JP2013187893A - 振動素子と振動素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】共振振動子において、遅れのない立ち上がり、立ち下がりなどのパルス応答が得られる振動素子を提供する。
【解決手段】基板表面にダイヤフラムなどの振動子を有し、さらにその振動子の少なくとも一方の主表面に電磁コイルが形成され、前記電磁コイル上部あるいは下部に弾性体を介する接着によって駆動用磁石が設置される振動素子。
【選択図】図３

Description

本発明は、電磁コイルと磁石により構成される振動子の構造に関する。

薄型スピーカー、超音波素子、バランスドアーマチュアデバイスなど振動子によって構成されるアクティブデバイスは、様々な用途に利用されている。最も利用されている圧電振動子は、ＰＺＴや水晶など電圧を加えると変形する性質を利用して振動させるものである。

可聴音帯域から超音波領域までを励振する圧電振動子としては一般的にセラミックをベースとしたものが利用される。例えば超音波で距離を計測する場合、超音波を振動子で発振し、それを受信器で受信することで実現が可能である。これは例えば送信と受信間での遅延時間を測定する方法や位相差を利用する方法、共振周波数を利用する方法などによる。同様の振動子としては電磁駆動によるものも挙げられる。

特開２０１０−３５３４８ 電磁駆動型アクチュエーター及び電磁駆動型アクチュエーターの製造方法 特開２００９−１６６０１６ 往復振動発生器 特開２０１０−２０４３３７ 光スキャナーおよび画像形成装置 特開２００５−１２６９４ 平面スピーカー

「マイクロマシンと材料技術」、林 輝監修、ｐ５７−６４ シーエムシー 「超音波とその使い方」、谷腰欣司著、ｐ８６−９３ 日刊工業新聞社 「超小型電磁駆動２軸ＭＥＭＳミラーの開発」、電気学会論文誌Ｅ、１３０巻４号、２０１０年、Ｐ１１３−Ｐ１１７ 「電磁駆動型２軸可動ＭＥＭＳグレーティングと近赤外低コヒーレンス干渉法を用いた３次元形状計測への応用」、電気学会論文誌Ｅ、１３２巻２号、２０１２年、Ｐ３１−Ｐ３６

図１（ｂ）は一般的な圧電振動子のパルス出力波形である。図１（ａ）の駆動入力波形が加えられた圧電振動子のパルス出力波形図１（ｂ）は、入力電圧を加えてもその立ち上がりは徐々に上がっていくような波形となり、また入力をオフにしても弦楽器のようにその振動は急峻な収束は見られず、徐々に減衰していき、実際の入力時間よりも実質かなり長い超音波の発生時間となってしまっている。よって、駆動がきれいな入力パルスであってもそこから出力される音響振動は、なだらかな波形を描いてしまい、単純な信号処理を施すだけでは誤検知をしてしまう恐れがある。

このような出力波形は、圧電振動子のみに限らず、電磁駆動型アクチュエーターなど共振振動を利用して振幅を得ようとしている素子全てに見られる現象である。また、このような電磁駆動型アクチュエーターにおいては、特許文献にみられるように駆動用磁石とコイルは別々に配置され、そのどちらかが振動するようなムービング・マグネット（ＭＭ）やムービング・コイル（ＭＣ）構造が一般的となっている。

超音波によって距離、温度などさまざまな情報を得ようとした場合、振動子の駆動入力信号はオン・オフの矩形波形などのパルス信号とする必要があるが、従来の圧電素子には、前述のような立ち上がり、立ち下がりパルス特性があるので、実際に出力される波形は、なだらかな包絡線状のものとなってしまう。よって受信器側で得られる信号は、必ずしも正確に対象物からの情報を反映しているとは言えず、立ち上がり、立ち下がり特性を改善することができれば、超音波における精密測定を実現することが可能になる。

超音波を発振する振動子としては圧電振動子以外に、電磁コイルと磁石によって構成される電磁駆動振動素子も考えられる。図２に示すように当該素子は、コイルと磁石によって構成され、コイルに所望の発振周波数の交流駆動電流を入力することで、コイルが形成する磁界と磁石との間の相互作用のために振動が発生する。ここで一般的に電磁コイルは、振動させたい薄片、ダイヤフラムなどの振動子構造に一体的に形成される。

