圧電型音響変換装置およびその製造方法
【課題】低消費電力にて駆動が可能な圧電型方式でありながら可聴域の振動レベルが高く、極めて小さな形状とすることが可能な圧電型音響変換装置の構造、およびその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】片面に凹部１２を有し他面に空洞１０ａを隣接して設けた基板１と、この凹部１２を設けた基板１の一部を第一の振動部２とし、この第一の振動部２の上に第一の導電層３を設け、この第一の導電層３の上に圧電体層４を設け、この圧電体層４の上に第二の導電層５を設けることにより形成したアクチュエータ６と、前記第一の振動部２のアクチュエータ６を形成していない所定の箇所に１つ以上の貫通孔１１を設け、前記空洞１０ａの上面に貫通孔９ａを有した第二の振動部８ａを有した構成とする。
【解決手段】片面に凹部１２を有し他面に空洞１０ａを隣接して設けた基板１と、この凹部１２を設けた基板１の一部を第一の振動部２とし、この第一の振動部２の上に第一の導電層３を設け、この第一の導電層３の上に圧電体層４を設け、この圧電体層４の上に第二の導電層５を設けることにより形成したアクチュエータ６と、前記第一の振動部２のアクチュエータ６を形成していない所定の箇所に１つ以上の貫通孔１１を設け、前記空洞１０ａの上面に貫通孔９ａを有した第二の振動部８ａを有した構成とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音あるいは振動と電気信号を双方的に変換するものであり、特にイヤホン、マイクロレシーバ、補聴器など小型化が要求される圧電型音響変換装置およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の音響変換器としては次のようなものがある。
【０００３】
例えば補聴器では、空気中に伝わる音波を的確にとらえて電気信号に変換し、その電気信号をＤＳＰなどで増幅処理、波長調整などの信号処理を行った後、再び電気信号を音波に変換している。このように、補聴器では音波を電気信号に変換する音響変換器と、電気信号を音波に変換する音響変換器がそれぞれ用いられている。そして、これらが組み込まれた補聴器は使用者の耳穴に適切な形でセットされる。
【０００４】
また、これらに用いる音響変換器としては各種の方法があり、例えば音波の振動によってコンデンサの容量が変化することを利用して音波を電気信号に変換する方式や、コイルに電流を流して磁場を発生し、この磁場と周辺磁場との相互作用力によってダイアフラム部を振動させることで電気信号を音波に変換するものなどがある。
【０００５】
ここで、補聴器として使用するための音響変換器には小型のものが必要となり、更に電池にも小型なものが要求されているので消費電力も小さくする必要があるとされている。これに対して、例えば電磁方式では小型化に伴い磁石の設置などが困難であったり、また、消費電力が大きいことから電池寿命が短いという問題がある。
【０００６】
一方、圧電方式は圧電素子を金属板に接合、または薄膜形状とすることができるために小型化に最適であり、更に圧電駆動は低消費電力化を実現することができる。そのため、小型の各種携帯端末の携帯電話、パソコンなどの発音源あるいはマイクなどに用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−１５２３８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記従来の構成では小型化が更に要求される装置、例えば人の耳穴に完全に入ってしまうほどの極めて小さな形状の補聴器などへの利用は行われていない。
【０００８】
これは、小型化に伴って音響波の振動を発生もしくは受信する振動部の面積が小さくなることにより、圧電振動部が持つ共振周波数が高くなってしまうからである。その結果、可聴域である１００〜２００００Ｈｚの振動レベル、特に低周波領域の振動レベルが下がるために音響波の変換効率が著しく下がり、小さな形状の圧電型音響変換装置を実現することが難しかった。
【０００９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、可聴周波帯域の音圧特性に優れた小型の圧電型音響変換装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的を達成するために本発明は、片面の凹部と他面の空洞を隣接して設けた基板を備え、この凹部の底面に対応する基板の一部を第一の振動部とし、この第一の振動部の上に第一の導電層を設け、この第一の導電層の上に圧電体層を設け、この圧電体層の上に第二の導電層を設けることによりアクチュエータを形成し、前記第一の振動部のアクチュエータを形成していない所定の箇所に１つ以上の第一の貫通孔を設け、前記空洞の上面に第二の貫通孔を有した第二の振動部を設けた構成としたものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の音響変換装置およびその製造方法は、凹部を設けた基板の一部を第一の振動部とし、この第一の振動部の上にアクチュエータを設け、凹部に隣接して空洞を設け、この空洞の上面に貫通孔を有した第二の振動部を設けて第一の振動部と共振させながら第二の振動部を振動させることにより、可聴周波帯域における音圧特性に優れた小型の圧電型音響変換装置およびその製造方法を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における圧電型音響変換装置について、図面を参照しながら説明する。
【００１３】
図１は本発明の実施の形態１における圧電型音響変換装置の斜視図であり、図２は図１のＡ−Ａ部における断面図である。また、図３は本実施の形態１における別の例の圧電型音響変換装置の断面図である。
【００１４】
図１および図２において、基板１は例えばシリコンなどで形成されており、基板１の所定の位置には第一の振動部２を形成している。この第一の振動部２は基板１の片面側をエッチング加工などによって除去して基板１の片面に凹部１２を形成し、底面部で厚みの薄い第一の振動部２を形成することができる。この時の第一の振動部２の厚みをより薄く形成することにより共振周波数を低減することができることから、耳孔に入る小型の補聴器において可聴周波帯域の音圧特性を満足するためには１０μｍ以下の厚みとすることが望ましい。更に、この第一の振動部２は基板１と一体構造とすることにより、高精度、高均質な可聴周波帯域の音圧特性を有する圧電型音響変換装置を実現できる。特に、基板１にシリコンを用い、このシリコンをエッチングによって加工することにより第一の振動部２の形状および精度を高精度に制御することが可能である。
