(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性を有する樹脂材料からなる振動膜と、
前記振動膜の上に配された圧電層と、
前記圧電層と前記振動膜とを挟持する一対の電極と、
を備え、
前記一対の電極に挟持された、前記振動膜及び前記圧電層の積層体を複数備え、
前記圧電層が窒化スカンジウム・アルミニウムを含み、
前記複数の積層体には、前記圧電層の前記振動膜に対する方向が反対である積層体が含まれる、音響素子。
【請求項２】
前記圧電層の一方側を覆うケーシングをさらに備え、
前記ケーシングには、前記圧電層及び前記電極の積層方向から視た際に前記圧電層とは異なる位置に配された開口が形成されている、請求項１に記載の音響素子。
【請求項３】
前記ケーシングは、赤外光を遮蔽する、請求項２に記載の音響素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクやスピーカーなどの音響素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話機やノート型パソコンなどのモバイル機器に搭載可能な小型の音響素子が種々提案されている。例えば、例えば特許文献１では、その一例として、エレクトレットコンデンサマイクロフォンが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−５０３９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、エレクトレットコンデンサマイクロフォンのエレクトレットに蓄積された電荷は、加熱によりエレクトレットから発散してしまう。このため、例えば、リフロー実装などのマイクロフォンが高温になる工程を行うと、電荷が逃げてしまい、マイクロフォンの感度が低下してしまう。従って、エレクトレットコンデンサマイクロフォンは、リフロー実装に耐え得るだけの十分に優れた耐熱性を有していないため、リフロー実装などの熱処理工程を利用することができないという問題を有する。
【０００５】
一方、Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ（ＭＥＭＳ）マイクは、耐熱性に優れるため、リフロー実装可能である。しかしながら、ＭＥＭＳマイクでは、振動板に高電圧を常に印加しなければならない。このため、ＭＥＭＳマイクは、消費電力が大きい。さらに、振動板に高電圧を印加するために、昇圧回路を設ける必要がある場合があり、その場合には、大型化及び高コスト化するという問題がある。また、昇圧回路から発生するノイズが音響特性に影響を与えてしまうという問題もある。
【０００６】
本発明は、優れた耐熱性を有する新規な音響素子を提供することを主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る音響素子は、振動膜と、圧電層と、一対の電極とを備える。圧電層は、振動膜の上に配されている。一対の電極は、圧電層を挟持している。
【０００８】
本発明に係る音響素子のある特定の局面では、音響素子は、圧電層を複数備える。
【０００９】
本発明に係る音響素子の他の特定の局面では、圧電層が、窒化アルミニウム及び窒化スカンジウム・アルミニウムの少なくとも一方を含む。
【００１０】
本発明に係る音響素子の別の特定の局面では、音響素子は、圧電層の一方側を覆うケーシングをさらに備える。ケーシングには、圧電層及び電極の積層方向から視た際に圧電層とは異なる位置に配された開口が形成されている。
【００１１】
本発明に係る音響素子のさらに他の特定の局面では、ケーシングは、赤外光を遮蔽する。
【００１２】
本発明に係る音響素子のさらに別の特定の局面では、圧電層が窒化スカンジウム・アルミニウムを含む。音響素子は、振動膜及び圧電層の積層体を複数有する。複数の積層体には、圧電層の振動膜に対する方向が反対である積層体が含まれる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、優れた耐熱性を有する新規な音響素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態に係る音響素子の略図的断面図である。
【図２】第２の実施形態に係る音響素子の略図的断面図である。
【図３】第３の実施形態に係る音響素子の略図的断面図である。
【図４】スパッタ装置に投入するパワーと形成される窒化スカンジウム・アルミニウム膜（Ｓｃの含有量：３７ａｔ％）の膜応力との関係を表すグラフである。
