WO2023042755A1 - 圧電体デバイスおよび圧電体モジュール - Google Patents

圧電体デバイスおよび圧電体モジュール Download PDF

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WO2023042755A1
WO2023042755A1 PCT/JP2022/033804 JP2022033804W WO2023042755A1 WO 2023042755 A1 WO2023042755 A1 WO 2023042755A1 JP 2022033804 W JP2022033804 W JP 2022033804W WO 2023042755 A1 WO2023042755 A1 WO 2023042755A1
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piezoelectric
electrode
piezoelectric film
film
displacement
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PCT/JP2022/033804
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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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    • H10N30/308—Membrane type

Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric device and a piezoelectric module such as an actuator or a sensor using a piezoelectric body, and more particularly to a piezoelectric device and a piezoelectric module using a piezoelectric film laminated on a substrate.
  • 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 are expanding their range of applications, such as obstacle detection devices mounted on vehicles and ultrasonic diagnostic devices for medical use.
  • the direction of voltage applied to the piezoelectric film differs from the direction in which the piezoelectric film is displaced (stretching direction) (see Patent Document 1 and FIG. 4).
  • the above-mentioned miniaturized piezoelectric device is a piezoelectric device that utilizes the lateral effect in which the direction of voltage applied to the piezoelectric film is perpendicular to the direction of displacement of the piezoelectric film. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a compact and highly sensitive piezoelectric device that utilizes the longitudinal effect of the piezoelectric effect.
  • An embodiment of the piezoelectric device of the present invention comprises a substrate having a cavity, a piezoelectric film covering the cavity and laminated and supported on the substrate, and a part of the piezoelectric film sandwiched between each other.
  • the first electrode and the second electrode are spaced apart from each other, and the first electrode and the second electrode penetrate the piezoelectric film in the thickness direction of the piezoelectric film.
  • a voltage is applied between the first electrode and the second electrode arranged on the cavity, and an input signal is output as an output signal from the displacement of the piezoelectric film polarized in the voltage application direction in the voltage application direction. It is configured to be converted to
  • the piezoelectric device of the present invention since it is configured to utilize the longitudinal effect of the piezoelectric effect, it is possible to provide a compact and highly sensitive piezoelectric device with a large displacement of the piezoelectric film.
  • 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 cross-sectional view of a piezoelectric device (Embodiment 2) that is another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic plan view of a piezoelectric device (Embodiment 3) that is still another embodiment of the present invention.
  • 5 is a schematic cross-sectional view of the piezoelectric device of FIG. 4 taken along line BB.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a piezoelectric device (Embodiment 4) that is still another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic plan view of a piezoelectric device (Embodiment 5) that is yet another embodiment of the present invention.
  • 8 is a schematic cross-sectional view of the piezoelectric device of FIG. 7 taken along line CC.
  • piezoelectric device Next, embodiments of the piezoelectric device of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to these embodiments. Various modifications can be made within the scope of the gist. Also, the size and positional relationship between each component are for convenience and do not strictly reflect the actual situation.
  • a piezoelectric device is a piezoelectric device having a cavity that realizes miniaturization, in which the piezoelectric film is displaced by an input signal by utilizing the longitudinal effect (d33 mode) of the piezoelectric effect, and the displacement is used to generate an output signal. It is configured to convert to Therefore, the displacement of the piezoelectric film is larger than that of a conventional piezoelectric device using the lateral effect, and the input signal can be converted to the output signal based on the large displacement. As a result, it is possible to provide a compact and highly sensitive piezoelectric device.
  • 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 square cavity 4 in plan view.
  • the piezoelectric film 3 has a flat plate shape with a thickness capable of vibrating at a predetermined frequency, and has a front surface (surface opposite to the substrate) and a back surface (surface on the substrate side). The back surface of the piezoelectric film 3 is bonded to the substrate 1 via the insulating film 2 and supported by the thick portion of the substrate 1 where the cavity 4 is not formed.
  • Reference numeral 3a denotes a portion of the piezoelectric film 3 sandwiched between the electrodes 5a and 5b, which is a piezoelectric film that causes displacement. In the example shown in FIG. 2, the substrate 1 is partially left in the area where the cavity 4 is formed.
  • the thickness of the piezoelectric film 3a must be made thin in order to realize transmission and reception in the ultrasonic band. A part of the substrate 1 is left on the . Similarly, the insulating film 2 has a thickness that does not interfere with displacement.
  • the piezoelectric film 3 is penetrated from the front surface to the back surface side (thickness direction) of the piezoelectric film 3, and separated from each other so as to sandwich a part of the piezoelectric film 3 in the extending direction of the piezoelectric film 3.
  • a pair of electrodes 5a and 5b (one corresponds to the first electrode and the other corresponds to the second electrode) are provided substantially parallel to each other.
  • the pair of electrodes 5a and 5b are located on the cavity 4, respectively, at the edges of the cavity 4 facing each other (at the edge of the cavity 4 side of the junction between the piezoelectric film 3 and the portion of the substrate 1 where the cavity 4 is not formed). neighborhood).
  • the piezoelectric device 100 of this embodiment When the piezoelectric device 100 of this embodiment is used as a transmitter, by applying a voltage (corresponding to an input signal) at a predetermined frequency between the electrodes 5a and 5b, the piezoelectric film 3a is polarized in a direction parallel to the polarization direction. displaced so as to stretch to This displacement causes the piezoelectric film 3a to vibrate, and an output signal (for example, a transmission signal such as an ultrasonic signal) is emitted from the piezoelectric film 3a.
  • a voltage corresponding to an input signal
  • an output signal for example, a transmission signal such as an ultrasonic signal
  • the piezoelectric film 3a vibrates (input signal) in a state in which a predetermined voltage is applied between the electrodes 5a and 5b to polarize the piezoelectric film 3a.
  • the piezoelectric film 3a is displaced so as to extend in a direction parallel to the polarization direction.
  • a change in voltage accompanying this displacement can be obtained as an output signal (received signal) from between the electrodes 5a and 5b.
  • the piezoelectric device 100 of the present embodiment has a configuration that utilizes the displacement of the longitudinal effect of the piezoelectric effect, and can obtain a larger displacement than displacement utilizing the lateral effect of the conventional piezoelectric device. In other words, a larger output signal can be obtained with respect to a constant displacement, and it is possible to realize miniaturization and high sensitivity of the piezoelectric device.
  • Embodiment 2 of the piezoelectric device of the present invention will be described. 1 and 2, the piezoelectric device provided with one piezoelectric unit including the electrode 5a, the electrode 5b, and the piezoelectric film 3a of the portion of the piezoelectric film 3 between the electrodes 5a and 5b has been described. However, usually, multiple piezoelectric units are used side by side.
  • Embodiment 2 relates to a piezoelectric device including a plurality of piezoelectric units.
  • FIG. 3 shows an example of a piezoelectric device including two piezoelectric units having the same configuration as shown in FIGS.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a piezoelectric device 200 in which two piezoelectric units 6 are arranged in a single cavity 4, and the two piezoelectric units 6 are arranged substantially symmetrically from the center of the cavity 4. .
  • the configuration of the piezoelectric device 200 shown in FIG. 3 is the same as the piezoelectric device 100 of Embodiment 1 shown in FIGS. 1 and 2 except for the size of the cavity 4 and the configuration of the piezoelectric film 3 on the cavity 4. , their description is omitted.
