JP2012105170A

JP2012105170A - 圧電型トランスデューサーおよびその製造方法

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Publication number: JP2012105170A
Application number: JP2010253502A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Yano; 博昭矢野; Masahiro Sugiura; 正浩杉浦
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2010-11-12
Filing date: 2010-11-12
Publication date: 2012-05-31

Abstract

【課題】弾性膜と圧電素子が剥離しにくく音圧特性に優れた圧電型トランスデューサーを提供する。
【解決手段】圧電型トランスデューサー（１）は、液状膜が硬化した弾性膜（１３）と、弾性膜１３の外側端部と結合され弾性膜（１３）を支持する支持部（１１）と、接着剤を介さずに弾性膜（１３）と結合されている振動板と、弾性膜（１３）とともに歪む圧電素子（１０）とを備え、振動板の端面を含む外縁部に弾性膜が結合している。
【選択図】図１

Description

本発明は圧電型トランスデューサーに関する。

従来、振動フィルムと一体の振動板を圧電効果によって駆動することによって音を発生させる圧電型スピーカーなどの圧電型トランスデューサーが知られている。樹脂フィルムからなる弾性膜に圧電素子を含む振動板を結合して圧電型スピーカーを構成すると、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１には樹脂フィルムからなる弾性膜に熱硬化性接着剤によって圧電素子を接着した圧電型トランスデューサーが開示されている。特許文献２には弾性膜となる樹脂フィルムの一面に予め感圧性粘着剤からなる粘着層を形成しておき、樹脂フィルムの粘着層に圧電素子を貼り付けるとともに圧電素子の外周部を熱硬化性接着剤によって結合した圧電型トランスデューサーが開示されている。特許文献２に開示された圧電型トランスデューサーにおいては、弾性膜と圧電素子の間に介在させる熱硬化性接着剤のはみ出しや膜厚のばらつきや接着剤の硬化による音圧特性の劣化を予め形成される粘着層によって解決するとともに、粘着層のみで樹脂フィルムと圧電素子を結合する際の結合力の不足が少量の熱硬化性接着剤によって補われている。

特開２００２−１１２３９１号公報特許４２０３９１１号公報

しかし、特許文献２に記載されているようにたとえ熱硬化性接着剤の使用量を低減することによって音圧特性の低下を抑制できるとしても、熱硬化性接着剤を弾性膜に付する以上、音圧特性の低下を避けることはできず、また、熱硬化性接着剤の使用量のばらつきによって音圧特性がばらつくことも否めない。そして接着剤を塗布する工程を追加すれば製造コストが上がる。また、既成品として流通している樹脂フィルムの厚みは選択肢が狭いという問題もある。

本発明は、弾性膜と振動板が剥離しにくく振動特性に優れ簡素な工程で製造できる圧電型トランスデューサーを提供することを目的とする。

（１）前記目的を達成するための圧電型トランスデューサーは、液状膜が硬化した弾性膜と、前記弾性膜の外縁部と結合され前記弾性膜を支持する支持部と、接着剤を介さずに前記弾性膜と結合され端面が傾斜している振動板と、前記弾性膜とともに歪む圧電素子と、を備え、前記振動板の端面を含む外縁部に前記弾性膜の中央部が結合している。
本発明によると、液状樹脂を用いることによって振動板と弾性膜とを接着剤を介さずに直接結合できるため振動特性に優れ簡素な工程で製造できる圧電型トランスデューサーを実現できる。また振動板の傾斜した端面と弾性膜とを結合させることによって、結合界面の面積を増大させ、振動板が剥離しにくい圧電型トランスデューサーを実現することができる。

（２）前記目的を達成するための圧電型トランスデューサーは、液状膜が硬化した弾性膜と、前記弾性膜の外縁部と結合され前記弾性膜を支持する支持部と、接着剤を介さずに前記弾性膜と結合され端面が複数の凹凸を有する振動板と、前記弾性膜とともに歪む圧電素子と、を備え、前記振動板の端面を含む外縁部に前記弾性膜が結合している。
本発明によると、液状樹脂を用いることによって振動板と弾性膜とを接着剤を介さずに直接結合できるため振動特性に優れ簡素な工程で製造できる圧電型トランスデューサーを実現できる。また振動板の複数の凹凸を有する端面と弾性膜とを結合させることによって、結合界面の面積を増大させ、振動板が剥離しにくい圧電型トランスデューサーを実現することができる。

