JP2005142623A - 圧電発音体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、効率よく高い音圧を再生でき、かつ広帯域な音を再生することが出来る圧電発音体を提供することを目的とするものである。
【解決手段】一枚の振動板としての金属酸化物からなる薄板１２と、この振動板上に形成する下部電極１３と、この下部電極１３の所定部分に形成する圧電薄膜１４と、この圧電薄膜１４の周縁部および下部電極１３を覆うように形成する絶縁膜１５と、圧電薄膜１４および絶縁膜１５を覆うように形成する上部電極１６とからなる圧電振動体と、この圧電振動体を音孔１７を有する支持体１１の上に結合し、この音孔１７を内部に対して開口部１８を狭くした圧電発音体１０であり、音孔１７を内部に対して開口部１８を狭く形成することで圧電体の機械的応力によって振動板が振動して発生した音圧が開口部で絞られ音圧を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は各種電子機器に使用されるスピーカやブザー等の圧電発音体およびその製造方法に関するものである。

近年、音響機器のほとんどがデジタル化され、低ノイズおよび低ひずみの電気信号として飛躍的な向上が図られており、音質を決定する発音体、特にスピーカに対する要求性能は益々高まってきている。高音質な発音体を実現する上で重要な要素である発音体は、外力による変形が少ないことや音の歪みが小さいことに加えて、再生音域が広く明瞭な音質を出すことが要求され、そのために高弾性で高剛性、そして高音圧が要求される。

従来の圧電発音体としては、図８に示すものがある。図８は従来の圧電発音体の構成を示す断面図である。１は金属振動板に塗布されたゴム薄膜、２は金属振動板の裏側に接着されているＰＺＴ圧電体、３は金属振動板の端面を保持するエッジ、４はエッジを覆うフレーム、８は金属振動板である。

以下、従来の圧電発音体の構成について図８を用いて説明する。

ＰＺＴ圧電体２を金属振動板８の表面に接着し、その金属振動板８の裏面に硫黄成分の添加により熱架橋型としてジュン系ゴムまたは加硫の可能な非ジュン系ゴム素材あるいはそれらの共重合体を塗布してゴム薄膜１を形成し、これらを圧電発音体の圧電素子とする。熱架橋型のゴム薄膜１は発泡体に形成しても良い。これにより容易にエッジ３が形成され、振動板とエッジとの一体部材が得られる。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば特許文献１が知られている。
特開平１１−１６４３９６号公報

従来の圧電発音体は一つの金属振動板８に一つのＰＺＴ圧電体２を設けた構成であり、音響再生帯域を決定する音孔９の面積は金属振動板８が振動する部分と同じ面積であるため、ＰＺＴ圧電体２の機械的応力による金属振動板８の振動を効率よく、音圧に変換することが困難であった。

本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、効率よく高い音圧を再生でき、かつ広帯域な音を再生することができる圧電発音体を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成を有する。

本発明の請求項１に記載の発明は、一枚の振動板としての金属酸化物からなる薄板と、この振動板上に形成する下部電極と、この下部電極の所定部分に形成する圧電薄膜と、この圧電薄膜の周縁部および下部電極を覆うように形成する絶縁膜と、前記圧電薄膜および絶縁膜を覆うように形成する上部電極とからなる圧電振動体と、この圧電振動体を音孔を有する支持体上に結合し、この音孔を内部に対して開口部を狭くした圧電発音体であり、音孔の内部に対して開口部を狭く形成することで圧電薄膜の機械的応力によって振動板が振動して発生した音圧が開口部で絞られ音圧を向上させることができる。

