(57)【要約】【課題】圧電特性及び耐熱性が高く、かつ、可撓性が良好な圧電フィルム、圧電モジュール及び圧電フィルムの製造方法を提供する。【解決手段】圧電フィルムは、可撓性の基板と、前記基板に設けられて、第一方向に沿って第一寸法の間隔をあけて配置された少なくとも２つ以上の圧電素子と、を備え、前記圧電素子は、前記基板の厚み方向に沿って、第一電極膜、無機材料からなる圧電膜、及び第二電極膜を積層することで構成され、前記基板の、前記第一方向に沿って隣り合う前記圧電素子の間の領域は、前記厚み方向に対して変位可能な振動領域を構成することを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性の基板と、
前記基板に設けられて、第一方向に沿って第一寸法の間隔をあけて配置された少なくとも２つ以上の圧電素子と、を備え、
前記圧電素子は、前記基板の厚み方向に沿って、第一電極膜、無機材料からなる圧電膜、及び第二電極膜を積層することで構成され、
前記基板の、前記第一方向に沿って隣り合う前記圧電素子の間の領域は、前記厚み方向に対して変位可能な振動領域を構成する
ことを特徴とする圧電フィルム。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電フィルムにおいて、
前記基板の前記振動領域の前記第一方向における中心には、前記厚み方向に沿って所定深さ寸法となるスリット溝が、前記第一方向に交差する第二方向に沿って設けられている
ことを特徴とする圧電フィルム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の圧電フィルムにおいて、
前記第一方向に沿って３つ以上の前記圧電素子が前記第一寸法の間隔で配置されている
ことを特徴とする圧電フィルム。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の圧電フィルムにおいて、
前記第一方向に沿って配置される複数の前記圧電素子を素子列として、前記第一方向に交差する第二方向に沿って複数の前記素子列が配置され、
前記第二方向に対してｉ＋１番目に配置される前記素子列の各前記圧電素子は、前記第二方向に沿った投影視において、前記第二方向に対してｉ番目に配置される前記素子列の各前記圧電素子の間に配置された各前記振動領域と重なり合い、
前記第二方向に対してｉ＋２番目に配置される前記素子列の各前記圧電素子は、前記第二方向から見た投影視において、前記第二方向に対してｉ番目に配置される前記素子列の各前記圧電素子と重なり合う
ことを特徴とする圧電フィルム。
【請求項５】
請求項４に記載の圧電フィルムにおいて、
前記第二方向に対してｉ番目の各前記圧電素子と、前記第二方向に対してｉ＋２番目の各前記圧電素子とは、前記第一寸法の間隔をあけて配置されている
ことを特徴とする圧電フィルム。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の圧電フィルムにおいて、
前記基板は、樹脂製の第一基板と、
前記第一基板に積層される酸化膜からなる第二基板と、を備え、
前記圧電素子は、前記第二基板に設けられており、
前記第二基板及び前記圧電素子の前記厚み方向における厚みは５μｍ以下である
ことを特徴とする圧電フィルム。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の圧電フィルムにおいて、
複数の前記圧電素子の前記第一電極膜同士が互いに接続され、
複数の前記圧電素子の前記第二電極膜同士が互いに接続されている
ことを特徴とする圧電フィルム。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の圧電フィルムと、
前記圧電フィルムを制御する制御部と、を備える
ことを特徴とする圧電モジュール。
【請求項９】
請求項８に記載の圧電モジュールにおいて、
前記制御部は、複数の前記圧電素子に対して、同一タイミングで所定の駆動信号を入力する
ことを特徴とする圧電モジュール。
【請求項１０】
可撓性の基板と、前記基板に設けられて、第一方向に沿って第一寸法の間隔をあけて配置された少なくとも２つ以上の圧電素子と、を備えた圧電フィルムの製造方法であって、
第一面及び前記第一面とは反対側の第二面を有する第一基台に、第一電極膜、無機材料からなる圧電膜、及び第二電極膜を積層した前記圧電素子を、前記第一方向に沿って第一寸法の間隔をあけて複数形成する第一工程と、
前記第一基台の前記第一面に、複数の前記圧電素子を覆うレジストを形成する第二工程と、
前記レジストの前記第一基台とは反対側の面に第二基台を接着する第三工程と、
前記第一基台を前記第二面から除去する第四工程と、
前記第四工程で除去した部分に可撓性の基板を形成する第五工程と、
前記レジストを除去して前記第二基台を剥離させる第六工程と、