  • the cavity 4 is enlarged left and right compared to FIG. 1 so that two piezoelectric units 6 can be placed thereon.
  • the piezoelectric film 3 is penetrated from the front surface to the back surface side (thickness direction), and is spaced apart from each other in the extending direction of the piezoelectric film 3 so as to sandwich a part of the piezoelectric film 3 and substantially parallel to each other.
  • Two pairs of electrodes 5a and 5b are provided symmetrically, and constitute a piezoelectric unit 6 together with the piezoelectric film 3a between the electrodes 5a and 5b.
  • Piezoelectric units 6 are arranged at the edges of the cavity 4 facing each other with the piezoelectric film 3b between the piezoelectric units (at the end of the cavity 4 side of the junction between the piezoelectric film 3 and the portion of the substrate 1 where the cavity 4 is not formed). (neighborhood), the electrodes 5a are arranged on the upper side.
  • a voltage (corresponding to an input signal) is applied between the electrodes 5a and 5b at a predetermined frequency, so that the two piezoelectric films 3a are parallel to the polarization direction. It is displaced so that it extends in the opposite direction to each other.
  • the piezoelectric film 3b between the piezoelectric units 6 is also displaced due to the displacement of the piezoelectric film 3a. These displacements radiate output signals (for example, ultrasonic signals) from the piezoelectric films (3a and 3b).
  • the piezoelectric device 200 of this embodiment When the piezoelectric device 200 of this embodiment is used as a receiver, the piezoelectric films 3a and 3b are vibrated (input signal), the piezoelectric film 3a is displaced so as to extend in a direction parallel to the polarization direction. A change in voltage accompanying this displacement can be obtained as an output signal (received signal) from between the electrodes 5a and 5b.
  • a plurality of piezoelectric units 6 By properly arranging a plurality of piezoelectric units 6 on a single cavity 4 in this way, the displacements of the individual piezoelectric units 6 affect each other, making it possible to displace the piezoelectric film between the piezoelectric units 6 .
  • a plurality of piezoelectric units can be arranged so as to surround the area of the piezoelectric film 3 corresponding to the center of the cavity 4 .
  • the thickness of the piezoelectric film 3, the size and arrangement of each piezoelectric unit 6, the spacing between the pair of electrodes 5a and 5b, and the application direction of the voltage applied between the pair of electrodes 5a and 5b is set as appropriate, input/output signals can be transmitted and received from displacement (vibration) of a desired frequency.
  • the piezoelectric device 200 of this embodiment also has a configuration that utilizes the displacement of the longitudinal effect of the piezoelectric effect, and can obtain a displacement that is greater than the displacement that utilizes the lateral effect of the conventional piezoelectric device. By doing so, a larger output signal can be obtained with respect to a constant displacement, and it is possible to realize miniaturization and high sensitivity of the piezoelectric device.
  • an input signal can be converted into an output signal by displacement of a piezoelectric film (such as 3b in FIG. 3) between a plurality of piezoelectric units, which is preferable.
  • FIG. 4 is a schematic plan view for explaining a third embodiment of the piezoelectric device of the present invention
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the piezoelectric device of FIG. 4 taken along line BB.
  • a piezoelectric device 300 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 plate shape with a thickness that allows it to vibrate at a predetermined frequency.
  • the back surface of the piezoelectric film 3 is bonded to and supported by the substrate 1 via the insulating film 2 .
  • a pair of electrodes 5a and 5b pass through the piezoelectric film 3 from the front surface to the back surface side (thickness direction), and are separated from each other so as to sandwich a part of the piezoelectric film 3 (piezoelectric film 3a). They are arranged concentrically.
  • the pair of electrodes 5a and 5b are placed on the periphery of the piezoelectric film 3 located above the cavity 4 (near the edge of the cavity 4 side of the junction between the piezoelectric film 3 and the portion of the substrate 1 where the cavity 4 is not formed). are placed.
  • the piezoelectric device 300 of this embodiment includes one piezoelectric unit 6 including an electrode 5a, an electrode 5b, and a doughnut-shaped piezoelectric film 3a between the electrodes 5a and 5b of the piezoelectric film 3.
  • the piezoelectric device 300 of this embodiment When the piezoelectric device 300 of this embodiment is used as a transmitter, by applying a voltage (corresponding to an input signal) at a predetermined frequency between the electrodes 5a and 5b, the piezoelectric film 3a is polarized in a direction parallel to the polarization direction. displaced so as to stretch to In this embodiment, displacement of the piezoelectric film 3a causes displacement of the piezoelectric film 3b surrounded by the piezoelectric unit 6 composed of the piezoelectric film 3a and the like. These displacements radiate output signals (for example, ultrasonic signals) from the piezoelectric films 3a and 3b.
  • output signals for example, ultrasonic signals
  • the piezoelectric films 3a and 3b are vibrated (input Signal) causes the piezoelectric films 3a and 3b to expand in the direction parallel to the polarization direction.
  • the voltage fluctuation accompanying this displacement can be obtained as an output signal (received signal) between the electrodes 5a and 5b.
  • the piezoelectric device 300 of this embodiment also has a configuration that utilizes the displacement of the longitudinal effect of the piezoelectric effect, and can obtain a larger displacement than the displacement that utilizes the lateral effect of the conventional piezoelectric device. By doing so, a larger output signal can be obtained with respect to a constant displacement, and it is possible to realize miniaturization and high sensitivity of the piezoelectric device.
  • an input signal can be converted into an output signal by displacement of the piezoelectric film 3b surrounded by the piezoelectric unit 6, which is preferable.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view for explaining Embodiment 4 of the piezoelectric device of the present invention.
  • a piezoelectric film 3A is laminated on a substrate 1 with an insulating film 2a interposed therebetween.
  • a piezoelectric film 3B is laminated on the piezoelectric film 3A with an insulating film 2b interposed therebetween.
  • a part of the substrate 1 is removed to form a square cavity 4 in plan view.
  • the piezoelectric films 3A and 3B have a plate shape with a thickness capable of vibrating at a predetermined frequency.
  • the back surface of the piezoelectric film 3A is bonded to and supported by the substrate 1 via the insulating film 2a.
  • the piezoelectric film 3A is penetrated from the front surface to the back surface side (thickness direction) of the piezoelectric film 3A.
  • a pair of electrodes 5a and 5b are provided that are substantially parallel and face each other.
  • the piezoelectric film 3B is penetrated from the front surface to the back surface side (thickness direction) of the piezoelectric film 3B, and separated from each other so as to sandwich a part of the piezoelectric film 3B in the extending direction of the piezoelectric film 3B.
  • a pair of electrodes 5c and 5d facing substantially parallel to each other are provided so as to overlap the pair of electrodes 5a and 5b.
  • the piezoelectric device 400 of this embodiment has a structure in which at least two layers of piezoelectric films having a pair of electrodes spaced apart from each other so as to sandwich a part of the piezoelectric film are laminated. 1 is different from the piezoelectric device 100 of No. 1. Although a two-layer structure is described in FIG. 6, the piezoelectric film is not limited to two layers, and three or more layers of piezoelectric films having the same structure may be laminated.
  • the piezoelectric film 3a1 between the electrodes 5a and 5b moves in the voltage application direction (the surface of the piezoelectric film 3A).
  • the piezoelectric film 3a2 between the electrodes 5c and 5d is polarized in the voltage application direction.
