(57)【要約】【課題】シリコン基板上に形成された圧電薄膜を含む積層体からなる圧電音響素子に係り、唯一つのダイアフラムにおいて、複数の音圧レベルの周波数特性が得られることのできる圧電音響素子を提供すること。【解決手段】シリコン基板４１１に設けたダイアフラム４２１に、圧電薄膜４０３を形成した圧電音響素子において、圧電薄膜４０３に電圧を与えるために、圧電薄膜４０３の上下に、上部電極４０４ａ、４０４ｂと下部電極４０２が設けられている。上部電極４０４ａと下部電極４０２で一つの電極の対を形成して、さらに、上部電極４０４ｂと下部電極４０２で別の電極の対を形成している。圧電薄膜の上下に備えられた電極の対を２以上設けることによって、複数の音圧レベルの周波数特性が得ることができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板と、
該シリコン基板上に形成された積層体とを有する圧電音響素子であって、
前記積層体が、圧電薄膜と、
該圧電薄膜の両面の各々に形成された上部電極および下部電極と、
前記下部電極側に形成された支持層とから構成され、
前記下部電極が、同一平面内に単一層で形成され、
前記上部電極が、同一平面内に２以上の部位に分割して形成されることを特徴とした圧電音響素子。
【請求項２】
前記上部電極の少なくとも１つと、
前記下部電極とで構成される電極の対に信号電圧が与えられることを特徴とする請求項１に記載の圧電音響素子。
【請求項３】
前記電極の対を駆動する信号処理回路が供することを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電音響素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン基板上に形成された圧電薄膜を含む積層体からなる圧電音響素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、携帯電話、パソコン、ＰＤＡ等の電子機器や、ヘッドホン、イヤホン等の中で、小型のスピーカーが多く使用されている。ここで使用されている小型のスピーカーは、主に２種類のスピーカーに分類される。１つはダイナミックスピーカーで、ボイスコイルと永久磁石の磁気カップリングによりダイアフラムを振動させて、音を発生させるものである（例えば、非特許文献１参照。）。もう１つは、圧電スピーカーで、圧電体が有する逆圧電効果を利用するもので、圧電体に電圧を与えて、圧電体が変形する現象を利用して、音を発生させるものである（例えば、非特許文献２参照。）。また、近年では、マイクロマシン技術により、さらに小型にしたスピーカーを試みる開発が散見される（例えば、非特許文献３参照。）。いずれの場合も、概して小型のスピーカーは、１つの電極の対が設けられており、この電極の対に信号電圧を与えることにより、唯一の音圧レベルの周波数特性に応じた音が発生する。
【０００３】
一方で、可撓性圧電フィルムの両面に形成された電極を、フィルムの表面でそれぞれ複数の部位に分割することにより、分割された各電極に信号を供給して、部分的に小区画の圧電フィルムスピーカを形成して、分割振動域を高めて、広帯域化を可能にしたスピーカーがある（特許文献１参照。）。これは、複数のダイアフラムを有し、各々のダイアフラムに１対の電極対が設けられて、各々の異なる周波数特性を形成して、広帯域化を可能にした圧電音響素子である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１４３６９４号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Sonion A/S, “Product data sheet of MX20”, pp.1-2, 2004
【非特許文献２】Murata Manufacturing Co., Ltd.,“Catalog of Piezoelectric Sound Components”, pp.5-6 , 2006
【非特許文献３】K.W.Cho, S.H.Yi, Y.H.Son, and S.Y.Kweon,  “Characteristics of Piezoelectric Micro-Speaker Fabricated with ZnO Thin Film”, Integrated Ferroelectrics, 89, pp.141-149, 2007
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これまでのスピーカーは、発音源となるダイアフラム１つに対して、ダイアフラムの振動を制御する電極の対が１つしか設けられていなかった。そのため、スピーカーの制御信号に対する音圧レベルの周波数特性は、唯一つの特性しか得られなかった。アプリケーションが複数の周波数帯域を有する音源を必要とする場合は、複数のダイアフラムと、それと同数の電極の対が必要となり、アプリケーションの小型化を阻害し、さらには、コスト上昇の問題が生じる。具体的な例を挙げて説明すると、現在、携帯電話にはレシーバーとサウンダーと呼ばれる２種類のスピーカーが搭載されている。レシーバーは、通話時の受話音を出し、サウンダーは受信時の呼び出し音を発する。レシーバーは３００Ｈｚから５ｋＨｚ位の音声周波数帯域を有し、サウンダーは音楽を発するため１０ｋＨｚ位までの周波数帯域を有する。両者の周波数特性は異なっている。