このような電磁駆動振動素子は、圧電素子と比較して小型化に向いているものの、寸法の３乗に比例して駆動力が低下するため、発振出力を大きく得るためには、強力な磁場とコイルが形成された振動子の機械的共振周波数で駆動する必要がある。しかしこの場合、発振出力波形は圧電素子と同様な立ち上がり、立ち下がり特性となってしまう。

そこで本発明は、小型化が可能な電磁駆動素子において、急峻な立ち上がりと立ち下がり特性を実現するための構造を提供することを目的としている。

よって本発明は、駆動入力波形により近い発振出力波形を得られる電磁駆動素子構造を実現するものである。

発明者らは、シリコン素子上に形成される電磁コイルが配置される振動子において、前記振動子上に弾性体を介して駆動用磁石が設置されることによって、上記目的を達成できることを見いだし、本発明を完成させた。

図１（ａ）に振動子駆動入力信号波形、（ｂ）に一般的な圧電振動素子のパルス応答出力波形を示す。 図２に電磁コイルと磁石による電磁駆動原理を示す。 図３に本発明の振動素子例の断面図を示す。 図４に本発明の応用例を示す。 図５に実施例１の製造方法例を示す。 図６に従来の振動素子の出力波形と本発明による振動素子出力波形を示す。 図７にダイヤフラムと駆動用磁石間に弾性体を挿入した効果を示す。 図８に本発明による振動素子をアレイ上に配置した例を示す。 図９に本発明による振動素子下に制御用磁石を配置した例を示す。

本発明による振動子は、少なくとも一方の主表面に振動子を有し、さらにその振動子の少なくとも一方の主表面に電磁コイルが形成され、前記電磁コイル上部あるいは下部に弾性体を介して駆動用磁石が設置される。

本発明の振動子は、金属、樹脂、酸化物からなり、好ましくはシリコンからなる。

本発明の電磁コイルは、好ましくは薄膜コイルからなる。

振動子表面には弾性体樹脂が塗布してあり、それを介して駆動用磁石が接着される。弾性体樹脂は、例えばシリコーン、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ゴムなどである。

本発明の磁石は、フェライト、サマリウムコバルト、ネオジム、アルニコ等からなり適宜選択可能であるが、ネオジムを選択することが好ましい。

本発明の磁石は、バルクあるいは薄膜からなる。

以下、図３を参照して本発明の実施の形態について説明する。

シリコン３ａによって構成される素子の、例えば中心部に円形あるいは多角形のダイヤフラム構造３ｄを有する。

ダイヤフラムの大きさは、所望の振動周波数において共振振動が発生する寸法を有する。なお、その寸法は、例えば円形ダイヤフラムの場合、下記の数式より導き出される。
なお、ｒは半径、Ｅはヤング率、νはポアソン比、ρは密度である。本数式から明らかなように板厚ｔを減少させる、あるいは半径ｒを増大させることで共振周波数ｆの値を低くすることができる。

特開平７−１７４６５１「圧力センサ」

当該ダイヤフラム上に、絶縁膜３ｂを介して、薄膜電極、例えばアルミニウム、クロム、ニッケル、金、銀、銅などの金属膜、あるいはＩＴＯなどの透明電極材料によって構成される電磁コイルあを有する。

ダイヤフラム３ｄ表面には、弾性体である樹脂により０．０１〜２ｍｍ、好ましくは０．０１〜１ｍｍの厚みで樹脂層３ｅを有する。

さらに樹脂層３ｅの上に駆動用磁石３ｆが接着してあり、例えばフェライト、サマリウムコバルト、ネオジム、アルニコ等が利用でき、その形状は円柱、直方体、多角錘、円錐、薄膜などで、その大ききは電磁コイル外形の０．１〜５倍、好ましくは０．１〜２倍の外径と、０．０１〜５ｍｍ、好ましくは０．０１〜２ｍｍの高さの形状を有する。

駆動用磁石３ｆは、永久磁石あるいは薄膜磁性膜が適宜選択できる、その形状も円筒形、円柱形、直方体などが選択できる。

本発明の振動素子の製造方法例について図３に示した素子構成により説明をする。
（１）シリコン基板３ａに酸化膜３ｂを成膜し、基板の一方の面に例えばアルミニウムなどの電磁コイル材料を蒸着する。
（２）電磁コイル材料上にフォトリソグラフィー技術を用いて、感光性樹脂例えば東京応化工業株式会社製ポジレジストＯＦＰＲ−８００などをスピンコートなどにより塗布する。
（３）この感光性樹脂をコイルパターンが描かれたフォトマスクを介して露光し、現像などの工程を経ることで電磁コイルパターンを転写する。
（４）転写された感光樹脂パターンをマスクにして、電磁コイル材料のエッチングを行い、電磁コイル３ｃを得る。
（５）基板裏面からエッチング、例えばボッシュプロセスによるシリコン深掘りエッチング技術によって所望の膜厚を有するダイヤフラム３ｄを形成する。
（６）電磁コイル３ｃ側表面にポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）など樹脂３ｅをコートする。
（７）電子コイルパターン中心部上に例えば直径０．８ｍｍ、高さ１ｍｍのサマリウムコバルト磁石３ｆを接着する。

