WO2020136994A1 - 圧電トランスデューサ - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a piezoelectric transducer.
- Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2016-536155
- Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2017-22576
- Patent Document 3 International Publication No. 2013/042316
- the moving element is connected to the mechanical support by at least one bending portion associated with at least one piezoelectric member.
- the piezoelectric member acts so as to be deformed by the electric field applied to the piezoelectric member. As a result, the bent portion to which the piezoelectric member is connected bends.
- the piezoelectric transducer described in Patent Document 2 includes a base material, a piezoelectric thin film, an upper electrode, and a lower electrode.
- the base material has a cavity.
- the piezoelectric thin film is supported by the base material and has a movable film portion facing the cavity.
- a slit is formed in the movable film portion.
- the slit partitions the plurality of cantilevers and the weight portion into the movable film portion.
- the plurality of cantilevers are arranged rotationally symmetrically with respect to a predetermined center of symmetry.
- the weight portion is commonly coupled to the tip portions of the plurality of cantilevers, and has the center of gravity at the center of symmetry.
- the upper electrode is arranged on one surface of the piezoelectric thin film.
- the lower electrode is arranged on the other surface of the piezoelectric thin film.
- the vibrating section has a vibrating plate, a piezoelectric element, a plurality of beams, and a fixed section.
- the piezoelectric element is formed on at least one of the upper surface and the lower surface of the diaphragm.
- the plurality of beams are provided on at least a part of the outer circumference of the diaphragm.
- the fixed portion is provided outside the plurality of beams. Each of the plurality of beams is spirally formed in a diagonal direction from the diaphragm to the fixed portion.
- the present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a piezoelectric transducer that has improved input/output characteristics in the piezoelectric transducer that inputs and outputs via air vibration.
- the piezoelectric transducer includes a base portion and a membrane portion.
- the membrane part is indirectly supported by the base part and is located above the base part.
- the membrane part does not overlap the base part.
- the membrane part includes a plate part, a plurality of beam parts, and a base end part.
- the plate-shaped portion has an outer peripheral side surface that extends in an annular shape when viewed in the vertical direction.
- Each of the plurality of beam portions is connected to the outer peripheral side surface of the plate-shaped portion and extends away from the plate-shaped portion.
- the plurality of beam portions are arranged at equal intervals in the circumferential direction of the outer peripheral side surface.
- the base end portion is connected to the end portion on the opposite side to the plate-shaped portion side of each of the plurality of beam portions when viewed from the up-down direction, and is arranged concentrically with the plate-shaped portion and has an annular shape. is there.
- At least one of the plate-shaped portion and the plurality of beam portions has a piezoelectric layer, an upper electrode layer, and a lower electrode layer.
- the upper electrode layer is arranged above the piezoelectric layer.
- the lower electrode layer is arranged so as to face at least a part of the upper electrode layer with the piezoelectric layer interposed therebetween.
- each of the plurality of beam portions When viewed in the up-down direction, each of the plurality of beam portions has the same outer shape from the plate-shaped portion side to the base end portion side, and at least a part of the outer shape is curved.
- a slit extending along the extending direction of the beam portions located on both sides is provided between the beam portions adjacent to each other in the circumferential direction of the plurality of beam portions.
- FIG. 2 is a cross-sectional view of the piezoelectric transducer shown in FIG. 1 as seen from the direction of arrows II-II. It is a perspective view which shows the structure of the piezoelectric transducer which concerns on one Embodiment of this invention, omitting illustration of some members.
- FIG. 4 is a cross-sectional view of the piezoelectric transducer shown in FIG. 3, as seen from the direction of arrows IV-IV.
- FIG. 3 is a partially enlarged plan view of the piezoelectric transducer according to the embodiment of the present invention when viewed from above.
- FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state in which a lower electrode layer, a lower wiring layer, and a lower electrode pad are provided on the upper surface of an insulating layer in the method for manufacturing a piezoelectric transducer according to the embodiment of the present invention.
- FIG. 5 is a cross-sectional view showing a state in which a piezoelectric layer is provided on upper surfaces of a lower electrode layer, a lower wiring layer, a lower electrode pad, and an insulating layer in the method for manufacturing a piezoelectric transducer according to the embodiment of the present invention.
- FIG. 5 is a cross-sectional view showing a state in which a piezoelectric layer is provided on upper surfaces of a lower electrode layer, a lower wiring layer, a lower electrode pad, and an insulating layer in the method for manufacturing a piezoelectric transducer according to the embodiment of the present invention.
- FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state in which an upper electrode layer, an upper wiring layer, and an upper electrode pad are provided on the upper surface of the piezoelectric layer in the method for manufacturing a piezoelectric transducer according to the embodiment of the present invention.
- FIG. 6 is a diagram showing a state in which slits are formed in each of the piezoelectric layer and the insulating layer in the method of manufacturing the piezoelectric transducer according to the embodiment of the present invention.
- FIG. 6 is a diagram showing a state in which slits are formed in the support layer in the method of manufacturing the piezoelectric transducer according to the embodiment of the present invention.
- FIG. 6 is a diagram showing a state in which a recess is formed in the lower base portion in the method of manufacturing the piezoelectric transducer according to the embodiment of the present invention.
- FIG. 8 is a plan view of a piezoelectric transducer according to a first modified example of the embodiment of the present invention viewed from above.
- FIG. 11 is a plan view of a piezoelectric transducer according to a second modified example of the embodiment of the present invention viewed from above. It is the top view which looked at the piezoelectric transducer concerning the 3rd modification of one embodiment of the present invention from the upper part.
- FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a piezoelectric transducer according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a cross-sectional view of the piezoelectric transducer shown in FIG. 1 as seen in the direction of arrows II-II. Note that, in FIG. 1, a section line in a direction of an arrow II-II is indicated by a two-dot chain line.
- a piezoelectric transducer 100 includes a base 110 and a membrane 120.
- the base 110 includes a lower base 111 and an upper base 112.
- the upper base 112 is stacked on the lower base 111.
- a recess 130 is formed in the lower base 111.
- the lower base 111 is made of Si.
- the upper base 112 is made of SiO 2 . Note that, in FIG. 1, the lower base portion 111 and the upper base portion 112 are not shown.
- the membrane part 120 is located above the base part 110.
- the membrane part 120 has a virtual outer peripheral edge 120s.
- the base 110 when viewed from above and below, has an inner peripheral side surface 110s.
- the inner peripheral side surface 110s of the base portion 110 is located immediately below the virtual outer peripheral edge 120s of the membrane portion 120. For this reason, the membrane part 120 does not overlap the base part 110 when viewed from the top and bottom.
- the membrane part 120 is composed of a laminated body described later. When viewed from above and below, the laminate extends from the membrane portion 120 to the outer peripheral side. The extending portion of the laminated body is arranged on the upper surface of the base 110. In this way, the membrane part 120 is indirectly supported by the base part 110.
- FIG. 3 is a perspective view showing the configuration of the piezoelectric transducer according to the embodiment of the present invention, with some of the members omitted.
- FIG. 4 is a cross-sectional view of the piezoelectric transducer shown in FIG. 3 as seen from the direction of arrows IV-IV. Note that, in FIG. 3, a section line in a direction of an arrow IV-IV line is indicated by a two-dot chain line.
- the membrane portion 120 includes a plate portion 121, a plurality of beam portions 122, and a base end portion 123. Further, as shown in FIG. 3, the membrane part 120 has a virtual circular outer shape when viewed from the up and down direction.
