WO2021100248A1 - 圧電デバイス - Google Patents

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WO2021100248A1
WO2021100248A1 PCT/JP2020/028652 JP2020028652W WO2021100248A1 WO 2021100248 A1 WO2021100248 A1 WO 2021100248A1 JP 2020028652 W JP2020028652 W JP 2020028652W WO 2021100248 A1 WO2021100248 A1 WO 2021100248A1
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WO
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layer
piezoelectric
piezoelectric device
electrode layer
cantilever
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PCT/JP2020/028652
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English (en)
French (fr)
Inventor
伸介 池内
青司 梅澤
文弥 黒川
勝之 鈴木
Original Assignee
株式会社村田製作所
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Filing date
Publication date
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Priority to US17/724,523 priority patent/US20220241817A1/en

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0603—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a piezoelectric bender, e.g. bimorph
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/24—Constructional features of resonators of material which is not piezoelectric, electrostrictive, or magnetostrictive
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/304—Beam type
    • H10N30/306—Cantilevers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/704—Piezoelectric or electrostrictive devices based on piezoelectric or electrostrictive films or coatings
    • H10N30/706—Piezoelectric or electrostrictive devices based on piezoelectric or electrostrictive films or coatings characterised by the underlying bases, e.g. substrates
    • H10N30/708—Intermediate layers, e.g. barrier, adhesion or growth control buffer layers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/853—Ceramic compositions
    • H10N30/8542—Alkali metal based oxides, e.g. lithium, sodium or potassium niobates
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/88—Mounts; Supports; Enclosures; Casings

Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric device.
  • Patent Documents that disclose the configuration of the piezoelectric device include Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-515214 (Patent Document 1), US Pat. No. 5,633,552 (Patent Document 2), and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2017-014824 (Patent Document 3).
  • the piezoelectric device described in Patent Document 1 is a MEMS transducer, which includes a substrate and a plurality of cantilever beams. Each cantilever is tapered and adjacent to each other. Each cantilever defines a beam base end, a beam tip, and a beam body. The beam main body is arranged between the beam base end and the beam tip. Each cantilever is arranged so that the tip of each beam extends toward a common virtual point. Each cantilever is coupled to the substrate along the beam base end, but not to the substrate along the beam body.
  • the piezoelectric device described in Patent Document 2 is a micromechanical device, and includes a frame and at least one cantilever structure.
  • the frame has an opening.
  • the cantilever structure is attached to the frame over a portion of the perimeter of the opening.
  • the cantilever structure covers most of the opening.
  • the cantilever structure contains three sublayers.
  • the three sublayers have a first sublayer, a second sublayer and a third sublayer.
  • the second sublayer is adjacent to the first sublayer and the third sublayer.
  • the first sublayer and the third sublayer are formed of substantially the same first material and have substantially the same average stress.
  • the second sublayer is made of a second material and has a minimum stress and a maximum stress. The difference between the maximum stress and the minimum stress is smaller than the magnitude of the average stress of the first sublayer.
  • the opening may be square.
  • the piezoelectric device described in Patent Document 3 is a detection device that detects elastic waves propagated through air, and has a cantilever structure.
  • the cantilever structure has a fixed end and a free end.
  • the cantilever structure includes a first electrode and a second electrode.
  • the first electrode has a plate shape and vibrates by being curved by an elastic wave.
  • the second electrode has a plate shape and faces the first electrode at a predetermined distance.
  • the cantilever structure detects elastic waves based on the change in capacitance between the first and second electrodes.
  • the end of the second electrode in the direction from the fixed end to the free end is located closer to the fixed end than the free end.
  • the piezoelectric device described in Patent Document 1 includes a plurality of cantilever beams. When the piezoelectric device is driven, each of these cantilever beams may oscillate in different phases. In this case, the device characteristics of the piezoelectric device are rather deteriorated.
  • the piezoelectric devices described in each of Patent Document 2 and Patent Document 3 include one cantilever structure, that is, a cantilever portion. However, the piezoelectric device having only one beam portion has low device characteristics because the force for pushing out the medium around the beam portion is smaller than that of the piezoelectric device having a plurality of beam portions.
  • the beam is applied when a voltage of a predetermined magnitude is applied. It is conceivable to increase the volume of the medium around the beam portion extruded by the portion to improve the device characteristics. However, by increasing the area of the beam portion, the inherent resonance frequency of the beam portion may decrease.
  • 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 while suppressing a change in the resonance frequency of a beam portion.
  • the piezoelectric device based on the present invention includes an outer base portion, a protruding base portion, and only one cantilever portion.
  • the outer base is annular and has an inner peripheral surface.
  • the protruding base portion has a protruding portion and a tip portion.
  • the protrusion protrudes from the inner peripheral surface of the outer base toward the center of the ring.
  • the tip is connected to the protrusion and is located in the center.
  • the cantilever portion is connected to the tip portion and extends while being separated from the protruding portion.
  • the cantilever portion includes a piezoelectric layer, a first electrode layer, and a second electrode layer.
  • the first electrode layer is arranged on one side of the piezoelectric layer.
  • the second electrode layer is arranged so as to face at least a part of the first electrode layer with the piezoelectric layer interposed therebetween.
  • the cantilever portion has a fixed end portion and a free peripheral end portion. The fixed end is connected to the tip. The free peripheral end is located along the inner peripheral surface. A protrusion is located between one end and the other end of the free peripheral end.
  • FIG. 5 is a perspective view showing a state in which the piezoelectric device according to the first embodiment of the present invention is vibrating in a desired vibration mode by simulation. It is sectional drawing which shows the state which provided the 2nd electrode layer on the piezoelectric single crystal substrate in the manufacturing method of the piezoelectric device which concerns on Embodiment 1 of this invention. It is sectional drawing which shows the state which provided the 1st support layer in the manufacturing method of the piezoelectric device which concerns on Embodiment 1 of this invention.
  • FIG. 1 It is sectional drawing which shows the state in which the laminated body is bonded to the 1st support layer in the manufacturing method of the piezoelectric device which concerns on Embodiment 1 of this invention. It is sectional drawing which shows the state which formed the piezoelectric layer by scraping the piezoelectric single crystal substrate in the manufacturing method of the piezoelectric device which concerns on Embodiment 1 of this invention. It is sectional drawing which shows the state which provided the 1st electrode layer in the piezoelectric layer in the manufacturing method of the piezoelectric device which concerns on Embodiment 1 of this invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a state in which a slit is formed from a side opposite to the support layer side of the piezoelectric layer until it reaches the upper surface of the support layer in the method for manufacturing a piezoelectric device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a state in which a through hole is formed from a side opposite to the support layer side of the piezoelectric layer to the upper surface of the second electrode layer in the method for manufacturing a piezoelectric device according to the first embodiment of the present invention. It is a top view which shows the piezoelectric device which concerns on Embodiment 2 of this invention.
  • FIG. 1 is a perspective view of the piezoelectric device according to the first embodiment of the present invention as viewed from one side.
  • FIG. 2 is a perspective view of the piezoelectric device according to the first embodiment of the present invention as viewed from the other side.
  • FIG. 3 is a plan view of the piezoelectric device according to the first embodiment of the present invention.
  • the piezoelectric device 100 includes an outer base 110, a protruding base 120, and only one cantilever beam 130.
  • the outer base 110 is annular and has an inner peripheral surface 111.
  • the inner peripheral surface 111 is located on a virtual circle when viewed from the axial direction of the annular central axis of the outer base 110.
  • the protruding base portion 120 has a protruding portion 121 and a tip portion 122.
  • the projecting portion 121 projects from the inner peripheral surface 111 of the outer base portion 110 toward the annular center C.
  • the projecting portion 121 projects linearly when viewed from the axial direction of the central axis.
  • the width of the protruding portion 121 in the direction orthogonal to the protruding direction of the protruding portion 121 when viewed from the axial direction of the central axis is substantially constant.
  • the width of the protrusion 121 is substantially constant when the width of the protrusion 121 is within a range of plus or minus 5% of the average value of the width of the protrusion 121. including.
  • the tip portion 122 is connected to the protruding portion 121 and is located at the center C.
  • the tip portion 122 has a semicircular outer shape when viewed from the axial direction of the central axis. When viewed from the axial direction of the central axis, the diameter of the tip portion 122 is the same as the width of the protruding portion 121.
  • the cantilever portion 130 is connected to the tip portion 122 and extends while being separated from the protruding portion 121.
  • the cantilever portion 130 has a fixed end portion 131, a free peripheral end portion 132, and two side end portions 133.
  • the fixed end 131 is connected to the tip 122. Specifically, the fixed end portion 131 is connected to a peripheral surface of the peripheral surface of the tip portion 122 other than the portion connected to the protruding portion 121 when viewed from the axial direction of the central axis. That is, the fixed end portion 131 has an arc shape when viewed from the axial direction of the central axis.
  • the free peripheral end 132 is located along the inner peripheral surface 111.