を実施することを特徴とする圧電フィルムの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電フィルム、圧電モジュール、及び圧電フィルムの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、可撓性（フレキシブル性）を有する圧電材料により構成された圧電フィルムが知られている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１に記載の圧電フィルムは、圧電材料としてＰＶＤＦ（フッ化ビニリデン）を用いている。このような圧電フィルムでは、円柱状の対象物の外周面に圧電フィルムを巻回して装着させ、対象物に対する超音波の送受信を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３０４１９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に記載のようなＰＶＤＦ等の有機圧電材料を用いた圧電フィルムは可撓性に優れているが、ＰＺＴ等のような無機材料により構成された圧電体に比べて圧電特性が低いとの課題がある。例えば、ＰＶＤＦの圧電歪み定数は、ＰＺＴの１／５程度となる。また、有機圧電材料はキュリー点が低く、ＰＺＴが３００℃程度であるのに対して、ＰＶＤＦは５０℃程度であり、使用用途も限られているとの課題がある。
【０００５】
一方、圧電体として無機材料を用いた圧電フィルムにより超音波を出力する場合、従来、圧電膜を厚み方向に振動させる方法（厚み振動）と、ＰＺＴの変位により振動板を変位させる方法（撓み振動）とがあった。
しかしながら、厚み振動は、共振周波数が圧電膜の膜厚で決まり、低周波になるほど膜厚を厚くする必要がある。この場合、低周波の超音波を出力するために圧電膜の厚み寸法を大きくすると、圧電膜の剛性も高くなり、圧電フィルムの可撓性が阻害されるとの課題があった。
また、撓み振動により超音波を出力する場合、振動板のうちの振動させる領域を、剛性を有する支持体で囲んでキャビティを形成する必要がある。よって、支持体が必要とされる構成となるので、圧電フィルムの可撓性が阻害されるとの課題があった。
【０００６】
本発明は、圧電特性及び耐熱性が高く、かつ、可撓性が良好な圧電フィルム、圧電モジュール及び圧電フィルムの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一適用例に係る圧電フィルムは、可撓性の基板と、前記基板に設けられて、第一方向に沿って第一寸法の間隔をあけて配置された少なくとも２つ以上の圧電素子と、を備え、前記圧電素子は、前記基板の厚み方向に沿って、第一電極膜、無機材料からなる圧電膜、及び第二電極膜を積層することで構成され、前記基板の、前記第一方向に沿って隣り合う前記圧電素子の間の領域は、前記厚み方向に対して変位可能な振動領域を構成することを特徴とする。
【０００８】
本適用例では、可撓性の基板上に第一方向に沿って第一寸法の間隔をあけて配置される複数の圧電素子が配置されており、当該圧電素子が、第一電極膜、無機材料からなる圧電膜、及び第二電極膜により構成される。このような圧電フィルムでは、各圧電素子に対して駆動信号を入力すると、圧電素子を節、振動領域を腹として振動を発生させることができ、振動領域の振動によって、超音波を出力することが可能となる。したがって、従来のような支持体が不要であり、周波数に応じて圧電素子の厚み寸法を変更する必要もないので圧電素子の剛性も低くでき、可撓性の良好な圧電フィルムが得られる。
【０００９】
また、本適用例の圧電フィルムは、無機材料の圧電膜を用いているので、有機材料の圧電膜を用いる場合に比べて圧電特性が高く、かつ、キュリー点も高い。したがって、例えば高温の配管内に圧電フィルムから超音波を送信するような場合でも、配管に対して好適に圧電フィルムを巻き付けることが可能となり、かつ、高温状況下でも高い音圧の超音波を配管内に送信することが可能となる。
すなわち、圧電特性及び耐熱性が高く、可撓性にも優れた圧電フィルムを提供できる。
【００１０】
本適用例の圧電フィルムにおいて、前記基板の前記振動領域の前記第一方向における中心には、前記厚み方向に沿って所定深さ寸法となるスリット溝が、前記第一方向に交差する第二方向に沿って設けられていることが好ましい。
【００１１】
上述したように、本適用例の圧電フィルムは、各圧電素子に駆動信号を入力すると、圧電素子を節とし、第一方向に隣り合う圧電素子の間の振動領域を腹とした振動が発生する。本適用例では、振動領域の第一方向における中央に第一方向に交差する第二方向に沿ったスリット溝が設けられているので、振動領域における第一方向に対する振動の振幅を大きくできる。これにより、高い音圧の超音波を出力することが可能となる。
【００１２】
本適用例の圧電フィルムにおいて、前記第一方向に沿って３つ以上の前記圧電素子が前記第一寸法の間隔で配置されていることが好ましい。
本適用例では、３つ以上の圧電素子が第一方向に沿って等間隔で配置される。上述したように、本適用例の圧電フィルムでは、各圧電素子に対して駆動信号を入力すると、隣り合う圧電素子間の振動領域が腹となって振動して超音波を出力する。したがって、３つ以上の圧電素子が等間隔で配置されることで、各振動領域から同一周波数の超音波が出力されることになり、高い音圧の所定周波数の超音波を送信することができる。
【００１３】
本適用例の圧電フィルムにおいて、前記第一方向に沿って配置される複数の前記圧電素子を素子列として、前記第一方向に交差する第二方向に沿って複数の前記素子列が配置され、前記第二方向に対してｉ＋１番目に配置される前記素子列の各前記圧電素子は、前記第二方向に沿った投影視において、前記第二方向に対してｉ番目に配置される前記素子列の各前記圧電素子の間に配置された各前記振動領域と重なり合い、前記第二方向に対してｉ＋２番目に配置される前記素子列の各前記圧電素子は、前記第二方向から見た投影視において、前記第二方向に対してｉ番目に配置される前記素子列の各前記圧電素子と重なり合うことが好ましい。
【００１４】
