(57)【要約】【課題】１０μｍ程度の薄い焼結基板上に高純度のＰＺＴ薄膜等を焼結させた強誘電体薄膜を用いた圧電マイクロフォンを提供する。【解決手段】基板６ｅ上に強誘電体原料を塗布した後に強誘電体原料の相転移温度より低温で又は同じ程度の温度で焼成される仮焼成層６ｃが積層形成され、仮焼成層６ｃ上に強誘電体原料を塗布した後に或は強誘電体原料を塗布せずに強誘電体原料の相転移温度以上の高温で焼結される強誘電体薄膜６ｃを振動板６とする。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に強誘電体原料を塗布した後に強誘電体原料の焼結温度より低温で焼成される仮焼成層が積層形成され、仮焼成層上に強誘電体原料を塗布した後に或は強誘電体原料を塗布せずに強誘電体原料が焼結する温度で焼結される強誘電体薄膜を分極処理して振動板とすることを特徴とする圧電マイクロフォン。
【請求項２】
頂部板に音孔を有するケーシングと、
上部振動板リング及び下部振動板リングに挟持され、上部振動板リングが頂部板側となるよう頂部板のケーシング内側に設けられる振動板と、
頂部板と対向するケーシング内部に設けられ、マイクロフォン用ＦＥＴからなるＩＣ素子を固定した端子基板と、
導電材からなり、下部振動板リング及び端子基板表面間に介在させるスペーサ兼用の接触リングと、
接触リングの外周面とケーシング内周面との間を絶縁するよう介在させる絶縁皮膜とからなり、
振動板は、基板上に強誘電体原料を塗布した後に強誘電体原料の焼結温度より低温で焼成される仮焼成層が積層形成され、仮焼成層上に強誘電体原料を塗布した後に或は強誘電体原料を塗布せずに強誘電体原料が焼結する温度で焼結される強誘電体薄膜を分極処理したものからなることを特徴とする圧電マイクロフォン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、圧電マイクロフォンに係り、詳細には、極薄い強誘電体薄膜を分極処理したものを振動板として用いる圧電マイクロフォンに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、特許出願人は『コンデンサマイクロホン』（特開２００１−８２９３）（以下、従来例という。）を発明した。この従来例は、
『＜特許請求の範囲＞
＜請求項１＞頂部板に音孔を有するケーシング内に、前記頂面側から順に、振動板、背電極、マイクロホン用ＦＥＴからなるＩＣ素子を固定した端子基板を、所定間隔を維持させて収容してなるコンデンサマイクロホンにおいて、前記背電極の背面と端子基板表面間に導電材からなるスペーサ兼用の接触リングを介在させるとともに、該接触リングの外周面とケーシング内周面との間を、絶縁皮膜を介在させて絶縁したことを特徴としてなるコンデンサマイクロホン。
＜請求項２＞絶縁皮膜は、ケーシングの内周面に沿う絶縁筒部と該絶縁筒部の頂部内側に一体に突出させたスペーサリング部とを一体に有する絶縁材をもって構成し、前記スペーサリングを振動板と背電極との間に介在させるとともに、絶縁筒部により背電極及び接触リングとケーシングとの間を絶縁させてなる請求項１に記載のコンデンサマイクロホン。
＜請求項３＞絶縁皮膜は、ケーシングの内週面に貼着した絶縁性のフィルムをもって構成してなる請求項１に記載のコンデンサマイクロホン。』
からなり、図５に表すように、筐体を形成するケーシング１２０の上面が頂部板１２１に複数の音孔１２２を穿設してなる。更に、ケーシング１２０内には、頂部板１２１の下面に配置されるドーナツ形状を呈した板状の振動板リング１２５と同形状からなるスペーサリング１２９との間に振動板１２４を挟持して設け、更に、スペーサリング１２９の下部に振動板１２４と僅かな間隙を設けて配置される背電極１２６を設けてなる。
