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JP7718201B2 - Piezoelectric element - Google Patents
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JP7718201B2 - Piezoelectric element - Google Patents

Piezoelectric element

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JP7718201B2 JP2021152427A JP2021152427A JP7718201B2 JP 7718201 B2 JP7718201 B2 JP 7718201B2 JP 2021152427 A JP2021152427 A JP 2021152427A JP 2021152427 A JP2021152427 A JP 2021152427A JP 7718201 B2 JP7718201 B2 JP 7718201B2
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Description

本発明は、振動部を有する圧電素子に関するものである。 The present invention relates to a piezoelectric element having a vibrating portion.

従来より、振動部を有する圧電素子が提案されている(例えば、特許文献1参照)。具体的には、この圧電素子は、支持体上に、圧電膜および圧電膜と電気的に接続される電極膜を有する振動部が積層された構成とされている。そして、圧電素子は、支持体に凹部が形成されており、振動部の一部が支持体から浮遊した浮遊領域となっている。また、この圧電素子では、浮遊領域にスリットが形成されることにより、浮遊領域が複数の領域に分割されて振動領域が構成されている。なお、この圧電素子は、浮遊領域を完全に4つの領域に分割するようにスリットが形成されている。 Piezoelectric elements with a vibrating portion have been proposed in the past (see, for example, Patent Document 1). Specifically, this piezoelectric element is configured by stacking a vibrating portion, which includes a piezoelectric film and an electrode film electrically connected to the piezoelectric film, on a support. The piezoelectric element has a recess formed in the support, and a portion of the vibrating portion forms a floating region that is floating above the support. In addition, in this piezoelectric element, slits are formed in the floating region, dividing the floating region into multiple regions to form the vibration regions. Note that this piezoelectric element has slits formed in it that completely divide the floating region into four regions.

このような圧電素子は、振動領域に音圧等の圧力が印加されることで振動領域が振動し、圧電膜に発生する電荷を検出信号として出力する。 When pressure such as sound pressure is applied to the vibration area of such a piezoelectric element, the vibration area vibrates, and the electric charge generated in the piezoelectric film is output as a detection signal.

特許第5936154号公報Patent No. 5936154

しかしながら、上記の圧電素子では、スリットを介して圧力が抜け出るため、検出帯域が狭くなる可能性がある。 However, with the above-mentioned piezoelectric element, pressure escapes through the slit, which may narrow the detection band.

本発明は上記点に鑑み、検出帯域が狭くなることを抑制できる圧電素子を提供することを目的とする。 In view of the above, the present invention aims to provide a piezoelectric element that can prevent the detection band from narrowing.

上記目的を達成するための請求項1および2では、支持体(10)上に振動部(20)が配置された圧電素子であって、支持体と、支持体上に配置され、圧電膜(40)および圧電膜と接続される電極膜(50)を含み、支持体に支持される支持領域(21a)と、支持領域と繋がっていると共に支持体から浮遊している浮遊領域(21b)とを有する振動部と、を備え、浮遊領域は、スリット(30)によって区画された複数の振動領域(22a~22d)を有し、隣合う振動領域は、支持領域側の部分で繋がっている。そして、請求項1および2では、スリットは、浮遊領域から支持領域に達するように形成されており、隣合う振動領域は、スリットのうちの支持領域側の部分を被覆する付加薄膜(81)が配置されることにより、支持領域側の部分が繋がっており、隣合う振動領域は、スリットのうちの支持領域側と反対側の部分を被覆する付加薄膜(82)が配置されることより、支持領域側と反対側の部分が繋がっている。
さらに、請求項1では、支持領域側と反対側に配置される付加薄膜は、支持領域側に配置される付加薄膜より、厚さが厚くされていると共にヤング率が大きくされている。請求項2では、支持領域側と反対側に配置される付加薄膜は、支持領域側に配置される付加薄膜より、厚さが薄くされていると共にヤング率が小さくされている。
In order to achieve the above object, claims 1 and 2 provide a piezoelectric element having a vibration section (20) disposed on a support (10), the vibration section including a piezoelectric film (40) and an electrode film (50) connected to the piezoelectric film, the vibration section having a support region (21a) supported by the support and a floating region (21b) connected to the support region and floating above the support, the floating region having a plurality of vibration regions (22a-22d) partitioned by slits (30), adjacent vibration regions being connected at their support region side. In claims 1 and 2, the slits are formed so as to extend from the floating region to the support region, adjacent vibration regions are connected at their support region side by an additional thin film (81) covering the support region side of the slit, and adjacent vibration regions are connected at their support region side by an additional thin film (82) covering the support region side of the slit.
Furthermore, in claim 1, the additional thin film arranged on the side opposite the support region side is thicker and has a larger Young's modulus than the additional thin film arranged on the support region side. In claim 2, the additional thin film arranged on the side opposite the support region side is thinner and has a smaller Young's modulus than the additional thin film arranged on the support region side.

これによれば、隣合う各振動領域が支持領域側の部分にて繋がった状態となっている。このため、隣合う各振動領域が完全に分離されている場合と比較して、スリットの開口面積を小さくできる。したがって、低周波ロールオフ周波数を小さくすることで検出帯域が狭くなることを抑制できる。また、隣合う各振動領域が支持領域側と反対側の部分にて繋がった状態となっている場合と比較して、各振動領域を繋げることによる各振動領域の振動への影響が小さくなり易く、検出感度が低下することを抑制できる。 This means that adjacent vibration regions are connected at the support region side. Therefore, the opening area of the slit can be made smaller compared to when adjacent vibration regions are completely separated. This means that the detection band can be prevented from narrowing by reducing the low-frequency roll-off frequency. Furthermore, compared to when adjacent vibration regions are connected at the region opposite the support region side, connecting the vibration regions tends to have less of an effect on the vibration of each vibration region, preventing a decrease in detection sensitivity.

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。 Note that the reference symbols in parentheses attached to each component indicate an example of the correspondence between that component and the specific components described in the embodiments described below.