（３）前記目的を達成するための圧電型トランスデューサーの製造方法は、一方の主面上にエッチングストッパ層と機能層が順に積層された基板を準備するステップと、前記機能層を前記エッチングストッパ層が露出するまで環状にエッチングすることによって環状溝を形成するステップと、前記環状溝を覆う液状膜を形成するステップと、前記液状膜を硬化させて弾性膜を形成するステップと、前記弾性膜と前記環状溝の内側の前記機能層とが露出するまで前記基板の他方の主面からエッチングするステップと、を含む。
本発明によると、振動板が剥離しにくく振動特性に優れた圧電型トランスデューサーを簡素な工程によって製造することができる。

（４）前記目的を達成するための圧電型トランスデューサーの製造方法において、前記環状溝および前記環状溝の内側を覆う前記液状膜を形成してもよい。
この構成を採用すると、硬化した液状樹脂膜を振動板上に残すことによって、振動板がさらに剥離しにくい圧電型トランスデューサーを製造することができる。

（５）前記目的を達成するための圧電型トランスデューサーの製造方法において、前記弾性膜をパターニングすることによって前記環状膜の内側に形成された前記弾性膜の一部を除去するステップ、をさらに含んでもよい。
この構成を採用すると、硬化した液状樹脂膜を振動板上に残す形態を調整することによって、圧電型トランスデューサーの振動特性を調整することができる。

（６）前記目的を達成するための圧電型トランスデューサーの製造方法において、端面が傾斜した前記振動板を形成してもよい。
この構成を採用すると、振動板と樹脂膜の結合界面の面積が増大するため、振動板がさらに剥離しにくい圧電型トランスデューサーを製造することができる。

（７）前記目的を達成するための圧電型トランスデューサーの製造方法において、端面が複数の凹凸を有する前記振動板を形成してもよい。
この構成を採用すると、振動板と樹脂膜の結合界面の面積が増大するため、振動板がさらに剥離しにくい圧電型トランスデューサーを製造することができる。

なお本明細書において"主面"と"端面"の用語は次の意味において用いられる。すなわち、板状の物体の表面全体が、互いに表裏の関係にあっていずれの"端面"よりも広い２つの"主面"と、２つの"主面"の間をつなぎ環状に連続しそれぞれが"主面"よりも狭い複数の"端面"とで構成されているという認識を前提として、"主面"と"端面"の用語が用いられる。

図１Ａは本発明の第一実施例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例にかかる平面図である。本発明の第一実施例にかかる断面図である。本発明の第一実施例にかかる断面図である。本発明の第一実施例にかかる断面図である。本発明の第一実施例にかかる断面図である。本発明の第一実施例にかかる断面図である。本発明の第一実施例にかかる断面図である。本発明の第一実施例にかかる断面図である。本発明の第一実施例にかかる断面図である。図１０Ａは本発明の第二実施例にかかる断面図であって、図１０Ｂに示す１０Ａ−１０Ａ線断面図である。図１０Ｂおよび図１０Ｃは本発明の第二実施例にかかる平面図である。本発明の第三実施例にかかる折れ線グラフである。本発明の第三実施例にかかる断面図である。比較例にかかる断面図である。本発明の他の実施例にかかる断面図である。本発明の他の実施例にかかる断面図である。本発明の他の実施例にかかる断面図である。本発明の他の実施例にかかる断面図である。本発明の他の実施例にかかる断面図である。本発明の他の実施例にかかる断面図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。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。

１．第一実施例
（構成）
図１に本発明の第一実施例にかかる圧電型トランスデューサー１を示す。圧電型トランスデューサー１は半導体製造プロセスを用いて製造されるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）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。圧電型トランスデューサー１は支持部１１と弾性膜１３と圧電素子１０と振動板１６とを備える。

支持部１１は孔１１ａを囲む矩形枠の形態を有する。支持部１１は弾性膜１３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。支持部１１は基板層１０１、エッチングストッパ層としての絶縁層１０２、機能層１０６を含む。孔１１ａの断面は円形でもよい。基板層および機能層としては、単結晶珪素、多結晶珪素、二酸化珪素、セラミックス（ジルコニア、アルミナなど）、ガラス、ガラスセラミックス、金属（銅、ステンレス）などの無機材料や樹脂を用いることができる。エッチングストッパ層としては酸化珪素などを用いることができる。