- the plate-like portion 121 has an outer peripheral side surface 121s that extends in an annular shape when viewed from above and below.
- the outer peripheral side surface 121s extends in an annular shape when viewed from above and below.
- the plate-shaped portion 121 is displaced in the vertical direction during driving. The operation of the piezoelectric transducer 100 during driving will be described later.
- Each of the plurality of beam portions 122 is connected to the outer peripheral side surface 121 s of the plate-shaped portion 121 and extends away from the plate-shaped portion 121.
- the plurality of beam portions 122 are arranged at equal intervals in the circumferential direction of the outer peripheral side surface 121s.
- the base end portion 123 is connected to the end portion on the side opposite to the plate-shaped portion 121 side of each of the plurality of beam portions 122 when viewed in the vertical direction, and is arranged concentrically with the plate-shaped portion 121. ..
- the base end portion 123 has an annular shape when viewed from above and below. As shown in FIG. 4, in the present embodiment, the base end portion 123 is located inside the inner peripheral side surface 110s when viewed in the vertical direction.
- each of the plurality of beam portions 122 has the same outer shape from the plate-shaped portion 121 side to the base end portion 123 side, and at least one of the outer shapes.
- the part is curved.
- each of the plurality of beam portions 122 has the same outer shape so as to be point-symmetric with respect to the center O of the plate-shaped portion 121.
- the outer shapes of the plurality of beam portions 122 do not have to be exactly point-symmetric with respect to each other.
- each of the plurality of beam portions 122 when viewed in the vertical direction, is curved with a constant curvature over the entire length from the end portion on the plate-shaped portion 121 side to the end portion on the base end portion 123 side. doing. Further, when the piezoelectric transducer 100 according to the present embodiment is viewed from above, each of the plurality of beam portions 122 is convexly curved to one side in the circumferential direction of the outer peripheral side surface 121s of the plate-shaped portion 121. That is, in the present embodiment, each of the plurality of beam portions 122 is curved so as to turn right when viewed from the base end portion 123 side.
- the curved aspect of the plurality of beam portions 122 in the present embodiment is not limited to the above. A modified example in which the outer shapes of the plurality of beam portions 122 are changed will be described later.
- a slit 124 that extends along the extending direction of the beam portions 122 located on both sides is provided between the beam portions 122 that are adjacent to each other in the circumferential direction of the plurality of beam portions 122.
- the slit 124 extends from the outer peripheral side surface 121 s of the plate-shaped portion 121 to the base end portion 123.
- the slits 124 extend while maintaining a constant spacing. As will be described later, as long as the displacements of the beam portions 122 on both sides during driving are substantially equal to each other, the slits 124 do not have to maintain a strictly constant interval.
- the slit 124 is curved with a constant curvature over the entire length from the outer peripheral side surface 121 s of the plate-shaped portion 121 to the base end portion 123.
- the plurality of beam portions 122 of the plurality of beam portions 122 are controlled so as to suppress the difference in radial displacement of the outer peripheral side surfaces 121s between the beam portions adjacent to each other via the slit 124 during driving.
- the outer shape of each is determined.
- FIG. 5 is a partially enlarged plan view of the piezoelectric transducer according to the embodiment of the present invention when viewed from above.
- each of the plurality of beam portions 122 extends in the extending direction Ep at a portion 122p located at the center between the base end portion 123 and the plate-like portion 121 in the radial direction.
- each of the plurality of beam portions 122 extends in the extending direction Eq in the portion 122q on the plate-shaped portion 121 side.
- each of the plurality of beam portions 122 has a portion 122q closer to the plate-shaped portion 121 than a portion 122p located in the center between the base end portion 123 and the plate-shaped portion 121 in the radial direction. Is directed in the radial direction of the outer peripheral side surface 121s of the plate-like portion 121. Specifically, a portion 122p located in the center between the base end portion 123 and the plate-like portion 121 in the radial direction and a center O of the plate-like portion 121 are connected to each other and a virtual straight line Rp extending in the radial direction.
- the angle formed by the virtual straight line Rq connecting the centers O to each other and extending in the radial direction and the extending direction Eq at the portion 122q on the plate-like portion 121 side is small.
- each of the plurality of beam portions 122 when viewed in the vertical direction, includes the base end portion 123 and the plate-shaped portion 121 in the radial direction of the outer peripheral side surface 121 s of the plate-shaped portion 121.
- the portion 122q on the plate-shaped portion 121 side is oriented in the radial direction more than the portion 122p located in the center of the space.
- At least one of the plate-like portion 121 and the plurality of beam portions 122 has a piezoelectric layer 101, an upper electrode layer 102, and a lower electrode layer 103.
- the plate-shaped portion 121 has the piezoelectric layer 101, the upper electrode layer 102, and the lower electrode layer 103.
- the piezoelectric layer 101 is arranged on the entire plate-shaped portion 121 when viewed from the up and down direction.
- the piezoelectric layer 101 may be made of a polycrystalline material or a single crystal material.
- the piezoelectric layer 101 is made of a lead zirconate titanate (PZT)-based piezoelectric material, aluminum nitride (AlN), lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ), or the like.
- PZT lead zirconate titanate
- the upper electrode layer 102 is arranged above the piezoelectric layer 101. As shown in FIG. 1, when viewed from above and below, the upper electrode layer 102 has a circular outer shape and is arranged so as to be concentric with the plate portion 121.
- the upper electrode layer 102 is made of a conductive material such as Pt.
- An adhesion layer made of Ti or the like may be arranged between the upper electrode layer 102 and the piezoelectric layer 101.
- the lower electrode layer 103 is arranged so as to face at least a part of the upper electrode layer 102 with the piezoelectric layer 101 interposed therebetween.
- the lower electrode layer 103 has a circular outer shape and is arranged so as to be concentric with the plate-like portion 121.
- the radius of the lower electrode layer 103 may be larger than, smaller than, or the same as the radius of the upper electrode layer 102.
- the lower electrode layer 103 is made of a conductive material such as Pt.
- An adhesion layer made of Ti or the like may be arranged between the lower electrode layer 103 and the piezoelectric layer 101.
- the plate-shaped portion 121 further includes an insulating layer 104 and a support layer 105.
- the insulating layer 104 is arranged below each of the piezoelectric layer 101 and the lower electrode layer 103.
- the material forming the insulating layer 104 is not particularly limited as long as it has an insulating property.
- the insulating layer 104 is made of SiO 2 .
- the support layer 105 is arranged on the lowermost side of the plate-like portion 121.
- the support layer 105 is made of Si.
- At least a part of the plurality of beam portions 122 includes an upper wiring layer 102x extending from the upper electrode layer 102 and a lower electrode layer. At least one of the lower wiring layers 103 x extended from 103 is provided.
- each of the upper wiring layer 102x and the lower wiring layer 103x is arranged point-symmetrically with respect to the center O.
- each of all the plurality of beam portions 122 has the upper wiring layer 102x or the lower wiring layer 103x.
- each of the upper wiring layer 102x and the lower wiring layer 103x is arranged on the plurality of beam portions 122 so as to be staggered in the circumferential direction of the outer peripheral side surface 121s of the plate-shaped portion 121.
- the upper wiring layer 102x extends along the beam portion 122. As shown in FIGS. 1 and 3, the upper wiring layer 102x is arranged so as to further extend from the beam portion 122 toward the base end portion 123 side.
- the upper wiring layer 102x extending along each of some of the beam portions 122 of the plurality of beam portions 122 is an upper portion that extends along the circumferential direction of the base end portion 123 outside the base end portion 123. It is connected to the wiring layer 102y.