第1実施形態における圧電素子の平面図である。FIG. 2 is a plan view of the piezoelectric element according to the first embodiment. 図1中のII-II線に沿った断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. 図1中のIII-III線に沿った断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. 付加薄膜のスリットの被覆率と、ロールオフ周波数および感度低下との関係を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the coverage of the slit with the additional thin film and the roll-off frequency and the decrease in sensitivity. 第2実施形態における圧電素子の平面図である。FIG. 10 is a plan view of a piezoelectric element according to a second embodiment. 図5中のVI-VI線に沿った振動部および付加薄膜の断面模式図である。6 is a cross-sectional schematic diagram of the vibration part and the additional thin film taken along line VI-VI in FIG. 5. 図5中のVII-VII線に沿った振動部および付加薄膜の断面模式図である。7 is a cross-sectional schematic diagram of the vibration part and the additional thin film taken along line VII-VII in FIG. 5. 第3実施形態における圧電素子の平面図である。FIG. 10 is a plan view of a piezoelectric element according to a third embodiment. 第3実施形態の変形例における圧電素子の平面図である。FIG. 11 is a plan view of a piezoelectric element according to a modified example of the third embodiment. 第4実施形態における圧電素子の平面図である。FIG. 10 is a plan view of a piezoelectric element according to a fourth embodiment. 第5実施形態における圧電素子の平面図である。FIG. 11 is a plan view of a piezoelectric element according to a fifth embodiment.

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. Note that in the following embodiments, identical or equivalent parts will be denoted by the same reference numerals.

(第1実施形態)
第1実施形態の圧電素子について、図1~図3を参照しつつ説明する。なお、本実施形態の圧電素子は、スマートフォンやAI(artificial intelligenceの略)スピーカ等に搭載される圧電マイク等に用いられると好適である。また、本実施形態の圧電素子は、超音波センサ等に用いられると好適である。
(First embodiment)
The piezoelectric element of the first embodiment will be described with reference to Figures 1 to 3. The piezoelectric element of this embodiment is suitable for use in piezoelectric microphones mounted on smartphones, AI (artificial intelligence) speakers, etc. The piezoelectric element of this embodiment is also suitable for use in ultrasonic sensors, etc.

圧電素子は、図1~図3に示されるように、支持体10と、支持体10上に配置された振動部20とを備え、平面形状が矩形状とされている。支持体10は、一面11aを有する支持基板11と、支持基板11の一面11a上に形成された絶縁膜12とを有している。なお、支持基板11は、例えば、シリコン基板等で構成され、絶縁膜12は、酸化膜等で構成されている。 As shown in Figures 1 to 3, the piezoelectric element comprises a support 10 and a vibrating part 20 disposed on the support 10, and has a rectangular planar shape. The support 10 has a support substrate 11 with one surface 11a and an insulating film 12 formed on the one surface 11a of the support substrate 11. The support substrate 11 is made of, for example, a silicon substrate, and the insulating film 12 is made of, for example, an oxide film.

支持体10には、振動部20における内縁側を浮遊させるための凹部10aが形成されている。このため、振動部20は、支持体10上に配置された支持領域21aと、支持領域21aと繋がっていると共に凹部10a上で浮遊する浮遊領域21bとを有する構成となっている。本実施形態の凹部10aは、振動部20側の開口端の形状が平面矩形状とされている。したがって、浮遊領域21bの全体は、平面矩形状とされている。 A recess 10a is formed in the support 10 to allow the inner edge of the vibrating section 20 to float. Therefore, the vibrating section 20 has a support area 21a arranged on the support 10, and a floating area 21b that is connected to the support area 21a and floats above the recess 10a. In this embodiment, the open end of the recess 10a facing the vibrating section 20 has a planar rectangular shape. Therefore, the entire floating area 21b has a planar rectangular shape.

また、本実施形態の振動部20には、外縁部分に絶縁膜12の外縁部分を露出させる開口部20aが形成されている。絶縁膜12には、外縁部分に支持基板11の外縁部分を露出させる開口部12aが形成されている。このため、支持基板11の外縁部分は、絶縁膜12および振動部20から露出した状態となっている。なお、絶縁膜12に形成された開口部12aおよび振動部20に形成された開口部20aは、圧電素子を製造する際のダイシング工程を容易にするものであり、必ずしも形成されていなくてもよい。 In addition, in this embodiment, the vibrating section 20 has an opening 20a formed on its outer edge that exposes the outer edge of the insulating film 12. The insulating film 12 has an opening 12a formed on its outer edge that exposes the outer edge of the support substrate 11. As a result, the outer edge of the support substrate 11 is exposed from the insulating film 12 and the vibrating section 20. Note that the opening 12a formed in the insulating film 12 and the opening 20a formed in the vibrating section 20 facilitate the dicing process when manufacturing the piezoelectric element, and are not necessarily required to be formed.

浮遊領域21bには、当該浮遊領域21bを厚さ方向に貫通するスリット30が形成されている。本実施形態のスリット30は、浮遊領域21bを4分割するように形成されている。詳しくは、スリット30は、浮遊領域21bの中心部Cを通り、浮遊領域21bの相対する角部に向かって延設されるように、2本形成されている。言い換えると、スリット30は、平面矩形状とされた浮遊領域21bの各角部から中心部Cに向かって延設されると共に、中心部Cにて各スリット30が交差するように形成されている。これにより、浮遊領域21bは、略平面三角形状とされた第1~第4振動領域22a~22dに分離されている。特に限定されるものではないが、本実施形態では、各振動領域22a~22d同士の間隔(すなわち、スリット30の幅)が1μm程度とされている。また、本実施形態では、スリット30は、支持領域21aまで延設されているが、浮遊領域21bと支持領域21aとの境界部で終端するように形成されていてもよい。 Slits 30 are formed in the floating region 21b, penetrating the floating region 21b in the thickness direction. In this embodiment, the slits 30 are formed so as to divide the floating region 21b into four parts. Specifically, two slits 30 are formed, passing through the center C of the floating region 21b and extending toward opposite corners of the floating region 21b. In other words, the slits 30 extend from each corner of the floating region 21b, which has a rectangular shape in plan view, toward the center C, and are formed so that each slit 30 intersects at the center C. This separates the floating region 21b into first to fourth vibration regions 22a to 22d, each of which has an approximately triangular shape in plan view. Although not particularly limited, in this embodiment, the spacing between each vibration region 22a to 22d (i.e., the width of the slits 30) is approximately 1 μm. In addition, in this embodiment, the slits 30 extend to the support region 21a, but they may also be formed so that they terminate at the boundary between the floating region 21b and the support region 21a.

