(57)【要約】【課題】本発明は上記従来の問題点を解決するもので、広帯域な音を再生することができる圧電発音体を提供することを目的とするものである。【解決手段】一枚の振動板としての金属酸化物からなる薄板１２と、この振動板上に形成する下部電極１３と、この下部電極１３の上の所定部分に形成する圧電薄膜１４と、この圧電薄膜１４の周縁部および下部電極１３を覆うように形成する絶縁膜１５と、圧電薄膜１４および絶縁膜１５を覆うように形成する上部電極１６とからなる圧電振動体を少なくとも２つ以上備えた圧電発音体であり、一枚の振動板上に複数の異なる帯域の圧電振動体を形成するため、広帯域の音の再生ができると共に下部電極１３の上の所定部分に圧電薄膜１４を形成するため、不要振動を抑制することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一枚の振動板としての金属酸化物からなる薄板と、この振動板上に形成する下部電極と、この下部電極上の所定部分に形成する圧電薄膜と、この圧電薄膜の周縁部および下部電極を覆うように形成する絶縁膜と、前記圧電薄膜および絶縁膜を覆うように形成する上部電極とからなる圧電振動体を少なくとも２つ以上備えた圧電発音体。
【請求項２】
圧電振動体を支持体上に結合して音孔としての空洞を設けた請求項１に記載の圧電発音体。
【請求項３】
音孔としての空洞を少なくとも２つ以上設けた請求項２に記載の圧電発音体。
【請求項４】
振動板としての薄板を支持体の一端面に一体となるように設けた請求項１に記載の圧電発音体。
【請求項５】
音孔としての空洞の形状を円、楕円または多角形の少なくとも１つとする請求項２に記載の圧電発音体。
【請求項６】
音孔としての空洞の大きさを異なるよう設けた請求項２に記載の圧電発音体。
【請求項７】
音孔としての空洞を圧電薄膜および振動板の下に設けた請求項２に記載の圧電発音体。
【請求項８】
面積が異なる空洞Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３をＳ１＞Ｓ２＞Ｓ３となるように設けた請求項２に記載の圧電発音体。
【請求項９】
空洞の中心が圧電薄膜の中心と同じとなるように設けた請求項２に記載の圧電発音体。
【請求項１０】
空洞の中心が圧電薄膜の中心と異なるように設けた請求項２に記載の圧電発音体。
【請求項１１】
圧電薄膜の面積を空洞の面積の０．１倍以上とした請求項２に記載の圧電発音体。
【請求項１２】
１つの空洞上に少なくとも２つ以上の圧電薄膜を設けた請求項２に記載の圧電発音体。
【請求項１３】
下部電極が振動板全体を覆うように形成した請求項１に記載の圧電発音体。
【請求項１４】
上部電極が圧電薄膜全体および絶縁樹脂全体を覆うように形成した請求項１に記載の圧電発音体。
【請求項１５】
下部電極上に形成する圧電薄膜をＰＺＴとする請求項１に記載の圧電発音体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は各種電子機器に使用されるスピーカやブザー等の圧電発音体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、音響機器のほとんどがデジタル化され、低ノイズおよび低歪みの電気信号として飛躍的な向上が図られてきており、音質を決定する発音体、特にスピーカに対する要求性能は益々高まってきている。高音質な発音体を実現する上で重要な要素である発音体は、外力による変形が少ないことや音の歪みが小さいことに加えて、再生音域が広く明瞭な音質を出すことが要求され、そのために高弾性で高剛性、そして軽いことが要求される。
【０００３】
従来の圧電発音体としては、図９に示すものがある。図９は従来の圧電発音体の断面図である。１は金属振動板に塗布されたＳＢＲゴム薄膜、２は金属振動板の裏面に接着されているＰＺＴ圧電体、３は金属振動板の端面を保持するエッジ、４はエッジを覆うフレーム、８は金属振動板である。
【０００４】
以下、従来の圧電発音体の構成について図９を用いて説明する。
【０００５】