【０００３】
そして、従来例では、このように設けた振動板１２４が、頂部板１２１に設けた音孔１２２から伝播する空気振動により振動されると、この空気振動によって振動されない背電極と振動板１２４とで形成される電気的なコンデンサの両端の電圧が変化することとなる。そして、この電気的な変化をケーシング１２０内で端子板１３１に固定したＩＣ素子１３３によって電気的に出力するものである。一方、誘電体に応力を加えたときに電圧が生じ、その変形の量によって電圧変化を起こすものとして、分極処理を施した強誘電体薄膜が知られている。従来の強誘電体薄膜、例えば強誘電体ＰＺＴ薄膜では、１．５ｍｍ乃至０．０４ｍｍ程度の焼結基板となる金属基板上に形成していた。即ち、従来は、金属基板となるホイル上にゾルゲル法を用いて薄膜を形成する方法が用いられ、０．０５ｍｍ厚のチタンホイル（Ｔｉ）上に６５０ｎｍのＰＺＴ薄膜を形成した例があった。
以下に、チタンホイル上にＰＺＴ薄膜を焼成する従来例を説明する。
【０００４】
先ず、チタンホイルからなる金属基板をＰＺＴ原料塗布のために回転台に設置し、吸引吸着固定する。このように載置された金属基板上にスピンコートによりＰＺＴ原料を塗布してＰＺＴ原料の膜を形成する。次いで、ＰＺＴ原料の膜が形成された金属基板をＰＺＴの焼結温度である摂氏５００度乃至６００度以上の高温まで加熱し、ＰＺＴ原料を焼結させＰＺＴ薄膜を形成していた。ＰＺＴ薄膜の膜厚を厚くしたい場合には、焼結したＰＺＴ薄膜上に更にスピンコートによりＰＺＴ原料を塗布して再び摂氏５００度乃至６００度以上の高温で焼結させる工程を繰返すことで、所望のＰＺＴ薄膜の膜厚を得ていた。
このようにＰＺＴ原料を焼結させるための金属基板は、チタンホイル以外にも、０．０４ｍｍのステンレス（ＳＵＳ３０４）ホイル、１．２ｍｍの黄銅シート、１．５ｍｍのニッケル合金等夫々の金属基板が用いられ、夫々ＰＺＴ薄膜を形成していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来例に表すコンデンサマイクロフォンにおいては、音の変化を検出するコンデンサには、振動板１２４と背電極１２６が必須である。又、音の変化を精度良く検出するには、振動板１２４は、音である空気の振動により振動板１２４は振動するが、背電極１２６はこれにより振動してはならないことが要求される。
即ち、振動板１２４は、音即ち振動の僅かな変化によっても振動することが求められ、これを実現するためには、基板が薄いことが要求される。
これに対し、背電極１２６は、空気の振動に対して振動してはならないので、堅牢であることが要求される。そして、背電極１２６を堅牢に形成するためには、背電極を厚くする必要があった。
このように、従来のコンデンサマイクロフォンでは、背電極１２６が厚くなることで、マイクロフォン全体を小型化するのに限度が有った。
【０００６】
一方、従来の強誘電体薄膜では、最小厚の焼結基板である金属基板でも０．０４ｍｍ（４０μｍ）程度であり、１０μｍ以下の薄膜状の金属基板上にＰＺＴ薄膜を形成できなかった。即ち、金属基板の膜厚を１０μｍ程度に薄くしてしまうと、ＰＺＴ原料を塗布する際のスピンコート時には、回転台上に吸引吸着した際に金属基板に凹凸が発生してしまい、ＰＺＴ原料を焼結した際に皺が発生してしまうという問題点を有した。更に、ＰＺＴ薄膜の厚さを得るために摂氏５００度乃至６００度でのＰＺＴ原料の焼結を複数回繰返すと、初回に発生した皺が更に増加すると共に歪みも蓄積し、更には、皺・歪みに留まらずクラックまでもが発生してしまい、生成した高誘電体薄膜であるＰＺＴ薄膜の完全性が低下するので高純度のＰＺＴ薄膜を形成できないという問題を有した。このように、薄膜状の強誘電体を得ることができなかったので、小型であり、追従性の良い圧電マイクロフォンを形成することが困難であるという問題点を有した。