そして、第1~第4振動領域22a~22dは、上記の構成とされることにより、支持領域21a側の端部が固定端とされ、支持領域21aと反対側の先端部(以下では、単に先端部ともいう)が自由端とされたカンチレバーとされている。 The first to fourth vibration regions 22a to 22d are configured as cantilevers with the end on the support region 21a side as a fixed end and the tip end on the opposite side to the support region 21a (hereinafter simply referred to as the tip end) as a free end.

振動部20は、圧電膜40および圧電膜40と接続される電極膜50を有する構成とされている。具体的には、圧電膜40は、下層圧電膜41と、下層圧電膜41上に積層される上層圧電膜42とを有している。なお、下層圧電膜41および上層圧電膜42は、窒化スカンジウムアルミニウム(ScAlN)や、窒化アルミニウム(AlN)等の鉛フリーの圧電セラミックス等を用いて構成されている。また、下層圧電膜41および上層圧電膜42は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等を用いて構成される。 The vibrating section 20 is configured to include a piezoelectric film 40 and an electrode film 50 connected to the piezoelectric film 40. Specifically, the piezoelectric film 40 includes a lower-layer piezoelectric film 41 and an upper-layer piezoelectric film 42 laminated on the lower-layer piezoelectric film 41. The lower-layer piezoelectric film 41 and the upper-layer piezoelectric film 42 are made of lead-free piezoelectric ceramics such as scandium aluminum nitride (ScAlN) and aluminum nitride (AlN). The lower-layer piezoelectric film 41 and the upper-layer piezoelectric film 42 are made of lead zirconate titanate (PZT) or the like.

電極膜50は、圧電膜40と接続されるように各振動領域22a~22dに形成されており、モリブデン(Mo)を用いて構成されている。但し、電極膜50は、モリブデンの他に、チタン(Ti)、プラチナ(Pt)、アルミニウム(Al)、ルテニウム(Ru)等の金属材料を用いて構成されていてもよい。 The electrode film 50 is formed on each vibration region 22a-22d so as to connect to the piezoelectric film 40, and is made of molybdenum (Mo). However, the electrode film 50 may also be made of metal materials other than molybdenum, such as titanium (Ti), platinum (Pt), aluminum (Al), or ruthenium (Ru).

そして、本実施形態では、電極膜50として、下層圧電膜41の下方に形成された下層電極膜51と、下層圧電膜41と上層圧電膜42との間に形成された中間電極膜52と、上層圧電膜42の上方に形成された上層電極膜53とが形成されている。なお、下層電極膜51と中間電極膜52とは、下層圧電膜41を挟んで対向するように配置されている。中間電極膜52と上層電極膜53とは、上層圧電膜42を挟んで対向するように配置されている。 In this embodiment, the electrode films 50 include a lower electrode film 51 formed below the lower piezoelectric film 41, an intermediate electrode film 52 formed between the lower piezoelectric film 41 and the upper piezoelectric film 42, and an upper electrode film 53 formed above the upper piezoelectric film 42. The lower electrode film 51 and the intermediate electrode film 52 are arranged to face each other with the lower piezoelectric film 41 in between. The intermediate electrode film 52 and the upper electrode film 53 are arranged to face each other with the upper piezoelectric film 42 in between.

ここで、本実施形態の圧電素子は、後述するように、各振動領域22a~22dが振動することで変化する電荷を検出信号として出力する。そして、本実施形態の圧電素子は、第1~第4振動領域22a~22dにおける電荷の変化を1つの圧力検出信号として出力するように構成されている。具体的には、第1~第4振動領域22a~22dの電極膜50は、図示しない配線部を介して電気的に直列に接続されている。より詳しくは、第1振動領域22a~22dは、いわゆるバイモルフ構造とされており、各振動領域22a~22dに形成される各下層電極膜51、各中間電極膜52、各上層電極膜53がそれぞれ並列に接続されつつ、各振動領域22a~22d間が直列に接続されている。 As described below, the piezoelectric element of this embodiment outputs, as a detection signal, the charge that changes as each of the vibration regions 22a to 22d vibrates. The piezoelectric element of this embodiment is configured to output the change in charge in the first to fourth vibration regions 22a to 22d as a single pressure detection signal. Specifically, the electrode films 50 of the first to fourth vibration regions 22a to 22d are electrically connected in series via wiring (not shown). More specifically, the first vibration region 22a to 22d has a so-called bimorph structure, in which the lower electrode films 51, intermediate electrode films 52, and upper electrode films 53 formed in each of the vibration regions 22a to 22d are connected in parallel, while the vibration regions 22a to 22d are connected in series.

そして、圧電素子には、第1~第4振動領域22a~22dの電極膜50が直列に接続されたものの端部となる部分と接続されるように、第1電極部61および第2電極部62が形成されている。具体的には、第1電極部61は、第1貫通電極61bおよび第1パッド部61cを有する構成とされており、支持領域21aにて、第1振動領域22aに形成された下層電極膜51および上層電極膜53と接続されるように形成されている。第2電極部62は、第2貫通電極62bおよび第2パッド部62cを有する構成とされており、支持領域21aにて、第4振動領域22dに形成された中間電極膜52と電気的に接続されるように形成されている。 The piezoelectric element is formed with a first electrode portion 61 and a second electrode portion 62 so as to connect to the ends of the series-connected electrode films 50 of the first to fourth vibration regions 22a to 22d. Specifically, the first electrode portion 61 has a first through electrode 61b and a first pad portion 61c, and is formed to connect to the lower electrode film 51 and upper electrode film 53 formed in the first vibration region 22a in the support region 21a. The second electrode portion 62 has a second through electrode 62b and a second pad portion 62c, and is formed to be electrically connected to the intermediate electrode film 52 formed in the fourth vibration region 22d in the support region 21a.