本適用例では、第一方向及び第二方向に沿って圧電素子が配置される２次元アレイ構造となる。また、第二方向からの投影視で、ｉ＋１番目の各圧電素子が、ｉ番目の各振動領域と重なり合う位置に配置される。つまり、本適用例では、圧電素子が互い違いに（略千鳥構造に）配置される構成となる。このような構成では、圧電素子が２次元アレイ構造に配置された圧電素子アレイによって、振動領域を大きく振動させることができ、高い音圧の超音波を広い範囲に出力することが可能となる。
【００１５】
本適用例の圧電フィルムにおいて、前記第二方向に対してｉ番目の各前記圧電素子と、前記第二方向に対してｉ＋２番目の各前記圧電素子とは、前記第一寸法の間隔をあけて配置されていることが好ましい。
上述のような圧電フィルムにおいて出力される超音波は、振動領域の短軸方向の寸法によって周波数が決定される。本実施形態では、第一方向に沿って配置される各圧電素子間の振動領域の第一方向に沿った寸法と、第二方向に沿って配置される各圧電素子間の振動領域の第二方向に沿った寸法が、同一寸法（第一寸法）となる。したがって、各振動領域から、第一寸法に対応する同じ周波数の超音波が出力されることになり、所定周波数の超音波を高出力で出力できる。
【００１６】
本適用例の圧電フィルムにおいて、前記基板は、樹脂製の第一基板と、前記第一基板に積層される酸化膜からなる第二基板と、を備え、前記圧電素子は、前記第二基板に設けられており、前記第二基板及び前記圧電素子の前記厚み方向における厚みは５μｍ以下であることが好ましい。
本適用例では、基板が樹脂製の第一基板と、酸化膜からなる第二基板とからなり、第二基板と圧電素子との合計厚み寸法が５μｍ以下となる。このような構造では、圧電フィルムがより撓み易くなり、可撓性の更なる向上を図れる。
【００１７】
本適用例の圧電フィルムにおいて、複数の前記圧電素子の前記第一電極膜同士が互いに接続され、複数の前記圧電素子の前記第二電極膜同士が互いに接続されていることが好ましい。
本適用例において、圧電フィルムから超音波を出力する場合、上述したように、各圧電素子に同時に所定の駆動信号を入力して振動領域を振動させる。ここで、本適用例では、各圧電素子の第一電極膜同士がそれぞれ接続されており、第二電極膜同士がそれぞれ接続されている。したがって、各圧電素子のそれぞれの第一電極膜及び第二電極膜に対して信号線を接続する必要がなく、配線構造を簡略化することができる。
【００１８】
本発明に係る一適用例の圧電モジュールは、圧電フィルムと、前記圧電フィルムを制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
本適用例では、上述したように、圧電特性及び耐熱性が高く、可撓性にも優れた圧電フィルムを提供できる。また、制御部により当該圧電フィルムを制御することで、対象物に対して高い音圧で超音波を送信することができる。
【００１９】
本適用例の圧電モジュールにおいて、前記制御部は、複数の前記圧電素子に対して、同一タイミングで所定の駆動信号を入力することが好ましい。
圧電フィルムとして、各圧電素子の第一電極膜、第二電極膜が、それぞれ独立した信号線や端子部を備える構成としてもよく、この場合、制御部から、各端子部に対して同時に同一の駆動信号を入力する。これにより、上述したように、圧電素子を節、振動領域を腹とした振動モードが励起され、所定周波数の超音波を出力することが可能となる。
【００２０】
本発明の一適用例に係る圧電フィルムの製造方法は、可撓性の基板と、前記基板に設けられて、第一方向に沿って第一寸法の間隔をあけて配置された少なくとも２つ以上の圧電素子と、を備えた圧電フィルムの製造方法であって、第一面及び前記第一面とは反対側の第二面を有する第一基台に、第一電極膜、無機材料からなる圧電膜、及び第二電極膜を積層した前記圧電素子を、前記第一方向に沿って第一寸法の間隔をあけて複数形成する第一工程と、前記第一基台の前記第一面に、複数の前記圧電素子を覆うレジストを形成する第二工程と、前記レジストの前記第一基台とは反対側の面に第二基台を接着する第三工程と、前記第一基台を前記第二面から除去する第四工程と、前記第四工程で除去した部分に可撓性の基板を形成する第五工程と、前記レジストを除去して前記第二基台を剥離させる第六工程と、を実施することを特徴とする。
本適用例では、第一工程によって、第一基台上に、第一方向に沿って第一寸法の間隔で配置される圧電素子が形成される。そして、第二工程によりレジストを形成することで、各圧電素子がレジストに保持されることになり、第三工程により第二基台をレジストに接着することで、第四工程で、第一基台が除去された場合でも、第二基台及びレジストによって圧電素子の位置が維持される構成が形成される。そして、第五工程において、第一基台が除去された部分に可撓性の基板を形成することで、当該基板に圧電素子が保持される構成となる。よって、第六工程で、レジストを除去して第二基台を剥離させることで、可撓性の基板上に、第一方向に沿って等間隔で複数の圧電素子が配置される上述したような圧電フィルムを製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係る圧電モジュールの概略構成を示す図。
【図２】本実施形態の圧電フィルムの概略構成を示す平面図。
【図３】図２の圧電フィルムをＡ−Ａ線で切断した際の圧電フィルムの断面図。
【図４】図２の圧電フィルムをＢ−Ｂ線で切断した際の圧電フィルムの断面図。
【図５】図２の圧電フィルムをＣ−Ｃ線で切断した際の圧電フィルムの断面図。
【図６】圧電フィルムの駆動領域内に生じる振動を説明するための圧電フィルムの断面図。
【図７】隣り合う圧電素子間の距離と、振動領域の共振周波数との関係を示す図。