  • the piezoelectric device 400 of this embodiment When the piezoelectric device 400 of this embodiment is used as a transmitter, by applying a voltage at a predetermined frequency between the electrodes 5a and 5b, the piezoelectric film 3a1 is displaced so as to extend in a direction parallel to the polarization direction. do. At this time, by applying a reverse voltage synchronized with the predetermined frequency between the electrodes 5c and 5d, the piezoelectric film 3a2 is displaced so as to contract in a direction parallel to the polarization direction. That is, when a voltage (corresponding to an input signal) is applied to the electrodes 5a to 5d, the piezoelectric films 3a1 and 3a2 are displaced so that one expands and the other contracts. Output signals (for example, ultrasonic signals) are radiated from the piezoelectric films 3a1 and 3a2 by such displacement.
  • Output signals for example, ultrasonic signals
  • the piezoelectric film 3a1 between the electrodes 5a and 5b and the piezoelectric film 3a2 between the electrodes 5c and 5d are polarized in opposite directions. are applied, the piezoelectric films 3a1 and 3a2 vibrate (input signal), thereby causing the piezoelectric films 3a1 and 3a2 to alternately expand in the direction parallel to the polarization direction.
  • the voltage fluctuation accompanying this displacement can be obtained as an output signal (received signal) from at least one of the electrodes 5a and 5b and/or the electrodes 5c and 5d.
  • the thickness and size of the piezoelectric films 3A and 3B, the spacing between the pair of electrodes 5a and 5b, the spacing between the pair of electrodes 5c and 5d, and the spacing between the pair of electrodes 5a and 5b, By appropriately setting the voltage application method applied between the pair of electrodes 5c and 5d, input/output signals can be transmitted and received from displacement (vibration) of a desired frequency.
  • the piezoelectric device 400 of this embodiment also has a configuration that utilizes the displacement of the longitudinal effect of the piezoelectric effect, and can obtain a displacement that is greater than the displacement that utilizes the lateral effect of the conventional piezoelectric device. By doing so, a larger output signal can be obtained with respect to a constant displacement, and it is possible to realize miniaturization and high sensitivity of the piezoelectric device.
  • the configuration in which the piezoelectric film of this embodiment has a multilayer structure can also be applied to the piezoelectric device 200 of Embodiment 2 shown in FIG. 3 and the piezoelectric device 300 of Embodiment 3 shown in FIGS. . Especially in these embodiments, the effect of increasing the displacement of the piezoelectric film 3b between the piezoelectric units 6 is expected.
  • Embodiment 5 of the piezoelectric device of the present invention will be described.
  • all the ends of the piezoelectric film 3 are bonded to the substrate 1, but in the present embodiment, one end of the piezoelectric film 3 is a free end of the cantilever. type piezoelectric device will be described.
  • FIG. 7 shows a schematic plan view for explaining Embodiment 5 of the piezoelectric device of the present invention
  • FIG. 8 shows a schematic cross-sectional view of the piezoelectric device of FIG. 7 taken along line CC.
  • a piezoelectric device 500 of this embodiment a piezoelectric film 3C is laminated on a substrate 1 with an insulating film 2c interposed therebetween. Further, a piezoelectric film 3D is laminated on the piezoelectric film 3C with an insulating film 2d interposed therebetween. A part of the substrate 1 is removed to form a square cavity 4 in plan view.
  • the piezoelectric films 3C and 3D are partitioned by providing slits 7 on three sides of the regions located above the cavity 4, and the piezoelectric films 3C and 3D are flat plate-shaped with a thickness that allows them to vibrate at a predetermined frequency.
  • the portions of the piezoelectric films 3C and 3D partitioned by the slits 7 are bonded and supported on the substrate 1 by the side where the slits 7 are not provided via the insulating film 2c.
  • the piezoelectric film 3C is penetrated from the front surface to the back surface side (thickness direction) of the piezoelectric film 3C, and separated from each other so as to sandwich a part of the piezoelectric film 3C in the extending direction of the piezoelectric film 3C.
  • a pair of electrodes 5e and 5f are provided that are substantially parallel and face each other.
  • the piezoelectric film 3D is penetrated from the front surface to the back surface side (thickness direction) of the piezoelectric film 3D, and separated from each other so as to sandwich a part of the piezoelectric film 3D in the extending direction of the piezoelectric film 3D.
  • a pair of electrodes 5g and 5h facing substantially parallel to each other are provided so as to overlap the pair of electrodes 5e and 5f. These electrodes 5e to 5h are located above the cavity 4, and are adjacent to the edges of the cavity 4 facing each other (near the end of the cavity 4 side of the junction between the piezoelectric film 3C and the portion of the substrate 1 where the cavity 4 is not formed). ).
  • the piezoelectric film 3a3 between the electrodes 5e and 5f moves in the voltage application direction (the surface of the piezoelectric film 3C).
  • the piezoelectric film 3a4 between the electrodes 5g and 5h is polarized in the voltage application direction.
  • the piezoelectric device 500 of this embodiment When the piezoelectric device 500 of this embodiment is used as a transmitter, by applying a voltage at a predetermined frequency between the electrodes 5e and 5f, the piezoelectric film 3a3 is displaced so as to extend in a direction parallel to the polarization direction. do. At this time, by applying a reverse voltage synchronized with the predetermined frequency between the electrodes 5g and 5h, the piezoelectric film 3a4 is displaced so as to contract in a direction parallel to the polarization direction. That is, when a voltage (corresponding to an input signal) is applied to the electrodes 5e to 5h, the piezoelectric films 3a3 and 3a4 are displaced such that one expands and the other contracts. Due to such displacement, the free ends of the piezoelectric films 3C and 3D undergo relatively large displacements, and output signals (for example, ultrasonic signals) are radiated from the piezoelectric films 3C and 3D.
  • output signals for example, ultrasonic signals
  • the piezoelectric film 3a3 between the electrodes 5e and 5f and the piezoelectric film 3a4 between the electrodes 5g and 5h are polarized in opposite directions. is applied, the free ends of the piezoelectric films 3C and 3D vibrate (input signal), thereby causing the piezoelectric films 3a3 and 3a4 to alternately expand in the direction parallel to the polarization direction.
  • a voltage variation accompanying this displacement can be obtained as an output signal (received signal) from at least one of electrodes 5e and 5f and electrodes 5g and 5h.
  • the piezoelectric film has been described as having a multilayer structure, but the same applies to a single-layer structure having only the piezoelectric film 3C without the insulating film 2d and the piezoelectric film 3D, for example.
  • the piezoelectric device 500 of the present embodiment also has a configuration that utilizes the displacement of the longitudinal effect of the piezoelectric effect, and can obtain a displacement that is greater than the displacement that utilizes the lateral effect of the conventional piezoelectric device. By doing so, a larger output signal can be obtained with respect to a constant displacement, and it is possible to realize miniaturization and high sensitivity of the piezoelectric device.
  • the regions of the piezoelectric films 3C and 3D located above the cavity 4 have free ends due to the slits provided on the three sides thereof. A large displacement of the membranes 3a3 and 3a4 can be obtained, or a large output signal accompanying the displacement can be obtained, which makes it possible to achieve further miniaturization and higher sensitivity. In other words, it is possible to receive a small signal input.
  • a piezoelectric module of the present invention includes a plurality of the piezoelectric devices of the present invention described above, and each piezoelectric device is applied with a voltage between a first electrode and a second electrode, thereby It is characterized by having piezoelectric films that are displaced at different frequencies.