より詳しくは、図2に示されるように、第1振動領域22aに形成された下層電極膜51および上層電極膜53は、支持領域21aまで延設されている。そして、上層圧電膜42、下層圧電膜41を貫通して下層電極膜51を露出させるように第1孔部61aが形成され、第1貫通電極61bは、下層電極膜51と電気的に接続されるように第1孔部61aに配置されている。第1パッド部61cは、第1貫通電極61bおよび上層電極膜53と電気的に接続されるように、上層圧電膜42上に配置されている。 More specifically, as shown in FIG. 2, the lower electrode film 51 and upper electrode film 53 formed in the first vibration region 22a extend to the support region 21a. A first hole 61a is formed so as to penetrate the upper piezoelectric film 42 and the lower piezoelectric film 41 and expose the lower electrode film 51, and a first through electrode 61b is disposed in the first hole 61a so as to be electrically connected to the lower electrode film 51. A first pad 61c is disposed on the upper piezoelectric film 42 so as to be electrically connected to the first through electrode 61b and the upper electrode film 53.

また、図3に示されるように、第4振動領域22dに形成された中間電極膜52は、支持領域21aまで延設されている。そして、上層圧電膜42を貫通して中間電極膜52を露出させるように第2孔部62aが形成され、第2貫通電極62bは、中間電極膜52と電気的に接続されるように第2孔部62aに配置されている。第2パッド部62cは、第2貫通電極62bと電気的に接続されるように、上層圧電膜42上に配置されている。 As shown in FIG. 3, the intermediate electrode film 52 formed in the fourth vibration region 22d extends to the support region 21a. A second hole 62a is formed so as to penetrate the upper piezoelectric film 42 and expose the intermediate electrode film 52, and a second through electrode 62b is disposed in the second hole 62a so as to be electrically connected to the intermediate electrode film 52. A second pad 62c is disposed on the upper piezoelectric film 42 so as to be electrically connected to the second through electrode 62b.

さらに、本実施形態の振動部20は、支持体10側に、下層圧電膜41および下層電極膜51が配置されるバッファ層70を有している。なお、バッファ層70は、例えば、窒化アルミニウム(AlN)等で構成される。 Furthermore, the vibration section 20 of this embodiment has a buffer layer 70 on the support 10 side, on which the lower piezoelectric film 41 and lower electrode film 51 are disposed. The buffer layer 70 is made of, for example, aluminum nitride (AlN) or the like.

そして、本実施形態の圧電素子では、浮遊領域21bに形成されたスリット30の一部を被覆するように付加薄膜81が備えられている。具体的には、付加薄膜81は、スリット30のうちの支持領域21a側に位置する部分に配置されている。また、付加薄膜81は、スリット30を介して隣合う振動領域22a~22dを繋ぐように形成されている。このため、各振動領域22a~22dは、支持領域21a側の部分で繋がった状態となっている。 The piezoelectric element of this embodiment is provided with an additional thin film 81 that covers part of the slit 30 formed in the floating region 21b. Specifically, the additional thin film 81 is disposed in the portion of the slit 30 that is located on the support region 21a side. The additional thin film 81 is also formed to connect adjacent vibration regions 22a to 22d via the slit 30. As a result, the vibration regions 22a to 22d are connected at the portion on the support region 21a side.

本実施形態では、付加薄膜81は、支持領域21a側から浮遊領域21bに渡って形成されている。但し、付加薄膜81は、浮遊領域21bのみに形成されていてもよく、スリット30における支持領域21a側の端部が付加薄膜81から露出するように配置されていてもよい。 In this embodiment, the additional thin film 81 is formed from the support region 21a side to the floating region 21b. However, the additional thin film 81 may be formed only in the floating region 21b, or may be arranged so that the end of the slit 30 on the support region 21a side is exposed from the additional thin film 81.

なお、この付加薄膜81は、スリット30から圧力を抜け難くするためのものである。このため、付加薄膜81は、スリット30内にも配置されるようにしてもよいし、スリット30内に配置されないようにしてもよい。また、付加薄膜81は、各振動領域22a~22dの振動に影響し難くなるように、ヤング率が低い材料で構成されることが好ましく、例えば、ウレタンを含有する有機材料を用いて構成される。 The additional thin film 81 is intended to prevent pressure from escaping through the slit 30. For this reason, the additional thin film 81 may be placed within the slit 30, or may not be placed within the slit 30. The additional thin film 81 is preferably made of a material with a low Young's modulus so that it does not affect the vibration of each of the vibration regions 22a to 22d, and is made of an organic material containing urethane, for example.

以上が本実施形態における圧電素子の構造である。このような圧電素子は、各振動領域22a~22dに音圧等の圧力が印加されると、各振動領域22a~22dが振動する。そして、例えば、各振動領域22a~22dの先端部側(すなわち、自由端側)が上方に変位した場合、下層圧電膜41には引張応力が発生し、上層圧電膜42には圧縮応力が発生する。したがって、第1電極部61および第2電極部62から当該電荷を取り出すことにより、音圧等の圧力が検出される。 The above is the structure of the piezoelectric element in this embodiment. When pressure such as sound pressure is applied to each of the vibration regions 22a to 22d of this piezoelectric element, the vibration regions 22a to 22d vibrate. For example, if the tip end side (i.e., the free end side) of each of the vibration regions 22a to 22d is displaced upward, tensile stress is generated in the lower piezoelectric film 41, and compressive stress is generated in the upper piezoelectric film 42. Therefore, pressure such as sound pressure can be detected by extracting the charge from the first electrode portion 61 and the second electrode portion 62.

この際、本実施形態では、付加薄膜81によってスリット面積が小さくされている。このため、圧力がスリット30から抜け難くなり、図4に示されるように、ロールオフ周波数を小さくすることで検出帯域を広くすることができる。なお、図4中の感度低下は、音圧を1KHzとした際のシミュレーション結果を示している。また、ここでのスリット面積とは、支持体10と振動部20との積層方向から視た際のスリット30の面積のことであり、スリット30の開口面積のことである。 In this embodiment, the slit area is reduced by the additional thin film 81. This makes it difficult for pressure to escape through the slit 30, and as shown in Figure 4, the detection band can be broadened by reducing the roll-off frequency. Note that the sensitivity reduction in Figure 4 shows the simulation results when the sound pressure is set to 1 kHz. Furthermore, the slit area here refers to the area of the slit 30 when viewed from the stacking direction of the support body 10 and the vibration part 20, and is the opening area of the slit 30.

