JP3945292B2 - ダイヤフラム型トランスデューサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は各種電子機器に使用されるスピーカ、ブザー、マイクロホン等のダイヤフラム型トランスデューサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話やいわゆるコードレスホン等に使用される圧電型トランスデューサは、円板形のケース本体の内部に圧電振動体を設けたものであり、この圧電振動体は真鍮や燐青銅等の金属薄板からなる円板状のシム材の一方又は両方の主面にシム材より小さい形状の圧電素子を貼り付けたユニモルフまたはバイモルフ構造で構成されている。
【０００３】
図７は従来のダイヤフラム型トランスデューサの構造を示す断面図である。
【０００４】
図７に示すように金属振動板１は導電ペースト８とリード線６より駆動電源７に接続され、圧電振動子２の上部電極４も同様に導電ペースト８とリード線６より駆動電源７に接続され、駆動電源７よりリード線６を通して金属振動板１および圧電振動子２の上部電極４に電圧が印加され、その結果、圧電振動子２に機械的応力（振動）が生じ、この振動が圧電振動子２に密着する金属振動板１へ伝播し、可聴音域の音が再生されるという仕組みになっている。尚３は圧電振動体であり、ケース５により支持されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、圧電薄膜からなる圧電振動子２を用いたダイヤフラム型トランスデューサにおいて、圧電振動子２に印加する駆動電圧が大きくなるに従い圧電定数が高くなり圧電定数に電圧依存性が生じ、ダイヤフラム型トランスデューサの特性が劣化するという課題があった。
【０００６】
例えばダイヤフラム型トランスデューサをスピーカとして使用した場合、印加する駆動電圧と音圧が非線形となり、再生音に大きな歪を生じてしまうものであった。
【０００７】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、圧電定数の電圧依存性を低い状態で保持したダイヤフラム型トランスデューサを提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、以下の構成を有するものである。
【０００９】
本発明の請求項１に記載の発明は、シリコンからなる支持体上に下部電極、この下部電極上に圧電薄膜、この圧電薄膜上に上部電極を設け、上記支持体と下部電極との間または上記上部電極上のいずれかに設けた振動体層からなるダイヤフラム型トランスデューサにおいて、上記圧電薄膜は、結晶配向が（００１）方位であって、かつ、菱面体晶構造であるダイヤフラム型トランスデューサであり、圧電定数の電圧依存性を低く抑えることができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、下部電極または振動体層のいずれかと支持体の間に絶縁層を設けた請求項１に記載のダイヤフラム型トランスデューサであり、シリコンからなる支持体と下部電極または振動体層との絶縁ができシリコンからなる基板からの影響を受けなくなる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、シリコンからなる支持体の表面を熱酸化してＳｉＯ₂層の絶縁層および振動体層を設けた請求項２に記載のダイヤフラム型トランスデューサであり、上記ＳｉＯ₂層を絶縁層および振動体層として用いたことにより振動体層の工程の簡略化と構造の簡素化が図れる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、下部電極が白金とチタンの合金またはイリジウムとチタンの合金のいずれかからなる請求項１に記載のダイヤフラム型トランスデューサであり、下部電極をアニール処理して白金の表面にチタン酸化物を形成することで圧電薄膜の結晶配向を（００１）方位に形成でき圧電定数の圧電依存性を低く抑えることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１におけるダイヤフラム型トランスデューサについて図を用いて説明する。
【００１４】