  • the free peripheral end portion 132 is located on a virtual circle when viewed from the axial direction of the annular central axis of the outer base portion 110. That is, the virtual circle is located concentrically with the arcuate fixed end 131 when viewed from the axial direction of the central axis.
  • a first slit 134 is formed between the free peripheral end portion 132 and the inner peripheral surface 111.
  • the width of the first slit 134 is substantially constant along the inner peripheral surface 111.
  • the fact that the width of the first slit 134 is substantially constant includes the case where the width of the first slit 134 is within a range of plus or minus 5% with respect to the average value of the widths of the first slit 134.
  • a protrusion 121 is located between one end 132a and the other end 132b of the free peripheral end 132.
  • One end 132a and the other end 132b of the free peripheral end 132 are positioned so that the first slit 134 reaches the protrusion 121. More preferably, the one end 132a and the other end 132b of the free peripheral end 132 are positioned so that the first slit 134 reaches the opposite side of the protrusion 121 on the tip 122 side.
  • a second slit 135 connected to the first slit 134 is formed between each of the two side end portions 133 and the protruding portion 121.
  • the width of the second slit 135 is substantially constant in the protruding direction of the protruding portion 121.
  • the fact that the width of the second slit 135 is substantially constant includes the case where the width of the second slit 135 is within a range of plus or minus 5% with respect to the average value of the widths of the second slit 135.
  • Each of the two side end portions 133 forms the second slit 135, and connects both ends 131a and 131b of the fixed end portion 131 and both ends 132a and 132b of the free peripheral end portion 132 at the shortest distance.
  • the width of the first slit 134 and the width of the second slit 135 are substantially the same as each other. As a result, the force exerted by the cantilever portion 130 on the surrounding medium or the force received by the cantilever portion 130 from the medium escapes from the slit having the larger width dimension of the first slit 134 and the second slit 135. Can be suppressed.
  • the absolute value of the difference between the width dimension of the first slit 134 and the width dimension of the second slit 135 is The case where it is 5% or less of the width dimension of the first slit 134 or the width dimension of the second slit 135 is included.
  • the width of each of the first slit 134 and the second slit 135 is preferably, for example, 10 ⁇ m or less, and more preferably 1 ⁇ m or less.
  • the shortest distance from the fixed end portion 131 to the free peripheral end portion 132 is the central axis from the viewpoint of facilitating bending vibration of the cantilever beam portion 130. It is preferable that the thickness of the cantilever portion 130 in the axial direction is at least 5 times or more the dimension of the thickness of the cantilever portion 130.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the piezoelectric device of FIG. 3 as viewed from the direction of the arrow along line IV-IV.
  • FIG. 4 and FIG. 5 described later the thickness dimension of each member is schematically shown.
  • the cantilever portion 130 includes a piezoelectric layer 10, a first electrode layer 20, a second electrode layer 30, and a support layer 40.
  • the piezoelectric layer 10 is made of a single crystal material.
  • the cut orientation of the piezoelectric layer 10 is appropriately selected so as to exhibit the desired device characteristics.
  • the piezoelectric layer 10 is a thinned single crystal substrate, and the single crystal substrate is specifically a rotating Y-cut substrate. Further, the cutting direction of the rotating Y-cut substrate is specifically 30 °.
  • the thickness of the piezoelectric layer 10 is, for example, 0.3 ⁇ m or more and 5.0 ⁇ m or less.
  • the piezoelectric layer 10 is made of an inorganic material. Specifically, the piezoelectric layer 10 is composed of an alkaline niobate compound or an alkaline tantalate compound. In the present embodiment, the alkali metal contained in the alkali niobate compound or the alkali tantalate compound comprises at least one of lithium, sodium and potassium. In the present embodiment, the piezoelectric layer 10 is composed of lithium niobate (LiNbO 3 ) or lithium tantalate (LiTaO 3 ).
  • the first electrode layer 20 is arranged on one side of the piezoelectric layer 10 in the axial direction of the central axis.
  • the second electrode layer 30 is arranged in the cantilever portion 130 so as to face at least a part of the first electrode layer 20 with the piezoelectric layer 10 interposed therebetween.
  • an adhesion layer (not shown) is arranged between the first electrode layer 20 and the piezoelectric layer 10 and between the second electrode layer 30 and the piezoelectric layer 10. There is.
  • the area of the facing region where the first electrode layer 20 faces the second electrode layer 30 in the cantilever portion 130 is , 90% or more of the area of the cantilever portion 130.
  • each of the first electrode layer 20 and the second electrode layer 30 overlaps the entire cantilever portion 130 when viewed from the axial direction. That is, in the present embodiment, the area of the facing region where the first electrode layer 20 faces the second electrode layer 30 in the cantilever portion 130 is substantially the same as the area of the cantilever beam portion 130.
  • the fact that the area of the facing region is substantially the same as the area of the cantilever portion 130 includes the case where the area of the facing region is 95% or more of the area of the cantilever portion 130.
  • each of the first electrode layer 20 and the second electrode layer 30 is composed of Pt.
  • Each of the first electrode layer 20 and the second electrode layer 30 may be made of another material such as Al.
  • the adhesion layer is made of Ti.
  • the adhesion layer may be made of another material such as NiCr.
  • Each of the first electrode layer 20, the second electrode layer 30, and the adhesion layer may be an epitaxial growth film.
  • the piezoelectric layer 10 is composed of lithium niobate (LiNbO 3 )
  • the material constituting the adhesion layer is prevented from diffusing into the first electrode layer 20 or the second electrode layer 30.
  • the adhesion layer is preferably composed of NiCr. This improves the reliability of the piezoelectric device 100.
  • the thickness of each of the first electrode layer 20 and the second electrode layer 30 is, for example, 0.05 ⁇ m or more and 0.2 ⁇ m or less.
  • the thickness of the adhesion layer is, for example, 0.005 ⁇ m or more and 0.05 ⁇ m or less.
  • the support layer 40 is located on the side opposite to the second electrode layer 30 side of the piezoelectric layer 10 and the piezoelectric layer 10 side of the second electrode layer 30 in the axial direction of the central axis. Have been placed.
  • the support layer 40 has a first support layer 41 and a second support layer 42 laminated on the side opposite to the piezoelectric layer 10 side of the first support layer 41.
  • the first support layer 41 is made of SiO 2
  • the second support layer 42 is made of single crystal Si.
  • the thickness of the support layer 40 is preferably thicker than that of the piezoelectric layer 10 from the viewpoint of bending vibration of the cantilever portion 130. The mechanism of bending vibration of the cantilever portion 130 will be described later.
  • the protruding base portion 120 includes the piezoelectric layer 10, the first electrode layer 20, the second electrode layer 30, and the support layer 40, similarly to the cantilever portion 130.
  • the piezoelectric layer 10, the first electrode layer 20, the second electrode layer 30, and the support layer 40 in the protruding base portion 120 are respectively piezoelectric in the cantilever portion 130. It is continuous with the layer 10, the first electrode layer 20, the second electrode layer 30, and the support layer 40.
  • the second electrode layer 30 is arranged so as to face at least a part of the first electrode layer 20 with the piezoelectric layer 10 interposed therebetween. As shown in FIG. 3, in the protruding portion 121, the second electrode layer 30 is arranged so as not to face the first electrode layer 20 with the piezoelectric layer 10 interposed therebetween.
  • the protruding base 120 further includes a substrate layer 50.
  • the substrate layer 50 is connected to the side of the support layer 40 opposite to the second electrode layer 30 side.
  • the substrate layer 50 includes a first substrate layer 51 and a second substrate layer 52 laminated on the side opposite to the support layer 40 side of the first substrate layer 51.
  • the first substrate layer 51 is composed of SiO 2
  • the second substrate layer 52 is composed of single crystal Si.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the piezoelectric device of FIG. 3 as viewed from the direction of the arrow along the VV line.
  • the outer base 110 is the piezoelectric layer 10, the first electrode layer 20, the second electrode layer 30, the support layer 40, and the substrate layer 50, similarly to the protruding base 120. And is included.
  • the piezoelectric layer 10, the first electrode layer 20, the second electrode layer 30, the support layer 40, and the substrate layer 50 in the outer base 110 are respectively in the protruding base 120.
  • the piezoelectric layer 10, the first electrode layer 20, the second electrode layer 30, the support layer 40, and the substrate layer 50 are continuous with each other.
  • the second electrode layer 30 is arranged so as not to face the first electrode layer 20 with the piezoelectric layer 10 interposed therebetween.
  • the outer base 110 further includes a first connection electrode layer 60 and a second connection electrode layer 70.
  • the first connection electrode layer 60 is exposed to the outside while being electrically connected to the first electrode layer 20 via an adhesion layer (not shown). Specifically, the first connection electrode layer 60 is arranged on the outer base 110 on the side opposite to the piezoelectric layer 10 side of the first electrode layer 20.
  • the second connection electrode layer 70 is exposed to the outside while being electrically connected to the second electrode layer 30 via an adhesion layer (not shown). Specifically, the second connection electrode layer 70 is arranged on the outer base 110 on the side opposite to the support layer 40 side of the second electrode layer 30.