請求項２に記載の発明は、一枚の振動板としての金属酸化物からなる薄板と、この振動板上に形成する下部電極と、この下部電極の所定部分に形成する圧電薄膜と、この圧電薄膜の周縁部および下部電極を覆うように形成する絶縁膜と、前記圧電薄膜および絶縁膜を覆うように形成する上部電極とからなる圧電振動体を少なくとも２つ以上備えた圧電振動体と、この圧電振動体を音孔を有する支持体上に結合し、この音孔を内部に対して開口部を狭くした圧電発音体であり、音孔の内部に対して開口部を狭く形成するため、圧電薄膜の機械的応力によって振動板が振動して発生した音圧が開口部で絞られ音圧を向上させることができると共に一枚の振動板上に複数の異なる帯域の圧電振動体を形成するため、広音域の音を再生でき下部電極上の所定部分に圧電薄膜を形成により不要な振動を抑制することができる。

請求項３に記載の発明は、振動板、支持体および音孔をＳＯＩ基板で形成した請求項１または２に記載の圧電発音体であり、ＳＯＩ基板により機械的特性に優れたＳｉを振動板として厚み精度良く加工することができるため振動板の厚みばらつきによる不要な振動を抑制することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の圧電発音体であって、支持体および音孔をＸｅＦ₂による等方性エッチングにより形成した圧電発音体の製造方法であり、等方性エッチングとしてＸｅＦ₂を用いることにより音孔の内部に対して開口部を狭く形成することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１または２に記載の圧電発音体であって、支持体および音孔をＸｅＦ₂による等方性エッチングおよび異方性ドライエッチングにより形成した圧電発音体の製造方法であり、異方性ドライエッチングにより開口部の形状を所定の寸法に精度良く加工し、ＸｅＦ₂による等方性エッチングを用いることにより音孔の内部に対して開口部を狭く形成することができる。

以上のように本発明は、一枚の振動板としての金属酸化物からなる薄板と、この振動板上に形成する下部電極と、この下部電極の所定部分に形成する圧電薄膜と、この圧電薄膜の周縁部および下部電極を覆うように形成する絶縁膜と、前記圧電薄膜および絶縁膜を覆うように形成する上部電極とからなる圧電振動体と、この圧電振動体を音孔を有する支持体上に結合し、この音孔を内部に対して開口部を狭くした圧電発音体であり、音孔の内部に対して開口部を狭く形成することで圧電体の機械的応力によって振動板が振動して発生した音圧が開口部で絞られ音圧を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。

図１は本発明の一実施の形態における圧電発音体の構成を示す断面図である。

図１に示す圧電発音体１０は、シリコンに形成した音孔１７とその開口部１８と、この音孔１７の上面を蓋する振動板としてＳｉＯ₂の薄板１２と、このＳｉＯ₂の薄板１２の外側表面に積層したチタン層と白金層からなる下部電極１３と、この下部電極１３の所定部分に形成されたＰＺＴからなる圧電薄膜１４と、下部電極１３の上および圧電薄膜１４の周縁部に形成された絶縁膜１５と、この絶縁膜１５の上および圧電薄膜１４の上に形成した上部電極１６から構成される。

以上の構成により振動板にヤング率が大きく密度が小さいＳｉＯ₂の薄板１２を用いているためより速い音速が得られ広帯域な音の再生を可能とする。また下部電極１３の上の所定部分に圧電薄膜１４を形成することから不要振動が抑制できる。さらに、開口部１８によりＳｉＯ₂の薄板１２に発生した音速（音圧）が絞られ、高密度となり音圧を向上することが可能となる。

なお、ＳｉＯ₂の薄板１２が支持体１１の一端面と一体となる構造においても同様の効果が得られる。

次に、本発明の圧電発音体のプロセスについて図２を用いて説明する。

図２（ａ）〜（ｊ）は本発明の一実施の形態における圧電発音体の製造プロセスを示す工程断面図である。

図２（ａ）に示すように支持体１１となる所定の厚みのシリコン基板に水蒸気を加え温度１０００℃以上の熱処理を行いシリコン基板の表面を酸化してＳｉＯ₂の薄板１２を形成する。そして図２（ｂ）に示すようにＳｉＯ₂の薄板１２の外周表面に高周波スパッタリングによりチタン層を形成してさらに白金層からなる下部電極１３を形成し、図２（ｃ）に示すようにこの下部電極１３の上にＰＺＴからなる圧電薄膜１４を形成する。