図１は本発明の実施の形態１におけるダイヤフラム型トランスデューサの構造を示す断面図、図２（ａ）〜（ｆ）は製造プロセスを示す工程図である。
【００１５】
図１において、１７はシリコンから形成される枠状の支持体、１２はこの支持体１７上の全面に形成されたＳｉＯ₂層からなる絶縁層、１３はこの絶縁層１２上に形成されたクロム、タングステン、銅等からなる振動体層、１４はこの振動体層１３上に形成された白金とチタンの合金またはイリジウムとチタンの合金からなる下部電極、１５はこの下部電極１４上に形成されたＰＺＴからなる圧電薄膜、１６はこの圧電薄膜１５の上面の一部に形成された上部電極であり、これらでダイヤフラム型トランスデューサを構成している。
【００１６】
この構成において、振動体層１３または下部電極１４と上部電極１６に駆動電源から電圧を印加することによって絶縁層１２から上部電極１６までの積層体からなる圧電振動体が振動して所定の音を再生するようになっている。
【００１７】
次に上記ダイヤフラム型トランスデューサの製造プロセスについて図２（ａ）〜（ｆ）を用いて説明する。
【００１８】
図２（ａ）に示すようにダイヤフラム型トランスデューサはシリコンからなる基板１１の上に熱酸化、ＣＶＤ、スパッタによりＳｉＯ₂層からなる絶縁層１２を形成し、図２（ｂ）に示すように絶縁層１２の上にクロム、タングステン、銅等のいずれかからなる振動体層１３を形成する。なお、図２（ａ）に示すＳｉＯ₂層からなる絶縁層１２はシリコンからなる基板１１からの絶縁と振動体層１３に用いることができ、図２（ｂ）に示すように振動体層１３の工程の簡略化と構造の簡素化が図れる。
【００１９】
次に図２（ｃ）に示すように振動体層１３の上に蒸着、スパッタにより白金とチタンの合金またはイリジウムとチタンの合金からなる下部電極１４を形成する。この合金のチタン含有量は１５％以下が望ましく白金とチタンの合金またはイリジウムとチタンの合金のいずれかからなる下部電極１４の表面に温度３００℃程度のアニール処理によりチタン酸化物を形成し、図２（ｄ）に示すように下部電極１４の上にスパッタ、蒸着によりＰＺＴからなる圧電薄膜１５を形成する。この圧電薄膜１５はチタン酸化物上に形成されるため結晶配向が（００１）方位とすることができ、さらに結晶配向が（００１）方位とする菱面体晶を得るためにＰＺＴからなる圧電薄膜１５の場合はＭＰＢ（モノトロピックフェーズバウンダリー）よりジルコニア含有量が少ない組成のＰＺＴを用いる。
【００２０】
次に図２（ｅ）に示すように圧電薄膜１５の上にメタルマスクを用いて上部電極１６を蒸着して所定のパターンを形成し、図２（ｆ）に示すようにシリコンからなる基板１１をエッチングして所定の形状の支持体１７に形成する。
【００２１】
図３に結晶配向が（００１）方位した菱面体晶構造の圧電薄膜１５の分極構造を示す。分極は８方向に取り得るが（００１）方位と分極軸とがなす角度は５４．７°である。
【００２２】
例えば（１１１）方位の菱面体晶構造の圧電薄膜１５を分極処理すると（１１１）、（−１１１）、（１−１１）、（１１−１）の４つの分極軸のみを持ち、この圧電薄膜１５に印加する電圧を高くしていくと（−１１１）、（１−１１）、（１１−１）の分極が（１１１）方位に回転し始め圧電定数も大きくなる。
【００２３】
一方（００１）方位の菱面体晶構造の圧電薄膜１５を分極処理すると（１１１）、（−１１１）、（１−１１）、（−１−１１）の４つの分極軸のみ持ち、この４つの分極状態は（００１）方位に対して等価（分極軸との角度がすべて５４．７°）であるため圧電定数の電圧依存性を低く抑えることができる。
【００２４】
図４（ａ）に従来の圧電薄膜１５に印加する電圧と圧電定数の関係を示し、図４（ｂ）に本発明の実施の形態１の圧電薄膜に印加する電圧と圧電定数の関係を示す。
【００２５】
この結果より圧電薄膜１５の結晶配向が（００１）方位の菱面体晶構造とすることにより圧電定数の電圧依存性を低く抑えることができこの圧電薄膜１５を設けたダイヤフラム型トランスデューサの特性を向上させることができる。
【００２６】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２におけるダイヤフラム型トランスデューサについて図を用いて説明する。
【００２７】