【０００７】
そこでこの発明は、１０μｍ程度の薄い焼結基板上に高純度のＰＺＴ薄膜等を焼結させた強誘電体薄膜を分極処理して用いた圧電マイクロフォンを提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この発明は、
基板上に強誘電体原料を塗布した後に強誘電体原料の焼結温度より低温で焼成される仮焼成層が積層形成され、仮焼成層上に強誘電体原料を塗布した後に或は強誘電体原料を塗布せずに強誘電体原料が焼結する温度で焼結される強誘電体薄膜を分極処理して振動板とすることを特徴とする圧電マイクロフォン、
【０００９】
及び、
【００１０】
頂部板に音孔を有するケーシングと、上部振動板リング及び下部振動板リングに挟持され、上部振動板リングが頂部板側となるよう頂部板のケーシング内側に設けられる振動板と、頂部板と対向するケーシング内部に設けられマイクロフォン用ＦＥＴからなるＩＣ素子を固定した端子基板と、導電材からなり下部振動板リング及び端子基板表面間に介在させるスペーサ兼用の接触リングと、接触リングの外周面とケーシング内周面との間を絶縁するよう介在させる絶縁皮膜とからなり、振動板は、基板上に強誘電体原料を塗布した後に強誘電体原料の焼結温度より低温で焼成される仮焼成層が積層形成され、仮焼成層上に強誘電体原料を塗布した後に或は強誘電体原料を塗布せずに強誘電体原料が焼結する温度で焼結される強誘電体薄膜を分極処理したものからなることを特徴とする圧電マイクロフォン、
を提供する。
【００１１】
そして、この発明では、上記問題点を解決するために、頂部板に音孔を有するケーシング内に、前記頂面側から順に、振動板、接触リング、マイクロフォン用ＦＥＴからなるＩＣ素子を固定した端子基板を所定間隔を維持させて収容し、振動板を上部振動板リング及び下部振動板リングによって挟持して構成し、上部振動板リングと端子基板表面との間に導電材からなるスペーサ兼用の接触リングを介在させるとともに、接触リングの外周面とケーシング内周面との間を、絶縁皮膜を介在させて絶縁して構成する。
そして、振動板を形成する強誘電体薄膜は、基板上に強誘電体原料を塗布し、更に強誘電体原料が塗布された基板を焼結温度より低温で仮焼成させることを繰返し、強誘電体の仮焼成層を形成する。これら一連の工程により、基板上には仮焼成された焼成層が徐々に厚く形成される。そして、基板上の焼成層が所望の厚さとなったところで、強誘電体原料の焼結温度で仮焼成層を焼結させ、強誘電体薄膜を得る。
このように得た強誘電体薄膜を分極処理して圧電性を持たせ振動板として用い、圧電体薄膜に空気の振動による外部応力が加わると、圧電体の特徴である電圧を生ずる。空気の振動によって起こる電圧の変化を検出して音波の波形情報を電気的信号の形で得る。
尚、絶縁皮膜は、ケーシングの内周面に貼着した絶縁性のフィルムをもって構成してもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下にこの発明の実施の形態を図面に基づき説明する。図１はこの発明の実施の形態である圧電マイクロフォンの縦断面図であり、図２は同横断面図であり、図３はこの発明の実施の形態である振動板を形成する手順を表す説明図であり、図４は図３の塗布工程を表す説明図である。
圧電マイクロフォン１は、絞り加工によって有底円筒形に成形されたアルミニウム製又は洋白からなるケーシング２を筐体とし、ケーシング２は、上面を形成する頂部板３が底壁を形成する。頂部板３には音孔４を複数穿設してなるり、ケーシング２外部からの音が内部に伝播するように形成される。そして、ケーシング２内部の頂部板３下部には、音孔４から伝播した音の振動を検知する振動板６を設ける。