この場合、付加薄膜81が被覆するスリット30が大きくなるほどロールオフ周波数を小さくできるが、付加薄膜81が被覆するスリット30が大きくなるほど各振動領域22a~22dの振動が阻害されるために感度が低下する。したがって、付加薄膜81が被覆するスリット30の面積は、要求される性能に応じて調整されることが好ましい。 In this case, the larger the slit 30 covered by the additional thin film 81, the lower the roll-off frequency can be; however, the larger the slit 30 covered by the additional thin film 81, the more the vibration of each vibration region 22a to 22d is inhibited, resulting in a decrease in sensitivity. Therefore, it is preferable to adjust the area of the slit 30 covered by the additional thin film 81 according to the required performance.

例えば、図1に示されるように、スリット30の長手方向に沿った長さを長さL1とし、付加薄膜81におけるスリット30の長手方向に沿った長さを長さL2とする。この場合、本発明者らの検討によれば、スリット30の長さL1を477μmにした場合には、付加薄膜81の長さL2を250μmにすることにより、ロールオフ周波数を20Hz程度にすることができることが確認された。なお、ロールオフ周波数を20Hzにするとは、可聴域における低周波数側の周波数にロールオフ周波数を合わせることである。 For example, as shown in Figure 1, the length of the slit 30 along its longitudinal direction is defined as length L1, and the length of the additional thin film 81 along its longitudinal direction is defined as length L2. In this case, according to studies by the inventors, when the length L1 of the slit 30 is set to 477 μm, it has been confirmed that the roll-off frequency can be set to approximately 20 Hz by setting the length L2 of the additional thin film 81 to 250 μm. Setting the roll-off frequency to 20 Hz means matching the roll-off frequency to a frequency on the low frequency side of the audible range.

また、付加薄膜81は、図1に示されるように、スリット30の長手方向と交差する方向の長さを幅dとすると、幅dが狭いほど各振動領域22a~22dの振動に影響し難くなる。ここで、本実施形態の付加薄膜81は、上記のように有機材料を用いて構成される。そして、この付加薄膜81は、例えば、有機材料が塗布されてパターニングされることで構成される。このため、付加薄膜81は、製造限界や製造工程の簡略化を加味すると、幅dがスリット30の幅と15μmとの和より少なくなるように形成されることが好ましい。 Furthermore, as shown in FIG. 1, if the length of the additional thin film 81 in the direction intersecting the longitudinal direction of the slit 30 is defined as width d, the narrower the width d, the less it will affect the vibration of each vibration region 22a to 22d. Here, the additional thin film 81 of this embodiment is made using an organic material as described above. This additional thin film 81 is made, for example, by applying and patterning an organic material. For this reason, taking into account manufacturing limitations and simplification of the manufacturing process, it is preferable that the additional thin film 81 be formed so that width d is less than the sum of the width of the slit 30 and 15 μm.

以上説明した本実施形態によれば、スリット30のうちの支持領域21a側の部分を被覆するように付加薄膜81が備えられており、隣合う各振動領域22a~22dが支持領域21a側の部分にて繋がった状態となっている。このため、スリット30の開口面積を小さくでき、低周波ロールオフ周波数を小さくすることで検出帯域が狭くなることを抑制できる。 In the embodiment described above, an additional thin film 81 is provided to cover the portion of the slit 30 facing the support region 21a, and adjacent vibration regions 22a to 22d are connected at the portion facing the support region 21a. This allows the opening area of the slit 30 to be reduced, and the low-frequency roll-off frequency can be reduced to prevent the detection band from becoming narrower.

また、付加薄膜81は、スリット30のうちの支持領域21a側の部分を被覆するように備えられている。このため、付加薄膜81がスリット30のうちの支持領域21aと反対側の部分に備えられている場合と比較して、付加薄膜81が各振動領域22a~22dの振動に影響し難くなり、検出感度が低下することを抑制できる。 Furthermore, the additional thin film 81 is provided to cover the portion of the slit 30 on the support region 21a side. Therefore, compared to when the additional thin film 81 is provided on the portion of the slit 30 opposite the support region 21a, the additional thin film 81 is less likely to affect the vibration of each vibration region 22a to 22d, and a decrease in detection sensitivity can be suppressed.

(1)本実施形態では、スリット30のうちの支持領域21a側の部分を被覆するように付加薄膜81を備えている。このため、容易にスリット30の開口面積を調整できる。 (1) In this embodiment, an additional thin film 81 is provided to cover the portion of the slit 30 on the support region 21a side. This makes it easy to adjust the opening area of the slit 30.

(第2実施形態)
第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対し、付加薄膜を追加したものである。その他に関しては、第1実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
Second Embodiment
A second embodiment will be described. This embodiment is the same as the first embodiment except that an additional thin film is added. As the other features are the same as the first embodiment, a description thereof will be omitted here.

本実施形態の圧電素子では、図5~図7に示されるように、浮遊領域21bに形成されたスリット30のうちの支持領域21a側と反対側の部分を被覆する付加薄膜82が配置されている。言い換えると、圧電素子は、スリット30のうちの第1~第4振動領域22a~22dの自由端側を区画する部分にも付加薄膜82が配置されている。このため、各振動領域22a~22dは、自由端側の部分も繋がった状態となっている。以下、本実施形態では、スリット30のうちの支持領域21a側を被覆する付加薄膜81を固定端側付加薄膜81とし、スリット30のうちの支持領域21a側と反対側の部分を被覆する付加薄膜82を自由端側付加薄膜82とする。 As shown in Figures 5 to 7, the piezoelectric element of this embodiment has an additional thin film 82 arranged to cover the portion of the slit 30 formed in the floating region 21b on the side opposite the support region 21a. In other words, the piezoelectric element also has an additional thin film 82 arranged in the portion of the slit 30 that defines the free end sides of the first to fourth vibration regions 22a to 22d. Therefore, the free end sides of each vibration region 22a to 22d are also connected. Hereinafter, in this embodiment, the additional thin film 81 that covers the support region 21a side of the slit 30 will be referred to as the fixed end side additional thin film 81, and the additional thin film 82 that covers the portion of the slit 30 on the side opposite the support region 21a will be referred to as the free end side additional thin film 82.