  • each of the first connection electrode layer 60 and the second connection electrode layer 70 is, for example, 0.1 ⁇ m or more and 1.0 ⁇ m or less.
  • the thickness of each of the adhesion layer connected to the first connection electrode layer 60 and the adhesion layer connected to the second connection electrode layer 70 is, for example, 0.005 ⁇ m or more and 0.1 ⁇ m or less.
  • the first connection electrode layer 60 and the second connection electrode layer 70 are composed of Au.
  • the first connection electrode layer 60 and the second connection electrode layer 70 may be made of another conductive material such as Al.
  • Each of the adhesion layer connected to the first connection electrode layer 60 and the adhesion layer connected to the second connection electrode layer 70 is made of, for example, Ti.
  • These adhesion layers may be made of NiCr.
  • the piezoelectric device 100 further includes an opening 140.
  • the opening 140 is formed by being surrounded by an outer base 110, a protruding base 120, and a cantilever 130.
  • the opening 140 opens on the side opposite to the cantilever beam portion 130 side.
  • the opening 140 has a concave outer shape surrounded by an outer base 110 and a protruding base 120 when the piezoelectric device 100 is viewed from the substrate layer 50 side.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a part of a cantilever portion of the piezoelectric device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing a part of a cantilever portion when the piezoelectric device according to the first embodiment of the present invention is driven.
  • the first electrode layer 20 and the second electrode layer 30 are not shown in FIGS. 6 and 7.
  • the piezoelectric layer 10 functions as an elastic layer that can expand and contract in the in-plane direction of a plane orthogonal to the axial direction of the central axis.
  • the layers other than the piezoelectric layer 10 function as a restraint layer.
  • the support layer 40 mainly functions as a restraint layer. In this way, the restraint layer is laminated in the direction orthogonal to the expansion / contraction direction of the expansion / contraction layer with respect to the expansion / contraction layer.
  • the cantilever beam portion 130 has a reverse expansion / contraction layer that can expand in-plane when the expansion / contraction layer extends in-plane, and can expand in-plane when the expansion / contraction layer contracts in-plane. , May be included in place of the restraint layer.
  • the support layer 40 which is the main part of the restraint layer, expands and contracts the piezoelectric layer 10 at the joint surface with the piezoelectric layer 10. to bound.
  • the piezoelectric layer 10 which is an elastic layer is located only on one side of the stress neutral plane N of the cantilever portion 130.
  • the position of the center of gravity of the support layer 40, which mainly constitutes the restraint layer, is located on the other side of the stress neutral plane N.
  • the cantilever beam portion 130 bends in the direction orthogonal to the plane.
  • the amount of displacement of the cantilever portion 130 when the cantilever portion 130 is bent increases as the distance between the stress neutral plane N and the piezoelectric layer 10 increases. Further, the amount of displacement increases as the stress at which the piezoelectric layer 10 tries to expand and contract increases. In this way, each of the cantilever portions 130 bends and vibrates from the fixed end portion 131 shown in FIGS. 1 to 5 in the direction orthogonal to the plane.
  • FIG. 8 is a perspective view showing a state in which the piezoelectric device according to the first embodiment of the present invention is vibrating in a desired vibration mode by simulation.
  • the piezoelectric device 100 is shown by omitting some members.
  • the cantilever beam portion 130 is shown so that the color becomes lighter as the amount of displacement displaced in the axial direction of the central axis increases. Further, FIG.
  • FIG. 8 shows the piezoelectric device 100 in a state where the cantilever portion 130 is displaced toward the first electrode layer 20 shown in FIG. As shown in FIG. 8, the cantilever portion 130 is driven so that the free peripheral end portion 132 side vibrates from the fixed end portion 131 as a starting point.
  • the piezoelectric device 100 according to the present embodiment has improved device characteristics particularly when used as an ultrasonic transducer.
  • the function of the piezoelectric device 100 when the piezoelectric device 100 according to the present embodiment is used as an ultrasonic transducer will be described.
  • the cantilever portion 130 has a unique mechanical resonance frequency. Therefore, when the applied voltage is a sinusoidal voltage and the frequency of the sinusoidal voltage is close to the value of the resonance frequency, the amount of displacement when the cantilever beam portion 130 is bent becomes large.
  • the medium around the cantilever beam portion 130 vibrates due to the ultrasonic waves, and a force is applied to the cantilever beam portion 130 from the surrounding medium to cause the cantilever beam portion 130. Bends and vibrates.
  • stress is applied to the piezoelectric layer 10.
  • an electric charge is induced in the piezoelectric layer 10.
  • Due to the electric charge induced in the piezoelectric layer 10 a potential difference is generated between the first electrode layer 20 and the second electrode layer 30 facing each other via the piezoelectric layer 10. This potential difference is detected by the first connection electrode layer 60 connected to the first electrode layer 20 and the second connection electrode layer 70 connected to the second electrode layer 30.
  • the piezoelectric device 100 can detect ultrasonic waves.
  • the ultrasonic wave to be detected contains a large amount of a specific frequency component and this frequency component is close to the value of the resonance frequency, the displacement amount when the cantilever beam portion 130 bends and vibrates is large. Become. As the amount of displacement increases, the potential difference increases.
  • the resonance frequency of the cantilever beam portion 130 is important.
  • the resonance frequency of the cantilever beam portion 130 changes when the shortest distance from the fixed end portion 131 to the free peripheral end portion 132 is different.
  • the free peripheral end portion 132 it is designed so that the protruding portion 121 is located along the inner peripheral surface 111 and between one end 132a and the other end 132b of the free peripheral end portion 132. Therefore, the shortest distance from the fixed end portion 131 to the free peripheral end portion 132 is set to a predetermined length, and the resonance frequency of the cantilever beam portion 130 is designed to be close to the frequency of the sinusoidal voltage.
  • the free peripheral end 132 is aligned with the inner peripheral surface 111, and the protruding portion 121 is located between one end 132a and the other end 132b of the free peripheral end 132.
  • the area of the cantilever portion 130 is increased.
  • the volume of the medium around the cantilever portion 130 extruded by the cantilever portion 130 increases, and the device characteristics of the piezoelectric device 100 are improved.
  • the resonance frequency of the cantilever beam portion 130 of the piezoelectric device 100 according to the first embodiment of the present invention is designed to be around 40 kHz
  • the constituent material of the piezoelectric layer 10 is lithium niobate
  • the thickness of the piezoelectric layer 10 is thick.
  • the thickness of each of the first electrode layer 20 and the second electrode layer 30 is 0.1 ⁇ m
  • the thickness of the first support layer 41 is 0.8 ⁇ m
  • the thickness of the second support layer 42 is 3.8 ⁇ m.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing a state in which the second electrode layer is provided on the piezoelectric single crystal substrate in the method for manufacturing a piezoelectric device according to the first embodiment of the present invention. 9 and 10 to 14 shown later are shown in the same cross-sectional view as in FIG.
  • an adhesion layer (not shown) is provided on the lower surface of the piezoelectric single crystal substrate 10a, and then a second electrode layer 30 is provided on the side of the adhesion layer opposite to the piezoelectric single crystal substrate 10a side.
  • the second electrode layer 30 is formed so as to have a desired pattern by a vapor deposition lift-off method.
  • the second electrode layer 30 may be formed by laminating over the entire lower surface of the piezoelectric single crystal substrate 10a by sputtering and then forming a desired pattern by an etching method.
  • the second electrode layer 30 and the close contact layer may be epitaxially grown.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a state in which the first support layer is provided in the method for manufacturing a piezoelectric device according to the first embodiment of the present invention.
  • a first support layer 41 is provided on the lower surfaces of the piezoelectric single crystal substrate 10a and the second electrode layer 30 by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, a PVD (Physical Vapor Deposition) method, or the like.
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • a portion of the lower surface of the first support layer 41 located on the side opposite to the second electrode layer 30 side of the first support layer 41 is raised. Therefore, the lower surface of the first support layer 41 is scraped and flattened by chemical mechanical polishing (CMP) or the like.
  • CMP chemical mechanical polishing
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing a state in which a laminated body is bonded to a first support layer in the method for manufacturing a piezoelectric device according to the first embodiment of the present invention.
  • the laminate 50a composed of the second support layer 42 and the substrate layer 50 is bonded to the lower surface of the first support layer 41 by surface activation bonding or atomic diffusion bonding.
  • the laminated body 50a is an SOI (Silicon on Insulator) substrate.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing a state in which a piezoelectric single crystal substrate is scraped to form a piezoelectric layer in the method for manufacturing a piezoelectric device according to the first embodiment of the present invention.
  • the upper surface of the piezoelectric single crystal substrate 10a is thinned by grinding with a grinder.
  • the top surface of the thinned piezoelectric single crystal substrate 10a is further polished by CMP or the like to form the piezoelectric single crystal substrate 10a into the piezoelectric layer 10.