- the upper wiring layer 102y extending in the circumferential direction is connected to the upper electrode pad 102z arranged further outside in the circumferential direction than the upper wiring layer 102y.
- the lower wiring layer 103x extends along the beam portion 122. As shown in FIGS. 1 and 3, the lower wiring layer 103x is arranged so as to further extend from the beam portion 122 toward the base end portion 123 side.
- the lower wiring layer 103x extending along each of the some beam portions 122 of the plurality of beam portions 122 is a lower portion that extends along the circumferential direction of the base end portion 123 outside the base end portion 123. It is connected to the wiring layer 103y.
- the lower wiring layer 103y extending in the circumferential direction is connected to the lower electrode pad 103z arranged on the outer peripheral side of the lower wiring layer 103y.
- the lower electrode pad 103z is not exposed on the surface, but it may be exposed on the surface for connecting with an external electrode.
- each of the plurality of beam portions 122 further includes a piezoelectric layer 101, an insulating layer 104, and a support layer 105.
- the portion forming the beam portion 122 is continuous with the portion forming the plate-like portion 121.
- the upper wiring layer 102x is arranged above the piezoelectric layer 101.
- the lower wiring layer 103x is arranged below the piezoelectric layer 101.
- the upper wiring layer 102x and the lower wiring layer 103x are arranged so as not to face each other in the vertical direction.
- the base end portion 123 has the piezoelectric layer 101, the upper wiring layer 102x, the lower wiring layer 103x, the insulating layer 104, and the support layer 105. In these layers, the portion forming the base end portion 123 is continuous with the portion forming the beam portion 122.
- the laminated body including the piezoelectric layer 101, the upper wiring layer 102x, the lower wiring layer 103x, the insulating layer 104, and the support layer 105 has a base end portion 123. It extends further to the outer peripheral side and is supported by the base 110.
- the operation of the piezoelectric transducer 100 according to the present embodiment during driving will be described.
- a voltage is applied to each of the upper electrode pad 102z and the lower electrode pad 103z.
- a voltage is applied to each of the upper electrode layer 102 and the lower electrode layer 103 through each of the upper wiring layers 102x and 102y and the lower wiring layers 103x and 103y.
- a voltage is applied to the piezoelectric layer 101 in the plate-like portion located between the upper electrode layer 102 and the lower electrode layer 103.
- the plate-like portion 121 having the piezoelectric layer 101 constrained by the upper electrode layer 102, the lower electrode layer 103, and the insulating layer 104 flexurally vibrates in the vertical direction.
- the piezoelectric transducer 100 is driven.
- FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state in which a lower electrode layer, a lower wiring layer, and a lower electrode pad are provided on the upper surface of an insulating layer in the method for manufacturing a piezoelectric transducer according to the embodiment of the present invention.
- the lower electrode layer 103, the lower wiring layers 103x and 103y, and the lower electrode pad 103z are provided on the upper surface of the insulating layer 104 by a lift-off method, a plating method, an etching method, or the like.
- the lower electrode pad 103z is not shown in FIG.
- the laminate having the lower base 111, the upper base 112 and the support layer 105 is prepared in advance as a so-called SOI (Silicon on Insulator) substrate.
- the insulating layer 104 is provided on the upper surface of the support layer 105 of the SOI substrate by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, a PVD (Physical Vapor Deposition) method, or the like.
- FIG. 7 is a cross-sectional view showing a state in which a piezoelectric layer is provided on upper surfaces of a lower electrode layer, a lower wiring layer, a lower electrode pad, and an insulating layer in a method of manufacturing a piezoelectric transducer according to an embodiment of the present invention.
- a piezoelectric (Chemical Vapor Deposition) method or a PVD (Physical Vapor Deposition) method is used to form a piezoelectric layer on the upper surface of the lower electrode layer 103, the lower wiring layers 103x and 103y, the lower electrode pad 103z, and the insulating layer 104.
- the body layer 101 is provided.
- the lower electrode pad 103z is not shown in FIG.
- the lower electrode layer 103, the lower wiring layers 103x and 103y, the lower electrode pad 103z, the insulating layer 104, and the piezoelectric layer 101 are different from the above-described steps. May be laminated.
- a piezoelectric single crystal substrate prepared separately from the SOI substrate is formed by a lift-off method, a plating method, an etching method, or the like. Then, the lower wiring layers 103x and 103y and the lower electrode pad 103z are laminated.
- An insulating layer 104 is laminated on the lower surface of each of the piezoelectric single crystal substrate, the lower wiring layers 103x and 103y, and the lower electrode pad 103z by the CVD method or the PVD method.
- the lower surface of the insulating layer 104 is flattened by chemical mechanical polishing (CMP) or the like, and then bonded to the upper surface of the support layer 105. Then, the upper surface of the piezoelectric single crystal substrate is ground by CMP or the like, and the piezoelectric single crystal substrate is adjusted to a desired thickness, whereby the piezoelectric layer 101 is formed.
- CMP chemical mechanical polishing
- FIG. 8 is a cross-sectional view showing a state in which an upper electrode layer, an upper wiring layer, and an upper electrode pad are provided on the upper surface of the piezoelectric layer in the method for manufacturing a piezoelectric transducer according to the embodiment of the present invention.
- the upper electrode layer 102, the upper wiring layers 102x and 102y, and the upper electrode pad 102z are provided on the upper surface of the piezoelectric layer 101 by a lift-off method, a plating method, an etching method, or the like.
- FIG. 9 is a diagram showing a state in which slits are formed in each of the piezoelectric layer and the insulating layer in the method of manufacturing the piezoelectric transducer according to the embodiment of the present invention.
- the piezoelectric layer 101 and the insulating layer 104 are patterned by a lift-off method or an etching method.
- the slits 124 are formed in each of the piezoelectric layer 101 and the insulating layer 104.
- FIG. 10 is a diagram showing a state in which a slit is formed in the support layer in the method of manufacturing the piezoelectric transducer according to the embodiment of the present invention.
- each of the support layers 105 is patterned by a lift-off method or an etching method.
- the slits 124 are formed in the support layer 105.
- FIG. 11 is a diagram showing a state in which a recess is formed in the lower base portion in the method of manufacturing the piezoelectric transducer according to the embodiment of the present invention.
- Deep RIE deep reactive ion etching
- the recess 130 is formed in the upper base 112 by performing reactive ion etching from the lower surface of the upper base 112 to the upper base 112. Through these steps, the membrane part 120 in this embodiment is formed, and the piezoelectric transducer 100 according to one embodiment of the present invention as shown in FIG. 2 is manufactured.
- the plurality of beam portions 122 are arranged at equal intervals in the circumferential direction of the outer peripheral side surface 121s. Further, when viewed in the vertical direction, each of the plurality of beam portions 122 has the same outer shape with respect to the center O of the plate-shaped portion 121 from the plate-shaped portion 121 side to the base end portion 123 side, and At least part of which is curved. Between the beam portions 122 adjacent to each other in the circumferential direction of the plurality of beam portions 122, slits 124 extending along the extending direction of the beam portions 122 located on both sides are provided.
- the piezoelectric transducer 100 when the piezoelectric transducer 100 is driven, the displacement amounts of the beam portions 122 adjacent to each other in the circumferential direction among the plurality of beam portions 122 become substantially equal to each other. That is, when viewed from the circumferential direction of the outer peripheral side surface 121s of the plate-like portion 121, the gap between the beam portions 122 adjacent to each other does not widen. Therefore, when the piezoelectric transducer 100 is driven, it is possible to prevent air from leaking from between the beam portions 122 adjacent to each other, and it is possible to improve the input/output characteristics of the piezoelectric transducer 100.
