WO2023042754A1 - 圧電体デバイス - Google Patents

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尚己 桝本
博行 口地
利克 菊池
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日清紡ホールディングス株式会社
日清紡マイクロデバイス株式会社
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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
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H04R17/10—Resonant transducers, i.e. adapted to produce maximum output at a predetermined frequency
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
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    • 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
    • H10N30/308—Membrane type

Definitions

  • the present invention relates to piezoelectric devices such as actuators and sensors using piezoelectric bodies, and more particularly to piezoelectric devices using piezoelectric films laminated on a substrate.
  • a lower layer electrode, a piezoelectric film, and an upper layer electrode are laminated on a substrate having a cavity, and an input signal is obtained from the displacement of the piezoelectric film between the lower layer electrode and the upper layer electrode.
  • a piezoelectric device configured to convert to an output signal is used.
  • a piezoelectric device having such a structure can transmit and receive high-frequency signals such as ultrasonic waves by reducing the thickness of the piezoelectric film disposed between the lower layer electrode and the upper layer electrode. Piezoelectric devices that transmit and receive ultrasonic waves of this type are expanding their range of applications, such as obstacle detection devices mounted on vehicles and ultrasonic diagnostic devices for medical use.
  • Patent Document 1 a piezoelectric device having a convex vibration region has been proposed (for example, Patent Document 1). Furthermore, a piezoelectric device that suppresses variations in output characteristics and has higher sensitivity has been proposed (Patent Document 2).
  • a piezoelectric device with a conventional convex vibration region has improved sensitivity compared to a piezoelectric device with a general flat vibration region.
  • further increases in output and sensitivity are required.
  • an object of the present invention is to provide a high-output, high-sensitivity piezoelectric device having a convex vibration region.
  • An embodiment of the piezoelectric device of the present invention comprises a substrate having a cavity, a piezoelectric film covering the cavity and supported by the substrate, and electrodes sandwiching the piezoelectric film.
  • the piezoelectric film has a convex or concave vibrating region disposed on the cavity, and the vibrating region includes a first region made of a first piezoelectric body and a first piezoelectric body.
  • a single-layer piezoelectric film including a second region made of a second piezoelectric body having a piezoelectric constant larger than that of the body; and a second electrode are arranged, and a first input signal is converted into a first output signal from the displacement of the piezoelectric film in the second region between the first electrode and the second electrode. It is configured to
  • a partial region of the piezoelectric film on the cavity forming the vibration region is composed of a piezoelectric substance having a large piezoelectric constant, and the electrodes are arranged on the piezoelectric film in this region. Therefore, compared to the case where the piezoelectric film is composed only of a piezoelectric material with a small piezoelectric constant, it is possible to convert an input signal into an output signal based on a large displacement, and a high-output, high-sensitivity piezoelectric device can be realized. can provide.
  • FIG. 1 is a schematic plan view of a piezoelectric device (Embodiment 1) that is one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the piezoelectric device of FIG. 1 taken along line AA.
  • FIG. FIG. 2 is a schematic plan view of a piezoelectric device (Embodiment 2) that is another embodiment of the present invention.
  • 4 is a schematic cross-sectional view of the piezoelectric device of FIG. 3 taken along line BB.
  • FIG. 1 is a schematic plan view of a piezoelectric device (Embodiment 1) that is one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the piezoelectric device of FIG. 1 taken along line AA.
  • FIG. 2 is a schematic plan view of a piezoelectric device (Embodiment 2) that is another embodiment of the present invention.
  • 4 is a schematic cross-sectional view of the piezoelectric device of FIG. 3
  • the piezoelectric film in a part of the piezoelectric film (corresponding to the piezoelectric film in the second region) positioned above the cavity forming the vibration region is replaced with the piezoelectric film in the other region. It is composed of a piezoelectric material having a larger piezoelectric constant than the film (corresponding to the piezoelectric film in the first region), and electrodes are arranged on the piezoelectric film in this region. Therefore, the displacement of the piezoelectric film is greater than when the piezoelectric film is composed only of a piezoelectric body with a small piezoelectric constant, and an input signal can be converted into an output signal based on the large displacement. As a result, it is possible to provide a piezoelectric device with high output and high sensitivity.
  • FIG. 1 is a schematic plan view for explaining Embodiment 1 of the piezoelectric device of the present invention
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the piezoelectric device of FIG. 1 taken along line AA.
  • a piezoelectric film 3 is laminated on a substrate 1 with an insulating film 2 interposed therebetween. A part of the substrate 1 is removed to form a circular cavity 4 in plan view.
  • the piezoelectric film 3 has a single-layer structure with a thickness that allows it to vibrate at a predetermined frequency.