  • the piezoelectric single crystal substrate 10a is formed into the piezoelectric layer 10 by forming a peeling layer by injecting ions into the upper surface side of the piezoelectric single crystal substrate 10a in advance and peeling the peeling layer. Good. Further, the piezoelectric single crystal substrate 10a may be formed into the piezoelectric layer 10 by further polishing the upper surface of the piezoelectric single crystal substrate 10a after the release layer is peeled off by CMP or the like.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view showing a state in which the first electrode layer is provided on the piezoelectric layer in the method for manufacturing a piezoelectric device according to the first embodiment of the present invention.
  • a first electrode layer 20 is provided on the side of the adhesion layer opposite to the piezoelectric layer 10 side.
  • the first electrode layer 20 is formed so as to have a desired pattern by a vapor deposition lift-off method.
  • the first electrode layer 20 may be formed by laminating over the entire upper surface of the piezoelectric layer 10 by sputtering and then forming a desired pattern by an etching method.
  • the piezoelectric layer 10 and the close contact layer may be epitaxially grown.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view showing a state in which a first slit is formed from a side opposite to the support layer side of the piezoelectric layer until it reaches the upper surface of the support layer in the method for manufacturing a piezoelectric device according to the first embodiment of the present invention. is there.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view showing a state in which a through hole is formed from a side opposite to the support layer side of the piezoelectric layer to the upper surface of the second electrode layer in the method for manufacturing a piezoelectric device according to the first embodiment of the present invention. Is. In FIG. 15, it is shown in the same cross-sectional view as in FIG.
  • slits are formed in the piezoelectric layer 10 and the first support layer 41 by dry etching with RIE (Reactive Ion Etching).
  • the slit may be formed by wet etching with fluorine nitric acid or the like.
  • the second support layer 42 exposed to the slit is etched by DRIE (Deep Reactive Ion Etching) so that the slit reaches the upper surface of the substrate layer 50.
  • DRIE Deep Reactive Ion Etching
  • the piezoelectric layer 10 is provided so that a part of the second electrode layer 30 is exposed by the dry etching or the wet etching. Etch.
  • a close contact layer (not shown) is provided on each of the first electrode layer 20 and the second electrode layer 30, and then a vapor deposition lift-off method is performed.
  • a first connection electrode layer 60 and a second connection electrode layer 70 are provided on the upper surface of each adhesion layer.
  • the first connection electrode layer 60 and the second connection electrode layer 70 are laminated over the entire surfaces of the piezoelectric layer 10, the first electrode layer 20, and the exposed second electrode layer 30 by sputtering, and then a desired pattern is formed by an etching method. It may be formed by etching.
  • the piezoelectric device 100 according to the first embodiment of the present invention is manufactured as shown in FIGS. 1 to 5.
  • the piezoelectric device 100 includes an outer base portion 110, a protruding base portion 120, and only one cantilever beam portion 130.
  • the outer base 110 is annular and has an inner peripheral surface 111.
  • the protruding base portion 120 has a protruding portion 121 and a tip portion 122.
  • the projecting portion 121 projects from the inner peripheral surface 111 of the outer base portion 110 toward the annular center C.
  • the tip portion 122 is connected to the protruding portion 121 and is located at the center C.
  • the cantilever portion 130 is connected to the tip portion 122 and extends while being separated from the protruding portion 121.
  • the cantilever portion 130 includes a piezoelectric layer 10, a first electrode layer 20, and a second electrode layer 30.
  • the first electrode layer 20 is arranged on one side of the piezoelectric layer 10.
  • the second electrode layer 30 is arranged so as to face at least a part of the first electrode layer 20 with the piezoelectric layer 10 interposed therebetween.
  • the cantilever portion 130 has a fixed end portion 131 and a free peripheral end portion 132.
  • the fixed end 131 is connected to the tip 122.
  • the free peripheral end portion 132 is located along the inner peripheral surface 111.
  • a protrusion 121 is located between one end 132a and the other end 132b of the free peripheral end 132.
  • the volume of the medium around the portion 130 is increased, and the device characteristics can be improved.
  • the piezoelectric device 100 is used as an ultrasonic transducer, when a voltage of a predetermined magnitude is applied to the piezoelectric layer 10, the sound pressure of ultrasonic waves generated by the vibration of the cantilever beam portion 130 is increased. can do.
  • the area of the region where the first electrode layer 20 faces the second electrode layer 30 when viewed from the axial direction of the central axis of the inner peripheral surface 111, that is, the axial direction of the annular central axis is , 90% or more of the area of the cantilever portion 130.
  • the electromechanical coupling coefficient of the cantilever beam portion 130 as an oscillator can be improved.
  • the device characteristics of the piezoelectric device 100 can be improved.
  • the piezoelectric layer 10 is composed of lithium niobate (LiNbO 3 ) or lithium tantalate (LiTaO 3 ).
  • the piezoelectric characteristics of the piezoelectric layer 10 can be improved, so that the device characteristics of the piezoelectric device 100 can be improved.
  • FIG. 16 is a plan view showing the piezoelectric device according to the second embodiment of the present invention.
  • the shortest distance from the fixed end portion 131 to the free peripheral end portion 232 is constant over the entire free peripheral end portion 232.
  • the cantilever is displaced more uniformly as a whole, so that the device characteristics of the piezoelectric device 200 are stabilized.
  • the shortest distance from the fixed end 131 to the free peripheral 232 is constant over the entire free peripheral end 232, which means that the shortest distance is the shortest distance over the entire free peripheral 232. This includes cases where the value is within the range of plus or minus 5% of the average value.
  • the cantilever portion 130 extends radially from the annular center of the outer base portion 110.
  • the tip portion 122 has a rectangular shape when viewed from the axial direction of the annular central axis, and is connected to the protruding portion 121 on one of the four sides of the tip portion 122.
  • the cantilever portion 130 is connected to the other three sides of the four sides of the tip portion 122.
  • each of the inner peripheral surface 111 and the free peripheral end portion 232 is located on a virtual substantially rectangular shape having rounded corners.
  • the shapes of the tip portion 122, the free peripheral end portion 232, and the inner peripheral surface 111 when viewed from the axial direction of the annular central axis are not particularly limited.
  • the tip portion 122 may have a substantially rectangular shape, an elliptical shape, or a circular shape having rounded corners.
  • each of the free peripheral end portion 232 and the inner peripheral surface 111 may be located on a virtual circle or a virtual ellipse.
  • the piezoelectric device according to the third embodiment of the present invention will be described.
  • the shape of the tip portion is mainly different from the piezoelectric device 100 according to the first embodiment of the present invention. Therefore, the description of the same configuration as that of the piezoelectric device 100 according to the first embodiment of the present invention will not be repeated.
  • FIG. 17 is a perspective view of the piezoelectric device according to the third embodiment of the present invention as viewed from one side.
  • FIG. 18 is a perspective view of the piezoelectric device according to the third embodiment of the present invention as viewed from the other side.
  • the width dimension of 322 is larger than the width dimension of the protrusion 121 in the orthogonal direction.
  • the tip portion 322 has a circular outer shape when viewed from the axial direction of the annular central axis. When viewed from the axial direction of the stop shaft, the diameter of the tip portion 322 is larger than the width dimension of the protrusion 121 in the orthogonal direction.
  • the piezoelectric device according to the fourth embodiment of the present invention will be described.
  • the shape of the protruding portion is mainly different from the piezoelectric device 100 according to the first embodiment of the present invention. Therefore, the description of the same configuration as that of the piezoelectric device 100 according to the first embodiment of the present invention will not be repeated.
  • FIG. 19 is a plan view of the piezoelectric device according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the width dimension of the protruding portion 421 in the direction orthogonal to the protruding direction of the protruding portion 421 increases as it approaches the outer base 110. There is. As a result, the strength of the protrusion 421 is improved, so that it is possible to suppress a decrease in yield due to the protrusion base 120 being broken at the protrusion 421 during the manufacture of the piezoelectric device 400.
  • the piezoelectric device according to the fifth embodiment of the present invention will be described.
  • the shape of the protruding base is mainly different from the piezoelectric device 100 according to the first embodiment of the present invention. Therefore, the description of the same configuration as that of the piezoelectric device 100 according to the first embodiment of the present invention will not be repeated.
  • FIG. 20 is a cross-sectional view of the piezoelectric device according to the fifth embodiment of the present invention. In FIG. 20, it is shown in the same cross-sectional view as in FIG.
  • the thickness of the protruding base portion 520 in the axial direction of the central axis of the inner peripheral surface 111 that is, the axial direction of the annular central axis of the outer base portion 110.
  • the thickness is thinner than the thickness of the outer base 110.
  • the thickness of the second substrate layer 52 of the protruding base portion 520 is thinner than the thickness of the second substrate layer 52 of the outer base portion 110 in the axial direction of the central axis of the inner peripheral surface 111. ..