- the slits 124 between the beam portions 122 adjacent to each other extend along the extending direction of the beam portions 122 located on both sides, a gap between the beam portions 122 adjacent to each other is created. Since it is possible to suppress the generation of a large portion, it is possible to suppress air from leaking from the gap between the beam portions 122 adjacent to each other. Therefore, in the piezoelectric transducer 100 which inputs and outputs via air vibration, the input/output characteristics of the piezoelectric transducer 100 can be improved.
- the plate-shaped portion 121 has the piezoelectric layer 101, the upper electrode layer 102, and the lower electrode layer 103. At least a part of the plurality of beam portions 122 has at least one of the upper wiring layer 102x extending from the upper electrode layer 102 and the lower wiring layer 103x extending from the lower electrode layer 103.
- the electrodes only on the plate-like portion 121 and drive the electrodes without disposing the electrodes on each of the plurality of beam portions 122, so that the conversion efficiency between the electric and mechanical of the piezoelectric transducer 100 is improved. Can be made.
- the upper wiring layer 102x and the lower wiring layer 103x are arranged point-symmetrically with respect to the center O.
- the symmetry of the membrane part 120 is improved when viewed from above and below, and when the piezoelectric transducer 100 is driven, the displacement amount of a part of the plate-shaped part 121 is suppressed from being different from other parts. Therefore, it is possible to maintain the symmetry of vibration of the plate-like portion 121 and improve the conversion efficiency between the electric and mechanical of the piezoelectric transducer 100.
- the beam portion 122 having the upper wiring layer 102x and the beam portion 122 having the lower wiring layer 103x are different from each other.
- the base 110 has the inner peripheral side surface 110s when viewed from above and below.
- the base end portion 123 is located inside the inner peripheral side surface 110s when viewed in the vertical direction.
- the length of each of the plurality of beam portions 122 can be maintained, so that the vibration symmetry of the plate-like portion 121 is maintained.
- the electrical-mechanical conversion efficiency of the piezoelectric transducer 100 can be improved.
- each of the plurality of beam portions 122 when viewed from above and below, includes the base end portion 123 and the plate portion 121 in the radial direction of the outer peripheral side surface 121s of the plate portion 121.
- the portion 122q on the plate-like portion 121 side faces the radial direction more than the portion 122p located at the center of the space.
- the gap between the beam portions 122 adjacent to each other in the circumferential direction of the outer peripheral side surface becomes large in the portion 122q on the plate-shaped portion 121 side where the distance from the base end portion 123 is long and the displacement amount is large. Can be suppressed.
- the expansion of the gap between the beam portions 122 adjacent to each other in the circumferential direction of the outer peripheral side surface is located in the center between the base end portion 123 and the plate-like portion 121 in the radial direction. It is possible to improve the input/output characteristics of the piezoelectric transducer 100 by suppressing more in the section from the plate portion 121 to the plate portion 121.
- the outer shape of each of the plurality of beam portions 122 when viewed in the vertical direction is not limited to the above.
- modified examples of the outer shape of each of the plurality of beam portions 122 will be described.
- FIG. 12 is a plan view of a piezoelectric transducer according to a first modified example of the embodiment of the present invention viewed from above.
- each of the plurality of beam portions 122a has an outer peripheral side surface of the plate-shaped portion 121 when viewed from the up and down direction. It is convexly curved to the other side in the circumferential direction of 121s. That is, in the present modification, each of the plurality of beam portions 122a is curved so as to turn left when viewed from the base end portion 123 side.
- FIG. 13 is a plan view of a piezoelectric transducer according to a second modified example of the embodiment of the present invention viewed from above.
- each of the plurality of beam portions 122b is a portion on the side of the plate-like portion 121 when viewed in the vertical direction. Is convexly curved to the other side in the circumferential direction of the outer peripheral side surface 121s, and the portion on the base end 123 side is convexly curved to one side in the circumferential direction of the outer peripheral side surface 121s.
- the end portion on the base end portion 123 side is curved so as to turn right and has a plate shape.
- the end on the part 121 side is curved so as to turn left.
- the stress concentrated on each of the portions can be relaxed, and the durability of the plurality of beam portions 122b can be improved.
- FIG. 14 is a plan view of a piezoelectric transducer according to a third modified example of the embodiment of the present invention viewed from above.
- each of the plurality of beam portions 122c has a plate-like portion 121 side portion in the circumferential direction of the outer peripheral side surface 121s. It is convexly curved to the other side, and the portion on the base end 123 side is convexly curved to one side in the circumferential direction of the outer peripheral side surface 121s.
- the radius of curvature of each curved portion of the plurality of beam portions 122c according to the third modification is smaller than the radius of curvature of each curved portion of the plurality of beam portions 122b according to the second modification.
- the connection portion between the beam portion 122c and the plate-shaped portion 121 and the connection portion between the beam portion 122c and the base end portion 123 are the plate-shaped portion.
- the outer peripheral side surfaces 121 of 121 are aligned in the radial direction. Accordingly, when the piezoelectric transducer 100c is driven, the symmetry of vibration of the plate-shaped portion 121 can be maintained, and the conversion efficiency between the electric and mechanical of the piezoelectric transducer 100c can be improved.
- each of the plurality of beam portions 122a to 122c is a plate.
- the outer shape has the same outer shape from the shape portion 121 side to the base end portion 123 side, and at least a part of the outer shape is curved.
- between the beam portions 122a to 122c that are adjacent to each other in the circumferential direction of the outer peripheral side surface extend along the extending direction of the beam portions 122a to 122c located on both sides.
- a slit 124 is provided.
- 100, 100a, 100b, 100c piezoelectric transducer 101 piezoelectric layer, 102 upper electrode layer, 102x, 102y upper wiring layer, 102z upper electrode pad, 103 lower electrode layer, 103x, 103y lower wiring layer, 103z lower electrode pad, 104 Insulating layer, 105 support layer, 110 base, 110s inner peripheral side, 111 lower base, 112 upper base, 120 membrane part, 120s virtual outer peripheral edge, 121 plate part, 121s outer peripheral side, 122, 122a, 122b, 122c beam Part, 122p base end side part, 122q plate-shaped part side part, 123 base end part, 124 slit, 130 recess, Ep, Eq extension direction, O center, Rp, Rq virtual straight line.