【００１５】
また、このような基板１の片面に凹部１２を形成することにより第一の振動部２の周囲のエッチングされていない基板１の部分は第一の振動部２を支えるフレーム７として機能する。そして、このフレーム７は第一の振動部２と一体構造とすることができることから、強固に精度良く第一の振動部２を支持する音響変換装置の構造を実現することができる。従って，異なった材料の組立による圧電型音響変換装置に見られるような膨張係数、温度特性などによる音圧特性の変化といった課題を解決することもできる。
【００１６】
また、このフレーム７の厚みも２００μｍ程度に加工することができることから、より小型化を図ることができる。
【００１７】
このようなフレーム７と第一の振動部２の構成を一体構造で実現するために基板１をエッチング加工によって形成することが望ましく、その基板１に用いる材質としては機械的特性、加工性、生産性の観点からシリコンを用いることが最も好ましい。その他の材質としては剛性に優れたものが適しており、ガラス、水晶、単結晶なども用いることができる。
【００１８】
次に、前記第一の振動部２の上面には白金などを用いて第一の導電層３を形成し、この第一の導電層３の上に圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛よりなる圧電体層４を形成し、更にこの圧電体層４の上に金よりなる第二の導電層５を積層して形成することによってアクチュエータ６を形成している。このアクチュエータ６は第一の導電層３と第二の導電層５に電気信号を印加することにより圧電体層４が伸縮することによって第一の振動部２が振動する。この電気信号を音響波に変換する手順は、まず発生させたい音響波の周波数と同じ周波数の電気信号を第一の導電層３および第二の導電層５の間にかけると、圧電体層４は周波数に伴う電場強度に従って伸び縮みする。一方、第一の導電層３には第一の振動部２が固着されているので、この圧電体層４の伸縮に伴って歪みが発生する。この歪みは第一の振動部２を厚み方向に振動させることになり、空気の振動、つまり音響波を発生させることができる。
【００１９】
ここで、大きな音響波を発生させるためには第一の振動部２の振動変位を大きくする必要がある。第一の振動部２が持つ振動変位は第一の振動部２が持つ硬さで決定し、柔らかい場合は振動変位が大きくなり、第一の振動部２の持つ硬さが硬い場合には振動変位が小さくなる。
【００２０】
また、第一の振動部２の共振周波数は第一の振動部２が持つ硬さに影響を受け、第一の振動部２が柔らかいときに共振周波数が低下し、硬いときには共振周波数が増加する。
【００２１】
これらのことから、例えば第一の振動部２の硬さは第一の振動部２の厚さに依存し、第一の振動部２の厚さが薄い場合は振動変位は大きくなるとともに共振周波数は低下し、低周波領域での振動変位を大きくすることができることから、より効率の良い音響変換を行うことができる。
【００２２】
また、前記第一の振動部２のアクチュエータ６を形成していない所定の箇所に一つ以上のスリット状の貫通孔１１を設けることによっても共振周波数を低減し、音圧特性を高めた圧電型音響変換装置とすることができる。
【００２３】
また、本実施の形態１では圧電体層４の形状（面積）を第一の振動部２の形状（面積）の５０〜７０％とすることにより、第一の振動部２の振動変位が最も大きくなり、効率の良い音響変換を行うことができる。
【００２４】
例えば、圧電体層４の形状が第一の振動部２の形状に比較し極端に小さい場合、圧電体層４のアクチュエータ６としての発生力は小さく、第一の振動部２の全体を動かすための十分な駆動力が得られず、第一の振動部２の振動変位は小さくなってしまう。また圧電体層４の形状を極端に大きくした場合、第一の振動部２が振動変位した時に屈曲する部分の硬さが硬くなり、第一の振動部２の振動変位は小さくなる。
【００２５】
また、第一の振動部２の形状を円、楕円または多角形のいずれかとすることにより所望の形状を有し音圧特性、音色などにも特徴を持たせた圧電型音響変換装置を実現することができる。
【００２６】
次に、前記第一の振動部２に隣接した所定の位置に第二の振動部８ａを設けている。本実施の形態１では、この第二の振動部８ａは第一の導電層３と同じ厚みとしており、非常に厚みの薄い振動膜を形成することができる。そして、この第二の振動部８ａの形状を第一の振動部２に共振可能な設計とすることにより、第一の振動部２に隣接共振して振動する。
【００２７】
この第二の振動部８ａは単一材料にて構成しており、図１においては第一の導電層３と同じ材料である白金にて形成している。この第二の振動部８ａはクロム、白金、チタン、イリジウムおよび金のいずれかとすることにより薄膜プロセスによって第一の導電層３と同時に形成することができ、生産性の効率を高めるとともに振動膜としても優れた特性を発揮することができる。
【００２８】
また、これとは別に第二の振動部８ａを二酸化珪素を含んだ無機酸化物の振動膜をスパッタ法などで形成することにより、音圧特性、音色の異なる圧電型音響変換装置を実現することができる。
【００２９】
また、第二の振動部８ａを樹脂の膜とすることにより、音圧特性、音色の異なる圧電型音響変換装置を実現することができる。
【００３０】
このようにして設けた第二の振動部８ａの振動は単一の材料による非常に薄い振動膜として形成することができることから、音圧特性に優れるとともに、歪みの少ない振動モードを有する圧電型音響変換装置を実現することができる。また、この第二の振動部８ａは第一の振動部２に近接させて配置することにより、その伝達ロスは最少とすることができる。本実施の形態１における圧電型音響変換装置としての音圧特性は第一の振動部２と第二の振動部８ａの合成された音響特性として作用する。
【００３１】
従って、この第一の振動部２と第二の振動部８ａの形状寸法、材質等を設計することにより所望の音圧特性を有する歪みの少ない圧電型音響変換装置を実現することができる。
【００３２】