  • Piezoelectric layer 10a Piezoelectric single crystal substrate, 20 1st electrode layer, 30 2nd electrode layer, 40 support layer, 41 1st support layer, 42 2nd support layer, 50 substrate layer, 50a laminate, 51st 1st Substrate layer, 52 second substrate layer, 60 first connection electrode layer, 70 second connection electrode layer, 100, 200, 300, 400, 500 piezoelectric device, 110 outer base, 111 inner peripheral surface, 120, 520 protruding base, 121,421 protruding part, 122,322 tip part, 130 cantilever beam part, 131 fixed end part, 131a, 131b both ends, 132,232 free peripheral end part, 132a one end, 132b other end, 133 side end, 134 1st slit, 135 2nd slit, 140 opening.

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Abstract

圧電デバイス(１００)は、外側基部(１１０)と、突出基部(１２０)と、１つのみの片持ち梁部(１３０)とを備えている。突出基部(１２０)は、突出部(１２１)と、先端部(１２２)とを有している。突出部(１２１)は、外側基部(１１０)の内周面(１１１)から環状の中央(Ｃ)に向かって突出している。先端部(１２２)は、突出部(１２１)に接続されて上記中央(Ｃ)に位置している。片持ち梁部(１３０)は、先端部(１２２)に接続され、突出部(１２１)と離間しつつ延出している。片持ち梁部(１３０)は、固定端部(１３１)と、自由周端部(１３２)を有している。固定端部(１３１)は、先端部(１２２)に接続されている。自由周端部(１３２)は、内周面(１１１)に沿って位置している。自由周端部(１３２)の一方端(１３２ａ)と他方端(１３２ｂ)との間には、突出部(１２１)が位置している。

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文献として、特表２０１４－５１５２１４号公報(特許文献１)、米国特許５６３３５５２号明細書(特許文献２)および特開２０１７－０４１８２４号公報(特許文献３)がある。
　特許文献１に記載された圧電デバイスは、ＭＥＭＳトランスデューサであって、基板と、複数の片持ち梁とを備えている。各片持ち梁は、先細であって、互いに隣接している。各片持ち梁は、梁基端部と、梁先端部と、梁本体部とを規定している。梁本体部は、梁基端部と梁先端部との間に配置されている。各片持ち梁は、各梁先端部が共通の仮想点に向けて延びるように配置されている。各片持ち梁は、梁基端部に沿って基板に結合されるが、梁本体部に沿って基板に結合されていない。
　特許文献２に記載された圧電デバイスは、マイクロメカニカルデバイスであって、フレームと、少なくとも１つのカンチレバー構造を備えている。フレームは、開口部を有している。カンチレバー構造は、開口部の周囲の一部にわたってフレームに取り付けられている。カンチレバー構造は、開口部の大部分を覆っている。カンチレバー構造は３つの副層を含んでいる。３つの副層は、第１副層、第２副層および第３副層を有する。第２副層は、第１副層および第３副層に隣接している。第１副層および第３副層は、実質的に同じ第１材料で形成され、略同一の平均応力を有している。第２副層は、第２材料で形成され、最小応力および最大応力を有している。最大応力と最小応力との差は、第１副層の平均応力の大きさより小さい。開口部は、正方形であってもよい。
　特許文献３に記載された圧電デバイスは、空気を介して伝搬される弾性波を検出する検出装置であって、カンチレバー構造を有している。カンチレバー構造は、固定端および自由端を有する。カンチレバー構造は、第１の電極と、第２の電極とを備える。第１の電極は板状であって、弾性波によって湾曲することにより振動する。第２の電極は板状であって、第１の電極と所定の距離を隔てて対向する。カンチレバー構造は、第１の電極と第２の電極との間の静電容量の変化に基づいて弾性波を検出する。固定端から自由端へ向かう方向における第２の電極の端は、自由端よりも固定端側に位置する。
特表２０１４－５１５２１４号公報 米国特許５６３３５５２号明細書 特開２０１７－０４１８２４号公報
　特許文献１に記載された圧電デバイスにおいては、複数の片持ち梁を備えている。圧電デバイスが駆動したときに、これら複数の片持ち梁の各々は、互いに異なる位相で振動する場合がある。この場合においては、圧電デバイスのデバイス特性は、かえって低下する。特許文献２および特許文献３の各々に記載された圧電デバイスは、１つのカンチレバー構造すなわち片持ち梁部を備えている。しかしながら、梁部を１つのみ有する圧電デバイスは、梁部周辺の媒質を押し出す力が、複数の梁部を有する圧電デバイスと比較して小さいため、デバイス特性が低い。
　そこで、１つの梁部のみを有する圧電デバイスにおいては、梁部の振動の方向から梁部を見たときの梁部の面積を大きくすることで、所定の大きさの電圧を印加したときに梁部によって押し出される梁部周辺の媒質の体積を大きくして、デバイス特性を向上させることが考えられる。しかしながら、梁部の上記面積を大きくすることで、梁部が有する固有の共振周波数が低下する場合がある。
　本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、梁部の共振周波数の変化を抑制しつつ、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、外側基部と、突出基部と、１つのみの片持ち梁部とを備えている。外側基部は、環状であり、内周面を有している。突出基部は、突出部と、先端部とを有している。突出部は、外側基部の内周面から環状の中央に向かって突出している。先端部は、突出部に接続されて上記中央に位置している。片持ち梁部は、先端部に接続され、突出部と離間しつつ延出している。片持ち梁部は、圧電体層と、第１電極層と、第２電極層とを含んでいる。第１電極層は、圧電体層の一方側に配置されている。第２電極層は、圧電体層を挟んで第１電極層の少なくとも一部に対向するように配置されている。片持ち梁部は、固定端部と、自由周端部を有している。固定端部は、先端部に接続されている。自由周端部は、内周面に沿って位置している。自由周端部の一方端と他方端との間には、突出部が位置している。
　本発明によれば、梁部の共振周波数の変化を抑制しつつ、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を一方側から見た斜視図である。 本発明の実施形態１に係る圧電デバイスを他方側から見た斜視図である。 本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの平面図である。 図３の圧電デバイスをＩＶ－ＩＶ線矢印方向から見た断面図である。 図３の圧電デバイスを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１に係る圧電デバイスの、駆動時における片持ち梁部の一部を模式的に示した断面図である。 本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの駆動時における片持ち梁部の一部を模式的に示した断面図である。 本発明の実施形態１に係る圧電デバイスについて、所望振動モードで振動している状態をシミュレーションによって示した斜視図である。 本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、圧電単結晶基板に第２電極層を設けた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、第１支持層を設けた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、第１支持層に、積層体を接合させた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、圧電単結晶基板を削って圧電体層を形成した状態を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、圧電体層に、第１電極層を設けた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、圧電体層の支持層側とは反対側から支持層の上面に達するまでスリットを形成した状態を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの製造方法において、圧電体層の支持層側とは反対側から第２電極層の上面に達するまで貫通孔を形成した状態を示す断面図である。 本発明の実施形態２に係る圧電デバイスを示す平面図である。 本発明の実施形態３に係る圧電デバイスを一方側から見た斜視図である。 本発明の実施形態３に係る圧電デバイスを他方側から見た斜視図である。 本発明の実施形態４に係る圧電デバイスの平面図である。 本発明の実施形態５に係る圧電デバイスの断面図である。
　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。
　(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を一方側から見た斜視図である。図２は、本発明の実施形態１に係る圧電デバイスを他方側から見た斜視図である。図３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１から図３に示すように、圧電デバイス１００は、外側基部１１０と、突出基部１２０と、１つのみの片持ち梁部１３０とを備えている。
　外側基部１１０は、環状であり、内周面１１１を有している。本実施形態において、外側基部１１０の環状の中心軸の軸方向から見て、内周面１１１は仮想円上に位置している。
　突出基部１２０は、突出部１２１と、先端部１２２とを有している。突出部１２１は、外側基部１１０の内周面１１１から環状の中央Ｃに向かって突出している。上記中心軸の軸方向から見て、突出部１２１は、直線状に突出している。上記中心軸の軸方向から見て、突出部１２１の突出方向に対して直交方向における突出部１２１の幅は、略一定である。なお、突出部１２１の上記幅が略一定であるとは、突出部１２１の上記幅の寸法が、突出部１２１の上記幅の寸法の平均値に対してプラスマイナス５％の範囲内である場合を含む。
　先端部１２２は、突出部１２１に接続されて上記中央Ｃに位置している。本実施形態において、上記中心軸の軸方向から見て、先端部１２２は、半円状の外形を有している。上記中心軸の軸方向から見て、先端部１２２の直径は、突出部１２１の上記幅と同一である。
　片持ち梁部１３０は、先端部１２２に接続され、突出部１２１と離間しつつ延出している。片持ち梁部１３０は、固定端部１３１と、自由周端部１３２と、２つの側端部１３３とを有している。
　固定端部１３１は、先端部１２２に接続されている。具体的には、固定端部１３１は、上記中心軸の軸方向から見て、先端部１２２の周面のうち突出部１２１と接続されている部分以外の周面に接続されている。すなわち、固定端部１３１は、上記中心軸の軸方向から見て、円弧状である。
