WO2020250497A1 - 圧電デバイス - Google Patents

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WO2020250497A1
WO2020250497A1 PCT/JP2020/007770 JP2020007770W WO2020250497A1 WO 2020250497 A1 WO2020250497 A1 WO 2020250497A1 JP 2020007770 W JP2020007770 W JP 2020007770W WO 2020250497 A1 WO2020250497 A1 WO 2020250497A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
piezoelectric device
present
main surface
piezoelectric
communication hole
Prior art date
Application number
PCT/JP2020/007770
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
伸介 池内
青司 梅澤
文弥 黒川
Original Assignee
株式会社村田製作所
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社村田製作所 filed Critical 株式会社村田製作所
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/20—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics
    • H04R1/22—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired frequency characteristic only 
    • H04R1/28—Transducer mountings or enclosures modified by provision of mechanical or acoustic impedances, e.g. resonator, damping means
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers

Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric device.
  • Patent Document 1 As a prior art document that discloses the configuration of a piezoelectric device, there is US Patent Application Publication No. 2017/0184718 (Patent Document 1).
  • the piezoelectric device described in Patent Document 1 has an ultrasonic transducer on the substrate having a substrate, a lid attached to the substrate, and a driveable membrane, and an ultrasonic transducer on the substrate which is operably coupled to the ultrasonic transducer. It is equipped with an integrated circuit.
  • the lid surrounds the ultrasonic transducer and the integrated circuit.
  • An acoustic opening is formed in the substrate.
  • the ultrasonic transducer is fixed to the substrate so as to substantially cover the acoustic opening.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a piezoelectric device capable of improving device characteristics without increasing the thickness.
  • the piezoelectric device based on the present invention includes a substrate, a piezoelectric element, a lid portion, and a partition portion.
  • the substrate has a first main surface.
  • the piezoelectric element is located on the first main surface and has a membrane portion.
  • the lid is located on the first main surface.
  • the lid portion covers the piezoelectric element on the first main surface side, away from the piezoelectric element.
  • the lid has an opening.
  • the partition is positioned so as to block the shortest path from the opening to the piezoelectric element.
  • the partition portion is configured so that a communication hole is formed so as to reach the element installation space, which is the space on the piezoelectric element side with respect to the partition portion, from the opening.
  • the device characteristics can be improved without increasing the thickness.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the piezoelectric device shown in FIG. 1 as viewed from the direction of the arrow on line II-II. It is sectional drawing which saw the piezoelectric device shown in FIG. 2 from the direction of the arrow of line III-III.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the piezoelectric device shown in FIG. 3 as viewed from the direction of the arrow along line IV-IV.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the piezoelectric device shown in FIG. 3 as viewed from the direction of the arrow along line VV.
  • FIG. 1 is a plan view showing the appearance of the piezoelectric device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the piezoelectric device shown in FIG. 1 as viewed from the direction of the arrow along line II-II.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the piezoelectric device shown in FIG. 2 as viewed from the direction of the arrow along line III-III.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the piezoelectric device shown in FIG. 3 as viewed from the direction of the arrow along line IV-IV.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the piezoelectric device shown in FIG. 3 as viewed from the direction of the arrow along the VV line.
  • the piezoelectric device 100 includes a substrate 110, a piezoelectric element 120, a lid portion 130, and a partition portion 140.
  • the substrate 110 has a first main surface 111 and a second main surface 112 located on opposite sides of the first main surface 111.
  • the substrate 110 has a rectangular outer shape when viewed from the normal direction of the first main surface 111.
  • the length of one side of the substrate 110 is, for example, 1 mm or more and 3 mm or less.
  • the thickness of the substrate 110 in the normal direction is, for example, 0.1 mm or more and 0.3 mm or less.
  • the substrate 110 includes, for example, a substrate made of a material that combines a resin such as a glass epoxy substrate and glass fibers, a low-temperature co-fired ceramics (LTCC) multilayer substrate, or alumina.
  • a substrate made of a ceramic material examples include a substrate made of a ceramic material.
  • each of the plurality of first electrodes 114 is located apart from each other.
  • the plurality of first electrodes 114 are electrically connected to each other with a plurality of electrodes described later that the piezoelectric element 120 has.
  • each of the plurality of second electrodes 115 is located on the second main surface 112 so as to be separated from each other.
  • each of the plurality of second electrodes 115 is electrically connected to the mounting board.
  • each of the plurality of first electrodes 114 and the second electrode 115 of any one of the plurality of second electrodes 115 are electrically connected to each other by the via electrode 116.
  • the via electrode 116 is located so as to penetrate the substrate 110 so as to reach from the first main surface 111 to the second main surface 112.
  • the piezoelectric element 120 is located on the first main surface 111.
  • the piezoelectric element 120 has a base portion 121 and a membrane portion 122.
  • the base portion 121 is located on the first main surface 111, and has an annular outer shape when viewed from the normal direction of the first main surface 111.
  • the peripheral side surface of the base 121 is rectangular when viewed from the normal direction of the first main surface 111.
  • the peripheral side surface of the base 121 may have a circular shape or a polygonal shape.
  • the membrane portion 122 is located inside the annular base portion 121 when viewed from the normal direction of the first main surface 111.
  • the membrane portion 122 is supported by the base portion 121. Therefore, as shown in FIG. 2, the piezoelectric element 120 has a recess 123 formed on the substrate 110 side, which is surrounded by the base portion 121 and the membrane portion 122.
  • the membrane portion 122 may be formed with a slit so as to penetrate the membrane portion 122 in the above normal direction. By forming such a slit, the membrane portion 122 may be composed of a plurality of beam portions whose at least one end is supported by the base portion 121.
  • the membrane portion 122 has a substantially circular outer shape when viewed from the above normal direction.
  • the diameter of the membrane portion 122 is, for example, 0.3 mm or more and 1.3 mm or less.
  • the membrane portion 122 may have a rectangular outer shape when viewed from the normal direction.
  • the thickness of the membrane portion 122 in the normal direction is, for example, 0.5 ⁇ m or more and 6.0 ⁇ m or less.
  • the membrane portion 122 has at least an upper electrode layer 124, a lower electrode layer 125, and a piezoelectric layer 126.
  • the upper electrode layer 124 is located above the piezoelectric layer 126 when the substrate 110 side in the normal direction is viewed as the lower side and the side opposite to the substrate 110 side is the upper side with respect to the membrane portion 122.
  • the lower electrode layer 125 is arranged so as to face at least a part of the upper electrode layer 124 with the piezoelectric layer 126 interposed therebetween.
  • each of the upper electrode layer 124 and the lower electrode layer 125 is located so as to extend from the membrane portion 122 side to the base portion 121 side.
  • Each of the upper electrode layer 124 and the lower electrode layer 125 is electrically connected by being wire-bonded to the plurality of first electrodes 114 by each of the plurality of bonding wires 127.
  • the membrane portion 122 is configured as described above so that it can vibrate in the normal direction. Specifically, the membrane portion 122 is configured to vibrate in the normal direction at a mechanical resonance frequency in ultrasonic waves in a low frequency region of 20 kHz or more and 60 kHz or less.
  • the piezoelectric element 120 is bonded to the substrate 110 by a die bond material 128 located between the base 121 and the first main surface 111.
