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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022167985
(43)【公開日】2022-11-04
(54)【発明の名称】圧電素子
(51)【国際特許分類】
H01L 41/053 20060101AFI20221027BHJP
H01L 41/113 20060101ALI20221027BHJP
H01L 41/083 20060101ALI20221027BHJP
H01L 41/047 20060101ALI20221027BHJP
H01L 41/187 20060101ALI20221027BHJP
H04R 17/02 20060101ALI20221027BHJP
【ＦＩ】
H01L41/053
H01L41/113
H01L41/083
H01L41/047
H01L41/187
H04R17/02
【審査請求】有
【請求項の数】15
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022135099
(22)【出願日】2022-08-26
(62)【分割の表示】P 2021567112の分割
【原出願日】2020-12-01
(31)【優先権主張番号】PCT/JP2020/040471
(32)【優先日】2020-10-28
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(31)【優先権主張番号】P 2019235224
(32)【優先日】2019-12-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(31)【優先権主張番号】P 2020125990
(32)【優先日】2020-07-24
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(31)【優先権主張番号】P 2020177170
(32)【優先日】2020-10-22
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
(74)【代理人】
【識別番号】110001128
【氏名又は名称】弁理士法人ゆうあい特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】馬渡 和明
(72)【発明者】
【氏名】酒井 峰一
(72)【発明者】
【氏名】小山 友二
(57)【要約】
【課題】検出精度の向上を図ることができる圧電素子を提供する。
【解決手段】支持体と、支持体上に配置され、圧電膜と、圧電膜と接続されて圧電膜が変形することによって発生する電荷を取り出す電極膜とを含む構成とされ、支持体に支持される支持領域２１ａと、支持領域２１ａと繋がっており、支持体から浮遊している複数の振動領域２２とを有し、電荷に基づいた圧力検出信号を出力する振動部２０と、を備える。電極膜は、第１領域Ｒ１に形成されるようにする。そして、圧力検出信号の検出精度を向上させる向上部６２を形成する。
【選択図】図１９
【解決手段】支持体と、支持体上に配置され、圧電膜と、圧電膜と接続されて圧電膜が変形することによって発生する電荷を取り出す電極膜とを含む構成とされ、支持体に支持される支持領域２１ａと、支持領域２１ａと繋がっており、支持体から浮遊している複数の振動領域２２とを有し、電荷に基づいた圧力検出信号を出力する振動部２０と、を備える。電極膜は、第１領域Ｒ１に形成されるようにする。そして、圧力検出信号の検出精度を向上させる向上部６２を形成する。
【選択図】図１９
【特許請求の範囲】
【請求項1】
圧力に応じた圧力検出信号を出力する振動部（２０）を有する圧電素子であって、
支持体（１０）と、
前記支持体上に配置され、圧電膜（５０）と、前記圧電膜と接続されて前記圧電膜が変形することによって発生する電荷を取り出す電極膜（６０）とを含む構成とされ、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おり、前記支持体から浮遊している複数の振動領域（２２）とを有し、前記電荷に基づいた前記圧力検出信号を出力する前記振動部と、を備え、
前記複数の振動領域は、それぞれ前記支持領域との境界となる一端部（２２ａ）が固定端とされると共に他端部（２２ｂ）が自由端とされ、前記一端部側の領域が第１領域（Ｒ１）とされると共に、前記他端部側の領域が第２領域（Ｒ２）とされており、
前記電極膜は、前記第１領域に形成されており、
前記圧力検出信号の検出精度を向上させる向上部（６１～６３、１４０、Ｒ１、Ｒ２）を備え、
それぞれの前記振動領域における前記電極膜および前記圧電膜は、下層電極膜（６１）、下層圧電膜（５１）、中間電極膜（６２）、上層圧電膜（５２）、上層電極膜（６３）が前記支持体側から順に積層されて配置され、
それぞれの前記振動領域における前記中間電極膜は、前記向上部として、面積が等しくされた複数の電荷領域（６２０、６２１～６２３）に分割されていると共に、前記電荷領域が直列に接続されており、
前記振動部は、前記下層電極膜と前記中間電極膜の電荷領域との間に発生する電荷、および前記上層電極膜と前記中間電極膜の電荷領域との間に発生する電荷に基づいた前記圧力検出信号を出力する圧電素子。
支持体（１０）と、
前記支持体上に配置され、圧電膜（５０）と、前記圧電膜と接続されて前記圧電膜が変形することによって発生する電荷を取り出す電極膜（６０）とを含む構成とされ、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おり、前記支持体から浮遊している複数の振動領域（２２）とを有し、前記電荷に基づいた前記圧力検出信号を出力する前記振動部と、を備え、
前記複数の振動領域は、それぞれ前記支持領域との境界となる一端部（２２ａ）が固定端とされると共に他端部（２２ｂ）が自由端とされ、前記一端部側の領域が第１領域（Ｒ１）とされると共に、前記他端部側の領域が第２領域（Ｒ２）とされており、
前記電極膜は、前記第１領域に形成されており、
前記圧力検出信号の検出精度を向上させる向上部（６１～６３、１４０、Ｒ１、Ｒ２）を備え、
それぞれの前記振動領域における前記電極膜および前記圧電膜は、下層電極膜（６１）、下層圧電膜（５１）、中間電極膜（６２）、上層圧電膜（５２）、上層電極膜（６３）が前記支持体側から順に積層されて配置され、
それぞれの前記振動領域における前記中間電極膜は、前記向上部として、面積が等しくされた複数の電荷領域（６２０、６２１～６２３）に分割されていると共に、前記電荷領域が直列に接続されており、
前記振動部は、前記下層電極膜と前記中間電極膜の電荷領域との間に発生する電荷、および前記上層電極膜と前記中間電極膜の電荷領域との間に発生する電荷に基づいた前記圧力検出信号を出力する圧電素子。
【請求項2】
前記複数の電荷領域は、最大感度の９０％以上となる数とされている請求項１に記載の圧電素子。
【請求項3】
前記複数の振動領域における第１領域および第２領域は、前記振動領域を前記一端部と交差する方向に複数に分割した仮想領域（Ｍ）において、前記仮想領域の容量をＣとし、当該仮想領域に発生する応力の平均値をσとすると、前記向上部として、それぞれの前記仮想領域におけるＣ×σ２が最大となる領域を繋ぐ境界線で区画されている請求項１または２に記載の圧電素子。
【請求項4】
前記複数の振動領域における第１領域および第２領域は、前記振動領域を前記一端部と交差する方向に複数に分割した仮想領域（Ｍ）において、前記仮想領域の面積をＳとし、前記仮想領域に発生する応力の和をσｓｕｍとすると、前記向上部として、それぞれの前記仮想領域における（σｓｕｍ）２／Ｓが最大となる領域を繋ぐ境界線で区画されている請求項１または２に記載の圧電素子。
【請求項5】
前記複数の振動領域は、平面三角形状とされており、
前記複数の振動領域における第１領域および第２領域は、前記向上部として、前記振動領域を前記一端部が３等分となるように分割して３つの三角形を構成し、３つの三角形の重心位置（Ｃ）と、前記一端部の両端部とを繋ぐ境界線で区画されている請求項１または２に記載の圧電素子。
前記複数の振動領域における第１領域および第２領域は、前記向上部として、前記振動領域を前記一端部が３等分となるように分割して３つの三角形を構成し、３つの三角形の重心位置（Ｃ）と、前記一端部の両端部とを繋ぐ境界線で区画されている請求項１または２に記載の圧電素子。
【請求項6】
圧力に応じた圧力検出信号を出力する振動部（２０）を有する圧電素子であって、
支持体（１０）と、
前記支持体上に配置され、圧電膜（５０）と、前記圧電膜と接続されて前記圧電膜が変形することによって発生する電荷を取り出す電極膜（６０）とを含む構成とされ、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おり、前記支持体から浮遊している複数の振動領域（２２）とを有し、前記電荷に基づいた前記圧力検出信号を出力する前記振動部と、を備え、
前記複数の振動領域は、それぞれ前記支持領域との境界となる一端部（２２ａ）が固定端とされると共に他端部（２２ｂ）が自由端とされ、前記一端部側の領域が第１領域（Ｒ１）とされると共に、前記他端部側の領域が第２領域（Ｒ２）とされており、
前記電極膜は、前記第１領域に形成されており、
前記圧力検出信号の検出精度を向上させる向上部（６１～６３、１４０、Ｒ１、Ｒ２）を備え、
前記複数の振動領域における第１領域および第２領域は、前記振動領域を前記一端部と交差する方向に複数に分割した仮想領域（Ｍ）において、前記仮想領域の容量をＣとし、当該仮想領域に発生する応力の平均値をσとすると、前記向上部として、それぞれの前記仮想領域におけるＣ×σ２が最大となる領域を繋ぐ境界線で区画されている圧電素子。
支持体（１０）と、
前記支持体上に配置され、圧電膜（５０）と、前記圧電膜と接続されて前記圧電膜が変形することによって発生する電荷を取り出す電極膜（６０）とを含む構成とされ、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おり、前記支持体から浮遊している複数の振動領域（２２）とを有し、前記電荷に基づいた前記圧力検出信号を出力する前記振動部と、を備え、
前記複数の振動領域は、それぞれ前記支持領域との境界となる一端部（２２ａ）が固定端とされると共に他端部（２２ｂ）が自由端とされ、前記一端部側の領域が第１領域（Ｒ１）とされると共に、前記他端部側の領域が第２領域（Ｒ２）とされており、
前記電極膜は、前記第１領域に形成されており、
前記圧力検出信号の検出精度を向上させる向上部（６１～６３、１４０、Ｒ１、Ｒ２）を備え、
前記複数の振動領域における第１領域および第２領域は、前記振動領域を前記一端部と交差する方向に複数に分割した仮想領域（Ｍ）において、前記仮想領域の容量をＣとし、当該仮想領域に発生する応力の平均値をσとすると、前記向上部として、それぞれの前記仮想領域におけるＣ×σ２が最大となる領域を繋ぐ境界線で区画されている圧電素子。
【請求項7】
圧力に応じた圧力検出信号を出力する振動部（２０）を有する圧電素子であって、
支持体（１０）と、
前記支持体上に配置され、圧電膜（５０）と、前記圧電膜と接続されて前記圧電膜が変形することによって発生する電荷を取り出す電極膜（６０）とを含む構成とされ、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おり、前記支持体から浮遊している複数の振動領域（２２）とを有し、前記電荷に基づいた前記圧力検出信号を出力する前記振動部と、を備え、
前記複数の振動領域は、それぞれ前記支持領域との境界となる一端部（２２ａ）が固定端とされると共に他端部（２２ｂ）が自由端とされ、前記一端部側の領域が第１領域（Ｒ１）とされると共に、前記他端部側の領域が第２領域（Ｒ２）とされており、
前記電極膜は、前記第１領域に形成されており、
前記圧力検出信号の検出精度を向上させる向上部（６１～６３、１４０、Ｒ１、Ｒ２）を備え、
前記複数の振動領域における第１領域および第２領域は、前記振動領域を前記一端部と交差する方向に複数に分割した仮想領域（Ｍ）において、前記仮想領域の面積をＳとし、前記仮想領域に発生する応力の和をσｓｕｍとすると、前記向上部として、それぞれの前記仮想領域における（σｓｕｍ）２／Ｓが最大となる領域を繋ぐ境界線で区画されている圧電素子。
支持体（１０）と、
前記支持体上に配置され、圧電膜（５０）と、前記圧電膜と接続されて前記圧電膜が変形することによって発生する電荷を取り出す電極膜（６０）とを含む構成とされ、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おり、前記支持体から浮遊している複数の振動領域（２２）とを有し、前記電荷に基づいた前記圧力検出信号を出力する前記振動部と、を備え、
前記複数の振動領域は、それぞれ前記支持領域との境界となる一端部（２２ａ）が固定端とされると共に他端部（２２ｂ）が自由端とされ、前記一端部側の領域が第１領域（Ｒ１）とされると共に、前記他端部側の領域が第２領域（Ｒ２）とされており、
前記電極膜は、前記第１領域に形成されており、
前記圧力検出信号の検出精度を向上させる向上部（６１～６３、１４０、Ｒ１、Ｒ２）を備え、
前記複数の振動領域における第１領域および第２領域は、前記振動領域を前記一端部と交差する方向に複数に分割した仮想領域（Ｍ）において、前記仮想領域の面積をＳとし、前記仮想領域に発生する応力の和をσｓｕｍとすると、前記向上部として、それぞれの前記仮想領域における（σｓｕｍ）２／Ｓが最大となる領域を繋ぐ境界線で区画されている圧電素子。
【請求項8】
圧力に応じた圧力検出信号を出力する振動部（２０）を有する圧電素子であって、
支持体（１０）と、
前記支持体上に配置され、圧電膜（５０）と、前記圧電膜と接続されて前記圧電膜が変形することによって発生する電荷を取り出す電極膜（６０）とを含む構成とされ、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おり、前記支持体から浮遊している複数の振動領域（２２）とを有し、前記電荷に基づいた前記圧力検出信号を出力する前記振動部と、を備え、
前記複数の振動領域は、それぞれ前記支持領域との境界となる一端部（２２ａ）が固定端とされると共に他端部（２２ｂ）が自由端とされ、前記一端部側の領域が第１領域（Ｒ１）とされると共に、前記他端部側の領域が第２領域（Ｒ２）とされており、
前記電極膜は、前記第１領域に形成されており、
前記圧力検出信号の検出精度を向上させる向上部（６１～６３、１４０、Ｒ１、Ｒ２）を備え、
前記複数の振動領域は、平面三角形状とされており、
前記複数の振動領域における第１領域および第２領域は、前記向上部として、前記振動領域を前記一端部が３等分となるように分割して３つの三角形を構成し、３つの三角形の重心位置（Ｃ）と、前記一端部の両端部とを繋ぐ境界線で区画されている圧電素子。
支持体（１０）と、
前記支持体上に配置され、圧電膜（５０）と、前記圧電膜と接続されて前記圧電膜が変形することによって発生する電荷を取り出す電極膜（６０）とを含む構成とされ、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おり、前記支持体から浮遊している複数の振動領域（２２）とを有し、前記電荷に基づいた前記圧力検出信号を出力する前記振動部と、を備え、
前記複数の振動領域は、それぞれ前記支持領域との境界となる一端部（２２ａ）が固定端とされると共に他端部（２２ｂ）が自由端とされ、前記一端部側の領域が第１領域（Ｒ１）とされると共に、前記他端部側の領域が第２領域（Ｒ２）とされており、
前記電極膜は、前記第１領域に形成されており、
前記圧力検出信号の検出精度を向上させる向上部（６１～６３、１４０、Ｒ１、Ｒ２）を備え、
前記複数の振動領域は、平面三角形状とされており、
前記複数の振動領域における第１領域および第２領域は、前記向上部として、前記振動領域を前記一端部が３等分となるように分割して３つの三角形を構成し、３つの三角形の重心位置（Ｃ）と、前記一端部の両端部とを繋ぐ境界線で区画されている圧電素子。
【請求項9】
前記複数の振動領域は、前記向上部として、前記他端部が前記一端部に対して反っており、
前記振動部は、前記向上部として、前記複数の振動領域からそれぞれ前記圧力検出信号を出力する請求項１ないし８のいずれか１つに記載の圧電素子。
前記振動部は、前記向上部として、前記複数の振動領域からそれぞれ前記圧力検出信号を出力する請求項１ないし８のいずれか１つに記載の圧電素子。
【請求項10】
圧力に応じた圧力検出信号を出力する振動部（２０）を有する圧電素子であって、
支持体（１０）と、
前記支持体上に配置され、圧電膜（５０）と、前記圧電膜と接続されて前記圧電膜が変形することによって発生する電荷を取り出す電極膜（６０）とを含む構成とされ、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おり、前記支持体から浮遊している複数の振動領域（２２）とを有し、前記電荷に基づいた前記圧力検出信号を出力する前記振動部と、を備え、
前記複数の振動領域は、それぞれ前記支持領域との境界となる一端部（２２ａ）が固定端とされると共に他端部（２２ｂ）が自由端とされ、前記一端部側の領域が第１領域（Ｒ１）とされると共に、前記他端部側の領域が第２領域（Ｒ２）とされており、
前記電極膜は、前記第１領域に形成されており、
前記圧力検出信号の検出精度を向上させる向上部（６１～６３、１４０、Ｒ１、Ｒ２）を備え、
前記複数の振動領域は、前記向上部として、前記他端部が前記一端部に対して反っており、
前記振動部は、前記向上部として、前記複数の振動領域からそれぞれ前記圧力検出信号を出力する圧電素子。
支持体（１０）と、