　自由周端部１３２は、内周面１１１に沿って位置している。本実施形態においては、外側基部１１０の環状の中心軸の軸方向から見て、自由周端部１３２は仮想円上に位置している。すなわち、上記中心軸の軸方向から見て、当該仮想円は、円弧状の固定端部１３１と同心円状に位置している。
　自由周端部１３２と内周面１１１との間には、第１スリット１３４が形成されている。第１スリット１３４の幅は、内周面１１１に沿う方向にかけて略一定である。なお、第１スリット１３４の幅が略一定とは、第１スリット１３４の幅が、第１スリット１３４の幅の平均値に対してプラスマイナス５％の範囲内である場合を含む。自由周端部１３２の一方端１３２ａと他方端１３２ｂとの間には、突出部１２１が位置している。自由周端部１３２の一方端１３２ａおよび他方端１３２ｂは、第１スリット１３４が突出部１２１にまで到達するように、位置している。より好ましくは、自由周端部１３２の一方端１３２ａおよび他方端１３２ｂは、第１スリット１３４が、突出部１２１における先端部１２２側の反対側にまで到達するように、位置している。
　２つの側端部１３３の各々と突出部１２１との間には、第１スリット１３４と接続する第２スリット１３５が形成されている。第２スリット１３５の幅は、突出部１２１の突出方向にかけて略一定である。なお、第２スリット１３５の幅が略一定とは、第２スリット１３５の幅が、第２スリット１３５の幅の平均値に対してプラスマイナス５％の範囲内である場合を含む。２つの側端部１３３の各々は、第２スリット１３５を形成しつつ、固定端部１３１の両端１３１ａ，１３１ｂと自由周端部１３２の両端１３２ａ，１３２ｂとを最短で結ぶ。第１スリット１３４の幅と第２スリット１３５の幅とは、互いに略同一である。これにより、片持ち梁部１３０が周辺の媒質に与える力もしくは片持ち梁部１３０が当該媒質から受ける力が、第１スリット１３４および第２スリット１３５のうち幅寸法が大きいほうのスリットから逃げることを抑制できる。なお、第１スリット１３４の幅と第２スリットの幅とが互いに略同一とであるという場合には、第１スリット１３４の幅寸法と第２スリット１３５の幅寸法との差の絶対値が、第１スリット１３４の幅寸法または第２スリット１３５の幅寸法の５％以下である場合が含まれる。
　第１スリット１３４および第２スリット１３５の各々の幅は、狭くなるほど圧電デバイス１００のデバイス特性が向上する。たとえば、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場合には、第１スリット１３４および第２スリット１３５の各々の幅が狭くなるほど、片持ち梁部１３０が片持ち梁部１３０の周辺に位置する媒質に与える力、または、片持ち梁部１３０が上記媒質から受ける力が、第１スリット１３４および第２スリット１３５の各々から逃げることを抑制できる。第１スリット１３４および第２スリット１３５の各々の幅は、たとえば１０μｍ以下であることが好ましく、１μｍ以下にすることがより好ましい。
　また、本発明の実施形態１に係る圧電デバイス１００において、固定端部１３１から自由周端部１３２までの最短距離は、片持ち梁部１３０の屈曲振動を容易にするという観点から、上記中心軸の軸方向における片持ち梁部１３０の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。
　次に、片持ち梁部１３０を構成する部材について説明する。図４は、図３の圧電デバイスをＩＶ－ＩＶ線矢印方向から見た断面図である。図４および後に説明する図５においては、各部材の厚さの寸法は模式的に示されている。
　図３および図４に示すように、片持ち梁部１３０は、圧電体層１０と、第１電極層２０と、第２電極層３０と、支持層４０とを含んでいる。
　図４に示すように、圧電体層１０は、単結晶材料で構成されている。圧電体層１０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１０は単結晶基板を薄化したものであり、当該単結晶基板は具体的には回転Ｙカット基板である。また、当該回転Ｙカット基板のカット方位は具体的には３０°である。また、圧電体層１０の厚さは、たとえば０．３μｍ以上５．０μｍ以下である。
　圧電体層１０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１０は、無機材料で構成されている。具体的には、圧電体層１０は、ニオブ酸アルカリ系の化合物またはタンタル酸アルカリ系の化合物で構成されている。本実施形態においては、上記ニオブ酸アルカリ系の化合物または上記タンタル酸アルカリ系の化合物に含まれるアルカリ金属は、リチウム、ナトリウムおよびカリウムの少なくとも１つからなる。本実施形態において、圧電体層１０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。
　第１電極層２０は、上記中心軸の軸方向において、圧電体層１０の一方側に配置されている。第２電極層３０は、片持ち梁部１３０において圧電体層１０を挟んで第１電極層２０の少なくとも一部に対向するように配置されている。また、本実施形態においては、第１電極層２０と圧電体層１０との間、および、第２電極層３０と圧電体層１０との間の各々には、図示しない密着層が配置されている。
　内周面１１１の中心軸の軸方向、すなわち、上記環状の中心軸の軸方向から見て、片持ち梁部１３０において第１電極層２０が第２電極層３０と対向する対向領域の面積は、片持ち梁部１３０の面積の９０％以上である。図３および図４に示すように、本実施形態において、第１電極層２０および第２電極層３０の各々は、上記軸方向から見て、片持ち梁部１３０の全体と重なっている。すなわち、本実施形態において、片持ち梁部１３０において第１電極層２０が第２電極層３０と対向する対向領域の面積は、片持ち梁部１３０の面積と略同一である。なお、上記対向領域の面積が片持ち梁部１３０の面積と略同一であるとは、上記対向領域の面積が、片持ち梁部１３０の面積の９５％以上である場合を含む。
　本実施形態において、第１電極層２０および第２電極層３０の各々はＰｔで構成されている。第１電極層２０および第２電極層３０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２０、第２電極層３０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１０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２０または第２電極層３０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２０および第２電極層３０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。
　図４に示すように、支持層４０は、上記中心軸の軸方向において、圧電体層１０の第２電極層３０側、および、第２電極層３０の圧電体層１０側とは反対側に配置されている。支持層４０は、第１支持層４１と第１支持層４１の圧電体層１０側とは反対側に積層された第２支持層４２とを有している。本実施形態において、第１支持層４１は、ＳｉＯ2で構成され、第２支持層４２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４０の厚さは、片持ち梁部１３０の屈曲振動の観点から、圧電体層１０より厚いことが好ましい。片持ち梁部１３０の屈曲振動のメカニズムについては後述する。
　次に、突出基部１２０を構成する部材について説明する。図４に示すように、突出基部１２０は、片持ち梁部１３０と同様に、圧電体層１０と、第１電極層２０と、第２電極層３０と、支持層４０とを含んでいる。上記中心軸の軸方向に直交な面内方向において、突出基部１２０における圧電体層１０、第１電極層２０、第２電極層３０および支持層４０は、それぞれ、片持ち梁部１３０における圧電体層１０、第１電極層２０、第２電極層３０および支持層４０と互いに連続している。
　図３および図４に示すように、先端部１２２においては、第２電極層３０が、圧電体層１０を挟んで第１電極層２０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、突出部１２１においては、第２電極層３０が、圧電体層１０を挟んで第１電極層２０と対向しないように配置されている。
　図４に示すように、突出基部１２０は、さらに、基板層５０を含んでいる。基板層５０は、支持層４０の第２電極層３０側とは反対側に接続されている。基板層５０は、第１基板層５１と、第１基板層５１の支持層４０側とは反対側に積層された第２基板層５２とを含んでいる。本実施形態において、第１基板層５１は、ＳｉＯ2で構成されており、第２基板層５２は、単結晶Ｓｉで構成されている。
　次に、外側基部１１０を構成する部材について説明する。図５は、図３の圧電デバイスをＶ－Ｖ線矢印方向から見た断面図である。図４および図５に示すように、外側基部１１０は、突出基部１２０と同様に、圧電体層１０と、第１電極層２０と、第２電極層３０と、支持層４０と、基板層５０とを含んでいる。上記中心軸の軸方向に直交な面内方向において、外側基部１１０における圧電体層１０、第１電極層２０、第２電極層３０、支持層４０および基板層５０は、それぞれ、突出基部１２０における圧電体層１０、第１電極層２０、第２電極層３０、支持層４０および基板層５０と互いに連続している。
　図３および図５に示すように、外側基部１１０においては、第２電極層３０が、圧電体層１０を挟んで第１電極層２０と対向しないように配置されている。
　図３および図５に示すように、外側基部１１０は、さらに、第１接続電極層６０と、第２接続電極層７０とを含んでいる。
　第１接続電極層６０は、図示しない密着層を介して、第１電極層２０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６０は、外側基部１１０における第１電極層２０の圧電体層１０側とは反対側に配置されている。
　第２接続電極層７０は、図示しない密着層を介して、第２電極層３０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２接続電極層７０は、外側基部１１０における第２電極層３０の支持層４０側とは反対側に配置されている。
　第１接続電極層６０および第２接続電極層７０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６０と接続している密着層および第２接続電極層７０と接続している密着層の各々の厚さはたとえば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６０および第２接続電極層７０は、Ａｕで構成されている。第１接続電極層６０および第２接続電極層７０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６０と接続している密着層および第２接続電極層７０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および図４に示すように、本実施形態に係る圧電デバイス１００は、開口部１４０をさらに備えている。開口部１４０は、外側基部１１０と、突出基部１２０と、片持ち梁部１３０とに囲まれることで形成されている。開口部１４０は、片持ち梁部１３０側とは反対側に開口している。図２に示すように、開口部１４０は、圧電デバイス１００を基板層５０側から見たときに、外側基部１１０および突出基部１２０に囲まれた凹形状の外形を有している。