ここで、第二の振動部８ａは単一の非常に薄い振動膜を形成することが重要であり、この第二の振動部８ａの厚みは０．１〜３μｍの非常に薄い振動板とすることができる。このような厚みにすることにより共振周波数を大幅に低くすることが可能となり、さらには第二の振動部８ａを単一材料で構成していることから振動の歪みを大幅に低減した音圧特性を実現することができる。
【００３３】
なお、この第二の振動板８ａの材料としてはクロム、白金、チタン、イリジウムおよび金のいずれか一つを含む材料とした金属を用いることができる。
【００３４】
また、二酸化珪素などを含む無機酸化物膜、あるいはエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、テフロン（登録商標）樹脂などの樹脂膜とすることも可能であり、所望の音圧特性、あるいは音質などに応じて第二の振動部８ａを実現することが可能である。
【００３５】
また、第二の振動部８ａの面積を第一の振動部２の面積よりも大きくすることにより第二の振動部８ａの音圧特性をより高めることができ、より歪みの少ない音圧特性を実現することができる。
【００３６】
また、第二の振動部８ａの貫通孔９ａの外周にスリット状の貫通孔を設けることにより、第二の振動部８ａが振動しやすくして、より共振周波数の低い、歪みの少ない振動特性を有する圧電型音響変換装置とすることができる。
【００３７】
次に、図３に示したように基板１の両面に空洞１０ａ，１０ｂと貫通孔９ａ，９ｂを有する第二の振動部８ａ，８ｂとを設けることにより、更に音圧特性を高めた圧電型音響変換装置を実現することができる。
【００３８】
次に、この第二の振動部８ａのほぼ中央には貫通孔９ａを形成している。この貫通孔９ａは空洞１０ａをエッチングによって形成するために設けているものであり、この貫通孔９ａからエッチング液あるいはエッチングガスを侵入させて空洞１０ａを形成することができる。従って、音圧特性の観点からはこの貫通孔９ａの形状は小さく設けることが望ましい。また、エッチングによって空洞１０ａを形成した後、前記貫通孔９ａを塞ぐことによって、より音圧特性を高めることも可能である。
【００３９】
以上のような構成とすることにより、非常に小型の可聴周波帯域における音圧特性に優れ、歪みの少ない圧電型音響変換装置を実現することができる。
【００４０】
すなわち、図２、あるいは図３に示すものは、何れも第一の振動部２と第二の振動部８ａを備えており、これら両者で音の発生、あるいは音の検出ができるようになっている。
【００４１】
例えば、音の発生時には、第一、第二の導電層３，５間に電気信号が供給され、それにより圧電体層４が歪み、第一の振動部２が振動し、その振動が第二の振動部８ａに伝達されて、共振し、これにより大きな音声振動とすることができる。
【００４２】
逆に音の検出時には、音により第一、第二の振動部２，８ａが共振状態で振動し、その振動を第一、第二の導電層３，５間から電気信号として取り出し、それを増幅後、他のスピーカで再生する。つまり、このときには補聴器として機能することになる。
【００４３】
以上のように構成した圧電型音響変換装置について、以下にその製造方法を説明する。
【００４４】
図４〜図９は本発明の実施の形態１における圧電型音響変換装置の製造方法を説明する断面図である。
【００４５】
まず始めに、図４に示すようなシリコンよりなる基板１を準備し、この基板１の上面に蒸着およびスパッタリング法によって、白金層１４を形成する。
【００４６】
次に、図５に示すようにこの白金層１４の上にチタン酸ジルコン酸鉛を圧電体層４として形成し、この圧電体層４の上に金を第二の導電層５として順に形成した。
【００４７】
ここで、白金とチタン酸ジルコン酸鉛の形成はスパッタリング法が圧電特性、生産性の観点から望ましく、金は生産性の観点から蒸着、スパッタリング法が望ましい。このような薄膜プロセスによって形成された圧電体層４は高い結晶性と配向性を持たせることができることから優れた圧電特性を有しているので電気−音響変換を効率よく行うことができる。
【００４８】
なお、第一の導電層３と第二の導電層５を白金、チタン、イリジウム、金およびクロムのいずれか一つを含む材料からなる薄膜電極とすることによっても前記と同様の効果を発揮することができる。
【００４９】
その後、レジストマスク（図示せず）を所定のパターンに形成した後、金、チタン酸ジルコン酸鉛、白金層１４をエッチングすることによって、図６に示すような第二の導電層５および圧電体層４および第一の導電層３からなるアクチュエータ６を形成する。このときのエッチング方法としてはウエットエッチングあるいはドライエッチングのいずれの方法も用いることができる。またこのアクチュエータ６を形成した後、レジストマスクは除去する。
【００５０】
なお、アクチュエータ６の形成をメタルマスクなどを用いて直接前記アクチュエータ６の形状に薄膜プロセスを用いて形成することも可能である。
【００５１】
次に、図７に示すようにレジストマスク（図示せず）を所定のパターンに形成した後、基板１の上面より所定の深さまでシリコンエッチングを行い、スリット状の貫通孔１１を形成する。エッチング後、前記レジストマスクは除去する。また、このエッチング方法としてはスリット状の貫通孔１１の幅を極力狭く形成するためにはドライエッチングが望ましい。
【００５２】
その後、図８に示すように基板１の裏面にレジストマスク１５を所定のパターンに形成し、基板１の下面側からエッチングすることによって基板１の片面に所定の振動部２の所定形状となるように凹部１２とスリット状の貫通孔１１を形成する。この凹部１２を形成した後、レジストマスク１５は除去する。
【００５３】
ここで、シリコンからなる基板１をエッチングする方法としてはエッチングを抑制するガス例えばＣ4Ｆ8、ＣＨＦ3などと、エッチングを促進するガス例えばＳＦ6、ＣＦ4、ＸｅＦ2などの少なくとも２種類のガスを混合して行うドライエッチングを行うことが望ましい。これはエッチングを促進するガスによってエッチングを少し行った後、エッチングを抑制するガスによってエッチングされた基板１の壁面に保護膜を形成する工程を繰り返すことにより、基板１の下面側から垂直にエッチングを進行させることができる。このような性質の異なる二つのガスを用いることにより微細なスリット状の貫通孔１１と、凹部１２を高精度に形成することができる。
