JP2021197513A - 圧電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電膜の残留応力の影響を抑制するとともに、高感度で信号雑音比を改善した圧電素子を提供する。【解決手段】圧電素子は、支持基板３に支持された圧電膜５ａ、５ｂを所望の形状のスリット１で区画した振動板２を備え、スリット１を覆うように伸縮膜１０を配置する。この伸縮膜１０は、振動板２の一方の面の一部を覆う第１の被覆部１０ａと、振動板２の他方の面の一部を覆う第２の被覆部１０ｂと、振動板２を貫通して第１の被覆部１０ａと第２の被覆部１０ｂとに接続する連結部１０ｃとを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は圧電素子に関し、特に高感度、低雑音となる圧電型ＭＥＭＳマイクロフォン等に利用可能な圧電素子に関する。

近年、急速に需要が拡大しているスマートフォンには、小型、薄型で、組立のハンダリフロー工程の高温処理耐性を有するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いたマイクロフォンが多く使われている。さらにＭＥＭＳマイクロフォンに限らず、その他のＭＥＭＳ素子が様々な分野で急速に普及してきている。

この種のＭＥＭＳ素子の多くは、音響圧力等による振動板の変位を対向する固定板との容量変化としてとらえ、電気信号に変換して出力する容量素子である。しかし容量素子は、振動板と固定板との間隙の空気の流動によって生じる音響抵抗のために、信号雑音比の改善が限界になりつつある。そこで、圧電材料からなる薄膜（圧電膜）で構成される単一の振動板の歪みにより音響圧力等を電圧変化として取り出すことができる圧電素子が注目されている。

従来の圧電素子は、圧電膜に図８に示すような所望の形状のスリット１を形成して片持ち梁構造の振動板を形成している。図８（ａ）では四角形の２枚の振動板２が、図８（ｂ）では三角形の４枚の振動板２が形成されている。この種の圧電素子は、例えば特許文献１に開示されている。

図９は圧電素子の断面図である。図９に示すように支持基板３上に絶縁膜４を介して多層構造の圧電膜５ａ、５ｂが支持固定され、圧電膜５ａは電極６ａと電極６ｂにより、圧電膜５ｂは電極６ｂと電極６ｃによりそれぞれ挟み込まれた構造となっている。支持基板３にはキャビティ７が形成されており、スリット１により区画された圧電膜および電極は、一端が支持基板３に固定され、他端が開放端となる振動板２を構成している。

このような圧電素子では、振動板２が音響圧力等を受けると圧電膜５ａが歪み、その内部に分極が起こり、電極６ａに接続する配線金属８ａと、電極６ｂに接続する配線電極８ｂから電圧信号を取り出すことが可能となる。同様に圧電膜５ｂが歪むとその内部に分極が起こり、電極６ｃに接続する配線金属８ａと、電極６ｂに接続する配線金属８ｂから電圧信号を取り出すことが可能となる。

ところでこのような片持ち梁構造の振動板２を形成する際、圧電膜の残留応力が解放され反りが生じ、スリット１の開口幅が広がってしまう。スリットの開口幅が設計値以上となった状態の圧電素子をマイクロフォンとして使用すると、音響抵抗が低下し、低周波感度低下等の特性劣化を招いてしまう。

そこで本願出願人は、図１０に示すように振動板２上に薄膜９を積層形成した圧電素子を提案した（特許文献２）。

特許第５９３６１５４号公報 特開２０１８−１３７２９７号公報

本願出願人が先に提案した圧電素子は、薄膜９を備える構造とすることで圧電膜の残留応力に起因するスリット１の開口幅の広がりと、それに伴う特性劣化を抑制することができる。しかしながら、その製造工程において、スリット１を形成した後、そのスリット１に連通するように薄膜９の開口を形成するため、製造工程のばらつき（位置合わせのずれ等）を考慮し、薄膜９の開口幅をスリット１の開口幅より広く形成することになる。その結果、薄膜９は振動板２の弾性係数を大きくすることにより振動板２の変形を抑制するという効果は得られるものの、薄膜９を形成しても振動板２の変形が完全に抑えられない場合には、スリット１の開口幅が設計値以上となってしまう。このような圧電素子をマイクロフォンとして使用した場合に、音響抵抗を低下させ、低周波感度低下等の特性劣化を完全に抑制することができなかった。本発明はこのような課題を解決し、圧電膜の残留応力の影響を抑制するとともに、高感度で信号雑音比を改善した圧電素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、少なくとも一端が支持基板に支持された圧電膜からなる振動板と、前記圧電膜を挟んで配置する一対の電極と、前記圧電膜を貫通し該圧電膜を前記振動板として区画するスリットとを備えた圧電素子において、少なくとも前記スリットの一部を覆う伸縮膜を備え、該伸縮膜は、前記振動板の一方の面の一部を覆う第１の被覆部と、前記振動板の他方の面の一部を覆う第２の被覆部と、前記振動板を貫通して前記第１の被覆部と前記第２の被覆部とに接続する連結部とを備えていることを特徴とする。