  • the die-bonding material 128 causes the base 121 to form a first main surface 111 of the substrate 110 over the entire circumference of the base 121 when viewed from the normal direction. It is joined without any gaps. As a result, the space on the recess 123 side of the membrane portion 122 and the space on the side opposite to the recess 123 side of the membrane portion 122 are acoustically separated from each other.
  • an additional gap is formed between the base 121 and the first main surface of the substrate 110.
  • the two spaces may be acoustically separated from each other by additionally filling a die bond material or other member.
  • the piezoelectric element 120 has a rectangular outer shape when viewed from the normal direction.
  • the length of one side of the piezoelectric element 120 is, for example, 0.5 mm or more and 1.5 mm or less
  • the height of the piezoelectric element 120 in the normal direction is, for example, 0.2 mm or more. It is 0.5 mm or less.
  • the piezoelectric element 120 is a so-called MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) element.
  • the piezoelectric element 120 can emit ultrasonic waves or receive ultrasonic waves by vibrating the membrane portion 122.
  • the frequency of these ultrasonic waves is specifically about 20 kHz or more and 60 kHz or less.
  • the lid 130 is located on the first main surface 111. As shown in FIGS. 1 and 3, in the present embodiment, the lid 130 has substantially the same outer shape as the outer shape of the substrate 110 when viewed from the normal direction.
  • the lid 130 covers the piezoelectric element 120 on the first main surface 111 side at a distance from the piezoelectric element 120.
  • the lid 130 is configured so as not to come into contact with each of the plurality of bonding wires 127.
  • the thickness of the lid 130 is adjusted to be smaller than a quarter of the wavelength of the vibration frequency of the piezoelectric element 120.
  • the thickness of the lid 130 is, for example, 0.1 mm or more and 0.3 mm or less.
  • the lid portion 130 has a concave outer shape in which the central portion is recessed when viewed from the substrate 110 side. Further, the lid portion 130 has a surface portion 133 located on the side opposite to the substrate 110 side. The face portion 133 has a flat plate-like outer shape. In the present embodiment, the surface portion 133 is positioned so as to be parallel to the first main surface 111.
  • the lid 130 has an opening 131 formed therein.
  • the lid portion 130 is arranged on the surface portion 133 at a position that does not overlap with the piezoelectric element 120.
  • the position of the opening 131 when the piezoelectric device 100 is viewed from the normal direction of the first main surface 111 is shown by a dotted line.
  • the opening 131 has a circular outer shape when viewed from the penetrating direction of the opening 131.
  • the diameter of the opening 131 is, for example, 0.1 mm or more and 1.3 mm or less.
  • the opening 131 may have a rectangular or polygonal outer shape when viewed from the penetrating direction of the opening 131.
  • the lid 130 is made of a metal material or a resin material.
  • the lid portion 130 may be formed by cutting or pressing a member made of the above material, or may be formed by molding.
  • the lid portion 130 is connected to the substrate 110 by the lid portion adhesive 132 located between the lid portion 130 and the first main surface 111.
  • the lid portion 130 is joined to the first main surface 111 without a gap by the lid portion adhesive 132 over the entire circumference of the peripheral wall portion 134 of the lid portion when viewed from the normal direction.
  • the space surrounded by the lid 130, the substrate 110, and the piezoelectric element 120 and the space outside the piezoelectric device 100 are substantially equal to each other. It is acoustically connected only through the opening 131.
  • the partition portion 140 is positioned so as to block the shortest path from the opening 131 to the piezoelectric element 120.
  • the partition portion 140 is composed of a single member together with the lid portion 130. As shown in FIGS. 3 and 5, the partition portion 140 is formed so as to extend from each of the surface portion 133 of the lid portion 130 and the peripheral wall portion 134 that connects the surface portion 133 and the substrate 110 to each other. There is.
  • the partition portion 140 is connected to the substrate 110 by the lid portion adhesive 132 located between the partition portion 140 and the first main surface 111. That is, the partition portion 140 is connected to the substrate 110 in the same manner as the lid portion 130.
  • the partition portion 140 extends parallel to a part of the peripheral wall portion 134 of the lid portion 130.
  • the dimension of the separation distance between the partition portion 140 and the portion of the peripheral wall portion 134 that is located parallel to the extending direction of the partition portion 140 is substantially the same as the diameter of the opening 131. ..
  • the tip portion of the partition portion 140 in the extending direction is separated from the peripheral wall portion 134 on the extension line of the partition portion 140 in the extending direction.
  • the virtual boundary surface 144 is formed at the portion where the tip portion of the partition portion 140 in the extending direction and the peripheral wall portion 134 are separated from each other.
  • the partition portion 140 is formed with a communication hole 142 that reaches the element installation space 141, which is the space on the piezoelectric element 120 side with respect to the partition portion 140, from the opening 131. It is configured.
  • the communication hole 142 is formed in the space surrounded by the substrate 110 and the lid 130, which is the space on the opening 131 side of the space partitioned by the partition 140 and the virtual boundary surface 144. There is. That is, the virtual boundary surface 144 is located at the boundary between the element installation space 141 and the communication hole 142.
  • the communication hole 142 has a length L in which sound waves in a frequency region that can be transmitted or received by the vibration of the membrane portion 122 resonate with the air column in the communication hole 142.
  • the length L is adjusted so as to satisfy the relationship of the following equation (1) with respect to the wavelength ⁇ of the sound wave in the frequency range that can be transmitted or received by the vibration of the membrane portion 122.
  • n in the formula (1) is a natural number, and in this embodiment, n is 1.
  • the length L in order to generate air column resonance in the communication hole 142, only the above length L needs to be controlled with respect to the wavelength ⁇ of the sound wave. Therefore, the length L can be easily adjusted with respect to the wavelength ⁇ , and the wavelength ⁇ can be easily adjusted with respect to the length L.
  • the piezoelectric element 120 and the recess 123 of the element installation space 141 are excluded from each of the length L of the communication hole 142 and the area S of the cross section orthogonal to the length direction.
  • the portion has a volume V in which sound waves in a frequency domain that can be transmitted or received by the vibration of the membrane portion 122 resonate with Helmholtz in the element installation space 141.
  • each of the length L, the area S, and the volume V has the following equation (2) with respect to the frequency f of the sound wave in the frequency range that can be transmitted or received by the vibration of the membrane portion 122. Adjusted to satisfy the relationship.
  • c in equation (2) is the speed of sound.
  • the length L, the area S, and the area S with respect to the sound wave frequency f are used. Adjust each of the volumes V. Even when the length L for air column resonance cannot be secured in the communication hole 142, the Helmholtz resonance can be generated and the sound pressure of the sound wave can be amplified by adjusting the area S and the volume V. it can.
  • the area S is increased so that the length L becomes longer. And it is preferable to adjust each of the above volumes V. The longer the length L, the higher the amplification factor of the sound pressure of the sound wave due to Helmholtz resonance.
  • the length L is a path connecting the substantially central portion of the opening 131 in the communication hole 142 to the substantially central portion of the virtual boundary surface 144 so as to pass through the substantially center of the communication hole 142. Is the length of the distance. Further, the length L in the above formula (1) and the length L in the above formula (2) are actually both from the substantially central portion of the opening 131 in the communication hole 142 to the virtual boundary surface 144. The length L of the path to the substantially central portion of is further corrected for the open end. Further, in the present embodiment, the area S is a substantially average value of the cross-sectional area of the communication hole 142 at each point in the length direction of the communication hole 142.
