(57)【要約】【課題】圧電型発音装置の音圧レベルのばらつきを低い周波数帯域で小さくすることによってフラットな周波数特性を得る。【解決手段】樹脂からなる振動膜と、前記振動膜の外周部を支持する支持部と、前記支持部から離れた前記振動膜の中央部に結合し、圧電素子と補強膜とが積層しているセンターユニットと、を備える圧電型発音装置。【選択図】図１
2011097137.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂からなる振動膜と、
前記振動膜の外周部を支持する支持部と、
前記支持部から離れた前記振動膜の中央部に結合し、圧電素子と補強膜とが積層しているセンターユニットと、
を備える圧電型発音装置。
【請求項２】
前記補強膜は前記振動膜よりヤング率が大きい、
請求項１に記載の圧電型発音装置。
【請求項３】
前記補強膜は前記圧電素子よりヤング率が大きい、
請求項１または２に記載の圧電型発音装置。
【請求項４】
前記補強膜は前記圧電素子より密度が小さい、
請求項１から３のいずれか一項に記載の圧電型発音装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電型発音装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、振動膜と一体の圧電素子を振動させることによって音を発生させる圧電型発音装置が知られている。特許文献１、３には振動膜を樹脂膜で構成する技術が開示されている。樹脂からなる振動膜の中央部に圧電素子を結合して圧電型発音装置を構成すると、最低次モードを含む複数の低次モードで低い周波数帯域の共振が得られるため、低い周波数帯域での音圧レベルが高くなる。特許文献２、３にはフラットな周波数特性を得るために振動膜を矩形に形成する技術が開示されている。特許文献４には振動膜をシリコンで構成する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１１２３９１号公報
【特許文献２】特開２００３−２１９４９９号公報
【特許文献３】特許４２０３９１１号公報
【特許文献４】特許３９４５２９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
フラットな周波数特性を得るためには共振周波数間での音圧の落ち込みを抑制して音圧レベルのばらつきを小さくする必要がある。
本発明は、圧電型発音装置の音圧レベルのばらつきを低い周波数帯域で小さくすることによってフラットな周波数特性を得ることを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）上記目的を達成するための圧電型発音素子は、樹脂からなる振動膜と、前記振動膜の外周部を支持する支持部と、前記支持部から離れた前記振動膜の中央部に結合し、圧電素子と補強膜とが積層しているセンターユニットと、を備える。
【０００６】
振動膜とその中央部に結合されたセンターユニットの全体で１つの腹（antinode）が現れる最低次モードでは、樹脂からなる振動膜のヤング率が共振周波数を決定する支配的要素となる。次の低次モードでは、振動膜において２つの腹とセンターユニットにおいて１つの腹が現れ、最低次モードに比べるとセンターユニットのヤング率が共振周波数に与える影響が大きくなる。そして、ヤング率が大きな物体ほど共振周波数は高くなるため、センターユニットのヤング率と振動膜のヤング率との差が大きくなるほど最低次モードの共振周波数と次の低次モードの共振周波数との差が大きくなる。本発明によると、樹脂からなる振動膜の中央部に結合されているセンターユニットにおいて圧電素子と補強膜が積層しているため、センターユニットが圧電素子のみからなる場合に比べると最低次モードの共振周波数と次の低次モードの共振周波数との差が大きくなる。したがって本発明によると、最低次モードと次の低次モードの間で最も振幅が落ち込む周波数が、センターユニットが圧電素子のみからなる場合に比べて高くなる。音圧は周波数の二乗に比例し振幅に比例するため、振幅が落ち込む周波数が高くなるほど、振幅の落ち込みによる音圧レベルの落ち込みは小さくなる。また振動膜を樹脂から構成する場合には、最低次モードの共振周波数が低くなるため、低い周波数帯域での音圧レベルを上げることができる。一方、最低次モードの共振周波数が低くなるほど次の低次モードまでの帯域での振幅の落ち込みによる音圧レベルの落ち込みは顕著になる。しかし本発明によると、最低次モードの共振周波数と次の低次モードの共振周波数との差が大きくなるため、最低次モードの共振周波数から次の低次モードの共振周波数までの帯域で振幅が最も落ち込む周波数が高くなり、音圧レベルのばらつきを低い周波数帯域で小さくすることができる。
【０００７】
（２）上記目的を達成するための圧電型発音素子において、前記補強膜は前記振動膜よりヤング率が大きいことが好ましい。