【図５】第４の実施形態に係る音響素子の略図的断面図である。
【図６】第５の実施形態に係る音響素子の略図的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。
【００１６】
また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
【００１７】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る音響素子１の略図的断面図である。音響素子１は、例えば、マイクやスピーカーとして使用される素子である。
【００１８】
音響素子１は、圧電素子１０を備えている。圧電素子１０は、振動膜１１を備えている。振動膜１１は、例えば、ポリイミド樹脂やポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂などの樹脂等の弾性を有する材料により構成することができる。振動膜１１に高い耐熱性を付与する観点からは、振動膜１１をポリイミド樹脂等の耐熱性の高い樹脂材料により構成することが好ましい。
【００１９】
振動膜１１の厚みは、例えば、１μｍ〜１００μｍ程度とすることができる。
【００２０】
振動膜１１の上には、圧電層１２が配されている。圧電層１２を構成している圧電材料の種類は特に限定されない。圧電層１２は、例えば、窒化アルミニウム、窒化スカンジウム・アルミニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、酸化亜鉛、ニオブ酸カリウムナトリウム、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ポリ乳酸等の少なくとも一種により構成することができる。なかでも、圧電層１２は、鉛を実質的に含まない窒化アルミニウム及び窒化スカンジウム・アルミニウムの少なくとも一方からなることが好ましい。また、窒化アルミニウムや窒化スカンジウム・アルミニウムは、優れた耐熱性と、優れた耐湿性とを兼ね備えている。従って、窒化アルミニウム及び窒化スカンジウム・アルミニウムの少なくとも一方により圧電層１２を構成することにより、音響素子１の耐熱性や耐湿性を改善することができる。
【００２１】
圧電層１２の厚みは、例えば、０．１μｍ〜１０μｍ程度とすることができる。
【００２２】
圧電層１２は、第１の電極１３ａと第２の電極１３ｂとにより挟持されている。第１及び第２の電極１３ａ、１３ｂのそれぞれは、例えば、金、白金、タングステン、アルミニウム、銅、モリブデン、ルテニウム、チタン、クロム、ニッケルなどの少なくとも一種の金属およびそれらの合金などにより構成することができる。
【００２３】
第１及び第２の電極１３ａ、１３ｂの厚みは、それぞれ、例えば、０．０５μｍ〜１μｍ程度とすることができる。
【００２４】
なお、本実施形態では、圧電層１２と振動膜１１との積層体が第１及び第２の電極１３ａ、１３ｂにより挟持されている。但し、本発明は、この構成に限定されない。例えば、圧電層１２のみが第１及び第２の電極１３ａ、１３ｂにより挟持されており、振動膜１１は、第１及び第２の電極１３ａ、１３ｂにより挟持されていなくてもよい。例えば、振動膜１１は、第１または第２の電極１３ａ、１３ｂの圧電層１２とは反対側の主面の上に配されていてもよい。さらに振動膜１１を金属箔により構成し、第１の電極１３ａを省略してもよい。アルミニウム箔により振動膜１１を構成することにより、圧電素子の製造コストを低減することができる。
【００２５】
圧電素子１０は、基板２２の上に設けられた支持部材２１と、基板２２に対して固定されたケーシング２３の上に設けられた支持部材２４とにより挟持されている。圧電素子１０は、支持部材２１，２４により基板２２及びケーシング２３から離間して支持されている。
【００２６】
本実施形態では、支持部材２１，２４とケーシング２３とが、金属などの導電材料により構成されており、支持部材２１，２４及びケーシング２３を介して、基板２２の上に配された制御部材２５に電気的に接続されている。制御部材２５は、基板２２の圧電素子１０とは反対側の表面上に配された端子電極２６に電気的に接続されている。なお、制御部材２５は、例えば、ＩＣにより構成することができる。
【００２７】
次に、音響素子１がマイクとして使用される場合の音響素子１の動作について説明する。
【００２８】
