(57)【要約】【課題】  簡単な方法で圧電型スピーカを製造する。【解決手段】  基板の一方の主面に、第一電極層と、前記第一電極層と直接接合する圧電層と、前記圧電層と直接接合する第二電極層と、を有する圧電素子層を、常温を超える高温雰囲気中で形成する圧電素子層形成工程と、前記圧電素子層を含む積層体を各層の熱膨張率差によって湾曲させるために、前記積層体を前記常温に戻す冷却工程と、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子によって駆動される圧電型スピーカの製造方法であって、
基板の一方の主面に、第一電極層と、前記第一電極層と直接接合する圧電層と、前記圧電層と直接接合する第二電極層と、を有する圧電素子層を、常温を超える高温雰囲気中で形成する圧電素子層形成工程と、
前記圧電素子層を含む積層体を各層の熱膨張率差によって湾曲させるために、前記積層体を前記常温に戻す冷却工程と、
を含む圧電型スピーカの製造方法。
【請求項２】
前記圧電素子層形成工程の後であって、前記冷却工程の後に、前記基板を薄く成形する基板薄化工程を含み、
薄く成形された前記基板は振動板として機能する、
請求項１に記載の圧電型スピーカの製造方法。
【請求項３】
前記圧電素子層に樹脂フィルムを直接接合し、前記圧電素子層から前記基板を剥離する剥離工程を含む、
請求項１に記載の圧電型スピーカの製造方法。
【請求項４】
第一電極層と、前記第一電極層に直接接合された圧電層と、前記圧電層に直接接合された第二電極層と、を有する圧電素子層と、
前記圧電素子層の前記第一電極層および前記第二電極層のいずれか一方と直接接合され、前記圧電層と熱膨張率が異なる基層と、
を有する積層体を備え、当該積層体が湾曲している、
圧電型スピーカ。
【請求項５】
第一電極層と、
前記第一電極層に直接接合された圧電層と、
前記圧電層に直接接合され、厚さまたは平面視における形状が前記第一電極層と異なり熱膨張率が前記圧電層と異なる第二電極層と、
を有する圧電素子層からなる積層体を備え、当該積層体が湾曲している、
圧電型スピーカ。
【請求項６】
前記積層体の端面同士が接着部を介して結合され、前記積層体が直管形の形状である、
請求項４または請求項５に記載の圧電型スピーカ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電型スピーカの製造方法、および、圧電型スピーカに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、円筒形のスピーカが知られている（例えば特許文献１、２）。円筒形スピーカは、振動板全体から音を放射する線音源となり、当該スピーカの中心軸に垂直な方向において全方位（３６０度）にわたって音波を放射することができる。中心軸に垂直な方向に音が広がるが、中心軸と平行な方向への音の広がりは押さえることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−３２７０９２号公報
【特許文献２】特開２００７−１６６０２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のスピーカにおいては、円筒形の振動体として圧電セラミックを用いることが記載されている。円筒形にセラミックスを製造するには例えば成形型を用いることが考えられるが、そのような製造方法はコストも高くなる。また、セラミックスは耐衝撃性が弱い。ＰＶＤＦ（PolyVinilidene DiFluoride）のような有機圧電フィルムを用いる方法も考えられるが、ＰＶＤＦは圧電セラミック等と比較すると圧電特性が低くスピーカとして十分な音圧を得ることができない。特許文献２のスピーカにおいては、パイプの下端部にアクチュエータの駆動ロッドを当てて、アクチュエータが加える振動によってパイプを振動させる。間接的にパイプを振動させる構成であるので、パイプ自身が振動する構成と比較するとエネルギーロスが大きい。また、パイプ自身が振動する構成と比較して構造が複雑であるのでコストが高い。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、簡単な方法で圧電型スピーカを製造することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）上記目的を達成するための圧電型スピーカの製造方法は、基板の一方の主面に、第一電極層と、前記第一電極層と直接接合する圧電層と、前記圧電層と直接接合する第二電極層と、を有する圧電素子層を、常温を超える高温雰囲気中において形成する圧電素子層形成工程と、前記圧電素子層を含む積層体を各層の熱膨張率差によって湾曲させるために、前記積層体を前記常温に戻す冷却工程と、を含む。