【００５４】
次に、図９に示すように基板１の他面側にレジストマスク１６を形成し、貫通孔９ａよりエッチングガスを侵入させながらエッチングを行って空洞１０ａを形成する。この空洞１０ａを形成した後、レジストマスク１６は除去する。このとき、エッチングを促進するガスのみを用いてドライエッチングを行うことにより効率よく空洞１０ａを形成することができる。
【００５５】
このようにして、第一の振動部２と第二の振動部８ａを設けた圧電型音響変換装置を製造することができる。
【００５６】
また、本実施の形態１では第一の振動部２の形状を円形状としたが、この場合は振動部２の振動は円中心に対して点対称な振動となり、第一の振動部２の分割振動などによる振動の歪みを最小限に抑えることができる。
【００５７】
更に別の方法では、第一の振動部２の形状を楕円形状または多角形状とすることにより第一の振動部２が持つ振動共振モードを変化させて圧電型音響変換装置の周波数特性を制御することができたり、所望の外観形状に合わせて最適な形状を有する第一の振動部２を形成することにより小型化に最適な圧電型音響変換装置を実現することができる。
【００５８】
以上のような製造方法によって、直径が０．５〜５．０ｍｍφの第一の振動部２および第二の振動部８ａを有する圧電型音響変換装置を作製することができる。
【００５９】
以上説明してきたように、このような構成とすることにより可聴周波帯域における音圧特性に優れ、歪みの少ない小型の圧電型音響変換装置およびその製造方法を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
以上のように、本発明にかかる圧電型音響変換装置およびその製造方法は、小型で可聴周波帯域においても十分な音圧特性を有する圧電型音響変換装置を可能とすることができることから、補聴器、超小型スピーカ、マイクなどの用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施の形態１における圧電型音響変換装置の斜視図
【図２】同断面図
【図３】同別の例１の圧電型音響変換装置の断面図
【図４】同圧電型音響変換装置の製造方法を説明するための断面図
【図５】同断面図
【図６】同断面図
【図７】同断面図
【図８】同断面図
【図９】同断面図
【符号の説明】
【００６２】
１ 基板
２ 第一の振動部
３ 第一の導電層
４ 圧電体層
５ 第二の導電層
６ アクチュエータ
７ フレーム
８ａ，８ｂ 第二の振動部
９ａ，９ｂ 貫通孔
１０ａ，１０ｂ 空洞
１１ 貫通孔
１２ 凹部
１４ 白金層
１５ レジストマスク
１６ レジストマスク
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音あるいは振動と電気信号を双方的に変換するものであり、特にイヤホン、マイクロレシーバ、補聴器など小型化が要求される圧電型音響変換装置およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の音響変換器としては次のようなものがある。
【０００３】
例えば補聴器では、空気中に伝わる音波を的確にとらえて電気信号に変換し、その電気信号をＤＳＰなどで増幅処理、波長調整などの信号処理を行った後、再び電気信号を音波に変換している。このように、補聴器では音波を電気信号に変換する音響変換器と、電気信号を音波に変換する音響変換器がそれぞれ用いられている。そして、これらが組み込まれた補聴器は使用者の耳穴に適切な形でセットされる。
【０００４】
また、これらに用いる音響変換器としては各種の方法があり、例えば音波の振動によってコンデンサの容量が変化することを利用して音波を電気信号に変換する方式や、コイルに電流を流して磁場を発生し、この磁場と周辺磁場との相互作用力によってダイアフラム部を振動させることで電気信号を音波に変換するものなどがある。
【０００５】
ここで、補聴器として使用するための音響変換器には小型のものが必要となり、更に電池にも小型なものが要求されているので消費電力も小さくする必要があるとされている。これに対して、例えば電磁方式では小型化に伴い磁石の設置などが困難であったり、また、消費電力が大きいことから電池寿命が短いという問題がある。
【０００６】
一方、圧電方式は圧電素子を金属板に接合、または薄膜形状とすることができるために小型化に最適であり、更に圧電駆動は低消費電力化を実現することができる。そのため、小型の各種携帯端末の携帯電話、パソコンなどの発音源あるいはマイクなどに用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−１５２３８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記従来の構成では小型化が更に要求される装置、例えば人の耳穴に完全に入ってしまうほどの極めて小さな形状の補聴器などへの利用は行われていない。
【０００８】
これは、小型化に伴って音響波の振動を発生もしくは受信する振動部の面積が小さくなることにより、圧電振動部が持つ共振周波数が高くなってしまうからである。その結果、可聴域である１００〜２００００Ｈｚの振動レベル、特に低周波領域の振動レベルが下がるために音響波の変換効率が著しく下がり、小さな形状の圧電型音響変換装置を実現することが難しかった。
【０００９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、可聴周波帯域の音圧特性に優れた小型の圧電型音響変換装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的を達成するために本発明は、片面の凹部と他面の空洞を隣接して設けた基板を備え、この凹部の底面に対応する基板の一部を第一の振動部とし、この第一の振動部の上に第一の導電層を設け、この第一の導電層の上に圧電体層を設け、この圧電体層の上に第二の導電層を設けることによりアクチュエータを形成し、前記第一の振動部のアクチュエータを形成していない所定の箇所に１つ以上の第一の貫通孔を設け、前記空洞の上面に第二の貫通孔を有した第二の振動部を設けた構成としたものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の音響変換装置およびその製造方法は、凹部を設けた基板の一部を第一の振動部とし、この第一の振動部の上にアクチュエータを設け、凹部に隣接して空洞を設け、この空洞の上面に貫通孔を有した第二の振動部を設けて第一の振動部と共振させながら第二の振動部を振動させることにより、可聴周波帯域における音圧特性に優れた小型の圧電型音響変換装置およびその製造方法を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における圧電型音響変換装置について、図面を参照しながら説明する。