この構成により下部電極１３と圧電薄膜１４との密着性が向上すると共に圧電薄膜１４のＰＺＴ結晶軸の配向を促進し安定した圧電薄膜１４が形成できる。また密着性の向上により剥離が抑制できる。さらにこの下部電極１３を振動板全体に形成することにより導体抵抗が低減し、電気−音響変換効率が向上する。

次に、図２（ｄ）に示すようにＰＺＴからなる圧電薄膜１４を円形にフォトリソ加工する。ここでＰＺＴからなる圧電薄膜１４は円形以外に楕円または多角形でも良く、フォトリソ加工できる形状であれば特に限定されるものではない。そして図２（ｅ）に示すようにＰＺＴからなる圧電薄膜１４の周縁部および下部電極１３の上にエッチングマスクとしての感光性レジストの絶縁膜１５を塗布し、下部電極端子１９を露出させる。周縁部の絶縁膜１５により電極端面の電界が安定すると共に電極のマイグレーションを防止し圧電薄膜１４の周縁部の絶縁性が確保できる。そして図２（ｆ）に示すようにこの絶縁膜１５の上および圧電薄膜１４の上に金層からなる上部電極１６を電子ビーム蒸着により形成する。この金層の上部電極１６はＰＺＴからなる圧電薄膜１４に安定した均等電界を印加することができると共に絶縁膜１５の上および圧電薄膜１４の上全体に上部電極１６を形成することにより導体抵抗が低減し、電気−音響変換効率が向上する。

次に、図２（ｇ）に示すようにシリコン基板のもう一方の面の所定部分にレジスト膜２０を形成し、図２（ｈ）に示すようにこの面からＳＦ₆およびＯ₂によるエッチング、Ｃ₄Ｆ₈によるデポを繰り返してエッチングを行う。異方性ドライエッチングにより所定の開口部１８を形成した後、図２（ｉ）に示すようにＸｅＦ₂による等方性エッチングを行い、ＳｉＯ₂の薄板１２を露出させ、音孔１７としての円形の空洞を形成する。ここで異方性ドライエッチング時に加工された開口部１８の側面はエッチング時のＣ₄Ｆ₈により保護されているため、ＸｅＦ₂によるエッチングは行われず、空洞部のみを加工することを可能とする。

そして、レジスト膜２０を除去することで図２（ｊ）に示すような圧電発音体１０が得られる。ここで音孔１７としての空洞は円形以外に楕円または多角形でも良く、また大きさも自由であり特に限定されるものではない。

この構成により音孔１７としての円形の空洞を圧電薄膜１４および振動板の下に形成するため、電気−音響変換効率が向上する。さらに音孔１７に対してさらに開口部１８が狭く加工されているため、振動板により発生された音速が開口部１８で絞られ、高密度となり音圧を向上させることが可能となる。

他の本発明の一実施の形態を図３〜図５に示す。

図３は本発明の一枚の振動板に複数の圧電振動体を形成する圧電発音体の構成を示す断面図、図４は本発明の振動板および支持体および音孔を形成する基板としてＳＯＩ基板を用いた場合の圧電発音体の構成を示す断面図、図５はエッチングガスにＸｅＦ₂を用いて支持体および音孔を形成した圧電発音体の構成を示す断面図である。

図３に示すように一枚の振動板に複数の圧電振動体を設け、複数の異なる形状の音孔１７としての空洞により異なる低音から高音までの帯域を再生することにより広帯域な音を得ることができる。

図４はＳＯＩ基板を用いて振動板および支持体１１および音孔１７としての空洞および開口部１８を形成しているため、機械的特性に優れるＳｉを振動板として厚み精度良く加工することができ、振動板の厚みばらつきによる不要な振動を抑制することが可能となる。ここでＳＯＩ基板はＳｉＯ₂層をＳｉ層とＳｉ層で挟みこんだ基板である。