本願請求項２に係る発明は、請求項１記載の圧電素子において、前記圧電膜を貫通する貫通孔を備え、前記伸縮膜は、少なくとも前記スリットの一部を覆うとともに、前記貫通孔を覆っていることを特徴とする。

本願請求項３に係る発明は、請求項１または２いずれか記載の圧電素子において、前記連結部は、前記スリット内、あるいは前記貫通孔内の少なくともいずれかに配置されていることを特徴とする。

本発明の圧電素子は、スリット等を伸縮膜で覆うことで、振動板の動きに追従して変形する伸縮膜によりスリット等を塞いだ状態を保つことができ、所望の特性の圧電素子を提供することが可能となる。特に第１の被覆部と第２の被覆部を連結した構造とすることで、伸縮膜と振動板との密着性が向上し、あるいは密着性が劣化した場合であってもスリット等を塞いだ状態を保つことができ、所望の特性の圧電素子を提供することが可能となる。

本発明の第１の実施例の圧電素子の説明図である。 本発明の第１の実施例の圧電素子の説明図である。 本発明の第１の実施例の別の圧電素子の説明図である。 本発明の第２の実施例の圧電素子の説明図である。 本発明の第２の実施例の圧電素子の説明図である。 本発明の第３の実施例の圧電素子の説明図である。 本発明の第３の実施例の圧電素子の説明図である。 従来の圧電素子の説明図である。 従来の圧電素子の説明図である。 従来の別の圧電素子の説明図である。

本発明に係る圧電素子は、支持基板に支持された圧電膜を所望の形状のスリットで区画した振動板を備え、スリットを覆うように伸縮膜を配置する構成としている。振動板に貫通孔を備え、貫通孔を覆うように伸縮膜を配置する構成としてもよい。伸縮膜は、振動板の振動に追従してスリット等を塞ぐ状態を保つことができ、特性劣化のない圧電素子を構成することができる。また伸縮膜は、振動板の表面および裏面の一部を覆い、連結部により接続されているため、振動板と伸縮膜の密着性を向上させることができる。以下、本発明の実施例について詳細に説明する。

本発明の第１の実施例について説明する。本発明の圧電素子は、先に従来例で説明した図８に示すような所望の形状のスリット１を形成して、片持ち梁構造の圧電素子としている。図１は、本実施例の圧電素子の断面図である。図１に示すように、支持基板３上に絶縁膜４を介して多層構造の圧電膜５ａ、５ｂが支持固定され、圧電膜５ａは電極６ａと電極６ｂにより、圧電膜５ｂは電極６ｂと電極６ｃによりそれぞれ挟み込まれた構造となっている。支持基板３にはキャビティ７が形成されており、スリット１により区画された圧電膜および電極は、一端が支持基板３に支持固定され、他端が開放端となる振動板２を構成する。

このような圧電素子では、振動板２が音響圧力等を受けて変位すると圧電膜５ａが歪み、その内部に分極が起こり、電極６ａに接続する配線金属８ａと、電極６ｂに接続する配線金属８ｂから電圧信号を取り出すことが可能となる。同様に圧電膜５ｂが歪むとその内部に分極が起こり、電極６ｃに接続する配線金属８ａと、電極６ｂに接続する配線金属８ｂから電圧信号を取り出すことが可能となる。

ここで本実施例では、スリット１を覆うように伸縮膜１０を配置している。この伸縮膜１０は、振動板２の表面に、例えば矩形の第１の被覆部１０ａが配置され、振動板２の裏面に、例えばスリット１に沿った第２の被覆部１０ｂが配置されている。さらにこの第１の被覆部１０ａと第２の被覆部１０ｂは、伸縮膜の一部がスリット１内に充填された連結部１０ｃによって接続され、振動板２に固定されている。

