素子。
前記支持領域には、温度に応じた温度検出信号を出力する温度検出部（７０）が配置されている請求項１に記載の圧電素子。
前記圧力検出部および前記加速度検出部は、前記振動領域の面方向に沿った方向に延び、前記支持領域における所定の２箇所を通る仮想線（Ｋ）に対し、前記仮想線より一方の側に前記圧力検出部が纏めて配置され、前記仮想線より他方の側に前記加速度検出部が纏めて配置されている請求項１または２に記載の圧電素子。
前記支持体には、当該支持体から前記振動領域を浮遊させる凹部（１０ａ）が形成されており、
前記凹部は、前記圧力検出部と前記支持体とで囲まれる第１空間（Ｓ１）と、前記加速度検出部と前記支持体とで囲まれる第２空間（Ｓ２）とを区画する仕切壁（１３）が構成される状態で形成されている請求項１ないし３のいずれか１つに記載の圧電素子。
圧力を検出する圧電装置であって、
請求項１ないし４のいずれか１つに記載の圧電素子と、
所定の処理を行う制御部（２００）と、を備え、
前記制御部は、前記第１検出信号および前記第２検出信号に基づいて印加される前記圧力の周波数を導出すると共に導出した周波数と所定の閾値とを比較し、導出した周波数が前記所定の閾値未満であると判定すると前記第２検出信号に基づいて前記圧力を検出し、導出した周波数が前記所定の閾値以上であると判定すると前記第１検出信号に基づいて前記圧力を検出する圧電装置。
前記圧電素子を収容するケーシング（１００）を備え、
前記ケーシングには、前記圧力検出部と対向する部分に貫通孔（１０１ｂ）が形成されていると共に、前記圧力検出部と対向する部分と前記加速度検出部と対向する部分とを区画する仕切壁（１２０）が配置されている請求項５に記載の圧電装置。
圧力を検出する圧電装置であって、
支持体（１０）と、前記支持体上に配置され、圧電膜（３０）と前記圧電膜と電気的に接続される電極膜（４０）とを有し、前記支持体に支持される支持領域（２１ａ）と、一端部（２２１）側が前記支持領域に支持されていると共に前記一端部と反対側の他端部（２２２）側が前記支持体から浮遊している振動領域（２２）と、を有する振動部（２０）と、を備える圧電素子（１）と、
所定の処理を行う制御部（２００）と、を備え、
前記圧電素子は、
複数備えられ、
前記一端部側の質量が前記他端部側の質量より重くされ、前記圧電膜の電荷に基づく第１検出信号を出力する圧力検出部（２２０ａ）とされる振動領域を有する圧電素子と、
前記他端部側の質量が前記一端部側の質量より重くされ、前記圧電膜の電荷に基づく第２検出信号を出力する加速度検出部（２２０ｂ）とされる振動領域を有する圧電素子と、を含み、
前記制御部は、前記第１検出信号および前記第２検出信号に基づいて印加される前記圧力の周波数を導出すると共に導出した周波数と所定の閾値とを比較し、導出した周波数が前記所定の閾値未満であると判定すると前記第２検出信号に基づいて前記圧力を検出し、導出した周波数が前記所定の閾値以上であると判定すると前記第１検出信号に基づいて前記圧力を検出する圧電装置。
支持体（１０）と、
前記支持体上に配置され、圧電膜（３０）と前記圧電膜と電気的に接続される電極膜（４０）とを有し、前記支持体に支持される支持領域（２１ａ）と、一端部（２２１）側が前記支持領域に支持されていると共に前記一端部と反対側の他端部（２２２）側が前記支持体から浮遊している複数の振動領域（２２）と、を有する振動部（２０）と、を備え、
前記複数の振動領域は、
前記一端部側の質量が前記他端部側の質量より重くされ、前記圧電膜の電荷に基づく第１検出信号を出力する圧力検出部（２２０ａ）とされる振動領域と、
前記他端部側の質量が前記一端部側の質量より重くされ、前記圧電膜の電荷に基づく第２検出信号を出力する加速度検出部（２２０ｂ）とされる振動領域と、を有する圧電素子の製造方法であって、
前記支持体を用意することと、
前記支持体上に、前記圧電膜および前記電極膜を形成することと、
前記圧電膜を貫通して前記支持体に達するスリット（６０）を形成することで振動領域構成部分（２３０）を形成することと、
前記支持体のうちの前記圧電膜側と反対側から凹部（１０ａ）を形成して前記振動領域構成部分を浮遊させることにより、前記振動領域を有する前記振動部を構成することと、を行い、
前記スリットを形成することでは、前記振動部を構成することの際、前記一端部側の質量が前記他端部側の質量より重くされた前記圧力検出部とされる振動領域と、前記他端部側の質量が前記一端部側の質量より重くされた前記加速度検出部とされる振動領域とが構成されるように、前記スリットを形成する圧電素子の製造方法。