【００１３】
図１は本発明の実施の形態１における圧電型音響変換装置の斜視図であり、図２は図１のＡ−Ａ部における断面図である。また、図３は本実施の形態１における別の例の圧電型音響変換装置の断面図である。
【００１４】
図１および図２において、基板１は例えばシリコンなどで形成されており、基板１の所定の位置には第一の振動部２を形成している。この第一の振動部２は基板１の片面側をエッチング加工などによって除去して基板１の片面に凹部１２を形成し、底面部で厚みの薄い第一の振動部２を形成することができる。この時の第一の振動部２の厚みをより薄く形成することにより共振周波数を低減することができることから、耳孔に入る小型の補聴器において可聴周波帯域の音圧特性を満足するためには１０μｍ以下の厚みとすることが望ましい。更に、この第一の振動部２は基板１と一体構造とすることにより、高精度、高均質な可聴周波帯域の音圧特性を有する圧電型音響変換装置を実現できる。特に、基板１にシリコンを用い、このシリコンをエッチングによって加工することにより第一の振動部２の形状および精度を高精度に制御することが可能である。
【００１５】
また、このような基板１の片面に凹部１２を形成することにより第一の振動部２の周囲のエッチングされていない基板１の部分は第一の振動部２を支えるフレーム７として機能する。そして、このフレーム７は第一の振動部２と一体構造とすることができることから、強固に精度良く第一の振動部２を支持する音響変換装置の構造を実現することができる。従って，異なった材料の組立による圧電型音響変換装置に見られるような膨張係数、温度特性などによる音圧特性の変化といった課題を解決することもできる。
【００１６】
また、このフレーム７の厚みも２００μｍ程度に加工することができることから、より小型化を図ることができる。
【００１７】
このようなフレーム７と第一の振動部２の構成を一体構造で実現するために基板１をエッチング加工によって形成することが望ましく、その基板１に用いる材質としては機械的特性、加工性、生産性の観点からシリコンを用いることが最も好ましい。その他の材質としては剛性に優れたものが適しており、ガラス、水晶、単結晶なども用いることができる。
【００１８】
次に、前記第一の振動部２の上面には白金などを用いて第一の導電層３を形成し、この第一の導電層３の上に圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛よりなる圧電体層４を形成し、更にこの圧電体層４の上に金よりなる第二の導電層５を積層して形成することによってアクチュエータ６を形成している。このアクチュエータ６は第一の導電層３と第二の導電層５に電気信号を印加することにより圧電体層４が伸縮することによって第一の振動部２が振動する。この電気信号を音響波に変換する手順は、まず発生させたい音響波の周波数と同じ周波数の電気信号を第一の導電層３および第二の導電層５の間にかけると、圧電体層４は周波数に伴う電場強度に従って伸び縮みする。一方、第一の導電層３には第一の振動部２が固着されているので、この圧電体層４の伸縮に伴って歪みが発生する。この歪みは第一の振動部２を厚み方向に振動させることになり、空気の振動、つまり音響波を発生させることができる。
【００１９】
ここで、大きな音響波を発生させるためには第一の振動部２の振動変位を大きくする必要がある。第一の振動部２が持つ振動変位は第一の振動部２が持つ硬さで決定し、柔らかい場合は振動変位が大きくなり、第一の振動部２の持つ硬さが硬い場合には振動変位が小さくなる。
【００２０】
また、第一の振動部２の共振周波数は第一の振動部２が持つ硬さに影響を受け、第一の振動部２が柔らかいときに共振周波数が低下し、硬いときには共振周波数が増加する。
【００２１】
これらのことから、例えば第一の振動部２の硬さは第一の振動部２の厚さに依存し、第一の振動部２の厚さが薄い場合は振動変位は大きくなるとともに共振周波数は低下し、低周波領域での振動変位を大きくすることができることから、より効率の良い音響変換を行うことができる。
【００２２】
また、前記第一の振動部２のアクチュエータ６を形成していない所定の箇所に一つ以上のスリット状の貫通孔１１を設けることによっても共振周波数を低減し、音圧特性を高めた圧電型音響変換装置とすることができる。
【００２３】
また、本実施の形態１では圧電体層４の形状（面積）を第一の振動部２の形状（面積）の５０〜７０％とすることにより、第一の振動部２の振動変位が最も大きくなり、効率の良い音響変換を行うことができる。
【００２４】
例えば、圧電体層４の形状が第一の振動部２の形状に比較し極端に小さい場合、圧電体層４のアクチュエータ６としての発生力は小さく、第一の振動部２の全体を動かすための十分な駆動力が得られず、第一の振動部２の振動変位は小さくなってしまう。また圧電体層４の形状を極端に大きくした場合、第一の振動部２が振動変位した時に屈曲する部分の硬さが硬くなり、第一の振動部２の振動変位は小さくなる。
【００２５】
また、第一の振動部２の形状を円、楕円または多角形のいずれかとすることにより所望の形状を有し音圧特性、音色などにも特徴を持たせた圧電型音響変換装置を実現することができる。
【００２６】
次に、前記第一の振動部２に隣接した所定の位置に第二の振動部８ａを設けている。本実施の形態１では、この第二の振動部８ａは第一の導電層３と同じ厚みとしており、非常に厚みの薄い振動膜を形成することができる。そして、この第二の振動部８ａの形状を第一の振動部２に共振可能な設計とすることにより、第一の振動部２に隣接共振して振動する。
【００２７】
この第二の振動部８ａは単一材料にて構成しており、図１においては第一の導電層３と同じ材料である白金にて形成している。この第二の振動部８ａはクロム、白金、チタン、イリジウムおよび金のいずれかとすることにより薄膜プロセスによって第一の導電層３と同時に形成することができ、生産性の効率を高めるとともに振動膜としても優れた特性を発揮することができる。
