JP2012044318A

JP2012044318A - 圧電スピーカーおよびパラメトリックアレイスピーカー

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Publication number: JP2012044318A
Application number: JP2010181801A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Sugiura; 正浩杉浦; Hironori Sato; 優典佐藤
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2010-08-16
Filing date: 2010-08-16
Publication date: 2012-03-01
Anticipated expiration: 2030-08-16
Also published as: JP5454413B2

Abstract

【課題】漏れ音波を十分に低減する。
【解決手段】反射層と、前記反射層の表面上に積層され、内包する空隙の密度が前記反射層よりも高い吸収層と、前記吸収層の表面上に積層され、肉厚部と前記肉厚部よりも層間方向の厚みが薄い肉薄部とが面内方向に分布し、前記吸収層と前記肉薄部との間に中空空間を形成する基部と、前記肉薄部と一体となって振動する圧電素子と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子を備えた圧電スピーカーおよびパラメトリックアレイスピーカーに関する。

従来の圧電スピーカーとして、超音波を吸収可能なハウジングを超音波トランスデューサの裏側に備えさせたものが提案されている（特許文献１、図１２参照。）。超音波を吸収可能なハウジングを備えさせることにより、超音波トランスデューサの裏側への漏れ音波を低減することができた。

特開２００８−２０４２９号公報

しかしながら、超音波の一部がハウジングを貫通してしまい、漏れ音波の低減が不十分であるという問題があった。
本発明はこのような問題を解決するために創作されたものであって、漏れ音波を十分に低減する圧電スピーカーおよびパラメトリックアレイスピーカーの提供を目的の１つとする。

（１）上記目的を達成するための圧電スピーカーは、反射層と、前記反射層の表面上に積層され、内包する空隙の密度が前記反射層よりも高い吸収層と、前記吸収層の表面上に積層され、肉厚部と前記肉厚部よりも層間方向の厚みが薄い肉薄部とが面内方向に分布し、前記吸収層と前記肉薄部との間に中空空間を形成する基部と、前記肉薄部と一体となって振動する圧電素子と、を備える。

本発明によると、肉薄部の振動によりバックキャビティとしての中空空間に送波された音波は、空隙を内包する吸収層にて吸収される。吸収層を貫通した音波は吸収層よりも空隙の密度が低い反射層の表面にて反射し、再度吸収層にて吸収される。すなわち、肉薄部の振動により中空空間に送波された音波の漏れを十分に低減できる。

（２）上記目的を達成するための圧電スピーカーは、前記反射層と前記吸収層と前記基部とがジルコニアによって形成される。
かかる構成により、反射層と吸収層と基部とを一度の焼成により形成することができる。また、反射層と吸収層と基部の熱膨張係数が互いに一致するとともに、反射層と吸収層と基部の熱膨張係数が圧電素子を構成する圧電材料の熱膨張係数と近似するため、反りを防止できる。さらに、ジルコニアは曲げ弾性係数が大きいため肉薄部の振動周波数を高くできるとともに、曲げ強さも大きいため肉薄部の大きい振幅が得られる。ジルコニアは高温下でも安定した物質であるため、反射層と吸収層と基部とが圧電素子を構成する材料と反応することなく、圧電素子を工程が簡素な印刷・焼成によって形成できる。

（３）前記の圧電スピーカーを複数配列させたパラメトリックアレイスピーカーにおいても、音波の漏れを十分に低減できる。

（１Ａ）は第１実施形態の圧電スピーカーの構造模式図、（１Ｂ）は第１実施形態の圧電スピーカーの断面図である。（２Ａ）〜（２Ｄ）は第１実施形態の圧電スピーカーの断面図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。なお、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。

（１）パラメトリックアレイスピーカーの構成：
図１Ａ，１Ｂはパラメトリックアレイスピーカー１０の構成を示す構造模式図および断面図である。パラメトリックアレイスピーカー１０は半導体製造プロセスや印刷プロセスを用いて製造されるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）であって、図示しないケースに収容され、小型電子機器などの超指向性スピーカーとして用いられる。
なお、本明細書において、基部１３から見た場合に圧電素子１４が積層される側を上側と表記し、上側の反対側を下側と表記する。また、特に示さない限り、厚みと表記した場合には、層間方向の厚みを意味する。

パラメトリックアレイスピーカー１０は、反射層１１と吸収層１２と基部１３と圧電素子１４とを備える。反射層１１は面内方向の全域にわたって厚みが一様であり、パラメトリックアレイスピーカー１０の最下層を構成する。反射層１１はジルコニア（ＺｒＯ₂）で形成される。例えば、反射層１１の厚みは１００μｍとされる。