  • the piezoelectric film 3 has a convex shape in which a portion located above the cavity 4 protrudes in the opposite direction to the cavity 4 .
  • An end portion of the piezoelectric film 3 is bonded to and supported by the substrate 1 through the insulating film 2 , and the cavity 4 is covered with the piezoelectric film 3 .
  • the piezoelectric film above the cavity 4 is formed by removing a portion of the piezoelectric film 3a in the first region, which is made of the first piezoelectric substance, in a donut shape and filling this region. It is configured to include a piezoelectric film 3b in a second region made of a second piezoelectric material.
  • Reference numeral 6 denotes a vibration region of the piezoelectric film 3 located on the cavity 4, which is the combination of the first region and the second region. 1 and 2, the area along the wall 4a of the cavity 4 in the vicinity where it is supported by the substrate 1 as shown in FIGS.
  • a first electrode 5a and a second electrode 5b are arranged on the front and back surfaces of the piezoelectric film 3b in the second region, with the piezoelectric film 3b in the second region sandwiched therebetween.
  • the first electrode 5a and the second electrode 5b are each connected to voltage application means (not shown). Note that FIG. 1 does not show the first electrode 5a disposed on the surface of the piezoelectric film 3b in the second region.
  • the piezoelectric film 3a in the first region and the piezoelectric film 3b in the second region (vibration region 6) above the cavity 4 have convex shapes protruding to the opposite side of the cavity 4.
  • the piezoelectric film 3 is previously formed in a convex shape, and the piezoelectric film 3b in the second region is formed by applying a voltage between the first electrode 5a and the second electrode 5b.
  • the plate-like piezoelectric film 3 may be deformed into a convex shape by displacement (stretching).
  • the portion of the piezoelectric film 3 located above the cavity 4 constituted by the piezoelectric film 3a in the first region and the piezoelectric film 3b in the second region formed in this manner is circular and is located on the opposite side of the cavity 4.
  • Vibration region 6 having a shape protruding to the side is formed.
  • the piezoelectric device 100 configured in this way can convert an input signal into an output signal as follows.
  • a voltage signal (corresponding to a first input signal) is applied between the first electrode 5a and the second electrode 5b
  • the piezoelectric film 3b in the second region is displaced.
  • the piezoelectric film 3a in the first region is displaced together with the piezoelectric film 3b in the second region and converted into a first output signal.
  • a voltage signal is applied between the first electrode 5a and the second electrode 5b by changing the direction of voltage application at a predetermined frequency, thereby expanding the piezoelectric film 3b in the second region. , or contract to vibrate the vibrating region 6 (corresponding to the first output signal) at a predetermined frequency.
  • the piezoelectric film 3b in the second area is composed of a piezoelectric material having a large piezoelectric constant
  • the entire vibration area 6 is composed only of the piezoelectric material constituting the piezoelectric film 3a in the first area
  • the displacement (vibration) of the piezoelectric film 3 in the vibrating region 6 is greater than that in the vibrating region 6, and a large output signal can be generated.
  • the piezoelectric film 3b in the second region is displaced (extended or contracted).
  • a desired voltage signal (corresponding to a first output signal) can be obtained between the first electrode 5a and the second electrode 5b due to the charge generated in the piezoelectric film 3b in the second region.
  • the piezoelectric film 3b in the second region is composed of a piezoelectric material having a large piezoelectric constant
  • the vibration region 6 is composed only of the piezoelectric material constituting the piezoelectric film 3a in the first region.
  • the voltage signal is increased, and a large output signal can be generated.
  • FIG. 3 shows a schematic plan view for explaining a second embodiment of the piezoelectric device of the present invention
  • FIG. 4 shows a schematic cross-sectional view of the piezoelectric device of FIG. 3 taken along line BB.
  • a piezoelectric device 200 of this embodiment a piezoelectric film 3 is laminated on a substrate 1 with an insulating film 2 interposed therebetween. A part of the substrate 1 is removed to form a circular cavity 4 in plan view.
  • the piezoelectric film 3 has a single-layer structure with a thickness that allows it to vibrate at a predetermined frequency.
  • the piezoelectric film 3 has a convex shape in which a portion above the cavity 4 protrudes in the opposite direction to the cavity 4 .
  • An end portion of the piezoelectric film 3 is bonded to and supported by the substrate 1 through the insulating film 2 , and the cavity 4 is covered with the piezoelectric film 3 .
  • the piezoelectric film above the cavity 4 is formed by removing a portion of the piezoelectric film 3a in the first region made of the first piezoelectric substance in a donut shape and filling this region. It is configured to include a piezoelectric film 3b in a second region made of a second piezoelectric material.