前記支持体上に配置され、圧電膜（５０）と、前記圧電膜と接続されて前記圧電膜が変形することによって発生する電荷を取り出す電極膜（６０）とを含む構成とされ、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おり、前記支持体から浮遊している複数の振動領域（２２）とを有し、前記電荷に基づいた前記圧力検出信号を出力する前記振動部と、を備え、
前記複数の振動領域は、それぞれ前記支持領域との境界となる一端部（２２ａ）が固定端とされると共に他端部（２２ｂ）が自由端とされ、前記一端部側の領域が第１領域（Ｒ１）とされると共に、前記他端部側の領域が第２領域（Ｒ２）とされており、
前記電極膜は、前記第１領域に形成されており、
前記圧力検出信号の検出精度を向上させる向上部（６１～６３、１４０、Ｒ１、Ｒ２）を備え、
前記複数の振動領域は、前記向上部として、前記他端部が前記一端部に対して反っており、
前記振動部は、前記向上部として、前記複数の振動領域からそれぞれ前記圧力検出信号を出力する圧電素子。
【請求項11】
前記複数の振動領域は、前記第２領域に、前記向上部として、前記圧電膜よりも反射率の高い反射膜（１４０）が配置されている請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の圧電素子。
【請求項12】
前記反射膜は、前記圧電膜よりもヤング率の低い材料で構成されている請求項１１に記載の圧電素子。
【請求項13】
圧力に応じた圧力検出信号を出力する振動部（２０）を有する圧電素子であって、
支持体（１０）と、
前記支持体上に配置され、圧電膜（５０）と、前記圧電膜と接続されて前記圧電膜が変形することによって発生する電荷を取り出す電極膜（６０）とを含む構成とされ、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おり、前記支持体から浮遊している複数の振動領域（２２）とを有し、前記電荷に基づいた前記圧力検出信号を出力する前記振動部と、を備え、
前記複数の振動領域は、それぞれ前記支持領域との境界となる一端部（２２ａ）が固定端とされると共に他端部（２２ｂ）が自由端とされ、前記一端部側の領域が第１領域（Ｒ１）とされると共に、前記他端部側の領域が第２領域（Ｒ２）とされており、
前記電極膜は、前記第１領域に形成されており、
前記圧力検出信号の検出精度を向上させる向上部（６１～６３、１４０、Ｒ１、Ｒ２）を備え、
前記複数の振動領域は、前記第２領域に、前記向上部として、前記圧電膜よりも反射率の高い反射膜（１４０）が配置されており、
前記反射膜は、前記圧電膜よりもヤング率の低い材料で構成されている圧電素子。
支持体（１０）と、
前記支持体上に配置され、圧電膜（５０）と、前記圧電膜と接続されて前記圧電膜が変形することによって発生する電荷を取り出す電極膜（６０）とを含む構成とされ、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おり、前記支持体から浮遊している複数の振動領域（２２）とを有し、前記電荷に基づいた前記圧力検出信号を出力する前記振動部と、を備え、
前記複数の振動領域は、それぞれ前記支持領域との境界となる一端部（２２ａ）が固定端とされると共に他端部（２２ｂ）が自由端とされ、前記一端部側の領域が第１領域（Ｒ１）とされると共に、前記他端部側の領域が第２領域（Ｒ２）とされており、
前記電極膜は、前記第１領域に形成されており、
前記圧力検出信号の検出精度を向上させる向上部（６１～６３、１４０、Ｒ１、Ｒ２）を備え、
前記複数の振動領域は、前記第２領域に、前記向上部として、前記圧電膜よりも反射率の高い反射膜（１４０）が配置されており、
前記反射膜は、前記圧電膜よりもヤング率の低い材料で構成されている圧電素子。
【請求項14】
前記電極膜および前記圧電膜は、下層電極膜（６１）、下層圧電膜（５１）、中間電極膜（６２）、上層圧電膜（５２）、上層電極膜（６３）が前記支持体側から順に積層されて配置され、
前記下層電極膜、前記中間電極膜、前記上層電極膜は、前記向上部として、前記下層電極膜および前記上層電極膜の膜厚が前記中間電極膜の膜厚より薄くされ、前記下層電極膜と前記上層電極膜との剛性が等しくされている請求項１ないし１３のいずれか１つに記載の圧電素子。
前記下層電極膜、前記中間電極膜、前記上層電極膜は、前記向上部として、前記下層電極膜および前記上層電極膜の膜厚が前記中間電極膜の膜厚より薄くされ、前記下層電極膜と前記上層電極膜との剛性が等しくされている請求項１ないし１３のいずれか１つに記載の圧電素子。
【請求項15】
圧力に応じた圧力検出信号を出力する振動部（２０）を有する圧電素子であって、
支持体（１０）と、
前記支持体上に配置され、圧電膜（５０）と、前記圧電膜と接続されて前記圧電膜が変形することによって発生する電荷を取り出す電極膜（６０）とを含む構成とされ、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おり、前記支持体から浮遊している複数の振動領域（２２）とを有し、前記電荷に基づいた前記圧力検出信号を出力する前記振動部と、を備え、
前記複数の振動領域は、それぞれ前記支持領域との境界となる一端部（２２ａ）が固定端とされると共に他端部（２２ｂ）が自由端とされ、前記一端部側の領域が第１領域（Ｒ１）とされると共に、前記他端部側の領域が第２領域（Ｒ２）とされており、
前記電極膜は、前記第１領域に形成されており、
前記圧力検出信号の検出精度を向上させる向上部（６１～６３、１４０、Ｒ１、Ｒ２）を備え、
前記電極膜および前記圧電膜は、下層電極膜（６１）、下層圧電膜（５１）、中間電極膜（６２）、上層圧電膜（５２）、上層電極膜（６３）が前記支持体側から順に積層されて配置され、
前記下層電極膜、前記中間電極膜、前記上層電極膜は、前記向上部として、前記下層電極膜および前記上層電極膜の膜厚が前記中間電極膜の膜厚より薄くされ、前記下層電極膜と前記上層電極膜との剛性が等しくされている圧電素子。
支持体（１０）と、
前記支持体上に配置され、圧電膜（５０）と、前記圧電膜と接続されて前記圧電膜が変形することによって発生する電荷を取り出す電極膜（６０）とを含む構成とされ、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おり、前記支持体から浮遊している複数の振動領域（２２）とを有し、前記電荷に基づいた前記圧力検出信号を出力する前記振動部と、を備え、
前記複数の振動領域は、それぞれ前記支持領域との境界となる一端部（２２ａ）が固定端とされると共に他端部（２２ｂ）が自由端とされ、前記一端部側の領域が第１領域（Ｒ１）とされると共に、前記他端部側の領域が第２領域（Ｒ２）とされており、
前記電極膜は、前記第１領域に形成されており、
前記圧力検出信号の検出精度を向上させる向上部（６１～６３、１４０、Ｒ１、Ｒ２）を備え、
前記電極膜および前記圧電膜は、下層電極膜（６１）、下層圧電膜（５１）、中間電極膜（６２）、上層圧電膜（５２）、上層電極膜（６３）が前記支持体側から順に積層されて配置され、
前記下層電極膜、前記中間電極膜、前記上層電極膜は、前記向上部として、前記下層電極膜および前記上層電極膜の膜厚が前記中間電極膜の膜厚より薄くされ、前記下層電極膜と前記上層電極膜との剛性が等しくされている圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、振動領域が片持ち支持された圧電素子に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来より、振動領域が片持ち支持された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、振動領域は、圧電膜と、圧電膜と接続された電極膜とを有する構成とされている。そして、このような圧電素子は、音響圧力（以下では、単に音圧ともいう）等によって振動領域が振動することにより、圧電膜が変形して圧電膜に電荷が発生する。このため、電極膜を介して圧電膜に発生した電荷を取り出すことにより、振動領域に印加された音圧が検出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特許５９３６１５４号公報
【発明の概要】
【0004】
ところで、現状では、このような片持ち支持された振動領域を有する圧電素子において、検出精度を向上させることが望まれている。
【0005】
本開示は、検出精度の向上を図ることができる圧電素子を提供することを目的とする。
【0006】
本開示の１つの観点によれば、圧電素子は、支持体と、支持体上に配置され、圧電膜と、圧電膜と接続されて圧電膜が変形することによって発生する電荷を取り出す電極膜とを含む構成とされ、支持体に支持される支持領域と、支持領域と繋がっており、支持体から浮遊している複数の振動領域とを有し、電荷に基づいた圧力検出信号を出力する振動部と、を備え、複数の振動領域は、それぞれ支持領域との境界となる一端部が固定端とされると共に他端部が自由端とされ、一端部側の領域が第１領域とされると共に、他端部側の領域が第２領域とされており、電極膜は、第１領域に形成されており、圧力検出信号の検出精度を向上させる向上部が形成されている。
【0007】
これによれば、圧力検出信号の精度を向上させる向上部が形成されているため、検出精度の向上を図ることができる。
【0008】
この場合、本開示の１つの観点によれば、それぞれの振動領域における電極膜および圧電膜は、下層電極膜、下層圧電膜、中間電極膜、上層圧電膜、上層電極膜が支持体側から順に積層されて配置され、それぞれの振動領域における中間電極膜は、向上部として、面積が等しくされた複数の電荷領域に分割されていると共に、電荷領域が直列に接続されており、振動部は、下層電極膜と中間電極膜の電荷領域との間に発生する電荷、および上層電極膜と中間電極膜の電荷領域との間に発生する電荷に基づいた圧力検出信号を出力する。
【0009】
また、本開示の別の観点によれば、複数の振動領域における第１領域および第２領域は、振動領域を一端部と交差する方向に複数に分割した仮想領域において、仮想領域の容量をＣとし、当該仮想領域に発生する応力の平均値をσとすると、向上部として、それぞれの仮想領域におけるＣ×σ２が最大となる領域を繋ぐ境界線で区画されている。
また、本開示の別の観点によれば、複数の振動領域における第１領域および第２領域は、振動領域を一端部と交差する方向に複数に分割した仮想領域において、仮想領域の面積をＳとし、仮想領域に発生する応力の和をσｓｕｍとすると、向上部として、それぞれの仮想領域における（σｓｕｍ）２／Ｓが最大となる領域を繋ぐ境界線で区画されている。
また、本開示の別の観点によれば、複数の振動領域は、平面三角形状とされており、複数の振動領域における第１領域および第２領域は、向上部として、振動領域を一端部が３等分となるように分割して３つの三角形を構成し、３つの三角形の重心位置と、一端部の両端部とを繋ぐ境界線で区画されている。
また、本開示の別の観点によれば、複数の振動領域における第１領域および第２領域は、振動領域を一端部と交差する方向に複数に分割した仮想領域において、仮想領域の面積をＳとし、仮想領域に発生する応力の和をσｓｕｍとすると、向上部として、それぞれの仮想領域における（σｓｕｍ）２／Ｓが最大となる領域を繋ぐ境界線で区画されている。
また、本開示の別の観点によれば、複数の振動領域は、平面三角形状とされており、複数の振動領域における第１領域および第２領域は、向上部として、振動領域を一端部が３等分となるように分割して３つの三角形を構成し、３つの三角形の重心位置と、一端部の両端部とを繋ぐ境界線で区画されている。
【0010】
また、本開示の別の観点によれば、複数の振動領域は、向上部として、他端部が一端部に対して反っており、振動部は、向上部として、複数の振動領域からそれぞれ圧力検出信号を出力する。
【0011】
また、本開示の別の観点によれば、複数の振動領域は、第２領域に、向上部として、圧電膜よりも反射率の高い反射膜が配置されており、反射膜は、圧電膜よりもヤング率の低い材料で構成されている。
また、本開示の別の観点によれば、電極膜および圧電膜は、下層電極膜、下層圧電膜、中間電極膜、上層圧電膜、上層電極膜が支持体側から順に積層されて配置され、下層電極膜、中間電極膜、上層電極膜は、向上部として、下層電極膜および上層電極膜の膜厚が中間電極膜の膜厚より薄くされ、下層電極膜と上層電極膜との剛性が等しくされている。
また、本開示の別の観点によれば、電極膜および圧電膜は、下層電極膜、下層圧電膜、中間電極膜、上層圧電膜、上層電極膜が支持体側から順に積層されて配置され、下層電極膜、中間電極膜、上層電極膜は、向上部として、下層電極膜および上層電極膜の膜厚が中間電極膜の膜厚より薄くされ、下層電極膜と上層電極膜との剛性が等しくされている。
【0012】
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。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】第１実施形態における圧電素子の断面図である。
【図3】第１実施形態の変形例における圧電素子の平面図である。
【図4】第２実施形態における圧電素子の平面図である。
【図5】第３実施形態における圧電素子の平面図である。
【図6】第４実施形態における圧電素子の平面図である。
【図7】第５実施形態における圧電素子の断面図である。
【図8】第６実施形態における圧電素子の平面図である。
【図9】第７実施形態における圧電素子の平面図である。
【図10】各センシング部の周波数と感度との関係を説明するための図である。
【図11】第８実施形態における圧電素子の断面図である。
【図12】第９実施形態における圧電素子の断面図である。
【図14】第９実施形態における圧電装置の断面図である。
【図15】Ｃｂ／Ｃｍと感度比との関係を示す図である。
【図16】第１０実施形態における圧電素子の平面図である。
【図17】第１０実施形態における圧電装置の断面図である。
【図18】センシング部、寄生容量、および回路基板の接続関係を示す回路図である。
【図19】第１１実施形態における中間電極膜の形状を示す平面図である。
【図20】第１１実施形態の変形例における中間電極膜の形状を示す平面図である。
【図21】第１２実施形態における圧電素子の応力分布を示す図である。
【図22】第１２実施形態における圧電素子の平面図である。
【図23】振動領域における静電エネルギーの考え方を説明するための図である。
【図25】第１２実施形態の変形例における振動領域を第１領域と第２領域とに区画した模式図である。
【図26】第１３実施形態の振動領域における静電エネルギーの考え方を説明するための図である。
【図28】第１４実施形態における圧電素子の断面図である。
【図29】圧電装置を構成した場合の回路図である。
【図30A】振動領域に音圧が印加された場合の模式図である。
【図30B】振動領域に音圧が印加された場合の模式図である。
【図31】第１４実施形態の変形例における圧電装置を構成した場合の回路図である。
【図32】第１５実施形態における圧電素子の断面図である。
【図33】圧電素子の製造工程を示す断面図である。
【図34】圧電素子の製造工程を示す断面図である。
【図35】第１６実施形態における圧電装置の断面図である。
【図36】第１６実施形態における圧電素子の平面図である。
【図37】第１６実施形態における圧電装置の回路図である。
【図38】振動領域における周波数と共振倍率との関係を示す図である。
【図39】第１７実施形態における圧電素子の断面図である。
【図40】振動領域に荷重が印加された際の模式図である。
【図43A】第１８実施形態における振動領域の長さが４４０μｍである場合の、電極領域の数と感度との関係を示す図である。
【図43B】第１８実施形態における振動領域の長さが４９０μｍである場合の、電極領域の数と感度との関係を示す図である。
【図43C】第１８実施形態における振動領域の長さが５４０μｍである場合の、電極領域の数と感度との関係を示す図である。
【図44】第１９実施形態における圧電装置の断面図である。
【図45】周波数と感度との関係を示す図である。
【図46】バック空間の音響コンプライアンスと、必要な音響抵抗との関係を示す図である。
【図47】音響抵抗と分離用スリットの幅との関係を示す図である。
【図48】受圧面空間の音響コンプライアンスに対するバック空間の音響コンプライアンスの比と、信号強度比との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本開示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。
【0015】
（第１実施形態）
第１実施形態の圧電素子１について、図１および図２を参照しつつ説明する。なお、本実施形態の圧電素子１は、例えば、マイクロフォンとして利用されると好適である。また、図１は、図２中のI－I線に沿った断面図に相当している。なお、図２では、後述する第１電極部７１および第２電極部７２等を省略して示している。また、図２に対応する各図においても、第１電極部７１および第２電極部７２等を適宜省略して示している。
第１実施形態の圧電素子１について、図１および図２を参照しつつ説明する。なお、本実施形態の圧電素子１は、例えば、マイクロフォンとして利用されると好適である。また、図１は、図２中のI－I線に沿った断面図に相当している。なお、図２では、後述する第１電極部７１および第２電極部７２等を省略して示している。また、図２に対応する各図においても、第１電極部７１および第２電極部７２等を適宜省略して示している。
【0016】
本実施形態の圧電素子１は、支持体１０と、振動部２０とを備えている。支持体１０は、支持基板１１と、支持基板１１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。
【0017】