本発明によると、振動膜より補強膜のヤング率が小さい場合に比べると、よりフラットな周波数特性を得ることができる。
【０００８】
（３）上記目的を達成するための圧電型発音素子において、前記補強膜は前記圧電素子よりヤング率が大きくてもよい。
本発明によると、圧電素子より補強膜のヤング率が小さい場合に比べると、よりフラットな周波数特性を得ることができる。
【０００９】
（４）上記目的を達成するための圧電型発音素子において、前記補強膜は前記圧電素子より密度が小さいことが好ましい。
密度が小さな物体ほど共振周波数が高くなる。そして最低次モードよりも次の低次モードの方がセンターユニットの振動特性が共振周波数に与える影響が大きくなる。したがって本発明によると、圧電素子より補強膜の密度が大きい場合に比べると、よりフラットな周波数特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１Ａは本発明の第一実施形態にかかる断面図であって、図１Ｂに示す１Ａ−１Ａ線断面図である。図１Ｂは本発明の第一実施形態にかかる平面図である。
【図２】本発明の第一実施形態にかかる折れ線グラフである。
【図３】比較例にかかる折れ線グラフである。
【図４】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図５】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図６】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図７】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図８】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図９】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図１０】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図１１】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図１２】本発明の第一実施形態にかかる平面図である。
【図１３】本発明の第二実施形態にかかる断面図である。
【図１４】本発明の第二実施形態にかかる断面図である。
【図１５】本発明の第二実施形態にかかる断面図である。
【図１６】本発明の第二実施形態にかかる断面図である。
【図１７】本発明の第二実施形態にかかる断面図である。
【図１８】本発明の第二実施形態にかかる断面図である。
【図１９】本発明の第三実施形態にかかる断面図である。
【図２０】本発明の第三実施形態にかかる断面図である。
【図２１】本発明の第三実施形態にかかる断面図である。
【図２２】本発明の第三実施形態にかかる断面図である。
【図２３】本発明の第三実施形態にかかる断面図である。
【図２４】本発明の第三実施形態にかかる断面図である。
【図２５】本発明の第三実施形態にかかる断面図である。
【図２６】本発明の第四実施形態にかかる断面図である。
【図２７】本発明の第四実施形態にかかる断面図である。
【図２８】本発明の第四実施形態にかかる断面図である。
【図２９】本発明の第四実施形態にかかる断面図である。
【図３０】本発明の第四実施形態にかかる断面図である。
【図３１】本発明の第四実施形態にかかる断面図である。
【図３２】本発明の第五実施形態にかかる断面図である。
【図３３】本発明の第五実施形態にかかる断面図である。
【図３４】本発明の第五実施形態にかかる断面図である。
【図３５】本発明の第五実施形態にかかる断面図である。
【図３６】本発明の第五実施形態にかかる断面図である。
【図３７】本発明の第五実施形態にかかる断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
１．第一実施形態
（構成）
図１に本発明の第一実施形態にかかる圧電型発音装置１を示す。圧電型発音装置１は半導体製造プロセスを用いて製造されるマイクロデバイスであって、図示しないケースに収容され、携帯型電子機器のスピーカーとして用いられる。このため圧電型発音装置１はダイナミックスピーカーに比べて薄く構成される。圧電型発音装置１は支持部１０と振動膜１２とセンターユニット１５とを備える。
【００１３】
支持部１０は図１Ｂに示すように矩形枠の形態を有する。支持部１０は単結晶珪素、ガラスなどのバルク材料からなり、振動膜１２が振動することによっては変形しない程度の十分な剛性を備えている。
【００１４】
振動膜１２は樹脂からなる矩形の薄膜である。振動膜１２の外周部は支持部１０に対して環状に結合している。すなわち振動膜１２は支持部１０によって外周部が支持され、支持部１０の内側に張り渡されている。したがって振動膜１２の振動端は矩形になる。振動膜１２は、厚さ０．５μｍ以上１００μｍ以下のポリイミド、ＰＶＤＦ（PolyVinylidene DiFluoride）、ゴム等の樹脂からなり、ヤング率が０．０１ＧＰａ以上５ＧＰａ以下に設定される。