  • Reference numeral 6 denotes a vibration region of the piezoelectric film 3 located on the cavity 4, which is the combination of the first region and the second region. 3 and 4, the area along the wall 4a of the cavity 4 in the vicinity where it is supported by the substrate 1 as shown in FIGS.
  • a first electrode 5a and a second electrode 5b are arranged on the front and back surfaces of the piezoelectric film 3b in the second region, with the piezoelectric film 3b in the second region sandwiched therebetween. Furthermore, in the piezoelectric device 200 of the present embodiment, the third electrode 5c and the fourth electrode 5d are provided on the front and back surfaces of the piezoelectric film 3a in the first region with the piezoelectric film 3a in the first region sandwiched therebetween. are placed. The first electrode 5a and second electrode 5b, and the third electrode 5c and fourth electrode 5d are connected to voltage application means or voltage detection means (not shown), respectively. Note that FIG. 3 does not show the first electrode 5a arranged on the surface of the piezoelectric film 3b in the second region.
  • the piezoelectric film 3a in the first region and the piezoelectric film 3b in the second region (vibration region 6) above the cavity 4 have convex shapes protruding to the opposite side of the cavity 4.
  • the piezoelectric film 3b in the second region is formed by applying a voltage between the first electrode 5a and the second electrode 5b. may be displaced (extended) to deform the plate-like piezoelectric film 3 into a convex shape.
  • the piezoelectric film 3a in the first region is slightly displaced. It is also possible to form a desired convex shape.
  • the portion of the piezoelectric film 3 located above the cavity 4 constituted by the piezoelectric film 3a in the first region and the piezoelectric film 3b in the second region formed in this manner is circular and is located on the opposite side of the cavity 4. Vibration region 6 having a shape protruding to the side is formed.
  • the thus configured piezoelectric device 200 can convert a first input signal into a first output signal and convert a second input signal into a second output signal as follows.
  • a voltage signal (corresponding to a first input signal) is applied between the first electrode 5a and the second electrode 5b
  • the piezoelectric film 3b in the second region is displaced.
  • the piezoelectric film 3a in the first region is displaced together with the piezoelectric film 3b in the second region and converted into a first output signal.
  • a voltage signal is applied between the first electrode 5a and the second electrode 5b by changing the direction of voltage application at a predetermined frequency, thereby expanding the piezoelectric film 3b in the second region. , or contract to vibrate the vibrating region 6 (corresponding to the first output signal) at a predetermined frequency.
  • the piezoelectric film 3b in the second area is composed of a piezoelectric material having a large piezoelectric constant
  • the entire vibration area 6 is composed only of the piezoelectric material constituting the piezoelectric film 3a in the first area
  • the displacement (vibration) of the piezoelectric film 3 in the vibrating region 6 is greater than that in the vibrating region 6, and a large output signal can be generated.
  • the piezoelectric film 3a in the first area When sound pressure or the like is applied to the vibration area 6 and it vibrates (corresponding to a second input signal), the piezoelectric film 3a in the first area is displaced. As a result, a desired voltage signal (corresponding to a second output signal) can be obtained between the third electrode 5c and the fourth electrode 5d due to the charge generated in the piezoelectric film 3a in the first region.
  • the piezoelectric body forming the piezoelectric film 3a in the first region has a smaller piezoelectric constant than the piezoelectric body forming the piezoelectric film 3b in the second region.
  • the piezoelectric body forming the piezoelectric film 3a in the first region has a smaller capacitance than the piezoelectric body forming the piezoelectric film 3b in the second region.
  • the piezoelectric device 200 of the present embodiment can detect signals in the ultrasonic range with higher sensitivity. can do.
  • the piezoelectric device 100 of Embodiment 1 and the piezoelectric device 200 of Embodiment 2 for example, aluminum nitride is used as the piezoelectric material forming the piezoelectric film 3a in the first region, and the piezoelectric film 3b in the second region is used. If PZT (lead zirconate titanate) is selected as the piezoelectric body, the piezoelectric device having the shapes shown in FIGS. 1 to 4 can be easily formed. Further, the piezoelectric device 100 of the first embodiment can achieve higher output and sensitivity, and the piezoelectric device 200 of the second embodiment can achieve higher sensitivity than the first embodiment.
  • PZT lead zirconate titanate
  • the piezoelectric film 3b in the second region is not limited to a donut shape.
  • the combination of the piezoelectric body forming the first piezoelectric film and the piezoelectric body forming the second piezoelectric film can be changed as appropriate.
  • the piezoelectric film 3 can be formed in a concave shape protruding toward the cavity 4 side.