  • the oscillation frequency (resonant frequency) is determined when the thickness of the piezoelectric film, the dimension between the electrodes, and the like are determined. Therefore, in order to widen the band of the oscillation frequency (resonance frequency), it is possible to widen the band by combining piezoelectric devices having different displacement frequencies of the piezoelectric film into a module.
  • the thickness and size of the piezoelectric film 3 and the spacing between the pair of electrodes 5a and 5b are appropriately set.
  • the direction of application of the voltage applied between the pair of electrodes 5a and 5b it is possible to transmit and receive an input signal from displacement (vibration) of a desired frequency.
  • the piezoelectric device 200 of Embodiment 2 of the present invention by appropriately setting the size and arrangement of each piezoelectric unit 6, input/output signals can be transmitted and received from displacement (vibration) of a desired frequency. .
  • the piezoelectric device 500 of Embodiment 5 of the present invention is the same as the piezoelectric device of Embodiment 1 when the piezoelectric film is a single layer, and is similar to the piezoelectric device of Embodiment 4 when the piezoelectric film is a multilayer. Same as device.
  • piezoelectric devices capable of transmitting and receiving input/output signals in a wide band are obtained in this way. It can be a body module.
  • the piezoelectric devices to be combined to form the piezoelectric module are not particularly limited as long as they are displaced (vibrated) at different frequencies.
  • a plurality of piezoelectric devices according to one embodiment may be combined.
  • the present invention is not limited to the above embodiments.
  • it is not limited to ultrasonic transmitters or receivers.
  • a substrate having a cavity, a piezoelectric film covering the cavity and laminated and supported on the substrate, and a part of the piezoelectric film are sandwiched.
  • a voltage is applied between the first electrode and the second electrode, and an input signal is generated from displacement in the voltage application direction of the piezoelectric film polarized in the voltage application direction. is converted to the output signal.
  • the displacement of the piezoelectric film is larger than in the case of using the transverse effect, or a large displacement is caused by the displacement.
  • An output signal can be obtained, and miniaturization and high sensitivity of the piezoelectric device can be realized.
  • the first electrode and the second electrode are arranged concentrically, and the first electrode of the piezoelectric film is An input signal is converted into an output signal from the displacement of the doughnut-shaped piezoelectric film between the electrode and the second electrode.
  • the piezoelectric device of (1) includes the first electrode, the second electrode, and the first electrode of the piezoelectric film on the cavity. and a portion between the second electrode, wherein the displacement of the piezoelectric film in the plurality of piezoelectric units and the displacement of the piezoelectric film in the portion between the plurality of piezoelectric units An input signal is converted to an output signal from the displacement.
  • the displacement of the donut-shaped piezoelectric film, the first electrode, the second electrode, and the donut-shaped An input signal is converted into an output signal from the displacement of the circular piezoelectric film surrounded by the piezoelectric unit including the piezoelectric film of .
  • the first electrode, the second electrode, and the piezoelectric film of the At least two layers of the piezoelectric film having a first electrode and a portion between the second electrode are laminated on a substrate with an insulating film interposed therebetween, and the displacement of the piezoelectric film in the upper layer of the insulating film is performed.