ＰＺＴ圧電体２の表面に金属振動板８を接着し、その表面に硫黄成分の添加により熱架橋型としたジェン系ゴムまたは加硫の可能な非ジェン系ゴム素材あるいはそれらの共重合体を塗布して薄膜１を形成し、これらを圧電発音体の圧電素子とする。熱架橋型ゴム薄膜１は発泡体に形成しても良い。これにより容易にエッジ３が形成され、振動板を支持することのできる振動板−エッジ一体型部材が得られる。
【０００６】
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば特許文献１が知られている。
【特許文献１】特開平１１−１６４３９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の圧電発音体は一つの振動板８に一つの圧電体２を設けた構成であり、それ自身の特性で決定されるため、より広帯域な音の再生を得ることが困難であった。
【０００８】
例えば、圧電体２に機械的応力が生じ、それによって振動板８を振動させるものである。そのため圧電体２と振動板８とによる振動の機械的共振先鋭度Ｑｍが高くなるため、音響再生帯域が狭くなる。
【０００９】
本発明は上記従来の問題点を解決するもので、広帯域な音を再生することができる圧電発音体を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。
【００１１】
本発明の請求項１に記載の発明は、一枚の振動板としての金属酸化物からなる薄板と、この振動板上に形成する下部電極と、この下部電極上の所定部分に形成する圧電薄膜と、この圧電薄膜の周縁部および下部電極を覆うように形成する絶縁膜と、前記圧電薄膜および絶縁膜を覆うように形成する上部電極とからなる圧電振動体を少なくとも２つ以上備えた圧電発音体であり、一枚の振動板上に複数の異なる帯域の圧電振動体を形成するため、広帯域の音の再生ができると共に下部電極上の所定部分に圧電薄膜を形成するため、不要振動を抑制することができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、圧電振動体を支持体上に結合して音孔としての空洞を設けた請求項１に記載の圧電発音体であり、音孔により共振周波数を設定することができるため、広帯域の音の再生が可能となる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、音孔としての空洞を少なくとも２つ以上設けた請求項２に記載の圧電発音体であり、複数の音孔を異なる共振周波数に設定することができるため、より広帯域の音の再生が可能となる。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、振動板としての薄板を支持体の一端面に一体となるように設けた請求項１に記載の圧電発音体であり、支持体に形成される音孔により共振周波数を所定値に設定することができるため、より広帯域の音の再生が可能となる。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、音孔としての空洞の形状を円、楕円または多角形の少なくとも１つとする請求項２に記載の圧電発音体であり、異なる音孔形状により異なる共振周波数に設定することができるため、より広帯域の音の再生が可能となる。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、音孔としての空洞を異なる大きさとする請求項２に記載の圧電発音体であり、異なる大きさの音孔により異なる共振周波数に設定することができるため、より広帯域の音の再生が可能となる。
【００１７】
請求項７に記載の発明は、音孔としての空洞を圧電薄膜および振動板の下に設けた請求項２に記載の圧電発音体であり、電気−音響変換効率の向上が図れる。
【００１８】
請求項８に記載の発明は、面積が異なる空洞Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３をＳ１＞Ｓ２＞Ｓ３となるように設けた請求項２に記載の圧電発音体であり、３つの異なる面積の空洞により、低音から高音までの範囲の広帯域の音が再生できる。
【００１９】
請求項９に記載の発明は、空洞の中心が圧電薄膜の中心と同じとなるように設けた請求項２に記載の圧電発音体であり、同心とすることにより、電気−音響変換効率が向上できる。