図５は本発明の実施の形態２におけるダイヤフラム型トランスデューサの構造を示す断面図、図６（ａ）〜（ｆ）は製造プロセスを示す工程図である。
【００２８】
図５において、実施の形態１の図１に示すものと異なる点は、支持体１７上の全面に形成した絶縁層１２に下部電極１４、圧電薄膜１５、上部電極１６を設け、この上に振動体層１３を形成した積層構成を変えたところにある。
【００２９】
この構成としても実施の形態１と同様の動作をさせることができる。
【００３０】
また、この構成のダイヤフラム型トランスデューサの製造プロセスについて図６（ａ）〜（ｆ）を用いて説明する。
【００３１】
図６（ａ）に示すようにダイヤフラム型トランスデューサはシリコンからなる基板１１の上に熱酸化、ＣＶＤ、スパッタによりＳｉＯ₂層からなる絶縁層１２を形成し、図６（ｂ）に示すように絶縁層１２の上に蒸着、スパッタにより白金とチタンの合金またはイリジウムとチタンの合金からなる下部電極１４を形成する。この合金のチタン含有量は１５％以下が望ましく白金とチタンの合金またはイリジウムとチタンの合金のいずれかからなる下部電極１４では温度３００℃程度のアニール処理により白金表面にチタン酸化物を形成することで下部電極１４の上に形成し、図６（ｃ）に示すように下部電極１４の上にスパッタ、蒸着によりＰＺＴからなる圧電薄膜１５の結晶配向を（００１）方位とする菱面体晶構造に配列するように形成する。
【００３２】
さらに結晶配向が（００１）方位とする菱面体晶を得るためにＰＺＴからなる圧電薄膜１５の場合はＭＰＢ（モノトロピックフェーズバウンダリー）よりジルコニア含有量が少ない組成のＰＺＴを用いる。図６（ｄ）に示すように圧電薄膜１５の上にメタルマスクを用いて上部電極１６を蒸着し所定のパターンを形成し、図６（ｅ）に示すように上部電極１６の上にクロム、タングステン、銅等からなる振動体層１３を形成し、図６（ｆ）に示すようにシリコンからなる基板１１をエッチングにより所定の形状の支持体１７に形成することで実施の形態１と同様の効果を引き出すことができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように本発明のダイヤフラム型トランスデューサは構成されるため、圧電定数の電圧依存性を低く抑えることができこの圧電薄膜を設けたダイヤフラム型トランスデューサの特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるダイヤフラム型トランスデューサを示す断面図
【図２】（ａ）〜（ｆ）本発明の実施の形態１におけるダイヤフラム型トランスデューサの製造プロセスを示す工程図
【図３】本発明の内装される圧電薄膜の結晶配向（００１）方位の菱面体晶構造の分極構造を説明する説明図
【図４】（ａ）従来の圧電薄膜の印加電圧と圧電定数の特性図
（ｂ）本発明の圧電薄膜の印加電圧と圧電定数の特性図
【図５】本発明の実施の形態２におけるダイヤフラム型トランスデューサの構造を示す断面図
【図６】（ａ）〜（ｆ）本発明の実施の形態２におけるダイヤフラム型トランスデューサの製造プロセスを示す工程図
【図７】従来のダイヤフラム型トランスデューサの構造を示す断面図
【符号の説明】
１１ シリコンからなる基板
１２ 絶縁層
１３ 振動体層
１４ 下部電極
１５ 圧電薄膜
１６ 上部電極
１７ シリコンからなる支持体

Claims (4)

1. シリコンからなる支持体上に下部電極、この下部電極上に圧電薄膜、この圧電薄膜上に上部電極を設け、上記支持体と下部電極との間または上記上部電極上のいずれかに設けた振動体層からなるダイヤフラム型トランスデューサにおいて、上記圧電薄膜は、結晶配向が（００１）方位であって、かつ、菱面体晶構造であるダイヤフラム型トランスデューサ。
2. 支持体と下部電極または振動体層のいずれかとの間に絶縁層を設けた請求項１に記載のダイヤフラム型トランスデューサ。
3. シリコンからなる支持体の表面を熱酸化して形成したＳｉＯ₂層の絶縁層および振動体層を設けた請求項２に記載のダイヤフラム型トランスデューサ。
4. 下部電極が白金とチタンの合金またはイリジウムとチタンの合金のいずれかからなる請求項１に記載のダイヤフラム型トランスデューサ。

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