【図８】本実施形態の圧電フィルムの製造方法を示すフローチャート。
【図９】図８のステップＳ１からステップＳ４までの工程の概略を示す図。
【図１０】図８のステップＳ５からステップＳ７までの工程の概略を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係る一実施形態の圧電モジュールについて説明する。
図１は、本実施形態の圧電モジュール１の概略構成を示す図である。
図１に示すように、本実施形態の圧電モジュール１は、圧電フィルム２と、圧電フィルム２の駆動を制御する制御部３とを備えている。
圧電フィルム２は、対象物１０に取り付けて使用されるものであり、対象物１０の形状に合わせて変形可能である。対象物１０が配管等の円筒状の場合、圧電フィルム２を対象物１０に巻装させることが可能となる。そして、制御部３により圧電フィルム２を制御することで、圧電フィルム２から対象物１０に対して超音波を送信することができる。この圧電モジュール１を用いて、超音波の送受信を利用した対象物の内部検査、内部断層像の形成等の各種処理を実施することが可能となる。
【００２３】
［圧電フィルム２の構成］
図２は、圧電モジュール１を構成する圧電フィルム２の概略構成を示す平面図である。図３は、図２の圧電フィルム２をＡ−Ａ線で切断した際の圧電フィルム２の断面図、図４は、図２の圧電フィルム２をＢ−Ｂ線で切断した際の圧電フィルム２の断面図、図５は、圧電フィルム２をＣ−Ｃ線で切断した際の圧電フィルム２の断面図である。なお、図２では、説明の便宜上、圧電素子２２の配置数を減らして表示しているが、実際には、より多くの圧電素子２２が配置されている。
圧電フィルム２は、図２に示すように、可撓性の基板２１と、基板２１上に設けられた圧電素子２２とを備えて構成されている。なお、以降の説明にあたり、基板２１が振動していない状態での基板２１の厚み方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交する方向をＸ方向（第一方向）とし、Ｚ方向に直交し、かつＸ方向に交差（例えば直交）する方向をＹ（第二方向）とする。
基板２１は、第一基板２１１及び第二基板２１２を含んで構成されている。
第一基板２１１は、例えばポリイミド等の樹脂部材により構成された樹脂製の可撓性基板である。
第二基板２１２は、第一基板２１１上に積層され金属酸化膜からなる膜部材である。本実施形態では、第二基板２１２は、第一基板２１１側からＳｉＯ２層２１２Ａ、及びＺｒＯ２層２１２Ｂが積層された積層体により構成されている。
このような基板２１は、可撓性を有し、対象物１０の形状に合わせて湾曲させたり屈曲させたりすることができる。
【００２４】
また、圧電フィルム２は、図２に示すように、Ｚ方向から見た平面視で、圧電フィルム２の中央部に設けられた駆動領域Ａｒ１と、駆動領域Ａｒ１を囲う外周領域Ａｒ２と、を備える。
駆動領域Ａｒ１には、複数の圧電素子２２が２次元アレイ構造に配置されており、制御部３の制御により駆動される領域である。外周領域Ａｒ２は、駆動領域Ａｒ１の外周を囲い、駆動領域Ａｒ１を駆動（振動）させる際の固定端として機能する。また、外周領域Ａｒ２には、駆動領域Ａｒ１を駆動させるための駆動信号が入力される端子部２２１Ａ，２２３Ａが設けられる。
【００２５】
駆動領域Ａｒ１に設けられる圧電素子２２について説明する。
圧電素子２２は、基板２１の第二基板２１２上で、駆動領域Ａｒ１内に複数設けられている。これらの圧電素子２２は、図２に示すように、略千鳥配置で（ジグザグ状に）配置されている。すなわち、圧電素子２２は、Ｘ方向に沿って所定の第一寸法ｗをあけて等間隔で配置されることでＸ方向に沿った素子列２２Ａを構成し、当該素子列２２ＡがＹ方向に複数配置される構成となる。なお、基板２１における、隣り合う圧電素子２２の間の領域は、振動領域２３を構成し、圧電フィルム２を駆動させた際に大きく変位する領域となる。
そして、本実施形態では、Ｙ方向に隣り合う素子列２２Ａの圧電素子２２が、ジグザグに配置されている。言い換えると、圧電フィルム２をＹ方向から見た投影視で、Ｙ方向に対してｉ＋１番目に配置される素子列２２Ａの各圧電素子２２は、ｉ番目に配置される素子列２２Ａの各圧電素子２２と重なり合わず、ｉ番目に配置される素子列２２Ａの振動領域２３と重なり合ってジグザグ（略千鳥形状）となる。また、Ｙ方向に対してｉ＋２番目に配置される素子列２２Ａの各圧電素子２２のＸ方向における配置位置は、ｉ番目に配置される素子列２２Ａの各圧電素子２２のＸ方向における配置位置と同じになる。よって、圧電フィルム２をＹ方向から見た投影視で、Ｙ方向に対してｉ＋２番目に配置される素子列２２Ａの各圧電素子２２は、ｉ番目に配置される素子列２２Ａの各圧電素子２２と重なり合う。
すなわち、本実施形態では、Ｘ方向及びＹ方向のそれぞれの方向において、圧電素子２２と振動領域２３とが交互に配置される２次元アレイ構造となる。
【００２６】
各圧電素子２２の具体的な構成について説明する。
圧電素子２２は、図３及び図４に示すように、第二基板２１２から順に、第一電極膜２２１、圧電膜２２２、及び第二電極膜２２３が積層された積層体により構成されている。
第一電極膜２２１は、導電性素材により構成されている。導電性素材としては、例えばＴｉ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｉｒ、Ｓｒ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ等の金属、又はランタンニッケル酸化物（ＬＮＯ）等に代表される導電性酸化物、これらの材料の１種のみ、又はこれらの２種以上を混合又は積層したものを用いることができる。本実施形態では、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｉｒ、Ｔｉの積層体により第一電極膜２２１が構成されている。