弾性膜１３は液状膜が硬化した弾性膜である。弾性膜１３の外縁部１３ｂは支持部１１の内縁部に直接結合している。弾性膜１３の内縁部１３ａは振動板１６の外縁部に直接結合している。すなわち弾性膜１３は、支持部１１によって圧電素子１０とともに支持され、孔１１ａの断面形状によってその振動端の形状が決まっている弾性膜である。弾性膜１３は、厚さ１μｍ以上５０μｍ以下で幅１００μｍ以上２０００μｍ以下の環状の形態を有する。弾性膜１３は、ポリイミド、ＰＮＢ（ポリノルボルネン）、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）等の熱硬化性樹脂、シリコンエラストマー等の熱可塑性エラストマー、ゴム¹等の絶縁性材料からなり、ヤング率が０．０１ＧＰａ以上１０ＧＰａ以下の材料が好ましい。

圧電素子１０は下電極層１０３および上電極層１０５に圧電層１０４が挟み込まれた構造を有し、外周が矩形の板状である。圧電素子１０には駆動信号を印加するためのワイヤ１５ａ、１５ｂが接続される。上電極層１０５および圧電層１０４にはワイヤ１５ａを下電極層１０３に接続するためのコンタクトホール１０ａが形成されている。コンタクトホール１０ａの側壁は弾性膜１３と同時に形成された弾性膜１３と同質の絶縁膜１４によって覆われている。コンタクトホール１０ａの側壁を絶縁膜１４で覆うことによってショートを防止できる。また絶縁膜１４を弾性膜１３と同時に形成することによって製造コストの増大無く絶縁膜１４を形成できる。圧電層１０４はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）などの圧電材料からなり、厚さは例えば３μｍ程度に設定する。下電極層１０３および上電極層１０５はそれぞれが例えば白金（Ｐｔ）からなり、厚さは例えば０．１μｍ程度に設定する。
振動板１６は環状の端面からなる外縁部全体において弾性膜１３と結合している。振動板１６は、例えば縦８ｍｍ、横１３ｍｍ、厚さ１０μｍの矩形板状とする。振動板１６の端面は絶縁層１０２と機能層１０６の界面に対して傾斜している。このため振動板１６の端面が絶縁層１０２と機能層１０６の界面に対して垂直である場合に比べて振動板１６と弾性膜１３との結合界面が増大し、その結果、振動板１６と弾性膜１３との結合強度がさらに高まる。

（製造方法）
次に図２から図９に基づいて圧電型トランスデューサー１の製造方法を説明する。
はじめに、図２に示すように、基板層１０１としての厚い単結晶珪素層、絶縁層１０２としての酸化珪素層および機能層１０６としての薄い単結晶珪素層からなるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を準備する。続いてＳＯＩ基板の第一の主面に、下電極層１０３、圧電層１０４、上電極層１０５をスパッタ法などを用いて順に積層する。

次に図３に示すようにフォトレジストからなる所定パターンの保護膜Ｒ１を上電極層１０５上に形成する。続いて保護膜Ｒ１を用いたエッチングによって上電極層１０５および圧電層１０４をパターニングする。

次に図４に示すようにコンタクトホール１０ａを覆うフォトレジストからなる保護膜Ｒ２を形成し、保護膜Ｒ２を用いたエッチングによって下電極層１０３をパターニングすることによって圧電素子１０を完成させる。
次に、下電極層１０３を保護膜として用い、図５に示すようにエッチングストッパ層１０２が露出するまで機能層１０６を環状にエッチングすることによって環状溝Ｔおよび振動板１６を形成する。このとき振動板１６の端面をエッチングによって傾斜させるには、異方性のウエットエッチング法や表面が傾斜した保護膜を用いるドライエッチング法などを利用すればよい。

次に図６に示すように液状膜Ｒ３で環状溝Ｔ、振動板１６および圧電素子１０を覆った後に、液状膜Ｒ３を硬化させることによって弾性膜Ｒ３を形成する。具体的には例えば、塗布、スピンコーティング、ディッピング、スプレー、蒸着、印刷等によって液状の感光性ポリイミド膜を形成した後に、感光性ポリイミド膜を加熱によってイミド化して硬化させることによって弾性膜Ｒ３を形成する。このとき、環状溝Ｔの側面が傾斜しているため弾性膜Ｒ３と下地との間にボイドが形成されにくく、また、ステップカバレッジが良好になる。

次に図７に示すように、弾性膜Ｒ３をパターニングすることによって、支持部１１の内縁部と圧電素子１０の外縁部とコンタクトホール１０ａの側壁とに残すべき弾性膜Ｒ３の部分を残して除去する。具体的には、感光性ポリイミド膜を露光・現像することによって感光性ポリイミド膜の一部を除去する。