なお、図6および図7は、振動部20の形状を簡略化して示しているが、実際には、図2および図3のように振動部20が形成されている。また、図6では、自由端側付加薄膜82がスリット30を埋め込むように配置されている図が示されているが、自由端側付加薄膜82は、スリット30を埋め込むように配置されていなくてもよい。同様に、図7では、固定端側付加薄膜81がスリット30を埋め込むように配置されている図が示されているが、固定端側付加薄膜81は、スリット30を埋め込むように配置されていなくてもよい。 Note that Figures 6 and 7 show a simplified shape of the vibration section 20, but in reality, the vibration section 20 is formed as shown in Figures 2 and 3. Also, Figure 6 shows a diagram in which the free-end side additional thin film 82 is arranged so as to fill the slit 30, but the free-end side additional thin film 82 does not have to be arranged so as to fill the slit 30. Similarly, Figure 7 shows a diagram in which the fixed-end side additional thin film 81 is arranged so as to fill the slit 30, but the fixed-end side additional thin film 81 does not have to be arranged so as to fill the slit 30.

そして、自由端側付加薄膜82は、固定端側付加薄膜81よりも厚さが厚くされている。また、自由端側付加薄膜82は、固定端側付加薄膜81よりもヤング率が大きくされている。例えば、自由端側付加薄膜82は、ヤング率が4GPa程度であるポリイミド等で構成され、厚さが3μm程度とされる。一方、固定端側付加薄膜81は、ヤング率が0.1GPa程度であるウレタン等で構成され、厚さが1μm程度とされる。 The free-end side additional thin film 82 is thicker than the fixed-end side additional thin film 81. The free-end side additional thin film 82 also has a larger Young's modulus than the fixed-end side additional thin film 81. For example, the free-end side additional thin film 82 is made of polyimide or the like with a Young's modulus of about 4 GPa, and is about 3 μm thick. On the other hand, the fixed-end side additional thin film 81 is made of urethane or the like with a Young's modulus of about 0.1 GPa, and is about 1 μm thick.

以上説明した本実施形態によれば、スリット30のうちの支持領域21a側の部分を被覆するように付加薄膜81が備えられているため、上記第1実施形態と同様の効果を得ることができる。 In the present embodiment described above, an additional thin film 81 is provided to cover the portion of the slit 30 on the support region 21a side, thereby achieving the same effects as in the first embodiment.

(1)本実施形態では、スリット30のうちの支持領域21a側と反対側の部分に自由端側付加薄膜82が配置されている。このため、圧電素子を製造した際に発生する各振動領域22a~22dの残留応力により、振動領域22a~22dの自由端側が反ることを抑制できる。したがって、スリット面積が大きくなることを抑制でき、検出帯域が低下することを抑制できる。 (1) In this embodiment, a free end side additional thin film 82 is disposed on the portion of the slit 30 opposite the support region 21a. This prevents the free end side of the vibration regions 22a to 22d from warping due to residual stress in each vibration region 22a to 22d that occurs when manufacturing the piezoelectric element. This prevents the slit area from increasing and the detection band from decreasing.

(2)本実施形態では、自由端側付加薄膜82は、固定端側付加薄膜81よりも、厚さが厚くされていると共にヤング率が大きくされている。このため、自由端側付加薄膜82が、固定端側付加薄膜81よりも厚さが薄くされていると共にヤング率が小さくされている場合と比較して、残留応力による反りをさらに低減できる。 (2) In this embodiment, the free-end-side additional thin film 82 is thicker and has a larger Young's modulus than the fixed-end-side additional thin film 81. Therefore, warping due to residual stress can be further reduced compared to when the free-end-side additional thin film 82 is thinner and has a smaller Young's modulus than the fixed-end-side additional thin film 81.

(第2実施形態の変形例)
上記第2実施形態の変形例について説明する。上記第2実施形態において、自由端側付加薄膜82は、固定端側付加薄膜81よりも、厚さが薄くされていると共にヤング率が小さくされていてもよい。これによれば、自由端側付加薄膜82が固定端側付加薄膜81よりも厚さが厚くされていると共にヤング率が大きくされている場合と比較して、自由端側付加薄膜82が各振動領域22a~22dの振動に影響することを抑制でき、検出感度が低下することを抑制できる。
(Modification of the second embodiment)
A modification of the second embodiment will now be described. In the second embodiment, the free-end-side additional thin film 82 may be thinner and have a smaller Young's modulus than the fixed-end-side additional thin film 81. This makes it possible to suppress the free-end-side additional thin film 82 from affecting the vibration of each of the vibration regions 22 a to 22 d, and to suppress a decrease in detection sensitivity, compared to when the free-end-side additional thin film 82 is thicker and has a larger Young's modulus than the fixed-end-side additional thin film 81.

(第3実施形態)
第3実施形態について説明する。本実施形態は、第2実施形態に対し、各振動領域22a~22dにおける先端部側の形状を変更したものである。その他に関しては、第2実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
(Third embodiment)
The third embodiment will be described. This embodiment is different from the second embodiment in that the shape of the tip end side of each of the vibration regions 22a to 22d is changed. As the rest is the same as the second embodiment, the description will be omitted here.

本実施形態の圧電素子は、図8に示されるように、各振動領域22a~22dは、積層方向において、自由端側付加薄膜82と重なる部分が少なくなるように、先端部側が丸みを帯びた形状とされている。言い換えると、各振動領域22a~22dは、先端部が面取りされた形状とされている。 As shown in Figure 8, in the piezoelectric element of this embodiment, each of the vibration regions 22a to 22d has a rounded tip shape so that the portion that overlaps with the free-end-side additional thin film 82 in the stacking direction is minimized. In other words, each of the vibration regions 22a to 22d has a chamfered tip.