【０００７】
本発明は、小型であり、且つ、スピーカーの数を増やすことなく、シリコン基板に設けた唯一つのダイアフラムで、電極の対を複数に設けて、これらに与える信号電圧を制御することにより、複数の音圧レベルの周波数特性が得られることのできる圧電音響素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上記課題を解決するために、唯一つのダイアフラムに形成された圧電薄膜を制御する電極の対を複数に設けて、それぞれの電極の対に信号電圧を与えると、それぞれに異なる音圧レベルの周波数特性があることを見い出し、本発明をなすに至った。
【０００９】
請求項１に記載の発明は、シリコン基板と、該シリコン基板上に形成された積層体とを有する圧電音響素子であって、上記積層体が、圧電薄膜と、該圧電薄膜の両面の各々に形成された上部電極および下部電極と、上記下部電極側に形成された支持層とから構成され、上記下部電極が、同一平面内に単一層で形成され、上記上部電極が、同一平面内に２以上の部位に分割して形成されることを特徴としている。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、上記上部電極の少なくとも１つと、上記下部電極とで構成される電極の対に信号電圧が与えられることを特徴としている。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、上記電極の対を駆動する信号処理回路が供することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
これらの発明によれば、シリコン基板に設けた唯一つのダイアフラムにおいて、信号電圧を与える電極の対の選び方しだいで、異なる音圧レベルの周波数特性が得られる。従って、複数の周波数帯域の音源を必要とするアプリケーションにおいては、特性の異なる複数のスピーカーを必要とせず、アプリケーションの小型化、省スペース化に寄与し、さらには、コスト低減を図ることができる。また、下部電極を単一層にして、電極対の一方を共通化することで、信号電圧を与える配線の簡素化ができる。さらに、下部電極のパターニングが不要なため、製造コストやマスク費用を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来技術による圧電音響素子の一例１００を示す図である。
【図２】図１に示した圧電音響素子１００を上面から見た図である。
【図３】図１に示した圧電音響素子１００のダイアフラム中心のｚ軸方向の振動変位と上部電極１０４の被覆率の関係を示す図である。
【図４】本発明の実施例１による２つの電極の対を有する圧電音響素子の一例４００を示す図である。
【図５】図４に示した圧電音響素子４００を上面から見た図である。
【図６】図４に示した圧電音響素子４００のシミュレーションによる周波数特性の計算結果を示す図である。
【図７】本発明の実施例２による３つの電極の対を有する圧電音響素子の一例７００を示す図である。
【図８】図７に示した圧電音響素子７００を上面から見た図である。
【図９】図７に示した圧電音響素子７００のシミュレーションによる周波数特性の計算結果を示す図である。
【図１０】本発明の実施例３によるｎ個の電極の対を有する圧電音響素子１０３１を制御する信号処理回路１０４１の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して、詳細に説明する。  
図１は、従来技術による圧電音響素子の一例１００を示す図であり、その断面を示したものである。  
シリコン基板１１１に設けたダイアフラム１２１に、圧電薄膜１０３が形成されている。圧電薄膜１０３の上下には、上部電極１０４と下部電極１０２が設けられている。この場合、上部と下部の電極で構成する電極の対は１つになる。ダイアフラム１２１は、素子全体を支持する厚いシリコン基板１１１が取り除かれ、支持層１０１と圧電薄膜１０３、上部電極１０４、下部電極１０２から構成される。上部電極１０４と下部電極１０２にＡＣ信号電圧を与えて、圧電薄膜１０３が周期的な変形をすることによって、ダイアフラム１２１が振動して、音が発生する。とくに、圧電薄膜１０３に与えるＡＣ信号電圧の周波数が、ダイアフラム１２１の構造から決まる共振周波数となった時には、ダイアフラムが強く振動して、大きな音を発生する。
【００１５】
図２は、図１に示した従来技術による圧電音響素子１００を上面から見たものである。上部電極１０４は、ダイアフラム１２１の中央に配置されている。
【００１６】