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Abstract
複数の梁部(122)の各々は、板状部(121)の外周側面(122s)に接続され、かつ、板状部(121)から離れるように延在している。複数の梁部(122)は、外周側面(121s)の周方向において等間隔に並んでいる。基端部(123)は、上下方向から見たときに、複数の梁部(122)の各々の板状部(121)側とは反対側の端部に接続され、板状部(121)と同心円状に配置されており、円環状である。上下方向から見たときに、複数の梁部(122)の各々は、板状部(121)側から基端部(123)側にかけて互いに同一の外形を有し、かつ、外形の少なくとも一部が湾曲している。複数の梁部(122)のうちの上記周方向において互いに隣接する梁部(122)同士の間には、両側に位置する梁部(122)の延在方向に沿って延在するスリット(124)が設けられている。
Description
本発明は、圧電トランスデューサに関する。
圧電トランスデューサの構成を開示した先行文献として、特表2016-536155号公報(特許文献1)、特開2017-22576号公報(特許文献2)および国際公開第2013/042316号(特許文献3)がある。
特許文献1に記載された圧電トランスデューサにおいては、移動エレメントは、少なくとも一つの圧電部材に関連する少なくとも一つの屈曲部によって機械的サポートに接続されている。圧電部材は、圧電部材に印加された電場によって変形するように作用する。これにより、圧電部材が接続されている屈曲部がたわむ。
特許文献2に記載された圧電トランスデューサは、基材と、圧電薄膜と、上部電極と、下部電極とを備えている。基材は、空洞を有している。圧電薄膜は、基材に支持され、空洞に対向する可動膜部を有している。可動膜部には、スリットが形成されている。スリットは、複数のカンチレバーと、錘部とを、可動膜部に区画している。複数のカンチレバーは、所定の対称中心に対して回転対称に配置されている。錘部は、複数のカンチレバーの先端部に共通に結合され、対称中心に重心を有している。上部電極は、圧電薄膜の一方表面に配置されている。下部電極は、圧電薄膜の他方表面に配置されている。
特許文献3に記載された圧電トランスデューサにおいて、振動部は、振動板と、圧電素子と、複数の梁と、固定部とを有している。圧電素子は、振動板の上面および下面の少なくとも一方に形成されている。複数の梁は、振動板の外周の少なくとも一部に設けられている。固定部は、複数の梁の外側に設けられている。複数の梁の各々は、振動板から固定部まで斜め方向に渦巻状に形成されている。
特許文献1および特許文献2の各々に記載された圧電トランスデューサにおいては、複数の梁部において互いに隣接する梁部同士の固定端と自由端とが隣接して配置されているため、圧電トランスデューサの駆動時に互いに隣接する梁部同士の間の隙間が大きくなる。圧電トランスデューサが空気振動を介して入出力する場合、梁部同士の間の隙間を通じて空気が漏れるため、隣接する梁部同士の間の隙間が大きくなることにより、圧電トランスデューサの入出力特性が低下する。
特許文献3に記載された圧電トランスデューサにおいては、複数の梁部において互いに隣接する梁部同士の間の隙間が大きい箇所があり、圧電トランスデューサが空気振動を介して入出力する場合、隙間が大きい箇所にて空気が漏れるため、圧電トランスデューサの入出力特性が低下する。
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、空気振動を介して入出力する圧電トランスデューサにおいて、入出力特性が向上された圧電トランスデューサを提供することを目的とする。
本発明に基づく圧電トランスデューサは、基部と、メンブレン部とを備えている。メンブレン部は、基部に間接的に支持され、基部より上側に位置している。メンブレン部は、基部に重なっていない。メンブレン部は、板状部と、複数の梁部と、基端部とを含んでいる。板状部は、上下方向から見たときに、環状に延在する外周側面を有している。複数の梁部の各々は、板状部の外周側面に接続され、かつ、板状部から離れるように延在している。複数の梁部は、上記外周側面の周方向において等間隔に並んでいる。基端部は、上下方向から見たときに、複数の梁部の各々の板状部側とは反対側の端部に接続され、板状部と同心円状に配置されており、円環状である。板状部および複数の梁部の少なくとも一方は、圧電体層と、上部電極層と、下部電極層とを有している。上部電極層は、圧電体層の上側に配置されている。下部電極層は、圧電体層を挟んで上部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。上下方向から見たときに、複数の梁部の各々は、板状部側から基端部側にかけて互いに同一の外形を有し、かつ、外形の少なくとも一部が湾曲している。複数の梁部のうちの周方向において互いに隣接する梁部同士の間には、両側に位置する梁部の延在方向に沿って延在するスリットが設けられている。
空気振動を介して入出力する圧電トランスデューサにおいて、入出力特性を向上させることができる。
以下、本発明の一実施形態に係る圧電トランスデューサ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。
図1は、本発明の一実施形態に係る圧電トランスデューサの構成を示した斜視図である。図2は、図1に示した圧電トランスデューサについてII-II線矢印方向から見た断面図である。なお、図1において、II-II線矢印方向における断面の切断線を2点鎖線で示している。
図1および図2に示すように、本発明の一実施形態に係る圧電トランスデューサ100は、基部110と、メンブレン部120とを備えている。
図2に示すように、基部110は、下側基部111と上側基部112とを含んでいる。上側基部112は、下側基部111上に積層されている。下側基部111には、凹部130が形成されている。本実施形態において、下側基部111は、Siで構成されている。上側基部112はSiO2で構成されている。なお、図1においては、下側基部111および上側基部112の各々は図示していない。
図2に示すように、メンブレン部120は、基部110より上側に位置している。メンブレン部120は、仮想外周縁120sを有している。
図2に示すように、上下方向から見たときに、基部110は、内周側面110sを有している。基部110の内周側面110sは、メンブレン部120の仮想外周縁120sの直下に位置する。このため、上下方向から見たときに、メンブレン部120は、基部110に重なっていない。
メンブレン部120は、後述する積層体で構成されている。上下方向から見たときに、上記積層体は、メンブレン部120から外周側に延出している。積層体が延出している部分が、基部110の上面に配置される。このようにして、メンブレン部120は、基部110に間接的に支持されている。
次に、上記積層体を構成する部材のうちの一部について図示を省略した図を用いて、本実施形態におけるメンブレン部120の構成の詳細を説明する。
図3は、本発明の一実施形態に係る圧電トランスデューサの構成を、一部の部材の図示を省略して示す斜視図である。図4は、図3に示した圧電トランスデューサについてIV-IV線矢印方向から見た断面図である。なお、図3において、IV-IV線矢印方向における断面の切断線を2点鎖線の線分で示している。
図3および図4に示すように、メンブレン部120は、板状部121と、複数の梁部122と、基端部123とを含んでいる。また、図3に示すように、メンブレン部120は、上下方向から見たときに、仮想円形形状の外形を有している。
図3に示すように、板状部121は、上下方向から見たときに、環状に延在する外周側面121sを有している。本実施形態においては、上下方向から見たときに、外周側面121sは円環状に延在している。なお、後述するように、駆動時に複数の梁部122の各々の変位量が互いに略同等である限りにおいて、外周側面121sは厳密に円環状に延在していなくてもよい。本実施形態に係る圧電トランスデューサ100においては、駆動時において、板状部121が上下方向に変位する。駆動時における圧電トランスデューサ100の動作は後述する。
複数の梁部122の各々は、板状部121の外周側面121sに接続され、かつ、板状部121から離れるように延在している。複数の梁部122は、外周側面121sの周方向において等間隔に並んでいる。
基端部123は、上下方向から見たときに、複数の梁部122の各々の板状部121側とは反対側の端部に接続され、板状部121と同心円状に配置されている。基端部123は、上下方向から見たときに、円環状である。図4に示すように、本実施形態において、上下方向から見たときに、基端部123は、内周側面110sの内側に位置している。
