(57)【要約】  複数の梁部(１１０)の各々は、固定端部(１１１)を有し、固定端部(１１１)から離れる方向に延在している。基部(１２０)は、複数の梁部(１１０)の各々の固定端部(１１１)と接続されている。複数の梁部(１１０)の各々は、同一平面内で延在し、かつ、複数の梁部(１１０)のうち少なくとも２つの梁部(１１０)の各々の延在方向(Ｅ)は、互いに異なっている。複数の梁部(１１０)の各々は、同一方向の分極軸を有する単結晶圧電体層(１０)と、上部電極層(２０)と、下部電極層(３０)とを含んでいる。分極軸(Ｚ’)は、上記平面内において分極成分を有している。分極軸(Ｚ’)に直交し、かつ、上記平面内で延在する、直交軸(Ｘ’)の軸方向は、複数の梁部(１１０)の各々の延在方向(Ｅ)と交差している。
2020121609.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定端部を有し、該固定端部から離れる方向に延在する複数の梁部と、
前記複数の梁部の各々の前記固定端部と接続された基部とを備え、
前記複数の梁部の各々は、同一平面内で延在し、かつ、前記複数の梁部のうち少なくとも２つの梁部の各々の延在方向は、互いに異なり、
前記複数の梁部の各々は、同一方向の分極軸を有する単結晶圧電体層と、該単結晶圧電体層の上側に配置された上部電極層と、前記単結晶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含み、
前記分極軸は、前記平面内において分極成分を有しており、
前記分極軸に直交し、かつ、前記平面内で延在する、直交軸の軸方向は、前記複数の梁部の各々の延在方向と交差している、圧電トランスデューサ。
【請求項２】
前記複数の梁部の各々の前記延在方向と、前記直交軸の軸方向とのなす角が、４０度以上５０度以下である、請求項１に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項３】
前記単結晶圧電体層が、ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムで構成されている、請求項１または請求項２に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項４】
前記分極軸は、前記平面内においてのみ延在している、請求項３に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項５】
前記複数の梁部として、３つ以上の梁部を備え、
前記平面に対して垂直な方向から見たときに、前記複数の梁部の各々は、三角形状または四角形状の外形を有し、かつ、前記平面内で互いに異なる方向に延在しつつ隣接する梁部同士の各間隔が互いに等しくなるように、配置されている、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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電トランスデューサに関する。
【背景技術】
【０００２】
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２０１４−５１５２１４号公報(特許文献１)がある。特許文献１に記載された圧電トランスデューサは、基板と、複数の片持ち梁とを備えている。複数の片持ち梁の各々は、互いに隣接し、先細である。複数の片持ち梁の各々は、梁基端部と、梁先端部と、梁本体部とを規定している。梁本体部は、梁基端部と梁先端部との間に配置される。複数の片持ち梁の各々は、梁先端部が共通の仮想点に向けて延びるように配置されている。複数の片持ち梁の各々は、梁基端部に沿って基板に結合されるが、梁本体部に沿って基板に結合されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１４−５１５２１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
圧電トランスデューサの複数の梁部の各々において、単結晶材料で構成された圧電体層である単結晶圧電体層が用いられることがある。単結晶圧電体層は、一方向に延びる分極軸を有する。単結晶圧電体層の分極軸が、複数の梁部の各々が延在する平面内において一方向にのみ分極成分を有している場合、単結晶圧電体層は、この分極成分方向と上記平面内において直交する方向において分極成分を有さない。複数の梁部に、分極成分方向に延在する梁部、および、分極成分方向と交差する方向に延在する梁部が含まれる場合、複数の梁部の各々の曲げ弾性率の差が大きくなる。これにより、たとえば、圧電トランスデューサの駆動時に、複数の梁部の各々の共振周波数および変形量などの機械的特性が互いに異なるために、圧電トランスデューサの入出力特性が低下する場合がある。すなわち、単結晶圧電体層が用いられた圧電トランスデューサにおいては、複数の梁部の各々の固有の機械的特性が互いに異なるためにデバイス特性等についての問題が発生する場合がある。【０００５】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであって、単結晶圧電体層を含む複数の梁部同士の機械的特性の差を小さくすることができる、圧電トランスデューサ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】
【０００６】
本発明に基づく圧電トランスデューサは、複数の梁部と、基部とを備えている。複数の梁部の各々は、固定端部を有し、固定端部から離れる方向に延在している。基部は、複数の梁部の各々の固定端部と接続されている。複数の梁部の各々は、同一平面内で延在し、かつ、複数の梁部のうち少なくとも２つの梁部の各々の延在方向は、互いに異なっている。複数の梁部の各々は、同一方向の分極軸を有する単結晶圧電体層と、上部電極層と、下部電極層とを含んでいる。上部電極層は、単結晶圧電体層の上側に配置されている。下部電極層は、単結晶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。分極軸は、上記平面内において分極成分を有している。分極軸に直交し、かつ、上記平面内で延在する、直交軸の軸方向は、複数の梁部の各々の延在方向と交差している。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、単結晶圧電体層を含む複数の梁部同士の機械的特性の差を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】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す平面図である。