【００１３】
この振動板６は、強誘電体の薄膜を分極処理した圧電体薄膜からなり、ドーナツリング状に中央を開口した頂部板３の内面に接する振動板リング７、２６により、張った状態で上下から挟持され固着される。このように振動板リング７、２６により挟持されることで、振動板６は振動板リング７、２６により頂部板３から間隔を隔てて収容され、音孔４から伝播した音によって振動可能である。
又、ケーシング２は、円筒面の裾部５を内側に折り曲げて加締め、内部に収容した振動板６等の各部材を抜け止めしている。
【００１４】
振動板６の上下に位置する振動板リング７、２６は、ケーシング２の内面に接して挿入された筒状の絶縁材９内に収容され、ケーシング２間が絶縁されてている。この絶縁材９は、筒状に形成されて絶縁皮膜を形成し、下部振動板リング８とケーシング２とを絶縁状態に維持している。
下部振動板リング８の周縁部下側には、円筒形の接触リング１０の上端が接触され、接触リング１０の下端に端子基板１１が接して重ねられ、端子基板１１の下面にケーシング２の裾部５が加締められている。この時、接触リング１０とケーシング２との間は絶縁されているが、筒状の絶縁材９を裾部５まで延長して形成し、絶縁材９によって絶縁状態を維持するよう形成しても良い。
接触リング１０の内側は、背部空間１２を形成し、背部空間１２内には、ＦＥＴ（フィールド　エフェクト　トランジスタ）からなるＩＣ素子１３等の電子部品が端子基板１１の上面に固定されて収容され、接触リング１０が下部振動板リング８と端子基板１１との間のスペーサを兼用している。
以下に、振動板６の詳細を説明する。
【００１５】
振動板６は、分極処理された圧電体薄膜からなる。振動板６を形成する圧電体薄膜は、空気の振動により外部応力が加わると、圧電体の特徴である電圧を生ずる。そして、空気の振動によって起こる圧電体薄膜の電圧の変化を検出して電気的に変換することで、振動板６に加わった音を再現可能である。
振動板６は、ＰＺＴ薄膜からなる圧電体薄膜であり、図１のＡ部に表すように、金属基板である基板の基礎を形成するチタン箔６ａと、チタン箔６ａの上部に形成される白金電極層６ｂと、白金電極層６ｂ上部に焼結形成するチタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴという。）薄膜６ｃと、ＰＺＴ薄膜６ｃ上部に上部電極として形成される金電極層６ｄとからなる。
チタン箔６ａは、振動板６の基板として形成され、表面を熱酸化処理した厚さ１０μｍ以下の金属箔形状をなす。この実施の形態では、チタン箔６ａは、１０μｍ以下としたが、振動板６の利用用途によっては１８μｍ等１０μｍ以上の膜厚でも良く、所望の膜厚に形成すればよく、振動板６としての強度と、空気により振動されるときのレスポンス等から、適宜厚さを選択して用いればよい。
白金電極層６ｂは、チタン箔６ａの上面にスパッタリングにより層状に形成され、振動板６の一方の電極である下部電極として機能する。この白金電極層６ｂとチタン箔６ａとが基板６ｅを形成する。
ＰＺＴ薄膜６ｃは、基板６ｅの上面にチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）とジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）を固溶した強誘電体材料であるＰＺＴの原料を塗布後に焼結して形成する。従って、ＰＺＴ原料は、スピンコートする場合には、溶液中にＰＺＴ原料を混合したＰＺＴ溶液として滴下され、スピンコート後に高温で焼結されてＰＺＴ薄膜６ｃを形成する。
ＰＺＴ薄膜６ｃの形成は、図３に表すように、振動板６を形成する振動板６の形成工程Ｓによって行う。