吸収層１２は面内方向の全域にわたって厚みが一様であり、反射層１１の上側の表面上に形成される。吸収層１２はジルコニアで形成され、多数の微細な空隙を内包する。吸収層１２が内包する空隙の密度は反射層１１よりも高く、空隙の密度を表す体積率は２０〜８０％とされる。例えば、吸収層１２の厚みは１００μｍとされ、吸収層１２が内包する空隙の平均径は５０μｍとされる。

基部１３は、吸収層１２の上側の表面上に形成される。基部１３はジルコニアで形成される。平面視（面内方向）において、基部１３は、例えば５個の円形状の肉薄部１３ａと、肉薄部１３ａを除く領域を構成する肉厚部１３ｂとからなる。肉薄部１３ａは肉厚部１３ｂよりも厚みが薄い。肉薄部１３ａは、基部１３において下側の面から上側に向かって凹む円柱状の凹部Ｄを設けることにより形成される。肉薄部１３ａは、肉厚部１３ｂよりも厚みが薄いため、肉厚部１３ｂよりも剛性が低く、選択的に振動させられる。肉薄部１３ａを構成するジルコニアはシリコン（Ｓｉ）等と比較して大きい曲げ弾性係数（２１０ＧＰａ）を有しており、肉薄部１３ａを高い周波数で振動させることができ、肉薄部１３ａから超音波を出力できる。また、ジルコニアはセラミックのなかでも曲げ強さが大きい（１１２０ＭＰａ）ため肉薄部１３ａの大きい振幅が得られ、音圧を大きくできる。
なお、凹部Ｄは肉薄部１３ａと吸収層１２との間に形成される中空空間に相当する。例えば、平面視における肉薄部１３ａの径は１０００μｍとされ、肉薄部１３ａの厚みは１５μｍとされ、肉厚部１３ｂの厚みは２００μｍとされる。

圧電素子１４は下電極１４ａと圧電層１４ｂと上電極１４ｃとを備える。下電極１４ａは基部１３の上側の表面の全域上に形成される。下電極１４ａは、金（Ａｕ）や白金（Ｐｔ）によって形成される。例えば、下電極１４ａの厚みは１μｍとされる。
圧電層１４ｂは下電極１４ａの表面上に形成される。圧電層１４ｂは一様な厚みを有しており、圧電層１４ｂには平面視において５個の円形開口１４ｂ１と１個の正方形開口１４ｂ２とが形成される。各円形開口１４ｂ１は、平面視において基部１３の各肉薄部１３ａの同心円とされ、各肉薄部１３ａよりも開口径が小さくされる。すなわち、平面視において圧電層１４ｂの円形開口１４ｂ１の外側所定幅の円環状領域にて、肉薄部１３ａと圧電層１４ｂとが層間方向に重なる。
上電極１４ｃは圧電層１４ｂの表面上に形成される。上電極１４ｃは平面視において圧電層１４ｂと同じパターンとされ、上電極１４ｃにも５個の円形開口１４ｃ１と１個の正方形開口１４ｃ２とが形成される。圧電層１４ｂの正方形開口１４ｂ２と上電極１４ｃの正方形開口１４ｃ２とが層間方向に重なることにより下電極１４ａが上側に露出し、下電極１４ａに対する図示しない導線の接続が可能となる。

このように構成されたパラメトリックスピーカー１は次のように作動する。図示しない導線を介して圧電素子１４の上電極１４ｃと下電極１４ａに超音波域の搬送波を可聴域の音声波によって振幅変調した変調波の駆動電圧を印加すると、圧電素子１４の圧電層１４ｂにて面内方向の伸縮・膨脹応力が生じる。圧電層１４ｂにおける円形開口１４ｂ１の外側所定幅の円環状領域にて生じた伸縮・膨脹応力は、この円環状領域と層間方向に重なる各肉薄部１３ａに伝達され各肉薄部１３ａを振動させる。なお、圧電素子１４の下電極１４ａと上電極１４ｃとはそれぞれ電気的に一体であるため、各肉薄部１３ａは同相で振動する。振動する肉薄部１３ａから前記変調波の超音波が上側に送波され、超音波の強い指向性により肉薄部１３ａの上側垂線近傍の狭い範囲においてパラメトリックアレイ効果によって可聴音が発生する。パラメトリックアレイ効果とは、音波の非線形性に起因して、自己復調によってもとの音声波に相当する可聴音の空中音源が肉薄部１３ａの上側垂線近傍の直線的な領域に連続的に発生する現象である。このようなパラメトリックアレイ効果によって、出力音声の可聴空間の指向性が極めて強いパラメトリックスピーカー１が実現できる。さらに、肉薄部１３ａを曲げ強さが大きいジルコニアによって形成することにより、小型のパラメトリックスピーカー１であっても実用的な音圧が得られる。