  • the frequency of the output signal is determined by the thickness of the piezoelectric film. Therefore, by combining piezoelectric devices having different output signal frequencies, etc., a piezoelectric device capable of wideband signal conversion can be obtained.
  • An embodiment of the piezoelectric device of the present invention includes a substrate having a cavity, a piezoelectric film covering the cavity and supported by the substrate, and electrodes arranged with the piezoelectric film interposed therebetween.
  • the piezoelectric film has a convex or concave vibrating region disposed on the cavity, and the vibrating region comprises a first region made of a first piezoelectric body and the first piezoelectric body.
  • a first electrode and a second electrode are arranged at and a first input signal is a first output from a displacement of the piezoelectric film in the second region between the first electrode and the second electrode converted to a signal.
  • the piezoelectric device of the embodiment (1) above since a part of the piezoelectric film that constitutes the vibration region is composed of a piezoelectric body with a high piezoelectric constant, an input signal is output based on a large displacement. It can be converted into a signal, and a piezoelectric device with high output and high sensitivity can be obtained.
  • a voltage serving as the first input signal is applied between the first electrode and the second electrode, The displacement of the piezoelectric film in region 2 is converted into vibration that becomes the first output signal and is output from the vibration region.
  • the vibration that becomes the first input signal is generated in the vibration region, and the piezoelectric film in the second region is displaced. is converted into a voltage that becomes the first output signal and output from between the first electrode and the second electrode.
  • a third electrode and a fourth electrode are arranged with the piezoelectric film in the first region interposed therebetween, A second input signal is converted into a second output signal from the displacement of the piezoelectric film in the first region between the first electrode and the fourth electrode.
  • a voltage serving as the first input signal is applied between the first electrode and the second electrode,