次に図８に示すようにフォトレジストからなる所定パターンの保護膜Ｒ４を基板層１０１の第二の主面（第一の主面の裏側の主面）上に形成する。続いて保護膜Ｒ４を用いた基板層１０１のウェットエッチングやＤｅｅｐ−ＲＩＥによって孔１１ａを形成し、エッチングストッパ層１０２を露出させる。
次に図９に示すように、エッチングストッパ層１０２の孔１１ａから露出した部分を除去し、弾性膜１３および振動板１６を露出させる。
保護膜Ｒ４を除去した後に、ダイシング、パッケージング等の後工程を実施すると図１に示す圧電型トランスデューサー１が完成する。

（作動）
このようにして製造された圧電型トランスデューサー１は次のように作動する。ワイヤ１５ａ、１５ｂを介して圧電素子１０に音声波の駆動信号を印加すると圧電素子１０が面内方向（図１Ｂにおいて紙面と平行な方向）に伸縮する。すると、振動板１６が撓んで弾性膜１３が振動し、弾性膜１３から音が送波される。

圧電型トランスデューサー１は、振動板１６と弾性膜１３とが接着剤を用いずに直接結合している。したがって接着剤の使用による振動特性の低下や、接着剤の使用量のばらつきによる振動特性のばらつきを防止できるとともに、振動板１６と弾性膜１３との結合強度を高めることができる。また、弾性膜１３の形成と同時に振動板１６と弾性膜１３とを結合できるため、製造コストを抑制できる。また液状膜を硬化させることによって弾性膜１３を形成するため、弾性膜１３の厚さを自由に設定して振動特性を幅広く調整することができる。
また、ＳＯＩ基板の第一の主面に絶縁層を形成してから圧電型トランスデューサ１を製造しても良い。機能層１０６と下電極層１０３を電気的に分離することができ、より圧電膜へ効率良く電圧を印加することが可能になる。

（第二実施形態）
本発明の第二実施形態にかかる圧電型トランスデューサ２を図１０に基づいて説明する。なお、図１０Ｃでは弾性膜１３が省略されている。圧電型トランスデューサ２の圧電素子１０は弾性膜１３よりも外側に設けられている。支持部１１は、機能層１０６の図１０Ｃに示す矢印の領域１１ｂが基板層１０１よりも内側に突き出ている。４つの圧電素子１０のそれぞれの一部は領域１１ｂ上に形成され、機能層１０６は薄く（厚さ１０μｍ）形成されているため、圧電素子１０が面内方向（図１０Ｂにおいて紙面と平行な方向）に伸縮すると領域１１ｂが撓む。したがって、４つの圧電素子１０を駆動することによって、領域１１ｂに結合されている樹脂膜１３と樹脂膜１３に結合されている振動板１６とを駆動することができる。
圧電型トランスデューサ２は、圧電素子１０のパターンと基板層１０１のパターンが圧電型トランスデューサ１と異なるだけであるから、第一実施形態で説明した方法と同様の方法で製造することができる。

（第三実施例）
図１１に示す実線の折れ線（１）は、図１２に示すように弾性膜１３に振動板１６の端面が接着剤を介さずに弾性膜１３に直接結合された圧電型トランスデューサー３の振動特性である。図１１に示す折れ線（２）は、図１３に示すように弾性膜３０２と振動板３６とが熱硬化性接着剤Ｂによって結合された比較例としての圧電型トランスデューサー９の振動特性である。比較例９にかかる振動板３６は機能層１０６からなり、比較例９にかかる弾性膜３０２は既製品の樹脂フィルムからなる。第三実施例としての圧電型トランスデューサー３および比較例としての圧電型トランスデューサー９の寸法設定は次の表１のとおりである。

弾性膜１３に振動板１６が直接結合している圧電型トランスデューサ３と比較例９とでは、折れ線（１）、（２）が示すようにほぼ全域にわたって圧電型トランスデューサ３の方が大きな音圧を得ることができる。このように、弾性膜１３の厚さが既製品の弾性膜３０２より薄く、接着剤を介さずに弾性膜１３と振動板１６が直接結合している圧電型トランスデューサ３は、比較例９に比べて優れた振動特性を示すのである。