【００２７】
この第一電極膜２２１は、図２から図５に示すように、基板２１の第二基板２１２上で、駆動領域Ａｒ１から外周領域Ａｒ２に亘って、かつ駆動領域Ａｒ１の全域を覆って設けられている。また、図２に示すように、外周領域Ａｒ２に設けられた第一電極膜２２１の一部は、第二基板２１２の外周端まで延設され、端子部２２１Ａを構成する。この端子部２２１Ａは、制御部３に接続され、制御部３から電圧信号が入力される。
よって、各圧電素子２２を構成する第一電極膜２２１は、互いに接続される構成となる。
【００２８】
圧電膜２２２は、無機圧電材料により構成されている。例えば、無機圧電材料として強誘電性セラミックス材料を用いた場合、圧電膜２２２は強誘電性セラミック材料からなるペロブスカイト構造の酸化物の結晶膜（ペロブスカイト型結晶）により構成される。
強誘電性セラミック材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）や、これに酸化ニオブ、酸化ニッケル又は酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの、鉄酸ビスマス、チタン酸バリウム、ニオブ酸カリウムナトリウムを用いることができる。なお、本実施形態では、圧電膜２２２として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いる。
【００２９】
この圧電膜２２２は、駆動領域Ａｒ１内において、上述したような略千鳥構造で２次元アレイ構造に配置される。ここで、駆動領域Ａｒ１内の各圧電膜２２２は、図２に示すように、例えば、Ｘ方向に平行な一対の辺、Ｙ方向に平行な一対の辺を有する略矩形状に形成されている。また、駆動領域Ａｒ１内の圧電膜２２２は、斜め方向に配置された圧電膜２２２と連結される。つまり、Ｙ方向にｉ番目に配置される素子列２２Ａで、Ｘ方向においてｊ番目に配置される圧電素子２２の圧電膜２２２は、Ｙ方向にｉ＋１番目及びｉ−１番目に配置される素子列２２Ａで、Ｘ方向においてｊ−１番目、ｊ＋１番目に配置される圧電素子２２の圧電膜２２２に接続されている。但し、素子列２２Ａの数をｉｍａｘとして、１＜ｉ＜Ｉｍａｘとし、素子列２２Ａに含まれる圧電素子２２の数をｊｍａｘとして、１＜ｊ＜ｊｍａｘとする。
さらに、外周領域Ａｒ２において、圧電膜２２２は、駆動領域Ａｒ１を囲って枠状に形成されている。駆動領域Ａｒ１の最外周（外周領域Ａｒ２との境界）に配置される圧電素子２２の圧電膜２２２は、外周領域Ａｒ２の圧電膜２２２に接続されている。
【００３０】
第二電極膜２２３は、第一電極膜２２１と同様に、導電性材料により形成されており、例えば、Ｔｉ、Ｉｒの積層体により構成されている。
この第二電極膜２２３は、図２に示すように、圧電膜２２２と略同一位置で、圧電膜２２２上に形成されている。このため、第一電極膜２２１と第二電極膜２２３とは、圧電膜２２２を介して絶縁されている。
上述したように、駆動領域Ａｒ１内の圧電膜２２２は、圧電素子２２に対応してそれぞれ形成されており、斜め方向に配置された圧電膜２２２同士が連結されている。したがって、圧電膜２２２上に配置される第二電極膜２２３も、同様に、斜め方向に配置された第二電極膜２２３同士で接続される構成となる。すなわち、各圧電素子２２の第二電極膜２２３は、互いに接続された構成となる。
【００３１】
また、圧電膜２２２及び第二電極膜２２３は、図２に示すように、外周領域Ａｒ２において一部が、第二基板２１２の外周端まで延設されており、端子部２２３Ａを構成する。この端子部２２３Ａは、制御部３に接続され、制御部３から電圧信号が入力される。
【００３２】
また、本実施形態では、第二基板２１２と圧電素子２２との厚み寸法の合計が５μｍ以下となるように、第二基板２１２及び圧電素子２２を構成する第一電極膜２２１、圧電膜２２２、第二電極膜２２３が形成されている。これにより、基板２１の可撓性の低下が抑制されている。
【００３３】
また、駆動領域Ａｒ１内において、圧電素子２２間の領域に相当する振動領域２３には、所定深さ寸法のスリット溝２３１Ａ，２３１Ｂが設けられている。
具体的には、Ｘ方向に沿って隣り合う２つの圧電素子２２の間の振動領域２３において、当該２つの圧電素子２２からの距離が等距離となる位置、つまり、振動領域２３におけるＸ方向の中心に、Ｙ方向に沿って延びるスリット溝２３１Ａが設けられている。
同様に、Ｙ方向に沿って隣り合う２つの圧電素子２２の間の振動領域２３において、当該２つの圧電素子２２からの距離が等距離となる位置、つまり、振動領域２３におけるＹ方向の中心に、Ｘ方向に沿って延びるスリット溝２３１Ｂが設けられている。
すなわち、各振動領域２３には、当該振動領域２３の中心を通る十字型のスリット溝２３１Ａ，２３１Ｂが設けられている。
このスリット溝２３１Ａ，２３１Ｂは、振動領域２３を振動させる際に、振動領域２３の変位量を大きくするために形成された溝であり、その溝深さ（Ｚ方向の寸法）は、特に限定されない。例えば、スリット溝２３１Ａ，２３１Ｂの深さ寸法は、第一電極膜２２１から第二基板２１２のＺｒＯ２層２１２Ｂまでの深さで形成されてもよく、第一基板２１１の一部までスリット溝２３１Ａ，２３１Ｂが形成されていてもよい。また、スリット溝２３１Ａ，２３１Ｂの幅寸法も特に限定されない。