図３は、図１、図２におけるダイアフラム１２１の中心点が１次共振と３次共振のときにｚ軸方向に振動する変位と、上部電極１０４の被覆率の関係をシミュレーションで計算した結果である。上部電極の被覆率とは、ダイアフラムの面積に対して、上部電極の占める面積の割合のことを表わす。シミュレーションに使用したダイアフラム１２１のサイズは、５［ｍｍ］×５［ｍｍ］の正方形とし、支持層１０１に酸化膜１．０［μｍ］、圧電薄膜１０３に窒化アルミニウム１．２［μｍ］、上部電極１０４にアルミニウム０．１５［μｍ］、下部電極１０４にタングステン０．２［μｍ］として計算を行った。この構造から、１次の共振周波数は１［ｋＨｚ］で、３次の共振周波数は３．５［ｋＨｚ］が得られた。図３の結果をみると、上部電極１０４の被覆率が４１［％］のとき、１次共振の変位が最大となり、３次共振の変位が小さくなることが分かった。また、上部電極１０４の被覆率が６４［％］のとき、３次共振の変位は最大となり、１次共振の変位が被覆率４１［％］に比べて２割ほど低くなることが分かった。本発明者は、上部電極１０４の被覆率しだいで、複数ある共振ピークの大きさをそれぞれに変えることができることに気づき、唯一つのダイアフラムに、上部電極を複数配置することにより、複数の音圧レベルの周波数特性が得られることを見い出した。以下より、本発明の具体的な実施例を示す。
【実施例１】
【００１７】
図４は、本発明の実施例１による２つの電極の対を有する圧電音響素子の一例４００を示す図であり、シリコン基板４１１に設けたダイアフラム４２１に、圧電薄膜４０３を形成した圧電音響素子４００の断面を示したものである。圧電薄膜４０３に電圧を与えるために、圧電薄膜４０３の上下に、上部電極４０４ａ、４０４ｂと下部電極４０２が設けられている。上部電極４０４ａと下部電極４０２で一つの電極の対を形成して、さらに、上部電極４０４ｂと下部電極４０２で別の電極の対を形成している。この場合、電極の対は２つある。
【００１８】
図５は、上部電極４０４ａ、４０４ｂの配置関係が分かりやすいように、図４に示した圧電音響素子４００を上面から見たものである。ここで示すダイアフラム４２１の形状は正方形であるが、正方形に限らず、この形状は長方形、円形、楕円形等の形状であってもよい。上部電極４０４ａは、ダイアフラム４２１の中央に配置され、それを囲むように上部電極４０４ｂが配置されている。
【００１９】
図６は、シミュレーションにより計算した上部電極４０４ａと下部電極４０２に信号電圧を与えたときの周波数特性と、上部電極４０４ａと４０４ｂを同電位にして下部電極４０２との間に信号電圧を与えたときの周波数特性を示す。ここで、図６の縦軸は、音圧の２乗としているが、これはダイアフラムの各位置でのｚ軸方向の速度を２乗して総和したものから得たものであり、速度２乗の総和は音圧の２乗と相関している。シミュレーションでは、上部電極４０４ａの被覆率は４１［％］とし、上部電極４０４ａと４０４ｂの和の被覆率が６４［％］となるようにして計算している。図６の計算結果から、上部電極４０４ａの結果と、上部電極４０４ａと４０４ｂを同電位にした結果は、１次共振の音圧の２乗は共に同じ程度の大きさになっているが、３次共振の音圧の２乗の大きさは、上部電極４０４ａの結果では１次共振よりやや大きくなり、上部電極４０４ａと４０４ｂを同電位にした結果では１次共振より低くなっていることが分かる。この結果より、例えば、高い周波数の音圧を下げたい場合は、上部電極４０４ａと４０４ｂを同電位にして下部電極との間に信号電圧を与えた組合せを選ぶとよいことが分かる。ここで、音圧の２乗のピークが離散的に立っているが、ダンピングの度合いを強くすると、それぞれのピークは下がり、その半値幅が大きくなる傾向を示す。即ち、ダンピングの度合いを強くすると、周波数特性が平坦になっていく傾向を示す。
【実施例２】
【００２０】
図７は、本発明の実施例２による３つの電極の対を有する圧電音響素子の一例７００を示す図である。実施例２は、上記実施例１とは異なる例であり、シリコン基板７１１に設けたダイアフラム７２１に、圧電薄膜７０３を形成した圧電音響素子の断面を示したものである。圧電薄膜７０３に電圧を与えるために、圧電薄膜７０３の上下に、上部電極７０４ｃ、７０４ｄ、７０４ｅと下部電極７０２が設けられている。上部電極７０４ｃ、７０４ｄ、７０４ｅのそれぞれが下部電極７０２と電極の対を形成し、電極の対は３つある。
【００２１】
図８は、上部電極７０４ｃ、７０４ｄ、７０４ｅの配置関係が分かりやすいように、図７に示した圧電音響素子を上面から見たものである。ここで示すダイアフラム７２１の形状は正方形であるが、正方形に限らず、この形状は長方形、円形、楕円形等の形状であってもよい。上部電極７０４ｃが、ダイアフラム７２１の中央に配置され、上部電極７０４ｄと７０４ｅが、上部電極７０４ｃを挟むように配置されている。
【００２２】