【００１５】
センターユニット１５は、振動膜１２を振動させる駆動要素であって、矩形の板または膜の形態を有し、支持部１０から離れた振動膜１２の中央部に結合している。センターユニット１５は、それぞれの厚さ方向に積層された補強膜１４と圧電素子１６とからなり、補強膜１４において振動膜１２と結合している。圧電素子１６は図示しない２層の電極間にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電層が挟み込まれた構造を有し、下層の電極において補強膜１４に結合している。圧電層の厚さは例えば３μｍ程度に設定する。補強膜１４は矩形の板形態を有し、圧電素子１６の下層の電極と振動膜１２とに結合している。補強膜１４は、硬くかつ軽く構成することが好ましい。具体的には例えば、厚さは１μｍ以上１００μｍ以下、ヤング率は５０Ｇｐａ以上３００ＧＰａ以下の範囲において、単結晶珪素、酸化珪素、多結晶珪素、セラミック（ジルコニア（ＺｒＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）など）、金属（Ｃｕなど）などから補強膜１４を形成する。補強膜１４は振動膜１２よりも圧電素子１６よりもヤング率が大きく圧電素子１６よりも密度が小さくなることが好ましい。またセラミック系の材料は耐熱性が高いため補強膜１４の材料にすると製造時に扱いやすくなる。
【００１６】
このように構成された圧電型発音装置１は次のように作動する。図示しない導線を介して圧電素子１６に駆動信号を印加すると圧電素子１６が面内方向（図１Ｂにおいて紙面と平行な方向）に収縮または伸張する。その結果、圧電素子１６とともに補強膜１４および振動膜１２が撓み、音が発生する。
【００１７】
図２は圧電型発音装置１の周波数特性を示す折れ線グラフであって横軸に周波数をとり縦軸に音圧レベルをとっている。最低次の共振周波数をｆ０、次の低次の共振周波数をｆ１、ｆ０とｆ１の間で最も音圧レベルが落ち込む周波数をｆ０１として記した。折れ線（１）、（２）、（３）の特性を示した圧電型発音装置１の寸法はそれぞれ下の表１のように設定した。
【表１】
2011097137.tif 000003
【００１８】
図３はセンターユニット１５において補強膜が積層されている実施例と補強膜が積層されていない比較例とで圧電型発音装置の周波数特性を示した折れ線グラフであって横軸に周波数をとり縦軸に音圧レベルをとっている。折れ線（４）、（５）の特性を示した圧電型発音装置の寸法は下の表２のように設定した。なお、表２に記載されていない事項については、折れ線（１）、（２）、（３）の特性を示した圧電型発音装置１と、折れ線（４）、（５）の特性を示した圧電型発音装置のその他の形態や寸法や駆動電圧などは一致させている。
【表２】
2011097137.tif 000004
【００１９】
折れ線（１）、（２）、（３）の特性を比較すると、補強膜１４が厚くなるほど最低次の共振周波数ｆ０と次の低次の共振周波数ｆ１との差ｄが大きくなることがわかる。その結果、折れ線（１）と折れ線（３）の特性のように、最低次の共振周波数がほぼ一致している場合にはｆ０とｆ１の間で最も音圧レベルが落ち込む周波数ｆ０１は補強膜１４が厚くなるほど高くなる。また折れ線（４）、（５）の特性を比較すると、補強膜を追加することによって周波数ｆ０１が高くなることがわかる。これらのことから、センターユニット１５に補強膜１４を追加することによってｆ０とｆ１の間における音圧レベルの落ち込みが抑制されることがわかる。
【００２０】
音圧レベルの落ち込みは周波数が低いほど顕著になるため、ｆ０とｆ１の間における音圧レベルの落ち込みを抑制すると、より高い周波数での音圧レベルの落ち込みも抑制される傾向にある。すなわち、ｆ０とｆ１の間における音圧レベルの落ち込みを抑制すると、全体としても音圧レベルのばらつきを小さくすることができ、フラットな周波数特性を得ることができる。
【００２１】
また、材料特性が異なる圧電素子１６と補強膜１４の形態を別々に設計できるため圧電素子１６のみでセンターユニット１５を構成する場合に比べて設計自由度が高く周波数特性の最適化が可能である。そして圧電素子１６より密度が小さくヤング率が大きな単結晶珪素などを補強膜１４の材質とすることにより振動膜１２に対するセンターユニット１５の強度的負担を抑制しつつセンターユニット１５全体のヤング率を大きくすることができる。
【００２２】
（製造方法）
次に図４から図９に基づいて上述した圧電型発音装置１の製造方法を説明する。
はじめに図４に示すように単結晶珪素からなるウエハ１００の表面上に下層の電極となる白金層１１０、圧電層１１１、上層の電極となる白金層１１２をスパッタ法などを用いて順に積層する。