発明の効果

本発明により製作された振動素子は、立ち上がり時間が従来の１／６以下となり、自然振動の抑制効果により立ち下がり時間も従来の１／７以下という結果が得られた。また、本発明により製作された振動素子は、例えば図４（ａ）のダイヤフラム形状以外に、図４（ｂ）に示す重錘体付形状や図４（ｃ）に示すミラー形状とすることにより、センサや光スイッチなどの高分解能化等を実現する。

以下本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。

実施例１
図５に本発明による振動素子製造方法例を示す。
（１） 基板、例えばシリコン基板５ａに絶縁膜５ｂ、例えばシリコン酸化膜を成膜する。
（２） 基板５ａの一方の主表面上に絶縁膜５ｂを挟むようにして、アルミニウムなどの電磁コイル材料５ｃを蒸着する。電磁コイル材料５ｃは、絶縁膜５ｂと密着性のよい材料を選択し、金のような密着性が劣る材料を利用する際は中間層として金属クロム層などを挿入する。
（３） フォトリソグラフィー技術を用いて、感光性樹脂５ｄ例えば東京応化工業株式会社製ＯＦＰＲ−８００などをスピンコートなどにより塗布する。
（４） この感光性樹脂５ｄを電磁コイルパターンが描かれたフォトマスクを介して露光し、現像などの工程を経ることで電磁コイル材料５ｃ上に電磁コイルパターンを転写する。
（５） 転写された感光性樹脂５ｄパターンをマスクにして、電磁コイル材料５ｃのエッチングを行い、エッチング後感光性樹脂５ｄは剥離する。
（６） 基板裏面からエッチング、例えばボッシュプロセスによるシリコン深掘りエッチング技術によって所望の膜厚を有するダイヤフラム５ｅを形成する。ここで、部分的にエッチングをせず、ダイヤフラムの例えば中心部に凸形状の重錘を形成してもよい。
（７） 電磁コイルパターン５ｃ側表面に樹脂５ｆ、例えばポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を約０．５ｍｍ厚程度コートする。
（８） 電磁コイルパターン５ｃ中心部に例えば直径０．８ｍｍ、高さ１ｍｍのサマリウムコバルト磁石５ｇを接着する。

本実施例による本発明効果の確認
本発明による効果の確認は、本実施例により作製した振動素子にておこなった。確認に用いた振動素子は、外形が５ｍｍ×５ｍｍ×０．４５ｍｍ、ダイヤフラムは厚み２０μｍ、半径１．３ｍｍである。電磁コイルはダイヤフラム上に１０ターンの巻数で形成した。また、駆動用磁石の表面磁束密度は（φ０．８ｍｍ×２ｍｍ）は１２００ガウス程度である。一般的に電磁駆動によるアクチュエーターの場合、小型化すると寸法の３乗に比例して駆動力が小さくなるため、磁場を大きくする必要がある。ダイヤフラム上には、ＰＤＭＳ（東レ・ダウコーニング，Ｓｙｌｇａｒｄ１８４）を塗布した。なお、本確認では素子下部に制御用磁石を設置したものも評価した。

（１）共振周波数
約４０ｋＨｚの共振周波数で設計したダイヤフラムにファンクションジェネレーター（Ｗａｖｅｔｅｋ社製ｍｏｄｅｌ １６６）にて作成したトリガー出力をｎｆ社製デジタル・ファンクション・ジェネレーターへ入力して励起信号を形成し、励起周波数をスキャンすることで素子の共振周波数を評価した。また、振動素子からの超音波出力は、Ｋｎｏｗｌｅｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ社製シリコンマイクＳＰＭ０４０４ＵＤ５により検知し、ｎｆ社製ディジタルストレージオシロスコープＧＤＳ１０６２Ａにて検出波形を観察した。その結果、約３９ｋＨｚで共振が確認され、また下部に制御用磁石を配置した素子は、約５４ｋＨｚで共振が確認された。