図3に示すように、上下方向から見たときに、複数の梁部122の各々は、板状部121側から基端部123側にかけて互いに同一の外形を有し、かつ、外形の少なくとも一部が湾曲している。本実施形態においては、複数の梁部122の各々は、板状部121の中心Oに関して点対称となるように互いに同一の外形を有している。なお、後述するように、駆動時に複数の梁部122の各々の変位が互いに略同等である限りにおいて、複数の梁部122の各々の外形は互いに厳密に点対称となっていなくてもよい。
本実施形態においては、上下方向から見たときに、複数の梁部122の各々は、板状部121側の端部から基端部123側の端部までの全長にわたって、一定の曲率で湾曲している。また、本実施形態に係る圧電トランスデューサ100を上側から見たときに、複数の梁部122の各々は、板状部121の外周側面121sの周方向の一方側に凸状に湾曲している。すなわち、本実施形態においては、複数の梁部122の各々は、基端部123側から見たときに、右旋回するように湾曲している。なお、本実施形態における複数の梁部122の湾曲の態様は上記に限定されない。複数の梁部122の外形を変更した変形例については、後述する。
複数の梁部122のうちの上記周方向において互いに隣接する梁部122同士の間には、両側に位置する梁部122の延在方向に沿って延在するスリット124が設けられている。本実施形態においては、スリット124は、板状部121の外周側面121sから基端部123にかけて延在している。本実施形態においては、スリット124は一定の間隔を維持しつつ延在している。なお、後述するように、駆動時に両側の梁部122の各々の変位が互いに略同等である限りにおいて、スリット124は厳密に一定の間隔を維持していなくてもよい。スリット124は、板状部121の外周側面121sから基端部123までの全長にわたって、一定の曲率で湾曲している。
本実施形態に係る圧電トランスデューサ100においては、駆動時においてこのスリット124を介して互いに隣接する梁部同士の外周側面121sの径方向における変位の差が抑制されるように、複数の梁部122の各々の外形が決定されている。
図5は、本発明の一実施形態に係る圧電トランスデューサを上側から見たときの一部拡大平面図である。図5に示すように、複数の梁部122の各々は、上記径方向において基端部123と板状部121との間の中央に位置する部分122pにおいては、延在方向Epに向かって延在している。また、複数の梁部122の各々は、板状部121側の部分122qにおいては、延在方向Eqに向かって延在している。
上下方向から見たときに、複数の梁部122の各々は、上記径方向において基端部123と板状部121との間の中央に位置する部分122pより、板状部121側の部分122qの方が、板状部121の外周側面121sの径方向を向いている。具体的には、上記径方向において基端部123と板状部121との間の中央に位置する部分122pおよび板状部121の中心Oを互いに結び上記径方向に延在する仮想直線Rpと、上記径方向において基端部123と板状部121との間の中央に位置する部分122pでの延在方向Epとのなす角より、板状部121側の部分122qおよび板状部121の中心Oを互いに結び上記径方向に延在する仮想直線Rqと、板状部121側の部分122qでの延在方向Eqとのなす角は、小さくなっている。
このように、本実施形態においては、上下方向から見たときに、複数の梁部122の各々は、板状部121の外周側面121sの径方向において基端部123と板状部121との間の中央に位置する部分122pより、板状部121側の部分122qの方が、上記径方向を向いている。
次に、板状部121および複数の梁部122の各々を構成する積層体について説明する。
図2に示すように、板状部121および複数の梁部122の少なくとも一方は、圧電体層101と、上部電極層102と、下部電極層103とを有している。本実施形態においては、板状部121が、圧電体層101と上部電極層102と下部電極層103とを有している。
圧電体層101は、上下方向から見たときに、板状部121の全体に配置されている。圧電体層101は、多結晶材料で構成されていてもよいし、単結晶材料で構成されていてもよい。圧電体層101は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)系の圧電材料、窒化アルミニウム(AlN)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)またはタンタル酸リチウム(LiTaO3)などで構成されている。
図2に示すように、上部電極層102は、圧電体層101の上側に配置されている。図1に示すように、上下方向から見たときに、上部電極層102は円形形状の外形を有しており、板状部121と同心円状となるように配置されている。
上部電極層102は、Ptなどの導電性を有する材料で構成されている。上部電極層102と圧電体層101との間に、Tiなどで構成された密着層が配置されていてもよい。
図2に示すように、下部電極層103は、圧電体層101を挟んで上部電極層102の少なくとも一部に対向するように配置されている。図1に示すように、下部電極層103は円形形状の外形を有しており、板状部121と同心円状となるように配置されている。上下方向から見たときに、下部電極層103の半径は、上部電極層102の半径より大きくてもよいし、小さくてもよいし、同一であってもよい。
下部電極層103は、Ptなどの導電性を有する材料で構成されている。下部電極層103と圧電体層101との間に、Tiなどで構成された密着層が配置されていてもよい。
図2に示すように、板状部121は、絶縁層104と、支持層105とをさらに備えている。絶縁層104は、圧電体層101および下部電極層103の各々の下側に配置されている。絶縁層104を構成する材料は、絶縁性を有していれば特に限定されない。本実施形態において、絶縁層104はSiO2で構成されている。
支持層105は、板状部121において最も下側に配置されている。本実施形態において、支持層105は、Siで構成されている。
図1および図2に示すように、本実施形態において、複数の梁部122のうち少なくとも一部の梁部122は、上部電極層102から延設された上部配線層102x、および、下部電極層103から延設された下部配線層103xの、少なくとも一方を有している。
図1に示すように、上下方向から見たときに、複数の梁部122において、上部配線層102xおよび下部配線層103xの各々は、中心Oに関して点対称に配置されている。
複数の梁部122において、上部配線層102xを有する梁部122と、下部配線層103xを有する梁部122とは、互いに異なっている。本実施形態においては、全ての複数の梁部122の各々が、上部配線層102xまたは下部配線層103xを有している。上下方向から見たときに、上部配線層102xおよび下部配線層103xの各々が、板状部121の外周側面121sの周方向において互い違いとなるように、複数の梁部122に配置されている。
上部配線層102xは、梁部122に沿って延在している。図1および図3に示すように、上部配線層102xは、梁部122より基端部123側にさらに延出するように配設されている。
複数の梁部122のうち一部の梁部122の各々に沿って延在する上部配線層102xは、基端部123より外側において基端部123の周方向に沿って延在している上部配線層102yに接続されている。
上記周方向に延在する上部配線層102yは、上部配線層102yよりさらに周方向外側に配置された上部電極パッド102zに接続されている。
下部配線層103xは、梁部122に沿って延在している。図1および図3に示すように、下部配線層103xは、梁部122より基端部123側にさらに延出するように配設されている。
複数の梁部122のうち一部の梁部122の各々に沿って延在する下部配線層103xは、基端部123より外側において基端部123の周方向に沿って延在している下部配線層103yに接続されている。
上記周方向に延在する下部配線層103yは、下部配線層103yより外周側に配置された下部電極パッド103zに接続されている。本実施形態において、下部電極パッド103zは表面に露出していないが、外部電極と接続するために表面に露出していてもよい。
図2および図4に示すように、本実施形態においては、複数の梁部122の各々は、さらに、圧電体層101、絶縁層104および支持層105を有している。これらの層において、梁部122を構成している部分は、板状部121を構成している部分と連続している。
複数の梁部122の各々においては、上部配線層102xは、圧電体層101の上側に配置されている。下部配線層103xは、圧電体層101の下側に配置されている。複数の梁部122においては、上部配線層102xと、下部配線層103xとが、上下方向において互いに対向しないように配置されている。