【０００７】
高温雰囲気中にて形成した積層体を常温まで冷却すると、積層体を構成する各層の熱膨張率の差により、積層体が自然に湾曲した形状に変形する。このことを利用して、例えばドーム型、円筒型、半円筒（ハーフパイプ）型など様々な形状の圧電型スピーカをシンプルな方法で製造することができる。直管の筒型のスピーカの場合は筒の中心軸に垂直な方向において無指向性を得ることができる。なお、「積層体」は、圧電素子層を少なくとも含んでいればよい。すなわち、「積層体」は圧電素子層で構成されていてもよいし、後述するように圧電素子層と他の層とで形成されていてもよい。また、本明細書において「主面」と「端面」の用語は次の意味において用いられる。すなわち、板状の物体の表面全体が、互いに表裏の関係にあっていずれの「端面」よりも広い２つの「主面」と、２つの「主面」の間をつなぎ環状に連続しそれぞれが「主面」よりも狭い複数の「端面」とで構成されているという認識を前提として、「主面」と「端面」の用語が用いられる。
【０００８】
（２）上記目的を達成するための圧電型スピーカの製造方法において、前記圧電素子層形成工程の後であって、前記冷却工程の後に、前記基板を薄く成形する基板薄化工程を含んでもよい。またその場合、薄く成形された前記基板はスピーカの振動板として機能する。
この工程により、基板と圧電素子層とからなる積層体の湾曲の度合いを調整することができる。
【０００９】
（３）上記目的を達成するための圧電型スピーカの製造方法において、前記圧電素子層に樹脂フィルムを直接接合し、前記圧電素子層から前記基板を剥離する剥離工程を含んでもよい。
剥離工程で圧電素子層から基板を剥離することによって、圧電素子層に残存していた収縮しようとする応力によって、樹脂フィルムと圧電素子層とからなる積層体を自然に湾曲させることができる。樹脂フィルムを利用することで積層体の柔軟性が増し、基本周波数（ｆ０）を低くすることができる。
【００１０】
（４）上記目的を達成するための圧電型スピーカは、第一電極層と、前記第一電極層に直接接合された圧電層と、前記圧電層に直接接合された第二電極層と、を有する圧電素子層と、前記圧電素子層の前記第一電極層および前記第二電極層のいずれか一方と直接接合され前記圧電層と熱膨張率が異なる基層と、を有する積層体を備え、当該積層体が湾曲している。
圧電層と基層との熱膨張率差によって積層体を湾曲させたシンプルな構造であるため、低コストで製造することができる。また、積層体自身が振動する構成であるため、積層体とは別に設けられたアクチュエータから伝達された振動によって積層体を振動させる構成と比較すると、エネルギーロスが少ない。なお、圧電素子層と基層のどちらが外側になるように湾曲してもよい。基層が圧電素子層より外側になるように湾曲する場合は、基層が振動板（振動膜）となり、圧電素子層が基層より外側になるように湾曲する場合は、圧電素子層が振動板（振動膜）となる。
【００１１】
（５）上記目的を達成するための圧電型スピーカの製造方法は、第一電極層と、前記第一電極層に直接接合された圧電層と、前記圧電層に直接接合され、厚さまたは平面視における形状が前記第一電極層と異なり熱膨張率が前記圧電層と異なる第二電極層と、を有する圧電素子層からなる積層体を備え、当該積層体が湾曲している。
第一電極層と第二電極層との層の厚さや平面視における形状を相違させ、圧電層と熱膨張率が異なる材料を第二電極層に用いる等して、第一電極層と圧電層と第二電極層とで構成される圧電素子層からなる積層体を湾曲させたシンプルな構造であるため、低コストで製造することができる。なお、第一電極層と第二電極層とには互いに熱膨張率が異なる材料を採用してもよい。
積層体自身が振動する構成であるため、積層体とは別に設けられたアクチュエータから伝達された振動によって積層体を振動させる構成と比較すると、エネルギーロスが少ない。
【００１２】
（６）上記目的を達成するための圧電型スピーカの製造方法において、前記積層体の端面同士が接着部によって結合され、前記積層体が直管形の形状であってもよい。
この構成によると、直管の中心軸と平行にならないように積層体が湾曲するのを防ぐことができ、直管形の形状を保持することができる。したがって接着部には、硬化後に、直管の中心軸と平行にならないように積層体が湾曲するのを防ぐだけの剛性を有する材料が採用される。また、特に直管形の円筒形状である場合は（筒の開口の形状が円形）、円筒の中心軸と垂直な方向において無指向性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（１Ａ）は本発明の実施形態にかかるスピーカの斜視図、（１Ｂ）はその断面図。