（他の実施例）
図１４に示すように弾性膜１３が振動板１６の端面にのみ直接結合していてもよい。また、弾性膜１３が振動板１６の端面にのみ結合していても、図１５に示すように振動板１６の端面に多数の凹凸を形成することによって十分な結合強度を得ることができる。
また図１６に示すように振動板１６ａ、１６ｂを積層しても良い。この場合、それぞれの振動板１６ａ、１６ｂの外周寸法を異ならせることによって振動板１６と弾性膜１３との結合界面の面積を増大させることができる。

また図１７に示すように樹脂膜Ｒ１０８によって弾性膜１３を構成する場合に、振動板１６の上に形成した樹脂膜Ｒ１０８を、振動特性を調整するための質量部１７として利用しても良い。
また図１８に示すように、弾性膜１３となる樹脂膜Ｒ１０８の振動板１６および支持部１１との結合部には応力が集中するため、樹脂膜Ｒ１０８よりも厚い樹脂膜Ｒ１０９を樹脂膜Ｒ１０８の上に積層することによって強度を高めても良い。
また弾性膜は環状に限らず、支持部と振動板とをつなぐ形態であればよく、例えば振動板の４辺のそれぞれに、互いに切り離された４つの弾性膜が結合する形態であっても良い。

また図１９に示すように、バイモルフ型の圧電素子１８自体を振動板としてもよい。バイモルフ型の圧電素子１８は、圧電層１８ａ、１８ｂと、これらの間に挟まれた電極層１９ｂと、圧電層１６ａ、１６ｂの表面に結合している電極層１９ａとからなる。圧電層１８ａ、１８ｂの間に挟まれた電極層１９ｂは圧電層１８ａ、１８ｂの端面から引き出され、折り曲がって圧電層１８ｂの表面に結合している。電極層１９ｂの露出している部分にはワイヤ２０ｂが接続される。電極層１９ａは、圧電層１８ａの表面から圧電層１８ｂの表面までを覆うように形成されている。電極層１９ａにはワイヤ２０ａが接続される。

尚、本発明の技術的範囲は、上述した実施例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、上記実施例で示した材質や寸法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。

１，２，３…圧電型トランスデューサー、１０…圧電素子、１０ａ…コンタクトホール、１１…支持部、１１ａ…孔、１３…弾性膜、１３ａ…内縁部、１３ｂ…外縁部、１４…絶縁膜、１５ａ,１５ｂ…ワイヤ、１６…振動板、１７…質量部、１８…圧電素子、１９ａ…電極層、１９ｂ…電極層、２０ａ…ワイヤ、２０ｂ…ワイヤ、３６…振動板、１０１…基板層、１０２…絶縁層、１０２…エッチングストッパ層、１０２…機能層、１０３…下電極層、１０４…圧電層、１０５…上電極層、１０６…機能層

Claims

液状膜が硬化した弾性膜と、
前記弾性膜の外縁部と結合され前記弾性膜を支持する支持部と、
接着剤を介さずに前記弾性膜と結合され端面が傾斜している振動板と、
前記弾性膜とともに歪む圧電素子と、
を備え、
前記振動板の端面を含む外縁部に前記弾性膜の中央部が結合している、
圧電型トランスデューサー。
液状膜が硬化した弾性膜と、
前記弾性膜の外縁部と結合され前記弾性膜を支持する支持部と、
接着剤を介さずに前記弾性膜と結合され端面が複数の凹凸を有する振動板と、
前記弾性膜とともに歪む圧電素子と、
を備え、
前記振動板の端面を含む外縁部に前記弾性膜が結合している、
圧電型トランスデューサー。
一方の主面上にエッチングストッパ層と機能層が順に積層された基板を準備するステップと、
前記機能層を前記エッチングストッパ層が露出するまで環状にエッチングすることによって環状溝を形成するステップと、
前記環状溝を覆う液状膜を形成するステップと、
前記液状膜を硬化させて弾性膜を形成するステップと、
前記基板の他方の主面から前記弾性膜と前記環状溝の内側の前記機能層とが露出するまでエッチングするステップと、
を含む圧電型トランスデューサーの製造方法。
前記環状溝および前記環状溝の内側を覆う前記液状膜を形成する、
請求項３に記載の圧電型トランスデューサーの製造方法。
前記弾性膜をパターニングすることによって前記環状膜の内側に形成された前記弾性膜の一部を除去するステップ、
をさらに含む請求項４に記載の圧電型トランスデューサーの製造方法。
端面が傾斜した前記振動板を形成する、
請求項３から５のいずれか一項に記載のトランスデューサーの製造方法。
端面が複数の凹凸を有する前記振動板を形成する、
請求項３から６のいずれか一項に記載のトランスデューサーの製造方法。