図1から図4に示すように、本実施形態においては、基端部123は、圧電体層101、上部配線層102x、下部配線層103x、絶縁層104および支持層105を有している。これらの層において、基端部123を構成している部分は、梁部122を構成している部分と連続している。
図1から図4に示すように、本実施形態においては、圧電体層101、上部配線層102x、下部配線層103x、絶縁層104および支持層105によって構成される積層体は、基端部123より外周側に延出して、基部110に支持されている。
ここで、本実施形態に係る圧電トランスデューサ100の駆動時の動作について説明する。本実施形態に係る圧電トランスデューサ100の出力時においては、上部電極パッド102zおよび下部電極パッド103zの各々に電圧が印加される。そして、上部配線層102x,102yおよび下部配線層103x,103yの各々を通じて、上部電極層102および下部電極層103の各々に電圧が印加される。結果として、上部電極層102と下部電極層103とに挟まれて位置する板状部の圧電体層101に電圧が印加される。これにより、上部電極層102、下部電極層103および絶縁層104に拘束された圧電体層101を有する板状部121は、上下方向に屈曲振動する。
板状部121が上記のように屈曲すると、板状部121の周囲に配置された複数の梁部122も同じ方向に変形し、板状部121が上下方向に大きく変位して振動する。このようにして、圧電トランスデューサ100が駆動する。
以下、本発明の一実施形態に係る圧電トランスデューサ100の製造方法について説明する。
図6は、本発明の一実施形態に係る圧電トランスデューサの製造方法において、絶縁層の上面に下部電極層、下部配線層および下部電極パッドを設けた状態を示す断面図である。図6に示すように、リフトオフ法、めっき法、または、エッチング法などにより、絶縁層104の上面に下部電極層103、下部配線層103x,103yおよび下部電極パッド103zを設ける。図6においては、下部電極パッド103zは図示していない。
なお、本実施形態において、下側基部111、上側基部112および支持層105を有する積層体は、いわゆるSOI(Silicon on Insulator)基板として予め準備される。絶縁層104は、CVD(Chemical Vapor Deposition)法またはPVD(Physical Vapor Deposition)法などにより、SOI基板の支持層105の上面に設けられる。
図7は、本発明の一実施形態に係る圧電トランスデューサの製造方法において、下部電極層、下部配線層、下部電極パッドおよび絶縁層の上面に圧電体層を設けた状態を示す断面図である。図7に示すように、CVD(Chemical Vapor Deposition)法またはPVD(Physical Vapor Deposition)法などにより、下部電極層103、下部配線層103x,103y、下部電極パッド103zおよび絶縁層104の上面に、圧電体層101を設ける。図7においては、下部電極パッド103zは図示していない。
なお、本実施形態に係る圧電トランスデューサ100の製造方法においては、下部電極層103、下部配線層103x,103y、下部電極パッド103z、絶縁層104および圧電体層101は、上述の工程とは異なる工程により積層されてもよい。
上述の工程とは異なる工程によりこれらの層を積層する場合においては、まず、SOI基板とは別途準備された圧電単結晶基板に、リフトオフ法、めっき法、またはエッチング法などにより、圧電単結晶基板に、下部配線層103x,103yおよび下部電極パッド103zの各々を積層する。圧電単結晶基板、下部配線層103x,103yおよび下部電極パッド103zの各々の下面には、CVD法またはPVD法などにより、絶縁層104を積層する。絶縁層104は、下面が化学機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)などによって平坦にされた後、支持層105の上面と接合される。そして、圧電単結晶基板の上面をCMPなどにより削り、圧電単結晶基板を所望の厚さに調整することにより、圧電体層101が形成される。
図8は、本発明の一実施形態に係る圧電トランスデューサの製造方法において、圧電体層の上面に上部電極層、上部配線層および上部電極パッドを設けた状態を示す断面図である。図8に示すように、リフトオフ法、めっき法、または、エッチング法などにより、圧電体層101の上面に、上部電極層102、上部配線層102x,102yおよび上部電極パッド102zを設ける。
図9は、本発明の一実施形態に係る圧電トランスデューサの製造方法において、圧電体層および絶縁層の各々にスリットを形成した状態を示す図である。図9に示すように、リフトオフ法またはエッチング法などにより、圧電体層101および絶縁層104の各々をパターニングする。これにより、圧電体層101および絶縁層104の各々にスリット124が形成される。
図10は、本発明の一実施形態に係る圧電トランスデューサの製造方法において、支持層にスリットを形成した状態を示す図である。図10に示すように、リフトオフ法またはエッチング法などにより、支持層105の各々をパターニングする。これにより、支持層105にスリット124が形成される。
図11は、本発明の一実施形態に係る圧電トランスデューサの製造方法において、下側基部に凹部が形成された状態を示す図である。図11に示すように、下側基部111の下面側から下側基部111に対して深掘反応性イオンエッチング(Deep RIE:Deep Reactive Ion Etching)をすることにより、下側基部111において凹部130が形成される。
さらに、上側基部112の下側面から上側基部112に対して反応性イオンエッチングをすることにより、上側基部112において凹部130が形成される。これらの工程により、本実施形態におけるメンブレン部120が形成され、図2に示すような本発明の一実施形態に係る圧電トランスデューサ100が製造される。
上記のように、本実施形態に係る圧電トランスデューサ100においては、複数の梁部122は、外周側面121sの周方向において等間隔に並んでいる。また、上下方向から見たときに、複数の梁部122の各々は、板状部121の中心Oに関して板状部121側から基端部123側にかけて互いに同一の外形を有し、かつ、外形の少なくとも一部が湾曲している。複数の梁部122のうちの上記周方向において互いに隣接する梁部122同士の間には、両側に位置する梁部122の延在方向に沿って延在するスリット124が設けられている。
これにより、圧電トランスデューサ100を駆動させた際、複数の梁部122の各々のうち上記周方向において互いに隣接する梁部122同士の変位量が互いに略同等となる。すなわち、板状部121の外周側面121sの周方向から見たときに、互いに隣接する梁部122同士の間の隙間が広がらない。このため、圧電トランスデューサ100の駆動時に、互いに隣接する梁部122同士の間から空気が漏れることが抑制され、圧電トランスデューサ100の入出力特性を向上させることができる。
さらには、互いに隣接する梁部122同士の間のスリット124が両側に位置する梁部122の延在方向に沿って延在していることにより、互いに隣接する梁部122同士の間の隙間が大きな部分が生じることを抑制できるため、互いに隣接する梁部122同士の間の隙間から空気が漏れることを抑制できる。このため、空気振動を介して入出力する圧電トランスデューサ100において、圧電トランスデューサ100の入出力特性を向上させることができる。
本実施形態に係る圧電トランスデューサ100においては、板状部121が、圧電体層101と上部電極層102と下部電極層103とを有している。複数の梁部122のうち少なくとも一部の梁部122は、上部電極層102から延設された上部配線層102x、および、下部電極層103から延設された下部配線層103xの、少なくとも一方を有している。
これにより、複数の梁部122の各々には電極を配置させずに、板状部121のみに電極を配置して駆動させることができるため、圧電トランスデューサ100の電気-機械間の変換効率を向上させることができる。
本実施形態に係る圧電トランスデューサ100においては、上下方向から見たときに、上部配線層102xおよび下部配線層103xの各々は、中心Oに関して点対称に配置されている。
これにより、上下方向から見たときに、メンブレン部120の対称性が向上し、圧電トランスデューサ100の駆動時において、板状部121の一部分の変位量が他の部分と比較して異なることを抑制することができ、板状部121の振動の対称性を維持して、圧電トランスデューサ100の電気-機械間の変換効率を向上させることができる。