【００２８】
また、これとは別に第二の振動部８ａを二酸化珪素を含んだ無機酸化物の振動膜をスパッタ法などで形成することにより、音圧特性、音色の異なる圧電型音響変換装置を実現することができる。
【００２９】
また、第二の振動部８ａを樹脂の膜とすることにより、音圧特性、音色の異なる圧電型音響変換装置を実現することができる。
【００３０】
このようにして設けた第二の振動部８ａの振動は単一の材料による非常に薄い振動膜として形成することができることから、音圧特性に優れるとともに、歪みの少ない振動モードを有する圧電型音響変換装置を実現することができる。また、この第二の振動部８ａは第一の振動部２に近接させて配置することにより、その伝達ロスは最少とすることができる。本実施の形態１における圧電型音響変換装置としての音圧特性は第一の振動部２と第二の振動部８ａの合成された音響特性として作用する。
【００３１】
従って、この第一の振動部２と第二の振動部８ａの形状寸法、材質等を設計することにより所望の音圧特性を有する歪みの少ない圧電型音響変換装置を実現することができる。
【００３２】
ここで、第二の振動部８ａは単一の非常に薄い振動膜を形成することが重要であり、この第二の振動部８ａの厚みは０．１〜３μｍの非常に薄い振動板とすることができる。このような厚みにすることにより共振周波数を大幅に低くすることが可能となり、さらには第二の振動部８ａを単一材料で構成していることから振動の歪みを大幅に低減した音圧特性を実現することができる。
【００３３】
なお、この第二の振動板８ａの材料としてはクロム、白金、チタン、イリジウムおよび金のいずれか一つを含む材料とした金属を用いることができる。
【００３４】
また、二酸化珪素などを含む無機酸化物膜、あるいはエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、テフロン（登録商標）樹脂などの樹脂膜とすることも可能であり、所望の音圧特性、あるいは音質などに応じて第二の振動部８ａを実現することが可能である。
【００３５】
また、第二の振動部８ａの面積を第一の振動部２の面積よりも大きくすることにより第二の振動部８ａの音圧特性をより高めることができ、より歪みの少ない音圧特性を実現することができる。
【００３６】
また、第二の振動部８ａの貫通孔９ａの外周にスリット状の貫通孔を設けることにより、第二の振動部８ａが振動しやすくして、より共振周波数の低い、歪みの少ない振動特性を有する圧電型音響変換装置とすることができる。
【００３７】
次に、図３に示したように基板１の両面に空洞１０ａ，１０ｂと貫通孔９ａ，９ｂを有する第二の振動部８ａ，８ｂとを設けることにより、更に音圧特性を高めた圧電型音響変換装置を実現することができる。
【００３８】
次に、この第二の振動部８ａのほぼ中央には貫通孔９ａを形成している。この貫通孔９ａは空洞１０ａをエッチングによって形成するために設けているものであり、この貫通孔９ａからエッチング液あるいはエッチングガスを侵入させて空洞１０ａを形成することができる。従って、音圧特性の観点からはこの貫通孔９ａの形状は小さく設けることが望ましい。また、エッチングによって空洞１０ａを形成した後、前記貫通孔９ａを塞ぐことによって、より音圧特性を高めることも可能である。
【００３９】
以上のような構成とすることにより、非常に小型の可聴周波帯域における音圧特性に優れ、歪みの少ない圧電型音響変換装置を実現することができる。
【００４０】
すなわち、図２、あるいは図３に示すものは、何れも第一の振動部２と第二の振動部８ａを備えており、これら両者で音の発生、あるいは音の検出ができるようになっている。
【００４１】
例えば、音の発生時には、第一、第二の導電層３，５間に電気信号が供給され、それにより圧電体層４が歪み、第一の振動部２が振動し、その振動が第二の振動部８ａに伝達されて、共振し、これにより大きな音声振動とすることができる。
【００４２】
逆に音の検出時には、音により第一、第二の振動部２，８ａが共振状態で振動し、その振動を第一、第二の導電層３，５間から電気信号として取り出し、それを増幅後、他のスピーカで再生する。つまり、このときには補聴器として機能することになる。
【００４３】
以上のように構成した圧電型音響変換装置について、以下にその製造方法を説明する。
【００４４】
図４〜図９は本発明の実施の形態１における圧電型音響変換装置の製造方法を説明する断面図である。
【００４５】
まず始めに、図４に示すようなシリコンよりなる基板１を準備し、この基板１の上面に蒸着およびスパッタリング法によって、白金層１４を形成する。
【００４６】
次に、図５に示すようにこの白金層１４の上にチタン酸ジルコン酸鉛を圧電体層４として形成し、この圧電体層４の上に金を第二の導電層５として順に形成した。
【００４７】
ここで、白金とチタン酸ジルコン酸鉛の形成はスパッタリング法が圧電特性、生産性の観点から望ましく、金は生産性の観点から蒸着、スパッタリング法が望ましい。このような薄膜プロセスによって形成された圧電体層４は高い結晶性と配向性を持たせることができることから優れた圧電特性を有しているので電気−音響変換を効率よく行うことができる。
【００４８】
なお、第一の導電層３と第二の導電層５を白金、チタン、イリジウム、金およびクロムのいずれか一つを含む材料からなる薄膜電極とすることによっても前記と同様の効果を発揮することができる。
【００４９】
その後、レジストマスク（図示せず）を所定のパターンに形成した後、金、チタン酸ジルコン酸鉛、白金層１４をエッチングすることによって、図６に示すような第二の導電層５および圧電体層４および第一の導電層３からなるアクチュエータ６を形成する。このときのエッチング方法としてはウエットエッチングあるいはドライエッチングのいずれの方法も用いることができる。またこのアクチュエータ６を形成した後、レジストマスクは除去する。
【００５０】
なお、アクチュエータ６の形成をメタルマスクなどを用いて直接前記アクチュエータ６の形状に薄膜プロセスを用いて形成することも可能である。
【００５１】