【図２】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す、前方上方からの斜視図である。
【図３】図１に示した圧電トランスデューサについてＩＩＩ−ＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。
【図４】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、単結晶圧電体層の下面に下部電極層を設けた状態を示す断面図である。
【図５】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、下部電極層および単結晶圧電体層の各々の下面に中間層を設けた状態を示す断面図である。
【図６】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、準備された基板を示す断面図である。
【図７】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、図５に示す複数の層を、図６に示す基板に接合させた状態を示す断面図である。
【図８】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、単結晶圧電体層の上面を削った状態を示す図である。
【図９】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、単結晶圧電体層の上面に上部電極層を設けた状態を示す断面図である。
【図１０】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、単結晶圧電体層における孔部と、複数の梁部同士の隙間部分とを形成した状態を示す断面図である。
【図１１】比較例に係る圧電トランスデューサの構成を示す斜視図である。
【図１２】比較例に係る圧電トランスデューサについて、駆動時において複数の梁部の各々が最も上方に変位した状態を示す斜視図である。
【図１３】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、駆動時において複数の梁部の各々が最も上方に変位した状態を示す斜視図である。
【図１４】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の構成を示す平面図である。
【図１５】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の構成を示す平面図である。
【図１６】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の構成を示す平面図である。
【図１７】本発明の一実施形態の第４変形例に係る圧電トランスデューサの構成を示す平面図である。
【図１８】本発明の一実施形態の第５変形例に係る圧電トランスデューサの構成を示す平面図である。
【図１９】本発明の一実施形態の第６変形例に係る圧電トランスデューサの構成を示す平面図である。
【図２０】本発明の一実施形態の第７変形例に係る圧電トランスデューサの構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。
【００１０】
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す平面図である。図２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す、前方上方からの斜視図である。図３は、図１に示した圧電トランスデューサについてＩＩＩ−ＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。なお、図１および図２においては、圧電トランスデューサを構成する各層の境界は図示していない。
【００１１】
図１から図３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、複数の梁部１１０と、基部１２０とを備えている。
【００１２】
図１に示すように、複数の梁部１１０の各々は、固定端部１１１と先端部１１２とを有している。複数の梁部１１０の各々は、固定端部１１１から離れる方向に延在している。先端部１１２は、複数の梁部１１０の各々において、固定端部１１１からの延在方向Ｅの先端に位置している。複数の梁部１１０の各々は、同一平面内で延在している。
【００１３】
複数の梁部１１０の各々は、上記平面に対して垂直な方向から見たときに、延在方向Ｅにおいて先細の外形を有している。具体的には、複数の梁部１１０の各々は、上記平面に対して垂直な方向から見たときに、三角形状の外形を有している。本実施形態において、この三角形状は、固定端部１１１を底辺とし、先端部１１２を頂点とする、二等辺三角形状である。すなわち、複数の梁部１１０の各々の延在方向Ｅは、各梁部１１０の外形形状である二等辺三角形状の底辺の中点と頂点とを結ぶ方向である。
【００１４】
なお、上記平面に対して垂直な方向から見たときに、複数の梁部１１０の各々は、延在方向Ｅにおいて幅が一定となる外形を有してもよいし、延在方向Ｅにおいて幅が徐々に広くなる外形を有していてもよい。複数の梁部１１０の各々は、四角形状の外形を有していてもよい。梁部１１０の形状および配置が異なる変形例に係る圧電トランスデューサについては、後述する。
【００１５】
図１および図２に示すように、本実施形態においては、圧電トランスデューサ１００は４つの梁部１１０を備えている。このように、本実施形態に係る圧電トランスデューサ１００は、複数の梁部１１０として、３つ以上の梁部１１０を備えている。
【００１６】
図１に示すように、複数の梁部１１０の各々は、上記平面に対して垂直な方向から見たときに、圧電トランスデューサ１００の仮想中心点Ｃに関して互いに点対称となるように配置されている。本実施形態においては、４つの梁部１１０の各々は、上記平面に対して垂直な方向から見たときに、上記平面内で互いに異なる方向に延在しつつ隣接する梁部１１０同士の延在方向Ｅが互いに９０°異なるように、配置されている。
【００１７】