以上説明した本実施形態によれば、スリット30のうちの支持領域21a側の部分を被覆するように付加薄膜81が備えられているため、上記第1実施形態と同様の効果を得ることができる。 In the present embodiment described above, an additional thin film 81 is provided to cover the portion of the slit 30 on the support region 21a side, thereby achieving the same effects as in the first embodiment.

(1)本実施形態では、各振動領域22a~22dは、積層方向において、自由端側付加薄膜82と重なる部分が少なくなるように、先端部側が丸みを帯びた形状とされている。このため、自由端側付加薄膜82が各振動領域22a~22dの振動にさらに影響し難くなり、検出感度が低下することをさらに抑制できる。 (1) In this embodiment, each of the vibration regions 22a to 22d has a rounded tip shape so that the portion that overlaps with the free-end-side additional thin film 82 in the stacking direction is minimized. This makes it even less likely that the free-end-side additional thin film 82 will affect the vibration of each of the vibration regions 22a to 22d, further preventing a decrease in detection sensitivity.

(第3実施形態の変形例)
上記第3実施形態の変形例について説明する。上記第3実施形態において、各振動領域22a~22dは、先端部側が面取りされた平面台形状とされていてもよい。このような圧電素子としても、自由端側付加薄膜82が各振動領域22a~22dの振動に影響し難くなるため、上記第3実施形態と同様の効果を得ることができる。
(Modification of the third embodiment)
A modification of the third embodiment will now be described. In the third embodiment, each of the vibration regions 22a to 22d may have a flat trapezoidal shape with a chamfered tip. Even with such a piezoelectric element, the free-end-side additional thin film 82 is less likely to affect the vibration of each of the vibration regions 22a to 22d, so that the same effect as in the third embodiment can be obtained.

(第4実施形態)
第4実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対し、付加薄膜81の形状を変更したものである。その他に関しては、第1実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment will be described. This embodiment is different from the first embodiment in that the shape of the additional thin film 81 is changed. As the rest of the configuration is the same as the first embodiment, a description thereof will be omitted here.

本実施形態の圧電素子では、図10に示されるように、付加薄膜81は、積層方向において、平面楕円形状とされている。言い換えると、付加薄膜81は、角部が面取りされた平面形状とされている。 In the piezoelectric element of this embodiment, as shown in Figure 10, the additional thin film 81 has a planar elliptical shape in the stacking direction. In other words, the additional thin film 81 has a planar shape with chamfered corners.

以上説明した本実施形態によれば、スリット30のうちの支持領域21a側の部分を被覆するように付加薄膜81が備えられているため、上記第1実施形態と同様の効果を得ることができる。 In the present embodiment described above, an additional thin film 81 is provided to cover the portion of the slit 30 on the support region 21a side, thereby achieving the same effects as in the first embodiment.

(1)本実施形態では、付加薄膜81は、積層方向において、角部が面取りされた平面形状とされている。このため、付加薄膜81の所定箇所に応力が集中することを抑制でき、付加薄膜81が剥がれることを抑制できる。なお、特に図示しないが、上記第2実施形態や上記第3実施形態の自由端側付加薄膜82においても、角部が面取りされた平面形状とされることにより、自由端側付加薄膜82が剥がれることを抑制できる。 (1) In this embodiment, the additional thin film 81 has a planar shape with chamfered corners in the stacking direction. This prevents stress from concentrating at specific locations on the additional thin film 81, and prevents the additional thin film 81 from peeling off. Although not specifically shown, the free-end-side additional thin film 82 of the second and third embodiments also has a planar shape with chamfered corners, which prevents the free-end-side additional thin film 82 from peeling off.

(第5実施形態)
第5実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対し、スリット30の形状を変更したものである。その他に関しては、第1実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
Fifth Embodiment
A fifth embodiment will be described. This embodiment is different from the first embodiment in that the shape of the slit 30 is changed. As the rest of the configuration is the same as the first embodiment, a description thereof will be omitted here.

本実施形態の圧電素子では、図11に示されるように、スリット30は、平面矩形状とされた浮遊領域21bの各角部に達するようには形成されておらず、浮遊領域21b内で終端する形状とされている。このため、各振動領域22a~22dは、支持領域21a側の部分で繋がった状態となっている。 In the piezoelectric element of this embodiment, as shown in FIG. 11, the slits 30 are not formed to reach the corners of the floating region 21b, which has a rectangular planar shape, but are shaped to terminate within the floating region 21b. As a result, the vibration regions 22a to 22d are connected at the portion on the support region 21a side.

以上説明した本実施形態によれば、各振動領域22a~22dが支持領域21a側の部分で繋がるようにスリット30を形成しているため、スリット30の開口面積を少なくできる。したがって、上記第1実施形態と同様の効果を得ることができる。 In the present embodiment described above, the slits 30 are formed so that the vibration regions 22a to 22d are connected at the support region 21a side, which reduces the opening area of the slits 30. Therefore, the same effects as in the first embodiment can be achieved.

(他の実施形態)
本開示は、実施形態に準拠して記述されたが、本開示は当該実施形態や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
(Other embodiments)
Although the present disclosure has been described with reference to the embodiments, it is understood that the present disclosure is not limited to the embodiments or structures. The present disclosure also encompasses various modifications and modifications within the scope of equivalents. In addition, various combinations and forms, as well as other combinations and forms including only one element, more than one element, or less than one element, are also within the scope and spirit of the present disclosure.

例えば、上記各実施形態において、浮遊領域21bは、平面形状が矩形状ではなく、五角形状、六角形状、八角形状等の多角形状とされていてもよい。また、浮遊領域21bに形成される振動領域22a~22dの数は適宜変更可能である。さらに、圧電素子は、平面形状が矩形状ではなく、五角形状や六角形状等の多角形状とされていてもよい。 For example, in each of the above embodiments, the floating region 21b may have a polygonal planar shape, such as a pentagonal, hexagonal, or octagonal shape, rather than a rectangular shape. The number of vibration regions 22a to 22d formed in the floating region 21b can be changed as appropriate. Furthermore, the piezoelectric element may have a polygonal planar shape, such as a pentagonal or hexagonal shape, rather than a rectangular shape.