肉薄部１３ａの振動により超音波は肉薄部１３ａの下側へも送波される。肉薄部１３ａの下側へ送波された超音波は多数の空隙を内包する吸収層１２に到達し、吸収層１２において吸音される。超音波の一部は吸収層１２を貫通するが、吸収層１２と反射層１１との接合界面にて上側へ反射する。上側へ反射した超音波は再度吸収層１２にて吸収されることとなり、漏れ音波を十分に低減できる。

また、反射層１１と吸収層１２と基部１３とは、同一材料（ジルコニア）で形成されるため、反射層１１と吸収層１２と基部１３の熱膨張係数が互いに一致する。また、ジルコニアで形成された反射層１１と吸収層１２と基部１３の熱膨張係数は、ジルコニウム酸−チタン酸鉛で形成された圧電層１４ｂの熱膨張係数と近似するため、パラメトリックアレイスピーカー１０の反りを防止できる。従って、パラメトリックアレイスピーカー１０は、指向性が安定し、かつ、エネルギー損失の少ない音声出力が可能である。

（２）パラメトリックアレイスピーカーの製造方法：
図２Ａ〜２Ｅは、パラメトリックアレイスピーカー１０の製造手順を示す断面図である。
まず、図２Ａに示すように、反射層１１と吸収層１２と基部１３とに対応するグリーンシートＧ１１〜Ｇ１３を用意する。グリーンシートＧ１１〜Ｇ１３は、ジルコニアと焼結助剤の粉末と有機バインダーと溶剤とを混錬し、シート状に成形したものである。ここで、吸収層１２に対応するグリーンシートＧ１２は、反射層１１と基部１３とに対応するグリーンシートＧ１２，Ｇ１３よりも有機バインダーの混錬比率が高くなっている。有機バインダーはグリーンシートＧ１１〜Ｇ１３の焼成時に熱分解し、有機バインダーが占めていた空間が空隙となる。従って、グリーンシートＧ１２を焼成することにより形成される吸収層１２が内包する空隙の密度を、グリーンシートＧ１１，Ｇ１３を焼成して形成される反射層１１と基部１３が内包する空隙の密度よりも高くすることができる。

基部１３に対応するグリーンシートＧ１３は、３枚のグリーンシートＧ１３ａ〜Ｇ１３ｃによって構成される。最も上側のグリーンシートＧ１３ａは肉薄部１３ａに対応する厚みとされる。すなわち、肉薄部１３ａの厚みはグリーンシートＧ１３ａの厚みによって管理することができるため、肉薄部１３ａの厚み精度を高くすることができる。従って、各肉薄部１３ａの振動特性を一致させることができ、各肉薄部１３ａから発せられた超音波のパラメトリックアレイ効果を一様に得ることができる。
下側の２枚のグリーンシートＧ１３ｂ，Ｇ１３ｃのうち平面視において肉薄部１３ａに対応する領域は、パンチング等の機械穴明やレーザー穴明等によって穴明される。各グリーンシートＧ１１〜Ｇ１３が用意できると、図２Ｂに示すようにグリーンシートＧ１１〜Ｇ１３を重ね合わせて層間方向に１５０ＭＰａで加圧しつつ、例えば１０００〜１３００℃で焼成する。これにより、反射層１１と吸収層１２と基部１３とを一度の焼成により形成することができる。

次に、図２Ｃに示すように基部１３の上側の表面の全域上に金または白金の電極金属粉末を含むペーストを均一な厚みで印刷して焼成することにより、下電極１４ａを形成する。下電極１４ａの焼成温度は、例えば９００〜１３００℃とする。
次に、図２Ｄに示すように下電極１４ａの表面上にジルコニウム酸−チタン酸鉛粉末を含むペーストを均一な厚みで印刷して焼成することにより、圧電層１４ｂを形成する。圧電層１４ｂの焼成温度は、例えば９００〜１３００℃とする。
最後に図１Ｂに示すように圧電層１４ｂの表面上に金または白金の電極金属粉末を含むペーストを均一な厚みで印刷して焼成することにより、上電極１４ｃを形成する。上電極１４ｃの焼成温度は、例えば９００〜１３００℃とする。なお、下電極１４ａと圧電層１４ｂと上電極１４ｃの面内方向の各パターンに対応する開口を有する印刷マスクを用いたスクリーン印刷を行うことにより、各層１４ａ〜１４ｃに対応するペーストを印刷することができる。

以上のように反射層１１と吸収層１２と基部１３をジルコニアで形成することにより、印刷・焼成により圧電素子１４を形成することができる。すなわち、反射層１１と吸収層１２と基部１３とをジルコニアで形成しておけば、これらが圧電層１４ｂの焼成時に気化した鉛と反応することはない。印刷・焼成により圧電素子１４を形成すれば、煩雑なフォトリソグラフィ等を行わなくも済む。さらに、反射層１１と吸収層１２と基部１３を同一材料のジルコニアで形成することにより、各層１１〜１３の熱膨張係数が一致し、圧電素子１４の焼成時における反りを防止できる。従って、焼成後における圧電素子１４の残留応力を緩和することができる。さらに、ジルコニアは、圧電層１４ｂを構成するジルコニウム酸−チタン酸鉛と近い熱膨張係数を有するため、圧電層１４ｂ形成後の熱処理工程における反りも防止できる。