このように、複数の梁部１１０のうち少なくとも２つの梁部１１０の各々の延在方向Ｅは、互いに異なっている。なお、複数の梁部１１０の中に、延在方向Ｅが互いに同一である梁部１１０が含まれていてもよい。
【００１８】
本実施形態において、複数の梁部１１０の各々の延在方向Ｅは、上記平面に対して垂直な方向から見たときに、仮想中心点Ｃに向かって延在している。なお、複数の梁部１１０の各々の延在方向Ｅは、仮想中心点から離れるように延在してもよい。本実施形態とは延在方向Ｅが異なる複数の梁部を有する変形例に係る圧電トランスデューサについては、後述する。
【００１９】
図１および図２に示すように、複数の梁部１１０の各々は、隙間１１３を挟んで、互いに離れて位置している。本実施形態において、複数の梁部１１０同士の間に位置する隙間１１３は、上記平面に対して垂直な方向から見たときに、仮想中心点Ｃから放射状に延在している。隙間１１３の延在する方向において、隙間１１３の幅は略一定である。
【００２０】
すなわち、上記平面に対して垂直な方向から見たときに、複数の梁部１１０の各々は、上記平面内で互いに異なる方向に延在しつつ隣接する梁部１１０同士の各間隔が互いに等しくなるように、配置されている。
【００２１】
図１から図３に示すように、本実施形態において、基部１２０は、複数の梁部１１０の各々の固定端部１１１と接続されている。複数の梁部１１０の各々の先端部１１２は、基部１２０から離間した自由端である。
【００２２】
なお、複数の梁部１１０の各々の先端部１１２は、圧電トランスデューサ１００の駆動時に上下に振動する板状部と互いに接続されていてもよい。板状部を有する変形例に係る圧電トランスデューサについては、後述する。
【００２３】
図３に示すように、複数の梁部１１０の各々および梁部１１０同士の間に位置する隙間１１３の下方において、下向きに開口する凹部１１５が形成されている。本実施形態に係る圧電トランスデューサ１００においては、凹部１１５の上方に位置する部分が、複数の梁部１１０の各々および梁部１１０同士の間に位置する隙間１１３となる。
【００２４】
図３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は、単結晶圧電体層１０と、上部電極層２０と、下部電極層３０とを備えている。本実施形態においては、複数の梁部１１０の各々が、単結晶圧電体層１０と、上部電極層２０と、下部電極層３０とを含んでいる。
【００２５】
単結晶圧電体層１０には、孔部１１が設けられている。孔部１１は、単結晶圧電体層１０を上下に貫通するように形成されている。本実施形態において、孔部１１は、下部電極層３０上に位置するように形成されている。なお、図１および図２において孔部１１は図示していない。
【００２６】
本実施形態において、単結晶圧電体層１０は、梁部１１０の一部と、基部１２０の一部とを構成している。単結晶圧電体層１０を構成する材料については、後述する。
【００２７】
上部電極層２０は、単結晶圧電体層１０の上側に配置されている。上部電極層２０は、少なくとも一部が凹部１１５の上方に位置するように配置される。
【００２８】
本実施形態において、上部電極層２０は梁部１１０の一部を構成している。上部電極層２０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２０と単結晶圧電体層１０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。
【００２９】
下部電極層３０は、単結晶圧電体層１０を挟んで上部電極層２０の少なくとも一部に対向するように配置されている。下部電極層３０は、下部電極層３０の少なくとも一部が凹部１１５の上方に位置するように配置されている。下部電極層３０は、凹部１１５の上方において、単結晶圧電体層１０を挟んで上部電極層２０の少なくとも一部と対向するように配置されている。
【００３０】
本実施形態において、下部電極層３０は梁部１１０の一部および基部１２０の一部を構成している。また、下部電極層３０の隙間１１３側の端部は、本実施形態においては隙間１１３に露出していないが、隙間１１３に露出していてもよい。
【００３１】
下部電極層３０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３０と単結晶圧電体層１０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。
【００３２】
本実施形態に係る圧電トランスデューサは、基板４０をさらに備えている。基板４０は、下部電極層３０の下方に配置されている。基板４０は、ハンドル層４１と、ハンドル層４１の上部に積層されたボックス層４２と、ボックス層４２の上部に積層された活性層４３とを含んでいる。
【００３３】
本実施形態において、ハンドル層４１および活性層４３の各々は、Ｓｉで構成されている。ボックス層４２は、ＳｉＯ2で構成されている。本実施形態において、基板４０は、いわゆるＳＯＩ(Silicon  on  Insulator)基板である。
【００３４】
本実施形態においては、ハンドル層４１およびボックス層４２の各々に、凹部１１５が形成されている。活性層４３には、隙間１１３が形成されている。すなわち、ハンドル層４１およびボックス層４２の各々は、基部１２０の一部を構成している。活性層４３は、梁部１１０の一部および基部１２０の一部を構成している。
【００３５】
基板４０と下部電極層３０との間、および、基板４０と単結晶圧電体層１０との間には、中間層５０が配置されている。中間層５０は、下部電極層３０の下面および単結晶圧電体層１０の下面のうち下部電極層３０が位置していない部分の各々を、下方から覆うように配置されている。中間層５０は、たとえばＳｉＯ2で構成されている。
【００３６】
本実施形態においては、上部電極層２０と下部電極層３０との間に電位差を与えることで、単結晶圧電体層１０のうち、上部電極層２０と下部電極層３０との間に位置する部分を歪ませることができる。このため、圧電トランスデューサ１００は、駆動時において、複数の梁部１１０が上下に屈曲するように振動する。なお、本実施形態に係る圧電トランスデューサ１００は、受信素子として用いられてもよい。
【００３７】
次に、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。
【００３８】
図４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、単結晶圧電体層の下面に下部電極層を設けた状態を示す断面図である。図４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、単結晶圧電体層１０の下面に下部電極層３０を設ける。