図９は、シミュレーションにより計算した上部電極７０４ｃと下部電極７０２に信号電圧を与えたときの周波数特性と、上部電極７０４ｄと下部電極７０２に信号電圧を与えたときの周波数特性と、上部電極７０４ｃ、７０４ｄ、７０４ｅを同電位にして下部電極７０２との間に信号電圧を与えたときの周波数特性を示す。シミュレーションでは、上部電極７０４ｃ、７０４ｄ、７０４ｅの和の被覆率が６４［％］となるようにして、それぞれの電極面積は、３等分として計算している。図９の計算結果から、上部電極７０４ｃ、７０４ｄ、７０４ｅを同電位にした結果は、１３［ｋＨｚ］以上の周波数で音圧の２乗のピークが見られないことが分かる。一方で、上部電極７０４ｄの結果と、上部電極７０４ｃの結果は、１３［ｋＨｚ］以上の周波数でもピークが見られる。上部電極７０４ｄの結果においては、１３［ｋＨｚ］以下のピークの数が多いことも分かる。いずれのケースにおいても周波数特性が異なり、アプリケーションの必要とする周波数特性に合わせて、適当な電極の対を選び、信号電圧を与えればよい。
【実施例３】
【００２３】
図１０は、ｎ個の電極の対を有する圧電音響素子１０３１を制御する信号処理回路１０４１の一例である。信号処理回路１０４１は、信号電圧源１０５１、スイッチ群１０５２とこれらを制御する制御装置１０５３から構成される。圧電音響素子１０３１は、唯一のダイアフラム上に、ｎ枚の上部電極と１枚の下部電極を有し、ダイアフラム上でｎ個の電極の対を構成している。上部電極は、それぞれに信号電圧が与えられるように、それぞれに信号端子を有している。信号処理回路１０４１は、電圧信号源１０５１で音源となる信号電圧をつくり、制御装置１０５３からの指令によりスイッチ群１０４１の適当なスイッチが閉じられて、圧電音響素子１０３１の選ばれた信号端子に信号電圧が与えられる。信号電圧源１０５１は、選択された電極の対のもつ周波数特性に好適な信号電圧を発生するように制御装置１０５３から制御される。ここで実用的な例を示すと、圧電音響素子１０３１がレシーバーとサウンダーの特性を備えるとき、制御装置１０５３からレシーバーの周波数特性に適した上部電極を選択するように、スイッチ群１０４１のスイッチが閉じられて、信号電圧源１０５１より低域の周波数特性を強調した信号電圧を発生させて、選択された上部電極に信号電圧が与えられる。また、サウンダーとして動作させたい場合は、サウンダーの周波数特性に適した上部電極を選択するように、スイッチ群１０４１のスイッチが閉じられて、信号電圧源１０５１より高域の周波数特性を強調した信号電圧を発生させて、選択された上部電極に信号電圧が与えられる。
【００２４】
これまでに述べてきたダイアフラムを構成する材料に関しては、圧電薄膜１０３、４０３、７０３は、窒化アルミニウムに限らず、酸化亜鉛やチタン酸ジルコン酸鉛であってもよい。下部電極１０２、４０２、７０２、上部電極１０４、４０４ａ、４０４ｂ、７０４ｃ、７０４ｄ、７０４ｅは、アルミニウム、チタン、ポリシリコン、金、白金、タングステン、モリブデンのいずれかの金属材料、または、上記金属材料を主成分に含む合金が好ましい。支持層１０１、４０１、７０１は、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等のシリコン化合物の膜又はその積層膜を用いることが好ましい。ダイアフラム１２１、４２１、７２１を形成するために、シリコン基板１１１、４１１、７１１は、圧電薄膜１０３、４０３、７０３とは反対の面となる裏面から掘削してもよいし、ダイアフラム１２１、４２１、７２１に適当なスルーホールを開けて、圧電薄膜１０３、４０３、７０３と同じ面となる表面から掘削してもよい。
【００２５】
信号処理回路１０４１は、ディスクリートの電子部品で構成してもよいし、半導体ＩＣとして集積化してもよい。また、ＩＣとして集積化された信号処理回路１０４１は、圧電音響素子１０３１とは別々にパッケージングして構成してもよいし、圧電音響素子１０３１と同一のパッケージングに構成してもよい。信号処理回路１０４１と圧電音響素子１０３１が同一パッケージングされる場合、それぞれを別々に作り上げてもよいし、圧電音響素子１０３１のシリコン基板上に信号処理回路１０４１を作りこんでもよい。
【００２６】
以上のように、本発明における実施形態を示したが、本発明は、さらに種々の形態で実現できることは明らかであり、上述した実施の形態に制約されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明の圧電音響素子は、システムの小型化、または、複数の音圧レベルの周波数帯域を必要とする音響部品の分野や、上記音響部品を搭載する製品の分野で好適に利用できる。
【符号の説明】
【００２８】
１０１，４０１，７０１  支持層
１０２，４０２，７０２  下部電極
１０３，４０３，７０３  圧電薄膜
１０４，４０４ａ、４０４ｂ、７０４ｃ，７０４ｄ，７０４ｅ  上部電極
１１１，４１１，７１１  シリコン基板
１２１，４２１，７２１  ダイアフラム
１０３１  圧電音響素子
１０４１  信号処理回路
１０５１  信号電圧源
１０５２  スイッチ群
１０５３  制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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