次に、図７に示すようにレジストマスク（図示せず）を所定のパターンに形成した後、基板１の上面より所定の深さまでシリコンエッチングを行い、スリット状の貫通孔１１を形成する。エッチング後、前記レジストマスクは除去する。また、このエッチング方法としてはスリット状の貫通孔１１の幅を極力狭く形成するためにはドライエッチングが望ましい。
【００５２】
その後、図８に示すように基板１の裏面にレジストマスク１５を所定のパターンに形成し、基板１の下面側からエッチングすることによって基板１の片面に所定の振動部２の所定形状となるように凹部１２とスリット状の貫通孔１１を形成する。この凹部１２を形成した後、レジストマスク１５は除去する。
【００５３】
ここで、シリコンからなる基板１をエッチングする方法としてはエッチングを抑制するガス例えばＣ4Ｆ8、ＣＨＦ3などと、エッチングを促進するガス例えばＳＦ6、ＣＦ4、ＸｅＦ2などの少なくとも２種類のガスを混合して行うドライエッチングを行うことが望ましい。これはエッチングを促進するガスによってエッチングを少し行った後、エッチングを抑制するガスによってエッチングされた基板１の壁面に保護膜を形成する工程を繰り返すことにより、基板１の下面側から垂直にエッチングを進行させることができる。このような性質の異なる二つのガスを用いることにより微細なスリット状の貫通孔１１と、凹部１２を高精度に形成することができる。
【００５４】
次に、図９に示すように基板１の他面側にレジストマスク１６を形成し、貫通孔９ａよりエッチングガスを侵入させながらエッチングを行って空洞１０ａを形成する。この空洞１０ａを形成した後、レジストマスク１６は除去する。このとき、エッチングを促進するガスのみを用いてドライエッチングを行うことにより効率よく空洞１０ａを形成することができる。
【００５５】
このようにして、第一の振動部２と第二の振動部８ａを設けた圧電型音響変換装置を製造することができる。
【００５６】
また、本実施の形態１では第一の振動部２の形状を円形状としたが、この場合は振動部２の振動は円中心に対して点対称な振動となり、第一の振動部２の分割振動などによる振動の歪みを最小限に抑えることができる。
【００５７】
更に別の方法では、第一の振動部２の形状を楕円形状または多角形状とすることにより第一の振動部２が持つ振動共振モードを変化させて圧電型音響変換装置の周波数特性を制御することができたり、所望の外観形状に合わせて最適な形状を有する第一の振動部２を形成することにより小型化に最適な圧電型音響変換装置を実現することができる。
【００５８】
以上のような製造方法によって、直径が０．５〜５．０ｍｍφの第一の振動部２および第二の振動部８ａを有する圧電型音響変換装置を作製することができる。
【００５９】
以上説明してきたように、このような構成とすることにより可聴周波帯域における音圧特性に優れ、歪みの少ない小型の圧電型音響変換装置およびその製造方法を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
以上のように、本発明にかかる圧電型音響変換装置およびその製造方法は、小型で可聴周波帯域においても十分な音圧特性を有する圧電型音響変換装置を可能とすることができることから、補聴器、超小型スピーカ、マイクなどの用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施の形態１における圧電型音響変換装置の斜視図
【図２】同断面図
【図３】同別の例１の圧電型音響変換装置の断面図
【図４】同圧電型音響変換装置の製造方法を説明するための断面図
【図５】同断面図
【図６】同断面図
【図７】同断面図
【図８】同断面図
【図９】同断面図
【符号の説明】
【００６２】
１ 基板
２ 第一の振動部
３ 第一の導電層
４ 圧電体層
５ 第二の導電層
６ アクチュエータ
７ フレーム
８ａ，８ｂ 第二の振動部
９ａ，９ｂ 貫通孔
１０ａ，１０ｂ 空洞
１１ 貫通孔
１２ 凹部
１４ 白金層
１５ レジストマスク
１６ レジストマスク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
片面の凹部と他面の空洞を隣接して設けた基板を備え、この凹部の底面に対応する基板の一部を第一の振動部とし、この第一の振動部の上に第一の導電層を設け、この第一の導電層の上に圧電体層を設け、この圧電体層の上に第二の導電層を設けることによりアクチュエータを形成し、前記第一の振動部のアクチュエータを形成していない所定の箇所に１つ以上の第一の貫通孔を設け、前記空洞の上面に第二の貫通孔を有した第二の振動部を設けた圧電型音響変換装置。
【請求項２】
基板をシリコンとした請求項１に記載の圧電型音響変換装置。
【請求項３】
基板をシリコンと、二酸化珪素または二酸化珪素を含む材料と、シリコンとからなる積層基板とした請求項１に記載の圧電型音響変換装置。
【請求項４】
第一の振動部の厚みを１０μｍ以下とした請求項１に記載の圧電型音響変換装置。
【請求項５】
第一の導電層と第二の導電層を白金、チタン、イリジウム、金およびクロムのいずれか一つを含む材料からなる薄膜電極とし、圧電体層をチタン酸ジルコン酸鉛からなる薄膜圧電体とした請求項１に記載の圧電型音響変換装置。
【請求項６】
第一の振動部の形状を円、楕円または多角形のいずれかとした請求項１に記載の圧電型音響変換装置。
【請求項７】
圧電体層の面積を振動部の面積の５０％〜７０％とした請求項１に記載の圧電型音響変換装置。
【請求項８】
空洞と、空洞の上面に第二の貫通孔を有した第二の振動部を基板の両面に設けた請求項１に記載の圧電型音響変換装置。
【請求項９】
第二の振動部をクロム、白金、チタン、イリジウムおよび金のいずれか一つを含む材料とした請求項１に記載の圧電型音響変換装置。
【請求項１０】
第二の振動部を二酸化珪素を含む材料とした請求項１に記載の圧電型音響変換装置。
【請求項１１】
第二の振動部を樹脂を含む材料とした請求項１に記載の圧電型音響変換装置。
【請求項１２】
第二の振動部の面積を第一の振動部の面積よりも大きくした請求項１に記載の圧電型音響変換装置。
【請求項１３】
第二の振動部にスリット状の貫通孔を設けた請求項１に記載の圧電型音響変換装置。
【請求項１４】
片面の凹部と他面の空洞を隣接して設けた基板を備え、この凹部の底面に対応する基板の一部を第一の振動部とし、この第一の振動部の上に第一の導電層を設け、この第一の導電層の上に圧電体層を設け、この圧電体層の上に第二の導電層を設けることによりアクチュエータを形成し、前記第一の振動部のアクチュエータを形成していない所定の箇所に１つ以上の第一の貫通孔を設け、前記空洞の上面に第二の貫通孔を有した第二の振動部を設けた圧電型音響変換装置の製造方法であって、