  • the path from the substantially central portion of the opening 131 to the substantially central portion of the virtual boundary surface 144 in the communication hole 142 is from the opening 131 toward the substrate 110.
  • the communication hole 142 is bent. Further, as shown in FIG. 3, among the paths of the communication hole 142, a path extending parallel to the extending direction of the partition portion 140 and extending from the virtual boundary surface 144 toward the peripheral wall portion 134 of the lid portion 130.
  • the communication hole 142 is bent at the connection portion with the existing path.
  • the bent portion 143 in the communication hole 142 is rounded.
  • FIG. 4 among the paths of the communication holes 142, at the connection portion between the path extending from the opening 131 toward the substrate 110 and the path extending parallel to the first main surface 111 of the substrate 110.
  • the inner surface of the peripheral wall portion 134 is rounded due to the extension of the end portion of the peripheral wall portion 134 on the substrate 110 side.
  • FIG. 3 at the connection portion between the path extending parallel to the extending direction of the partition portion 140 and the path extending from the virtual boundary surface 144 toward the peripheral wall portion 134 of the lid portion 130, The inner surface of the corner of the peripheral wall portion 134 is rounded.
  • the piezoelectric device 100 by applying a voltage to each of the plurality of second electrodes 115, the piezoelectric device 100 is electrically connected to each of the plurality of second electrodes 115.
  • a voltage is applied between the upper electrode layer 124 and the lower electrode layer 125.
  • the piezoelectric layer 126 located between the upper electrode layer 124 and the lower electrode layer 125 is driven.
  • the membrane portion 122 vibrates, and ultrasonic waves are generated as sound waves.
  • the ultrasonic wave resonates with Helmholtz in the portion of the element installation space 141 other than the piezoelectric element 120, and the sound pressure is amplified. Then, as shown in FIG. 3, the sound pressure is amplified by the air column resonance in the communication hole 142, and then discharged from the opening 131 to the external space.
  • the piezoelectric device 100 when a sound wave such as an ultrasonic wave is received by the piezoelectric device 100, as shown in FIG. 3, the sound wave entering the communication hole 142 from the opening 131 is amplified by the air column resonance and then the sound pressure is amplified. Enter the element installation space 141. Then, as shown in FIG. 2, the membrane portion 122 is vibrated in a state where the sound pressure is amplified by Helmholtz resonance in the portion of the element installation space 141 other than the piezoelectric element 120. As a result, a potential difference is generated between the upper electrode layer 124 and the lower electrode layer 125 that sandwich the driven piezoelectric layer 126 from both sides. This potential difference can be detected by a plurality of second electrodes 115 electrically connected to each of the upper electrode layer 124 and the lower electrode layer 125. In this way, the piezoelectric device 100 according to the present embodiment can receive sound waves.
  • a sound wave such as an ultrasonic wave
  • the partition portion 140 is located so as to block the shortest path from the opening 131 to the piezoelectric element 120.
  • the partition portion 140 is configured such that a communication hole 142 is formed so as to reach the element installation space 141, which is a space on the piezoelectric element 120 side with respect to the partition portion 140, from the opening 131.
  • the resonance characteristics of the piezoelectric device 100 can be improved without increasing the thickness of the piezoelectric device 100.
  • the communication hole 142 has a length L in which sound waves in a frequency region that can be transmitted or received by the vibration of the membrane portion 122 resonate with the air column in the communication hole 142.
  • the sound pressure of the sound waves transmitted and received by the piezoelectric device 100 can be amplified in the communication hole 142.
  • the device characteristics of the membrane portion 122 in the piezoelectric device 100 can be improved.
  • the portion of the element installation space 141 excluding the piezoelectric element 120 is a membrane.
  • the sound wave in the frequency domain that can be transmitted or received by the vibration of the unit 122 has a volume V that resonates with Helmholtz in the element installation space 141.
  • the sound pressures of the sound waves generated by the vibration of the membrane portion 122 or the sound waves for vibrating the membrane portion 122 can be further amplified in the portion of the element installation space 141 other than the piezoelectric element 120.
  • the device characteristics of the membrane portion 122 in the piezoelectric device 100 can be improved.
  • the communication hole 142 is bent.
  • the bent portion 143 of the communication hole 142 is rounded.
  • the piezoelectric device according to the second embodiment of the present invention is mainly different from the piezoelectric device 100 according to the first embodiment of the present invention in the configuration of the communication holes. Therefore, the description of the configuration similar to that of the piezoelectric device 100 according to the first embodiment of the present invention will not be repeated.
  • FIG. 6 is a plan view showing the appearance of the piezoelectric device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing the configuration of the piezoelectric device according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 7, it is shown in the same cross-sectional view as in FIG.
  • the piezoelectric device 200 includes a plurality of partition portions 240 as partition portions.
  • each of the plurality of partition portions 240 is formed so as to extend from the peripheral wall portion 234 while being located so that the adjacent partition portions 240 are evenly spaced from each other.
  • a plurality of openings 231 are formed in the lid 230 as openings.
  • the communication holes 242 are also formed between the partition portions 240 adjacent to each other.
  • a plurality of communication holes 242 are formed as communication holes.
  • the plurality of partition portions 240 are configured such that the plurality of openings 231 and the plurality of communication holes 242 have a one-to-one correspondence with each other.
  • each of the plurality of communication holes 242 is different from each other.
  • a plurality of virtual boundary surfaces 244 are formed as boundaries between the element installation space 141 and each of the plurality of communication holes 242.
  • the virtual boundary surface 244 of the communication hole 242 formed by the two partition portions 240 adjacent to each other has a partition portion having a shorter extension length than the two partition portions 240 in the length L direction. It can be defined as being located at the same position as the tip of 240.
  • the plurality of partition portions 240 are configured such that the plurality of openings 231 and the plurality of communication holes 242 have a one-to-one correspondence. ..
  • the length L of each of the plurality of communication holes 242 is different from each other.
  • air column resonance can be generated for a plurality of sound waves having different frequencies in each of the plurality of communication holes 242, so that the device characteristics of the piezoelectric device 200 can be improved in a wider frequency region. ..
  • the piezoelectric device according to the third embodiment of the present invention has a substrate configuration different from that of the piezoelectric device 100 according to the first embodiment of the present invention. Therefore, the description of the configuration similar to that of the piezoelectric device 100 according to the first embodiment of the present invention will not be repeated.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing the configuration of the piezoelectric device according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 8, it is shown in the same cross-sectional view as in FIG.
  • the through hole 317 is formed so as to reach from the first main surface 111 to the second main surface 112.
  • the through hole 317 is formed at a position facing the membrane portion 122. Therefore, the space in the recess 123 is connected to the space on the second main surface 112 side of the substrate 110 by the through hole 317.
  • the through hole 317 is formed as described above, it is possible to suppress the air in the recess 123 from acting on the membrane portion 122 as an air spring. As a result, it is possible to suppress deterioration of the device characteristics of the piezoelectric device 300, such as a small displacement amount of the membrane portion 122, a high resonance frequency of the membrane portion 122, or a narrow frequency band of the resonance frequency. ..
  • the through hole 317 has a circular outer shape when viewed from the normal direction of the first main surface 111.
  • the inner diameter of the through hole 317 is, for example, 0.1 mm or more and 1.3 mm or less.