【００３４】
［制御部の構成］
制御部３は、圧電フィルム２の端子部２２１Ａ，２２３Ａに接続され、圧電フィルム２の駆動を制御する回路により構成されている。制御部３としては、圧電フィルム２の駆動ドライバー回路が組み込まれた、パーソナルコンピューター等であってもよく、圧電フィルム２の駆動を制御する専用の制御装置であってもよい。
具体的には、制御部３は、圧電フィルム２の端子部２２１Ａ、２２３Ａに対して周期駆動電圧を印加する駆動信号を出力して圧電フィルム２から対象物１０に対して超音波を出力させる。また、制御部３は、圧電フィルム２で受信された超音波により各圧電素子２２が変位した際の受信信号を取得して、圧電フィルム２から超音波の反射位置までの距離を測長してもよい。
【００３５】
［圧電フィルム２の振動］
次に、上記のような圧電フィルム２の端子部２２１Ａ及び端子部２２３Ａ間に周期駆動電圧を印加した場合の、圧電フィルム２の駆動領域Ａｒ１に発生する振動について説明する。
図６は、圧電フィルム２の駆動領域Ａｒ１内に生じる振動を説明するための圧電フィルム２の断面図である。
本実施形態の圧電フィルム２を駆動させて、超音波を出力する場合、端子部２２１Ａ及び端子部２２３Ａに対して周期駆動電圧を印加する。これにより、各圧電素子２２の第一電極膜２２１及び第二電極膜２２３の間に同時に駆動電圧が印加されて、各圧電素子２２が同時に駆動される。
【００３６】
これにより、図６に示すように、圧電素子２２（圧電膜２２２）の両端部近傍（圧電素子２２と振動領域２３との境界近傍）を節とし、振動領域２３を腹とした振動モードで、圧電フィルム２の駆動領域Ａｒ１が共振する。
【００３７】
図７は、隣り合う圧電素子２２間の距離（第一寸法ｗ）と、振動領域２３の共振周波数（出力される超音波の周波数）との関係を示す図である。
図７に示すように、振動領域２３の共振周波数は、隣り合う圧電素子２２間の距離（つまり、振動領域２３の幅寸法である第一寸法ｗ）によって変化する。
本実施形態では、Ｘ方向に沿った圧電素子２２間の距離と、Ｙ方向に沿った圧電素子２２間の距離とが、いずれも第一寸法ｗとなるように、等間隔で配置されている。このため、各振動領域２３の共振周波数は同一となり、これによって当該共振周波数の超音波が駆動領域Ａｒ１から出力されることになる。なお、振動領域２３のＸ方向の幅寸法とＹ方向の幅寸法とがそれぞれ異なる場合、各振動領域２３の共振周波数は短軸方向の幅寸法によって決定される。例えば、振動領域２３のＸ方向の幅寸法がＹ方向の幅寸法よりも小さい場合、Ｘ方向の幅寸法に対応した共振周波数で振動領域２３が振動し、当該共振周波数の超音波が出力される。
【００３８】
ここで、図６に示すように、基板２１のうち圧電素子２２が設けられる位置（圧電素子２２と重なる領域）は、圧電素子２２が設けられていない振動領域２３よりも厚み寸法が大きく、かつ、振動領域２３には、スリット溝２３１Ａ，２３１Ｂが設けられている。このため、振動領域２３の剛性は、基板２１の圧電素子２２が設けられる領域に比べて剛性が小さい。このため、圧電素子２２が設けられる位置での基板２１の振動振幅は、振動領域２３の振動領域に対して小さくなる。このため、駆動領域Ａｒ１を駆動させると、振動領域２３の共振周波数の超音波が、振動領域２３の振動振幅に応じた音圧で出力されることになる。
言い換えると、図７に示すような、共振周波数と第一寸法ｗとの関係データに基づいて、圧電素子２２間の距離を設定することで、所望の周波数の超音波を出力可能な圧電フィルム２を得ることができる。
【００３９】
［圧電フィルム２の製造方法］
次に、上述したような圧電フィルム２の製造方法について説明する。
図８は、圧電フィルム２の製造方法を示すフローチャートである。図９は、図８のステップＳ１からステップＳ４までの工程の概略を示す図である。図１０は、図８のステップＳ５からステップＳ７までの工程の概略を示す図である。
図８に示すように、圧電フィルム２を製造する場合、第二基板２１２が形成された第一基台５１上に圧電体２２Ｂを形成する（ステップＳ１）。
具体的には、図９の１番目に示すように、Ｓｉ基板により形成された第一基台５１の一面を熱酸化処理して、ＳｉＯ２層２１２Ａを形成する。なお、第一基台５１のＳｉＯ２層２１２Ａとの境界面を第一面５１Ａとし、第一基台５１の第一面５１Ａとは反対側の面を第二面５１Ｂとする。この後、ＳｉＯ２層２１２Ａ上にＺｒ膜を形成し、Ｚｒ層を熱酸化してＺｒＯ２層２１２Ｂを形成、すなわち、ＳｉＯ２層２１２Ａ及びＺｒＯ２層２１２Ｂにより構成された第二基板２１２を形成する。
次に、第二基板２１２の表面に、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｉｒ、Ｔｉの各金属層を形成して第一電極膜２２１を形成する。さらに、この第一電極膜２２１上に圧電膜２２２を形成する。圧電膜２２２は、例えば溶液法により形成することができ、例えば、第一電極膜２２１上にＰＺＴ溶液を塗布する塗布工程と、塗布されたＰＺＴ溶液を焼成する焼成工程とを複数回実施することで、圧電膜２２２を形成する。この後、さらに、圧電膜２２２上に、Ｔｉ，Ｉｒの各金属膜を積層して第二電極膜２２３を形成する。これにより、図９の１番目に示すように、第一基台５１上に第二基板２１２及び圧電体２２Ｂが形成される。
【００４０】
この後、ステップＳ１で形成された圧電体２２Ｂ及び第二基板２１２を、例えばエッチング等によりパターニングする（ステップＳ２；第一工程）。これにより、図９の２番目に示すように、圧電素子２２及び振動領域２３が形成され、また、振動領域２３に、スリット溝２３１Ａ，２３１Ｂが形成される。