  • an input signal is converted into an output signal from at least one of the displacements of the piezoelectric film underlying the insulating film.
  • An embodiment of the piezoelectric module of the present invention includes a plurality of piezoelectric devices according to any one of (1) to (4) above, each piezoelectric device comprising the first electrode and the second electrode. It has the piezoelectric film that is displaced at different frequencies when a voltage is applied between the two electrodes.
  • each piezoelectric device having the first electrode and the second electrode. It has the piezoelectric films that are displaced at different frequencies when a voltage is applied between them.

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Abstract

キャビティ（４）を備えた基板と、キャビティ（４）を覆い基板（１）上に積層して支持された圧電体膜（３）と、圧電体膜（３）の一部を挟むように互いに離間して設けられた第１の電極（５ａ）と第２の電極（５ｂ）とを備える圧電体デバイス（１００）。第１の電極（５ａ）と第２の電極（５ｂ）は、圧電体膜（３）を圧電体膜（３）の厚さ方向に貫通してキャビティ（４）上に配置され、第１の電極（５ａ）および第２の電極（５ｂ）の間に電圧が印加され、電圧の印加方向に分極する圧電体膜（３）の電圧の印加方向の変位から入力信号が出力信号に変換され、圧電効果の縦効果を利用した小型で高感度の圧電体デバイスが提供される。

Description

圧電体デバイスおよび圧電体モジュール
　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および圧電体モジュールに関し、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および圧電体モジュールに関する。
　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。
　例えば、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。従来提案されている圧電体デバイスでは、圧電体膜に印加される電圧の向きと、圧電体膜が変位する方向（伸縮する方向）が異なっている（特許文献１、図４参照）。
特開２０１３－１３５７９３号公報
　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とともに高感度化の要請が高まっている。ところで一般的な圧電材料では、圧電効果における横効果（ｄ３１モード）は縦効果（ｄ３３モード）より小さいことが知られている。上述の小型化を実現した圧電体デバイスでは、圧電体膜に対して印加される電圧の向きと圧電体膜の変位の向きが直交している横効果を利用した圧電体デバイスであった。そこで本発明は、圧電効果の縦効果を利用した小型で高感度の圧電体デバイスを提供することを課題とする。
　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上に積層して支持された圧電体膜と、上記圧電体膜の一部を挟むように互いに離間して設けられた第１の電極と第２の電極とを備え、上記第１の電極と上記第２の電極は、上記圧電体膜を上記圧電体膜の厚さ方向に貫通して上記キャビティ上に配置され、上記第１の電極および上記第２の電極の間に電圧が印加され、上記電圧の印加方向に分極する圧電体膜の上記電圧の印加方向の変位から入力信号が出力信号に変換される構成とされている。
　本発明の圧電体デバイスによれば、圧電効果の縦効果を利用する構成としているため、圧電体膜の変位が大きく、小型で高感度の圧電体デバイスを提供することが可能となる。
本発明の一実施形態である圧電体デバイス（実施形態１）の平面模式図である。 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）の断面模式図である。 本発明のまた別の実施形態である圧電体デバイス（実施形態３）の平面模式図である。 図４の圧電体デバイスのＢ－Ｂ線における断面模式図である。 本発明のさらに別の実施形態である圧電体デバイス（実施形態４）の断面模式図である。 本発明のまたさらに別の実施形態である圧電体デバイス（実施形態５）の平面模式図である。 図７の圧電体デバイスのＣ－Ｃ線における断面模式図である。
［圧電体デバイス］
　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、小型化を実現するキャビティを備えた圧電体デバイスにおいて、圧電効果の縦効果（ｄ３３モード）を利用して入力信号により圧電体膜を変位させ、その変位から出力信号に変換する構成としている。このため、従来の横効果を利用した圧電体デバイスと比較して、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できる。その結果、小型でかつ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四角形のキャビティ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平板形状で、表面（基板と反対側の面）および裏面（基板側の面）を有している。圧電体膜３の裏面は、絶縁膜２を介して基板１に接合し、基板１のキャビティ４が形成されていない厚い部分により支持されている。３ａは圧電体膜３の電極５ａと５ｂに挟まれた間の部分の圧電体膜で、変位が生じる圧電体膜となる。なお、図２に示す例では、キャビティ４が形成される領域に、基板１の一部が残る形状とされている。これは、超音波帯域の送受信を実現する場合、圧電体膜３ａの厚さを薄くする必要があり、圧電体膜３ａの破損等を防止しながら、変位の妨げとならない程度の厚さとなるように基板１の一部が残されているものである。絶縁膜２も同様に、変位の妨げとならない程度の厚さとされている。
　圧電体膜３には、その圧電体膜３の表面から裏面側（厚さ方向）に貫通し、圧電体膜３の延在方向で圧電体膜３の一部を挟むように互いに離間して略平行に対向する一対の電極５ａと５ｂ（一方が第１の電極に相当し、他方が第２の電極に相当する）が設けられている。この一対の電極５ａと５ｂはそれぞれキャビティ４上であって、キャビティ４の互いに対向する周縁（圧電体膜３と基板１のキャビティ４が形成されていない部分との接合部のキャビティ４側端の近傍）に配置されている。
　このように配置することで、図示しない電圧印加手段により電極５ａおよび５ｂの間に電圧を印加すると、この電極５ａと５ｂの間の圧電体膜３ａは電圧の印加方向（圧電体膜３の表面に平行な方向）に分極する。
　本実施形態の圧電体デバイス１００を送信装置として用いる場合、電極５ａおよび５ｂの間に所定の周波数で電圧（入力信号に相当）を印加することで、圧電体膜３ａが分極方向と平行な方向に伸張するように変位する。この変位により圧電体膜３ａが振動し、圧電体膜３ａから出力信号（例えば超音波信号などの送信信号）が放射される。
　また本実施形態の圧電体デバイス１００を受信装置として用いる場合、電極５ａおよび５ｂの間に所定の電圧を印加して圧電体膜３ａを分極させた状態で圧電体膜３ａが振動（入力信号）することで、圧電体膜３ａが分極方向と平行な方向に伸張するように変位する。この変位に伴う電圧の変動は、電極５ａおよび５ｂの間から出力信号（受信信号）として得ることができる。
　圧電体膜３の厚さ、大きさ、一対の電極５ａと５ｂの間の間隔を適宜設定することや、一対の電極５ａおよび５ｂの間に印加される電圧の印加方向を適宜設定することにより、所望の周波数の変位（振動）から入出力信号の送受信が可能となる。