【００２３】
次に図５に示すように保護膜を用いたエッチングによって白金層１１０、圧電層１１１および白金層１１２からなる圧電素子１６を形成する。
【００２４】
次に図６に示すようにウエハ１００の裏面を研削、研磨、ウェットエッチングまたはＲＩＥによって補強膜１４の厚さにまでウエハ１００を薄く加工する。
【００２５】
次に図７に示すようにダイシングによってウエハ１００を分断してセンターユニット１５を得る。
【００２６】
一方、単結晶珪素やガラスのウエハを加工するなどして制作した支持部１０を別途用意し、図８に示すように支持部１０に振動膜１２を接合しておく。このとき、例えば振動膜１２となるドライフィルムを支持部１０に熱圧着することにより振動膜１２と支持部１０とを接合する。
【００２７】
そして図９に示すように振動膜１２の中央部の表面にセンターユニット１５を接着すると図１に示す圧電型発音装置１が完成する。このときセンターユニット１５が圧電素子１６単体ではないため、センターユニット１５の取り扱いが容易である。
【００２８】
（変形例）
振動膜１２およびセンターユニット１５の振動端は円形であってもよい。またセンターユニット１５において、補強膜１４が圧電素子１６から外側にはみ出していても良いし、圧電素子１６が補強膜１４から外側にはみ出していても良い。
また図１０に示す圧電型発音装置２のように、モノモルフ型の圧電素子１６ａ、１６ｂ、１６ｃと補強膜１４とを積層してセンターユニット１５を構成してもよい。
また図１１に示す圧電型発音装置３のように、補強膜１４の表裏両側に逆位相で駆動される圧電素子１６ａ、１６ｂを結合し、バイモルフ型でセンターユニット１５を駆動してもよい。また図１１に示す圧電型発音装置３のように、振動膜１２の中央部に開口を形成し、その開口を閉塞するようにして振動膜１２にセンターユニット１５を結合しても良い。
また図１２に示す圧電型発音装置４のように、センターユニット１５の４辺と支持部１０とを４つの振動膜１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄによって互いに独立に接続してもよい。
【００２９】
２．第二実施形態
図１３から図１８に示すように圧電型発音装置５を製造しても良い。圧電型発音装置５の製造方法は次の通りである。
はじめに図１３に示すように厚い単結晶珪素層１０１、酸化珪素層１０２、薄い単結晶珪素層１０３が積層されたＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハの表面に白金層１１０、圧電層１１１、白金層１１２をスパッタ法などを用いて積層する。
【００３０】
次に保護膜を用いたエッチングによって白金層１１０、圧電層１１１、白金層１１２、単結晶珪素層１０３をパターニングすることによって、図１４に示すように振動膜１２に対応する凹部１１０ａとともに、単結晶珪素層１０３からなる補強膜１４と圧電素子１６とが形成される。
【００３１】
次に図１５に示すように振動膜１２となる樹脂層Ｒを形成して凹部１１０ａを樹脂層Ｒで埋める。このとき、スピンコーティング、蒸着重合、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）、スプレーコーティング、ドライフィルムの熱圧着、印刷、各種樹脂フィルムまたはゴムフィルムの接合などによって樹脂層Ｒを形成する。樹脂層Ｒはフォトリソグラフィ法によって凹部１１０ａにのみ残しても良いし、センターユニット１５に重ねて形成しても良い。センターユニット１５に重なった樹脂層Ｒを残す場合にはＱ値を下げることができる。
【００３２】
次に樹脂層Ｒ、白金層１１２、圧電層１１１にスルーホールを形成した後に図１６に示すようにスパッタ法などによって導電層１１４からなる導線１７、１８を形成する。導線１７、１８には可撓性に優れた樹脂ベースの複合素材を用いることができる。
【００３３】
次に図１７に示すようにＳＯＩウエハの裏面からのＤｅｅｐ−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）、ウエットエッチングなどにより単結晶珪素層１０１および酸化珪素層１０２に貫通孔１００ａを形成することによって支持部１０の内周面を形成するとともに振動膜１２の振動端を確定させる。
さらにダイシングなどの後工程を実施すると、図１８に示す圧電型発音装置５が完成する。この製造方法によると、接合行程でのアライメント誤差が生じないため、圧電型発音装置５の特性のばらつきを低減することができる。
【００３４】
３．第三実施形態
図１９から図２５に示すように圧電型発音装置６を製造しても良い。圧電型発音装置６の製造方法は次の通りである。
はじめに図１９に示すように単結晶珪素からなるウエハ１２０の表面に白金層１１０、圧電層１１１、白金層１１２をスパッタ法などを用いて積層する。
次に第二実施形態と同様にして図２０に示すように圧電素子１６および凹部１２０ａを形成する。