【００２０】
請求項１０に記載の発明は、空洞の中心が圧電薄膜の中心と異なるように設けた請求項２に記載の圧電発音体であり、中心を異なる位置とすることにより、定在波を抑制することができるため、均一な音の再生が可能となる。
【００２１】
請求項１１に記載の発明は、圧電薄膜の面積を空洞の面積の０．１倍以上とした請求項２に記載の圧電発音体であり、音響変換効率の向上が図れる。
【００２２】
請求項１２に記載の発明は、１つの空洞上に少なくとも２つ以上の圧電薄膜を設けた請求項２に記載の圧電発音体であり、所定帯域の音圧を高密度で実現できる。
【００２３】
請求項１３に記載の発明は、下部電極が振動板全体を覆うように形成した請求項１に記載の圧電発音体であり、全体を覆うことにより導体抵抗を低くできるため、電気−音響変換効率が向上できる。
【００２４】
請求項１４に記載の発明は、上部電極が圧電薄膜全体および絶縁樹脂全体を覆うように形成した請求項１に記載の圧電発音体であり、全体を覆うことにより導体抵抗を低くできるため、電気−音響変換効率が向上できる。
【００２５】
請求項１５に記載の発明は、下部電極上に形成する圧電薄膜をＰＺＴとする請求項１に記載の圧電発音体であり、下部電極との密着性が向上するため、容易に加工ができると共に剥離が抑制できる。
【発明の効果】
【００２６】
以上のように本発明の圧電発音体は、一枚の振動板としての金属酸化物からなる薄板と、この振動板上に形成する下部電極と、この下部電極上の所定部分に形成する圧電薄膜と、この圧電薄膜の周縁部および下部電極を覆うように形成する絶縁膜と、前記圧電薄膜および絶縁膜を覆うように形成する上部電極とからなる圧電振動体を少なくとも２つ以上備えた圧電発音体であり、一枚の振動板上に複数の異なる帯域の圧電振動体を形成するため、広帯域の音の再生ができると共に下部電極上の所定部分に圧電薄膜を形成するため、不要振動を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。
【００２８】
（実施の形態１）
図１は本発明の一実施の形態における圧電発音体の断面図である。
【００２９】
図１に示す圧電発音体１０は、複数のシリコンに形成した音孔としての空洞１７と、この空洞１７の上面を蓋する振動板としてのＳｉＯ2薄板１２と、こののＳｉＯ2薄板１２の外側表面に下部電極１３として積層した白金層と、この下部電極１３の所定部分に形成されたＰＺＴからなる複数の圧電薄膜１４と、下部電極１３の上および圧電薄膜１４の周縁部に形成された絶縁膜１５と、この絶縁膜１５の上および圧電薄膜１４の上に形成した上部電極１６から構成される。
【００３０】
以上の構成により振動板にヤング率が大きく密度が小さいＳｉＯ2薄板１２を用いているためより速い音速が得られ広帯域な音の再生を可能とする。また複数の圧電振動体と音孔としての空洞が異なる低音から高音までの帯域を再生することにより広帯域な音の再生が可能となる。さらに下部電極１３の上の所定部分に圧電薄膜を形成することから不要振動が抑制できる。
【００３１】
なお、ＳｉＯ2薄板１２が支持体１１の一端面と一体となる構造においても同様の効果が得られる。
【００３２】
次に、本発明の圧電発音体の製造プロセスについて図２を用いて説明する。
【００３３】
図２（ａ）〜（ｉ）は本発明の一実施の形態における圧電発音体の製造プロセスを示す工程図である。
【００３４】
図２（ａ）に示すように支持体となる所定の厚みのシリコン基板１１に水蒸気を加え温度１０００℃以上の熱処理を行いシリコン基板１１の表面を酸化してＳｉＯ2薄板１２を形成する。そして図２（ｂ）に示すようにＳｉＯ2薄板１２の外側表面に高周波スパッタリングによりチタン層を形成してさらに白金層からなる下部電極１３を形成し、図２（ｃ）に示すようにこの下部電極１３の上にＰＺＴからなる圧電薄膜１４を形成する。
【００３５】
この構成により下部電極１３と圧電薄膜１４との密着性が向上すると共に圧電薄膜１４のＰＺＴ結晶軸の配向を促し安定した圧電薄膜１４が形成できる。また密着性の向上により剥離が抑制できる。さらにこの下部電極１３を振動板全体に形成することにより導体抵抗が低減されるため、電気−音響変換効率が向上する。