　このように本実施形態の圧電体デバイス１００は、圧電効果の縦効果の変位を利用した構成となっており、従来の圧電体デバイスのような横効果を利用した変位より大きな変位を得ることができ、換言すれば一定の変位に対してより大きな出力信号を得ることができ、圧電体デバイスの小型化と高感度化を実現す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１および２では、電極５ａと、電極５ｂと、圧電体膜３のうち電極５ａと５ｂの間の部分の圧電体膜３ａとを含む圧電ユニットが１個設けられた圧電体デバイスについて説明したが、通常は複数の圧電ユニットを並べて使用することになる。本実施形態２は、複数の圧電ユニットを含む圧電体デバイスに関し、その例として、図１および２に示す構成と同様の圧電ユニットを２個含む圧電体デバイスの一例を図３に示す。
　図３は、単一のキャビティ４上に圧電ユニット６を２個配置した圧電体デバイス２００の断面模式図であり、２個の圧電ユニット６はキャビティ４の中心から略左右対称に配置されている。図３に示す圧電体デバイス２００の構成は、キャビティ４の大きさおよびキャビティ４上の圧電体膜３の構成を除き、図１および２に示す実施形態１の圧電体デバイス１００と同様であるため、それらの説明は省略する。
　キャビティ４は、その上に２個の圧電ユニット６を配置できるように図１に比べて左右に拡大して設けられている。圧電体膜３には、その表面から裏面側（厚さ方向）に貫通し、圧電体膜３の延在方向で圧電体膜３の一部を挟むように互いに離間して略平行に対向する一対の電極５ａおよび５ｂが左右対称に２組設けられ、それぞれ電極５ａと５ｂの間の圧電体膜３ａと共に圧電ユニット６を構成している。圧電ユニット６は、圧電ユニット間の圧電体膜３ｂを間にキャビティ４の互いに対向する周縁（圧電体膜３と基板１のキャビティ４が形成されていない部分との接合部のキャビティ４側端の近傍）上の位置に、それぞれ電極５ａを外側にして配置されている。
　このように配置された各圧電ユニット６について、図示しない電圧印加手段から電極５ａおよび５ｂの間に電圧を印加すると、電極５ａと５ｂの間の２つの圧電体膜３ａは、電圧の印加方向（圧電体膜３の表面に平行な方向であって、相互に逆方向）に分極する。
　本実施形態の圧電体デバイス２００を送信装置として用いる場合、電極５ａおよび５ｂの間に所定の周波数で電圧（入力信号に相当）を印加することで、２つの圧電体膜３ａが分極方向と平行する方向であって相互に逆方向に伸張するように変位する。本実施形態の圧電体デバイス２００は、圧電体膜３ａの変位により、圧電ユニット６の間の圧電体膜３ｂも変位することになる。これらの変位により圧電体膜（３ａおよび３ｂ）から出力信号（例えば超音波信号）が放射される。
　また本実施形態の圧電体デバイス２００を受信装置として用いる場合、電極５ａおよび５ｂの間に所定の電圧を印加して圧電体膜３ａを分極させた状態で圧電体膜３ａおよび３ｂが振動（入力信号）することで、圧電体膜３ａが分極方向と平行な方向に伸張するように変位する。この変位に伴う電圧の変動は、電極５ａおよび５ｂの間から出力信号（受信信号）として得ることができる。
　このように単一のキャビティ４上に複数の圧電ユニット６を適宜配置することで、個々の圧電ユニット６の変位が相互に影響して圧電ユニット６間の圧電体膜を変位させることが可能となる。例えばキャビティ４の中心部の圧電体膜をさらに変位させるため、圧電体膜３のキャビティ４の中心部にあたる領域の周囲を取り囲むように複数の圧電ユニットを配置することもできる。
　圧電体膜３の厚さ、各圧電ユニット６の大きさや配置、一対の電極５ａと５ｂの間の間隔を適宜設定することや、一対の電極５ａおよび５ｂの間に印加される電圧の印加方向を適宜設定することにより、所望の周波数の変位（振動）から入出力信号の送受信が可能となる。
　このように本実施形態の圧電体デバイス２００も、圧電効果の縦効果の変位を利用した構成となり、従来の圧電体デバイスのような横効果を利用した変位より大きな変位を得ることができ、換言すれば一定の変位に対してより大きな出力信号を得ることができ、圧電体デバイスの小型化と高感度化を実現することが可能となる。特に本実施形態では、複数の圧電ユニット間の圧電体膜（図３の３ｂなど）の変位によっても入力信号を出力信号に変換することができ、好ましい。
（実施形態３）
　次に本発明の圧電体デバイスの実施形態３について説明する。図４は本発明の圧電体デバイスの実施形態３を説明するための平面模式図を、図５は図４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４および５に示すように、本実施形態の圧電体デバイス３００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平板形状とされている。圧電体膜３の裏面は、絶縁膜２を介して基板１に接合して支持されている。
　圧電体膜３には、一対の電極５ａと５ｂが、その表面から裏面側（厚さ方向）に貫通し、圧電体膜３の一部（圧電体膜３ａ）を挟むように互いに離間して同心円状に配置されている。この一対の電極５ａと５ｂはキャビティ４上に位置する圧電体膜３の周縁（圧電体膜３と基板１のキャビティ４が形成されていない部分との接合部のキャビティ４側端の近傍）に配置されている。本実施形態の圧電体デバイス３００は、電極５ａと、電極５ｂと、圧電体膜３のうち電極５ａと５ｂの間のドーナツ形状の圧電体膜３ａとを含む圧電ユニット６を１個含む圧電体デバイスの一例となる。
　このように配置することで、図示しない電圧印加手段から電極５ａおよび５ｂの間に電圧を印加すると、この電極５ａと５ｂの間の圧電体膜３ａは電圧の印加方向（圧電体膜３の表面に平行な方向）に分極する。
　本実施形態の圧電体デバイス３００を送信装置として用いる場合、電極５ａおよび５ｂの間に所定の周波数で電圧（入力信号に相当）を印加することで、圧電体膜３ａが分極方向と平行な方向に伸張するように変位する。本実施形態では、圧電体膜３ａの変位により、圧電体膜３ａ等で構成される圧電ユニット６に囲まれた圧電体膜３ｂが変位する。これらの変位により圧電体膜３ａおよび３ｂから出力信号（例えば超音波信号）が放射される。
　また本実施形態の圧電体デバイス３００を受信装置として用いる場合、電極５ａおよび５ｂの間に所定の電圧を印加して圧電体膜３ａを分極させた状態で圧電体膜３ａおよび３ｂが振動（入力信号）することで、圧電体膜３ａおよび３ｂが分極方向と平行な方向に伸張する変位が生じる。この変位に伴う電圧の変動は電極５ａおよび５ｂの間から出力信号（受信信号）として得ることができる。
　圧電体膜３の厚さ、大きさ、一対の電極５ａと５ｂの間の間隔を適宜設定することや、一対の電極５ａおよび５ｂの間に印加される電圧の印加方向を適宜設定することにより、所望の周波数の変位（振動）から入出力信号の送受信が可能となる。
　このように本実施形態の圧電体デバイス３００も、圧電効果の縦効果の変位を利用した構成となり、従来の圧電体デバイスのような横効果を利用した変位より大きな変位を得ることができ、換言すれば一定の変位に対してより大きな出力信号を得ることができ、圧電体デバイスの小型化と高感度化を実現することが可能となる。特に本実施形態では、圧電ユニット６に取り囲まれた圧電体膜３ｂの変位によっても入力信号を出力信号に変換することができ、好ましい。
（実施形態４）
　次に本発明の圧電体デバイスの実施形態４について説明する。図６は本発明の圧電体デバイスの実施形態４を説明するための断面模式図である。本実施形態の圧電体デバイス４００は、基板１上に絶縁膜２ａを介して圧電体膜３Ａが積層形成されている。さらに圧電体膜３Ａ上に絶縁膜２ｂを介して圧電体膜３Ｂ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四角形のキャビティ４が形成されている。圧電体膜３Ａおよび３Ｂは所定の周波数で振動可能な厚さの平板形状とされている。圧電体膜３Ａの裏面は、絶縁膜２ａを介して基板１に接合して支持されている。
　圧電体膜３Ａには、その圧電体膜３Ａの表面から裏面側（厚さ方向）に貫通し、圧電体膜３Ａの延在方向で圧電体膜３Ａの一部を挟むように互いに離間して略平行に対向する一対の電極５ａと５ｂが設けられている。また圧電体膜３Ｂにも、その圧電体膜３Ｂの表面から裏面側（厚さ方向）に貫通し、圧電体膜３Ｂの延在方向で圧電体膜３Ｂの一部を挟むように互いに離間して略平行に対向する一対の電極５ｃと５ｄが、一対の電極５ａと５ｂと重なるように設けられている。これらの電極５ａと５ｃおよび５ｂと５ｄはそれぞれキャビティ４上であって、キャビティ４の互いに対向する周縁（圧電体膜３Ａと基板１のキャビティ４が形成されていない部分との接合部のキャビティ４側端の近傍）に配置されている。本実施形態の圧電体デバイス４００では、圧電体膜の一部を挟むように互いに離間して設けられた一対の電極を有する圧電体膜が少なくとも２層積層された構造としている点で上記実施形態１の圧電体デバイス１００と相違する。図６では２層構造について説明しているが、圧電体膜は２層に限定されるものではなく、同様の構成の圧電体膜が３層以上積層されていてもよい。