  • the through hole 317 may have a rectangular outer shape when viewed from the normal direction. Further, the through hole 317 is located inside the base 121 when viewed from the normal direction.
  • the piezoelectric device according to the fourth embodiment of the present invention is mainly different from the piezoelectric device 100 according to the first embodiment of the present invention in the configuration of the communication holes. Therefore, the description of the configuration similar to that of the piezoelectric device 100 according to the first embodiment of the present invention will not be repeated.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing the configuration of the piezoelectric device according to the fourth embodiment of the present invention. In FIG. 9, it is shown in the same cross-sectional view as in FIG.
  • the hole diameter of the communication hole 442 includes a portion that becomes smaller from the opening 131 toward the element installation space 141.
  • the size of the opening 131 can be made relatively large, so that the acoustic impedance of the sound wave in the vicinity of the opening 131 of the communication hole 442 and the acoustic impedance of the sound wave outside the piezoelectric device 400 are brought close to each other. Can be done. As a result, it is possible to suppress the attenuation of sound waves at the opening 131.
  • the partition portion 440 when viewed from the normal direction of the first main surface 111, the partition portion 440 has the partition portion 440 and the peripheral wall portion 134 of the lid portion 130 as it advances in the extending direction of the partition portion 440. It is configured so that the width of and is narrowed. As a result, the communication hole 442 as described above is formed.
  • the piezoelectric device according to the fifth embodiment of the present invention is different from the piezoelectric device 300 according to the third embodiment of the present invention mainly in the configurations of the substrate and the lid. Therefore, the description of the configuration similar to that of the piezoelectric device 300 according to the third embodiment of the present invention will not be repeated.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing the configuration of the piezoelectric device according to the fifth embodiment of the present invention. In FIG. 10, it is shown in the same cross-sectional view as in FIG.
  • the substrate 110 has a wall portion 518 extending from the peripheral edge portion of the substrate 110 toward the lid portion 530.
  • the partition portion may be formed by extending from the wall portion 518 and the first main surface 111 of the substrate 110.
  • the lid portion 530 has a flat plate-like outer shape.
  • the lid portion 530 is joined to the wall portion 518 of the substrate 110 by the lid portion adhesive 532 so as not to form a gap. Further, when the partition portion is formed by extending from the wall portion 518 and the first main surface 111 of the substrate 110, the lid portion 530 does not have a gap with the partition portion due to the lid portion adhesive 532. They are joined to each other.
  • the piezoelectric device 500 according to the fifth embodiment of the present invention also has the same communication holes as those in the first embodiment of the present invention, the device characteristics of the membrane portion 122 in the piezoelectric device 500 can be improved.
  • the piezoelectric device according to the sixth embodiment of the present invention is different from the piezoelectric device 500 according to the fifth embodiment of the present invention mainly in the structure of the wall portion. Therefore, the description of the configuration similar to that of the piezoelectric device 500 according to the fifth embodiment of the present invention will not be repeated.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing the configuration of the piezoelectric device according to the sixth embodiment of the present invention. In FIG. 11, it is shown in the same cross-sectional view as in FIG.
  • the wall portion 650 is configured separately from the substrate 110.
  • the partition portion may be formed by extending only from the wall portion 650.
