説明

圧電型音響変換装置

【課題】低消費電力にて可聴周波数帯域の振動レベルが高く、極めて小さなサイズとすることが可能であり、効率良く音波と電気信号を変換することができる圧電型音響変換装置が望まれていた。
【解決手段】一つの開口部1を有する振動容器2と、この振動容器2の中に装填した圧電型音響変換素子3からなる圧電型音響変換装置であって、圧電型音響変換素子3は空隙部4を設けたフレーム5、振動部6と、前記振動部6の一面に形成した第一の導電体層7、圧電体層8、第二の導電体層9からなるアクチュエータ部10とからなり、さらにこの振動部6の一端が片持支持構造とするとともに振動部6は厚み方向に反った形状とし、且つこの振動部6の先端が前記振動容器2の開口部1に対向配置するように構成する。

【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器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第一の音響変換器によって的確にとらえて電気信号に変換し、その電気信号をDSP(デジタル・シグナル・プロセッサ)などで増幅処理、波長調整などの信号処理を行った後、再び第二の音響変換器によって電気信号を音波に変換する。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、音あるいは振動と電気信号を変換するために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、電圧を印加すると結晶が変位する圧電性を利用した電気機械変換方式、あるいは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がある。
【0005】
一方、補聴器には小型のものが望まれ、耳穴に完全に隠れた状態にするためには音響変換器は極めて小さなサイズとする必要がある。しかし、音波の振動を発生もしくは受信する振動部の大きさが小さくなると、振動部が持つ共振周波数が高くなり、可聴域である100〜20000Hzの振動レベルが下がるので音波の変換効率が著しく下がる。その結果として、補聴器として望まれる小さなサイズのものを実現することが難しく、耳かけ型のように耳穴の外に装置を設置せざるを得ない。
【0006】
さらに、電池にも小型なものが要求されることから交換頻度を極力減らすために電池寿命を長くすること、つまり消費電力を小さくする必要があるとされている。
【0007】
しかしながら、例えば電磁方式では素子の小型化に伴い周辺磁場を発生させるために高性能な磁石の使用が不可欠となっている。また電流量を多く必要とするため消費電力が大きくなり、電池の小型化が困難であるという問題がある。
【0008】
これに対して、消費電流の小さい音響変換器である圧電型音響変換器は圧電素子を金属板に接合、または蒸着した板状体であるため小型化に最適であり、さらに圧電駆動は電流値低減が可能なため低消費電力化を行うことができる。そのため、小型化と低消費電力化が要望される電子機器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】
【0009】
しかしながら、前記従来の構成では一般家庭用小型スピーカシステムとしての利用を想定したものであり、もっと小型化が要求される音響変換装置、例えば人の耳穴に完全に入ってしまうほどの小さな補聴器などへの利用を可能とする高性能な音響変換器については何ら開示されていない。これは、スピーカもしくはマイクの小型化に伴い、音波の振動を発生もしくは受信する振動部の大きさが小さくなるため、振動部が持つ共振周波数が高くなってしまい、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音波の変換効率が著しく下がり、結果として圧電型方式では補聴器として望まれる極めて小さなサイズのものを実現することが難しかったからであり、従来の素子は振動部面に対して垂直方向へしか効率良く音波を発することができず、素子をパッケージに装填した際には素子の配置方法に制限があった。
【0010】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、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、極めて小さなサイズとすることが可能であり、効率良く音波と電気信号を変換することができる圧電型音響変換装置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】
【0011】
前記従来の課題を解決するために、本発明は、少なくとも一つの開口部を有する振動容器と、この振動容器の中に装填した圧電型音響変換素子からなる圧電型音響変換装置であって、圧電型音響変換素子は空隙部を設けたフレームと、振動部と、アクチュエータ部とからなり、さらにこの振動部の一端が前記フレームに支持された片持支持構造とするとともに前記振動部は厚み方向に反った形状とし、且つこの振動部の先端が前記振動容器の開口部に対向するように配置した圧電型音響変換装置とするものである。