　このように配置することで、図示しない電圧印加手段から電極５ａおよび５ｂの間に電圧を印加すると、この電極５ａと５ｂの間の圧電体膜３ａ１が電圧の印加方向（圧電体膜３Ａの表面に平行な方向）に分極する。また電極５ｃおよび５ｄの間に圧電体膜３ａ１に対する電圧の印加方向と逆向きの電圧を印加すると、この電極５ｃと５ｄの間の圧電体膜３ａ２が電圧の印加方向に分極する。
　本実施形態の圧電体デバイス４００を送信装置として用いる場合、電極５ａおよび５ｂの間に所定の周波数で電圧を印加することで、圧電体膜３ａ１が分極方向と平行な方向に伸張するように変位する。このとき、電極５ｃおよび５ｄの間に上記の所定の周波数に同期した逆向きの電圧を印加することで、圧電体膜３ａ２が分極方向と平行な方向に収縮するように変位する。すなわち、圧電体膜３ａ１と圧電体膜３ａ２は、電極５ａ～５ｄに電圧（入力信号に相当）が印加されると、一方が伸張するとき他方は収縮する変位となる。このような変位により圧電体膜３ａ１および３ａ２から出力信号（例えば超音波信号）が放射される。
　また本実施形態の圧電体デバイス４００を受信装置として用いる場合、電極５ａと５ｂの間の圧電体膜３ａ１と、電極５ｃと５ｄの間の圧電体膜３ａ２とを相互に逆方向に分極させる所定の電圧を印加した状態で、圧電体膜３ａ１および３ａ２が振動（入力信号）することで圧電体膜３ａ１および３ａ２が分極方向と平行な方向にそれぞれ交互に伸張する変位が生じる。この変位に伴う電圧の変動は、電極５ａおよび５ｂの間から、または電極５ｃおよび５ｄの間からの少なくともいずれか一方から出力信号（受信信号）として得ることができる。
　圧電体膜３Ａおよび３Ｂの厚さ、大きさ、一対の電極５ａと５ｂの間の間隔、一対の電極５ｃと５ｄの間の間隔を適宜設定することや、一対の電極５ａおよび５ｂの間、ならびに一対の電極５ｃおよび５ｄの間に印加される電圧の印加方法を適宜設定することで、所望の周波数の変位（振動）から入出力信号の送受信が可能となる。
　このように本実施形態の圧電体デバイス４００も、圧電効果の縦効果の変位を利用した構成となり、従来の圧電体デバイスのような横効果を利用した変位より大きな変位を得ることができ、換言すれば一定の変位に対してより大きな出力信号を得ることができ、圧電体デバイスの小型化と高感度化を実現することが可能となる。
　なお、本実施形態の圧電体膜を多層構造とする構成は、図３に示す実施形態２の圧電体デバイス２００、図４および５に示す実施形態３の圧電体デバイス３００についても適用可能である。特にこれらの実施形態では、いずれも圧電ユニット６の間の圧電体膜３ｂの変位を大きくする効果が期待される。
（実施形態５）
　次に本発明の圧電体デバイスの実施形態５について説明する。上述の実施形態１～４は、圧電体膜３の端部がすべて基板１に接合している場合について説明したが、本実施形態では、圧電体膜３の一端が自由端となっているカンチレバー型の圧電体デバイスについて説明する。
　図７は本発明の圧電体デバイスの実施形態５を説明するための平面模式図を、図８は図７の圧電体デバイスのＣ－Ｃ線における断面模式図をそれぞれ示している。図７および８に示すように、本実施形態の圧電体デバイス５００は、基板１上に絶縁膜２ｃを介して圧電体膜３Ｃが積層形成されている。さらに圧電体膜３Ｃ上に絶縁膜２ｄを介して圧電体膜３Ｄ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四角形のキャビティ４が形成されている。さらに圧電体膜３Ｃおよび３Ｄはキャビティ４上に位置する領域が３辺にスリット７を設けることによって区画され、圧電体膜３Ｃおよび３Ｄは所定の周波数で振動可能な厚さの平板形状とされている。圧電体膜３Ｃおよび３Ｄのスリット７により区画された部分は、スリット７が設けられていない一辺により基板１上に絶縁膜２ｃを介して接合して支持されている。
　圧電体膜３Ｃには、その圧電体膜３Ｃの表面から裏面側（厚さ方向）に貫通し、圧電体膜３Ｃの延在方向で圧電体膜３Ｃの一部を挟むように互いに離間して略平行に対向する一対の電極５ｅと５ｆが設けられている。また圧電体膜３Ｄにも、その圧電体膜３Ｄの表面から裏面側（厚さ方向）に貫通し、圧電体膜３Ｄの延在方向で圧電体膜３Ｄの一部を挟むように互いに離間して略平行に対向する一対の電極５ｇと５ｈが、一対の電極５ｅと５ｆと重なるように設けられている。これらの電極５ｅ～５ｈはそれぞれキャビティ４上であって、キャビティ４の互いに対向する周縁（圧電体膜３Ｃと基板１のキャビティ４が形成されていない部分との接合部のキャビティ４側端の近傍）に配置されている。
　このように配置することで、図示しない電圧印加手段から電極５ｅおよび５ｆの間に電圧を印加すると、この電極５ｅと５ｆの間の圧電体膜３ａ３が電圧の印加方向（圧電体膜３Ｃの表面に平行な方向）に分極する。また電極５ｇおよび５ｈの間に圧電体膜３ａ３に対する電圧の印加方向と逆向きの電圧を印加すると、この電極５ｇと５ｈの間の圧電体膜３ａ４が電圧の印加方向に分極する。
　本実施形態の圧電体デバイス５００を送信装置として用いる場合、電極５ｅおよび５ｆの間に所定の周波数で電圧を印加することで、圧電体膜３ａ３が分極方向と平行な方向に伸張するように変位する。このとき、電極５ｇおよび５ｈの間に上記の所定の周波数に同期した逆向きの電圧を印加することで、圧電体膜３ａ４が分極方向と平行な方向に収縮するように変位する。すなわち、圧電体膜３ａ３と圧電体膜３ａ４は、電極５ｅ～５ｈに電圧（入力信号に相当）が印加されると、一方が伸張するとき他方は収縮する変位となる。このような変位により圧電体膜３Ｃおよび３Ｄの自由端が比較的大きな変位となり、圧電体膜３Ｃおよび３Ｄから出力信号（例えば超音波信号）が放射される。
　また本実施形態の圧電体デバイス５００を受信装置として用いる場合、電極５ｅと５ｆの間の圧電体膜３ａ３と、電極５ｇと５ｈの間の圧電体膜３ａ４とを相互に逆方向に分極させる所定の電圧を印加した状態で、圧電体膜３Ｃおよび３Ｄの自由端が振動（入力信号）することで圧電体膜３ａ３および３ａ４が分極方向と平行な方向にそれぞれ交互に伸張する変位が生じる。この変位に伴う電圧の変動は、電極５ｅおよび５ｆの間から、または電極５ｇおよび５ｈの間からの少なくともいずれか一方から出力信号（受信信号）として得ることができる。
　圧電体膜３Ｃおよび３Ｄの厚さ、大きさ、一対の電極５ｅと５ｆの間の間隔、一対の電極５ｇと５ｈの間の間隔を適宜設定することや、一対の電極５ｅおよび５ｆの間、ならびに一対の電極５ｃおよび５ｄの間に印加される電圧の印加方法を適宜設定することで、所望の周波数の変位（振動）の送受信が可能となる。
　なお、本実施形態では圧電体膜を多層構造として説明したが、例えば絶縁膜２ｄおよび圧電体膜３Ｄのない圧電体膜３Ｃのみの単層構造であっても同様である。
　このように本実施形態の圧電体デバイス５００も、圧電効果の縦効果の変位を利用した構成となり、従来の圧電体デバイスのような横効果を利用した変位より大きな変位を得ることができ、換言すれば一定の変位に対してより大きな出力信号を得ることができ、圧電体デバイスの小型化と高感度化を実現することが可能となる。特に本実施形態では、圧電体膜３Ｃおよび３Ｄのキャビティ４上に位置する領域は、その３辺に設けられたスリットにより一端が自由端となっているため、自由端の変位が大きく、圧電体膜３ａ３および３ａ４の大きな変位を得ることができ、あるいは変位に伴う大きな出力信号を得ることが可能で、より小型化と高感度化を実現することが可能となる。換言すれば、小さな信号の入力を受信可能となる。
［圧電体モジュール］
　次に本発明の圧電体モジュールの実施形態について説明する。本発明の圧電体モジュールは、上述した本発明の圧電体デバイスを複数備えるものであり、各圧電体デバイスは、第１の電極および第２の電極の間に電圧が印加されることで、それぞれ異なる周波数で変位する圧電体膜を有することを特徴とする。上述した本発明の圧電体デバイスでは、圧電体膜の厚さや電極間の寸法等が決まれば、発振周波数（共振周波数）が決まる。そこで、発振周波数（共振周波数）の帯域を広くするため、圧電体膜の変位の周波数が異なる圧電体デバイスを組み合わせてモジュール化することにより、広帯域化を図ることが可能となる。
　例えば上述したように、本発明の実施形態１または３の圧電体デバイス（１００、３００）では、圧電体膜３の厚さ、大きさ、一対の電極５ａと５ｂの間の間隔を適宜設定することや、一対の電極５ａおよび５ｂの間に印加される電圧の印加方向を適宜設定することにより、所望の周波数の変位（振動）から入力信号の送受信が可能となる。また、本発明の実施形態２の圧電体デバイス２００では、さらに各圧電ユニット６の大きさや配置を適宜設定することによっても、所望の周波数の変位（振動）から入出力信号の送受信が可能となる。そして、本発明の実施形態４の圧電体デバイス４００では、各圧電体膜（３Ａ、３Ｂ）の厚さ、大きさ、各一対の電極（５ａと５ｂ、５ｃと５ｄ）について電極間の間隔などを適宜設定することや、各一対の電極間に印加される電圧の印加方向を適宜設定することにより、所望の周波数の変位（振動）から入出力信号の送受信が可能となる。なお、本発明の実施形態５の圧電体デバイス５００については、圧電体膜が単層の場合、実施形態１の圧電体デバイスと同様となり、圧電体膜が多層の場合、実施形態４の圧電体デバイスと同様となる。