振動部２０は、音圧等の圧力に応じた圧力検出信号を出力するセンシング部３０を構成するものであり、支持体１０上に配置されている。そして、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。なお、凹部１０ａは、振動部２０側の開口端（以下では、単に凹部１０ａの開口端ともいう）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は、平面略矩形状とされている。
【0018】
そして、本実施形態の浮遊領域２１ｂは、４つの振動領域２２が構成されるように、分離用スリット４１と、応力増加用スリット４２とによって分割されている。本実施形態では、分離用スリット４１は、浮遊領域２１ｂの略中心を通り、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。但し、本実施形態の分離用スリット４１は、浮遊領域２１ｂ内で終端している。そして、浮遊領域２１ｂは、具体的には後述するが、応力増加用スリット４２が分離用スリット４１と連結されると共に浮遊領域における支持領域２１ａ側の端部まで延設されることにより、４つの振動領域２２に分割されている。なお、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２２同士の間隔（すなわち、分離用スリット４１の幅）は、１μｍ程度とされている。
【0019】
そして、各振動領域２２は、上記のように浮遊領域２１ｂが分割されて構成されるため、それぞれ一端部２２ａが支持体１０（すなわち、支持領域２１ａ）に支持された固定端とされ、他端部２２ｂ側が自由端とされている。つまり、各振動領域２２は、支持領域２１ａと繋がった状態となっていると共に、片持ち支持された状態となっている。なお、各振動領域２２における一端部２２ａとは、振動部２０の面方向に対する法線方向（以下では、単に法線方向ともいう）において、凹部１０ａの開口端と一致する部分のことであり、支持領域２１ａとの境界となる部分のことである。このため、各振動領域２２における一端部２２ａの形状は、凹部１０ａの開口端に依存した形状となる。
【0020】
振動部２０は、圧電膜５０、および圧電膜５０と接続される電極膜６０を有する構成とされている。具体的には、圧電膜５０は、下層圧電膜５１と、下層圧電膜５１上に積層される上層圧電膜５２とを有している。また、電極膜６０は、下層圧電膜５１の下方に配置された下層電極膜６１、下層圧電膜５１と上層圧電膜５２との間に配置された中間電極膜６２、および上層圧電膜５２上に配置された上層電極膜６３を有している。つまり、振動部２０は、下層圧電膜５１が下層電極膜６１と中間電極膜６２とで挟み込まれており、上層圧電膜５２が中間電極膜６２と上層電極膜６３とで挟み込まれた状態となっている。なお、圧電膜５０は、スパッタ法等によって形成される。
【0021】
また、各振動領域２２は、固定端側が第１領域Ｒ１とされ、自由端側が第２領域Ｒ２とされている。そして、下層電極膜６１、中間電極膜６２、上層電極膜６３は、それぞれ第１領域Ｒ１および第２領域Ｒ２に形成されている。但し、第１領域Ｒ１に形成された下層電極膜６１、中間電極膜６２、上層電極膜６３と、第２領域Ｒ２に形成された下層電極膜６１、中間電極膜６２、上層電極膜６３とは、分離しており、絶縁された状態となっている。また、第１領域Ｒ１に形成された下層電極膜６１、中間電極膜６２、上層電極膜６３は、支持領域２１ａまで適宜延設されている。
【0022】
振動部２０の支持領域２１ａには、第１領域Ｒ１に形成された下層電極膜６１および上層電極膜６３と電気的に接続される第１電極部７１と、第１領域Ｒ１に形成された中間電極膜６２と電気的に接続される第２電極部７２とが形成されている。なお、図１は、図２中のI－I線に沿った断面図であり、紙面左側の振動領域２２と紙面右側の振動領域２２とは異なる断面を示している。そして、支持領域２１ａには、第１領域Ｒ１に形成された下層電極膜６１および上層電極膜６３と電気的に接続される第１電極部７１、および第１領域Ｒ１に形成された中間電極膜６２と電気的に接続される第２電極部７２がそれぞれ形成されている。
【0023】
第１電極部７１は、上層電極膜６３、上層圧電膜５２、下層圧電膜５１を貫通して下層電極膜６１を露出させる孔部７１ａに形成され、下層電極膜６１および上層電極膜６３と電気的に接続される貫通電極７１ｂを有している。また、第１電極部７１は、貫通電極７１ｂ上に形成されて貫通電極７１ｂと電気的に接続されるパッド部７１ｃを有している。第２電極部７２は、上層圧電膜５２を貫通して中間電極膜６２を露出させる孔部７２ａに形成され、中間電極膜６２と電気的に接続される貫通電極７２ｂを有している。また、第２電極部７２は、貫通電極７２ｂ上に形成されて貫通電極７２ｂと電気的に接続されるパッド部７２ｃを有している。
【0024】
なお、本実施形態のセンシング部３０は、４つの振動領域２２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。つまり、４つの振動領域２２は、電気的に直列に接続されている。より詳しくは、各振動領域２２はバイモルフ構造とされており、各振動領域２２に形成される各下層電極膜６１、各中間電極膜６２、各上層電極膜６３がそれぞれ並列に接続されつつ、各振動領域２２間が直列に接続されている。
【0025】
また、第２領域Ｒ２に形成された下層電極膜６１、中間電極膜６２、および上層電極膜６３は、各電極部７１、７２と電気的に接続されておらず、フローティング状態となっている。このため、第２領域Ｒ２に形成される下層電極膜６１、中間電極膜６２、および上層電極膜６３は、必ずしも必要ではないが、本実施形態では、下層圧電膜５１および上層圧電膜５２のうちの第２領域Ｒ２に位置する部分を保護するために設けてある。
【0026】
そして、本実施形態では、下層圧電膜５１および上層圧電膜５２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。下層電極膜６１、中間電極膜６２、上層電極膜６３、第１電極部７１および第２電極部７２等は、モリブデン、銅、プラチナ、白金、チタン等を用いて構成されている。
【0027】
以上が本実施形態における圧電素子１の基本的な構成である。このような圧電素子１は、各振動領域２２（すなわち、センシング部３０）に音圧が印加されると、各振動領域２２が振動する。この場合、例えば、振動領域２２の他端部２２ｂ側（すなわち、自由端側）が上方に変位した場合、下層圧電膜５１には引張応力が発生し、上層圧電膜５２には圧縮応力が発生する。したがって、第１電極部７１および第２電極部７２から当該電荷を取り出すことにより、音圧が検出される。
【0028】
この際、振動領域２２（すなわち、圧電膜５０）に発生する応力は、自由端側（すなわち、他端部側）では応力が解放されるため、固定端側の方が自由端側より大きくなる。つまり、自由端側は、電荷の発生が少なくなり、信号とノイズの比であるＳＮ比が小さくなり易い。このため、本実施形態の圧電素子１では、上記のように、各振動領域２２は、応力が大きくなり易い第１領域Ｒ１と、応力が小さくなり易い第２領域Ｒ２とに分けられている。そして、圧電素子１では、第１領域Ｒ１に配置されている下層電極膜６１、上層電極膜６３、中間電極膜６２が第１、第２電極部７１、７２と接続され、第１領域Ｒ１に位置する下層圧電膜５１および上層圧電膜５２に発生する電荷が取り出されるようにしている。これにより、ノイズの影響が大きくなることを抑制できる。
【0029】
そして、本実施形態では、各振動領域２２には、音圧が印加された際に、第１領域Ｒ１に位置する圧電膜５０の変形を促進させる変形促進構造が形成されている。なお、本実施形態では、変形促進構造が向上部に相当している。
【0030】
本実施形態では、各振動領域２２には、音圧が印加された際に第１領域Ｒ１に発生する応力を大きくするための応力増加用スリット４２が形成されている。具体的には、応力増加用スリット４２は、第１領域Ｒ１で分離用スリット４１と連結されると共に、分離用スリット４１との連結部に角部Ｃ１が構成されるように、形成されている。このため、振動領域２２は、第１領域Ｒ１のうちの支持体１０から浮遊している部分に角部Ｃ１が形成された状態となり、角部Ｃ１に応力が集中し易くなると共に応力が増加し易くなる。これにより、振動領域２２は、一端部２２ａ側に発生し得る応力も大きくなり、全体の変形が大きくなる。したがって、圧電膜５０の変形が大きくなることで圧力検出信号の増加を図ることができ、検出感度の向上を図ることができる。なお、分離用スリット４１と応力増加用スリット４２との連結部分に構成される角部Ｃ１は、分離用スリット４１と応力増加用スリット４２との間の成す角度が鋭角とされていてもよいし、鈍角とされていてもよいし、直角とされていてもよい。
【0031】
以上説明した本実施形態では、振動領域２２は、第１領域Ｒ１のうちの支持体１０から浮遊している部分に角部Ｃ１が形成されている。そして、当該角部Ｃ１では、応力が集中し易くなると共に応力が増加し易くなる。このため、振動領域２２における第１領域Ｒ１の変形を促進でき、圧力検出信号の増加を図ることができる。したがって、検出感度の向上を図ることができ、検出精度の向上を図ることができる。
【0032】
ところで、上記のように片持ち支持されている振動領域２２では、支持体１０に支持される一端部２２ａは、当該支持体１０に支持されて拘束される。このため、振動領域２２に発生する応力は、一端部２２ａよりも少し内縁側にずれた部分の領域が最も大きくなり易い。しかしながら、上記のように振動領域２２に角部Ｃ１を形成することにより、応力が最大となる部分を一端部２２ａ側にずらすこともできる。したがって、この点においても、本実施形態では、振動領域２２の全体の変形を大きくでき、検出感度の向上を図ることができる。
【0033】
（第１実施形態の変形例）
上記第１実施形態の変形例について説明する。上記第１実施形態において、応力増加用スリット４２は、図３に示されるように、分離用スリット４１の延設方向に沿って延設されつつ、応力増加用スリット４２のみで角部Ｃ１が構成されるように折り曲げられた形状とされていてもよい。つまり、応力増加用スリット４２は、いわゆる波形状とされていてもよい。
上記第１実施形態の変形例について説明する。上記第１実施形態において、応力増加用スリット４２は、図３に示されるように、分離用スリット４１の延設方向に沿って延設されつつ、応力増加用スリット４２のみで角部Ｃ１が構成されるように折り曲げられた形状とされていてもよい。つまり、応力増加用スリット４２は、いわゆる波形状とされていてもよい。
【0034】
また、応力増加用スリット４２は、当該応力増加用スリット４２によって構成される角部Ｃ１に発生する応力が大きくなり過ぎることで振動部２０が破壊される可能性がある場合には、角部Ｃ１が曲率を有する湾曲形状とされていてもよい。
【0035】
（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、変形促進構造の構成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。
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、変形促進構造の構成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。
【0036】
本実施形態では、図４に示されるように、振動領域２２には、応力増加用スリット４２が形成されておらず、分離用スリット４１が浮遊領域２１ｂの角部に達するように形成されている。つまり、本実施形態の浮遊領域２１ｂは、分離用スリット４１のみによって４つの振動領域２２に分割されている。そして、各振動領域２２には、一端部２２ａに角部Ｃ２が形成されている。なお、本実施形態では、角部Ｃ２が変形促進構造に相当している。
【0037】
具体的には、本実施形態では、支持体１０における凹部１０ａの開口端は、振動領域２２の一端部２２ａのうちの両端部の間に位置する部分に、当該開口端を支持体１０の外縁側に凹ませる窪み部１０ｂが形成されている。なお、振動領域２２の一端部２２ａにおける両端部とは、言い換えると、一端部２２ａのうちの分離用スリット４１が達する部分のことである。
【0038】
そして、凹部１０ａの開口端は、当該開口端に沿った方向に、窪み部１０ｂによって凹凸構造が形成された状態となっている。これにより、振動領域２２の一端部２２ａは、凹部１０ａの開口端の形状に依存する凹凸構造が構成された状態となるため、角部Ｃ２が形成された状態となっている。
【0039】
以上説明した本実施形態では、振動領域２２は、一端部２２ａに角部Ｃ２が構成されているため、当該一端部２２ａの応力が大きくなる。このため、振動領域２２における一端部２２ａの角部Ｃ２近傍の変形を促進でき、圧力検出信号の増加を図ることができる。したがって、感度の向上を図ることができる。
【0040】
（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、角部Ｃ２は、凹部１０ａの開口端において、当該開口端を支持体１０の内縁側に突出させる凸部が形成されることで構成されていてもよい。つまり、上記第２実施形態は、振動領域２２のうちの第１領域Ｒ１である一端部２２ａに角部Ｃ２が形成されるのであれば、凹部１０ａの開口端側の形状は適宜変更可能である。
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、角部Ｃ２は、凹部１０ａの開口端において、当該開口端を支持体１０の内縁側に突出させる凸部が形成されることで構成されていてもよい。つまり、上記第２実施形態は、振動領域２２のうちの第１領域Ｒ１である一端部２２ａに角部Ｃ２が形成されるのであれば、凹部１０ａの開口端側の形状は適宜変更可能である。
【0041】
また、第２実施形態においても、上記第１実施形態の変形例のように、角部Ｃ２に発生する応力が大きくなり過ぎることで振動部２０が破壊される可能性がある場合には、角部Ｃ２が曲率を有する湾曲形状となるようにしてもよい。
【0042】
（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１実施形態に対し、変形促進構造の構成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。
第３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、変形促進構造の構成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。
【0043】
本実施形態では、図５に示されるように、支持体１０に形成される凹部１０ａの開口端は、２つの分離用スリット４１の交差点を中心とする平面円形状とされている。また、凹部１０ａの開口端は、法線方向において、応力増加用スリット４２の延設方向における両端部と交差するように形成されている。
【0044】
このため、振動領域２２のうちの浮遊している領域の外形線における支持領域２１ａ側の２つの端部は、一端部２２ａに達した状態となっている。そして、振動領域２２は、２つの端部同士の間を結ぶ仮想線Ｋ１に対し、一端部２２ａが他端部２２ｂと反対側に膨らんだ部分を有する形状となっている。本実施形態では、凹部１０ａの開口端が平面円形状とされているため、振動領域２２の一端部２２ａは、円弧状とされている。このため、本実施形態の各振動領域２２は、上記第１実施形態のように凹部１０ａの開口端が矩形状とされており、一端部２２ａが仮想線Ｋ１と一致する場合と比較すると、第１領域Ｒ１が大きくなっている。
【0045】
なお、振動領域２２の外形線とは、振動領域２２の外形を形作る端部の線のことである。そして、振動領域２２のうちの浮遊している領域の外形線とは、振動領域２２の外形線のうちの支持体１０に支持される一端部２２ａを除いた部分の線のことである。また本実施形態では、一端部２２ａの形状が変形促進構造に相当している。
【0046】
以上説明した本実施形態では、振動領域２２は、一端部２２ａが仮想線Ｋ１よりも他端部２２ｂと反対側に膨らんだ部分を有する形状とされているため、凹部１０ａの開口端を矩形状とする場合と比較して、第１領域Ｒ１を大きくできる。そして、上記のように振動領域２２は、一端部２２ａよりも少し内側の部分の変形が大きくなり易いため、仮想線Ｋ１近傍の変形も大きくできる。つまり、凹部１０ａの開口端が矩形状とされている場合の一端部２２ａとなる部分の変形も大きくできる。このため、圧力検出信号の増加を図ることができ、感度の向上を図ることができる。
【0047】
（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３実施形態に対し、変形促進構造の構成を変更したものである。その他に関しては、第３実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
第４実施形態について説明する。本実施形態は、第３実施形態に対し、変形促進構造の構成を変更したものである。その他に関しては、第３実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【0048】
本実施形態では、図６に示されるように、振動部２０には、応力増加用スリット４２が形成されていない。そして、支持体１０に形成される凹部１０ａの開口端は、２つの分離用スリット４１の交差点を中心とする平面円形状とされている。但し、本実施形態では、凹部１０ａの開口端は、分離用スリット４１と交差しないように形成されている。
【0049】
つまり、振動領域２２のうちの浮遊している領域の外形線における支持領域２１ａ側の２つの端部は、それぞれ浮遊している領域で終端した状態となっている。このため、本実施形態では、各振動領域２２は、一端部２２ａ側の部分が互いに繋がった状態となっている。
【0050】
そして、振動領域２２は、２つの端部同士の間を結ぶ仮想線Ｋ２に対し、一端部２２ａ側が他端部２２ｂと反対側に膨らんだ部分を有する形状となっている。このため、本実施形態の各振動領域２２は、上記第１実施形態のように凹部１０ａの開口端が矩形状とされており、一端部が仮想線Ｋ２と一致する場合と比較すると、第１領域Ｒ１が大きくなっている。なお、本実施形態では、一端部２２ａの形状が変形促進構造に相当している。