図５はＸｅＦ₂による等方性エッチングにより、支持体１１および音孔１７としての空洞に対して開口部を狭く形成することができる。

次に、図６は本発明の圧電発音体を駆動させる装置の構成図である。上部電極の給電端子２５に駆動電源２２からの電圧を減衰調整器２１を介して印加して下部電極端子１９からＧＮＤに設置する。

ここで、支持体１１から発生する圧電発音体１０を集音マイク２３で集音し、計測器２４により周波数と音圧を求めた。その得られた周波数と音圧との特性を図７に示す。図７は横軸に周波数、縦軸に音圧を示す特性図である。図７に示すように音孔１７としての空洞に対して開口部１８を狭く構成したものの周波数と音圧との特性が３１であり、音孔１７としての空洞と開口部１８の面積が同じである従来の圧電発音体の特性が３２である。以上のように、音孔１７としての空洞に対して開口部１８を狭くすることにより、音圧を向上することが可能となる。

本発明にかかる圧電発音体は、一枚の振動板としての金属酸化物からなる薄板と、この振動板上に形成する下部電極と、この下部電極の所定部分に形成する圧電薄膜と、この圧電薄膜の周縁部および下部電極を覆うように形成する絶縁膜と、前記圧電薄膜および絶縁膜を覆うように形成する上部電極とからなる圧電振動体と、この圧電振動体を音孔を有する支持体上に結合し、この音孔を内部に対して開口部を狭くした圧電発音体であり、音孔の内部に対して開口部を狭く形成することで圧電体の機械的応力によって振動板が振動して発生した音圧が開口部で絞られ音圧を向上させることができる。

本発明の一実施の形態における圧電発音体の断面図 （ａ）〜（ｊ）本発明の一実施の形態における圧電発音体の製造プロセスを示す工程図 本発明の一枚の振動板に複数の圧電振動体を設けた圧電発音体の断面図 本発明のＳＯＩ基板を用いて振動板および支持体および音孔としての空洞および開口部を形成した圧電発音体の断面図 本発明のＸｅＦ₂による等方性エッチングにより、支持体および音孔としての空洞を形成した圧電発音体の断面図 本発明の圧電発音体を駆動させる装置の構成図 音圧を示す特性図 従来の圧電発音体の構成を示す断面図

符号の説明

１０ 圧電発音体
１１ 支持体
１２ ＳｉＯ₂の薄板
１３ 下部電極
１４ 圧電薄膜
１５ 絶縁膜
１６ 上部電極
１７ 音孔
１８ 開口部
１９ 下部電極端子
２０ レジスト膜
２１ 減衰調整器
２２ 駆動電源
２３ 集音マイク
２４ 計測器
２５ 上部電極の給電端子

Claims (5)

1. 一枚の振動板としての金属酸化物からなる薄板と、この振動板上に形成する下部電極と、この下部電極の所定部分に形成する圧電薄膜と、この圧電薄膜の周縁部および下部電極を覆うように形成する絶縁膜と、前記圧電薄膜および絶縁膜を覆うように形成する上部電極とからなる圧電振動体と、この圧電振動体を音孔を有する支持体上に結合し、この音孔を内部に対して開口部を狭くした圧電発音体。
2. 一枚の振動板としての金属酸化物からなる薄板と、この振動板上に形成する下部電極と、この下部電極の所定部分に形成する圧電薄膜と、この圧電薄膜の周縁部および下部電極を覆うように形成する絶縁膜と、前記圧電薄膜および絶縁膜を覆うように形成する上部電極とからなる圧電振動体を少なくとも２つ以上備えた圧電振動体と、この圧電振動体を音孔を有する支持体上に結合し、この音孔を内部に対して開口部を狭くした圧電発音体。
3. 振動板、支持体および音孔をＳＯＩ基板で形成した請求項１または２に記載の圧電発音体。
4. 請求項１または２に記載の圧電発音体であって、支持体および音孔をＸｅＦ₂による等方性エッチングにより形成した圧電発音体の製造方法。
5. 請求項１または２に記載の圧電発音体であって、支持体および音孔をＸｅＦ₂による等方性エッチングおよび異方性ドライエッチングにより形成した圧電発音体の製造方法。

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