（２）特性の確認
立ち上がりは素子の発振が定常状態なるまでの波数、立ち下がりが入力オフから振幅が１／２、１／４になるまでの波数を評価することでおこなった。前述の評価システムにおいて、振幅５−１０Ｖの交流出力を適宜選択し振動素子に入力、シリコンマイクで検出した振動素子の出力を自作アンプで増幅してから、オシロスコープにてその波形を観察した。

図６は本発明による振動素子に、２０波のパルスを入力した際の結果である。図６（ａ）は、従来の振動素子における出力波形である。図６（ｂ）は本実施例により作製した振動素子の波形である。従来の振動子は典型的なパルス応答波形となっており、立ち上がりは２０波の入力では立ち上がりきらず、さらに３０波以上のパルスを投入しても定常状態にならなかった。また立ち下がりも振幅が１／２になるまで１９波程度、振幅が１／４になるまでに３６波程度まで機械的振動が残った。一方本発明により作製した振動素子では、立ち上がりは５波程度で定常状態になり、立ち下がりも振幅が１／２になるまでに３波程度、振幅が１／４になるまでには５波程度であった。立ち下がりにおいては、従来の振動子では振幅が半分になった以後も長く振動が継続し、振幅が４分の１以下に減衰するまでに３６波以上を要しているが、本発明による振動子では５波と約１／７の収束時間で急峻に減衰する。

図７は、駆動用磁石とダイヤフラムとの間に弾性体となる樹脂（ＰＤＭＳ）を挟んだときの出力波形の比較である。図７（ａ）は、樹脂を介さないでダイヤフラム表面に駆動用磁石を設置したものであるが、波形の収束は確認できるものの、立ち上がりについては効果が見られなかった。図７（ｂ）は、図７（ａ）と同じ素子に樹脂を介して駆動用磁石を設置したものであるが、立ち上がり特性の向上が確認できた。

以上より本発明により作製した振動素子は、従来の振動素子と比較して入力に対するパルス応答が大幅に改善していることが確認でき、このような振動を利用した超音波振動素子、振動型ジャイロ、光スキャナ、光スイッチなどへも応用が可能であることがわかった。

実施例２
図８に製造例を示す。
本実施例は、実施例１により作製される振動素子を一つの基板に少なくとも二つ以上アレイ状に配置するものである。例えば、１／２波長ピッチでアレイ状に複数の振動子を並べることによって、指向性を高めたり、進行方向を左右に振ることなども可能である。

実施例３
図９に製造例を示す。
本実施例は、実施例１により作製される振動素子下部に制御磁石９ｆを設置したものである。本振動素子は、実施例１と同様にシリコン基板９ａに形成されたダイヤフラム９ｄ上に絶縁膜９ｂ、駆動用コイル９ｃ、弾性体９ｅ、駆動用磁石９ｇによって構成され、その下部に制御用磁石９ｆが設置されている。当該磁石９ｆは永久磁石、例えばフェライト、サマリウムコバルト、ネオジム、アルニコ等が選択することができ、また電磁石であってもよい。磁力や磁極を可変可能な当該磁石９ｆが設置されることにより、振動子の挙動、例えば振動の収束時間、共振周波数などの制御が可能であり、さらに電磁石の設置によってよりきめの細かいアクティブ制御が実現可能である。

Claims (9)

1. 少なくとも一方の主表面にシリコン振動子を有し、さらにその振動子の少なくとも一方の主表面に電磁コイルが形成され、前記電磁コイル上部あるいは下部に弾性体を介して駆動用磁石が設置される振動素子。
2. 前記シリコン振動子がダイヤフラム形状である請求項１に記載の振動素子
3. 前記シリコン振動子が重錘体付形状である請求項１に記載の振動素子
4. 前記シリコン振動子がミラー形状である請求項１に記載の振動素子
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の振動子が超音波振動子であることを特徴とする振動素子
6. 請求項１〜４のいずれかに記載の振動子が超音波振動子であり、一つの振動素子上に当該振動子を少なくとも二つ以上配置することを特徴とする振動素子
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の振動子において、駆動用磁石と対向して振動子上部あるいは下部に固定された駆動制御用の磁石を有し、振動子の応答性を制御することが可能なことを特徴とする振動素子
8. 駆動制御用の磁石が永久磁石である請求項７に記載の振動素子
9. 駆動制御用の磁石が電磁石である請求項７に記載の振動素子