【図２】（２Ａ）〜（２Ｄ）は本発明の実施形態にかかる製造方法を示す断面図。
【図３】他の実施形態にかかる斜視図。
【図４】他の実施形態にかかる断面図。
【図５】他の実施形態にかかる模式的な断面図。
【図６】他の実施形態にかかる断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら以下の順に説明する。尚、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。
【００１５】
１．第一実施形態
１−１．構成
図１は、本発明の一実施形態にかかる圧電型スピーカ（以降、単にスピーカという）１を示す図である。図１Ａは斜視図、図１Ｂは図１Ａの１Ｂ−１Ｂ線における断面図である。スピーカ１は円筒形（断面が円形の直管）であり、直径Ｄは５０ｍｍ、高さＨは３００ｍｍ程度である。円筒形のスピーカ１は内側から電極層１０，圧電層１１，電極層１２，振動板層１３ａの４層（積層体）から構成された積層構造を有している。なお、電極層１０または電極層１２は「第一電極層」または「第二電極層」に対応する。また、「圧電素子層」は、電極層１０と圧電層１１と電極層１２とで構成される。また、本実施形態の振動板層１３ａは「基層」に対応する。
【００１６】
電極層１０，１２には、例えば膜厚０．１〜１００μｍのＰｔあるいはＡｕを用いる。圧電層１１には、例えば膜厚０．１〜１００μｍのＰＺＴを用いる。他にも例えば、ＢａＴｉＯ３、ＬｉＮｂＯ３等が用いられてもよい。振動板層１３ａには、例えば膜厚５〜５００μｍのＳｉを用いる。その他には例えばＳＵＳ、Ａｌ、Ｃｕ等の金属や、ポリイミド等の樹脂であってもよい。これら４層からなる積層体は、後述する製造方法によって円筒形に湾曲する。湾曲前においては平面視が四角形であった積層体の互いに平行な一対の端面同士を、接着部１４によって結合することによりスピーカ１は円筒形に保たれる。接着部１４には、例えばエポキシ、アクリル等の樹脂が用いられる。他にも例えば、半田やその他の金属を用いてもよい。
【００１７】
スピーカ１は、円筒の底面が支持されて設置される。電極パッド１５，１６に図示しないリード線が接続され図示しない外部の電源から電極層１０，１２に信号が入力される。この信号によって圧電層１１を振動させ、電極層１２を介して振動板層１３ａが振動する。その結果、スピーカ１の周囲に向かって、中心軸に対して垂直な方向に３６０度の範囲に音を放射させることができる。
【００１８】
１−２．製造方法
上記のスピーカ１は次のようにして製造することができる。まず、図２Ａに示すように、Ｓｉからなる基板１３（後に振動板層１３ａとなる）の一方の主面に電極層１２を成膜する。続いて電極層１２の表面に圧電層１１を成膜する。続いて圧電層１１の表面に電極層１０を順に成膜する。具体的には例えば、３００〜５００℃の高温雰囲気中でスパッタリング法によりこれらの層を順に成膜する。あるいは、印刷法あるいはゾルゲル法により各層を成膜してもよい。この場合、成膜後に８００〜１１００℃の高温焼成を行うことで圧電層が形成される。
上述の各層を成膜して積層体を形成した後、積層体を常温（例えば２０℃）に戻す。積層体を常温に戻すことにより、熱膨張率差による各層の応力バランスの変化により、各層に内部応力が生じる。熱膨張係数は、ＰＺＴが約６ｐｐｍ／℃、Ｓｉが３ｐｐｍ／℃であり、圧電層１１の方が基板層１３よりも縮もうとする応力が生じているが、基板層１３の方が圧電層１１や電極層１０，１２よりも十分に厚い（基板１３の厚さは例えば５００〜２０００μｍであり、電極層１０，１２や圧電層１１の厚さは前述の通りである）ため、このときにはまだ積層体に反りは生じない。
【００１９】
各層を成膜し常温まで冷却した後、続いてパターニングを行う。上記した直径Ｄおよび高さＨの円筒を形成するために約１５０ｍｍ×３００ｍｍ四方に積層体をダイシングする。また、電極パッド１６を設ける部分の電極層１２を露出させるために、電極層１０と圧電層１１を一部エッチングする（図２Ｂ参照）。
【００２０】
続いて図２Ｃに示すように、基板１３を薄く成形して振動板層１３ａを形成する（振動板層１３ａ、電極層１２、圧電層１１，電極層１０からなる積層体を形成する）。例えば、Ｓｉからなる基板１３を圧電素子層が堆積していない他方の主面側から研削または研磨することによって基板１３を薄くする。Ｄｅｅｐ−ＲＩＥやウェットエッチングで基板１３を薄くしてもよい。その結果、圧電層１１が振動板層１３ａより内側になるように積層体が湾曲する。
【００２１】