【0051】
以上説明した本実施形態では、振動領域２２は、一端部２２ａが仮想線Ｋ２よりも他端部２２ｂと反対側に膨らんだ部分を有する形状とされているため、凹部１０ａの開口端を矩形状とする場合と比較して、第１領域Ｒ１を大きくできる。このため、上記第３実施形態と同様の効果を得ることができる。
【0052】
（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、変形促進構造の構成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。
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、変形促進構造の構成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。
【0053】
本実施形態では、図７に示されるように、第２領域Ｒ２には、上層電極膜６３、上層圧電膜５２、中間電極膜６２、および下層圧電膜５１を貫通して下層電極膜６１に達する孔部８１が形成されている。そして、孔部８１には、圧電膜５０よりもヤング率の高い硬膜８２が埋め込まれている。
【0054】
本実施形態では、硬膜８２は、第１、第２電極部７１、７２や電極膜６０と同じ材料で構成されている。なお、第２領域Ｒ２に形成される下層電極膜６１、中間電極膜６２、上層電極膜６３は、第１、第２電極部７１、７２とは電気的に接続されていないため、これらが互いに接続されたとしても問題はない。そして、本実施形態では、硬膜８２が変形促進構造に相当している。
【0055】
また、本実施形態では、孔部８１および硬膜８２は、第２領域Ｒ２において、第１領域Ｒ１側よりも他端部２２ｂ側の方が密となるように形成されている。より詳しくは、本実施形態では、硬膜８２は、第２領域Ｒ２において、第１領域Ｒ１側から他端部２２ｂ側に向かって次第に密となるように形成されている。
【0056】
以上説明したように、本実施形態では、第２領域Ｒ２に硬膜８２が配置されている。このため、第２領域Ｒ２に硬膜８２が配置されていない場合と比較して、音圧が印加された際、第２領域Ｒ２が硬くされていることで第２領域Ｒ２が変形し難くなる。したがって、本実施形態では、応力が第１領域Ｒ１に集中し易くなって第１領域Ｒ１が変形し易くなる。これにより、圧力検出信号の増加を図ることができ、感度の向上を図ることができる。
【0057】
また、本実施形態では、硬膜８２は、第２領域Ｒ２側のうちの第１領域Ｒ１側よりも他端部２２ｂ側の方が密となるように形成されている。このため、例えば、硬膜８２が第２領域Ｒ２側のうちの第１領域Ｒ１側よりも他端部２２ｂ側の方が疎となるように形成されている場合と比較して、硬膜８２によって第１領域Ｒ１の変形が阻害されることを抑制できる。したがって、硬膜８２を配置したことによる効果を得易くできる。
【0058】
さらに、硬膜８２は、第１、第２電極部７１、７２や電極膜６０と同じ材料で構成されている。このため、例えば、第１、第２貫通電極７１ｂ、７２ｂを形成する際に同時に硬膜８２を形成することができ、製造工程の簡略化を図ることができる。
【0059】
（第６実施形態）
第６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、各振動領域２２に温度検出素子および発熱素子を備えたものである。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。
第６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、各振動領域２２に温度検出素子および発熱素子を備えたものである。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。
【0060】
まず、上記のような圧電素子１は、外気に晒される状態や、所定のオイルに晒される状態で用いられることがある。この場合、使用環境が低温である場合には、外気に晒されることで振動領域２２が凍結したり、振動領域２２と接触するオイルの粘性が低下する等により、振動領域２２の振動が阻害される可能性がある。つまり、上記のような圧電素子１は、使用環境が低温である場合には、検出感度が低下する可能性がある。
【0061】
このため、本実施形態では、図８に示されるように、各振動領域２２には、温度に応じた温度検出信号を出力する温度検出素子９１、および通電されることで発熱する発熱素子９２が形成されている。本実施形態では、各振動領域２２には、第２領域Ｒ２に温度検出素子９１および発熱素子９２が形成されている。より詳しくは、本実施形態では、第２領域Ｒ２には、中間電極膜６２が形成されていない。そして、温度検出素子９１および発熱素子９２は、下層圧電膜５１と上層圧電膜５２との間に位置する部分に形成されている。つまり、温度検出素子９１および発熱素子９２は、上記第１実施形態における中間電極膜６２が形成されていた部分に形成されている。
【0062】
また、特に図示しないが、第１領域Ｒ１および支持領域２１ａには、温度検出素子９１および発熱素子９２と電気的に接続される引出配線が形成されている。そして、支持領域２１ａには、当該引出配線と電気的に接続される電極部が形成されている。これにより、温度検出素子９１および発熱素子９２と、外部回路との接続が図られる。
【0063】
なお、第２領域Ｒ２では、下層電極膜６１および上層電極膜６３は、上記第１実施形態と同様に、圧電膜５０を挟むように形成されている。また、温度検出素子９１は、温度に応じて抵抗値が変化する感温抵抗体を用いて構成され、発熱素子９２は、通電されることで発熱する発熱抵抗体を用いて構成される。本実施形態では、温度検出素子９１および発熱素子９２は、例えば、白金で構成される。また、本実施形態では、温度検出素子９１おおび発熱素子９２が向上部に相当している。
【0064】
以上説明した本実施形態では、温度検出素子９１および発熱素子９２が形成されている。このため、温度検出素子９１で検出される温度に基づいて発熱素子９２への通電量が調整されるようにすることにより、振動領域２２の温度を所定温度に維持することができる。したがって、振動領域２２が凍結したり、振動領域２２と接触するオイルの粘性が低下すること等を抑制でき、検出感度が低下することを抑制できる。つまり、検出精度が低下することを抑制できる。
【0065】
また、温度検出素子９１および発熱素子９２は、第２領域Ｒ２に形成されている。このため、温度検出素子９１および発熱素子９２を第１領域Ｒ１に形成する場合と比較して、電荷を取り出すための中間電極膜６２を配置する部分が減少することを抑制できると共に、第２領域Ｒ２を有効に利用できる。
【0066】
さらに、温度検出素子９１および発熱素子９２は、下層圧電膜５１と上層圧電膜５２との間に形成されており、外気に晒されない。このため、温度検出素子９１および発熱素子９２の耐環境性の向上を図ることができる。
【0067】
そして、温度検出素子９１および発熱素子９２は、下層圧電膜５１と上層圧電膜５２との間に形成され、下層電極膜６１および上層電極膜６３は、第１実施形態と同様に、圧電膜５０を挟むように形成されている。このため、圧電膜５０に対する耐環境性が低下することも抑制できる。
【0068】
（第７実施形態）
第７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、複数のセンシング部３０が形成されるようにしたものである。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。
第７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、複数のセンシング部３０が形成されるようにしたものである。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。
【0069】
まず、上記のような圧電素子１は、各振動領域２２を区画するための部分（すなわち、分離用スリット４１や応力増加用スリット４２）を介して音圧が漏れる可能性があり、音響インピーダンスと並列に入る分離用スリット４１の音響抵抗が小さくなり易い。そして、音響抵抗が小さくなることにより、低周波ロールオフ周波数が増大するため、低周波での感度が小さくなり易い。
【0070】
このため、本実施形態では、図９に示されるように、圧電素子１は、複数のセンシング部３０（すなわち、浮遊領域２１ｂ）が一体化されて構成されている。具体的には、本実施形態の支持体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４つ形成されている。つまり、本実施形態の振動部２０には、４つの浮遊領域２１ｂが形成されている。そして、各浮遊領域２１ｂは、それぞれ分離用スリット４１がそれぞれ形成されることで４つの振動領域２２に分離されている。
【0071】
なお、本実施形態では、応力増加用スリット４２は形成されていない。つまり、本実施形態では、分離用スリット４１が浮遊領域２１ｂの角部に達するように形成されている。
【0072】
そして、本実施形態では、各センシング部３０におけるそれぞれの振動領域２２は、共振周波数が異なるように構成されている。本実施形態では、各センシング部３０におけるそれぞれの振動領域２２は、一端部２２ａと他端部２２ｂとの間の長さ、つまり梁の長さが異なるように形成されている。このため、図１０に示されるように、各センシング部３０の周波数と感度との関係は、センシング部３０毎に異なる波形となる。なお、本実施形態では、共振周波数の異なる振動領域２２の構成が向上部に相当する。
【0073】
以上説明した本実施形態では、圧電素子１は、センシング部３０が複数形成されて構成されている。そして、各センシング部３０は、共振周波数が異なる値とされているため、周波数と感度との関係がそれぞれ異なる波形となる。このため、本実施形態の圧電素子１によれば、音圧の検出に用いる振動領域２２を適宜切り替えることにより、感度が高くなる周波数を広帯域にでき、例えば、ロードノイズ等の低周波ノイズの検出感度も高くできる。
【0074】
また、本実施形態の圧電素子１は、センシング部３０が複数形成されており、複数のセンシング部３０が共通の支持体１０に支持されて構成されている。このため、例えば、１つのセンシング部３０が形成された圧電素子１を複数配置する場合と比較して、隣合うセンシング部３０の間隔を狭くし易くなる。ここで、例えば、２０ｋＨｚの音波では、波長が約１７ｍｍとなる。このため、本実施形態のように複数のセンシング部３０が共通の支持体１０に支持された状態とすることにより、各センシング部３０を波長よりも十分に狭い間隔でも配置し易くなる。したがって、各センシング部３０の間で音圧が減衰することを抑制でき、減衰し易い高周波領域の音圧の検出感度が低下することも抑制できる。
【0075】
さらに、各振動領域２２は、一端部２２ａと他端部２２ｂとの間の長さが異なるものとされることによって共振周波数が異なる値とされている。ここで、各振動領域２２は、浮遊領域２１ｂがエッチング等されることで構成される。この場合、一端部２２ａと他端部２２ｂとの間の長さは、エッチング等のマスクを変更することによって容易に変更可能である。このため、本実施形態によれば、製造工程が複雑化することを抑制しつつ、異なる共振周波数を有する複数の振動領域２２を容易に形成できる。
【0076】
（第８実施形態）
第８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、支持体１０の凹部１０ａに保護膜を配置したものである。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。
第８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、支持体１０の凹部１０ａに保護膜を配置したものである。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。
【0077】
まず、上記のような圧電素子１は、支持体１０に形成される凹部１０ａがエッチングによって形成される。例えば、凹部１０ａは、支持体１０にウェットエッチングを行う工程、ウェットエッチングした壁面を保護する保護膜を形成する工程、ウェットエッチングした壁面をさらに掘り下げるドライエッチングを行う工程等を繰り返すことによって形成される。この場合、凹部１０ａは、側面に微細な凹凸が形成された状態となり易い。したがって、上記のような圧電素子１では、凹部１０ａの側面に形成されている微細な凹凸により、乱流が発生することで検出感度が低下する可能性がある。
【0078】
このため、本実施形態では、図１１に示されるように、支持体１０には、凹部１０ａの側面１０ｃとなる部分に、微細な凹凸を埋め込むと共に、凹部１０ａと反対側の露出面１００ａが凹部１０ａの側面１０ｃよりも平坦化された保護膜１００が形成されている。また、本実施形態では、保護膜１００は、各振動領域２２における支持体１０側の部分、および各振動領域２２における隣合う振動領域２２と対向する部分にも形成されている。
【0079】
保護膜１００は、本実施形態では、水滴や油滴等の異物が付着し難くなるように、撥水性および撥油性を有する材料を用いて構成され、例えば、フッ素系ポリマー等で構成されている。そして、保護膜１００は、塗布法、浸漬法、蒸着法等によって凹部１０ａの側面１０ｃを含む部分に配置される。これにより、保護膜１００は、露出面１００ａが凹部１０ａの側面１０ｃよりも平坦化された状態で配置される。
【0080】
また、保護膜１００は、振動領域２２の振動を阻害し難い材料を用いて構成されることが好ましい。例えば、圧電膜５０を窒化スカンジウムアルミニウムで構成する場合にはヤング率が２５０ＧＰａ程度となる。このため、保護膜１００は、約１／５００以下のヤング率であるものを用いることが好ましく、０．１～０．５ＧＰａ程度のヤング率であるものを用いることが好ましい。
【0081】
以上説明した本実施形態では、支持体１０には、凹部１０ａの側面１０ｃに、露出面１００ａが凹部１０ａの側面１０ｃよりも平坦化された保護膜１００が配置されている。このため、凹部１０ａ内で乱流が発生することを抑制でき、検出精度が低下することを抑制できる。
【0082】
また、保護膜１００は、振動領域２２にも形成されており、撥水性および撥油性を有する材料で構成されている。このため、保護膜１００に水等の異物が付着することを抑制でき、当該異物によって乱流が発生することも抑制できる。
【0083】
さらに、保護膜１００は、振動領域２２の振動を阻害し難い材料で構成されている。このため、保護膜１００を配置することによって振動領域２２が振動し難くなることを抑制でき、検出感度が低下することを抑制できる。
【0084】
（第９実施形態）
第９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、支持体１０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。
第９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、支持体１０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。
【0085】
本実施形態では、支持基板１１は、上記のようにシリコン基板で構成されており、絶縁膜１２側の一面１１ａおよび一面１１ａと反対側の他面１１ｂを有している。そして、支持基板１１は、図１２に示されるように、凹部１０ａを構成する側面１１ｃが窪み構造とされている。なお、本実施形態では、側面１１ｃの窪み構造が向上部に相当する。
【0086】
具体的には、支持基板１１の側面１１ｃは、以下の構成とされている。まず、絶縁膜１２と反対側の開口部を第１開口部１１ｄとし、絶縁膜１２側の開口部を第２開口部１１ｅとする。この場合、側面１１ｃは、第１開口部１１ｄから第２開口部１１ｅ側に向かって側面が削られた第１テーパ部１１ｆと、第２開口部１１ｅから第１開口部１１ｄ側に向かって側面が削られた第２テーパ部１１ｇとが繋がった構成とされている。つまり、支持基板１１の側面１１ｃは、第１開口部１１ｄと第２開口部１１ｅとを結ぶ仮想線Ｋ３に対し、第１開口部１１ｄと第２開口部１１ｅとの間の部分が窪んだ窪み構造とされている。
【0087】
本実施形態では、支持基板１１は、一面１１ａおよび他面１１ｂが（１００）面とされ、第１開口部１１ｄおよび第２開口部１１ｅが矩形状とされている。そして、第１テーパ部１１ｆおよび第２テーパ部１１ｇは、それぞれ（１１１）面とされている。
【0088】
なお、本実施形態の圧電素子１は、上記第７実施形態のように、応力増加用スリット４２が形成されていない。つまり、本実施形態では、分離用スリット４１が浮遊領域２１ｂの角部に達するように形成されている。また、後述する各実施形態では、応力増加用スリット４２が形成されていない例を説明する。但し、本実施形態および後述する各実施形態においても、応力増加用スリット４２が適宜形成されていてもよい。
【0089】
【0090】
まず、図１３Ａに示されるように、支持基板１１上に絶縁膜１２が配置され、絶縁膜１２上に圧電膜５０、電極膜６０、第１電極部７１、第２電極部７２等が形成されたものを用意する。なお、支持基板１１は、シリコン基板で構成されており、一面１１ａおよび他面１１ｂが（１００）面とされている。また、圧電膜５０、電極膜６０、第１電極部７１、第２電極部７２等は、一般的なスパッタ法やエッチング法等を適宜行うことによって構成される。
【0091】
そして、図示しないマスクを用い、支持基板１１の他面１１ｂから絶縁膜１２を貫通するように異方性ドライエッチングを行う。なお、この工程が終了した後では、支持基板１１の側面１１ｃは、第１開口部１１ｄと第２開口部１１ｅとを結ぶ仮想線Ｋ３と一致している。
【0092】