【００４１】
次に、第一基台５１の第一面５１Ａ側、つまり、第二基板２１２上に、圧電素子２２及び振動領域２３を覆うレジスト５２を形成する（ステップＳ３；本発明の第二工程）。
さらに、このレジスト５２を覆うように、つまり、レジスト５２の第一基台５１とは反対側の面に第二基台５３を接着する（ステップＳ４；本発明の第三工程）。
ここで、この第二基台５３は、レジスト５２側の第三面５３Ａ及び第三面５３Ａとは反対側の第四面５３Ｂを有するＳｉ基板である。また、第二基台５３には、第三面５３Ａに複数の凹部５３Ｃが設けられており、各凹部５３Ｃから第四面５３Ｂまでを貫通する貫通孔５３Ｄが設けられている。各凹部５３Ｃは、例えば、圧電素子２２と重なる位置に設けられている。
また、ステップＳ４では、第二基台５３の第四面５３Ｂの全体に保護膜５５を形成する。
これにより、図９の３番目に示すように、第二基板２１２と圧電素子２２とが第一基台５１と第二基台５３とに挟まれる構造体が形成される。
【００４２】
以上の後、第一基台５１を、例えば研磨等の加工と、エッチング処理とを併用することで、第二面５１Ｂ側から除去する（ステップＳ５；本発明の第四工程）。これにより、図１０の１番目に示すように、第二基板２１２のＳｉＯ２層２１２Ａが露出される。
この後、第二基板２１２のＳｉＯ２層２１２Ａ側に、樹脂（例えばポリイミド）製の第一基板２１１を、例えばスピンコート等により形成する（ステップＳ６；本発明の第五工程）。これにより、図１０の２番目に示すように、第二基台５３により保持された圧電フィルム２が形成される。
以上の後、第二基台５３の貫通孔５３Ｄから凹部５３Ｃ内に、レジスト５２を除去するエッチング液を流入させ、レジスト５２を除去する（ステップＳ７；第六工程）。これにより、レジスト５２が除去され、第二基台５３が剥離されることで、図１０の３番目に示すような圧電フィルム２が形成される。
【００４３】
［本実施形態の作用効果］
本実施形態の圧電フィルム２は、可撓性を有する基板２１と、基板２１上に設けられて、Ｘ方向（第一方向）に沿って第一寸法ｗの間隔で配置された複数の圧電素子２２と、を備える。また、圧電素子２２は、Ｚ方向 （厚み方向）に沿って、第一電極膜２２１、無機材料からなる圧電膜２２２、及び第二電極膜２２３を積層することで構成されている。そして、基板２１のＸ方向に沿って隣り合う圧電素子２２の間は、Ｚ向に対して変位可能な振動領域２３を構成する。
【００４４】
このような圧電フィルム２では、各圧電素子２２に対して同時に駆動信号を入力すると、図６に示すように、圧電素子２２の端部位置近傍を節、振動領域２３を腹とした振動モードが生じ、振動領域２３の振動によって、超音波を出力することができる。つまり、この圧電フィルム２は、従来の撓み振動によって超音波を出力する構成とは異なり、超音波の周波数を規定するための支持体が不要なため、基板２１の剛性を低くできる。また、従来の厚み振動によって超音波を出力する構成とは異なり、周波数に応じて圧電素子２２の厚み寸法を変更する必要もないので、周波数によって圧電素子２２の剛性が高くなることもない。よって、本実施形態の圧電フィルム２では、圧電フィルム２の全体の剛性を一様に低減させることができ、十分な可撓性を持たせることができ、対象物１０の形状に応じて自由に変形させることができる。
【００４５】
また、本実施形態の圧電フィルム２は、無機材料の圧電膜２２２を用いているので、例えばＰＶＤＦのような有機材料の圧電膜を用いる場合に比べて圧電特性が高く、かつ、キュリー点も高い。したがって、対象物１０として、例えば高温の配管等を対象とする場合でも、圧電フィルム２の圧電特定が低下することがなく、圧電フィルム２から高い音圧の超音波を送信することが可能となる。
すなわち、圧電特性及び耐熱性が高く、可撓性にも優れた圧電フィルム２が得られる。
【００４６】
本実施形態の圧電フィルム２には、基板２１の振動領域２３のＸ方向における中心に、Ｙ方向に沿って長手状のスリット溝２３１Ａが設けられている。同様に、振動領域２３のＹ方向における中心に、Ｘ方向に沿って長手状のスリット溝２３１Ｂが設けられている。
このようなスリット溝２３１Ａ，２３１Ｂが設けられることで、振動領域２３がより振動しやすくなり、振動振幅を増幅させることができる。これにより、高い音圧の超音波を出力することができる。
【００４７】
本実施形態の圧電フィルム２は、Ｘ方向に沿って３つ以上の圧電素子２２が第一寸法ｗの間隔で配置されている。このため、各圧電素子２２に対して駆動信号を入力すると、隣り合う圧電素子２２間の振動領域２３が腹となって振動して超音波を出力する。この際、各振動領域２３の幅寸法が第一寸法ｗとなり、同一寸法となるので、各振動領域２３から同一周波数の超音波が出力されることになる。よって、圧電フィルム２から、より高い音圧で、所定周波数の超音波を送信することができる。
【００４８】
本実施形態の圧電フィルム２は、Ｘ方向及びＹ方向の双方に沿って圧電素子２２が配置されており、これらの圧電素子２２が略千鳥形状となるように配置されている。すなわち、Ｘ方向に並ぶ圧電素子２２を１つの素子列２２Ａとした際に、Ｙ方向に沿って複数の素子列２２Ａが並ぶ構成となる。そして、Ｙ方向に対してｉ＋１番目に配置される素子列２２Ａを構成する各圧電素子２２は、Ｙ方向に沿った投影視において、Ｙ方向に対してｉ番目に配置される素子列２２Ａの各前記振動領域２３と重なり合う。つまり、奇数番目に配置される素子列２２Ａの圧電素子２２同士がＹ方向において重なり合い、偶数番目に配置される素子列２２Ａの圧電素子２２同士がＹ方向において重なり合う。一方、奇数番目に配置される素子列２２Ａの圧電素子２２と、偶数番目に配置される素子列２２Ａの圧電素子２２とは、Ｙ方向において重なり合わない。