  • the displacement of the piezoelectric film in the region 2 is converted into the vibration that becomes the first output signal and is output from the vibration region, and the vibration that becomes the second input signal is generated in the vibration region.
  • the displacement of the piezoelectric film in the region of is converted into a voltage that becomes the second output signal and is output from between the third electrode and the fourth electrode, thereby generating vibration and detecting vibration. can do.

Abstract

キャビティ（４）を備えた基板（１）と、キャビティ（４）を覆い基板（１）に支持された圧電体膜（３）と、圧電体膜（３）を挟んで配置された電極（５ａ、５ｂ）とを備える圧電体デバイス（１００）。圧電体膜（３）は、キャビティ（４）上に配置されている凸状あるいは凹状の振動領域（６）を有する。振動領域（６）は、第１の圧電体で構成されている第１の領域の圧電体膜（３ａ）と、第１の圧電体の圧電定数より大きい圧電定数を有する第２の圧電体で構成されている第２の領域の圧電体膜（３ｂ）とを含む単層の圧電体膜で構成されている。第２の領域の圧電体膜を挟んで第１の電極（５ａ）と第２の電極（５ｂ）が配置され、この電極間の第２の領域の圧電体膜（３ｂ）の変位から第１の入力信号が第１の出力信号に変換され、凸状の振動領域を備えた高出力、高感度の圧電体デバイスが提供される。

Description

圧電体デバイス
　本発明は、圧電体を用いたアクチュエータやセンサなどの圧電体デバイスに関し、特に基板上に積層した圧電体膜を用いた圧電体デバイスに関する。
　従来、圧電体を機械加工して形成したバルク型の圧電体デバイスが用いられている。また圧電体デバイスの小型化の要請に伴い、キャビティを備えた基板上に下層電極、圧電体膜および上層電極を積層し、下層電極と上層電極との間の圧電体膜の変位から入力信号を出力信号に変換する構成の圧電体デバイスが用いられている。このような構造の圧電体デバイスは、下層電極と上層電極間に配置する圧電体膜の厚さを薄くすることで超音波のような高周波信号を送受信することが可能となっている。この種の超音波を送受信する圧電体デバイスは、車両に搭載された障害物検知装置や、医療用の超音波診断装置等、種々適用範囲が拡大している。
　圧電体デバイスの適用範囲が拡大するに伴い、圧電体デバイスの小型化のみならず、高出力化、高感度化の要請が高まっている。高感度化を実現するため、凸状の振動領域を備えた圧電体デバイスが提案されている（例えば特許文献１）。さらに出力特性のばらつきを抑え、より感度の高い圧電体デバイスが提案されている（特許文献２）。
特開２０１７－１１２６１２号公報 特開２０２０－１９１３５９号公報
　従来の凸状の振動領域を備えた圧電体デバイスは、一般的な平板状の振動領域を備えた圧電体デバイスと比較すると、感度が向上する。しかしながら、さらに圧電体デバイスの適用範囲を拡大するためには、さらなる高出力化や高感度化が必要とされている。
　そこで本発明は、凸状の振動領域を備えた高出力、高感度の圧電体デバイスを提供することを目的とする。
　本発明の圧電体デバイスの一実施形態は、キャビティを備えた基板と、上記キャビティを覆い上記基板に支持された圧電体膜と、上記圧電体膜を挟んで配置された電極とを備え、上記圧電体膜は、上記キャビティ上に配置されている凸状あるいは凹状の振動領域を有し、上記振動領域は、第１の圧電体で構成されている第１の領域と、上記第１の圧電体の圧電定数より大きい圧電定数を有する第２の圧電体で構成されている第２の領域を含む単層の圧電体膜で構成され、上記第２の領域の圧電体膜を挟んで第１の電極と第２の電極が配置され、上記第１の電極と上記第２の電極の間の上記第２の領域の圧電体膜の変位から第１の入力信号を第１の出力信号に変換する構成とされている。
　本発明の圧電体デバイスによれば、振動領域を構成するキャビティ上の圧電体膜の一部の領域を圧電定数の大きい圧電体で構成し、この領域の圧電体膜に電極を配置しているため、圧電定数の小さい圧電体のみで圧電体膜を構成している場合と比較して、大きな変位に基づき入力信号を出力信号に変換することができ、高出力、高感度の圧電体デバイスを提供することができる。
本発明の一実施形態である圧電体デバイス（実施形態１）の平面摸式図である。 図１の圧電体デバイスのＡ－Ａ線における断面模式図である。 本発明の別の実施形態である圧電体デバイス（実施形態２）の平面模式図である。 図３の圧電体デバイスのＢ－Ｂ線における断面模式図である。