続いて、図１３Ｂに示されるように、図示しないマスクを用い、支持基板１１の側面１１ｃに対して異方性ウェットエッチングを行うことにより、支持基板１１の側面１１ｃに窪み構造を形成する。詳しくは、支持基板１１は、シリコン基板で構成されており、一面１１ａおよび他面１１ｂが（１００）面とされている。このため、異方性ウェットエッチングを行うことにより、シリコンの面方位の中で最もエッチングレートの遅い（１１０）面にて構成される第１テーパ部１１ｆおよび第２テーパ部１１ｇが形成される。
【0093】
その後は、特に図示しないが、適宜分離用スリット４１を形成することにより、図１２に示す圧電素子１が製造される。
【0094】
ところで、上記のような圧電素子１は、図１４に示されるように、ケーシング１３０に収容されて圧電装置を構成する。具体的には、ケーシング１３０は、圧電素子１および所定の信号処理等を行う回路基板１２０が搭載されるプリント基板１３１と、圧電素子１および回路基板１２０を収容するようにプリント基板１３１に固定される蓋部１３２とを有している。なお、本実施形態では、プリント基板１３１が被実装部材に相当する。
【0095】
プリント基板１３１は、特に図示しないが、配線部やスルーホール電極等が適宜形成された構成とされており、必要に応じて図示しないコンデンサ等の電子部品等も搭載されている。圧電素子１は、支持基板１１の他面１１ｂが接着剤等の接合部材２を介してプリント基板１３１の一面１３１ａに搭載されている。回路基板１２０は、導電性部材で構成される接合部材１２１を介してプリント基板１３１の一面１３１ａに搭載されている。そして、圧電素子１のパッド部７２ｃと回路基板１２０とは、ボンディングワイヤ１３３を介して電気的に接続されている。なお、圧電素子１のパッド部７１ｃは、図１４とは別断面において、ボンディングワイヤ１３３を介して回路基板１２０と電気的に接続されている。蓋部１３２は、金属、プラスチック、樹脂等で構成されており、圧電素子１および回路基板１２０を収容するように、図示しない接着剤等の接合部材を介してプリント基板１３１に固定されている。そして、本実施形態では、蓋部１３２のうちのセンシング部３０と対向する部分に貫通孔１３２ａが形成されている。
【0096】
このような圧電装置では、貫通孔１３２ａからセンシング部３０と蓋部１３２との間の空間を通じてセンシング部３０に音圧（すなわち、圧力）が印加されることで音圧が検出される。
【0097】
以上説明した本実施形態によれば、支持基板１１は、窪み構造とされている。このため、図１４に示されるような圧電装置を構成した場合には、検出精度の向上を図ることができる。
【0098】
すなわち、ケーシング１３０において、音圧を導入する貫通孔１３２ａが形成される部分とセンシング部３０との間の空間を受圧面空間Ｓ１とする。また、センシング部３０を挟んで受圧面空間Ｓ１と反対側に位置する空間を含み、当該空間と分離用スリット４１を介さずに連続した空間をバック空間Ｓ２とする。なお、バック空間Ｓ２は、ケーシング１３０内の空間において、受圧面空間Ｓ１と異なる空間であるともいうことができ、受圧面空間Ｓ１を除いた空間ということもできる。さらに言い換えると、受圧面空間Ｓ１は、振動領域２２におけるケーシング１３０に形成された貫通孔１３２ａ側の面を押圧するのに影響する空間ともいえる。バック空間Ｓ２は、振動領域２２におけるケーシング１３０に形成された貫通孔１３２ａ側と反対側の面を押圧するのに影響する空間ともいえる。
【0099】
この場合、このような圧電装置における低周波ロールオフ周波数は、分離用スリット４１による音響抵抗（すなわち、空気抵抗）をＲｇとし、バック空間Ｓ２の音響コンプライアンスをＣｂとすると、１／（２π×Ｒｇ×Ｃｂ）で示される。このため、低周波ロールオフ周波数を小さくするためには、音響抵抗Ｒｇまたはバック空間Ｓ２の音響コンプライアンスＣｂを大きくすればよい。
【0100】
そして、本実施形態では、支持基板１１に窪み構造が形成されているため、バック空間Ｓ２の空間を大きくすることで音響コンプライアンスを大きくできる。したがって、本実施形態の圧電装置では、低周波ロールオフ周波数を小さくすることで低周波帯域での検出感度の向上を図ることができ、検出精度の向上を図ることができる。
【0101】
また、このような圧電装置における感度は、圧電素子１の音響コンプライアンスをＣｍとし、バック空間Ｓ２の音響コンプライアンスをＣｂとすると、１／｛（１／Ｃｍ）＋（１／Ｃｂ）｝で示される。このため、感度を大きくするためには音響コンプライアンスＣｂを大きくすればよく、音響コンプライアンスＣｂは、バック空間Ｓ２の空間の大きさに比例する。
【0102】
そして、本実施形態では、支持基板１１に窪み構造を形成しているため、バック空間Ｓ２の空間を大きくすることで容量を大きくできる。したがって、本実施形態の圧電装置では、感度を大きくすることで検出精度の向上を図ることができる。
【0103】
具体的には、図１５に示されるように、バック空間Ｓ２の音響コンプライアンスＣｂを大きくすることで感度比が低下することを抑制できる。この場合、感度比は、Ｃｂ／Ｃｍが２以下であると急峻に低下するが、窪み構造が形成されることによって感度比の低下を緩やかにできる。つまり、このように支持基板１１に窪み構造を形成することは、Ｃｂ／Ｃｍが２以下となるような圧電装置に特に有効である。なお、図１５は、Ｃｂ／Ｃｍが極めて大きい場合を基準としている。
【0104】
また、支持基板１１は、側面１１ｃが第１テーパ部１１ｆと第２テーパ部１１ｇとを有する構成とされている。このため、例えば、側面１１ｃが第２テーパ部１１ｇのみで構成されている場合と比較して、支持基板１１の他面１１ｂとプリント基板１３１との接着面積を向上できる。つまり、本実施形態によれば、プリント基板１３１に対する接着性が低下することを抑制しつつ、検出精度の向上を図ることができる。なお、側面１１ｃが第２テーパ部１１ｇのみで構成されるとは、言い換えると、第２テーパ部１１ｇが第１開口部１１ｄまで形成された構成のことである。
【0105】
また、支持基板１１の側面１１ｃは、異方性ウェットエッチングで構成されて（１１１）面とされており、形状がばらつくことが抑制される。このため、振動領域２２に発生する応力がばらつくことを抑制でき、検出精度がばらつくことを抑制できる。
【0106】
なお、本実施形態では、第１開口部１１ｄおよび第２開口部１１ｅが矩形状であるものを説明したが、第１開口部１１ｄおよび第２開口部１１ｅの形状は適宜変更可能である。例えば、支持基板１１の一面１１ａおよび他面１１ｂを（１１０）面とし、第１開口部１１ｄおよび第２開口部１１ｅを八角形状とするようにしてもよい。
【0107】
（第１０実施形態）
第１０実施形態について説明する。本実施形態は、第９実施形態に対し、圧電装置における圧電素子１の配置の仕方を変更したものである。その他に関しては、第９実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
第１０実施形態について説明する。本実施形態は、第９実施形態に対し、圧電装置における圧電素子１の配置の仕方を変更したものである。その他に関しては、第９実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【0108】
本実施形態では、圧電素子１は、図１６に示されるように、上層圧電膜５２上に、８個のパッド部７０１～７０８が形成されて構成されている。具体的には、２個のパッド部は、センシング部３０と電気的に接続される接続パッド部７０１、７０２とされている。なお、接続パッド部７０１、７０２は、上記第１実施形態におけるパッド部７１ｃ、７２ｃに相当するものである。残りの６個のパッド部は、センシング部３０と電気的に接続されないダミーパッド部７０３～７０８とされている。
【0109】
そして、８個のパッド部７０１～７０８は、法線方向から視たとき、圧電素子１の中心に対して対称となるように配置されている。すなわち、８個のパッド部７０１～７０８は、支持基板１１の一面１１ａの面方向と平行な面の中心を基準として、対称に配置されている。言い換えると、８個のパッド部７０１～７０８は、圧電素子１がプリント基板１３１に搭載された際、圧電素子１におけるプリント基板１３１の面方向と平行な面の中心を基準として、対称に配置されている。また、接続パッド部７０１、７０２は、互いに近接するように配置されている。
【0110】
以上が本実施形態における圧電素子１の構成である。そして、圧電装置は、図１７に示されるように、圧電素子１がプリント基板１３１にフリップチップ実装されて構成されている。具体的には、圧電素子１は、各パッド部７０１～７０８がプリント基板１３１とはんだ等の導電性部材で構成される接合部材３を介して接続されている。また、圧電素子１は、接続パッド部７０１、７０２が回路基板１２０側に位置するように、プリント基板１３１に配置されている。そして、圧電素子１は、接続パッド部７０１、７０２がプリント基板１３１に形成された配線部１３１ｃを介して回路基板１２０と電気的に接続されている。
【0111】
なお、本実施形態の配線部１３１ｃは、パッド部７０１、７０２と回路基板１２０とを最短で結ぶように形成されている。また、本実施形態では、各パッド部７０１～７０８は、全てプリント基板１３１と電気的に接続されている。つまり、各パッド部７０１～７０８は、全てフローティング状態とならないようになっている。
【0112】
また、本実施形態では、プリント基板１３１に貫通孔１３１ｂが形成されている。このため、本実施形態では、貫通孔１３１ｂを通じてセンシング部３０に音圧が印加されることで音圧が検出される。したがって、本実施形態では、ケーシング１３０内において、貫通孔１３１ｂが形成される部分とセンシング部３０との間の空間が受圧面空間Ｓ１となり、センシング部３０を挟んで受圧面空間Ｓ１と反対側に位置する空間がバック空間Ｓ２となる。
【0113】
なお、バック空間Ｓ２は、上記のように、センシング部３０を挟んで受圧面空間Ｓ１と反対側に位置する空間を含み、当該空間と分離用スリット４１を介さずに連続した空間ともいえる。このため、図１７のような圧電装置では、センシング部３０を挟んで受圧面空間Ｓ１と反対側に位置する空間、および当該空間と分離用スリット４１を介さずに連続する圧電素子１の周囲の空間を含んだ空間となる。
【0114】
以上説明した本実施形態によれば、寄生容量の低減を図ることで検出精度が低下することを抑制できる。
【0115】
すなわち、図１８に示されるように、圧電装置は、センシング部３０の全体の容量をＣｏとし、圧電素子１と回路基板１２０との間に構成される寄生容量をＣｐとすると、容量Ｃｏと回路基板１２０との間に寄生容量Ｃｐが配置された構成となる。そして、寄生容量Ｃｐが大きい場合には、センシング部３０から寄生容量Ｃｐに流れる電荷の比率が大きくなり、検出精度が低下する。なお、寄生容量Ｃｐは、圧電素子１（すなわち、センシング部３０）と回路基板１２０とを接続する部分の容量や、回路基板１２０の内部に発生する容量等の和である。
【0116】
このため、本実施形態の圧電素子１は、プリント基板１３１にフリップチップ実装され、プリント基板１３１に形成された配線部１３１ｃを介して回路基板１２０と接続されている。そして、圧電素子１は、接続パッド部７０１、７０２が回路基板１２０側となるようにプリント基板１３１に配置されている。このため、圧電素子１と回路基板１２０とをボンディングワイヤ１３３で接続する場合と比較して、圧電素子１と回路基板１２０とを接続する配線部１３１ｃを短くし易くなる。このため、寄生容量Ｃｐの低減を図ることで検出精度が低下することを抑制できる。
【0117】
また、本実施形態では、圧電素子１をプリント基板１３１にフリップチップ実装し、プリント基板１３１に貫通孔１３１ｂを形成している。このため、上記第９実施形態のように蓋部１３２に貫通孔１３２ａを形成する場合と比較して、受圧面空間Ｓ１を小さくでき、受圧面空間Ｓ１における空気バネを大きくできる。したがって、貫通孔１３２ａから誘導された音圧が分散することを抑制でき、検出感度の向上を図ることで検出精度の向上を図ることができる。なお、本実施形態において、上記第９実施形態のように蓋部１３２に貫通孔１３２ａを形成するようにしてもよい。このような圧電装置としても、受圧面空間Ｓ１を小さくし難くなるが、寄生容量Ｃｐの低減を図ることができる。
【0118】
さらに、本実施形態では、パッド部７０１～７０８は、圧電素子１の中心に対して対称に配置されている。このため、圧電素子１をフリップチップ実装した際、圧電素子１がプリント基板１３１に対して傾くことを抑制できる。
【0119】
なお、ダミーパッド部７０３～７０８は、センシング部３０と接続されないため、接着剤等でプリント基板１３１と接合されていてもよい。但し、ダミーパッド部７０３～７０８をプリント基板１３１にはんだ等の接合部材３で接続することにより、ダミーパッド部７０３～７０８も所定電位に維持できる。このため、タミーパッド部７０３～７０８がフローティング状態とされている場合と比較して、不要なノイズが発生することを抑制できる。また、各パッド部７０１～７０８とプリント基板１３１との間に同じ材料を配置することにより、圧電素子１が傾き難くなるようにできる。このため、ダミーパッド部７０３～７０８とプリント基板１３１との間には、同じ接合部材３を配置することが好ましい。また、ダミーパッド部７０３～７０８を配置する代わりにアンダーフィル材等を配置することにより、圧電素子１が傾くことを抑制するようにしてもよい。
【0120】
また、本実施形態では、圧電素子１が傾くことも抑制できるようにしているが、例えば、ダミーパッド部７０３～７０８等は配置されていなくてもよい。このような圧電装置としても、圧電素子１が傾き易くなるが、寄生容量Ｒｐを低減できる。
【0121】
（第１１実施形態）
第１１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、中間電極膜６２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。
第１１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、中間電極膜６２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。
【0122】
本実施形態では、図１９に示されるように、中間電極膜６２は、第１領域Ｒ１に形成される第１中間電極膜６２ａと、第２領域Ｒ２に形成される第２中間電極膜６２ｂとに分割されている。そして、第１中間電極膜６２ａは、さらに、複数の電荷領域６２０と、ダミー領域６２４、６２５とに分割されている。本実施形態では、複数の電荷領域６２０は、３つの電荷領域６２１～６２３とされている。このため、圧電素子１は、各振動領域２２において、複数の電荷領域６２０と、当該電荷領域６２０と対向する下層電極膜６１および上層電極膜６３との間にそれぞれ容量が構成された状態となる。
【0123】
なお、図１９では、振動領域２２に位置する中間電極膜６２の形状を示しているが、支持領域２１ａにも中間電極膜６２が適宜延設されている。また、本実施形態では、複数の電荷領域６２１～６２３に分割された中間電極膜６２が向上部に相当する。
【0124】
複数の電荷領域６２１～６２３は、それぞれ同じ面積とされている。つまり、ダミー領域６２４、６２５は、各電荷領域６２１～６２３が同じ面積となるように構成されている。そして、複数の電荷領域６２１～６２３は、特に図示しないが、支持領域２１ａ上に位置する部分において、図示しない配線等を介して互いに直列に接続されている。このため、各振動領域２２では、複数の容量が直列に接続された状態となっている。これに対し、ダミー領域６２４、６２５は、電荷領域６２１～６２３とは接続されておらず、フローティング状態とされている。
【0125】
また、特に図示しないが、下層電極膜６１および上層電極膜６３は、第１中間電極膜６２ａおよび第２中間電極膜６２ｂと対向するようにそれぞれ形成されている。
【0126】
以上説明した本実施形態によれば、第１中間電極膜６２ａは、複数の電荷領域６２１～６２３に分割されている。そして、複数の電荷領域６２１～６２３は、直列に接続されている。このため、１つの第１領域Ｒ１では、複数の容量が直列に接続された状態となり、容量の増加を図ることで検出感度の向上を図ることができる。また、複数の電荷領域６２１～６２３は、同じ面積とされている。このため、１つの第１領域Ｒ１に構成される複数の容量は、互いに等しくなる。したがって、各容量間でノイズが発生することを抑制でき、検出精度が低下することを抑制できる。
【0127】
なお、本実施形態では、第１中間電極膜６２ａを３つの電荷領域６２１～６２３に分割する例について説明したが、電荷領域６２１～６２３は、２つであってもよいし、４つ以上の複数備えられていてもよい。
【0128】
さらに、本実施形態では、第１中間電極膜６２ａを複数の電荷領域６２１～６２３に分割する例について説明したが、下層電極膜６１および上層電極膜６３を複数の電荷領域とダミー領域とに分割するようにしてもよい。なお、下層電極膜６１および上層電極膜６３を複数の電荷領域とダミー領域とに分割するようにしても同様の効果を得られる。但し、上記のように中間電極膜６２が下層電極膜６１と上層電極膜６３との間に配置されており、中間電極膜６２を分割する場合には、中間電極膜６２のみを分割すればよいため、構成の簡略化を図ることができる。
【0129】
（第１１実施形態の変形例）
第１１実施形態の変形例について説明する。上記第１１実施形態において、図２０に示されるように、電荷領域６２１、６２３は、矩形状とされていなくてもよい。つまり、ダミー領域６２４、６２５は、３つの電荷領域６２１～６２３が等しくなるのであれば、形成される位置や形状は適宜変更可能である。さらに、３つの電荷領域６２１～６２３の面積が等しくなるのであれば、ダミー領域６２４、６２５は形成されていなくてもよい。