　ここで、本発明の実施形態１に係る圧電デバイス１００において片持ち梁部１３０が振動するメカニズムについて説明する。図６は、本発明の実施形態１に係る圧電デバイスの、片持ち梁部の一部を模式的に示した断面図である。図７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片持ち梁部の一部を模式的に示した断面図である。なお、図６および図７において第１電極層２０および第２電極層３０は図示していない。
　図６および図７に示すように、本実施形態においては、片持ち梁部１３０において、圧電体層１０が上記中心軸の軸方向に直交する平面の面内方向に伸縮可能な伸縮層として機能し、圧電体層１０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４０が拘束層として機能する。このように、拘束層は、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、片持ち梁部１３０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１０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４０は、圧電体層１０との接合面において圧電体層１０の伸縮を拘束する。また、本実施形態では、片持ち梁部１３０において、伸縮層である圧電体層１０が、片持ち梁部１３０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４０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６および図７に示すように、伸縮層である圧電体層１０が上記平面の面内方向に伸縮したときには、片持ち梁部１３０が上記平面に対して直交方向に屈曲する。なお、片持ち梁部１３０が屈曲したときの片持ち梁部１３０の変位量は、応力中立面Ｎと圧電体層１０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１０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、片持ち梁部１３０の各々は、上記平面の直交方向において、図１から図５に示す固定端部１３１を起点として屈曲振動する。
　さらに、図１に示すように、本実施形態係る圧電デバイス１００においては、片持ち梁部１３０を１つのみ有する。このため、複数の片持ち梁部が隣接するように設けられた圧電デバイスにおいて複数の片持ち梁部が互いに異なる位相で振動することにより生ずるデバイス特性の低下が生じない。図８は、本発明の実施形態１に係る圧電デバイスについて、所望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。図８においては、一部の部材を省略して圧電デバイス１００を示している。図８においては、片持ち梁部１３０は、上記中心軸の軸方向に変位する変位量が大きくなるほど色が薄くなるように示されている。また、図８においては、片持ち梁部１３０が、図４に示す第１電極層２０側に変位している状態の圧電デバイス１００を示している。図８に示すように、片持ち梁部１３０は、固定端部１３１を起点として自由周端部１３２側が振動するように駆動される。
　本実施形態に係る圧電デバイス１００は、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の機能について説明する。
　まず、図３に示すように、圧電デバイス１００によって超音波を発生させる場合には、第１接続電極層６０と第２接続電極層７０との間に電圧を印加する。そして、図３から図５に示すように、第１接続電極層６０に接続された第１電極層２０と、第２接続電極層７０に接続された第２電極層３０との間に電圧が印加される。このため、片持ち梁部１３０においても、圧電体層１０を介して互いに対向する第１電極層２０と第２電極層３０との間に電圧が印加される。そうすると、圧電体層１０は上記平面の面内方向に伸縮するため、上述のメカニズムにより、片持ち梁部１３０が上記平面の直交方向に屈曲振動する。これにより、圧電デバイス１００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、片持ち梁部１３０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、片持ち梁部１３０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、超音波によって片持ち梁部１３０の周辺の媒質が振動し、当該周辺の媒質から片持ち梁部１３０に力が加えられ、片持ち梁部１３０が屈曲振動する。片持ち梁部１３０が屈曲振動すると、圧電体層１０に応力が加わる。圧電体層１０に応力が加わることで、圧電体層１０中に電荷が誘起される。圧電体層１０に誘起された電荷によって、圧電体層１０を介して対向する第１電極層２０と第２電極層３０との間に電位差が発生する。この電位差を、第１電極層２０に接続された第１接続電極層６０と、第２電極層３０に接続された第２接続電極層７０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、片持ち梁部１３０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、片持ち梁部１３０の共振周波数が重要となる。
　そして、圧電デバイス１００においては、固定端部１３１から自由周端部１３２までの最短距離が異なると、片持ち梁部１３０の共振周波数が変化するところ、本実施形態においては、自由周端部１３２が、内周面１１１に沿って位置するとともに、自由周端部１３２の一方端１３２ａと他方端１３２ｂとの間には、突出部１２１が位置するように設計されている。このため、固定端部１３１から自由周端部１３２までの最短距離を所定の長さにして、片持ち梁部１３０の共振周波数を正弦波電圧の周波数の近傍となるように設計しつつ、上述したように自由周端部１３２を、内周面１１１に沿わせつつ、自由周端部１３２の一方端１３２ａと他方端１３２ｂとの間に、突出部１２１が位置するようにして、自由周端部１３２の長さを長くすることで、片持ち梁部１３０の面積が増加する。これにより、たとえば所定の大きさの電圧を圧電体層１０に印加したときに片持ち梁部１３０によって押し出される片持ち梁部１３０周辺の媒質の体積が大きくなり、圧電デバイス１００のデバイス特性を向上させることができる。すなわち、圧電デバイス１００について、片持ち梁部１３０の共振周波数の変化を抑制しつつ、デバイス特性を向上できる。
　たとえば、本発明の実施形態１に係る圧電デバイス１００の片持ち梁部１３０の共振周波数を４０ｋＨｚ近傍に設計する場合は、圧電体層１０の構成材料をニオブ酸リチウム、圧電体層１０の厚さを１μｍ、第１電極層２０および第２電極層３０の各々の厚さを０．１μｍ、第１支持層４１の厚さを０．８μｍ、第２支持層４２の厚さを３．８μｍ、片持ち梁部１３０の固定端部１３１から自由周端部１３２までの最短距離を４００μｍとした上で、自由周端部１３２を、内周面１１１に沿わせつつ、自由周端部１３２の一方端１３２ａと他方端１３２ｂとの間に、突出部１２１が位置するように設計すればよい。
　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９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９および後に示す図１０から図１４においては、図４と同一の断面視にて図示している。
　図９に示すように、まず、圧電単結晶基板１０ａ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１０ａ側とは反対側に第２電極層３０を設ける。第２電極層３０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３０は、スパッタリングにより圧電単結晶基板１０ａ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３０および上記密着層は、エピタキシャル成長させてもよい。
　図１０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支持層を設けた状態を示す断面図である。
　図１０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１０ａおよび第２電極層３０の各々の下面に、第１支持層４１を設ける。第１支持層４１を設けた直後においては、第１支持層４１の下面のうち第１支持層４１の第２電極層３０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支持層４１の下面を削って、平坦化する。
　図１１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支持層に、積層体を接合させた状態を示す断面図である。
　図１１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支持層４２と基板層５０とからなる積層体５０ａを、第１支持層４１の下面に接合する。本実施形態において、積層体５０ａは、ＳＯＩ(Silicon　on　Insulator)基板である。なお、第２支持層４２の上面を予めＣＭＰにより平坦化しておくことにより、圧電デバイス１００の歩留まりが向上する。
　図１２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１１および図１２に示すように、圧電単結晶基板１０ａ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１０ａの上面をさらにＣＭＰなどにより研磨することにより、圧電単結晶基板１０ａを圧電体層１０に成形する。
　なお、圧電単結晶基板１０ａ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１０ａを圧電体層１０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１０ａ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１０ａを圧電体層１０に成形してもよい。
　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、圧電体層に、第１電極層を設けた状態を示す断面図である。
　図１３に示すように、圧電体層１０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１０側とは反対側に第１電極層２０を設ける。第１電極層２０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２０は、スパッタリングにより圧電体層１０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。圧電体層１０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、圧電体層の支持層側とは反対側から支持層の上面に達するまで第１スリットを形成した状態を示す断面図である。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、圧電体層の支持層側とは反対側から第２電極層の上面に達するまで貫通孔を形成した状態を示す断面図である。図１５においては、図５と同一の断面視にて図示している。
　図１４に示すように、ＲＩＥ(Reactive　Ion　Etching)でドライエッチングすることにより、圧電体層１０および第１支持層４１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５０の上面まで達するように、上記スリットに露出した第２支持層４２を、エッチングする。これにより、第１スリット１３４が形成される。図１に示す第２スリット１３５についても、第１スリット１３４と同様に形成する。