【００３９】
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の製造方法において、下部電極層および単結晶圧電体層の各々の下面に中間層を設けた状態を示す断面図である。図５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３０および単結晶圧電体層１０の各々の下面に、中間層５０を設ける。
【００４０】
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、準備された基板を示す断面図である。図６に示すように、凹部１１５が形成されていない状態の基板４０が準備される。
【００４１】
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、図５に示す複数の層を、図６に示す基板に接合させた状態を示す断面図である。図７に示すように、中間層５０の下面に、基板４０の活性層４３側の主面を接合させる。
【００４２】
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、単結晶圧電体層の上面を削った状態を示す図である。図８に示すように、単結晶圧電体層１０の上面を化学機械研磨(ＣＭＰ：Chemical  Mechanical  Polishing)などにより削って、単結晶圧電体層１０を所望の厚さにする。
【００４３】
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、単結晶圧電体層の上面に上部電極層を設けた状態を示す断面図である。図９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、単結晶圧電体層１０の上面の一部に、上部電極層２０を設ける。
【００４４】
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、単結晶圧電体層における孔部と、複数の梁部同士の隙間部分とを形成した状態を示す断面図である。図１０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、単結晶圧電体層１０に孔部１１を設ける。また、リフトオフ法、めっき法、または、エッチング法などにより、単結晶圧電体層１０、上部電極層２０、中間層５０、活性層４３およびボックス層４２の各々に、複数の梁部１１０同士の間に位置する隙間１１３を設ける。
【００４５】
最後に、基板４０の下方側の主面から基板４０に対して深掘反応性イオンエッチング（Ｄｅｅｐ  ＲＩＥ：Deep  Reactive  Ion  Etching）などをすることにより、基板４０に凹部１１５を形成する。
【００４６】
上記の工程により、図３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。
【００４７】
次に、単結晶圧電体層１０を構成する材料について説明する。
単結晶圧電体層１０は、ニオブ酸リチウム(ＬｉＮｂＯ3)またはタンタル酸リチウム(ＬｉＴａＯ3)で構成されている。ニオブ酸リチウムおよびタンタル酸リチウムの各々は、圧電特性が比較的高いセラミックス材料である。
【００４８】
ニオブ酸リチウムおよびタンタル酸リチウムの各々の結晶構造は、三方晶系に属する。三方晶系は、主軸に関して３回回転対称を有する結晶系である。ニオブ酸リチウムおよびタンタル酸リチウムの各々の分極軸は、各結晶構造における三方晶系の主軸の軸方向に沿うように延在している。単結晶圧電体においては、分極軸の軸方向のみ他の方向とは、弾性率が大きく異なる。
【００４９】
図１から図３に示すように、単結晶圧電体層１０は、一方向に向いた分極軸Ｚ’を有している。分極軸Ｚ’は、複数の梁部１１０の各々が延在する同一の平面内において分極成分を有している。本実施形態においては、複数の梁部１１０の各々が延在する平面に対して、分極軸Ｚ’が傾いて交差している。ただし、分極軸Ｚ’は、上記平面内においてのみ延在していてもよい。
【００５０】
単結晶圧電体層１０の材料として用いられるニオブ酸リチウムおよびタンタル酸リチウムの各々は、分極軸Ｚ’が上記平面方向に延在する分極成分を有するように、ＸカットまたはＹカットされている。
【００５１】
ニオブ酸リチウムおよびタンタル酸リチウムの各々がＸカットされている場合、分極軸Ｚ’は、上記平面内においてのみ延在する。すなわち、分極軸Ｚ’と上記平面のなす角は常に略０°となる。
【００５２】
ニオブ酸リチウムおよびタンタル酸リチウムの各々がＹカットされている場合、結晶の切り出し角度であるカット角によって、分極軸Ｚ’と上記平面とのなす角度が変化するため、圧電トランスデューサ１００の圧電特性が大きく変化する。圧電特性の観点から、Ｙカットのカット角は２０°以上３５°以上であることが好ましく、最も好ましくは２６°である。本実施形態において、単結晶圧電体層１０は、３０°のカット角でＹカットされたニオブ酸リチウムで構成されている。
【００５３】
上記のように、本実施形態において、単結晶圧電体層１０は、一方向に向き、かつ、上記平面内に分極成分を有する、分極軸Ｚ’を有している。すなわち、複数の梁部１１０の各々に含まれる単結晶圧電体層１０の分極軸Ｚ’は、全て同一方向を向いている。
【００５４】
図１に示すように、分極軸Ｚ’の軸方向は、複数の梁部１１０の各々が延在する平面内において一方向にのみ成分を有している。単結晶圧電体層１０の有する圧電定数および弾性率の観点から、上記平面内に分極成分を有する圧電トランスデューサ１００は、電気−機械間の変換効率が向上する。
【００５５】
図１から図３に示すように、単結晶圧電体層１０は、複数の梁部１１０の各々が延在する平面内において、分極軸Ｚ’が上記平面内において有する分極成分に直交する、直交軸Ｘ’を有している。すなわち、図１から図３に示すように、直交軸Ｘ’の軸方向は、分極軸Ｚ’に直交し、かつ、上記平面内で延在している。単結晶圧電体層１０の分極軸Ｚ’は、直交軸Ｘ’の軸方向には成分を有さない。単結晶圧電体層１０は、分極軸Ｚ’および直交軸Ｘ’の各々と互いに直交する第３軸Ｙ’をさらに有している。
【００５６】