第１１実施形態の変形例について説明する。上記第１１実施形態において、図２０に示されるように、電荷領域６２１、６２３は、矩形状とされていなくてもよい。つまり、ダミー領域６２４、６２５は、３つの電荷領域６２１～６２３が等しくなるのであれば、形成される位置や形状は適宜変更可能である。さらに、３つの電荷領域６２１～６２３の面積が等しくなるのであれば、ダミー領域６２４、６２５は形成されていなくてもよい。
【0130】
（第１２実施形態）
第１２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、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との区画の仕方を規定したものである。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。
第１２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、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との区画の仕方を規定したものである。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。
【0131】
まず、上記のような圧電素子１では、センシング部３０に音圧が印加された際、図２１に示されるような応力分布となる。具体的には、応力は、一端部２２ａ側の中心部近傍が最も高くなり易く、他端部２２ｂ側に向かって次第に小さくなる。このため、本実施形態では、図２２に示されるように、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とは、応力分布に基づいて区画されている。
【0132】
以下、本実施形態における第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との区画の仕方について説明する。なお、本実施形態における区画の仕方は、特に、感度出力を電圧で表記する場合に有効である。まず、圧電素子１における感度を向上させるためには、第１領域Ｒ１に発生する静電エネルギーＥが増加するようにすればよい。ここで、図２３に示されるように、振動領域２２における一端部２２ａに沿った方向をＹ方向とし、Ｙ方向と直交する方向をＸ方向とする。そして、振動領域２２をＸ方向に沿って複数に分割した微小の仮想領域Ｍにおいて、仮想領域Ｍの容量をＣとし、仮想領域Ｍに発生する応力の平均値をσとする。また、静電エネルギーＥは、仮想領域Ｍに発生する電圧をＶとすると、１／２×Ｃ×Ｖ２で示される。なお、発生電圧Ｖは、発生応力σに比例する。
【0133】
このため、本実施形態では、図２３および図２４に示されるように、各仮想領域ＭのＣ×σ２が最大となる領域を算出し、各仮想領域Ｍの最大となる領域を繋ぐ境界線で第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とを区画する。この場合、図２４に示されるように、算出値を繋いだ算出線を境界線として第１領域と第２領域Ｒ２とを区画するようにしてもよいし、算出線に基づく近似線を境界線として第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とを区画するようにしてもよい。
【0134】
なお、本実施形態では、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との区画の仕方が向上部に相当する。また、図２４では、振動領域２２における一端部２２ａのＹ方向に沿った長さを８５０μｍとし、一端部２２ａから他端部２２ｂまでの長さを４２５μｍとした例を示している。この場合、近似式は、下記数式１で示される。
【0135】
（数１）Ｙ＝－０．００１１Ｘ２＋１．０３８７Ｘ－４１．６５７
以上説明した本実施形態によれば、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とは、第１領域Ｒ１の静電エネルギーＥが高くなるように区画されている。このため、検出感度の向上を図ることができ、検出精度の向上を図ることができる。
以上説明した本実施形態によれば、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とは、第１領域Ｒ１の静電エネルギーＥが高くなるように区画されている。このため、検出感度の向上を図ることができ、検出精度の向上を図ることができる。
【0136】
（第１２実施形態の変形例）
上記第１２実施形態の変形例について説明する。第１領域Ｒ１および第２領域Ｒ２は、図２５に示されるように分割されていてもよい。すなわち、振動領域２２が平面三角形状とされているため、一端部２２ａを３等分するように三角形を分割し、３つの三角形の各重心位置Ｃと、一端部２２ａの両端部とを繋ぐ境界線によって第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とを分割するようにしてもよい。このように第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とを区画するようにしても、上記第１２実施形態の近似線に近い領域で第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とが区画されて静電エネルギーＥが高くなる領域が含まれる。このため、検出感度の向上を図ることができ、検出精度の向上を図ることができる。
上記第１２実施形態の変形例について説明する。第１領域Ｒ１および第２領域Ｒ２は、図２５に示されるように分割されていてもよい。すなわち、振動領域２２が平面三角形状とされているため、一端部２２ａを３等分するように三角形を分割し、３つの三角形の各重心位置Ｃと、一端部２２ａの両端部とを繋ぐ境界線によって第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とを分割するようにしてもよい。このように第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とを区画するようにしても、上記第１２実施形態の近似線に近い領域で第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とが区画されて静電エネルギーＥが高くなる領域が含まれる。このため、検出感度の向上を図ることができ、検出精度の向上を図ることができる。
【0137】
また、上記第１２実施形態では、振動領域２２が平面三角形状である例について説明したが、振動領域２２の形状は適宜変更可能である。例えば、振動領域２２は、平面矩形状とされていてもよいし、平面扇状とされていてもよい。これらのような振動領域２２としても、上記第１２実施形態と同様の方法で第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とを区画することにより、上記第１２実施形態と同様の効果を得ることができる。
【0138】
（第１３実施形態）
第１３実施形態について説明する。本実施形態は、第１２実施形態に対し、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との区画の仕方を規定したものである。その他に関しては、第１２実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
第１３実施形態について説明する。本実施形態は、第１２実施形態に対し、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との区画の仕方を規定したものである。その他に関しては、第１２実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【0139】
以下、本実施形態における第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との区画の仕方について説明する。なお、本実施形態の区画の仕方は、特に、感度出力を電荷で表記する場合に有効である。本実施形態は、上記第１２実施形態に対し、仮想領域Ｍの面積をＳとし、仮想領域Ｍに発生する応力の和をσｓｕｍとする。そして、１／２×Ｃ×Ｖ２は、Ｓ×（σｓｕｍ／Ｓ）２に比例する。つまり、１／２×Ｃ×Ｖ２は、単位面積当たりの発生応力に比例する。このため、本実施形態では、図２６および図２７に示されるように、各仮想領域Ｍの（σｓｕｍ）２／Ｓが最大となる領域を算出し、各仮想領域Ｍの最大となる領域を繋ぐ境界線で第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とを区画する。この場合、図２７に示されるように、算出値を繋いだ算出線を境界線として第１領域と第２領域Ｒ２とを区画するようにしてもよいし、算出線に基づく近似線を境界線として第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とを区画するようにしてもよい。なお、図２７では、振動領域２２における一端部２２ａのＹ方向に沿った長さを８５０μｍとし、一端部２２ａから他端部２２ｂまでの長さを４２５μｍとした例を示している。この場合、近似式は、下記数式２で示される。
【0140】
（数２）Ｙ＝２４１．１１
このように、単位面積当たりの発生応力に基づいて第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とを区画するようにしても、上記第１２実施形態と同様の効果を得ることができる。
このように、単位面積当たりの発生応力に基づいて第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とを区画するようにしても、上記第１２実施形態と同様の効果を得ることができる。
【0141】
（第１４実施形態）
第１４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、各振動領域２２を反らせつつ、並列に接続したものである。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。
第１４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、各振動領域２２を反らせつつ、並列に接続したものである。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。
【0142】
本実施形態では、図２８に示されるように、圧電素子１は、各振動領域２２における他端部２２ｂ（すなわち、自由端）が反った状態とされている。本実施形態では、各振動領域２２における他端部２２ｂは、支持基板１１側と反対側に沿った状態とされている。なお、各振動領域２２における反り量は、同じとされており、例えば、圧電膜５０の厚み以上に反るように構成されている。
【0143】
また、各振動領域２２は、上記のように、下層圧電膜５１と上層圧電膜５２とが積層されたバイモルフ構造とされており、図２９に示される回路構成と捉えることができる。そして、圧電装置を構成する場合、各振動領域２２における各電極膜６０は、回路基板１２０に並列に接続される。つまり、本実施形態では、各振動領域２２からそれぞれ圧力検出信号が回路基板１２０に出力される。なお、本実施形態では、振動領域２２が反った形状であり、各振動領域２２から圧力検出信号が回路基板１２０に出力されることが向上部に相当する。
【0144】
以上が本実施形態における圧電素子１の構成である。なお、このような圧電素子１は、次のように製造される。すなわち、絶縁膜１２上に圧電膜５０をスパッタ法等で成膜する際、支持基板１１を通じて圧電膜５０に所定の電圧が印加されるようにし、成膜した圧電膜５０に所定の残留応力が発生するようにする。その後、分離用スリット４１を形成して各振動領域２２を分離し、残留応力によって各振動領域２２の他端部２２ｂを反らせることで図２８に示す圧電素子１が製造される。
【0145】
このような圧電素子１は、上記のように各振動領域２２から圧力検出信号を出力する。この際、例えば、図３０Ａに示されるように、各振動領域２２に音圧が法線方向と一致する方向から印加された場合には、各振動領域２２の変形の仕方は等しくなり、各振動領域２２から出力される圧力検出信号も等しくなる。一方、例えば、図３０Ｂに示されるように、各振動領域２２に音圧が法線方向と交差する方向から印加される場合には、各振動領域２２で変形の仕方が異なり、各振動領域２２から出力される圧力検出信号が異なる。つまり、各振動領域２２から音圧が印加される方向に応じた圧力検出信号が出力される。このため、本実施形態の圧電素子１では、音圧が印加される方向も検出できる。つまり、本実施形態の圧電素子１は、指向性を有する構成とされている。
【0146】
この際、本実施形態では、振動領域２２が反った状態とされている。このため、各振動領域２２では、音圧が印加される方向に応じた変形の差が大きくなり易い。したがって、指向性に関する感度の向上を図ることもできる。
【0147】
以上説明した本実施形態によれば、圧電素子１は、各振動領域２２が反った状態で配置されている。そして、回路基板１２０と接続される場合には、各振動領域２２が回路基板１２０と並列に接続される。このため、指向性を備えつつ、さらに指向性に関する感度の向上を図ることができる。
【0148】
（第１４実施形態の変形例）
第１４実施形態に変形例について説明する。上記第１４実施形態において、図３１に示されるように、各振動領域２２は、回路基板１２０に対して並列に接続されつつ、互いに直列にも接続されていてもよい。
第１４実施形態に変形例について説明する。上記第１４実施形態において、図３１に示されるように、各振動領域２２は、回路基板１２０に対して並列に接続されつつ、互いに直列にも接続されていてもよい。
【0149】
（第１５実施形態）
第１５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、振動領域２２に反射膜を形成したものである。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。
第１５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、振動領域２２に反射膜を形成したものである。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。
【0150】
本実施形態では、図３２に示されるように、各振動領域２２には、圧電膜５０や電極膜６０、パッド部７１ｃ、７２ｃよりも反射率の高い反射膜１４０が最表層に形成されている。本実施形態では、反射膜１４０は、上層電極膜６３上に形成されている。なお、反射率が高いとは、言い換えると、吸収率が低いともいえる。また、本実施形態では、反射膜１４０は、圧電膜５０よりヤング率が小さい材料で構成され、例えば、アルミニウムの単層膜、または多層膜で構成される。そして、反射膜１４０は、第２領域Ｒ２に形成されている。なお、本実施形態では、反射膜１４０が向上部に相当する。
【0151】
以上が本実施形態における圧電素子１の構成である。次に、本実施形態における圧電素子１の製造方法について説明する。
【0152】
圧電素子１を製造する際には、支持基板１１上に、絶縁膜１２、圧電膜５０、電極膜６０、反射膜１４０等を順に成膜して適宜パターニングする。そして、凹部１０ａを形成した後、分離用スリット４１を形成する。
【0153】
その後、本実施形態では、良否判定を行う。具体的には、図３３に示されるように、レーザビームＬを照射するレーザ光源１５１と、受信したレーザビームＬの強度を検出する検出器１５２と、を備える検出装置１５０を用意する。検出器１５２は、閾値に基づいた判定を行う図示しない制御部を有しており、制御部は、ＣＰＵや、ＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ、ＨＤＤ等の非遷移的実体的記憶媒体で構成される記憶部等を備えたマイクロコンピュータ等で構成されている。ＣＰＵは、Central Processing Unitの略であり、ＲＯＭは、Read Only Memoryの略であり、ＲＡＭは、Random Access Memoryの略であり、ＨＤＤはHard Disk Driveの略である。ＲＯＭ等の記憶媒体は、非遷移的実体的記憶媒体である。
【0154】
記憶部には、振動領域２２に反りが発生していない場合にレーザビームＬを受信した際の強度が閾値として記憶されている。そして、制御部は、検出器１５２で受信したレーザビームＬの強度と閾値とを比較して良否判定を行う。
【0155】
具体的には、振動領域２２に配置された反射膜１４０に対する法線方向に沿った面を基準面Ｔとし、基準面Ｔに対して傾いた方向からレーザビームＬを反射膜１４０に照射する。そして、検出器１５２で反射したレーザビームＬを検出する。その後、検出器１５２は、検出したレーザビームＬの強度と、閾値とを比較して良否判定を行う。例えば、検出器１５２は、検出したレーザビームＬの強度が閾値の５０％未満である場合、振動領域２２の状態が異常であると判定する良否判定を行う。この場合、例えば、図３４に示されるように、振動領域２２の反りが大きくて検出器１５２でレーザビームＬが検出されない場合も、振動領域２２の状態が異常であると判定する。なお、レーザビームＬは、反射率が最も大きくなるものを選定することが好ましく、例えば、反射膜１４０をアルミニウムで構成した場合には、１μｍ以下である可視光領域の波長を用いることが好ましい。また、反射膜１４０を他の金属膜で構成した場合には、赤外領域の波長を用いる方が好ましい場合もある。
【0156】
以上説明した本実施形態によれば、振動領域２２に反射膜１４０が配置されているため、振動領域２２の良否判定を行うことができる。このため、検出精度が低下することを抑制できる圧電素子１を製造できる。また、本実施形態では、反射膜１４０にレーザビームＬを照射することで良否判定を行っているため、非接触での良否判定とできる。
【0157】