【００４９】
圧電フィルム２の各圧電素子２２を、上記の様な２次元アレイ構造として配置することで、各圧電素子２２を同時駆動させた際に、圧電素子２２のＸ方向及びＹ方向に隣り合う振動領域２３が同時に振動されて、圧電フィルム２の駆動領域Ａｒ１（２次元領域）から広い範囲に超音波を出力することが可能となる。
【００５０】
本実施形態では、各振動領域２３のＸ方向における幅寸法と、Ｙ方向における幅寸法がともに第一寸法ｗとなる。つまり、Ｘ方向に並ぶ圧電素子２２間の距離と、Ｙ方向に並ぶ圧電素子２２間の距離とが同一距離（第一寸法ｗ）となる。このため、各振動領域２３から、第一寸法ｗに応じた周波数の超音波を高出力で送信することができ、これらの各振動領域２３からの超音波が合成されることでより強い音波の超音波を出力することが可能となる。
【００５１】
また、本実施形態では、圧電素子２２と、第二基板２１２との厚み寸法の合計が５μｍ以下となる。このため、圧電フィルム２の圧電素子２２が設けられる領域の剛性がより低下し、圧電フィルム２の可撓性の更なる向上を図れる。
【００５２】
本実施形態の圧電フィルム２は、複数の圧電素子２２の前記第一電極膜同士が互いに接続され、複数の前記圧電素子の前記第二電極膜同士が互いに接続されている。
このため、圧電フィルム２の第一電極膜２２１に対応する１つの端子部２２１Ａと、第二電極膜２２３に対応する１つの端子部２２３Ａとの間に電圧を印加すれば、全ての圧電素子２２に駆動電圧が印加される。これにより、上述のように、各振動領域２３を腹とした振動モードの振動を励起させることができ、圧電フィルム２から所定周波数の超音波を出力させることが可能となる。
【００５３】
［変形例］
なお、本発明は上述の各実施形態及び変形例に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良、及び各実施形態を適宜組み合わせる等によって得られる構成は本発明に含まれるものである。
【００５４】
上記実施形態では、圧電フィルム２の駆動領域Ａｒ１に、２次元アレイ構造に配置された圧電素子２２を例示したが、これに限定されず、例えば、圧電素子が、所定の距離間隔で１次元アレイ構造に配置された圧電フィルムであってもよい。
【００５５】
上記実施形態では、振動領域２３にスリット溝２３１Ａ，２３１Ｂが設けられる例を示したが、スリット溝２３１Ａ，２３１Ｂが設けられていなくてもよい。この場合でも、振動領域２３の剛性が、圧電素子２２が形成された領域より小さくなり、共振時の振幅を大きくできる。
また、Ｘ方向に沿った長手状のスリット溝２３１Ａと、Ｙ方向に沿った長手状のスリット溝２３１Ｂとが十字形状にクロスする構成を例示したが、これに限定されない。例えば、振動領域２３の中心部に円形状の凹溝が設けられる構成としてもよい。
さらには、このようなスリット溝や凹溝を設ける構成の他、振動領域２３と重なる領域全体の第一電極膜２２１及びＺｒＯ２層２１２Ｂを除去する構成としてもよい。
【００５６】
上記実施形態では、ステップＳ５において、第一基台５１を除去して第二基板２１２を残す処理を行ったが、これに限定されず、第一基台５１と第二基板２１２との双方を除去してもよい。この場合、第二基台５３に保持されている圧電素子２２や第一電極膜２２１に直接第一基板２１１を形成すればよい。
すなわち、圧電フィルム２として、基板２１が第一基板２１１及び第二基板２１２を有する構成としたが、第一基板２１１のみにより構成されていてもよい。
【００５７】
上記実施形態では、各圧電素子２２の第一電極膜２２１が互いに接続され、各圧電素子２２の第二電極膜２２３が互いに接続されていることで、端子部２２１Ａ，２２３Ａに駆動信号を印加すれば、全ての圧電素子２２に同時に駆動信号が入力されて圧電フィルム２から超音波が出力される構成とした。これに対して、各圧電素子２２がそれぞれ独立し、各圧電素子２２の第一電極膜２２１及び第二電極膜２２３のそれぞれに対応する端子部が設けられ、各端子部が制御部３に接続される構成としてもよい。
この場合、制御部３が、各圧電素子２２に対して、同時に駆動信号が入力されるように、各端子部に対する駆動信号の入力タイミングを制御する。これにより、上記実施形態と同様の振動モードで圧電フィルム２を駆動させることが可能となる。
【００５８】
その他、本発明の実施の際の具体的な構造は、本発明の目的を達成できる範囲で上記各実施形態及び変形例を適宜組み合わせることで構成してもよく、また他の構造などに適宜変更してもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１…圧電モジュール、２…圧電フィルム、３…制御部、１０…対象物、２１…基板、２２…圧電素子、２２Ａ…素子列、２３…振動領域、５１…第一基台、５１Ａ…第一面、５１Ｂ…第二面、５２…レジスト、５３…第二基台、５３Ａ…第三面、５３Ｂ…第四面、２１１…第一基板、２１２…第二基板、２１２Ａ…ＳｉＯ２層、２１２Ｂ…ＺｒＯ２層、２２１…第一電極膜、２２２…圧電膜、２２３…第二電極膜、２３１Ａ…スリット溝、２３１Ｂ…スリット溝、Ａｒ１…駆動領域、Ａｒ２…外周領域、ｗ…第一寸法。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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