図２は、キャビティ７側からみた振動板２の周辺の一部を示す説明図で、振動板２の裏面に第２の被覆部１０ｂをスリット１に沿って配置した一例を示している。図２に示すように、スリット１の一部は伸縮膜で覆わずベントホールとして機能させることもできる。

このようにスリット１を覆うように配置された伸縮膜１０は、振動板２の動きに追従して伸縮し、スリット１を塞いだ状態を保つことができる。特に本実施例では、振動板２の一方の面を覆う第１の被覆部１０ａと、他方の面を覆う第２の被覆部１０ｂと、これらを接続する連結部１０ｃとを備える構成とし、伸縮膜１０と振動板２との接触面積を増やすことで密着性を高めることができ、剥離のない伸縮膜１０を形成することができる。第１の被覆部１０ａは連結部１０ｃと接続することで、一部の変形が抑制されて伸縮膜１０に加わる応力が緩和できることでも、剥離の発生を抑えることができる。また伸縮膜１０と振動板２との間の一部に剥離が発生したとしても、スリット１を塞いだ状態を保持することができる。本実施例では、スリット１内に連結部１０ｃを形成するため振動板２の特別な加工を施す必要がなく簡便に形成することができ好ましい。

なお、図１に示す伸縮膜１０を逆に配置する構成、すなわち第１の被覆部１０ａを振動板２の裏面側（キャビティ７内）に、第２の被覆部１０ｂを振動板２の表面側にそれぞれ配置し、これらを連結部１０ｃで接続する構成としても、同様の効果を得ることができる。

また本実施例では、振動板２の弾性係数を大きくするため第１の被覆部１０ａの面積を大きくし、第２の被覆部１０ｂは第１の被覆部１０ａより小さく形成しているが、図３に示すように第２の被覆部１０ｂの面積も大きくして振動板２の弾性係数を大きくする構成とすることも可能である。なお、第１の被覆部１０ａと第２の被覆部１０ｂの両方の面積を大きくすると、振動板２の振動が抑制されるため、必要な出力電圧が得られるように形状や面積を調整する必要があることは言うまでもない。

一方振動板２の弾性係数を大きくする必要がない場合、例えばスリット１を塞ぐだけでよい場合には、第１の被覆部１０ａの面積を小さくし、さらに第２の被覆部１０ｂの面積を小さくすることも可能である。この場合、第１の被覆部１０ａと第２の被覆部１０ｂは、少なくともスリット１を覆うとともに振動板２の表面および裏面の一部を覆うように構成すればよい。

なお上記説明では、キャビティ７を矩形とし、第１の被覆部１０ａも矩形として説明したが、キャビティ７を円形とし、第１の被覆部１０ａを円形とするように、伸縮膜１０の形状は適宜変更可能である。

このように少なくともスリット１の一部を覆う伸縮膜１０を備える圧電素子をマイクロフォンとして使用した場合、音響抵抗の低下や低周波感度の低下等の特性劣化のないマイクロフォンを構成することができ好ましい。

次に第２の実施例について説明する。上述の第１の実施例では、スリット１内に連結部１０ｃを配置する例を説明したが、連結部１０ｃはスリット１内に配置することに限定されない。例えば図４に示すように、振動板２の一部に貫通孔１１を形成し、この貫通孔１１内に連結部１０ｃを配置することもできる。

本実施例でも、上記第１の実施例同様、スリット１を覆うように伸縮膜１０を配置している。この伸縮膜１０は、振動板２の表面に、例えば矩形の第１の被覆部１０ａが配置され、振動板２の裏面に、例えば貫通孔１１を覆うように第２の被覆部１０ｂが配置されている。ここで本実施例では、貫通孔１１内に充填された連結部１０ｃによって第１の被覆部１０ａと第２の被覆部１０ｂを接続し、振動板２に固定されている。スリット１は第１の被覆部１０ａのみで覆われ、一部は第１の被覆部１０ａで覆わずベントホールとして機能させることもできる。

図５は、キャビティ７側からみた振動板２の周辺の一部を示す説明図で、振動板２の裏面に第２の被覆部１０ｂを配置した一例を示している。本実施例では上述の第１の実施例と異なり、スリット１内には伸縮膜１０は充填されておらず、振動板２の表面に配置された第１の被覆部１０ａの一部がスリット１内に露出している。