【００３６】
次に、図２（ｄ）に示すようにＰＺＴからなる圧電薄膜１４を円形にフォトリソ加工する。ここでＰＺＴからなる圧電薄膜１４は円形以外に楕円または多角形でも良くフォトリソ加工できる形状であれば特に限定されるものではない。そして図２（ｅ）に示すようにＰＺＴからなる圧電薄膜１４の周縁部および下部電極１３の上にエッチングマスクとしての感光性レジストの絶縁膜１５を塗布し、下部電極端子１８を露出させる。周縁部の絶縁膜１５により電極端面の電界を安定にすると共に電極のマイグレーションを防止し圧電薄膜１４の周縁部の絶縁性が確保できる。そして図２（ｆ）に示すようにこの絶縁膜１５の上および圧電薄膜１４の上に白金層の上部電極１６をスパッタリングにより形成する。この白金層の上部電極１６はＰＺＴからなる圧電薄膜１４に安定した均等電界を印加することができると共に絶縁膜１５の上および圧電薄膜１４の上全体に上部電極１６を形成することにより導体抵抗が低減されるため、電気−音響変換効率が向上する。次に図２（ｇ）に示すようにシリコン基板１１のもう一方の面の所定部分にレジスト膜１９を形成し、図２（ｈ）に示すようにこの面からドライエッチングしてＳｉＯ2薄板１２を露出させ、音孔としての円形の空洞１７を圧電薄膜１４および振動板の下に形成する。そしてレジスト膜１９を除去することで図２（ｉ）に示すような圧電発音体が得られる。ここで音孔としての空洞１７は円形以外に楕円または多角形でも良く、また大きさも自由でありエッチング加工できる形状であれば特に限定されるものではない。この構成により共振周波数を所定値に設定できると共に再生する音の帯域も自由に設定できるため、広帯域な音の再生が可能となる。さらに音孔としての円形の空洞１７を圧電薄膜１４および振動板の下に形成するため、電気−音響変換効率が向上する。
【００３７】
他の本発明の一実施の形態を図３〜図５に示す。図３は本発明の一つの音孔としての空洞１７の上に複数の圧電振動体を形成する圧電発音体の断面図、図４は本発明の圧電薄膜１４と空洞１７とを異なる中心とする圧電発音体の断面図、図５（ａ）は本発明の大きさの異なる圧電発音体および空洞１７からなる圧電発音体の断面図、図５（ｂ）は本発明の異なる圧電発音体の音圧における周波数特性図である。
【００３８】
図３に示すように複数の圧電薄膜１４および振動板の下に一つの音孔としての空洞１７を設けた構成であり、圧電発音体の高密度化が図れる。
【００３９】
図４はそれぞれの圧電薄膜１４の下に音孔としての空洞１７を設け、圧電薄膜１４の中心線２０ａ、２１ａ、２２ａとその下の空洞１７の中心線２０ｂ、２１ｂ、２２ｂが異なる構成とすることにより空洞１７の定在波が抑制できる。
【００４０】
図５（ａ）はそれぞれの圧電薄膜１４ａ〜１４ｃの下に大きさＳ１、Ｓ２、Ｓ３の音孔としての空洞１７ａ〜１７ｃを設け、かつ空洞１７ａ〜１７ｃの大きさの関係をＳ１＞Ｓ２＞Ｓ３とし、図５（ｂ）に示すように再生する音の帯域の低域２３ａを大きさＳ１の音孔、中域２３ｂを大きさＳ２の音孔、高域２３ｃを大きさＳ３の音孔とすることにより広帯域な音の再生が可能となる。
【００４１】
次に、図６は本発明の圧電発音体を駆動させる装置の構成図である。上部電極の給電端子２４に駆動電源２６からの電圧を減衰調整器２５を介して印加して下部電極端子１８からＧＮＤに設置する。
【００４２】
ここではシリコン基板１１から発生する圧電発音体を集音マイク２７で集音し、計測器２８により周波数と音圧を求めた。その得られた周波数と音圧との特性を図７に示す。図７は横軸に周波数、縦軸に音圧を示す特性図である。図７に示すように２つのピーク３１，３２を有した曲線が得られた。これは圧電薄膜１４および音孔の大きさの違いによる特性の差が出ている。圧電薄膜１４および音孔の小さい部分では、高い周波数帯域と小さい音圧の再生を示し、一方圧電薄膜１４および音孔の大きい方は低い周波数帯域と大きな音圧の再生となっている。つまり圧電薄膜１４の大きさにより垂直方向２９である音圧を自由に変えることができる。また音孔の大きさにより水平方向３０である周波数を自由に変えることができる。従ってこの２つの特性ピークは２種類の圧電薄膜１４および音孔の大きさにより周波数特性および音圧が異なると解釈できる。またピーク値の縦軸の音圧の強度は音孔の数量でも変化させることができる。つまり音孔の数量が多い程音圧を増加させることが可能となる。従って音孔の数量、圧電薄膜１４および音孔の大きさで周波数特性を自由に組み合わせた設計ができるのである。すなわち多種多数の音孔および圧電薄膜１４を組み合わせて構成することにより音圧が平坦かつ広帯域な特性を得ることができる。