【発明の効果】
【0012】
本発明の圧電型音響変換装置は、圧電型音響変換素子の振動部を反らせることによって音波を所定の方向へ発することができ、この圧電型音響変換素子を一つの開口部を有する振動容器の中に装填することにより、低周波領域にも十分なレベルを持ちながら極めて小さく構成することが可能となり、例えば人の耳穴に挿入することができる小型の圧電型音響変換装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
(実施の形態1)
以下、本発明の実施の形態1における音響変換器について、図面を参照しながら説明する。
【0014】
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は圧電型音響変換装置の内部に装填している圧電型音響変換素子の平面図であり、図4は図3のB−B部における断面図である。図5〜図9は本実施の形態1における圧電型音響変換装置に装填する圧電型音響変換素子の製造方法を説明するための断面工程図である。また、図10は他の形態の圧電型音響変換素子の断面図であり、図11〜図14は他の形態の圧電型音響変換素子の平面図と断面図である。
【0015】
まず、圧電型音響変換装置の構成について説明する。図1〜図4において、本発明の圧電型音響変換装置は少なくとも一つの開口部1を有する振動容器2の内部に圧電型音響変換素子3を装填し、この圧電型音響変換素子3の振動によって発した音波を開口部1から所定の方向に発することができる圧電型音響変換装置であり、前記圧電型音響変換素子3は空隙部4を設けたフレーム5と、このフレーム5の一部を薄く加工することによって一体化形成した振動部6と、前記振動部6の少なくとも一面に第一の導電体層7、圧電体層8および第二の導電体層9の積層構造を有するアクチュエータ部10とから構成するとともに、前記振動部6を振動部6の厚み方向に反った形状としている。さらに、この振動部6の一端は前記フレーム5に一体支持された片持支持構造とするとともに厚み方向に反った振動部6の先端が前記振動容器2の開口部1に対向するように配置した構造とすることによって、直接開口部1に向かって振動部6から発せられた音波に加えて開口部1以外の方向に発せられた音波も振動容器2の内壁で反射することによって効率よく開口部1から音波を発することができることから変換効率に優れた音響変換装置を実現することができる。
【0016】
また、前記圧電型音響変換素子3を開口部1に対して垂直面内に配置するように振動容器2の内部に装填した構造とすることにより、例えば人の耳孔の寸法には制限があるが耳孔の奥行きの寸法には耳孔の寸法に比較して余裕があることから、圧電型音響変換素子3の振動部6の長さを振動容器2の内部で最大長に設計することができることから可聴周波数帯域における変換効率に優れた音響変換装置を実現することができる。
【0017】
なお、開口部1の形状は音響特性に合わせて所定の形状とすることが可能であり、例えば、振動部6の形状に対応するように小さな開口径を有する小孔を複数規則的に配列した構成とすることも可能である。さらに振動部6の形状に合わせて開口部1の大小あるいは形状を音響設計することによって指向性、変換効率などの設計が可能である。
【0018】
また、開口部1には図1に示したような筒状の音道を設けることも可能である。
【0019】
次に、図3と図4を用いて振動容器2の内部に装填している圧電型音響変換素子3の構造についてさらに詳細に説明する。空隙部4を有するフレーム5はシリコン基板などを加工することによって形成することができ、このフレーム5には同じシリコン基板からエッチング加工などによって薄片状に形成した振動部6を形成している。この振動部6の形状は振動周波数帯域、音圧などの観点から音響設計することによって所定の形状を決定することができる。例えば、厚み500μmのシリコン基板を用いて長さを5mm、幅を3mmとし、振動部6の寸法形状を長さ;3.8mm、幅;1.6mm、厚み;10μmをシリコン基板をエッチング加工することによって作製した。このようにエッチング加工によってフレーム5と一体化した非常に厚みの薄い振動部6を作製することができる。この厚みの薄い振動部6を実現することによって可聴周波数帯域を低域まで再生可能な振動部6を設計することができる。
【0020】
そして、前記振動部6の上面には蒸着、スパッタ法などの薄膜プロセスなどを用いて白金よりなる第一の導電体層7を形成し、この第一の導電体層7の上にチタン酸ジルコン酸鉛よりなる圧電体層8を形成し、この圧電体層8の上に金よりなる第二の導電体層9を形成することによってアクチュエータ部10を構成している。例えば、このアクチュエータ部10の形状は第一の導電体層7;0.45μm、圧電体層8;2.5μm、第二の導電体層9;0.30μmとして形成することができる。このような構成と製造プロセス条件を制御することにより振動部6は厚み方向に約500μm反った形状とすることができた。このような構成の圧電型音響変換素子3の周波数帯域は100Hz〜5kHzの範囲に設計することができた。
【0021】