【００１６】
形成工程Ｓは、塗布工程Ｓ１、仮焼成工程Ｓ２、繰返し判断工程Ｓ３、及び、最終焼結工程Ｓ４とからなる。
塗布工程Ｓ１は、白金電極層６ｂを施したチタン箔６ａに、ＰＺＴ原料をスピンコートによって塗布する工程である。塗布工程Ｓ１では、白金電極層６ｂを施したチタン箔６ａを白金電極層６ｂが上面となるよう、図４に表すスピンコート装置１４のコーティング台１６上に載置固定する。その際、基板６ｅは、コーティング台１６とチタン箔６ａとの間に溶液１８を浸透させて白金電極層６ｂが上面となるよう液面吸着させ固定させる。一般にスピンコート装置１４で行われる真空吸引等の吸着方法では、吸着力によってこの実施の形態のような１０μｍ程度の薄いチタン箔６ａに凹凸変形が生じ、そのまま次工程以降のＰＺＴ薄膜６ｃの焼成を行うと皺が発生してしまう。しかしながら、本発明のようにスピンコート装置１４への載置固定を溶液１８によって液面吸着させることで、チタン箔６ａに凹凸ができず、良好なＰＺＴ薄膜６ｃを焼成可能となる。尚、溶液１８は、アルコール等の液からなるがこれとは別の液でも良く、コーティング台１６は勿論のこと振動板６の組成に影響を与えないものであればよい。
【００１７】
コーティング台１６に液面吸着により載置したスピンコート装置１４のコーティング台駆動部１５を駆動してコーティング台１６を回転させる。次いで、ＰＺＴ原液滴下装置１７からＰＺＴ溶液を滴下することで、ＰＺＴ溶液がチタン箔６ａ上の白金電極層６ｂ上面にコーティングされる。
次いで、繰返し判断工程Ｓ３で塗布工程Ｓ１が所定回繰返されたか否かを判断する。繰返し判断工程Ｓ３は、単に作業者により判断されるものとするが、予め設定された回数に到達したか否かを自動的に判断するように構成して自動製造させても良い。
ＰＺＴ溶液がコーティングされた基板６ｅは、未だ所定回数スピンコートが行われていないので、続けて仮焼成工程Ｓ２によって仮焼成される。即ち、仮焼成工程Ｓ２では、振動板６を形成するＰＺＴ原料の相転移温度より低温で又は同じ程度の温度である摂氏３００度乃至３５０度で焼成する。
この仮焼成工程Ｓ２は繰返し判断工程Ｓ３によって所定回数に到達するまで繰返し、所望厚の仮焼成層を形成したＰＺＴ薄膜６ｃを得る。
ＰＺＴ薄膜６ｃが所望厚となったところで、次いで最終焼結工程Ｓ４を行う。
【００１８】
最終焼結工程Ｓ４では、仮焼成工程Ｓ２により仮焼成された仮焼成層と共に最終回に塗布工程Ｓ１によってスピンコートされたＰＺＴ薄膜６ｃを、ＰＺＴの焼結温度以上である摂氏５００度乃至６００度で焼結する。するとＰＺＴ薄膜６ｃは、焼結温度に達して焼成されるので、良好なセラミック上のＰＺＴ薄膜６ｃとなる。
上述のように、ＰＺＴ薄膜６ｃを複数回スピンコートによって形成しても、歪みが蓄積することなく、クラックが発生しにくく、純度の高い一様な焼結されたＰＺＴ薄膜６ｃが得られる。
尚、この実施の形態では、ＰＺＴ薄膜６ｃが仮焼成され仮焼成層を形成した後に再び塗布工程Ｓ１によってＰＺＴ溶液を塗布してから最終焼結工程Ｓ４を施したが、仮焼成工程Ｓ２によってＰＺＴ薄膜６ｃが仮焼成層を形成した状態で最終焼結工程Ｓ４を施すよう形成しても良い。
【００１９】
金電極層６ｄは、上述のように形成されたＰＺＴ薄膜６ｃ上に形成され、上部電極を形成する。尚、上部電極は、金に限定されるものではなく、銀、白金、イリジウム、パラジウム等他の材質によって形成しても良い。ＰＺＴとの化学反応もしくは成分の相互拡散が懸念される場合には、ＰＺＴ層と電極との間に化学反応や相互拡散を抑止し得るバッファ層を設けることによってＩｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２（ＩＴＯ）、ＺｎＯなどの酸化物やＣｕやＮｉなどの卑金属を材料として電極形成しても良い。金電極層６ｄは、従来の振動板６と同様に一般的な手法により形成される。尚、金電極層６ｄは、最終焼結工程Ｓ４の後に行っても良く、最終焼結工程Ｓ４の前にスピンコートしたＰＺＴ溶液上に載置し最終焼結工程Ｓ４によってＰＺＴ薄膜６ｃと一体化するよう形成しても良い。