本実施形態に係る圧電トランスデューサ100においては、複数の梁部122において、上部配線層102xを有する梁部122と、下部配線層103xを有する梁部122とは、互いに異なっている。
これにより、梁部122において圧電体層に電圧が印加されることがないため、梁部122に不要な寄生容量が発生することを抑制することができる。
本実施形態に係る圧電トランスデューサ100においては、上下方向から見たときに、基部110は、内周側面110sを有している。上下方向から見たときに、基端部123は、内周側面110sの内側に位置している。
これにより、基部110に凹部130を形成する際にアライメント誤差が生じた場合においても、複数の梁部122の各々の長さを維持できるため、板状部121の振動の対称性を維持して、圧電トランスデューサ100の電気-機械間の変換効率を向上させることができる。
本実施形態に係る圧電トランスデューサ100においては、上下方向から見たときに、複数の梁部122の各々は、板状部121の外周側面121sの径方向において基端部123と板状部121との間の中央に位置する部分122pより、板状部121側の部分122qの方が、上記径方向を向いている。
これにより、上記外周側面の周方向に互いに隣接する梁部122同士の、基端部123からの距離が長く変位量の大きい板状部121側の部分122qにおける互いの間の隙間が大きくなることを抑制することができる。ひいては、駆動時において、上記外周側面の周方向において互いに隣接する梁部122同士の間の隙間の広がりを、上記径方向において基端部123と板状部121との間の中央に位置する部分から板状部121までの区間においてより抑制して、圧電トランスデューサ100の入出力特性を向上させることができる。
なお、本発明の一実施形態に係る圧電トランスデューサ100において、上下方向から見たときの複数の梁部122の各々の外形は、上記に限られない。以下、複数の梁部122の各々の外形の変形例について説明する。
図12は、本発明の一実施形態の第1変形例に係る圧電トランスデューサを上側から見た平面図である。図12に示すように、本発明の一実施形態の第1変形例に係る圧電トランスデューサ100aにおいては、上下方向から見たときに、複数の梁部122aの各々は、板状部121の外周側面121sの周方向の他方側に凸状に湾曲している。すなわち、本変形例においては、複数の梁部122aの各々は、基端部123側から見たときに、左旋回するように湾曲している。
図13は、本発明の一実施形態の第2変形例に係る圧電トランスデューサを上側から見た平面図である。図13に示すように、本発明の一実施形態の第2変形例に係る圧電トランスデューサ100bにおいては、上下方向から見たときに、複数の梁部122bの各々は、板状部121側の部分が外周側面121sの周方向の他方側に凸状に湾曲しており、基端部123側の部分が外周側面121sの周方向の一方側に凸状に湾曲している。すなわち、本変形例においては、複数の梁部122bの各々を基端部123側から見たときに、基端部123側の端部においては右旋回するように湾曲しており、板状部121側の端部においては左旋回するように湾曲している。
複数の梁部122bがこのように構成されていることにより、複数の梁部122bの各々と板状部121との接続部分、および、複数の梁部122bの各々と基端部123との接続部分の、各々に集中する応力を緩和して、複数の梁部122bの耐久性を向上することができる。
図14は、本発明の一実施形態の第3変形例に係る圧電トランスデューサを上側から見た平面図である。図14に示すように、本発明の一実施形態の第3変形例に係る圧電トランスデューサ100cにおいては、複数の梁部122cの各々は、板状部121側の部分が外周側面121sの周方向の他方側に凸状に湾曲しており、基端部123側の部分が外周側面121sの周方向の一方側に凸状に湾曲している。すなわち、本変形例においては、複数の梁部122cの各々を基端部123側から見たときに、基端部123側の端部においては、右旋回するように湾曲しており、板状部121側の端部においては左旋回するように湾曲している。
第3変形例に係る複数の梁部122cの各々の湾曲している部分の曲率半径は、第2変形例に係る複数の梁部122bの各々の湾曲している部分の曲率半径より小さい。その結果、第3変形例に係る複数の梁部122cの各々においては、梁部122cと板状部121との接続箇所と、梁部122cと基端部123との接続箇所が、板状部121の外周側面121sの径方向に並んでいる。これにより、圧電トランスデューサ100cの駆動時に、板状部121の振動の対称性を維持して、圧電トランスデューサ100cの電気-機械間の変換効率を向上させることができる。
上記のように、本発明の一実施形態の第1変形例、第2変形例および第3変形例に係る圧電トランスデューサ100a~100cのいずれにおいても、複数の梁部122a~122cの各々は、板状部121側から基端部123側にかけて互いに同一の外形を有し、かつ、外形の少なくとも一部が湾曲している。複数の梁部122a~122cの各々における、上記外周側面の周方向において互いに隣接する梁部122a~122c同士の間には、両側に位置する梁部122a~122cの延在方向に沿って延在するスリット124が設けられている。これにより、本発明の一実施形態の第1変形例、第2変形例および第3変形例に係る圧電トランスデューサ100a~100cのいずれにおいても、入出力特性が向上されている。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
100,100a,100b,100c 圧電トランスデューサ、101 圧電体層、102 上部電極層、102x,102y 上部配線層、102z 上部電極パッド、103 下部電極層、103x,103y 下部配線層、103z 下部電極パッド、104 絶縁層、105 支持層、110 基部、110s 内周側面、111 下側基部、112 上側基部、120 メンブレン部、120s 仮想外周縁、121 板状部、121s 外周側面、122,122a,122b,122c 梁部、122p 基端部側の部分、122q 板状部側の部分、123 基端部、124 スリット、130 凹部、Ep,Eq 延在方向、O 中心、Rp,Rq 仮想直線。
Claims (6)
- 基部と、
前記基部に間接的に支持され、前記基部より上側に位置するメンブレン部とを備え、
前記メンブレン部は、前記基部に重なっておらず、かつ、
上下方向から見たときに、環状に延在する外周側面を有する板状部と、
前記板状部の前記外周側面に接続され、かつ、前記板状部から離れるように延在し、前記外周側面の周方向において等間隔に並ぶ複数の梁部と、
上下方向から見たときに、前記複数の梁部の各々の板状部側とは反対側の端部に接続され、前記板状部と同心円状に配置された円環状の基端部とを含み、
前記板状部および前記複数の梁部の少なくとも一方は、圧電体層と、該圧電体層の上側に配置された上部電極層と、前記圧電体層を挟んで前記上部電極層の少なくとも一部に対向するように配置された下部電極層とを有し、
上下方向から見たときに、前記複数の梁部の各々は、前記板状部側から基端部側にかけて互いに同一の外形を有し、かつ、該外形の少なくとも一部が湾曲しており、
前記複数の梁部のうちの前記周方向において互いに隣接する梁部同士の間には、両側に位置する梁部の延在方向に沿って延在するスリットが設けられている、圧電トランスデューサ。 - 前記板状部は、前記圧電体層と前記上部電極層と前記下部電極層とを有し、
前記複数の梁部のうち少なくとも一部の梁部は、前記上部電極層から延設された上部配線層、および、前記下部電極層から延設された下部配線層の、少なくとも一方を有する、請求項1に記載の圧電トランスデューサ。 - 上下方向から見たときに、前記上部配線層および前記下部配線層の各々は、前記板状部の中心に関して点対称に配置されている、請求項2に記載の圧電トランスデューサ。
- 前記複数の梁部において、前記上部配線層を有する梁部と、前記下部配線層を有する梁部とは、互いに異なる、請求項2または請求項3に記載の圧電トランスデューサ。
- 上下方向から見たときに、前記基部は、内周側面を有し、
上下方向から見たときに、前記基端部は、前記内周側面の内側に位置している、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の圧電トランスデューサ。 - 上下方向から見たときに、前記複数の梁部の各々は、前記外周側面の径方向において前記基端部と前記板状部との間の中央に位置する部分より、前記板状部側の部分の方が、前記板状部の前記外周側面の前記径方向を向いている、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の圧電トランスデューサ。
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