このように、振動部6はシリコンより構成し、その上にアクチュエータ部10を形成することによって振動部6は厚み方向に反った形状とすることができる。そして、この振動部6の反り量は材質の組み合わせ、寸法形状、製造条件によって異なってくるのでそれらを最適条件に設定することによって所望の反り量を実現することができる。
【0022】
次に、このアクチュエータ部10を構成する第一の導電体層7と第二の導電体層9に電圧を印加することによってアクチュエータ部10を変位させ、このアクチュエータ部10に一体化された振動部6が変位するように構成している。この振動部6はフレーム5に一体化された構造を有しており、この振動部6は片持支持構造を採用している。
【0023】
また、この振動部6は先端が振動部6の厚み方向に反った形状としており、フレーム5の外側に振動部6の先端部がはみ出したように形成するとともに、振動部6の先端部が振動容器2に設けた開口部1の中央部に対向配置するように構成することによって振動部6の長さを例えば耳孔の大きさに制限されることなく比較的自由に設計することが可能となるとともに開口部1より音波を集中して受発振することができる圧電型音響変換素子3を実現することができる。
【0024】
以上のように構成した圧電型音響変換装置に用いる圧電型音響変換素子3について、以下にその製造方法を説明する。
【0025】
図5〜図8は本発明の実施の形態1における音響変換素子の製造方法を説明する断面図である。
【0026】
まず、図5に示すようにシリコンよりなる厚み500μmの基板11を準備する。
【0027】
次に、図6に示すように基板11の上面に厚み0.45μmの白金層12、厚み2.5μmのチタン酸ジルコン酸鉛層13、厚み0.30μmの金層14を順次薄膜技術を用いて形成する。このうち、白金層12、チタン酸ジルコン酸鉛層13は特性の観点からスパッタリング法が望ましく、金14は生産性の観点から蒸着法が望ましい。このような薄膜技術の組み合わせにより、チタン酸ジルコン酸鉛層13は高い結晶性と配向性を有することが可能となり、優れた圧電特性を実現できることから電気−音響変換を効率よく行うことができるアクチュエータ部を実現することができる。
【0028】
次に、図7に示すようにレジストマスク15を所定のパターンに形成し、金層14、チタン酸ジルコン酸鉛層13および白金層12をエッチングすることによって、第二の導電体層9および圧電体層8および第一の導電体層7として形成する。これに用いるエッチング方法としては微細なパターンを高精度に形成することができるドライエッチング法が望ましい。また、レジストマスク15はエッチング後に除去する。
【0029】
次に、図8に示すようにレジストマスク16を所定のパターンに形成し、基板11の上面よりシリコンエッチングを行うことによって空隙部4を形成する。この空隙部4の形成によって振動部6の長さを3.8mm、幅を1.6mmとなるようにエッチングを行った。このエッチング方法としてはドライエッチングが望ましく、レジストマスク16はエッチング後に除去する。
【0030】
さらに、図9に示すように基板11の裏面にレジストマスク17を所定のパターンに形成し、下面からエッチングすることによって基板11の厚さと同じフレーム5と、基板11の上面に基板11の一部を厚みが10μmになるようにエッチングを行うことによって、薄く加工した振動部6を形成することができる。そして、レジストマスク17はエッチング後に除去する。また、このエッチングによって薄く加工された振動部6が形成された際には振動部6にかかる応力の関係から、第二の導電体層9および圧電体層8および第一の導電体層7と基板11との間で発生していた応力が反りとなって現れ振動部6の厚み方向に反った状態となった圧電型音響変換素子を作製することができる。
【0031】
この振動部6の反りは基板11に対してアクチュエータ部10側の厚み方向へ反った形状であり、この振動部6は一端がフレーム5と一体化されており、片持支持構造の支持部から先端部にかけて反りが発生する前の振動部6の位置からすべて同一方向へ反った形状となる。また、その反りの方向はアクチュエータ部10に対して基板11側の厚み方向に反った形状を形成することができる。
【0032】
ここで、シリコンからなる基板11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C48、CHF3などと、エッチングを促進するガス、例えばSF6、CF4、XeF2など、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であることが望ましい。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11の下面に対して垂直な方向にエッチングを進行させることができる。以上説明してきたように、基板11にシリコンを用いることで高精度な小型の圧電型音響変換素子3を実現することができる。
【0033】
次に、以上のような構成を有する圧電型音響変換素子3を用いて電気信号を音波に変換する手順について説明する。
【0034】