単結晶圧電体層１０においては、上記平面内において分極軸Ｚ’が有する分極成分の方向Ｚ1’と、直交軸Ｘ’の軸方向とでは、単結晶圧電体層１０の曲げ弾性率が大きく異なる。具体的には、上記平面内において分極軸Ｚ’が有する分極成分方向Ｚ1’における単結晶圧電体層１０曲げ弾性率は小さく、直交軸Ｘ’の軸方向における単結晶圧電体層１０曲げ弾性率は大きい。このため、本実施形態においては、複数の梁部１１０に、分極成分方向Ｚ1’に延在する梁部、および、直交軸Ｘ’の軸方向に延在する梁部、の各々が含まれないように、圧電トランスデューサ１００が構成される。
【００５７】
ここで、複数の梁部に、分極成分方向に延在する梁部、および、直交軸Ｘ’の軸方向に延在する梁部、の両方が含まれている、比較例に係る圧電トランスデューサについて説明する。
【００５８】
図１１は、比較例に係る圧電トランスデューサの構成を示す斜視図である。図１１に示すように、比較例に係る圧電トランスデューサ９００は、単結晶圧電体層における分極成分方向および直交軸Ｘ’の軸方向と複数の梁部の各々の延在方向との角度関係が、本実施形態に係る圧電トランスデューサ１００における上記角度関係と異なること以外は、本実施形態に係る圧電トランスデューサ１００と同様の構成となっている。
【００５９】
比較例に係る圧電トランスデューサ９００は、分極成分方向に延在する２つの梁部９１０ａ、および、直交軸Ｘ’の軸方向に延在する２つの梁部９１０ｂを有している。このため、比較例に係る圧電トランスデューサ９００においては、分極成分方向に延在する２つの梁部９１０ａの各々と、分極成分方向と交差する方向に延在する２つの梁部９１０ｂの各々とで、曲げ弾性率が互いに大きく異なる。
【００６０】
図１２は、比較例に係る圧電トランスデューサについて、駆動時において複数の梁部の各々が最も上方に変位した状態を示す斜視図である。図１２に示すように、比較例に係る圧電トランスデューサ９００においては、駆動時において、分極成分方向に延在する２つの梁部９１０ａの各々と、直交軸Ｘ’の軸方向に延在する２つの梁部９１０ｂの各々とで、上下方向における最大変位が大きく異なる。そのため、上記平面内で互いに異なる方向に延在しつつ隣接する梁部９１０ａと梁部９１０ｂとの間の隙間が、駆動時に広くなる。
【００６１】
一方、図１および図２に示すように、本実施形態に係る圧電トランスデューサ１００においては、分極成分方向Ｚ1’および直交軸Ｘ’の軸方向の各々は、複数の梁部１１０の各々の延在方向Ｅと交差している。すなわち、複数の梁部１１０には、分極成分方向Ｚ1’に延在する梁部、および、直交軸Ｘ’の軸方向に延在する梁部、の各々が含まれていない。
【００６２】
具体的には、複数の梁部１１０の各々の延在方向Ｅと、直交軸Ｘ’の軸方向とのなす角は、４０度以上５０度以下である。これにより、単結晶圧電体層１０を含む複数の梁部１１０の各々の曲げ弾性率が均一化されている。より好ましくは、圧電トランスデューサ１００において、複数の梁部１１０の各々の延在方向Ｅと、直交軸Ｘ’の軸方向とのなす角が、４５度である。この場合、複数の梁部１１０の各々の曲げ弾性率を最も均一化することができる。
【００６３】
図１３は、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、駆動時において複数の梁部の各々が最も上方に変位した状態を示す斜視図である。図１３に示すように、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１１０の各々の曲げ弾性率が均一化されているため、駆動時において、複数の梁部１１０の各々が上下方向に略均一に変位する。そのため、本実施形態に係る圧電トランスデューサ１００の複数の梁部１１０における変形量の差は、比較例に係る圧電トランスデューサ９００の複数の梁部９１０ａ，９１０ｂにおける変形量の差と比較して、小さくなっている。
【００６４】
そのため、上記平面内で互いに異なる方向に延在しつつ隣接する梁部１１０同士の間の隙間は、比較例に係る梁部９１０ａと梁部９１０ｂとの間の隙間より、駆動時において狭く維持される。
【００６５】
このように、本発明の一実施形態に係る圧電トランスデューサ１００においては、単結晶圧電体層１０は、一方向に向いた分極軸Ｚ’を有している。分極軸Ｚ’は、上記平面内において分極成分を有している。分極軸Ｚ’に直交し、かつ、上記平面内で延在する、直交軸Ｘ’の軸方向は、複数の梁部１１０の各々の延在方向Ｅと交差している。
【００６６】
上記の構成により、複数の梁部１１０に、分極成分方向Ｚ1’に延在する梁部、および、直交軸Ｘ’の軸方向に延在する梁部、の各々が含まれなくすることができるため、複数の梁部１１０同士の機械的特性の差を小さくすることができる。また、本発明の一実施形態においては、具体的には複数の梁部の各々の曲げ弾性率を均一化することができる。これにより、本実施形態に係る圧電トランスデューサ１００の駆動時においては、複数の梁部１１０の各々の共振周波数および変形量などの機械的特性の差を小さくできるため、圧電トランスデューサ１００の入出力特性を向上することができる。
【００６７】
本発明の一実施形態に係る圧電トランスデューサ１００においては、複数の梁部１１０の各々の延在方向Ｅと、直交軸Ｘ’の軸方向とのなす角が、４０度以上５０度以下である。
【００６８】
上記の構成により、複数の梁部１１０の各々の延在方向Ｅと、上記平面内における分極成分方向Ｚ1’と交差する方向とのなす角は、全ての梁部１１０において４０度以上５０度以下となるため、複数の梁部１１０の各々の曲げ弾性率をより均一化することができる。これにより、圧電トランスデューサ１００の駆動時に、複数の梁部１１０の各々の共振周波数および変形量などの機械的特性の差をさらに小さくできるため、圧電トランスデューサ１００の入出力特性を効果的に向上することができる。
【００６９】
本発明の一実施形態に係る圧電トランスデューサ１００においては、単結晶圧電体層１０は、ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムで構成されている。
【００７０】
ニオブ酸リチウムおよびタンタル酸リチウムの各々の結晶構造は、三方晶系に属している。ニオブ酸リチウムおよびタンタル酸リチウムの各々の分極軸は、各結晶構造における三方晶系の主軸の軸方向に沿うように延在しているため、分極軸が、他の圧電セラミック材料より極端に長い。また、三方晶系は、主軸に関して３回回転対称を有する結晶系である。
【００７１】
複数の梁部の各々が延在する平面に対して分極軸が傾いて交差する場合、上記平面内において、分極成分方向Ｚ1’と、直交軸Ｘ’の軸方向とでは、単結晶圧電体層１０の曲げ弾性率が大きく異なる。
【００７２】