音響素子１に向けて音波が発せられると、ケーシング２３にマトリクス状に設けられた複数の開口２３ａを経由して圧電素子１０に音波が到達する。その結果、圧電素子１０に音圧が印加され、圧電素子１０が振動する。これにより、圧電素子１０の圧電層１２において電荷が発生する。発生した電荷は、制御部材２５において電圧に変換され、端子電極２６から音圧に応じた電気信号が出力される。
【００２９】
一方、音響素子１がスピーカーとして使用される場合は、制御部材２５により、発音させようとする音に応じた電圧が圧電素子１０に印加される。その結果、圧電素子１０が振動し、音波が発せられる。
【００３０】
以上説明したように、音響素子１では、音圧の電荷への変換が圧電層１２により行われる。圧電層１２は、例えば、エレクトレット等と比べて優れた耐熱性を有する。圧電層１２は、エレクトレットとは異なり、高温になっても音圧−電荷変換機能が低下しない。従って、音響素子１は、優れた耐熱性を有しており、リフロー実装することが可能である。
【００３１】
また、ＭＥＭＳマイクとは異なり、振動膜１１に電圧を印加しておく必要が必ずしもない。従って、音響素子１の駆動電圧を低くし得るため、低消費電力化を実現できる。
【００３２】
以上のように、音響素子１によれば、優れた耐熱性と、低い駆動電圧との両立を図ることができる。
【００３３】
耐熱性をさらに改善する観点からは、圧電層１２が窒化アルミニウム及び窒化スカンジウム・アルミニウムの少なくとも一方を含むことが好ましい。
【００３４】
さらに、音響素子１では、ＭＥＭＳマイクにおいてノイズ発生の原因となっている昇圧素子を設ける必要が必ずしもない。従って、音響素子１では、ＭＥＭＳマイクと比較して、低ノイズを実現することができる。
【００３５】
以下、本発明の好ましい実施形態の他の例について説明する。以下の説明において、上記第１の実施形態と実質的に共通の機能を有する部材を共通の符号で参照し、説明を省略する。
【００３６】
（第２及び第３の実施形態）
図２は、第２の実施形態に係る音響素子２の略図的断面図である。図３は、第３の実施形態に係る音響素子３の略図的断面図である。音響素子２，３は、第１の実施形態に係る音響素子１と、圧電素子１０の構成において異なる。
【００３７】
図２に示されるように、第２の実施形態に係る音響素子２では、圧電素子１０は、圧電層を複数備える。具体的には、圧電素子１０は、分極方向が互いに逆向きである圧電層１２ａと圧電層１２ｂとを有する。圧電層１２ａと圧電層１２ｂとの間には、第１の電極１３ａが配されている。圧電層１２ａの第１の電極１３ａとは反対側の表面の上と、圧電層１２ｂの第１の電極１３ａとは反対側の表面の上とを覆うように、横断面形状が略Ｕ字状の振動膜１１ａが配されている。振動膜１１ａの外側には、横断面形状が略Ｕ字状の第２の電極１３ｂが配されている。さらに、第２の電極１３ｂの外側には、横断面形状が略Ｕ字状の振動膜１１ｂが配されている。
【００３８】
図３に示されるように、第３の実施形態に係る音響素子３においても、圧電素子１０は、分極方向が互いに逆向きである圧電層１２ａと圧電層１２ｂとを有する。圧電層１２ａは、振動膜１１ａの上に配されている。圧電層１２ａ及び振動膜１１ａは、一対の電極１３ａ１，１３ｂ１により挟持されている。圧電層１２ｂは、振動膜１１ｂの上に配されている。圧電層１２ｂ及び振動膜１１ｂは、一対の電極１３ａ２，１３ｂ２により挟持されている。電極１３ｂ２と電極１３ｂ１とは電気的に接続されている。
【００３９】
音響素子２，３のように、複数の圧電層１２ａ、１２ｂを設けることにより、圧電素子１０において生じる電荷の量を多くすることができる。従って、マイクとして用いる場合の音響素子２，３の高感度化や、スピーカーとして用いる場合の音響素子２，３の高出力化を図ることができる。
【００４０】
図４は、スパッタ装置に投入するＲＦパワーと形成される窒化スカンジウム・アルミニウム膜（Ｓｃの含有量：３７ａｔ％）の膜応力との関係を表すグラフである。正の値は引張り応力、負の値は圧縮応力を示す。図４に示されるように、例えば、スカンジウムを含まない窒化アルミニウム膜であれば、スパッタ装置に投入するＲＦパワーを調整することにより、膜応力を実質的にゼロにすることができる。このため、例えば非常に薄く、高い可撓性を有する振動膜の上に窒化アルミニウムからなる圧電層を形成する場合でも、圧電層の形成条件を調整することにより、反りの発生を抑制することができる。
【００４１】