また、上記各実施形態において、振動部20は、少なくとも1層の圧電膜40と、1層の電極膜50とを有する構成とされていればよい。 Furthermore, in each of the above embodiments, the vibration section 20 may be configured to have at least one layer of piezoelectric film 40 and one layer of electrode film 50.

そして、上記各実施形態において、圧電素子には、振動部20に形成される開口部20aや絶縁膜12に形成される開口部12aが形成されていなくてもよい。 In each of the above embodiments, the piezoelectric element does not necessarily have to have an opening 20a formed in the vibrating portion 20 or an opening 12a formed in the insulating film 12.

さらに、上記各実施形態において、各振動領域22a~22dは、それぞれの電荷を検出信号として出力するようにしてもよい。この場合には、各振動領域22a~22dの下層電極膜51および上層電極膜53に第1電極部61が接続され、各振動領域22a~22dの中間電極膜52に第2電極部62が接続される。 Furthermore, in each of the above embodiments, each vibration region 22a-22d may output its own charge as a detection signal. In this case, a first electrode portion 61 is connected to the lower electrode film 51 and upper electrode film 53 of each vibration region 22a-22d, and a second electrode portion 62 is connected to the intermediate electrode film 52 of each vibration region 22a-22d.

そして、上記各実施形態を組み合わせることもできる。例えば、上記第2、第3実施形態を上記第4実施形態に組み合わせ、自由端側付加薄膜82の平面形状を角部が面取りされた形状とするようにしてもよい。 The above embodiments can also be combined. For example, the second and third embodiments can be combined with the fourth embodiment, so that the planar shape of the free-end-side additional thin film 82 has chamfered corners.

10 支持体
20 振動部
21a 支持領域
21b 浮遊領域
22a~22d 振動領域
30 スリット
40 圧電膜
50 電極膜
10 Support 20 Vibration part 21a Support region 21b Floating region 22a to 22d Vibration region 30 Slit 40 Piezoelectric film 50 Electrode film

Claims (3)

支持体(10)上に振動部(20)が配置された圧電素子であって、
前記支持体と、
前記支持体上に配置され、圧電膜(40)および前記圧電膜と接続される電極膜(50)を含み、前記支持体に支持される支持領域(21a)と、前記支持領域と繋がっていると共に前記支持体から浮遊している浮遊領域(21b)とを有する前記振動部と、を備え、
前記浮遊領域は、スリット(30)によって区画された複数の振動領域(22a~22d)を有し、
隣合う前記振動領域は、前記支持領域側の部分で繋がっており、
前記スリットは、前記浮遊領域から前記支持領域に達するように形成されており、
隣合う前記振動領域は、前記スリットのうちの前記支持領域側の部分を被覆する付加薄膜(81)が配置されることにより、前記支持領域側の部分が繋がっており、
隣合う前記振動領域は、前記スリットのうちの前記支持領域側と反対側の部分を被覆する付加薄膜(82)が配置されることより、前記支持領域側と反対側の部分が繋がっており、
前記支持領域側と反対側に配置される付加薄膜は、前記支持領域側に配置される付加薄膜より、厚さが厚くされていると共にヤング率が大きくされている圧電素子。
A piezoelectric element in which a vibration part (20) is disposed on a support (10),
The support;
The vibration unit is disposed on the support, includes a piezoelectric film (40) and an electrode film (50) connected to the piezoelectric film, and has a support region (21a) supported by the support, and a floating region (21b) connected to the support and floating above the support,
The floating region has a plurality of vibration regions (22a to 22d) divided by slits (30),
The adjacent vibration regions are connected at the support region side ,
the slit is formed so as to reach the support region from the floating region,
The adjacent vibration regions are connected to each other by disposing an additional thin film (81) that covers the support region side portion of the slit, and
The adjacent vibration regions are connected to each other by disposing an additional thin film (82) that covers the portion of the slit opposite to the support region side, and
The additional thin film disposed on the side opposite to the support region has a greater thickness and a greater Young's modulus than the additional thin film disposed on the support region side .
支持体(10)上に振動部(20)が配置された圧電素子であって、
前記支持体と、
前記支持体上に配置され、圧電膜(40)および前記圧電膜と接続される電極膜(50)を含み、前記支持体に支持される支持領域(21a)と、前記支持領域と繋がっていると共に前記支持体から浮遊している浮遊領域(21b)とを有する前記振動部と、を備え、
前記浮遊領域は、スリット(30)によって区画された複数の振動領域(22a~22d)を有し、
隣合う前記振動領域は、前記支持領域側の部分で繋がっており、
前記スリットは、前記浮遊領域から前記支持領域に達するように形成されており、
隣合う前記振動領域は、前記スリットのうちの前記支持領域側の部分を被覆する付加薄膜(81)が配置されることにより、前記支持領域側の部分が繋がっており、
隣合う前記振動領域は、前記スリットのうちの前記支持領域側と反対側の部分を被覆する付加薄膜(82)が配置されることより、前記支持領域側と反対側の部分が繋がっており、
前記支持領域側と反対側に配置される付加薄膜は、前記支持領域側に配置される付加薄膜より、厚さが薄くされていると共にヤング率が小さくされている圧電素子。
A piezoelectric element in which a vibration part (20) is disposed on a support (10),
The support;
The vibration unit is disposed on the support, includes a piezoelectric film (40) and an electrode film (50) connected to the piezoelectric film, and has a support region (21a) supported by the support, and a floating region (21b) connected to the support and floating above the support,
The floating region has a plurality of vibration regions (22a to 22d) divided by slits (30),
The adjacent vibration regions are connected at the support region side ,
the slit is formed so as to reach the support region from the floating region,
The adjacent vibration regions are connected to each other by disposing an additional thin film (81) that covers the support region side portion of the slit, and
The adjacent vibration regions are connected to each other by disposing an additional thin film (82) that covers the portion of the slit opposite to the support region side, and
The additional thin film disposed on the side opposite to the support region has a smaller thickness and a smaller Young's modulus than the additional thin film disposed on the support region side .
前記付加薄膜は、角部が面取りされた平面形状とされている請求項1または2に記載の圧電素子。 3. The piezoelectric element according to claim 1 , wherein the additional thin film has a flat shape with chamfered corners.
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