しかしながら、単結晶圧電体層１０がニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムで構成されている場合であっても、複数の梁部１１０の各々の延在方向Ｅと直交軸Ｘ’の軸方向とが、上述の関係を満たすことにより、圧電特性の高い材料で単結晶圧電体層１０を構成しつつ、複数の梁部１１０の各々の曲げ弾性率を均一化させることができる。その結果、圧電トランスデューサの入出力特性を向上することができる。
【００７３】
本発明の一実施形態に係る圧電トランスデューサ１００においては、分極軸Ｚ’が、上記平面内においてのみ延在していてもよい。
【００７４】
上記の構成においては、単結晶圧電体層１０の材料としてＸカットされたニオブ酸リチウムまたはＸカットされたタンタル酸リチウムが用いられるが、この場合、分極軸Ｚ’と上記平面とのなす角は常に略０°となる。これにより、Ｘカットのカット角の違いによって圧電トランスデューサ１００の圧電特性に変化が生じることを抑制することができる。
【００７５】
本実施形態に係る圧電トランスデューサ１００においては、上記平面に対して垂直な方向から見たときに、複数の梁部１１０の各々は、三角形状または四角形状の外形を有し、かつ、上記平面内で互いに異なる方向に延在しつつ隣接する梁部１１０同士の各間隔が互いに等しくなるように、配置されている。
【００７６】
上記の構成において、複数の梁部１１０の各々の曲げ弾性率が均一化されていることにより、駆動時における複数の梁部１１０の各々の変異による各隙間１１３の変化量を均一化して、圧電トランスデューサ１００の入出力特性を向上することができる。
【００７７】
以下、本実施形態の各変形例に係る圧電トランスデューサについて、図を参照して説明する。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と同様である構成については説明を繰り返さない。
【００７８】
図１４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の構成を示す平面図である。図１４に示すように、本発明の一実施形態の第１変形例に係る圧電トランスデューサ１００ａは、複数の梁部１１０ａと、基部１２０ａとを備えている。
【００７９】
複数の梁部１１０ａの各々は、同一平面内で延在しており、この平面に対して垂直な方向から見たときに、延在方向Ｅａにおいて幅が徐々に広くなる外形を有している。具体的には、複数の梁部１１０ａの各々は、上記平面に対して垂直な方向から見たときに、固定端部１１１ａを上底とする台形状の外形を有している。
【００８０】
複数の梁部１１０ａの各々の延在方向Ｅａは、上記平面に対して垂直な方向からみたときに、圧電トランスデューサ１００ａの仮想中心点Ｃａから離れるように延在している。
【００８１】
本実施形態の第１変形例に係る圧電トランスデューサ１００ａは、上記平面に対して垂直な方向から見たときに、複数の梁部１１０ａを取り囲むように配置された周壁部１３０ａをさらに備えている。複数の梁部１１０ａの各々の先端部１１２ａと、周壁部１３０ａとは、互いに離間している。
【００８２】
基部１２０ａと、周壁部１３０ａとは、複数の梁部１１０ａの積層方向における下方において、直接的または間接的に互いに接続されている。
【００８３】
本実施形態の第１変形例に係る圧電トランスデューサ１００ａにおいても、直交軸Ｘ’の軸方向は、複数の梁部１１０ａの各々の延在方向Ｅａと交差している。
【００８４】
図１５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の構成を示す平面図である。図１５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は、本実施形態の第１変形例に係る圧電トランスデューサ１００ａとは、複数の梁部の各々の形状のみ異なっている。
【００８５】
本実施形態の第２変形例に係る圧電トランスデューサ１００ｂにおいては、複数の梁部１１０ｂの各々は、同一平面内で延在している。複数の梁部１１０ｂの各々は、上記平面に対して垂直な方向から見たときに、延在方向Ｅｂにおいて幅が一定となる外形を有している。具体的には、複数の梁部１１０ｂの各々は、上記平面に対して垂直な方向から見たときに、矩形形状の外形を有している。
【００８６】
本実施形態の第２変形例に係る圧電トランスデューサ１００ｂにおいては、複数の梁部１１０ｂ同士の間に位置する隙間１１３ｂは、上記平面に対して垂直な方向から見たときに、略正方形状である。
【００８７】
本実施形態の第２変形例に係る圧電トランスデューサ１００ｂにおいても、直交軸Ｘ’の軸方向は、複数の梁部１１０ｂの各々の延在方向Ｅｂと交差している。
【００８８】
図１６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の構成を示す平面図である。図１６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１１０ｃの各々が、同一平面内で延在している。
【００８９】
複数の梁部１１０ｃの各々は、この平面に対して垂直な方向から見たときに、固定端部１１１ｃを下底とする台形状の外形を有している。このため、複数の梁部１１０ｃの各々の先端部１１２ｃに囲まれるようにして、略矩形形状の隙間が圧電トランスデューサ１００ｃの中心部に形成されている。
【００９０】
本実施形態の第３変形例に係る圧電トランスデューサ１００ｃにおいても、直交軸Ｘ’の軸方向は、複数の梁部１１０ｃの各々の延在方向Ｅと交差している。
【００９１】
図１７は、本発明の一実施形態の第４変形例に係る圧電トランスデューサの構成を示す平面図である。図１７に示すように、本発明の一実施形態の第４変形例に係る圧電トランスデューサ１００ｄは、複数の梁部１１０ｄと、基部１２０ｄとを備えるとともに、板状部１４０ｄをさらに備えている。
【００９２】
複数の梁部１１０ｄの各々は、同一平面内で延在している。複数の梁部１１０ｄの各々は、この平面に対して垂直な方向から見たときに、矩形形状の外形を有している。
【００９３】
複数の梁部１１０ｄの各々の先端部１１２ｄは、板状部１４０ｄに接続されている。板状部１４０ｄは、上記平面に対して垂直な方向から見たときに、圧電トランスデューサ１００ｄの仮想中心点Ｃｄを中心とする、円形状の外形を有している。
【００９４】