それに対して、窒化スカンジウム・アルミニウム膜は、スパッタ装置に投入するＲＦパワーを変化させても形成される膜の膜応力がほとんど変化しない。スパッタ装置に投入するＲＦパワーに関わらず、窒化スカンジウム・アルミニウム膜には膜応力が発生することとなる。従って、窒化スカンジウム・アルミニウムを含む圧電層を、振動膜の上に形成すると、振動膜と圧電層との積層体が大きく反る。特に圧縮応力膜は振動板のたるみを発生させるため、その結果、音響特性に影響が生じる場合がある。
【００４２】
ここで、第２及び第３の実施形態では、振動膜及び圧電層の積層体が複数設けられている。複数の積層体には、圧電層の振動膜に対する方向が反対である積層体が含まれている。従って、振動膜に対する方向が反対である圧電層の膜応力が打ち消し合い、振動膜、圧電層及び一対の電極を含む積層体の反りが抑制されている。
【００４３】
具体的には、第２の実施形態に係る音響素子２では、圧電層１２ａは、振動膜１１ａの圧電層１２ａが形成された部分のｚ１側に位置している一方、圧電層１２ｂは、振動膜１１ａの圧電層１２ｂが形成された部分のｚ２側に位置している。従って、圧電層１２ａの膜応力と圧電層１２ｂの膜応力が打ち消し合う。よって、振動膜１１ａ、１１ｂ、圧電層１２ａ、１２ｂ及び電極１３ａ、１３ｂを含む積層体の反りが抑制されている。
【００４４】
また、第３の実施形態に係る音響素子３では、圧電層１２ａは、振動膜１１ａのｚ１側に位置している一方、圧電層１２ｂは、振動膜１１ｂのｚ２側に位置している。従って、圧電層１２ａの膜応力と圧電層１２ｂの膜応力が打ち消し合う。よって、振動膜１１ａ、１１ｂ、圧電層１２ａ、１２ｂ及び電極１３ａ、１３ｂを含む積層体の反りが抑制されている。
【００４５】
このように、音響素子２，３では、反りが抑制されているため、より優れた音響特性が得やすい。
【００４６】
（第４の実施形態）
図５は、第４の実施形態に係る音響素子４の略図的断面図である。
【００４７】
音響素子４は、第１の実施形態に係る音響素子１と、圧電素子１０の支持態様において異なる。
【００４８】
音響素子４では、支持部材２１がリング状に形成されており、支持部材２４が、支持部材２１の外径よりも大きな内径を有する部分とを有している。圧電素子１０は、支持部材２１と支持部材２４とによりかしめ止めされている。この場合、圧電素子１０の固定に、振動を阻害する接着剤を必ずしも要さない。従って、音響素子４の特性をさらに改善することができる。
【００４９】
（第５の実施形態）
図６は、第５の実施形態に係る音響素子５の略図的断面図である。
【００５０】
音響素子５は、第１の実施形態に係る音響素子１と、制御部材２５の配置において異なる。音響素子１では、圧電素子１０の積層方向であるｚ軸方向において、制御部材２５は、圧電素子１０と重なるように配されている。それに対して、音響素子５では、ｚ軸方向において、制御部材２５と圧電素子１０とが重なっていない。ｚ軸方向から視た際に、制御部材２５と圧電素子１０とが異なる位置に配されている。このようにすることにより、音響素子５の薄型化を図ることができる。
【００５１】
また、音響素子１では、ｚ軸方向において、開口２３ａが圧電素子１０と重なっている。それに対して、音響素子５では、ｚ軸方向から視た際に、開口２３ａが圧電素子１０とは異なる位置に設けられている。圧電素子１０は、可視光や赤外光などの光を遮蔽するケーシング２３により覆われている。
【００５２】
このため、赤外光などが圧電素子１０に入射しにくい。よって、圧電素子１０が焦電性を有する場合であっても、赤外光に起因するノイズの発生を抑制することができる。
【００５３】
また、ｚ軸方向から視た際に、開口２３ａが圧電素子１０とは異なる位置に設けられているため、圧電素子１０にゴミ等が付着しにくい。従って、ゴミ等の付着に起因するノイズの発生を抑制することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１〜５…音響素子
１０…圧電素子
１１、１１ａ、１１ｂ…振動膜
１２、１２ａ、１２ｂ…圧電層
１３ａ、１３ａ１，１３ａ２，１３ｂ、１３ｂ１，１３ｂ２…電極
２１，２４…支持部材
２２…基板
２３…ケーシング
２３ａ…開口
２５…制御部材
２６…端子電極
【図１】
0005982793.tif 000002
【図２】
0005982793.tif 000003
【図３】
0005982793.tif 000004
【図４】
0005982793.tif 000005
【図５】
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【図６】
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