また、反射膜１４０は、圧電膜５０よりヤング率が小さい材料で構成されている。このため、反射膜１４０が圧電膜５０の変形を阻害することを抑制でき、検出精度が低下することを抑制できる。
【0158】
さらに、反射膜１４０は、第２領域Ｒ２に配置されている。このため、振動領域２２のうちの応力が大きくなり易い第１領域Ｒ１に反射膜１４０が影響することを抑制できる。
【0159】
なお、本実施形態を第１４実施形態に適用することもできる。この場合、判定に用いられる閾値は、振動領域２２の反り量が所望の値となる場合の強度に設定されればよい。
【0160】
（第１６実施形態）
第１６実施形態について説明する。本実施形態は、第９実施形態のように圧電装置を構成した際に自己診断を行うようにしたものである。その他に関しては、第９実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
第１６実施形態について説明する。本実施形態は、第９実施形態のように圧電装置を構成した際に自己診断を行うようにしたものである。その他に関しては、第９実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【0161】
本実施形態の圧電装置では、図３５に示されるように、圧電素子１は、支持基板１１の他面１１ｂが接合部材２を介してプリント基板１３１の一面１３１ａに搭載されている。そして、本実施形態では、上記第１０実施形態の図１７を参照して説明した圧電装置と同様に、プリント基板１３１に貫通孔１３１ｂが形成されている。このため、本実施形態では、貫通孔１３１ｂを通じてセンシング部３０に音圧が印加されることで音圧が検出される。そして、本実施形態では、ケーシング１３０内において、貫通孔１３１ｂが形成される部分とセンシング部３０との間の空間が受圧面空間Ｓ１となる。また、センシング部３０を挟んで受圧面空間Ｓ１と反対側に位置する空間を含み、当該空間と分離用スリット４１を介さずに連続した空間がバック空間Ｓ２となる。
【0162】
なお、本実施形態では、図３５のように構成された圧電装置を例に挙げて説明するが、第９実施形態や第１０実施形態のように構成された圧電装置についても下記の構成を適用できる。
【0163】
本実施形態の圧電素子１は、図３６および図３７に示されるように、各振動領域２２と電気的に接続される第１～第５パッド部７０１～７０５を有している。なお、第１～第５パッド部７０１～７０５は、上記第１実施形態におけるパッド部７１ｃ、７２ｃに相当するものである。そして、圧電素子１は、上記第１４実施形態の変形例で説明した図３１と同様に、各振動領域２２が回路基板１２０に対して第１～第５パッド部７０１～７０５を介して並列に接続されつつ、互いに直列に接続された構成とされている。
【0164】
回路基板１２０は、所定の信号処理を行うものであり、本実施形態では、制御部１２０ａが配置されている。なお、制御部１２０ａは、回路基板１２０とは別に配置されていてもよい。
【0165】
制御部１２０ａは、上記第１５実施形態の制御部と同様に、ＣＰＵや、ＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ、ＨＤＤ等の非遷移的実体的記憶媒体で構成される記憶部等を備えたマイクロコンピュータ等で構成されている。そして、本実施形態の制御部１２０ａは、圧電装置の自己診断を行う。
【0166】
具体的には、本実施形態の制御部１２０ａは、圧電素子１の異常判定を行う。詳しくは、制御部１２０ａは、異常判定信号を第１パッド部７０１と第５パッド部７０５の間に所定の電圧を印加して各振動領域２２を振動させる。より詳しくは、制御部１２０ａは、実際の音圧検出で振動領域２２に印加され得る音圧の周波数で各振動領域２２を通常振動させる。本実施形態では、図３８に示されるように、共振周波数が１３ｋＨｚとなるように振動領域２２が形成されており、圧電素子１に印加され得る音圧の周波数として数ｋＨｚを想定している。
【0167】
したがって、制御部１２０ａは、各振動領域２２が数ｋＨｚで通常振動するように、第１パッド部７０１と第５パッド部７０５との間に所定電圧を印加する。なお、本実施形態では、共振周波数が１３ｋＨｚとされていると共に圧電素子１に印加され得る音圧の周波数を数ｋＨｚと想定している。このため、制御部１２０ａは、共振周波数より低い周波数で通常振動するように、第１パッド部７０１と第５パッド部７０５との間に所定電圧を印加するともいえる。
【0168】
これにより、各振動領域２２が正常である場合には、第２～第４パッド部７０２～７０４から所定電圧に対応する分圧が印加される。これに対し、各振動領域２２の間でショート等の異常が発生している場合には、第２～第４パッド部７０２～７０４から出力される電圧が変化する。また、各振動領域２２の間で断線等の異常が発生している場合には、第２～第４パッド部７０２～７０４から電圧が出力されない。したがって、制御部１２０ａは、第２～第４パッド部７０２～７０４の電圧を所定の閾値範囲と比較して異常判定を行う。
【0169】
また、本実施形態の制御部１２０ａは、バック空間Ｓ２の圧力を推定する自己診断を行う。そして、制御部１２０ａは、推定した圧力に基づいて圧電素子１から出力される圧力検出信号に対して補正を行う。
【0170】
すなわち、上記のような圧電装置では、バック空間Ｓ２の圧力が変動することにより、振動領域２２の振動の仕方が変化する。具体的には、バック空間Ｓ２の圧力は、周囲の温度、湿度、および使用される高度（すなわち、場所）等に応じて変化する。そして、振動領域２２は、バック空間Ｓ２の圧力が高くほど振動し難くなり、バック空間Ｓ２の圧力が低いほど振動し易くなる。つまり、上記のような圧電装置では、使用環境によって検出感度が変化する可能性がある。このため、本実施形態では、バック空間Ｓ２の圧力を推定し、推定した圧力に基づいて圧電素子１から出力される圧力検出信号に対して補正を行う。
【0171】
具体的には、制御部１２０ａは、バック空間Ｓ２の圧力を推定するため、圧電素子１に圧力推定信号を印加して各振動領域２２を推定振動させる。この場合、制御部１２０ａは、各振動領域２２の振動が大きくなるように、各振動領域２２を共振周波数で最大振動させる。そして、制御部１２０ａは、圧力推定信号を印加した際の第２～第４パッド部７０２～７０４の電圧と、異常判定信号を印加した際の第２～第４パッド部７０２～７０４の電圧との差に基づき、次の作動を行う。すなわち、制御部１２０ａは、共振倍率としてのＱ値を算出すると共にＱ値からバック空間Ｓ２の圧力を推定する自己診断を行う。
【0172】
なお、Ｑ値を算出する場合、具体的な算出方法は適宜変更可能である。例えば、圧力推定信号を印加した際の第２～第４パッド部７０２～７０４の電圧と、異常判定信号を印加した際の第２～第４パッド部７０２～７０４の電圧とのいずれか１つの差に基づいてＱ値を算出するようにしてもよい。また、圧力推定信号を印加した際の第２～第４パッド部７０２～７０４の電圧と、異常判定信号を印加した際の第２～第４パッド部７０２～７０４の電圧との差の平均値に基づいてＱ値を算出するようにしてもよい。
【0173】
そして、制御部１２０ａは、音圧を検出する場合、推定したバック空間Ｓ２の圧力に基づいて圧電素子１から出力される圧力検出信号に対して補正を行う。具体的には、制御部１２０ａは、バック空間Ｓ２の圧力が大気圧である場合を基準とし、バック空間Ｓ２の圧力に応じた補正係数を圧力検出信号に対して乗算する。例えば、制御部１２０ａは、バック空間Ｓ２の圧力が大気圧より大きい場合には振動領域２２が振動し難くなるため、補正係数として１より大きい値を圧力検出信号に乗算して補正する。一方、制御部１２０ａは、バック空間Ｓ２の圧力が大気圧より小さい場合には振動領域２２が振動し易くなるため、補正係数として１より小さい値を圧力検出信号に乗算して補正する。これにより、圧力検出信号は、バック空間Ｓ２の圧力（すなわち、振動領域２２の振動のし易さ）に応じた値となる。なお、補正係数は、例えば、予め実験等によって導出され、バック空間Ｓ２の圧力と対応づけて制御部１２０ａに記憶される。
【0174】
以上説明した本実施形態によれば、自己診断を行っているため、検出精度の向上を図ることができる。具体的には、圧電素子１の異常判定を行っているため、異常がある場合には音圧の検出を停止等することにより、検出精度の向上を図ることができる。また、バック空間Ｓ２の圧力を推定しているため、推定した圧力に基づいた補正を行うことで検出精度の向上を向上することができる。
【0175】
（第１６実施形態の変形例）
上記第１６実施形態の変形例について説明する。上記第１６実施形態において、制御部１２０ａは、自己診断として、異常判定およびバック空間Ｓ２の圧力の推定の一方のみを行うようにしてもよい。また、上記第１６実施形態において、制御部１２０ａは、バック空間Ｓ２の圧力の推定を行う際、通常振動と異なる振動であるのであれば、各振動領域２２を共振周波数で振動させなくてもよい。但し、各振動領域２２を共振周波数で最大振動させることにより、通常振動との差を大きくでき、バック空間Ｓ２の圧力の推定精度を向上できる。
上記第１６実施形態の変形例について説明する。上記第１６実施形態において、制御部１２０ａは、自己診断として、異常判定およびバック空間Ｓ２の圧力の推定の一方のみを行うようにしてもよい。また、上記第１６実施形態において、制御部１２０ａは、バック空間Ｓ２の圧力の推定を行う際、通常振動と異なる振動であるのであれば、各振動領域２２を共振周波数で振動させなくてもよい。但し、各振動領域２２を共振周波数で最大振動させることにより、通常振動との差を大きくでき、バック空間Ｓ２の圧力の推定精度を向上できる。
【0176】
（第１７実施形態）
第１７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、下層電極膜６１、中間電極膜６２、および上層電極膜６３の膜厚を規定したものである。その他に関しては、第９実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
第１７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、下層電極膜６１、中間電極膜６２、および上層電極膜６３の膜厚を規定したものである。その他に関しては、第９実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【0177】
本実施形態における圧電素子１は、図３９に示されるように、上記第１実施形態と同様の構成とされている。但し、本実施形態では、圧電素子１に応力増加用スリット４２は形成されていない。
【0178】
そして、本実施形態では、下層電極膜６１の膜厚および上層電極膜６３の膜厚が中間電極膜６２の膜厚より薄くされている。例えば、本実施形態では、下層電極膜６１および上層電極膜６３の膜厚が２５ｎｍとされ、中間電極膜６２の膜厚が１００ｎｍとされている。なお、下層圧電膜５１における下層電極膜６１と中間電極膜６２との間の膜厚、および上層圧電膜５２における中間電極膜６２と上層電極膜６３との間の膜厚は、上記第１実施形態と同様とされ、例えば、５０μｍとされる。
【0179】
また、下層電極膜６１と上層電極膜６３とは、剛性が等しくされている。本実施形態では、下層電極膜６１と上層電極膜６３とは、同じ材料で構成される共に、膜厚が等しくされることで剛性が等しくされている。
【0180】
なお、本実施形態では、第１領域Ｒ１および第２領域Ｒ２に配置されている下層電極膜６１、中間電極膜６２、および上層電極膜６３のそれぞれが上記構成とされている。但し、下層電極膜６１、中間電極膜６２、および上層電極膜６３は、少なくとも第１領域Ｒ１に形成されている部分が上記構成とされていればよい。また、本実施形態では、下層電極膜６１、中間電極膜６２、および上層電極膜６３の構成が向上部に相当する。
【0181】
以上説明したように、本実施形態では、下層電極膜６１の膜厚および上層電極膜６３の膜厚が中間電極膜６２の膜厚より薄くされ、下層電極膜６１と上層電極膜６３との剛性が等しくされている。このため、感度の向上を図ることで検出精度を向上できる。
【0182】
すなわち、各振動領域２２は、上記のように一端部２２ａが固定端とされていると共に、他端部２２ｂが自由端とされている。このため、図４０に示されるように、例えば、各振動領域２２において、上層電極膜６３側から下層電極膜６１側に荷重（すなわち、音圧）が印加された際、下層圧電膜５１側に圧縮応力が印加され、上層圧電膜５２側に引張応力が印加される。そして、各振動領域２２は、厚さ方向における中心部が圧縮応力も引張応力も印加されない中立面Ｃｓとなる。
【0183】
この場合、図４１および図４２に示されるように、下層圧電膜５１に印加される圧縮応力は、中立面Ｃｓから離れるほど大きくなる。同様に、上層圧電膜５２に印加される引張応力は、中立面Ｃｓから離れるほど大きくなる。したがって、下層圧電膜５１および上層圧電膜５２は、中立面Ｃｓから離れた位置を含むように形成されることにより、応力が大きい部分を含める構成とできる。つまり、下層圧電膜５１および上層圧電膜５２は、中立面Ｃｓから離れた位置を含むように形成されることにより、電荷が発生し易い部分を含める構成とできる。但し、下層圧電膜５１の膜厚を単純に厚くすることによって中立面Ｃｓから離れた位置を含むようにした場合、下層電極膜６１と中間電極膜６２との間隔が広くなるため、下層電極膜６１と中間電極膜６２との間の容量が低下する。同様に、上層圧電膜５２の膜厚を単純に厚くすることによって中立面Ｃｓから離れた位置を含むようにした場合、中間電極膜６２と上層電極膜６３との間隔が広くなるため、中間電極膜６２と上層電極膜６３との間の容量が低下する。
【0184】
したがって、本実施形態のように、中間電極膜６２を厚くしつつ、下層電極膜６１を薄くすることにより、下層圧電膜５１は、下層圧電膜５１の膜厚を変更せずに中立面Ｃｓから離れた位置を含むようにできる。同様に、中間電極膜６２を厚くしつつ、上層電極膜６３を薄くすることにより、上層圧電膜５２は、上層圧電膜５２の膜厚を変更せずに、中立面Ｃｓから離れた位置を含むようにできる。したがって、下層圧電膜５１および上層圧電膜５２に発生する電荷を多くでき、感度を向上させることで検出精度を向上できる。
【0185】
また、下層電極膜６１および上層電極膜６３は、モリブデン、銅、プラチナ、白金、チタン等を用いて構成されており、下層圧電膜５１および上層圧電膜５２を構成する窒化スカンジウムアルミニウム等よりもヤング率が大きい。このため、下層電極膜６１および上層電極膜６３が厚いほど下層圧電膜５１および上層圧電膜５２の変形が阻害され易くなる。したがって、本実施形態のように、下層電極膜６１および上層電極膜６３の膜厚を中間電極膜６２の膜厚より薄くすることにより、下層電極膜６１および上層電極膜６３の膜厚が中間電極膜６２の膜厚と同じである場合と比較して、下層圧電膜５１および上層圧電膜５２の変形が阻害されることを抑制できる。したがって、感度が低下することを抑制でき、検出精度を向上できる。
【0186】
さらに、下層電極膜６１および上層電極膜６３は、剛性が等しくされている。このため、音圧が印加された際に下層圧電膜５１と上層圧電膜５２の変形の仕方が異なることを抑制でき、全体の変形が阻害されることを抑制できる。
【0187】
（第１７実施形態の変形例）
上記第１７実施形態の変形例について説明する。上記第１７実施形態において、下層電極膜６１と上層電極膜６３とは、中間電極膜６２より膜厚が薄くされると共に剛性が等しくされるのであれば次のように構成されていてもよい。すなわち、下層電極膜６１と上層電極膜６３とは、異なる材料で構成され、膜厚が調整されることによって剛性が等しくなるように構成されていてもよい。
上記第１７実施形態の変形例について説明する。上記第１７実施形態において、下層電極膜６１と上層電極膜６３とは、中間電極膜６２より膜厚が薄くされると共に剛性が等しくされるのであれば次のように構成されていてもよい。すなわち、下層電極膜６１と上層電極膜６３とは、異なる材料で構成され、膜厚が調整されることによって剛性が等しくなるように構成されていてもよい。
【0188】
（第１８実施形態）
第１８実施形態について説明する。本実施形態は、第１１実施形態に対し、寄生容量Ｃｐに基づいて電荷領域６２０の数を規定したものである。その他に関しては、第１１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
第１８実施形態について説明する。本実施形態は、第１１実施形態に対し、寄生容量Ｃｐに基づいて電荷領域６２０の数を規定したものである。その他に関しては、第１１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【0189】
本実施形態の圧電素子１は、上記第１１実施形態と同様に、第１中間電極膜６２ａが複数の電荷領域６２０に分割されると共に、各電荷領域６２０が直列に接続されている。また、各電荷領域６２０は、それぞれ同じ面積とされ、互いに直列に接続されている。
【0190】
ここで、圧電素子１における感度（すなわち、出力電圧）をΔＶとし、センシング部３０の全体の容量をＣｏとし、寄生容量をＣｐとし、音圧を電圧に変換する際の音響電気変換係数をΓとし、電荷領域６２０の数をｎとすると、下記数式３が成立する。
【0191】
（数３）ΔＶ＝Γ×｛Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｃｐ）｝
なお、寄生容量Ｃｐは、圧電素子１（すなわち、センシング部３０）と回路基板１２０とを接続する部分の容量や、回路基板１２０の内部に発生する容量等の和である。また、センシング部３０の容量Ｃｏは、各電荷領域６２０が直列に接続されるため、１／ｎ２に比例する。
なお、寄生容量Ｃｐは、圧電素子１（すなわち、センシング部３０）と回路基板１２０とを接続する部分の容量や、回路基板１２０の内部に発生する容量等の和である。また、センシング部３０の容量Ｃｏは、各電荷領域６２０が直列に接続されるため、１／ｎ２に比例する。