  • the wall portion 650 is joined to the substrate 110 by the wall portion adhesive 651 so as not to form a gap. Further, when the partition portion is formed by extending only from the wall portion 650, the partition portion is joined to the substrate 110 by the wall adhesive 651 so as not to form a gap.
  • the piezoelectric device 600 according to the sixth embodiment of the present invention also has the same communication holes as those in the first embodiment of the present invention, the device characteristics of the membrane portion 122 in the piezoelectric device 600 can be improved.
  • Piezoelectric device 110 substrate, 111 first main surface, 112 second main surface, 114 first electrode, 115 second electrode, 116 via electrode, 120 piezoelectric element, 121 base, 122 Membrane, 123 Concave, 124 Upper Electrode Layer, 125 Lower Electrode Layer, 126 Piezoelectric Layer, 127 Bonding Wire, 128 Die Bond Material, 130, 230, 530 Lid, 131, 231 Opening, 132, 532 Lid Adhesion Agent, 133 surface part, 134,234 peripheral wall part, 140,240,440 partition part, 141 element installation space, 142,242,442 communication hole, 143 bent part, 144,244 virtual boundary surface, 317 through hole, 518,650 wall part, 651 wall part adhesive.

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Abstract

圧電デバイス(１００)は、基板(１１０)と、圧電素子(１２０)と、蓋部(１３０)と、仕切り部(１４０)とを備えている。基板(１１０)は、第１主面(１１１)を有している。圧電素子(１２０)は、第１主面(１１１)上に位置し、メンブレン部(１２２)を有している。蓋部(１３０)は、第１主面(１１１)上に位置している。蓋部(１３０)は、第１主面(１１１)側において、圧電素子(１２０)から離間して圧電素子(１２０)を覆っている。蓋部(１３０)は、開口部(１３１)が形成されている。仕切り部(１４０)は、開口部(１３１)から圧電素子(１２０)までの最短経路を遮るように位置している。仕切り部(１４０)は、開口部(１３１)から、仕切り部(１４０)に対して圧電素子(１２０)側の空間である素子設置空間(１４１)に達する、連通孔(１４２)が形成されるように構成されている。

Description

圧電デバイス
　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先行技術文献として、米国特許出願公開第２０１７／０１８４７１８号公報(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、基板と、基板に取り付けられた蓋と、駆動可能なメンブレンを有する、基板上の超音波トランスデューサと、超音波トランスデューサに作用可能に結合された、基板上の集積回路とを備えている。蓋は、超音波トランスデューサと集積回路とを囲っている。基板には、音響開口部が形成されている。超音波トランスデューサは、音響開口部を実質的に覆うように基板に固定されている。
米国特許出願公開第２０１７／０１８４７１８号公報
　従来の圧電デバイスにおいては、基板のうち、メンブレン部と面する部分にのみ貫通孔が形成されている。この圧電デバイスにおいては、メンブレン部が振動することによって発生した音波が、上記貫通孔から放出される。または、貫通孔を通じてメンブレン部に達した音波が、メンブレン部を振動させる。これらの音波は、貫通孔において、メンブレン部側とは反対側の開口端から、メンブレン部までの領域で共鳴する。この共鳴によって、圧電デバイスの音圧や感度、または帯域などのデバイス特性を向上させることができる。
　しかしながら、周波数のさらに低い音波を上記領域で共鳴させて、デバイス特性を向上させる場合には、基板のメンブレン部側とは反対側の開口端から、メンブレン部までの距離をさらに長くする必要がある。この距離を長くすると、圧電デバイス全体の厚さが厚くなる。
　本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、厚さを厚くすることなくデバイス特性を向上できる、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、基板と、圧電素子と、蓋部と、仕切り部とを備えている。基板は、第１主面を有している。圧電素子は、第１主面上に位置し、メンブレン部を有している。蓋部は、第１主面上に位置している。蓋部は、第１主面側において、圧電素子から離間して圧電素子を覆っている。蓋部は、開口部が形成されている。仕切り部は、開口部から圧電素子までの最短経路を遮るように位置している。仕切り部は、開口部から、仕切り部に対して圧電素子側の空間である素子設置空間に達する、連通孔が形成されるように構成されている。
　本発明によれば、厚さを厚くすることなくデバイス特性を向上できる。
本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの外観を示す平面図である。 図１に示した圧電デバイスをＩＩ－ＩＩ線矢印方向から見た断面図である。 図２に示した圧電デバイスをＩＩＩ－ＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。 図３に示した圧電デバイスをＩＶ－ＩＶ線矢印方向から見た断面図である。 図３に示した圧電デバイスをＶ－Ｖ線矢印方向から見た断面図である。 本発明の実施形態２に係る圧電デバイスの外観を示す平面図である。 本発明の実施形態２に係る圧電デバイスの構成を示す断面図である。 本発明の実施形態３に係る圧電デバイスの構成を示す断面図である。 本発明の実施形態４に係る圧電デバイスの構成を示す断面図である。 本発明の実施形態５に係る圧電デバイスの構成を示す断面図である。 本発明の実施形態６に係る圧電デバイスの構成を示す断面図である。
　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。なお、本明細書においては、「音波」には「超音波」が含まれる。
　(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外観を示す平面図である。図２は、図１に示した圧電デバイスをＩＩ－ＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図３は、図２に示した圧電デバイスをＩＩＩ－ＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図４は、図３に示した圧電デバイスをＩＶ－ＩＶ線矢印方向から見た断面図である。図５は、図３に示した圧電デバイスをＶ－Ｖ線矢印方向から見た断面図である。
　図１から図５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、基板１１０と、圧電素子１２０と、蓋部１３０と、仕切り部１４０とを備えている。
　図２に示すように、基板１１０は、第１主面１１１および第１主面１１１の反対側に位置する第２主面１１２を有している。図３に示すように、本実施形態において、基板１１０は、第１主面１１１の法線方向から見たときに、矩形状の外形を有している。上記法線方向から見たときに、基板１１０の一辺の長さは、たとえば１ｍｍ以上３ｍｍ以下である。基板１１０の上記法線方向における厚さは、たとえば０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下である。
　基板１１０としては、たとえば、ガラスエポキシ基板などの樹脂とガラス繊維とを組み合わせた材料で構成される基板、低温同時焼成セラミックス（ＬＴＣＣ：Low　Temperature　Co-fired　Ceramics）多層基板、または、アルミナなどからなるセラミックス材料からなる基板などが挙げられる。
　第１主面１１１上には、複数の第１電極１１４の各々が互いに離間して位置している。複数の第１電極１１４は、それぞれ、圧電素子１２０が有する後述の複数の電極と、電気的に互いに接続されている。