　また、図１５に示すように、第５に示す外側基部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３０の一部が露出するように、圧電体層１０をエッチングする。
　そして、図１５および図５に示すように、外側基部１１０に相当する部分においては、第１電極層２０および第２電極層３０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６０および第２接続電極層７０を設ける。第１接続電極層６０および第２接続電極層７０は、スパッタリングにより圧電体層１０、第１電極層２０および露出した第２電極層３０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、図１４および図４に示すように、ＤＲＩＥにより、基板層５０の一部を除去する。これにより、外側基部１１０、突出基部１２０、片持ち梁部１３０および開口部１４０が形成される。上記の工程により、図１から図５に示すようは本発明の実施形態１に係る圧電デバイス１００が製造される。
　上記のように、本発明の実施形態１に係る圧電デバイス１００は、外側基部１１０と、突出基部１２０と、１つのみの片持ち梁部１３０とを備えている。外側基部１１０は、環状であり、内周面１１１を有している。突出基部１２０は、突出部１２１と、先端部１２２とを有している。突出部１２１は、外側基部１１０の内周面１１１から環状の中央Ｃに向かって突出している。先端部１２２は、突出部１２１に接続されて上記中央Ｃに位置している。片持ち梁部１３０は、先端部１２２に接続され、突出部１２１と離間しつつ延出している。片持ち梁部１３０は、圧電体層１０と、第１電極層２０と、第２電極層３０とを含んでいる。第１電極層２０は、圧電体層１０の一方側に配置されている。第２電極層３０は、圧電体層１０を挟んで第１電極層２０の少なくとも一部に対向するように配置されている。片持ち梁部１３０は、固定端部１３１と、自由周端部１３２とを有している。固定端部１３１は、先端部１２２に接続されている。自由周端部１３２は、内周面１１１に沿って位置している。自由周端部１３２の一方端１３２ａと他方端１３２ｂとの間には、突出部１２１が位置している。
　これにより、圧電デバイス１００において、片持ち梁部１３０の共振周波数の変化を抑制しつつ、所定の大きさの電圧を圧電体層１０に印加した場合に片持ち梁部１３０によって押し出される片持ち梁部１３０周辺の媒質の体積が大きくなり、デバイス特性を向上できる。たとえば、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場合には、所定の大きさの電圧を圧電体層１０に印加した場合に、片持ち梁部１３０の振動によって発生する超音波の音圧を大きくすることができる。
　本実施形態においては、内周面１１１の中心軸の軸方向、すなわち、上記環状の中心軸の軸方向から見て、第１電極層２０が第２電極層３０と対向する対向領域の面積は、片持ち梁部１３０の面積の９０％以上である。
　これにより、片持ち梁部１３０の振動子としての電気機械結合係数を向上させることができる。ひいては、圧電デバイス１００のデバイス特性を向上できる。
　本実施形態においては、圧電体層１０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１０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においては、自由周端部の形状が主に、本発明の実施形態１に係る圧電デバイス１００と異なる。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１６は、本発明の実施形態２に係る圧電デバイスを示す平面図である。図１６に示すように、本発明の実施形態２に係る圧電デバイス２００においては、自由周端部２３２の全体にわたって、固定端部１３１から自由周端部２３２までの最短距離が一定である。これにより、片持ち梁が全体的により均一に変位するため、圧電デバイス２００のデバイス特性が安定する。なお、自由周端部２３２の全体にわたって、固定端部１３１から自由周端部２３２までの最短距離が一定であるとは、上記最短距離が、自由周端部２３２の全体にわたって、上記最短距離の平均値に対してプラスマイナス５％の範囲内である場合を含む。
　このように、本実施形態においては、片持ち梁部１３０が、外側基部１１０の環状の中心から放射状に延在している。本実施形態においては、上記環状の中心軸の軸方向から見て、先端部１２２が矩形状であり、先端部１２２の四辺のうちの一辺において突出部１２１と接続されている。片持ち梁部１３０は、先端部１２２の四辺のうちの他の三辺に接続されている。上記環状の中心軸の軸方向から見て、内周面１１１および自由周端部２３２の各々は、角部が丸い仮想的な略矩形上に位置している。
　なお、本実施形態において、上記環状の中心軸の軸方向から見たときの先端部１２２、自由周端部２３２および内周面１１１の形状は特に限定されない。上記環状の中心軸の軸方向から見て、先端部１２２は角部が丸い略矩形状、楕円状または円状であってもよい。上記環状の中心軸の軸方向から見て、自由周端部２３２および内周面１１１の各々は、仮想円上または仮想楕円上に位置していてもよい。
　(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においては、先端部の形状が主に、本発明の実施形態１に係る圧電デバイス１００と異なる。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１７は、本発明の実施形態３に係る圧電デバイスを一方側から見た斜視図である。図１８は、本発明の実施形態３に係る圧電デバイスを他方側から見た斜視図である。
　図１７および図１８に示すように、本発明の実施形態３に係る圧電デバイス３００においては、上記環状の中心軸の軸方向から見て、突出部１２１の突出方向に対して直交方向における先端部３２２の幅寸法は、直交方向における突出部１２１の幅寸法より大きい。これにより、片持ち梁部１３０の変形時の応力を緩和することができるため、圧電デバイス３００の信頼性が向上する。
　本実施形態においては、具体的には、上記環状の中心軸の軸方向から見て、先端部３２２は円形状の外形を有している。上記中止軸の軸方向から見て、先端部３２２の直径の寸法は、直交方向における突出部１２１の幅寸法より大きい。
　(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においては、突出部の形状が主に、本発明の実施形態１に係る圧電デバイス１００と異なる。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１９は、本発明の実施形態４に係る圧電デバイスの平面図である。図１９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、突出部４２１の突出方向に対して直交方向における突出部４２１の幅寸法は、外側基部１１０に近づくにつれて大きくなっている。これにより、突出部４２１の強度が向上するため、圧電デバイス４００の製造時において突出基部１２０が突出部４２１で折れることによる歩留低下を抑制できる。
　(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においては、突出基部の形状が主に、本発明の実施形態１に係る圧電デバイス１００と異なる。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５に係る圧電デバイスの断面図である。図２０においては、図４と同一の断面視にて図示している。
　図２０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、内周面１１１の中心軸の軸方向、すなわち外側基部１１０の環状の中心軸の軸方向における突出基部５２０の厚さは、外側基部１１０の厚さより薄い。これにより、圧電デバイス５００を実装基板に実装する際には、外側基部１１０が実装基板に接続され、外側基部１１０に比べて強度が低い突出基部５２０は実装基板に接続されない。よって、圧電デバイス５００の実装工程の歩留低下を抑制できる。
　本実施形態においては、具体的には、内周面１１１の中心軸の軸方向において、突出基部５２０の第２基板層５２の厚さが、外側基部１１０の第２基板層５２の厚さより薄い。
　上述した実施形態の説明において、組み合わせ可能な構成を相互に組み合わせてもよい。
　今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１０　圧電体層、１０ａ　圧電単結晶基板、２０　第１電極層、３０　第２電極層、４０　支持層、４１　第１支持層、４２　第２支持層、５０　基板層、５０ａ　積層体、５１　第１基板層、５２　第２基板層、６０　第１接続電極層、７０　第２接続電極層、１００，２００，３００，４００，５００　圧電デバイス、１１０　外側基部、１１１　内周面、１２０，５２０　突出基部、１２１，４２１　突出部、１２２，３２２　先端部、１３０　片持ち梁部、１３１　固定端部、１３１ａ，１３１ｂ　両端、１３２，２３２　自由周端部、１３２ａ　一方端、１３２ｂ　他方端、１３３　側端部、１３４　第１スリット、１３５　第２スリット、１４０　開口部。

Claims (7)

  1. 　内周面を有する環状の外側基部と、
    　前記外側基部の前記内周面から前記環状の中央に向かって突出する突出部と、前記突出部に接続されて前記中央に位置する先端部とを有する突出基部と、
    　前記先端部に接続され、前記突出部と離間しつつ延出する１つのみの片持ち梁部とを備え、
    　前記片持ち梁部は、圧電体層と、該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に対向するように配置された第２電極層とを含み、
    　前記片持ち梁部は、前記先端部に接続された固定端部と、前記内周面に沿って位置する自由周端部を有し、
    　前記自由周端部の一方端と他方端との間には、前記突出部が位置している、圧電デバイス。
  2. 　前記自由周端部の全体にわたって、前記固定端部から前記自由周端部までの最短距離が一定である、請求項１に記載の圧電デバイス。
  3. 　前記突出部の突出方向に対して直交方向における前記先端部の幅寸法は、前記直交方向における前記突出部の幅寸法より大きい、請求項１または請求項２に記載の圧電デバイス。
  4. 　前記突出部の突出方向に対して直交方向における前記突出部の幅寸法は、前記外側基部に近づくにつれて大きくなる、請求項１または請求項２に記載の圧電デバイス。
  5. 　前記内周面の中心軸の軸方向における前記突出基部の厚さは、前記外側基部の厚さより薄い、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. 　前記内周面の中心軸の軸方向から見て、前記第１電極層が前記第２電極層と対向する対向領域の面積は、前記片持ち梁部の面積の９０％以上である、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。
  7. 　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１から請求項６のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
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