まず、発生させたい音波の周波数と同じ周波数の電気信号を第一の導電体層7および第二の導電体層9の間にかける。これらの導電体層間7、9で電場を発生させると、圧電体層8は電場強度に従って寸法形状に固有の周波数帯域で伸び縮みする。
【0035】
一方、第一の導電体層7には振動部6が固着されているので、この圧電体層8の伸縮に伴って歪みが発生する。この歪みは振動部6を厚さ方向にたわみ振動することになり、より低周波数の振動、つまり音波を発生させることができる。
【0036】
ここで、信号レベルの大きな音波を発生させるためには振動部6の振動変位を大きくする必要がある。振動部6が持つ振動変位は、振動部6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、硬い場合は振動変位が小さくなる。また、他の手段として共振を利用し共振周波数で振動部6を振動させることで振動変位を大きくすることができる。この振動部6の共振周波数もまた、振動部6が持つ硬さで決定し、柔らかい場合は共振周波数が低下し、硬い場合は共振周波数が増加する。
【0037】
例えば振動部6の硬さは振動部6の厚さに依存し、振動部6の厚さが薄い場合は柔らかくなり、振動変位は大きくなる。また振動部6の厚さが薄い場合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、より効率の良い電気音響変換を行うことができる。
【0038】
また、本発明の実施の形態1では振動部6を厚み方向に反らせた形状とすることによって、振動部6がフレーム5に対して斜め方向に反った状態で振動するため、振動部6の振動により先端側へ音波を発することができる。
【0039】
また、図10に示すように第二の導電体層9の上にエポキシ樹脂などの樹脂層18を設けた構造とすることにより、振動部6の反りをさらに大きくすることができ、より音波を効率よく振動部6の先端側方向へ発することができるとともに周波数帯域のさらなる低周波化を実現することができる。さらに、この樹脂層18の厚さは塗布時のスピンコートやドライエッチングにより容易に制御することができるので振動部6の反り量を所定値に制御することができる。
【0040】
また、図11の平面図に示すように振動部6の先端側のフレーム19の一部を取り除いて切欠き部20を設けた構成とすることにより、振動部6の先端部に音波を遮るものが存在しなくなることから、振動部6の先端側方向への音波の進行もさらに効率良くすることができる圧電型音響変換素子を実現することができるので圧電型音響変換装置の音響変換効率を高めることができる。
【0041】
また、図12に示すように片持支持構造の振動部21が、支持側22から先端側23の方向に振動部21の厚みを薄くした構造を有する圧電型音響変換素子としており、このような構造とすることにより振動部21の片持支持構造の強度を高めることができるとともに振動部21の反り量をより大きくすることができることから、このような構成の圧電型音響変換素子3を圧電型音響変換装置へ装填したとき、圧電型音響変換素子の振動部21の音波を効率良く開口部1へ発することができる。
【0042】
また、図13に示すように振動部24の形状を支持部25の幅よりも先端部26の幅が大きくなるように空隙部4を設けた構造としており、このような形状とすることにより振動部24が持つ共振周波数を低下し、低周波数領域でも大きな変位を発生させることができることから、効率良い音響変換を行うことができる圧電型音響変換素子を実現することができる。
【0043】
また、図14に示すように振動部27の先端側に重り30を付加した構造であり、この重り30の質量により振動部27の共振周波数が低下し、低周波数領域でも大きな変位を発生させることができることから所望の振動周波数帯域を有する圧電型音響変換素子を実現することができる。
【0044】
なお、この重り30を配置する位置によっても振動周波数帯域の制御ができる。
【0045】
(実施の形態2)
以下、本発明の実施の形態2における圧電型音響変換装置に用いる圧電型音響変換素子の構成について、図面を参照しながら説明する。
【0046】
図15は本発明の実施の形態2における圧電型音響変換装置に用いる圧電型音響変換素子の断面図である。
【0047】
本実施の形態2の圧電型音響変換素子の構成が実施の形態1と大きく異なる点は、フレーム55を構成する材料にシリコン層42、二酸化珪素またはこれを含む酸化物層43およびシリコン層44とからなる積層基板を用いたことであり、その他の構成は実施の形態1と同じである。このような積層基板を用いた構成とすることにより、圧電型音響変換素子の振動部36の厚み寸法を高精度に制御した圧電型音響変換素子を実現することができるとともに、圧電型音響変換素子を高均質に製造することができる。
【0048】
シリコン層42、二酸化珪素層43およびシリコン層44が積層された積層基板は一般にSOI基板と呼ばれ、あらかじめ決められた設計値にしたものを容易に入手できる。ここで、重要なのはシリコン層42の厚みであり、このシリコン層42が振動部36の厚みとなることから所定の厚みを有するものを用意する必要がある。このシリコン層42の厚みは必要とする振動部36の厚みによって決めることができるが、可聴周波数帯域の振動部36とするためには通常2〜20μmの範囲が好ましい。