【００４３】
例えば、音孔が楕円の場合、振動板の縦横の共振周波数が異なるため共振周波数が分散して振動板の機械的共振先鋭度も低下し、再生音の帯域が広がる特徴を有する。さらに音孔が四角形、音孔の縦、横、斜め等の共振周波数がそれぞれ異なるため再生音の周波数帯域が広くなる。また圧電薄膜１４が振動板より中心がずれた場合、共振の定在波振動が起こり難いことから再生音の周波数特性によるピーク周波数が分散され、結果的に帯域幅の広い発音体が得られるのである。
【００４４】
次に、図８を用いて音圧特性について説明する。図８は音孔面積に対する圧電薄膜の面積比率と音圧の関係を示す特性図である。音孔の形状により多少の数値が異なるが傾向は大きく変化しない。
【００４５】
図８は横軸に圧電薄膜の面積比率、縦軸に音圧としている。この結果から圧電薄膜の面積比率が０．２以下、０．９５以上で極端に音圧が小さくなることを示している。実用的には面積比率０．２以上、０．９５以下が最適範囲である。圧電薄膜の面積比率が１の近傍で音圧が減じているのは振動板を固定している部分の駆動効率が低下しているために生じていると考えられる。
【００４６】
このように本発明は多種多様の形状の音孔と音孔に対する圧電薄膜の面積比率を選ぶことにより音圧および周波数帯域が制御できる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明にかかる圧電発音体は、一枚の振動板としての金属酸化物からなる薄板と、この振動板上に形成する下部電極と、この下部電極上の所定部分に形成する圧電薄膜と、この圧電薄膜の周縁部および下部電極を覆うように形成する絶縁膜と、前記圧電薄膜および絶縁膜を覆うように形成する上部電極とからなる圧電振動体を少なくとも２つ以上備えた圧電発音体であり、一枚の振動板上に複数の異なる帯域の圧電振動体を形成するため、広帯域の音の再生ができると共に下部電極上の所定部分に圧電薄膜を形成するため、不要振動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の一実施の形態における圧電発音体の断面図
【図２】（ａ）〜（ｉ）本発明の一実施の形態における圧電発音体の製造プロセスを示す工程図
【図３】本発明の一つの音孔としての空洞上に複数の圧電振動体を形成する圧電発音体の断面図
【図４】本発明の圧電薄膜と空洞とを異なる中心とする圧電発音体の断面図
【図５】（ａ）本発明の大きさの異なる圧電発音体および空洞からなる圧電発音体の断面図、（ｂ）本発明の異なる圧電発音体の音圧における周波数特性図
【図６】本発明の圧電発音体を駆動させる装置の構成図
【図７】音圧を示す特性図
【図８】音孔面積に対する圧電薄膜の面積比率と音圧の関係を示す特性図
【図９】従来の圧電発音体の断面図
【符号の説明】
【００４９】
１０  圧電発音体
１１  支持体
１２  薄板
１３  下部電極
１４  圧電薄膜
１５  絶縁膜
１６  上部電極
１７  空洞
１８  下部電極端子
１９  レジスト膜
２０ａ  圧電薄膜の中心線
２０ｂ  空洞の中心線
２１ａ  圧電薄膜の中心線
２１ｂ  空洞の中心線
２２ａ  圧電薄膜の中心線
２２ｂ  空洞の中心線
２３ａ  低域
２３ｂ  中域
２３ｃ  高域
２４  上部電極端子
２５  減衰調整器
２６  信号源
２７  集音マイク
２８  計測器
２９  垂直方向
３０  水平方向
３１  ピーク
３２  ピーク
【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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