貫通孔１１を配置する構成とすると振動板２（圧電膜５ａ、５ｂ）の一部を除去することになるため、圧電素子として効果的に電圧信号を取り出すことができる支持基板３に振動板２が支持された領域近傍を除く領域に貫通孔１１を配置すればよい。

このようにスリット１を覆うように配置された伸縮膜１０は、振動板２の動きに追従して伸縮し、スリット１を塞いだ状態を保つことができる。本実施例においても、振動板２の一方の面を覆う第１の被覆部１０ａと、他方の面を覆う第２の被覆部１０ｂと、これらを接続する連結部１０ｃとを備える構成とし、伸縮膜１０と振動板２との接触面積を増やすことで密着性を高めることができ、剥離のない伸縮膜１０を形成することができる。第１の被覆部１０ａは連結部１０ｃと接続することで、一部の変形が抑制されて伸縮膜１０に加わる応力が緩和できることでも、剥離の発生を抑えることができる。また伸縮膜１０と振動板２との間の一部に剥離が発生したとしても、スリット１を塞いだ状態を保持することができる。特に本実施例では、振動板２の最も変位が大きい先端部から離れた位置に連結部１０ｃを配置することで、より剥離の発生が抑えることができ好ましい。本実施例では、連結部１０ｃを点在させることで、連結部１０ｃが振動板２の振動を妨げることがないので、大きな出力信号を得ることができる。

本実施例においても、第１の被覆部１０ａを振動板２の裏面側（キャビティ７内）に、第２の被覆部１０ｂを振動板２の表面側にそれぞれ配置し、これらを連結部１０ｃで接続する構造としても、同様の効果を得ることができる。

また図１に示すスリット１内に充填された連結部１０ｃとこれに接続する第２の被覆部１０ｂとを付加する構造としたり、図３に示すように第２の被覆部１０ｂを大きくし、スリット１内に充填された連結部１０ｃと貫通孔１１内に充填された連結部１０ｃとに接続する構造とすることも可能である。

本実施例においても、キャビティ７を円形とし、第１の被覆部１０ａや、スリット１内および貫通孔１１内に充填された連結部１０ｃに接続する一体とした第２の被覆部１０ｂを円形とすることができ、伸縮膜１０の形状は適宜変更可能である。また貫通孔１１は、円形に限定されるものではなく、配置する位置や数は適宜設定すればよい。

このように少なくともスリット１の一部を覆う伸縮膜１０を備える圧電素子をマイクロフォンとして使用した場合、音響抵抗の低下や低周波感度の低下等の特性劣化のないマイクロフォンを構成することができ好ましい。

次に第３の実施例について説明する。上述の第１の実施例および第２の実施例では、スリット１によって圧電膜５ａ、５ｂを区画して振動板２としている場合について説明したが、本実施例はこれに限定されない。例えば図６に示すように、振動板２を区画するスリットに加えて、比較的径の大きい開口部１２（貫通孔に相当）を備える構造としてもよい。

本実施例では、スリット１および開口部１２を覆うように伸縮膜１０を配置している。この伸縮膜１０は、振動板２の表面に、例えば円形の第１の被覆部１０ａが配置され、振動板２の裏面に、例えば貫通孔１１を覆うように第２の被覆部１０ｂが配置されている。貫通孔１１内に充填された連結部１０ｃによって第１の被覆部１０ａと第２の被覆部１０ｂを接続し、振動板２に固定されている。スリット１と開口部１２は第１の被覆部１０ａのみで覆われ、スリット１の一部は第１の被覆部１０ａで覆わずベントホールとして機能させることもできる。

図７は、キャビティ７側から見た振動板２の周辺の一部を示す説明図で、振動板２の裏面に第２の被覆部１０ｂを配置した一例を示している。本実施例ではスリット１および開口部１２内には伸縮膜１０は充填されておらず、振動板２の表面に配置された第１の被覆部１０ａの一部がスリット１内および開口部１２内に露出している。なお、本実施例ではキャビティ７の形状を円形とした例を示している。

貫通孔１１を配置する構成とすると振動板２（圧電膜５ａ、５ｂ）の一部を除去することになるため、圧電素子として効果的に電圧信号を取り出すことができる支持基板３に振動板２が支持された領域近傍を除く領域に貫通孔１１を配置すればよい。開口部１２も電圧信号を出力するために問題ない位置に配置すればよい。