　このようにして得られるそれぞれ所望の周波数で変位（振動）する圧電体デバイスについて、異なる周波数で変位（振動）する複数の圧電体デバイスを組み合わせることによって、広帯域の入出力信号の送受信が可能な圧電体モジュールとすることができる。
　圧電体モジュールを構成するために組み合わせる圧電体デバイスについては、異なる周波数で変位（振動）するものであれば特に限定されるものではなく、各実施形態に係る圧電体デバイス間で組み合わせてもよく、１つの実施形態に係る圧電体デバイスを複数組み合わせてもよい。
　以上本発明の圧電体デバイスおよび圧電体モジュール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、超音波の送信装置あるいは受信装置に限定されるものではない。
（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上に積層して支持された圧電体膜と、上記圧電体膜の一部を挟むように互いに離間して設けられた第１の電極と第２の電極とを備え、上記第１の電極と上記第２の電極は、上記圧電体膜を上記圧電体膜の厚さ方向に貫通して上記キャビティ上に配置され、上記第１の電極および上記第２の電極の間に電圧が印加され、上記電圧の印加方向に分極する圧電体膜の上記電圧の印加方向の変位から入力信号が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、圧電効果の縦効果を利用しているため、横効果を利用した場合と比較して圧電体膜の変位が大きく、あるいは変位に伴う大きな出力信号を得ることができ、圧電体デバイスの小型化と高感度化を実現することができる。
（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の電極と上記第２の電極は、同心円状に配置され、上記圧電体膜のうち上記第１の電極と上記第２の電極の間のドーナツ形状の上記圧電体膜の上記変位から入力信号が出力信号に変換される。
（３）また別の実施形態によれば、上記（１）の圧電体デバイスが、上記キャビティ上に、上記第１の電極と、上記第２の電極と、上記圧電体膜のうち上記第１の電極と上記第２の電極の間の部分とを含む圧電ユニットを複数備え、上記複数の圧電ユニットにおける上記圧電体膜の上記変位と、上記複数の圧電ユニット間の部分における上記圧電体膜の変位から入力信号が出力信号に変換される。
（４）さらに別の実施形態によれば、上記（２）の圧電体デバイスにおいて、上記ドーナツ形状の上記圧電体膜の上記変位と、上記第１の電極と上記第２の電極と上記ドーナツ形状の上記圧電体膜とを含む圧電ユニットに囲まれた円形の上記圧電体膜の変位から入力信号が出力信号に変換される。
（５）さらに別の実施形態によれば、上記（１）～（４）のいずれかの圧電体デバイスにおいて、上記第１の電極と、上記第２の電極と、上記圧電体膜のうち上記第１の電極と上記第２の電極の間の部分とを有する上記圧電体膜が基板上に少なくとも２層、絶縁膜を挟んで積層され、上記絶縁膜の上層の上記圧電体膜の上記変位、上記絶縁膜の下層の上記圧電体膜の上記変位の少なくともいずれか一方の変位から入力信号が出力信号に変換される。
（６）本発明の圧電体モジュールの一実施形態は、上記（１）～（４）のいずれかに記載の圧電体デバイスを複数備え、各圧電体デバイスは、上記第１の電極および上記第２の電極の間に電圧が印加されることで、それぞれ異なる周波数で変位する上記圧電体膜を有する。
（７）本発明の圧電体モジュールの別の実施形態によれば、上記（５）に記載の圧電体デバイスを複数備え、各圧電体デバイスは、上記第１の電極および上記第２の電極の間に電圧が印加されることで、それぞれ異なる周波数で変位する上記圧電体膜を有する。
　　１００～５００　　圧電体デバイス
　　１　　基板
　　２、２ａ～２ｄ　　絶縁膜
　　３、３ａ、３ｂ、３ａ１～３ａ４、３Ａ～３Ｄ　　圧電体膜
　　４　　キャビティ
　　５ａ～５ｈ　　電極
　　６　　圧電ユニット
　　７　　スリット

Claims (7)

  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上に積層して支持された圧電体膜と、
    前記圧電体膜の一部を挟むように互いに離間して設けられた第１の電極と第２の電極とを備え、
    前記第１の電極と前記第２の電極は、前記圧電体膜を前記圧電体膜の厚さ方向に貫通して前記キャビティ上に配置され、
    前記第１の電極および前記第２の電極の間に電圧が印加され、前記電圧の印加方向に分極する圧電体膜の前記電圧の印加方向の変位から入力信号が出力信号に変換される、
    圧電体デバイス。
  2. 前記第１の電極と前記第２の電極は、同心円状に配置され、
    前記圧電体膜のうち前記第１の電極と前記第２の電極の間のドーナツ形状の前記圧電体膜の前記変位から入力信号が出力信号に変換される、
    請求項１記載の圧電体デバイス。
  3. 前記圧電体デバイスが、前記キャビティ上に、前記第１の電極と、前記第２の電極と、前記圧電体膜のうち前記第１の電極と前記第２の電極の間の部分とを含む圧電ユニットを複数備え、
    前記複数の圧電ユニットにおける前記圧電体膜の前記変位と、前記複数の圧電ユニット間の部分における前記圧電体膜の変位から入力信号が出力信号に変換される、
    請求項１記載の圧電体デバイス。
  4. 前記ドーナツ形状の前記圧電体膜の前記変位と、前記第１の電極と前記第２の電極と前記ドーナツ形状の前記圧電体膜とを含む圧電ユニットに囲まれた円形の前記圧電体膜の変位から入力信号が出力信号に変換される、
    請求項２記載の圧電体デバイス。
  5. 前記第１の電極と、前記第２の電極と、前記圧電体膜のうち前記第１の電極と前記第２の電極の間の部分とを有する前記圧電体膜が基板上に少なくとも２層、絶縁膜を挟んで積層され、
    前記絶縁膜の上層の前記圧電体膜の前記変位、前記絶縁膜の下層の前記圧電体膜の前記変位の少なくともいずれか一方の変位から入力信号が出力信号に変換される、
    請求項１～４のいずれか１項に記載の圧電体デバイス。
  6. 請求項１～４のいずれか１項に記載の圧電体デバイスを複数備え、
    各圧電体デバイスは、前記第１の電極および前記第２の電極の間に電圧が印加されることで、それぞれ異なる周波数で変位する前記圧電体膜を有する、
    圧電体モジュール。
  7. 請求項５記載の圧電体デバイスを複数備え、
    各圧電体デバイスは、前記第１の電極および前記第２の電極の間に電圧が印加されることで、それぞれ異なる周波数で変位する前記圧電体膜を有する、
    圧電体モジュール。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006147840A (ja) * 2004-11-19 2006-06-08 Ngk Insulators Ltd 圧電／電歪デバイス
JP2012204352A (ja) * 2011-03-23 2012-10-22 Konica Minolta Holdings Inc 薄膜圧電体デバイス
JP2013135793A (ja) 2011-12-28 2013-07-11 Panasonic Corp 超音波プローブおよび超音波検査装置
WO2020074075A1 (en) * 2018-10-10 2020-04-16 Joanneum Research Forschungsgesellschaft Mbh Piezoelectric sensor

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006147840A (ja) * 2004-11-19 2006-06-08 Ngk Insulators Ltd 圧電／電歪デバイス
JP2012204352A (ja) * 2011-03-23 2012-10-22 Konica Minolta Holdings Inc 薄膜圧電体デバイス
JP2013135793A (ja) 2011-12-28 2013-07-11 Panasonic Corp 超音波プローブおよび超音波検査装置
WO2020074075A1 (en) * 2018-10-10 2020-04-16 Joanneum Research Forschungsgesellschaft Mbh Piezoelectric sensor

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