　図２に示すように、第２主面１１２上には、複数の第２電極１１５の各々が互いに離間して位置している。圧電デバイス１００が実装基板に実装される際は、複数の第２電極１１５の各々が、実装基板に電気的に接続される。
　本実施形態において、複数の第１電極１１４の各々と、前記複数の第２電極１１５のうちのいずれかの第２電極１１５とは、ビア電極１１６により互いに電気的に接続されている。ビア電極１１６は、基板１１０を、第１主面１１１から第２主面１１２まで達するように貫通して位置している。
　図２および図３に示すように、圧電素子１２０は、第１主面１１１上に位置している。圧電素子１２０は、基部１２１と、メンブレン部１２２とを有している。
　基部１２１は、第１主面１１１上に位置しており、第１主面１１１の法線方向から見たときに環状の外形を有している。本実施形態において、第１主面１１１の法線方向から見たときに、基部１２１の周側面は、矩形状である。第１主面の法線方向から見たときに、基部１２１の周側面は、円形状または多角形状であってもよい。
　メンブレン部１２２は、第１主面１１１の法線方向から見たときに環状の基部１２１の内側に位置している。メンブレン部１２２は、基部１２１に支持されている。このため、図２に示すように、圧電素子１２０は、基板１１０側において、基部１２１とメンブレン部１２２とで囲まれた凹部１２３が形成されている。
　メンブレン部１２２には、上記法線方向においてメンブレン部１２２を貫通するようにスリットが形成されていてもよい。このようなスリットが形成されることにより、メンブレン部１２２は、少なくとも一方端が基部１２１に支持される複数の梁部で構成されていてもよい。
　図３に示すように、本実施形態において、メンブレン部１２２は、上記法線方向から見たときに、略円形状の外形を有している。メンブレン部１２２の直径は、たとえば０．３ｍｍ以上１．３ｍｍ以下である。メンブレン部１２２は、上記法線方向から見たときに、矩形状の外形を有していてもよい。メンブレン部１２２の上記法線方向における厚さは、たとえば０．５μｍ以上６．０μｍ以下である。
　図２および図３に示すように、本実施形態において、メンブレン部１２２は、少なくとも上部電極層１２４と、下部電極層１２５と、圧電体層１２６とを有している。メンブレン部１２２に対して、上記法線方向における基板１１０側を下側、基板１１０側とは反対側を上側として見たときに、上部電極層１２４は、圧電体層１２６の上側に位置している。下部電極層１２５は、圧電体層１２６を挟んで上部電極層１２４の少なくとも一部に対向するように配置されている。
　図３に示すように、上部電極層１２４および下部電極層１２５の各々は、メンブレン部１２２側から基部１２１側に延出するように位置している。上部電極層１２４および下部電極層１２５の各々は、複数のボンディングワイヤ１２７の各々によって複数の第１電極１１４にワイヤボンディングされることによって、電気的に接続されている。
　本実施形態において、メンブレン部１２２は、上記のように構成されることで、上記法線方向において振動可能に構成されている。具体的には、メンブレン部１２２は、２０ｋＨｚ以上６０ｋＨｚ以下の低周波領域の超音波において、機械的な共振周波数で上記法線方向に振動するように構成されている。
　図２に示すように、本実施形態において、圧電素子１２０は、基部１２１と第１主面１１１との間に位置するダイボンド材１２８により、基板１１０と接合されている。図２および図３に示すように、本実施形態においては、ダイボンド材１２８によって、上記法線方向から見たときに基部１２１の全周にわたって、基部１２１が、基板１１０の第１主面１１１と隙間なく接合されている。これにより、メンブレン部１２２に対して凹部１２３側の空間と、メンブレン部１２２に対して凹部１２３側とは反対側の空間とは、互いに音響的に分離している。ダイボンド材１２８によって基部１２１の一部と基板１１０の第１主面１１１とが互いに接合されている場合は、基部１２１と基板１１０の第１主面との間に形成された隙間に、追加のダイボンド材、または、その他の部材を追加充填することにより、上記２つの空間同士を互いに音響的に分離させてもよい。
　図３に示すように、本実施形態において、圧電素子１２０は、上記法線方向から見たときに、矩形状の外形を有している。上記法線方向から見たときに、圧電素子１２０の一辺の長さは、たとえば０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下である、圧電素子１２０の上記法線方向における高さは、たとえば０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。
　本実施形態において、圧電素子１２０は、いわゆるＭＥＭＳ（Micro　Electro　Mechanical　Systems）素子である。本実施形態において、圧電素子１２０は、メンブレン部１２２が振動することにより、超音波を放出、または、超音波を受信することができる。本実施形態において、これらの超音波の周波数は、具体的にはおよそ２０ｋＨｚ以上６０ｋＨｚ以下である。
　図２に示すように、蓋部１３０は、第１主面１１１上に位置している。図１および図３に示すように、本実施形態において、蓋部１３０は、上記法線方向から見たときに基板１１０の外形と略同一の外形を有している。
　図２に示すように、蓋部１３０は、第１主面１１１側において、圧電素子１２０から離間して圧電素子１２０を覆っている。蓋部１３０は、複数のボンディングワイヤ１２７の各々と互いに接触しないように構成されている。
　蓋部１３０の厚さは、圧電素子１２０の振動周波数の波長の４分の１より小さくなるように調整される。蓋部１３０の厚さは、たとえば０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下である。
　本実施形態において、蓋部１３０は、基板１１０側から見たときに中央部が凹んでいる凹状の外形を有している。また、蓋部１３０は、基板１１０側とは反対側に位置する面部１３３を有している。面部１３３は、平板状の外形を有している。本実施形態において、面部１３３は、第１主面１１１と平行となるように位置している。
　図１に示すように、蓋部１３０は、開口部１３１が形成されている。図１および図３に示すように、本実施形態において、蓋部１３０は、面部１３３において、圧電素子１２０と重ならない位置に配置されている。なお、図３においては、圧電デバイス１００を第１主面１１１の法線方向から見たときの開口部１３１の位置を点線で示している。
　本実施形態において、開口部１３１は、開口部１３１の貫通方向から見たときに円形状の外形を有している。開口部１３１の直径は、たとえば０．１ｍｍ以上１．３ｍｍ以下である。開口部１３１は、開口部１３１の貫通方向から見たときに矩形状または多角形状の外形を有していてもよい。
　本実施形態において、蓋部１３０は、金属材料または樹脂材料で構成されている。蓋部１３０は、上記材料で構成された部材を切削加工またはプレス加工することにより成形されてもよいし、モールド成形によって成形されてもよい。
　本実施形態において、蓋部１３０は、蓋部１３０と第１主面１１１との間に位置する蓋部接着剤１３２により、基板１１０と互いに接続されている。本実施形態においては、蓋部接着剤１３２により、蓋部１３０が、上記法線方向から見たときに蓋部の周壁部１３４の全周にわたって第１主面１１１と隙間なく接合されている。これにより、図２および図３に示すように、本実施形態においては、蓋部１３０と基板１１０と圧電素子１２０とで囲まれた空間と、圧電デバイス１００の外側の空間とが、実質的に開口部１３１のみを介して音響的に接続されている。
　図３から図５に示すように、本実施形態において、仕切り部１４０は、開口部１３１から圧電素子１２０までの最短経路を遮るように位置している。
　本実施形態において、仕切り部１４０は、蓋部１３０と共に単一の部材で構成されている。図３および図５に示すように、仕切り部１４０は、蓋部１３０の上記面部１３３、および、上記面部１３３と基板１１０とを互いに接続する周壁部１３４の各々から延出するように形成されている。
　本実施形態において、仕切り部１４０は、仕切り部１４０と第１主面１１１との間に位置する蓋部接着剤１３２により、基板１１０と互いに接続されている。すなわち、仕切り部１４０は、蓋部１３０と同様にして基板１１０と互いに接続されている。
　図３に示すように、仕切り部１４０は、蓋部１３０の周壁部１３４の一部と互いに平行に延在している。本実施形態において、仕切り部１４０と、周壁部１３４のうち仕切り部１４０の延在方向と平行に位置している部分との離間距離の寸法は、開口部１３１の直径の寸法と略同一である。
　仕切り部１４０の延出方向における先端部は、仕切り部１４０の延出方向延長線上において、周壁部１３４と互いに離間している。このように、仕切り部１４０の延出方向における先端部と、周壁部１３４とが互いに離間している部分において、仮想境界面１４４が形成されている。
　このように、本実施形態においては、仕切り部１４０は、開口部１３１から、仕切り部１４０に対して圧電素子１２０側の空間である素子設置空間１４１に達する、連通孔１４２が形成されるように構成されている。本実施形態においては、連通孔１４２は、基板１１０と蓋部１３０とで囲まれた空間において、仕切り部１４０および仮想境界面１４４によって区画された空間のうち開口部１３１側の空間で構成されている。すなわち、上記仮想境界面１４４は、素子設置空間１４１と連通孔１４２との境界に位置している。