続いて、湾曲した積層体の端面Ｔ同士を端面の全体に渡って接着部１４によって接着し積層体を円筒形に成形する。なお、端面同士を接着する接着部１４以外にも、円筒形の高さ方向（図１におけるｚ軸方向）に延びるリブを、例えば円筒形の積層体の内側に複数本接着しても良い。接着部１４で両端面Ｔ同士を固定することや図示しないリブを設けることで、円筒形の積層体の中心軸に対して平行でないように積層体が湾曲することを防ぎ、円筒の形状を維持させることができる。
【００２２】
２．他の実施形態
尚、本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、振動板として用いる層が導電体の場合は、積層体は電極層と圧電層と振動板層の三層で構成されていてもよい。すなわち、この場合の電極層と振動板層とが「第一電極層」と「第二電極層」に相当する。なお、電極層と圧電層と振動板層（導電体）の三層からなる積層体の場合、電極層と振動板層との厚さや平面視における形状を相違させ、圧電層と振動板層とで熱膨張率が異なる材料を用いることによって、上記実施形態で説明した製造方法によって、積層体を自然に湾曲させることができる。
【００２３】
また、図３に示すように、円筒型に成形された積層体のｚ軸方向に開口する２つの開口部を、上部板２０および下部板２１で覆うようにしてもよい。そうすることによって、円筒内部に発生している音が円筒の外側に放出されることを防ぐことができる。下部板２１は、接着部１４を下部板２１に固定することによって積層体を支持する。また下部板２１は、スピーカの配線基板を兼ねていても良い。なお、スピーカの振動を妨げないように、上部板２０および下部板２１との接続には、接着剤などは用いず、下部板２１の上に積層体を載置し積層体の上に上部板２０を載置する。また、シリコーン樹脂などの低弾性の部材を上部板２０や下部板２１に用いても良い。
【００２４】
また、図４に示すように、電極層１０（２つの電極層のうち後に成膜する方）を複数個に分割し、それぞれに別の信号を印加するようにしてもよい。その結果、複数チャンネルの音声を出力できる。また位相制御を行うことも可能となる。
また、図５に示すように例えばピンガイド１７を環状の積層体の内側に設けることにより、略多角形（角部が丸い多角形）の筒型のスピーカを製造することもできる。
【００２５】
また、次のように積層体を湾曲させてもよい。高温雰囲気中で基板１３に電極層１２，圧電層１１，電極層１０を順に成膜し、常温に戻す。すると電極層１２，圧電層１１，電極層１０には収縮しようとする応力が残存した状態となる。電極層１０の表面にポリイミド等の樹脂フィルムを直接接合した後、電極層１２から基板１３を剥離して、樹脂フィルム（「基層」に対応）と電極層１０、圧電層１１、電極層１２からなる積層体を作成する。圧電層１１内に収縮しようとする応力が残存しているため、基板１３を剥離した後、積層体は自然に湾曲する。具体的には、樹脂フィルムには応力はなく圧電層１１に収縮しようとする応力があるため、基板１３を剥離すると、圧電層１０が樹脂フィルムより内側になるように湾曲する。この場合、樹脂フィルムがスピーカの振動板として機能する。なお、圧電層１１より線膨張率が高い樹脂フィルムを用いる場合であって、高温雰囲気中で樹脂フィルムを電極層１０に直接接合した後、常温まで冷却し、その後に電極層１２から基板１３を剥離する場合は、図６に示すように、樹脂フィルム１８が圧電層１１の内側になるように湾曲する。あるいは、高温雰囲気中で樹脂フィルム１８を接合しない場合（常温で接合する場合）、樹脂フィルム１８に予め張力を与えた状態で電極層１０に接合すると、図６に示すように樹脂フィルム１８が圧電層１１の内側になるように湾曲する構成を実現することができる。なお、樹脂フィルムを利用することで積層体の柔軟性が高くなり基本周波数（ｆ０）を低くすることができる。
【００２６】
なお、上記実施形態では断面が円形や略多角形である直管形に積層体を湾曲させる構成を説明したが、例えばドーム型に湾曲させドーム型のスピーカを形成してもよい。あるいは、直管を管が延びる方向に分けた、例えばハープパイプのような形状に湾曲させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００２７】
１：スピーカ、１０：電極層、１１：圧電層、１２：電極層、１３：基板、１３ａ：振動板層、１４：接着部、１５，１６：電極パッド、１７：ピンガイド、１８：樹脂フィルム、２０：上部板、２１：下部板、Ｔ：端面。
【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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