（３）他の実施形態：
本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば前記実施形態で示した材質や寸法や形状や成膜方法やパターン転写方法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である工程の追加や削除や工程順序の入れ替えの可能性については説明が省略されている。

パラメトリックアレイスピーカーの別の一例として、可聴域の音声波に相当する周波数差を有する２つの超音波を肉薄部１３ａから送波させ、２つの超音波の間に生じるうなり現象により可聴域の音声波を復調する方式のパラメトリックアレイスピーカーに本発明の構成を適用してもよい。この場合、独立して駆動電圧が入力可能な２つの圧電素子１４によって２個以上の肉薄部１３ａを互いに異なる周波数で振動させる必要がある。また、本発明の構成は、パラメトリックアレイスピーカー以外の圧電スピーカーにも適用できる。すなわち、振動可能な肉薄部１３ａを１個以上備えた圧電スピーカーに本発明の構成を適用することにより、漏れ音波を十分に低減した圧電スピーカーが提供できる。すなわち、反射層１１と吸収層１２とで漏れを低減できる音波は超音波に限らず、可聴音を直接送波する圧電スピーカーにおいても本発明の効果が得られる。

また、反射層１１と吸収層１２と基部１３のいずれかまたは全部をジルコニア以外のセラミックによって形成してもよい。例えば、反射層１１と吸収層１２と基部１３のいずれかまたは全部を、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃），ムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂），窒化アルミ（ＡｌＮ），窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄），ジルコニア強靭化アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃・ＺｒＯ₂），ガラスセラミック等によって形成してもよい。例えば、これらのセラミック粉末を混練して形成したグリーンシートを用いて前記実施形態と同様の工程により圧電スピーカーを製造できる。さらに、反射層１１よりも吸収層１２に存在する空隙の密度を高くすることが可能な材料であればよく、反射層１１と吸収層１２と基部１３のいずれかまたは全部をセラミック以外の有機材料や金属材料や半導体材料等によって形成してもよい。

圧電素子１４を印刷・焼成以外の工法、例えばフォトリソグラフィによって形成してもよい。また、上電極１４ｃと圧電層１４ｂと下電極１４ａの焼成を一度に行ってもよいし、さらに上電極１４ｃと圧電層１４ｂと下電極１４ａの焼成を反射層１１と吸収層１２と基部１３の焼成と同時に行ってもよい。また、前記実施形態では、肉薄部１３ａの外周近傍にて圧電素子１４と肉薄部１３ａとが層間方向に重なるようにしたが、例えば肉薄部１３ａの中央部にて圧電素子１４と肉薄部１３ａとが層間方向に重なるようにしても、肉薄部１３ａを振動させることができる。肉薄部１３ａの形状は円形に限らず、矩形等であってもよい。さらに、肉薄部１３ａは肉厚部１３ｂよりも厚みが薄ければよく、基部１３が２段階以上の厚みを有していてもよいし、基部１３が連続的な厚みの変化を有していてもよい。また、肉薄部１３ａごとに独立した中空空間を形成するものに限られず、複数の肉薄部１３ａに共通の中空空間を形成し、共通の中空空間に送波された音波が漏れるのを反射層１１と吸収層１２とで防止してもよい。

１０…パラメトリックアレイスピーカー，１１…反射層，１２…吸収層，１３…基部，１３ａ…肉薄部，１３ｂ…肉厚部，１４…圧電素子，１４ａ…下電極，１４ｂ…圧電層，１４ｂ１…円形開口，１４ｂ２…正方形開口，１４ｃ…上電極，１４ｃ１…円形開口，１４ｃ２…正方形開口，Ｇ１１〜Ｇ１３…グリーンシート。

Claims

反射層と、
前記反射層の表面上に積層され、内包する空隙の密度が前記反射層よりも高い吸収層と、
前記吸収層の表面上に積層され、肉厚部と前記肉厚部よりも層間方向の厚みが薄い肉薄部とが面内方向に分布し、前記吸収層と前記肉薄部との間に中空空間を形成する基部と、
前記肉薄部と一体となって振動する圧電素子と、
を備える、
圧電スピーカー。
前記反射層と前記吸収層と前記基部とがジルコニアによって形成される、
請求項１に記載の圧電スピーカー。
請求項１または請求項２のいずれかに記載の圧電スピーカーが複数面内方向に配列する、
パラメトリックアレイスピーカー。