　図３から図５に示すように、連通孔１４２は、メンブレン部１２２の振動によって送信または受信可能な周波数領域の音波が、連通孔１４２において気柱共鳴する長さＬを有している。本実施形態においては、上記長さＬは、メンブレン部１２２の振動によって送信または受信可能な周波数領域の音波の波長λに対して、下記式(１)の関係を満たすように調整される。なお、式(１）中のｎは自然数であり、本実施形態において、ｎは１である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　上記式(１)に示すように、連通孔１４２において気柱共鳴を生じさせるためには、音波の波長λに対して上記長さＬのみを制御すればよい。このため、波長λに対して上記長さＬを容易に調整することができるとともに、上記長さＬに対して波長λを容易に調整することができることもできる。
　図３から図５に示すように、連通孔１４２の長さＬと、長さ方向に直交する断面の面積Ｓとの各々に対して、素子設置空間１４１のうち圧電素子１２０および凹部１２３を除く部分は、メンブレン部１２２の振動によって送信または受信可能な周波数領域の音波が素子設置空間１４１においてヘルムホルツ共鳴する体積Ｖを有している。本実施形態には、上記長さＬ、上記面積Ｓおよび上記体積Ｖの各々は、メンブレン部１２２の振動によって送信または受信可能な周波数領域の音波の周波数ｆに対して、下記式(２)の関係を満たすように調整される。なお、式(２)中のｃは音速である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　上記式(２)に示すように、素子設置空間１４１のうち圧電素子１２０を除く部分においてヘルムホルツ共鳴を生じさせるためには、音波の周波数ｆに対して、上記長さＬ、上記面積Ｓおよび上記体積Ｖの各々を調整する。連通孔１４２において気柱共鳴のための上記長さＬが確保できない場合においても、上記面積Ｓおよび上記体積Ｖを調整することで、ヘルムホルツ共鳴を生じさせて、音波の音圧を増幅させることができる。
　また、同じ音波の周波数ｆに対して、ヘルムホルツ共鳴が生じるように上記長さＬ、上記面積Ｓおよび上記体積Ｖの各々を調整する場合においては、上記長さＬが長くなるように上記面積Ｓおよび上記体積Ｖの各々を調整することが好ましい。上記長さＬが長いほど、ヘルムホルツ共鳴による音波の音圧の増幅率が高くなる。
　なお、本実施形態において、上記長さＬは、連通孔１４２における開口部１３１の略中心部から、仮想境界面１４４の略中心部までを、連通孔１４２の略中心を通るように結んだ経路の距離の長さである。また、上記式(１)における長さＬ、および、上記式(２)における長さＬには、実際には、いずれも、連通孔１４２における開口部１３１の略中心部から、仮想境界面１４４の略中心部までの経路の長さＬを、さらに開口端補正した長さが用いられる。また、本実施形態において、上記面積Ｓは、連通孔１４２において、連通孔１４２の長さ方向の各地点における断面の面積の略平均値である。
　図３および図４に示すように、本実施形態において、連通孔１４２における、開口部１３１の略中心部から仮想境界面１４４の略中心部までの経路は、開口部１３１から基板１１０に向かって延びている経路と、基板１１０の第１主面１１１と平行かつ仕切り部１４０の延在方向と平行に延びている経路と、基板１１０の第１主面１１１と平行かつ蓋部１３０の周壁部１３４から仮想境界面１４４に向かって延びている経路と、から構成されている、また、本実施形態において、連通孔１４２は曲折している。本実施形態においては、図４に示すように、連通孔１４２の経路のうち、開口部１３１から基板１１０に向かって延びている経路と、基板１１０の第１主面１１１と平行に延びている経路との接続部において、連通孔１４２が曲折している。また、図３に示すように、連通孔１４２の経路のうち、仕切り部１４０の延在方向と平行に延びている経路と、仮想境界面１４４から蓋部１３０の周壁部１３４に向かって延びている経路との接続部において、連通孔１４２が曲折している。
　本実施形態において、連通孔１４２において曲折している部分１４３は、丸みを帯びている。図４に示すように、連通孔１４２の経路のうち、開口部１３１から基板１１０に向かって延びている経路と、基板１１０の第１主面１１１と平行に延びている経路との接続部において、周壁部１３４の基板１１０側の端部が延出することにより、周壁部１３４の内面が丸みを帯びている。また、図３に示すように、仕切り部１４０の延在方向と平行に延びている経路と、仮想境界面１４４から蓋部１３０の周壁部１３４に向かって延びている経路との接続部において、周壁部１３４の角部の内面が丸みを帯びている。
　図２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においては、複数の第２電極１１５の各々に電圧を印加することにより、複数の第２電極１１５の各々と電気的に接続されている上部電極層１２４および下部電極層１２５との間に電圧が印加される。これにより、上部電極層１２４と下部電極層１２５との間に位置する圧電体層１２６が駆動する。圧電体層１２６が駆動することによりメンブレン部１２２が振動して、音波として超音波が発生する。本実施形態において、この超音波は、素子設置空間１４１のうち圧電素子１２０を除く部分においてヘルムホルツ共鳴して音圧が増幅される。そして、図３に示すように、連通孔１４２で気柱共鳴して音圧が増幅された後、開口部１３１から外部空間に放出される。
　また、超音波などの音波を圧電デバイス１００により受信する場合においては、図３に示すように、開口部１３１から連通孔１４２に入った音波は、気柱共鳴により音圧が増幅された後、素子設置空間１４１に入る。そして、図２に示すように、素子設置空間１４１のうち圧電素子１２０を除く部分においてヘルムホルツ共鳴して音圧が増幅された状態で、メンブレン部１２２を振動させる。これにより駆動させられた圧電体層１２６を両側から挟んでいる上部電極層１２４と下部電極層１２５との間に、電位差が生じる。この電位差は、上部電極層１２４および下部電極層１２５の各々に電気的に接続された複数の第２電極１１５で検出することができる。このようにして、本実施形態に係る圧電デバイス１００においては、音波を受信することができる。
　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、仕切り部１４０が、開口部１３１から圧電素子１２０までの最短経路を遮るように位置している。仕切り部１４０は、開口部１３１から、仕切り部１４０に対して圧電素子１２０側の空間である素子設置空間１４１に達する、連通孔１４２が形成されるように構成されている。
　これにより、圧電デバイス１００で送受信する音波が比較的弱い場合においても、蓋部１３０の内部に形成された連通孔１４２の長さＬを調整することで上記音波の音圧を増幅させることができるため、圧電デバイス１００の厚さを厚くすることなく、圧電デバイス１００の共振特性を向上させることができる。
　本発明の実施形態１においては、連通孔１４２は、メンブレン部１２２の振動によって送信または受信可能な周波数領域の音波が、連通孔１４２において気柱共鳴する長さＬを有している。
　これにより、連通孔１４２において、圧電デバイス１００で送受信する音波の音圧を増幅させることができる。ひいては、圧電デバイス１００におけるメンブレン部１２２のデバイス特性を向上させることができる。
　本発明の実施形態１においては、連通孔１４２の長さＬと、長さ方向に直交する断面の面積Ｓとの各々に対して、素子設置空間１４１のうち圧電素子１２０を除く部分は、メンブレン部１２２の振動によって送信または受信可能な周波数領域の音波が素子設置空間１４１においてヘルムホルツ共鳴する体積Ｖを有している。
　これにより、素子設置空間１４１のうち圧電素子１２０を除く部分において、メンブレン部１２２の振動により発生した音波またはメンブレン部１２２を振動させるための音波の各々の音圧を、より増幅させることができる。ひいては、圧電デバイス１００におけるメンブレン部１２２のデバイス特性を向上させることができる。
　本発明の実施形態１においては、連通孔１４２は曲折している。連通孔１４２において曲折している部分１４３は、丸みを帯びている。
　これにより、連通孔１４２において曲折している部分において、連通孔１４２を進む音波の反射、または、連通孔１４２に位置する空気などの媒質の滞留によって音波の音圧が低下することを抑制できる。
　(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、連通孔の構成が主に、本発明の実施形態１に係る圧電デバイス１００と異なる。よって、本発明の実施形態１に係る圧電デバイス１００と同様である構成については説明を繰り返さない。
　図６は、本発明の実施形態２に係る圧電デバイスの外観を示す平面図である。図７は、本発明の実施形態２に係る圧電デバイスの構成を示す断面図である。図７においては、図３と同一の断面視にて図示している。
　図７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、仕切り部として複数の仕切り部２４０を備えている。本実施形態において、複数の仕切り部２４０の各々は、隣り合う仕切り部２４０同士が互いに等間隔となるように位置しつつ、周壁部２３４から延出するように形成されている。
　図６に示すように、蓋部２３０には、開口部として、複数の開口部２３１が形成されている。また、図７に示すように、本実施形態においては、互いに隣り合う仕切り部２４０同士の間においても、連通孔２４２が形成されている。このようにして、本実施形態においては、連通孔として、複数の連通孔２４２が形成されている。本実施形態においては、複数の仕切り部２４０は、複数の開口部２３１と複数の連通孔２４２とが１対１で対応するように構成されている。
　複数の連通孔２４２の各々の長さＬは、互いに異なっている。本実施形態において、素子設置空間１４１と、複数の連通孔２４２の各々との境界として、複数の仮想境界面２４４が形成されている。本実施形態において、互いに隣り合う２つの仕切り部２４０によって形成された連通孔２４２の仮想境界面２４４は、上記長さＬ方向において、上記２つの仕切り部２４０のうち延出長さが短い仕切り部２４０の先端部と同じ位置に位置するものとして画定することができる。