板状部１４０ｄは、基部１２０ｄとは接続されておらず離間している。このため、圧電トランスデューサ１００ｄの駆動時においては、複数の梁部１１０ｄの各々が上下方向に変位することにより、板状部１４０ｄが上下方向に移動する。
【００９５】
上記平面に対して垂直な方向から見たときに、上記平面内で互いに異なる方向に延在しつつ隣接する梁部１１０ｄ同士の間の隙間１１３ｄにおける基部１２０ｄ側の縁部は、仮想中心点Ｃｄを中心とする円の円弧形状である。
【００９６】
本実施形態の第４変形例に係る圧電トランスデューサ１００ｄにおいても、直交軸Ｘ’の軸方向は、複数の梁部１１０ｄの各々の延在方向Ｅと交差している。これにより、本変形例においては、複数の梁部１１０ｄ同士の延在方向Ｅにおける応力の差を小さくすることができる。このため、複数の梁部１１０ｄと板状部１４０ｄとを互いに接続する複数の接続部にかかる応力について、接続部同士での応力差を小さくすることができる。ひいては、圧電トランスデューサ１００ｄの信頼性を向上できる。
【００９７】
図１８は、本発明の一実施形態の第５変形例に係る圧電トランスデューサの構成を示す平面図である。図１８に示すように、本発明の一実施形態の第５変形例に係る圧電トランスデューサ１００ｅは、本実施形態の第４変形例に係る圧電トランスデューサ１００ｄとは、板状部の外形のみ異なっている。
【００９８】
本実施形態の第５変形例に係る圧電トランスデューサ１００ｅにおいて、複数の梁部１１０ｅの各々は、同一平面内で延在している。この平面に対して垂直な方向から見たときに、板状部１４０ｅは、圧電トランスデューサ１００ｅの仮想中心点Ｃｅを中心とする、略正方形状の外形を有している。
【００９９】
複数の梁部１１０ｅの各々の先端部１１２ｅは、板状部１４０ｅの略正方形状の頂点の各々において、板状部１４０ｅに接続されている。
【０１００】
本実施形態の第５変形例に係る圧電トランスデューサ１００ｅにおいても、直交軸Ｘ’の軸方向は、複数の梁部１１０ｅの各々の延在方向Ｅと交差している。
【０１０１】
図１９は、本発明の一実施形態の第６変形例に係る圧電トランスデューサの構成を示す平面図である。図１９に示すように、本発明の一実施形態の第６変形例に係る圧電トランスデューサ１００ｆは、本実施形態の第４変形例に係る圧電トランスデューサ１００ｄとは、複数の梁部の各々の外形と板状部の外形とが異なっている。
【０１０２】
本実施形態の第６変形例に係る圧電トランスデューサ１００ｆにおいて、複数の梁部１１０ｆの各々は、同一平面内で延在している。複数の梁部１１０ｆの各々は、この平面に対して垂直な方向から見たときに、延在方向Ｅにおいて先細の外形を有している。具体的には、複数の梁部１１０ｆの各々は、上記平面に対して垂直な方向から見たときに、台形状の外形を有している。隙間１１３ｆの延在する方向において、隙間１１３の幅は略一定である。板状部１４０ｆは、上記平面に対して垂直な方向から見たときに、多角形状の外形を有している。具体的には、板状部１４０ｆは、上記平面に対して垂直な方向から見たときに、八角形状の外形を有している。
【０１０３】
複数の梁部１１０ｆの各々の先端部１１２ｆは、板状部１４０ｆの多角形状の辺の各々において、板状部１４０ｆに接続されている。
【０１０４】
本実施形態の第６変形例に係る圧電トランスデューサ１００ｆにおいても、直交軸Ｘ’の軸方向は、複数の梁部１１０ｆの各々の延在方向Ｅと交差している。
【０１０５】
図２０は、本発明の一実施形態の第７変形例に係る圧電トランスデューサの構成を示す平面図である。図２０に示すように、本発明の一実施形態の第７変形例に係る圧電トランスデューサ１００ｇは、主に、複数の板状部が設けられている点で、本実施形態の第６変形例に係る圧電トランスデューサ１００ｆと異なっている。
【０１０６】
本実施形態の第７変形例に係る圧電トランスデューサ１００ｇにおいて、複数の梁部１１０ｇの各々は、同一平面内で延在している。複数の梁部１１０ｇの各々は、上記平面に対して垂直な方向から見たときに、三角形状の外形を有している。
【０１０７】
本実施形態の第７変形例に係る圧電トランスデューサ１００ｇは、複数の板状部１４０ｇを備えている。複数の板状部１４０ｇの各々は、複数の隙間１１３ｇの各々に１つずつ位置しており、互いに隣り合う２つの梁部１１０ｇ同士を互いに接続している。複数の板状部１４０ｇの各々は、上記平面に対して垂直な方向から見たときに、矩形状の外形を有している。
【０１０８】
本実施形態の第７変形例に係る圧電トランスデューサ１００ｇにおいても、直交軸Ｘ’の軸方向は、複数の梁部１１０ｇの各々の延在方向Ｅと交差している。
【０１０９】
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。
【符号の説明】
【０１１０】
１０  単結晶圧電体層、１１  孔部、２０  上部電極層、３０  下部電極層、４０  基板、４１  ハンドル層、４２  ボックス層、４３  活性層、５０  中間層、１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅ，１００ｆ，１００ｇ，９００  圧電トランスデューサ、１１０，１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ，１１０ｅ，１１０ｆ，１１０ｇ，９１０ａ，９１０ｂ  梁部、１１１，１１１ａ，１１１ｃ  固定端部、１１２，１１２ａ，１１２ｃ，１１２ｄ，１１２ｅ，１１２ｆ  先端部、１１３，１１３ｂ，１１３ｄ，１１３ｆ，１１３ｇ  隙間、１１５  凹部、１２０，１２０ａ，１２０ｄ  基部、１３０ａ  周壁部、１４０ｄ，１４０ｅ，１４０ｆ，１４０ｇ  板状部。
【図１】
2020121609.tif 000003
【図２】
2020121609.tif 000004
【図３】
2020121609.tif 000005
【図４】
2020121609.tif 000006
【図５】
2020121609.tif 000007
【図６】
2020121609.tif 000008
【図７】
2020121609.tif 000009
【図８】
2020121609.tif 000010
【図９】
2020121609.tif 000011
【図１０】
2020121609.tif 000012
【図１１】
2020121609.tif 000013
【図１２】
2020121609.tif 000014
【図１３】
2020121609.tif 000015
【図１４】
2020121609.tif 000016
【図１５】
2020121609.tif 000017
【図１６】