開口部１２が配置される領域は、片持ち梁構造の振動板２を形成する際、残留応力が開放され反りが発生する領域である。第１の被覆部１０ａを形成した後、スリット１および開口部１２を形成する場合、反りが発生する領域を開口部１２として除去すると振動膜２から第１の被覆部１０ａに加わる応力が減り、密着性良く形成することができる。

このようにスリット１および開口部１２を覆うように配置された伸縮膜１０は、振動板２の動きに追従して伸縮し、スリット１および開口部１２を塞いだ状態を保つことができる。本実施例においても、振動板２の一方の面を覆う第１の被覆部１０ａと、他方の面を覆う第２の被覆部１０ｂと、これらを接続する連結部１０ｃとを備える構成とし、伸縮膜１０と振動板２との接触面積を増やすことで密着性を高めることができ、剥離のない伸縮膜１０を形成することができる。第１の被覆膜１０ａは、連結部１０ｃと接続することで、一部の変形が抑制されて伸縮膜１０に加わる応力が緩和できることでも、剥離の発生を抑えることができる。また伸縮膜１０と振動板２との間の一部に剥離が発生したとしても、スリット１および開口部１２を塞いだ状態を保持することができる。特に本実施例では、伸縮膜１０に加わる応力が最も大きい振動板２の一部を除去して開口部１２を配置することでも、剥離の発生を抑えることができる。

本実施例においても、第１の被覆部１０ａを振動板２の裏面側（キャビティ７内）に、第２の被覆部１０ｂを振動板２の表面側にそれぞれ配置し、これらを連結部１０ｃで接続する構造としても、同様の効果を得ることができる。

またスリット１内および開口部１２内に充填された連結部１０ｃとこれに接続する第２の被覆部１０ｂとを付加する構造としたり、スリット１内および開口部１２内に充填された連結部１０ｃと貫通孔１１内に充填された連結部１０ｃとに接続する第２の被覆部１０ｂを一体の構造とすることも可能である。

また本実施例では、開口部１２の形状を円形として説明したが、開口部１２の形状を波型形状、ジグザグ形状、その他の形状として、円形状より周の寸法を大きくすることで振動板２と連結部１０ｃとの接触面積を大きくし、剥離の発生を抑えることが可能となる。

本実施例においても、キャビティ７を矩形とし、第１の被覆部１０ａを矩形とすることができ、伸縮膜１０の形状は適宜変更可能である。また開口部１２の形状は円形に限定されるものではなく、配置や数は適宜設定すればよい。

このように少なくともスリット１の一部と開口部１２を覆う伸縮膜１０を備える圧電素子をマイクロフォンとして使用した場合、音響抵抗の低下や低周波感度の低下等の特性劣化のないマイクロフォンを構成することができ好ましい。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではない。例えば振動板２と伸縮膜１０との密着性を良くするため、振動板２上に伸縮膜１０と密着性のよい材料からなる膜や電極を配置したり、振動板２上を凹凸のある表面とすることが可能である。

１： スリット、２：振動板、３：支持基板、４：絶縁膜、５ａ、５ｂ：圧電膜、６ａ、６ｂ、６ｃ：電極、７：キャビティ、８ａ、８ｂ：配線金属、９：薄膜、１０：伸縮膜、１０ａ：第１の被覆部、１０ｂ：第２の被覆部、１０ｃ：連結部、１１：貫通孔、１２：開口部

Claims (3)

1. 少なくとも一端が支持基板に支持された圧電膜からなる振動板と、前記圧電膜を挟んで配置する一対の電極と、前記圧電膜を貫通し該圧電膜を前記振動板として区画するスリットとを備えた圧電素子において、
   少なくとも前記スリットの一部を覆う伸縮膜を備え、
   該伸縮膜は、前記振動板の一方の面の一部を覆う第１の被覆部と、前記振動板の他方の面の一部を覆う第２の被覆部と、前記振動板を貫通して前記第１の被覆部と前記第２の被覆部とに接続する連結部とを備えていることを特徴とする圧電素子。
2. 請求項１記載の圧電素子において、
   前記圧電膜を貫通する貫通孔を備え、
   前記伸縮膜は、少なくとも前記スリットの一部を覆うとともに、前記貫通孔を覆っていることを特徴とする圧電素子。
3. 請求項１または２いずれか記載の圧電素子において、
   前記連結部は、前記スリット内、あるいは前記貫通孔内の少なくともいずれかに配置されていることを特徴とする圧電素子。

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