【００２０】
振動板６は、上述のように、白金電極層６ｂにより下部電極が形成され、金電極層６ｄにより上部電極が形成され、中間部に焼結されたＰＺＴ薄膜６ｃが形成される。その後分極処理し振動板６がえられる。そして、上部電極である白金電極層６ｂは、上部振動板リング７と接触し更にケーシング２と接触し、ケーシング２の下部において裾部５を経由して端子基板１１と接続され、下部電極である金電極層６ｄは下部振動板リング８と接触し、更に接触リング１０と接触し、接触リング１０の下部が端子基板１１と接続され、電気回路を形成する。
そして、振動板６は、上述のように形成したＰＺＴ薄膜６ｃを分極処理してえる。
【００２１】
このように構成される圧電マイクロフォン１は、音孔４から空気を伝わって侵入する音の振動により振動板６が振動し、その動きは振動板６自身が薄膜であるため適度なコンプライアンスと、適度な大きさの背部空間１２の持つコンプライアンスとで制御され、振動板６の振動による振動板６自身の変化が、発生する電圧差となり、この変化を端子基板１１上に固定されたＩＣ素子１３でもって低インピーダンスに変換し、電気的に出力する。
【００２２】
この実施の形態では、強誘電体薄膜としてＰＺＴを用いたが、上記方法により、ＰＬＺＴ、ＺｎＯ等他の原料によっても強誘電体薄膜を形成することが可能である。
【００２３】
【発明の効果】この発明によれば、１０μｍ以下の２μｍ乃至４μｍ程度の基板上に強誘電体薄膜を形成し分極処理して振動板を構成するので、従来の従来のコンデンサマイクロフォンに比べ全体を格段に小型化できる上、より高感度でｆ特性の良好な圧電マイクロフォンを製造可能となる。
そして、振動板を形成する強誘電体薄膜は、相転移温度以下であれば強誘電特性を得られるので、従来のコンデンサマイクロフォンより、半田リフロー等の摂氏２６０度程度の温度に対しての劣化がないマイクロフォンを得られる。同様に、従来では高温のため使用できなかった高温部位への利用が可能となる。又、コンデンサマイクロフォンに於ける背電極が不要なので、更に小型化、薄型化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態である圧電マイクロフォンの縦断面図
【図２】同横断面図
【図３】この発明の実施の形態である振動板を形成する手順を表す説明図
【図４】図３の塗布工程を表す説明図
【図５】従来例図
【符号の説明】
１　　　圧電マイクロフォン
２　　　ケーシング
３　　　頂部板
４　　　音孔
５　　　裾部
６　　　振動板
６ａ　　チタン箔
６ｂ　　白金電極層
６ｃ　　ＰＺＴ薄膜
６ｄ　　金電極層
６ｅ　　基板
７　　　上部振動板リング
８　　　下部振動板リング
９　　　絶縁材
１０　　接触リング
１１　　端子基板
１２　　背部空間
１３　　ＩＣ素子
１４　　スピンコート装置
１５　　コーティング台駆動部
１６　　コーティング台
１７　　ＰＺＴ原液滴下装置
１８　　溶液
Ｓ　　　形成工程
Ｓ１　　塗布工程
Ｓ２　　仮焼成工程
Ｓ３　　繰返し判断工程
Ｓ４　　最終焼結工程
【図１】
2004056351.tif 000003
【図２】
2004056351.tif 000004
【図３】
2004056351.tif 000005
【図４】
2004056351.tif 000006
【図５】
2004056351.tif 000007