2020121609.tif 000018
【図１７】
2020121609.tif 000019
【図１８】
2020121609.tif 000020
【図１９】
2020121609.tif 000021
【図２０】
2020121609.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】令和3年5月10日(2021.5.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
【図１】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す平面図である。
【図２】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す、前方上方からの斜視図である。
【図３】図１に示した圧電トランスデューサについてＩＩＩ−ＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。
【図４】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、単結晶圧電体層の下面に下部電極層を設けた状態を示す断面図である。
【図５】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、下部電極層および単結晶圧電体層の各々の下面に中間層を設けた状態を示す断面図である。
【図６】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、準備された基板を示す断面図である。
【図７】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、図５に示す複数の層を、図６に示す基板に接合させた状態を示す断面図である。
【図８】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、単結晶圧電体層の上面を削った状態を示す断面図である。
【図９】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、単結晶圧電体層の上面に上部電極層を設けた状態を示す断面図である。
【図１０】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、単結晶圧電体層における孔部と、複数の梁部同士の隙間部分とを形成した状態を示す断面図である。
【図１１】比較例に係る圧電トランスデューサの構成を示す斜視図である。
【図１２】比較例に係る圧電トランスデューサについて、駆動時において複数の梁部の各々が最も上方に変位した状態を示す斜視図である。
【図１３】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、駆動時において複数の梁部の各々が最も上方に変位した状態を示す斜視図である。
【図１４】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の構成を示す平面図である。
【図１５】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の構成を示す平面図である。
【図１６】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の構成を示す平面図である。
【図１７】本発明の一実施形態の第４変形例に係る圧電トランスデューサの構成を示す平面図である。
【図１８】本発明の一実施形態の第５変形例に係る圧電トランスデューサの構成を示す平面図である。
【図１９】本発明の一実施形態の第６変形例に係る圧電トランスデューサの構成を示す平面図である。
【図２０】本発明の一実施形態の第７変形例に係る圧電トランスデューサの構成を示す平面図である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
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、単結晶圧電体層の上面を削った状態を示す断面図である。図８に示すように、単結晶圧電体層１０の上面を化学機械研磨(ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing)などにより削って、単結晶圧電体層１０を所望の厚さにする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５２】
ニオブ酸リチウムおよびタンタル酸リチウムの各々がＹカットされている場合、結晶の切り出し角度であるカット角によって、分極軸Ｚ’と上記平面とのなす角度が変化するため、圧電トランスデューサ１００の圧電特性が大きく変化する。圧電特性の観点から、Ｙカットのカット角は２０°以上３５°以下であることが好ましく、最も好ましくは２６°である。本実施形態において、単結晶圧電体層１０は、３０°のカット角でＹカットされたニオブ酸リチウムで構成されている。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７６】
上記の構成において、複数の梁部１１０の各々の曲げ弾性率が均一化されていることにより、駆動時における複数の梁部１１０の各々の変位による各隙間１１３の変化量を均一化して、圧電トランスデューサ１００の入出力特性を向上することができる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０２】
本実施形態の第６変形例に係る圧電トランスデューサ１００ｆにおいて、複数の梁部１１０ｆの各々は、同一平面内で延在している。複数の梁部１１０ｆの各々は、この平面に対して垂直な方向から見たときに、延在方向Ｅにおいて先細の外形を有している。具体的には、複数の梁部１１０ｆの各々は、上記平面に対して垂直な方向から見たときに、台形状の外形を有している。隙間１１３ｆの延在する方向において、隙間１１３ｆの幅は略一定である。板状部１４０ｆは、上記平面に対して垂直な方向から見たときに、多角形状の外形を有している。具体的には、板状部１４０ｆは、上記平面に対して垂直な方向から見たときに、八角形状の外形を有している。
【国際調査報告】
2020121609.tif 000023
2020121609.tif 000024
2020121609.tif 000025
2020121609.tif 000026