【0192】
このため、図４３Ａ～図４３Ｃに示されるように、振動領域２２における一端部２２ａから他端部２２ｂまでの長さを長さｄとすると、感度は、長さｄ、電荷領域６２０の数、および寄生容量Ｃｐに応じて変化する。そして、現状では、感度を高くすることが望まれており、最大感度から９０％程度までの範囲が実用的とされる。したがって、本実施形態では、最大感度の９０％以上となるように、電荷領域６２０の数が設定されている。例えば、図４３Ｂに示されるように、振動領域２２における一端部２２ａから他端部２２ｂまでの長さｄが４９０μｍであり、寄生容量Ｃｐが２．０×１０－１２Ｆである場合、全体の電荷領域６２０の数が８～１６となるように形成されることにより、感度の低下を図ることができる。つまり、各振動領域２２における電荷領域６２０の数が２～４とされることにより、感度の低下を図ることができる。
【0193】
以上説明した本実施形態では、電荷領域６２０の数が最大感度の９０％以上となるように規定される。このため、感度の向上を図ることで検出精度の向上を図ることができる。
【0194】
（第１９実施形態）
第１９実施形態について説明する。本実施形態は、第９実施形態のように圧電装置を構成した際の、受圧面空間Ｓ１の音響コンプライアンスＣｆ、バック空間Ｓ２の音響コンプライアンスＣｂ、分離用スリット４１の音響抵抗Ｒｇ等を調整したものである。その他に関しては、第９実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
第１９実施形態について説明する。本実施形態は、第９実施形態のように圧電装置を構成した際の、受圧面空間Ｓ１の音響コンプライアンスＣｆ、バック空間Ｓ２の音響コンプライアンスＣｂ、分離用スリット４１の音響抵抗Ｒｇ等を調整したものである。その他に関しては、第９実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【0195】
本実施形態の圧電装置は、図４４に示されるように、圧電素子１における支持基板１１の他面１１ｂが接合部材２を介してプリント基板１３１の一面１３１ａに搭載されて構成されている。そして、本実施形態では、上記第１０実施形態の図１７を参照して説明した圧電装置と同様に、プリント基板１３１に貫通孔１３１ｂが形成されている。このため、本実施形態では、貫通孔１３１ｂを通じてセンシング部３０に音圧が印加されることで音圧が検出される。また、本実施形態では、ケーシング１３０内において、貫通孔１３１ｂが形成される部分とセンシング部３０との間の空間が受圧面空間Ｓ１となる。センシング部３０を挟んで受圧面空間Ｓ１と反対側に位置する空間を含み、当該空間と分離用スリット４１を介さずに連続した空間がバック空間Ｓ２となる。
【0196】
なお、本実施形態では、圧電素子１の支持基板１１に窪み構造が形成されていないが、支持基板１１に窪み構造が形成されていてもよい。また、本実施形態の圧電素子１には、上記第１実施形態のような応力増加用スリット４２も形成されていないが、応力増加用スリット４２等が形成されていてもよい。以下、図４４のように構成された圧電装置を例に挙げて説明するが、上記各実施形態の圧電素子１を用いた圧電装置についても下記の構成を適用できる。
【0197】
まず、圧電装置の感度は、低周波ロールオフ周波数、圧電素子１の共振周波数、ヘルムホルツ周波数に依存する。具体的には、低周波ロールオフ周波数をｆｒとすると、低周波ロールオフ周波数ｆｒは、下記数式４で示される。圧電素子１の共振周波数をｆｍｂとすると、共振周波数ｆｍｂは、下記数式５で示される。ヘルムホルツ周波数をｆｈとすると、ヘルムホルツ周波数ｆｈは、下記数式６で示される。
【0198】
【数4】
【0199】
【数5】
【0200】
【数6】
【0201】
そして、貫通孔１３２ａのイナータンスＬｆは、下記数式７で示される。また、受圧面空間Ｓ１の音響コンプライアンスＣｆは、下記数式８で示される。バック空間Ｓ２の音響コンプライアンスＣｂは、下記数式９で示される。分離用スリット４１の音響抵抗Ｒｇは、下記数式１０で示される。
【0202】
【数7】
【0203】
【数8】
【0204】
【数9】
【0205】
【数10】
【0206】
そして、本実施形態の圧電装置は、図４５に示されるように、低周波ロールオフ周波数ｆｒ、圧電素子１の共振周波数ｆｍｂ、ヘルムホルツ周波数ｆｈの順に周波数が大きくなるように構成されている。具体的には、各周波数は、上記数式４～６に示されるように、受圧面空間Ｓ１の音響コンプライアンスＣｆ、バック空間Ｓ２の音響コンプライアンスＣｂ、分離用スリット４１の音響抵抗Ｒｇに基づいた値となる。このため、各周波数は、受圧面空間Ｓ１の音響コンプライアンスＣｆ、バック空間Ｓ２の音響コンプライアンスＣｂ、分離用スリット４１の音響抵抗Ｒｇが調整されることによって値が調整されている。
【0207】
より詳しくは、低周波ロールオフ周波数ｆｒは、音響コンプライアンスＣｂおよび音響抵抗Ｒｇを大きくするほど小さくなる。圧電素子１の共振周波数ｆｍｂは、音響コンプライアンスＣｍおよび音響コンプライアンスＣｂを大きくするほど小さくなる。本実施形態では、音響コンプライアンスＣｂを調整することによって圧電素子１の共振周波数ｆｍｂが調整される。ヘルムホルツ周波数ｆｈは、イナータンスＬｆおよび音響コンプライアンスＣｆを大きくするほど小さくなる。本実施形態では、音響コンプライアンスＣｆを調整することでヘルムホルツ周波数ｆｈが調整される。これにより、ヘルムホルツ周波数ｆｈが圧電素子１の共振周波数ｆｍｂより小さくされている場合と比較して、圧電装置が一般的には低周波ロールオフ周波数ｆｒと共振周波数ｆｍｂとの間における周波数の音圧を検出するのに利用されるため、感度を維持できる周波数を増加できる。
【0208】
また、本実施形態では、低周波ロールオフ周波数が２０Ｈｚ以下とされると共にヘルムホルツ周波数が２０ｋＨｚとなるように、音響コンプライアンスＣｆ、音響コンプライアンスＣｂ、音響抵抗Ｒｇが調整される。つまり、本実施形態では、低周波ロールオフ周波数ｆｒおよびヘルムホルツ周波数ｆｈは、可聴域から外れる値とされている。このため、本実施形態の圧電装置では、可聴域での感度を維持できる周波数を増加できる。なお、圧電素子１の共振周波数ｆｍｂは、例えば、１３ｋＨｚとされる。
【0209】
ここで、低周波ロールオフ周波数を２０Ｈｚ以下にするためには、以下のようにすればよい。すなわち、低周波ロールオフ周波数ｆｒに影響する音響抵抗Ｒｇは、上記の数式１０のように示される。このため、低周波ロールオフ周波数を２０Ｈｚ以下とするためには、上記の数式４を２０Ｈｚ以下となるようにすればよく、音響抵抗ＲｇがＲｇ≧１／（４０π×Ｃｂ）を満たすようにすればよい。したがって、分離用スリット４１の幅ｇは、下記数式１１を満たされるように形成されればよい。
【0210】
【数11】
【0211】
また、上記のような圧電装置では、受圧面空間Ｓ１に音圧が導入された際、バック空間Ｓ２の容積が大きいほど感度が高くなり易く、信号とノイズの比であるＳＮ比が大きくなり易い。この場合、図４８に示されるように、信号強度比（ｄＢ）は、音響コンプライアンスＣｆに対する音響コンプライアンスＣｂの比であるＣｂ／Ｃｆが１４以下になると、基準に対して一般的にノイズが大きいとされる－３ｄＢ以下となる。なお、ここでの基準とは、信号が最も大きくなる場合のＳＮ比を基準としている。また、基準に対して－３ｄＢ以下とは、人間の聴力で変化を感じ取ることが困難な範囲である。したがって、本実施形態では、Ｃｂ／Ｃｆが１４以下とされている。これにより、ノイズの低減を図ることができる。
【0212】
さらに、上記のような圧電装置では、振動領域２２が振動することで検出が行われる。また、上記のような圧電装置では、受圧面空間Ｓ１に音圧が導入されていない状態においても、ブラウン運動により、振動領域２２に対して受圧面空間Ｓ１側およびバック空間Ｓ２側から空気粒が衝突する。この場合、受圧面空間Ｓ１側からの空気粒の衝突とバック空間Ｓ２側からの空気粒の衝突の仕方が異なると、振動領域２２が不要振動してノイズの要因となる。
【0213】
このため、不要振動に関するノイズを低減するためには、受圧面空間Ｓ１の容積とバック空間Ｓ２の容積とを等しくすることが好ましい。これにより、不要振動に関するノイズの低減を図ることができる。
【0214】
以上説明したように、本実施形態では、低周波ロールオフ周波数ｆｒ、圧電素子１の共振周波数ｆｍｂ、ヘルムホルツ周波数ｆｈが順に周波数が大きくなるように、音響コンプライアンスＣｆ、音響コンプライアンスＣｂ、音響抵抗Ｒｇが調整されている。このため、ヘルムホルツ周波数ｆｈが圧電素子１の共振周波数ｆｍｂより小さくされている場合と比較して、感度を維持できる周波数を増加できる。
【0215】
また、本実施形態では、低周波ロールオフ周波数ｆｒが２０Ｈｚ以下とされ、ヘルムホルツ周波数ｆｈが２０ｋＨｚ以上とされている。このため、可聴域での感度を維持することができる。この場合、分離用スリット４１の幅ｇが３μｍ以下とされていることにより、低周波ロールオフ周波数ｆｒを２０Ｈｚ以下とすることができる。
【0216】
さらに、本実施形態では、Ｃｂ／Ｃｆが１４以下とされている。このため、ノイズの低減を図ることができる。
【0217】
また、本実施形態では、受圧面空間Ｓ１の容積とバック空間Ｓ２の容積とを等しくすることにより、不要振動に関するノイズの低減を図ることができる。
【0218】
（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。
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。
【0219】
例えば、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５０と、１層の電極膜６０とを有する構成とされていればよい。
【0220】
また、上記各実施形態において、振動部２０のうちの浮遊領域２１ｂは、４つの振動領域２２に分割されるのではなく、３つ以下の振動領域２２に分割されるようにしてもよいし、５つ以上の振動領域２２に分割されるようにしてもよい。
【0221】
そして、上記各実施形態において、センシング部３０は、１つの振動領域２２で構成されるようにしてもよい。つまり、例えば、上記第１実施形態では、１つの浮遊領域２１ｂによって構成される４つの振動領域２２により、４つのセンシング部３０が構成されるようにしてもよい。この場合、上記第７実施形態では、１つの浮遊領域２１ｂのみを有する構成とすると共に当該浮遊領域２１ｂに複数の振動領域２２が構成されるようにし、各振動領域２２の共振周波数が異なるようにしてもよい。
【0222】
また、上記第１実施形態では、応力増加用スリット４２が形成されずに分離用スリット４１が浮遊領域２１ｂの角部に達するように形成され、角部Ｃ１は、第１領域Ｒ１における分離用スリット４１が内側に凹まされることで構成されていてもよい。
【0223】
さらに、上記第３実施形態において、振動領域２２の一端部２２ａは、仮想線Ｋ１に対して他端部２２ｂ側と反対側に膨らんだ部分を有する形状とされていればよく、円弧状とされていなくてもよい。同様に、上記第４実施形態において、振動領域２２の一端部２２ａは、仮想線Ｋ２に対して他端部２２ｂ側と反対側に膨らんだ部分を有する形状とされていればよく、円弧状とされていなくてもよい。
【0224】
また、上記第５実施形態において、硬膜８２は、第２領域Ｒ２における第１領域Ｒ１側と他端部２２ｂ側との間で均等に形成されていてもよいし、他端部２２ｂ側より第１領域Ｒ１側の方が密に形成されていてもよい。また、上記第５実施形態において、硬膜８２が埋め込まれる孔部８１は、上層電極膜６３、上層圧電膜５２、中間電極膜６２、および下層圧電膜５１を貫通するように形成されていなくてもよい。例えば、孔部８１は、上層電極膜６３および上層圧電膜５２のみを貫通するように形成されていてもよい。つまり、第２領域Ｒ２に形成される硬膜８２の深さは、適宜変更可能である。さらに、上記第５実施形態において、硬膜８２は、第１、第２電極部７１、７２と同じ材料ではなくてもよく、圧電膜５０よりもヤング率の高い材料であれば、構成される材料は特に限定されない。
【0225】
そして、上記第６実施形態において、応力増加用スリット４２は形成されていなくてもよい。このような圧電素子１としても、検出精度が低下することを抑制できる。さらに、上記第６実施形態において、温度検出素子９１および発熱素子９２は、下層電極膜６１が形成されている部分に配置されていてもよいし、上層電極膜６３が形成されている部分に配置されていてもよい。また、上記第６実施形態において、温度検出素子９１および発熱素子９２は、第１領域Ｒ１に形成されていてもよい。さらに、上記第７実施形態等で記載したように、上記第７実施形態以降の各実施形態では、応力増加用スリット４２が形成されていない。但し、応力増加用スリット４２は、適宜各実施形態に形成されていてもよい。また、上記第１６実施形態においては、制御部１２０ａの作動によって検出精度の向上を図ることができる。したがって、上記第１６実施形態においては、圧電素子１に向上部が形成されていなくてもよい。
【0226】
さらに、上記第７実施形態において、各センシング部３０におけるそれぞれの振動領域２２の共振周波数が異なるのであれば、振動領域２２の構成は適宜変更可能である。例えば、各センシング部３０におけるそれぞれの振動領域２２は、膜厚や、材料が異なるものとされることで共振周波数が異なるようにされていてもよい。
【0227】
なお、各センシング部３０におけるそれぞれの振動領域２２の膜厚や材料を異なるものとする場合には、例えば、振動領域２２を構成する圧電膜５０を成膜する際等に適宜マスクを配置することで膜厚や材料を異なるものとするようにしてもよい。また、例えば、圧電膜５０を成膜した後にエッチング等で膜厚を調整したり、エッチングした部分に再度別の圧電膜５０を成膜することで膜厚や材料を異なるものとするようにしてもよい。但し、エッチングした部分に再度別の圧電膜５０を成膜する場合には、例えば、エッチングした部分の側面をテーパとすることにより、新たに成膜する別の圧電膜５０との間にボイドが形成され難くなるため好ましい。このように、膜厚や材料を異ならせる場合には、使用用途に応じて最適なものを選択し易くできる。また、各振動領域２２は、一端部２２ａと他端部２２ｂとの間の長さを異ならせつつ、膜厚や材料も変更するようにしてもよい。
【0228】
そして、上記各実施形態を適宜組み合わせることもできる。例えば、上記第１実施形態を上記各実施形態に適宜組み合わせ、第１領域Ｒ１のうちの支持体１０から浮遊している部分に角部Ｃ１が形成されるようにしてもよい。上記第２実施形態を上記各実施形態に適宜組み合わせ、第１領域Ｒ１の一端部に角部Ｃ２が形成されるようにしてもよい。上記第３実施形態を上記各実施形態に適宜組み合わせ、凹部１０ａの開口端を円形状にしてもよい。上記第４実施形態を上記各実施形態に適宜組み合わせ、凹部１０ａの開口端を円形状にすると共に、浮遊領域２１ｂに分離用スリット４１を形成し、当該分離用スリット４１が浮遊領域２１ｂ内で終端するようにしてもよい。上記第５実施形態を上記各実施形態に適宜組み合わせ、第２領域Ｒ２に硬膜８２を配置するようにしてもよい。上記第６実施形態を上記各実施形態に適宜組み合わせ、温度検出素子９１および発熱素子９２を配置するようにしてもよい。上記第７実施形態を上記各実施形態に適宜組み合わせ、複数のセンシング部３０を備える構成としてもよい。上記第８実施形態を上記各実施形態に適宜組み合わせ、凹部１０ａの側面に保護膜１００を備えるようにしてもよい。上記第９実施形態を上記各実施形態に適宜組み合わせ、支持基板１１の側面１１ｃに窪み構造を形成するようにしてもよい。上記第１０実施形態を上記各実施形態に組み合わせ、圧電素子１をプリント基板１３１にフリップチップ実装するようにしてもよい。上記第１１実施形態を上記各実施形態に適宜組み合わせ、中間電極膜６２の形状を変更するようにしてもよい。上記第１２、第１３実施形態を上記各実施形態に組み合わせ、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との区画の仕方を変更するようにしてもよい。上記第１４実施形態を上記各実施形態に組み合わせ、各振動領域２２を反らせつつ、各振動領域２２が回路基板１２０に並列に接続されるようにしてもよい。上記第１５実施形態を上記各実施形態に組み合わせ、反射膜１４０を備える構成としてもよい。上記第１６実施形態を上記各実施形態に組み合わせ、圧電装置を構成した際に自己診断を行うようにしてもよい。上記第１７実施形態を各実施形態に組み合わせ、下層電極膜６１および上層電極膜６３が中間電極膜６２より膜厚が薄くされると共に、下層電極膜６１と上層電極膜６３との剛性が等しくされるようにしてもよい。上記第１８実施形態を各実施形態に組み合わせ、電荷領域６２０の数を最大感度の９０％以上となるように調整するようにしてもよい。上記第１９実施形態を各実施形態に組み合わせ、低周波ロールオフ周波数ｆｒ、圧電素子１の共振周波数ｆｍｂ、ヘルムホルツ周波数ｆｈが順に大きくなるように調整されていてもよい。そして、上記各実施形態を組み合わせたもの同士をさらに組み合わせることもできる。なお、上記各実施形態や各実施形態を組み合わせたものにおいて、必要に応じて構成要件の一部を除いた構成とすることもできる。例えば、上記のように、上記第６実施形態等では応力増加用スリット４２が形成されていなくてもよい。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13A】
【図13B】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30A】
【図30B】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37】
【図38】
【図39】
【図40】
【図41】
【図42】
【図43A】
【図43B】
【図43C】
【図44】
【図45】
【図46】
【図47】
【図48】