次に第二実施形態と同様にして図２１、図２２に示すように振動膜１２および導線１７、１８を形成する。
次に図２３に示すように形状保持部材１９０に仮接合された状態でウエハ１２０の裏面を研削、研磨、ウェットエッチングまたはＲＩＥによって補強膜１４の厚さにまでウエハ１２０を薄く加工する。その結果、単結晶珪素からなる補強膜１４が形成される。
次に図２４に示すように予め制作された支持部１０に対し、形状保持部材１９０に保持されダイシングされたウエハ１２０をウエハ直接接合法や陽極接合法などによって接合する。
さらに形状保持部材１９０を分離して後工程を実施すると、図２５に示す圧電型発音装置６が完成する。
【００３５】
４．第四実施形態
図２６から図３１に示すように圧電型発音装置７を製造しても良い。圧電型発音装置７の製造方法は次の通りである。
はじめに図２６に示すように単結晶珪素からなるウエハ１００の表面に酸化珪素、多結晶珪素、金属、セラミックスなどからなる補強層１３０をＣＶＤ法などを用いて形成する。続いて第二実施形態と同様に補強層１３０の表面上に白金層１１０、圧電層１１１、白金層１１２を積層する。
次に第二実施形態と同様に、図２７に示すように凹部１３０ａを形成し、図２８に示すように振動膜１２を形成し、図２９に示すように導線１７，１８を形成する。
次に図３０に示すようにウエハ１００の裏面からのＤｅｅｐ−ＲＩＥ、ウエットエッチングなどによりウエハ１００に貫通孔１００ａを形成することによって支持部１０の内周面を形成するとともに振動膜１２の振動端を確定させる。なお、樹脂からなる振動膜１２が本工程においてエッチングされることを避けるため、図２７の行程において凹部１３０ａを形成した後に凹部１３０ａの底面に薄く酸化珪素膜をスパッタ法などを用いて形成しても良い。
さらにダイシングなどの後工程を実施すると、図３１に示す圧電型発音装置７が完成する。このように製造することによって圧電型発音装置７の補強膜１４を酸化珪素、多結晶珪素、金属、セラミックスなどによって構成することができる。
【００３６】
５．第五実施形態
図３２から図３７に示すように圧電型発音装置８を製造しても良い。圧電型発音装置８の製造方法は次の通りである。
はじめに第一実施形態と同様に単結晶珪素からなるウエハ１００の表面に白金層１１０、圧電層１１１、白金層１１２を積層し、さらに図３２に示すように白金層１１２の表面に補強膜１４となる金属層１４０をＣＶＤ、スパッタ法などにより形成する。
次に図３３に示すようにエッチングして金属層１４０に凹部１４０ａを形成するとともに圧電素子１６と金属層１４０からなる補強膜１４とを形成する。
次に図３４に示すように第二実施形態と同様に振動膜１２を形成する。
次に図３５に示すように、金属層１４０、白金層１１２、圧電層１１１にスルーホールを形成した後にスパッタ法などによって導電層１１４からなる導線１７、１８を形成する。
次に図３６に示すように第四実施形態と同様にウエハ１００に貫通孔１００ａを形成することによって支持部１０の内周面を形成するとともに振動膜１２の振動端を確定させる。
さらにダイシングなどの後工程を実施すると、図３７に示す圧電型発音装置８が完成する。このように製造することによって補強膜１４は圧電素子１６の上に積層されることになる。この場合、センターユニット１５は圧電素子１６において振動膜１２と結合する。
【００３７】
６．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。例えば上記実施形態で示した材質や寸法や形状や成膜方法やパターン転写方法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である工程の追加や削除や工程順序の入れ替えについては説明が省略されている。
【符号の説明】
【００３８】
１：圧電型発音装置、２：圧電型発音装置、３：圧電型発音装置、４：圧電型発音装置、５：圧電型発音装置、６：圧電型発音装置、７：圧電型発音装置、８：圧電型発音装置、１０：支持部、１２：振動膜、１２ａ：振動膜、１２ｂ：振動膜、１２ｃ：振動膜、１２ｄ：振動膜、１４：補強膜、１５：センターユニット、１６：圧電素子、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ：圧電素子、１７：導線、１８：導線、１００：ウエハ、１００ａ：貫通孔、１０１：単結晶珪素層、１０２：酸化珪素層、１０３：単結晶珪素層、１１０：白金層、１１０ａ：凹部、１１１：圧電層、１１２：白金層、１１４：導電層、１２０：ウエハ、１２０ａ：凹部、１３０：補強層、１３０ａ：凹部、１４０：金属層、１４０ａ：凹部、１９０：形状保持部材、Ｒ：樹脂層
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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