基板の他面に第一の導電層を形成し、この第一の導電層の上に圧電体層を形成し、この圧電体層の上に第二の導電層を形成してアクチュエータを形成する第一の工程と、エッチングによって第一の振動部となる基板の一部にエッチングによってスリットを形成する第二の工程と、エッチングによって基板の他面に凹部およびスリットから貫通孔を形成する第三の工程と、基板の他面に第二の貫通孔を有する第二の振動部を形成する第四の工程と、エッチングによって空洞を形成する第五の工程とを有する圧電型音響変換装置の製造方法。
【請求項１５】
第一の工程におけるアクチュエータと第四の工程における第二の振動部の形成を薄膜プロセスにて行う請求項１４に記載の圧電型音響変換装置の製造方法。
【請求項１６】
第二の工程、第三の工程および第五の工程におけるエッチングをドライエッチングにて行う請求項１４に記載の圧電型音響変換装置の製造方法。
【請求項１７】
ドライエッチングに用いるガスとしてエッチングを抑制するガスとエッチングを促進するガスの混合ガスを用いて行う請求項１６に記載の圧電型音響変換装置の製造方法。
【請求項１８】
第五の工程において、エッチングを促進するガスのみを用いてドライエッチングを行う請求項１４に記載の圧電型音響変換装置の製造方法。
【請求項１】
片面の凹部と他面の空洞を隣接して設けた基板を備え、この凹部の底面に対応する基板の一部を第一の振動部とし、この第一の振動部の上に第一の導電層を設け、この第一の導電層の上に圧電体層を設け、この圧電体層の上に第二の導電層を設けることによりアクチュエータを形成し、前記第一の振動部のアクチュエータを形成していない所定の箇所に１つ以上の第一の貫通孔を設け、前記空洞の上面に第二の貫通孔を有した第二の振動部を設けた圧電型音響変換装置。
【請求項２】
基板をシリコンとした請求項１に記載の圧電型音響変換装置。
【請求項３】
基板をシリコンと、二酸化珪素または二酸化珪素を含む材料と、シリコンとからなる積層基板とした請求項１に記載の圧電型音響変換装置。
【請求項４】
第一の振動部の厚みを１０μｍ以下とした請求項１に記載の圧電型音響変換装置。
【請求項５】
第一の導電層と第二の導電層を白金、チタン、イリジウム、金およびクロムのいずれか一つを含む材料からなる薄膜電極とし、圧電体層をチタン酸ジルコン酸鉛からなる薄膜圧電体とした請求項１に記載の圧電型音響変換装置。
【請求項６】
第一の振動部の形状を円、楕円または多角形のいずれかとした請求項１に記載の圧電型音響変換装置。
【請求項７】
圧電体層の面積を振動部の面積の５０％〜７０％とした請求項１に記載の圧電型音響変換装置。
【請求項８】
空洞と、空洞の上面に第二の貫通孔を有した第二の振動部を基板の両面に設けた請求項１に記載の圧電型音響変換装置。
【請求項９】
第二の振動部をクロム、白金、チタン、イリジウムおよび金のいずれか一つを含む材料とした請求項１に記載の圧電型音響変換装置。
【請求項１０】
第二の振動部を二酸化珪素を含む材料とした請求項１に記載の圧電型音響変換装置。
【請求項１１】
第二の振動部を樹脂を含む材料とした請求項１に記載の圧電型音響変換装置。
【請求項１２】
第二の振動部の面積を第一の振動部の面積よりも大きくした請求項１に記載の圧電型音響変換装置。
【請求項１３】
第二の振動部にスリット状の貫通孔を設けた請求項１に記載の圧電型音響変換装置。
【請求項１４】
片面の凹部と他面の空洞を隣接して設けた基板を備え、この凹部の底面に対応する基板の一部を第一の振動部とし、この第一の振動部の上に第一の導電層を設け、この第一の導電層の上に圧電体層を設け、この圧電体層の上に第二の導電層を設けることによりアクチュエータを形成し、前記第一の振動部のアクチュエータを形成していない所定の箇所に１つ以上の第一の貫通孔を設け、前記空洞の上面に第二の貫通孔を有した第二の振動部を設けた圧電型音響変換装置の製造方法であって、
基板の他面に第一の導電層を形成し、この第一の導電層の上に圧電体層を形成し、この圧電体層の上に第二の導電層を形成してアクチュエータを形成する第一の工程と、エッチングによって第一の振動部となる基板の一部にエッチングによってスリットを形成する第二の工程と、エッチングによって基板の他面に凹部およびスリットから貫通孔を形成する第三の工程と、基板の他面に第二の貫通孔を有する第二の振動部を形成する第四の工程と、エッチングによって空洞を形成する第五の工程とを有する圧電型音響変換装置の製造方法。
【請求項１５】
第一の工程におけるアクチュエータと第四の工程における第二の振動部の形成を薄膜プロセスにて行う請求項１４に記載の圧電型音響変換装置の製造方法。
【請求項１６】
第二の工程、第三の工程および第五の工程におけるエッチングをドライエッチングにて行う請求項１４に記載の圧電型音響変換装置の製造方法。
【請求項１７】
ドライエッチングに用いるガスとしてエッチングを抑制するガスとエッチングを促進するガスの混合ガスを用いて行う請求項１６に記載の圧電型音響変換装置の製造方法。
【請求項１８】
第五の工程において、エッチングを促進するガスのみを用いてドライエッチングを行う請求項１４に記載の圧電型音響変換装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００６−１００９５５（Ｐ２００６−１００９５５Ａ）
【公開日】平成１８年４月１３日（２００６．４．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２８１８００（Ｐ２００４−２８１８００）
【出願日】平成１６年９月２８日（２００４．９．２８）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年４月１３日（２００６．４．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月２８日（２００４．９．２８）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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