　次に、図面を参照しながら本発明の圧電体デバイスの実施形態を説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、以下に説明する部材、材料等は、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。また、各構成要素間の大きさや位置関係などは便宜上のものであり、実態を厳密に反映したものではない。
　本発明における圧電体デバイスは、振動領域を構成するキャビティ上に位置する圧電体膜の一部の領域の圧電体膜（第２の領域の圧電体膜に相当）を、他の領域の圧電体膜（第１の領域の圧電体膜に相当）より圧電定数の大きい圧電体で構成し、この領域の圧電体膜に電極を配置している。このため、圧電定数の小さい圧電体のみで圧電体膜を構成している場合と比較して、圧電体膜の変位が大きくなり、大きな変位に基づき入力信号を出力信号に変換することができる。その結果、高出力、高感度の圧電体デバイスを提供することが可能となる。
（実施形態１）
　まず本発明の圧電体デバイスの実施形態１について説明する。図１は本発明の圧電体デバイスの実施形態１を説明するための平面模式図を、図２は図１の圧電体デバイスのＡ－Ａ線における断面模式図をそれぞれ示している。図１および２に示すように、本実施形態の圧電体デバイス１００は、基板１上に絶縁膜２を介して圧電体膜３が積層形成されている。基板１の一部は除去され平面視で円形のキャビティ４が形成されている。圧電体膜３は所定の周波数で振動可能な厚さの単層構造とされている。また、圧電体膜３は、キャビティ４上に位置する部分がキャビティ４とは反対側に突出する凸状とされている。圧電体膜３の端部は、基板１に絶縁膜２を介して接合して支持され、キャビティ４は圧電体膜３で覆われている。
　キャビティ４上の圧電体膜は、図１に示すように第１の圧電体で構成されている第１の領域の圧電体膜３ａの一部がドーナツ形状に除去され、この領域に充填された第２の圧電体で構成されている第２の領域の圧電体膜３ｂを含む構成とされている。６は、第１の領域および第２の領域を合わせたキャビティ４上に位置する圧電体膜３の振動領域を指し、第２の領域の圧電体膜３ｂが形成される領域は、この振動領域６が振動する際に大きな変位が生じる領域とし、具体的には、図１および２に示すように基板１に支持された近傍で、キャビティ４の壁部４ａに沿った領域である。
　第２の領域の圧電体膜３ｂの表面および裏面には、第２の領域の圧電体膜３ｂを挟んで第１の電極５ａと第２の電極５ｂが配置されている。第１の電極５ａおよび第２の電極５ｂは、それぞれ図示しない電圧印加手段に接続されている。なお、図１では第２の領域の圧電体膜３ｂの表面に配置されている第１の電極５ａは示していない。
　図２に示すようにキャビティ４上の第１の領域の圧電体膜３ａおよび第２の領域の圧電体膜３ｂ（振動領域６）はキャビティ４とは反対側に突出する凸状であるが、この凸形状を形成するため圧電体膜３を予め凸状に形成するほか、第１の電極５ａおよび第２の電極５ｂの間に電圧を印加することで第２の領域の圧電体膜３ｂを変位（伸張）させ、平板状の圧電体膜３を凸状に変形させてもよい。このように形成された第１の領域の圧電体膜３ａおよび第２の領域の圧電体膜３ｂから構成されるキャビティ４上に位置する部分の圧電体膜３は、円形でキャビティ４と反対側に突出した形状の振動領域６となる。
　このように構成されている圧電体デバイス１００は、以下のように入力信号を出力信号に変換することができる。
　例えば、第１の電極５ａおよび第２の電極５ｂの間に電圧信号（第１の入力信号に相当）を印加すると、第２の領域の圧電体膜３ｂが変位する。その結果、第２の領域の圧電体膜３ｂとともに第１の領域の圧電体膜３ａが変位して第１の出力信号に変換される。具体的には、第１の電極５ａおよび第２の電極５ｂの間に電圧の印加方向を所定の周波数で変更して電圧信号を印加することで第２の領域の圧電体膜３ｂが伸張し、または収縮し、所定の周波数で振動領域６を振動（第１の出力信号に相当）させることができる。ここで、第２の領域の圧電体膜３ｂは圧電定数の大きい圧電体で構成されているため、振動領域６全体を第１の領域の圧電体膜３ａを構成する圧電体のみで構成する場合と比較して振動領域６の圧電体膜３の変位（振動）が大きくなり、大きな出力信号を発生させることが可能となる。
　また別の例として、振動領域６が振動（第１の入力信号に相当）すると、第２の領域の圧電体膜３ｂが変位（伸張または収縮）する。その結果、第２の領域の圧電体膜３ｂ内に生じる電荷により第１の電極５ａおよび第２の電極５ｂの間から所望の電圧信号（第１の出力信号に相当）を得ることができる。この場合も、第２の領域の圧電体膜３ｂは圧電定数の大きい圧電体で構成されているため、振動領域６を第１の領域の圧電体膜３ａを構成する圧電体のみで構成する場合と比較して第２の領域の圧電体膜３ｂに多くの電荷が発生して電圧信号が大きくなり、大きな出力信号を発生させることが可能となる。あるいは小さな入力信号についても出力信号を発生させることが可能となる。
（実施形態２）
　次に、本発明の圧電体デバイスの実施形態２について説明する。図３は本発明の圧電体デバイスの実施形態２を説明するための平面模式図を、図４は図３の圧電体デバイスのＢ－Ｂ線における断面模式図をそれぞれ示している。図３および４に示すように、本実施形態の圧電体デバイス２００は、基板１上に絶縁膜２を介して圧電体膜３が積層形成されている。基板１の一部は除去され平面視で円形のキャビティ４が形成されている。圧電体膜３は所定の周波数で振動可能な厚さの単層構造とされている。また、圧電体膜３は、キャビティ４上の部分がキャビティ４とは反対側に突出する凸状とされている。圧電体膜３の端部は、基板１に絶縁膜２を介して接合して支持され、キャビティ４は圧電体膜３で覆われている。