　上記のように、本発明の実施形態２に係る圧電デバイス２００において、複数の仕切り部２４０は、複数の開口部２３１と複数の連通孔２４２とが１対１で対応するように構成されている。複数の連通孔２４２の各々の長さＬは、互いに異なっている。
　これにより、複数の連通孔２４２の各々において、互いに異なる周波数を有する複数の音波について気柱共鳴を生じさせることができるため、より広い周波数領域において、圧電デバイス２００のデバイス特性を向上させることができる。
　(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、基板の構成が本発明の実施形態１に係る圧電デバイス１００と異なる。よって、本発明の実施形態１に係る圧電デバイス１００と同様である構成については説明を繰り返さない。
　図８は、本発明の実施形態３に係る圧電デバイスの構成を示す断面図である。図８においては、図２と同一の断面視にて図示している。
　図８に示すように、本発明の実施形態３に圧電デバイス３００においては、貫通孔３１７が、第１主面１１１から第２主面１１２に達するように形成されている。貫通孔３１７は、メンブレン部１２２と面する位置に形成されている。このため、凹部１２３内の空間は、貫通孔３１７によって、基板１１０の第２主面１１２側の空間と互いに接続されている。
　本実施形態においては、上記のような貫通孔３１７が形成されているため、凹部１２３内の空気が、空気ばねとしてメンブレン部１２２に作用することを抑制することができる。これにより、メンブレン部１２２の変位量が小さくなる、メンブレン部１２２の共振周波数が高くなる、または、共振周波数の周波数帯域が狭くなるといった、圧電デバイス３００のデバイス特性の低下を、抑制することができる。
　なお、本発明の実施形態３においては、貫通孔３１７は、第１主面１１１の法線方向から見たときに、円形状の外形を有している。貫通孔３１７の内径は、たとえば０．１ｍｍ以上１．３ｍｍ以下である。なお、貫通孔３１７は、上記法線方向から見たときに、矩形状の外形を有していてもよい。また、貫通孔３１７は、上記法線方向から見たときに、基部１２１より内側に位置している。
　(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、連通孔の構成が主に、本発明の実施形態１に係る圧電デバイス１００と異なる。よって、本発明の実施形態１に係る圧電デバイス１００と同様である構成については説明を繰り返さない。
　図９は、本発明の実施形態４に係る圧電デバイスの構成を示す断面図である。図９においては、図３と同一の断面視にて図示している。
　図９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においては、連通孔４４２の孔径は、開口部１３１から素子設置空間１４１に向かうにしたがって小さくなっている部分を含んでいる。
　これにより、開口部１３１の大きさを比較的大きくすることができるため、連通孔４４２の開口部１３１近傍における音波の音響インピーダンスと、圧電デバイス４００より外側における音波の音響インピーダンスとを、互いに近づけることができる。ひいては、開口部１３１において音波が減衰することを抑制することができる。
　本実施形態においては、第１主面１１１の法線方向から見たときに、仕切り部４４０は、仕切り部４４０の延在方向に進むにしたがって、仕切り部４４０と、蓋部１３０の周壁部１３４との幅が狭くなるように構成されている。これにより、上記のような連通孔４４２が形成される。
　(実施形態５)
　以下、本発明の実施形態５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５に係る圧電デバイスは、基板および蓋部の各々の構成が主に、本発明の実施形態３に係る圧電デバイス３００と異なる。よって、本発明の実施形態３に係る圧電デバイス３００と同様である構成については説明を繰り返さない。
　図１０は、本発明の実施形態５に係る圧電デバイスの構成を示す断面図である。図１０においては、図８と同一の断面視にて図示している。
　図１０に示すように、本発明の実施形態５に係る圧電デバイス５００においては、基板１１０が、基板１１０の周縁部から、蓋部５３０に向かって延出する壁部５１８を有している。本実施形態においては、仕切り部は、基板１１０の壁部５１８および第１主面１１１から延出することにより形成されていてもよい。
　本実施形態において、蓋部５３０は、平板状の外形を有している。蓋部５３０は、蓋部接着剤５３２により、基板１１０の壁部５１８と、隙間が生じないように互いに接合されている。また、仕切り部が、基板１１０の壁部５１８および第１主面１１１から延出することにより形成されている場合、蓋部５３０は、蓋部接着剤５３２により、仕切り部と、隙間が生じないように互いに接合される。
　本発明の実施形態５に係る圧電デバイス５００においても、本発明の実施形態１と同様の連通孔が形成されているため、圧電デバイス５００におけるメンブレン部１２２のデバイス特性を向上させることができる。
　(実施形態６)
　以下、本発明の実施形態６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６に係る圧電デバイスは、壁部の構成が主に、本発明の実施形態５に係る圧電デバイス５００と異なる。よって、本発明の実施形態５に係る圧電デバイス５００と同様である構成については説明を繰り返さない。
　図１１は、本発明の実施形態６に係る圧電デバイスの構成を示す断面図である。図１１においては、図１０と同一の断面視にて図示している。
　図１１に示すように、本発明の実施形態６に係る圧電デバイス６００においては、壁部６５０が、基板１１０とは分離して構成されている。なお、本実施形態においては、仕切り部は、壁部６５０のみから延出することにより形成されていてもよい。
　壁部６５０は、壁部接着剤６５１により、基板１１０と、隙間が生じないように互いに接合されている。また、仕切り部が、壁部６５０のみから延出することにより形成されている場合、仕切り部は、壁部接着剤６５１により、基板１１０と、隙間が生じないように互いに接合される。
　本発明の実施形態６に係る圧電デバイス６００においても、本発明の実施形態１と同様の連通孔が形成されているため、圧電デバイス６００におけるメンブレン部１２２のデバイス特性を向上させることができる。
　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。
　１００，２００，３００，４００，５００，６００　圧電デバイス、１１０　基板、１１１　第１主面、１１２　第２主面、１１４　第１電極、１１５　第２電極、１１６　ビア電極、１２０　圧電素子、１２１　基部、１２２　メンブレン部、１２３　凹部、１２４　上部電極層、１２５　下部電極層、１２６　圧電体層、１２７　ボンディングワイヤ、１２８　ダイボンド材、１３０，２３０，５３０　蓋部、１３１，２３１　開口部、１３２，５３２　蓋部接着剤、１３３　面部、１３４，２３４　周壁部、１４０，２４０，４４０　仕切り部、１４１　素子設置空間、１４２，２４２，４４２　連通孔、１４３　曲折している部分、１４４，２４４　仮想境界面、３１７　貫通孔、５１８，６５０　壁部、６５１　壁部接着剤。

Claims (6)

  1. 　第１主面を有する基板と、
    　前記第１主面上に位置し、メンブレン部を有する圧電素子と、
    　前記第１主面上に位置し、第１主面側において、前記圧電素子から離間して前記圧電素子を覆っており、開口部が形成されている蓋部と、
    　前記開口部から前記圧電素子までの最短経路を遮るように位置する仕切り部とを備え、
    　前記仕切り部は、前記開口部から、前記仕切り部に対して圧電素子側の空間である素子設置空間に達する、連通孔が形成されるように構成されている、圧電デバイス。
  2. 　前記連通孔は、前記メンブレン部の振動によって送信または受信可能な周波数領域の音波が、前記連通孔において気柱共鳴する長さを有している、請求項１に記載の圧電デバイス。
  3. 　前記連通孔の長さと、長さ方向に直交する断面の面積との各々に対して、前記素子設置空間のうち前記圧電素子を除く部分は、前記メンブレン部の振動によって送信または受信可能な周波数領域の音波が前記素子設置空間においてヘルムホルツ共鳴する体積を有している、請求項１または請求項２に記載の圧電デバイス。
  4. 　前記仕切り部として複数の仕切り部を備えており、
    　前記開口部として複数の開口部が形成されており、
    　前記連通孔として複数の連通孔が形成されており、
    　前記複数の仕切り部は、前記複数の開口部と前記複数の連通孔とが１対１で対応するように構成されており、
    　前記複数の連通孔の各々の長さは、互いに異なっている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
  5. 　前記連通孔は曲折しており、
    　前記連通孔において曲折している部分は、丸みを帯びている、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
  6. 　前記連通孔の孔径は、前記開口部から前記素子設置空間に向かうにしたがって小さくなっている部分を含む、請求項１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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