【0049】
この積層基板は実施の形態1とほぼ同じ製造方法によって製造することにより、図15に示した構造を有する圧電型音響変換素子を製造することができる。
【0050】
本実施の形態2における製造方法としては、アクチュエータ部10を作製した後、図9に示したように積層基板の裏側から実施の形態1で用いたエッチングガスを用いてシリコン層44をドライエッチングすると、エッチングストップ層として二酸化珪素層43が存在することになる。次に、この二酸化珪素層43をCF4ガスとArガスを用いてドライエッチングすると、次にエッチングストップ層としてシリコン層42が存在することになる。これによって多少過剰にエッチングした場合においても、振動部36の厚みが製造ロット間でばらつくことなく、シリコン基板単体を用いて製造したものに比較して、より高均質に安定して圧電型音響変換素子を製造することができる。
【産業上の利用可能性】
【0051】
以上のように、本発明にかかる圧電型音響変換装置は、低周波領域でも十分な音響レベルが得られ、また極めて小さく構成することができることから、例えば人の耳穴に挿入可能な補聴器などに有用である。
【図面の簡単な説明】
【0052】
【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】図1のA−A部における断面図
【図3】同圧電型音響変換装置に装填した圧電型音響変換素子の平面図
【図4】同図3のB−B部における断面図
【図5】同圧電型音響変換素子の製造方法を説明するための工程断面図
【図6】同断面図
【図7】同断面図
【図8】同断面図
【図9】同断面図
【図10】同他の形態の圧電型音響変換素子の断面図
【図11】同他の形態の圧電型音響変換素子の平面図
【図12】同他の形態の圧電型音響変換素子の断面図
【図13】同他の形態の圧電型音響変換素子の平面図
【図14】同他の形態の圧電型音響変換素子の断面図
【図15】本発明の実施の形態2における圧電型音響変換素子の断面図
【符号の説明】
【0053】
1 開口部
2 振動容器
3 圧電型音響変換素子
4 空隙部
5 フレーム
6 振動部
7 第一の導電体層
8 圧電体層
9 第二の導電体層
10 アクチュエータ部
11 基板
12 白金層
13 チタン酸ジルコン酸鉛層
14 金層
15 レジストマスク
16 レジストマスク
17 レジストマスク
18 樹脂層
19 フレーム
20 切欠き部
21 振動部
22 支持側
23 先端側
24 振動部
25 支持部
26 先端部
30 重り
31 空隙部
36 振動部
42 シリコン層
43 二酸化珪素層
44 シリコン層
55 フレーム

【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくとも一つの開口部を有する振動容器と、この振動容器の中に装填した圧電型音響変換素子からなる圧電型音響変換装置であって、前記圧電型音響変換素子は空隙部を設けたフレームと、このフレームの一部を薄く加工することによって形成した振動部と、前記振動部の少なくとも一面に形成した第一の導電体層、圧電体層、第二の導電体層からなるアクチュエータ部とからなり、さらにこの振動部の一端が前記フレームに支持された片持支持構造とするとともに振動部は振動部の厚み方向に反った形状とし、且つこの振動部の先端が前記振動容器の開口部に対向するように配置した圧電型音響変換装置。
【請求項2】
第二の導電体層の上に樹脂層を設けた請求項1に記載の圧電型音響変換装置。
【請求項3】
振動部の先端側にあるフレームに切欠き部を設けた請求項1に記載の圧電型音響変換装置。
【請求項4】
振動部の厚みを振動部の片持支持部より先端へ向かって薄くした請求項1に記載の圧電型音響変換装置。
【請求項5】
振動部の先端側の幅を振動部の片持支持部の幅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6】
圧電型音響変換素子の振動部に重りを設けた請求項1に記載の圧電型音響変換装置。
【請求項7】
圧電型音響変換素子のフレームと振動部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8】
圧電型音響変換素子のフレームをシリコンと二酸化珪素とシリコンの積層体とし、振動部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9】
第一の導電体層を白金、チタンのいずれか一つを含む導電材料とし、圧電体層は主成分としてチタン酸ジルコン酸鉛を圧電材料とした請求項1に記載の圧電型音響変換装置。
【請求項10】
圧電型音響変換素子を振動容器の開口部に対して垂直面内に配置した圧電型音響変換装置。

【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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