　キャビティ４上の圧電体膜は、図３に示すように第１の圧電体で構成されている第１の領域の圧電体膜３ａの一部がドーナツ形状に除去され、この領域に充填された第２の圧電体で構成されている第２の領域の圧電体膜３ｂを含む構成とされている。６は、第１の領域および第２の領域を合わせたキャビティ４上に位置する圧電体膜３の振動領域を指し、第２の領域の圧電体膜３ｂが形成される領域は、この振動領域６が振動する際に大きな変位が生じる領域とし、具体的には、図３および４に示すように基板１に支持された近傍で、キャビティ４の壁部４ａに沿った領域である。
　第２の領域の圧電体膜３ｂの表面および裏面には、第２の領域の圧電体膜３ｂを挟んで第１の電極５ａと第２の電極５ｂが配置されている。さらに本実施形態の圧電体デバイス２００では、第１の領域の圧電体膜３ａの表面および裏面に、第１の領域の圧電体膜３ａを挟んで第３の電極５ｃと第４の電極５ｄが配置されている。第１の電極５ａおよび第２の電極５ｂ、また第３の電極５ｃおよび第４の電極５ｄは、それぞれ図示しない電圧印加手段あるいは電圧検出手段に接続されている。なお図３では第２の領域の圧電体膜３ｂの表面に配置されている第１の電極５ａは示していない。
　図４に示すように、キャビティ４上の第１の領域の圧電体膜３ａおよび第２の領域の圧電体膜３ｂ（振動領域６）はキャビティ４とは反対側に突出する凸状であるが、この凸形状を形成するため圧電体膜３を予め凸状に形成するほか、第１の電極５ａおよび第２の電極５ｂの間に電圧を印加することで第２の領域の圧電体膜３ｂを変位（伸張）させ、平板状の圧電体膜３を凸状に変形させてもよい。また凸状の第１の領域の圧電体膜３ａに対して第３の電極５ｃおよび第４の電極５ｄの間に電圧を印加することで、第１の領域の圧電体膜３ａをわずかに変位させ、所望の凸形状とすることも可能である。このように形成された第１の領域の圧電体膜３ａおよび第２の領域の圧電体膜３ｂから構成されるキャビティ４上に位置する部分の圧電体膜３は、円形でキャビティ４と反対側に突出した形状の振動領域６となる。
　このように構成されている圧電体デバイス２００では、以下のように第１の入力信号を第１の出力信号に変換し、第２の入力信号を第２の出力信号に変換することができる。
　例えば、第１の電極５ａおよび第２の電極５ｂの間に電圧信号（第１の入力信号に相当）を印加すると、第２の領域の圧電体膜３ｂが変位する。その結果、第２の領域の圧電体膜３ｂとともに第１の領域の圧電体膜３ａが変位して第１の出力信号に変換される。具体的には、第１の電極５ａおよび第２の電極５ｂの間に電圧の印加方向を所定の周波数で変更して電圧信号を印加することで第２の領域の圧電体膜３ｂが伸張し、または収縮し、所定の周波数で振動領域６を振動（第１の出力信号に相当）させることができる。ここで、第２の領域の圧電体膜３ｂは圧電定数の大きい圧電体で構成されているため、振動領域６全体を第１の領域の圧電体膜３ａを構成する圧電体のみで構成する場合と比較して振動領域６の圧電体膜３の変位（振動）が大きくなり、大きな出力信号を発生させることが可能となる。
　また振動領域６に音圧等が印加され振動（第２の入力信号に相当）すると、第１の領域の圧電体膜３ａが変位する。その結果、第１の領域の圧電体膜３ａ内に生じる電荷により第３の電極５ｃおよび第４の電極５ｄの間から所望の電圧信号（第２の出力信号に相当）を得ることができる。この場合、第１の領域の圧電体膜３ａを構成する圧電体は、第２の領域の圧電体膜３ｂを構成する圧電体より圧電定数が小さい。換言すると、第１の領域の圧電体膜３ａを構成する圧電体は、第２の領域の圧電体膜３ｂを構成する圧電体より容量が小さい。
　一般的に圧電体を用いて超音波領域の信号を検知する場合、誘電率の小さい圧電体を用いることでさらなる高感度化が実現できる。従って、上述の実施形態１で説明した圧電体デバイス１００と比較して、本実施形態の圧電体デバイス２００のように構成すると、さらに高感度で超音波領域の信号を検知できる圧電体デバイスを構成することができる。
　上記実施形態１の圧電体デバイス１００および実施形態２の圧電体デバイス２００では、例えば、第１の領域の圧電体膜３ａを構成する圧電体として窒化アルミニウム、第２の領域の圧電体膜３ｂを構成する圧電体としてＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を選択すると、図１～４に示す形状の圧電体デバイスを容易に形成することができる。また実施形態１の圧電体デバイス１００では、高出力化、高感度化を図ることができ、実施形態２の圧電体デバイス２００では、実施形態１よりさらなる高感度化を図ることができる。
　以上本発明の圧電体デバイスの実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものでないことは言うまでもない。例えば、第２の領域の圧電体膜３ｂは、ドーナツ形状に限定されない。また第１の圧電体膜を構成する圧電体と、第２の圧電体膜を構成する圧電体の組み合わせは適宜変更可能である。さらにまた圧電体膜３は、キャビティ４側に突出する凹状とすることも可能である。
　この種の圧電体デバイスは、圧電体膜の厚さ等により出力信号の周波数等が決まる。そこで、出力信号の周波数等の異なる圧電体デバイスを組み合わせることによって広帯域の信号変換が可能な圧電体デバイスとすることができる。
（まとめ）
（１）本発明の圧電体デバイスの一実施形態は、キャビティを備えた基板と、上記キャビティを覆い上記基板に支持された圧電体膜と、上記圧電体膜を挟んで配置された電極とを備え、上記圧電体膜は、上記キャビティ上に配置されている凸状あるいは凹状の振動領域を有し、前記振動領域は、第１の圧電体で構成されている第１の領域と、上記第１の圧電体の圧電定数より大きい圧電定数を有する第２の圧電体で構成されている第２の領域を含む単層の圧電体膜で構成され、上記第２の領域の圧電体膜を挟んで第１の電極と第２の電極が配置され、上記第１の電極と前記第２の電極の間の前記第２の領域の圧電体膜の変位から第１の入力信号が第１の出力信号に変換される。
　上記（１）の実施形態の圧電体デバイスによれば、振動領域を構成する圧電体膜の一部の領域を圧電定数の高い圧電体で構成しているため、大きな変位に基づき入力信号を出力信号に変換することができ、高出力、高感度の圧電体デバイスを得ることができる。
（２）別の実施形態によれば、上記（１）の圧電体デバイスにおいて、上記第１の電極および上記第２の電極の間に上記第１の入力信号となる電圧が印加され、上記第２の領域の圧電体膜の変位から上記第１の出力信号となる振動に変換されて上記振動領域から出力される。
（３）また別の実施形態によれば、上記（１）の圧電体デバイスにおいて、上記振動領域に上記第１の入力信号となる振動が発生し、上記第２の領域の圧電体膜の変位から上記第１の出力信号となる電圧に変換されて上記第１の電極および上記第２の電極の間から出力される。
（４）さらに別の実施形態によれば、上記（１）の圧電体デバイスにおいて、上記第１の領域の圧電体膜を挟んで第３の電極と第４の電極が配置され、上記第３の電極と上記第４の電極の間の上記第１の領域の圧電体膜の変位から第２の入力信号が第２の出力信号に変換される。
　上記（４）の実施形態の圧電体デバイスによれば、誘電率の小さい圧電体を用いることでさらなる高感度化が実現できる。
（５）別の実施形態によれば、上記（４）の圧電体デバイスにおいて、上記第１の電極および上記第２の電極の間に上記第１の入力信号となる電圧が印加され、上記第２の領域の圧電体膜の変位から上記第１の出力信号となる振動に変換されて上記振動領域から出力され、上記振動領域に上記第２の入力信号となる振動が発生し、上記第１の領域の圧電体膜の変位から上記第２の出力信号となる電圧に変換されて上記第３の電極および上記第４の電極の間から出力されることで、振動を発生させるとともに振動を検出することができる。
　　１００、２００　圧電体デバイス
　　１　　基板
　　２　　絶縁膜
　　３　　圧電体膜
　　３ａ　第１の領域の圧電体膜
　　３ｂ　第２の領域の圧電体膜
　　４　　キャビティ
　　５ａ　第１の電極
　　５ｂ　第２の電極
　　５ｃ　第３の電極
　　５ｄ　第４の電極
　　６　　振動領域

Claims (5)

  1. キャビティを備えた基板と、
    前記キャビティを覆い前記基板に支持された圧電体膜と、
    前記圧電体膜を挟んで配置された電極とを備え、
    前記圧電体膜は、
    前記キャビティ上に配置されている凸状あるいは凹状の振動領域を有し、
    前記振動領域は、
    第１の圧電体で構成されている第１の領域と、前記第１の圧電体の圧電定数より大きい圧電定数を有する第２の圧電体で構成されている第２の領域を含む単層の圧電体膜で構成され、
    前記第２の領域の圧電体膜を挟んで第１の電極と第２の電極が配置され、
    前記第１の電極と前記第２の電極の間の前記第２の領域の圧電体膜の変位から第１の入力信号が第１の出力信号に変換される、
    圧電体デバイス。
  2. 前記第１の電極および前記第２の電極の間に前記第１の入力信号となる電圧が印加され、前記第２の領域の圧電体膜の変位から前記第１の出力信号となる振動に変換されて前記振動領域から出力される、
    請求項１記載の圧電体デバイス。
  3. 前記振動領域に前記第１の入力信号となる振動が発生し、前記第２の領域の圧電体膜の変位から前記第１の出力信号となる電圧に変換されて前記第１の電極および前記第２の電極の間から出力される、
    請求項１記載の圧電体デバイス。
  4. 前記第１の領域の圧電体膜を挟んで第３の電極と第４の電極が配置され、前記第３の電極と前記第４の電極の間の前記第１の領域の圧電体膜の変位から第２の入力信号が第２の出力信号に変換される、
    請求項１記載の圧電体デバイス。
  5. 前記第１の電極および前記第２の電極の間に前記第１の入力信号となる電圧が印加され、前記第２の領域の圧電体膜の変位から前記第１の出力信号となる振動に変換されて前記振動領域から出力され、
    前記振動領域に前記第２の入力信号となる振動が発生し、前記第１の領域の圧電体膜の変位から前記第２の出力信号となる電圧に変換されて前記第３の電極および前記第４の電極の間から出力される、
    請求項４記載の圧電体デバイス。
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